资源使用、资源稀缺和资源效率等问题是国际社会也是中国比较关注的问题。改革开放以来, 随着中国经济的快速发展, 中国已经从对矿物、化石燃料和其他原材料消耗不大的国家发展成为全球第1资源消耗国^[1]。中国对资源需求快速增长的同时也引发许多环境问题。例如, 中国已经是世界上最大的温室气体^[2]和大气汞排放国家^[3], 也是大气气溶胶的主要生产国^[4]。因此, 中国的可持续发展迫切需要研究如何对资源进行可持续利用, 需要加强经济增长和环境保护的协同关系, 需要将经济增长与环境退化联系起来进行思考。随着经济的快速增长以及经济结构和生活方式的转变, 中国各地区面临着物质资源需求快速增长、资源消耗总量也迅速增加等问题, 资源消耗的增加势必对资源和环境产生更大的压力。资源的可持续发展问题是政府、政策制定者、学者和公众关注的一个重要问题。研究者需要从更加系统的角度分析中国资源的可持续利用状况, 经济系统物质流核算方法则提供了系统研究资源可持续利用的方法。经济系统物质流指标可以有效测度人类经济行为对环境产生的压力, 区域物质消耗(domestic material consumption, DMC)可以测度一个地区消耗的物质资源, 也可以表征资源消耗形成的环境压力。而物质足迹(material footprint, MF)是资源利用的另一个测度指标, 它可以定量测度人类的消费行为引起的原材料消耗。足迹是以环境、社会和经济为主题的, 是测度可持续发展的一个重要指标。物质足迹也可以反映资源可持续利用过程中环境压力的转移。因此, 对物质足迹的核算与研究具有重要意义。

1 基于经济系统物质流核算方法的资源消耗研究分析 1.1 经济系统物质流核算方法

经济系统物质流核算方法(economy-wide material flow accounting, EW-MFA, 简称MFA)可以产生一些与经济核算、能源核算和人口统计学核算相类似的概括性指标, 所有这些核算指标体系可以被进一步分成许多具体信息。该方法的主要优点是对信息的高度综合, 综合的、紧密的信息具有很高的实际价值, 当然, 简化的特点也可能成为它的一个缺点。MFA核算框架是建立在数据一致的基础上的, 可以为了不同政策目的来分析环境经济间的相互作用。

MFA数据的另一个重要应用是利用经济模型结合环境和资源使用来对贸易和就业中的经济政策进行评估^[5]。国家的物质消费可以在全球背景下进行研究, 例如, 对世界资源供给需求的贸易物质数据信息的分析结果可用于考察国家间的物质流规模和资源相互依赖情况^[6]。现在, 一些研究关注于将物质流数据信息和基于生命周期分析法核算得到的特殊物质数据相结合来进一步分析环境问题^[7]。

1.2 中国物质流研究现状分析

近年来, 许多学者已经采用物质流核算指标作为资源使用核算工具, 对全球和国家层面的资源消耗进行研究。典型研究包括:SCHANDL等^[8]、BEHRENS等^[9]、KRAUSMANN等^[10]、STEINBERGER等^[11]对全球物质资源进行分析; BRINGEZU等^[12]、WEISZ等^[13]、RUSSI等^[14]、KOVANDA等^[15]、GILJUM等^[16]、SCHANDL等^[17]则比较分析了多个国家的物质资源使用情况; PALM等^[18]、GONZALEZ-MARTINEZ等^[19]分析了墨西哥、澳大利亚等单个国家的物质资源使用情况。刘滨等^[20]、XU等^[21]、王亚菲等^[22]、萨日娜等^[23]基于物质流分析方法对中国资源的使用进行了研究。而BRINGEZU等^[12]从国际资源使用比较方面研究中国的资源使用, 发现中国经济迅速发展的同时对资源的消耗也在迅速增加。根据文献资料, 已有许多学者通过一个或多个物质流指标对北京、天津、河北、内蒙古、辽宁、吉林、上海、江苏、浙江、安徽、福建、山东、河南、湖北、广东、海南、四川、贵州(贵阳)、陕西、甘肃、青海、新疆等地区在省域层次上的物质流进行分析研究, 山西、黑龙江、江西、湖南、广西、重庆、云南、宁夏等地相关研究未查到。已有研究对区域物质调入调出数据的核算还存在一定问题, 有的直接用进出口数据代替, 有的用能源消耗数据代替, 有的核算不明确。王亚菲等^[24]较为全面地核算了中国30个省(直辖市、自治区)的DMC, 并利用可扩展的随机环境影响模型评估考察人口、财富、城镇化、产业结构和技术因素对中国区域资源消耗的影响, 该文利用LI等^[25]提出的利用价值投入产出表来估算区域间的调入调出进而估算区域间的物质流。

以上有关中国物质消耗的研究文献中采用不同的物质消耗指标测度了各省(直辖市、自治区)的物质消耗, 得出的主要结论有:各地区物质消耗随着经济的发展持续增加, 经济的增长需要大量物质投入来保证, 大多数地区是高消耗的粗放式经济发展方式, 经济的发展需要大量自然资源的投入; 资源消耗呈现生物质消耗逐渐减少而非生物质消耗逐渐增加的趋势, 也就是说经济的发展越来越依靠不可再生资源的投入。资源消耗与各地区的资源禀赋有关:经济比较发达而自然资源相对贫乏的地区主要依赖于进口资源物质, 北京、天津、广东和山东等地区主要依靠区外资源支持本地经济发展; 而四川省主要依靠增加资源的投入, 特别是自身资源的投入来维持经济发展, 内蒙古地区拉动经济增长的主要物质投入来自本地化石燃料的开采, 青海省发展经济的主要渠道仍然依赖于本地的资源采集及利用, 是传统的粗放型发展模式。其中, 一些研究也对经济增长与物质消耗的相对增长率进行比较分析, 湖北省在2001—2007年期间经济发展与环境负荷尚未“脱钩”^[26]; 而辽宁省2001—2010年经济发展与环境压力实现了暂时性“脱钩”, 辽宁省近年来可持续发展颇有成效^[27]; 自2005年以来, 山东省经济增长率远远高于物质消耗量, 由以往的粗放型经济增长方式向集约型经济增长方式转变^[28]。我国大多数地区在经济发展过程中需要大量的物质投入。经济增长的初期阶段往往需要物质的大量投入, 但是粗放的经济发展模式随着经济的进一步发展需要改进, 当去物质化在我国大部分地区依然只是美好愿望时, 资源利用可持续发展的关键是提高资源利用效率, 提高经济增长质量, 转变经济增长结构。我国需要节约资源, 大力发展循环经济。

资源消耗研究所采用的物质流指标还存在一些问题, 比如, DMC仅仅指一个经济体直接消耗的资源量, 没有包含与进口和出口相联系的产品和服务的上游物质流, 这些物质流来源于关注的经济体之外。切掉顶端可能会错误地估计资源使用效率和自然资源的供给安全。随着在全球供应链中生产和消费空间的分离越来越严重, 资源使用和环境压力在国家间发生转移, 而物质足迹可以有效测度这种转移。

2 物质足迹概念评析

足迹是度量人类对地球造成的环境压力的一个重要指标, 是从生命周期角度评估个体或者群体的行为活动造成的某些方面的环境压力。比如, 全球变暖主要是由于温室气体的排放造成的, 可以表示为碳足迹^[29], 水的消费和污染可以用水足迹来分析^[30], 过度消费对地球生物圈的再生能力影响可以用生态足迹来评估^[31]。

“生态足迹”是最早出现的足迹概念, 由REES等^[32]在20世纪90年代初期首次使用。生态足迹是在现有技术水平下特定区域范围内人们为持续提供所消耗的所有资源和服务以及吸收分解所排放的所有废弃物而需要的生产性土地和水域面积的总和, 是一个生物学综合指标^[33]。生态足迹采用消费基础的观点, 包含满足所有消费, 也包括国际贸易产品对应的生态学上的生产性土地。足迹概念出现后, 很快被引入到许多其他环境核算概念上, 比如在20世纪90年代对碳的核算存在“碳泄漏”问题^[34], 评估温室气体排放新方法的研究引起基于消费者和生产者责任的讨论。在消费者责任原则下, 即二氧化碳足迹观点, 每个国家的最终使用对全球碳排放都是有贡献的。而生产者责任认为对全球的碳排放是一个国家的生产导致的。

最近, 足迹被用来作为消费导向指标, 考虑由人类的最终需求而引致的水、土地和物质需求总量。水足迹被定义为满足国内最终需求而进行的产品和服务生产所需要的直接和间接新鲜水总量。土地足迹可用于估算满足国内最终消费所需要的直接和间接的国内和国外土地面积, 这与生态足迹不同。碳足迹是目前为止研究最广泛的指标, 碳足迹指标涵盖了所有温室气体排放, 包含由一个经济活动引起的直接和间接的碳排放, 囊括了一个国家消费的产品在各个生命阶段积累的碳排放总量^[35]。消费基础的物质流指标等同于碳足迹, WIEDMANN等^[36]建议使用物质足迹(material footprint, MF)这个概念度量基于消费的物质资源使用。MF是为满足一个经济体最终需求所使用的采掘的原材料总量, 是对原材料全球再分配的度量。MF阐明了与一个国家最终消费相关的全球、生命周期范围的物质开采和使用, 不管是否发生在本国内还是超过本国边界。MF是生态包袱(ecological rucksacks)里的一个新的术语, 生态包袱也是指涉及产品生命周期的广泛的物质投入。MF可以被用来关注使用的物质开采(原材料消耗, raw material consumption, RMC), 或者包括未被使用的物质开采(总物质消费, total material consumption, TMC)。

物质足迹为间接资源利用指标, 是资源消耗环境压力的综合测度。MF是以消费为基础的物质流指标, 是RMC的一种核算方法, 即将与一个区域最终消费相联系的所有原材料消耗量进行加和。消费基础的核算(consumption-based accounting, CBA), 特别是对温室气体排放的核算, 正越来越为政策制定者和决策者所关心, 这种方法核算了沿着生产链每一个阶段产生的分配到最终消费产品的所有排放或资源消耗。基于消费的核算使得政策和研究应用的领域覆盖到部门、国家及产品等范围。从消费角度分析资源消耗及其在地区或者国家间的转移也变得越来越重要。SCHOER等^[37]在核算欧盟(EU)各国的RMC时, 首次提到物质足迹概念, 但是仍然使用RMC来表示区域原材料的消耗。WIEDMANN等^[36]在2013年开始第1次使用物质足迹概念, 核算分析了全球187个国家MF的时间序列, 识别与全球生产和消费网络相联系的物质流。MF在概念上等同于其他足迹, 比如碳足迹、能源足迹和水足迹。MF是工业生态学领域学者比较关注的一个新的研究领域, 可以分析国际间或者区域间的物质流, 特别是用于对稀缺和关键物质流的分析, 比如分析铁矿和铝土矿的物质足迹^[38]。MF的一个重要特性是它并没有核算物质在国家间的实际流动, 而是它提供了生产国家(物质资源被开采)和消费国家(最终产品的消费)之间的物质量化联系, 其提供一个生产链的起始端(原材料在何处被从自然界中开采出来)和末端之间的联系(产品和服务在何处被消费), 这种联系可能跨越很多国家和经济部门。

MF核算了与进口和出口的产品和服务相联系的上游的原材料当量。因此, MF成为识别物质资源在地区间转移的一个强有力工具(这种转移并不是实际的物质转移, 而是区域间贸易隐含的物质量), 该指标将物质资源使用的供给链与经济活动联系起来, 进而可以识别资源消耗的环境压力在区域间的网络分布。

3 物质足迹的核算方法研究现状分析

足迹的计算方法主要有3类。第1类方法是基于各种形式的投入产出分析, 该方法利用投入产出表结合资源消耗数据(物质、水、土地使用)或者排放情况(温室气体)来核算足迹。投入产出分析是一种自上而下的方法, 是基于宏观经济(经济系统)层次的估算方法, 但是可以通过投入产出的经济部门将问题分解细化。投入产出模型可以依赖于一个地区(比如一个国家)或者多个地区(比如多区域或者多国家模型)。第2类是系数方法, 从过程分析得到供给链过程中的资源强度系数来测度足迹, 常用的方法有生命周期评估法或者类似方法。这种方法是一种自下而上的方法, 适合单个产品或者产品组水平上的计算。第3类方法是混合方法, 综合利用投入产出方法和系数方法。该方法列出在核算中需要考虑的所有产品, 一部分基于投入产出分析, 另一部分基于资源强度系数。

投入产出法是使用最广泛的方法, 被用来量化分析与消费或贸易活动相联系的资源使用(土地、原材料、水)和污染排放(温室气体)。在Wiedmann使用MF概念之前, 大多数学者用RMC表示以消费为基础核算的物质资源使用状况。RMC涵盖一个国家最终需求所需要的所有原材料物质。一个群体消耗的物质量已经成为一个有用的工具用于测度环境压力, RMC度量了涵盖完全供给链(包括进口)的物质消耗。

有3种主要的投入产出模型可用于计算MF(或原材料当量):基于国内技术假设的投入产出模型(domestic technology-based assumption of I/O model, DTAIO)、混合的生命周期清单投入产出模型(mixed life-cycle inventory I/O model, LCI-IO)和多区域投入产出模型(multi-regional input-output model, MRIO)。表 1展示了近几年MF的相关研究及其使用的方法^{[36-37, 39-49]}。MRIO已经被广泛应用于原材料消耗当量的核算, 例如, BRUCKNER等^[39]和WIEBE等^[40]利用全球资源核算模型(GRAM)核算全球区域间贸易产品对应的原材料当量, 前者关注全球53个国家和2个地区的资源贸易和资源消耗情况, 后者关注6个新兴经济体国家贸易间隐含的物质和碳排放情况; WIEDMANN等^[36]利用MRIO模型描述了全球187个国家与生产和消费相联系的全球物质网络的特征, 指出全球各国使用的非本地资源是总贸易量的3倍多; 而MF仅仅是Moran利用MRIO模型分析全球187个国家8个环境压力指标中的一个, 表征物质资源消耗的环境压力^[41]。GILJUM等^[42]利用全球贸易分析数据库和全球多区域投入产出表核算6大洲和11个主要国家的物质足迹, 并分析1997和2007年多个地区物质足迹的变化, 其中, 中国物质足迹由1997年的71.2亿t上升到2007年的152.85亿t, 增长2倍多, 占全球总物质足迹的23%。

在3种物质足迹核算方法中, 核算进口产品对应的原材料当量(raw material equivalent, RME)需要根据产品出口国的生产技术, 当数据比较受限而难以获得时, 可以使用基于国内技术假设(domestic technology-based assumption，DTA)的投入产出法, 假设进口产品是与国内相一致的技术生产的, 仅利用进口国家单个国家的投入产出表即可以计算进口产品对应的原材料当量。而WEINZETTEL等^[43]认为这种方法对估算国际贸易的原材料当量不太合适, 他们提出用LCI-IO方法来估算RME, 该方法也是基于DTA, 但是应用了多区域进口产品生命周期清单的额外信息。多区域投入产出法可以避免DTA, 利用国家或者地区间的MRIO, 可以估算进口产品消耗的原材料当量。SCHOER等^[47]利用MRIO和LCO-IO这2种方法核算了EU 27个国家的RMC, 结果显示2种方法的核算结果比较接近。在计算MF时使用MRIO和LCI-IO, SCHOER等指出后者更适合。但是, LCI-IO对数据要求较高, 需要对进口产品进行详细分类, 而目前我国区域间产品的调入调出数据很难获得, 因此, 利用MRIO来核算中国区域物质足迹是比较有效的方法。

4 物质足迹的优点及未来研究展望

物质足迹作为资源消耗和环境压力指标有着自身的优势。一是该指标在资源消耗分析上的优势, 物质足迹利用自上而下核算方法可以更有效地核算一个地区因最终需求引致的对原材料的总消耗量。对物质足迹的分析可以为制定提高物质资源有效利用方面的经济战略方针提供帮助, 比如通过指导资本投资和优化产业结构来提高资源利用效率。另外, 自上而下的分析方法可以识别自然资源消耗的关键部门, 从资源消耗的整个供给链的生命周期角度发现产品和服务最终消费的关键驱动者。二是在测度环境压力方面的优势。资源消耗指标也是环境压力指标, 消耗的资源越多, 环境压力就越大。物质足迹不仅从资源总量上测度环境压力, 而且更能追踪环境压力的来源。中国各地区的物质开采量是每个区域从自然界中攫取的资源量, 一方面可以展示中国各区域从自然界中获得自然资源量的多少, 另一方面也是资源开采导致环境压力的一个间接展示。资源开采过程中伴随着许多环境影响, 开采越多, 对环境系统的压力就越大。社会经济活动推动着自然资源在经济系统内重新分配, 也暗含着开采导致的环境责任的转移。物质足迹测度了因消费引起的开采的资源在地区或者部门之间的重新分配, 物质足迹利用MRIO这种自上而下的资源使用核算方法, 可以揭示从自然界开采的自然资源在各区域各部门之间消耗的虚拟物质网络结构。

中国各地区在资源使用方式、经济结构、居民收入和消费方式方面都不同。经济快速增长、经济结构和生活方式的转变会使得我们面临着资源需求的进一步快速增长。通过国际之间、省域之间的商品和服务贸易, 地区经济紧紧联系在一起, 每个地区的消费都与其他地区资源消费有关。对资源消耗及其产生的环境压力需要从需求端来量化管理, 应该考虑本地区和地区外之间贸易产生的原材料消耗。对以消费为基础的核算, 特别是对碳排放的核算, 正在越来越为政策制定者和决策者所采用, 特别是基于MRIO的核算已经被用来支持讨论碳排放的责任如何在地区间分摊, 许多学者也指出“碳足迹”的“消费者承担”原则更具科学性。物质足迹产生的环境压力分担也应该和碳排放的责任分担一样, 应该从消费者角度进行分摊, 而不仅仅让资源开采地区独自承担环境压力。基于物质足迹的未来研究可以利用MRIO识别资源消耗的关键部门和关键地区, 识别资源转移的网络系统; 量化资源开采环境压力在省域之间的转移, 可为资源开采环境压力治理提供基础。中国不同地区存在产业结构差异和技术水平差异, 资源利用效率不同, 可以利用物质足迹构建资源产出率指标进一步研究分析中国资源消耗效率的区域差异及其影响因素。

5 结语

从物质流角度分析中国资源消耗的研究已经很多, 但是现有的物质流指标存在一定缺陷, 不能全面测度一个地区的资源物质消耗。物质足迹包含了与一个区域进口和出口的产品和服务相联系的上游原材料当量的物质消耗, 可以更加全面地量化资源消耗。现在物质足迹研究主要集中于国家层次上的研究, 基于区域层次上的研究很少。多区域投入产出表的编制使研究者核算省级层次上的区域物质足迹成为可能。随着循环经济的发展, 物质流研究范围和深度逐渐加大, 通过对物质足迹的研究可以分析由消费引起的物质资源消耗在产业部门或者地区之间的重新分配, 也是我们对在自然界中攫取的资源的重新分配, 同时也是对环境压力的一个测度。对物质足迹进行研究可以为探讨地区之间或者部门之间生态环境公平性问题提供理论支持, 也可为我国资源的可持续利用管理提供借鉴。