基于MFA方法和STIRPAT模型的甘肃省环境经济系统物质流研究

朱霞霞 张剑 曹建军

摘 要：环境经济系统物质输入与输出研究能全面反映经济发展与环境之间的关系。运用物质流分析（MFA）方法和STIRPAT模型，研究和分析了甘肃省环境经济系统2000～2011年间物质的输入与输出及其驱动因素。结果表明：第一，不考虑水资源的情况下，2000～2011年，甘肃省物质输入与输出不断增加，年均增长率分别为6.90%和9.56%，均小于15.68%的GDP年增长率；输入增长主要源于固体物质投入的增加，而输出增长主要源于气体物质的增加。第二，物质输入与输出高度相关，说明甘肃省经济发展仍处于资源依赖性阶段。第三，尽管物质输入与输出不断增加，但物质输入与输出效率均不断减小，这意味着甘肃省的资源利用率和处置率稳步提高，区域环境经济正在逐步走向协调发展的轨道。第四，当人口数量、富裕程度、技术水平和经济结构分别发生1%的變化时，相应的环境影响变化量依次为0.998%、0.991%、0.99%和0.42%。未来几年间，甘肃省应重点从提高技术水平方面着手，加快经济结构调整、转变经济增长方式，以减轻经济发展对环境系统的影响。

关键词：甘肃省；物质流分析；STIRPAT模型；经济发展；环境影响

环境经济系统的物质流输入与输出分析（Material Flow Analysis，MFA）方法能够有效对环境保护和经济发展之间的关系进行综合评价。自欧盟统计局于2001年提出国家层面的MFA系统分析框架后，许多国家便开展了大量的实证研究。法国、英国等欧美发达国家先后完成了国家层面的物质流分析。近年来，中国等发展中国家也开始关注这一领域，地区层面和元素的研究也进入这一领域，如广东省、磷元素等。

通过以上研究的分析，MFA方法只侧重于物质输入与输出的实际发生过程，对引起其结构变化的原因及由此对环境所造成的影响关注不够，无法为解决环境保护和经济发展的深层次矛盾提供可靠的决策建议，而STIRPAT模型能够弥补这一方法的不足。有关STIRPAT模型在环境影响评价中的应用，已有诸多研究案例。如甘肃省、重庆市等。即使STIRPAT模型具有如此优点，但通过查阅大量文献发现，无论是国外研究者，还是国内学者，通常将此模型和MFA方法单独应用，致使研究结果缺乏说服力且零散不系统。

鉴于此，本研究以甘肃省为例，运用物质流分析方法，结合STIRPAT模型，对环境经济系统2000～2011年间的物质输入与输出状况及其驱动因素进行深入研究，以期为甘肃省的经济发展、资源利用和环境保护提供定量的科学决策依据。

一、研究方法

（一）研究区域的划定

按照“欧盟原则”，研究区甘肃省物质流分析所涉及的系统边界为经济系统与自然环境之间的边界，即经济系统从自然环境中所获取的物质资源，并将废弃物重新排放到环境中的边界。

环境经济系统的净储存主要指人工制造的固定资产，如基础设施、车辆、建筑以及库存商品等。区域内总物质输入等于总物质输出与物质存量净增长之和。由于有些物质有不确定的边界界定，导致物质存量会对物质输入输出产生影响，因此，本研究在不考虑国民经济账户平衡问题的前提下，主要分析甘肃省区域内物质输入输出动态变化趋势。

（二）数据来源及研究方法

1.数据来源及处理。研究中所用到的原始数据均来自2000～2011年公开出版的各类统计年鉴（包括中国环境统计年鉴、中国农村统计年鉴、中国统计年鉴以及甘肃发展年鉴等）。由于自甘肃省外（其它省份以及其他国家）输入或自甘肃省输出到省外的一次资源、成品及半成品实物数据不详，因此本文采用了不包含省外输出或输入物质数据的指标进行核算，即自然物质直接物质输入和输出以及生产过程输出指标进行物质流分析。

（1）输入的固体物质分为生物物质和非生物物质。

（2）输入的气体主要包括二氧化碳和氧气，前者主要用于植物光合作用，后者主要消耗在化石能源燃烧、生物呼吸、土壤呼吸以及工业生产等方面。由于甘肃省统计数据的不全面，这两类气体的输入量主要通过计算得出。其中，化石能源燃烧耗氧量用二氧化硫排放量近似估算，生物呼吸耗氧量的计算利用各类生物的数量乘以相应类别每种生物年均呼吸消耗氧气量得到，植物光合作用所消耗的二氧化碳量利用农林产品产量乘以系数1.47近似求得，工业生产耗氧相对较少且较难估算，故略去。

（3）输入水体总量定义为工业用水和生活用水之和。

（4）输出端的固体废物包括生活垃圾排放量、废水中的COD、氨氮和农药化肥的流失量。此次物质流分析中，氮肥、磷肥和钾肥的利用率分别按0.3、0.2和0.4计，农药的利用率按0.3计。

（5）输出端的气体包括废气与其它气体，主要由工业废气、氧气和二氧化碳组成。具体计算如下：化石能源燃烧所产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）为化石能源燃烧排放折合成碳的二氧化碳量；Pi为第i种化石能源的消耗量，仅考虑石油、煤和天然气3种，经计算得到；Fi为第i种化石能源的平均有效氧化系数，石油、煤、天然气分别取0.918、0.982、0.98；Ci为单位化石能源中的含碳量，对应的每吨标准煤所燃烧的石油、煤、天然气的平均含碳量分别为0.707、0.85和0.403。

土壤呼吸所排放二氧化碳量由农田生态系统单位面积的年均碳释放量转换得到，本研究按耕地面积计算，年均二氧化碳排放量取25.60t/hm2。植物光合作用所产生的氧气量根据与二氧化碳量的比值得到。

（6）输出端废水为工业废水和生活废水的排放量的总和。

2.研究方法。物质流分析（MFA）方法以质量守恒定律为依据，物质质量作为物质输入与输出的计量标准。STIRPAT模型以物质输入作为主变量，以人口数量、富裕程度、技术水平等驱动因素作为因变量，分解因变量对物质输入的影响程度、作用方向和调控空间，STIRPAT模型的应用研究主要集中在环境影响方面。本研究中，利用STIRPAT模型建立人文因素与环境影响关系，基本方程如下式：

I=aPbAcTde （2）

式（2）中，I为环境影响；P为人口；A为富裕程度；T为技术水平；a，b，c，d，e为拟合参数。实际的应用中，模型可增加其他人文驱动因素变量，所增加的变量需与式（2）指定的乘法形式概念一致。已有研究表明，人口数量、富裕程度、技术水平、经济结构、政治和经济制度、态度和信仰等因素将影响物质输入。因此，参照已有研究成果，选取人口数量、富裕程度、技术水平和经济结构四个变量作为物质输入驱动指标，建立基于物质输入驱动机制的甘肃省STIRPAT模型。方程由基本方程式（2）转变为多自变量的非线性模型式（3）：

I=aPbAcTdSef （3）

STIRPAT模型在研究中需进行对数变换，变换后为式（4）：

lnI=lna+blnP+clnA+dlnT+elnS+lnf （4）

式（4）中，lnI为因变量，lnP、lnA、lnT、lnS为自变量，lna为常数项，lnf为误差项，其中，环境影响（I）以物质输入量（不含水）表示；lna、lnf由多元线性拟合得到；人口（P）以人口数量表示；富裕程度（A）以人均GDP表示；技术水平（T）以物质输入强度表示（T值越小，技术水平越先进）；经济结构优化率（S）以第一、二产业产值占国内生产总值的比例表示（S值越小，经济结构优化率越高）。

二、结果

（一）甘肃省环境经济系统的物质输入与输出

甘肃省环境经济系统2000～2011年的物质输入与输出见表1。由表1所示，2000～2011年甘肃省物质输入年均递增率为6.90%，物质输出年均递增率为9.56%，但两者的增长速度均小于GDP（2000年不变价）的增长速率（15.68%）；结果表明：不考虑水的情况下，物质输入总量与输出总量动态上均呈波动上升趋势。

1.物质输入与输出强度

如图1所示，不考虑水的情况下，2000～2011年物质输入与输出强度处于波动上升的趋势，且趋势基本一致。2000～2011年物质输入与输出强度年均增长率分别为11.6%、9.4%，均低于同期人口年均增长率的16.5%。

2.物质输入与输出效率

如图2所示，2000～2011年物质输入与输出效率均呈波动下降趋势。2000～2011年物质输入与输出效率年均递减率分别为5.85%和3.66%。

（二）物质输入与物质输出关系

不考虑水的情况下，利用回归统计分析方法对2000～2011年甘肃省总物质输入量与输出量进行线性拟合。由图3所示，总物质输入量与输出量的拟合系数R2为0.9543（p<0.001），表明随着时间的推移，物质输入量与输出量呈正比例不断增加。

（三）物质输入驱动因素

利用Eviews7.0分析软件，采用最小二乘法对甘肃省STIRPAT模型中常数项和误差项参数拟合，拟合结果由式（5）所示，甘肃省STIRPAT模型拟合度高达0.9999，表明本研究选取的指标能解释2000～2011年甘肃省环境经济系统物质输入的99.99%，模型拟合较好。

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

（5）

由式（5）推算可得，当人口数量（P）、富裕程度（A）、技术水平（T）和经济结构（S）每发生1%变化，环境影响（I）相应的变化量为0.998%、0.991%、0.99%、0.42%。

三、讨论

（一）甘肃省物质输入与输出变化

由表1所示，不考虑水的情况下，2000～2011年甘肃省环境经济系统中，物质输入量和输出量均呈增加趋势。在物质输入方面，在2000～2001年和2003～2004年，气体物质输入量大于固体输入量，从2005年开始固体物质输入量大于气体输入量，固体物质输入量的不断增加，表明大量的固体物质以产品、半成品和原料等形式被暂时贮存在环境经济系统中，参与系统中的生产和消费；在物质输出方面，气体物质占较大比例，其次为固体物质何耗散性物質。

由图3所示，2000～2011年甘肃省总物质输入量与输出量成正比，由此表明，甘肃省环境经济系统中物质的粗放型线性经济发展模式，即“高资源投入，高污染排放”还没有得到根本转变。因此，应采取从源头控制的方式减少进入甘肃省环境经济系统的化石能源、矿产资源和生物资源等物质输入量，转变甘肃省经济增长方式，从而避免末端治理中大量能源与资源的附加投入，降低能源资源的投入量及污染物排放总量，这样不仅能够减缓经济发展所导致的环境质量退化，而且能够减少经济系统向环境排放的废物量，这将成为甘肃省今后发展经济的根本途径。

（二）甘肃省物质输入输出强度与效率的变化

由图1所示，不考虑水的情况下，2000～2011年甘肃省环境经济系统物质输入与输出强度仍然在不断上升，但输入与输出强度均在2009年出现下降并趋于平衡，主要源于逐年不断增长的人口数量；由图2所示，不考虑水的情况下，2000～2011年甘肃省环境经济系统物质输入与输出效率呈现不断降低的趋势，表明甘肃省社会经济发展的同时带动了人们对能源资源等物质消费的增长，进而导致了物质输出量的增加；同时，随着物质输入与输出效率的不断降低，甘肃省经济系统的资源利用效率明显提高，从而说明甘肃省经济增长与环境压力正在逐步脱钩。

2000～2011年甘肃省环境经济系统物质输入与输出效率年均递减率分别为5.85%和3.66%，对比国内发达地区厦门市，其物质输入效率年均递减率大于厦门市物质输入年均递减率（3.85%），物质输出效率年均递减率则小于厦门市物质输出年均递减率（3.91%），对比结果表明，物质输入年均递减率快于国内发达地区，而物质输出效率年均递减率慢于国内发达地区，这说明甘肃省资源利用效率、废弃物处理效率正在逐年提高，区域经济增长呈良性态势的同时，环境压力也趋于减小，而且随着甘肃省循环经济的不断深入以及物质减量化资源化技术的推广应用，这一趋势更为明显。

（三）STIRPAT模型分析

利用Eviews7.0分析软件拟合出的甘肃省环境经济系统物质输入驱动因素的STIRPAT模型式（5）推算可知，当人口数量（P）、富裕程度（A）、技术水平（T）和经济结构（S）每发生1%变化，环境影响（I）相应的变化量为0.998%、0.991%、0.99%、0.42%。因此，控制甘肃省的人口数量，加快经济结构调整、转变经济增长方式，开发物质减量化、资源化应用技术，对减轻甘肃省环境经济系统破坏尤为关键。另外，本研究在STIRPAT模型驱动因素分析中未考虑水的因素，主要是为避免大的物质（水的因素）输入淡化其他物质输入在驱动因素分析中的清晰度，有关水的驱动因素研究将在今后的中做进一步探讨。

四、结语

2000～2011年间，不考虑水的情况下，随着甘肃省社会经济的不断发展，物质输入与输出强度呈现同步的波动上升趋势；物质输入与输出效率均呈波动下降趋势；物质输入总量和物质输出总量存在明显的线性关系；各驱动因素中，人口数量和富裕程度的增长对物质输入的增加产生正作用，而技术水平和经济结构优化率的降低则对物质输入的增长产生负作用。所以在未来几年间，在人口数量和富裕程度变化不大的情况下，甘肃省应重点从提高技术水平方面着手，加快经济结构调整、转变经济增长方式，以减轻经济发展对环境系统的影响。

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基金项目：本文系国家自然科学基金项目（41461012）；甘肅省自然科学基金项目（1208RJZA114）；西北师范大学青年教师科研能力提升计划项目（NWNU-LKQN-11-10）。

作者简介：张剑（1981- ），男，陕西铜川人，副教授，硕导，研究方向：环境地理学。