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余 焕， 雷 敏， 马金晶， 李 睿
（西北大学城市与环境学院，陕西 西安 710127）
可持续发展和绿色发展研究是生态文明新时代的热点问题，两者同根同质，探讨区域可持续发展问题，有利于实现区域未来绿色发展和高质量转型。“可持续发展”理念自诞生以来，就以生态、经济和社会可持续为目标，指引世界各国共同努力应对危机与挑战，确保人类拥有可持续发展的未来。2015年联合国可持续发展峰会通过《2030年可持续发展议程》［1］，2021 年我国发布《中国落实2030 年可持续发展议程》，指出在多个具体目标上取得进展，如消除绝对贫困、生态环境优化、人民生活水平提高等［2］，可持续发展成为人类发展共识。进入21 世纪，我国经济发展迅速，区域发展存在不平衡和资源消耗过大等问题，此类问题制约未来经济社会的发展，对区域可持续发展产生不利影响，同时也将阻碍向绿色高质量发展阶段转变的进程。由此，有效衡量和评价区域可持续发展状况是正确处理好经济合理发展、生态环境保护、资源充分利用之间关系的基础，对区域未来可持续发展规划和布局起着不可替代的作用。
现阶段我国区域可持续发展研究专注于理论、方法、评价、战略布局与调控对策等研究［3-8］，而区域可持续发展状况的衡量和评价主要表现在生态学、经济学、社会学和系统学等领域，学者们认可的方法主要有生态效率法、生态足迹法、绿色GDP 核算法、人类发展指数、驱动力-压力-状态-影响-响应模型等［9-13］，也有学者通过构建人口、经济、社会、生态指标体系［14］，甚至将技术创新与对外开放程度纳入指标体系［15］进行评价。目前区域可持续发展衡量和评价研究成果多集中在单个研究领域或者运用单一评价方法，本文将侧重经济可持续发展的绿色GDP 研究和生态可持续发展的生态效率研究相结合，更能准确反映区域可持续发展能力，同时针对现有的能值可持续测度未考虑废弃物排放对可持续发展的影响而进行改进，试图在原有能值可持续指标测度基础上加入废弃物与可更新能值比，更好的反映了区域可持续发展能力，对区域经济和生态可持续发展水平的衡量及评价也更加科学，是对可持续发展理论与方法研究的有益补充。
绿色GDP 能够补充GDP 的不足，一定程度上可以度量经济社会发展状况［16］，被各界广泛运用。发达国家积极进行环境经济核算的研究与实践，试图修正GDP 以弥补国民经济核算体系的不足［17］，我国学者也在绿色GDP 核算方面做出过重要贡献［18］。现阶段关于绿色GDP 的研究集中在绿色GDP 的核算［11,16-18］、时空格局演变及绩效评估等方面［19-21］，针对陕西省绿色GDP核算的研究多在市域层面［11,18,21］，难以反映陕西省整体变化情况，亟需对陕西省整体可持续发展水平进行衡量与评价。生态效率是在进行经济活动中投入与产出之间的比值，即经济价值与资源消耗、环境污染之间的比值［22］。其核心思想是用最小资源消耗和环境污染的代价换取最大经济效益，直接反映生态环境可持续发展的要求。Super-SBM 模型由Tone［23］于2002 年提出，是测算生态效率的常用模型之一，是数据包络分析法（Data envelopment analysis，DEA）的优化模型。Super-SBM模型结合超效率DEA 模型，可以同时解决无效决策单元（Decision making unit，DMU）松弛变量和有效DMU 效率值无法排序的问题。目前生态效率研究的热点主题主要表现在评价方法探讨、农业生态效率测算、结合生命周期评估微观主体效率、结合生态足迹测算不同对象效率和结合工业生态学测算工业系统效率等几个方面［24］，也有学者研究我国生态效率的区域差异及演化［25］，并对城市群生态效率进行评价［26］，鲜有对区域可持续发展状况进行衡量和评价的生态效率研究。
基于以上分析，本文从经济和环境维度对2000—2019 年陕西省可持续发展水平进行分析评价，采用能值分析法进行绿色GDP 核算以衡量陕西省经济可持续发展状况，运用Super-SBM 模型进行生态效率测算以反映陕西省生态可持续发展水平，并且对陕西省的可持续发展能力进行综合评价，旨在提升区域可持续发展能力，为陕西省未来可持续发展的规划和布局提供科学依据，对西北地区的可持续发展战略起到一定的示范作用。
陕西省位于我国西北内陆地区，西靠宁夏、甘肃，北依内蒙古，南连湖北、重庆、四川，东邻山西、河南，境内北部为黄土高原，中部为关中盆地，南部为秦巴山地。省内地形起伏变化多样，平均海拔约为1127 m，多为大陆性季风气候，光照充足，太阳辐射量大，2020 年平均气温为12.6 ℃，平均降水量为649.4 mm，太阳能、风能、雨水势能及化学能资源丰富。矿产资源种类多，总量丰富，主要矿产资源集中度高，截止2019 年底，省内煤矿资源保有储量为1.73×1011t，石油和天然气的剩余可采储量分别为3.5×107t 和9.73×1011m3，多集中分布在陕北及渭北地区。2020 年省内常住人口近3.95×107人，约占全国总人口的2.8%，全年生产总值约2.62×1012元，比上年增长2.2%。近年来陕西省可持续发展能力在不断提升，三大地区发展差异明显，表现出关中地区优于陕北地区和陕南地区的发展特点［27-28］。由于“承东西、接南北”的独特地理位置，使得陕西省成为我国重要的生态安全屏障、引领西部发展的增长极、国家（西部）科教与创新中心、国家综合能源基地［29］。因此，陕西省经济与生态环境可持续性研究对于我国可持续发展显得尤为重要。
2.1 数据来源
本文研究时段为2000—2019 年，陕西省绿色GDP 核算和生态效率测算的基础数据主要来源于2001—2020 年的《陕西省统计年鉴》，部分数据通过《中国统计年鉴》《中国环境统计年鉴》和《陕西省环境状况公报》等进行补充。能值分析所需的能值转换率是由全球基准能值来确定的，为了适应新时代可持续发展研究，在已有研究成果基础上［30-31］，根据2016 年Brown 等［32］计算出新的全球基准能值（12.1×1024sej·a-1），通过同比例缩放的方法对能值转换率进行了适当调整。采用的能量折算系数和生态经济系统中各产品及资源的能量、能值的计算方法及绿色GDP 核算方法主要参考蓝盛芳、康文星、Brown、陈阜和李金平等［30-34］的研究成果。
2.2 数据处理
依据前人研究成果及数据可得性、可操作性、科学性等原则，选取绿色GDP 核算、生态效率测算及可持续发展评价的各项指标，具体说明如下。
将所获得基础数据分为可更新资源、不可更新资源、不可更新资源产品、可更新资源产品、输入资源、货币流和废弃物流七大类。在核算绿色GDP 之前，先对各项资源及产品、货币流和废弃物流进行太阳能值及能值货币价值的计算，考虑到陕西省经济发展、各类资源利用与消耗等实际情况，选择相应指标类别和项目（表1）。需要说明的是，河流过境径流量年际变化比较大，数据难以获取，未将过境河水势能及化学能纳入可更新资源；
水力发电及某些农产品是可循环利用的，仍将水电归入可更新资源产品；
商品进口、实际利用外资、旅游外汇收入、商品出口均为陕西省与国外之间的贸易；
固体废弃物为扣除综合利用量之后的部分。
表1 陕西省太阳能值计算Tab.1 Calculation of solar energy value in Shaanxi Province
经济发展过程中必然消耗资源，产生经济价值和带来环境负效益，也即投入大量资源，经过社会生产活动后获得一定的经济增长（期望产出），同时产生废弃物（非期望产出）影响环境。依据新经济增长理论及数据可得性，确定生态效率测算的投入和产出指标（表2）。由于工农业生产生活中需要消耗大量能源、水资源、土地资源、人力资源和物质资本，投入指标从这五要素选取具有代表性的代理变量，分别为能源消费总量、用水总量、城市建成区面积、年末从业人员数量和社会固定资产投资总额。其中，能源消费总量主要根据电力按当年平均火力发电煤耗的等价值计算；
2000年和2001年用水总量分别根据2001—2003 年和2002—2004 年的平均用水总量计算而得；
2018年和2019年社会固定资产投资总额分别根据陕西省统计年鉴公布的增速10.2%和2.4%计算而得。而产出指标有期望产出和非期望产出之分，期望产出通常选择代表经济发展总量的GDP 作为指标，非期望产出则选择代表污染物排放量的“三废”作为指标。本文期望产出采用优化的地区绿色GDP，非期望产出采用调整的“三废”排放量，即固体废弃物排放量除去了固体废弃物的综合利用量。
表2 陕西省生态效率评价指标体系Tab.2 Evaluation index system of ecological efficiency in Shaanxi Province
绿色GDP 和生态效率的计算结果分别从经济和环境角度对陕西省可持续发展状况做了有效衡量，为了更加全面的体现区域可持续发展状况，以能值分析理论为基础并结合陕西省的实际情况，构建区域生态经济系统的能值指标体系，对陕西省可持续发展进行综合评价（表3）。其中，可更新资源能值包括可更新资源（太阳能等）及产品（小麦等）；
不可更新资源能值包括不可更新资源（表土损耗）、产品（水泥等）及输入资源（原煤等）；
输入能值包括商品进口、实际利用外资及国际旅游收入；
废弃物能值包括废气、废水及固体废弃物；
输出能值包括商品出口，输入与输出能值均为陕西省与国外之间的贸易交流。
表3 陕西省生态经济系统能值指标体系Tab.3 Emergy index system of eco-economic system in Shaanxi Province
2.3 研究方法
2.3.1 基于能值分析的绿色GDP核算法系统内能值总量的计算需要对基础数据进行预处理，根据各项产品或资源的能量折算系数进行转化，再乘以修正的能值转换率得到各项产品或资源的太阳能值，然后将各项产品或资源的太阳能值换算成以市场货币计量的能值货币价值（按美元计）。
绿色GDP 的核算是在GDP 基础上，扣除自然资源消耗（不可更新资源和不可更新资源产品）、输入资源消耗和环境资源损耗（废弃物流）的能值货币价值，其计算公式为：
式中：∑A为自然资源消耗（包括表土层损耗能、火电、平板玻璃、水泥、塑料和钢材）的能值货币价值；
∑B为输入资源消耗（包括原煤、原油、天然气、氮肥、磷肥和化学农药原药）的能值货币价值；
∑C为环境资源损耗（包括废气、废水和固体废弃物）的能值货币价值。
绿色GDP 指数反映该地区可持续发展水平的程度，其计算公式为：
2.3.2 基于Super-SBM模型的生态效率测算法鉴于Super-SBM 模型的诸多优势以及陕西省的具体情况，本文选用Tone 提出的Super-SBM 模型对生态效率进行测算，其数学规划式如下：
式中：γ为效率值，当γ< 1 时，DMU 为DEA 无效，即该DMU 的投入或产出需要做出相应调整；
当γ≥1时，DMU 为DEA 有效；
MIN为最小值函数；
假设社会生产系统有q个同质DMU，单个DMU 都有m种投入，n种期望产出以及t种非期望产出；
和分别为投入、期望产出和非期望产出的松弛变量，即投入、期望产出和非期望产出能够优化的量；
xio和xik分别为第o和k个决策单元的第i类投入量，yjo和yjk分别为第o和k个决策单元的第j类期望产出量；
zro和zrk分别为第o和k个决策单元的第r类非期望产出量；
λk为第k个DMU 线性规划的权重系数；
VRS表示规模报酬可变。
2.3.3 基于能值分析的可持续发展评价方法能值可持续指标（Emergy sustainable indices，ESI）反映生态经济系统的可持续发展能力，在提高单位社会经济效益并且控制单位综合环境压力的前提下，才有可能提高可持续发展水平，而且不是ESI值越高，可持续性越好。参照前人研究［30］，只有当ESI值低于1时，社会经济发展很好，生态经济系统的状态才是可持续的，当ESI 值高于10 时，社会经济发展欠佳，可持续发展就无法得到保证。
改进ESI 是在ESI 计算过程中充分考虑排放废弃物对可持续发展的影响，加入了废弃物与可更新能值比，使得评价结果更符合实际情况，具体计算公式如下：
式中：ESI 为能值可持续指标；
EYR 为能值产出率；
ELR 为环境负载率；
EWR 为废弃物与可更新能值比。
3.1 绿色GDP核算
3.1.1 系统投入的总能值2000—2019年陕西省投入的太阳能值总量不断增加，从2000 年的9.47×1023sej 增加到2019 年的3.02×1024sej，增长了3.19 倍（图1）。就2019年太阳能值总量来说，其中可更新资源5.09×1022sej，不可更新资源2.37×1020sej，不可更新资 源 产 品3.50×1023sej，可 更 新 资 源 产 品1.76×1023sej，输入资源8.94×1023sej，货币流6.41×1023sej，废弃物流9.07×1023sej。可以看出陕西省2019 年废弃物流太阳能值占总太阳能值的比重为30.03%，其次输入资源太阳能值占总太阳能值的比重为29.60%，进一步分析发现，固体废弃物和矿产资源（煤、石油及天然气）对环境-生态经济系统投入的太阳能值影响较大。
图1 2000—2019年陕西省各类太阳能值及总太阳能值Fig.1 Various solar emergy and total solar emergy of Shaanxi Province from 2000 to 2019
3.1.2 绿色GDP核算2000—2019 年陕西省绿色GDP 和GDP 的总量都在持续稳步增加，但绿色GDP的增长速度远远不及GDP（图2）。其中绿色GDP 总量 由2000 年 的1.44×1010USD 增 加 到2019 年 的1.07×1011USD，增加了7.43 倍；
GDP 总量由2000 年的2.18×1010USD增加到2019年的3.74×1011USD，增加了17.2倍。GDP 在2006年实现突破式增长，随后保持快速增长，在2014—2016 年增长动力不足，保持平稳态势，2017 年再次突破式增长，随后继续飞速增长，由此与绿色GDP总量拉开差距。
图2 2000—2019年陕西省绿色GDP和GDP总量Fig.2 Total of GDP and green GDP of Shaanxi Province from 2000 to 2019
结合图3，可以看出2006—2014 年陕西省第二产业占比一直保持在50%以上，第二产业对陕西省经济增长的贡献巨大，说明在这一段时期内，其经济增长主要依赖矿产资源和基础设施建设的传统工业，如能源化工业、建筑业等；
而在2014 年以后，第二产业占比开始下降，第三产业占比开始上升，两大产业占比均保持在40%以上，经过3 a 的产业结构调整，2017 年以后GDP 再次实现快速增长，反映此时期陕西省经济增长主要依赖第二、三产业，不再是单一的第二产业，这也就使得绿色GDP 的总量与GDP再次拉开差距。
图3 2000—2019年陕西省三大产业结构占比Fig.3 Structure proportion of three major industries of Shaanxi Province from 2000 to 2019
2000—2019 年陕西省绿色GDP 指数持续下降（图4），由2000 年 的66.27% 下 降 到2019 年 的28.75%，年均降幅达到1.88%。具体来说，自然资源的能值货币价值占GDP 的比重呈现小幅上升的状态，环境资源的能值货币价值占GDP 的比重并不高，且保持相对稳定状态，但输入资源的能值货币价值占GDP 的比重增长较快，2008年后超过环境资源的占比，说明陕西省绿色GDP 指数的降低与输入资源消耗有着极大的关系，也反映原煤、原油和肥料等资源在陕西省经济发展过程中发挥重要作用，影响经济可持续发展水平的提升。
图4 2000—2019年陕西省绿色GDP指数及相关资源占比Fig.4 Green GDP index and proportion of related resource consumption in Shaanxi Province from 2000 to 2019
3.2 生态效率测算
本文通过Matlab R2020a 版本软件编写的SBM模型工具包计算生态效率，结果如图5所示，生态效率总体呈现下降的趋势（如线性趋势线），主要是经济快速发展加速能源消费总量的上升和城市建成区面积的扩大，使得环境压力加大所致。从生态效率值来看，2000—2019 年陕西省最大生态效率值为2000 年的1.069，最小生态效率值为2017 年的0.891，生态效率的均值为1.007，说明陕西省2000—2019 年投入与产出的效率能够达到相对有效，但效率下降反映经济发展与生态环境之间的不协调问题，也能看出陕西省在发展经济的过程中还有节约资源与保护环境的潜力。同时，生态效率值小于1的年份有2 个，即DEA 无效，说明在2015 年和2017年进行经济活动的过程中，陕西省生态环境遭到破坏的程度和资源不合理利用的情况较为严重。其他年份的生态效率值大于1，即DEA 有效，说明经济、环境及资源得到合理发展、有效保护和充分利用。从生态效率发展态势来看，陕西省2000—2019年DEA 无效年份出现在后10 a，DEA 有效年份出现在前10 a，且生态效率出现下滑的状态，说明陕西省的环境压力有所增大，影响生态可持续发展水平的提升。
图5 2000—2019年陕西省生态效率值Fig.5 Ecological efficiency value of Shaanxi Province from 2000 to 2019
3.3 可持续发展评价分析
2000—2019 年陕西省可持发展评价结果（图6），总体上可以看出陕西省能值产出率（Emergy yield ratio，EYR）在下降和环境负载率（Environment load ratio，ELR）在增长，反映了陕西省在经济发展的过程中，环境压力在加大。废弃物与可更新能值比（Emergy of waste to renewable ratio，EWR）在2000—2016年基本保持稳定状态，其值在2017年有所升高，说明陕西省产生废弃物的量超过其治理能力，废弃物对环境的压力增大。2000—2019年ESI和改进ESI在不断下降，总体态势逐渐趋于一致，而且与EYR 的发展趋势保持较高的相似性。ESI 和改进ESI值在2000—2009年偏高，两者的值都大于10，表明在此时期陕西省综合可持续发展欠佳，ESI 和改进ESI值分别在2013年和2011年下降到10以内，随后逐步分别下降到2019 年的3.848 和2.225，反映陕西省的可持续发展处于良好状态，仍然有潜力向着更加可持续发展方向转变。
图6 2000—2019年陕西省可持续发展综合评价指标Fig.6 Comprehensive evaluation of sustainable development in Shaanxi Province from 2000 to 2019
综合来看，2000—2019 年陕西省绿色GDP 指数不断下降和生态效率总体下滑，反映了经济可持续发展水平不足和生态可持续发展潜力减小，ESI 和改进ESI 值的不断降低，表明陕西省综合可持续发展水平的提升，目前仍处在良好的状态。
4.1 讨论
本文综合多角度和多方法来测度区域可持续发展状况，从不同方面衡量区域可持续发展能力，可以相互补充以弥补单一评价方法的局限性，是对可持续发展理论的进一步梳理与完善。
从分析结果来看，可持续发展水平在此研究期内处在良好状态，可能得益于产业结构优化升级、重视生态环境保护、政策扶持等多方面。本文测算陕西省的绿色GDP 指数结果与江苏省、新疆及全国有一定差异，与同省榆林市、商洛市有一定的相似（表4），主要是研究方法、区域尺度、指标选取等不同所造成。反映陕西省绿色经济发展水平仍落后于其他省份乃至全国，与同省其他地级市不相上下，甚至陕西省整体可持续发展水平的提升受到同省其他地级市的制约。在生态效率测算过程中，基于超效率模型以绿色GDP 作为期望产出指标，不仅扣除环境损耗部分的价值量，还扣除资源消耗部分的价值量，更加符合实际情况，就目前来看，鲜有研究采用绿色GDP 作为期望产出。在进行可持续发展评价时，依据陕西省的实际情况，并且考虑了废弃物会影响可持续发展，因此对ESI计算做出修正，使得对陕西省综合可持续发展的评价更加准确。
表4 绿色GDP指数横向比较Tab.4 Horizontal comparison of green GDP index
但是，限于作者能力、数据可得性和文章篇幅的局限，本文仅从经济和环境角度对2000—2019年陕西省可持续发展状况进行测度，仍然不够全面，如还可从社会角度来衡量可持续发展水平。再者，能值转换率的修正是简单的调整，且没有核算治理环境所产生正向效应的价值，使得核算的各项资源消耗及环境损耗结果偏大，绿色GDP 的结果偏小。此外，对生态可持续发展的测度仅停留在生态效率上，没有深入分析松弛变量问题，绿色发展效率也能反映环境状况。因此，未来仍需进一步建立经济、社会、环境等更加全面的可持续发展水平衡量体系，综合运用多种方法和手段来衡量和评价可持续发展状况。还需对测算的生态效率进一步分析松弛性问题，探索改进优化非DEA 有效决策单元，以提高参考价值。
4.2 结论
本文基于能值分析法和Super-SBM 模型分别对2000—2019 年陕西省绿色GDP 和生态效率进行测算，并对陕西省可持续发展水平进行分析，主要结论如下：
（1）2000—2019 年陕西省绿色GDP 和GDP 的总量持续增加，且绿色GDP 的增长速度远不及GDP。绿色GDP 一直保持低速增长，而GDP 由于2006 年和2017 年的2 次加速增长使得两者差距拉开。绿色GDP指数总体上处于下降趋势，从66.27%下降到28.75%，年均降幅为1.88%。
（2）2000—2019年陕西省生态效率值（趋势线）不断在降低，显然后10 a 的生态效率值总体要低于前10 a，且2 个DEA 无效的年份在后10 a，反映后10 a 的环境问题要比前10 a 突出。经过产业结构调整，降低第二产业比重，反而出现DEA 无效，反映环境压力仍然巨大。
（3）2000—2019 年陕西省EYR 在波动下降，而ELR 在持续上升，致使ESI 值在不断减小，即使考虑废弃物对可持续发展的影响，改进ESI 值也是在不断降低。因而，目前陕西省可持续发展水平仍处在良好的状态。
总体来说，陕西省可持续发展水平仍在不断提升，但在经济发展过程中，过多依赖资源消耗，产生大量的废弃物，使得环境压力增大，综合可持续发展潜力在减小，而产业结构的调整及废弃物的处理将会使得ESI和改进ESI值逐渐小于1，向着绿色高质量的发展方向转型，增强陕西省的可持续发展能力。
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