运用GIS和能值分析对中国生态经济系统进行可持续性评估外文翻译资料

运用GIS和能值分析对中国生态经济系统进行可持续性评估

摘要

能值分析和地理信息系统的结合为研究与资源、环境、人口和发展等相关问题，提供了良好的框架。在本文研究中，将能值分析和GIS相结合来评估全国可持续发展。这项研究涉及91个生态经济系统指标，关于资源和环境、输出、输入、废弃物、进口和出口，包含能值货币比率(ECR，单位：sej/yen;)、环境负载率（ELR，无量纲）、废物负载率（WLR，无量纲）、能值产出率（EYR，无量纲）、能值产出比（ENR，无量纲）、环境承载力（ELC，单位：人）、能值可持续发展指数（ESI，无量纲）和可持续时间（ST，单位：年）。主要目的是将GIS和能值评估相整合探索全国生态经济系统的可持续性。91个指标中，表土流失指数由专题地图和遥感影像相结合获得（modis 250m），数字高程模型（DEM）基于通用土壤流失方程得到（USLE）。降水专题图由气象数据和遥感影像运用ArcGIS中的Kriging插值和空间分析得到。所以，全部的降水数据可以从降水专题图中综合而来。无法从年鉴中获取的风能和太阳能辐射能量两个指标，从专题图和统计数据中运用ArcGIS中的Kriging插值方法提取而来。其他指标数据从统计年鉴中收集得来。能值分析和GIS技术的结合应用，提出了对2000、2005和2009年，除西藏、香港、澳门、台湾之外的30个省国土可持续性研究的补充观点。基于GIS的空间分析中，省级行政矢量图和2000、2005及2009年的用于建立可持续性指数地图的能值指数。总结结果如下：第一，人口数量极大的超过了环境承载力，区域经济增长已经更多的依赖于资源和环境，国土可持续性变得更脆弱。第二，从全球来看，传统发展的剩余时间变短。2009年，平均可持续发展时间为27年，最大值为陕西省，可持续发展时间为129.4年，最小值还不到2的为上海、浙江、天津、江苏和广东。第三，其余年份区域可持续发展时间已经缩短，因为生产生活的高消费水平和低生产效率，全国范围的生态经济系统有严重的环境压力。可持续发展时间从2000年的84年减少到2009年的27年。探索一条真实可行的可持续发展道路是相当重要的。显然，国土可持续发展存在空间异质性，根据区域发展水平和当地资源，可持续发展从东往西递减。一个新的发展模式是提出生态补偿问题，优化产业结构、控制人口和可持续消费和生产。

1. 前言

经过三十年的迅速增长，中国迎来一个关键时刻。一方面，经济快速持续增长，另一方面，生态系统质量下降成为可持续发展的阻碍。所以，发展模式的改革刻不容缓，并且可持续发展已经引起越来越多人的注意。能值方法论的引进为可持续发展研究提供了一个好机会。

能值方法论可将不同能量转换成同一对照标准，为探索和解决区域发展问题提供了积极的意义。能值方法论被广泛应用于生态经济系统健康、可持续发展、环境承载力、生态价值评估和经济核算模式等领域。GIS技术和能值分析的融合应用，在可持续发展研究方面具有重大进步。可再生资源和土地资源的真正价值可用能值分析进行估算，能值可以用GIS可视化表达，因此有效解决当前生态经济问题需依据空间地图。台北研究案例中，被分为1㎞*1㎞的栅格，运用能值方法和GIS研究城市空间异质性的城市空间模拟已经实现。在意大利的阿布鲁佐区域，GIS和能值分析已经被用于监管资源和根据人口信息进行能值的分配。Agostinho运用能值分析在巴西普拉多盆地对农业生态经济系统进行了管理效益的分析。Reiss在弗罗里达，运用30m*30m的栅格、GIS临近区域分析和景观开发强度能值指数，对湿地进行评估。Brown MT基于GIS技术和能值方法，对土地利用数据和景观开发强度的应用进行了探讨。Agostinho对巴西家庭农场进行能值评估，并且依据GIS和能值分析方法获取水土流失资料，以此来提高分析精度。

目前，全国能值分析方法并不流行，数据主要从统计表中获得，GIS技术和能值分析的结合研究仅局限于结果的可视化表达。在本文中，能值分析除香港、澳门、台湾和西藏之外，以省为研究尺度，运用GIS和RS获取数据，编制能值分析表，计算2000年、2005年和2009年的中国省级生态经济系统能值，以此来分析区域可持续发展。

1. 方法论

2.1 数据来源和处理方法

数据从2001、2006和2010年年鉴中获取，包括《中国统计年鉴》、《中国乡村统计年鉴》、《中国环境统计年鉴》、《中国经济和贸易年鉴》、《中国水资源公告》、《中国工业经济统计年鉴》、《中国能源统计年鉴》、《中国农村住户调查年鉴》、《改革开放三十年（1987-2007）农村统计资料汇编》、第四次、第五次、第六次森林资源普查数据等，包含了关于生态和经济系统的91个指标。其中，各省的面积参考中华人民共和国行政区划手册。

DEM（90m）数据，由中国省级行政区划矢量数据镶嵌和提取而来，平均坡度由ArcGIS中的SLOPE和CLIP命令产生。风能和太阳能数据通过经纬度的Kriging插值得到，一些降水数据从年鉴中获得，缺失的数据用Kriging插值的方法基于700个点数据得到。土壤侵蚀量由土壤流失方程（USLE）计算而来:

（1）

这里R为降水侵蚀因子（MJ·mm/hm²·h·a）；K为土壤可侵蚀因子（t·hm²·h/MJ·mm·hm²）；LS为坡长和坡度因子；C是覆盖管理因子；P是水土保持因子。另外，R参考Wischmeier经验公式计算，K从诺模图查取；土壤含沙量、土壤结构、渗透性、有机质含量等从1:1000000的土壤图中获取；LS由DEM(90m)获取；从MODIS（250m）影像的植被覆盖指数（NDVI）中提取植被覆盖率来计算C；P由MODIS（250m）影像中的土地利用类型得来。GIS数据和中国省级行政区划结合，省级平均指标计算如下：

（2）

其中A表示面积，V表示属性值，i表示属性值的数量，n是一些属性的图斑数量。

2.2 能值分析

1987年，美国生态学家Odum提出能值理论，即大量的太阳能存在于不同的能量中。因为全球能量主要来源于太阳能，实际应用中，用太阳能值来表示任何能量所包含的太阳能，单位为太阳能焦耳（sej），单位能量或物质所有的能值用sej/单位来表示，能值计算公式为：

（3）

Em表示太阳能值(sej)，T表示单位能值（sej/unit），B表示有效能（J）有效能的计算公式为：

（4）

W的单位为kg或者g，C物质能量折算系数

2.3 可持续性指标体系

基于能值指标有利于计算和分析可持续发展。图1是基于能值分类的能值流动图，可持续性发展指数如表1。其余指标解释如下：能值产出率（EYR）越高，自由使用能值率就越高。能值可持续发展指数(ESI)代表了区域发展的可持续性指标。能值的输入-输出效率越高，环境负载率(ELR)就越低，区域发展可持续性就越好。发展中区域的ESI，有较高的自由使用的能值量，并且高于其他的。

3 结果分析

3.1 能值计算过程

能值计算如下：

第一，能值分析表涉及到资源环境、可更新和不可更新资源、社会经济系统的输入、生产输出、进出口和废弃物。

第二，有效能的计算参考相关文献和计算公式（4），热值交换标准参考农业技术和人类经济。

第三，能值用公式（3）进行计算，能值计算基准线和单位能值不做调整，

土层厚度来源于1:1000000的土壤图和中国土壤类型、中国土壤、天津土壤种类和重庆土壤的土壤剖面数据；土壤密度来源于1:1000000土壤图的土壤表层密度。

图 1 生态经济系统能值流动系统图

表一 系统可持续发展的能值综合指标体系

备注：U表示总能值；T表示环境资源能值；R和N表示，可循环和不可循环能值；I表示输入能值；O表示输出能值；W表示废弃物能值

表二 2000年，省级生态经济系统能值指标计算结果

表三 2005年，省级生态经济系统能值指标计算结果

表四 2009年，省级生态经济系统能值指标计算结果

图 2 区域和国家资源的能值比

生态经济系统和可持续性指数通过能值分析表计算。首先，2009年，可再生能源为2.18*10²⁴sej，包括水（化学能值和潜在能值）、森林、风、太阳辐射和地球圈层。通过控制消耗和保证更新速度，这些资源可以被持续利用。在中国，总的可更新能值结构合理，但是空间分布不平衡。在30个省中，新疆太阳辐射能值是总能值的25%。另外，降雨能值约1.01*10²⁴sej，其中四川和云南就占了30%。第二，资源环境能值为1.99*10²⁷sej，以农田能值为主。能源资源能值约1.12*10²⁶sej，碳能值为9.91*10²⁵sej，超过总能值的80%。金属矿物质以铁为主，有2.15*10²⁵sej，非金属矿物质能值为4.44*10²⁵sej，主要元素为磷。资源环境分布不均衡。图1说明能源资源的能值主要为碳能值，其中山西和内蒙古之和超过总能值的50%，山西、内蒙和新疆能值和占67.7%。图2表明铁和磷是矿物资源能值的主要组成部分，四川和云南的能值为62.7%。第三，由图2、3、4得到，废弃物能值从从2000年的2.82*10²³sej增加到5.22*10²³sej，高熵能值越来越多。

图3 各省能值货币比率

3.2 能值货币比率分析

能值货币比率受当前经济效率和自由资源比率的影响，反映了省级经济现代化程度。在广泛的经济增长

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