應(yīng)用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法評(píng)價(jià)中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)性

胡 科, 劉曉磊, 魏希文, Nath Reshmita, 崔雪鋒,*

1 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070 2 北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875 3 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所季風(fēng)系統(tǒng)研究中心，北京 100029

應(yīng)用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法評(píng)價(jià)中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)性

胡 科1,2, 劉曉磊2, 魏希文2, Nath Reshmita3, 崔雪鋒2,*

1 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070 2 北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875 3 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所季風(fēng)系統(tǒng)研究中心，北京 100029

將生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法應(yīng)用于中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)性分析。依據(jù)1987—2010年的投入產(chǎn)出數(shù)據(jù),構(gòu)建中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的貨幣網(wǎng)絡(luò)流,用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)量化經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)特征和變化情況,探討中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中增長(zhǎng)與發(fā)展的變化及其可持續(xù)性。主要結(jié)論有：(1)1987—2010年間中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的總吞吐量呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì),網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷增長(zhǎng)。(2)1987—2010年間中國(guó)經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)效率在波動(dòng)中呈增加趨勢(shì),但增長(zhǎng)幅度較小。從長(zhǎng)期階段看,1997—2010年間的系統(tǒng)效率和組織能力比1987—1995年間有明顯提高,表明經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)在后期獲得了一定程度的發(fā)展。但系統(tǒng)效率在2002年達(dá)到高點(diǎn)后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。(3)1987—2010年間中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的上升性和發(fā)展能力都在持續(xù)提高,但主要來(lái)自規(guī)模增長(zhǎng)。增長(zhǎng)和發(fā)展的量化結(jié)果表明,1987—2010年間中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)上升性的提高,90%來(lái)自總吞吐量(增長(zhǎng)),只有10%來(lái)自效率改進(jìn)(發(fā)展)。(4)1987—2010年間的中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的α平均值為0.138,遠(yuǎn)小于0.37或0.33的可持續(xù)性最優(yōu)平衡點(diǎn),系統(tǒng)處于缺乏效率的不可持續(xù)的狀態(tài)。要提高經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)性,需要提高經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的效率(結(jié)構(gòu))和組織能力。

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析；中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)；增長(zhǎng)；發(fā)展；可持續(xù)性

定量測(cè)度發(fā)展的可持續(xù)性狀態(tài)的可持續(xù)發(fā)展評(píng)估研究就成為可持續(xù)發(fā)展研究的重要內(nèi)容之一[1]。目前可持續(xù)發(fā)展的評(píng)價(jià)方法主要有：(1)建立可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,根據(jù)指標(biāo)得分和權(quán)重量化區(qū)域的可持續(xù)性。但指標(biāo)體系的建立和指標(biāo)權(quán)重的確定通常具有較強(qiáng)的主觀性,且指標(biāo)體系中的每一個(gè)指標(biāo)與可持續(xù)性的內(nèi)在聯(lián)系解釋的不充分[2]。(2)生態(tài)足跡方法,該方法通過(guò)計(jì)算人類(lèi)活動(dòng)的生態(tài)足跡與土地的生態(tài)承載力,判斷一個(gè)區(qū)域是否處于可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài),或者通過(guò)趨勢(shì)分析告訴人們是接近或者遠(yuǎn)離了可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。但忽略了開(kāi)放系統(tǒng)下的區(qū)域的生態(tài)差異[3]和人類(lèi)資本對(duì)經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)[4],其實(shí)質(zhì)仍屬于承載力的范疇。(3)能值分析法,該方法將區(qū)域的各種能量轉(zhuǎn)換為同一標(biāo)準(zhǔn)的太陽(yáng)能值來(lái)衡量和分析生區(qū)域環(huán)境的可持續(xù)狀況,同時(shí)考慮了人類(lèi)活動(dòng)和自然環(huán)境對(duì)發(fā)展的貢獻(xiàn)。但未能從根本上解決方法體系中核心的能值轉(zhuǎn)化率的確定問(wèn)題,其轉(zhuǎn)化率的確定受人為影響較大,沒(méi)有考慮到環(huán)境的影響因素[5]?？梢?jiàn),這些可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)方法都存在著某些方面的不足,而且都未能澄清增長(zhǎng)與發(fā)展之間關(guān)系。

經(jīng)濟(jì)發(fā)展不同于經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。增長(zhǎng)是指用以維持商品的生產(chǎn)和消費(fèi)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的物質(zhì)/能量流量在物理規(guī)模上的加??；而來(lái)源于技術(shù)知識(shí)的改善或是對(duì)目標(biāo)的更深理解,由既定流量規(guī)模構(gòu)成的使用中的性能改善,才被稱(chēng)之為發(fā)展[6]；二者并不一致但都與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)性密切相關(guān)。因此,經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)性評(píng)價(jià),需辨明經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的增長(zhǎng)、發(fā)展以及可持續(xù)性的相互關(guān)系。然而,傳統(tǒng)的GDP/GNP指標(biāo)以及目前的可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)尚無(wú)法澄清經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與發(fā)展之間的關(guān)系。

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析(Ecological Network Analysis,ENA)方法可以量化生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各組分之間聯(lián)系方式、作用關(guān)系[7-10],定量辨識(shí)生態(tài)系統(tǒng)中的增長(zhǎng)與發(fā)展之間的關(guān)系[11-12],已廣泛應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、健康性、系統(tǒng)效率和可持續(xù)性評(píng)價(jià),并逐漸應(yīng)用于城市代謝系統(tǒng)、產(chǎn)業(yè)模式、景觀生態(tài)、流域水資源系統(tǒng)評(píng)價(jià)[13]。近年來(lái)有研究指向生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)應(yīng)用的理論探討和實(shí)證分析。Templet[14]選取了6個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家和6個(gè)發(fā)展中國(guó)家,用經(jīng)濟(jì)部門(mén)間的能源網(wǎng)絡(luò)來(lái)測(cè)度這12個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的多樣性指數(shù)、能源吞吐量和發(fā)展能力等指標(biāo),并將這三項(xiàng)指標(biāo)的變化趨勢(shì)與國(guó)民生產(chǎn)總值(GNP)變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比。認(rèn)為在1971—1988年間發(fā)展中國(guó)家的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的多樣性增長(zhǎng)較少或呈負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì),而能源吞吐量和發(fā)展能力增長(zhǎng)較快；發(fā)達(dá)國(guó)家的情況則比較復(fù)雜,在不同的階段和不同的國(guó)家呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。GNP的增長(zhǎng)趨勢(shì)與發(fā)展能力的增長(zhǎng)趨勢(shì)具有相關(guān)性,發(fā)展中國(guó)家的能源吞吐量對(duì)發(fā)展能力的貢獻(xiàn)較大,發(fā)達(dá)國(guó)家的能源吞吐量對(duì)發(fā)展能力的貢獻(xiàn)較少。Goerner等[15]討論了網(wǎng)絡(luò)分析方法在量化經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面的應(yīng)用性,認(rèn)為類(lèi)似的能量概念和網(wǎng)絡(luò)分析的方法可以適用于所有的物質(zhì)-能量-信息流系統(tǒng),系統(tǒng)科學(xué)的長(zhǎng)期觀察和有關(guān)自組織系統(tǒng)的研究也同樣證實(shí)了系統(tǒng)的行為模式和發(fā)展動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的相似之處。并指出傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)測(cè)量指標(biāo)(如GNP)并不能測(cè)度經(jīng)濟(jì)的健康狀況,而網(wǎng)絡(luò)分析法可以有效識(shí)別出經(jīng)濟(jì)泡沫,這種量化經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方法有助于了解長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)健康和優(yōu)化市場(chǎng)功能。Kharrazi等[16]分析了6種經(jīng)濟(jì)資源的貿(mào)易網(wǎng)絡(luò),包括227個(gè)國(guó)家58種商品的虛擬水貿(mào)易、137個(gè)國(guó)家的石油貿(mào)易、全球的商品貿(mào)易、經(jīng)合組織-金磚四國(guó)的商品貿(mào)易、經(jīng)合組織-金磚四國(guó)的外國(guó)直接投資、199個(gè)國(guó)家的鋼鐵貿(mào)易。得出的6種經(jīng)濟(jì)資源貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)的效率與冗余的平衡值,均比自然生態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)平衡值小,原因是經(jīng)濟(jì)資源網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展能力在持續(xù)提高,為系統(tǒng)提供了更多剩余。國(guó)內(nèi)黃茄莉和徐中民[17-18]研究了甘肅省經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)1987—1995年間的上升性和發(fā)展能力的發(fā)展趨勢(shì)；用經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的貨幣網(wǎng)絡(luò)流評(píng)價(jià)了北京市經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)1985—2005的上升性、恢復(fù)力和可持續(xù)性的變化趨勢(shì),以及各經(jīng)濟(jì)部門(mén)對(duì)上升性的貢獻(xiàn)程度。肖強(qiáng)等人[19]測(cè)算了重慶市經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)1990—2006年的上升性發(fā)展趨勢(shì),并將其與能源消費(fèi)量和污染排放量進(jìn)行了時(shí)間序列分析。

本文應(yīng)用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法評(píng)價(jià)1987—2010年間中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的增長(zhǎng)與發(fā)展情況及其可持續(xù)性。下面,首先構(gòu)建經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的貨幣網(wǎng)絡(luò)流,然后用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)量化中國(guó)經(jīng)濟(jì)網(wǎng)絡(luò)的特征及其變化情況,最后分析經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的規(guī)模、效率的變化情況及其可持續(xù)性狀態(tài)。

1 中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

建立中國(guó)經(jīng)濟(jì)貨幣網(wǎng)絡(luò)的流量數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)1987、1990、1992、1995、1997、2000、2002、2005、2007、2010年10期投入產(chǎn)出表,數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒。由于不同年份投入產(chǎn)出表的經(jīng)濟(jì)部門(mén)分類(lèi)有所不同,為了統(tǒng)一口徑和便于分析,根據(jù)行業(yè)特征對(duì)不同年份的投入產(chǎn)出表進(jìn)行部門(mén)合并,共分為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)、運(yùn)輸郵電、商業(yè)飲食、其他服務(wù)業(yè)6類(lèi)。另外,由于我國(guó)1987—1995年的投入產(chǎn)出表中沒(méi)有區(qū)分各部門(mén)的進(jìn)口和出口,而是將其合并為凈出口一項(xiàng)。為了得到1987—1995年各部門(mén)的進(jìn)出口數(shù)據(jù),我們參照李強(qiáng)和薛天棟[20]各產(chǎn)業(yè)進(jìn)口和出口的比率,結(jié)合對(duì)應(yīng)年份的凈出口數(shù)據(jù),得到1987—1995年各部門(mén)的出口和進(jìn)口數(shù)據(jù)。

1.2 經(jīng)濟(jì)貨幣網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析中的輸入、輸出、內(nèi)部流動(dòng)、耗散四類(lèi)流[21],分別與投入產(chǎn)出表中各部門(mén)的進(jìn)口、出口、部門(mén)流量矩陣、最終使用(剔除出口)對(duì)應(yīng),用網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)代表各個(gè)部門(mén),流量代表部門(mén)之間的價(jià)值轉(zhuǎn)移,獲得中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的六部門(mén)貨幣網(wǎng)絡(luò)(圖1)。

圖1 2010年中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)6部門(mén)貨幣網(wǎng)絡(luò)流(億元)Fig.1 Currency network flows among six sectors of China economic system in 2010 (×108 yuan)實(shí)線(xiàn)直線(xiàn)箭頭表示部門(mén)間流入流出,實(shí)線(xiàn)彎曲箭頭表示部門(mén)對(duì)自身的投入,向外的虛線(xiàn)箭頭表示部門(mén)的出口,向內(nèi)的虛線(xiàn)箭頭部門(mén)進(jìn)口,向外的點(diǎn)線(xiàn)箭頭表示部門(mén)的最終使用(剔除出口部分)

1.3 網(wǎng)絡(luò)的增長(zhǎng)

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析中,增長(zhǎng)被定義為系統(tǒng)規(guī)模的增加或擴(kuò)張,表現(xiàn)為系統(tǒng)空間范圍的擴(kuò)張或網(wǎng)絡(luò)媒介流量(物質(zhì)-能量-信息)的增加[11],常用系統(tǒng)總吞吐量(Total System Throughput,TST)指標(biāo)來(lái)衡量。

(1)

式中,TST為系統(tǒng)總吞吐量指標(biāo),它是系統(tǒng)中各類(lèi)媒介流量(物質(zhì)-能量-信息)的總和,用來(lái)表征系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的總體規(guī)模和活動(dòng)量。

根據(jù)式1計(jì)算得出1987—2010年中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的TST(表1)。計(jì)算時(shí),為了排除貨幣網(wǎng)絡(luò)的價(jià)格因素影響,我們將不同年份的TST統(tǒng)一調(diào)整為1987年的不變價(jià)格。

1.4 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析中的發(fā)展被定義為系統(tǒng)組織和結(jié)構(gòu)功能的增強(qiáng),是獨(dú)立于系統(tǒng)規(guī)模的成分[11],用系統(tǒng)的平均相互信息(AverageMutualInformation,AMI)指標(biāo)衡量。

信息是不確定性的降低。假設(shè)事件i發(fā)生的概率為p(i),發(fā)生的不確定性為hi,則hi= -klogp(i)。整個(gè)系統(tǒng)的不確定性可以表示為式2。在網(wǎng)絡(luò)分析中,hi表征事件發(fā)生變化的潛力,事件發(fā)生的概率越大,發(fā)生變化的潛力越?。籋表示整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)歷變化的總能力,被定義為多樣性(Diversity)；k為信息變量單位,k的數(shù)值依據(jù)公式中對(duì)數(shù)的底數(shù)確定,如果對(duì)數(shù)的底數(shù)為2,則k為1比特(Bit),如果取自然對(duì)數(shù),則k是1奈特(Nat)。

(2)

若已獲知事件i發(fā)生的不確定性和事件j發(fā)生時(shí)事件i發(fā)生的不確定性,則可以求出由j引起的i不確定性的降低,即j帶給i的信息?？杀硎緸槭?。

(3)

由式3可知,事件j帶給i的信息與事件i帶給j的信息是相互一致的。因此,可以認(rèn)為式3是事件i和j提供給彼此的相互信息。整個(gè)系統(tǒng)的平均相互信息(AMI)可以表示為式4。

(4)

(5)

(6)

式中,H為系統(tǒng)的多樣性指數(shù),AMI為系統(tǒng)的平均相互信息。根據(jù)對(duì)數(shù)函數(shù)的凸性可知,H≥AMI≥0,即多樣性指數(shù)是平均相互信息的上限。系統(tǒng)的AMI是H中的有效部分,AMI通過(guò)結(jié)構(gòu)約束,提高系統(tǒng)效率。系統(tǒng)越有序、規(guī)則,表示系統(tǒng)的效率越高效、連貫。AMI的值越高,表示系統(tǒng)的媒介流量受到的結(jié)構(gòu)約束越強(qiáng),這樣的系統(tǒng)稱(chēng)為高度組織化的。等量的媒介流量在比較確定的網(wǎng)絡(luò)連接中傳輸所帶來(lái)的效率,要高于其在不確定的網(wǎng)絡(luò)連接中的傳輸效率,系統(tǒng)AMI的提高意味著組織能力的提高,故AMI的提高被視為系統(tǒng)的發(fā)展。

根據(jù)式5和式6,分別計(jì)算得出中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在1987—2010年間的系統(tǒng)多樣性指數(shù)(H)和平均相互信息(AMI)的變化情況(表1)。

2.5 網(wǎng)絡(luò)的上升性、恢復(fù)力與發(fā)展能力

系統(tǒng)總吞吐量(TST)與平均相互信息(AMI)的乘積被定義為上升性(Ascendency,A)[11](式7),用來(lái)表征系統(tǒng)的發(fā)展程度。上升性指標(biāo)綜合了系統(tǒng)總吞吐量(增長(zhǎng))和平均相互信息(發(fā)展)的共同作用,它是系統(tǒng)中受到結(jié)構(gòu)約束的規(guī)模部分,衡量系統(tǒng)中的有效部分。

(7)

系統(tǒng)總吞吐量(TST)和多樣性指數(shù)(H)的乘積被定義為系統(tǒng)的發(fā)展能力(Development Capacity,C)[11](式8),它是上升性(A)的上限。因?yàn)榇嬖贖≥AMI≥0,故存在C≥A≥0。

(8)

系統(tǒng)的發(fā)展能力(C)與上升性(A)的差值為系統(tǒng)冗余量,表征系統(tǒng)的無(wú)序部分。定義為系統(tǒng)的恢復(fù)力(Resilience,R)[22](式9)。

R=C-A

(9)

式中,A、R、C分別代表系統(tǒng)的上升性、恢復(fù)力和發(fā)展能力。在系統(tǒng)演進(jìn)的過(guò)程中,系統(tǒng)的上升性和恢復(fù)力是相互對(duì)立的作用力,上升性使系統(tǒng)向更加有效率的方向發(fā)展,而恢復(fù)力使系統(tǒng)向更加無(wú)效率的方向發(fā)展。系統(tǒng)的上升性過(guò)低、恢復(fù)力過(guò)高,則意味著系統(tǒng)較為無(wú)序,結(jié)構(gòu)約束不強(qiáng)(效率低),缺乏擴(kuò)張的活力和生存所需的自組織能力,發(fā)展會(huì)趨于停滯甚至衰退；如果系統(tǒng)的效率(上升性)過(guò)高、恢復(fù)力過(guò)低,則系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)約束太強(qiáng),系統(tǒng)會(huì)比較脆弱,輕微擾動(dòng)便會(huì)引起系統(tǒng)的崩潰。從整體的角度來(lái)看,只有系統(tǒng)的效率(上升性)和恢復(fù)力之間維持一個(gè)合理的平衡,系統(tǒng)才能持續(xù)下去,即只有當(dāng)上升性與恢復(fù)力平衡在合理范圍內(nèi),系統(tǒng)才是可持續(xù)的。系統(tǒng)離這一平衡點(diǎn)越遠(yuǎn),可持續(xù)性越弱。因此,可通過(guò)比較上升性和恢復(fù)力的比例關(guān)系及其變化情況,可以判斷系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

根據(jù)式7—9,分別計(jì)算得出中國(guó)經(jīng)濟(jì)網(wǎng)絡(luò)1987—2010年間上升性(A)、發(fā)展能力(C)、恢復(fù)力(R)的變化情況(表1)。

表1 中國(guó)6部門(mén)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析指標(biāo)

2.6 網(wǎng)絡(luò)中增長(zhǎng)與發(fā)展的量化

若V=xy,且x和y對(duì)V的影響程度相同。則x和y對(duì)△V的貢獻(xiàn)率可由式10獲得。

(10)

前已述及,系統(tǒng)的上升性(A)受總吞吐量(TST)和平均相互信息(AMI)的共同作用,有A=TST·AMI,假設(shè)TST和AMI對(duì)A具有相同的影響程度[23],則根據(jù)1987—2010年的TST、AMI和A的值可求的中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)各時(shí)間段TST和AMI對(duì)A的貢獻(xiàn)率(表2)。

表2 增長(zhǎng)和發(fā)展對(duì)中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率/%

2 中國(guó)經(jīng)濟(jì)網(wǎng)絡(luò)特征與可持續(xù)性分析

2.1 系統(tǒng)總吞吐量與增長(zhǎng)

圖2 中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)1987—2010年的總吞吐量變化曲線(xiàn) Fig.2 TST trend line of six sectors network of China economic system, between 1987 to 2010

圖3 中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)1987—2010年的AMI變化情況 Fig.3 AMI of six sectors network of China economic system, between 1987 to 2010

圖2顯示了1987—2010年間中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的不變價(jià)格總吞吐量(TST)的變化趨勢(shì)。中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的TST不斷增長(zhǎng),由1987年的25667億元/a增長(zhǎng)到2010年的412879億元/年(1987年不變價(jià)格),從生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的角度看,中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)規(guī)模在不斷增長(zhǎng)。假設(shè)系統(tǒng)的TST按指數(shù)趨勢(shì)增長(zhǎng),則該時(shí)期TST的年均增長(zhǎng)速度高達(dá)12.84%。這與Templet[14]的研究結(jié)論相符,Templet用6個(gè)發(fā)展中國(guó)家和6個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)部門(mén)間的能源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)發(fā)展中國(guó)家網(wǎng)絡(luò)的TST都增長(zhǎng)較快,與GNP增速有明顯的相關(guān)性。

2.2 平均相互信息與發(fā)展

圖3顯示了1987—2010年中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的平均相互信息(AMI)變化趨勢(shì)。整體來(lái)看,中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的AMI在波動(dòng)中增加,但增長(zhǎng)趨勢(shì)不明顯。大體分為兩個(gè)階段：第一階段為1987—1995年AMI值較低的階段,AMI平均值為0.227；第二階段為1997—2010年AMI值較高的階段,AMI平均值提高到了0.311。從生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的角度來(lái)看,系統(tǒng)AMI的提高意味著系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(效率)和組織能力越高。表明中國(guó)經(jīng)濟(jì)在1997—2010年間的系統(tǒng)效率要高于1987—1995年間的系統(tǒng)效率,從長(zhǎng)期來(lái)看,經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)獲得了一定的發(fā)展。但系統(tǒng)效率的增長(zhǎng)趨勢(shì)不明顯,遠(yuǎn)小于系統(tǒng)總吞吐量的增長(zhǎng)速度。

AMI的低點(diǎn)出現(xiàn)在1990—1992年,表明當(dāng)時(shí)的中國(guó)經(jīng)濟(jì)效率較低,這與20世紀(jì)90年代初的亞洲經(jīng)濟(jì)衰退相吻合。AMI的高點(diǎn)出現(xiàn)在2002年,表明當(dāng)年的經(jīng)濟(jì)效率較高,這與2001、2002年中國(guó)經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)的效率提高與“有效降價(jià)”現(xiàn)象[24]相吻合。

值的注意的是AMI在2002年達(dá)到高點(diǎn)(0.337)后出現(xiàn)了下降趨勢(shì),表明中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的效率在2002年以后有所下降。這與2002年前后中國(guó)經(jīng)濟(jì)需求結(jié)構(gòu)發(fā)生的劇烈變化相一致。2002年以前拉動(dòng)中國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的最終需求順序?yàn)椋合M(fèi)-投資-出口,隨著加入WTO以后進(jìn)出口貿(mào)易的快速增長(zhǎng),2002年以后最終需求順序急劇變?yōu)椋撼隹?投資-消費(fèi)?？梢?jiàn)2002年以后出口對(duì)經(jīng)濟(jì)的帶動(dòng)顯著加強(qiáng),而出口中有一半左右是“兩頭在外”型的加工出口貿(mào)易[25]。這種加工出口貿(mào)易的發(fā)展增加了經(jīng)濟(jì)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量(增長(zhǎng)),但其在國(guó)內(nèi)階段的技術(shù)含量低、屬于粗放型增長(zhǎng)產(chǎn)業(yè),這對(duì)中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)(效率)造成了影響。從生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的角度而言,盡管中國(guó)經(jīng)濟(jì)自2002年以后仍保持了較高水平的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)趨勢(shì),但經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)效率并沒(méi)有顯著提高,系統(tǒng)的組織能力并未得到發(fā)展。

2.3 可持續(xù)性分析

圖4表明1987—2010年間中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的上升性(A)和發(fā)展能力(C)的都呈現(xiàn)出持續(xù)提高的變化趨勢(shì),表明中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展程度和發(fā)展能力都在快速增加。但由系統(tǒng)總吞吐量(TST)、平均相互信息(AMI)和多樣性指數(shù)(H)的變化幅度來(lái)看(表1),上升性和發(fā)展能力的提高主要是由系統(tǒng)總吞吐量的增加引起的,結(jié)構(gòu)(效率)改進(jìn)的作用較小。通過(guò)分離系統(tǒng)總吞吐量(增長(zhǎng))和平均相互信息(發(fā)展)對(duì)上升性的貢獻(xiàn)率可知：1987—2010年間中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)上升性的提高,90%來(lái)自總吞吐量的增加,只有10%來(lái)自效率改進(jìn)(表2)。

這與Templet[13]的研究結(jié)論相符,Templet對(duì)6個(gè)發(fā)展中國(guó)家和6個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家的能源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的對(duì)比研究表明,發(fā)展中國(guó)家的發(fā)展能力(C)的提高主要來(lái)自系統(tǒng)總吞吐量(TST),系統(tǒng)多樣性指數(shù)(H)的增長(zhǎng)較少或呈負(fù)增長(zhǎng)；發(fā)達(dá)國(guó)家的系統(tǒng)吞吐量(TST)對(duì)發(fā)展能力(C)的貢獻(xiàn)較少。

前已述及,通過(guò)比較上升性(A)和恢復(fù)力(R)的比例關(guān)系及其變化情況,可以判斷系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。但是由于A和R比值可以在負(fù)值(R為負(fù))和無(wú)窮大值(R極小)之間,不便于判斷分析,因此通常用上升性(A)與發(fā)展能力(C)的比值α=(A/C)的來(lái)判斷系統(tǒng)的可持續(xù)性狀況。圖4表明1987—2010年間中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的α值在整體上在波動(dòng)中呈增加趨勢(shì),但增長(zhǎng)幅度較小,從1987年的0.126增加到2010年的0.152,1987—2010年間的α平均值為0.138。

Ulanowicz[22]得出在自然生態(tài)系統(tǒng)中,上升性與恢復(fù)力比例在0.85是系統(tǒng)可持續(xù)性的最優(yōu)平衡點(diǎn),即α的最優(yōu)值為0.4596。但是經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(受人類(lèi)影響的網(wǎng)絡(luò))要比自然生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的多,例如在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中,貨幣流(及其隱含的物質(zhì)-能量-信息流)可以在網(wǎng)絡(luò)分室(節(jié)點(diǎn))間雙向流動(dòng),而自然生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈結(jié)構(gòu)通常是兔吃草、狼吃兔的單項(xiàng)物質(zhì)能量流動(dòng)。Lietaer[26]等認(rèn)為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)流的最優(yōu)狀態(tài)下恢復(fù)力幾乎是效率的兩倍,即α的最優(yōu)值為0.33,Morris[27]等認(rèn)為大量賦予權(quán)重的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定子集最優(yōu)值逼近1/e的漸近線(xiàn),即α的最優(yōu)值為0.37。在實(shí)證方面,Kharrazi等[16]得出全球227國(guó)虛擬水貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)在1896—2001年間的α平均值為0.181,全球137國(guó)石油貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)在2007—2001年間的α平均值為0.199,全球199國(guó)鋼鐵貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)在1962—2011年間α平均值為0.127。

無(wú)論從那種角度來(lái)看,中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的α平均值(0.138)都相對(duì)較低,遠(yuǎn)小于0.37(或0.33)的理論可持續(xù)性最優(yōu)平衡點(diǎn),也低于全球虛擬水貿(mào)易的α平均值和石油貿(mào)易的α平均值,僅比全球鋼鐵貿(mào)易的α平均值略高,且全球鋼鐵貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)α平均值的時(shí)間跨度為1962—2011(時(shí)間跨度拉低了平均值)。從網(wǎng)絡(luò)分析的角度看,中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的α值過(guò)小,意味著系統(tǒng)較為無(wú)序、結(jié)構(gòu)約束不強(qiáng)、效率過(guò)低,缺乏擴(kuò)張的活力和生存所需的自組織能力,這樣的系統(tǒng)處于不可持續(xù)狀態(tài)。要提高系統(tǒng)的可持續(xù)性,需要提高經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的效率(結(jié)構(gòu))和組織能力。

3 結(jié)論

本文簡(jiǎn)要介紹了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法在經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用,構(gòu)建了中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的貨幣網(wǎng)絡(luò)流,通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)總吞吐量、平均相互信息、上升性、發(fā)展能力等網(wǎng)絡(luò)指標(biāo),明確了中國(guó)經(jīng)濟(jì)的規(guī)模(增長(zhǎng))和效率(發(fā)展)的變化趨勢(shì),量化了增長(zhǎng)和發(fā)展各自對(duì)系統(tǒng)上升性的貢獻(xiàn),討論了中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)性狀態(tài)。主要結(jié)論有：

(1)1987—2010年間中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的總吞吐量(不變價(jià)格)不斷增大,呈顯著的指數(shù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),表明中國(guó)的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的規(guī)模在快速增長(zhǎng)。

(2)1987—2010年間中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的平均相互信息在波動(dòng)中有所上升,但趨勢(shì)不明顯,遠(yuǎn)小于總吞吐量的變化幅度。表明中國(guó)經(jīng)濟(jì)效率的提高速度遠(yuǎn)小于經(jīng)濟(jì)規(guī)模的增長(zhǎng)速度。

從長(zhǎng)期階段來(lái)看,1997—2010年間的平均相互信息相比1987—1995年間有所提高,表明中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的效率(結(jié)構(gòu))和組織能力有所提高,中國(guó)的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)在后期獲得了一定的發(fā)展。

(3)中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的總吞吐量持續(xù)增長(zhǎng)的同時(shí),平均相互信息卻在2002年達(dá)到高點(diǎn)后出現(xiàn)了下降趨勢(shì)。表明盡管中國(guó)經(jīng)濟(jì)自2002年以后仍保持了較高水平的增長(zhǎng)趨勢(shì),但經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)效率并沒(méi)有顯著提高,系統(tǒng)的組織能力并未得到發(fā)展。

(4)1987—2010年間中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的上升性和發(fā)展能力的都呈現(xiàn)出指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì),表明中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展程度和發(fā)展能力都在提高。但主要源于系統(tǒng)總吞吐量的增加,而結(jié)構(gòu)(效率)改進(jìn)的作用較小。增長(zhǎng)和發(fā)展的量化結(jié)果表明,1987—2010年間中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)上升性的提高,90%來(lái)自總吞吐量(增長(zhǎng)),只有10%來(lái)自效率改進(jìn)(發(fā)展)。

(5)中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的α值從1987年的0.126增加到2010年的0.152,整體上呈增加趨勢(shì),但增長(zhǎng)幅度較小。1987—2010年間的α平均值為0.138,遠(yuǎn)小于0.37(或0.33)可持續(xù)性最優(yōu)平衡點(diǎn)。表明中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)缺乏效率,處于不可持續(xù)的狀態(tài)。要提高經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)性,需要提高經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的效率(結(jié)構(gòu))和組織能力。

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Quantifying the economic sustainability of China: an ecological network analysis approach

HU Ke1,2, LIU Xiaolei2, WEI Xiwen2, Nath Reshmita3, CUI Xuefeng2,*

1CollegeofGeographyandEnvironmentScience,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou730070,China2StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,CollegeofGlobalChangeandEarthSystemScience,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China3CenterforMonsoonSystemResearch,InstituteofAtmosphericPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China

The term economic development is quite different from the economic growth, but both are closely related to the economic sustainability. Therefore, the quantification of growth and development is extremely important to assess the sustainable development of a country′s economy. In this paper, we quantify the growth, development, and sustainability of Chinese economy by employing the Ecological Network Analysis (ENA) approach. This has been widely used to address the sustainability of ecological system, and subsequently being adopted in economic system for analysis and case study. In the case of China, using input-output table data, the economic system can be represented by a six sector currency network flow. The ENA indicators of the network are calculated from 1987 to 2010, to address the features and trends of growth, development, and sustainability of the Chinese economic system. The results show that, the Total System Throughput (TST) of the network grows exponentially from 1987 to 2010, which implies that the Chinese economic system grows rapidly from 1987 to 2010. During the same period, the trend in the efficiency of economic system is rather complex, by smaller degree of increase with fluctuations. From the perspective of later decade, the efficiency during 1997—2010 is certainly higher than the efficiency during 1987—1995. This implies that the Chinese economic system has obtained some degree of development in the latter half of our analysis. Contrastingly, the efficiency exhibits a declining trend from 2002 onwards, which needs to be paid special attention. Both the Ascendency (A) and the Development Capacity (C) of Chinese economic system continued to improve from 1987 to 2010, which is primarily due to the rapid growth of the TST in the same period. TST, contributes atleast 90% to the Chinese economic system between 1987 and 2010, whereas, the contribution of the efficiency is only 10% during the same period. This implies that growth and development attribute 90% and 10% to the Chinese economic system between 1987 and 2010, respectively. The average value of the Chinese economic system i.e.αis 0.138 during 1987—2010, which is far less than the Sustainability Optimal Value of 0.37 (or 0.33). This is indicative to the fact that the Chinese economic system is in unsustainable condition, and that is due to lack of efficiency. In order to improve the sustainability of the economic system, some measures need to be taken to improve the efficiency and organization of the economic system.In the six sectors currency network of China, the TST indicator exhibits more or less similar trend with the GDP of China. Average Mutual Information (AMI) indicator′ change trend is also in accord with the reality change of the Chinese economy. But the averageαvalue of the network during 1987—2010 is just 0.138 and that is much lower than the Sustainability Optimal Value of 0.37. This is from the observation in the theoretical experiments, and is uncertain whether this value suits appropriately to the economic system or not. Even through, we know that the Chinese currency network averageαvalue (0.138) is lower than the global virtual water trade network (0.181) and the global petroleum trade network (0.199) averageαvalue during 1896—2001 and 2007—2001, respectively. This further concludes that the Chinese economic system is in the low efficiency condition.

ecological network analysis; China economic system; growth; development; sustainability

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41271542)；西北師范大學(xué)青年教師科研能力提升計(jì)劃資助項(xiàng)目(NWNU-LKQN- 14- 25)

2015- 05- 13;

2016- 01- 12

10.5846/stxb201505130979

*通訊作者Corresponding author.E-mail:xuefeng.cui@bnu.edu.cn

胡科, 劉曉磊, 魏希文, Nath Reshmita, 崔雪鋒.應(yīng)用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法評(píng)價(jià)中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)性.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(24):7942- 7950.

Hu K, Liu X L, Wei X W, Nath Reshmita, Cui X F.Quantifying the economic sustainability of China: an ecological network

analysis approach.Acta Ecologica Sinica,2016,36(24):7942- 7950.