城市產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)特征與演進(jìn)規(guī)律
——以北京市為例

趙秋葉,施曉清,*

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 1000852 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

城市產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)特征與演進(jìn)規(guī)律
——以北京市為例

趙秋葉1,2,施曉清1,2,*

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 1000852 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展規(guī)律對于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級至關(guān)重要,對其進(jìn)行研究也是當(dāng)前產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)的新方向。產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是指在一定區(qū)域內(nèi),產(chǎn)業(yè)組分以及環(huán)境組分之間通過物質(zhì)交換及能量流動等形成的有機(jī)統(tǒng)一整體。產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)則是其各組分之間通過物質(zhì)流等相互作用構(gòu)成的生態(tài)關(guān)系的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；谪泿判屯度氘a(chǎn)出模型通過物質(zhì)型轉(zhuǎn)化構(gòu)建城市尺度產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò),借鑒生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法,提出通過循環(huán)性、生態(tài)效率、上升性3類特征指標(biāo)判定產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)規(guī)律。實(shí)證研究了2005—2014年北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的特征及其演進(jìn)規(guī)律,闡明了其發(fā)展的趨勢。主要結(jié)論是：從趨勢分析,北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)性、生態(tài)效率和上升性有隨時(shí)間而提升的趨勢。其中,循環(huán)性和上升性變化趨勢一致：總體呈現(xiàn)上升趨勢,且2007年數(shù)值明顯高于其他年份；生態(tài)效率總體隨年份呈現(xiàn)波浪式增速的趨勢；從指數(shù)分析：各年份循環(huán)指數(shù)(FCI)介于0—1之間,表明產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)流量均小于直接流量；A/C指數(shù)介于0.187—0.256之間,表明離理論可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)(0.401)還有相當(dāng)?shù)木嚯x；生態(tài)效率10年提高2.4倍,在2013年已經(jīng)接近1,到2014年實(shí)現(xiàn)大于1的水平,其生態(tài)效率已達(dá)到這10a間的最優(yōu)的狀態(tài)?？傮w上,北京市產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)正在向物質(zhì)循環(huán)性、生態(tài)效率以及系統(tǒng)上升性逐步提高的方向轉(zhuǎn)型。

城市產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng); 生態(tài)網(wǎng)絡(luò); 循環(huán)性; 生態(tài)效率; 上升性和恢復(fù)力； 演進(jìn)

傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)資源利用率低、環(huán)境污染嚴(yán)重的發(fā)展模式是城市可持續(xù)發(fā)展的瓶頸,產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)家Graedel教授認(rèn)為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)向產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的根本途徑,因此城市產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型至關(guān)重要[1]。城市生態(tài)學(xué)家王如松先生提出生態(tài)產(chǎn)業(yè)是基于生態(tài)系統(tǒng)承載能力、具有高效經(jīng)濟(jì)過程以及和諧的生態(tài)功能的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)化型產(chǎn)業(yè)[2]。產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是指在一定區(qū)域內(nèi),模仿自然生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)組分以及環(huán)境組分之間通過物質(zhì)交換、能量流動形成的有機(jī)統(tǒng)一整體[3]。而產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)則是產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中各組分之間通過物質(zhì)、能量及信息相互作用構(gòu)成的生態(tài)關(guān)系的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其特征分析及演進(jìn)規(guī)律的研究對于城市產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型至關(guān)重要。

當(dāng)前,國內(nèi)外學(xué)者對產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的研究多集中在工業(yè)代謝分析、產(chǎn)業(yè)鏈分析、清潔生產(chǎn)及生態(tài)設(shè)計(jì)這幾大類。Ayres等人率先提出工業(yè)代謝的概念[4],基于這種思想Frosch提出了產(chǎn)業(yè)代謝理論,即通過自然生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)再生過程研究產(chǎn)業(yè)代謝過程[3]。Chopra、陳彬等將產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)看作自然生態(tài)系統(tǒng)研究其代謝過程[5- 6]。產(chǎn)業(yè)鏈分析主要是指從調(diào)整產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)構(gòu)與組成入手,通過產(chǎn)業(yè)鏈重組以及產(chǎn)業(yè)鏈的穩(wěn)定性分析研究城市生態(tài)轉(zhuǎn)型,日本的Eco-town[7]、中國廣西貴糖綠色產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈形成的產(chǎn)業(yè)共生體[8]是相關(guān)實(shí)踐,還有如蔡小軍[9],張萌[10]等從穩(wěn)定性入手分析城市產(chǎn)業(yè)生態(tài)轉(zhuǎn)型。孫明貴、蔡建和等從清潔生產(chǎn)和生態(tài)設(shè)計(jì)研究城市產(chǎn)業(yè)生態(tài)轉(zhuǎn)型[11- 12]。近年來國內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展規(guī)律的研究,2010年,黃嘉莉應(yīng)用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法中的指標(biāo)對北京市經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢進(jìn)行了評價(jià)[13]； 2012年Bodini利用Ulnowicz提出生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的指標(biāo)分析了城市生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展及持續(xù)性等,并運(yùn)用于水資源網(wǎng)絡(luò)評價(jià)中[14]；2014年,張妍也應(yīng)用基于投入產(chǎn)出表的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法對北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的營養(yǎng)級結(jié)構(gòu)以及組分之間的共生關(guān)系進(jìn)行分析[15]。但是,針對產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)各組分之間物質(zhì)流特性及其對系統(tǒng)發(fā)展的影響研究還很缺乏。為此,本文提出針對產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性及演進(jìn)規(guī)律的研究。首先,基于投入產(chǎn)出貨幣型模型,通過物質(zhì)型轉(zhuǎn)換構(gòu)建城市產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。并借鑒生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析指標(biāo),從系統(tǒng)物質(zhì)流動的可持續(xù)性視角,提出借鑒循環(huán)性、生態(tài)效率以及上升性3類指標(biāo)分析判定的演進(jìn)規(guī)律分析思路,并實(shí)證研究了2005—2014年北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)特征及其發(fā)展的趨勢。

1 產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)特征及分析方法

1.1 產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)特征

王如松先生2006年指出產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)有整體性、循環(huán)性、層次性、開放性和動態(tài)性五大特征[16]；國外學(xué)者Korhonen將產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行類比,提出產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)也具有顯著的4個(gè)特性：循環(huán)性(Roundput)、多樣性、地域性和動態(tài)演進(jìn)[17]。傳統(tǒng)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法是從整體上辨識系統(tǒng)內(nèi)在屬性的一種分析方法,突出整體性和系統(tǒng)性[18]。該方法通常利用結(jié)構(gòu)特性、穩(wěn)定性、上升性、隨機(jī)性以及網(wǎng)絡(luò)效能來分析生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的屬性等。本文針對產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)物質(zhì)流動的特性及可持續(xù)發(fā)展目標(biāo),提出從產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的物質(zhì)循環(huán)性、生態(tài)效率高效性及系統(tǒng)發(fā)展的上升性3個(gè)特征來分析產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)規(guī)律。產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的物質(zhì)循環(huán)性是產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要特征,它表征了產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)持續(xù)利用的能力；生態(tài)效率是產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)可持續(xù)發(fā)展的另一個(gè)基本特征,它表征了產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)持續(xù)利用的能力；另外,上升性和恢復(fù)力從動態(tài)演化的角度揭示產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)能否穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展,這兩個(gè)特性的協(xié)調(diào)保障了產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力[19]。

1.2 構(gòu)建實(shí)物型城市產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)

城市產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是由其中各產(chǎn)業(yè)部門通過物質(zhì)流、能流、信息流等相互關(guān)聯(lián)而構(gòu)成的一個(gè)動態(tài)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。常見的貨幣型投入產(chǎn)出表是通過矩陣的方式描述城市各產(chǎn)業(yè)部門之間的產(chǎn)品和貨幣流動關(guān)系,由于本文所關(guān)注的是物質(zhì)代謝對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)特征演進(jìn)規(guī)律的影響,所以本文運(yùn)用“隱含生態(tài)要素法”[15]將貨幣型投入產(chǎn)出表轉(zhuǎn)化成實(shí)物型投入產(chǎn)出表。該實(shí)物型投入產(chǎn)出表表征了城市各部門之間的物質(zhì)流動的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。

貨幣型投入產(chǎn)出表轉(zhuǎn)化為實(shí)物型投入產(chǎn)出表的主要步驟如下：

第一步 編撰貨幣-實(shí)物混合型投入產(chǎn)出表。表1中部門這部分為常規(guī)貨幣型投入產(chǎn)出表的部分(去掉最終使用),在中間流量部分下方加了一部分是最初資源投入,另一部分是廢物排放(以物理單位衡量)。

表1 貨幣-實(shí)物型混合投入產(chǎn)出表

第二步 計(jì)算“隱含生態(tài)要素強(qiáng)度(embodied ecological element intensity)”系數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)流入量和流出量平衡的原則,可以得到以下等式

P+εH=εU

(1)

ε=P(U-H)-1

(2)

式中,ε是“隱含生態(tài)要素強(qiáng)度”系數(shù)；P是中間流量矩陣；H是最初資源投入和最終廢物排放矩陣；U是總產(chǎn)出對角矩陣。

第三步 將貨幣型投入產(chǎn)出表轉(zhuǎn)化成實(shí)物型投入產(chǎn)出表。計(jì)算ε矩陣的列和,然后將列和與貨幣型矩陣的相應(yīng)列元素相乘得到實(shí)物型投入產(chǎn)出矩陣。

第四步 應(yīng)用UCINET軟件可視化城市產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。首先,編制關(guān)系矩陣。根據(jù)上文編制的物質(zhì)型投入產(chǎn)出矩陣,矩陣中元素如果大于0,那么關(guān)系矩陣的值為1；如果矩陣中元素等于0,那么關(guān)系矩陣的值為0。其次,將編制好的關(guān)系矩陣導(dǎo)入U(xiǎn)CINET中,即可生成產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

1.3 產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析指標(biāo)及判定方法1.3.1 循環(huán)性分析指標(biāo)及判定方法

本文選取Finn循環(huán)指數(shù)(下文簡稱FCI)量化系統(tǒng)中循環(huán)流量的強(qiáng)度,它被廣泛應(yīng)用于自然生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)循環(huán)性的計(jì)算過程,主要原因是FCI不受整個(gè)系統(tǒng)組分?jǐn)?shù)量變化的影響,易于比較。計(jì)算方法如下[20]：

首先編制實(shí)物型投入產(chǎn)出矩陣(表1,但是去掉其中總產(chǎn)出部分)

然后根據(jù)如下公式計(jì)算：

(3)

qij=Fij/Ti

(4)

TST=TSTS+TSTC

(5)

(6)

判定方法：CI=0,說明產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中沒有物質(zhì)循環(huán)；01,說明產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的物質(zhì)循環(huán)流量大于直接流量。并且CI值越大,物質(zhì)循環(huán)利用率越高,更加能夠有效利用有限的資源。

1.3.2 生態(tài)效率分析指標(biāo)及判定方法

世界可持續(xù)發(fā)展委員會(WBCSD)對生態(tài)效率的定義是：通過創(chuàng)造有價(jià)格競爭優(yōu)勢的產(chǎn)品和服務(wù)來滿足人類的需求并提高生活質(zhì)量,同時(shí)將環(huán)境影響和資源利用強(qiáng)度控制在地球的承載力水平之內(nèi)[21]。從廣義看來,生態(tài)效率可以看成“產(chǎn)出/投入”比[22]?！爱a(chǎn)出”指系統(tǒng)提供的產(chǎn)品和服務(wù)的價(jià)值,“投入”指系統(tǒng)消耗的資源和能源及其所造成的環(huán)境負(fù)荷[23]。

本文采用由Andersenr和Petersen提出的超效率DEA方法[24]計(jì)算產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)效率。它能夠在有效決策單元之間進(jìn)行效率高低的比較,其模型主要是[25]：

(7)

(8)

(9)

(10)

λj≥0,j≠0

(11)

決策單元(DMU)選取原則：被評價(jià)的DMU的個(gè)數(shù)n以及輸入輸出個(gè)數(shù)之和(m+s)必須滿足n≥2(m+s),否則會影響到DEA效率的區(qū)分度和準(zhǔn)確度[26]。

1.3.3 上升性分析指標(biāo)及判定方法

1986年美國生態(tài)學(xué)家Ulanowicz以熱力學(xué)、信息論、網(wǎng)絡(luò)分析等為基礎(chǔ),提出了上升性理論,并指出系統(tǒng)經(jīng)歷演化的能力由兩個(gè)方面組成：上升性和恢復(fù)力[19,27]。上升性使系統(tǒng)向有效率的方向發(fā)展,而恢復(fù)力使系統(tǒng)向無效率的方向發(fā)展,二者協(xié)同保障產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[18]。計(jì)算方法如下[19]:

上升性

A=TST

(12)

發(fā)展能力

C=TST

(13)

恢復(fù)力

R=TST

(14)

判定方法：上升性(A)越大,網(wǎng)絡(luò)向更加有效率的方向發(fā)展,恢復(fù)力(R)越大說明網(wǎng)絡(luò)向無效率的方向發(fā)展。二者協(xié)調(diào)才能保障系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展,因此用上升性(A)與發(fā)展能力(C=A+R)的比值來表示上升性和恢復(fù)力兩者協(xié)同狀態(tài),即A/C值。Ulnowicz根據(jù)可用數(shù)據(jù)推斷當(dāng)A/C值接近0.401的時(shí)候生態(tài)系統(tǒng)接近最佳的可持續(xù)發(fā)展水平[28],盡管Ulnowicz將該結(jié)論應(yīng)用于自然生態(tài)系統(tǒng),但是本文所構(gòu)建的是物質(zhì)流動網(wǎng)絡(luò),所以本文直接應(yīng)用該結(jié)論,即當(dāng)A/C值越趨近0.401時(shí),產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)越接近可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

2 北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)特征及演進(jìn)研究

2.1 數(shù)據(jù)來源

考慮到原始數(shù)據(jù)的可獲得性和準(zhǔn)確性,本文構(gòu)建2005年、2007年、2010年和2012年的北京市實(shí)物型產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。北京市貨幣型投入產(chǎn)出表來自北京統(tǒng)計(jì)信息網(wǎng)[29],各部門資源投入和環(huán)境排放數(shù)據(jù)來自《北京市統(tǒng)計(jì)年鑒》(2005—2015年)[30]以及環(huán)保局調(diào)查所得數(shù)據(jù)。

2005年、2007年、2010年和2012年的投入產(chǎn)出表均包含42各部門,2007年和2010年的42個(gè)部門完全相同,然而2005年和2012年的42個(gè)部門與2007年有些許不同(表2)。

表2 各年份42部門之間差異

2.2 北京市物質(zhì)代謝網(wǎng)絡(luò)模型

以2007年數(shù)據(jù)為例闡明如何利用貨幣型投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)構(gòu)建物質(zhì)型產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)上文所提供的方法,首先編制出2007年北京市42部門貨幣-實(shí)物混合型投入產(chǎn)出表,然后通過矩陣變換計(jì)算可得出“隱含生態(tài)元素強(qiáng)度”矩陣,將強(qiáng)度矩陣列和與2007年北京市貨幣型矩陣的相應(yīng)列元素相乘得到2007年北京市42部門實(shí)物型投入產(chǎn)出表。利用UCINET軟件進(jìn)行了構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)圖(圖1)。2005年、2010年、2012年的實(shí)物型投入產(chǎn)出表都按照該方法進(jìn)行編制和構(gòu)建。

圖1 2007年北京市42部門物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)代謝圖Fig.1 Material metabolism figure between 42 industrial sectors of Beijing in year 2007

2.3 北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)特征及演進(jìn)分析

2.3.1 循環(huán)性特征及演進(jìn)規(guī)律

北京市2005、2007、2010、2012年產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)Finn循環(huán)指數(shù)(FCI)分別為0.3408、0.5020、0.3505、0.3950。這4個(gè)年份的循環(huán)指數(shù)值大于0小于1,說明這4個(gè)年份的產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的物質(zhì)循環(huán)流量小于直接流量。2005年到2012年循環(huán)指數(shù)有逐年上升的趨勢,說明北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)利用效率有增加趨勢。2007年循環(huán)指數(shù)顯著高于其他3個(gè)年份,為0.502,由于2007年循環(huán)流量顯著高于其他年份,2007年的循環(huán)流量是2005年的2倍,是2010年和2012年循環(huán)流量的1.8倍。

從循環(huán)流量部門分解圖可以看出各個(gè)部門貢獻(xiàn)多少循環(huán)流量,圖2(即循環(huán)流量部門分解圖)是2005年、2007年、2010年和2012年各個(gè)部門的循環(huán)流量占該年份總循環(huán)流量的比值(比絕對值易于比較)；又由于各部門循環(huán)流量又是由該部門總流量和該部門總流量循環(huán)比例所決定,圖3表示四個(gè)年份北京市各部門總流量循環(huán)比例,平均值為0.40。由于2005、2007、2010、2012年投入產(chǎn)出表部門分類略有不同,為方便比較,處理如下：將“通用設(shè)備”和“專用設(shè)備”合并為一個(gè)部門“通用、專用設(shè)備制造業(yè)”；將“廢品廢料”和“金屬制品、機(jī)械和設(shè)備修理服務(wù)”合并為一個(gè)部門“廢品廢料”；將“交通運(yùn)輸、倉儲業(yè)”和“郵政業(yè)”合并為一個(gè)部門“交通運(yùn)輸、倉儲和郵政”；將“研究與試驗(yàn)發(fā)展業(yè)”和“綜合技術(shù)服務(wù)業(yè)”合并為一個(gè)部門“科學(xué)研究和技術(shù)服務(wù)”。

圖2 各年份循環(huán)流量部門分解圖Fig.2 Decomposition of cycling throughflow in different years

圖3 各部門總流量的循環(huán)比例Fig.3 Cycling ratio in different sectors

從循環(huán)流量來看(圖2),貢獻(xiàn)最大的幾個(gè)部門是農(nóng)林牧漁業(yè),通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)及其它電子設(shè)備制造業(yè),食品制造及煙草加工業(yè),交通運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè),電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè),化學(xué)工業(yè),貢獻(xiàn)率(4個(gè)年份平均值)分別是21.7%,12.8%,9.8%,7.5%,7.1%, 6.1%,其他部門的貢獻(xiàn)率均小于5%。從部門循環(huán)流量隨年份變化趨勢來看,煤炭開采和洗選業(yè)、化學(xué)工業(yè)、交通運(yùn)輸及倉儲郵政業(yè)、住宿和餐飲業(yè)、金融業(yè)這5個(gè)部門隨年份變化有循環(huán)流量增加的趨勢,分別增加了2.26倍、2.44倍、1.06倍、1.64倍、3.45倍；1/2部門隨年份增加循環(huán)流量呈下降趨勢,比較明顯的是通信設(shè)備計(jì)算機(jī)及其它電子設(shè)備制造業(yè)、非金屬礦物制品業(yè)、金屬冶煉及壓延加工業(yè)、石油加工煉焦及核燃料加工業(yè),分別下降54.6%、76.5%、41.5%、61.9%。

從循環(huán)比例可以看出(圖3),24個(gè)工業(yè)部門中1/2以上的循環(huán)比例都隨年份有增加趨勢,包括煤炭開采和洗選業(yè)、紡織業(yè)、紡織服裝鞋帽皮革羽毛制造業(yè)、木材加工及家具制造業(yè)、造紙印刷及文教體育制品業(yè)、化學(xué)工業(yè)、非金屬礦物制品業(yè)、金屬冶煉及壓延加工業(yè)、通用專用設(shè)備制造業(yè)、通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)及其他電子制造業(yè)、電力熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)、燃?xì)馍a(chǎn)和供應(yīng)業(yè)、水的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)。其中,金屬冶煉及壓延加工業(yè)、電力熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)、煤炭開采和洗選業(yè)2012年的循環(huán)比例比2005年分別增加了13.9倍、5.7倍和5.2倍。

2.3.2 生態(tài)效率演進(jìn)規(guī)律

生態(tài)效率計(jì)算的投入指標(biāo)需要把能源消耗和污染排放這兩個(gè)重要的環(huán)境要素考慮在內(nèi),因此本文選取的投入指標(biāo)為能源消耗量、廢水排放量、二氧化硫排放量、煙塵排放量和固體廢棄物排放量,產(chǎn)出指標(biāo)為地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)。根據(jù)決策單元選取原則(過少的決策單元影響生態(tài)效率的準(zhǔn)確性),本文選取2005—2014年10a作為10個(gè)決策單元。

利用軟件EMS 1.3進(jìn)行運(yùn)算,得到不同年份生態(tài)效率值(圖4)。2005—2013年北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)效率得分均小于1,說明北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的投入和產(chǎn)出沒有達(dá)到最優(yōu)效率；而2014年北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)生態(tài)效率得分是1.186,大于1,說明2014年北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的投入和產(chǎn)出達(dá)到最優(yōu)效率。

圖4 2005—2012年北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)效率值Fig.4 Ecological efficiency value and original data of Beijing in year 2005—2014

由圖4,北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)生態(tài)效率值從2005年的48.75%上升到2014年的118.64%,提高了2.4倍,具有明顯上升的趨勢,表明單位產(chǎn)出所消耗的能源和排放的廢物越來越小。根據(jù)北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)生態(tài)效率隨時(shí)間增長的增速可將其增長分4個(gè)階段：2005—2007年增速平緩,年平均增長率為6.03%。能源消耗和廢水排放依舊隨年份呈增長的趨勢,廢水排放年平均增長率甚至達(dá)到21%,但是二氧化硫、煙塵和工業(yè)固廢排放下降,年下降率分別為10.2%、7.9%、13%,并且GDP在這兩年內(nèi)增長41%,因此生態(tài)效率呈現(xiàn)緩慢增長趨勢；2007—2009年增速較快,年平均增長率為17.42%。這兩年內(nèi)只有能源消耗增長4.5%,其他廢物排放均呈下降趨勢,二氧化硫排放在這兩年內(nèi)下降21%,煙塵排放下降8.4%,廢水排放下降1.6%,GDP增加23.4%,因此單位產(chǎn)出對環(huán)境產(chǎn)生的不良影響降速明顯,；2009—2011年增速平緩,年平均增長率為3.58%,增長緩慢的因素主要是煙塵排放這兩年內(nèi)增加32.6%；2011—2014年增速較快,生態(tài)效率年平均增長率達(dá)到16.76%。這4年處于“北京市第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要”期間,這期間北京市提出萬元地區(qū)生產(chǎn)總值能耗降低16%,二氧化硫排放總量減少8%[31]；實(shí)際上從2011年到2014年,萬元地區(qū)生產(chǎn)總值能耗降低了25%,二氧化硫排放減少了19.3%,除廢水排放增長3%以外,其他廢物排放均減少,煙塵排放減少12.8%,工業(yè)固廢排放減少100%,GDP增長24%。

2.3.3 升性特征及演進(jìn)規(guī)律

2005年、2007年、2010年和2012年這4個(gè)年份上升性、恢復(fù)力指數(shù)以及A/C值如圖5、圖6、圖7所示。上升性指數(shù)從2005年到2012年有上升趨勢,上升性表征系統(tǒng)有效率的方面,所以說明北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)從2005年到2012年朝著更加有效率的方向發(fā)展,其中2007年上升性顯著高于其他年份,這與上文所描述的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)指數(shù)特征的變化規(guī)律一致。按部門對上升性指數(shù)進(jìn)行分解,發(fā)現(xiàn)2007年北京市2/3的部門的上升性指數(shù)均大于其他年份,尤其是建筑業(yè)、通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)及其他電子制造業(yè)、電力熱力的生產(chǎn)供應(yīng)業(yè)、非金屬礦物制品業(yè)、金屬冶煉及壓延加工業(yè)、化學(xué)工業(yè)上升性顯著高于其他年份。另外,觀察到恢復(fù)力指數(shù)在2007年到2012年有下降趨勢,說明北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)隨年份并沒有向無效率的方向發(fā)展。

圖5 2005—2012年北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)上升性趨勢圖 Fig.5 Tendency of Beijing industrial ecosystem′s Ascendency in year 2005—2012

圖6 2005—2012年北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力趨勢圖 Fig.6 Tendency of Beijing industrial ecosystem′s Redundancy in year 2005—2012

圖7 2005—2012年北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)A/C值趨勢圖 Fig.7 Tendency of Beijing industrial ecosystem′s A/C value in year 2005—2012

北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)2005年、2007年、2010年和2012年的A/C值均小于0.401,說明這四個(gè)年份北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的上升性相對于恢復(fù)力偏小,北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的有效發(fā)展的遠(yuǎn)低于理想發(fā)展水平。但是各年份的A/C值隨年份變化有增大并且逐年接近0.401的趨勢,2012年北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)A/C值達(dá)到0.256,比2005年增加27%,說明北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的上升性和恢復(fù)力之間越來越接近平衡狀態(tài),系統(tǒng)正向更加穩(wěn)定和可持續(xù)的發(fā)向發(fā)展。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本文基于投入產(chǎn)出模型及借鑒循環(huán)性、生態(tài)效率及上升性指標(biāo)闡述了了產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)特征及演進(jìn)分析方法,通過北京市的實(shí)證研究得到如下結(jié)論：

(1)從2005年到2012年,北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)隨年份物質(zhì)的循環(huán)性有增加的趨勢。24個(gè)工業(yè)部門中1/2以上部門循環(huán)比例隨年份有增加趨勢,尤其是金屬冶煉及壓延加工業(yè)、電力熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)、煤炭開采和洗選業(yè),它們2012年的循環(huán)比例比2005年分別增加了13.9倍、5.7倍、5.2倍。

(2)從2005年到2014年北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效率呈現(xiàn)波動增速上升趨勢,表明北京市單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出所造成的不良環(huán)境影響越來越小。根據(jù)年平均增速可以將其分為4個(gè)階段,2005—2007年、2009—2011年為平緩增速期,年平均增速分別為6.03%、3.58%,2007—2009年、2011—2014年為快速增速期,年平均增速分別為17.42%、16.76%。

(3)北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的上升性從2005年到2012年呈現(xiàn)逐步上升趨勢,表明整個(gè)系統(tǒng)正朝著可持續(xù)的方向發(fā)展,但從數(shù)值來看離理想值還差36%。

3.2 討論

(1)圖1是基于42部門構(gòu)建的產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖,下一步工作將在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分室研究,進(jìn)一步闡明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組分生態(tài)關(guān)系。

(2)文中北京市產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)2007年的循環(huán)指數(shù)以及A/C值均顯著大于其他年份,由于數(shù)據(jù)支撐的原因只作了初步分析,還有待進(jìn)一步探究。

(3)構(gòu)建城市尺度上的產(chǎn)業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)平臺,有利于相關(guān)產(chǎn)業(yè)部門之間的廢物或者副產(chǎn)品的交換,使物質(zhì)得到充分的循環(huán)利用,可促進(jìn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。這也是本研究后續(xù)深入研究的一個(gè)方向。

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Characteristics and evolution of an urban industrial ecological network：a case study of Beijing

ZHAO Qiuye1，2,SHI Xiaoqing1,2,*

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalScience,ChineseAcademyofScience,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

The evolution of the industrial ecosystem is extremely important for industrial transformation and growth, and it is the frontier direction of industrial ecology. The industrial ecosystem is an analogue of a biological ecosystem and conducts material exchange and energy flow between different industries and the environment in a certain area. In such a system, the consumption of energy and materials is optimized, waste generation is minimized, and the effluents of one process serve as the raw material of another process. An industrial ecological network is a topological structural network consisting of the ecological relationships among different components, such as material or energetic relationships. In this paper, we construct a physical urban industrial ecological network based on an input-output analysis. Based on the ecological network analysis method, we suggest three characteristics indicators, roundput, eco-efficiency, and ascendency, to analyze the evolution of the urban industrial ecosystem. Roundput serves to describe the condition of an industrial ecosystem as it suits the purpose of being opposite to the term ’throughput’, which is commonly used to illustrate the linear nature of the material flows in an industrial system; from raw materials, to products, to wastes. Ascendency, which combines system activity and organization, provides a single measure of the unitary process of growth and development. In addition, we use Beijing as an example to study the evolutionary tendency of the Beijing industrial ecosystem from 2005—2014. The following conclusions are drawn: (1) from tendency analysis, the three characteristics of the Beijing industrial ecosystem significantly increased over time. The evolution tendency of roundput and ascendency were nearly the same; the overall trend was upward with time and the numerical value in 2007 was significantly higher than that of other years. Eco-efficiency showed a trend of wave growth over the year. There were four periods of eco-efficiency growth based on the increasing speed. Period one was from year 2005 to 2007 (average increasing speed was 6.03% per year). Period two was from year 2007 to 2009 (average increasing speed was 17.42% per year). Period three was from 2009 to 2011 (average increasing speed was 3.58% per year) and period four was from 2011 to 2014 (average increasing speed is 16.76% per year). The eco-efficiency value in period one and three increased mildly, whereas in period two and four it increased sharply. (2) From indicator value analysis, the Finn cycling index of each year was between 0 and 1, which indicated that cycling throughflow of the Beijing industrial ecosystem was greater than straight throughflow. The eco-efficiency value increased 2.4 times in 10 years. Moreover, the eco-efficiency value in 2013 was slightly lower than 1, whereas in 2014 the eco-efficiency value was higher than 1, which indicated that the eco-efficiency in the Beijing industrial ecosystem reached the optimum state in 2014 from 2005 to 2014. The A/C value ranged from 0.187 to 0.256, lower than 0.401, indicating sustainable development capacity of the Beijing industrial ecosystem is not at the optimum state. Future research will focus on constructing compartmental industrial ecological networks and establishing industrial symbiosis networks between waste by-products of industrial sectors.

urban industrial ecosystem; ecological network; roundput; eco-efficiency; ascendency and redundancy; evolution

國家自然科學(xué)基金資助(71373259)

2016- 04- 12; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 03- 02

10.5846/stxb201604120668

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shixq@rcees.ac.cn

趙秋葉,施曉清.城市產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)特征與演進(jìn)規(guī)律——以北京市為例.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(14):4873- 4882.

Zhao Q Y,Shi X Q.Characteristics and evolution of an urban industrial ecological network：a case study of Beijing.Acta Ecologica Sinica,2017,37(14):4873- 4882.