1 引言(Introduction)

生态环境状况是具体时间和空间范围内生态系统总体或部分生态环境因子的组合体, 生态环境质量与人类生存和发展密切相关.改革开放以来, 我国创造了近40年经济高速增长的奇迹, 但也造成了资源过度消耗与环境污染加剧(牛方曲等, 2019), 生态环境问题当前已经成为影响可持续发展、经济稳定的重要因素.随着环境问题在社会经济发展中的制约作用不断加剧, 研究环境承载力状态成为实现区域可持续发展的重要前提(杨晋娟, 2016).十八届中央委员会第三次全体会议研究并通过的《中共中央关于全面深化改革若干重大问题的决定》指出, “建立资源环境承载力监测预警机制, 对水土资源、环境容量和海洋资源超载区域实行限制性措施”, 强调了“资源环境承载力评价”及“资源环境承载力监测预警”的重要作用, 促使资源环境承载力研究上升到新高度.在此背景下, 探讨经济-社会-资源环境复合系统承载力特征并作出预警措施, 使系统承载压力在最大承载范围内具有重要理论和应用价值.

“承载力”内涵可追溯到马尔萨斯时代(1766—1834年), 马尔萨斯(1789)认为人口增长受到有限资源制约, 认为人类社会物质增长过程受到环境因子限制.1991年福建省湄洲湾环境规划报告首次提出“环境承载力”概念, 此后国内外学者不断丰富环境承载力研究的框架体系、内涵、构成要素并开展了资源环境承载力研究.王秦等(2020)综合文献总结认为资源环境承载力是一定时期社会经济发展水平下, 以良好生态环境与可持续发展为前提, 特定时空范围内资源环境系统承载的人口数量与社会经济发展规模.资源环境承载力状态及动态仿真研究是提出科学决策的基础, 也是近年来统计学、环境学和其它相关学科交叉研究的热点问题, 受到广泛关注(Peng et al., 2016；牛方曲等, 2018).其中一类是资源环境承载力评价(王静等, 2020；徐美等, 2020), 包括资源供需平衡法和综合指数法, 但综合指数法评价结果实质为承载状态, 而非承载力, 研究结果缺乏政策启示(牛方曲, 2020).张红等(2016)构建了适用于评价海岛城市土地综合承载力趋势的修正系统动力学模型, 并以舟山市为例, 仿真测算了海岛城市土地综合承载力及其发展趋势.另一类是基于系统动力学开展资源环境承载力动态仿真研究, 如胡典等(2020)基于系统动力学原理, 构建了整个系统动力学环境承载力仿真模型, 预测了福州市生态环境未来变化趋势.尚天成等(2009)运用系统动力学理论对生态旅游系统承载力进行了分析, 并结合具体实例的因果关系图说明了相关因素变化对各子系统承载力的影响.近年来, 亦有将系统动力学运用于知识图谱和网络舆情的研究, 例如, 苏迎庆等(2020)以1979—2019年中国知网(CNKI)收录的有关“水环境承载力”的382篇中文核心期刊论文为数据源, 借助Citespace V软件, 采用文献计量法对中国水环境承载力研究成果进行了图谱分析, 系统揭示了多年来中国水环境承载力研究演变的内在发生规律.阎海燕等(2021)从舆情事件本身、网民的影响、媒体的参与、政府的参与以及企业危机应对5个方面分析了它们对网络舆情传播的影响, 构建了企业危机事件网络舆情传播系统模型.目前, 不同学者从不同角度开展了资源环境承载力研究, 但这些研究更多偏向单一角度承载力研究(胡典等, 2020), 而且对于仿真情景的设置缺乏合理性和实际性, 缺乏相应的政策启示, 导致结果的实际应用价值较小.

为提高政府经济决策、环境决策能力及生态系统管理水平, 促进人类发展, 联合国千年生态评估小组(MA)于2001年正式启动了千年生态系统评估(Millennium Ecosystem Assessment)(李团胜等, 2003), 并描述了千年生态评估的4种情景.我国于2001年6月5日正式启动了“中国生态系统评估计划”, 对主要生态类型和重大生态问题进行评估, 但鲜有基于千年生态系统评估设定情景开展资源环境承载力仿真研究.区域良好生态环境质量是人地关系协调发展的重要前提, 2018年生态环境部发布了2017年《中国生态环境状况公报》, 表明生态环境质量状况仍存在不稳定因素.福建作为全国首个国家生态文明试验区, 福州作为生态文明思想重要实践地, 经济高质量发展和生态环境高水平协同发展对承载力可持续发展具有重要意义.为此, 本研究从政策启示角度出发, 基于千年生态系统评估项目情景设定, 动态仿真资源环境承载力时间演变, 以期为推进福州生态文明建设和绿色发展提供实际参考.

2 数据来源与指标体系构建(Data source and index system construction) 2.1 数据来源

数据主要来源于《福州市统计年鉴》(2008—2019年)、《福州市国民经济和社会发展统计公报》(2008—2019年)《福建统计年鉴》(2008—2020年)、《福州市水资源公报》(2007—2019年)、《福州市“十三五”主要污染物总量控制规划》及《福建省“十三五”节能减排综合工作方案》等.

2.2 资源环境承载力指标体系构建

资源环境承载力是一个与生态-资源-环境-社会经济相关的复杂系统(王秦等, 2020), 资源环境承载力作为连接社会系统、环境系统与经济系统之间的纽带, 是协调人口、资源与环境相互联系又彼此相对独立的矛盾统一体的关键(刘文政等, 2017).为此, 从区域经济发展可持续性和生态保护角度出发, 结合区域现实发展情况及相关参考文献(陈媛媛等, 2018；王秦等, 2020), 构建合理评价体系, 具体见表 1.

3 研究方法(Research methods) 3.1 系统动力学理论

系统动力学(System Dynamics, SD)是一种借助计算机对特定情境下系统行为模式进行仿真模拟的方法(王其藩, 1995；姜妮等, 2018), 可处理高阶次、非线性、多重反馈、复杂时变的系统问题(张礼兵等, 2021).目前有较多系统力学分析软件, 其中常用的是可视化建模工具Vensim, 可通过Vensim建立模型, 用箭头连接建立系统变量之间因果关系(李旭, 2008).

3.2 系统动力学建模步骤

对于复杂的现实问题, 系统动力学主要根据以下6个步骤去分析解决问题, 包括: ①系统综合性分析；②系统边界明确；③因果关系分析；④系统流图的绘制；⑤模型的测试与政策设计；⑥综合结果分析, 通过参数调控进行方案比较与优化决策(熊鹰等, 2013).

4 资源环境承载力系统动力学模型(System dynamics model of resource and environment carrying capacity) 4.1 流图相关变量分类

系统动力学模型主要包括存量和流量两种类型(李嘉晓等, 2013), 假设动力学模型为水箱, 存量发挥水箱作用, 流量发挥水流作用, 通过合理调控水流速度确定水容量.确定各项变量类型后构建流程图, 系统力学模型主要包括状态变量、速率变量、辅助变量、常量、表函数等.

4.2 资源环境承载力流图构建

资源环境承载力系统指标主要包括人口、经济、资源和环境4个因素, 将资源环境承载力系统分为人口子系统、资源子系统、经济子系统、环境子系统.图 1为4个子系统关系总流图.

4.3 系统动力学模型检验

对系统动力学模型的检验包括直观检验、运行检验、历史检验和稳健性检验4个方面(金浩等, 2018).模型时间边界为2007—2030年, 模拟步长为1 a, 历史检验时间分别为2008、2012、2017年, 仿真时间为2017—2030年.

4.3.1 历史值检验

历史值检验通过起始年份数据仿真预测未来时刻指标值, 将真实历史数据进行对比, 检验模型误差, 客观评价系统能力(胡典等, 2020).一般认为系统动力学仿真误差小于10%即可通过检验(Xu et al., 2013), 公式表示为式(1).

(1)

式中, D_t为t时刻误差值, X_t′为t时刻模型预测值, X_t为t时刻实际值.

4.3.2 稳健性检验

稳健性检验用于测试系统动力学模型稳定程度和灵敏程度, 理想的系统动力学模型不因参数微小变动而发生较大变化(胡典等, 2020).本文设置3种步长(0.5、1、2), 通过改变模型参数取值或改变步长测试模型稳健性, 结果表明, 3种步长下模拟结果差异较小, 说明模型具有较好的稳健性(图 2).

4.3.3 灵敏度分析

系统动力学模型某个参数及部分结构变化时, 模型其他指标值也会发生相应变化.灵敏度分析通过调试、修改模型参数和模型结构, 通过指标值的影响程度表征模型灵敏度.资源环境承载力模型中, 经济、人口变化对整个系统产生影响, 因此, 选取第二产业增长率、人口增长率两个参数对系统变量进行敏感性检验.采用蒙特卡洛随机均匀分布, 分别模拟200次, 随机噪声种子为1234, 模拟结果分别见图 3和图 4.由图可知, 第二产值增长率因子与人口增长率因子对生活污水、总人口和工业COD、GDP的数值敏感程度不高, 较为稳定.

4.4 系统动力学不同情景方案 4.4.1 MA生态系统评估4种情景

为探究未来生态系统和人类福祉发展的可能变化, MA提出4种不同全球情景, 探究2种不同世界发展道路和2种不同生态系统管理途径(赵士洞等, 2007).不同发展道路指全球化发展问题和区域化发展问题, 不同生态系统管理途径指被动式和主动式管理模式(张永民等, 2008).被动式管理指人类在发展经济的同时, 不考虑各项生态系统要素盲目发展；主动式管理指发展经济同时高度关注生态环境系统, 保持经济发展和生态系统发展平衡, 尽可能在发展经济的同时不破坏现有生态环境(王吉平, 2016).

4.4.2 资源环境承载力情景设置

基于联合国千年生态评估小组观点, MA构建了全球协同(Global Orchestration)、实力秩序(Order from Strength)、适应组合(Adapting Mosaic)与技术家园(Techno Garden)4种情景.根据不同的发展情景设置人口增长率和经济发展水平及资源使用效率组合(高雅, 2018), 具体见表 3.

根据表 3模拟情景设置, 为更全面仿真模拟资源环境承载力变化, 选取人口增长率(R_P)、第一产业值增长率(R₁)、第二产业值增长率(R₂)、第三产业值增长率(R₃)、第一产业单位GDP用水(U₁)、第二产业单位GDP用水(U₂)、能源消耗增长率(R_E)、粮食种植面积比例(P)、单位GDP工业二氧化硫排放量(E₁)、单位GDP工业COD排放量(E₂)、单位GDP农业COD排放量(E₃)、单位GDP工业固废产生量排放量(E₄)等12个参数, 具体取值见表 5.

5 系统动力学仿真结果与分析(Simulation results and analysis of system dynamics) 5.1 人口与经济发展趋势模拟结果与分析

进行4种不同情景系统动力学仿真模拟, 结果见表 6和图 5~7.根据模拟仿真结果可知, 2018—2030年, 全球协同情景下人口数量总量少于其他3种情景, 但GDP发展水平高于其他3种情景；实力秩序情景下, 人口数量增长较快, 但经济发展水平偏低.根据《福州市国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》制定的计划到2020年地区生产总值达9000亿元, 根据《福建统计年鉴》(2020年)数据, 2019年福州地区生产总值达到9392.30亿元, 仿真模拟结果均已达到规划要求并与实际较为接近.根据模拟仿真结果, 不同情景下2021—2030年人口数量排序为: 实力秩序>适应组合>技术家园>全球协同, 2021—2030年经济发展GDP水平排序为: 全球协同>技术家园>适应组合>实力秩序.

5.2 资源承载力模拟结果与分析 5.2.1 水资源模拟结果与分析

合理的水资源利用约束方案, 对于城市健康可持续发展至关重要.通过调整第一产业单位GDP用水、第二产业单位GDP用水, 仿真模拟总用水量的发展趋势.由表 7和图 6a可知, 不同情景下总用水量均呈递增趋势, 其中, 2018—2027年全球协同情景下年用水量增速最快, 其次为适应组合情景, 如按照适应组合情景发展, 2028年后总用水量超出全球协同发展情景用水量.而实力秩序和技术家园发展情景下总用水量较为接近, 但2023年后实力秩序发展情景用水量超出技术家园情景发展模式用水量.水是生命之源, 根据《福州市水资源公报》(2018—2019年), 2018年用水总量为33.48亿m³, 2019年用水总量为20.69亿m³, 通过仿真模拟4种情景下总用水量需求, 可实现水资源容量预警, 更好地实现水资源集约高效利用.

5.2.2 耕地资源模拟结果与分析

确保粮食作物面积在耕地红线的约束下, 通过调整农作物面积变化率模拟4个情景下耕地资源情况, 得到粮食种植播种面积变化趋势.由表 7和图 6b可知, 不同发展情景下粮食播种面积均呈下降趋势, 但技术家园发展情景下粮食作物面积最大, 模拟情景表明2030年为76162.667 hm², 其次为全球协同情景和适应组合情景.在实力秩序情景下, 人口发展速度最快, 耕地资源消耗多, 实力秩序发展情景下粮食播种面积最小, 模拟情景显示2030年为68145.333 hm².根据《福州市国民经济和社会发展统计公报》(2016—2020年), 2016年粮食种植面积99706.667 hm², 2020年粮食种植面积为86253.333 hm², 5年内减少13453.334 hm², 相比于其他发展情景, 技术家园情境模拟下粮食播种面积能维持较稳定水平.

5.2.3 能耗资源模拟结果与分析

能源消耗总量和经济发展紧密关联, 近年来福州市万元地区生产总值能耗逐步下降.根据《福州市国民经济和社会发展统计公报》(2018—2019年), 2019年万元地区生产总值能耗较上一年下降2.03%, 2018年万元地区生产总值能耗较上一年下降1.02%.基于各参数变化率预测区域GDP能源消耗总量变化.由表 7和图 6c可知, 在实力秩序发展情景下, 经济发展最慢, 能源消耗预测曲线斜率最大, 能耗消耗增幅最快, 并在2025年后能源消耗总量超出适应组合发展情景；在适应组合发展情景下, 经济发展先慢后快, 前期能源消耗总量较实力秩序高, 后期经济发展加快, 能源消耗量增多；在全球协同发展情景下, 经济增长最快, 能源消耗变化率相对较低, 整体能源消耗总量较少；在技术家园发展情景下, 经济增长较快, 但能源消耗增幅最慢, 能源消耗总量最低.按照《福建省“十三五”各地区能耗总量和强度“双控”目标》, 2015年能源消耗总量为2245万t标准煤, “十三五”期间能耗增量控制目标为350万t标准煤标准, 模拟结果表明全球协同、技术家园和实力秩序情景可实现“十三五”规划能源消耗控制目标.

5.3 环境承载力模拟结果与分析 5.3.1 水环境模拟结果与分析

根据《福建统计年鉴》(2016—2020年)数据, 2015—2018年福州市废水排放总量呈递增趋势, 由2015年的40164.84万t增加到2018年的51881.98万t.近年来福州市环境质量得到明显改善, 2019年全市污水处理率预计达93.6%, COD排放量呈递减趋势, 由2015年的102695 t下降到2018年的77035 t.根据设定的4种发展情景, 由表 8和图 7a可知, 实力秩序和适应组合发展情景下, COD排放量较多, 2018—2024年实力秩序发展情景下COD排放量高于适应组合发展情景, 而之后适应组合情景下的COD排放量高于实力秩序发展情景, 技术家园发展情景下COD排放量最少.根据福建省人民政府关于印发福建省“十三五”节能减排综合工作方案的通知(闽政〔2017〕29号), 2015年COD排放总量10.27万t, 2020年福州市COD减排比例为4.3%, 2020年COD排放总量控制在9.828万t内.根据4种情景发展仿真结果, 可知4种发展模式符合未来发展需求.

5.3.2 大气环境模拟结果与分析

环境空气质量与污染物排放密切相关, 根据《2019年福州市国民经济和社会发展统计公报》数据, 2019年全市城区环境空气达标率为98.6%, 空气质量综合指数为3.0.SO₂是废气排放的重要组成部分, SO₂排放量与第二产业产值和单位GDP工业SO₂排放量有关, 根据情景假设, 设定单位GDP工业SO₂排放量, 模拟福州市SO₂排放量变化.由表 8和图 7b可知, 2018—2027年实力秩序发展情景下SO₂排放量高于其他3种发展情景, 且SO₂排放量平稳增长.适应组合发展情景下, SO₂排放量快速增长在2028年达到顶峰, 并在2030年SO₂排放量高于其他3种发展情景；全球协同发展情景下, 单位GDP工业SO₂排放量较低, 经济增长速度最快, 污染物排放较快, SO₂排放量呈现出先上升再下降的趋势；相较而言, 技术家园发展情景下污染物排放减少最快, SO₂排放量在2024年前呈现递增趋势, 但由于技术改进, SO₂排放量呈下降趋势并保持低排放水平.根据《福建统计年鉴》(2019—2020年)数据显示, 福州市2017年SO₂排放量为36467 t, 2018年SO₂排放量为34770 t, 根据《福建省“十三五”节能减排综合工作方案》, 2020年福州市SO₂排放总量控制计划年目标值为少于4.631万t.根据仿真结果可知, 4种发展情景均符合要求, 但应优先选择适应组合发展情景.

5.3.3 固体废弃物环境模拟结果与分析

积极推进固体废物污染防治和预警措施, 对于加强生态环境保护和生态文明建设具有重要意义.基于单位GDP工业固体废物产生量情景设置, 模拟工业固体废物产生量趋势.由表 8和图 7c可知, 实力秩序发展情景、适应组合发展情景、全球协同发展情景下, 工业固体废物产生量均呈现快速递增趋势, 其中, 适应组合发展情景下预测曲线陡峭, 表明工业固体废物产生量增幅最快；而技术家园发展情景下, 工业固体废物产生量相对缓慢, 但处于递增趋势.适应组合发展情景下, 单位工业GDP工业固体废物产生量较高, 污染物减少较慢, 2030年工业固体废物产生量最大；实力秩序情景下, 2018—2024年工业固体废物产生量最高, 但由于设置经济发展速度增长最慢, 后期工业固体废物产生量放缓.根据《福建统计年鉴》(2019—2020年), 福州市2017年工业固体废物产生量为623.58万t, 2018年工业固体废物产生量为695.27万t.4种情景模拟结果表明, 技术家园发展情景下, 工业固体废物产生量较为缓慢.

6 讨论(Discussion)

基于系统动力学理论, 分析不同生态系统管理情景下福州市资源环境承载力演变趋势, 研究结果表明: ①全球协同情景下, 2030年预测人口总数较少, 但区域经济发展水平较高, 粮食种植面积呈下降趋势, 2020年能源消耗、SO₂排放量控制在规定范围内, 此种情景下, 保证区域在发展经济的同时, 更好地保护生态环境, 实现环境友好协调发展目标；②实力秩序情景下, 人口数量较其他发展情景多, 但经济发展较为缓慢, COD排放量、SO₂排放量、工业固体废物排放量均处于较高水平, 此种发展模式对生态系统问题采取被动式管理, 经济发展与生态环境保护失调, 发展经济的同时对生态环境造成破坏, 属于非理想发展模式；③适应组合发展情景下, 人口数量较多, 但整体经济发展水平偏低, 在发展经济的同时对生态环境造成一定损害, 此种发展模式下, 2030年工业固体废物排放量预计达819.3万t, 接近警戒水平；④技术家园发展情景下, 人口数量较少, 经济保持较高速度发展, 能源消耗总量最低, COD排放量等处于较低水平, 此种发展模式下, 可实现经济与生态环境协调发展.基于“十四五”规划背景, 优先使用全球协同和技术家园发展模式, 为保持经济持续高水平发展, 可选择全球协同发展模式, 后期逐步向技术家园发展模式转变, 实现人口经济环境资源协调发展.

7 结论(Conclusions)

生态系统变化对人类福祉产生各种影响, 生态系统与人类可持续发展需维持区域资源环境承载力在最大承载范围内.本文运用系统动力学方法, 基于千年生态评估小组(MA) 4种情景模拟福州市资源环境承载力发展趋势, 结果表明, 4种情景发展下全球协同和技术家园情景适合发展需求.根据福州市国民经济和社会发展第十四个五年规划和二O三五年远景目标建议, “十四五”时期资源利用效率显著提高, 单位生产总值能耗下降, 主要污染物排放总量得到有效控制, 城乡生态环境和人居环境持续改善, 研究结果在一定程度上可为经济社会发展模式提供科学的依据.下一步研究可从县域角度或水资源承载力角度仿真预测资源环境承载力变化趋势, 挖掘与县域自身发展相适应社会经济发展模式, 为经济社会可持续发展提供具体可行发展方案.另外需考虑政策不确定性影响, 动态仿真政策不确定性下资源环境承载力变化趋势和相应预警应对策略.