產(chǎn)業(yè)部門間間接能源流動及依賴關(guān)系演化特征

董志良,賈妍婧,安海崗

(河北地質(zhì)大學(xué)城市地質(zhì)與工程學(xué)院,石家莊 050031)

0 引言

20世紀(jì)最后20年,中國國內(nèi)生產(chǎn)總值翻了兩番,但能源消耗僅翻了一番,平均能源消耗強度僅為0.5左右。然而自2002年進入新一輪高速增長周期以來,中國能源消耗強度持續(xù)上升,經(jīng)濟發(fā)展開始受到能源瓶頸困擾[1]。中國能源問題已成為國民經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略性問題,同時也是應(yīng)對全球氣候問題不可忽視的問題,這就需要降低能源消耗總量。從能源消耗類別角度進行分析為控制總能源消耗量提供了許多關(guān)鍵思想。能源消耗有兩種形式:直接消耗和間接消耗。直接能源消耗方式包括石油、煤炭、天然氣和礦產(chǎn)等產(chǎn)品消耗。間接消耗是指通過消耗經(jīng)濟生產(chǎn)最終產(chǎn)品或中間產(chǎn)品來消耗資源[2]。隱含能源消耗不僅包括直接能源消耗因素,也包括間接能源消耗因素,可以從整個能源消耗過程角度來分析。學(xué)者們對其進行測算,并對貿(mào)易過程中隱含能源的流動進行了一系列研究[3-4]。但隨著勞動分工不斷細(xì)化,各部門之間出現(xiàn)強大經(jīng)濟聯(lián)系,產(chǎn)品往往由多部門融合生產(chǎn),消費環(huán)節(jié)逐漸多元化[5]。因此,有必要區(qū)分產(chǎn)品或行業(yè)直接能源消耗和間接能源消耗。學(xué)者們已經(jīng)證明降低直接能源消耗對于控制能源總量具有至關(guān)重要的作用[6],此外,還需從產(chǎn)業(yè)部門之間間接能源消耗角度進行探討。分析產(chǎn)業(yè)部門之間間接能源流動則需計算產(chǎn)業(yè)部門間間接能源流動情況?，F(xiàn)有能源消耗量計量方法主要分為基于消耗生命周期的計量方法和基于投入產(chǎn)出表的計量方法。前者基于產(chǎn)品整個生命周期數(shù)據(jù)測算,可操作性較低。投入產(chǎn)出分析是Leotief.W提出的一種經(jīng)濟定量分析方法,在20世紀(jì)30年代被廣泛應(yīng)用于能耗測量領(lǐng)域[7-8]。間接能源消耗是指在生產(chǎn)過程中通過中間產(chǎn)品投入所間接消耗的能源[9]。根據(jù)各部門中間產(chǎn)品投入和產(chǎn)出,即可得到產(chǎn)業(yè)部門之間間接能源流動量。而部門間間接能源供應(yīng)和消耗形成一個復(fù)雜系統(tǒng),這個復(fù)雜系統(tǒng)可以通過復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)來理解。此外,與投入產(chǎn)出模型相結(jié)合的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法研究逐步深入,常用于分析各主體之間交互控制和依賴關(guān)系[10-11]。

本文根據(jù)投入產(chǎn)出表估算 2002 年、2007 年、2012 年和 2017 年各產(chǎn)業(yè)部門之間間接能源流動量。以產(chǎn)業(yè)部門為節(jié)點,產(chǎn)業(yè)部門間間接能源流動為邊,間接能源流動量為權(quán)重,構(gòu)建各年份產(chǎn)業(yè)部門間間接能源流網(wǎng)絡(luò)(IEFN)。確定間接能源流動網(wǎng)絡(luò)整體特征,流動過程中關(guān)鍵部門、社團結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵流動路徑以及產(chǎn)業(yè)部門之間的依賴關(guān)系。此外,本文進行了QAP(Quadratic Assignment Procedure)相關(guān)性分析,闡明了間接能源流動與部門依賴關(guān)系之間的相關(guān)性,為降低能源消耗總量提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

由于中國能源消耗強度自2002年以來持續(xù)上升,因此本文從2002年開始計算產(chǎn)業(yè)部門間間接能源消耗量。鑒于中國每5年發(fā)布一次基本I-O表,本文以2002年、2007年、2012年和2017年投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)以及能源消耗總量數(shù)據(jù)作為研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分別來自《中國統(tǒng)計年鑒》和《中國能源統(tǒng)計年鑒》。由于二者行業(yè)分類不一致,為保證計算準(zhǔn)確性,采用文獻[12]的方法將產(chǎn)業(yè)部門數(shù)量合并為30個。使其行業(yè)劃分情況一致,同時使計算準(zhǔn)確性得到保證,歸并后產(chǎn)業(yè)部門分類如表1所示。

表1 產(chǎn)業(yè)部門分類

1.2 研究方法

1.2.1 間接能源流動量計算

完全消耗系數(shù)B是全部直接消耗系數(shù)A和全部間接消耗系數(shù)C之和,通過式(1)計算得出間接消耗系數(shù)矩陣C,cij表示部門j生產(chǎn)經(jīng)營一單位產(chǎn)品所間接耗部門i產(chǎn)品或服務(wù)的數(shù)量[13]。

C=B-A

(1)

本文選取各產(chǎn)業(yè)部門能源消耗總量和間接消耗系數(shù)計算各產(chǎn)業(yè)部門間間接能源消耗量。能源消耗總量是一定時期內(nèi)全國物質(zhì)生產(chǎn)部門、非物質(zhì)生產(chǎn)部門消耗各種能源的總和,分為終端能源消耗量、能源加工轉(zhuǎn)換損失量和能源損失量三部分,包含直接能源消耗以及間接能源消耗。間接消耗系數(shù)反應(yīng)了國民經(jīng)濟各部門之間間接技術(shù)經(jīng)濟聯(lián)系。因此,運用式(2)計算間接能源流動量具有一定合理性。

(2)

其中,di為部門i的能源消耗總量,cij代表部門j間接消耗部門i的能源總量。

1.2.2 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

本文以各產(chǎn)業(yè)部門為節(jié)點,產(chǎn)業(yè)部門間間接能源流動關(guān)系為邊,部門i流向部門j的間接能源流動量eij為邊權(quán)重。構(gòu)建2002年,2007年,2012年以及2017年IEFN,并分別定義為IEFN-1、IEFN-2、IEFN-3和IEFN-4。因2002年投入產(chǎn)出表中統(tǒng)計廢品廢料部門數(shù)據(jù)均為1,則2002年節(jié)點個數(shù)為29。其余各網(wǎng)絡(luò)均包含30個節(jié)點。一方面考慮到間接能源流動量之間的量級差,另一方面本文的探究目的是識別間接能源消耗過程中的關(guān)鍵部門及關(guān)鍵關(guān)系。我們以較小量級100為閾值點剔除間接能源流動量較小的邊,最終各網(wǎng)絡(luò)分別包含306、539、572和562條邊。

1.2.3 拓?fù)渲笜?biāo)選取

1)點強度。點強度D(i)代表流入和流出部門i的間接能源總量,因IEFN為有向網(wǎng)絡(luò),則點強度分為出強度Dout(i)和入強度Din(i),分別表示從部門i流出的間接能源量和流入部門i的間接能源量。

D(i)=Dout(i)+Din(i)

(3)

2)中介中心度。網(wǎng)絡(luò)中點中介中心度表示節(jié)點對資源的控制程度,它可以測量該點在多大程度上控制其他節(jié)點交往。即部門i在能源從部門j流動到部門k的過程中承擔(dān)的中介作用程度。

(4)

其中,i,j,k表示部門,gjk為部門j和k之間所存在的捷徑數(shù)目,gjk(i)為部門j和k之間的最短路徑數(shù)目。Bi為點i的中介中心度,取值范圍為[0,1]。

3)模塊度。模塊化可使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點以特定方式形成聚類,劃分為不同社團,社團內(nèi)部各產(chǎn)業(yè)部門聯(lián)系較為緊密,社團間連接較為疏松。本文選用Blondel等[14]提出的模塊度最大化方法進行社團檢測,模塊度計算如式(5)所示。

(5)

1.2.4 依賴度測算

以圖1所示的3個產(chǎn)業(yè)部門間接能源生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型為例:fij為部門j到部門i的間接能源流動量(104tce),zk和yk分別為部門k與外部部門間的輸入和輸出量。

圖1 3個產(chǎn)業(yè)部門間接能源生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型

流入和流出部門i總輸入或總輸出量分別如式(6)和式(7)所示。

(6)

(7)

當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時,流入部門i間接能源總量與流出量相等,即:

(8)

基于“生態(tài)網(wǎng)絡(luò)”理念的控制分析起源于Patten等[16]研究者的進一步發(fā)展,控制分析可識別某一部門對其他部門間接能源流動的控制作用。本文引入其中依賴度矩陣CN=(cnij)來表示成對產(chǎn)業(yè)部門間的依賴程度及控制程度。

(9)

(10)

(11)

(12)

1.2.5 QAP相關(guān)分析

為保證研究結(jié)果的有效性,有必要驗證部門間依賴關(guān)系與部門間能源流動間接影響之間的相關(guān)性。QAP相關(guān)性分析,可用于研究兩個“關(guān)系”矩陣是否相關(guān)。部門間依賴關(guān)系和部門間能源流動關(guān)系可以用矩陣來表示,所以用QAP分析進行驗證。

(13)

2 結(jié)果與討論

2.1 IEFN中關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)部門識別

2.1.1 產(chǎn)業(yè)部門點強度分析

如表2所示,在間接能源流動網(wǎng)絡(luò)演變過程中,2002年間接能源總流量最低,2012年最高。加權(quán)入度和加權(quán)出度排名前十的產(chǎn)業(yè)部門分布分別如圖2和圖3所示。

甲狀腺癌分為分化型癌與未分化型癌，乳頭狀癌、髓樣癌與濾泡癌均屬于分化型癌。本結(jié)果顯示，不同病理分型的甲狀腺癌VI值無明顯差異，同時腫瘤直徑也對VI值無明顯影響，但隨著甲狀腺癌TNM分期的增加，VI值增加，提示VI值大小與腫瘤的惡性程度呈正相關(guān)。腫瘤新生血管的管壁薄、結(jié)構(gòu)不完整，所以腫瘤細(xì)胞很容易穿透血管壁向遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移[11]。本結(jié)果顯示，伴有淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的VI值明顯大于無淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移。而有研究表示，甲狀腺乳頭狀癌的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移率與淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移數(shù)目是術(shù)后遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的預(yù)測指標(biāo)，提示VI值越大發(fā)生遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的風(fēng)險越高[12]。

圖2 各網(wǎng)絡(luò)中加權(quán)入度排名前十的產(chǎn)業(yè)部門

圖3 各網(wǎng)絡(luò)中加權(quán)出度排名前十的產(chǎn)業(yè)部門

表2 各年份間接能源流動基本情況

入強度方面,排名前十的產(chǎn)業(yè)部門在各年份分別占間接能源流動總量的50%左右。前十的產(chǎn)業(yè)部門變化不大,且排名前七的各產(chǎn)業(yè)部門間接能源消耗相差不大。金屬制品業(yè)和電氣機械及器材制造業(yè)一直都位列前3,為主要間接能源消耗者。這是因為金屬制品業(yè)和電氣機械及器材制造業(yè)往往需要復(fù)雜工藝流程,導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)過程中發(fā)生多重間接能源消耗。

出強度方面,排名前五的產(chǎn)業(yè)部門作為能源產(chǎn)出關(guān)鍵部門,向其他部門分別間接提供了81.97%、86.58%、84.15%和84.53%的能源。化學(xué)工業(yè)、金屬冶煉及壓延加工業(yè)為重要間接能源提供者,說明它們在產(chǎn)業(yè)鏈上處于上游,是產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的能源供給者,在中下游環(huán)節(jié)生產(chǎn)過程中其攜帶能源被間接消耗。對比入強度與出強度數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),產(chǎn)業(yè)部門間的間接能源供給比間接能源消耗更加集中。因此需要更多地關(guān)注能源供應(yīng)部門,并從供應(yīng)端減少無效或低效能源供應(yīng)。

2.1.2 產(chǎn)業(yè)部門媒介作用分析

IEFN中存在點強度較低,但因為連接著許多關(guān)鍵部門而變得重要的產(chǎn)業(yè)部門,即具有高度中介中心度的產(chǎn)業(yè)部門,這些部門能夠控制部門之間間接能源流動。表3展示了各網(wǎng)絡(luò)中中介中心度排名前五的部門。可以看出排名前五的產(chǎn)業(yè)部門變化不大,但每個部門中介作用強度是動態(tài)變化的。相對來講,石油加工及煉焦業(yè)和金屬冶煉及壓延加工業(yè)是具有重要媒介作用的部門。

表3 中介中心度(Top5)

2.2 IEFN社團結(jié)構(gòu)分析

分別對IEFN 4組網(wǎng)絡(luò)進行社團劃分,選取模塊度最大的社團化結(jié)果,圖4展示了各部門之間間接能源流動情況(圖中節(jié)點大小表示加權(quán)出度,節(jié)點越大,加權(quán)出度越大;節(jié)點顏色為模塊化結(jié)果,橙色、藍(lán)色和綠色各代表一個社團。線條粗細(xì)表示能量流動權(quán)重;線條越粗,間接能源流動量越大)。前三年均劃分為以化學(xué)工業(yè)和金屬冶煉及壓延加工業(yè)為間接能源供應(yīng)中心的社團Ⅰ和社團Ⅱ,社團Ⅰ包含部門數(shù)目遠(yuǎn)大于社團Ⅱ。隨著能耗“雙控”行動的發(fā)展,化石能源消耗成為重點控制對象,從而導(dǎo)致IEFN-4社團格局發(fā)生明顯變化,一部分產(chǎn)業(yè)部門劃分成為了以其他服務(wù)業(yè)為核心的社團Ⅲ。與IEFN-3相比,IEFN-3社團Ⅱ中造紙印刷及文教體育用品制造業(yè)和建筑業(yè)劃分到新社團Ⅲ;社團Ⅰ中農(nóng)林牧漁業(yè),石油和天然氣開采業(yè),食品制造及煙草加工業(yè)等7個產(chǎn)業(yè)部門劃分到新社團Ⅲ,使社團Ⅲ包含社會生活各方面。其他服務(wù)業(yè)作為該社團的核心,表明服務(wù)業(yè)已經(jīng)涉及到社會生活各方面,成為間接能源消耗的主要來源。

圖4 各時期間接能源流動網(wǎng)絡(luò)

2.3 IEFN關(guān)鍵間接能源流動路徑分析

各網(wǎng)絡(luò)中前1.31%,1.22%,1.15%和1.16%的邊分別攜帶了9.36%,15.91%,14.55%和11.08%的間接能源流動量,以這些邊分別作為起始邊識別間接能源流動路徑。起始邊投入部門為起始節(jié)點,以起始邊中目標(biāo)節(jié)點作為第二個投入部門,繼續(xù)捕獲與第二個投入部門具有最大邊權(quán)關(guān)系的產(chǎn)業(yè)部門。重復(fù)此過程直到最后一個部門返回到路徑中已存在部門為止,從而識別出各年份關(guān)鍵路徑,如表4所示。

表4 關(guān)鍵路徑

可以看出,各年份關(guān)鍵路徑產(chǎn)業(yè)部門組成及流向變化相對較小,大多數(shù)路徑均以金屬冶煉及壓延加工業(yè)為起始節(jié)點,以制造業(yè)為目標(biāo)節(jié)點。制造業(yè)是中國國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟增長主導(dǎo)產(chǎn)業(yè),是間接能源消耗的主要產(chǎn)業(yè)門類。而在各種產(chǎn)品生產(chǎn)過程中,金屬材料是不可缺少的基礎(chǔ)材料。這使得間接能源消耗關(guān)鍵路徑呈現(xiàn)出從金屬冶煉及壓延加工業(yè)出發(fā),以制造業(yè)為目標(biāo)節(jié)點的特點。其中,一直以來承載最多間接能源流動量的路徑為2002-1。研究期內(nèi)關(guān)鍵路徑變化并不強烈,其中2007-2,2017-1這兩條間接能源流動路徑較為穩(wěn)定,路徑核心無顯著變化,均表現(xiàn)出基于產(chǎn)業(yè)鏈上下游環(huán)節(jié)流動。

2.4 IEFN中產(chǎn)業(yè)部門間的依賴關(guān)系分析

圖5展示了產(chǎn)業(yè)部門間的依賴關(guān)系,顏色越深依賴度越高。各網(wǎng)絡(luò)部門間依賴關(guān)系均值分別為:0.324、0.341、0.326和0.386。部門間依賴度大于均值時有明顯依賴關(guān)系,且越接近于1依賴關(guān)系越強烈。

圖5 產(chǎn)業(yè)部門間依賴關(guān)系

整體來看IEFN-4中部門間依賴控制關(guān)系明顯。這是因為產(chǎn)業(yè)部門形式越來越多樣化,產(chǎn)業(yè)部門之間存在必然內(nèi)在聯(lián)系,使不同產(chǎn)業(yè)部門相互制約、相互促進。較強依賴關(guān)系體現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)鏈上下游環(huán)節(jié)之間,如紡織業(yè)對化學(xué)工業(yè)的依賴,金屬制品業(yè)對金屬礦采選業(yè)和金屬冶煉及壓延加工業(yè)的依賴。部門間的依賴關(guān)系強表明間接能源在該組合中具有從被依賴部門流向依賴部門的流向穩(wěn)定,依賴關(guān)系弱表示在該組合中間接能源流動關(guān)系受其他部門影響,流向不明確。

2.5 QAP相關(guān)分析

關(guān)鍵路徑及依賴關(guān)系均表現(xiàn)出產(chǎn)業(yè)鏈上下游產(chǎn)業(yè)間的密切關(guān)聯(lián)。本文采用QAP相關(guān)分析對依賴矩陣與間接能源流動量矩陣之間的相關(guān)關(guān)系進行檢驗。如表5所示,2002年部門間依賴關(guān)系與間接能源流動量之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,在0.05水平上顯著。2007年、2012年和2017年部門間依賴關(guān)系與間接能源流動量均呈正相關(guān)關(guān)系,并且顯著性明顯。2012年相關(guān)系數(shù)有所降低,2012年中國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化,第三產(chǎn)業(yè)規(guī)模再次超過第二產(chǎn)業(yè),使產(chǎn)業(yè)部門間依賴關(guān)系及間接能源流動發(fā)生相應(yīng)變化。但兩矩陣之間的相關(guān)性整體上呈增長趨勢,產(chǎn)業(yè)部門間間能源流動關(guān)系和產(chǎn)業(yè)間依賴關(guān)系相似性變強。表明中國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整成效顯著,商品生產(chǎn)及服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈逐漸完善。但二者相似程度并不高,仍需進一步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

表5 依賴關(guān)系與間接能源流動量QAP相關(guān)分析結(jié)果

3 結(jié)論

本文基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與依賴度矩陣探究中國產(chǎn)業(yè)部門間間接能耗情況及相互依賴性,得出結(jié)論:1)各年間接能源供給與消耗對比表明,產(chǎn)業(yè)部門之間的間接能源供給較間接能源消耗更為集中。因此要更加關(guān)注能源供應(yīng)核心產(chǎn)業(yè)部門,從源頭上減少低效或無效供應(yīng)。此外,間接能源供給核心部門正逐漸從化工行業(yè)向服務(wù)業(yè)轉(zhuǎn)移。要繼續(xù)減少化工行業(yè)能源供應(yīng),優(yōu)化服務(wù)業(yè)能源供應(yīng),降低能源消耗。2)不同產(chǎn)業(yè)部門在間接能源消耗過程中扮演著不同角色。化學(xué)工業(yè)和金屬冶煉及壓延加工業(yè)是主要間接能源供應(yīng)部門;石油加工、煉焦業(yè)、金屬冶煉及壓延加工業(yè)起到中介作用;金屬制品業(yè)和電氣機械及器材制造業(yè)是主要間接能源消耗者。因此,需要針對不同角色制定相應(yīng)策略。如從能源供給端進行改革,減少化工行業(yè)無效供給,形成供需平衡的能源供給機制。提高產(chǎn)品生產(chǎn)過程中不可缺少的金屬材料和各種燃料利用效率。優(yōu)化電機設(shè)備制造工藝流程,減少非必要能源消耗。3)關(guān)鍵路徑識別結(jié)果表明,承載間接能源流動量較高且較為穩(wěn)定的流動路徑均為基于產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)情況的流動路徑。同樣地,依賴度分析結(jié)果表明產(chǎn)業(yè)部門間更為明確的依賴關(guān)系體現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)鏈上下游環(huán)節(jié)之間。因此降低能源消耗需從產(chǎn)業(yè)部門全局出發(fā),依據(jù)產(chǎn)業(yè)部門間上下游關(guān)系,制定跨部門協(xié)同政策,促進產(chǎn)業(yè)部門協(xié)同降低能源消耗。依賴關(guān)系與間接能源流動關(guān)系相關(guān)性整體上呈增長趨勢,二者之間相似性變強。表明中國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整成效顯著,商品生產(chǎn)及服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈逐漸完善。但二者相似度并不高,因此仍需進一步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),提高國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈完整性,降低能源消耗總量。