2014, Vol. 34
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伴随全球人口和经济规模的不断扩大，人类活动对环境压力的强度愈来愈大，并且成为引至全球及区域尺度环境变化的主要驱动力，大大增加了人类生存的环境风险(IPCC，2007).因此，对人类活动环境压力的定量研究已经成为国内外学者关注的热点(张永民，2006;曲建升等，2006;Yong，2007).目前，具有代表性的人类活动环境压力定量研究方法主要包括基于绿色国民经济帐户的环境损失核算(国家环保总局等，2004)、基于生态生产性土地面积帐户的生态足迹核算(成升魁等，2010)和基于物质流帐户的环境载荷核算(陶在朴，2003)等，上述方法分别通过价值视角、面积视角和重量视角实现了对人类活动环境压力的定量研究.其中，基于物质流帐户的物质流分析(Material Flow Analysis，MFA)方法由于克服了绿色国民经济帐户在环境定价方面存在的不确定性和生态足迹核算不能包含全部资源环境要素的缺憾，在国家层面、区域层面、企业层面、家庭层面的人类活动环境压力的定量研究中得到广泛应用(陈效逑等，2003；魏婷等，2009；王青等，2005).
河北省是我国三大城市群之一的京津冀城市群的重要组成部分，由于能源及矿产资源和农业资源禀赋条件较好，已经成为全国重要的能源原材料工业生产大省、农业大省和人口大省(王卫等，2012).伴随经济规模的迅速扩张和人口总量增长，在上述经济社会结构的制约下，势必导致对环境压力强度的增加，从而产生资源短缺和环境恶化等问题.近年来，京津冀平原地区大气污染状况的迅速恶化就是人类活动环境压力增加的典型表现之一.因此，河北省已经成为人类活动环境压力定量研究的热点区域.
目前，国际学术界在区域物质流综合核算方面主要针对数据不足导致的行业层面分析薄弱和区域间物质输入输出核算困难等难点，通过实物投入产出表编制方法和建立区域间物质输入输出与社会经济要素关系实证模型方法，在一定程度上推进了区域层面物质流分析的深化(Tachiban et al.，2008； Kov and a et al.，2009).国内学术界在基于MFA方法的人类活动环境压力的区域研究方面主要有以下特点：一是重视物质输入的核算忽视物质输出的核算，二是重视总体层面物质输入输出的分析忽视行业层面物质输入输出的分析.上述特点在一定程度上影响了区域层面物质流方法对人类活动环境压力分析的深度和精细度.因此，本文借鉴MFA方法，并结合排放清单方法，深化研究区行业层面物质流分析，定量分析2000—2010年河北省人类活动环境压力，从而深入揭示河北省人类活动环境压力的动态演化特征和存在的主要问题，从总体和行业两个层面为河北省人类活动调控提供科学依据.
2 研究方法(Research technique) 2.1 人类活动环境压力核算方法以欧盟在“经济系统物质流核算指南(Weisz，2007)”中提出的核算指标为基础，将区域人类活动环境压力定义为本地直接物质输入、本地间接物质输入(隐藏流)和本地物质总排放的集合，这一定义表征了人类活动对本区域环境的压力，不包括区域人类活动对区外环境的压力.按照上述人类活动环境压力的设计理念(王青等，2006；吴开亚等，2012)，构建定量分析方法如下：
式中，EI为区域人类活动环境压力(t)；DMI为本地直接物质输入(t)，是区域内直接进入社会经济系统的自然界物质，主要包括化石燃料、生物质、非金属矿物、金属矿物等的开采与收获；HF为本地隐藏流(t)，是经济活动所动用的而未被使用的物质量，主要包括开采矿物时移动的表土量、生物收获的非使用部分、建筑土方及河流疏浚物等；DPO为本地总排放(t)，是从区域社会经济系统进入自然环境且不能再循环使用的物质，一般分为固体废弃物、液体废弃物、气体废弃物、逸散物质等类型(表 1).
| 表1 区域人类活动环境压力的物质流核算清单 Table 1 Regional environmental pressures of human activities material flow account and analysis |
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研究表明(Weisz，2007)，从区域社会经济系统进入自然环境且不能再循环使用的物质即物质总排放(DPO)对环境的影响最明显，是控制人类活动环境压力的关键环节.分行业物质总排放的定量识别可以为污染物调控政策的制定提供详细的科学依据.为此，参照全国污染源普查技术中推荐使用的排污系数法(第一次全国污染源普查资料编纂委员会，2011a)，构建分行业本地物质总排放核算方法如下：
式中，DPOi为本地第i个行业物质总排放(t)，Ai为全国第i个行业的排污系数，Hi为本地第i个行业产品总产量或人口总量，Mi为全国第i个行业污染物排放量(t)，Ni为全国第i个行业产品总产量(t)或人口总量(人)，n为参与计算的行业数.根据河北省实际，行业划分中包括了农业中的种植业和养殖业2个行业，工业中的黑色金属矿采选业、黑色金属冶炼及延压加工业、非金属矿采选业、非金属矿物制品业、电力热力的生产和供应业等10个行业，第三产业及生活中的汽车使用、其它第三产业及生活等2个行业.
由于数据的可得性，本文Ai的计算采用全国分行业污染物排放系数，即Ai=全国第i个行业污染物排放量/全国第i个行业产品总产量或人口总量，其中，污染物排放量数据源于2007年全国污染源普查数据.
2.3 数据来源及核算说明研究所用原始数据绝大多数来自河北统计年鉴(河北省统计局，2001—2011)、中国统计年鉴(中国国家统计局，2001—2011)、污染源普查数据集(第一次全国污染源普查资料编纂委员会，2011b)、污染源普查技术报告等.DMI的数据是根据河北统计年鉴、中国统计年鉴中的统计数据计算得出.DPO的数据是根据污染源普查数据集、污染源普查技术报告中的数据计算得出.污染源普查数据集、污染源普查技术报告中的数据统计了全国2007年各类污染源的排放量(包括工业源、生活源、农业源)，在工业污染源计算中，根据2007年中国统计年鉴中的主要工业产品，把主要工业产品划分到各个行业中，按主要工业产品产量代替它所属行业的产品总量来进行计算.生活污染源的计算是根据人口总量和2007年中国生活污染物排放量来进行推算.农业污染源的计算是根据粮食、木材、畜产品产量和2007年中国农业污染物排放量来进行估算.
根据本文对区域人类活动环境压力的定义，DMI的核算中将水和空气排除在外，这是由于考虑到水流和空气流对环境影响小并占据了物质流总量的大部分，会主导物质流核算结果冲淡其它物质对环境压力的贡献，特别是掩盖一些质量较小、影响较大的物质流对环境压力的贡献；DPO的核算中也未包括输出到大气中的二氧化碳等影响全球气候变化的温室气体.
考虑到数据的系统性，忽略了每年不足1万t物质的行业，化石燃料只包括原煤、原油、天然气，非金属矿物仅考虑原盐、水泥用灰岩、玻璃用砂岩、粘土、建筑砂石等，金属矿物仅包括铁矿石的开采，生物物质中包括农作物、林产品、牧草的产量.
一些数据在统计资料中无法获取，所以采用文献(郭培坤等，2010)中提供的方法和系数来估算，包括：建筑矿物(粘土、砂和各种石料)的开采量以砖和主要由石灰岩生产的水泥产量、平板玻璃产量代替；沙子开采量按照水泥用量的2.4倍估算；隐藏流部分的开采用物质所引起的生态包袱数据采用文献(毕军等，2009；吴开亚，2012；王亚菲，2011)提供的生态包袱系数来计算，营建剩余土方量采用文献(刘晓薇等，2011)提供的估算公式计算.
3 结果分析(Interpretation of result) 3.1 人类活动环境压力分析 3.1.1 人类活动环境压力的总量变化分析人类活动环境压力的总量指标变化如表 2所示.人类活动环境总压力(EI)在10年间增长了1.55倍，略低于同期GDP的增长(1.96倍).在EI的3项构成中，DMI增长了1.81倍，HF增长了1.46倍，DPO增长了68%.EI的3项构成也发生了一定变化，由2000年的28.8 ∶ 69.8 ∶ 1.4变化到2010年的31.8 ∶ 67.3 ∶ 0.9，DMI的份额增加，HF和DPO的份额下降，说明自然资源的开采强度增长较快.
3.1.2 直接物质输入(DMI)变化分析如表 2所示，在2000—2010年间，除了生物质在减少外，金属矿物质、非金属矿物质和化石燃料的开采量在高速增长，金属矿物质增长了6.5倍，非金属矿物质增长了1.5倍，化石燃料增长了1.5倍.直接物质输入构成在十年间也发生了变化，由2000年的24.4 ∶ 20.4 ∶ 12.9 ∶ 42.3变化到2010年的21.4 ∶ 6.7 ∶ 34.7 ∶ 37.2，金属矿物份额增长明显，化石燃料和非金属矿物的开采量也不断增加，由此可以看出河北省能源原材料为主的产业结构进一步强化，特别是钢铁工业群比重明显增加.
| 表 2 2000—2010年河北省人类活动环境压力的总量统计表 Table 2 Statistics of total environmental pressures from human activities in Hebei during 2000—2010 |
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在间接物质输入指标中，矿物开采移动引起的隐藏流成为总量变化的主体，其增长速度也是最快的(表 2).在2000—2010年间，矿物开采移动量增长了2.6倍，生物质非使用部分增长了41%，建筑土方量增长了52%.间接物质输入的构成也发生了一定变化，由2000年的46.1 ∶ 7.0 ∶ 47.0变化到2010年的67.0 ∶ 4.0 ∶ 29.0，矿物开采移动的份额明显增加，生物质非使用部分和建筑土方份额减少，矿物开采的强度在增大.
3.1.4 物质总排放(DPO)变化分析DPO的变化如表 2所示.在2000—2010年间，固体废弃物总量增长了26%，液体废弃物总量增长了24%，气体污染物的总量增长了3.47倍，逸散物质总量增长了16%.DPO的构成发生了一定变化，由2000年的 77.4 ∶ 8.9 ∶ 13.0 ∶ 0.7变化到2010年的58.2 ∶ 6.5 ∶ 34.8 ∶ 0.5，气体废弃物的份额由13.0%涨到了34.8%，增长迅速，气体污染物对环境的压力明显增大，成为近年来空气质量恶化的主要原因.
3.2 分行业物质总排放变化分析 3.2.1 三次产业及生活物质总排放变化分析从表 3可以看出，2000—2010年间，农业废弃物排放量减少到了2000年的83%，工业废弃物排放量增长了2.3倍，第三产业及生活废弃物排放量增长了85%.其构成也发生了一定的变化，由2000年的43.5 ∶ 18.5 ∶ 38.0变化到2010年的21.6 ∶ 36.3 ∶ 42.1，工业和第三产业及生活的份额在增长，农业份额在下降，工业和第三产业及生活已经成为环境压力的主体.
3.2.2 工业分行业物质总排放变化分析从表 3可以看出，2000—2010年间，在工业分行业物质排放中，煤炭开采和洗选业增长了27%，黑色金属矿采选业增长了6.6倍，非金属矿采选业略有下降，农副食品加工业增长了1.9倍，造纸及纸制品业增长了90%，石油加工炼焦及核燃料加工业增长了90%，化学原料及化学制品制造业增长了30%，非金属矿物制品业增长了1.8倍，黑色金属冶炼及压延加工业增长了8.6倍，电力热力生产和供应业增长了1.4倍.工业分行业物质总排放的构成进一步集中化，位于前5位的行业物质总排放比重由2000年的87.6%变化到2010年的93.2%，黑色金属矿采选业、黑色金属冶炼及压延加工业、电力热力生产和供应业、非金属矿采选业、非金属矿物制品业是主要污染行业.其中，黑色金属矿采选业和黑色金属冶炼及压延加工业的排放量明显增加，对环境的压力明显增大.
3.2.3 农业、第三产业及生活分行业物质总排放变化分析从表 3可以看出，在2000—2010年间，种植业排放量增长了20%，2010年养殖业排放量减少到2000年的69%，机动车尾气排放量增长了5.9倍，其他第三产业及生活的排放量增长了10%.农业和第三产业及生活分行业物质排放构成也发生了一定变化，农业分行业构成由2000年的29.4 ∶ 70.6变化到2010年的41.2 ∶ 58.8，第三产业及生活分行业构成由2000年的13.4 ∶ 86.6变化到2010年的49.9 ∶ 50.1.机动车尾气排放所占份额迅速增加，汽车尾气污染已成为不可忽视的污染源.
| 表 3 2000—2010年河北省分行业物质总排放统计表 Table 3 Statistics of total emissions by industry in Hebei during 2000—2010 |
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如图 1所示，在2000—2010年间，单位EI生产的GDP(GDP为2000年不变价，下同)在波动中略有上升，由2000年的317元· t-1上升到2010年的368元· t-1，其中，2004—2007年和2009—2010年为下降期.单位DMI生产的GDP在波动中略有上升，由2000年的1101元· t-1上升到2010年的1159元· t-1，其中，2001—2007年和2009—2010年为下降期.单位HF生产的GDP在波动中略有上升，由2000年的454元· t-1上升到2010年的547元· t-1，其中，2004—2007年和2009—2010年为下降期.单位DPO生产的GDP总体呈上升趋势，由2000年的22741元· t-1上升到2010年的40158元· t-1，其中，2009—2010年上升速率明显减缓.
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| 图 1 物质流经济效率 Fig.1 Material input and output efficiency |
如图 2所示，在2000—2010年，农业物质总排放的经济效率总体呈上升趋势，由2000年的8545元· t-1上升到2010年的16898元· t-1，提高了98%.工业物质总排放的经济效率在波动中基本保持不变，由2000年的53706元· t-1变化到2010年的54333元· t-1，其中，2004—2006年和2009—2010年出现明显下降，说明在2000—2010年间河北省工业行业整体粗放化没有得到改善.
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| 图 2 分行业物质总排放效率 Fig.2 Total emission efficiency by sector |
在2000—2010年间，农业分行业物质总排放效率中(图 3)，种植业和养殖业的输出效率都在逐渐增加.其中，种植业排放效率由2000年的16450元· t-1上升到2010年的25197元· t-1，提高了53%；养殖业排放效率由2000年的5272元· t-1上升到2010年的11106元· t-1，提高了1.1倍.
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| 图 3 农业分行业物质总排放效率 Fig.3 Output efficiency from agricultural subsector |
2 000—2010年间，在工业分行业物质总排放效率中(图 4)，效率提高的行业有：煤炭开采和洗选业提高了2.2倍，石油加工、炼焦及核燃料加工业提高了2.0倍，黑色金属矿采选业提高了10%.其它行业效率均呈下降趋势：化学原料及化学制品制造业下降到了80.9%，非金属矿采选业下降到了90.6%，黑色金属冶炼及压延加工业下降到了36.9%，电力、热 力的生产和供应业下降到了36.0%，非金属矿物制 品业下降到了40.0%，造纸及纸制品业下降到了67.3%，农副食品加工业下降到了81.5%.黑色金属冶炼及压延加工业、电力热力的生产和供应业、非金属矿物制品业排放效率下降速率最快，粗放化趋势最明显.
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| 图 4 工业分行业物质总排放效率 Fig.4 Total output efficiency from industrial sub\|sector |
本文研究得到的行业层面物质总排放相关数据与年度环境统计数据(河北省环境保护局，2000—2010年)相比存在一定差异(表 4)，主要表现为本文研究数据2007年以前低于环境统计数据，2007年以后高于环境统计数据.这主要是本文使用不变的2007年排污系数对整个研究期进行估算导致的结果，明显低估了2007年以前的排放量；另一 方面，有关学者研究认为环境统计数据与污染源普查数据相比排放量被明显低估(何能勇等，2010)，这一问题在本研究区同样存在(表 5).因此我们认为，本研究估算的2007—2010年物质总排放的相关数据更加符合实际情况.
| 表 4 河北工业主要气体污染物历年排放比对表 Table 4 Comparison of gas emissions from main industries between calculation data and the Environmental Statistics |
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本研究存在以下主要问题：一是人类活动环境压力的物质流核算中未包括土壤侵蚀量和温室气体排放量等指标，会一定程度上影响核算精度；二是与污染源普查相比，本研究忽略了排放量贡献小的行业，会导致排放量的低估；三是排污系数按2007年标准对各年物质排放量进行核算，会一定程度上低估2007年以前各年的排放量和可能高估2007年以后各年的排放量.在后续研究中将会针对上述问题进一步完善核算方法体系.
| 表 5 2007年河北省环境统计与污染源普查主要气体污染物排放比对表 Table 5 Comparison of gas emissions from main industries between the Pollution Source Census and the Environmental Statistics |
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1)河北省在工业产业结构未发生明显变化和生活水平不断提高的条件下，伴随经济和人口规模的增长，由物质流表征的人类活动对环境的压力强度明显增加，环境风险进一步加大.各年度经济总量增长速度与各年度人类活动环境总压力(EI)及其分量(DMI、HF、DPO)的增长量之间呈现正相关关系，与各年度物质流的经济效率之间呈现负相关关系，说明这一时期经济的快速增长主要依赖于落后产能的数量扩张，与经济增长和环境压力相“脱钩”的循环经济的要求相去甚远.因此，大力调整产业结构、压缩钢铁、建材、电力等重点行业的落后产能已迫在眉睫.
2)工业和第三产业及生活已经成为环境压力权重最大的物质总排放构成中的主体，成为今后环境治理的主要领域.在工业物质总排放构成中，钢铁、建材、电力三大行业的5个产业是绝对主体，并且是这一时期排放量增速最快的部门，也是排放的经济效率下降最快的主要部门，同时还是经济粗放增长贡献最大的部门.在第三产业及生活物质总排放构成中，机动车尾气排放已与其他第三产业及生活平分秋色，并且成为这一时期排放量增速最快的部门.
主要建议如下：一是加快河北省产业结构调整，重点发展低能耗低污染的先进制造业、新兴战略产业、第三产业等与物质使用“脱钩”明显的产业，改变现状以能源原材料工业为主的产业结构；二是下大力气淘汰钢铁、建材、电力等行业的落后产能，扭转经济增长粗放化的落后局面；三是采取大力发展城市公共交通、提高机动车燃油品质等综合措施，扭转机动车尾气排放量增长过快的不利局面.
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