中国产业生态化转型的IOOE模型分析

刘传江　吴晗晗　胡威

摘要：作为可持续发展的产业支撑，产业生态化不能仅仅局限于对经济增长的追求，而应将生态环境作为产业发展的外在约束条件。目前以产业生态化作为对象进行研究的成果较多，但将产业生态化作为一个动态发展进程的研究甚少，忽略了产业生态化到底是怎样的一个过程，分为哪几个阶段，每个阶段具有哪些特点，该怎样去衡量这个过程等问题。本文从这个角度出发，通过对传统经济增长模型约束条件的扩展，引入生态包袱的概念，并将其定义为生产活动对生态环境的占用，从投入、占用、产出与排放四个角度构建全面衡量产业生态化过程及阶段的IOOE模型，并以中国工业部门为例，分析全国及东、中、西部各区域工业生态化转型过程，得出以下结论：①我国工业投入逐年增加，污染物排放逐年减少，是产出增加的主要原因，占用量逐年增加使得其对产出仍然表现为阻碍作用；②我国工业生态化已经跨越了传统工业文明时代的产业发展，正处于向生态文明型转变的过渡阶段；③东、中、西部各区域间生态化阶段的不同符合各区域产业发展现实，如何在保持区域各自优势的基础上，实现整体产业生态化是未来产业发展重点。

关键词：产业生态化；IOOE模型；工业部门

中图分类号 F062.2

文献标识码 A 文章编号 1002-2104（2016）02-0119-10 doi：10.3969/j.issn.1002-2104.2016.02.015

20世纪90年代以来，因可持续发展战略的需要，产业生态化发展逐渐在发达国家成为潮流得到广泛的认可，其研究及应用贯穿于整个社会宏观、中观、微观等层面[1-2]。作为可持续发展的产业支撑，产业生态化以可持续发展为目标，不再单纯追求割裂式的经济增长，而是将生态环境作为产业系统外在的支撑和约束条件。越来越多的学者将产业生态化看作是提高产业经济效益的有效方法，是从根本上破解资源约束与环境污染难题的有效途径[3]。

1 文献综述

目前关于产业生态化的研究成果浩如烟海，笔者通过文献整理按内容大致将其分为四类：第一类是对产业生态化发展的历史渊源、产业生态化定义、研究对象等认识论的研究[4-5]；第二类是对产业生态化案例实践、产业生态系统构建、产业生态化途径的描述性研究[6-8]；第三类是对产业生态化水平、生态效率等评估设计的模型研究[9-10]；第四类是对其他产业生态化与相关问题研究[11-12]。众多关于产业生态化研究仍然是以第一、二类的定性描述分析为主，在第三类定量模型分析上，主要集中于通过对指标体系的构建，以产业生态化水平评价产业生态发展程度，以产业生态化效率来衡量产业生态发展质量，将产业生态化看做是一个目标或者结果，对产业生态化是一个动态变化的事实研究甚少。

产业生态化顾名思义描述的就是产业生态发展过程，“化”是一种趋势与方向，是一个具有运动和变化特征的渐进过程。研究产业生态化却忽视其“化”这一特征显然是不完整的。那么产业生态化到底是怎样的一个过程，分为哪几个阶段，每个阶段具有哪些特点，又该怎样去衡量这个过程？对这些问题的解答，关键还是要在明确产业生态化全过程的基础上，对“化”的要素进行分析，这些要素要区别于以往产业生态化水平或效率的评价指标，必须满足能够对产业生态化过程进行全面衡量的同时，又可以对产业生态化各个阶段以及每个阶段的特点进行定量的分析和解释。而这便是本文的出发点和落脚点。

对生产要素的分析，不仅是产业生态化转型的关键，也是经济增长问题的核心。从人类社会最初只关注资本在生产过程中的重要作用，到20世纪50年代，反映资本、劳动投入与预期产量间关系的总量生产函数的提出，再到60年代，技术进步成为经济学家关注的焦点，20世纪70年代，开始关注人力资本在促进经济长期增长中的作用，20世纪80年代中期，制度成为解释经济增长率上升的又一因素，再到上世纪80年代，随着可持续发展观念日益成为全球共识，人们开始重视资源和环境对经济持续发展的重要性。经济增长模型的生产函数逐渐从Y=F（K，L，A）修正为Y=F（K，L，A，R，N），即产出是除资本和劳动以外，也是自然资源和环境容量的函数。而以资源与环境为约束条件的经济及产业增长问题也成为目前研究的热点[13-14]。

随着我国经济进入中高速增长阶段，如何进一步推进经济及产业发展方式转型，特别是工业生态化发展方式的转变尤显得为重要。本文通过对传统经济增长模型约束条件的扩展，构建生态环境约束下的经济增长模型，全面衡量产业生态化过程及阶段，运用该模型对我国工业生态化发展阶段及演变过程进行分析，为未来我国工业发展提供一定的现实依据及参考。

2 模型构建

2.1 基础模型介绍

Solow经济增长模型沿用新古典经济学思想，只考虑资本（K）、技术（A）与劳动（L）要素对产出（Y）的影响，一般表达式为：

其中，s和δ分别为社会储蓄率和资本折旧率，n和g分别为劳动和技术增长率。同时，由于模型考虑了自然资源的约束，因此假设资源消耗率为b，自然资源随时间的变化率为：

R′（t）=-bR（t），b>0.（6）

Romer带约束条件的经济增长模型，虽然将自然资源对经济增长的影响考虑在内，但当经济发展逐渐从工业文明发展范式向生态文明范式转变，特别是产业生态化发展过程中，仅仅考虑资源消耗对产出的影响是显然不够的，生产活动中由化石燃料消费带来的污染物排放，以及生产活动对生态环境造成的“无形”压力，都应该纳入对产业生产活动的考量中[16-17]。

2.2 核心概念界定

在模型构建之前，有必要对文中涉及的投入、占用、产出、排放四个核心概念进行界定。

（1）投入（Input）：简写为I。指任何一个产业部门在产品生产过程中所消耗的资源、固定资产（厂房、设备等）折旧和劳动力等。

（2）占用（Occupancy）：简写为O1。产业生态学中，用物质隐藏流（hidden flows）或生态包袱（ecological rucksack）来形容生产活动对生态的“无形”压力[18]，是指在获得有用物质的过程中动用的没有直接进入交易和生产过程中的物质量，从输入端全面揭示产品生产过程中对自然资源的消耗和对生态环境的冲击。国内外学者Michael Rithoff[19]、Klaus Wiesen[20]、王青[21]、武春友[22]等均对生态包袱进行了研究。为了更形象地表达占用这一指标的重量特点，文中统一采用生态包袱来描述占用。

（3）产出（Output）：简写为O2，是指各生产活动主体生产出的具有价值及使用价值的产品和劳务，是从事经济活动具有正效用的结果，即期望产出。

（4）排放（Emission）：简写为E。指生产过程中产生的废水、废气、固体废弃物等污染物排放，在以化石燃料为基础的条件下，这些污染物只能相对减少但不可避免。

2.3 理论模型分析

2.3.1 生态环境约束下的经济增长模型

在基础模型上，增加占用（O1）与排放（E）两个要素，建立包含占用与排放的生态环境约束下的经济增长模型，假设模型仍具有C-D函数形式：

通过前文对生态包袱的解释，以及污染物排放的本质，可以知道在生态环境约束条件下占用与排放的增加会带来产出的减少，占用与排放对经济增长是负效应[23-24]，因此，我们将上式进行适当调整：

占用对经济产出的作用力为gO1=mμ1-α。当m>0时，占用对产出的作用为正，说明当资源开发带来的占用年下降率越大，占用对产出的贡献越大；当m<0时，由于存在生态环境的约束条件，随着占用量逐年上升，占用对经济产出有阻碍作用，占用量越大，阻碍作用也越大。

排放对经济产出的作用力为gE=dη1-α。当d>0时，排放对产出的贡献值为正，排放年下降率越大，排放对产出的贡献值越大；当d<0时，由于存在生态环境约束条件，随着污染物排放逐年上升，排放对经济产出的贡献值为负，污染物排放量越大，其对经济产出的阻碍作用越大。

2.4 产业生态化IOOE模型分析

上述理论模型分析表明在生态环境约束条件下，经济产出（O2）情况取决于广义投入（I）、占用（O1）及排放（E）相互作用的结果，因此，下面将从四者相互关系出发，分析产业生态化转型中的三种典型情形。

（1）情形1：产业活动中投入多，自然资源开采的生态包袱及污染物的排放量大，对产出存在明显的阻碍作用，且占用及排放的阻碍作用效果为主导，产业总产出少，呈高投入、高占用、高排放、低产出的“三高一低”状态，即m<0、d<0，gO1<0、gE<0，且gO2=gI+gO1+gE<0。由于此时产业生态化发展呈现出传统工业化时代粗放型增长的常见特征，故将此种情形下的产业生态化状态简称为工业文明型。

（2）情形2：经济社会进一步发展带来投入、占用和排放持续增加，但由于产业结构、生产技术、能源效率等因素的影响，产出会呈现更加明显的增长趋势，即m<0、d<0，gO1<0、gE<0，g1>0，但gO2=gI+gO1+gE>0，此时产业活动的占用与排放对产出虽为阻碍作用，但作用结果小于投入对产出的促进作用，产业发展总产出增加，故将此种情形下的产业生态化状态简称为转型过渡型。

（3）情形3：随着经济社会持续发展，人们对生态环境客观认识，使得环境保护与产业发展逐渐和谐共生，经济发展中投入、占用与排放的绝对量减少，占用与排放对经济有正面的促进作用，产出大幅度增长，即m>0、d>0，gO1>0、gE>0，且gO2=gI+gO1+gE>0，此时产业在生态环境约束条件下发展，故称产业生态化状态为生态文明型。

将三种典型情形在图形中表示如下图1。

综上所述，通过对投入、占用、产出与排放四个要素的分析，我们可以将产业生态化转型概括为这样一个路径过程：产业从最初的情形1经过情形2的演变逐步向情形3转变，产业生态化从工业文明型经历转型过渡型最终走向生态文明型。通过构建产业生态化转型的IOOE模型，我们可以实现以下几个方面的分析：①通过计算某个国家（地区）某一时点年份的某个或某些产业的投入、占用、产出、排放结果，静态测度该国家（地区）该时点相应产业发

展的生态化类型或状态；②通过计算某个国家（地区）序列年份的某个或某些产业的投入、占用、产出、排放结果，动态考察该国家（地区）该时点相应产业发展的生态化类型或进程。下文将运用该模型，对我国工业部门生态化进行分析。

3 实证研究

本文实证部分以工业为例，通过投入、占用、产出、排放基础数据的统计计算，运用IOOE模型对我国工业整体及区域生态化状态及进程进行测度分析。

3.1 数据及方法

本文统计区间为2003-2012年，计算了我国工业包括投入、产出、占用与排放在内的指标数据。文中所有基础数据来源于《中国统计年鉴》《中国工业经济统计年鉴》《中国国土资源统计年鉴》《中国矿业年鉴》《中国物价年鉴》《中国环境统计年鉴》。本文工业指《国民经济行业分类》（GB/T 4754-2011）中的工业。

（1）投入数据。本文将工业投入分为三个部分：资本投入、劳动力投入及能源投入，将各种投入转换为以2003年价格为基准的价值型投入来衡量。①在资本投入方面直接取自《中国统计年鉴》中各地区按主要行业分的固定资产投资计；②劳动力投入以各地区按行业分城镇单位就业人员工资总额转换为价值投入，由于统计方法的不同，2003-2005、2008年劳动力投入以各地区按行业分职工工资总额计，两种统计结果差距小，因此对实证结果影响可忽略；③能源投入以能源消费量乘以能源价格进行转换。在能源投入转换过程中，根据数据的可得性，统计了包括煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、天然气、电力等能源品种的消费量。价格上，由于各年统计方法的不同，各种能源价格以《中国物价年鉴》中36个主要城市生产资料价格均值为主，少数缺失年份数据参考其他统计资料补齐。

（2）占用数据。根据本文对占用的界定，是指产业活动中所形成的生态包袱。对生态包袱的计算有不同的方法：如以各种产品“摇篮到产品”系数为基础的计算[25]，以产品种类为基础的投入产出计算[26]，以及采用两种方法结合的计算[27]。本文采用第一种计算方法：以产品的自身重量乘以产品生产的平均生态包袱系数，计算公式表示如下：

R=∑ni=1γimi-m（13）

其中，m为该件产品的自身质量；mi表示一件产品生产中投入各种物质的质量；γi为投入所有物质各自的生态包袱系数。

从上述计算公式我们可以看出，对已知产量的产品来说，只需其生产中的各种物质的投入量及各自的生态包袱系数，便能计算出该产品的占用量，所以整个计算关键在于生态包袱系数的计算。目前世界上对生态包袱系数的计算以德国乌柏塔研究所的单位服务的物质投入（MIPS，Material Input Per Service Unit）方法为主[19]。它将物质强度（MIT，Material Intensity），也称为产品生态包袱系数，定义为产品物质投入总量（MI，Material Input）与产品自身重量之比：MIT=MI/Weight。为与生态包袱计算一致，将生态包袱系数公式表示为：

γ=1m∑ni=1γimi（14）

目前国内仅有少数学者采用MIPS方法对生态包袱系数进行研究，比较全面的生态包袱系数的计算仍以德国乌柏塔研究所为主，其MIT表格自1990s以来不断更新，目前已经拥有包括原料、能源、交通及食物在内的众多物质的400多个生态包袱系数数据，同时还在不断采用新的计算方法对其进行扩充[20]。

如果产品的生态包袱系数已经被计算并证实，那么我们可以将（13）进行简单变形得到：

R=m×（1m∑ni=1γimi-1）（15）

再将（14）带入（15），我们可以得到：

R=m×（γ-1）（16）

因此生态包袱的计算简化为产品自身重量与生态包袱系数的线性乘积。

本文占用数据分析需指出以下几点：

一是，区域内的生态包袱主要包括四个部分[18]：开采化石燃料、工业原材料时产生的生态包袱、未被使用的生物质及基础设施建设的挖方量。本文是分析我国工业（主要包括采矿业、制造业以及电力、燃气及水的生产和供应业）生态化，因此占用以化石燃料、工业原材料开采中的生态包袱为主，未计入未使用的生物质量及基础设施建设的挖方量。

二是，计算化石燃料、工业原材料开采中的生态包袱时，由于我国物质资源开采种类繁多且产出量存在很大差异，因此本文选取主要化石燃料及工业原材料，计算22种包括原煤、原油、天然气在内的化石燃料、金属矿物质（铁矿、锰矿、铬矿、铜、铅、锌、镍、锡、锑、铝、金、银矿）及工业矿产品（石膏、耐火土石、石墨、陶瓷土、萤石、矿泉水资源）的生态包袱。

三是，生态包袱系数受物质资源特点、生产方式、生产力水平的影响，不同国家、同一国家不同区域、同一国家或区域不同时期的隐藏流系数也会不同。笔者将国内计算的少数生态包袱系数与乌柏塔研究计算结果进行比较，发现二者计算结果虽有不同，但变化幅度不大，特别是将国内计算结果与世界平均生产力水平下结果比较差异较小，而且系数随时间变化也不明显。因此本文选择目前已经计算获得的生态包袱系数来计算生态包袱，系数选择以国内已有系数优先，其次选择世界平均系数，再次为德国、欧洲等其他国家计算得到的系数。最终生态包袱系数见表1。

四是，MIPS方法计算物质投入分为5类：非生物质原材料、生物质原材料、农业及林业中的土壤移动及流失、水和空气，所以其在计算生态包袱系数时也分为5类分别统计[29]。但限于我国统计数据的可得性，本文工业占用仅计算开采中非生物质原材料生态包袱，其生态包袱系数也为非生物性生态包袱系数。

（3）产出数据。工业部门产出以按地区分规模以上工业企业工业总产值计，所有数据均转换为以2003年为基期价格。基础数据来自历年《中国统计年鉴》，由于统计方法差异，年鉴统计中缺失2004、2012年数据以插值法补齐。

（4）排放数据。排放主要包括废水、废气（工业SO2、工业烟尘、工业粉尘）、固体废弃物及二氧化碳的排放量，其中三废基础数据来自于《中国环境统计年鉴》，二氧化碳排放量则通过工业能源消费量与能源碳排放系数计算得到。

3.2 计算结果及分析

（1）整体分析。

通过基础数据的收集并依据前文论述计算方法，表2给出我国工业最终投入、占用、产出、排放总量计算结果。

运用IOOE模型从投入、占用、产出与排放四维因素角度对2003-2012年我国工业生态化转型过程进行分为产出，年均增长率达到23.29%，其次为投入，年均增长21.54%，占用年均增长15.97%位于投入之后，排放增长最小为3.55%；2008-2012年，投入、占用与产出继续增长，但增速放缓，排放则由增长转为减小，年均增长分别为14.59%、4.33%、14.31%，-1.11%。

第二，将投入、占用、产出、排放呈现的这种变化特征与前文所构架的IOOE模型中三种典型情形对比分析，可以看出2003-2012年间我国工业生态化经历了以下两个阶段：

第一阶段为2003-2007年，投入、占用、产出与排放逐年增长，工业生态化转型与模型中情形1向情形2（四指标均增加，但产出增加更快）转变一致，这说明我国工业生态化发展已经跨越了传统工业文明时代下的“三高一低”阶段，以明显增长的产出趋势向情形2中的转型过渡型转变。

第二阶段为2008-2012年，投入、占用与产出继续增长，但增速变缓，排放从增长转为减少，生态化转型特征逐渐向生态文明型情形靠近，尽管前三者的变化并不是完全意义上的绝对减少，但这种变化趋势意味着我国工业生态化已经逐步开始向生态文明型迈进。

第三，从投入、占用、产出、排放角度对我国工业生态化状态及进程分析的实证结果表明，产业生态化转型过程中确会出现投入、占用、产出、排放均增加，但产出增加幅度高于其它三者的典型“转型过渡型”，也会出现排放指标负增长的接近典型“生态文明型”的发展形态，这也从实证角度证明产业生态化IOOE模型提出的合理性。

（2）区域分析。

由于我国工业发展存在地区差异，因此本文进一步分区域对工业生态化进行测度，对比分析区域间工业生态化状态及转型过程。

通过对原始数据的标准化处理及分析，得到区域间工业生态化转型的IOOE模型分析图（见图3-图5）。

从表4、图3-图5可以看出：

一是，东部地区，2005-2011年间工业投入、占用、产出与排放量呈两种变化趋势：2005-2007年间，投入、占用、产出、排放均保持增长，但增幅有所不同，其中增幅最大的为占用，年均增长率达到33.09%，其次为产出，年均增长15.49%，投入年均增长11.11%位于产出之后，排放增长最小为1.33%；2008-2011年，投入与产出继续增长，占用与排放则由增加转为减小，年均增长分别为-6.50%、-3.11%。这种两阶段的变化趋势表明我国东部地区工业生态化正逐步从转型过渡型向生态文明型发展。

二是，中部地区，2005-2011年间工业投入、占用、产出、排放呈明显的增长趋势，其中产出增幅最快，年均增长15.61%，投入年增14.8%，占用与排放增幅较慢，年均增长分别为1.91%与1.35%。中部地区工业投入、占用、产出、排放呈现的这种变化趋势与IOOE模型中三种典型情形对比分析，可以看出其工业生态化仍为转型过渡型。

三是，西部地区，2005-2011年间工业投入、占用、产出呈逐年增长趋势，排放则逐年减小。年均增长以产出增幅最快为16.2%，其次为投入12.41%，占用增幅较慢为6.42%，排放年增长率为-1.96%。同样将这种变化与三种典型情形对比，可知西部地区工业生态化处于由转型过渡型向生态文明型转变阶段。

四是，东、中、西部比较分析（如图3、图4、图5），东部地区工业生态化转型进程最快，其工业产出持续增长，投入增速逐年变缓，占用与排放两指标均呈负增长趋势；中部地区工业生态化转型面临最为严峻考验，投入、占用、产出与排放指标均呈逐年增长趋势，工业生态化发展无向生态文明型转变的趋势，仍为转型过渡型；西部地区工业生态化转型进程居中，仅排放指标逐年减小。

4 结论启示与不足之处

在世界现代化过程中出现了两次现代化[30]。第一次现代化是指从农业社会向工业社会、从农业经济向工业经济的转变，主要特点是工业化、城市化、民主化、福利化、流动化和专业化，但带来了较为严重的资源环境破坏、生态退化等问题。第二次现代化是指从工业社会向知识社会、从工业经济向知识经济的转变，主要特点是知识化、信息化、绿色化、生态化、全球化和多样化。简要地说，第二次现代化就是从工业社会向知识社会，从工业经济向知识经济，从物质文明向生态文明，从物质社会向生态社会，从物质经济向生态经济的转变，更是经济社会全面生态化的生态现代化过程。产业生态化作为生态现代化的实践过程，更作为经济生态化的产业支撑，其重要性不言而喻。

本文在自然资源约束的经济增长模型基础上，结合产业生态学相关理论，将生态包袱作为占用引入模型中，更加完整地从输入端揭示产业活动对生态环境带来的冲击和压力，同时考虑污染物排放对产出的影响，建立投入、占用、产出、排放的IOOE模型，以定量方法重点分析产业生态化三种典型情形及特征、生态化转型过程以及转型过程中所处阶段，弥补了对产业生态化转型过程进行衡量的模型的缺失，并对我国工业生态化进行分析，得出以下结论启示：①我国工业投入逐年增加，污染物排放的逐年减少，是产出增加的主要原因，占用量的逐年增加使得其对产出仍然表现为阻碍作用；②我国工业生态化已经跨越了传统工业文明时代的产业发展，正处于向生态文明型转变的过渡阶段。要完全实现工业生态化转型，未来应在保持排放量减少基础上，使投入及占用由增到减，注重对物质利用率及经济产出率的提升；③区域间生态化阶段不同符合各区域产业发展现实，如何在保持区域各自优势的基础上，实现整体产业生态化是未来产业发展重点。

由于本文是初次尝试从投入、占用、产出与排放角度对产业生态化进行衡量，因此对生态化转型阶段分析尚不够完善，在对我国占用量计算中，生态包袱系数以国外数据居多，区域分析因可获得数据有限，仅对部分区域进行了分析，这些都是以后研究应考虑的重点。

（编辑：于 杰）

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Abstract As the supported industry of the sustainable development， industrial ecology should not be limited to the pursuit of economic growth， but take the ecological environment as the external constraints. Currently， there are much more researches about industrial ecology， but nearly none of them had noticed and researched the fact that industrial ecology is a dynamic developing process. They ignored the problems of “what kind process of industrial ecology is”， and “which stages it has been divided”， “what are the characteristics of each stage”， and “how to measure this process”. From this perspective， this paper firstly expands the constraint conditions of the traditional economic growth model， leads up the concept of ecological rucksack， defines it as the occupancies on ecological environment of production activities， builds the IOOE model which can comprehensively measure the process and stage of industrial ecology from the angle of input， output， occupancy and emission， and takes the industry sector as an example to analysis the transformation process of industrial ecology in overall and regional angles. We finally draw the following conclusions：①increasing inputs and reducing emissions are the main reasons for the increasing outputs of Chinas industry， while the increasing occupancies hold the hindering effect；②Chinas industrial ecology has crossed the industrial development of the traditional industrial civilization era， and now it has being in the transitional phase towards to the ecological civilization；③the regional ecological stages between each area are corresponding to the realities of their industry developments， and how to keep their respective advantages， achieving the overall industrial ecology is the key point of the development of the industry in the future.

Key words industrial ecology； IOOE model； industrial sector