我国农业生产经济系统的动态物质流分析

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摘要：本文利用物质流分析方法和物质减量分解模型，研究了1990—2012年我国农业生产经济系统的物质流状况及其结构，并将之与农业经济发展指标相联系，利用分离指数等指标考察了经济增长与物质投入的脱钩关系，对物质输入进行了减量效应和反弹效应分解。结果表明：二十多年来，我国农业生产的物质输入输出不断增加，物质投入以化肥和能源为主，农业经济增长和物质投入处于相对脱钩状态，物质利用效率提高速度低于农业经济增长速度，农业经济系统呈现弱可持续性发展。

关键词：农业生产经济系统；物质流分析方法；物质减量分解模型；可持续发展

中图分类号：F250文献标识码：A

文章编号：1000176X（2015）12012507

一、引言

人类社会的发展离不开对自然资源的需求，进入工业时代以来，人口和经济的快速增长更是需要动用越来越大的物质量，而人类造成的环境问题在很大程度上是由物质消费引起的，对自然资源的采掘、加工、使用和废弃导致环境污染和生态退化。物质流分析通过研究自然环境系统与人类社会经济系统之间的物质流动，为解决生态环境保护和经济增长之间的两难，衡量社会可持续发展和生态效率提供了一种有效的定量分析工具。

经济系统的物质流分析肇始于1969年，20世纪90年代之后得到广泛关注并应用于实践，奥地利、日本、美国和德国等发达国家相继建立了国家物质流账户。从研究的经济系统范围大小划分，物质流分析的研究通常可分为宏观、中观和微观三个层次，分别代表国家级、区域级和企业级的物质流核算；从研究对象和领域划分，物质流分析的应用层次可分为经济系统物质流分析、产业部门物质流分析和特定元素物质流分析[4]-[6]。目前国内外的产业部门物质流分析呈现出侧重于钢铁等工业部门的特点，例如Dahlstrm和Ekins结合物质流和价值链分析对英国钢铁产业和铝产业的物质流动、生态效率等进行了研究，Michaelis 和Jackson[8-9]对英国钢铁部门的物质流和能量流进行了核算，Park等运用动态物质流方法对韩国钢铁资源流进行了估算，Hashimoto 等对日本林木资源的六个物质流指标进行了精确估算，考察了林木资源的物质循环状况，Hong等对韩国纸和纸浆的生产和使用过程进行了物质流分析，Woodward和 Duffy[13]计算了爱尔兰混凝土生产、使用和废弃过程中的物质流动。我国对产业部门的物质流分析尚处于起步阶段，如徐明和张天柱[14]对我国化石燃料的输入输出量进行计算，温宗国等[15]对我国2001—2005年公路交通系统的物质输入和输出进行了估算。这些研究多数没有将某个行业作为整体进行物质流分析，而是对钢、铁、铝、木材纸等某种或某类物质在经济系统中的流动过程进行分析。

对于作为国民经济基础的农业部门，Risku-Norja和Menp[16]对芬兰的各种食物生产和消费状况进行了物质流分析，Kytzia 等[17]结合投入产出分析方法对瑞士的食物物质流进行估计，但是Risku-Norja和Menp以及Kytzia等的研究将农业作为食物生产的部门考虑，没有将农业本身作为一个产业部门进行物质流的全景分析。国内关于农业物质流的研究如朱瑶[18]通过建立我国30个省的农业物质流账户指标，运用空间计量模型对各指标进行分析，李刚[19]应用物质流分析方法研究了1991—2010年我国农业部门的物质消耗总量和物质消耗效率。但是李刚的研究只考虑农业生产的输入端，没有考虑农业内部物质循环和物质输出，朱瑶的研究选择1990年、2000年和2008年各省的截面数据进行空间相关性分析，没有从整体考察我国农业生产的物质输入输出，同样没有估算内部物质循环量。本文将农业生产看做一个整体，建立科学合理的物质流分析框架，对我国农业生产经济系统的物质输入量、输出量和内部循环量进行初步核算，选取和估算切合实际的生态包袱系数，对农业生产中的隐藏流进行估计，得到我国农业生产的物质消耗强度、生态效率等相关的物质流分析指标，同时进行物质减量化分析，为农业可持续发展的评估和政策制定提供科学依据。

二、农业生产经济系统物质流分析方法

1物质流核算框架

本文的农业指的是国民经济行业分类标准中的农林牧渔业，在农业生产经济环境系统中，输入端包括系统外物质输入及其隐藏流、系统内直接物质输入及其隐藏流。系统外物质输入包括能源（电力和各种化石能源）、农用生产资料（化肥、农药和农用塑料薄膜）、农业机械（拖拉机、渔用机动船等）和农业工程设施设备（温室大棚、水利灌溉设施及其所需的设备等）。系统外物质输入的隐藏流指这些物质在产品生产过程所有的物质移动，这里主要指产品生产的生态包袱 [20]。农业生产系统内的直接物质输入主要包括种子、饲料和有机肥，这些物质同时参与农业生产的物质循环利用。输入的水和空气是指农业用水、燃烧与呼吸所需的气体。由于水流通常被排除在物质代谢系统之外，而且农业生产用水直接进入土壤和水体，参与水的自然循环，因此，在物质流分析中通常不考虑输入和输出的水[21]，本文将其单列一项。农业生产经济环境系统的输出端主要包括两个方面：输出到系统外的物质和系统内物质输出，前者主要指输出到行业之外的农林畜牧产品和水产品，后者分为输出到农业生产中的物质和排放到自然环境中的废弃物两部分。本文建立的农业生产经济系统物质流分析框架如图1所示。

2数据来源及处理方法

行业外物质输入包括化肥、农药、农用塑料薄膜和化石能源。农业机械输入量由于各种机械重量差异较大，这里不进行估算，而是将其生产需要的物质投入按照隐藏流处理，根据数据可得性，新进入系统的农渔业机械主要考虑大中型拖拉机、小型拖拉机和渔用机动船，总的农用机械隐藏流按照拖拉机动力占农用机械总动力的比重近似推算。农业工程建设所需的物质类别比较庞杂，难以得到合理的质量估计数据和隐流系数，本文不予考虑。相关数据来源于《中国能源统计年鉴》和《中国农村统计年鉴》。

煤炭、焦炭等的生态包袱系数参见吴开亚和毕军等[20]，磷矿的生态包袱系数参见沈晓莹[22]，水泥的生态包袱系数参见陈效逑和乔立佳[23]，钢制品和铁制品的生态包袱系数按照铁精矿的生态包袱系数计算。氮肥、磷肥、钾肥、农药、塑料薄膜、大中型拖拉机、小型拖拉机和渔用机动船的生态包袱系数按照实物型物质投入产出表，根据生态包袱系数=∑i（对第i种投入物质的直接消耗系数×第i种投入物质的生态包袱系数）得到。

农业生产经济环境系统内

直接物质输入包括种子、饲料（饲草、部分作物秸秆和精饲料）和有机肥（部分作物秸秆和动物粪便）。输入的气体主要包括O2和CO2。前者主要消耗于化石

燃料燃烧和动物呼吸方面，后者主要消耗于植物的光合作用。

输出分为两部分：可用于农业生产的物质输出（循环物质）和废弃物输出。前者主要包括种子、饲料（不包括精饲料）和有机肥，后者主要包括废弃的农用塑料薄膜、废弃焚烧的秸秆、废弃的粪便以及排放到大气中的温室气体。输出到农业生产系统外的物质主要包括农林牧渔业产品、用作工业原料的秸秆以及输出到生活消费领域用作燃料的秸秆和粪便，将秸秆分类到农产品，粪便归属于畜牧产品。

3物质减量分解模型

物质减量指的是经济系统物质投入量的绝对或相对减少。绝对物质减量指物质投入总量绝对值的下降，是实现经济发展可持续性的基本条件之一。相对物质减量指创造单位产出所需的物质投入量减少，即物质消耗强度的下降。绝对物质减量在经济增长的前提下意味着物质消耗强度的下降，但是物质消耗强度的下降并不一定导致物质绝对减量。以MCI表示物质消耗强度，物质输入量DMI可以表示为DMI=MCI×GDP，则物质输入增量ΔDMI=GDPt×ΔMCI+MCIt+1×ΔGDP。等式左侧是物质投入的增长效应，等式右侧第一项表示降低物质消耗强度带来的物质减量效应，这是由于技术进步形成的直接物质输入绝对量减少，右侧第二项表示经济增长带来的反弹效应，这是GDP总量增长驱使物质投入总量增加。当反弹效应小于减量效应时，增长效应为负值，此时经济增长实现了物质投入的绝对减量。

三、农业生产经济系统物质流核算结果

1物质流趋势分析

本文中物质需求总量=直接物质输入+系统外物质隐藏流，直接物质输入=系统外物质输入+系统内直接物质输入。物质输出总量=系统内直接物质输出+输出到系统外的物质。我国农业生产经济系统1990—2012年物质流总量如表1所示。

根据表1期内物质流的变化趋势，可分为三个阶段：（1）稳步上升阶段，1990—1995年。物质输入和输出总量均稳步上升，直接物质输入年均增长469%；物质需求总量年均增长499%；物质输出总量年均增长425%。这一阶段农业增加值以年均469%的速度增长，伴随着农业物质代谢的稳步增加。（2）波动阶段，1996—2007年。直接物质输入基本没有变化，年均小幅增长045%，呈现“升—降—升—降”的波动趋势；物质需求总量年均增长129%，除2000年和2005年之外均呈现增长趋势；物质输出总量年均增长088%，呈现与直接物质输入相同的波动态势。这一阶段由于退耕还林、建设占地和抛荒等原因，在2000—2003年我国耕地面积和农作物种植面积持续降低，同时，1997年以及2000年左右的严重干旱也对农业生产产生直接影响，减缓了需要的物质投入，降低了农产品的产出。这一阶段农业增加值年均增长370%，占GDP的比重迅速下降，由于强调结构调整，农作物种植面积压缩，种植业在农业总产值中的比例下降，林牧渔业产值比例上升，因此，造成农业增加值的增长在这种结构发生重大调整或技术较大进步的情况下与农业生产的物质输入、输出变化情况并不同步。（3）缓慢上升阶段，2008—2012年。直接物质输入年均增长188%；物质需求总量年均增长233%；物质输出总量年均增长200%，这一阶段农业增加值年均增长430%，占GDP的比重降到1000%以下。由于我国农业物质投入成本较高，化肥农药等农用物资的使用产生生态污染，依靠高投入促进增长是不可持续的发展方式。农业生产的物质输出增加缓慢与物质投入的报酬递减，与资源约束与环境压力增大，技术进步缺乏新突破，小规模经营的比较效益差等因素息息有关。

2物质流结构分析

农业生产经济系统外的四类输入物质中，化肥和能源占总输入量的9600%以上，二者比重在5000%左右波动，农药和农用塑料薄膜的输入量只占总输入量的200%—400%。整体来看，化肥输入所占比重逐渐上升，能源输入所占比重缓慢降低，农药输入比重基本没有变化，农膜输入比重上升约一个百分点。这说明农业生产中化肥和能源的使用占据最重要的位置，提高物质利用效率主要从这两方面入手，用有机肥料替代工业化肥的使用，不但能够减少人工合成化肥的用量，而且对改良土壤性质、提高作物品质有积极作用。农业生产中的能源消耗主要用于农业机械和农业工程运行，随着农业机械化水平的提高，能源消耗量将缓步上升，提高能源利用效率成为农业可持续发展的必然选择。

农业生产系统外物质输入隐藏流中，能源隐藏流占总隐藏流的比重最高，在5300%—6400%之间波动，化肥隐藏流平均占比2756%，农机隐藏流平均占比1215%，农药隐藏流平均占比095%，农膜隐藏流占比最低，平均044%。对比直接物质输入结构可以看出，能源生产的隐藏流远高于其他物质，能源隐藏流是能源直接输入量的163500倍，而化肥隐藏流与直接输入量的比平均为63200，农药的这一比值为72100，农膜只有31300。因此，节约能源消耗量，提高能源利用效率能够有效地减少农业生产的生态包袱。从1990—2012年，农机中渔用机动船的隐藏流从04145亿吨增加到07549亿吨，大中型拖拉机隐藏流从00276亿吨增加到03248亿吨，小型拖拉机的隐藏流从00345亿吨增加到01101亿吨，农用机械的隐藏流从01986亿吨增加到13979亿吨。机动船虽然隐藏流系数较高，但是由于数量增加很少，因此，隐藏流增加并不多。虽然大中型拖拉机的生态包袱系数远高于小型拖拉机，但是后者的数量增长速度远低于前者。，大中型拖拉机1990年有813521万台，2012年有8452400万台，增长了103900倍，小型拖拉机1990年有6981000万台，2012年增加到17972300万台，只增长了25700倍，小型拖拉机隐藏流的增量低于大中型拖拉机隐藏流的增量。由于近十几年来农用收割机和其他耕作、排灌、加工机械迅速增加，农用机械隐藏流的增长幅度远高于渔用机动船隐藏流的增长幅度。

农业生产经济系统内的直接物质输入以有机肥和饲料为主，其中有机肥所占的比重最高，平均为7106%，其次是饲料，平均占比2796%，种子和菌类基料只占098%。氧气输入以畜禽呼吸需氧为主，平均占总输入的8956%，这一比重有逐年下降的趋势，从1990年的9115%下降到2012年的8798%，这主要是由于大牲畜存栏量经历1990—1999年的缓慢上升后逐年下降，导致需氧量所占比例减少，但是由于家禽等小型畜禽的饲养量不断攀升，因此，畜禽呼吸需氧量的绝对值以平均147%的增长率缓慢上升。化石燃料燃烧需氧量虽然所占比重小，但是这一比重呈现逐渐增加的趋势，燃烧需氧量的绝对值也以平均340%的增长率不断增加。这说明随着农业总产值的增加，化石燃烧和畜禽呼吸需氧量都在不断增加，但是化石燃料增长速度高于畜禽饲养规模扩大速度，因此，燃烧需氧量占总量比重增加的同时畜禽呼吸所占的比重减小。

农业生产经济系统内物质输出量中循环利用量占总输出量的比重平均为7439%，波动幅度很小，不超过05000个百分点，这说明在农业生产中，系统内部的循环占很大比重并且变化很小，种子、饲料和部分肥料、燃料都是由农业生产的产出作为投入循环使用的，实现秸秆还田，施加有机肥料，提高循环利用率是建设生态农业的必然选择。农业生产系统内部物质输出的另一部分是废弃物，废弃物输出以牲畜排放的温室气体为主，平均占废弃物总输出的6401%，固体废弃物占2605%，化石燃料燃烧排放的温室气体只占994%，因此，降低温室气体排放的关键在于畜牧业、牲畜规模化养殖、调整畜牧业养殖结构、改进饲养技术。

3物质流效率及其与经济发展的协同效应分析

将物质流指标与经济指标相结合，以单位物质需求总量产生的第一产业实际GDP代表总的物质资源投入的生产力，即总物质效率=农业实际GDP/物质需求总量，是生态效率的一种表现形式。但是物质需求总量包含了巨大的隐藏流，掩盖了直接物质输入的真实性，因此，以单位直接物质输入所产生的农业实际GDP代表直接物质资源投入的生产力，即直接物质效率=农业实际GDP/直接物质投入量，是生态效率的另一种表现形式。计算得到的1990—2012年我国农业生产系统直接物质效率和总物质效率的变化趋势基本相同，呈现平稳上升的趋势，在1995年之后二者之间的距离逐年扩大，说明直接物质生产力的增长速度高于总物质生产力的增长速度，投入农业生产的物质蕴含的生态包袱远高于直接物质投入，减少物质消耗的隐藏流是提高物质生产力的关键。

为衡量农业经济发展与资源利用的协同效应，本文利用分离指数测度经济增长与资源消耗之间的分异程度。分离指数=经济增长速度-环境压力增长速度，分离指数越大，经济增长相对于资源消费的效率越高，实现了经济发展与资源消耗的脱钩。在大多数年份里，农业经济增长与资源消耗和污染排放的分离指数都大于零，并且波动幅度越来越小，而且这些分离指数逐渐靠拢并接近于零，这意味着经济增长与环境压力的增长速度越来越同步，逐渐趋于稳定的脱钩状态，并且脱钩程度逐渐趋同。

当GDP增速、物质投入增速和物质消耗强度增速大于零时，经济发展与资源消耗处于扩张性复钩状态；当GDP增速和物质投入增速大于零，物质消耗强度增速小于零时，经济发展与资源消耗处于相对脱钩状态；当GDP增速大于零，物质投入增速和物质消耗强度增速小于零时，经济发展与资源消耗处于绝对脱钩状态。样本期内，1996年、2000年、2001年、2006年和2007年农业经济增长和直接物质投入处于绝对脱钩状态，这种状态占统计年限总数的2273%，1991—1993年、1997年、1999年、2002—2005年、2008—2012年二者处于相对脱钩状态，这种状态占统计年限总数的6364%，只有1994年、1995年、1998年二者处于扩张性复钩状态。暂时忽略特殊的年份，经济增长与物质消耗的关系从相对脱钩，到扩张性复钩，绝对脱钩，最后又恢复到相对脱钩。这说明高速的物质消耗增长带来更高速的农业经济增长，但是资源效率提高并不理想，因此，停留在相对脱钩状态。

4物质投入减量分析

根据物质减量分解模型，得到1991—2012年我国农业生产直接物质投入的增长效应、反弹效应和减量效应如图2所示。1996年、2000—2001年、2006年和2007年物质投入出现绝对减量，呈现一种“强可持续性状态”。其他年份增长效应呈现正值，说明农业经济增长对应的直接物质投入的反弹效应超过了由于技术进步带来的减量效应，但是减量效应基本在零线以下，说明农业生产实现了物质投入的相对减量化，经济系统处于“弱可持续”状态。1994年、1995年和1998年减量效应高于零线，这是由于物质消耗强度突然上升所致。1991—2012年间，经济发展引起的反弹效应使得直接物质投入量平均每年增加03925亿吨，总计反弹效应为236103亿吨，而同期由物质消耗强度下降引起的减量效应年均为06807亿吨，总计149752亿吨，减量效应未能完全抵消反弹效应，导致直接物质投入实际增加86351亿吨。整体上看，2000年以后农业经济增长带来的直接物质投入的反弹效应变化趋势与降低资源消耗强度的减量效应变化趋势基本吻合，呈现平缓波动。

1991—2012年我国农业生产经济系统并未达到资源消耗的绝对减量化。尽管通过提高物质利用效率实现了物质投入的相对减量化，但是GDP增长带来的物质投入增加对资源消耗的冲击远大于资源利用效率提高带来的物质利用量的降低，经济发展最终对资源的压力仍不断增大。基于这种弱可持续的状况，在假定一个变量保持实际变化的情况下，可以分析达到强可持续的临界点，即物质投入零增长的另一变量变化趋势。

图2农业生产物质投入的增长效应、减量效应和反弹效应

为实现物质投入零增长而降低农业经济发展速度，显然不符合我国实际，实现可持续发展目标，需要在经济发展的同时实现物质投入零增长。假定农业GDP增长按照实际增长速度发展，同时物质投入零增长，这样的可持续发展路径需要物质利用效率从1990年的2288076元/吨提高到2012年的5476434元/吨，即在22年间实现物质利用效率的倍数革命，年均需要提高405%；而实际物质投入效率只提高到3938991元/吨，年均提高25400%。要达到强可持续发展的目标，物质投入效率还处于较低水平，提高农业生产物质投入效率是今后经济发展的重要任务。

四、结论

本文计算了1990—2012年我国农业生产经济系统的物质投入和输出量，并根据物质投入效率，检验了物质减量化的效果，主要结论如下：

首先，农业生产经济系统物质流总体呈现增长的态势，但是由于农业增加值占GDP比重逐年下降，从2008年开始物质投入和输出量均处于缓慢上升时期，之前由于种植面积的下降、自然灾害和农业结构调整等主客观原因，农业发展和物质流的变化趋势并不同步。物质直接输入中化肥和能源所占比例最高，而且这两类物质的隐藏流占比最大，因此，提高化肥和能源利用效率是降低物质消耗，实现农业可持续发展的关键。废弃物输出中温室气体排放以牲畜排放为主，但是与此同时畜牧业在农林牧渔中单位物质重量产值最高，在调整农业产业结构，增加农业增加值的同时减少温室气体排放是农业减排的关键，根据本文的计算结果，牲畜排放的增长速度低于能源排放温室气体的增长速度，在这二者同时增加的现状下，我国农业温室气体减排任重道远。

其次，物质投入效率缓慢增长。整体上看，我国经济增长与环境压力的关系经历了扩张性复钩阶段之后，出现了相对脱钩—绝对脱钩—相对脱钩的反复过程，最后处于相对脱钩状态。绝对脱钩的出现说明经济增长和物质消耗减少的理想状态是能够出现的，但是如果仅仅依靠经济增长自动调控物质代谢水平，需要消耗更多的资源，对生态环境产生不利影响，延缓绝对脱钩的进程，并在这一进程中出现反复，落入相对脱钩状态。高速的物质消耗增长带来更高速的农业经济增长，但是资源效率提高的速度过低，最终经济增长和物质消耗的关系停留在相对脱钩状态，依然存在不利于可持续发展的因素。因此，要实现农业生产的可持续发展，要在消耗更少资源的前提下尽早实现农业发展与环境压力的绝对脱钩。

最后，物质减量分解结果表明多数年份农业生产实现了物质投入的相对减量化，农业经济系统处于“弱可持续”状态。由于物质投入的减量效应未能完全抵消反弹效应，导致我国农业生产经济系统未达到资源消耗的绝对减量化。实现物质投入的零增长需要在过去的22年间实现物质利用效率的倍数革命，要达到这一强可持续发展的目标，现今的物质投入效率需要快速提高。

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A Dynamic Economy-wide Material Flow Analysis on Chinese Agricultural Production

Abstract：An economy-wide material flow analysis and a dematerialization model are used to study the structure of Chinese agricultural production between 1990 and 2012 On the basis of the study，combined with indicators for agricultural and economic development，decoupling factors are used to examine the de-linking between economic growth and material input Meanwhile，the dematerialization effect and rebound effect of material inputs are also analyzed The results indicate that the material input and output of Chinese agriculture have been increasing over the last two decades Chemical fertilizers and energy are the main material inputs and the growth of agricultural economy and material inputs are in relative de-linking The improvement of efficiency on material utilization is lower than the growth of agricultural economy As a result，the Chinese agricultural economy has weak sustainability

Key words： Agriculture，Material Flow，Dematerialization，Sustainability

（责任编辑：刘艳）