基于物質流和非期望產出模型的林業生產有效性研究

單永娟，張 穎

（1.北京林業大學 經濟管理學院，北京 100083；2.河北地質大學 管理科學與工程學院，石家莊 050000）

0 引言

面對資源約束趨緊、環境污染嚴重、生態系統退化的嚴峻形勢，我國政府自2007年提出建設生態文明，相繼出臺了一系列戰略決策，大力推進生態文明建設，到2017年提出加快生態文明體制改革，力爭從源頭上扭轉生態環境的惡化趨勢，形成尊重自然、順應自然、保護自然的生態文明體制，建設美麗中國。隨著頂層設計把經濟發展的可持續性提升到綠色發展高度，林業被賦予了應對氣候變化領域的基礎地位和生態文明建設中的重要作用。可以說，林業發展兼顧經濟生產和生態效益，在既要綠水青山又要金山銀山的發展目標下，必須關注林業生產過程的環境影響，提高林業生產的綜合技術效率。

本文基于生態文明建設下要建立清潔低碳、安全高效的經濟體系，來觀察林業發展過程中投入的資源能源規模，并結合含有污染排放的產出指標，對林業生產過程的綜合效率進行有效性評價，為研究林業發展的生態文明程度提供新視角。

1 資源消耗規模及其生產有效性測評方法

1.1 林業發展的資源消耗規模核算

經濟系統物質流賬戶（Economy-Wide Material Flow Accounting，EW-MFA）是SEEA（2012）中心框架推薦的實物量核算方法，其目的是以噸為單位對一個經濟體的物質投入和產出提供的一個總體概覽，包括來自環境的資源投入和對環境的廢棄產出以及進口和出口的實物量。物質流核算的依據是工業代謝理論，它關注穿越一國經濟系統與自然環境之間界限的物質流量[1]。自2001年，歐盟統計局編制和陸續出版了《經濟系統物質流賬戶及其衍生指標：方法指引》（以下簡稱EW-MFA方法），對經濟體物質流核算框架、數據整理進行了全面描述[2，3]。

近年來依據EW-MFA方法對國家和省市區域層面的物質流研究比較豐富了，但從某一產業視角進行物質流核算還比較少，如農業部門的物質流特征[4，5]，公路交通系統的物質流代謝特點[6]，還沒有針對林業部門的物質流研究。生態文明體制下，林業生產所消耗的資源能源規模（統稱物質流）及其生產效率是怎樣的？正是本文的興趣與探索內容。

1.1.1 林業經濟系統的物質流核算框架

林業生產過程即林業經濟系統，依據EW-MFA方法，將從國內環境中進入林業經濟系統的資源能源分為生物物質、能源物質、金屬和非金屬礦物質、耗散性使用物質、水和空氣。其中能源物質、礦物質和耗散物質是從自然環境經過社會經濟系統投入林業生產過程，在此合稱為經濟物質流。經過林業生產過程排放到環境中的廢棄物質有制材粉塵等，還有林業經濟系統與國外經濟體之間的物質交換，即林產品進出口等。如下頁圖1所示，物質流核算遵循質量守恒定律，即物質輸入量=物質輸出量+系統儲量的變化。由于篇幅有限，本文對體量較大的水和估算系數差異較大的隱藏流不予關注。

1.1.2 數據來源與核算方法

圖1林業經濟系統物質流核算框架

為探究長期林業生產的物質消耗規模，本文采集1985年、1990—2016年前后共計28年的數據。基礎數據來源于官方公布的各類統計年鑒如《中國統計年鑒》《中國林業統計年鑒》《中國能源統計年鑒》《中國鋼鐵統計年鑒》《中國農業統計年鑒》《FAO統計年鑒》《中國海關年鑒》等，部分參數來源于物質流分析的文獻資料，少部分缺失數據通過線性內插法進行推斷，保障數據、資料的可靠性。

（1）生物物質

EW-MFA方法將農林地視為自然環境，生物物質獲取定義為作物收獲點[3]。按此原理核算森林采伐消耗的立木蓄積作為生物物質。由于統計年鑒發布的采伐（去皮）原木是以萬m3為產量單位，首先進行重量換算，即針葉林和非針葉林去皮原木分別為15%含水率下0.55和0.68 t/scm[3]，再乘以系數1.1轉成帶皮原木重量[7]。然后再按照一定的采伐出材率r1=65%～75%，以原木產量反推出森林采伐所消耗的立木蓄積量。由于觀察期較長，在此按勻速遞增的采伐出材率進行反推。進出口木質產品中，鋸材換算取針葉林和闊葉林的平均系數為0.625t/scm；單板、刨花板、膠合板、纖維板（統一按中密度纖維板）的換算參考海關總署信息中心（2014）發布的折算系數，分別取750 kg/m3、650 kg/m3、650 kg/m3和650 kg/m3。

（2）能源物質

主要統計了年度消費的煤炭、焦炭、原油、燃料油、汽油、煤油、柴油、天然氣和電力。由于沒有具體的林業部門能源消耗，依據分行業能源消費比重法進行估算：第一，根據全國三產業增加值和相應的直接消耗系數，估算全國三產業總產值；第二，計算林業三產業分別占全國三產業總產值的相應比重；第三，運用林業產值比重分別分割各類能源的農林牧漁業能耗量、工業能耗量和第三產業（不含生活能源）等。以上九類能源消耗量均以萬噸標準煤計，其中天然氣和電力的轉換系數分別取8kg/m3（15℃下的標準立方米）、3.27萬t/億kwh[3]。

（3）金屬類和非金屬類礦物質

林業生產的營林機械、森工設備、建筑鋼筋等是金屬類耗材，但這些機械設備因品種繁多不易統一和折算，在此通過對全社會粗鋼消耗量按照林業系統占比法進行估算，然后再還原成鐵礦石的投入量。首先，將歷年粗鋼表觀消費量（指當年產量加上凈進口量）作為全社會鋼鐵消費量指標；然后，按照林業系統的年度固定資產投資額對全社會固定資產投資額的比重來分割粗鋼的表觀消耗量；最后，按照鋼鐵行業的平均鐵鋼比、礦鐵比系數[8]，測算出林業系統對鐵礦石的消耗量。

非金屬類礦物質體現在營林設施和道路施工中用到的現澆混凝土、平板玻璃、道路墊層和保護層等，還原為礦物質的表現是礫石、沙子、石灰石、白云石等。在此也通過比重分割法：首先計算年度林業系統施工面積占全社會施工總面積的比重。其次，根據全社會的水泥和平板玻璃的消費量，以及混凝土的配比系數、石灰石的消耗系數（單位混凝土中沙子礫石占比67%，水泥占比11%，水的占比16%，空氣占比6%，求得沙礫與水泥的比例關系為6.09，每生產一噸水泥需用1.19噸石灰石）[3]，得出這些非金屬礦物的總消耗量，再相乘林業系統所占比重即得。

（4）耗散性使用物質

以森林撫育、病蟲害防治過程中使用的農藥、化肥為主，由于相關年鑒沒有林業生產耗用的農藥化肥的具體數據，參照農業部門的單位面積施用量，根據森林病蟲害的防治面積估計出林業農藥的施用量（按照年度防治3次的方式），根據年度育苗面積和中幼林撫育面積估計出化肥的施用量。按照此方法估計的結果可能比林業系統的實際施用量要小。此外，據有關農業面源污染的研究結論[9]，即化肥農藥的平均利用率為30%左右，也即70%的農藥化肥將會逸散，在此計入廢氣排放。

（5）林業生產的廢氣排放

林業生產消耗的化石能源會排放出大量的溫室氣體與廢氣。各類能源固定燃燒的氣體排放量，參考《2006 IPCC國家溫室氣體排放清單指南》提出的方法Ⅰ及排放因子（見表1）、計算過程見式（1）。假定化石能源排放基于完全燃燒的CO2最大排放量，同時考慮了脫硫技術進步的時間性。

E為各類燃料的消費量，單位t；ρ為各類燃料固定燃燒的排放因子。

表1 化石燃料含碳氣體及污染氣體的排放因子 （單位：kg/t）

（6）林業生產的煙塵與粉塵排放

參照國家環保部發布的關于《未納入排污許可管理行業適用的排污系數、物料衡算方法（試行）》。

P煙塵為煙塵排放量（單位kg）；Q為煤炭消耗量（單位t）；ρ為排污系數，民用型煤取1～2kg/t煤，在此取1.5kg/t。

此外，制材生產過程會產生大量的工業粉塵，因采用生產工藝不同、生產規格不同，排污系數是有差異的。考慮到排量較大的鋸材加工業及末端治理措施的普遍方式，在此參考中型規格鋸材重力沉降法的排污系數，取0.039kg/m3。

考慮到廢棄林產品的可回收及未被回收時的可降解性，在此不關注固體廢棄物。

1.2 林業生產的有效性測評方法

1.2.1 測評模型的選用

傳統DEA模型的基本思想是以最小的投入來衡量盡可能多的產出，對輸出指標的設計屬于期望產出。而實際生產過程或多或少會產生壞的或非期望的副產品，顯然傳統的DEA模型需要改進，這種情況下出現了考慮非期望產出的Undesirable-Output模型，也是本文選用的模型。

生產可能集P定義為：

其中，m指投入種類，s指產出種類，s1指期望產出種類，s2指非期望產出種類，yg和yb分別表示期望產出和非期望產出。

Undesirable-Outputs模型表達為：

(L=1，U=1) 、(L=0，U=1)和(L=1，U=∞ ) 分 別對 應著可變規模報酬（VRS）、規模報酬遞增（DRS）和遞減（IRS）。

式（3）中s-∈Rm，sb∈Rs2表示多余的投入沒有被重復利用或產生了過多的非期望產出，sg∈Rs1表示期望產出的不足。

決策單元有效性的評價標準是：只有當ρ*=1，s-*=0，sg*=0，sb*=0時決策單元是有效的；如果ρ*＜1，就要改進，通過降低過多的輸入和減少過多的壞產出，或者擴大好的產出來實現。式（3）是在規模報酬不變（CRS）下的Undesirable-Output模型，考慮規模報酬可變時，只需要對權重系數進行限定就可以實現：

在生產集P中，設定L≤eλ≤U，其中e=(1，…，1)∈Rn，L≤1和U≥1分別是λ的上下限。

1.2.2 投入產出指標的設定

基于物質流核算結果，將森林采伐立木消耗量、經濟物質投入量、林產品進口量作為投入指標；將林業系統總產值、林產品出口量、林業生產廢氣排放和林業生產粉塵排放作為產出指標。

2 林業生產的物質消耗規模與有效性分析

2.1 林業生產的物質消耗規模分析

2.1.1 輸入端的物質規模分析

森林采伐和經濟物質投入都來自國內自然資源，都會對國內自然環境產生一定的影響。在林業經濟系統輸入端占絕對比重的當屬生物物質，即原木的收獲量。整個觀察期間，森林采伐所消耗的立木蓄積量呈現出總體遞減趨勢，盡管在2006—2015年有個小周期的波動，但在2016年出現大幅降低，減少了49.79%，減量達24901.38萬t。經濟物質投入序列呈現出波動性上升趨勢，并在2013年前后出現了比較異常的增長，但是到2016年出現了小幅降低，減少了4.24%，減量1603.7萬t。經濟物質投入構成中，礦物質和能源物質比重較大，其中2012年之前，礦物質占有絕對比重，但2012年之后，能源物質比重超過礦物質。總體來看，進口的林產品比重偏低，但在長期序列中表現出不斷遞增的態勢，從1985年1224.30萬t，增長到2016年12437.19萬t，年均增長7.77%，年均增量達361.71萬t。

按照EW-MFA方法的指標定義，將輸入端的全部物質合計稱為直接物質輸入（記為DMI）。整個觀察期間，除了2003年前后比較異常外（受同時期經濟物質投入影響），林業經濟系統的直接物質輸入規模在2016年之前呈現出先降后升的總體趨勢，2016年受森林采伐大幅減量的影響，突然出現大幅減少，減量達25516.20萬t，相比年均73341.04萬t的投入規模降低6.62%，相比2015年降低25.81%。此外，DMI總量構成中，國內獲取的立木資源最多，但其在DMI的比重卻呈現出不斷下降的趨勢，從1985年時占比93.73%，逐漸下降到2015年的50.16%，2016年更是降低到33.66%。相反，經濟物質投入的比重從最初不到10%，逐步上升到2015年的38.26%，2016年更是達到49.38%。

2.1.2 輸出端的廢棄物質分析

林業生產過程的廢棄物質主要來自生產耗能產生的廢氣排放、耗散性使用物質產生的逸散損失和制材工藝產生的粉塵排放。林業生產過程中的粉塵排放量較大，在整個觀察期間呈現總體上升趨勢，1995年前后曾出現異常增長，即使后來回落到2000年較低的排放，仍然達到24743.16萬t，而且在接下來的16年中幾乎呈現線性的增長趨勢，到2016年達到300929.46萬t。相比之下，廢氣排放量較小，在2013年之前呈現不斷增長的趨勢，但2013年之后表現得比較穩定，2016年為50352.90萬t。在廢氣排放總量中，占比重較大的是能源消耗產生的CO2量，平均每年的比重都在96.56%，其次是耗散性使用物質的逸散量和SO2的排放。盡管兩者的總體比重逐漸下降，但其排放規模呈現不斷增長的趨勢。

2.2 林業生產的有效性評價

基于物質流輸入輸出結果，采用Undesirable output模型（DEA的改進模型）測算含有污染排放的系統效率，其中對期望產出與非期望產出的權重設定為2：1，測算結果如表2所示。

表2 林業生產的綜合效率

測算結果顯示：林業生產在1994—1997年、2000年、2002年、2005—2008年、2016年，共11個年份綜合技術效率TE取值為1，意味著這些年份實現了生產的相對有效，同時技術效率和規模效率也達到最優；而在1985年、1990—1993年、1998年、1999年、2001年、2003年、2004年、2009—2015年，共17個年份中綜合技術效率TE取值小于1，綜合技術效率相對無效，期間在1985年、1990—1993年、1998年、2001年這7個年份的純技術效率有效，但因為同年的規模效率無效而影響到綜合效率的有效性。

觀察三個效率值的序列分布可以發現，在20世紀80年代中期到90年代初期，盡管綜合技術效率值較低，但其純技術效率保持著有效狀態。而進入21世紀初的前幾年，綜合效率經歷了波動，在2005—2008年保持了連續四年的有效狀態之后連續7年無效，于2016年再次實現綜合技術效率相對有效，同時實現純技術效率和規模效率的最優。

2.3 技術效率的松弛變量分析

綜合技術效率呈現無效的年份，必然出現了投入或產出的冗余或不足，如表3所示。

表3 林業生產的投入產出松弛變量

觀察表3所示的投入冗余序列發現，三個輸入指標的冗余時間基本上是同步的，但各指標冗余量的大小各有特點。在綜合技術效率無效的年份中，三個投入指標的冗余量是以森林過度采伐最為明顯，尤其在觀察期初，即1985年和90年代初期，那個時期我國林業生產是以“木材生產”為主，大量采伐不僅造成了過量投入和浪費，還導致木材加工過程粉塵的過度排放。近幾年，我國林業生產轉向生態建設，但森林采伐量相對來說依然呈現投入過量，或者利用率不高，這種現象在2016年出現突然的好轉。

林業生產過程中投入的其他物質如能源和礦物質，也在相對無效年份出現投入過量，尤其是2003年超量輸入13765.57萬t，這些物質雖然是為林業生產所需的設施設備類物質資源，但過量投入也意味著閑置或重復投資。

從林業生產的輸出端來看，林產品出口量序列除了2014年、2015年出現一些不足外，一直表現為有效狀態。與此相比，林產品進口序列的冗余量反映了對進口資源的利用方面可能存在浪費現象，或者由于國內外林產品供應總量的結構不合理，造成不同程度的低利用率。廢氣排放量在近幾年表現出過量排放，這個與過量的物質投入有關。物質投入越多不一定帶來越多的經濟產出，從林業生產總值的松弛序列顯示，由于林業生產效率處于無效狀態，資源配置不合理，純技術效率即使再高，也會因為無效的規模效益而出現產值較低的年份，如1985年、1990—1993年、1998年。除此也有因為純技術效率較低而無法達到有效生產導致資源的過度浪費，結果也是總產值的不足現象，如2009—2013年。

按年份為決策單元來分析我國林業生產的相對有效性，不僅是為了觀察生產有效的表現特點，而且是為了從相對無效的年份中找到原因，在考慮非期望產出的情況下，投入指標和壞產出指標的冗余分布提示我們，林業生產部門在肩負生態文明建設主力軍的重任下，在物質投入上更應該做到開源節流，不應使林業生產給自然環境帶來影響的同時還給國民財產造成巨大浪費。

3 結論

本文將輸入輸出林業生產過程的物質流，按照EW-MFA方法，進行物質流核算框架的設計與具體核算，發現：

（1）林業經濟系統的直接物質輸入（DMI）總規模在2016年之前呈現出先降后升的總體趨勢，年均投入規模可達73341.04萬t，但在2016年突然出現大幅減少，減量達25516.20萬t。DMI構成中國內獲取的林木資源不僅總量在不斷減少，其在DMI的比重也呈現不斷下降。而經濟物質投入不僅從總量上不斷上升，其在的DMI中的比重也逐步提高，2016年更是接近50%。

（2）從系統代謝角度看，一定程度上物質投入量與廢棄物質的產生量呈現正相關關系。整個觀察期間，林業生產過程排放的廢氣和粉塵都呈現總體上漲趨勢，尤其是粉塵排放量自2000年之后，幾乎出現線性增長，這是由我國不斷增長的木材產量導致的，制材工藝的末端排放是粉塵產生的直接原因。廢氣排放主要來自化石能源的燃燒和耗散物質的使用，其中占絕對比重的是CO2排放量，也是林業生產過程碳源的主要貢獻者。

（3）林業經濟系統物質流核算，只是從絕對數的角度體現了林業生產過程的物質吞吐量，在此基礎上，運用DEA改進模型對輸入輸出的物質規模進行效率測度，是對物質流核算的深入與補充，也是對林業生產有效性的全面衡量。通過測算含非期望產出的林業生產效率，結果顯示：我國林業生產的綜合技術效率在1994—1997年、2000年、2002年、2005—2008年、2016年，共11個年份取值為1，達到純技術效率和規模效率的同時有效。其中，純技術效率為有效的年份呈現出階段性，這可能體現了林業生產過程中技術進步的特點，但兩段純技術效率有效的間隔時間似乎還有點長。

（4）在林業生產的綜合技術效率表現無效的年份中，投入指標的冗余量是以森林采伐最為明顯，尤其在1985年和90年代初期，過度采伐嚴重。近幾年，雖然森林采伐冗余量有所降低，但依然呈現投入過量，或說利用率不高，而這種現象在2016年出現突然的好轉，直接原因就是物質投入的大幅減量。由于過量的物質投入，也帶來了過量的污染物排放，尤其是制材過程產生的粉塵排放。相比投入和污染排放的過多，林業系統總產值在很多無效年份表現出產出不足的現象，也就是說物質的過量投入并不一定會帶來總產值的增加。

林業作為生態文明建設的主力軍，既擔負著輸出林產品的經濟功能也承擔著應對氣候變化等生態服務，因此更應該做到開源節流、降低排放，實現可持續的綠色經營，但前提是建立科學的物質利用與評價體系，在實現物質減量化的基礎上保持和提升綜合技術效率，從而達到長期的高效的林業經濟系統代謝效率。