IPAT model and its variants could describe the quantitative relationships between human driving force and the environmental pressure, benefit fundamental understanding of the dynamics of coupled human and natural systems, and are regarded as effective tools in solving the environmental problems caused by the social and economic development. In this paper, the fundamental concepts of IPAT model and its variants were discussed including definitions, historical developments and the hot issues in their applications. The future research trends were put forward aiming to further expand the use of IPAT models in the sustainable development of environment and social decisionmaking.
全 文 :IPAT及其扩展模型的应用研究进展∗
王永刚1,2 王 旭1,2 孙长虹1,2∗∗ 芦晓燕3
( 1北京市环境保护科学研究院, 北京 100037; 2国家城市环境污染控制工程技术研究中心, 北京 100037; 3北京市丰台区环境
保护监测站, 北京 100071)
摘 要 IPAT及其扩展模型能够定量描述人文驱动力与环境压力之间的关系,有助于理解
人类和自然系统的动态耦合,是诊断因社会经济发展而产生的环境问题的有效工具.本文简
要介绍了 IPAT模型由来及其扩展模型的发展状况,系统总结了模型国内外应用研究进展,并
对研究中的热点问题进行探讨,提出 IPAT 及其扩展模型的发展趋势,旨在进一步深化 IPAT
相关模型在环境可持续发展中的应用,为社会管理决策提供依据.
关键词 IPAT模型; 人文驱动力; 环境压力; 生态弹性
文章编号 1001-9332(2015)03-0949-09 中图分类号 X24 文献标识码 A
Research progress on the application of IPAT model and its variants. WANG Yong⁃gang1,2,
WANG Xu1,2,SUN Chang⁃hong1,2, LU Xiao⁃yan3 ( 1Beijing Municipal Research Academy of Envi⁃
ronmental Protection, Beijing 100037, China; 2National Engineering Research Center for Urban En⁃
vironmental Pollution Control, Beijing 100037, China; 3Environmental Monitoring Station of Feng⁃
tai District, Beijing 100071, China) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(3): 949-957.
Abstract: IPAT model and its variants could describe the quantitative relationships between human
driving force and the environmental pressure, benefit fundamental understanding of the dynamics of
coupled human and natural systems, and are regarded as effective tools in solving the environmental
problems caused by the social and economic development. In this paper, the fundamental concepts
of IPAT model and its variants were discussed including definitions, historical developments and the
hot issues in their applications. The future research trends were put forward aiming to further expand
the use of IPAT models in the sustainable development of environment and social decision⁃making.
Key words: IPAT models; human driving force; environmental pressure; ecological elasticity.
∗水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07203⁃001⁃01)和北京
市丰台区重点河段水环境改善技术研究项目资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: sunchanghong@ cee.cn
2014⁃05⁃21收稿,2014⁃12⁃09接受.
随着全球人口规模、经济体量不断增加,生态环
境受到了显著影响,定量分析人文驱动力对环境压
力的影响成为国内外众多学者关注的焦点.尽管先
前已有学者通过建立复杂模型,试图对人类活动与
全球环境关系进行描述,但因计算过程的复杂性以
及人类活动的动态变化特征,最终未能全面阐释两
者之间关系[1] .与之相比,IPAT 模型能够简便、可行
地描述人文驱动力对环境压力的影响,自其出现以
来得到了相关领域研究人员的广泛认可,并在实际
应用中得到发展,先后扩展出 IGT、ImPACT、STIR⁃
PAT等系列模型[2-4] .近年来,国内学者利用 IPAT
及其扩展模型对我国社会经济发展对环境压力的影
响开展应用研究,并逐步得到广泛应用[5-10] .
本文对 IPAT及其扩展模型相关理论与方法进
行综述,对 IPAT 模型的由来及其扩展模型的发展
进行叙述,对模型在国内外应用中热点问题进行总
结,并针对现状研究状况对 IPAT 及其扩展模型发
展趋势进行剖析,以期能够进一步深化模型在社会
经济发展所产生的环境问题中的应用.
1 IPAT及其扩展模型发展
1 1 IPAT模型的由来
IPAT模型最初由 Ehrlich等[11]的 I=PF公式延
伸而来,式中:I为环境压力,P 为人口数量,F 为人
均环境压力,表明人均影响对区域环境的压力作用.
随后,Commoner[12]根据生物学家、生态学家等试图
用数学模型阐释人口、财富与环境压力之间关系的
想法,提出经典的 IPAT模型,公式如下:
应 用 生 态 学 报 2015年 3月 第 26卷 第 3期
Chinese Journal of Applied Ecology, Mar. 2015, 26(3): 949-957
I=P×A×T (1)
式中:P为人口数量;A 为富裕度,即人均消费或人
均生产;T为单位能耗或单位生产总值所产生的环
境影响.
IPAT模型具有较强的物理意义与逻辑结构,等
式要求量纲统一.IPAT模型的推导过程如下.模型的
基础公式:I= I,在公式的右边乘以 CP / CP,其中,C
代表消费量或者国民生产总值,P代表人口数量.
I=( I / C)×(C / P)×P (2)
设 I / C=T,C / P=A,得到 I=PAT.
1 2 IPAT模型发展
IPAT模型在分析人文因素对环境影响的研究
中具有一定的限制性,不同学者根据研究需求对
IPAT模型进行了重构与扩展.
1 2 1 IGT 模型 Gao 等[13] 令 P × A = G, G 表示
GDP,将 IPAT模型变换成 IGT 模型,用于分析经济
增长与生态环境之间的相应关系[14] .基本公式如
下:
I=G×T (3)
以 IGT模型为基础,又进行了如下系列变化:
Gn =G0(1+g) n (4)
Tn =T0(1-t) n (5)
式中:0和 n分别为变量在基准年和第 n 年的值;g
为年均 GDP 增长率;t 为年均技术增长率.将式(4)
和(5)带入式(1),得到如下公式:
In =G0T0(1+g-t-gt) n (6)
令 g∗ =g / (1+g),g∗表示经济增长对环境的消
极作用.如果 t>g∗,意味着环境压力下降,即技术发
展带来的积极作用比经济增长的负面作用大,反之
亦然.
陆钟武等[15]为研究经济增长过程中废物排量
的变化,对 IGT方程进行修改.通过引入废物排放率
(X),建立了定量分析经济增长与废物排放关系的
IeGTX方程:
Ie =G×T×X (7)
式中:Ie为废物排放量;T 为单位 GDP 的废物产生
量;X为废物排放率,其值为废物排放量与废物产生
量之比,0<X≤1.
1 2 2 ImPACT模型 Waggoner[16]为评价潜在行为
等因素对环境的影响,将 T分解成单位 GDP 的消耗
量(C)和单位消耗量对环境的影响作用(T),得到
ImPACT模型:
I=PACT (8)
Schulze[17]认为,行为选择( behavioral choices)
是影响环境压力的一个重要因素,而在 IPAT 公式
中并没有充分体现出行为(B)的作用,因此建议在
等式右边添加 B 因子,修正 I = PAT 为:I = PBAT.但
是,Roca[18]和 Diesendorf[19]认为,I =PBAT 存在两个
问题:1)在 P、A、T 因素中已包涵了行为的影响作
用,为了避免重复计算行为(B)的影响作用,行为
(B)只能包涵在 P、A及 T 中还未体现的因素;2)行
为(B)是一个难以定量的指标,因此不仅不能有效
改善公式,反而会给模型的计算过程及结果带来更
多误差.
徐中民等[20]在剖析经典的 IPAT及 ImPACT模
型基础上,提出了一个新的可持续性评价研究框架
ImPACTS模型( I = PACT / S).在该模型中,新增项 S
代表社会资源的状态(社会发展状态),m 代表管
理,用来强调人类采用协调的方式来解决超过可持
续性尺度这一问题的重要性,I 因此变成了集成的
影响评价,即对环境的影响和社会发展的损益评价.
1 2 3 STIRPAT模型 尽管 IPAT、ImPACT 等公式
简洁直观,但也存在一定的限制性.主要表现为:1)
将环境影响与各个驱动力之间的关系简单地处理为
同比例线性关系,不能反映出驱动力变化时环境影
响的变化程度;2)等式两边的量纲统一,限制了其
他可能影响环境压力的社会因素;3)无法进行假设
检验[21] .为克服上述限制, Dietz 等[22]提出了随机
回归影响模型 ( stochastic impacts by regression on
population, affluence, and technology, STIRPAT 模
型),其公式如下:
I=aPbAcTde (9)
式中:a为模型的常数项;b、c、d 分别是 P、A 和 T 的
指数项;e 是误差项. IPAT 模型是 STIRPAT 模型的
特殊形式,即 a= b= c=d= e= 1.STIRPAT是一个多变
量的非线性模型,因此,为分析各因素对环境 I 的影
响,对式(9)进行对数处理得到下式:
ln( I)= lna+blnP+clnA+dlnT+lne (10)
以 lnI 作为因变量,lnP、lnA、lnT 作为自变量,
lna作为常数项,lne作为误差项,对经过处理后的模
型进行多元线性拟合.
标准的 STIRPAT 模型提供了一个简单的分解
人文因素对环境影响的因果分析框架,据此可以分
析人文驱动因素对环境影响作用的大小,还可以预
测将来人口和富裕程度等社会因素变化时的环境影
响变化.
1 2 4其他形式 Roca[18]对 IPAT 模型进行修改,
把用来表征富裕度的 GDP 分解为商品或服务需求
059 应 用 生 态 学 报 26卷
的各组成部分,以分析各部分对环境压力的影响.以
CO2排放量为例,公式可写成:
CO2 =P
GDP
P
æ
è
ç
ö
ø
÷
CO2
GDP
æ
è
ç
ö
ø
÷ =A′W
GDP
P
æ
è
ç
ö
ø
÷P (11)
式中:A′是一个行向量矩阵,代表与单位商品或服务
有直接或间接关联的 CO2排放量;W 是一个列向量
矩阵,代表在 GDP 中的每个经济成分的最终需求的
相对权重.
根据式(11)的分解,把 CO2 / GDP 指标分成两
部分,其中一个与技术(T)关联密切,即总排放量
(与获得和使用不同形式的商品与服务相关),另一
个与生活方式关联性更强,即不同形式的商品与服
务的最终需求结构.总的来说,环境压力的变化可以
用 4部分来表征,即人口、人均 GDP,需求结构和排
放系数.
Willey[23]认为,消耗量与生活方式和组织活动
有密切关系.发达地区较先进的组织工作能在一定
程度上减少人均消费量;然而在贫穷地区,越好的组
织活动可能会带来更多的消耗.因此,将 IPAT 等式
变换为:
I=PLOT (12)
式中:P为人口规模;L 为生活方式;O 为组织;T 为
技术.
Diesendorf[19]对 IPAT 进行变换,把公式中的
GDP 去除,I换成 Ig,表示由于能源利用(E)而产生
的温室气体的排放量,Ig换成 EP / EP,公式如下:
Ig =( Ig / E)×(E / P)×P (13)
设 Ag =E / P为富裕度、Tg = Ig / E 为技术,以表示
人均能源利用的温室气体排放量,即 Ig =PAgTg .
2 国内外研究进展及应用热点问题
经典的 IPAT 模型及其扩展模型 ImPACT、
STIRPAT都具有较强的实用性,国内外众多学者基
于模型开展了大量研究工作.主要集中在人文驱动
力与环境压力定量描述方面,不同学者根据不同的
研究目的,选择了不同指标进行环境压力表征,如
CO2排放量、能源足迹、生态足迹、能源消费总量、耕
地面积变化等(表 1).
2 1 国内外研究现状及动态
2 1 1社会经济因素对污染物排放量的影响 基于
IPAT及其扩展模型定量分析社会经济因素对污染
物排放的影响是目前最广泛的一个方面,尤其是以
温室气体 CO2为重点开展了大量的实践研究.
随着全球大气中CO2浓度的不断升高,生态环
表 1 IPAT及其扩展模型研究回顾
Table 1 Review on the research of IPAT and extended
models
IPAT 1970,Ehrlich和 Holdren,首次提出 IPAT
1971,Commoner等,首先利用 I =PAT,进行了实际数据的计算
应用
2001,Haber1,对 1830—1995年奥地利工业化进程对环境压力
的影响进行分析
2001,Fisher⁃kowalski,应用 IPAT 模型分析了人口数量和技术
对环境压力的影响
2005,Kwon,分析了影响英国 1970—2000年交通汽车行业 CO2
排放量的相关因子
2006,朱显成等,基于 IPAT 模型对大连市未来规划年水资源
效率进行了分析
2008,何强等,综合分析了北京市经济增长速率和能源消耗的
技术水平对生态环境的影响
2010,罗宏等,基于 IPAT模型对苏州市 2010 年环境压力进行
了分析
ImPACT 2002,Waggoner和 Ausubel,提出 ImPAT模型
2004,Waggoner,利用 ImPACT 等式研究了美国农田面积扩张
和灌溉水的变化
2005,徐中民等,提出了一个集成社会资源分析人类活动对环
境影响评价的 ImPACTS等式
2006,焦文献等,应用 ImPAT 等式,分析了甘肃省 1990—2003
年虚拟不消费中人类活动对环境的影响
2010,陈强强等,运用 ImPACT 等式分析了人类活动对甘南草
原牧区草原环境压力的影响
STIRPAT 1994,Dietz等,提出 STIRPAT随机模型
2003,Shi,利用 STIRPAT模型分析了不同收入国家人口变化对
CO2排放量的影响
2004,York等,利用 STIRPAT模型对联 46 个国家的 CO2 排放
量和 138个国家的能源足迹进行了分析
2006,龙爱华等,通过 STIRPAT 模型分析了人口、富裕及技术
对 2000年中国水足迹的影响
2008,王立猛等,以能源消费为例,利用 STIRPAT 模型对中国
环境压力时间分布进行分析
2011,Taoyuan Wei,对 STIRPAT进行不同分解,通过不同模型
的不同功能对模型指标的添加提供依据
2013,Liddle,利用模型对发达和发展中国家的城市人口与
GDP 对环境压力影响进行了分析
境发生了显著变化,在众多驱动因素中,定量筛选对
CO2排放量的影响最显著的因素成为研究者关注焦
点.Dietz等[24]利用 STIRPAT 模型,根据 111 个样本
数据,分析了人口、经济和技术对 CO2排放量的影
响,结果表明,人口因素是影响 CO2排放量的主要因
素,影响弹性系数在 0.972~1.019.Shi[25]通过对多个
国家近 20 年的人口数据收集,利用 STIRPAT 模型
分析了不同地区人口对 CO2排放量的影响,证明人
口与 CO2排放量呈正相关,影响弹性系数在 1 41 ~
1 65.大多数研究结果均表明,人口因素是影响 CO2
排放量的主要因素,但因样本数量的差异,导致影响
程度存在差异. Fan 等[26] 利用 STIRPAT 模型,对
1975—2000年不同收入水平国家(贫穷、发展中、发
达国家)人口、富裕度以及技术各因素对 CO2总排放
量的影响,认为在全球范围内,富裕度即经济增长因
素对 CO2总排放量影响最大,尤其在贫困地区表现
1593期 王永刚等: IPAT及其扩展模型的应用研究进展
更加显著,初步分析与其他研究结果不一样的原因
在于,该研究首先在对象富裕度上进行区分,会在一
定程度上加重富裕度对生态环境影响的作用.
还有一些学者通过 STIRPAT 模型分析了社会
经济各因素对特定区域、产业的 CO2排放量的影响,
并提出了相应的有效减排措施.刘宇等[27] 应用
STIRPAT模型,通过统计我国 30多年水泥生产行业
的 CO2排放量,分析了水泥生产 CO2排放与人口和
经济发展的关系,指出人口增长是影响水泥产业
CO2排放量的主要因素,提出控制水泥产业 CO2的
排放量需着重从控制人口增长着手.燕华等[28]基于
STIRPAT模型分析了上海地区 CO2排放量与人口、
富裕度、城市化水平和技术进步之间的关系,表明人
口数量与城市化水平每变化 1%,将引起 CO2排放量
相应发生 0.6%和 0.8%的变化,并通过设置 10 种不
同的发展情景,分析制定出了最有利于缓解上海市
CO2排放的措施. Liddle[29]利用 STIRPAT 模型分析
不同发展水平国家(富裕、中等、贫穷)的城市人口
和富裕度(人均 GDP)对交通以及居民用电所产生
CO2排放量的影响,表明中等水平国家城市人口和
富裕度对交通及居民用电所带来的 CO2排放量的影
响最大.
何强等[14]采用 IPAT 模型及岭回归技术,以北
京地区工业 SO2排放量、工业废水排放量和工业固
体废物产生量为环境压力指标,分析了人口、经济增
长、技术水平和经济结构等因素对生态环境的作用
机制,并进一步验证了北京市经济增长与环境质量
之间的关系曲线类型.罗宏等[30]利用 IGT 等式,通
过分析 2010年 GDP 增长率,分不同情境讨论与计
算了研究区域的经济增长对以化学需氧量(COD)
和 SO2排放量为指标的环境压力的影响,结果表明,
在 GDP 年增长率分别为 15 1%和 12.1%的情景下,
单位 GDP 的环境负荷年下降率分别为 18. 1%和
15 1%.
2 1 2社会经济因素对生态足迹的影响 生态足迹
(ecological footprint)作为生态环境可持续发展的重
要指标和方法,由 Rees 等[31]于 1992 年提出,将人
类不同类型的环境影响转化成一个综合的指标———
生物生产型土地面积,在方便理解的同时,可以真实
地反映各驱动因子对生态环境的影响[32] .
徐中民等[7]采用生态足迹作为环境影响的测
量指标,利用 STIRPAT模型,以 1999 年中国各省市
数据为例,分析了人口数量、富裕程度、现代化及经
济区位和自然区位对环境的影响,结果表明,人口数
量是当前环境影响的一个主要驱动因子,环境影响
与人口数量近同比例变化,富裕程度或现代化程度
增加也将加剧人类对环境的影响.刘昕等[33]采用生
态足迹作为环境压力的测量指标,基于 STIRPAT 模
型定量分析了江西省 1990—2006 年人口、经济(人
均 GDP)和社会因素(主要是城市化率和产业比重)
对环境压力的影响,认为人口因素是江西省生态足
迹增大的最主要原因. Jia 等[34]以河南省为例,计算
和分析了 1983—2006年间的生态足迹变化,并运用
STIRPAT和最小二乘法(PLS)分析了生态足迹演变
的主要驱动力,结果表明,人口因素是影响河南省生
态足迹变化的主要因素.赵雪雁[35]以我国甘南牧区
为研究区域,通过测算 1980—2007年间生态足迹变
化趋势,并以此为环境影响指标,应用 STIRPAT 模
型,根据区域特征把模型中技术(T)因子分解为草
原利用强度、生计策略和社会发展状况等,结果表
明,人口数量和草地资源利用强度是当前环境影响
的主要驱动因子.
2 1 3社会经济因素对水、土资源的影响 IPAT 及
其扩展模型在碳排放、生态足迹等领域研究较多,但
在水资源及土地资源方面进行的研究并不多,主要
体现在 3个方面.
1)将 IPAT 模型进行扩展,引入水资源效率指
数,构建水资源利用效率模型,通过收集经济增长数
据、水资源配置、效率等数据,利用情景分析法对未
来规划年水资源效率进行预测.如朱显成等[36]基于
Weizsaecker[37]的四倍数思想,结合 IPAT 方程的变
化式 IGT,构建了水资源效率模型,并利用大连市
GDP 增长数据、水资源供给和消耗数据,分析了未
来规划年的水资源效率状况.
2)应用 ImPACT等式,引入虚拟水概念.对虚拟
水消费中人类活动对环境的影响进行定量分析.焦
文献等[9]利用甘肃省 1990—2003 年数据分析了单
位 GDP 的农产品消费量(使用强度)和单位农产品
消耗的虚拟水量(使用效率)对虚拟水消费的影响.
3)借鉴生态足迹,引入水足迹概念,利用 STIR⁃
PAT模型分析人口、富裕度和技术等因素对区域水
资源的影响程度.龙爱华等[38]在计算 2000 年中国
水足迹的基础上,应用 STIRPAT模型,分析人口、富
裕度和技术等对中国水资源的环境影响,结果表明,
人口数量是当前我国水足迹的一个主要驱动因子,
富裕程度的提高会增加人类对水资源的总消费, 气
候因素和区位条件对水足迹具有显著影响, 而提高
土地生产能力对减少水足迹具有重要作用.
259 应 用 生 态 学 报 26卷
社会经济因素对土地资源的影响主要体现在以
耕地面积和草地面积为环境因素,侧重研究人口数
量扩张以及城市化进程对土地资源的影响.王琳
等[39]利用 STIRPAT模型,分析苏州市人口、产业结
构和城市化水平对耕地面积变化的影响及富裕度与
耕地占用之间的相关性,认为人口数量的变化是引
起耕地面积减少的主要因素;而第三产业增加值占
地区生产总值比重和城市化率的变化对耕地面积的
减少也发挥着重要作用.李春华等[40]基于 STIRPAT
对长沙市人口、产业结构和城市化水平对耕地面积
变化的影响进行分析,表明人口数量的变化对长沙
市耕地影响最显著.陈强强等[41]运用 ImPACT 等
式,以甘南藏族自治州草原牧区为例,对人类活动对
草原资源压力的影响进行实证研究,结果表明,经济
增长对草原环境压力影响最大,其次是人口数量和
富裕度.
2 1 4社会经济因素对能源消耗的影响 能源需求
与经济发展以及碳排放之间存在密切联系,能源消
费的快速增长对碳排放的增加起着决定性作用.基
于 IPAT 及其扩展模型在碳排放中的应用,众多学
者利用 IPAT模型对社会经济各因素对能源消耗的
影响进行研究,主要体现在以下两方面.
1)以能源消耗或能源消费总量为环境压力指
标,利用 STIRPAT模型,分析人口、富裕度和技术对
能源消耗的影响.王立猛等[10,42]利用 STIRPAT 模
型,以能源消费总量为环境压力,评估了中国大陆
30个省市自治区的环境压力,表明人口数量或能源
强度发生 1%的变化,将分别引起环境压力相应发
生 2.0%或 0.8%的变化;随着富裕度的增加,富裕度
对环境压力的弹性系数逐渐增加. Lin 等[43]基于
STIRPAT模型,利用中国 1978—2006年数据分析人
口、人均 GDP、城市化、工业化水平以及能源强度对
能源消耗的影响,表明人口对环境影响最大,其次是
城市化、工业化水平、人均 GDP,最后是能源强度.姜
磊等[44]采用能源消费总量作为环境压力的衡量指
标,以 STIRPAT模型为基础,将能源消费的空间效
应纳入 STIRPAT 模型进行空间计算分析,表明人
口、社会富裕度和第二产业比重与能源消费皆呈正
相关,随着人口、社会富裕度和第二产业比重的增
加,对能源消费的弹性系数逐渐增加. Poumanyvong
等[45]利用 STIRPAT 模型,对 1975—2005 年低、中、
高收入 3种类型国家的城市化发展对交通能源利用
的定量影响进行分析,结果表明,在控制人口规模、
人均收入、服务业比重不变的情况下,城市化与交通
能源利用呈正相关.
2)以能源足迹为环境压力指标,通过 STIRPAT
模型,分析社会经济各因素对能源足迹的影响.York
等[21]基于 STIRPAT 模型分析了人口、特定人口比
重、富裕度以及城市化率对能源足迹的影响,结果表
明,人口因素对能源足迹影响最显著,能源足迹随着
人口基本同比例变化.卢娜等[46]利用 STIRPAT模型
分析了苏锡常地区 1991—2008 年经济增长对能源
消费碳足迹的影响,结果表明,经济增长是能源消费
碳足迹的主要影响因素, 两者关系模型拟合未出现
环境库兹涅茨曲线.吴敬锐等[47]采用碳汇法计算了
新疆近 60 年的能源足迹,利用 STIRPAT 模型以能
源足迹为环境因变量,应用岭回归方法计算能源足
迹环境压力的影响因素,结果表明,人口数量是近
51年新疆环境变化的主要驱动因子,富裕度的增长
和城市化进程的加快对能源足迹的增长具有显著影
响,而能源强度的降低和产业结构的优化对降低能
源足迹、减轻环境压力具有重要作用.
2 2 研究应用中的热点问题
2 2 1 STIRPAT随机模型指标选取 STIRPAT 模型
中的自变量 P、A、T 可以分解成若干在概念上适合
的其他变量[22] .如 Cramer[48-49]把人口(P)分解成家
庭数量及平均家庭规模两个指标,进而对环境压力
的影响分别进行分析.York等[21]把 P分解成人口总
数和经济生产人口两个指标,用来分析环境压力.陈
庆等[50]用生态足迹表征环境影响,A 分别用人均
GDP 和人类发展指数表征富裕度.朱远程等[51]研究
了北京 CO2排放与人口和技术因素的关系,将人口
因素(P)分解为人口数量和城市化水平两项指标.
目前,多数研究主要集中在对变量 T 的处理与
分解(表 2).York 等[21]和 Dietz 等[24]指出,IPAT 及
STIRPAT模型中的技术变量(T)不是单一因素,它
由众多影响环境因素组合而成,因此对技术变量 T
进行重新认定具有非常重要的意义. STIRPAT 中 T
变量分解的变量需要与模型在概念上具有一致性.
一般情况下,T变量主要有 3种不同的处理方法:1)
T包涵在残差项 e 中;2) T 可以增加在理论上影响
单位 GDP 产量的其他任何要素;3)随机模型 STIR⁃
PAT与生态弹性系数(EE)的结合能够准确分析 P、
A、T 3个指标之间的关系.
2 2 2生态弹性系数 York 等[21]于 2003 年提出了
一种定量测算概念———弹性系数( ecological elasti⁃
city),表征驱动因素的变化能够带来环境压力的贡
献作用或者灵敏度.
3593期 王永刚等: IPAT及其扩展模型的应用研究进展
表 2 STIRPAT模型 T因素
Table 2 T factors in STIRPAT model
环境因素
Environmental factor
作者
Author
T指标
T factor
文献
Reference
能源消费 王立猛等 包含在残差项 e中 [40]
Energy consumption 张乐勤等 第二产业贡献值、单位 GDP 能耗、全社会固定资产投资、对外贸易度 [52]
吴敬锐等 万元 GDP 能耗、结构化指标(第三产业比重)和现代化指标(城市化率) [47]
York等 城市化 [53]
水土资源 王琳等 结构化指标(第三产比重)和现代化指标(城市化率) [39]
Water and soil 李春华等 产业结构(第二、三产比重)、城市化率 [40]
resources 龙爱华等 单位面积粮食蒸腾需求量、单方水产粮量、单位粮食产量土地需求 [38]
孙克等 新型工业化指数、城市化率 [54]
CO2排放量 Saoussen等 城市化率、能源强度、京都议定书条款 [55]
CO2 emission 刘宇等 包含在残差项 e中 [27]
朱远程等 能源强度、第二产业比重 [51]
生态足迹 陈庆等 城市化指标(城市化率)、产业结构指标(第三和第二产业比重)、基尼系数 [50]
Ecological footprint 陈强强等 城市化水平和产业结构 [41]
徐中民 现代化、经济区位、自然区位 [7]
刘昕等 城市化率、产业比重 [33]
STIRPAT模型中的人口弹性系数(EEIP )表示
人口规模的变化所引起环境压力的变化,财富弹性
系数(EEIA)表示表征富裕度指标的变化所产生的
环境压力变化.
利用 STIRPAT模型测定人口、富裕度对环境影
响的弹性系数,在式(9)中,系数 b 和 c 表示 P、A 每
发生 1%变化,将分别引起 I 发生 b%、c%的变化.如
果系数(b或 c)等于 1.0,说明环境影响与驱动力(P
或 A)存在同比例的单调变化;如果系数>1.0,说明
增加此项人文驱动因素引起环境变化加剧的速度要
超过驱动力的变化速度;如果<1.0(但>0),说明增
加此项人文驱动因素引起的环境变化加剧的速度要
小于驱动力的变化速度;如果<0,则说明增加此项
人文驱动因素具有减缓环境影响的作用[21] .
经济与社会学理论通过增加富裕度的二次方,
假设了一种经济因素与环境影响之间的非单调关
系[56-58] .为考察随着富裕度的增加,富裕度与环境
压力之间是否存在环境 Kuznets 曲线,将模型中自
变量 lnA分解为 lnA和 lnA2两项.因此,模型调整为:
lnI= lna+blnP+c1 lnA+c2(lnA) 2+dlnT+lne (14)
对上式的 lnA 求一阶偏导数,得到富裕度对环
境影响的弹性系数(EELA)为:
EELA = c1+2c2 lnA (15)
已知 lnA的值,根据式(13)计算 EELA,如果 c2
为负值,可依此确定存在环境 Kuznets 曲线,并能够
计算出环境开始改善的富裕度临界值.
3 IPAT及其扩展模型的发展趋势
面对当前显著的环境问题,关于社会经济发展
对环境压力问题的研究需求更加迫切,社会的需求
决定了 IPAT及其扩展模型的发展方向及在应用中
应注意的事项.在当前形势下,其主要发展趋势将表
现在以下几个方面.
1)模型各变量的最适表征指标的选取与处理.
环境压力( I)是一个复杂因子,因此需要采用一个
综合指数表征环境压力.为了进一步分析整体环境
压力影响,在统计各污染物排放量的情况下,结合生
态环境压力指数(ESI)等指数,可以进一步提出一
个表征环境压力的综合性指标.另外,前文提到
STIRPAT 模型可以增加一些合适的指标用来分析
对环境压力的影响.但对环境压力有影响的社会或
者政治变量是一个概念化的因素,如何通过模糊评
价或者其他赋值方法进行数值化,进一步促进这些
指标对环境压力的影响研究也是未来对模型发展完
善的一个方向.
2)小尺度内的人文因素对环境压力影响是环
境经济学中的热点与难点问题.从国内外 IPAT模型
及其扩展模型应用中可以看出,在研究尺度上,大多
集中在跨国、省市区域的范围内,主要是对某一年若
干区域社会经济因素对环境压力的影响的对比,亦
或利用长系列数据分析某一区域社会经济发展对环
境压力的影响.但对于更小区域内的人文因素对环
境压力的影响研究较少,以北京市为例,研究范围定
459 应 用 生 态 学 报 26卷
义在区县或流域尺度,通过对更小尺度上人文因素
对环境压力的影响进行定量分析,其计算结果可以
对区域人口、产业结构等的合理布局提供理论基础.
小尺度上的相关研究的难点主要体现在:
1)数据库的收集与处理.尺度越小,对数据的要
求越高,加之小尺度上的数据往往较难获得,因此在
已有资料的基础上,需选择合适的数学及统计方法
对缺失数据资料进行收集与整合,通过数学方法获
取更多,更准确的数据.
2)小尺度上分析结果的准确性降低.小尺度内
的人文因素对生态环境影响结果的准确性往往会降
低,需要从数据的数量与准确性方面进行保障,并对
IPAT及其扩展模型不断加以改进,从而可以较好地
应用在小尺度内人文因素对环境压力的影响研究.
3)进一步开展 IPAT及其扩展模型在人文因素
对水环境压力影响分析的应用.以往研究集中在对
碳排放、能源消耗、生态足迹等方面的研究,在水方
面,尤其是水环境方面的研究还较少.因此,需要对
人文因素变化对区域水环境压力的影响进一步探
讨.但在这个过程中需要注意的问题是,水污染物指
标(如 COD、氨氮)在模型中的产生量,而不再是排
放量,原因在于如果考虑末端治理的效果,有些废物
的产生量与排放量之间会有很大差别.同时,社会经
济因素中的技术(T)指标要增加与水污染排放相关
的用水结构、排放系数等指标.
4)农业发展过程的各驱动力对生态环境的定
量影响是未来相关研究的重点之一.随着农业工业
化进程的加快,农业发展中人口、经济的规模发生了
一系列变动.在技术层面,机械化、工业化设备与技
术的使用、惠农政策的制定在一定程度上促使农业
经济发展对生态环境恢复具有良好的改善作用,但
在另一方面,农业耕作过程中化肥、农药、除草剂的
使用,又对生态环境产生较大的负面影响. IPAT 及
其扩展模型的技术因素(T)可综合考虑上述几种因
素,定量分析农业发展各要素对生态环境的影响.
IPAT、ImPACT以及 STIRPAT 模型是探索与认
识复杂的社会经济因素对环境压力影响的有效手
段,也是解决当前城市化发展过程中产生的生态环
境问题的有效工具,目前已经在气候变化、碳排放、
能源消耗等方面研究中发挥了重要作用.研究工作
的不断深入和被认识程度的逐步提高将推动 IPAT
等模型理论和应用的发展.
致谢 本文得到了美国俄勒冈大学 York 教授的帮助与指
点,在此表示由衷的感谢.
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作者简介 王永刚,男,1978 年生,副研究员.主要从事水污
染控制和水环境与生态修复技术研究. E⁃mail: edward8848
@ 163.com
责任编辑 杨 弘
7593期 王永刚等: IPAT及其扩展模型的应用研究进展