梁 賽, 王亞菲, 徐 明, 張?zhí)熘?/p>

1 密歇根大學(xué)自然資源與環(huán)境學(xué)院, 安娜堡, 密歇根州 48109-1041, 美國 2 北京師范大學(xué)統(tǒng)計學(xué)院, 北京 100875, 中國 3 密歇根大學(xué)土木與環(huán)境工程系, 安娜堡, 密歇根州 48109-2125, 美國 4 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 北京 100084, 中國

環(huán)境投入產(chǎn)出分析在產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用

梁 賽1,*, 王亞菲2, 徐 明1,3, 張?zhí)熘?

1 密歇根大學(xué)自然資源與環(huán)境學(xué)院, 安娜堡, 密歇根州 48109-1041, 美國 2 北京師范大學(xué)統(tǒng)計學(xué)院, 北京 100875, 中國 3 密歇根大學(xué)土木與環(huán)境工程系, 安娜堡, 密歇根州 48109-2125, 美國 4 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 北京 100084, 中國

綜述了環(huán)境投入產(chǎn)出分析的基本知識及其在產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。環(huán)境投入產(chǎn)出分析的核心是投入產(chǎn)出模型,包括價值型投入產(chǎn)出模型、實物型投入產(chǎn)出模型和混合型投入產(chǎn)出模型。環(huán)境投入產(chǎn)出分析在產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)領(lǐng)域主要用于環(huán)境壓力核算、生命周期評估、社會經(jīng)濟(jì)因素相對貢獻(xiàn)分析、產(chǎn)業(yè)鏈路徑分析、風(fēng)險影響分析和環(huán)境網(wǎng)絡(luò)分析。同時,相關(guān)學(xué)者進(jìn)行環(huán)境投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)庫開發(fā),給環(huán)境投入產(chǎn)出分析提供便捷、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)渠道。討論了環(huán)境投入產(chǎn)出分析的若干發(fā)展趨勢。

投入產(chǎn)出分析; 產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué); 供應(yīng)鏈; 環(huán)境管理; 環(huán)境經(jīng)濟(jì); 可持續(xù)發(fā)展

基于投入產(chǎn)出模型的環(huán)境投入產(chǎn)出分析被日益廣泛的應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)(Industrial Ecology,有時也被稱為工業(yè)生態(tài)學(xué))領(lǐng)域。本文首先介紹投入產(chǎn)出模型,其次綜述環(huán)境投入產(chǎn)出分析在產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)的應(yīng)用,在此基礎(chǔ)上介紹環(huán)境投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)庫開發(fā),最后探討環(huán)境投入產(chǎn)出分析的發(fā)展趨勢。

1 投入產(chǎn)出模型

1.1 基本概念與框架

Wassily Wassilyevich Leontief在1936年提出投入產(chǎn)出模型來刻畫經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[1],并于1973年獲得諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎。最初的投入產(chǎn)出模型是基于價值型投入產(chǎn)出表(下節(jié)有具體介紹),將經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)劃分為若干個生產(chǎn)部門,每個部門投入勞動力和資本生產(chǎn)產(chǎn)品(包括服務(wù)),同時創(chuàng)造稅收和利潤；每個部門產(chǎn)品的一部分作為其他部門生產(chǎn)的中間投入,另一部分被居民和政府消費、形成固定資本和庫存進(jìn)出變化、以及出口到其他經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)[1-4]。勞動力、資本、稅收、利潤等被稱為初始投入,部門之間的產(chǎn)品交易被稱為中間投入/使用,居民消費、政府消費、固定資本形成、庫存變化、出口等被稱為最終需求[4]。

對某一部門,其初始投入與中間投入之和等于該部門的總投入(列平衡)；對其產(chǎn)品的中間使用與最終需求之和等于該部門的總產(chǎn)出(行平衡)；該部門的總投入等于該部門的總產(chǎn)出[4]。對某一經(jīng)濟(jì)系統(tǒng),其總投入(即所有部門總投入之和)等于其總產(chǎn)出(即所有部門總產(chǎn)出之和)[4]。

假設(shè)一個經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)包括n個生產(chǎn)部門。定義1×n行向量v代表各個部門的初始投入,n×1列向量y代表各個部門的最終需求,n×n矩陣Z代表部門間產(chǎn)品交易,n×1列向量x代表各個部門的總產(chǎn)出/總投入,n×1列向量e的所有元素均為1。投入產(chǎn)出模型的行平衡和列平衡可以用公式(1)和(2)表達(dá)：

x=Ze+y

(1)

x′ =e′Z+v

(2)

x=Ax+y

(3)

x′ =x′B+v

(4)

公式(3)和(4)可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為：

x= (I-A)-1×y

(5)

x′ =v× (I-B)-1

(6)

公式(5)和(6)分別描述了總產(chǎn)出x與最終需求y和初始投入v之間的關(guān)系,公式(5)將經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)視為需求驅(qū)動型(demand-driven)[5-7],公式(6)將經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)視為投入驅(qū)動型(supply-driven)[5-9]。產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)中的絕大多數(shù)投入產(chǎn)出分析將經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)視為需求驅(qū)動型。矩陣(I- A)-1被稱為Leontief逆矩陣[4],其元素lij表示部門j生產(chǎn)單位產(chǎn)品所需要部門i累計(包括直接和間接)投入的產(chǎn)品數(shù)量；矩陣(I- B)-1被稱為Ghosh逆矩陣[4],其元素gij表示部門i生產(chǎn)單位產(chǎn)品所累計(包括直接和間接)導(dǎo)致的部門j的產(chǎn)出量。

將環(huán)境壓力指標(biāo)(即資源使用和污染物排放)作為投入產(chǎn)出表的衛(wèi)星賬戶,可以構(gòu)建環(huán)境投入產(chǎn)出模型。定義標(biāo)量e代表經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)產(chǎn)生的環(huán)境壓力,1×n行向量p代表各個部門產(chǎn)生的環(huán)境壓力,向量p的各個元素之和等于e。我們可以通過公式(7)計算得到各個行業(yè)的1×n強度因子f,其元素fi代表部門i生產(chǎn)單位產(chǎn)出所產(chǎn)生的環(huán)境壓力。

(7)

結(jié)合公式(5)、(6)和(7),經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的環(huán)境壓力e可以表達(dá)為公式(8)和(9)的形式。公式(8)和(9)分別描述了經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)環(huán)境壓力與最終需求和初始投入的關(guān)系。

e=f×x=f× (I- A)-1×y

(8)

e=x′ ×f′ =v× (I- B)-1×f′

(9)

1.2 投入產(chǎn)出模型的三種形式

環(huán)境投入產(chǎn)出分析的核心是投入產(chǎn)出模型,目前在產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的投入產(chǎn)出模型通?；谌N表式：價值型投入產(chǎn)出表(Monetary Input-Output Table)、實物型投入產(chǎn)出表(Physical Input-Output Table)和混合型投入產(chǎn)出表(Hybrid Input-Output Table,或者稱為Mixed-Unit Input-Output Table)。

價值型投入產(chǎn)出表的構(gòu)建基于聯(lián)合國等國際組織共同發(fā)布的國際統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)《國民賬戶體系》,以貨幣形式(如人民幣、美元等)刻畫經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的產(chǎn)品交易,反映經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的價值維度信息[4],是最常見的一種投入產(chǎn)出表式。上面1.1小節(jié)所闡述的投入產(chǎn)出模型基本概念都是基于價值型投入產(chǎn)出表。價值型投入產(chǎn)出表的初始投入包括勞動報酬、固定資產(chǎn)折舊、生產(chǎn)稅凈額和營業(yè)盈余等；其最終需求包括居民消費、政府消費、固定資本形成、庫存變化和出口等；其同時存在著行平衡和列平衡關(guān)系。大多數(shù)國家的相關(guān)政府部門(如中國國家統(tǒng)計局、美國經(jīng)濟(jì)分析局Bureau of Economic Analysis)會定期發(fā)布價值型投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)。投入產(chǎn)出基準(zhǔn)表(Benchmark Input-Output Table)的部門劃分比較詳細(xì)(一般為一百到五百個部門),數(shù)據(jù)質(zhì)量比較高(通過調(diào)查人員實際調(diào)研獲取數(shù)據(jù)),其發(fā)布周期一般為5年；投入產(chǎn)出延長表(Extended Input-Output Table)的部門劃分比較粗糙(一般低于一百部門),數(shù)據(jù)質(zhì)量相對較差(在一些變量約束下,通過數(shù)學(xué)算法推算得到數(shù)據(jù)),其發(fā)布周期一般為2或者3年。由于價值型投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)易從政府部門的統(tǒng)計資料中獲取,目前的絕大多數(shù)環(huán)境投入產(chǎn)出分析都是基于價值型投入產(chǎn)出表。

實物型投入產(chǎn)出表以實物量(如噸、立方米和焦耳等)刻畫經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的物質(zhì)流動(包括產(chǎn)品流動和廢物循環(huán)),其可以刻畫經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的所有物質(zhì)流動,也可以刻畫經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中某一類物質(zhì)(如能源、水和某一類金屬元素等)的流動情況[10]。實物型投入產(chǎn)出表反映經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的實物維度信息,其被認(rèn)為更適合描述經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)之間的相互關(guān)系[10-14]。實物型投入產(chǎn)出表的初始投入一般為本地資源采掘(如水、化石燃料、礦物質(zhì)和生物質(zhì)等)；其最終需求包括居民消費、政府消費、固定資本形成、庫存變化、出口、污染物排放等；其同時存在著行平衡和列平衡關(guān)系。與價值型投入產(chǎn)出表不同的是,實物型投入產(chǎn)出表將資源開采、廢物循環(huán)利用和污染物排放納入其平衡關(guān)系(所謂“內(nèi)生化”處理)[15-17]。由于實物型投入產(chǎn)出表的編制需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及巨大的人力和時間投入,各個國家的政府部門和研究學(xué)者一般很少編制實物型投入產(chǎn)出表。目前,僅有中國[18-20]、德國[21,22]、芬蘭[23,24]、奧地利[25]等少數(shù)國家編制過特定年份的實物型投入產(chǎn)出表。這在很大程度上阻礙了實物型投入產(chǎn)出表在產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

混合型投入產(chǎn)出表是價值型投入產(chǎn)出表與實物型投入產(chǎn)出表的折中選擇,其以混合單位(如用噸刻畫水和礦物質(zhì)資源,用焦耳刻畫能源,用貨幣單位刻畫服務(wù)行業(yè)等)刻畫經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的物質(zhì)流動[4,26]?；旌闲屯度氘a(chǎn)出表中,代表目標(biāo)部門的行以實物單位表示,代表其他部門的行則以貨幣單位表示。混合型投入產(chǎn)出表通常是在價值型投入產(chǎn)出表的基礎(chǔ)上改造而成,其將所要分析的m個子部門從價值型投入產(chǎn)出表的n個部門中分離出來(如將風(fēng)力發(fā)電從電力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)中分離出來),而構(gòu)建成具有(m+n)個部門的混合型投入產(chǎn)出表?；旌闲屯度氘a(chǎn)出表只有行平衡關(guān)系,其最終需求包括居民消費、政府消費、固定資本形成、庫存變化和出口等。由于混合型投入產(chǎn)出表每一列的元素具有不同的單位,所以其不存在列平衡關(guān)系。

一些學(xué)者探討了這三類投入產(chǎn)出模型的差異性,它們的差異主要來源于對系統(tǒng)邊界的不同定義,即對資源開采、污染物排放、廢物循環(huán)利用、服務(wù)行業(yè)、產(chǎn)品價格和居民賬戶(即居民消費)的處理方式[11,18,21,27-30]。價值型投入產(chǎn)出表的平衡關(guān)系沒有考慮資源開采和污染物排放,也未充分考慮廢物循環(huán)利用(因為價值型投入產(chǎn)出表的資源回收利用行業(yè)無法反映部門間直接的廢物循環(huán)流動),但可以考慮不能以實物單位表示的服務(wù)行業(yè)；實物型投入產(chǎn)出表將資源開采、污染物排放和廢物循環(huán)利用納入其平衡關(guān)系,但無法反映服務(wù)行業(yè)的情況；混合型投入產(chǎn)出模型以貨幣單位形式刻畫服務(wù)行業(yè),并且以實物單位形式反映部分部門的廢物循環(huán)利用情況,但無法將資源開采、污染物排放和其余部門的廢物循環(huán)利用納入其平衡關(guān)系。另外,投入產(chǎn)出模型存在單一部門價格假設(shè),即每個部門只生產(chǎn)一種產(chǎn)品,其產(chǎn)品以同樣的價格分配給其他行業(yè)。而在實際中,投入產(chǎn)出表的部門劃分不可能詳細(xì)到每個部門只生產(chǎn)一種產(chǎn)品,每個部門的產(chǎn)品通常也是以不同的價格賣給其他部門的企業(yè)。因此,價值型投入產(chǎn)出表的所有部門和混合型投入產(chǎn)出表的以貨幣單位表示的部門都受到單一部門價格假設(shè)的影響,而實物型投入產(chǎn)出表則避免了這一假設(shè)的影響。除上述因素之外,對居民賬戶的處理方式也會導(dǎo)致三類投入產(chǎn)出模型的差異。對于價值型投入產(chǎn)出表和混合型投入產(chǎn)出表,居民賬戶通常位于最終需求部分；對于實物型投入產(chǎn)出模型,部分研究會將居民賬戶納入中間矩陣Z,使Z由n×n矩陣變?yōu)?n+1)×(n+1)矩陣,因為居民消費與生產(chǎn)部門之間也存在著產(chǎn)品(如食品消費和耐用消費品使用等)和廢物(如廢紙)的流動[18,19]。

由此可見,三類投入產(chǎn)出模型各有優(yōu)劣。在實際應(yīng)用中,應(yīng)依據(jù)所解決問題的實際需求來選擇合適的投入產(chǎn)出模型。下面,我們將介紹環(huán)境投入產(chǎn)出分析在產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的各種實際應(yīng)用。

2 環(huán)境投入產(chǎn)出分析在產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)的應(yīng)用

本文將環(huán)境投入產(chǎn)出分析在產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)的主要應(yīng)用歸納為六類：環(huán)境壓力核算、生命周期評估、因素相對貢獻(xiàn)分析、產(chǎn)業(yè)鏈路徑分析、風(fēng)險影響分析和環(huán)境網(wǎng)絡(luò)分析。

2.1 環(huán)境壓力核算

對于某個部門或者區(qū)域的環(huán)境壓力核算包括三種方法：基于生產(chǎn)的方法(Production-based method)、基于消費的方法(Consumption-based method)和基于收入的方法(Income-based method)。這三類方法分別反映某個部門或者區(qū)域在產(chǎn)業(yè)鏈路徑上不同位置的重要性。由于Leontief逆矩陣和Ghosh逆矩陣能夠完整反映經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)鏈累計效應(yīng),投入產(chǎn)出模型便成為環(huán)境壓力核算所青睞的工具。

基于生產(chǎn)的方法反映某個部門或者區(qū)域直接產(chǎn)生的環(huán)境壓力[31],即公式(7)中的向量p,其數(shù)值大小反映該部門或者區(qū)域作為直接產(chǎn)生者的重要性?；谙M的方法反映對某個部門產(chǎn)品的最終需求或者某個區(qū)域的最終消費所累計(包括直接和間接)導(dǎo)致的上游產(chǎn)生的環(huán)境壓力[31-35],將公式(8)中的y對角化可以計算得到,其數(shù)值大小反映該部門或者區(qū)域作為末端消費者的重要性?；谑杖氲姆椒ǚ从衬硞€部門或者區(qū)域創(chuàng)造增加值所累計導(dǎo)致的下游產(chǎn)生的環(huán)境壓力[7,8,36],將公式(9)中的v對角化可以計算得到,其數(shù)值大小反映該部門或者區(qū)域作為初始供應(yīng)者的重要性。

目前的環(huán)境壓力核算研究大都基于價值型投入產(chǎn)出表,所關(guān)注的主要環(huán)境壓力指標(biāo)包括水[37-39]、礦物質(zhì)[40-42]、生物質(zhì)[40-42]、二氧化碳[32,43-47]、汞[33,48,49]、細(xì)顆粒物(PM2.5)[50,51]、以及其他常規(guī)污染物[40,41]。

2.2 生命周期評估

生命周期評估考察產(chǎn)品整個生命周期中各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的環(huán)境壓力。生命周期評估方法大體可以分為三類：傳統(tǒng)的基于過程的生命周期評估、投入產(chǎn)出生命周期評估和混合生命周期評估。

傳統(tǒng)的基于過程的生命周期評估通過自下而上的方法收集產(chǎn)品各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的直接物質(zhì)投入數(shù)據(jù)、生產(chǎn)直接投入的物質(zhì)產(chǎn)生的環(huán)境壓力、以及生產(chǎn)直接投入物質(zhì)所需要的間接投入和相應(yīng)的環(huán)境壓力[52]。傳統(tǒng)的基于過程的生命周期評估對物質(zhì)投入和相應(yīng)環(huán)境壓力的追溯類似一張樹狀圖,旨在將相關(guān)物質(zhì)的所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)和相應(yīng)的環(huán)境壓力納入其系統(tǒng)范圍。但是在實際應(yīng)用中,由于數(shù)據(jù)和工作量的限制,傳統(tǒng)的基于過程的生命周期評估只能向上追溯有限層物質(zhì)投入和相關(guān)的環(huán)境壓力,并且其產(chǎn)品矩陣數(shù)據(jù)所涵蓋的產(chǎn)品類別比較有限,不能反映經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的完整邊界。這就造成了傳統(tǒng)的基于過程的生命周期評估的“截斷誤差”,即忽略部分深層次物質(zhì)投入和相關(guān)環(huán)境壓力所導(dǎo)致的結(jié)果誤差[52]。這種“截斷誤差”來源于：傳統(tǒng)的基于過程的生命周期評估只能考慮部分相關(guān)的供應(yīng)鏈路徑,而無法考慮經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)內(nèi)所有的供應(yīng)鏈路徑。

投入產(chǎn)出生命周期評估解決了傳統(tǒng)的基于過程的生命周期評估的“截斷誤差”問題。投入產(chǎn)出生命周期評估一般基于價值型投入產(chǎn)出模型的Leontief逆矩陣,刻畫各個部門的生產(chǎn)活動所直接和間接導(dǎo)致的環(huán)境壓力。Leontief逆矩陣考慮經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)內(nèi)所有的供應(yīng)鏈路徑,從而拓展傳統(tǒng)的基于過程的生命周期評估的系統(tǒng)邊界[9,52-54],因此能夠解決傳統(tǒng)的基于過程的生命周期評估的“截斷誤差”問題。但是,投入產(chǎn)出生命周期評估是基于生產(chǎn)部門,其結(jié)果反映的是該部門的平均水平,無法反映某個具體產(chǎn)品的生命周期結(jié)果,而傳統(tǒng)的基于過程的生命周期評估則能夠針對具體產(chǎn)品進(jìn)行分析。

為了彌補傳統(tǒng)的基于過程的生命周期評估和投入產(chǎn)出生命周期評估的各自缺陷,相關(guān)學(xué)者提出混合生命周期評估?；旌仙芷谠u估將傳統(tǒng)的基于過程的生命周期評估和投入產(chǎn)出生命周期評估相結(jié)合,發(fā)揮各自所長來刻畫某個具體產(chǎn)品的生命周期影響[52]?；旌仙芷谝话惆▋深愖龇?。第一類做法是：首先根據(jù)傳統(tǒng)的基于過程的生命周期評估來劃分產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)節(jié)并構(gòu)建各個環(huán)節(jié)的直接物質(zhì)投入清單,再利用投入產(chǎn)出生命周期評估計算直接投入物質(zhì)對應(yīng)的相應(yīng)部門的累計(包括直接和間接)環(huán)境壓力因子,最后通過直接物質(zhì)投入清單和各種物質(zhì)對應(yīng)部門的累計環(huán)境壓力因子計算得到某個具體產(chǎn)品的生命周期環(huán)境影響。第二類做法是：首先根據(jù)傳統(tǒng)的基于過程的生命周期評估來劃分產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)節(jié)并構(gòu)建各個環(huán)節(jié)的直接物質(zhì)投入清單,再根據(jù)混合型投入產(chǎn)出模型的理念將各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)看作投入產(chǎn)出模型的子部門,最后基于構(gòu)建的混合型投入產(chǎn)出模型的Leontief逆矩陣計算得到某個具體產(chǎn)品的生命周期環(huán)境影響。

2.3 因素相對貢獻(xiàn)分析

投入產(chǎn)出模型通過Leontief逆矩陣反映生產(chǎn)部門之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,通過y反映最終需求結(jié)構(gòu),為分析經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與環(huán)境壓力的關(guān)系提供基礎(chǔ)。將投入產(chǎn)出模型與結(jié)構(gòu)分解分析方法相結(jié)合,可以描述各種社會經(jīng)濟(jì)因素的變化對經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)環(huán)境壓力變化的相對貢獻(xiàn)[55-57]。將公式(8)中的y拆分為最終需求結(jié)構(gòu)ys和最終需求規(guī)模yv的乘積,公式(8)可寫為公式(10)的形式,環(huán)境壓力的變化量Δe可以拆分為公式(11)的形式。

e=f× (I- A)-1×ys×yv

(10)

Δe=Δf× (I- A)-1×ys×yv+f×Δ(I- A)-1×ys×yv+f× (I- A)-1×Δys×yv+f× (I- A)-1×ys×Δyv

(11)

公式(11)右側(cè)的四項依次分別代表環(huán)境壓力強度變化、生產(chǎn)結(jié)構(gòu)變化、最終需求結(jié)構(gòu)變化和最終需求規(guī)模變化對環(huán)境壓力變化量的相對貢獻(xiàn)。這四個因素在基于投入產(chǎn)出模型的結(jié)構(gòu)分解分析中比較常見[58,59],也有研究將相關(guān)的因素進(jìn)一步分解,如將最終需求結(jié)構(gòu)分解為最終需求產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和最終需求類別結(jié)構(gòu),將最終需求規(guī)模分解為人均最終需求量和人口,以及分析二氧化碳時將環(huán)境壓力強度分解為能源強度和排放強度[39,40,48,50,60-64]。需要注意的是,結(jié)構(gòu)分解分析假設(shè)所分解出來的各個因素是相互獨立的,在判斷是否可以分解出新的因素時,要看新分解出來的因素與其他因素是否保持相對獨立。

由于基于實物型投入產(chǎn)出模型和混合型投入產(chǎn)出模型計算出來的最終需求結(jié)構(gòu)沒有實際物理意義,結(jié)構(gòu)分解分析一般基于價值型投入產(chǎn)出模型。結(jié)構(gòu)分解分析考察的是兩個時間點之間的因素變化情況,這就需要剔除價格變動的影響,即將不同時間點的價值型投入產(chǎn)出模型折算為可比價格。價值型投入產(chǎn)出模型一般按照當(dāng)年價格編制,現(xiàn)有研究一般利用價格指數(shù)(如生產(chǎn)者價格指數(shù)、居民消費價格指數(shù)、國內(nèi)生產(chǎn)總值指數(shù)等)將不同時間點的投入產(chǎn)出模型折算為某一年的不變價格,從而使不同時間點的因素具有可比性。

另外,假設(shè)分解出來m個因素,則公式(11)將有m！種形式,如分解出4個因素將有4！=24種形式。雖然每種形式在數(shù)學(xué)上都是正確的,但是每種形式都不能完全代表結(jié)構(gòu)分解分析的結(jié)果,這就是結(jié)構(gòu)分解分析中的非唯一性(non-uniqueness)問題[55,65]。為了解決這個問題,一般做法是對所有分解形式的結(jié)果求取均值作為結(jié)構(gòu)分解分析的最終結(jié)果[65]。

2.4 產(chǎn)業(yè)鏈路徑分析

投入產(chǎn)出模型的Leontief逆矩陣反映產(chǎn)業(yè)鏈路徑的累計效應(yīng),為提取經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)鏈徑路提供基礎(chǔ)。將投入產(chǎn)出模型與結(jié)構(gòu)路徑分析相結(jié)合,可以提取出導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)環(huán)境壓力的主要產(chǎn)業(yè)鏈路徑[35,49,66-68]。一條產(chǎn)業(yè)鏈路徑刻畫終點的消費者如何逐步導(dǎo)致起點的部門產(chǎn)業(yè)環(huán)境壓力,如產(chǎn)業(yè)鏈路徑“農(nóng)業(yè)—食品—餐館—消費者”表示消費者在餐館的消費驅(qū)動食品生產(chǎn),食品生產(chǎn)進(jìn)一步驅(qū)動農(nóng)業(yè)部門產(chǎn)生環(huán)境壓力。

將公式(8)中的Leontief逆矩陣進(jìn)行泰勒展開[35,49,66-68],可以得到公式(12),公式(8)則變?yōu)楣?13)的形式。

(I- A)-1=I+ A + A2+ A3+ …

(12)

e=fy+fAy+fA2y+fA3y+ …

(13)

公式(13)右側(cè)的每一項代表一個生產(chǎn)層,每個生產(chǎn)層包含相應(yīng)步數(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈路徑,如f A2y這個生產(chǎn)層包含兩步的產(chǎn)業(yè)鏈路徑,其某一個產(chǎn)業(yè)鏈路徑代表某一部門經(jīng)過兩步到達(dá)另一部門(如i—k—j)。

通過搜索大多數(shù)生產(chǎn)層的所有產(chǎn)業(yè)鏈路徑,可以篩選出導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)環(huán)境壓力的主要產(chǎn)業(yè)鏈路徑(如前100條)。經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)鏈路徑可以有無窮多步,現(xiàn)有研究一般只選取前若干個主要生產(chǎn)層(涵蓋絕大多數(shù)環(huán)境壓力)作為結(jié)構(gòu)路徑分析的分解對象。即便如此,結(jié)構(gòu)路徑分析面對的產(chǎn)業(yè)鏈路徑數(shù)量、時間需求、硬件需求和計算量仍然相當(dāng)驚人。以中國135部門的2007年投入產(chǎn)出表為例,僅前四個生產(chǎn)層就包含3.3億個產(chǎn)業(yè)鏈路徑。操作的復(fù)雜性和龐大的計算需求在很大程度上阻礙了基于投入產(chǎn)出模型的結(jié)構(gòu)路徑分析在產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。目前僅有少數(shù)研究使用基于投入產(chǎn)出模型的結(jié)構(gòu)路徑分析來提取導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)環(huán)境壓力的主要產(chǎn)業(yè)鏈路徑[35,49,66-68]。

2.5 風(fēng)險影響分析

某個部門產(chǎn)出的變動可以通過產(chǎn)業(yè)鏈路徑直接或者間接影響其他部門。由于Leontief逆矩陣涵蓋經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)內(nèi)的所有產(chǎn)業(yè)鏈路徑,投入產(chǎn)出模型可以反映某個部門最終需求的變化對其他部門生產(chǎn)的直接和間接影響。學(xué)者們將投入產(chǎn)出模型應(yīng)用到風(fēng)險影響分析中(如安全事故、自然災(zāi)害等),考察某個部門承受的風(fēng)險對整個經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響[69,70]。現(xiàn)有研究通常用對某個部門最終需求的影響Δy來反映該部門承受的風(fēng)險損失,Δy一般通過風(fēng)險發(fā)生后的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來確定。某個部門承受的風(fēng)險損失通過經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)鏈路徑影響其他部門的產(chǎn)出。整個經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)承受的風(fēng)險損失Δx可由公式(14)計算得到。

Δx= (I- A)-1×Δy

(14)

風(fēng)險分析領(lǐng)域的學(xué)者依據(jù)公式(3)和(5)推導(dǎo)出故障投入產(chǎn)模型(Inoperability input-output model)[69-73],相關(guān)學(xué)者已經(jīng)證明故障投入產(chǎn)出模型與公式(14)是一致的[74]。

2.6 環(huán)境網(wǎng)絡(luò)分析

網(wǎng)絡(luò)分析旨在刻畫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)功能之間的因果關(guān)系[75,76]。所研究的系統(tǒng)被視為一個網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)由點(node或者vertex)和邊(link或者edge)構(gòu)成,點與點之間通過邊相連接。投入產(chǎn)出模型將經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)視為通過產(chǎn)品交易相關(guān)聯(lián)的若干個部門。如果將部門視為點,將部門間的產(chǎn)品交易視為邊,則經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)可以被視為一個投入產(chǎn)出網(wǎng)絡(luò)。環(huán)境網(wǎng)絡(luò)分析通常被用來研究投入產(chǎn)出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與該網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的環(huán)境壓力之間的關(guān)系。

目前的環(huán)境網(wǎng)絡(luò)分析分為兩個分支。第一個分支通常被稱為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析(Ecological network analysis),其主要關(guān)注投入產(chǎn)出網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)特征,如網(wǎng)絡(luò)的效率、冗余度和穩(wěn)健性以及點與點之間的依存關(guān)系[77-80]。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析源于投入產(chǎn)出理論,只是在后續(xù)的發(fā)展過程中,傳統(tǒng)投入產(chǎn)出理論主要關(guān)注經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域,而生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析主要關(guān)注生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域[81]。第二個分支通常被稱為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析,其主要關(guān)注各個點和邊在投入產(chǎn)出網(wǎng)絡(luò)中的重要性(如點和邊在投入產(chǎn)出網(wǎng)絡(luò)中的中心度)[82-85]和分布特征[86],以及投入產(chǎn)出網(wǎng)絡(luò)中點和邊的群落結(jié)構(gòu)(群落是指一組緊密關(guān)聯(lián)的點和邊)[83]。

針對投入產(chǎn)出網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析于近年興起,借助大數(shù)據(jù)科學(xué)中的各種方法挖掘經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征及其與環(huán)境壓力的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3 環(huán)境投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)庫開發(fā)

隨著環(huán)境投入產(chǎn)出分析在產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,相關(guān)學(xué)者開發(fā)環(huán)境投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)庫為環(huán)境投入產(chǎn)出分析提供便捷、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)平臺。目前的環(huán)境投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)庫建設(shè)主要分為兩類：針對單個國家的環(huán)境投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)庫和針對全球的環(huán)境投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)庫。

由于大多數(shù)國家會定期發(fā)布投入產(chǎn)出表,因此,針對單個國家的環(huán)境投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)庫開發(fā)主要是收集各個部門直接產(chǎn)生的環(huán)境壓力數(shù)據(jù)。相關(guān)學(xué)者目前已經(jīng)構(gòu)建美國、加拿大、德國、西班牙、英國、歐盟25國、中國和日本的環(huán)境投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)庫[40,41,87-95]。這些數(shù)據(jù)庫的部門分類一般以國家發(fā)布的對應(yīng)年份的最詳細(xì)投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)為依據(jù)。由于投入產(chǎn)出表和環(huán)境數(shù)據(jù)的稀缺性,這些數(shù)據(jù)庫大部分只針對某一個或者某幾個年份,涵蓋的時間序列較短,尚無法支持長時間跨度的連續(xù)時間序列研究(如數(shù)十年跨度的結(jié)構(gòu)分解分析)。

Liang等人構(gòu)建第一個針對我國的、綜合的、開放獲取的中國環(huán)境投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)庫(Chinese Environmentally Extended Input-Output (CEEIO) database,http://www.ceeio.com)[40,41,95]。CEEIO數(shù)據(jù)庫目前涵蓋1992、1997、2002和2007四個時間點,三種部門分類和286個資源環(huán)境指標(biāo)?；贑EEIO數(shù)據(jù)庫的計算結(jié)果與已有研究結(jié)果相吻合,從而驗證CEEIO數(shù)據(jù)庫的合理性和可靠性[95]。根據(jù)國家投入產(chǎn)出表和資源環(huán)境數(shù)據(jù)的發(fā)布進(jìn)度,CEEIO數(shù)據(jù)庫將進(jìn)行持續(xù)更新。

國際貿(mào)易在全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展與全球環(huán)境壓力削減中發(fā)揮著越來越重要的作用[45,46,96]。越來越多的研究開始關(guān)注國際貿(mào)易對環(huán)境壓力的影響,從而帶動全球多區(qū)域投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)庫開發(fā)工作。全球多區(qū)域投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)庫在各個國家投入產(chǎn)出表的基礎(chǔ)上添加國際間貿(mào)易矩陣,其可刻畫國家內(nèi)部部門間的產(chǎn)品交易和國際間的產(chǎn)品交易。相關(guān)學(xué)者目前已構(gòu)建多個全球多區(qū)域投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)庫(包括環(huán)境壓力指標(biāo)),較常用的是World Input-Output Database (WIOD)數(shù)據(jù)庫[97,98],Eora數(shù)據(jù)庫[99],Global Trade Analysis Project (GTAP)數(shù)據(jù)庫[100]和EXIOPOL數(shù)據(jù)庫[101]。這些數(shù)據(jù)庫各有優(yōu)劣,GTAP和EXIOPOL數(shù)據(jù)庫只涵蓋少數(shù)時間節(jié)點；WIOD數(shù)據(jù)庫涵蓋1995—2011年連續(xù)時間序列數(shù)據(jù),但是國家和部門分類比較粗略；Eora數(shù)據(jù)庫涵蓋1970—2013年間連續(xù)時間序列數(shù)據(jù),但是數(shù)據(jù)質(zhì)量與其他數(shù)據(jù)庫差異較大[102]。目前這些數(shù)據(jù)庫開發(fā)者正在就這些數(shù)據(jù)庫的一致性問題開展工作[103]。

4 環(huán)境投入產(chǎn)出分析的發(fā)展趨勢

環(huán)境投入產(chǎn)出分析正在從國家這個宏觀層面向大宏觀(如全球?qū)用?和次宏觀(如省份/州、城市、園區(qū)等)兩個層面發(fā)展。在大宏觀層面,不同全球投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)庫間的一致性問題將是未來的一個重點研究問題。在次宏觀層面,隨著區(qū)域異質(zhì)性、城市代謝和生態(tài)園區(qū)建設(shè)的興起,建設(shè)次宏觀區(qū)域的投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)庫,并將其與國家和全球投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)庫相對接將是未來環(huán)境投入產(chǎn)出分析的一個發(fā)展方向。

隨著大數(shù)據(jù)庫科學(xué)的興起[104],相關(guān)研究正在把環(huán)境投入產(chǎn)出分析與大數(shù)據(jù)分析方法(如前面介紹的網(wǎng)絡(luò)分析方法)相結(jié)合,挖掘經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)新的結(jié)構(gòu)特征。將更多大數(shù)據(jù)分析方法引入環(huán)境投入產(chǎn)出分析領(lǐng)域會成為今后一個潛在研究熱點。

現(xiàn)有研究大部分關(guān)注傳統(tǒng)污染物(包括溫室氣體)。隨著國際社會對越來越多新熱點物質(zhì)的關(guān)注,如PM2.5、汞和黑炭等,環(huán)境投入產(chǎn)出分析將會被應(yīng)用到對新熱點物質(zhì)的研究中。

此外,投入產(chǎn)出理論也開始被用于企業(yè)環(huán)境管理[105-108]和電網(wǎng)排放因子核算[109]。由于投入產(chǎn)出模型可以刻畫各個組成成分(如部門、企業(yè)生產(chǎn)過程、電網(wǎng)等)間的直接和間接關(guān)聯(lián)關(guān)系,它在其他領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用和發(fā)展前景。

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Environmental input-output analysis in industrial ecology

LIANG Sai1,*, WANG Yafei2, XU Ming1,3, ZHANG Tianzhu4

1SchoolofNaturalResourcesandEnvironment,UniversityofMichigan,AnnArbor,Michigan48109-1041,UnitedStates4SchoolofStatistics,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China3DepartmentofCivilandEnvironmentalEngineering,UniversityofMichigan,AnnArbor,Michigan48109-2125,UnitedStates4SchoolofEnvironment,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China

This study introduced the environmental input-output analysis and reviewed its applications in the field of industrial ecology. The core of environmental input-output analysis is the input-output model including monetary, physical, and hybrid input-output models. Major applications of environmental input-output analysis in the field of industrial ecology include environmental pressure accounting, life cycle assessment, analysis of relative contributions of socioeconomic factors, critical supply chain path analysis, risk impact analysis, and environmental network analysis. Moreover, scholars began to develop environmental input-output databases to provide convenient and standardized data sources for environmental input-output studies. Finally, this study discussed several potential development trends of environmental input-output analysis.

input-output analysis; industrial ecology; supply chains; environmental management; environmental economics; sustainable development

2015- 04- 26;

2016- 11- 18

10.5846/stxb201604260785

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liangsai09@gmail.com

梁賽, 王亞菲, 徐明, 張?zhí)熘?環(huán)境投入產(chǎn)出分析在產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用.生態(tài)學(xué)報,2016,36(22):7217- 7227.

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