產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)水平測度研究——環(huán)境壓力最小化視角

王磊 李慧明

（1.天津城建大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，天津300384；2.南開大學(xué) 循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究中心，天津300071）

一、引言

20世紀(jì)90年代中后期，借鑒德國、日本等發(fā)達(dá)國家處理經(jīng)濟(jì)增長與環(huán)境壓力之間矛盾的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將循環(huán)經(jīng)濟(jì)這一概念引入中國，成為落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，統(tǒng)籌人與自然和諧發(fā)展的重要途徑。

國家“十二五”規(guī)劃中也明確提出：大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)循環(huán)式組合，構(gòu)筑鏈接循環(huán)的產(chǎn)業(yè)體系，實(shí)現(xiàn)資源產(chǎn)出率提高15%。2012年國家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)園區(qū)循環(huán)化改造的意見》，循環(huán)經(jīng)濟(jì)在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域正從典型示范逐步向面上推廣。與此同時(shí)，產(chǎn)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中也出現(xiàn)了諸如循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈條硬性搭建，再生資源低水平綜合利用，物質(zhì)循環(huán)過程中二次能源、物質(zhì)投入過大，甚至出現(xiàn)了為了“循環(huán)”而“循環(huán)”的窘境，這不僅與發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)相違背，甚至增加了區(qū)域環(huán)境污染排放與資源消耗。循環(huán)經(jīng)濟(jì)的核心是物質(zhì)的循環(huán)利用，這不僅包括物質(zhì)在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)內(nèi)的不斷循環(huán)利用，而且還包括經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)之間的物質(zhì)的良性循環(huán)［1］。換言之，這種物質(zhì)循環(huán)是以技術(shù)創(chuàng)新為基礎(chǔ)，將廢棄物其作為原料或產(chǎn)品重新應(yīng)用于生產(chǎn)和消費(fèi)環(huán)節(jié)中去，降低新原料和產(chǎn)品的投入，減少廢棄物對環(huán)境的危害，是一種降低環(huán)境壓力的物質(zhì)循環(huán)利用，具體體現(xiàn)為物質(zhì)通量的降低。根據(jù)美國環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)家克尼斯（Allen V.Kneese）所創(chuàng)立的經(jīng)濟(jì)過程中的物質(zhì)平衡原理的闡述：“進(jìn)入經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的物質(zhì)輸入量越少，輸出到環(huán)境中的廢物就越少，生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量也就越高，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)運(yùn)行的可持續(xù)性則越強(qiáng)；反之，進(jìn)入經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的物質(zhì)輸入量越多，輸出到環(huán)境中的廢物就越多，生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量也就越差，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)運(yùn)行的可持續(xù)性則越弱”［2］。由此可見，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中物質(zhì)通量水平的高低決定了其所產(chǎn)生的環(huán)境壓力的大小。由此可見，如何從環(huán)境壓力最小化視角，用物質(zhì)通量降低的標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)準(zhǔn)確地評價(jià)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的水平已經(jīng)成為促進(jìn)產(chǎn)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)深入發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。

對于前期產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)測度的研究主要包括四個(gè)方面：一是基于物質(zhì)流分析角度開展產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)測度研究。國外學(xué)者Seiji Hashimoto和 Yuichi Moriguchi（2004）從物質(zhì)流分析的角度研究描述社會(huì)代謝物質(zhì)循環(huán)指標(biāo)，包括物質(zhì)使用時(shí)間、物質(zhì)使用效率、己用產(chǎn)品再生使用率（輸入端）、已用產(chǎn)品再生率（輸出端）、直接物質(zhì)投入、國內(nèi)過程輸出等六個(gè)物質(zhì)循環(huán)指標(biāo)，評價(jià)物質(zhì)循環(huán)水平［3］。國內(nèi)學(xué)者諸大建、邱壽豐（2009）提出以資源生產(chǎn)率（資源投入/GDP）指標(biāo)評價(jià)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平［4］。二是基于生命周期評價(jià)角度開展產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)測度研究。高昂（2010）引入時(shí)間維度，界定“物質(zhì)流時(shí)滯”概念，在分析環(huán)境系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間物質(zhì)流動(dòng)界面的基礎(chǔ)上，建立了中短期時(shí)間尺度下的循環(huán)經(jīng)濟(jì)物質(zhì)流單循環(huán)模型，從全周期的視角，利用模型中對物質(zhì)流之間的質(zhì)量平衡關(guān)系對物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析［5］。李寧，丁四保（2011）基于LCA方法，建立了產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)代謝過程與環(huán)境影響之間的關(guān)聯(lián)，從動(dòng)態(tài)過程調(diào)控物質(zhì)代謝過程，維持產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的功能。三是特定產(chǎn)業(yè)或行業(yè)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平評價(jià)研究［6］。于波濤（2007）采用專家打分法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的雙重計(jì)算方法，對林業(yè)產(chǎn)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)水平開展評價(jià)［7］。杜春麗，成金華（2009）采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型，對我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)效率進(jìn)行了動(dòng)態(tài)的總體分析和評價(jià)［8］。唐曉蘭（2011）從經(jīng)濟(jì)屬性和環(huán)境屬性兩方面建立評價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用層次分析法確立區(qū)域主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)等級［9］。鄭季良（2012）將制造業(yè)分為上、中、下游三類產(chǎn)業(yè)，在綠色供應(yīng)鏈管理環(huán)境下，通過設(shè)置權(quán)重變量，建立統(tǒng)一的制造業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)體系［10］。四是對產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)過程環(huán)境壓力的關(guān)注。國外學(xué)者Finn JT.（1976）、Hannon B.（1973）將里昂惕夫（Leontief W W.）的投入產(chǎn)出分析法最先應(yīng)用到自然系統(tǒng)中物質(zhì)和能流的分析中，更加全面分析自然生態(tài)系統(tǒng)的承載狀態(tài)［11，12］。Bailey R.（2000）、Bailey R.，Bras B.（2004）拓展了投入產(chǎn)出分析的進(jìn)一步的功能，主要體現(xiàn)在對流分析和環(huán)境變量分析兩個(gè)方面，研究方法稱為生態(tài)投入產(chǎn)出流分析法，該分析方法的基礎(chǔ)來源于用物質(zhì)流和能流對產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義［13，14］。

綜上所述，前期研究中密切關(guān)注到物質(zhì)代謝與循環(huán)經(jīng)濟(jì)的內(nèi)在聯(lián)系，在物質(zhì)流分析框架下對循環(huán)經(jīng)濟(jì)水平進(jìn)行測度，并傾向于通過全周期視角全面評價(jià)，但對于產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)行為所造成的通量水平的測度和環(huán)境壓力的關(guān)注較少。依據(jù)環(huán)境經(jīng)濟(jì)大系統(tǒng)的觀點(diǎn)，一切經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的最終收益是服務(wù)，直接提供服務(wù)的是以各種形式存在的存量，存量是由通量來維持或增加的，但通量的大小決定了它所能維持的存量規(guī)模。由于通量來源于自然生態(tài)系統(tǒng)，人類經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)之間的作用關(guān)系，也主要是通過來自自然最終又返回自然的物質(zhì)和能量的通量流動(dòng)體現(xiàn)出來的，具體表現(xiàn)為資源能源的開采利用和污染物排放。因此，物質(zhì)通量的大小決定了人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)所引起的環(huán)境壓力的大小。產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)不是孤立的，物質(zhì)以生產(chǎn)和消費(fèi)鏈條為載體進(jìn)行流動(dòng)，物質(zhì)循環(huán)也同時(shí)存在于多個(gè)部門，多個(gè)環(huán)節(jié)與多個(gè)階段，已有的研究中對于產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)中的隱形的物質(zhì)通量沒有進(jìn)行全面計(jì)量，進(jìn)而也忽視了對環(huán)境壓力大小的進(jìn)一步識別。國外學(xué)者提出的生態(tài)投入產(chǎn)出流分析方法，以傳統(tǒng)的流分析復(fù)雜系統(tǒng)為特征，以此來描述物質(zhì)、能量的循環(huán)水平，為本研究開展環(huán)境壓力最小化視角下的產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)水平測度提供了有益參考和借鑒。

二、現(xiàn)行的產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)指標(biāo)體系

（一）物質(zhì)循環(huán)指標(biāo)

一個(gè)體系包含了一種價(jià)值水平，例如，重量、廢棄物或者每年城市地面下沉的英尺數(shù)，都是對一種價(jià)值水平的判斷。對于產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)中環(huán)境壓力的關(guān)注的重要指標(biāo)之一就是物質(zhì)循環(huán)指標(biāo)。國外學(xué)者 Wernickhe Ausubel（1995）構(gòu)建了八類指標(biāo)，旨在評價(jià)國家層面物質(zhì)流的變化程度和顯著趨勢，進(jìn)而判斷對環(huán)境的影響。構(gòu)建這一指標(biāo)體系的目標(biāo)是全面衡量國家層面的物質(zhì)流水平。在這些一系列的指標(biāo)之中，很多指標(biāo)都與物質(zhì)循環(huán)指標(biāo)相關(guān)。其中的關(guān)鍵指標(biāo)有三個(gè)：一是循環(huán)度指標(biāo)，它等于原始投入量與總物質(zhì)投入量的比值；二是金屬回收率指標(biāo)，它等于循環(huán)金屬消耗量與總金屬消耗量的比值；三是副產(chǎn)品回用率指標(biāo)，它等于副產(chǎn)品回用量與總產(chǎn)品量的比值［15］。這三種指標(biāo)的設(shè)計(jì)都是用于測度物質(zhì)使用效率和物質(zhì)循環(huán)水平。

Wernickhe Ausubel的三類指標(biāo)其中有兩類應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)流分析之中。一是循環(huán)度指標(biāo)（見式（1）），循環(huán)度指標(biāo)越高，表明產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)的量越大。循環(huán)度指標(biāo)被廣泛用于汽車產(chǎn)業(yè)和造紙產(chǎn)業(yè)，測度新的產(chǎn)品組分中循環(huán)物質(zhì)的量。金屬的循環(huán)率指標(biāo)是循環(huán)度的一項(xiàng)具體指標(biāo)。

回用率指標(biāo)表示回收利用的物質(zhì)量占生產(chǎn)和消費(fèi)物質(zhì)總量的比例。該指標(biāo)重在測度回收利用量的大小，其數(shù)學(xué)表達(dá)式見式（2）。

圖1為產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)利用模型，這種簡化的產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)流動(dòng)關(guān)系清晰地顯示出循環(huán)度指標(biāo)與回收利用率這兩類指標(biāo)的區(qū)別。物質(zhì)投入中物質(zhì)循環(huán)利用來自于兩個(gè)單元，即生產(chǎn)單元和消費(fèi)單元。消費(fèi)前的廢棄物直接回到生產(chǎn)單元，消費(fèi)后的廢棄物從消費(fèi)單元重新回到生產(chǎn)單元。最終廢棄物是指經(jīng)過生產(chǎn)單元和消費(fèi)單元都沒有回用，而最終排放的物質(zhì)。產(chǎn)品的循環(huán)度等于消費(fèi)前和消費(fèi)后的廢棄物回用量占產(chǎn)品總物質(zhì)投入量的比例。循環(huán)度指標(biāo)表明了產(chǎn)品生產(chǎn)過程中廢物流的大小，即廢物回用總量對總物質(zhì)投入替代量的大小?；厥绽寐蕜t關(guān)注的是產(chǎn)品的消費(fèi)，回收利用率等于廢舊產(chǎn)品的回用量占消費(fèi)總量的比例。基于產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域的產(chǎn)品循環(huán)度指標(biāo)和基于產(chǎn)品消費(fèi)的回收利用指標(biāo)是構(gòu)建投入產(chǎn)出指標(biāo)的重要基礎(chǔ)。

圖1 現(xiàn)行產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)利用概念模型

Hashimoto和Moriguchi在物質(zhì)循環(huán)測度領(lǐng)域的研究成果豐富［3］。（1）提出了六種關(guān)于物質(zhì)循環(huán)的指標(biāo)，大致可以歸結(jié)為廢舊產(chǎn)品的再利用、副產(chǎn)品的利用和廢舊產(chǎn)品的再生三大類，每一類分別用物質(zhì)使用效率、回用的廢舊產(chǎn)品使用率和再生產(chǎn)品使用率進(jìn)行評價(jià)。（2）提出將使用直接物質(zhì)投入量（DMI①直接物質(zhì)投入量（DMI）：國內(nèi)資源開采量＋進(jìn)口資源量，衡量經(jīng)濟(jì)發(fā)展中生產(chǎn)和消費(fèi)所需要的物質(zhì)投入總量。）和國內(nèi)加工產(chǎn)出（DPO②國內(nèi)加工產(chǎn)出（DPO）：國內(nèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的總物質(zhì)量，主要用于生產(chǎn)、加工制造、使用以及最終處理。出口的資源和產(chǎn)品不包括在內(nèi)，因?yàn)槌隹诘馁Y源和產(chǎn)品的最終處理是在其他國家。）作為衡量物質(zhì)循環(huán)的指標(biāo)。然而，DMI和DPO指標(biāo)的變動(dòng)受到包括物質(zhì)循環(huán)在內(nèi)的諸多因素的影響，因此，DMI和DPO只能作為對物質(zhì)循環(huán)測度的替代型指標(biāo)。（3）提出了物質(zhì)使用時(shí)間（Material Use Time，MUT）這一物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵指標(biāo)。他們認(rèn)為將MUT作為衡量廢舊產(chǎn)品回收利用效率的重要指標(biāo)，物質(zhì)循環(huán)的測度著眼于產(chǎn)品和產(chǎn)品組分的長期利用。盡管Hashimoto和Moriguchi認(rèn)為他們所提出的MUT指標(biāo)是令人信服的，但是MUT指標(biāo)仍然屬于對物質(zhì)循環(huán)的間接測度，測度的是循環(huán)的效應(yīng)或者效果，而不是物質(zhì)循環(huán)量本身。而對環(huán)境壓力最小化的目標(biāo)而言，更應(yīng)關(guān)注的是物質(zhì)循環(huán)量的衡量，而不是關(guān)注物質(zhì)循環(huán)的方式。

（二）質(zhì)量型物質(zhì)代謝指標(biāo)

產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)中，前期關(guān)于物質(zhì)流動(dòng)的指標(biāo)，不僅僅關(guān)注物質(zhì)本身，而是把物質(zhì)流與其他指標(biāo)關(guān)聯(lián)起來進(jìn)行評價(jià)，強(qiáng)調(diào)物質(zhì)代謝的質(zhì)量。產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)先驅(qū) Ayres R U.（1994）在物質(zhì)流分析的基礎(chǔ)上提出了兩種產(chǎn)業(yè)代謝效率的測度指標(biāo)，即循環(huán)比例（Fraction recycled）和物質(zhì)生產(chǎn)力（Material productivity）［16］。循環(huán)比例（Fraction recycled）等于物質(zhì)循環(huán)量占系統(tǒng)中潛在的可循環(huán)物質(zhì)量的比例。物質(zhì)生產(chǎn)力（Material productivity）等于單位物質(zhì)投入的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出量。循環(huán)比例指標(biāo)和物質(zhì)生產(chǎn)力指標(biāo)的提高意味著整個(gè)產(chǎn)業(yè)體系效率的提升，是物質(zhì)循環(huán)質(zhì)量的體現(xiàn)。這兩個(gè)指標(biāo)分別都包含了對于價(jià)值的衡量：潛在的可循環(huán)物質(zhì)量由事實(shí)和經(jīng)驗(yàn)兩個(gè)方面共同決定；經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出用于衡量一定物質(zhì)投入所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值的大小，用貨幣（美元）來衡量。這兩種指標(biāo)都是包含物質(zhì)使用產(chǎn)生價(jià)值衡量在內(nèi)的指標(biāo)，體現(xiàn)了物質(zhì)代謝的質(zhì)量。物質(zhì)使用強(qiáng)度（IU）是另一類質(zhì)量衡量指標(biāo)（Cleveland和 Ruth，1999）［17］。IU指標(biāo)是物質(zhì)生產(chǎn)力指標(biāo)的倒數(shù)，用于衡量單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出所消耗的物質(zhì)量的大小。

（三）現(xiàn)行的產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)指標(biāo)體系的局限性

（1）物質(zhì)循環(huán)指標(biāo)主要是應(yīng)用終端截面數(shù)據(jù)計(jì)算物質(zhì)的循環(huán)水平，即只對某一過程中直接物質(zhì)循環(huán)量的計(jì)算，忽視了間接物質(zhì)循環(huán)量的計(jì)算、隱形的物質(zhì)循環(huán)量的測度。例如物質(zhì)循環(huán)度指標(biāo)主要考慮某一時(shí)期，消費(fèi)前和消費(fèi)后廢棄物的總回用量占產(chǎn)品總物質(zhì)投入量的比例，而忽視了此過程中每一個(gè)環(huán)節(jié)重復(fù)流動(dòng)的物質(zhì)循環(huán)量，應(yīng)用此類指標(biāo)進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)水平的測度會(huì)造成測度結(jié)果偏低。

（2）質(zhì)量型物質(zhì)代謝指標(biāo)將物質(zhì)利用與經(jīng)濟(jì)變量結(jié)合起來，跨越了物質(zhì)和經(jīng)濟(jì)兩大領(lǐng)域，以價(jià)值為依托的物質(zhì)測度指標(biāo)在實(shí)踐中應(yīng)用性很強(qiáng)。但這類指標(biāo)的局限性在于忽略了物質(zhì)（能源）循環(huán)過程中引致的資源、能源的二次投入所增加的環(huán)境壓力。正如著名經(jīng)濟(jì)學(xué)家尼古拉斯·喬治斯庫-羅根所提出的“第四定律”：“完全循環(huán)利用是不可能的，即使是最有效的循環(huán)利用過程，也將產(chǎn)生一些高熵廢棄物，經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和消費(fèi)過程中能量的耗散以及廢棄物的產(chǎn)生是無法避免的，廢棄物中的有效能不可能降低為零?！币虼?，應(yīng)用此類指標(biāo)進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)水平的測度，往往會(huì)將物質(zhì)循環(huán)過程中的二次投入的添加物質(zhì)，即協(xié)同循環(huán)物質(zhì)的量計(jì)算在物質(zhì)循環(huán)量之中，導(dǎo)致測度結(jié)果偏高。

因此，對于產(chǎn)業(yè)物質(zhì)循環(huán)水平的測度，應(yīng)以物質(zhì)通量的測度為標(biāo)志，既關(guān)注產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)宏觀的直接物質(zhì)循環(huán)量，又注重產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部，不同部門和環(huán)節(jié)之間的間接物質(zhì)循環(huán)量，進(jìn)一步厘清循環(huán)過程中的添加物質(zhì)的數(shù)量，構(gòu)建環(huán)境壓力最小化視角下的物質(zhì)循環(huán)評價(jià)方法體系，準(zhǔn)確考量產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。

三、環(huán)境壓力最小化視角下的產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)測度體系

本研究應(yīng)用由 Finn（1976）提出，Bailey（2000）進(jìn)一步地完善生態(tài)投入產(chǎn)出流分析方法，進(jìn)行環(huán)境壓力最小化視角下的產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)測度研究。

（一）數(shù)學(xué)推導(dǎo)

Hi表示第i個(gè)過程，fij表示Hj向Hi過程流動(dòng)過程中的實(shí)物流。y0j表示從Hj過程的實(shí)物流出。zi0進(jìn)入Hi過程的實(shí)物流入。

Hj過程的通量流（通量流）用Tj來表示，定義為所有流入流和流出流的總和。

式（3）中，說明具體過程中實(shí)物流積累的變化，但是還不能得出循環(huán)的數(shù)值和指標(biāo)。投入產(chǎn)出流分析的關(guān)鍵一步是將每一過程中每一份流入量描繪成那一過程的全部通量流的百分比。這個(gè)百分比用來表示，其定義如式（4）所示。

將式（4）帶入式（3）可得，通量流的表達(dá)式為

式（5）轉(zhuǎn)化為矩陣形式如式（6）所示，首項(xiàng)代表轉(zhuǎn)置向量。

對T求解得

N＊被定義為

N＊稱為生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，代表了與系統(tǒng)各個(gè)組成部分相關(guān)的直接和間接物質(zhì)流動(dòng)。同時(shí)N＊又是一個(gè)傳遞閉包矩陣（transitive closure matrix），能夠說明系統(tǒng)中直接和間接物質(zhì)流動(dòng)的獨(dú)立路徑，還可以詮釋該過程中不同路徑的物質(zhì)流動(dòng)彼此之間的相互關(guān)系。

式（9）中，（Q＊）n代表系統(tǒng)中路徑長度為n的一系列的物質(zhì)流動(dòng)。首項(xiàng)I為單位矩陣，代表系統(tǒng)中全部初始物質(zhì)流。第二項(xiàng)Q＊代表全部直接物質(zhì)流，第三項(xiàng)（Q＊）2代表路徑長度為2的所有間接物質(zhì)流，第四項(xiàng)代表所有路徑為3的所有的間接物質(zhì)流。全部直接和間接物質(zhì)流都是N＊的解釋變量。因此，可以從N＊包含的所有直接和間接物質(zhì)流中分離出物質(zhì)循環(huán)的信息，實(shí)現(xiàn)對直接和間接物質(zhì)循環(huán)量的測度。

（二）測度指標(biāo)

本研究中，從傳遞閉包矩陣N＊中提取物質(zhì)循環(huán)指標(biāo)。生態(tài)投入產(chǎn)出分析中將凡是在系統(tǒng)中發(fā)生過至少一次或一次以上循環(huán)的物質(zhì)流動(dòng)，作為測度的范圍。兩個(gè)主要的投入產(chǎn)出物質(zhì)循環(huán)指標(biāo)是循環(huán)效率（REk）和循環(huán)指數(shù)（CI）。

循環(huán)效率（REk）是指在每一個(gè)Hk的過程中，再次通過Hk至少一次以上的物質(zhì)流占通量流（Tk）的比例。換言之，循環(huán)的物質(zhì)流占總通量流的比例。當(dāng)循環(huán)效率＝0.5時(shí)，表明在此過程中，所有物質(zhì)流僅通過一次。當(dāng)循環(huán)效率＝0.5時(shí)，表示在此過程中，再次通過的物質(zhì)流占總物質(zhì)流的50%。循環(huán)效率通過矩陣N＊的對角元進(jìn)行計(jì)算，即

表示Hk過程中的物質(zhì)流再次通過Hk一次，但不再回到Hk。當(dāng)大于1，的差額表示再次通過Hk一次以上的物質(zhì)流。

由于循環(huán)效率代表了循環(huán)流占總物質(zhì)流Tk的比例，因此，REk與Tk的乘積表示Hk過程中循環(huán)流的數(shù)量，即

當(dāng)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的總物質(zhì)流被定義為式（12）時(shí)，則系統(tǒng)的循環(huán)指數(shù)表示循環(huán)流的數(shù)量與總物質(zhì)流的比值，如式（13）所示

循環(huán)指數(shù)（CI）是無量綱數(shù)值，其大小范圍介于0，1之間。當(dāng)其等于0時(shí)，表示系統(tǒng)中不存在物質(zhì)循環(huán)，當(dāng)其等于1時(shí)，表示系統(tǒng)中的物質(zhì)流完全被循環(huán)。循環(huán)指數(shù)是應(yīng)用傳遞閉包矩陣和循環(huán)效率來衡量產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)總體水平的重要指標(biāo)。國外學(xué)者（Bailey，2000）在此基礎(chǔ)上，又將循環(huán)效率按照所在部門的不同，分為消費(fèi)循環(huán)效率（REc）和生產(chǎn)循環(huán)效率（REp）。當(dāng)存在一系列的消費(fèi)過程，即 Hu，u＝1，…，m，存在一系列生產(chǎn)過程Hp，p＝1，…，g時(shí)，則消費(fèi)循環(huán)效率（REc）和生產(chǎn)循環(huán)效率（REp）可以被定義為式（14）和式（15）。當(dāng)REc增加時(shí)，表示再次進(jìn)入消費(fèi)部門的物質(zhì)流增加，當(dāng)REp增加時(shí)，表示再次進(jìn)入生產(chǎn)部門的物質(zhì)流增加。

一般來說，循環(huán)指數(shù)（CI）的增加，意味著進(jìn)入到產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)中新的物質(zhì)投入量降低，物質(zhì)流動(dòng)對環(huán)境的影響較小。

四、兩種產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)測度模式的比較分析

（一）內(nèi)涵比較

基于生態(tài)投入產(chǎn)出的物質(zhì)循環(huán)測度指標(biāo)是建立在傳遞閉包矩陣基礎(chǔ)之上，全面考慮系統(tǒng)中的直接和間接物質(zhì)循環(huán)流。與現(xiàn)行的產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)體系（見圖1）不同的是，環(huán)境壓力最小化視角下的產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)測度體系建構(gòu)了四類物質(zhì)循環(huán)模型，如圖2所示。H1表示生產(chǎn)過程，H2產(chǎn)品消費(fèi)過程。對于模型A和模型B而言，包括物質(zhì)循環(huán)流在內(nèi)的所有物質(zhì)流都直接影響到系統(tǒng)中的每一個(gè)過程。因此，物質(zhì)循環(huán)量的大小都等同于不考慮間接物質(zhì)循環(huán)流時(shí)的結(jié)果。對于模型C和D模型而言，物質(zhì)循環(huán)流只影響到生產(chǎn)或者消費(fèi)其中一個(gè)過程，因此循環(huán)度和回收利用率兩項(xiàng)指標(biāo)不能充分地反映物質(zhì)循環(huán)流在整個(gè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)中的水平，具體的計(jì)算比較如表1所示。

圖2 物質(zhì)循環(huán)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

表1 兩種產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)測度指標(biāo)公式比較

（二）測度結(jié)果比較

對于更加復(fù)雜一些的系統(tǒng)而言，間接物質(zhì)循環(huán)流的效應(yīng)將愈加明顯，與現(xiàn)行的產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)指標(biāo)的結(jié)果區(qū)別較大。對于REc和REp沒有在表1中進(jìn)行比較，其公式與現(xiàn)行物質(zhì)循環(huán)指標(biāo)回收利用率公式相同，但這并不意味著兩個(gè)指標(biāo)的內(nèi)涵也相同，其根本原因是文中舉例進(jìn)行研究的系統(tǒng)過于簡單，系統(tǒng)變得越復(fù)雜，兩者的區(qū)別將越明顯。

如圖3所示，該案例根據(jù) Graedel TE，Allenby BR.（1995）提出的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)模型（Ⅱ）為基礎(chǔ)構(gòu)建，模型中數(shù)值為假設(shè)數(shù)值［18］。H1為原生物質(zhì)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的物質(zhì)過程，H2為生產(chǎn)過程，H3為消費(fèi)過程，H4為循環(huán)過程。其中廢棄物由物質(zhì)過程中產(chǎn)生、生產(chǎn)過程和消費(fèi)過程三個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生。由物質(zhì)過程產(chǎn)生的物質(zhì)流，經(jīng)過生產(chǎn)過程、消費(fèi)過程、循環(huán)過程最終回到物質(zhì)過程，形成循環(huán)體系。

圖3 產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)模型

表2 兩種產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)測度指標(biāo)數(shù)值比較

如表2所示，循環(huán)度數(shù)值等于進(jìn)入系統(tǒng)中的循環(huán)物質(zhì)量70噸/年與總的物質(zhì)投入量（160噸/年）的比值。回收利用率數(shù)值等于通過消費(fèi)部門回收的物質(zhì)量（50噸/年）與消費(fèi)部門總的物質(zhì)投入量（100噸/年）的比值。結(jié)果顯示，現(xiàn)行產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)指標(biāo)循環(huán)度（基于生產(chǎn)投入）為43.8%，回收利用率（基于消費(fèi)投入）為50%，這兩個(gè)數(shù)值與基于投入產(chǎn)出法計(jì)算得來的REp（36.7%）和REc（32.6%）存在較大的 差別。背后的原因：循環(huán)度指標(biāo)計(jì)算主要是消費(fèi)前物質(zhì)循環(huán)量與消費(fèi)后的物質(zhì)循環(huán)量加總與總物質(zhì)投入量的比值，而REp是消費(fèi)前物質(zhì)循環(huán)量與總物質(zhì)投入量的比值，計(jì)算范疇有所不同，換言之，循環(huán)度（43.8%）中，有36.5% 是消費(fèi)后的物質(zhì)循環(huán)量與總物質(zhì)投入量的比值，有7.3%是消費(fèi)前物質(zhì)循環(huán)量與總物質(zhì)投入量的比值。

同時(shí)也注意到，循環(huán)度指標(biāo)中消費(fèi)后的物質(zhì)循環(huán)量與總物質(zhì)投入量的比值36.5%，大于REc（32.6%），主要的原因是：在循環(huán)過程中的原生物質(zhì)投入量（10噸/年）也作為循環(huán)物質(zhì)量計(jì)算進(jìn)去了，而實(shí)際上其不屬于物質(zhì)循環(huán)流的范疇。勿容置疑，在循環(huán)利用過程中，需要加入其它的原生物質(zhì)，例如添加劑，才能具備循環(huán)利用的條件，這種作用關(guān)系稱作“協(xié)同循環(huán)”作用。但是如果所添加的原生物質(zhì)量過大，會(huì)造成區(qū)域總量環(huán)境壓力的進(jìn)一步增加，失去了循環(huán)的意義。此外，間接物質(zhì)循環(huán)流沒有計(jì)入循環(huán)度的計(jì)算之中。

為了進(jìn)一步說明消費(fèi)前物質(zhì)循環(huán)量對產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)水平的影響，對原有的產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)模型（圖3）進(jìn)行改動(dòng)，改動(dòng)后剔除了消費(fèi)前的物質(zhì)循環(huán)量（10噸），變成直接排放，整個(gè)系統(tǒng)形成單項(xiàng)閉路循環(huán)（見圖4）。值得注意的是，改動(dòng)前后，消費(fèi)后的物質(zhì)循環(huán)度沒有變化，仍為36.4%，而REp確降低了6.1%，REc降低了2%，這清晰的說明，現(xiàn)行的產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)測度指標(biāo)不能全面的測度產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)水平，間接地物質(zhì)循環(huán)流的影響都體現(xiàn)在指標(biāo)的變幅之中?，F(xiàn)行的產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)測度指標(biāo)由于較少的關(guān)注到物質(zhì)循環(huán)流的不同路徑，進(jìn)而忽視了間接物質(zhì)循環(huán)流的計(jì)算。特別是對于一個(gè)復(fù)雜性較強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)而言，現(xiàn)行的循環(huán)度和回收利用率指標(biāo)已經(jīng)不能全面、準(zhǔn)確地測度物質(zhì)循環(huán)利用水平。

圖4 剔除消費(fèi)前物質(zhì)循環(huán)量的產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)模型

五、結(jié)論

循環(huán)經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為調(diào)控經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)之間通量的重要形式。實(shí)踐中循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈條的構(gòu)建、節(jié)能降耗的推進(jìn)手段從根本上來說是通過調(diào)控進(jìn)入到經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)代謝路徑，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)或減物質(zhì)化。通過闡述現(xiàn)行產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)指標(biāo)的類別與內(nèi)涵，識別現(xiàn)行產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)指標(biāo)體系的局限性，提出應(yīng)用生態(tài)投入產(chǎn)出流分析方法構(gòu)建以物質(zhì)通量的測度為標(biāo)志的環(huán)境壓力最小化產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)指標(biāo)體系，并從內(nèi)涵和結(jié)果兩個(gè)方面與現(xiàn)行物質(zhì)循環(huán)指標(biāo)進(jìn)行比較，主要結(jié)論如下。

（1）在產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)利用水平評價(jià)過程中，應(yīng)以物質(zhì)通量的流動(dòng)作為標(biāo)志，準(zhǔn)確測度產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)每一個(gè)環(huán)節(jié)中重復(fù)流動(dòng)的物質(zhì)循環(huán)量。關(guān)注消費(fèi)后期廢棄物循環(huán)的同時(shí)，加強(qiáng)關(guān)注消費(fèi)前期的物質(zhì)循環(huán)水平的測度。具體來說，既關(guān)注直接物質(zhì)循環(huán)行為的同時(shí)，更應(yīng)關(guān)注到物質(zhì)循環(huán)流的不同路徑，加強(qiáng)間接物質(zhì)循環(huán)利用行為的測度。

（2）在物質(zhì)循環(huán)過程中，存在大量的物質(zhì)和能源二次投入，這些物質(zhì)對于實(shí)現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)起到重要的協(xié)同循環(huán)作用，促成了物質(zhì)循環(huán)行為的完成。與此同時(shí)，物質(zhì)和能源的二次投入也增加了產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)中的物質(zhì)通量水平，使得物質(zhì)循環(huán)水平測度水平偏高。因此，對于在物質(zhì)循環(huán)的測度中，應(yīng)將其使用量從物質(zhì)循環(huán)量中剔除。

（3）二次投入物質(zhì)的自身環(huán)境友好屬性的強(qiáng)弱是會(huì)造成區(qū)域總量環(huán)境壓力的進(jìn)一步增加的潛在根源。因此，在選擇和使用這些二次添加物時(shí)，不僅要以質(zhì)量減量的原則進(jìn)行減量添加，更重要的是，應(yīng)選擇環(huán)境友好屬性強(qiáng)的物質(zhì)進(jìn)行添加，避免物質(zhì)循環(huán)和替代環(huán)節(jié)的二次環(huán)境壓力的產(chǎn)生。

（4）以物質(zhì)通量的測度為標(biāo)志的環(huán)境壓力最小化產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)指標(biāo)體系構(gòu)建，為科學(xué)準(zhǔn)確的評價(jià)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)水平，客觀考量循環(huán)經(jīng)濟(jì)示范工程、節(jié)能減排項(xiàng)目實(shí)施效果提供理論依據(jù)，同時(shí)為指導(dǎo)我國園區(qū)層面循環(huán)經(jīng)濟(jì)試點(diǎn)建設(shè)提供實(shí)踐策略借鑒。

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