基于MFA方法和STIRPAT模型的甘肅省環(huán)境經(jīng)濟系統(tǒng)物質流研究

朱霞霞 張劍 曹建軍

摘 要：環(huán)境經(jīng)濟系統(tǒng)物質輸入與輸出研究能全面反映經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境之間的關系。運用物質流分析（MFA）方法和STIRPAT模型，研究和分析了甘肅省環(huán)境經(jīng)濟系統(tǒng)2000～2011年間物質的輸入與輸出及其驅動因素。結果表明：第一，不考慮水資源的情況下，2000～2011年，甘肅省物質輸入與輸出不斷增加，年均增長率分別為6.90%和9.56%，均小于15.68%的GDP年增長率；輸入增長主要源于固體物質投入的增加，而輸出增長主要源于氣體物質的增加。第二，物質輸入與輸出高度相關，說明甘肅省經(jīng)濟發(fā)展仍處于資源依賴性階段。第三，盡管物質輸入與輸出不斷增加，但物質輸入與輸出效率均不斷減小，這意味著甘肅省的資源利用率和處置率穩(wěn)步提高，區(qū)域環(huán)境經(jīng)濟正在逐步走向協(xié)調發(fā)展的軌道。第四，當人口數(shù)量、富裕程度、技術水平和經(jīng)濟結構分別發(fā)生1%的變化時，相應的環(huán)境影響變化量依次為0.998%、0.991%、0.99%和0.42%。未來幾年間，甘肅省應重點從提高技術水平方面著手，加快經(jīng)濟結構調整、轉變經(jīng)濟增長方式，以減輕經(jīng)濟發(fā)展對環(huán)境系統(tǒng)的影響。

關鍵詞：甘肅??；物質流分析；STIRPAT模型；經(jīng)濟發(fā)展；環(huán)境影響

環(huán)境經(jīng)濟系統(tǒng)的物質流輸入與輸出分析（Material Flow Analysis，MFA）方法能夠有效對環(huán)境保護和經(jīng)濟發(fā)展之間的關系進行綜合評價。自歐盟統(tǒng)計局于2001年提出國家層面的MFA系統(tǒng)分析框架后，許多國家便開展了大量的實證研究。法國、英國等歐美發(fā)達國家先后完成了國家層面的物質流分析。近年來，中國等發(fā)展中國家也開始關注這一領域，地區(qū)層面和元素的研究也進入這一領域，如廣東省、磷元素等。

通過以上研究的分析，MFA方法只側重于物質輸入與輸出的實際發(fā)生過程，對引起其結構變化的原因及由此對環(huán)境所造成的影響關注不夠，無法為解決環(huán)境保護和經(jīng)濟發(fā)展的深層次矛盾提供可靠的決策建議，而STIRPAT模型能夠彌補這一方法的不足。有關STIRPAT模型在環(huán)境影響評價中的應用，已有諸多研究案例。如甘肅省、重慶市等。即使STIRPAT模型具有如此優(yōu)點，但通過查閱大量文獻發(fā)現(xiàn)，無論是國外研究者，還是國內學者，通常將此模型和MFA方法單獨應用，致使研究結果缺乏說服力且零散不系統(tǒng)。

鑒于此，本研究以甘肅省為例，運用物質流分析方法，結合STIRPAT模型，對環(huán)境經(jīng)濟系統(tǒng)2000～2011年間的物質輸入與輸出狀況及其驅動因素進行深入研究，以期為甘肅省的經(jīng)濟發(fā)展、資源利用和環(huán)境保護提供定量的科學決策依據(jù)。

一、研究方法

（一）研究區(qū)域的劃定

按照“歐盟原則”，研究區(qū)甘肅省物質流分析所涉及的系統(tǒng)邊界為經(jīng)濟系統(tǒng)與自然環(huán)境之間的邊界，即經(jīng)濟系統(tǒng)從自然環(huán)境中所獲取的物質資源，并將廢棄物重新排放到環(huán)境中的邊界。

環(huán)境經(jīng)濟系統(tǒng)的凈儲存主要指人工制造的固定資產(chǎn)，如基礎設施、車輛、建筑以及庫存商品等。區(qū)域內總物質輸入等于總物質輸出與物質存量凈增長之和。由于有些物質有不確定的邊界界定，導致物質存量會對物質輸入輸出產(chǎn)生影響，因此，本研究在不考慮國民經(jīng)濟賬戶平衡問題的前提下，主要分析甘肅省區(qū)域內物質輸入輸出動態(tài)變化趨勢。

（二）數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.數(shù)據(jù)來源及處理。研究中所用到的原始數(shù)據(jù)均來自2000～2011年公開出版的各類統(tǒng)計年鑒（包括中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒、中國農村統(tǒng)計年鑒、中國統(tǒng)計年鑒以及甘肅發(fā)展年鑒等）。由于自甘肅省外（其它省份以及其他國家）輸入或自甘肅省輸出到省外的一次資源、成品及半成品實物數(shù)據(jù)不詳，因此本文采用了不包含省外輸出或輸入物質數(shù)據(jù)的指標進行核算，即自然物質直接物質輸入和輸出以及生產(chǎn)過程輸出指標進行物質流分析。

（1）輸入的固體物質分為生物物質和非生物物質。

（2）輸入的氣體主要包括二氧化碳和氧氣，前者主要用于植物光合作用，后者主要消耗在化石能源燃燒、生物呼吸、土壤呼吸以及工業(yè)生產(chǎn)等方面。由于甘肅省統(tǒng)計數(shù)據(jù)的不全面，這兩類氣體的輸入量主要通過計算得出。其中，化石能源燃燒耗氧量用二氧化硫排放量近似估算，生物呼吸耗氧量的計算利用各類生物的數(shù)量乘以相應類別每種生物年均呼吸消耗氧氣量得到，植物光合作用所消耗的二氧化碳量利用農林產(chǎn)品產(chǎn)量乘以系數(shù)1.47近似求得，工業(yè)生產(chǎn)耗氧相對較少且較難估算，故略去。

（3）輸入水體總量定義為工業(yè)用水和生活用水之和。

（4）輸出端的固體廢物包括生活垃圾排放量、廢水中的COD、氨氮和農藥化肥的流失量。此次物質流分析中，氮肥、磷肥和鉀肥的利用率分別按0.3、0.2和0.4計，農藥的利用率按0.3計。

（5）輸出端的氣體包括廢氣與其它氣體，主要由工業(yè)廢氣、氧氣和二氧化碳組成。具體計算如下：化石能源燃燒所產(chǎn)生的二氧化碳量采用公式（1）估算。

m（CO2）（折合成碳）= ΣPi*Fi*Ci （1）

式（1）中，m（CO2）為化石能源燃燒排放折合成碳的二氧化碳量；Pi為第i種化石能源的消耗量，僅考慮石油、煤和天然氣3種，經(jīng)計算得到；Fi為第i種化石能源的平均有效氧化系數(shù)，石油、煤、天然氣分別取0.918、0.982、0.98；Ci為單位化石能源中的含碳量，對應的每噸標準煤所燃燒的石油、煤、天然氣的平均含碳量分別為0.707、0.85和0.403。

土壤呼吸所排放二氧化碳量由農田生態(tài)系統(tǒng)單位面積的年均碳釋放量轉換得到，本研究按耕地面積計算，年均二氧化碳排放量取25.60t/hm2。植物光合作用所產(chǎn)生的氧氣量根據(jù)與二氧化碳量的比值得到。

（6）輸出端廢水為工業(yè)廢水和生活廢水的排放量的總和。

2.研究方法。物質流分析（MFA）方法以質量守恒定律為依據(jù)，物質質量作為物質輸入與輸出的計量標準。STIRPAT模型以物質輸入作為主變量，以人口數(shù)量、富裕程度、技術水平等驅動因素作為因變量，分解因變量對物質輸入的影響程度、作用方向和調控空間，STIRPAT模型的應用研究主要集中在環(huán)境影響方面。本研究中，利用STIRPAT模型建立人文因素與環(huán)境影響關系，基本方程如下式：

I=aPbAcTde （2）

式（2）中，I為環(huán)境影響；P為人口；A為富裕程度；T為技術水平；a，b，c，d，e為擬合參數(shù)。實際的應用中，模型可增加其他人文驅動因素變量，所增加的變量需與式（2）指定的乘法形式概念一致。已有研究表明，人口數(shù)量、富裕程度、技術水平、經(jīng)濟結構、政治和經(jīng)濟制度、態(tài)度和信仰等因素將影響物質輸入。因此，參照已有研究成果，選取人口數(shù)量、富裕程度、技術水平和經(jīng)濟結構四個變量作為物質輸入驅動指標，建立基于物質輸入驅動機制的甘肅省STIRPAT模型。方程由基本方程式（2）轉變?yōu)槎嘧宰兞康姆蔷€性模型式（3）：

I=aPbAcTdSef （3）

STIRPAT模型在研究中需進行對數(shù)變換，變換后為式（4）：

lnI=lna+blnP+clnA+dlnT+elnS+lnf （4）

式（4）中，lnI為因變量，lnP、lnA、lnT、lnS為自變量，lna為常數(shù)項，lnf為誤差項，其中，環(huán)境影響（I）以物質輸入量（不含水）表示；lna、lnf由多元線性擬合得到；人口（P）以人口數(shù)量表示；富裕程度（A）以人均GDP表示；技術水平（T）以物質輸入強度表示（T值越小，技術水平越先進）；經(jīng)濟結構優(yōu)化率（S）以第一、二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占國內生產(chǎn)總值的比例表示（S值越小，經(jīng)濟結構優(yōu)化率越高）。

二、結果

（一）甘肅省環(huán)境經(jīng)濟系統(tǒng)的物質輸入與輸出

甘肅省環(huán)境經(jīng)濟系統(tǒng)2000～2011年的物質輸入與輸出見表1。由表1所示，2000～2011年甘肅省物質輸入年均遞增率為6.90%，物質輸出年均遞增率為9.56%，但兩者的增長速度均小于GDP（2000年不變價）的增長速率（15.68%）；結果表明：不考慮水的情況下，物質輸入總量與輸出總量動態(tài)上均呈波動上升趨勢。

1.物質輸入與輸出強度

如圖1所示，不考慮水的情況下，2000～2011年物質輸入與輸出強度處于波動上升的趨勢，且趨勢基本一致。2000～2011年物質輸入與輸出強度年均增長率分別為11.6%、9.4%，均低于同期人口年均增長率的16.5%。

2.物質輸入與輸出效率

如圖2所示，2000～2011年物質輸入與輸出效率均呈波動下降趨勢。2000～2011年物質輸入與輸出效率年均遞減率分別為5.85%和3.66%。

（二）物質輸入與物質輸出關系

不考慮水的情況下，利用回歸統(tǒng)計分析方法對2000～2011年甘肅省總物質輸入量與輸出量進行線性擬合。由圖3所示，總物質輸入量與輸出量的擬合系數(shù)R2為0.9543（p<0.001），表明隨著時間的推移，物質輸入量與輸出量呈正比例不斷增加。

（三）物質輸入驅動因素

利用Eviews7.0分析軟件，采用最小二乘法對甘肅省STIRPAT模型中常數(shù)項和誤差項參數(shù)擬合，擬合結果由式（5）所示，甘肅省STIRPAT模型擬合度高達0.9999，表明本研究選取的指標能解釋2000～2011年甘肅省環(huán)境經(jīng)濟系統(tǒng)物質輸入的99.99%，模型擬合較好。

lnI=0.998lnP+0.99lnA+0.99lnT+0.42lnS-6.81

（5）

由式（5）推算可得，當人口數(shù)量（P）、富裕程度（A）、技術水平（T）和經(jīng)濟結構（S）每發(fā)生1%變化，環(huán)境影響（I）相應的變化量為0.998%、0.991%、0.99%、0.42%。

三、討論

（一）甘肅省物質輸入與輸出變化

由表1所示，不考慮水的情況下，2000～2011年甘肅省環(huán)境經(jīng)濟系統(tǒng)中，物質輸入量和輸出量均呈增加趨勢。在物質輸入方面，在2000～2001年和2003～2004年，氣體物質輸入量大于固體輸入量，從2005年開始固體物質輸入量大于氣體輸入量，固體物質輸入量的不斷增加，表明大量的固體物質以產(chǎn)品、半成品和原料等形式被暫時貯存在環(huán)境經(jīng)濟系統(tǒng)中，參與系統(tǒng)中的生產(chǎn)和消費；在物質輸出方面，氣體物質占較大比例，其次為固體物質何耗散性物質。

由圖3所示，2000～2011年甘肅省總物質輸入量與輸出量成正比，由此表明，甘肅省環(huán)境經(jīng)濟系統(tǒng)中物質的粗放型線性經(jīng)濟發(fā)展模式，即“高資源投入，高污染排放”還沒有得到根本轉變。因此，應采取從源頭控制的方式減少進入甘肅省環(huán)境經(jīng)濟系統(tǒng)的化石能源、礦產(chǎn)資源和生物資源等物質輸入量，轉變甘肅省經(jīng)濟增長方式，從而避免末端治理中大量能源與資源的附加投入，降低能源資源的投入量及污染物排放總量，這樣不僅能夠減緩經(jīng)濟發(fā)展所導致的環(huán)境質量退化，而且能夠減少經(jīng)濟系統(tǒng)向環(huán)境排放的廢物量，這將成為甘肅省今后發(fā)展經(jīng)濟的根本途徑。

（二）甘肅省物質輸入輸出強度與效率的變化

由圖1所示，不考慮水的情況下，2000～2011年甘肅省環(huán)境經(jīng)濟系統(tǒng)物質輸入與輸出強度仍然在不斷上升，但輸入與輸出強度均在2009年出現(xiàn)下降并趨于平衡，主要源于逐年不斷增長的人口數(shù)量；由圖2所示，不考慮水的情況下，2000～2011年甘肅省環(huán)境經(jīng)濟系統(tǒng)物質輸入與輸出效率呈現(xiàn)不斷降低的趨勢，表明甘肅省社會經(jīng)濟發(fā)展的同時帶動了人們對能源資源等物質消費的增長，進而導致了物質輸出量的增加；同時，隨著物質輸入與輸出效率的不斷降低，甘肅省經(jīng)濟系統(tǒng)的資源利用效率明顯提高，從而說明甘肅省經(jīng)濟增長與環(huán)境壓力正在逐步脫鉤。

2000～2011年甘肅省環(huán)境經(jīng)濟系統(tǒng)物質輸入與輸出效率年均遞減率分別為5.85%和3.66%，對比國內發(fā)達地區(qū)廈門市，其物質輸入效率年均遞減率大于廈門市物質輸入年均遞減率（3.85%），物質輸出效率年均遞減率則小于廈門市物質輸出年均遞減率（3.91%），對比結果表明，物質輸入年均遞減率快于國內發(fā)達地區(qū)，而物質輸出效率年均遞減率慢于國內發(fā)達地區(qū)，這說明甘肅省資源利用效率、廢棄物處理效率正在逐年提高，區(qū)域經(jīng)濟增長呈良性態(tài)勢的同時，環(huán)境壓力也趨于減小，而且隨著甘肅省循環(huán)經(jīng)濟的不斷深入以及物質減量化資源化技術的推廣應用，這一趨勢更為明顯。

（三）STIRPAT模型分析

利用Eviews7.0分析軟件擬合出的甘肅省環(huán)境經(jīng)濟系統(tǒng)物質輸入驅動因素的STIRPAT模型式（5）推算可知，當人口數(shù)量（P）、富裕程度（A）、技術水平（T）和經(jīng)濟結構（S）每發(fā)生1%變化，環(huán)境影響（I）相應的變化量為0.998%、0.991%、0.99%、0.42%。因此，控制甘肅省的人口數(shù)量，加快經(jīng)濟結構調整、轉變經(jīng)濟增長方式，開發(fā)物質減量化、資源化應用技術，對減輕甘肅省環(huán)境經(jīng)濟系統(tǒng)破壞尤為關鍵。另外，本研究在STIRPAT模型驅動因素分析中未考慮水的因素，主要是為避免大的物質（水的因素）輸入淡化其他物質輸入在驅動因素分析中的清晰度，有關水的驅動因素研究將在今后的中做進一步探討。

四、結語

2000～2011年間，不考慮水的情況下，隨著甘肅省社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，物質輸入與輸出強度呈現(xiàn)同步的波動上升趨勢；物質輸入與輸出效率均呈波動下降趨勢；物質輸入總量和物質輸出總量存在明顯的線性關系；各驅動因素中，人口數(shù)量和富裕程度的增長對物質輸入的增加產(chǎn)生正作用，而技術水平和經(jīng)濟結構優(yōu)化率的降低則對物質輸入的增長產(chǎn)生負作用。所以在未來幾年間，在人口數(shù)量和富裕程度變化不大的情況下，甘肅省應重點從提高技術水平方面著手，加快經(jīng)濟結構調整、轉變經(jīng)濟增長方式，以減輕經(jīng)濟發(fā)展對環(huán)境系統(tǒng)的影響。

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基金項目：本文系國家自然科學基金項目（41461012）；甘肅省自然科學基金項目（1208RJZA114）；西北師范大學青年教師科研能力提升計劃項目（NWNU-LKQN-11-10）。

作者簡介：張劍（1981- ），男，陜西銅川人，副教授，碩導，研究方向：環(huán)境地理學。