高耗能产业群复合生态效率系统协同发展研究

郑季良，彭晓婷

（昆明理工大学管理与经济学院，云南昆明 650093）

高耗能产业是资源消耗较为集中的产业，其产生的污染是导致空气污染、雾霾及二氧化碳排放的重要来源之一。通过推进资源全面节约和循环利用来促进产业循环经济建设和产业升级是近年来面临的重要任务。由于生态产业链的链接作用，高耗能产业间的循环经济建设紧密相关，有必要从产业间的两两协同和产业集群整体协同的视角分别对高耗能产业群复合生态效率系统协同发展水平进行深入探究。生态效率是测度高耗能产业群循环经济发展的重要指标，本文将生态效率视为由资源效率和环境效率构成的复合生态效率系统，科学评估四大高耗能产业的资源效率和环境效率水平，并实证分析高耗能产业群的复合生态效率系统协同发展水平，为提升高耗能产业群生态效率和循环经济水平、促进产业升级提供理论和决策参考。

一、文献综述

生态效率（eco-efficiency）是企业或产业的产出与投入的比值，世界可持续发展工商理事会（Word Business Council for Sustainable Development，WBCSD）将其定义为经济价值与环境影响的比值［1］，涵括了资源节约和环境友好两种理念［2］，强调经济效益和环境效益的最大化［3］。能源短缺和环境污染制约了经济增长，大力推动经济发展的同时应考虑到能源和环境因素［4］，故许多学者将生态效率分解为资源效率和环境效率，对资源能源和环境两个方面进行研究。如黄和平将生态效率分为资源能源效率和环境效率，对江西省循环经济发展模式进行探究并总结其规律［5］；于会录等用资源效率和环境效率测度了石嘴山地区工业生态效率以评估该区域的循环经济水平［6］。

为量化评估资源效率和环境效率水平，程晓娟将能耗、水耗、资本投入和人力投入作为资源效率的投入指标，废水、废气和固废排放量作为环境效率投入指标，将经济发展总量作为效率产出指标［7］；郭存芝等用水、电、气的消耗量和废水、废气、固废的排放量分别测算资源效率和环境效率［8］；陈黎明等以资本、人力、水、电、土地和废水、废气、粉尘排放作为经济效率和环境效率的投入，以工业产值作为产出［2］。

协同学主要研究复合系统如何通过子系统相互作用形成有序结构［9］。随着协同学在产业发展研究中的广泛应用，王兴明发现，产业协同发展体系主要包括产业内企业间协同、跨产业协同等［10］；关于产业间的协同发展，王必锋等对京津冀地区高端服务业与先进制造业协同发展机理及其耦合协调度进行了研究［11］；吴卫红等将六大高耗能产业的技术创新、节能效率和减排效率3个子系统视为复合系统，并量化测度子系统间的协同度［12］；郑季良等对经济子系统与环境子系统协同度进行了高耗能产业间的比较研究［13］。

综上所述，目前生态效率的研究对象主要为某一区域范围内的产业，对高耗能产业生态效率的评价很少；虽有一些学者将生态效率系统分为资源效率和环境效率，但对复合生态效率系统的有序度和协同度研究还比较少，以产业间和产业集群的双视角对高耗能产业群复合生态效率系统协同发展水平的研究更为少见。在生态文明建设不断推进的背景下，高耗能产业面临着向绿色低碳型产业转型升级的巨大压力。故本文构建高耗能产业群复合生态效率系统模型，收集产业数据实证分析复合生态效率系统协同发展水平，以丰富高耗能产业群协同发展理论体系，为高耗能产业转型升级和循环经济发展提供参考价值。

二、高耗能产业复合生态效率

（一）高耗能产业复合生态效率评价指标体系

高耗能产业是指消耗大量能源并伴随大量废弃物和环境污染的产业，主要包括化工（化学原料及化学制品制造业）、建材（非金属矿物制造业）、冶金（黑色金属冶炼及压延加工业）和火电（电力、热力生产和供应业）4个行业。高耗能产业是资源消耗和污染排放较密集的产业，也是生态文明建设重点关注的产业。生态效率可以反映生产活动主体的资源利用情况及其对环境的影响程度，因此选用源头的资源效率和末端的环境效率构成高耗能产业复合生态效率系统，以对生态效率进行针对性探究。其中，资源效率和环境效率均采用数据包络分析法的CCR模型计算得出，其投入产出指标采用相对指标以确保信度，具体如表1所示。

（1）资源效率。选用万元产值综合能耗、万元产值煤耗、单位产值劳动力投入和单位产值资本投入表示资源投入，平均工业产值表示资源产出，以反映高耗能产业能源、资源、人力和财力的投入，以及产品或服务价值的产出。其中，万元产值煤耗为煤炭消耗总量与工业产值的比值，单位产值劳动力投入为从业人员数与工业产值的比值，单位产值资本投入为新增固定资产与工业产值的比值。

（2）环境效率。选用单位产值废气排放、单位产值废水排放和单位产值固废排放表示环境效率投入，平均工业产值表示环境效率产出，来反映高耗能产业以环境污染为代价获取的经济效益。其中，投入指标分别为废水、废气和固体废弃物的排放量与工业产值的比值。

表1 高耗能产业复合生态效率评价指标体系

（二）高耗能产业群复合生态效率系统模型

生态效率是循环经济水平的量化体现，可通过减少资源投入和废弃物排放量等方式降低环境负荷以提高生态效率水平。但单一产业内所有企业业务类型相似、产业链较短，导致产业内部的废弃物无法实现充分的循环再利用，造成余热和余能等的浪费，过剩的废弃物、余热余能等一般只能输送至其他产业进行再加工利用或排放到自然环境系统中。相对而言，高耗能产业群内的各个产业可依附于生态产业链进行副产品以及废弃物的产业集群内部循环再利用，在提高资源利用率的同时降低污染物排放强度。高耗能产业群生态效率系统如图1所示。

高耗能产业的投入主要为不可再生的自然资源，如煤炭、金属矿物质和化学原料等，以及劳动力投入和资本投入等社会资源，涵盖了物力、人力和财力；产出主要包括产业生产经营活动产生的产品或服务的价值，并伴随大量的污染物的产生，高耗能产业的污染排放物主要包括二氧化硫等废气、工业废水和固体废弃物。在高耗能产业群生态效率系统中，尽管产业群对环境的污染主要仍来源于三废的大量排放，但各个高耗能产业在利用自身的资源投入的同时，还对其他产业的副产品和废弃物进行传递和梯级利用，降低产业集群整体对自然系统的污染排放量。在此基础上，各个产业联系更加紧密、产业链不断纵向延伸，实现经济利益最大化的同时促进资源节约和环境改善。其中，建材产业可利用火电、化工和冶金产业产生的固体废弃物生产水泥、砖块等建筑材料；化工和冶金产业产生的余能可用于自身的生产活动，余热可被火电产业用来发电；冶金产业产生的焦炉煤气可作为原料经过化工产业的技术加工转化为苯类、酚类等制品；化工产业产生的焦炭等副产品可作为燃料为冶金产业所使用；建材产业生产过程中产生的余热也可被用于火电产业。

图1 高耗能产业群生态效率系统

三、高耗能产业群复合生态效率系统协同发展

（一）高耗能产业群复合生态效率系统协同发展指标体系

高耗能产业群复合生态效率不仅存在产业之间的协同，还存在资源效率子系统与环境效率子系统间的协同。从产业间协同角度看，4个产业构成了4个生态效率子系统，每个产业生态效率水平不同，导致相互协同发展情况也各有不同，因此将4个产业两两组合构建6个复合生态效率协同模型，即化工与建材产业、化工与冶金产业、化工与火电产业、建材与冶金产业、建材与火电产业，以及冶金与火电产业。从资源效率子系统和环境效率子系统协同角度看，两个系统评价指标均由4个产业的资源效率和环境效率构成，统筹高耗能产业群的资源效率和环境效率，以全面分析高耗能产业群的复合生态效率系统协同发展水平，进一步探究4个高耗能产业在能源梯级利用和降低环境负荷方面相互合作的程度和效果。具体如表2所示。

表2 高耗能产业群复合生态效率系统协同效应评价指标体系

（二）高耗能产业群复合生态效率系统协同指标赋权

（1）在测算高耗能产业间复合生态效率系统协同效应时，将化工、建材、冶金和火电产业视为4个子系统，均由资源效率指标和环境效率指标构成。计算任意2个产业子系统之间的协同度，将资源效率和环境效率视为产业子系统中同样重要的两部分，令其权重均为0.5。

（2）在测算资源效率子系统和环境效率子系统协同效应时，将资源效率和环境效率视为2个子系统，均由4个产业构成。采用相关系数矩阵法，分别对资源效率子系统和环境效率子系统中的4个产业赋权，以排除主观因素影响。设（x1，x2，x3，…，xn）是一个n维随机变量矩阵，即假设子系统有n个评价指标，xi与 xj的相关系数为 aij（i，j＝1，2，3，…，n），则相关系数矩阵为：

其中：Ai表示第i个指标对指标体系的影响程度，Ai值越大则该指标对指标体系的影响程度越高。对各指标赋予权重：

经计算，得到4个产业在资源效率子系统和环境效率子系统中的权重。在资源效率子系统中化工、建材、冶金和火电产业的权重分别为0．274、0．230、0．237和0．259，在环境效率子系统中权重分别为0.236、0．253、0．251和 0．260。

（三）高耗能产业群复合生态效率系统协同度计算

根据复合系统模型，首先对生态效率指标做归一化处理。选取产业先进指标值作为基准值ε，用xji表示各指标值。对于数值越大越优的指标，评价值为ωji＝xji／ε；对于数值越小越优的指标，评价值为ωji＝ε／xji。若yji为各指标的权重，m为子系统个数，则第j个子系统的有序度为：

用Uj（xji）表示第j个子系统有序度，Ujo（xji）表示除第j个系统以外的某子系统有序度，则系统间协调系数C和协同度S为：

两个子系统有序发展情况越一致，式（5）计算得到的协调系数越大。式（6）计算值越大，表示两个子系统在该阶段的协同发展水平越高，反之协同发展水平越低。其中，α和β采用上述的相关系数矩阵法确定，表示两个子系统所占权重。由于生态效率值越大表示生态水平越高，且Deap 2.1软件计算得到的资源效率值和环境效率值均处于区间［0，1］，故取基准值ε为1，此时资源效率和环境效率的评价值wji与效率值相同。

四、高耗能产业群复合生态效率系统协同效应实证分析

（一）数据来源及复合生态效率评价值

用于计算高耗能产业群复合生态效率的基础数据主要来源于《中国统计年鉴》《中国能源统计年鉴》以及《中国环境统计年鉴》等。鉴于2016年以后统计数据披露尚不完全，故选取2004—2015年4个高耗能产业的数据进行相关实证分析。根据资源效率和环境效率的评价指标体系和DEA模型，运用Deap 2.1软件计算得到复合生态效率评价值，如表3所示。

表3 高耗能产业复合生态效率评价值

从表3可以看出，化工、建材、冶金和火电产业的资源效率和环境效率水平均呈现明显上升态势。4个高耗能产业的资源效率均值分别为0.702、0.797、0.583和0.595，环境效率均值分别为0.529、0.482、0.691和0.690。其中，化工和建材产业的资源效率均值水平明显高于冶金和火电产业，而化工和建材产业的环境效率均值水平明显低于冶金和火电产业。

不同产业的资源利用和污染物排放情况之所以大相径庭，主要是因为各产业对原材料的需求、生产产品种类以及废弃物的可利用程度不同。

化工产业生产过程中产生的某些气体或液体废弃物具有腐蚀性或其他危险性，导致回收难度较高或难以被其他产业加工再利用，绝大部分只能作为污染物排放，故环境效率相对较低；建材产业虽然可以将高耗能产业群中的固体废弃物作为原料进行水泥等建筑材料的生产，但由于建材产业处于产业群循环经济产业链的末端，其产生的大部分废弃物无法进行循环再利用，主要通过人工填埋等物理办法处理并排放到自然环境系统中。此外，冶金和火电产业的废弃物极少具有特殊性，资源再利用技术较为成熟，产生的副产品、气体和固体废弃物等可以通过产业链的物质流动为其他产业的生产活动所使用，余热和余能可在产业群中循环利用，处理后的废水也可作为冷却水辅助产品的生产加工，故污染物排放量相对较低，在高效利用有限资源的基础上提升了冶金和火电产业的环境效率。

（二）高耗能产业群复合生态效率系统协同水平

（1）产业间复合生态效率系统协同。根据2004—2015年4个高耗能产业复合生态效率评价值以及复合系统有序度和协同度的计算公式，得到复合生态效率在4个产业子系统中的有序度及4个产业间的协同度，具体如表4所示，演变趋势如图2和图3所示。此外，根据相关系数矩阵赋权法和产业有序度，得到4个产业的权重分别为0.253、0.246、0.242和0.259，即式（6）中的α和β。

表4 高耗能产业复合生态效率有序度及协同度

图2 4个产业复合生态效率系统有序度演变趋势

图3 4个产业复合生态效率系统两两协同度演变趋势

从表4和图2可以看出，化工、建材、冶金和火电产业的复合生态效率系统有序度在2004—2015年呈现总体上升态势，均值分别为0.616、0.640、0.637和0.643，有序发展水平较高，即各个高耗能产业的资源效率与环境效率处于有序发展状态。近年来，化工和建材两个产业的复合生态效率系统有序度明显高于冶金和火电产业。2004—2015年冶金产业有序度波动最大，受到2008年金融危机严重影响，2009年钢铁出口量占总产量的比例大幅降低，导致冶金产业的资源效率和环境效率增长放缓甚至减少，复合生态效率系统有序度也不免受其影响；2011年是我国经济结构改革的初始年，资源浪费和环境污染情况有所缓解，产业内复合生态效率系统有序度大幅上升，但由于国际经济环境恶化等外部因素影响，冶金产业复合生态效率系统有序度在2012年再次下降。相对而言，化工、建材和火电产业有序度增长稳定。总体来看，4个产业的复合生态效率有序度从2005年开始呈现稳步上升趋势，但从2011年开始均出现了有序度增长放缓甚至下降的情况，受国内经济改革、通货膨胀等政治经济因素影响，高耗能产业复合生态效率系统有序度变化显著。

从表4和图3可以看出，在2004—2015年4个产业复合生态效率两两之间的协同度呈现逐渐上升趋势。协同度整体在（0.3，0.8），均值在（0.5，0.6）。从整体趋势可以看出，化工、建材、冶金和火电4个产业之间的协同发展程度近年来不断提高。此外，2011年以来产业间复合生态效率协同度呈现增长放缓甚至降低趋势，其中化工与冶金产业、建材与冶金产业，以及冶金和火电产业的协同度水平变化最为明显，导致该现象的原因是冶金产业复合生态效率有序度的降低，故与其有关的协同水平相应降低，单一产业复合生态效率系统的有序发展程度会影响产业之间的协同发展水平。由此可知，高耗能产业间复合生态效率整体处于基本协同发展水平，高耗能产业内的协同发展需进一步加强，资源使用和废物循环等方面的协同尚有提升空间。

（2）资源效率子系统与环境效率子系统协同。根据2004—2015年高耗能产业群复合生态效率评价值以及有序度和协同度计算公式，得到相应的有序度以及子系统间的协同度，具体如表5和图4所示。在计算协同度时，将资源效率子系统和环境效率子系统视为同样重要的部分，故式（6）中的α和β均为0．5。

表5 高耗能产业群资源效率子系统与环境效率子系统有序度及协同度

从表5和图4可以看出，2004—2015年高耗能产业群的资源效率子系统和环境效率子系统有序度呈现总体上升态势。两个子系统有序度总体处于（0.2，1），均值分别为0.668和0.600，近年来资源效率子系统和环境效率子系统的有序发展水平较好，说明高耗能产业群在资源利用和环境保护方面采取的措施初见成效。这期间资源效率子系统有序度波动较大，导致该现象的主要原因是近年来高耗能产业不断探索并尝试通过科学技术、生态工业园区建设等措施提高资源利用效率和循环利用水平。相对而言，环境效率子系统有序度增长稳定，基本呈现不断上升趋势，说明供给侧改革、生态文明建设等措施在一定程度上推动了资源效率子系统和环境效率子系统的有序度增长。

图4 高耗能产业群资源效率子系统与环境效率子系统协同度演变趋势

在2004—2015年高耗能产业群的资源效率子系统与环境效率子系统的协同度呈现稳步上升态势，但近年来有序度增长明显放缓。协同度在（0.5，1），平均值为0.761，显著高于4个高耗能产业两两组合时的复合生态效率协同发展程度，说明高耗能产业群整体协作下的生态效率高于单一产业或两两产业间合作的生态效率。高耗能产业群的复合生态效率系统协同效应有所提高，从基本协同发展提升为良好和高度协同发展，主要原因是产业集群内的能源高效利用、副产品相互利用以及废弃物在产业链上的流动和利用等，这不仅提高了资源效率，还降低了环境污染，促进了高耗能产业群复合生态效率系统协同效应的提升。

五、结论与启示

本文将生态效率视为资源效率与环境效率的有机结合，构建高耗能产业群复合生态效率系统，有助于探究产业间生态效率协同效应以及产业群整体的资源效率与环境效率协同水平。根据2004—2015年化工、建材、冶金和火电产业的数据进行实证，得到以下结论：

（1）化工、建材、冶金和火电产业的复合生态效率、各子系统有序度、产业间复合生态效率系统协同度总体呈现上升态势，资源效率和环境效率均处于不断上升的发展阶段，且近年来效率水平较高，多次出现效率值接近于最大值1。结果表明高耗能产业生态效率整体处于良好发展水平，生态保护和资源节约意识的加强以及绿色发展相关政策的落实促进了高耗能产业循环经济的健康发展。

（2）4个高耗能产业复合生态效率系统有序发展水平不同，冶金产业波动较大，其他3个产业上升趋势较为平稳。冶金产业复合生态效率系统有序度波动较大，与冶金产业相关的产业间协同度变化态势和冶金产业有序度变化态势相似，提升高耗能产业间复合生态效率协同发展水平，应以提高各个高耗能产业复合生态效率有序度为基础。

（3）高耗能产业群资源效率子系统与环境子系统的协同度水平高于任意两个产业组合的复合生态效率系统协同度水平。说明产业集群的组织模式更有利于各产业的发展，产业集群内的资源循环利用等不仅减少了各个产业的资源浪费和环境污染，还加强了产业间的相互协作关系，在一定程度上促进了产业集群的循环经济建设和产业转型升级，提升了高耗能产业群的生态文明程度。

基于上述结论得出以下几点启示：

（1）促进高耗能企业循环经济和生态文明建设。企业是构成产业的组织单位，产业构成产业集群，产业内各企业的副产品、废弃物的物质流动形成微观循环经济网络，产业间的物质和能量流动形成规模化生态产业链网，宏观循环经济发展水平和生态文明建设很大程度上取决于企业基础单元的资源节约、环境保护意识和行动。产业群循环经济网络以各个企业为节点，提高其生态效率水平、有序发展度以及协同发展度是提升绿色绩效的关键环节。

（2）提高高耗能产业内部节能减排效率。产业间的相互协作发展程度易受其中某一产业资源效率与环境效率有序发展度的影响，即节能减排的良好有序发展能够促进该产业与其他产业协调合作。各个产业资源和能源消耗的减少以及环境污染物排放量的降低，影响着产业集群内的资源综合利用率及其污染排放对自然环境造成的负荷程度。高耗能产业节能减排效率的提升有利于增强产业群生态产业链的链接强度，加快产业群循环经济建设的步伐。

（3）大力推进产业集群和生态工业园区建设。产业群的产业组织模式更有利于生态效率的提高，应适当延长高耗能产业群内的生态产业链长度，以促进资源和能源的循环利用、降低废弃物排放强度、提高生态效率水平。生态工业园区是区域内产业集群的表现形式，是循环经济理念的实践。基于生态产业链的链接作用，提高产业间的相互协作程度，对推进产业转型升级、提高生态效率水平具有不可替代的作用。