负投入法在循环经济规划中的应用

徐一剑,张天柱 (清华大学环境科学与工程系,北京 100084)

随着资源环境问题日益凸显,加快进行循环经济建设的要求在我国越来越为迫切.而诸多资源、环境问题的症结是经济系统的物质代谢出现了问题.物质代谢过程中所产生的资源(包括能源)流、产品流、废物流统称为物质流.在对未来的循环经济建设进行规划时,其核心与关键是对经济系统的物质代谢过程及其伴随的物质流进行调控.通过这种调控分析,为减小经济系统对其外部的资源、环境压力提供信息支持.

对于经济系统物质代谢的分析研究,国际上已基本形成了从整体上描述经济系统与其外部环境的物质流输入输出的核算框架(EWMFA)[1-4].但这一核算框架是黑箱模型,无法进一步分析经济系统内部的物质代谢依存关系.为克服这一缺陷,国际上有少数国家,如德国、丹麦和奥地利等开始了国家层面物质投入产出表(PIOT)的编制研究[5-12].但这方面的研究目前仍处于起步阶段,且在 PIOT的设计编制及核算应用上尚未形成一致的方法学.作者曾开发了基于三维PIOT的物质流分析模型[13],并在义马市得到了较好的应用[14].但是,与国际上已有的模型类似,这一模型仍主要侧重于核算与评价功能.如果要对未来的循环经济发展进行规划,即对经济系统的物质代谢过程进行调控分析,则需在此基础上进一步开发相应的物质代谢调控模型.

与国际上已有的PIOT不同的是,作者开发的物质流分析模型是以混合单位而不是以单一的质量单位来对产品进行计量的.这一设计有利于完整地记录经济系统所有的物质流,但同时也给开发调控模型带来了一定的困难.主要问题在于实际的经济系统中,可能存在着同一部门的产品(或可区分为主、副产品)计量单位不同的情况.这是在国际上已有的PIOT编制和传统的价值型投入产出表编制中未曾出现的问题.尤其是在循环经济规划中,废弃物的循环利用是一个必须加以关注的重要内容.被循环利用的废弃物同样也是一种关联着不同部门的重要物质流,它可被看作是一种产品,或看作是一种副产品.当同一行业的产品计量单位不一致时,行平衡关系就不复存在,也就无法建立基于投入产出行模型[15]的物质代谢调控模型,因此需要进行特殊处理之后才能建立调控模型,从而为循环经济规划服务.本研究即尝试利用“负投入法”对这一问题加以解决.

1 研究方法

1.1 负投入法的理论探讨

负投入法也称“斯通法”,是处理投入产出分析中副产品问题的主要方法之一,一般在价值型投入产出表中使用.该方法以负投入的形式来反映副产品的产出,因而能够在主产品列中准确地反映主产品和副产品之间的技术关系.但也存在着如下的2个缺点:一是主产品产量的增加会引起副产品供应量的增加,但对副产品需求的增加却不会调整主产品的供应量.二是主、副产品部门的产值中都没有包括副产品的价值[16-17].

虽然负投入法一般在价值型投入产出表中使用,但是在以实物量计量的PIOT中,也完全可以用这一思路和方法来解决同一部门产品计量单位不同的问题.由于将主、副产品分在不同的2个部门,因而就可以用不同的计量单位分别计量各自的产品,投入产出表中的行平衡关系就依然能够得到维持,上述的问题也就得到解决.

在循环经济规划中,负投入法所涉及的一般是有关废弃物循环利用的问题.在这种情况下,相关的副产品一般是进行循环利用的废弃物,与传统概念中的副产品略微有所不同.在一定的技术水平下,废弃物的产生量与主产品的产量有关,但只有被循环利用的那部分废弃物才是真正意义上的副产品,而其他未被循环利用的废弃物仍然以废弃物的形式向自然界排放.需要着重指出的是,对废弃物的循环利用,其根本目的在于减少向自然界排放废弃物的数量,而不在于产生更多的废弃物来满足其他部门生产的需求.所以,对于废弃物这种相对特殊的副产品,其需求的增加并不必然要求调整主产品的供应量.因此,对于前述的第1个缺点,一般是可以克服的.

在 PIOT中,所有的产品都以实物量单位进行计量,并不涉及价值量,所以也就没有所谓主、副产品部门的产值中是否包括副产品价值的问题.所以,对于第2个缺点,也是可以避免的.因此,用负投入法来解决同一部门产品计量单位不同的问题,在理论上是可行的.

1.2 负投入法的应用基础

另外需要说明的是,负投入法中的“负投入”不同于灰色投入产出理论中的“负投入”[18],不一定是对经济系统起负面推动作用的一类投入.相反地,还往往对经济系统起着正面的推动作用.负投入法的应用基础应用负投入法的基础是调控表,这是一种整合了三维 PIOT的总表和附表[13]中有用信息的表.总表和附表的结构分别如表 1和表2所示,并假设经济系统共有n个部门,m种类型的物质.总表以质量单位计量.2张附表为特殊物质附表(以非质量单位计量,如电、热、运输等)和水附表(以质量单位计量).

构造调控表的过程如下:首先将总表改造成类似附表的结构形式.总产出也进行相应的调整,即由原来的总产出减去废弃物,并扣除各行业的存量变化中非产品的机器设备(避免机器设备所引起的非线性问题),从而得到新的总产出.并且,在调控表中,“总产出”被称为“总产品”.然后,对于用非质量单位计量的行业,将总表中这些行业所在行的信息,全部用特殊物质附表中对应行的信息加以替换.最后,对于供水行业,将总表中供水行业所在行的信息,全部用水附表中对应行的信息加以替换.由此得到一张新的 n个部门的投入产出表,即“调控表”,如表3所示.

表1 PIOT总表(k=0)及分表 (k=1,…,m)结构Table 1 Structure of main table and sub-tables of 3D-PIOT

表2 PIOT附表结构(k=m+1, m+2)Table 2 Structure of supplementary tables of 3D-PIOT

表3 调控表的结构Table 3 Structure of planning table of 3D-PIOT

调控表中存在着如式(1)所示的行平衡关系.行平衡关系是应用投入产出行模型,进而构建物质代谢调控模型的重要基础.

式中:Zi,j为第i个部门提供给第j个部门的中间流量; ei为第i个部门调往外地的量;为第i个部门的与产品相关的存量变化量; xi为第i个部门的总产品.

1.3 负投入法在PIOT中的应用方法

以最典型的电力行业为例进行说明,其他行业(如热力、蒸汽的循环利用等)可参照进行类似的处理.为不失一般性,假设电力为第i个部门.如果同时有多个行业存在副产品问题,则可按此方法逐一处理.

在电力行业中,电是电力行业的主产品,用能量单位计量,而循环利用的粉煤灰则是电力行业的副产品,用质量单位计量.因此,把电力行业拆分为电力行业和粉煤灰行业2个行业.电力行业即原来的主产品电力的供应行业,粉煤灰行业则是提供作为循环利用的粉煤灰(即副产品)的行业.电力行业仍为第i个部门,将新增的粉煤灰行业列为第n+1个部门.相应地,调控表由如表3所示的结构转化为如表4所示的结构.

在拆分后的调控表中,从纵向上来看,粉煤灰是电力行业的一种“负投入”,但实际上电力行业是粉煤灰的来源.从横向上来看,计作“负投入”的粉煤灰则是对其他行业的中间投入以及最终需求的来源.各行业对粉煤灰总的需求量(也即被循环利用的粉煤灰量)可以按式(2)计算得到.这一总需求量与电力行业粉煤灰的产生量有一定关系,也即与电力行业的生产规模、原料质量及技术水平等因素有关.一般地,总需求量不宜超过电力行业粉煤灰的产生量.

式中:D为各行业对粉煤灰的总需求量;Zn+1,j为第n+1个部门提供给第j个部门的中间流量;en+1为第n+1个部门调往外地的量为第n+1个部门与产品相关的存量变化量.

表4 负投入法的调控表结构之一Table 4 Structure I of planning table in negative input method

粉煤灰行业(即新增的“负投入”部门)的投入与产出之间存在着如下的规律:其他行业对粉煤灰行业的投入全部为零;粉煤灰行业产出的数据,除对电力行业的投入存在着如式(2)所示的关系之外,其余均为原总表中电力行业所在行的数据.粉煤灰行业的总产品在数值上为零.具体如表5所示.虽然新增了粉煤灰行业,但并未破坏调控表的行平衡关系,行平衡关系依然存在.

表5 负投入法的调控表结构之二Table 5 Structure II of planning table in negative input method

式中：Zn+1,i为第n+1个部门提供给第i个部门的中间流量(负投入);Zi,j,0为第 i个部门提供给第j个部门的中间流量;ei,0为第i个部门调往外地的量;为第i个部门与产品相关的存量变化量.

在应用调控模型对未来的物质代谢状况进行规划时,其核心是在规划方案所提供的条件下,应用投入产出分析的行模型[15][(式(4)]进行计算,由原调控表计算得到新调控表.当电力行业的生产规模扩大或缩小时,由于投入产出模型的线性关联关系,作为“负投入”的粉煤灰也会相应地按比例发生变化.但是,并不能保证这一变化与其他行业对粉煤灰需求量的变化必然一致,并且在多数情况下两者并不一致.这时,粉煤灰行业所在的这一行就不能满足行平衡关系,需要另行处理.

式中: x为生产规模列向量; I为单位矩阵; A为直接消耗系数矩阵; y为最终需求列向量.

具体的处理方法是:首先,根据行模型的计算结果,并结合式(2)计算确定对粉煤灰的总需求量.然后,以这一总需求量的相反数作为粉煤灰行业对电力行业的“负投入”填入新调控表中的相应位置,使得粉煤灰行业的总产品为零,以保持其行平衡关系.如果对粉煤灰的总需求量小于电力行业的粉煤灰产生量,则电力行业粉煤灰的供应量可以满足需求,并且产生量与总需求量的差值即为电力行业所排放(或贮存)的粉煤灰量,继续进行后续的计算即可.如果对粉煤灰的需求超过了电力行业的粉煤灰产生量,就产生了一个缺口,要填补这个缺口就需要动用往年的粉煤灰贮存量,或从外地调入粉煤灰来满足需求.又或者重新调整其他行业对粉煤灰的需求量,使得需求量小于电力行业粉煤灰的产生量.在解决这一缺口问题之后,后续计算就可顺利进行.

在应用负投入法计算得到新的调控表后,按照一定的规则可以进一步得到新的三维PIOT,用以描述在规划方案下经济系统的物质代谢状况.由此,就可以应用文献[13]中所提出的评价方法与指标体系对这一新的物质代谢状况进行评价,以检验规划方案的可行性与合理性.

2 案例应用

以河南省义马市为例,对负投入法在循环经济规划中的实际应用加以说明.根据数据的可得性,以2002年为规划基准年,为义马市编制了14部门的三维 PIOT,命名为 YMPIOT2002[19].在此基础之上,进行物质代谢调控分析.调控分析的关键一环是由原调控表形成新调控表,因此主要介绍如何应用负投入法计算得到新调控表,对于如何进行调控分析仅作少量必要的说明.

2.1 调控表的构建

调控表的构建基于YMPIOT2002的总表与附表[19].首先,将总表与附表的信息按前述规则进行叠加.总表与附表中电力行业的数据有冲突,暂时先用附表的数据覆盖总表的数据,从而得到一张新的14部门的投入产出表(即调控表),如表6所示.

然后,用负投入法对电力行业的粉煤灰进行处理.从基准年 2002年的状况来看,电力行业共产生粉煤灰20.9万t,循环利用的粉煤灰为7.1万t,循环利用率为34.0%.其中2万t作为对建筑业的投入,5.1万t调往外地(属于最终需求).按前述的方法,从总表中选取有关粉煤灰循环利用的数据,对表6所示的调控表进行改造,以满足调控分析的需要.加入粉煤灰行业后的调控表为15部门的投入产出表,如表7所示.

表6 未加入粉煤灰行业的调控表Table 6 The planning table of YMPIOT 2002 before using negative input method

2.2 在情景分析中的应用

在义马市循环经济规划的编制过程中,设计了几个渐进的情景,对义马市未来的物质代谢状况进行规划.情景的设计采用“逐步寻优”的方法,每个情景都是在前一情景的基础上不断地加以改进.限于篇幅,本文仅以情景一(即初始情景)为例,对负投入法在情景分析中的具体应用加以说明.其余情景均参照此进行.

情景一的设计原则是:根据义马到2015年GDP比2002年翻三番的经济目标,结合市场前景、当地资源特点、现有及未来的技术水平,假设不增加新的行业,但现有产业全部达到所希望的最大生产规模,同时生产技术水平、废弃物综合利用水平基本维持现状.根据这一原则,设定各行业的发展规模、最终需求、技术水平等参数的取值.其中,电力行业得到极大的发展,发电量由原来的每年 5.8亿 kWh扩大到每年160亿kWh.

基于以上的情景设计,首先以表7为基础,用式(4)所示的投入产出分析行模型进行计算,得到情景一的新调控表的初步结果.然后,对粉煤灰的实际需求量进行核定.根据行模型计算结果,粉煤灰行业对电力行业的负投入是-194.6万t,这是由于电力行业规模急剧扩张,根据原有的投入产出比例关系,“负投入”的粉煤灰量也急剧增加.而由式(1)计算得到其他部门对粉煤灰的实际需求量总和是8.0万t.这表明实际的需求量远达不到194.6万t规模,原有的粉煤灰行业对电力行业的投入产出比例关系已经不能反映新的实际情况.因此,在新的调控表中,粉煤灰行业对电力行业的“负投入”量应为实际总需求量的相反数,即-8.0万t.新调控表的最终结果如表8所示.

表7 加入粉煤灰行业后的调控表Table 7 The planning table of YMPIOT2002 after using negative input method

在得到新的调控表后,可在此基础上生成新的三维 PIOT,计算出物质代谢过程中各种物质流的流量与流向,其中包括各种资源的消耗量和污染物的排放量等.由此,可对情景一中经济系统的物质代谢状况进行分析评价.结果表明,由于产业规模扩张过大,导致物质代谢的规模过大,尤其是用水量、 废弃物排放量都远远超出当地生态环境的承载能力,将给当地的生态环境带来巨大的压力.例如,电力行业粉煤灰的产生量达到469.6万t,而循环利用率仅为1.7%.这意味着将有461.6万t粉煤灰向环境排放,为基准年排放量的 37.8倍.这充分说明情景一所对应的规划方案不可取,需要用后续方案针对在情景一中暴露出来的问题逐步加以改进,直至达到最优或相对最优的规划方案.

表8 情景一中的新调控表Table 8 The new planning table in scenario 1

3 结论

3.1 用负投入法解决了 PIOT中同一行业的产品计量单位不一致的问题,对于构建物质代谢调控模型具有重要意义.在PIOT中,负投入法仍能够准确地反映主产品和副产品之间的技术关系.而负投入法在价值型投入产出表中的2个缺点,在PIOT的应用中都是可以克服的.

3.2 在PIOT中应用负投入法的基础是调控表.调控表是一种按照一定规则构建,整合了三维PIOT的总表和附表中有用信息的表.在具体应用中,要处理好由投入产出分析行模型计算所得的“负投入”量与实际的总需求量之间的关系,以及副产品的需求量与供应量之间的关系.

3.3 以义马市循环经济规划为例,对负投入法的应用加以说明.负投入法在物质代谢调控分析中起到了重要作用,为义马市的循环经济规划提供了决策支持.案例分析表明了负投入法在循环经济规划中的可行性与实用性.

[1] Eurostat. Economy-wide material flow accounts and derived indicators: a methodological guide [Z]. Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities, 2001.

[2] Matthews E, Bringezu S, Fischer-Kowalski M, et al. The weight of nations: Material outflows from industrial economies [R]. Washington: World Resources Institute, 2000.

[3] Fischer-Kowalski M. Society's metabolism: The intellectual history of materials flow analysis. Part I, 1860-1970 [J]. Journal of Industrial Ecology, 1998, 2(1):61-78.

[4] Fischer-Kowalski M, Hüttler W. Society's metabolism: The intellectual history of materials flow analysis. Part II, 1970-1998 [J]. Journal of Industrial Ecology, 1998,2(4):107-136.

[5] Stahmer C, Kuhn M, Braun N. Physische input–output tabellen (PIOT) 1990 [R]. Wiesbaden: Statistisches Bundesamt, 1997.

[6] Pedersen O G. Physical input–output tables for Denmark: Products and materials 1990, Air emissions 1990–92 [R]. Kopenhagen: Statistics Denmark, 1999.

[7] Dietzenbacher E. Waste treatment in physical input–output analysis [J]. Ecological Economics, 2005,55(1):11-23.

[8] Statistisches Bundesamt. A physical input–output table for Germany 1995 [R]. Wiesbaden: Statistisches Bundesamt, 2001.

[9] Mäenpää I. Physical input-output tables of Finland 1995-solutions to some basic methodological problems [R]. Montreal: 14th International conference on input-output techniques, 2002.

[10] Mäenpää I, Muukkonen J. Physical input-output tables in Finland: methods, preliminary results and tasks ahead [R]. Stockholm: Conference on economic growth, material flows and environmental pressure, 2001.

[11] Nebbia G. Contabilià monetaria e contabilità ambientale [J]. Economia Pubblica, 2000,30(6):5-33.

[12] Weisz H, Schandl H, Fischer-Kowalski M. OMEN - an operating matrix for material interrelations between the economy and nature: How to make material balances consistent [C] // Proceedings of third ConAccount workshop: Ecologizing Societal Metabolism Amsterdam, 1998: 160-165.

[13] 徐一剑,张天柱.基于三维物质投入产出表的区域物质流核算模型 [J]. 清华大学学报(自然科学版), 2007,47(3):356-360.

[14] 徐一剑,张天柱.物质投入产出表在义马市物质流分析中的应用[J]. 中国环境科学, 2006,26(6):756-760.

[15] 刘起运,陈 璋,苏汝劼.投入产出分析 [M]. 北京:中国人民大学出版社, 2006.

[16] Stone R. Input-output and national accounts [M]. Paris: The organization for European Economic Devolopment, 1961.

[17] 张红霞.投入产出表中处理副产品的新方法 [J]. 中国管理科学, 2002,10(6):72-75.

[18] 薛新伟,王 冬.灰色投入产出理论及模型方法初探 [J]. 系统工程理论与实践, 1997,17(1):56-61.

[19] Xu Yijian, Zhang Tianzhu. Regional metabolism analysis model based on three dimensional PIOT and its preliminary application [R]. Seville, Spain: International Input Output Meeting on Managing the Environment, 2008.