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user: 3. 难点之一——区域环境容量及承载力研究 3.1. 环境容量和承载力研究概况 环境容量普遍定义为：根据当地确定的环境质量标准，一定的地理范围和环境背景下，环境系统(如水体、大气空间、土壤)所能承受的某种污染物的最大负荷量 [ 8 ] 。它是对环境系统清洁、健康程度的表述，若容量不变，则系统稳定，反之亦然。 环境承载力出现了两种理解。一种认为：在一定的环境质量及资源体量约束下该域所能承载的人口、经济的最大发展规模。按这种理解，人类活动既受环境质量制约，也受资源限制，容易导致发展是有极限的结论 [ 9 ] 。另一种认为：在一定的区域、时期内，确保环境质量达标的前提下，人类社会、经济活动规模的阈值。这种理解是以环境质量为限制条件的，发展空间更大，更主动，更符合当前国情。 自然环境、社会、经济、技术等众多因素构成维系环境质量的一种综合能力，它对抗、消除或减少因发展经济而产生的各种污染排放造成的环境压力，它与环境容量大小、经济发展水平、环保技术水平高低、政府与人民重视程度、经费投入、经济结构、能源结构状况密切相关，故衡量环境承载力可有多个指标，可根据需要而设定 [ 10 ] 。 在全球经济一体化时代，各地的资源可按经济规律互通有无。这种理解有利于探讨不同地域经济发展与环境保护之间的关系。世界(包括中国)经济发达地区的发展历程就说明了地区的经济发展主要受到环境、经济规律与地缘政治的约束，并不存在明确的资源上限这一事实(如北京、迪拜等)。 面对当前严重的环境污染，中国许多地区的环境容量早被突破了。管理者现在要抓环保，制定了排污总量控制体系、环境质量控制体系，就必须确定总量控制的底线，这就需要计算环境容量。但为什么在国内外都较少谈及环境容量、环境承载力的计算呢？大致有以下几点原因。 从国际来看，各国文化存在差异，所处的环保阶段不同。现在发达国家，环境质量大多数已经达标，主要通过监管和法律来保持现状。西方学者更多关注生态范畴要素的容量，如生态学意义上的生态资源或城市资源的容量或承载力，如森林、土地，海洋或矿产资源的可利用量、城市空间或交通的容量等 [ 11 ] - [ 16 ] ，而较少关注纳污能力的环境容量问题。 发展中国家，包括中国所在的东南亚、非洲、拉丁美洲等国，尚处在环境-经济库兹涅兹曲线左半边爬升阶段，诸多环境指标还不能达到，对环境容量是关心的。例如日本学者在1968年提出环境容量的概念(至今产生重要影响)，正值当年日本处于经济发展与环境保护矛盾尖锐时期 [ 8 ] ；当今日本已成为发达国家，环境优越，也就谈得少了。亚非拉学者的发声往往受发达国家学者左右，探讨新时期环境容量的文章较难在国际重要环境期刊上发表，多少会影响第三世界环保学者的兴趣选择。 从国内来看：中国谈及环境容量和承载力已有30多年；强调了环境承载力与区域的经济支付能力、环保技术水平、产业结构、能源结构密切相关，分析环境承载力有其鲜明的合理性，但遇到以下困难。 其一，气、水、土各重要监测点位的海量监测数据、排放数据与相关的经济数据难得到，而有关的历史数据常常欠缺。企业与政府得到的监测的数据大部分也不愿公开；尚缺乏强制公开的相关法规，加强监测与公开，还需要时间，这为环境容量与承载力的分析带来阻碍。 其二，常用环境容量预测方法不能适应容量随水量、季节、气象等多种因素动态变化。例如，水、气环境容量的研究方法，主要还在使用理化模型法，分析过程繁琐。由于研究对象的复杂性，很多环节都大大概化了，准确性降低。目前PM 2.5 污染问题十分突出，促进了第三代空气质量模型在中国的应用，但从理化的角度难以对长时期空气质量进行预测，更不能对经济与环境的关系进行分析。 其三，对环境承载力的第一种理解实际上将其与环境容量混为一谈，而且还有经济极限之嫌，故提得不多；第二种理解虽然提出了各种承载力的指标，但缺乏量化，不能适应中国调控经济-环境的需要。 因此讨论区域(某)污染物的环境容量与承载力，是中国各级政府协调经济-环境发展、做宏观规划的刚性需要。中国学者应克服困难，做出创新。 3.2. 武汉案例介绍 武汉市域面积8494平方公里，人口1030万，2014年地区生产总值为10，069亿元，PM 2.5 浓度为82 μg/m 3 ，PM 10 浓度113 μg/m 3 。根据中央最新要求(“十三五”规划纲要)，2020年武汉空气质量达标天数需达到80%以上，对应的武汉市PM 2.5 年均浓度需降至46μg/m 3 。同时，武汉市又处在经济发展的关键期，要实行工业倍增计划，2020年经济总量突破20，000亿大关，强调“十三五”期间经济增速需保8.5%。面对环境保护和经济发展的尖锐矛盾，这是一个极大的挑战。 本案例以GDP-PM 2.5 达标为约束的武汉市大气环境容量(AEC)及承载力(AECC)研究为例，对第二种环境承载力外延的种类进行了辨识与确定；优选了若干经济、气象、能源、环境等关键信息，利用系统动力学(SD)建立了GDP-PM 2.5 宏观动态统计模型。PM 2.5 年均浓度等统计值本身就是污染物不断生成又不断扩散、沉降达到动态平衡的综合结果，这避免从理化角度去模拟复杂的大气传输和扩散过程，而是引入各污染物的比例系数μ、转化率η，建立GDP、PM 2.5 年均浓度、6大污染物年排放量等变量之间的数量联系，具有简明的优势。案例中，设置了4种发展情景来预测GDP、能源消耗、PM 2.5 浓度、PM 10 浓度、污染物排放量的结果(减排力度从弱到强分别为基础型、适度型、强化型、加强型)以助分析决策。并测算了以GDP-PM 2.5 达标为约束的6大污染物在四种不同情况下的大气环境压力(AES)、容量和承载力，得到PM 2.5 浓度达标时的容量和承载力阈值，为大气减排提供了具体调控目标，为编制自然资源资产负债表奠定了基础。 3.2.1. 概念 在案例中，大气环境容量指标具体为：当PM 2.5 年均浓度为35 μg/m 3 时，6大空气污染物最大允许排放量(6大污染物是SO 2 、NOx、VOCs、NH 3 、一次PM 2.5 、一次PM 10 )。大气环境承载力的具体指标包含，隐性8项：GDP、一产、二产、三产、煤炭、石油、天然气和新能源消费量，是承载力社会支持力的表现；显性6项，即6大污染物累积减排量，是社会支撑力和自然消纳能力对削减污染物的外在表现；前后共14项 [ 17 ] [ 18 ] 。AEC、AES、AECC彼此之间是相互作用、相互影响、随时间变化(图2)。 3.2.2. 技术路线 有关武汉市大气环境容量和承载力测算的技术路线如下图所示(图3)，受篇幅所限，模型流图，变量描述，模型检验，模型方程等细节不再描述。 3.2.3. 结果 假设未来15年中武汉市地区气象变化如年均气温、雨量、风频、风速、边界层高度、PM 2.5 内外源比例、PM 2.5 和PM 10 化学组成比例等平均统计数据基本稳定，建立SD模型。模型模拟的地域边界为武汉市全区域，时间范围2015~2030年，以2014年数据为初始值，代入模型，以第四种发展情景(加强型)的可能值为例，将其约束条件–推演过程–预测结果表述如下。 1) 经济发展预测 到2020年末，一产增速3%，产值从350亿增至406亿；二产增速3.5%，产值从4785亿增至5897亿；三产增速12.5%，产值从4934亿增至10326亿；GDP平均增速8.5%，从10，069亿增至16，642亿(不考虑通货膨胀)。二产比重由47.5%下降至35.4%，三产比重从49%涨至62%。 2) 能源发展预测 到2020年末，燃煤增速分别−4%，从3454万吨标煤降至2713万吨标煤，降幅21%；石油增速−1%，从185万吨标煤降至174万吨标煤(指成品油)，降幅6%。天然气和新能源增速都在20%以上，初步预测在“十三五”末，天然气和新能源使用比例占全社会能源使用比例的1/4。 3) 环境发展预测 到2020年末，PM 2.5 浓度从82 μg/m 3 降至46 μg/m 3 ，降幅44%；PM 10 浓度从113 μg/m 3 降至66 μg/m 3 ，降幅42%；SO 2 排放量从109，604吨降至47，449吨，累计降幅57%；NOx从181，486吨降至108，010吨，累计降幅40%；VOCs从208558吨降至116，571吨，累计降幅45%；一次PM 10 从171，630吨降至101，216吨，累计降幅41%；一次PM 2.5 从77251吨降至42，843吨，累计降幅45%；NH 3 从16，496吨降至10，573吨，累计降幅36%。 4) 大气环境容量 当PM 2.5 浓度达标时(2025年末)所对应的各污染物的排放量(允许排放量)即为该污染物的环境容量。以GDP-PM 2.5 达标为约束前提下的SO 2 、NOx、VOC、一次PM 10 、一次PM 2.5 、NH 3 的大气环境容量分别为：34，531 t、79，292 t、84，995 t、73，667 t、31，182 t、7770 t (图4)。 需要强调的是：只要各污染物之间的减排比例基本相同，无论减控力度大小、PM 2.5 浓度何时达标，大气环境容量结果是基本一致的。容量只与污染对象、空气质量标准和地区的大气消纳污染物能力有关。 5) 大气环境承载力阈值 经济指标包括GDP、一产GDP、二产GDP、三产GDP。在情景S4下，当PM 2.5 达标时(2025年末)，经济承载力指标阈值分别为：(大于或等于)22，655亿元、462亿元、6848亿元、15，344亿元。 能源指标包括煤炭消费量、石油消费量、天然气消费量、新能源消费量。在情景S4下，当PM 2.5 达标时(2025年末)，能源承载力指标阈值分别是：(小于或等于)2454万t标煤、165万t标煤、1644万t标煤、1777万t标煤。 累计削减量指标阈值(显性)：以2014年为基准，若保持现有经济、能源结构和环保力度不变，可预 图2. 大气环境压力、承载力、容量动态关系示意图，(a) 大气污染状况，(b)大气改善状况 图3. 技术路线图 计SO 2 、NOx、VOC、一次PM 10 、一次PM 2.5 、NH 3 到2025年末排放量分别为243，320 t、402，897 t、469，826 t、381，017 t、171，496 t、36，620 t。与环境容量相减之后，得到累计削减量阈值(累计11年)，分别为：208，789 t、323，605 t、384，831 t、307，350 t、140，314 t、28，850 t；即需在2014年水平上平均每年削减(既减增量，又减存量)分别为：18，980 t、29，418 t、34，984 t、27，940 t、12，755 t、2622 t (表1)。 3.3. 讨论 通过系统动力学，建立的“社会–经济–环境”综合动态模型，本质上是把环境质量、排放量和社会经济发展规模建立了可量化的直接转换关系。有了这种关系，就能进行经济-环境的预测，也能求得环境容量，以及对应的承载力阈值。 期望利用环境–经济统计数据，进一步建立各地水体(包括江河与湖泊)和土壤的环境容量、环境承载力模型，避免复杂的理化模拟，大处着眼，分别对区域的水、气、土的环境容量和承载力进行系统化研 图4. 6种污染物的大气环境容量 Table 1 Expressive thresholds of AEC 情景 SO 2 NOx VOC 一次PM 10 一次PM 2.5 NH 3 按2014水平发展(2025年末) 243，320 402，897 469，826 381，017 171，496 36，620 S4加强型(即容量) 34，531 79，292 84，995 73，667 31，182 7770 累计削减量(阈值) 208，789 323，605 384，831 307，350 140，314 28，850 平均每年削减量(阈值) 18，980 29，418 34，984 27，940 12，755 2622 表1. 大气环境承载力显性阈值 究，包括实现不同季节、不同水量下水环境容量与承载力动态预测；还可建立区域的水、气、土保护与经济发展的统一调控预测模型，填补空白。 在区域环境资源负债表的编制与审计中，可根据环保标准，利用模型，确定区域水体、大气、土壤在不同季节、不同时期和年份的合理的环境容量(如：水体环境容量随季节、水量、本底浓度而变化)。把领导干部某任期内社会–经济–环境活动状况输入该模型中，计算出各年向水体、大气、土壤排放的污染量，若污染量常年连续超出起始期的环境容量，易导致区域内某一污染物的浓度增加，最终导致环境容量下降。通过比较不同时间节点的环境容量值，就可对时间段内“环境退化或增益”程度与损失或增加的价值进行测算。