环境负荷是经济、社会发展过程中资源消耗或污染物排放压力的定量表征, 既可以是单一资源消耗或污染物排放压力的表征^[1], 也可以是某一类资源消耗或污染物排放压力的综合表征^[2]。国外早期通过生命周期评价和生态足迹等理论方法^[3-5], 对工业、建筑业以及污水处理相关产业的环境负荷问题开展评价工作^[6-8]。此外, 国外还采用环境负荷模型衡量资源消耗与环境压力, IPAT模型和传统环境负荷模型(IGT)等被广泛应用于地理学、经济学及其他自然科学与社会科学领域, 开展人口、资源、环境及经济和社会复合系统的评价研究^[9-13]。基于宏观视角, 近年来国内学者也从人口、经济与环境构成的复合系统视角开展了广泛研究:王倩倩等^[14]应用IPAT模型分析、预测了绝对减排或相对减排情景下中国碳排放的变化趋势及其对经济发展的影响, 提出了应对碳减排压力的政策建议; 朱天乐等^[15]基于生命周期理论, 将水泥工业生产导致的环境影响分解为资源消耗、能源消耗和污染物排放3个方面, 定量评价了中国与全球水泥生产的环境负荷; 毛建素等^[16]通过生态效率概念的引入, 应用改进的IPAT模型分析了工业发展与工业“三废”等污染物排放的定量关系, 提出只有在生态效率增长速度高于经济增长速度的情况下环境负荷才有可能降低。此外, 吴玉鸣等^[17]从系统耦合的视角探讨了城市化与环境负荷的关系, 樊新刚等^[18]构建了区域经济-污染-环境三维评价模型, 陆钟武等^[19]从理论高度分析了经济增长过程中环境负荷的升降机制。

当前我国正处在深化改革的攻坚阶段, 随着城市化、工业化(简称“两化”)的快速推进, 人们的生产、生活加剧了区域环境系统的动态变化——从一个稳态向另一个稳态的发展过程之中, 由此导致的区域生态退化和环境污染等“城市病”日趋严重。因此, 在新形势和背景下, 突破传统环境负荷评价方法的绝对性, 探索实用性强、可视性高的动态测度方法就显得更具科学实践意义。笔者着眼于当前中国城市人口增长、经济发展与区域环境之间相互促进、相互制约的复杂关系, 尝试提出相对环境负荷概念及其表征、评价方法，基于区域水环境、土壤环境和大气环境的综合考虑, 构建了综合评价方案, 在此基础上以大连市为例展开实证研究, 并依据有关规划目标对其未来的环境负荷进行动态预测, 旨在为探索便于推广应用的区域环境负荷测度方法提供参考和借鉴。

1 研究方法与数据来源 1.1 研究方法 1.1.1 相对环境负荷的概念及其内涵界定

区域环境由水环境、大气环境、土壤环境等一系列自然环境及人工(人为)环境共同组成, 为人类生存及其生产活动提供必不可少的物质基础及空间载体。在特定的生产力发展水平下, 人类从周边环境获取物质和能量的规模、向周围环境排放污染物的规模应当是相对稳定的。据此, 借鉴IGT模型提出基于人口与经济发展规模的区域环境负荷阈值概念, 并将其界定为:在特定的发展阶段, 利用现有技术条件, 在满足人类基本生存的环境质量标准的前提下, 区域环境整体及环境要素(如水体、空气和土壤等)每年所能容纳污染物的最大排放量(即年容量), 表达式为

$ {I_{p,\max }} = p \times {T_p}, $

(1)

$ {I_{g,\max }} = g \times {T_g}。$

(2)

式(1)~(2) 中, p和g分别为特定阶段区域环境整体或环境要素承载的实际人口数量和某种经济产业的规模; T_p和T_g分别为满足人类基本生存所需的环境负荷(质量标准)条件下, 单位人口和某一产业单位产出规模所对应的平均污染物排放量, 即平均排放强度; I_{p, max}和I_{g, max}分别为单位人口和某一产业的单位产出规模所对应的环境负荷阈值, 其值越大, 表明在现有环境质量标准以及技术条件下, 区域环境整体及其构成要素所能容纳的环境污染物总量越大(即环境承载力越大)。

鉴于当前经济、社会快速发展阶段, 以往国内外有关污染物排放控制目标或有关环境质量标准不可避免地具有一定的滞后性, 因此提出以环境质量工作较先进地区(参照区)的环境污染物平均排放强度作为现阶段满足人类基本生存的相对环境质量标准^[18], 表达式为

$ {T_p} = {i_p}/p, $

(3)

$ {T_g} = {i_g}/g。$

(4)

式(3)~(4) 中, i_p和i_g分别为某一年度参照区生活源和工业源污染物的实际排放量。

1.1.2 相对环境负荷的综合评价指标

如上所述, 基于人口与经济产出规模的区域相对环境负荷阈值(I_max)是在现有质量标准和技术条件下对区域环境纳污能力的定量描述, 是具有近似绝对涵义的理论上限值。但是, 区域环境的真实压力往往并非如此。为便于比较, 定义区域环境污染物的实际排放量与该污染物对应的环境负荷阈值之比为相对环境负荷指数, 数学表达式为

$ {R_p} = {I_p}/{I_{p,\max }}, $

(5)

$ {R_g} = {I_g}/{I_{g,\max }}。$

(6)

式(5)~(6) 中, R_p和R_g分别为居民生活污染负荷指数和工业污染负荷指数; i_p和i_g为某一年度目标区2种环境污染物的实际排放量。R_p或R_g值大于1代表该区域基于人口或经济产出规模的环境污染物排放超过了区域环境的最大载荷, 区域环境处于超负荷状态; 反之, 若R_p或R_g值小于1, 表示区域环境处于低负荷状态; R_p或R_g值等于1, 则表明当前区域环境处于满负荷状态。

考虑到环境污染物同时具有多源性和多样性, 且各种环境污染物产生的环境压力不同, 将区域环境定义为由若干环境要素(污染物类型)构成的复合系统^[20-21], 即区域环境系统。在此基础上, 可依据不同类型环境污染物对区域相对环境负荷指数的权重系数^[15], 通过加权求和的方式表征区域环境系统相对负荷的综合状况, 数学表达式为

$ {L_p} = \sum\limits_{i = 1}^n {{w_i} \times {R_{p,i}}} , $

(7)

$ {L_g} = \sum\limits_{j = 1}^m {{w_j} \times {R_{g,j}}} , $

(8)

$ L = \alpha \times {L_p} + \beta \times {L_g}。$

(9)

式(7)~(9) 中, L_p和L_g分别为区域人口-环境综合负荷指数和区域经济-环境综合负荷指数，L_p或L_g越大, 表明相应环境系统的相对负荷越高; R_{p, i}和R_{g, j}分别为人口-环境子系统中第i个要素和经济-环境子系统中第j个要素的相对负荷指数; w_i和w_j分别为各要素对应的权重值; α和β分别为人口-环境子系统和经济-环境子系统的综合权重; L为区域环境系统负荷指数, 其值越高表明区域环境系统负荷越大。

1.1.3 区域环境系统安全及其预警状态的判定

随着人类活动空间及活动强度日益增大, 区域经济、社会与自然要素相互渗透形成复杂的巨系统。区域环境系统由城乡人口及其周边环境共同组成, 因此兼具自然与人工属性, 是人类通过日常活动及生产活动而构建的复合系统。为了提高环境负荷评价结果的可视性, 根据中国各地区有关污染物排放数据及相关环境质量的实际状况等, 提出区域环境负荷的5阶段预警状态的判断标准(系统由安全向不安全过渡的5个阶段, 分别对应绿、蓝、黄、橙和红5种预警状态), 如表 1所示。

1.2 案例区选择及数据来源

以大连为例, 对2000—2012年有关指标进行实证分析, 在此基础上结合中国及大连市有关环境规划及城镇人口、工业产值预期目标, 对2016—2020年和2020—2025年2个时段环境响应情景进行预测。有关数据来源说明如下:历年城镇人口和工业增加值分别取自有关年度《大连市国民经济与社会发展公报》^[22], 历年工业源“三废”及生活源废水、废气排放总量数据来自有关年度《大连市环境状况公报》^[23], 生活源固体废弃物以城镇居民生活垃圾产生量表征, 数据来源于有关年度《中国统计年鉴》及《中国环境统计年鉴》^[24-25], 缺失数据应用线性插值法进行预处理。

2 结果分析 2.1 2010—2012年大连市相对环境负荷分析 2.1.1 大连市环境负荷阈值分析

根据全国工业源和城镇居民生活源的废水、废气和固体废弃物总量数据, 结合历年中国及研究区城镇人口及工业增加值数据, 利用式(3)~(4) 计算区域环境污染物排放量的参考标准, 再利用式(1)~(2) 计算2000—2012年大连市环境负荷阈值, 结果如图 1所示。

图 1显示, 去除个别年度小幅波动因素, 从整体上来看研究时段内大连市城镇居民生活源废水及固体废弃物负荷阈值、工业源废水及废气负荷阈值逐渐提高, 生活源废气阈值基本保持不变, 工业源固体废弃物阈值小幅增长。促使图 1所示的环境负荷上限值整体向利好方向发展的原因可能有2个方面:其一, 为了满足城镇居民的基本生活和经济发展需要, 环境污染物的无害化处理技术和水平逐步提升, 全国范围内有关环境污染物的允许排放强度整体提高; 其二, 在有关环境污染物的允许排放强度变化不大的情况下, 由于目标区城市化和工业化的持续推进, 区域城镇人口及工业规模不断扩大, 导致城镇居民生活源废水及固体废弃物、工业源废水及工业废气排放的阈值增长较快, 环境负荷阈值随人口容量与经济发展容量被动增长。

2.1.2 大连市相对环境负荷分析

根据大连市2种来源废水、废气和固体废弃物的实际排放量及前述环境负荷阈值的计算结果, 利用式(5)~(6) 计算大连市相应来源的3种污染物的相对环境负荷指数，结果如图 2所示。

从图 2可以看出, 研究时段内研究区城镇居民生活三废的相对负荷指数均大于1, 依据前文定义可知3类环境污染物均处于超载状态; 除部分年度工业废水相对负荷指数高于1之外, 历年工业废气和工业固体废弃物整体上处于低负荷状态。从整体变化趋势来看, 一方面, 城镇居民生活源废水及固体废弃物超载情况相对稳定; 生活源废气整体上呈先降后升的超负荷状态, 从2007年开始上升趋势明显, 可能与大连市机动车保有量持续上升有密切关系^[22], 并且个别年度波动变化相对较大, 后期治理难度增加; 工业固体废弃物的负荷指数持续降低; 工业废气的负荷指数呈现降—升—降—升的波动变化趋势; 工业废水在2000—2005年呈先降后升的超载状态, 之后持续降低并于2008年转为低负荷状态, 表明随着新型工业化持续推进, 工业源废水处理和中水回收利用工作取得成效^[23]。

2.1.3 大连市环境系统综合评价结果分析

利用式(7)~(8) 计算2000—2012年大连市人口-环境系统负荷指数、经济(工业)-环境系统负荷指数, 依据式(9) 计算环境系统综合负荷指数, 结果如图 3所示。

图 3显示, 研究时段内研究区城镇人口-环境负荷指数整体上介于1.5~2.5之间, 呈先降后升的变化趋势; 历年工业-环境负荷指数均未超过1, 且变化趋势相对平稳; 研究区环境系统综合负荷指数整体上介于0.5~1.5之间, 处于临界安全的黄色预警或相对安全的蓝色预警状态, 主要是得益于工业污染排放强度持续降低:在废气减排方面, 大连市全市范围内陆续启动窑炉及20 t以上工业锅炉的烟气脱硫治理工作, 加强了燃煤电厂脱硫运行管理及“拆炉并网”工作力度, 推广使用清洁能源(2011年节约燃煤2.9万t, 削减烟尘364 t、二氧化硫340 t、氮氧化物283 t); 在废水治理方面, 全市逐步实施入海排污口规范化整治工作, 完成入海排污口信息采集并编绘了中心城区入海排污口电子档案和地图; 同时逐步完善了集中式饮用水源管理信息系统, 使饮用水水源保护区管理信息化、动态化和实时化; 继续实施医疗机构水污染综合整治(2011年完成34家社区医疗卫生服务中心污染治理工作, 总投资239.87万元); 在固体废弃物处理方面, 大连市制定了《固体废物污染防治规划控制意见》, 通过完善固体废弃物管理工作程序来进一步强化固体废弃物监管, 同时对全市产生固体废弃物的重点污染企业建立管理档案, 实施台账跟踪管理模式, 一系列工业污染防治工作有效降低了研究区的工业-环境负荷。

需要指出的是, 由于来自城镇人口-环境负荷指数的负面贡献相对较大, 2000—2012年研究区系统负荷指数整体呈降—升—降—升的波动变化趋势; 尽管前文在评价过程中已经对“满足当前阶段居民基本生活条件”予以优先考虑, 据此对城镇居民生活源和工业源污染物进行了非等权重处理, 但从图 3可以看出区域环境系统负荷指数受到人口-环境负荷指数的负面影响仍然较大^[17]。考虑到环境污染效应的滞后性, 研究区城镇人口规模如果持续、快速扩张, 可能导致区域环境系统延续超负荷趋势, 未来可能向相对不安全的橙色预警状态演变, 从而对城镇居民生活质量及区域经济发展的支撑与保障构成较大威胁, 有关部门应及时、合理地掌控城市化速度。

2.2 2016—2025年大连市环境系统演化趋势预测分析 2.2.1 有关指标预测

为进一步探讨大连市未来环境保护策略, 应用前文有关概念及其表征方法, 根据《国家环境保护“十二五”规划》、《节能减排“十二五”规划》及《大连市国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》等, 对2016—2025年研究区环境响应及环境系统状态进行预测分析。

有关参数取值方法及依据如下:根据2015年全国废水中化学需氧量和二氧化硫排放总量比2010年各减少8%、氨氮和氮氧化物排放总量比2010年各减少10%的约束性指标, 全国废水、废气减排取值9%(2种来源的5 a累计值, 下同); 根据2015年大连市废水中化学需氧量和二氧化硫排放总量分别比2010年减少11.2%和6.5%、氨氮和氮氧化物排放总量比2010年分别减少13%和9.5%的约束性指标, 研究区2种来源的废水、废气减排目标分别取值12.1%和8%;由于缺少2种来源固体废弃物排放总量的约束目标, 分别依据2000—2010年全国及大连市2种来源固废排放总量的平均变动率确定约束目标, 结果分别为68.19%和69.02%。其他数据预测依据及计算结果如下:中国大陆人口年均增长率0.72%, 2015年城镇化率预计达51.5%, 城镇人口总量为6.82亿人; 中国GDP年均增长率8%, 2015年工业产值比值较2010年降低(服务业产值比例增加)4%, 工业产值211 700亿元; 依据《建设大连规划纲要》提出的2020年城乡总人口达800万人、城市化率达75%计算, 2015年研究区城镇人口总量为33.426万人; 2015年研究区GDP总量为1 000亿元，三次产业产值比例为0.50:0.47:0.53, 工业产值为470亿元; 2020及2025年目标暂按上述规划。结合上述预测结果及2010年有关“三废”排放量数据, 利用式(1)~(6) 计算得出2016—2020年及2020—2025年2个时段内研究区环境负荷阈值、相对负荷指数的预测结果(表 2), 据此得出未来研究区环境系统安全及预警状态的预测结果(图 4)。

2.2.2 预测结果分析

从表 2可知, 与2010年比较, 在前述“三废”减排目标得以实现的情景下, 除生活源废水负荷阈值降低、生活源废气负荷阈值保持不变之外, 2016—2020年及2020—2025年研究区环境系统对2种来源所有环境污染物的负荷能力整体提高; 其中, 无论是城镇居民生活源还是工业源的固体废弃物负荷阈值提升较多, 在固体废弃物的无害化处理能力不断提高的前提下, 允许排放的固体废弃物总量上限也得到提高, 能够在一定程度上满足城镇居民生活及工业生产对环境的依赖, 缓解相应污染物对区域环境系统的胁迫; 在城镇人口规模扩大的前提下, 通过提高减排标准(具有动态调控作用的弹性变量)以降低居民生活废水负荷, 符合大连市淡水资源相对稀缺的客观实际, 如果居民生活污水处理能力及再利用率得不到提高, 必将在一定程度上约束城镇居民生活用水的需求。

从系统负荷指数来看, 表 2显示2016—2020年和2020—2025年2个时段研究区2种来源的6种环境污染物相对负荷指数均较2010年有所降低。未来, 如果研究区“三废”排放的约束目标能够实现, 城镇居民生活源“三废”、工业源“三废”的排放强度均可低于同期的中国平均水平, 区域环境绩效将会得到提升。从图 4可以看出, 2个时段内研究区环境系统预计仍将处于相对安全的蓝色预警状态, 但系统综合负荷指数下降的趋势减缓; 工业-环境系统负荷持续在低位运行, 始终处于安全的绿色预警状态; 与之相对的是城镇人口-环境负荷指数仍将处于相对高位, 尽管将由相对不安全的橙色预警转变为临界安全的黄色预警状态, 但是未来75%的城市化率对区域环境系统负荷的负面影响短时期内可能难以消除。

3 结论与讨论

着眼于当前我国城市化与工业化的特定发展阶段, 基于区域人口、经济与环境的动态关联, 提出了基于人口规模与经济发展规模的区域环境系统负荷综合评价方法, 通过实证分析及有关情景预测, 得出如下几点结论:

(1)2000—2012年研究区环境负荷阈值整体提高, “三废”治理工作绩效提升, 为促进快速城市化和新型工业化提供了强有力的支撑; 生活源“三废”排放加剧了区域环境负荷、城镇人口-环境负荷指数先降后升并有加重趋势, 工业源“三废”排放对区域环境负荷的负面影响相对不明显, 工业-环境负荷指数稳中有降。

(2) 依据快速城市化、新型工业化发展目标及有关污染物减排目标, 2016—2020年和2020—2025年研究区环境系统仍将处于相对安全的蓝色预警状态, 但系统综合负荷下降的趋势逐步放缓; 有关部门应当及时检讨全域城市化的环境影响, 从人口-经济-环境系统安全的高度合理掌控下一阶段城市化的发展速度。

随着快速城市化、新型工业化及农业现代化的推进, 区域人口、资源、环境与经济社会发展的互动响应日益深刻。当前, 我国宏观区域环境的主要问题表现在:环境系统各要素之间的协调发展被破坏, 单方面研究不足以为环境治理的整体架构提供支撑, 在某些环境要素得到重视的过程中其他环境要素恶化风险加大等。有鉴于此, 笔者尝试从相对视角探讨区域环境负荷的动态测度与评价方法, 在一定程度上改善了多指标模型评价结果存在的过于抽象的问题, 并且由于评价过程不受统一数据口径的限制, 使其便于实践应用; 此外, 评价过程中对环境演变阶段的划分比较明确, 评价结果具有一定的空间可视性^[18], 易于为有关部门进行科学决策提供相应支撑。需要在此指出的是, 随着我国经济转型不断加速, 未来各地环境污染物排放强度与经济高速发展时期相比可能会在一定程度上降低, 因此该研究的预测结果不可能与未来情况完全一致; 此外, 基于当前环境质量标准的滞后性以及有关数据的可得性考虑, 笔者仅从城镇居民生活与工业发展规模2个方面, 以“三废”排放作为区域环境受到的安全胁迫因素, 导致评价结果并不能完全代表区域环境系统的整体状况, 因此今后还需在补充更多环境要素的基础上, 针对不同行业开展不同时空尺度的实证研究。