1资料与方法

1.1物质类型划分

按照国际上通用的划分方法,将进入经济系统的自然物质分为生物物质、固体非生物物质、水和空气4类,将排出经济系统的物质分为固体废弃物、废水、废气和其他气体物质3类。尽管它们的属性不完全相同,但都是人类为了生产和消费的目的从自然界中掘取和排放到自然界中去的物质或资源。这里有几点需要说明:

(1)各类物质都具有相对完整的从摇篮到坟墓的生命过程,即系统输入部分的各种物质资源在输出端统计中能够得到相应的体现,而输出部分的各种资源和废物也能在输入端找到相应的来源。例如,输入端的化石燃料在输出端体现为工业固体废弃物和工业废气的排放。应当指出,由于输入与输出的统计来源和方法不同,并且有部分物质转化成产品暂时储存在经济系统之中,所以,在特定时期内,输入与输出的物质量并不是完全平衡的。

(2)纳入统计的各项物质输入量,均取产量而不取消费量,因为它更近似地反映了该年输入经济系统的物质资源数量。在生物物质产量计算中,为了避免重复计算,凡人工饲养、且以农产品为饲料的水产品和畜产品产量,均未计入。

(3)由于受到资料可获得性的限制,纳入统计的物质较通过真实经济系统的物质范畴有所缩小。例如:由于缺乏历年农业灌溉用水及直接引自地表水系和地下水系的工业用水等统计资料,输入端对水的统计只考虑了自来水的供应量。

(4)可持续发展已不只是一个国家或地区的事务,本国的持续发展应兼顾全球的利益,这已经在国际上达成共识。因此,在本研究中,进出口物质资源也被纳入统计的范畴。

1.2数据统计计算

输入端的固体物质分为非生物和生物物质两大部分。前者由化石燃料、金属和工业矿物的年产量代表,化石燃料由原煤、原油和天然气3部分组成,数据取自《中国统计年鉴》;金属和工业矿物由金、铜、铝、铅、锌、铁、原盐、硫铁矿和磷矿石等物质组成,数据取自《中国统计年鉴》和《中国工业经济统计年鉴》,其中铜、铅和锌1986年至1988年的数据缺失,根据其他年份数据推算得来。后者由农作物、经济作物和林木的年产量代表,数据取自《中国统计年鉴》。水的输入量由自来水供应量代替,原因如前文所述,数据取自《中国统计年鉴》。

输入的气体主要包括氧气和二氧化碳2部分。前者主要消耗于化石燃料燃烧、工业生产及生物呼吸等方面,后者主要消耗于植物的光合作用。由于没有这方面的统计数据,这2部分的气体输入量均由计算得出。工业生产流程耗氧相对较少且不易估算,故予以略去。化石燃料燃烧耗氧量通常采用主要氧化物质(CO2,CO,NO2,SO2,H2O)的排放量予以估算。由于只有CO2和SO2的排放量数据,所以,只能用这2种气体的排放量近似地估计耗氧量,其计算方法是,将化石燃料燃烧排放的二氧化碳量乘以0.73与二氧化硫排放量的0·5倍相加[15]。在生物呼吸耗氧的计算过程中,将生物分为人和动物2类,后者主要指家畜如牛、马、猪和羊等。人类呼吸消耗的氧气,通过人类消耗的食物量间接估算,即用每人每年平均消耗食物的质量乘以0·283,再乘以全国的总人口数[15]。鉴于我国农村和城镇人口的食物消费结构不同,需要分别统计。城市人口人均食物消耗量由《中国统计年鉴》“城镇居民家庭平均每人全年购买的主要商品的数量”一表中所列的与食品相关的各项相加得到;农村人口人均食物消耗量由《中国统计年鉴》“农村居民家庭平均每人主要消费品消费量”一表中所列的与食品相关的各项相加得到。将上述结果分别乘以0·283,然后乘以各自的人口数,最后相加,即得到历年我国的人口呼吸耗氧量。动物呼吸耗氧量的计算方法是用各类家畜的年产量(头数)乘以相应类别每头家畜每年呼吸平均消耗的氧气量[15]得到。例如,每头牛平均每年的呼吸耗氧量为970kg,将每年的产牛头数乘以970kg,便得到我国牛的呼吸耗氧量。按照同样的方法,算出其他家畜的呼吸耗氧量。将各种家畜呼吸耗氧量加和即得到历年我国的动物呼吸耗氧量。将人口呼吸耗氧量与动物呼吸耗氧量相加,最终得到我国生物呼吸耗氧量的时间序列。植物光合作用消耗的二氧化碳量近似地用农、林产品产量乘以1·47求得[15]。进口物质资源数量只将以质量为单位的各种原材料物质纳入统计的范围。

由于缺乏生活垃圾排放量的统计资料,输出端固体废弃物部分仅包括工业固体废弃物和化肥的流失量,数据分别取自《中国环境年鉴》和《中国统计年鉴》。将化肥作为输出部分的组分是因为其很容易转化成污染物随水和空气的运动而流失到环境中去。废水排放总量取自《中国环境年鉴》,包括生活污水和工业废水2部分。由于没有1996年和1997年的废水排放总量数据(这两年只有工业废水排放量的统计),采用废水排放总量与工业废水排放量之间的线性回归方程外推求得。废气和其他气体主要由3部分组成,分别是工业废气,包括工业二氧化硫、工业烟尘和工业粉尘;二氧化碳,主要由化石燃料燃烧及生物呼吸作用产生;氧气,来自于植物光合作用。二氧化硫、工业烟尘和工业粉尘的数据取自《中国环境年鉴》,二氧化碳和氧气数据则通过计算得来。

化石燃料燃烧排放的二氧化碳量m(CO2),采用下列公式计算:m(CO2)(折合成碳)=∑PiFiCi。其中,Pi是第i种化石燃料的消耗量,只考虑煤、石油和天然气3种化石燃料,各种燃料的历年消耗量根据《中国统计年鉴》中的能源生产总量(折合成标准煤t)及构成百分比,经计算得到。Fi是第i种化石燃料的平均有效氧化系数,这里取煤的平均有效氧化系数为0·982,石油的平均有效氧化系数为0·918,天然气的平均有效氧化系数为0·98。Ci是单位燃料中的含碳量,每t标准煤的平均含碳量为0·85,每t标准煤的燃油含碳量为0·707,每t标准煤的燃气含碳量为0·403[16]。生物呼吸中人类呼吸排放的二氧化碳量,利用各年食物消耗总量乘以0·338求得,动物呼吸排放的二氧化碳量按n(CO2)/n(O2)的比例为1,由动物呼吸耗氧量推算。植物光合作用排放的氧气量,按n(CO2)/n(O2)的比例为1,由植物光合作用消耗的二氧化碳量推算[15]。出口物质资源数量也只将以质量为单位的各种原材料物质纳入统计的范围。

2结果与讨论

2.1物质输入与输出量分析

由于大部分年份的水输入量和输出量分别占到物质输入总量和物质输出总量的90%以上,为了便于比较,分别讨论不包括水的物质输入与输出总量之间的关系和水输入量与输出量之间的关系。

2.1.1不包括水的物质输入与输出总量的关系

在不考虑水的情况下,经济系统的物质输入总量呈增长的趋势,平均每年递增1·4×108t,年平均增长率为4·9%。从物质输入总量的平均构成上分析,固体物质输入量占49·9%,气体物质输入量占48·4%,进口物质量占1·6%。在时间动态上,固体物质输入量的递增速率大于气体物质输入量的递增速率,前者占物质输入总量的份额从47·7%(1985)增至51·4%(1997),后者占物质输入总量的份额则从50·8%(1985)减至46·7%(1997),相比之下,进口物质的总量和增量均很小,且不呈单调递增,其总量在1995年以后略有回落。

经济系统的物质输出总量约占物质输入总量的55%,平均每年递增量(0·68×108t)和年均增长率(4·1%)均小于物质输入总量。从物质输出总量的平均构成上分析,气体物质输出量占93·6%,固体物质输出量占2·4%,出口物质量占3·9%。其中,气体物质输出量与输入量大致平衡,而固体物质输出量则仅占输入量的不到3%,说明大量的固体物质以产品、半成品和材料等形式被暂时储存在经济系统中,参与生产和消费。应该指出的是,还有相当部分的固体废弃物没有能够统计在内。此外,出口物质量略大于进口物质量。从上述3个物质输出构成要素的时间动态上分析,气体物质输出量呈单调增长,增长速率与气体物质输入量的增长速率大致相当;固体物质输出量在1990年达到最大值,随后呈递减趋势;出口物质量总体上呈增长趋势,但增量不大。

由于物质输入总量和输出总量均呈增长的趋势,这2个时间序列具有很高的线性相关()。据此可以认为,通过节约能源和物质减量化控制进入经济系统的化石燃料、矿产资源和生物资源等物质输入量,不仅可以减轻经济发展造成的生态环境质量退化,而且可以减少经济系统向环境的废弃物排放量。设想到本世纪中叶,如果我国能在经济稳定增长的同时,将年直接物质资源消耗总量(不包括水)减少到1997年的1/4,即达到罗马俱乐部报告中提出的物质生产力4倍跃进[17]的目标,在各构成要素比例关系不变的情况下,经济系统的年物质输出总量(不包括水)可望减至8.2713×108t,相当于1997年的34%。如果我国能将年直接物质资源消耗总量(不包括水)减少到1997年的1/10,达到物质生产力10倍跃进[18]的目标,则我国经济系统的物质输出总量(不包括水)可望减至4·994×108t,相当于1997年的20%。这意味着我国环境污染物排放量将大幅度减少,环境质量将显著改善。退一步来说,即使我国能将年直接物质资源消耗总量(不包括水)减少到1997年1/2的水平,主要由环境污染物组成的物质输出量也将减至1.37335×109t,相当于1997年的56%。由此可见,开发物质资源减量化技术和节能技术对于改善生态环境质量的功效不可低估,由于避免了用于末端治理的物质与能源附加投入,这种源头治理才是促进人与环境关系协调和实现可持续发展的根本途径。

2.1.2用(供)水量与废水排放量的关系如前所述,由于统计资料的限制,没有计入直接引自地表水系和地下水系的工、农业及生活用水量,而仅以自来水供应量代表进入经济系统的总输入水量。为了获得更为全面的水量输入数据,将1993年和1997年自来水供应量数据与同年全国总用水量数据[19]进行了比较,前者大致占后者的8·6%。据此,可以利用1993—1997年自来水的供应量估计出这一期间各年的全国总用水量。1985—1992年的全国总用水量则利用1980年和1993年的全国总用水量数据[19],根据年平均增加水量估计得到(a)。经济系统的总输出水量以城市废水直接排放量(工业废水排放量和生活污水排放量之和)予以表示,即城市废水产生量减去同年的城市废水处理量。利用上述数据,对我国经济系统的输入水量和输出水量的关系进行初步的分析。

1985—1997年我国经济系统总用水量和自来水供应量的年际变化(a)显示,1985—1995年期间,二者呈上升趋势,年均增加水量分别为103·8×108t和36·8×108t,年均增长率分别为2·2%和28·8%。此后,年总用水量和年自来水供应量略有减少,但仍高于1993年的水平。由此可见,我国社会经济系统对水资源的需求量增长很快,这与工农业的迅速发展、城镇人口的增加和人民生活水平的提高密切相关。城市废水年排放总量约占全国年总用水量的6·7%,并且年际波动幅度较小,趋势性变化也不明显。其中,工业废水排放量平均占总量的2/3,且从1988年以来呈减少的趋势,平均每年减少8·9×108t;而生活污水排放量平均占总量的1/3,总体上呈增长的趋势,在1985—1995年期间,平均每年增加6·7×108t(b)。由于缺少农业和农村生活用(排)水量的数据,所以,无法分析总用水量与总废水排放量之间的关系。考虑到自来水主要供给城市生活之用,可以通过对自来水供应量与生活污水排放量之间关系的分析,从一个侧面揭示经济系统输入水量与输出水量之间的关系。利用多项式拟合建立的回归方程表明,当自来水供应量较少时(如少于30Gt),生活污水排放量维持在一个比较稳定的水平上,随着年自来水供应量的迅速增加,年生活污水排放量呈加速增长,二者正相关显著。由此可见,经济系统的输入水量在很大程度上决定着其废水的输出量,因此,节约用水才是治理水污染的根本途径。

2.2物质输入与输出的强度和效率分析

为了衡量经济系统物质输入与输出的强度和效率,分别计算单位人口和单位国内生产总值(GDP)的物质输入与输出量,其中,国内生产总值按1978年的可比价格计算。人均物质输入量(不包括水)与物质输入总量(不包括水)的增长趋势相似,从1985年的2·61t/人增加到1997年的3·56t/人,年平均增长率为3·0%,明显大于同期人口的年增长率(1·4%)。说明随着人口的增长,资源消耗强度在加速增长(a)。人均物质输出量也从1985年的1·55t/人增加到1997年的1·98t/人,年平均增长率为2·3%(a),是同期人口年增长率的1·6倍。其中,人均废气和固体废弃物排放量从1985年的0·61t/人增加到1997年的0·88t/人,年均增长率高达3·7%,是同期人口年增长率的2·6倍,这从一个侧面反映出我国人类活动对大气和土壤环境污染的影响强度在迅速上升。在用水量与废水排放量的强度方面,同期人均用水量的变化趋势不显著[19],仅1994年和1995年的数值较大,其原因尚不清楚,需做进一步的研究。人均城市废水排放量呈减少的趋势,从1985年的32·3t/人减少到1997年的25·9t/人,平均每年递减1·7%,表明近年来我国城市废水处理量在不断地增加。

单位GDP的物质输入量(不包括水)和物质输出量(不包括水)均呈显著减少的趋势。其中,物质输入量从1985年的39·6t/万元减至1997年的20·5t/万元,年均递减率为4%;同期的物质输出量则从23·5t/万元减至11·4t/万元,年均递减率为4·3%(b),在物质输出量之内,单位GDP的固体废弃物和废气排放量从9·3t/万元减至5·1t/万元,年均递减率3·8%。这从宏观上反映出我国经济系统的资源利用效率在稳步提高。这一结论同样适用于水资源利用效率的变化,在研究期间内,我国单位GDP的水资源消耗量和废水排放量也呈减少的趋势,每万元GDP的用水量从6766t减少到2593t,年均递减率为5·1%;每万元GDP的废水排放量从489t减至149t,年均递减率为5·8%。

3结论

经济系统与自然环境之间的物质和能量流动是人与生存环境之间相互作用的主要表现形式。人类对其生存环境的最根本影响是通过自然物质的输入产生的,并且输入在很大程度上决定着输出,即进入经济系统的自然物质量越多,排放回环境中的废物量就越多,人类对其生存环境的负面影响也就越大。因此,同环境污染的末端治理相比,降低经济系统的物质输入量是协调人地关系,实现可持续发展的更为根本的手段。由于把握住一个经济系统的自然物质输入量,就意味着把握了该系统环境影响的本质,所以,物质输入量可以用来量度一个国家或地区的可持续性。本工作的研究结果表明:

(1)我国经济系统的物质输入总量与输出总量(不包括水)在1985—1997年期间呈现相似的增长趋势,说明输入量在一定程度上决定着输出量的多少。因此,控制自然物质资源的输入量是减少输出端污染物排放量的有效途径。

(2)我国经济系统的自来水供应量和城市生活污水排放量的时间序列遵循多项式的统计关系,说明输入水量在很大程度上决定着废水的输出量,因此,节约用水才是治理水污染的根本途径。

(3)我国经济系统的物质消耗强度和物质排放强度(不包括水)均呈显著增大的趋势,并且人均物质输入量的增长速率大于人均物质输出量的增长速率,此外,在物质输出方面,废气和固体废弃物的人均排放量增长迅速。在用水量与废水排放量的强度方面,人均用水量的变化趋势不甚显著,而人均城市废水排放量则逐渐减少。

(4)我国经济系统的物质利用效率明显提高,创造单位GDP的物质输入量与输出量(不包括水)均呈下降的趋势,其中,单位GDP的固体废弃物和废气排放量显著减少。此外,单位GDP的水资源消耗量和废水排放量也呈减少的趋势,并且年均递减率大于固体和气体物质输入与输出量的递减率。

综上所述,经济系统的物质输入量和输出量是衡量该系统运行可持续性的2个简明的指标。一般而言,进入经济系统的物质输入量越少,输出到环境中的废物就越少,生态环境的质量也就越高,经济系统运行的可持续性则越强;反之,进入经济系统的物质输入量越多,输出到环境中的废物就越多,生态环境的质量也就越差,经济系统运行的可持续性则越弱。据此,可以确定出我国分步实施可持续发展的物质输入量指标,并根据输入量与输出量之间的统计关系,估计出物质输出量的大致范围,从而为决策者制订我国可持续发展的近、中、远期资源与生态环境目标和实施方案,提供定量的参考指标。本文初步给出了我国经济系统物质输入量减少到1997年的50%、75%及90%的情况下,物质输出量的可能变化量值。