中國重化工業生態足跡估算方法研究＊

崔維軍 周飛雪 徐常萍

(南京信息工程大學經濟管理學院,江蘇南京210044)

中國重化工業生態足跡估算方法研究＊

崔維軍 周飛雪 徐常萍

(南京信息工程大學經濟管理學院,江蘇南京210044)

作為可持續發展評價的重要方法之一,生態足跡分析方法已被廣泛應用于區域、產業、企業以及學校等領域的可持續發展評價中,而對于造成生態環境壓力最大的工業尤其是重化工業,生態足跡方法的應用卻不多見。本文首先分析了重化工業生態足跡形成機理,將重化工業生態足跡的形成劃分為資源消耗與環境排放兩個階段,然后將重化工業生態占用劃分為化石能源、水資源、工業用地、工業廢水、工業廢氣以及工業固體廢棄物六個方面,基于數據的可獲得性,分別詳細介紹了每個項目生態足跡的計算方法,最后分析了計算生態足跡時應注意的幾個問題,一是水資源生態足跡的重復計算問題及處理方法,二是石油加工、煉焦及核燃料加工業的碳固定化比率問題,三是水泥工業制造過程中碳排放問題。本文嘗試將生態足跡方法應用于重化工業可持續發展評價,為從產業層面估算重化工業生態足跡提供了一套可以參考的標準和一套計算的工具。

重化工業;生態足跡;均衡因子

自1978年實行改革開放以來,中國工業發展依托人力資本優勢取得了巨大的成就。2008年,工業實現增加值12.9萬億元,占世界的比重已達8.5%以上,僅次于美國和日本,位居世界第三位;2009年,中國制造業增加值占世界制造業增加值的比例為15.6%,超過日本的15.4%,僅次于美國排名世界第二;2008年,中國工業有172類產品的產量居世界第一位,其中,粗鋼、水泥、玩具、彩電、空調、電話等產品產量分別占世界的 35%、48%、70%、45%、67%和50%。中國工業發展所取得的成就是以能源的高消耗和環境的高污染為代價的,中國的工業化道路實際上復制了西方“先污染,后治理”的模式。雖然工業過程的本質必然會消耗資源,同時帶來對自然環境的影響,但是過度消耗資源和破快環境,不僅使工業生產無法持續進行,人類生存的基本條件也難以得到保證。中國工業化進程所帶來的嚴重的資源和環境問題,使得很多學者都開始關注中國工業尤其是高能耗高污染的重化工業的可持續發展問題。

自從加拿大英屬哥倫比亞大學生態經濟學家William E.Rees[1]提出“生態足跡”(Ecological Footprint,EF)這一概念后,生態足跡分析方法受到了學者們廣泛關注,并快速成為可持續發展評價的重要方法之一,應用到全球、國家、區域、城市、產業、企業以及學校等領域的可持續發展評價中。本文試圖將生態足跡方法應用于重化工業可持續發展評價,在分析重化工業生態足跡形成機理的基礎上,利用可獲得的數據,構建中國重化工產業生態足跡評價模型,為中國重化工產業生態足跡估算提供一套簡單便捷而又科學的量化工具。

1 文獻述評

到目前為止,生態足跡方法在產業可持續發展評價中的應用主要集中于農業和旅游業兩大產業,而對于造成生態環境壓力最大的工業尤其是重化工業,該方法的應用卻并不多見。國外學者Herva M等[2]在分析紡織業生產流程的基礎上,從能源、資源和廢棄物3個類別,選取20個指標,利用某制衣廠的制造過程數據對紡織行業的生態足跡進行了估算。Herva M等人的研究本質上是對紡織業企業生態足跡的研究,并非對整個紡織產業的研究。

國內學者劉建興、王青等[3]采用直接占用土地面積、能源消費、生產用水和生態用水3個類別計算了中國有色金屬行業1994-2003年的生態足跡。于宏民、王青等[4]采用生產用水、金屬料、耐火材料、能源、廠房、廢氣、廢水和廢渣7個類別計算了中國鋼鐵行業1994-2005年的生態足跡。李偉、楊詩源[5]從生物資源消耗、能源消耗、工業廢棄物和工業建設用地四個方面估算了重慶2004年整個工業生產的生態足跡。

國內外學者對于工業生態足跡的研究主要針對某個行業,未從工業或重化工整體產業層面對生態足跡進行研究。究其原因,其一,可能是生態足跡方法發展時間較短,從誕生至今不到20年,研究領域還沒有得到充分拓展;其二,生態足跡方法需要大量的資源消耗與環境排放數據,細分行業的數據很難獲得。

2 中國重化工業生態足跡形成機理分析

工業生產本質上是將自然資源加工制造成可用于消費或再加工產品的過程,需要能源作為加工制造過程的動力,因此,消耗自然資源是工業生產的必要條件。同時,工業生產過程還會產生除產品以外的廢料,主要包括廢氣、廢水和固體廢棄物,進而對自然環境產生影響,所以,造成環境的改變也是工業生產活動的必然后果。從工業的生產制造全過程來看,重化工業生態足跡的形成主要來源于兩個階段,如圖1所示:

圖1 重化工業生態足跡形成機理Fig.1 Mechanismof heavy and chemical industry ecological footprint

第一階段來源于重化工業生產過程對于自然資源的消耗。自然資源包括生物資源、能源(包括石油、煤、天然氣等一次能源,汽油、煤油等二次能源以及各種可再生能源等)、水資源、空氣資源以及建設廠房所用的土地資源等。在各種自然資源中,化石能源、水資源和土地資源的消耗是非可持續的,一旦耗竭將無法恢復。因此重化工業對于這些自然資源的消耗實際上是對地球生命系統的不可恢復性占用,必然帶來生物生產性土地或水域的減少。

第二階段來源于重化工業生產過程之中和之后產生的各種廢物對于生物生產性土地和水域的占用。工業生產的本質使得重化工業生產過程必然會產生大量的工業廢氣、廢水和固體廢棄物。工業廢棄物給生態環境帶來了巨大的破壞,這種破壞在很多情況下是難以恢復的,其容納與消解需要占用大量的生物生產性土地或水域面積。

需要指出的是,本文在探討重化工業生態足跡時,未考慮第一階段的除能源之外的原料與空氣,未考慮第二階段的產成品。第一階段未考慮其他原料是因為除能源外重化工業所使用的原材料絕大部分并非來自于自然生態環境,而是來自于礦物采選業和其他工業產業。根據對2002年中國投入產出表的計算,所有重化工產業對第一產業的消耗僅占第一產業總產出的2.39%,除化學工學為2.32%之外,其余產業幾乎都接近于零,而重化工產業對于礦物采選業的消耗占到了該行業總產出的71.67%。從產業層面來看,重化工業礦物原材料的估算應該在礦物采選業進行,而重化工業對于自然生態資源消耗又非常少,同時考慮到本文的研究主要關注宏觀產業層面,因此我們在計算生態足跡時未考慮重化工產業的其他原料。

空氣資源是一種特殊資源,由于其可再生性以及豐富的儲備,盡管工業生產排放的廢氣需要一定體積的空氣進行稀釋和容納,但在目前的情況下工業發展對于空氣的使用是免費的,同時由于目前生態足跡的計算均未將空氣考慮在列,因此本文在分析生態足跡時也未將空氣資源考慮在列。

重化工業產成品通過消費流通領域或作為生產資料進入其他產業,或作為消費品進入社會生活部門?？紤]到本文主要關注宏觀產業層面的生態足跡,同時考慮到產成品對于環境的影響主要是通過三廢進行的,因此本文不進行制成品的生態足跡計算。綜上所述,本文對于中國重化工業生態足跡的分析主要包括化石能源、水資源、工業用地、工業廢水、工業廢氣以及工業固體廢棄物等六大項目。

3 中國重化工業生態足跡估算方法分析

生態足跡的計算方法主要有綜合法、成分法和投入產出法三種,其中Wackernagel所提出的綜合法最為成熟,使用最為廣泛。該方法主要是根據宏觀統計資料獲取不同消費項目的生態足跡數據,然后加總得到總體生態足跡。本文基于綜合法,分別構建化石能源、水資源、工業用地、工業廢水、工業廢氣以及工業固體廢棄物生態足跡的計算方法,在計算中國重化工業生態足跡時,只需將六項加總并做簡單處理即可。

3.1 能源生態足跡

化石能源生態足跡的計算方法主要有三種:

(1)采用乙醇或甲醇作為轉換媒介。為保證經濟發展的可持續性,應實現能量投入的可持續性,不能依靠非可再生的化石能源,同時應優先利用生物圈中循環的碳,不去開發沉積的碳儲備從而避免增加大氣中的碳含量。根據Wackernagel&Rees的估算,每公頃生物生產性土地可以生產大約800億J的乙醇[6]?；凇吨袊y計年鑒》中重化工行業的能源消耗總量數據,根據國家發改委、財政部文件(發改環財[2008]704號)《節能項目節能量審核指南》中規定的熱力當量值,結合化石能源地均衡因子,即可計算出中國重化工各行業的生態足跡(見公式1)。

其中a1為化石能源地均衡因子,e為各重化工行業消耗的噸標準煤,v為熱力當量值,h為能地比。

(2)采用可再生資源作為轉換媒介。為維持自然資本存量不變,獲得人類社會的可持續發展,可以在消耗非可再生資源的同時增加相應能量的可再生資源,如種植能夠與化石能源產生同樣能量的樹木。根據估算,每公頃森林每年可以累積約800億J的生物量能源[7]。由于林地的均衡因子與化石能源地相同,因此通過此種方法計算生態足跡與公式(1)相同。

(3)估算吸收CO2所需要的森林面積?；茉吹娜紵龝欧懦龃罅康腃O2,這些CO2進入大氣層會引起溫室效應,應采取足夠的森林進行吸納。根據估算,每公頃中年森林(平均樹齡為50-80年)可吸納約5.2噸CO2。根據《中國統計年鑒》中各行業的各種化石能源使用量ei以及《節能項目節能量審核指南》公布的能源發熱量系數值vi,加上通過計算獲得的各種能源的CO2排放系數,即可獲得重化工各行業的能源生態足跡(見公式2)。

其中a2為森林的均衡因子,ci為各種化石能源的CO2排放系數,根據《IPCC2006年指南》得到的碳排放系數可以計算出CO2排放系數,其折算公式為:

3.2 工業用水生態足跡

在重化工業的生產過程中,水是必須的資源。工業用水項目主要包括制造本身的用水、產品用水、冷卻用水及清潔用水等。工業用水生態足跡主要是指重化工業企業為了維持生產活動所消耗的水資源需要占用的生物生產性土地面積。

考慮到中國工業用水主要來源于淡水,海水主要用于工業冷卻用水,而且絕大部分用于電力工業①,因此本文在估算生態足跡時采用淡水計算。基于《中國統計年鑒》公布的“內陸水域面積”s與“水資源總量”r,利用《中國環境年鑒》獲得的工業用水中的“新鮮用水量”w,即可計算出工業用水的生態足跡(見公式4)。

其中a3為水域的均衡因子。

3.3 工業用地生態足跡

重化工企業在生產過程中需要相應的生產車間、庫房及其他附屬設施等,這些土地被稱為工業用地。當土地被劃撥為工業用地后,其本身所具有的生物生產能力被長期甚至永久性剝奪,因此重化工業用地需求實際上是對生態環境的占用,是生態足跡的必要計算項目。

《中國城市建設統計年鑒》公布了“工業用地”面積的統計數據,但是未公布具體行業的統計數據。考慮到重化工企業固定資產投資與工業用地面積之間關系密切,我們可以利用各行業的固定資產投資來估算各行業的工業用地面積。根據國土資源部《工業項目建設用地控制指標》中所公布的各行業工業用地的投資強度,利用《中國統計年鑒》中公布的各行業的固定資產投資數據,我們可以估算出每個重化工行業每年的工業用地面積,進而估算出重化工業生態足跡(見公式5)。

其中a4為建成地的均衡因子,l為某重化工行業的投資強度系數,m為工業用地面積。

3.4 工業廢水生態足跡

工業廢水對生態環境的破壞主要在于其中所含污染物超標,因此工業廢水生態足跡的估算可以從污染物的角度來進行。當工業廢水排出企業后,其中所含的污染物需要一定的水域來進行消化、吸收、稀釋,使之達到滿足人類和其他生物生產、生活的標準。

《地表水環境質量標準》將地表水分為5類:Ⅰ類主要適用于源頭水、國家自然保護區;Ⅱ類主要適用于集中式生活飲用水地表水源地一級保護區、珍稀水生生物棲息地、魚蝦類產卵場、仔稚幼魚的索餌場等;Ⅲ類主要適用于集中式生活飲用水地表水源地二級保護區、魚蝦類越冬場、洄游通道、水產養殖區等漁業水域及游泳區;Ⅳ類主要適用于一般工業用水區及人體非直接接觸的娛樂用水區;Ⅴ類主要適用于農業用水區及一般景觀要求水域。在生態足跡理論中,水域是指具有生物生產能力的水面,因此在計算工業廢水污染物排放所需要的水域面積時,至少要以三類水水質為標準。

一般來講,工業廢水中污染物主要包括汞、鎘、六價鉻、鉛、砷、揮發酚、氰化物、化學需氧量、石油類以及氨氮等?！兜乇硭h境質量標準》中三類水水質標準對這些污染物濃度均有明確規定,根據這些濃度規定,基于每種污染物均可計算出稀釋該污染物所需要的水域面積,選取其中最大值即可作為某重化工行業工業廢水的生態足跡(見公式6)。

EFw′=a3×w′×s/r (6)

其中 w′=max(w1,w2…wn),w1,w2…wn為每種污染物稀釋所需要的用水量。

3.5 工業廢氣生態足跡

《中國環境年鑒》中將工業廢氣排放主要分為三類,分別是SO2、粉塵和煙塵,由于SO2會帶來酸雨,造成對土地生產能力的損害,因此工業廢氣中排放的SO2需要一定量的土地面積來稀釋,粉塵與煙塵對于生物生產能力的破壞相對較小,因此本文不做考慮。

隨著全球變暖的不斷加劇,國際社會對于CO2排放問題越來越關注,而且國際上目前已經形成了較為成熟和規范的CO2研究體系。根據前文的分析,CO2的吸收需要一定的森林進行吸收,因此本文將CO2排放量也歸入工業廢氣中。由于重化工業CO2排放主要來源于能源化石能源的燃燒與利用,因此計算CO2排放所造成的生態足跡時可參考公式2與公式3。

對于SO2吸收所需要的土地面積,Holmberg等人給出了一種估算方法,他們將SO2轉化為H+離子數量,再按照每平方土地所能承受的H+離子數將SO2排放量轉化為土地面積[8]。將CO2排放與SO2排放所占用的生態足跡相加即可得到重化工產業工業廢氣生態足跡。

3.6 工業固體廢棄物生態足跡

重化工業生產過程中必然產生大量的固體廢物,這些固體廢物或被綜合利用、或被貯存處置與排放。采用貯存、處置與排放方式來處理固體廢物時必然需要占用大量的土地資源,對土地的占用實際上是對人類發展空間的占用,必然影響到人類可持續發展的能力。這種占用一般是永久性的,其性質與建設用地的性質基本上是一致的。根據《中國環境年鑒》所提供的重化工產業固體廢棄物所占用的土地面積,乘以建成地的均衡因子,即可計算出重化工業固體廢棄物的足跡(見公式7)。EFs′=a4×u (7)其中u為各行業固體廢棄物所占用的土地面積。

4 重化工業生態足跡估算中要注意的問題

基于前文所計算的化石能源、水資源、工業用地、工業廢水、工業廢氣以及工業固體廢棄物等六大項目的生態足跡,將六項相加,即可大約估算出我國重化工各產業的生態足跡,然而,在計算時有3個問題需要注意:

(1)關于水資源生態足跡的重復計算問題及其處理。在計算水資源生態足跡時,我們既計算了工業用水的生態足跡,又計算了工業廢水的生態足跡。在計算工業廢水生態足跡時,我們是用稀釋、消納污染物所需要的水域面積來計算的,工業廢水在經過稀釋、消納后,其又可作為工業用水使用,因此在估算工業用水生態足跡時,工業用水量w需要用“新鮮用水量”減去“工業廢水排放量”,而非之前使用的“新鮮用水量”。

(2)石油加工、煉焦及核燃料加工業的碳固定化比率問題。與其他重化工產業不同,化石能源在石油加工、煉焦及核燃料加工業中主要是作為原料而不是燃料進入生產過程的,其中大部分碳最終以產成品的形式儲存,因此該行業碳固定化比率一般比較高,根據該行業特點以及參考部分學者的相關研究[9],本文設定其碳固定化比率為80%,其余產業均為0。

(3)水泥工業制造過程中碳排放問題。重化工各產業所產生的碳排放主要是由化石能源的燃燒造成的,因此在計算時可根據IPCC提供的公式計算,但是水泥工業的碳排放還要充分考慮生產過程的碳排放,根據前人的研究[10],其化石能源燃燒與生產過程所產生的CO2基本上是1∶1,因此在估算水泥工業的碳排放時,要考慮其生產過程的排放。

5 結 語

本文借鑒前人的研究成果,以數據可獲得性為基礎,構建了一套中國重化工產業生態足跡估算標準與估算工具,為從生態足跡角度評價不同產業可持續發展能力提供了一種可以量化的方法?；诠P者提供的方法,利用本文中所提到的可以獲得的統計數據,可以方便的計算出每個產業所占用的生態足跡。

由于本文的研究是基于宏觀產業層面分析估算生態足跡的方法,因此在考慮每個項目的生態足跡時難免會存在一些偏差,如工業廢水有少部分是直接排入海的,在估算稀釋水域時需要參考《海水水質標準》等,筆者未來會對每個項目的估算方法進行詳細而深入的研究。同時需要指出的是生態足跡的計算除了考慮生態占用,還要考慮各產業的生態承載力問題,關于此問題筆者繼續進一步關注。

References)

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[3]劉建興,王青,孫鵬,等.中國有色金屬行業的生態占用研究[J].資源科學,2007,29(1):155-159.[Liu Jianxing,Wang Qing,Sun Peng,et al.Ecological Footprint of China’s Non-Ferrous Metal Industries[J].Resources Science,2007,29(1):155-159.]

[4]于宏民,王青,俞雪飛,等.中國鋼鐵行業的生態足跡[J].東北大學學報:自然科學版,2008,29(6):897-900.[Yu Hongmin,Wang Qing,Yu Xuefei,et al.Ecological Footprint of China’s Iron and Steel Industry[J].Journal of Northeastern University:Natural Science,2008,29(6):897-900.]

[5]李偉,楊詩源.重慶市工業生產的生態足跡分析[J].地域研究與開發,2008,27(4):108-112.[Li Wei,Yang Shiyuan.The Analysis of Industry’s Ecological Footprint of Chongqing City[J].Areal Research And Development,2008,27(4):108-112.]

[6]Rees W,Wackernagel M.Urban Ecological Footprints:Why Cities Cannot be Sustainable:And Why They Are a Key to Sustainability Environmental Impact Assessment Review[J].Managing Urban Sustainability,1996,16(4):223-248.

[7]李宏.生態足跡理論及其應用研究[D],蘭州大學博士學位論文,2006.[LiHong.TheStudy ofEcologicalFootprintTheory and Application[D],PhD thesis in Lanzhou University,2006.]

[8]Holmberg J,Lundqvist U,Robèrt K-H,et al.The Ecological Footprint from a Systems Perspective of Sustainability[J].International Journal of Sustainable Development and World Ecology,1999,(6):17-33.

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[10]任仁.削減水泥工業的二氧化碳排放量[J].環境,2000,(4):38.[Ren Ren.Reduce Carbon Dioxide Emissions from the Cement Industry[J].Environment,2000,(4):38.]

Method Study of Ecological Footprint Calculating of Heavy and Chemical Industry in China

CUI Wei-jun ZHOU Fei-xue XU Chang-ping
(School of Economics&Management,Nanjing University of Information Science&Technology,NanjingJiangsu 210044,China)

As one of the important methodsfor the evaluation of sustainable development,ecological footprint analysis has been widely used in sustainable development evaluation of many fields,such as regions,industries,enterprises and schools.However,the ecological footprint analysis is rarely used in industries,which has exerted the greatest pressure on eco-environment,especially the heavy and chemical industry.In this paper,we divided the heavy and chemical industry ecology into fossil energy,water resources,industrial land,industrial waste water,industrial exhausted and industrial solid waste based on the analysis of mechanism of ecology footprint of heavy and chemical industry,and then we divided the formative process of the ecological footprint of heavy and chemical industry into two period of resources consumption and environmental discharge.Based on data availability,we presented the calculation of ecological footprint of every item in detail and analyzed several problems which should be paid attention to when calculating the ecological footprint.First,we should concentrate on the double counting of the ecological footprint of water resource and its processing method.Second is the carbon fixation rate of petroleum processing,coking and nuclear fuel processing.Third,we should also concern about carbon emission from the cement industry.This research will try to apply the ecological footprint analysis to sustainable development evaluation of the heavy and chemical industry,which can offer a standard which can be referred to and a set of computational tools when estimating the ecological footprint of heavy and chemical industry from the industry level.

heavy and chemical industry;ecological footprint;equilibriumfactor

F061.3

A

1002-2104(2010)08-0137-05

10.3969/j.issn.1002-2104.2010.08.025

2010-03-24

崔維軍,博士生,副教授,主要研究方向為工業可持續發展。

＊國家自然科學基金項目(No.70873063);教育部人文社科重點研究基地重大項目(No.08JJD630006)。

① 根據浙江省“十一五”工業節水規劃公布的數據,2005年全省直接利用海水約70億m3,其中用于火力發電廠冷卻用水53.87億m3,占海水總利用量的77%左右。

(編輯:劉呈慶)