基于時間維度的循環經濟物質流特征研究

高 昂 張道宏

(1.西北大學經濟管理學院,陜西西安710127;2.陜西省人大常委會副主任,陜西西安710068)

基于時間維度的循環經濟物質流特征研究

高 昂1張道宏2

(1.西北大學經濟管理學院,陜西西安710127;2.陜西省人大常委會副主任,陜西西安710068)

本文借助物質流分析原理和循環經濟理論,引入時間維度,界定“物質流時滯”概念,在分析環境系統與經濟系統之間物質流動界面的基礎上,建立了中短期時間尺度下的循環經濟物質流單循環模型,并利用模型中物質流之間的質量平衡關系對物質運動規律進行分析。在此基礎上,對大時間尺度下的循環經濟系統物質流總量特征與動態變化做出進一步的剖析,展示出在不同社會經濟發展階段內,資源投入量與廢棄物排放量之間的匹配關系與變化規律。最終得出如下結論:通過對不同行業和產品物質流時滯的綜合測算,形成政策性物質流時滯,制定相關經濟政策,有效實現經濟發展與環境保護的雙重目標;物質輸入量決定了一段時間后的廢棄物排放量,必須長期堅持執行減量化原則;“非耐用產品”的物質流時滯較短,應強調再循環原則,“耐用產品”的物質流時滯較長,更應適用再利用原則;提高兩個時點和兩種內容的循環利用率,降低兩個時點和兩種內容的廢棄物排放率。

循環經濟;時間維度;物質流時滯;物質流特征;3R原則

物質流分析方法近年來在循環經濟研究領域發展迅速,已經成為循環經濟的核心調控手段之一,得到了世界各國的廣泛的應用[1-6]。目前物質流分析理論的研究主要強調環境系統與經濟系統之間的基本關系,構建了“經濟與生態關系圖”或“物質流動關系圖”等基本關系模型[7],強調物質流動的循環性與必然性,但忽視了物質流動的時間屬性。陸鐘武提出了“具有時間概念的產品生命周期物流分析法”[8],但該方法主要集中于對金屬元素和金屬產品的流動分析,對循環經濟物質流,尤其是對物質流總量特征的研究還鮮有涉及。

本文將在引入時間維度和界定物質流時滯概念的基礎上,分析環境系統與經濟系統之間的物質流動界面,建立中短期時間尺度下的循環經濟物質流單循環模型,在此基礎上,對大時間尺度下的循環經濟物質流總量特征與動態變化做出進一步的剖析,展示出在不同社會經濟發展階段內,資源投入量與廢棄物排放量之間的數量匹配、時間匹配與變化規律。

1 物質流時滯概念

時間是物質運動的基本屬性,也是衡量物質流動速度的基本維度。物質在不同的時間點會表現出不同的形態和性質,在不同的時間段會表現出不同的運動規律和特征。因而,忽略時間屬性來研究循環經濟物質流的特征是不全面的。時滯本身表示一個時間區間,由于質量守恒定律不具有明顯的時間概念,表現出的是一種在長期內恒定的物質數量關系。當引入時間維度時,就會出現以下問題:

首先,質量守恒定律決定了長期內經濟系統的物質流入量一定等于物質流出量,但是資源投入時間與廢棄物產生時間之間具有一定的時間間隔,主要是因為現實經濟中生產和消費都存在一個物質的積累過程,即經濟系統對物質具有一定的容納量。如果將長期劃分為不同的時間窗口,則物質流時滯將會對資源輸入物質量與廢棄物排放物質量的時間與空間分布和數量對比產生較大的影響。

其次,在一定的時間區間內,資源投入的物質形態、形狀、化學成分、物理性質等都會發生不斷的變化,同樣的資源形式會形成迥然不同的廢棄物形式,不同的資源形式也會形成相同的廢棄物形式,考慮時間維度就可以將形式不同但屬于同一類產品或行業的資源投入與廢棄物排放進行匹配,準確描述行業或產品的物質流單循環過程。

再者,存在時間維度,才能存在速度概念,所以引入時間維度后,就可以衡量物質流動的速度,就可以將經濟與生態的關系模型從物質靜態描述模型轉化為物質動態循環模型。

最后,經濟系統從最初發展的低資源投入和低(零)廢棄物產生,發展到循環經濟的高級階段,其物質流動特征仍然是低資源投入和低(零)廢棄物產生。雖然在不同的時點具有相近的物質流動特征表現,但線性經濟已向循環經濟轉變,工業社會已向服務社會轉變,期間物質流動量的大幅波動與變化特征被省略掉了,而研究期間的總量特征與動態變化規律會更適用于經濟發展的實際情況。

為了能更清楚的從時間維度對循環經濟物質流進行分析,我們借鑒控制系統理論與經濟學中的時滯概念,形成“物質流時滯”概念,并將其概念界定為:指從某一定數量的特定資源開始進入經濟系統,到最終以工業廢棄物或生活廢棄物等形式離開經濟系統之間的時間間隔。若將經濟系統分為生產階段和消費階段,則物質流時滯可以進一步分解為生產階段物質流時滯和消費階段物質流時滯,分別代表各自階段的物質投入與物質流出時間間隔。

2 中短期時間尺度下的物質流單循環模型及其分析

2.1 環境與經濟系統的物質交換界面

人類經濟活動對自然環境造成的影響主要在于進入經濟系統的自然資源輸入量和廢棄物排放量,是一個將原料、能源轉化為產品和廢物的代謝與流動過程。環境系統與經濟系統的物質流入流出關系形成了兩個界面。資源流動是界面1的物質流動方式,廢棄物流動是界面2的物質流動方式。環境與經濟系統之間的物質交換能夠可持續的核心條件在于:一是經濟系統的資源投入需求是否超過環境系統的資源提供能力極限,這種極限體現在資源供給總量和供給速率上,不同的資源特性會制約和形成不同的資源極限。二是經濟系統的廢棄物排放需求是否超過環境系統對廢棄物的接納承載能力極限,即生態閾值。生態閾值也具有總量制約和速率變化的動態特征。環境經濟系統之間的物質交換界面如圖1所示。

2.2 中短期時間尺度下的循環經濟物質流單循環模型

從資源投入、生產加工、消費,直至形成廢棄物,經回收后又重新返回生產階段,這個物質循環過程一般都會在中短期時間尺度內完成,圖2展示的就是一個中短期時間尺度下的循環經濟物質流單循環模型。這一模型可以完整地考察和跟蹤循環經濟整個物質流動過程。

模型中所涉及的符號及說明如表1所示:

2.3 模型物質流平衡關系及其分析

模型的物質流等式關系如下:

對于整個物質流動系統:I+Q=S+B+D (1)

對于生產過程:I+q1+q2=S+O+B1+B2+D1+D2(2)

圖1 環境經濟系統之間的物質交換界面Fig.1 Material exchange interface between environmental system and economic system

圖2 中短期時間尺度下的物質流單循環模型Fig.2 Single circular model of material flow within short and medium time period

對于消費過程:O=B3+B4+D3+D4(3)

B=B1+B2+B3+B4(4)

D=D1+D2+D3+D4(5)

Q=q1+q2(6)

△Y=△Y1+△Y2(7)

經濟系統要實現可持續發展,核心條件之一是廢棄物排放物質量不能超過生態閾值。根據上述質量平衡等式(1),只要減少資源投入物質量(I+Q),(S+B+D)的總量也必然會下降,要實現廢棄物(D)的減少,除了提高S和B之外,最根本的途徑就是降低等式左邊的(I+Q),這體現出循環經濟中的減量化原則。

將等式(1)兩邊同時除以(I+Q),得到等式(8):

1=S/(I+Q)+B/(I+Q)+D/(I+Q) (8)

其中:S/(I+Q)代表經濟系統對物質的容納量比率,即物質累積率。B/(I+Q)代表整個生產消費過程中的物質循環利用率,D/(I+Q)是整個生產消費過程中的物質廢棄率。這個等式說明,在資源投入物質量一定的前提下,我們可以從提高經濟系統對物質的容納量比率、提高物質的循環利用率等兩種措施來有效減少廢棄物的產生,這體現出循環經濟中的再循環原則(RECYCLE)。

將等式(4)和等式(5)代入等式(8),得到等式(9):

表1 物質流單循環模型中符號與含義Tab.1 Meaning of symbols in the model

1=S/(I+Q)+(B1+B2)/(I+Q)+(B3+B4)/(I+Q)+(D1+D2)/(I+Q)+(D3+D4)/(I+Q) (9)

經過整理,等式(9)就體現出了物質流時滯的概念,增加了時間維度。其中:(B1+B2)/(I+Q)代表第 Y+△Y1年循環利用率,(B3+B4)/(I+Q)代表第 Y+△Y1+△Y2年循環利用率,(D1+D2)/(I+Q)代表第 Y+△Y1年廢棄物排放率,(D3+D4)/(I+Q)第 Y+△Y1+△Y2年棄物排放率。由等式可知,提高物質循環利用率的途徑包括提高第Y+△Y1年和第 Y+△Y1+△Y2年兩個時點的循環利用效率。降低廢棄物排放率包括降低第Y+△Y1年和第Y+△Y1+△Y2年兩個時點的廢棄物排放率。地域差異、行業差異、產品差異和技術差異等因素均可能顯著影響第Y+△Y1年和第Y+△Y1+△Y2年兩個時點的循環利用率和廢棄物排放率。

將等式(9)中的第Y+△Y1年和第Y+△Y1+△Y2年循環利用率的分項式重新組合,就可以得到兩個新的分項式:(B1+B3)/(I+Q)+(B2+B4)/(I+Q)。這兩個分項式分別代表兩種內容的循環利用率,即作為原料的循環利用率和作為中間品的循環利用率。對中間品的再循環與再利用,可以較快的提高物質的循環效率,所以應優先提高中間品的循環利用率。

將等式(9)的分項式重新組合,就可以得到等式(10):

1=(B1+B2+B3+B4)/(I+Q)+(D1+D2+D3+D4)/(I+Q)+S/(I+Q) (10)

這個等式描述從第Y年到第Y+△Y1+△Y2年期間的循環利用率、廢棄物排放率和物質累積率,體現出帶有物質流時滯效應的循環經濟物質流單循環過程。在實際經濟活動中,產品的消費使用時間一般會遠大于生產時間(△Y1<△Y2),因而消費階段時滯△Y2對物質循環與廢棄的時間跨度具有更大的影響。根據時間維度將產品區分為消費時間較短的“非耐用產品”和消費時間較長的“耐用產品”,當“非耐用產品”的時間跨度短于一年時,模型中的B3和B4就可以進入到當年的物質循環進程中,即對于“非耐用產品”而言,等式(10)表達了第 Y年的循環利用率和廢棄物率。因而對于“非耐用產品”應強調循環經濟的再循環原則,對于“耐用產品”則更應適用再利用原則。

3 大時間尺度下的物質流總量特征與動態變化分析

無數個物質流單循環過程的相互疊加、相互嵌套與相互影響,構成了實際經濟系統在微觀層面錯綜復雜的物質流動關系。在大時間尺度下對循環經濟系統的物質流總量特征與動態變化做進一步的剖析,就可以展示出在時滯影響下的不同社會經濟發展階段內,資源投入量與廢棄物排放量之間的數量匹配、時間匹配與變化規律。根據資源投入量與廢棄物排放量的趨勢變化,可以將社會經濟發展分為三個發展階段。

3.1 發展階段一:資源投入總量快速增長

這一階段資源投入量快速增長,遠遠大于廢棄物排放量的增長速度,資源投入量快速增長,廢棄物排放量緩慢增長。經濟的初始啟動與初期發展必然要求一定數量的各種資源投入,經濟規模的快速擴大猶如少年之成長,物質流入量遠大于物質流出量,流入與流出量之間的差就是經濟系統對物質的容納量。容納量的物質形式通常包括:道路、建筑、水壩、運輸工具(船舶、飛機、汽車)、機器設備等人造資本和消費性耐用商品,如冰箱、電視和家電等。容納量的增長表現為樓房的增加、道路的擴展、機器設備擴充等,通過期末與期初的物質存量差可以計算當期物質量的變化。在這一階段,經濟規模的迅速擴大使 G DP高速增長,資源投入量遠遠大于廢棄物排放量。此時的廢棄物排放量在自然環境的生態閾值之下,環保問題是微不足道的。此階段基本對應著人類社會的農業經濟發展階段,物質流總量特征表現為高資源投入、高廢棄物排放,廢棄物排放量在生態閾值之下。

3.2 發展階段二:資源投入總量與廢棄物排放總量共同快速增長

這一階段資源投入量與廢棄物排放量共同快速增長,G DP雖然保持快速增長,但能源供給和環境污染問題已經開始鉗制經濟系統的發展。在生產要素投入技術結構與技術水平的約束下,經濟規模的不斷擴大主要依賴于資源投入量繼續快速增加,經濟系統對物質的容納量快速增加。在資源低價格機制、商品邊際效用的不斷下降等因素影響下,資源浪費與社會廢棄物的數量迅速增加。這一階段治理污染的主要手段就是末端治理。這種治理思路形成了治理污染成本居高不下,污染只是在時間和空間上發生轉移,人類居住環境日益惡化,自然系統和經濟系統的矛盾日益尖銳。此階段基本對應著人類社會的工業經濟發展階段,物質流總量特征表現為高資源投入、高廢棄物排放,廢棄物排放量已經超過生態閾值。

3.3 發展階段三:資源投入總量與廢棄物排放總量共同下降

傳統粗方式發展模式使自然系統和經濟系統的矛盾日益尖銳,正是人類對自然生態系統與經濟系統之間關系的重新審視,才及時調整了人類經濟的發展方向與模式。這一階段的基本特征是G DP保持可持續增長,隨著各種污染治理思路與循環經濟發展政策的實施,資源投入量與廢棄物排放量均呈現絕對量的減量化趨勢,并最終實現物質流入量與流出量的最小化,廢棄物排放量也逐漸從最高點H回歸至自然環境的生態閾值之下。這一階段治理污染的思路主要是依據循環經濟的3R原則,在微觀層面體現為企業的清潔生產,中觀層面體現為建設生態工業園區和生態農村,在宏觀層面體現為建設循環型社會。此階段基本對應著人類社會的后工業化與循環經濟發展階段,物質流總量特征表現為低資源投入、低廢棄物排放,廢棄物排放量低于生態閾值(見圖3)。

圖3 大時間尺度下的物質流總量變化趨勢圖Fig.3 The trend of development of material flow within long time period

4 結論與討論

4.1 研究物質流時滯具有重要的經濟意義和生態意義

通過對不同行業和產品時滯的綜合測算,得出實際的物質流時滯,在此基礎上形成政策性物質流時滯,制定相關經濟政策,就可以提高政策的前瞻性,有效實現經濟發展與環境保護的雙重目標。例如德國政府在2009年一季度推出汽車置換計劃:如果車主主動報廢車齡超過9年的舊車,購買小排量環保型汽車,政府將給予其2500歐元的補貼。德國政府測算制定的汽車產品政策性物質流時滯為9年,短于汽車產品的真實物質流時滯。時滯的縮短不僅有效的降低了汽車行業的能源消耗與廢氣污染量,提高了汽車行業的環保水平,而且在與經濟補貼舉措結合后,起到了強大的綠色消費引導與經濟刺激作用。截至2009年3月底,德國申請補貼者已達到120萬,汽車新增數量達到40.1萬輛,同比增加40%,為1992年以來最高水平[9]。

4.2 時間維度下對3R原則應用的再認識

由于物質流時滯的存在,資源投入無論是相對減量化還是絕對減量化,都會在一定時間跨度后產生相對減量化或者絕對減量化廢棄物,因而必須長期堅持執行減量化原則,這是長期根本解決廢棄物大量排放的治本之策。

“非耐用產品”的物質流時滯較短,應強調循環經濟的再循環原則。通過提高技術創新和組織創新能力,鼓勵采用新的生產工藝和流程,提高經濟系統內部的科學管理水平,從而提高物質循環利用比率。“耐用產品”的物質流時滯較長,更應適用再利用原則。通過利用環境稅費、補貼等經濟手段,引導消費者的消費意愿,強化節約意識,形成健康文明、節約資源的消費模式,盡可能的延長商品的使用時間,推遲形成廢棄物的時間。

4.3 提高兩個時點和兩種內容的循環利用率,降低兩個時點和兩種內容的廢棄物排放率

綜合考慮地域、行業、產品和技術等因素,有針對性的提高第Y+△Y1年和第Y+△Y1+△Y2年兩個時點的循環利用效率,降低這兩個時點的廢棄物排放比率。提高對中間品和固體廢棄物零部件的再循環與再利用,單個企業無法自我循環利用的廢棄物,可以通過上下游的生態鏈關系,作為其他企業的原材料和中間品,抑或是開發出新的使用方向。例如廢舊輪胎的翻新使用,或者作為修建公路原料和公園長凳使用等。

References)

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[9]德國政府將大幅增加汽車置換計劃補貼金額[EB/OL].[The Germany G overnment Will Improve The Subsidies Of Car Substitution Plan[EB/OL]]http://auto.sina.com.cn/news/2009-04-09/0811480139.shtml

Analysis on Characteristics of Material Flow Within Circular Economy Systems Based on Time Dimension

G AO Ang1ZHANG Dao2hong2
(1.School of Economics and Management,Northwest University,Xi’an Shaanxi 710127,China)(2.The Standing Committee of Shaanxi Provincial People’s Congress,Xi’an Shaanxi 710168,China)

Based on the method of material flow analysis and the theoryof circular economy,the paper draws into the time dimension and gives the definition of the“material flow time lag”,a theoretical model of MFA between environmental and circular economy systems with short and medium time period is established,which is applied to analyze the law of mass movement by using the relation of the mass balance.On this basis,the paper analyzes the feature of amount and dynamic change about the circular economy systems within long time period and describes the matching relation and change law between the amount of resource input and waste output in different social and economic periods.The paper comes to following conclusion:On the premise of estimating material flow time lag in different industries and products,the paper sets up a series of new policies to achieve results of developing economy and environment.We must perseve the reducing principle over a long period of time because the amount of waste output is determined by the amount of material input.Recycling principle should be for non2durable products and reusing principle should be for durable products.The paper finally points out the major principles to decrease the expenditure of natural resources and emission of wastes by improving circular rate of two kinds.

circular economy;time dimension;material flow time lag;material flow characteristics;3R Principles

F062.1

A

1002-2104(2010)09-0013-05

10.3969/j.issn.1002-2104.2010.09.003

2010-05-12

高昂,博士生,主要研究方向為循環經濟學。

(編輯:溫武軍)