基于投入產出表的北京市產業生態效率

王 雪,施曉清,*

1 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049

生態效率是對可持續發展進行定量化分析常用的方法之一[1]。生態效率的概念是由Sturn和Schaltegger在1990年首次提出的[2]。世界可持續發展委員會(WBCSD)將生態效率定義為：通過創造有價格競爭優勢的產品和服務來滿足人類的需求并提高生活質量,同時將其環境影響和資源利用強度控制在地球的承載力水平之內[3]。歐盟環境署將其定義為：從更少的資源獲得更多的福利。各組織機構對生態效率的定義各有不同,但是從廣義來看,都可將生態效率看做“產出/投入”比[4],“產出”是指企業、行業或經濟體提供的產品和服務的價值,“投入”則是指企業、行業或經濟體資源和能源利用及他們所造成的環境壓力[5]。

當前,生態效率的核算方法主要可以概括為以下3種：模型法、經濟/環境單一比值法和指標體系法[6]。模型法通過給定權重將表征生態效率的指標綜合成一個單一的數值,經濟/環境單一比值法是給出經濟維度指標和環境維度指標的簡單的比值,這兩種方法最終都將所有的環境影響綜合成為一個特定的環境影響值,不能區分不同的環境影響。指標體系法由相互獨立但又整體聯系的生態效率指標集構成,可以清楚地表示不同的環境影響。不同的行業部門具有不同的特點,其環境影響也有很大差異,為了識別提高不同資源效率或污染物環境效率的關鍵部門,本文采用指標體系法計算生態效率衡量指標。

現有研究多將經濟輸出和污染物直接輸出的比值作為衡量生態效率的指標,以此識別生態效率較低的行業,提出相應的對策建議。但是,在生產過程中,各部門不僅會產生直接的資源利用和污染物排放,還存在間接的使用和排放,而完全使用或排放系數可以更全面地衡量資源使用和污染物排放的情況。比如,秦昌才和劉樹林[14]基于投入產出表分析了中國產業的完全碳排放情況,識別了碳排放較為隱蔽的部門；黃敏和黃煒[15]核算了中國各產業部門的完全用水系數,發現很多部門直接用水系數與完全用水系數差距很大。分析基于資源直接利用和污染物直接排放的生態效率指標,可以識別資源消耗和污染物排放明顯的產業部門,比較分析直接排放系數和完全排放系數,則可以識別污染物排放較為隱蔽的產業部門,只有將兩者結合起來,才能更全面的反映各產業部門的資源效率和污染物的環境效率,識別提高資源效率和污染物環境效率的關鍵部門。因此,本文基于北京市投入產出表,選擇水資源效率和廢水、二氧化硫、固體廢棄物的環境效率作為生態效率的衡量指標,在比較分析各產業部門的生態效率的基礎上,對水資源的完全用水系數和廢水、二氧化硫、固體廢棄物的完全排放系數進行了比較分析,并且進一步分析了各部門之間完全使用量或排放量的相互貢獻比例,以更加全面地識別環境管理調控的關鍵部門,為北京市提高資源環境效率提供科學的理論依據和方法支撐。

1 研究方法

1.1 生態效率指標選取

行業尺度的生態效率分析通常采用指標體系法,構成生態效率指標集的指標主要包括幾大類：水耗、物耗、能耗、勞動力、環境影響以及土地等,以綜合反映經濟、自然和社會各子系統的發展水平和協調程度。北京市屬于水資源相對匱乏的城市,大量廢水的排放使城市近郊河流和地下水均受到了不同程度的污染,更加劇了水資源的短缺,所以本文選取了水資源和廢水作為衡量生態效率的指標；同時,北京市大氣污染如酸雨、霧霾等問題突出,考慮到數據的限制,本文選取大氣污染物SO2作為衡量生態效率的指標；另外,工業固體廢棄物堆放是導致土壤污染及資源浪費的隱患,本文也將固體廢棄物作為衡量生態效率的指標。本文定義了資源效率和環境效率,將資源效率定義為產業系統使用單位資源創造的價值量,將環境效率定義為產業系統排放單位污染物所創造的價值的量。

1.2 資源效率和環境效率核算方法

為了考察各產業部門在產業轉型過程中資源、污染物的投入產出效率,需要計算各個部門的資源效率與環境效率。資源效率、環境效率的計算如式1和式2所示：

(1)

(2)

式中,rij為i部門j資源的資源效率,vi為投入產出表中i部門的增加值,Rij為i部門j資源的直接使用量；eik為i部門k污染物的環境效率,Eik為i部門k污染物的直接排放量。

在產業生態網絡中,各部門不僅存在直接的生產聯系,還有間接的聯系,這使得各部門除了會直接使用資源、產生直接排放外,還會產生間接的資源消耗和污染物排放。而完全使用系數則可以反映資源的直接使用和間接使用,同理完全排放系數則是污染物直接排放和間接排放的全面反映。所以,本文還分析了資源的完全使用系數和污染物的完全排放系數,以全面識別各產業部門的資源環境效率。以完全排放系數為例,計算公式[16]如下：

L=P(I-A)-1

(3)

Pi=pi/xi

(4)

L為完全排放系數矩陣,P為直接排放系數矩陣,Pi是矩陣P中的元素,為i部門的直接排放系數,pi為i部門污染物的直接排放量,xi為i部門的總產出,(I-A)-1為列昂惕夫逆矩陣。

(5)

其中,fi為i部門的最終使用價值量,在北京市投入產出表中,最終使用包括消費,資本形成和出口。

資源的完全使用系數和完全使用量的計算方法同上。

本文進一步分析了部門之間資源使用和污染物排放的相互貢獻比例。以水資源為例。

設Wi是i部門的完全用水量,表征i部門生產單位產品使用的直接和間接的水資源的總量,是受到了網絡中所有部門影響的結果。由j部門的直接用水引起的i部門的完全用水量wij如公式所示：

wij=kj(I-A)-1fi

(6)

Pj為j部門的直接用水系數。

由部門j的直接用水量所引起的i部門的完全用水量占部門i總的完全用水量的貢獻比例sij如公式所示：

(7)

2 數據來源

本文基于2007年、2010年和2012年北京市投入產出表核算了水資源效率以及2005年、2007年和2010年工業廢水、SO2和工業固體廢棄物的環境效率。2005年、2007年、2010年和2012年北京市投入產出表在北京市統計信息網得到。農業的直接用水量來自于《北京市水資源公報》,采礦業、制造業、電力、熱力、燃氣和水的生產和供應業水資源數據來源于環保局調查,建筑業用水通過年竣工面積與單位建筑面積用水定額乘積得到[17]。服務業用水數據通過文獻調查獲得[18]。2005年、2007年和2010年工業廢水、SO2和工業固體廢棄物分部門的排放數據來源于環保局調查。為了便于分析,結合國民經濟行業分類以及現代服務業的統計分類,本文將投入產出表的42個部門合并為為8個行業,如表1所示。

表1 行業分類

3 結果與分析

3.1 水資源效率

圖1 2007—2012年水資源效率Fig.1 Water efficiency in 2007—2012 01：農林牧漁業,The agriculture, livestock, forestry, fishery；02：采礦業,Mining industry；03：制造業,Manufacturing industry；04：廢品廢料部門,The waste material industry；05：電力、熱力、燃氣及水生產和供應業,The production and supply of electricity, heat, gas and water；06：建筑業,Construction industry；07：傳統服務業,Traditional service industry；08：現代服務業, Modern service industry

北京市是我國缺水最為嚴重的大城市之一。為了了解各行業水資源利用情況,計算了2007年、2010年和2012年北京市8個行業水資源效率以及北京市2012年水資源的整體效率,具體情況如圖1所示。

由圖1可以看出,農林牧漁業的直接用水效率最低,且大大低于北京市水資源的整體效率(圖1中虛線所示)。從時間序列來看,制造業、廢品廢料部門和建筑業的水資源效率呈現波動趨勢,其他行業水資源效率呈逐年上升趨勢。圖1中顯示2007年廢品廢料部門水資源效率遠高于其他行業,本文認為主要是因為2007年廢品廢料部門處于結構調整年份(2005年之前廢品廢料部門對其他部門的中間使用為0,從2007年開始廢品廢料部門開始出現對其他部門的中間使用),造成水資源效率異常。

直接用水系數是指某行業單位產出的直接用水量,完全用水系數是指某行業部門增加單位產值直接和間接利用的水的量。為了進一步了解各行業水資源直接和間接用水情況,本文比較分析了2012年8個行業直接用水系數和完全用水系數,如表2所示。

由表2可以看出,制造業和現代服務業的完全用水系數最大的兩個部門,但其直接用水系數卻不是很高,尤其是現代服務業,屬于用水比較隱蔽的行業。為了進一步分析制造業和現代服務業完全用水量的來源,本文進一步分析了各行業之間完全用水量的相互貢獻比例,如3所示。從橫向看,第一行數據表示由農林牧漁業的直接用水所引起的其他行業的用水量占該行業完全用水量的比例,以此類推；從縱向看,第一列的數據表示由其他行業用水所導致的農林牧漁業的用水量的比例。從表3中可以看出,各行業的完全用水量中,農林牧漁業貢獻比例遠遠高于其他行業,這是由農林牧漁業的直接用水系數明顯高于其他行業導致的。現代服務業85.25%的完全用水量來自農林牧漁業,11.88%來自廢品廢料部門；制造業89.41%的完全用水量來自農林牧漁業,7.97%來自于廢品廢料部門。

表3 各行業之間完全用水量的貢獻比例/%

綜上,農林牧漁業是水資源效率最低并低于北京市總體水資源效率的行業,制造業和現代服務業是用水量較為隱蔽的行業,其完全用水量主要來源于農林牧漁業和廢品廢料部門的貢獻,所以,農林牧漁業和廢品廢料部門是提高水資源效率的關鍵行業。

3.2 廢水的環境效率

基于公式2,計算了北京市2005年、2007年和2010年24個工業部門廢水的環境效率。如圖2所示。虛線表示2010年北京市廢水整體的環境效率。

由圖2可以看出,從時間序列上看,與2005年相比,除非金屬礦采選業和服裝制品業外,各部門廢水的環境效率均呈上升趨勢。另外,2010年,低于北京市整體廢水環境效率的部門為：水的生產和供應業、化學工業、食品制造及煙草加工業、紡織業和造紙印刷及文教體育用品制造業。燃氣生產和供應業沒有收集到廢水排放數據,故該部門廢水的環境效率在圖2中沒有顯示,并非效率低。

直接排放系數是指某行業單位產出的直接排放的污染物的量,完全排放系數則是指某行業部門增加單位產值直接和間接排放的污染物的量。為了進一步了解各部門廢水排放情況,本文比較分析了2010年24個部門工業廢水、SO2和工業固體廢棄物的直接排放系數和完全排放系數,如表4所示。

從表4中可以看出,2010年,電力、熱力的生產和供應業,通信設備、計算機及其他電子設備制造業,交通運輸設備制造業,通用、專用設備制造業,電氣機械及器材制造業完全排放系數較高,而直接排放系數則比較低,屬于排放較為隱蔽的部門。為了分析各部門完全排放的來源,又對各部門之間完全排放量的相互貢獻比例進行了分析,如圖3所示。

表4 北京市2010年工業廢水、SO2、工業固體廢棄物的排放系數

部門編號與圖2相同; “—”表示沒有收集到數據

圖2 2005—2010年工業廢水環境效率 Fig.2 Environmental efficiency of wastewater in 2005—2010 of Beijing1：煤炭開采和洗選業,Coal mining and washing；2：石油和天然氣采選業,Oil and gas extraction industry；3：金屬礦采選業,Metal mining industry；4：非金屬礦采選業,Non-metallic mining industry；5：食品制造及煙草加工業,Food manufacturing and tobacco processing industry；6：紡織業,Textile industry；7：服裝皮革羽絨及其制品業,Clothing, leather, down and its products industry；8：木材加工及家具制造業,Wood processing and furniture manufacturing industry；9：造紙印刷及文教用品制造業,Paper making, printing and stationery industry；10：石油加工、煉焦及核燃料加工業,Petroleum processing, coking and nuclear fuel processing industry；11：化學工業,Chemical industry；12：非金屬礦物制品業,Non-metallic mineral products industry；13：金屬冶煉及壓延加工業,Metal smelting and rolling processing industry；14：金屬制品業,Metal products industry；15：通用、專用設備制造業,General and special equipment manufacturing industry；16：交通運輸設備制造業,Transportation equipment manufacturing industry；17：電氣、機械及器材制造業,Electrical, mechanical and equipment manufacturing industry；18：通信設備、計算機及其他電子設備制造業,Communications equipment, computers and other electronic equipment manufacturing；19：儀器儀表及文化辦公用機械制造業,Instrumentation and culture, office machinery manufacturing；20：其他制造業,Other manufacturing；21：廢品廢料,The waste material industry；22：電力、熱力的生產和供應業,The production and supply of electricity and heat；23：燃氣生產和供應業,Gas production and supply industry；24：水的生產和供應業,The production and supply of water

圖3 2010年產業部門之間對完全排放的貢獻比例Fig.3 Contribution ratio of total water use among industries部門編號與圖2相同

從圖3中可以看出,水的生產和供應業(24)對各部門廢水的完全排放量的貢獻都很大。對電力、熱力的生產和供應業(22)、通信設備、計算機及其他電子設備制造業(18)、交通運輸設備制造業(16)、通用、專用設備制造業(15)、電氣機械及器材制造業(17)的廢水的完全排放量貢獻最大的部門均是水的生產和供應業,貢獻比例分別為73.14%、58.19%、45.93%、60.53%、61.77%。

綜上,水的生產和供應業,化學工業,食品制造及煙草加工業,紡織業和造紙印刷及文教體育用品制造業廢水的環境效率低于北京市整體廢水的環境效率；同時電力、熱力的生產和供應業,通信設備、計算機及其他電子設備制造業,交通運輸設備制造業,通用、專用設備制造業,電氣機械及器材制造業是廢水排放較為隱蔽的部門；對上述排放較為隱蔽的部門的完全排放量貢獻最大的部門均是水的生產和供應業。所以,提高廢水環境效率的關鍵部門是水的生產和供應業、化學工業、食品制造及煙草加工業、紡織業和造紙印刷及文教體育用品制造業。

3.3 SO2的環境效率

基于公式2,計算了2005年、2007年、2010年北京市,24個工業部門以及北京市整體的SO2的環境效率,如圖4所示,虛線表示北京市2010年SO2的環境效率。

圖4 2005—2010年SO2的環境效率 Fig.4 Environmental efficiency of SO2 in 2005—2010 of Beijing

由圖4可以看出,從時間序列上看,與2005年相比,除石油加工、煉焦及核燃料加工業外,各部門SO2的環境效率均呈上升趨勢。另外,2010年,低于北京市整體SO2環境效率的部門為：石油加工、煉焦及核燃料加工業(10)、非金屬礦物制品業(12)、金屬冶煉及壓延加工業(13)、電力、熱力的生產和供應業(22)。燃氣生產和供應業(23)、水的生產和供應業(24)沒有收集到SO2排放數據,故該部門SO2的環境效率在圖4中沒有顯示,并非效率低。為了更好地分析各部門SO2的環境效率,本文進一步分析了各產業部門SO2的直接排放系數、完全排放系數以及各部門之間完全排放量的相互貢獻比例。如表4和圖5所示。

圖5 2010年產業部門之間對完全排放的相互貢獻比例Fig.5 Contribution ratio of total water use among industries部門編號與圖2相同

由表4可以看出,2010年,金屬制品業(14)、通用、專用設備制造業(15)、交通運輸設備制造業(16)、電氣機械及器材制造業(17)、通信設備、計算機及其他電子設備制造業(18)、工藝品及其他制造業(20)完全排放系數較高,而直接排放系數則比較低,屬于排放較為隱蔽的部門。由圖5可以看出,對上述SO2排放較為隱蔽的部門(14、15、16、17、18、20)的完全排放量貢獻最大的部門是金屬冶煉及壓延加工業(13),其貢獻比例分別為90.44%、88.81%、82.59%、99.09%、71.51%、90.63%。

綜上,石油加工、煉焦及核燃料加工業,非金屬礦物制品業,金屬冶煉及壓延加工業,電力、熱力的生產和供應業SO2的環境效率低于北京市整體SO2的環境效率；同時金屬制品業,通用、專用設備制造業,交通運輸設備制造業,電氣機械及器材制造業,通信設備、計算機及其他電子設備制造業,工藝品及其他制造業是廢水排放較為隱蔽的部門；對上述排放較為隱蔽的部門的完全排放量貢獻最大的部門均是金屬冶煉及壓延加工業。所以,提高SO2環境效率的關鍵部門是石油加工,煉焦及核燃料加工業,非金屬礦物制品業,金屬冶煉及壓延加工業,電力、熱力的生產和供應業。

3.4 工業固體廢棄物的環境效率

圖6 2005—2010年北京市工業固體廢棄物環境效率 Fig.6 Environmental efficiency of industrial solid waste in 2005—2010 of Beijing

本文對工業固體廢棄物的環境效率進行了比較分析,核算了2005—2010年北京市24個部門工業固體廢棄物的環境效率,如圖6所示。

由圖6可以看出,從時間序列上看,紡織服裝鞋帽皮革羽絨及其制品業、石油加工、煉焦及核燃料加工業、金屬冶煉及壓延加工業、通信設備、計算機及其他電子設備制造業、水的生產和供應業的工業固體廢棄物的環境效率呈現波動趨勢,其他部門工業固體廢棄物的環境效率均呈上升趨勢。另外,2010年,低于北京市整體工業固體廢棄物環境效率的部門為：煤炭開采和洗選業(1)、金屬礦采選業(3)、木材加工及家具制造業(8)、非金屬礦物制品業(12)、金屬冶煉及壓延加工業(13)、電力、熱力的生產和供應業(22)、水的生產和供應業(24)。石油和天然氣開采業(2)沒有收集到工業固體廢棄物的排放數據,故該部門SO2的環境效率在圖4中沒有顯示。為了更全面地分析各部門工業固體廢棄物的環境效率,本文進一步分析了各產業部門工業固體廢棄物的直接排放系數、完全排放系數以及各部門之間完全排放量的相互貢獻比例。如表4和圖7所示。

從表4可以看出,2010年,金屬制品業(14)、通用、專用設備制造業(15)、交通運輸設備制造業(16)、電氣機械及器材制造業(17)、通信設備、計算機及其他電子設備制造業(18)、工藝品及其他制造業(20)完全排放系數較高,而直接排放系數則比較低,屬于排放較為隱蔽的部門。由圖7可以看出,對上述工業固體廢棄物排放較為隱蔽的部門(14、15、16、17、18、20)的完全排放量貢獻最大的部門是金屬礦采選業(3),其貢獻比例分別為62.82%、59.68%、59.06%、66.44%、61.79%、58.20%,金屬冶煉及壓延加工業的貢獻比例次之,分別為35.85%、38.33%、36.84%、31.79%、31.96%、39.08%。

圖7 2010年產業部門之間對完全排放的貢獻比例Fig.7 Contribution ratio of total water use among industries

綜上,煤炭開采和洗選業,金屬礦采選業,木材加工及家具制造業,非金屬礦物制品業,金屬冶煉及壓延加工業,電力、熱力的生產和供應業,水的生產和供應業工業固體廢棄物的環境效率低于北京市整體工業固體廢棄物的環境效率；同時金屬制品業,通用、專用設備制造業,交通運輸設備制造業,電氣機械及器材制造業,通信設備、計算機及其他電子設備制造業,工藝品及其他制造業是廢水排放較為隱蔽的部門；對其完全排放量貢獻最大的部門均是金屬礦采選業和金屬冶煉及壓延加工業。所以,提高工業固體廢棄物環境效率的關鍵部門是煤炭開采和洗選業,金屬礦采選業,木材加工及家具制造業,非金屬礦物制品業,金屬冶煉及壓延加工業,電力、熱力的生產和供應業,水的生產和供應業。

4 結論

本文基于投入產出表核算了北京市產業部門的生態效率指標：水資源效率,廢水、SO2和工業固體廢棄物的環境效率,計算了各部門的完全用水系數和完全排放系數,并且對各產業部門之間的完全排放量的相互貢獻比例進行了比較分析,主要得到如下結論：

(1)從時間序列看,2007—2012年,北京市制造業和廢品廢料部門水資源效率波動較大,其他行業除建筑業外水資源效率均呈明顯上升趨勢；2005—2010年,除個別部門外,大多數工業部門廢水、SO2、工業固體廢棄物的環境效率呈波動上升趨勢。

(2)農林牧漁業是直接用水系數最大的行業,而制造業和現代服務業是完全用水系數最高的兩個行業,其完全用水量的貢獻主要來源于農林牧漁業和廢品廢料部門,所以農林牧漁業和廢品廢料部門是提高水資源效率的關鍵部門。

(3)水的生產和供應業,化學工業,食品制造及煙草加工業,紡織業和造紙印刷及文教體育用品制造業是廢水直接排放系數較高的部門,且水的生產和供應業是廢水排放較為隱蔽的部門如電力、熱力的生產和供應業完全排放量的主要來源,所以,水的生產和供應業,化學工業,食品制造及煙草加工業,紡織業和造紙印刷及文教體育用品制造業是提高廢水環境效率的關鍵部門。

(4)石油加工、煉焦及核燃料加工業,非金屬礦物制品業,金屬冶煉及壓延加工業,電力、熱力的生產和供應業的SO2直接排放系數較高,且金屬冶煉及壓延加工業對完全排放系數較高的部門的貢獻達90%以上,所以,石油加工、煉焦及核燃料加工業,非金屬礦物制品業,金屬冶煉及壓延加工業,電力、熱力的生產和供應業是提高SO2環境效率的關鍵部門。

(5)煤炭開采和洗選業,金屬礦采選業,木材加工及家具制造業,非金屬礦物制品業,金屬冶煉及壓延加工業,電力、熱力的生產和供應業,水的生產和供應業的工業固廢的直接排放系數較高,且金屬礦采選業和金屬冶煉及壓延加工業對排放隱蔽的部門的完全排放量貢獻很大,所以,煤炭開采和洗選業,金屬礦采選業,木材加工及家具制造業,非金屬礦物制品業,金屬冶煉及壓延加工業,電力、熱力的生產和供應業,水的生產和供應業是提高工業固體廢棄物環境效率的關鍵部門。

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