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1資料與方法

1.1物質類型劃分

按照國際上通用的劃分方法,將進入經濟系統的自然物質分為生物物質、固體非生物物質、水和空氣4類,將排出經濟系統的物質分為固體廢棄物、廢水、廢氣和其他氣體物質3類。盡管它們的屬性不完全相同,但都是人類為了生產和消費的目的從自然界中掘取和排放到自然界中去的物質或資源。這里有幾點需要說明:

(1)各類物質都具有相對完整的從搖籃到墳墓的生命過程,即系統輸入部分的各種物質資源在輸出端統計中能夠得到相應的體現,而輸出部分的各種資源和廢物也能在輸入端找到相應的來源。例如,輸入端的化石燃料在輸出端體現為工業固體廢棄物和工業廢氣的排放。應當指出,由于輸入與輸出的統計來源和方法不同,并且有部分物質轉化成產品暫時儲存在經濟系統之中,所以,在特定時期內,輸入與輸出的物質量并不是完全平衡的。

(2)納入統計的各項物質輸入量,均取產量而不取消費量,因為它更近似地反映了該年輸入經濟系統的物質資源數量。在生物物質產量計算中,為了避免重復計算,凡人工飼養、且以農產品為飼料的水產品和畜產品產量,均未計入。

(3)由于受到資料可獲得性的限制,納入統計的物質較通過真實經濟系統的物質范疇有所縮小。例如:由于缺乏歷年農業灌溉用水及直接引自地表水系和地下水系的工業用水等統計資料,輸入端對水的統計只考慮了自來水的供應量。

(4)可持續發展已不只是一個國家或地區的事務,本國的持續發展應兼顧全球的利益,這已經在國際上達成共識。因此,在本研究中,進出口物質資源也被納入統計的范疇。

1.2數據統計計算

輸入端的固體物質分為非生物和生物物質兩大部分。前者由化石燃料、金屬和工業礦物的年產量代表,化石燃料由原煤、原油和天然氣3部分組成,數據取自《中國統計年鑒》;金屬和工業礦物由金、銅、鋁、鉛、鋅、鐵、原鹽、硫鐵礦和磷礦石等物質組成,數據取自《中國統計年鑒》和《中國工業經濟統計年鑒》,其中銅、鉛和鋅1986年至1988年的數據缺失,根據其他年份數據推算得來。后者由農作物、經濟作物和林木的年產量代表,數據取自《中國統計年鑒》。水的輸入量由自來水供應量代替,原因如前文所述,數據取自《中國統計年鑒》。

輸入的氣體主要包括氧氣和二氧化碳2部分。前者主要消耗于化石燃料燃燒、工業生產及生物呼吸等方面,后者主要消耗于植物的光合作用。由于沒有這方面的統計數據,這2部分的氣體輸入量均由計算得出。工業生產流程耗氧相對較少且不易估算,故予以略去?；剂先紵难趿客ǔ２捎弥饕趸镔|(CO2,CO,NO2,SO2,H2O)的排放量予以估算。由于只有CO2和SO2的排放量數據,所以,只能用這2種氣體的排放量近似地估計耗氧量,其計算方法是,將化石燃料燃燒排放的二氧化碳量乘以0.73與二氧化硫排放量的0·5倍相加[15]。在生物呼吸耗氧的計算過程中,將生物分為人和動物2類,后者主要指家畜如牛、馬、豬和羊等。人類呼吸消耗的氧氣,通過人類消耗的食物量間接估算,即用每人每年平均消耗食物的質量乘以0·283,再乘以全國的總人口數[15]。鑒于我國農村和城鎮人口的食物消費結構不同,需要分別統計。城市人口人均食物消耗量由《中國統計年鑒》“城鎮居民家庭平均每人全年購買的主要商品的數量”一表中所列的與食品相關的各項相加得到;農村人口人均食物消耗量由《中國統計年鑒》“農村居民家庭平均每人主要消費品消費量”一表中所列的與食品相關的各項相加得到。將上述結果分別乘以0·283,然后乘以各自的人口數,最后相加,即得到歷年我國的人口呼吸耗氧量。動物呼吸耗氧量的計算方法是用各類家畜的年產量(頭數)乘以相應類別每頭家畜每年呼吸平均消耗的氧氣量[15]得到。例如,每頭牛平均每年的呼吸耗氧量為970kg,將每年的產牛頭數乘以970kg,便得到我國牛的呼吸耗氧量。按照同樣的方法,算出其他家畜的呼吸耗氧量。將各種家畜呼吸耗氧量加和即得到歷年我國的動物呼吸耗氧量。將人口呼吸耗氧量與動物呼吸耗氧量相加,最終得到我國生物呼吸耗氧量的時間序列。植物光合作用消耗的二氧化碳量近似地用農、林產品產量乘以1·47求得[15]。進口物質資源數量只將以質量為單位的各種原材料物質納入統計的范圍。

由于缺乏生活垃圾排放量的統計資料,輸出端固體廢棄物部分僅包括工業固體廢棄物和化肥的流失量,數據分別取自《中國環境年鑒》和《中國統計年鑒》。將化肥作為輸出部分的組分是因為其很容易轉化成污染物隨水和空氣的運動而流失到環境中去。廢水排放總量取自《中國環境年鑒》,包括生活污水和工業廢水2部分。由于沒有1996年和1997年的廢水排放總量數據(這兩年只有工業廢水排放量的統計),采用廢水排放總量與工業廢水排放量之間的線性回歸方程外推求得。廢氣和其他氣體主要由3部分組成,分別是工業廢氣,包括工業二氧化硫、工業煙塵和工業粉塵;二氧化碳,主要由化石燃料燃燒及生物呼吸作用產生;氧氣,來自于植物光合作用。二氧化硫、工業煙塵和工業粉塵的數據取自《中國環境年鑒》,二氧化碳和氧氣數據則通過計算得來。

化石燃料燃燒排放的二氧化碳量m(CO2),采用下列公式計算:m(CO2)(折合成碳)=∑PiFiCi。其中,Pi是第i種化石燃料的消耗量,只考慮煤、石油和天然氣3種化石燃料,各種燃料的歷年消耗量根據《中國統計年鑒》中的能源生產總量(折合成標準煤t)及構成百分比,經計算得到。Fi是第i種化石燃料的平均有效氧化系數,這里取煤的平均有效氧化系數為0·982,石油的平均有效氧化系數為0·918,天然氣的平均有效氧化系數為0·98。Ci是單位燃料中的含碳量,每t標準煤的平均含碳量為0·85,每t標準煤的燃油含碳量為0·707,每t標準煤的燃氣含碳量為0·403[16]。生物呼吸中人類呼吸排放的二氧化碳量,利用各年食物消耗總量乘以0·338求得,動物呼吸排放的二氧化碳量按n(CO2)/n(O2)的比例為1,由動物呼吸耗氧量推算。植物光合作用排放的氧氣量,按n(CO2)/n(O2)的比例為1,由植物光合作用消耗的二氧化碳量推算[15]。出口物質資源數量也只將以質量為單位的各種原材料物質納入統計的范圍。

2結果與討論

2.1物質輸入與輸出量分析

由于大部分年份的水輸入量和輸出量分別占到物質輸入總量和物質輸出總量的90%以上,為了便于比較,分別討論不包括水的物質輸入與輸出總量之間的關系和水輸入量與輸出量之間的關系。

2.1.1不包括水的物質輸入與輸出總量的關系

在不考慮水的情況下,經濟系統的物質輸入總量呈增長的趨勢,平均每年遞增1·4×108t,年平均增長率為4·9%。從物質輸入總量的平均構成上分析,固體物質輸入量占49·9%,氣體物質輸入量占48·4%,進口物質量占1·6%。在時間動態上,固體物質輸入量的遞增速率大于氣體物質輸入量的遞增速率,前者占物質輸入總量的份額從47·7%(1985)增至51·4%(1997),后者占物質輸入總量的份額則從50·8%(1985)減至46·7%(1997),相比之下,進口物質的總量和增量均很小,且不呈單調遞增,其總量在1995年以后略有回落。

經濟系統的物質輸出總量約占物質輸入總量的55%,平均每年遞增量(0·68×108t)和年均增長率(4·1%)均小于物質輸入總量。從物質輸出總量的平均構成上分析,氣體物質輸出量占93·6%,固體物質輸出量占2·4%,出口物質量占3·9%。其中,氣體物質輸出量與輸入量大致平衡,而固體物質輸出量則僅占輸入量的不到3%,說明大量的固體物質以產品、半成品和材料等形式被暫時儲存在經濟系統中,參與生產和消費。應該指出的是,還有相當部分的固體廢棄物沒有能夠統計在內。此外,出口物質量略大于進口物質量。從上述3個物質輸出構成要素的時間動態上分析,氣體物質輸出量呈單調增長,增長速率與氣體物質輸入量的增長速率大致相當;固體物質輸出量在1990年達到最大值,隨后呈遞減趨勢;出口物質量總體上呈增長趨勢,但增量不大。

由于物質輸入總量和輸出總量均呈增長的趨勢,這2個時間序列具有很高的線性相關()。據此可以認為,通過節約能源和物質減量化控制進入經濟系統的化石燃料、礦產資源和生物資源等物質輸入量,不僅可以減輕經濟發展造成的生態環境質量退化,而且可以減少經濟系統向環境的廢棄物排放量。設想到本世紀中葉,如果我國能在經濟穩定增長的同時,將年直接物質資源消耗總量(不包括水)減少到1997年的1/4,即達到羅馬俱樂部報告中提出的物質生產力4倍躍進[17]的目標,在各構成要素比例關系不變的情況下,經濟系統的年物質輸出總量(不包括水)可望減至8.2713×108t,相當于1997年的34%。如果我國能將年直接物質資源消耗總量(不包括水)減少到1997年的1/10,達到物質生產力10倍躍進[18]的目標,則我國經濟系統的物質輸出總量(不包括水)可望減至4·994×108t,相當于1997年的20%。這意味著我國環境污染物排放量將大幅度減少,環境質量將顯著改善。退一步來說,即使我國能將年直接物質資源消耗總量(不包括水)減少到1997年1/2的水平,主要由環境污染物組成的物質輸出量也將減至1.37335×109t,相當于1997年的56%。由此可見,開發物質資源減量化技術和節能技術對于改善生態環境質量的功效不可低估,由于避免了用于末端治理的物質與能源附加投入,這種源頭治理才是促進人與環境關系協調和實現可持續發展的根本途徑。

2.1.2用(供)水量與廢水排放量的關系如前所述,由于統計資料的限制,沒有計入直接引自地表水系和地下水系的工、農業及生活用水量,而僅以自來水供應量代表進入經濟系統的總輸入水量。為了獲得更為全面的水量輸入數據,將1993年和1997年自來水供應量數據與同年全國總用水量數據[19]進行了比較,前者大致占后者的8·6%。據此,可以利用1993—1997年自來水的供應量估計出這一期間各年的全國總用水量。1985—1992年的全國總用水量則利用1980年和1993年的全國總用水量數據[19],根據年平均增加水量估計得到(a)。經濟系統的總輸出水量以城市廢水直接排放量(工業廢水排放量和生活污水排放量之和)予以表示,即城市廢水產生量減去同年的城市廢水處理量。利用上述數據,對我國經濟系統的輸入水量和輸出水量的關系進行初步的分析。

1985—1997年我國經濟系統總用水量和自來水供應量的年際變化(a)顯示,1985—1995年期間,二者呈上升趨勢,年均增加水量分別為103·8×108t和36·8×108t,年均增長率分別為2·2%和28·8%。此后,年總用水量和年自來水供應量略有減少,但仍高于1993年的水平。由此可見,我國社會經濟系統對水資源的需求量增長很快,這與工農業的迅速發展、城鎮人口的增加和人民生活水平的提高密切相關。城市廢水年排放總量約占全國年總用水量的6·7%,并且年際波動幅度較小,趨勢性變化也不明顯。其中,工業廢水排放量平均占總量的2/3,且從1988年以來呈減少的趨勢,平均每年減少8·9×108t;而生活污水排放量平均占總量的1/3,總體上呈增長的趨勢,在1985—1995年期間,平均每年增加6·7×108t(b)。由于缺少農業和農村生活用(排)水量的數據,所以,無法分析總用水量與總廢水排放量之間的關系。考慮到自來水主要供給城市生活之用,可以通過對自來水供應量與生活污水排放量之間關系的分析,從一個側面揭示經濟系統輸入水量與輸出水量之間的關系。利用多項式擬合建立的回歸方程表明,當自來水供應量較少時(如少于30Gt),生活污水排放量維持在一個比較穩定的水平上,隨著年自來水供應量的迅速增加,年生活污水排放量呈加速增長,二者正相關顯著。由此可見,經濟系統的輸入水量在很大程度上決定著其廢水的輸出量,因此,節約用水才是治理水污染的根本途徑。

2.2物質輸入與輸出的強度和效率分析

為了衡量經濟系統物質輸入與輸出的強度和效率,分別計算單位人口和單位國內生產總值(GDP)的物質輸入與輸出量,其中,國內生產總值按1978年的可比價格計算。人均物質輸入量(不包括水)與物質輸入總量(不包括水)的增長趨勢相似,從1985年的2·61t/人增加到1997年的3·56t/人,年平均增長率為3·0%,明顯大于同期人口的年增長率(1·4%)。說明隨著人口的增長,資源消耗強度在加速增長(a)。人均物質輸出量也從1985年的1·55t/人增加到1997年的1·98t/人,年平均增長率為2·3%(a),是同期人口年增長率的1·6倍。其中,人均廢氣和固體廢棄物排放量從1985年的0·61t/人增加到1997年的0·88t/人,年均增長率高達3·7%,是同期人口年增長率的2·6倍,這從一個側面反映出我國人類活動對大氣和土壤環境污染的影響強度在迅速上升。在用水量與廢水排放量的強度方面,同期人均用水量的變化趨勢不顯著[19],僅1994年和1995年的數值較大,其原因尚不清楚,需做進一步的研究。人均城市廢水排放量呈減少的趨勢,從1985年的32·3t/人減少到1997年的25·9t/人,平均每年遞減1·7%,表明近年來我國城市廢水處理量在不斷地增加。

單位GDP的物質輸入量(不包括水)和物質輸出量(不包括水)均呈顯著減少的趨勢。其中,物質輸入量從1985年的39·6t/萬元減至1997年的20·5t/萬元,年均遞減率為4%;同期的物質輸出量則從23·5t/萬元減至11·4t/萬元,年均遞減率為4·3%(b),在物質輸出量之內,單位GDP的固體廢棄物和廢氣排放量從9·3t/萬元減至5·1t/萬元,年均遞減率3·8%。這從宏觀上反映出我國經濟系統的資源利用效率在穩步提高。這一結論同樣適用于水資源利用效率的變化,在研究期間內,我國單位GDP的水資源消耗量和廢水排放量也呈減少的趨勢,每萬元GDP的用水量從6766t減少到2593t,年均遞減率為5·1%;每萬元GDP的廢水排放量從489t減至149t,年均遞減率為5·8%。

3結論

經濟系統與自然環境之間的物質和能量流動是人與生存環境之間相互作用的主要表現形式。人類對其生存環境的最根本影響是通過自然物質的輸入產生的,并且輸入在很大程度上決定著輸出,即進入經濟系統的自然物質量越多,排放回環境中的廢物量就越多,人類對其生存環境的負面影響也就越大。因此,同環境污染的末端治理相比,降低經濟系統的物質輸入量是協調人地關系,實現可持續發展的更為根本的手段。由于把握住一個經濟系統的自然物質輸入量,就意味著把握了該系統環境影響的本質,所以,物質輸入量可以用來量度一個國家或地區的可持續性。本工作的研究結果表明:

(1)我國經濟系統的物質輸入總量與輸出總量(不包括水)在1985—1997年期間呈現相似的增長趨勢,說明輸入量在一定程度上決定著輸出量的多少。因此,控制自然物質資源的輸入量是減少輸出端污染物排放量的有效途徑。

(2)我國經濟系統的自來水供應量和城市生活污水排放量的時間序列遵循多項式的統計關系,說明輸入水量在很大程度上決定著廢水的輸出量,因此,節約用水才是治理水污染的根本途徑。

(3)我國經濟系統的物質消耗強度和物質排放強度(不包括水)均呈顯著增大的趨勢,并且人均物質輸入量的增長速率大于人均物質輸出量的增長速率,此外,在物質輸出方面,廢氣和固體廢棄物的人均排放量增長迅速。在用水量與廢水排放量的強度方面,人均用水量的變化趨勢不甚顯著,而人均城市廢水排放量則逐漸減少。

(4)我國經濟系統的物質利用效率明顯提高,創造單位GDP的物質輸入量與輸出量(不包括水)均呈下降的趨勢,其中,單位GDP的固體廢棄物和廢氣排放量顯著減少。此外,單位GDP的水資源消耗量和廢水排放量也呈減少的趨勢,并且年均遞減率大于固體和氣體物質輸入與輸出量的遞減率。

綜上所述,經濟系統的物質輸入量和輸出量是衡量該系統運行可持續性的2個簡明的指標。一般而言,進入經濟系統的物質輸入量越少,輸出到環境中的廢物就越少,生態環境的質量也就越高,經濟系統運行的可持續性則越強;反之,進入經濟系統的物質輸入量越多,輸出到環境中的廢物就越多,生態環境的質量也就越差,經濟系統運行的可持續性則越弱。據此,可以確定出我國分步實施可持續發展的物質輸入量指標,并根據輸入量與輸出量之間的統計關系,估計出物質輸出量的大致范圍,從而為決策者制訂我國可持續發展的近、中、遠期資源與生態環境目標和實施方案,提供定量的參考指標。本文初步給出了我國經濟系統物質輸入量減少到1997年的50%、75%及90%的情況下,物質輸出量的可能變化量值。