物质流分析方法(MFA)是一种定量评价生态经济系统可持续发展状态的重要方法^[1]。它遵循质量守恒定律，以重量为单位，由投入到产出追踪物质使用情形，通过分析物质在生态经济系统中的流动特征，对物质的流动方向及流量进行调控，减少资源消耗和废物排放，实现生态经济系统的可持续发展。自从物质流分析方法被介绍到国内以来，学者们主要在区域生态经济系统、特定产业部门和特定产品生命周期评价等领域开展了广泛而深入的研究并取得了重要研究成果。例如，陈效逑等对我国1985—1997年的物质输入与输出进行了初步研究^[2]；黄和平等对江苏省常州市武进区生态经济系统中物质输入与输出进行了系统分析^[3]；徐明和张天柱对1990—2000年我国的化石燃料的输入与输出状况进行了分析^[4]；陈伟强等对我国铝的全生命周期进出口规模及结构进行了详细研究^[5]。虽然我国有关物质流分析的各层面的研究文献较多^[6]，但是运用物质流分析方法对生态海岛建设进行研究的成果还鲜有报道。

海岛是一个与大陆有着紧密联系的生态经济系统，它的科学开发和保护对实现海洋经济的可持续发展具有极其重要的作用^[7]。以进入21世纪逐渐开展的生态示范区、生态县、生态市和生态省建设为背景，以保护脆弱的海岛生态系统，实现海岛社会经济可持续发展为目的的生态海岛建设在我国沿海地区陆续展开。为了加强对海岛的科学保护和合理开发利用，我国在2010年颁布并施行了《中华人民共和国海岛保护法》，我国首部《全国海岛保护规划》也于2012年4月正式发布实施，这将极大地推动我国生态海岛的建设进程。海岛生态经济系统与外界有着大量的物质输入与输出关系，并且其内部也存在着活跃的物质输入、储存和输出活动。因此，应用物质流分析方法对海岛生态经济系统的物质输入与输出状况进行分析，并计算生态效率的变化，有助于分析海岛经济活动对生态环境产生的影响，客观了解生态海岛建设的成效。本文以我国海岛县——长海县为例开展研究，分析该海岛县在建设生态海岛过程中的物质输入与输出特征及其生态效率变化，为提高海岛生态经济系统可持续发展能力提供科学信息和决策参考。

1 研究区概况

长海县位于黄海深处，下辖岛礁众多，是我国唯一的海岛边境县。该县立足于本地实际情况，以捕捞、养殖、水产品加工、旅游、港贸作为五大支柱产业，实施“渔业立县、工业强县、旅游兴县”三大战略，以实现“惠民、富民、兴海岛”为发展目标。相比大部分海岛地区，长海县经济比较发达，2000—2004年连续5a进入全国综合实力百强县之列。但是，由于严重受到岛上陆地空间资源狭小、淡水资源匮乏、生态系统脆弱等因素的制约，再加上人们对海岛的不合理开发，长海县承受的生态压力日渐增大，长海县经济发展势头出现下滑趋势，并在2006年退出全国综合实力百强县之列。

长海县经济始终是第一产业占主导地位，其中又以渔业为主，历年渔业产值均占到长海县经济总产值的60%以上。由于岛上诸多因素限制，第二、三产业发展相对缓慢，在岛内经济总产值中所占比重较小。2009年，长海县三次产业构成比例为68.1 ∶ 12.3 ∶ 19.6^[8]。

在认识到海岛生态系统脆弱，海域增养殖压力逐渐超过生态环境的承载能力，海岛生态经济系统面临前所未有的生态环境压力之后，长海县2002年就制定了生态岛建设总体规划致力于生态海岛建设。经过数年的建设，2007年初长海县被原国家环保总局考核命名为“国家级生态示范区”，2008年初编制的《长海生态县建设规划》通过原国家环保总局专家组评审。依据生态足迹理论研究的结果显示，虽然在2003—2008年间长海县基本处于生态承载力大于生态足迹而呈现生态盈余的状态，但是生态盈余由0.63 hm²/人均下降到0.193 hm²/人均的事实表明，长海县在建设生态海岛的进程中面临比较严峻的潜在生态压力^[9]。

2 计算方法与数据收集及其处理 2.1 计算方法 2.1.1 基本指标

直接物质输入(DMI)，指直接进入该区域生产过程所直接消耗的本地物料和由区域外输入的物料，可分为化石类能源(煤炭、柴油、汽油、天然气等)、矿物原料(矿石、沙等)、生物质(如木材、谷物等)和气体物质(化石燃料燃烧、工业过程以及生物呼吸作用消耗的O₂、植物光合作用消耗的CO₂等)。

物质总需求(TMR)，即输入到该区域的物质总量，是直接物质输入和隐藏流的总和。隐藏流是指没有进入市场和生产过程的固体物料，属于非直接物质投入，例如土壤开挖，生物质的采取等。虽然隐藏流并不直接服务于生产和消费，但是对自然环境却产生了生态压力，所以又称为生态包袱^[6]。

区域内直接物质输出(DMO)，指直接排放到生态系统的物质，一般可分为固体废弃物、废水和废气三大类。

直接物质输出(TMO)，指区域内直接物质输出量再加上物质的出口数量。

2.1.2 生态效率指标

计算生态效率的一般公式为：生态效率=产品与服务的价值/环境影响，即单位环境影响的产出价值^{[10, 11]}。为了便于运用IPAT模型进行分析，本文采用该公式的倒数来表示生态效率。主要采用以下3个指标来衡量长海县生态经济系统的生态效率：物质消耗强度，用DMI/GDP表示；废物排放强度，用DMO/GDP表示；环境负荷强度，用(TMR+TMO)/GDP表示。这3个指标的值越大，生态效率越低；反之，则生态效率就越高。

2.1.3 拓展研究指标

生态压力弹性系数，用直接物质输入量、区域内直接物质输出量和环境负荷量的变化率与地区生产总值(GDP)增长率的百分比表示，分别被称为物质消耗弹性系数、废物排放弹性系数和环境负荷弹性系数。当这三类弹性系数处于(0,1)之间时，表明经济增长的速度大于环境压力的增加速度，单位经济增长的资源与环境代价不断降低，生态效率不断提高；当弹性系数等于1时，生态效率保持原来的水平；当弹性系数大于1时，生态效率不断下降。

生态压力降低的技术进步贡献率，用技术进步引致的物质消耗量、废物排放量和环境负荷量的降低量与GDP增长量引致的物质消耗量、废物排放量和环境负荷量的增长量的百分比表示。这里分别用物质消耗强度、废物排放强度和环境负荷强度代表技术进步状况。当贡献率数值处于(0,1)之间时，表明技术进步引起的生态压力的下降量不足以抵消经济增长所引起的生态压力的增加量，从而引起生态压力的不断增加；当贡献率数值等于1时，表明技术进步引起的生态压力的下降量刚好抵消经济增长所引起的生态压力的增加量，生态压力维持不变；当贡献率数值大于1时，则意味随着GDP的不断增长，生态压力却不断下降。

从以上设定的指标来看，生态效率不断提高，生态压力弹性系数不断下降，生态压力降低的技术进步贡献率不断提高，是进行生态海岛建设的内在要求。

2.2 数据收集及其处理 2.2.1 数据来源

原始数据主要来源于《长海县统计年鉴》(2003—2009)和《长海县史志资料》(2003—2009)以及实地考察收集到的当地相关政府部门提供的渔业、工业和第三产业统计年报等资料。考虑到经济数据的可比性，以2005年为基期，对历年的GDP进行了不变价格调整。

2.2.2 输入数据收集与处理

固体物质包括生物物质和非生物物质两大类。生物物质输入量可以从农作物、林牧作物以及水产品等的产量考虑，数据获取相对容易。为避免重复，以农作物或其他作物为食的畜牧类产品不再被统计在内。长海县矿产资源稀少，岛内非生物类化石燃料和矿物质基本上靠从岛外进口供给。

计算进入系统中的气体数量时，只考虑O₂和CO₂的输入量，前者核算了化石燃料燃烧和生物呼吸作用过程中的耗氧量，后者主要核算植物光合作用中CO₂的消耗量。化石燃料燃烧耗氧量根据其质量，通过化学反应与O₂的需要比例计算；生物呼吸耗氧量分别从人和家畜、家禽的呼吸耗氧量估算，其他野生动物的呼吸耗氧量忽略不计。人类呼吸耗氧量通过食物消耗量间接估算，家禽和家畜的耗氧量根据每种动物的年呼吸耗氧量与该类动物的数量乘积得到^[2]。

由于我国没有对物质隐藏流的实测数据，只能对其进行估算。在计算长海县矿产资源和建筑材料的隐藏流时，采用了台湾学者林锡雄提出的国内自产隐藏流的估计方法^[12]。

由于长海县缺少对地表水和地下水利用的统计，在计算水的输入量时用县自来水供应总量代替。

2.2.3 输出数据收集与处理

固体废弃物主要包括生活垃圾、工业固体废弃物以及农业生产中流失的化肥等。之所以将流失的化肥作为固体废弃物，是因为化肥施入农田后，容易转化为污染物流入到生态系统中^[2]。

输出端废气主要包括化石燃料燃烧以及生物呼吸作用产生的CO₂，绿色植物光合作用产生的O₂以及工业废气。化石燃料燃烧产生的CO₂数量的计算方法与其耗氧量的计算方法相同；人类呼吸排放的CO₂数量，用摄入食物总量乘以0.338来计算；动物呼吸作用排放的CO₂量，根据与耗氧量之间的比例来计算；工业废气主要计算SO₂、工业烟尘等的排放量^[2]。

污水排放量可以从长海县的历年统计年鉴中直接获得，主要由生活废水和工业废水两部分组成。

3 计算结果与分析 3.1 输入与输出的总量分析 3.1.1 输入层面

2 003—2009年间，长海县生态经济系统的DMI持续上升，从2003年的1.12×10⁶ t增加到2009年的1.85×10⁶ t，以平均每年8.8%的速度增长(图1)；TMR更是以年均9.71%的速度增长，这表明长海县在生产和生活过程中对生态系统产生的压力不断增加。从TMR和DMI的差值，即隐藏流不断增加的趋势来看，伴随长海县经济发展而产生的生态包袱也在不断增加。这些隐藏流主要是伴随着从岛外输入长海县的能源和非能源矿物质产生的，这反映了长海县的经济发展与外界联系非常紧密，并且可能对外界生态环境产生比较大的影响。

2003—2009年间，水的输入数量最多，占DMI的年均比例为37.08%；固体物质的输入数量次之，占DMI的年均比例为34.67%；气体物质的输入数量最少，占DMI的年均比例为28.25%；气体物质、固体物质和水的输入数量皆不断增加，但增加数量有所差别：气体物质输入数量年均增加1.76×10⁴ t，固体物质输入数量年均增加4.98×10⁴ t，水的输入数量年均增加5.5×10⁴ t(图 2)。气体物质输入量增加的主要原因是长海县能源消耗数量增加较多，导致燃烧过程中对O₂的消耗量增加较多；固体物质输入量增长数量大，是因为社会经济的快速发展导致长海县对能源、建筑材料等需求数量显著增加，并且这些物质主要是从岛外进口；随着长海县社会经济的发展和生活水平的不断提高，自来水总供给量以年均约13%的速率增长，在直接物质输入总量中的比例不断上升，2003年所占比例为33.18%，2009年上升到37.84%。

长海县的物质进口数量不断增加，由2003年的13.49×10⁴ t增加到2009年的22.44×10⁴ t，年均增幅8.85%(图 3)。粮食、蔬菜、化石能源、建筑材料等物质的进口在长海县社会经济发展中占有重要地位，历年进口数量占固体物质输入数量的比例皆在30%以上，2003年该比例高达35.33%，2009年下降到32.96%；物质进口量占MDI的比重不断上升，由2003年的12.09%上升到2009年的20.12%(图 4)。长海县之所以有如此大比重的物质进口，是因为海岛经济结构简单以及海岛自身资源供给不足等，超出岛内物质供给量的生产和生活需求部分的物质只能靠从岛外进口。

3.1.2 输出层面

从长海县物质输出量的整体变化趋势上看，DMO以平均每年12.6%的速度增长(图 5)，这远超 DMI的年均增加速度。DMO占当年DMI的比重年

均约为62.64%，平均每年增加量约11.43×10⁴ t，略小于物质输入量的年均增加量(12.24×10⁴ t)。这反映了输入经济系统中的自然物质转化为系统实物资本的数量相对降低，有效转化效率较为低下。TMO的变化趋势与区域内直接物质输出量的变化趋势相似，年均增加量为11.46×10⁴ t，年均增长速度为12.53%。TMO的增加幅度较小的一个重要原因是长海县出口的物质以海洋水产品为主，并且其出口总量较小，占进口物质总量的年均比例仅为5.3%。

废气和废水排放是DMO的两个主要组成部分(图 6)。废气排放量最大，并且在研究期增加最为明显，占DMO的比例也最高，年均比例为54.77%，2009年更是高达61.03%。废气主要来源于化石燃料燃烧排放的CO₂量、动物和人呼吸作用产生的CO₂量以及工业生产和生活中排放的SO₂量，其中化石燃料燃烧排放的CO₂量所占比例很高，占到废物排放量的一半以上。固体废弃物输出量最少并且在七年间基本保持稳定，其输出量占DMO的比例年均仅为2.69%，在其组成中生活垃圾和工业垃圾输出量相当，农业废物(化肥的施用量)输出量相对较少。居民生活废水和工业废水排放是长海县DMO的第二大来源，占DMO的年均比例为42.64%，居民生活废水是主要的废水来源，占到每年废水排放量的80%以上，这符合该海岛县工业经济居于次要地位的产业结构特征。

3.2 生态效率分析

长海县的物质消耗强度由2003年的7.06 t/万元下降到2009年的5.24 t/万元，年均下降幅度高达4.85%；废物排放强度由2003年的4.19 t/万元下降到2009年的3.82 t/万元，年均下降幅度为1.53%；环境负荷强度由2003年的14.60 t/万元下降到2009年的11.93 t/万元，年均下降幅度为3.31%(图 7)。这反映了长海县在经济发展过程中，虽然物质消耗总量、废物排放总量和环境负荷总量均不断增加，但是生态效率不断提高，生态经济系统的经济发展能力不断增强。从图 7中不难发现，长海县的生态效率变化具有比较明显的阶段性特征：2003—2007年间长海县的物质消耗强度、废物排放强度以及环境负荷强度均呈现比较明显的下降趋势，但是2008年和2009年废物排放强度以及环境负荷强度有所增加，物质消耗强度在2008年下降到最低点后2009年也出现了反弹现象。这说明，如果不能够采取科学有效的可持续发展策略，长海县的生态效率持续提高将会面临比较大的反弹压力。

以GDP衡量经济发展水平，以物质消耗强度代表技术进步状况，设GDP年均增长率为g，物质消耗强度年均下降率为t，根据IPAT模型可推出^{[13, 14]}：当t=g/(1+g)时，物质消耗总量将保持不变；当t>g/(1+g)时，物质消耗总量将不断下降，经济活动对生态系统产生的压力不断减小；反之，当tg/(1+g)时，物质消耗总量将不断增加，经济活动对生态系统产生的压力将不断增加^{[13, 14]}。2003—2009年间，长海县的GDP年均增长率g为14.34%，由于g/(1+g)≈0.13远大于物质消耗强度下降的速度4.85%，因此物质消耗总量在7年间呈现不断增加的趋势。根据该原理，比较废物排放强度、环境负荷强度下降速度与GDP增长速度，可以得出相似的结论；不过，因为废物排放强度年均下降速度最小，物质消耗强度年均下降速度最大，所以直接物质输入总量(DMI)增加的相对幅度最小(年均增长率为8.8%)，废物排放总量(DMO)增加的相对幅度最大(年均增长率为12.6%)。

上述结果也表明，虽然长海县经济发展中单位GDP物质消耗数量、单位GDP废物排放数量和单位GDP环境负荷数量不断降低，但是由于其下降速度赶不上GDP的增长速度，使技术进步带来的资源消耗、废物排放或环境负荷减少量不足以弥补经济增长带来的资源消耗、废物排放或环境负荷的增加量，必然会导致物质消耗总量、废物排放总量或环境负荷总量不断增加的结果。也就是说，生态效率提高的减量效果全部或部分被经济规模的快速增加所抵消。

3.3 生态压力弹性系数与生态压力降低的技术进步贡献率

结合IPAT模型，将物质消耗、废物排放和环境负荷的变化量当作经济发展和技术进步的因变量，则计算物质消耗或环境负荷的经济增长弹性系数可以大致估算生态效率提高对经济发展的贡献率(表 1)。2003—2009年间，物质消耗弹性系数、废物排放弹性系数和环境负荷弹性系数都呈现比较大的波动特点，其中废物排放弹性系数的波动幅度最大；从平均值来看，七年间，长海县GDP年均增长1%，需要的物质消耗量年均增加0.61%，废物排放量增加0.87%，环境负荷总量增加0.74%。特别值注意的是，2007年三类弹性系数非常低，其中废物排放弹性系数甚至为负数，这与长海县在2007年成功申报“国家级生态示范区”前后，积极推进垃圾和污水处理系统建设，大力宣传资源节约型社会和环境友好型社会建设等密切相关；不过，2008年和2009年三类弹性系数强力反弹的事实至少说明，在建设生态海岛的过程中要建立环境保护的长效机制，保证各项政策与措施的持续和连贯执行，才能使生态海岛建设取得的成绩得到巩固并不断向前推进。

与三类弹性系数的变化特点相似，代表技术进步的物质消耗强度、废物排放强度和环境负荷强度变化分别对资源消耗总量、废物排放总量和环境负荷总量变化的贡献度也呈现比较大的波动，只不过它们的变化趋势与对应的三类弹性系数的变化趋势相反；从7a平均值来看，物质消耗强度的贡献率为38.65%，即物质消耗强度下降带来的资源消耗减少量只占到GDP增量所带来的资源消耗增加量的38.65%，这使得该时期内资源消耗量出现了比较明显的增长；废物排放强度的贡献率最低，仅为12.16%，这也说明了技术进步在废物排放减量化中所起的作用最小，从而导致废物排放总量较大幅度的相对增加；环境负荷强度的年均贡献率为26.35%，也就是说技术进步在环境负荷减量化中所起的相对作用居于中间水平。要说明的是，三者的贡献率为负数时，表明物质消耗强度(废物排放强度或环境负荷强度)增加使物质消耗(废物排放或环境负荷)总量增加，绝对值代表其引起的总量增加部分占GDP增长引致的物质消耗(废物排放或环境负荷)总量增加部分的比例。例如，2009年物质消耗强度的贡献率为-27.43%，表明物质消耗强度与2008年的相比增大了，并导致物质消耗总量的增加量占GDP增加引致的物质消耗增加量的27.43%，从而使物质消耗总量增加的速度超过GDP增加的速度。显而易见，2007年和2008年的废物排放强度显著增加导致其对废物排放总量减量化的负贡献率很大(2008年高达-150.26%)，进而造成2003至2009年间废物排放强度对废物排放总量减量化的平均贡献率较低的严重后果(表 1)。这也进一步说明，如果要保持长海县经济规模持续快速增长的势头，改善经济发展质量，同时又要减轻对生态经济系统的生态压力，不断促进科技进步，努力降低物质消耗强度、废物排放强度和环境负荷强度，提高生态效率具有非常重要的意义。

4 结语

在生态海岛建设进程中，长海县的直接物质输入总量、物质需求总量、直接物质输出量和环境负荷量总体上不断上升，这说明长海县在经济发展水平持续提高的过程中，对生态环境产生的压力也在不断增大。海岛生态经济系统是一个输入型开放系统。长海县的物质进口数量不断增加，物质进口量占直接物质输入量的比重也在不断上升，这反映出长海县经济活动对生态经济系统产生的影响有相当部分发生在海岛以外地区。

2003年至2009年的直接物质消耗强度、废物排放强度和环境负荷强度总体下降的事实表明，长海县在生态海岛建设进程中通过技术进步提高生态效率的效果比较明显。但是，由于技术进步带来的三者下降速度显著落后于当地的经济增长速度，从而导致物质消耗总量、废物排放总量和环境负荷总量仍然呈现不断增加的发展态势。因此，在保持经济发展水平持续提高的前提下，为了不断降低物质输入和废物输出的增加幅度直至出现零增长，促使长海县生态经济系统向强可持续发展的方向转变，有效促进技术进步是一个关键途径。

2008年至2009年的生态压力弹性系数强力反弹和生态压力降低的技术进步贡献率显著下降的现象表明，建立一种有效促进技术进步进而稳定提高生态效率的创新型管理机制并落到实处在生态海岛建设进程中具有特别重要的作用。

海岛被海洋包围的特点造成难以界定一个比较封闭的区域而未能将海洋藻类等海洋生物的需氧量、CO₂的排放量计算在内，根据通常做法用自来水的供应量代替水的输入量，以及由于缺少建筑、能源、工业矿产品等开挖时隐藏流的统计而借鉴其它研究成果估算隐藏流等客观事实，不可避免地会造成长海县物质流分析结果存在一定误差。因此，这3个问题是后续研究中的重要任务，其圆满解决有助于运用物质流分析方法更客观而深入地分析海岛生态经济系统的物质输入和输出特征，为生态海岛建设提供科学合理的对策建议，更好地推动生态海岛建设，实现海岛生态经济系统的可持续发展。