能源消耗、環(huán)保投資與生態(tài)足跡的灰色系統(tǒng)分析

劉惠敏

(同濟大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，上海200092)

能源消耗、環(huán)保投資與生態(tài)足跡的灰色系統(tǒng)分析

劉惠敏

(同濟大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，上海200092)

人類的行為時刻在影響著生態(tài)系統(tǒng)，或積極，或消極。選擇人均能源生態(tài)足跡(包括煤、焦炭、燃料油和電力等)作為代表生態(tài)閾值的指標(biāo)，以能源消耗彈性系數(shù)代表人類對生態(tài)系統(tǒng)的消極影響，構(gòu)造環(huán)保投資彈性系數(shù)代表人類對生態(tài)系統(tǒng)的積極影響，運用灰色系統(tǒng)方法，研究生態(tài)系統(tǒng)與行為系統(tǒng)之間的相互作用關(guān)系。分別測算上海市1978－2010年的能源消耗彈性系數(shù)、環(huán)保投資彈性系數(shù)與人均能源生態(tài)足跡的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，結(jié)果表明，電力是與能源消費關(guān)聯(lián)最密切的因素，也是影響環(huán)保投入產(chǎn)出效率的最重要指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，人類消極行為對生態(tài)系統(tǒng)的影響大于積極行為，從環(huán)境治理政策的角度來說，“節(jié)能”的效果遠(yuǎn)大于“減排”，在當(dāng)前發(fā)展階段，有序約束人類行為以減少對環(huán)境的消耗和破壞已迫在眉睫。

能源生態(tài)足跡;能源消耗彈性系數(shù);環(huán)保投資彈性系數(shù);灰色關(guān)聯(lián)度

人與生態(tài)系統(tǒng)是共軛關(guān)系，人類活動必須在生態(tài)系統(tǒng)可承受范圍內(nèi)，同時，人的行為作用于生態(tài)系統(tǒng)，時刻影響其閾值變化。不受外力和人為干擾情況下，生態(tài)系統(tǒng)因自校穩(wěn)態(tài)機制而無需外界控制，承載力一定。當(dāng)受到干擾超過穩(wěn)態(tài)閾值后，生態(tài)系統(tǒng)走向另一種穩(wěn)態(tài)，承載力也隨之變化。人類常常忽視約束自身行為對生態(tài)閾值的巨大作用，攻克一項艱難的技術(shù)瓶頸(2007年中國財政支出235億主要用于支持企業(yè)節(jié)能技術(shù)改造項目)的效果，完全可以通過減少人的一次浪費行為而獲得;同樣，如果人類一直放任粗放的生產(chǎn)和生活方式，再多的新能源和新技術(shù)也無法挽救地球一天天“消失”。2011年結(jié)束的南非德班氣候大會，不僅討論了全球氣候變暖是否陷入失序的困境，更釋放出環(huán)境保護已經(jīng)從地區(qū)結(jié)構(gòu)調(diào)整向全球政治博弈深化的明顯信號，標(biāo)志著對于生態(tài)保護和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的研究不得不從防止和緩解人類活動對環(huán)境的影響轉(zhuǎn)向研究如何適應(yīng)全球環(huán)境變化的重大轉(zhuǎn)折。約束人類行為是主動適應(yīng)全球環(huán)境變化，促使生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)或發(fā)展到高級狀態(tài)的有效途徑，為實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)安全提供了長效機制。

生態(tài)閾值的測度和評價是當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點，也是生態(tài)學(xué)的關(guān)鍵科學(xué)問題。目前常用的能值分析法、生命周期分析法(SETAC)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能法和自然資源評價法、生態(tài)足跡(ecological footprint，EF)評價法、環(huán)境容載力、環(huán)境可持續(xù)性指標(biāo)(ESI)等評價方法分別從能流、信息流、物流、資金流以及時間、空間尺度上研究和分析人類活動影響下的生態(tài)過程。測度方法的重點和標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，結(jié)果較難比較和轉(zhuǎn)換，尚無法確切得出生態(tài)系統(tǒng)閾值的具體數(shù)量，但相關(guān)研究均表明，全球生態(tài)系統(tǒng)壓力巨大，生態(tài)安全受到嚴(yán)重威脅［1］。生態(tài)足跡指標(biāo)作為一種衡量自然資本可持續(xù)利用的生物物理定量評價工具，將人類對各種資源和能源的消費折算為6類主要的生物生產(chǎn)性土地(指具有生態(tài)生產(chǎn)能力的土地或水體):化石能源地(fossil energy land)、可耕地(arable land)、林地(forest)、草場(pasture)、建筑用地(built-up areas)和海洋(sea)，研究維持個人、地區(qū)、國家和全球的生存或吸納人類排放廢物的具有生物生產(chǎn)力的地域面積(biologically productive areas)［2］，揭示了人類持續(xù)生存的生態(tài)閾值。已有研究表明，我國人口密集區(qū)均存在明顯的生態(tài)赤字［3－4］。該方法在水資源、大氣成分穩(wěn)定性以及生態(tài)系統(tǒng)美學(xué)服務(wù)功能等方面的核算存在不足。

自然資源的價值水平與減少人類影響的方法存在顯著的相關(guān)關(guān)系，限制某些人類活動可以提高自然資源的安全性。全球變化人類行為計劃(IHDP)從社會科學(xué)角度研究全球變化的人類原因，提出全球變化的根源在于人為，高度關(guān)注全球化引起的社會安全問題［5］。人的行為方式及構(gòu)成的行為關(guān)系受利益驅(qū)動，表現(xiàn)為對需求的滿足，生態(tài)問題則表現(xiàn)為社會利益結(jié)構(gòu)所決定的均衡、沖突和再均衡的過程。博弈理論常用來分析各利益群體的自然觀、環(huán)境倫理觀及人類價值觀，研究公共資源與環(huán)境公平性、主體利益關(guān)系及各主體行為對環(huán)境的影響等問題。管理人類活動是提高社會—生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力的有效策略，調(diào)整人類活動要比調(diào)節(jié)影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的自然因素更加實際［6］。通過合理安排和有序組織人類活動，能夠使生存環(huán)境的總體和盡可能多的局部在人類可以預(yù)見的時間尺度上不發(fā)生顯著退化，甚至持續(xù)好轉(zhuǎn)，同時又能夠滿足當(dāng)時社會經(jīng)濟發(fā)展對自然資源需求，是人類適應(yīng)全球變化的重要途徑［7］。通過環(huán)境經(jīng)濟投入產(chǎn)出表，可以反映經(jīng)濟活動對環(huán)境所造成的負(fù)面影響以及社會為消除這些影響而進(jìn)行的各種活動［8］。

經(jīng)濟社會發(fā)展的行為者是人，承受者雖直接表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)，但其最終承受者還是人本身。將人為作用下的生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性問題凝練為生態(tài)閾值的人類行為影響和約束問題，厘清生態(tài)子系統(tǒng)和人類行為子系統(tǒng)的相互作用關(guān)系，試圖回答兩個基本問題:①生態(tài)閾值與人類行為之間的相互影響關(guān)系確實存在嗎?②生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)能力的提高，究竟是減少消極行為(例如，能源消耗的節(jié)約)的直接結(jié)果，還是人類增加積極行為(例如，環(huán)境保護投入的增加)的間接反應(yīng)?

1 研究指標(biāo)設(shè)計及其遴選依據(jù)

人是可持續(xù)發(fā)展過程中最直觀、復(fù)雜和能動的關(guān)鍵要素，也是最難衡量和控制的環(huán)節(jié)，人類行為對生態(tài)環(huán)境的影響復(fù)雜而深遠(yuǎn)。由于我國尚未形成完善的環(huán)境投入產(chǎn)出核算體系，人類對生態(tài)環(huán)境的正、負(fù)行為及其影響難以簡單界定。例如，為了保護環(huán)境而進(jìn)行的國家或地區(qū)政府財政投資可以計算，而用于宣傳環(huán)保的社會投入和個人支出很難統(tǒng)計;環(huán)境污染所產(chǎn)生的經(jīng)濟損失和治理成本可以計算，而浪費等個體行為加總成為社會行為后的影響鮮有研究。因此，在本研究中，僅選取“環(huán)境保護”代表人類對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生積極影響的正行為，選取“能源消耗”代表人類對生態(tài)系統(tǒng)施加干預(yù)的負(fù)行為，對應(yīng)地，以人均能源足跡代表生態(tài)系統(tǒng)的閾值變化，研究人類行為對生態(tài)系統(tǒng)的作用方式和影響程度。

1.1 能源消耗彈性系數(shù)(Elasticity Coefficient of Energy Consumption，ECEC)

能源是一個國家經(jīng)濟增長和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，能源消費是經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定增長的重要推動力。工業(yè)化時代以來，人類活動對化石能源的大量需求所引致的溫室氣體排放增加已成為導(dǎo)致全球氣候變暖的主要原因［9］。工業(yè)化和城市化的發(fā)展需要耗費大量的能源，特別是化石能源的大量消耗將直接導(dǎo)致環(huán)境的嚴(yán)重污染［10］。中國正處于高速工業(yè)化和城市化的進(jìn)程當(dāng)中，因能源消費而產(chǎn)生的污染排放中工業(yè)部門占80%以上［11］，且高耗能產(chǎn)業(yè)消耗資源(水電、煤、石油、天然氣等自然資源以及物耗等)的速度最快，對能源的需求量較大，污染排放占據(jù)了工業(yè)部門排放的90%以上［12］。因此，以“能源消耗”作為代表人類對生態(tài)系統(tǒng)施加的各種負(fù)行為的系統(tǒng)集成指標(biāo)，是有科學(xué)依據(jù)的。

能源消耗的總量反映一個社會經(jīng)濟組織發(fā)展中對自然資源的使用數(shù)量。相比于總量指標(biāo)，以能源使用效率來衡量經(jīng)濟增長和能源消費之間的關(guān)系，更加具有現(xiàn)實意義。經(jīng)濟增長與能源消費之間存在以下4種關(guān)系:①從經(jīng)濟增長到能源消費的單向因果關(guān)系，即非能源依賴型經(jīng)濟，經(jīng)濟增長會帶來能源消費的增加，但能源消費的增加不會帶來經(jīng)濟增長。對于這種經(jīng)濟類型，節(jié)能政策的實施對經(jīng)濟增長的負(fù)面影響可能就很?。?3］;②從能源消費到經(jīng)濟增長的單向因果關(guān)系，即能源依賴型經(jīng)濟，依靠能源消費增加拉動經(jīng)濟的增長。節(jié)能政策所導(dǎo)致的能源消費的降低可能會顯著影響經(jīng)濟增長［14］;③經(jīng)濟增長與能源消費之間不存在因果關(guān)系，沒有必然的聯(lián)系;④能源消費與經(jīng)濟增長之間存在雙向因果關(guān)系，即經(jīng)濟增長與能源消費互相依賴型的。能源消耗彈性系數(shù)反映能源消費增長速度與國民經(jīng)濟增長速度之間比例關(guān)系的指標(biāo)，等于能源消費量年平均增長速度與國民經(jīng)濟年增長速度之比。選擇能源消費彈性系數(shù)作為人類負(fù)行為的代表指標(biāo)，說明由于人類經(jīng)濟社會發(fā)展過程中生產(chǎn)生活的能源消耗給生態(tài)系統(tǒng)帶來的負(fù)面影響程度。

1.2 環(huán)保投資彈性系數(shù)(Elasticity Coefficient of Environ mental Investment，ECEI)

2008年，中國統(tǒng)計的名義環(huán)境保護投資已經(jīng)達(dá)到4 490億元，占當(dāng)年GDP的1.49%。但是，多年來環(huán)保統(tǒng)計中存在的一些基礎(chǔ)性問題尚未解決，突出表現(xiàn)在環(huán)保投資的內(nèi)涵界定不清。一般來說，中國的環(huán)保投資主要包括工業(yè)和區(qū)域污染防治、環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施(如城市污水處理廠)建設(shè)以及環(huán)境保護機構(gòu)能力建設(shè)等內(nèi)容，通常不包括生態(tài)建設(shè)的投資［15］。因此，中國的環(huán)保投資通常也稱為環(huán)境污染治理投資，是指在工業(yè)污染源治理和城市環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資中，用于形成固定資產(chǎn)的資金，包括工業(yè)新老污染源治理工程投資、建設(shè)項目“三同時”環(huán)保投資和城市環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)所投資的資金。

根據(jù)我國統(tǒng)計年鑒的數(shù)據(jù)口徑，從1996年開始引入統(tǒng)計“環(huán)保投資”總量指標(biāo)。同樣，為了更加客觀地反映環(huán)保投資在經(jīng)濟社會發(fā)展中的作用和效率，參考能源消費彈性系數(shù)來構(gòu)造環(huán)保投資彈性系數(shù)。環(huán)保投資彈性系數(shù)反映環(huán)保投資增長速度與國民經(jīng)濟增長速度之間比例關(guān)系的指標(biāo)，等于環(huán)保投資年平均增長速度與國民經(jīng)濟年增長速度之比。選取環(huán)保投資彈性系數(shù)代表人類對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生積極影響的正行為，說明由于人類經(jīng)濟社會發(fā)展過程中通過環(huán)境保護和污染治理等積極行為，給生態(tài)系統(tǒng)帶來的正面影響程度。

1.3 人均能源足跡(Per-capita Energy Ecological Footprint，Per-capita EEF)

自然資本管理是可持續(xù)發(fā)展的核心，有效的管理依賴于對自然資本的準(zhǔn)確度量。研究表明，能源足跡在生態(tài)足跡中占很大比重［16－17］，是影響生態(tài)足跡大小的最主要因素。如美國與德國都是發(fā)達(dá)國家，1999年美國人均生態(tài)足跡(9.7全球公頃，ghm2)是德國(4.7 ghm2)的2.06倍，主要是因為生活方式和能源消費不同的結(jié)果［18］。WWF等最新發(fā)布的《2006地球生命力報告》指出，人類的能源足跡增長最快，2003年超過1961年的10倍，幾乎占到6類總生態(tài)足跡的一半(48%)［19］。由于社會、經(jīng)濟、科技、生產(chǎn)、日常生活等眾多因素的變化影響著人們的能源消費、決定著能源足跡的大小，揭示能源足跡的變化規(guī)律和影響因子，找出影響能源足跡增長的主要因子，為人類降低能源足跡、減少環(huán)境影響(生態(tài)足跡)提供可行的途徑和方法很有必要。

以人均能源足跡為目標(biāo)序列，代表生態(tài)系統(tǒng)閾值的變化趨勢，以能源消費彈性系數(shù)和環(huán)保投資彈性系數(shù)作為參考序列，通過關(guān)聯(lián)分析研究生態(tài)子系統(tǒng)和人類行為子系統(tǒng)發(fā)展趨勢的相似或相異程度，研究人類行為對生態(tài)閾值的影響程度以及約束人類行為的效率。

2 上海市Per-capita EEF、ECEC、ECEI計算

上海作為高度城市化和工業(yè)化的區(qū)域，屬于典型的人工自然生態(tài)系統(tǒng)，人類各種生產(chǎn)生活行為對自然生態(tài)系統(tǒng)的影響最為顯著。

2.1 Per-capita EEF的兩種算法

采用碳匯法［20－21］計算上海市 1978－2010年的人均能源足跡，即每消費單位化石能源所釋放的二氧化碳所需要的林地吸收面積(水電不釋放二氧化碳，其生態(tài)足跡計算是以建設(shè)水電站等設(shè)施所淹沒的土地面積計算)。由于森林對溫室氣體吸收能力是以熱量為表征的，需要先將化石能源消費量按其燃燒效率轉(zhuǎn)化為熱量［22］。在計算不同能源消費項目的生態(tài)足跡時，采用Wackernagel［23］等所確定的煤、石油、天然氣和水電的全球平均土地產(chǎn)出率:55 GJ/hm2、71 GJ/hm2、93 GJ/hm2、1 000 GJ/hm2，將能源消費所消耗的熱量折算成一定的化石能源地面積。按照能源消耗統(tǒng)計口徑的不同，采用以下兩種方法計算并分析上海市的人均能源足跡。

算法一:

根據(jù)統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，選取工業(yè)能源終端消費量的數(shù)據(jù)，將所有能源轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤進(jìn)行能源足跡測算。折算系數(shù)及轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)如下:1 t原煤=0.714 3 t標(biāo)準(zhǔn)煤，1 t原油=1.428 6 t標(biāo)準(zhǔn)煤，1 m3油天然氣=1.33 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，1 kWh電力=0.229 kg標(biāo)準(zhǔn)煤。測算的結(jié)果見圖1。

圖1 上海市1978－2010年人均能源足跡(按標(biāo)準(zhǔn)煤折算)Fig．1 Per-capita EEF of Shanghai from 1978 to 2010(according to standard coal conversion)

算法二:

根據(jù)上海市能源消費種類的不同，按照電力、燃料油、焦炭和原煤四種主要能源分類，根據(jù)不同能源的全球平均土地產(chǎn)出率系數(shù)，計算1978－2010年的上海市分賬戶能源足跡并加總，作為上海市的人均能源足跡。測算的結(jié)果見圖2。

圖2 上海市1978－2010年人均能源足跡(按分能源賬戶計算)Fig．2 Per-capita EEF of Shanghai from 1978 to 2010(according to four sub-accounts)

上海市人均能源足跡的變化趨勢可以歸納為:①人均能源消費足跡存在階段性特征。20世紀(jì)80年代至90年代初逐步增加，90年代中后期平穩(wěn)下降，近5年有所上升。②人均能源足跡的構(gòu)成發(fā)生了變化，由原煤足跡為主，逐漸向以焦炭為主、燃料油減少、電力增加的能源足跡結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。③電力的全球平均土地產(chǎn)出率系數(shù)比原煤高，此類能源消耗所占比例越多，人均能源足跡的數(shù)值越小。研究期內(nèi)，上海市四種主要能源消耗中，只有電力消耗量保持持續(xù)上升，隨著能源消耗結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步轉(zhuǎn)變，電力足跡將會繼續(xù)增加。

2.2 能源消耗彈性系數(shù)(ECEC)的計算

能源消費彈性系數(shù)代表人類對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生消極作用的負(fù)行為，說明人類經(jīng)濟社會發(fā)展過程中由于生產(chǎn)生活的能源消耗，給生態(tài)系統(tǒng)帶來的負(fù)面影響程度。根據(jù)上海市統(tǒng)計年鑒，以1978－2010為研究期間，計算能源消耗彈性系數(shù)(見圖3)。

圖3 上海市1978－2010年能源消耗彈性系數(shù)Fig．3 ECEC of Shanghai(1978 － 2010)

研究期間，上海市能源消耗彈性系數(shù)呈現(xiàn)周期波動趨勢，表現(xiàn)出明顯的階段性特征:①改革開放之初，能源消耗彈性系數(shù)小于1，能源消耗的增長速度慢于經(jīng)濟增長速度;②20世紀(jì)80年代中后期至90年代初期，能源消耗彈性系數(shù)多次大于1，我國經(jīng)濟增長對能源消耗的依賴最為顯著。特別是1986年，能源消耗系數(shù)為2.05，說明GDP增加1個百分點，需要增加2個百分點的能源消耗;③90年代中后期，伴隨著經(jīng)濟的快速增長(平均增速12.57%)，能源消耗的增長速度持續(xù)下降(平均增速4.43%)，能源消耗彈性系數(shù)平穩(wěn)下降;④2000年以后，由于經(jīng)濟增長速度逐步放緩，能源消耗彈性系數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢。

2.3 環(huán)保投資彈性系數(shù)(ECEI)的計算

環(huán)保投資彈性系數(shù)代表人類對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生積極作用的正行為，說明人類經(jīng)濟社會發(fā)展過程中由于環(huán)境保護和污染治理，給生態(tài)系統(tǒng)帶來的正面影響程度。由于我國對環(huán)保投資在統(tǒng)計口徑上的數(shù)據(jù)收集較晚，選取1996－2010年作為研究期間，計算環(huán)保投資彈性系數(shù)(見圖4)。

圖4 上海市1996－2010年環(huán)保投資彈性系數(shù)Fig．4 ECEIof Shanghai(1996 － 2010)

研究期間，上海市大部分年份的環(huán)保投資彈性系數(shù)大于1，相比于經(jīng)濟增長的速度，環(huán)保投資的增長速度更快。但是，環(huán)保投資彈性系數(shù)的數(shù)值越來越小，從1996年的3.67，即GDP增長1個百分點，環(huán)保投資增加3.67個百分點，到2010年的1.03，可以看出，上海市用于環(huán)境保護的資金投入的實際增長速率是下降的。這與上海市逐漸調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有著密不可分的關(guān)系，通過產(chǎn)業(yè)升級將資源消耗和環(huán)境破壞的落后產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移或淘汰，是造成主要用作污染治理費用的環(huán)保投資增長速度放緩的可能原因之一;但對比同時期能源消耗彈性系數(shù)的增加趨勢，不能排除城市在經(jīng)濟發(fā)展中過早享用環(huán)境改善的紅利，忽視或減少對環(huán)境保護的持續(xù)投資，采用加大能源的消耗拉動經(jīng)濟的快速增長的可能性，迫切需要引起高度的重視。

3 上海市 Per-capita EEF、ECEC和 ECEI的灰色系統(tǒng)分析

3.1 灰色關(guān)聯(lián)度

灰色系統(tǒng)分析用灰色關(guān)聯(lián)度來描述系統(tǒng)要素間關(guān)系的強弱、大小和次序，從而分清主導(dǎo)要素和潛在要素，分清優(yōu)勢和劣勢，為分析評價系統(tǒng)發(fā)展提供相關(guān)的信息?；疑P(guān)聯(lián)度反映兩個系統(tǒng)或系統(tǒng)內(nèi)各要素間變化的方向和速度的關(guān)聯(lián)程度。如果樣本數(shù)據(jù)反映出兩要素變化的發(fā)展態(tài)勢基本一致，則關(guān)聯(lián)度大，表明該要素是系統(tǒng)發(fā)展的主要影響因子;關(guān)聯(lián)度小，說明系統(tǒng)發(fā)展不受或少受此要素影響［24－25］。

根據(jù)前文分析，以人均能源足跡代表生態(tài)系統(tǒng)的閾值變化，研究人類行為對生態(tài)系統(tǒng)的作用方式和影響程度，組成一個母要素Y0(t)(參考數(shù)列)。

以“環(huán)保投資彈性系數(shù)”代表人類對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生積極影響的正行為，以“能源消費彈性系數(shù)”代表人類對生態(tài)系統(tǒng)施加干預(yù)的負(fù)行為，組成兩個子要素Yi(t)(比較數(shù)列)。

能源消費彈性系數(shù)與人均生態(tài)足跡是正向變動的，能源消費彈性系數(shù)越大，對能源的使用數(shù)量和速度越高，對生態(tài)系統(tǒng)的占用也越大，即人均能源生態(tài)足跡越大。需要注意的是，環(huán)境保護作為人類干預(yù)生態(tài)系統(tǒng)的積極影響，隨其數(shù)量的增加，通常會給生態(tài)系統(tǒng)帶來正面的作用。也就是說，環(huán)保投資的越多，生態(tài)系統(tǒng)的承載能力趨向改善，人類能源消耗占用的生態(tài)足跡相應(yīng)地減少，即環(huán)保投資彈性系數(shù)與人均能源足跡之間是反向變化趨勢。故在灰色關(guān)聯(lián)度計算中，需要對環(huán)保投資彈性系數(shù)取倒數(shù)進(jìn)行研究，才能科學(xué)地考察數(shù)據(jù)之間的相關(guān)關(guān)系和經(jīng)濟社會發(fā)展中的實際意義。

將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱處理，以減少隨機要素的干擾。設(shè)X0(t)，Xi(t)分別為經(jīng)過無量綱均值化處理的母要素和子要素的樣本值，表示為:

3.2 人均能源足跡X0(t)與能源消耗彈性系數(shù)X1(t)的灰色關(guān)聯(lián)分析

1978－2010年期間，將所有能源消費折算為標(biāo)準(zhǔn)煤后得到的單一帳戶人均能源足跡與能源消耗彈性系數(shù)之間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)為0.710 3，兩個因素的變化方向相同，趨勢基本一致，有密切的相關(guān)關(guān)系。事實上，能源消耗彈性系數(shù)體現(xiàn)著能源消耗的速度領(lǐng)先或落后于經(jīng)濟增長的速度，是相對指標(biāo)，能源消耗彈性系數(shù)越大，經(jīng)濟增長對能源的依賴程度越高，勢必會導(dǎo)致人均能源足跡的生態(tài)占用越大。

按照原煤、焦炭、燃料油和電力等4類上海市工業(yè)企業(yè)主要消耗的能源種類，建立人均能源足跡帳戶，構(gòu)成上海市的人均能源足跡與能源消費彈性系數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)矩陣(見表1)。

1978－2010年期間，上海市人均能源足跡與能源消費彈性系數(shù)之間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)為0.603 9。由于燃料油和電力的全球平均土地產(chǎn)出率系數(shù)比原煤高，在分帳戶人均能源足跡的計算和匯總過程中，這兩類能源消耗所占比例越多，相比單一帳戶，人均能源足跡的數(shù)值越小，對應(yīng)地，與能源消耗彈性系數(shù)的關(guān)聯(lián)度也會偏小。根據(jù)表1，對上海市人均能源足跡影響最大的是原煤足跡(0.904 5)，其次為焦炭(0.892 0)，電力最小(0.654 8)。研究期內(nèi)，上海市能源消費結(jié)構(gòu)以原煤消耗為主，而原煤的全球平均土地產(chǎn)出率最低，為55 GJ/hm2，以原煤消費為主的能源結(jié)構(gòu)導(dǎo)致人類經(jīng)濟社會發(fā)展對生態(tài)系統(tǒng)的資源占用較大。與能源消費彈性系數(shù)的關(guān)聯(lián)度最為密切的能源足跡為電力足跡(0.739 0)，是與能源消費彈性系數(shù)變化趨勢最相似的，對其影響最顯著的能源消費類型，說明電力消費是拉動上海市能源消費增長的最主要因素和推進(jìn)經(jīng)濟增長的最依賴能源。

表1 1978－2010能源消耗彈性系數(shù)與分帳戶人均能源足跡的灰色關(guān)聯(lián)矩陣Tab.1 Matrix of grey correlation coefficients between per-capita EEF and ECEC(1978－2010)

3.3 人均能源足跡X0(t)與環(huán)保投資彈性系數(shù)X2(t)的灰色關(guān)聯(lián)分析

1996－2010年期間，將所有能源消費折算為標(biāo)準(zhǔn)煤后算得到的單一帳戶人均能源足跡與環(huán)保投資彈性系數(shù)之間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)為0.667 1。由于對環(huán)保投資彈性系數(shù)采用取倒數(shù)計算灰色關(guān)聯(lián)度，結(jié)果說明環(huán)保投資彈性系數(shù)與人均能源足跡兩個因素的變化方向相反，即環(huán)保投資彈性系數(shù)越大，人均能源足跡的生態(tài)占用越小，加快環(huán)保投資對能源消耗的減少起了一定的作用(見表2)。

1996－2010年期間，分帳戶的人均能源足跡與環(huán)保投資彈性系數(shù)之間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)為0.638 7。將表2和表1對比分析發(fā)現(xiàn)，上海市的人均能源足跡構(gòu)成發(fā)生了一定的變化，對其影響最大的是焦炭足跡(0.948 8)，其次為原煤足跡(0.931 3)，電力足跡最小(0.702 7)。人均能源足跡與各能源足跡的關(guān)聯(lián)度均大于1978－2010年時間尺度下的數(shù)值，說明人均能源足跡與各能源足跡的變化趨勢更加一致，相互關(guān)聯(lián)更加密切。焦炭取代原煤成為與人均能源足跡變化趨勢一致性最顯著的能源種類，隨著能源消耗結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，電力足跡將會進(jìn)一步增加。與環(huán)保投資彈性系數(shù)變化趨勢最相似、關(guān)聯(lián)最密切的能源消費類型是電力足跡(0.685 3)，由于對環(huán)保投資彈性系數(shù)取倒數(shù)計算灰色關(guān)聯(lián)度，說明環(huán)保投資增長越快，電力消耗的生態(tài)占用越小，電力是上海市環(huán)境保護和污染治理投入產(chǎn)出效率最高的能源種類。

3.4 X0(t)與X1(t)、X2(t)的灰色關(guān)聯(lián)分析

以人均能源足跡X0(t)作為參考數(shù)列，以能源消費彈性系數(shù)X1(t)和環(huán)保投資彈性系數(shù)X2(t)組成比較數(shù)列，通過灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，可以反映生態(tài)系統(tǒng)和人類行為系統(tǒng)內(nèi)各要素間變化的趨勢，從而找到影響生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的主要因素(見表3)。

根據(jù)表3，人均能源足跡與能源消耗彈性系數(shù)的關(guān)聯(lián)度均大于其與環(huán)保投資彈性系數(shù)的關(guān)聯(lián)度，這說明，與生態(tài)系統(tǒng)的變化趨勢更為一致的行為系統(tǒng)因素是能源消耗。能源消耗比環(huán)境保護對生態(tài)閾值和承載能力的影響更為顯著，是影響生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。

目前，中國的環(huán)保投資主要用于環(huán)境污染治理，屬于典型的“終端治理”模式和“事后控制”策略，由于環(huán)保投資作用于生態(tài)系統(tǒng)的路徑長、層次多、時間滯后和傳導(dǎo)損耗等原因，雖然會對生態(tài)環(huán)境的改善產(chǎn)生積極的作用，但直接影響有限。

表2 1996－2010年環(huán)保投資彈性系數(shù)與分帳戶人均能源足跡的灰色關(guān)聯(lián)矩陣Tab.2 Matrix of grey correlation coefficients between per-capita EEF and ECEI(1996－2010)

表3 1996－2010年能源消耗彈性系數(shù)、環(huán)保投資彈性系數(shù)與人均能源足跡的灰色關(guān)聯(lián)矩陣 hm2Tab.3 Matrix of grey correlation coefficients of per-capita EEF，ECEC and ECEI(1996－2010)

4 結(jié)論與討論

通過選取“環(huán)境保護”代表人類對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生積極影響的正行為，“能源消耗”代表人類對生態(tài)系統(tǒng)施加干預(yù)的負(fù)行為，人均能源足跡代表生態(tài)系統(tǒng)的閾值變化，研究生態(tài)系統(tǒng)和人類行為系統(tǒng)的相互作用關(guān)系和影響程度，可以得出以下結(jié)論:

(1)生態(tài)閾值和人類行為之間的相互影響關(guān)系是確實存在的。生態(tài)系統(tǒng)的承載能力受到人類各種行為的影響。雖然生態(tài)承載力在一定時間內(nèi)處于相對穩(wěn)態(tài)，但通過灰色關(guān)聯(lián)度的分析表明，無論是人類對生態(tài)系統(tǒng)的污染、破壞和消耗，還是對于環(huán)境的保護、治理和恢復(fù)，都會引起生態(tài)系統(tǒng)承載力的動態(tài)變化。

(2)人類生產(chǎn)生活中的資源消耗對生態(tài)系統(tǒng)的作用是直接而顯著的，生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力的提高，受到人類積極行為(環(huán)境保護)增加的影響較弱，直接減少人類的消極行為(能源消耗)是約束人類行為有效率的方式。保護環(huán)境和恢復(fù)生態(tài)健康有效的方式是從根本上減少資源的消耗數(shù)量和消費速度，從這個意義上，“節(jié)能”的效果大于“減排”。

(3)進(jìn)入21世紀(jì)以來，上海市的能源消費總體呈現(xiàn)加速趨勢，環(huán)境保護資金投入的實際增長卻放緩，而人均能源消費足跡有所增加。城市發(fā)展過程中，特別是在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級期間，經(jīng)濟快速增長需要新的動力源，可能導(dǎo)致對環(huán)境保護的持續(xù)投資減少，對能源消耗依賴性增強的粗放式發(fā)展模式很可能卷土重來，削弱甚至威脅生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)能力。

(4)上海市人均能源足跡的各種能源種類中，電力足跡與能源消費彈性系數(shù)和環(huán)保投資彈性系數(shù)的變化趨勢最相似，關(guān)聯(lián)度最高，相互影響最顯著。電力既是上海市能源消費增長的最主要因素，也是環(huán)境保護的資金投入產(chǎn)出效率最高的能源。目前，上海市人均能源足跡構(gòu)成中電力足跡所占的比重最小，增加電力消耗以代替原煤等初級能源是上海市能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和環(huán)境保護的方向。

(5)人類行為對生態(tài)環(huán)境的影響復(fù)雜而深遠(yuǎn)，正、負(fù)行為的內(nèi)容、判斷標(biāo)準(zhǔn)及其影響范圍難以簡單界定。有些負(fù)行為的影響是顯性的，可以即時發(fā)現(xiàn)并約束;更多的影響則是隱性的，需要經(jīng)過較長的時間，經(jīng)過復(fù)雜的路徑作用到生態(tài)系統(tǒng)中。而環(huán)境保護的資金投入、技術(shù)創(chuàng)新和政策導(dǎo)向等積極行為對生態(tài)系統(tǒng)的影響效率，也缺乏有效的評估機制。同時，國家和各級政府的環(huán)保支出便于統(tǒng)計，而公共組織、企業(yè)和個人的行為對生態(tài)系統(tǒng)的影響缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計調(diào)查，使得一些環(huán)保公共政策的實施效果缺少科學(xué)的預(yù)測。構(gòu)建完善的國家、地區(qū)、部門和企業(yè)環(huán)境投入產(chǎn)出核算體系，為約束人類行為、制定生態(tài)管理公共政策提供科學(xué)的、量化的方法和依據(jù)。

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Grey System Analysis of Energy Consumption，Environmental Protection and Ecological Footprint

LIU Hui-min
(School of Economics and Management，Tongji University，Shanghai200092，China)

Human behavior has both positive and negative impacts on ecosystem.To study the interaction between ecosystem and behavior system，per-capita energy ecological footprint(per-capita EEF)is selected as the indicator of ecosystem threshold.The composition consists of electricity，fuel oil，coke and coal.Elasticity Coefficient of Environmental Investment(ECEI)and Elasticity Coefficient of Energy Consumption(ECEC)are respectively representing as the indicators of positive and negative human impact on ecosystem.Grey correlation coefficients between ECEC，ECEI and Per-capita EEF in Shanghai of China are calculated from 1978 to 2010.Results show thatelectricity footprint is themost important factor of energy consumption growth and the highesteffective indicator of environmental capital input-output.The conclusion is thatnegative behavior of resource consumption has a closer impacton the ecosystem than positive behavior of environmental protection.From the perspective of environmental governing policy，“energy-saving”is more effective than“emission reduction”．Reducing the negative activities is imminent in the current process of development.

energy ecological footprint;Elasticity Coefficient of Energy Consumption(ECEC);Elasticity Coefficient of Environmental Investment(ECEI);grey correlation coefficient

X24

A

1002－2104(2012)11－0157－08

10.3969/j.issn.1002－2104.2012.11.024

2012－05－25

劉惠敏，博士，講師，主要研究方向為生態(tài)可持續(xù)發(fā)展與人類行為。

國家自然科學(xué)基金資助項目“生態(tài)閾值的人類行為影響和約束模型研究”(編號:71003074);上海市重點學(xué)科“管理科學(xué)與工程”(編號:B310);同濟大學(xué)英才計劃——優(yōu)秀青年教師培育計劃。

(編輯:王愛萍)