基于能值理論的有色金屬礦產(chǎn)資源開(kāi)采生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制

劉文婧, 耿 涌,孫 露, 田 旭, 張黎明

1 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所,中國(guó)科學(xué)院污染生態(tài)與環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 沈陽(yáng) 110016 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200240 4 日本國(guó)立環(huán)境研究所,社會(huì)環(huán)境研究中心, 日本 305- 8506 5 青島大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院, 青島 266071

基于能值理論的有色金屬礦產(chǎn)資源開(kāi)采生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制

劉文婧1,2, 耿 涌3,*,孫 露4, 田 旭1,2, 張黎明5

1 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所,中國(guó)科學(xué)院污染生態(tài)與環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 沈陽(yáng) 110016 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200240 4 日本國(guó)立環(huán)境研究所,社會(huì)環(huán)境研究中心, 日本 305- 8506 5 青島大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院, 青島 266071

礦產(chǎn)資源為中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)提供了不竭的動(dòng)力,但在其開(kāi)采過(guò)程中也帶來(lái)了諸多的環(huán)境問(wèn)題。在當(dāng)今資源、環(huán)境的約束下,如何采取適宜的量化方法來(lái)表征礦產(chǎn)資源開(kāi)采所帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境損失,并在此基礎(chǔ)上確定合理的生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn),成為了一項(xiàng)重要的研究課題。選取我國(guó)有色金屬采選業(yè)為研究案例,并基于能值分析方法,核算了礦產(chǎn)資源開(kāi)采過(guò)程中造成的直接、間接環(huán)境損失,提出了生態(tài)補(bǔ)償指數(shù),用以為生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考依據(jù)。對(duì)能值分析指標(biāo)的計(jì)算和分析結(jié)果表明,從可持續(xù)發(fā)展角度,生態(tài)補(bǔ)償指數(shù)為89.18%,說(shuō)明我國(guó)有色金屬采選業(yè)的環(huán)境投入較高,需要的補(bǔ)償費(fèi)用較多；能值產(chǎn)出率為9.24,表明有色金屬采選業(yè)的生產(chǎn)效率高；環(huán)境承載率為238,呈現(xiàn)高負(fù)荷狀態(tài),區(qū)域環(huán)境所承受的壓力巨大；可持續(xù)發(fā)展指數(shù)為0.039,表明我國(guó)有色金屬采選業(yè)處于不可持續(xù)狀態(tài),急需采取相關(guān)環(huán)境保護(hù)措施進(jìn)行調(diào)整。從經(jīng)濟(jì)成本角度,我國(guó)有色金屬采選業(yè)需要的生態(tài)環(huán)境補(bǔ)償費(fèi)用約為4.38×109元,現(xiàn)階段征收的資源稅費(fèi)遠(yuǎn)低于生態(tài)恢復(fù)的治理費(fèi)用,不能夠覆蓋生態(tài)修復(fù)治理成本。最后根據(jù)本文研究?jī)?nèi)容得出我國(guó)有色金屬采選業(yè)面臨的主要問(wèn)題,分別從宏觀角度、微觀角度及長(zhǎng)遠(yuǎn)角度3個(gè)方面給出了相應(yīng)的政策建議。

有色金屬采選；可持續(xù)發(fā)展；能值；生態(tài)補(bǔ)償

礦產(chǎn)資源為中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)提供了不竭的動(dòng)力,但在其開(kāi)采過(guò)程中也帶來(lái)了諸多的環(huán)境問(wèn)題。截止到2010年我國(guó)因采礦破壞的土地面積達(dá)400多萬(wàn)公頃,而土地復(fù)墾率僅15%左右[1]。礦產(chǎn)資源的開(kāi)采不僅造成了生態(tài)環(huán)境的破壞,同時(shí)也加劇了生態(tài)環(huán)境的污染,如礦坑水、廢石淋濾水造成嚴(yán)重地下水污染以及有害氣體的排放造成附近居民的高癌癥發(fā)病率等[2]。而面對(duì)礦產(chǎn)資源開(kāi)采帶來(lái)的嚴(yán)峻考驗(yàn),我國(guó)現(xiàn)行征收的有關(guān)礦產(chǎn)資源開(kāi)采的各項(xiàng)生態(tài)環(huán)境稅費(fèi)遠(yuǎn)低于開(kāi)采活動(dòng)所造成的生態(tài)環(huán)境損失[3],使得礦產(chǎn)資源開(kāi)采所造成的環(huán)境損失得不到合理的補(bǔ)償。因此,在資源和環(huán)境的約束下,如何采取適宜的量化方法來(lái)表征礦產(chǎn)資源開(kāi)采所帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境損失,并在此基礎(chǔ)上確定合理的生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn),成為了一項(xiàng)急需解決的研究課題。

生態(tài)補(bǔ)償是一個(gè)多學(xué)科交叉概念,不同的學(xué)科對(duì)生態(tài)補(bǔ)償?shù)睦斫獯嬖谥町?。綜合來(lái)講,生態(tài)補(bǔ)償指從利用資源所得到的經(jīng)濟(jì)收益中提取一部分資金來(lái)補(bǔ)償生產(chǎn)活動(dòng)所造成的生態(tài)環(huán)境的直接損失和間接損失,以達(dá)到保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目標(biāo)[4-5]。生態(tài)補(bǔ)償理論與實(shí)踐起源于19世紀(jì)70年代。當(dāng)時(shí)美國(guó)政府根據(jù)Larson和Mazzarse[6]構(gòu)建的濕地快速評(píng)價(jià)模型頒發(fā)了濕地開(kāi)發(fā)補(bǔ)償許可證。Costanza[7]在1997年將全球的生態(tài)系統(tǒng)劃分為17種服務(wù)功能區(qū),為生態(tài)補(bǔ)償提供了量化標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)生態(tài)補(bǔ)償理論是在對(duì)森林和流域的生態(tài)補(bǔ)償[8-11]研究中逐漸發(fā)展起來(lái)的[12],近年來(lái)已擴(kuò)展到對(duì)自然保護(hù)區(qū)[13]、濕地[14]、農(nóng)田[15]等的生態(tài)補(bǔ)償理論與實(shí)踐研究。雖然生態(tài)補(bǔ)償?shù)膬?nèi)涵隨著研究的深入在不斷的擴(kuò)展,但自然資源消耗與生態(tài)環(huán)境損失的評(píng)估依然是生態(tài)補(bǔ)償研究的重點(diǎn),也是生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)制定的基礎(chǔ)。

目前學(xué)界大多數(shù)采用環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)方法來(lái)量化生態(tài)損失,以制定生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)研究方法可大致分為三大類(lèi)：(1)假想市場(chǎng)法。由于缺乏真實(shí)的市場(chǎng)數(shù)據(jù),依靠消費(fèi)者對(duì)生態(tài)服務(wù)的偏好而進(jìn)行價(jià)值評(píng)估[16],如專(zhuān)家打分法、支付意愿調(diào)查[17-18]等。這種方法雖然適用性很好,但是容易受到人的主觀干擾而產(chǎn)生誤差[19]。(2)直接成本法。以生產(chǎn)活動(dòng)直接造成的環(huán)境損失的價(jià)值為研究基礎(chǔ),如Li[20]綜合運(yùn)用多種經(jīng)濟(jì)學(xué)方法對(duì)北京門(mén)頭溝煤礦區(qū)的生態(tài)損失進(jìn)行了核算,得出在過(guò)去的50年里環(huán)境損失費(fèi)用達(dá)20億美元。(3)間接成本法。以清除污染和彌補(bǔ)環(huán)境損失的成本作為研究基礎(chǔ),如趙來(lái)軍等[21]以太湖流域的實(shí)證研究確定了地區(qū)之間的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)是浙江省對(duì)江蘇省、上海市的COD生態(tài)補(bǔ)償價(jià)格分別為6648.30元/t和8164.21元/t。Trepel[22]運(yùn)用成本效益法說(shuō)明了實(shí)施廢水回收計(jì)劃能降低勒蘇益格-荷爾斯泰因海灣濕地恢復(fù)的投資費(fèi)用。然而,無(wú)論哪一種經(jīng)濟(jì)學(xué)方法,在自然資源消耗與生態(tài)環(huán)境損失的估價(jià)方面都很難形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),其原因在于經(jīng)濟(jì)流和能量流不能統(tǒng)一折算,沒(méi)有客觀反應(yīng)出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值[23]。

能值分析方法能夠提供統(tǒng)一的度量單位,是聯(lián)系經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)的橋梁[24],是解決生態(tài)補(bǔ)償研究難點(diǎn)的有效方法。嚴(yán)茂超[25]曾運(yùn)用能值理論對(duì)西藏的生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了準(zhǔn)確評(píng)估和量化,為我國(guó)生態(tài)補(bǔ)償提供了理論依據(jù)。目前能值分析多應(yīng)用于生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)分析中[26],特別是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)[27-28],城市和工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)[29-30]以及綠色GDP的核算中[31-32]。應(yīng)用于生態(tài)補(bǔ)償?shù)难芯款I(lǐng)域多為流域生態(tài)系統(tǒng)[33-34]和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[35],然而應(yīng)用能值理論開(kāi)展礦山的生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)研究尚少。

本文利用能值分析理論,將礦產(chǎn)資源開(kāi)采活動(dòng)中的資源投入和環(huán)境服務(wù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的能值單位,并將開(kāi)采活動(dòng)造成的直接、間接環(huán)境損失納入生態(tài)補(bǔ)償核算范圍。目前我國(guó)的礦產(chǎn)資源開(kāi)采的生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)研究多以煤炭為例[17,36],而我國(guó)作為有色金屬的生產(chǎn)大國(guó),對(duì)有色金屬礦產(chǎn)資源開(kāi)采的生態(tài)補(bǔ)償研究尚少。因此本文選取我國(guó)有色金屬采選業(yè)為例,進(jìn)行生態(tài)成本分析并確定相應(yīng)的生態(tài)補(bǔ)償費(fèi)用,為行業(yè)現(xiàn)狀的評(píng)估和政策的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 能值分析

能值理論起源于20世紀(jì)80年代后期,是由美國(guó)著名生態(tài)學(xué)家Odum為首創(chuàng)立的一種新的生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值論和系統(tǒng)分析方法[24〗[37]。能值分析的基本表達(dá)式為:

EM=UEVs×N

(1)

式中,EM代表太陽(yáng)能值,UEVs表示不同物質(zhì)的能值轉(zhuǎn)換率,N代表不同單位(質(zhì)量g或者能量J)的輸入流。通過(guò)計(jì)算即可得到不同投入流的能值,從而用同一的能值單位來(lái)比較和計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)[38]。

能值-貨幣價(jià)值(emdollar value,Em＄)是指能值流量相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)價(jià)值。自然資源和人類(lèi)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品均包含能值,它們代表真正的財(cái)富。能值-貨幣價(jià)值是能值價(jià)值在經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)中具體的體現(xiàn)形式,其基本表達(dá)式為：

(2)

式中,U為輸入經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)或經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng)的某種能值,Emr為能值/貨幣比率(emerg/money ratio,Emr),表示單位貨幣相當(dāng)?shù)哪苤盗?sej/＄)。但是所得的這種Em＄,并非市場(chǎng)流通的貨幣價(jià)值,只是表明該能值“相當(dāng)于”多少貨幣。

1.2 生態(tài)損失核算

生態(tài)損失指人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)過(guò)程中對(duì)周?chē)乇硇螒B(tài)、氣候、水文、植被、生物等生態(tài)因子帶來(lái)的變化,生態(tài)損失可導(dǎo)致生態(tài)因子的環(huán)境結(jié)構(gòu)功能倒退、惡化及消失[39]。生態(tài)損失核算是生態(tài)補(bǔ)償研究的重點(diǎn)和生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)制定的基礎(chǔ)。本文采用能值分析方法,將生產(chǎn)活動(dòng)造成的生態(tài)環(huán)境損失統(tǒng)一為能值單位進(jìn)行核算,并將生態(tài)損失分為直接損失和間接損失兩個(gè)部分。直接損失指企業(yè)為清除污染所采取的環(huán)保投入,如鍋爐煙氣處理和工藝廢水處理；間接損失指自然生態(tài)系統(tǒng)為稀釋和消除企業(yè)排放的廢棄物所提供的環(huán)境服務(wù)。

在生產(chǎn)活動(dòng)中,即使企業(yè)排放的各種廢棄物已經(jīng)達(dá)到了行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn),也不代表其達(dá)到了自然水體和清潔空氣的濃度水平,不符合人類(lèi)生存要求的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。這些排放物仍然需要環(huán)境的自我凈化服務(wù)[40],這就需要對(duì)生態(tài)服務(wù)支持進(jìn)行評(píng)估。生態(tài)服務(wù)支持評(píng)估是指對(duì)排放到周邊環(huán)境中的廢氣和廢水進(jìn)行稀釋、淡化或者分解服務(wù)的評(píng)估。

稀釋廢氣和廢水的生態(tài)服務(wù)計(jì)算公式[40]：

(3)

式中，Ma/w代表為稀釋污染所需要的新鮮空氣/水的質(zhì)量；d代表空氣/水密度；Wi代表i污染物的年排放量；ci代表污染物可接受濃度[41-42]。

稀釋廢氣所需的環(huán)境服務(wù)能值計(jì)算公式[40]：

(4)

Ema=Ea×UEVa

(5)

式中，V為平均風(fēng)速,Ea為稀釋廢氣的動(dòng)能,UEVa為風(fēng)的能值轉(zhuǎn)換率。

稀釋廢水所需的環(huán)境服務(wù)能值計(jì)算公式[40]：

Ew=Mw×G

(6)

Emw=Ew×UEVw

(7)

式中，Ew為水的化學(xué)可用能,G為水的吉布斯自由能,UEVw為水的能值轉(zhuǎn)換率。

礦山開(kāi)采會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢棄物,如尾礦和爐渣。常用處理方式為貯存在尾礦庫(kù)或者填埋。然而無(wú)論哪種處理方式都會(huì)對(duì)土地帶來(lái)一定的破壞,因此,固體廢棄物的排放所帶來(lái)的環(huán)境損失可以由其占用的土地面積來(lái)進(jìn)行計(jì)算[43]：

EL=M×LOC×EL

(8)

式中，M代表固體廢棄物的排放量,LOC代表固體廢棄物的影響,即每噸固體廢棄物占據(jù)的土地面積,EL代表土地侵蝕的能值轉(zhuǎn)換率。EL為固體廢棄物排放所引起的環(huán)境損失能值。相關(guān)的研究結(jié)果表明2.85×104t工業(yè)廢棄物大約占據(jù)1hm2土地[23],根據(jù)土地侵蝕的平均能值可得到其能值轉(zhuǎn)換率為1.05×1015sej/hm2[44]。

1.3 能值指標(biāo)評(píng)價(jià)體系

在識(shí)別我國(guó)有色金屬采選業(yè)的能量流動(dòng)基礎(chǔ)上,構(gòu)建能夠綜合反映系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力的指標(biāo)體系(表3，表4)?；谏鷳B(tài)補(bǔ)償?shù)母拍?提出生態(tài)補(bǔ)償指數(shù)(Ecologicalcompensationindex,ECI),其計(jì)算公式如下：

(9)

該指標(biāo)通過(guò)系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境投入能值(R和N)和生態(tài)環(huán)境損失能值(W+C)之和除以系統(tǒng)總能值(U)來(lái)計(jì)算,表示需要的環(huán)境投入能值占總能值的百分比。該指數(shù)可以為生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。生態(tài)補(bǔ)償系數(shù)越高表明系統(tǒng)對(duì)環(huán)境投入的需求越高,需要的環(huán)保投入越高。

2 有色金屬采選業(yè)的能值分析

本文以有色金屬采選業(yè)為例,對(duì)礦產(chǎn)資源開(kāi)采過(guò)程進(jìn)行能值分析。根據(jù)有色金屬采選業(yè)的能值流量表,從能值流量和能值效率角度構(gòu)建礦山可持續(xù)性評(píng)價(jià)體系,并確定我國(guó)有色金屬采選業(yè)的生態(tài)補(bǔ)償指數(shù)。

2.1 研究邊界的確定和數(shù)據(jù)來(lái)源

圖1 中國(guó)有色金屬采選基本模式 Fig.1 Basic production patterns of Chinese non-ferrous metal mining sector

根據(jù)現(xiàn)有資料和相關(guān)的文獻(xiàn),繪制出我國(guó)礦山采選活動(dòng)的基本流程,如圖1。本研究邊界范圍界定為有色金屬的采選過(guò)程,主要包括采礦和選礦兩個(gè)部分。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自于《中國(guó)有色金屬工業(yè)年鑒》、《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》等官方統(tǒng)計(jì)刊物以及中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局等?；跀?shù)據(jù)的可獲得性和可靠性,本文以2012年我國(guó)有色金屬采選業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)為依據(jù)開(kāi)展核算。

2.2 有色金屬采選業(yè)的能值核算

根據(jù)有色金屬礦山開(kāi)采活動(dòng)的基本流程確定研究邊界,并繪制有色金屬采選業(yè)的能值流量圖,如圖2。

根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)和有色金屬采選業(yè)能值流量圖,對(duì)所需要的項(xiàng)目進(jìn)行匯總,得到了2012年中國(guó)有色金屬礦山行業(yè)能值流量表(表1)及生態(tài)服務(wù)支持能值表(表2)。本研究使用的最新能值基準(zhǔn)為15.2×1024sej/a[48]。

圖2 有色金屬采選業(yè)能值流量圖Fig.2 Emergy flow diagram of non-ferrous metal mining sector

項(xiàng)目Item數(shù)據(jù)Rawamount單位Units能值轉(zhuǎn)換率/(sej/單位)Transformity參考文獻(xiàn)References能值/sejEmergy可更新資源Renewable1 陽(yáng)光Sunlight3．46×1020J1．00[45]3．46×10202 風(fēng)Wind8．63×1017J2．45×103[46]2．11×10213 雨，化學(xué)能Rain，chemical2．39×1017J3．05×104[46]7．28×10214 雨，勢(shì)能Rain，geopotential4．64×1017J4．70×104[46]2．18×10225 地?zé)崮蹽eothermalheat2．11×1017J5．80×104[47]1．22×1022不可更新資源Non-renewable 6 銅Copper5．88×1012g9．80×1010[48]5．76×10237 鋁Aluminum2．03×1013g5．40×109[48]1．09×10238 鉛Lead4．59×1012g4．80×1011[48]2．20×10249 鋅Zinc4．88×1012g7．20×1010[48]3．51×102310 鎳Nickel1．97×1011g2．00×1011[48]3．94×102211 錫Stannum1．48×1011g1．70×1012[48]2．51×102312 銻Stibium2．42×1011g4．20×1012[48]1．02×102413 汞Mercury1．35×109g4．20×1013[48]5．66×102214 鎂Magnesium6．98×1011g6．14×109[48]4．29×102115 鈦Titanium8．21×1010g6．40×1010[48]5．26×1021輸入資源Importedsources 16 煤炭Coal1．65×1017J9．71×104[49]1．60×102217 焦炭Coke3．82×1013J6．44×104[45]2．46×101818 柴油Diesel1．08×1013J1．07×105[50]1．15×101819 電力Electricity6．63×1016J2．78×105[51]1．85×102220 水Water9．94×1014g2．18×104[46]2．17×101921 天然氣Naturalgas1．69×1017J1．70×105[49]2．87×102222 汽油Petrol2．10×1012J1．06×105[45]2．22×1017勞動(dòng)力和服務(wù)Laborandservice23 勞動(dòng)力Labor3．02×1010CNY8．61×1011[48]2．60×102224 服務(wù)Services5．51×1011CNY8．61×1011[48]4．74×1023污染處理Pollutionsdisposal 25 廢水Wastewater1．24×109CNY8．61×1011[48]1．07×102126 廢氣Wastegas1．84×108CNY8．61×1011[48]1．58×102027 礦山治理Minetreatment4．83×108CNY8．61×1011[48]4．15×1020

表2 2012年有色金屬采選業(yè)生態(tài)服務(wù)支持能值表*

*: 廢氣的排放對(duì)人體健康的影響包括呼吸系統(tǒng)疾病和氣候變化等,廢水的排放對(duì)其影響包括致癌效果和富營(yíng)養(yǎng)化等[29];本文中由于數(shù)據(jù)的可獲得性,考慮了3種空氣污染物(煙塵粉塵、二氧化硫、氮氧化物)和2種水污染物(氨氮、化學(xué)需氧量);避免重復(fù)計(jì)算,取二氧化硫和化學(xué)需氧量?jī)蓚€(gè)最大的影響因素來(lái)計(jì)算環(huán)境服務(wù)支持能值,分別為3.09×1021sej/a和6.64×1020sej/a。

2.3 能值指標(biāo)分析

根據(jù)系統(tǒng)物質(zhì)和能量流動(dòng)計(jì)算結(jié)果,構(gòu)建我國(guó)有色金屬采選業(yè)能值流量表(表3)。2012年我國(guó)有色金屬采選業(yè)輸入的可更新資源(R)為2.18×1022sej,不可更新資源(N)為4.61×1024sej,購(gòu)入的能值(F)為5.63×1023sej,污染處理能值(W)為1.64×1021sej,環(huán)境間接損失能值(C)為3.77×1021sej,總能值(U)為5.20×1024sej。

表3 2012年有色金屬采選業(yè)能值流量

Table 3 Summary of Emergy flows of Chinese non-ferrous metal mining sector in 2012

項(xiàng)目Item解釋Explanation能值/sejEmergyR可更新資源2．18×1022N不可更新資源4．61×1024I輸入資源6．32×1022L勞動(dòng)力2．60×1022S服務(wù)4．74×1023F購(gòu)入能值5．63×1023W環(huán)境直接損失能值(污染處理能值)1．64×1021Ema大氣污染稀釋能值3．09×1021Emw水污染稀釋能值6．64×1020Em生態(tài)服務(wù)支持能值3．75×1021EL固體廢棄引起的生態(tài)損失能值1．48×1019C間接生態(tài)損失能值3．77×1021U=R+N+F+W+C總能值5．20×1024

從能值效率的角度,構(gòu)建我國(guó)有色金屬采選業(yè)能值分析指標(biāo)體系(表4)。

從可持續(xù)發(fā)展角度看,能值產(chǎn)出率(EYR)指系統(tǒng)產(chǎn)出的能值與投入能值的比率,其值越大表明系統(tǒng)的生產(chǎn)效率越高,對(duì)系統(tǒng)的發(fā)展越是有利的。當(dāng)EYR<2時(shí),表明系統(tǒng)運(yùn)行并不是一個(gè)可持續(xù)的生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)過(guò)程,產(chǎn)品的能值并沒(méi)有因?yàn)樯a(chǎn)活動(dòng)而增加,只是消費(fèi)或者轉(zhuǎn)化的過(guò)程[49]。有色金屬采選業(yè)的EYR為9.24,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2,表明有色金屬采選業(yè)的生產(chǎn)效率高,為高回報(bào)行業(yè),這不僅是由于我國(guó)有色金屬資源品位高、易開(kāi)采,也因?yàn)橛猩饘儋Y源本身具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。環(huán)境承載率(ELR)是系統(tǒng)不可更新資源投入與可更新資源投入的比值,以反映系統(tǒng)所帶來(lái)的環(huán)境壓力與當(dāng)?shù)丨h(huán)境承載力水平的比較。一般ELR<3時(shí),表示環(huán)境壓力較小,在可承受范圍內(nèi),310時(shí),表示為高負(fù)荷狀態(tài),已經(jīng)超過(guò)當(dāng)?shù)刈匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)的承載力水平[52]。有色金屬采選業(yè)的ELR為238,出現(xiàn)了極端大值,表示在較小的研究區(qū)域內(nèi),消耗了大量的不可更新資源?？沙掷m(xù)發(fā)展指數(shù)(ESI)為能值產(chǎn)出率與環(huán)境負(fù)載率之比,表示單位環(huán)境負(fù)荷的系統(tǒng)生產(chǎn)效率。通常當(dāng)ESI<1時(shí),表明生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)環(huán)境壓力較大,生產(chǎn)效率較低,處于不可持續(xù)的水平；當(dāng)1

表4 有色金屬采選業(yè)能值評(píng)價(jià)指標(biāo)

從經(jīng)濟(jì)角度看,我國(guó)每噸原礦的生態(tài)價(jià)值為5.20×1024sej/t,約為1.66×104元/t。由表3和表4可以看出,廢棄物處理能值為1.64×1021sej,即直接生態(tài)損失。稀釋排放的廢氣所需的大氣環(huán)境服務(wù)能值為3.09×1021sej,稀釋廢水所需的水環(huán)境服務(wù)為6.64×1020sej,固體廢棄物排放所引起的生態(tài)損失為1.48×1019sej,總的間接生態(tài)損失為3.77×1021sej。生態(tài)補(bǔ)償指數(shù)(ECI)為89.18%,所需要的生態(tài)環(huán)境補(bǔ)償費(fèi)用約為4.38×109元,按照年產(chǎn)量3.65×108噸計(jì)算,每噸礦產(chǎn)的生態(tài)補(bǔ)償價(jià)值約為12元。一般來(lái)說(shuō),生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)要能夠覆蓋生態(tài)修復(fù)治理成本。而我國(guó)現(xiàn)階段的有色金屬礦的資源稅在0.4—30元/t,稀土礦為60元/t。李國(guó)平等[1]計(jì)算出2010年我國(guó)輕稀土精礦的環(huán)境外部成本為70983元/t,而企業(yè)實(shí)際繳納的費(fèi)用約為177.21元/t,補(bǔ)償率僅為0.25%。由此可見(jiàn),目前礦產(chǎn)業(yè)收取的生態(tài)補(bǔ)償費(fèi)用遠(yuǎn)低于生態(tài)恢復(fù)的實(shí)際治理費(fèi)用。因此不同地區(qū)政府部門(mén)有必要根據(jù)各自地區(qū)的資源稟賦和開(kāi)采條件利用能值理論確定更加合理的生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。

3 討論與結(jié)論

本文采用能值分析方法,對(duì)我國(guó)有色金屬資源開(kāi)采活動(dòng)中的資源投入和環(huán)境服務(wù)進(jìn)行了核算,定量化評(píng)估了有色金屬采選業(yè)造成的生態(tài)損失。通過(guò)以上分析可以總結(jié)出我國(guó)有色金屬采選業(yè)面臨著如下兩個(gè)主要問(wèn)題：

從生態(tài)角度來(lái)看,在我國(guó)有色金屬礦產(chǎn)開(kāi)采過(guò)程中,礦產(chǎn)利用率低,資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重,廢棄物排放量大,并且由于資源的過(guò)度開(kāi)采對(duì)礦區(qū)造成較大的環(huán)境壓力,可持續(xù)發(fā)展形式嚴(yán)峻。從經(jīng)濟(jì)角度看,雖然有色金屬的需求量逐年增加,但近年來(lái)我國(guó)有色金屬的成本價(jià)格依舊偏低。這是由于我國(guó)尚無(wú)針對(duì)環(huán)境破壞行為課征的環(huán)境稅種,從而使環(huán)境外部成本沒(méi)有在產(chǎn)品價(jià)格上得到體現(xiàn),即沒(méi)有真實(shí)反映出資源的可耗竭性,也沒(méi)體現(xiàn)實(shí)際的開(kāi)采成本(如資源耗竭潛在風(fēng)險(xiǎn)損失、礦產(chǎn)資源開(kāi)采帶來(lái)的環(huán)境成本等),且目前收取的相關(guān)環(huán)境稅費(fèi)遠(yuǎn)低于生態(tài)恢復(fù)的治理費(fèi)用。有色金屬產(chǎn)品供給成本過(guò)低導(dǎo)致行業(yè)進(jìn)入門(mén)檻極低,企業(yè)規(guī)模小、數(shù)量多、技術(shù)水平低,產(chǎn)能急劇擴(kuò)張,進(jìn)而導(dǎo)致資源過(guò)度開(kāi)發(fā)、生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重,使我國(guó)有色金屬行業(yè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此需要采取生態(tài)補(bǔ)償措施進(jìn)行調(diào)整,以促進(jìn)有色金屬采選業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

有色金屬采選業(yè)生產(chǎn)過(guò)程涉及的要素多、因素復(fù)雜,要提高礦山的可持續(xù)性發(fā)展還需采用多種手段進(jìn)行綜合治理。從宏觀角度來(lái)說(shuō),由于生態(tài)補(bǔ)償是一個(gè)社會(huì)性的大工程,因此需要以政府為主導(dǎo),采取鼓勵(lì)與約束并用的手段,如美國(guó)權(quán)利金+耗竭補(bǔ)貼、保證金+環(huán)境稅的復(fù)合模式,一方面實(shí)行權(quán)利金制度和生態(tài)環(huán)境稅費(fèi)制度來(lái)對(duì)礦產(chǎn)資源開(kāi)采的生態(tài)環(huán)境外部成本進(jìn)行補(bǔ)償,同時(shí)又采用資源耗竭補(bǔ)貼制度來(lái)激勵(lì)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步、探尋新的礦藏等。除此之外,由于我國(guó)有色金屬資源豐富,各資源地政府應(yīng)根據(jù)不同資源稟賦條件制定動(dòng)態(tài)生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn),實(shí)施政策補(bǔ)償、資金補(bǔ)償并用的形式,確保生態(tài)補(bǔ)償資金專(zhuān)款專(zhuān)用,以保證生態(tài)補(bǔ)償?shù)恼w效果。從微觀角度來(lái)看,對(duì)于企業(yè)自身而言,不能采富棄貧、一礦多開(kāi)、大礦小開(kāi)。而要加快技術(shù)升級(jí),減少采選過(guò)程中的資源損耗,提高有色金屬資源的總回收率和共伴生礦產(chǎn)資源綜合利用率,控制并降低生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各種污染物排放量,從‘末端治理’轉(zhuǎn)向‘源頭治理’。

有色金屬資源屬于不可再生資源。隨著有色金屬資源的使用量逐年上升,相對(duì)的我國(guó)有色金屬資源保障年限逐年降低。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看,需要大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì),通過(guò)城市礦山等有色金屬資源回收渠道建立有色金屬再生市場(chǎng),提高再生有色金屬的市場(chǎng)占有率,是解決我國(guó)有色金屬資源不足和減少由于開(kāi)采活動(dòng)帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題的有效途徑。

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An emergy-based analysis and ecological compensation mechanism in China′s non-ferrous metal mining sector

LIU Wenjing1,2,GENG Yong3,*,SUN Lu4, TIAN Xu1,2, ZHANG Liming5

1KeyLaboratoryofPollutionEcologyandEnvironmentalEngineering,InstituteofAppliedEcology,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3ShanghaiJiaoTongUniversity,Schoolofenvironmentalscience&engineering,Shanghai200240,China4NationalInstituteforEnvironmentalStudies,TsukubaIbaraki305- 8506,Japan5CollegeofEconomics,QingdaoUniversity,Qingdao266071,China

Resource mining provides a solid foundation for China′s rapid economic growth. However, mining activities also lead to various environmental issues, such as wastewater discharge, soil contamination, and air pollution. Under these resource and environmental constraints, it is critical to quantitatively evaluate the ecological loss caused by mining activities and to determine the appropriate values on ecological compensation. Many evaluation methods are in use to assess the comprehensive performance of this sector, such as material flow analysis, life cycle analysis, and substance flow analysis. However, these traditional methods cannot mimic the real contribution of local ecosystems since they focus on individual aspects of resource use and system metabolism and discard other parameters and driving forces. In addition, they do not account for the value of existing natural capital, leading to incomplete assessments of the whole system. In addition, these methods lack the ability to address waste and emission management, as well as recycling strategies, resulting in policies optimizing one individual resource or flow, rather than tracking diverse, non-linear interactions between human society and the natural system in which economic processes are embedded. Emergy analysis provides a “supply-side” evaluation by focusing on nature′s investment, and can assign environmental impacts more fairly, discouraging inefficient and unnecessary resource depletion. By quantifying both the direct and indirect environmental costs of resource mining, and related waste management and disposal, emergy analysis is a suitable approach in assessing the overall performance of the mining sector, leading to accurate decision-support and integrated measures on protecting mining resources. In this study, China′s non-ferrous metal mining sector was examined to detect direct and indirect losses caused during the mining processes by employing emergy analysis. An Ecological Compensation Index (ECI) was developed in order to provide rational references for determining ecological compensation standards. Our results indicate that, from the perspective of sustainable development, the ECI was 89.18%, indicating that more renewable resources have been input into the non-ferrous metal mining sector, and more money is needed for ecological compensation. The Emergy Yield Ratio (EYR) was 9.24, indicating that the production efficiency of the non-ferrous metal mining sector was greater, whereas the Environment Loading Ratio (ELR) was 238, indicating a greater environmental load on the surrounding ecosystem. The Emergy Index of Sustainability (ESI) was 0.039, indicating that the system was unsustainable, and there is a need to adopt appropriate environmental protection measures. From an economic perspective, the ecological compensation value for the non-ferrous metal mining sector should be 438 million Chinese Yuan (CNY). However, the current resource tax is far less than the real expense for ecological remediation and cannot cover its treatment costs. Finally, policy implications at the macro-, micro-, and long-term levels increased in order to address the main problems that China′s non-ferrous metal mining sector is facing. For instance, the overall development strategies on the non-ferrous metal mining sector should move from the traditional “end-of-pipe” treatment toward source control. Pollution prevention-oriented approaches, such as wastewater reuse/recycling, brownfield redevelopment, and the collection and recycling of discarded non-ferrous metals, should be promoted so that the overall extraction and processing of original non-ferrous metals can be reduced, and the corresponding environmental emissions can be mitigated.

mining; sustainable development; emergy; ecological compensation

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1325006, 71461137008, 71311140172)

2015- 05- 30;

日期:2016- 04- 12

10.5846/stxb201505301084

*通訊作者Corresponding author.E-mail:ygeng@sjtu.edu.cn

劉文婧, 耿涌, 孫露, 田旭, 張黎明.基于能值理論的有色金屬礦產(chǎn)資源開(kāi)采生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(24):8154- 8163.

Liu W J,Geng Y,Sun L, Tian X, Zhang L M.An emergy-based analysis and ecological compensation mechanism in China′s non-ferrous metal mining sector.Acta Ecologica Sinica,2016,36(24):8154- 8163.