產業部門間間接能源流動及依賴關系演化特征

董志良,賈妍婧,安海崗

(河北地質大學城市地質與工程學院,石家莊 050031)

0 引言

20世紀最后20年,中國國內生產總值翻了兩番,但能源消耗僅翻了一番,平均能源消耗強度僅為0.5左右。然而自2002年進入新一輪高速增長周期以來,中國能源消耗強度持續上升,經濟發展開始受到能源瓶頸困擾[1]。中國能源問題已成為國民經濟發展的戰略性問題,同時也是應對全球氣候問題不可忽視的問題,這就需要降低能源消耗總量。從能源消耗類別角度進行分析為控制總能源消耗量提供了許多關鍵思想。能源消耗有兩種形式:直接消耗和間接消耗。直接能源消耗方式包括石油、煤炭、天然氣和礦產等產品消耗。間接消耗是指通過消耗經濟生產最終產品或中間產品來消耗資源[2]。隱含能源消耗不僅包括直接能源消耗因素,也包括間接能源消耗因素,可以從整個能源消耗過程角度來分析。學者們對其進行測算,并對貿易過程中隱含能源的流動進行了一系列研究[3-4]。但隨著勞動分工不斷細化,各部門之間出現強大經濟聯系,產品往往由多部門融合生產,消費環節逐漸多元化[5]。因此,有必要區分產品或行業直接能源消耗和間接能源消耗。學者們已經證明降低直接能源消耗對于控制能源總量具有至關重要的作用[6],此外,還需從產業部門之間間接能源消耗角度進行探討。分析產業部門之間間接能源流動則需計算產業部門間間接能源流動情況。現有能源消耗量計量方法主要分為基于消耗生命周期的計量方法和基于投入產出表的計量方法。前者基于產品整個生命周期數據測算,可操作性較低。投入產出分析是Leotief.W提出的一種經濟定量分析方法,在20世紀30年代被廣泛應用于能耗測量領域[7-8]。間接能源消耗是指在生產過程中通過中間產品投入所間接消耗的能源[9]。根據各部門中間產品投入和產出,即可得到產業部門之間間接能源流動量。而部門間間接能源供應和消耗形成一個復雜系統,這個復雜系統可以通過復雜網絡來理解。此外,與投入產出模型相結合的生態網絡分析方法研究逐步深入,常用于分析各主體之間交互控制和依賴關系[10-11]。

本文根據投入產出表估算 2002 年、2007 年、2012 年和 2017 年各產業部門之間間接能源流動量。以產業部門為節點,產業部門間間接能源流動為邊,間接能源流動量為權重,構建各年份產業部門間間接能源流網絡(IEFN)。確定間接能源流動網絡整體特征,流動過程中關鍵部門、社團結構、關鍵流動路徑以及產業部門之間的依賴關系。此外,本文進行了QAP(Quadratic Assignment Procedure)相關性分析,闡明了間接能源流動與部門依賴關系之間的相關性,為降低能源消耗總量提供參考。

1 數據與方法

1.1 數據來源與預處理

由于中國能源消耗強度自2002年以來持續上升,因此本文從2002年開始計算產業部門間間接能源消耗量。鑒于中國每5年發布一次基本I-O表,本文以2002年、2007年、2012年和2017年投入產出數據以及能源消耗總量數據作為研究基礎數據。數據分別來自《中國統計年鑒》和《中國能源統計年鑒》。由于二者行業分類不一致,為保證計算準確性,采用文獻[12]的方法將產業部門數量合并為30個。使其行業劃分情況一致,同時使計算準確性得到保證,歸并后產業部門分類如表1所示。

表1 產業部門分類

1.2 研究方法

1.2.1 間接能源流動量計算

完全消耗系數B是全部直接消耗系數A和全部間接消耗系數C之和,通過式(1)計算得出間接消耗系數矩陣C,cij表示部門j生產經營一單位產品所間接耗部門i產品或服務的數量[13]。

C=B-A

(1)

本文選取各產業部門能源消耗總量和間接消耗系數計算各產業部門間間接能源消耗量。能源消耗總量是一定時期內全國物質生產部門、非物質生產部門消耗各種能源的總和,分為終端能源消耗量、能源加工轉換損失量和能源損失量三部分,包含直接能源消耗以及間接能源消耗。間接消耗系數反應了國民經濟各部門之間間接技術經濟聯系。因此,運用式(2)計算間接能源流動量具有一定合理性。

(2)

其中,di為部門i的能源消耗總量,cij代表部門j間接消耗部門i的能源總量。

1.2.2 復雜網絡構建

本文以各產業部門為節點,產業部門間間接能源流動關系為邊,部門i流向部門j的間接能源流動量eij為邊權重。構建2002年,2007年,2012年以及2017年IEFN,并分別定義為IEFN-1、IEFN-2、IEFN-3和IEFN-4。因2002年投入產出表中統計廢品廢料部門數據均為1,則2002年節點個數為29。其余各網絡均包含30個節點。一方面考慮到間接能源流動量之間的量級差,另一方面本文的探究目的是識別間接能源消耗過程中的關鍵部門及關鍵關系。我們以較小量級100為閾值點剔除間接能源流動量較小的邊,最終各網絡分別包含306、539、572和562條邊。

1.2.3 拓撲指標選取

1)點強度。點強度D(i)代表流入和流出部門i的間接能源總量,因IEFN為有向網絡,則點強度分為出強度Dout(i)和入強度Din(i),分別表示從部門i流出的間接能源量和流入部門i的間接能源量。

D(i)=Dout(i)+Din(i)

(3)

2)中介中心度。網絡中點中介中心度表示節點對資源的控制程度,它可以測量該點在多大程度上控制其他節點交往。即部門i在能源從部門j流動到部門k的過程中承擔的中介作用程度。

(4)

其中,i,j,k表示部門,gjk為部門j和k之間所存在的捷徑數目,gjk(i)為部門j和k之間的最短路徑數目。Bi為點i的中介中心度,取值范圍為[0,1]。

3)模塊度。模塊化可使網絡中節點以特定方式形成聚類,劃分為不同社團,社團內部各產業部門聯系較為緊密,社團間連接較為疏松。本文選用Blondel等[14]提出的模塊度最大化方法進行社團檢測,模塊度計算如式(5)所示。

(5)

1.2.4 依賴度測算

以圖1所示的3個產業部門間接能源生態網絡模型為例:fij為部門j到部門i的間接能源流動量(104tce),zk和yk分別為部門k與外部部門間的輸入和輸出量。

圖1 3個產業部門間接能源生態網絡模型

流入和流出部門i總輸入或總輸出量分別如式(6)和式(7)所示。

(6)

(7)

當系統處于穩定狀態時,流入部門i間接能源總量與流出量相等,即:

(8)

基于“生態網絡”理念的控制分析起源于Patten等[16]研究者的進一步發展,控制分析可識別某一部門對其他部門間接能源流動的控制作用。本文引入其中依賴度矩陣CN=(cnij)來表示成對產業部門間的依賴程度及控制程度。

(9)

(10)

(11)

(12)

1.2.5 QAP相關分析

為保證研究結果的有效性,有必要驗證部門間依賴關系與部門間能源流動間接影響之間的相關性。QAP相關性分析,可用于研究兩個“關系”矩陣是否相關。部門間依賴關系和部門間能源流動關系可以用矩陣來表示,所以用QAP分析進行驗證。

(13)

2 結果與討論

2.1 IEFN中關鍵產業部門識別

2.1.1 產業部門點強度分析

如表2所示,在間接能源流動網絡演變過程中,2002年間接能源總流量最低,2012年最高。加權入度和加權出度排名前十的產業部門分布分別如圖2和圖3所示。

甲狀腺癌分為分化型癌與未分化型癌，乳頭狀癌、髓樣癌與濾泡癌均屬于分化型癌。本結果顯示，不同病理分型的甲狀腺癌VI值無明顯差異，同時腫瘤直徑也對VI值無明顯影響，但隨著甲狀腺癌TNM分期的增加，VI值增加，提示VI值大小與腫瘤的惡性程度呈正相關。腫瘤新生血管的管壁薄、結構不完整，所以腫瘤細胞很容易穿透血管壁向遠處轉移[11]。本結果顯示，伴有淋巴結轉移的VI值明顯大于無淋巴結轉移。而有研究表示，甲狀腺乳頭狀癌的淋巴結轉移率與淋巴結轉移數目是術后遠處轉移的預測指標，提示VI值越大發生遠處轉移的風險越高[12]。

圖2 各網絡中加權入度排名前十的產業部門

圖3 各網絡中加權出度排名前十的產業部門

表2 各年份間接能源流動基本情況

入強度方面,排名前十的產業部門在各年份分別占間接能源流動總量的50%左右。前十的產業部門變化不大,且排名前七的各產業部門間接能源消耗相差不大。金屬制品業和電氣機械及器材制造業一直都位列前3,為主要間接能源消耗者。這是因為金屬制品業和電氣機械及器材制造業往往需要復雜工藝流程,導致產品生產過程中發生多重間接能源消耗。

出強度方面,排名前五的產業部門作為能源產出關鍵部門,向其他部門分別間接提供了81.97%、86.58%、84.15%和84.53%的能源。化學工業、金屬冶煉及壓延加工業為重要間接能源提供者,說明它們在產業鏈上處于上游,是產品生產過程中的能源供給者,在中下游環節生產過程中其攜帶能源被間接消耗。對比入強度與出強度數據可以發現,產業部門間的間接能源供給比間接能源消耗更加集中。因此需要更多地關注能源供應部門,并從供應端減少無效或低效能源供應。

2.1.2 產業部門媒介作用分析

IEFN中存在點強度較低,但因為連接著許多關鍵部門而變得重要的產業部門,即具有高度中介中心度的產業部門,這些部門能夠控制部門之間間接能源流動。表3展示了各網絡中中介中心度排名前五的部門。可以看出排名前五的產業部門變化不大,但每個部門中介作用強度是動態變化的。相對來講,石油加工及煉焦業和金屬冶煉及壓延加工業是具有重要媒介作用的部門。

表3 中介中心度(Top5)

2.2 IEFN社團結構分析

分別對IEFN 4組網絡進行社團劃分,選取模塊度最大的社團化結果,圖4展示了各部門之間間接能源流動情況(圖中節點大小表示加權出度,節點越大,加權出度越大;節點顏色為模塊化結果,橙色、藍色和綠色各代表一個社團。線條粗細表示能量流動權重;線條越粗,間接能源流動量越大)。前三年均劃分為以化學工業和金屬冶煉及壓延加工業為間接能源供應中心的社團Ⅰ和社團Ⅱ,社團Ⅰ包含部門數目遠大于社團Ⅱ。隨著能耗“雙控”行動的發展,化石能源消耗成為重點控制對象,從而導致IEFN-4社團格局發生明顯變化,一部分產業部門劃分成為了以其他服務業為核心的社團Ⅲ。與IEFN-3相比,IEFN-3社團Ⅱ中造紙印刷及文教體育用品制造業和建筑業劃分到新社團Ⅲ;社團Ⅰ中農林牧漁業,石油和天然氣開采業,食品制造及煙草加工業等7個產業部門劃分到新社團Ⅲ,使社團Ⅲ包含社會生活各方面。其他服務業作為該社團的核心,表明服務業已經涉及到社會生活各方面,成為間接能源消耗的主要來源。

圖4 各時期間接能源流動網絡

2.3 IEFN關鍵間接能源流動路徑分析

各網絡中前1.31%,1.22%,1.15%和1.16%的邊分別攜帶了9.36%,15.91%,14.55%和11.08%的間接能源流動量,以這些邊分別作為起始邊識別間接能源流動路徑。起始邊投入部門為起始節點,以起始邊中目標節點作為第二個投入部門,繼續捕獲與第二個投入部門具有最大邊權關系的產業部門。重復此過程直到最后一個部門返回到路徑中已存在部門為止,從而識別出各年份關鍵路徑,如表4所示。

表4 關鍵路徑

可以看出,各年份關鍵路徑產業部門組成及流向變化相對較小,大多數路徑均以金屬冶煉及壓延加工業為起始節點,以制造業為目標節點。制造業是中國國民經濟支柱產業和經濟增長主導產業,是間接能源消耗的主要產業門類。而在各種產品生產過程中,金屬材料是不可缺少的基礎材料。這使得間接能源消耗關鍵路徑呈現出從金屬冶煉及壓延加工業出發,以制造業為目標節點的特點。其中,一直以來承載最多間接能源流動量的路徑為2002-1。研究期內關鍵路徑變化并不強烈,其中2007-2,2017-1這兩條間接能源流動路徑較為穩定,路徑核心無顯著變化,均表現出基于產業鏈上下游環節流動。

2.4 IEFN中產業部門間的依賴關系分析

圖5展示了產業部門間的依賴關系,顏色越深依賴度越高。各網絡部門間依賴關系均值分別為:0.324、0.341、0.326和0.386。部門間依賴度大于均值時有明顯依賴關系,且越接近于1依賴關系越強烈。

圖5 產業部門間依賴關系

整體來看IEFN-4中部門間依賴控制關系明顯。這是因為產業部門形式越來越多樣化,產業部門之間存在必然內在聯系,使不同產業部門相互制約、相互促進。較強依賴關系體現在產業鏈上下游環節之間,如紡織業對化學工業的依賴,金屬制品業對金屬礦采選業和金屬冶煉及壓延加工業的依賴。部門間的依賴關系強表明間接能源在該組合中具有從被依賴部門流向依賴部門的流向穩定,依賴關系弱表示在該組合中間接能源流動關系受其他部門影響,流向不明確。

2.5 QAP相關分析

關鍵路徑及依賴關系均表現出產業鏈上下游產業間的密切關聯。本文采用QAP相關分析對依賴矩陣與間接能源流動量矩陣之間的相關關系進行檢驗。如表5所示,2002年部門間依賴關系與間接能源流動量之間呈現負相關關系,在0.05水平上顯著。2007年、2012年和2017年部門間依賴關系與間接能源流動量均呈正相關關系,并且顯著性明顯。2012年相關系數有所降低,2012年中國產業結構發生顯著變化,第三產業規模再次超過第二產業,使產業部門間依賴關系及間接能源流動發生相應變化。但兩矩陣之間的相關性整體上呈增長趨勢,產業部門間間能源流動關系和產業間依賴關系相似性變強。表明中國產業結構調整成效顯著,商品生產及服務產業鏈逐漸完善。但二者相似程度并不高,仍需進一步優化產業結構。

表5 依賴關系與間接能源流動量QAP相關分析結果

3 結論

本文基于復雜網絡與依賴度矩陣探究中國產業部門間間接能耗情況及相互依賴性,得出結論:1)各年間接能源供給與消耗對比表明,產業部門之間的間接能源供給較間接能源消耗更為集中。因此要更加關注能源供應核心產業部門,從源頭上減少低效或無效供應。此外,間接能源供給核心部門正逐漸從化工行業向服務業轉移。要繼續減少化工行業能源供應,優化服務業能源供應,降低能源消耗。2)不同產業部門在間接能源消耗過程中扮演著不同角色。化學工業和金屬冶煉及壓延加工業是主要間接能源供應部門;石油加工、煉焦業、金屬冶煉及壓延加工業起到中介作用;金屬制品業和電氣機械及器材制造業是主要間接能源消耗者。因此,需要針對不同角色制定相應策略。如從能源供給端進行改革,減少化工行業無效供給,形成供需平衡的能源供給機制。提高產品生產過程中不可缺少的金屬材料和各種燃料利用效率。優化電機設備制造工藝流程,減少非必要能源消耗。3)關鍵路徑識別結果表明,承載間接能源流動量較高且較為穩定的流動路徑均為基于產業鏈生產情況的流動路徑。同樣地,依賴度分析結果表明產業部門間更為明確的依賴關系體現在產業鏈上下游環節之間。因此降低能源消耗需從產業部門全局出發,依據產業部門間上下游關系,制定跨部門協同政策,促進產業部門協同降低能源消耗。依賴關系與間接能源流動關系相關性整體上呈增長趨勢,二者之間相似性變強。表明中國產業結構調整成效顯著,商品生產及服務產業鏈逐漸完善。但二者相似度并不高,因此仍需進一步優化產業結構,提高國內產業鏈完整性,降低能源消耗總量。