产业部门间间接能源流动及依赖关系演化特征

董志良,贾妍婧,安海岗

(河北地质大学城市地质与工程学院,石家庄 050031)

0 引言

20世纪最后20年,中国国内生产总值翻了两番,但能源消耗仅翻了一番,平均能源消耗强度仅为0.5左右。然而自2002年进入新一轮高速增长周期以来,中国能源消耗强度持续上升,经济发展开始受到能源瓶颈困扰[1]。中国能源问题已成为国民经济发展的战略性问题,同时也是应对全球气候问题不可忽视的问题,这就需要降低能源消耗总量。从能源消耗类别角度进行分析为控制总能源消耗量提供了许多关键思想。能源消耗有两种形式:直接消耗和间接消耗。直接能源消耗方式包括石油、煤炭、天然气和矿产等产品消耗。间接消耗是指通过消耗经济生产最终产品或中间产品来消耗资源[2]。隐含能源消耗不仅包括直接能源消耗因素,也包括间接能源消耗因素,可以从整个能源消耗过程角度来分析。学者们对其进行测算,并对贸易过程中隐含能源的流动进行了一系列研究[3-4]。但随着劳动分工不断细化,各部门之间出现强大经济联系,产品往往由多部门融合生产,消费环节逐渐多元化[5]。因此,有必要区分产品或行业直接能源消耗和间接能源消耗。学者们已经证明降低直接能源消耗对于控制能源总量具有至关重要的作用[6],此外,还需从产业部门之间间接能源消耗角度进行探讨。分析产业部门之间间接能源流动则需计算产业部门间间接能源流动情况。现有能源消耗量计量方法主要分为基于消耗生命周期的计量方法和基于投入产出表的计量方法。前者基于产品整个生命周期数据测算,可操作性较低。投入产出分析是Leotief.W提出的一种经济定量分析方法,在20世纪30年代被广泛应用于能耗测量领域[7-8]。间接能源消耗是指在生产过程中通过中间产品投入所间接消耗的能源[9]。根据各部门中间产品投入和产出,即可得到产业部门之间间接能源流动量。而部门间间接能源供应和消耗形成一个复杂系统,这个复杂系统可以通过复杂网络来理解。此外,与投入产出模型相结合的生态网络分析方法研究逐步深入,常用于分析各主体之间交互控制和依赖关系[10-11]。

本文根据投入产出表估算 2002 年、2007 年、2012 年和 2017 年各产业部门之间间接能源流动量。以产业部门为节点,产业部门间间接能源流动为边,间接能源流动量为权重,构建各年份产业部门间间接能源流网络(IEFN)。确定间接能源流动网络整体特征,流动过程中关键部门、社团结构、关键流动路径以及产业部门之间的依赖关系。此外,本文进行了QAP(Quadratic Assignment Procedure)相关性分析,阐明了间接能源流动与部门依赖关系之间的相关性,为降低能源消耗总量提供参考。

1 数据与方法

1.1 数据来源与预处理

由于中国能源消耗强度自2002年以来持续上升,因此本文从2002年开始计算产业部门间间接能源消耗量。鉴于中国每5年发布一次基本I-O表,本文以2002年、2007年、2012年和2017年投入产出数据以及能源消耗总量数据作为研究基础数据。数据分别来自《中国统计年鉴》和《中国能源统计年鉴》。由于二者行业分类不一致,为保证计算准确性,采用文献[12]的方法将产业部门数量合并为30个。使其行业划分情况一致,同时使计算准确性得到保证,归并后产业部门分类如表1所示。

表1 产业部门分类

1.2 研究方法

1.2.1 间接能源流动量计算

完全消耗系数B是全部直接消耗系数A和全部间接消耗系数C之和,通过式(1)计算得出间接消耗系数矩阵C,cij表示部门j生产经营一单位产品所间接耗部门i产品或服务的数量[13]。

C=B-A

(1)

本文选取各产业部门能源消耗总量和间接消耗系数计算各产业部门间间接能源消耗量。能源消耗总量是一定时期内全国物质生产部门、非物质生产部门消耗各种能源的总和,分为终端能源消耗量、能源加工转换损失量和能源损失量三部分,包含直接能源消耗以及间接能源消耗。间接消耗系数反应了国民经济各部门之间间接技术经济联系。因此,运用式(2)计算间接能源流动量具有一定合理性。

(2)

其中,di为部门i的能源消耗总量,cij代表部门j间接消耗部门i的能源总量。

1.2.2 复杂网络构建

本文以各产业部门为节点,产业部门间间接能源流动关系为边,部门i流向部门j的间接能源流动量eij为边权重。构建2002年,2007年,2012年以及2017年IEFN,并分别定义为IEFN-1、IEFN-2、IEFN-3和IEFN-4。因2002年投入产出表中统计废品废料部门数据均为1,则2002年节点个数为29。其余各网络均包含30个节点。一方面考虑到间接能源流动量之间的量级差,另一方面本文的探究目的是识别间接能源消耗过程中的关键部门及关键关系。我们以较小量级100为阈值点剔除间接能源流动量较小的边,最终各网络分别包含306、539、572和562条边。

1.2.3 拓扑指标选取

1)点强度。点强度D(i)代表流入和流出部门i的间接能源总量,因IEFN为有向网络,则点强度分为出强度Dout(i)和入强度Din(i),分别表示从部门i流出的间接能源量和流入部门i的间接能源量。

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

(3)

2)中介中心度。网络中点中介中心度表示节点对资源的控制程度,它可以测量该点在多大程度上控制其他节点交往。即部门i在能源从部门j流动到部门k的过程中承担的中介作用程度。

(4)

其中,i,j,k表示部门,gjk为部门j和k之间所存在的捷径数目,gjk(i)为部门j和k之间的最短路径数目。Bi为点i的中介中心度,取值范围为[0,1]。

3)模块度。模块化可使网络中节点以特定方式形成聚类,划分为不同社团,社团内部各产业部门联系较为紧密,社团间连接较为疏松。本文选用Blondel等[14]提出的模块度最大化方法进行社团检测,模块度计算如式(5)所示。

(5)

1.2.4 依赖度测算

以图1所示的3个产业部门间接能源生态网络模型为例:fij为部门j到部门i的间接能源流动量(104tce),zk和yk分别为部门k与外部部门间的输入和输出量。

图1 3个产业部门间接能源生态网络模型

流入和流出部门i总输入或总输出量分别如式(6)和式(7)所示。

(6)

(7)

当系统处于稳定状态时,流入部门i间接能源总量与流出量相等,即:

(8)

基于“生态网络”理念的控制分析起源于Patten等[16]研究者的进一步发展,控制分析可识别某一部门对其他部门间接能源流动的控制作用。本文引入其中依赖度矩阵CN=(cnij)来表示成对产业部门间的依赖程度及控制程度。

(9)

(10)

(11)

(12)

1.2.5 QAP相关分析

为保证研究结果的有效性,有必要验证部门间依赖关系与部门间能源流动间接影响之间的相关性。QAP相关性分析,可用于研究两个“关系”矩阵是否相关。部门间依赖关系和部门间能源流动关系可以用矩阵来表示,所以用QAP分析进行验证。

(13)

2 结果与讨论

2.1 IEFN中关键产业部门识别

2.1.1 产业部门点强度分析

如表2所示,在间接能源流动网络演变过程中,2002年间接能源总流量最低,2012年最高。加权入度和加权出度排名前十的产业部门分布分别如图2和图3所示。

甲状腺癌分为分化型癌与未分化型癌，乳头状癌、髓样癌与滤泡癌均属于分化型癌。本结果显示，不同病理分型的甲状腺癌VI值无明显差异，同时肿瘤直径也对VI值无明显影响，但随着甲状腺癌TNM分期的增加，VI值增加，提示VI值大小与肿瘤的恶性程度呈正相关。肿瘤新生血管的管壁薄、结构不完整，所以肿瘤细胞很容易穿透血管壁向远处转移[11]。本结果显示，伴有淋巴结转移的VI值明显大于无淋巴结转移。而有研究表示，甲状腺乳头状癌的淋巴结转移率与淋巴结转移数目是术后远处转移的预测指标，提示VI值越大发生远处转移的风险越高[12]。

图2 各网络中加权入度排名前十的产业部门

图3 各网络中加权出度排名前十的产业部门

表2 各年份间接能源流动基本情况

入强度方面,排名前十的产业部门在各年份分别占间接能源流动总量的50%左右。前十的产业部门变化不大,且排名前七的各产业部门间接能源消耗相差不大。金属制品业和电气机械及器材制造业一直都位列前3,为主要间接能源消耗者。这是因为金属制品业和电气机械及器材制造业往往需要复杂工艺流程,导致产品生产过程中发生多重间接能源消耗。

出强度方面,排名前五的产业部门作为能源产出关键部门,向其他部门分别间接提供了81.97%、86.58%、84.15%和84.53%的能源。化学工业、金属冶炼及压延加工业为重要间接能源提供者,说明它们在产业链上处于上游,是产品生产过程中的能源供给者,在中下游环节生产过程中其携带能源被间接消耗。对比入强度与出强度数据可以发现,产业部门间的间接能源供给比间接能源消耗更加集中。因此需要更多地关注能源供应部门,并从供应端减少无效或低效能源供应。

2.1.2 产业部门媒介作用分析

IEFN中存在点强度较低,但因为连接着许多关键部门而变得重要的产业部门,即具有高度中介中心度的产业部门,这些部门能够控制部门之间间接能源流动。表3展示了各网络中中介中心度排名前五的部门。可以看出排名前五的产业部门变化不大,但每个部门中介作用强度是动态变化的。相对来讲,石油加工及炼焦业和金属冶炼及压延加工业是具有重要媒介作用的部门。

表3 中介中心度(Top5)

2.2 IEFN社团结构分析

分别对IEFN 4组网络进行社团划分,选取模块度最大的社团化结果,图4展示了各部门之间间接能源流动情况(图中节点大小表示加权出度,节点越大,加权出度越大;节点颜色为模块化结果,橙色、蓝色和绿色各代表一个社团。线条粗细表示能量流动权重;线条越粗,间接能源流动量越大)。前三年均划分为以化学工业和金属冶炼及压延加工业为间接能源供应中心的社团Ⅰ和社团Ⅱ,社团Ⅰ包含部门数目远大于社团Ⅱ。随着能耗“双控”行动的发展,化石能源消耗成为重点控制对象,从而导致IEFN-4社团格局发生明显变化,一部分产业部门划分成为了以其他服务业为核心的社团Ⅲ。与IEFN-3相比,IEFN-3社团Ⅱ中造纸印刷及文教体育用品制造业和建筑业划分到新社团Ⅲ;社团Ⅰ中农林牧渔业,石油和天然气开采业,食品制造及烟草加工业等7个产业部门划分到新社团Ⅲ,使社团Ⅲ包含社会生活各方面。其他服务业作为该社团的核心,表明服务业已经涉及到社会生活各方面,成为间接能源消耗的主要来源。

图4 各时期间接能源流动网络

2.3 IEFN关键间接能源流动路径分析

各网络中前1.31%,1.22%,1.15%和1.16%的边分别携带了9.36%,15.91%,14.55%和11.08%的间接能源流动量,以这些边分别作为起始边识别间接能源流动路径。起始边投入部门为起始节点,以起始边中目标节点作为第二个投入部门,继续捕获与第二个投入部门具有最大边权关系的产业部门。重复此过程直到最后一个部门返回到路径中已存在部门为止,从而识别出各年份关键路径,如表4所示。

表4 关键路径

可以看出,各年份关键路径产业部门组成及流向变化相对较小,大多数路径均以金属冶炼及压延加工业为起始节点,以制造业为目标节点。制造业是中国国民经济支柱产业和经济增长主导产业,是间接能源消耗的主要产业门类。而在各种产品生产过程中,金属材料是不可缺少的基础材料。这使得间接能源消耗关键路径呈现出从金属冶炼及压延加工业出发,以制造业为目标节点的特点。其中,一直以来承载最多间接能源流动量的路径为2002-1。研究期内关键路径变化并不强烈,其中2007-2,2017-1这两条间接能源流动路径较为稳定,路径核心无显著变化,均表现出基于产业链上下游环节流动。

2.4 IEFN中产业部门间的依赖关系分析

图5展示了产业部门间的依赖关系,颜色越深依赖度越高。各网络部门间依赖关系均值分别为:0.324、0.341、0.326和0.386。部门间依赖度大于均值时有明显依赖关系,且越接近于1依赖关系越强烈。

图5 产业部门间依赖关系

整体来看IEFN-4中部门间依赖控制关系明显。这是因为产业部门形式越来越多样化,产业部门之间存在必然内在联系,使不同产业部门相互制约、相互促进。较强依赖关系体现在产业链上下游环节之间,如纺织业对化学工业的依赖,金属制品业对金属矿采选业和金属冶炼及压延加工业的依赖。部门间的依赖关系强表明间接能源在该组合中具有从被依赖部门流向依赖部门的流向稳定,依赖关系弱表示在该组合中间接能源流动关系受其他部门影响,流向不明确。

2.5 QAP相关分析

关键路径及依赖关系均表现出产业链上下游产业间的密切关联。本文采用QAP相关分析对依赖矩阵与间接能源流动量矩阵之间的相关关系进行检验。如表5所示,2002年部门间依赖关系与间接能源流动量之间呈现负相关关系,在0.05水平上显著。2007年、2012年和2017年部门间依赖关系与间接能源流动量均呈正相关关系,并且显著性明显。2012年相关系数有所降低,2012年中国产业结构发生显著变化,第三产业规模再次超过第二产业,使产业部门间依赖关系及间接能源流动发生相应变化。但两矩阵之间的相关性整体上呈增长趋势,产业部门间间能源流动关系和产业间依赖关系相似性变强。表明中国产业结构调整成效显著,商品生产及服务产业链逐渐完善。但二者相似程度并不高,仍需进一步优化产业结构。

表5 依赖关系与间接能源流动量QAP相关分析结果

3 结论

本文基于复杂网络与依赖度矩阵探究中国产业部门间间接能耗情况及相互依赖性,得出结论:1)各年间接能源供给与消耗对比表明,产业部门之间的间接能源供给较间接能源消耗更为集中。因此要更加关注能源供应核心产业部门,从源头上减少低效或无效供应。此外,间接能源供给核心部门正逐渐从化工行业向服务业转移。要继续减少化工行业能源供应,优化服务业能源供应,降低能源消耗。2)不同产业部门在间接能源消耗过程中扮演着不同角色。化学工业和金属冶炼及压延加工业是主要间接能源供应部门;石油加工、炼焦业、金属冶炼及压延加工业起到中介作用;金属制品业和电气机械及器材制造业是主要间接能源消耗者。因此,需要针对不同角色制定相应策略。如从能源供给端进行改革,减少化工行业无效供给,形成供需平衡的能源供给机制。提高产品生产过程中不可缺少的金属材料和各种燃料利用效率。优化电机设备制造工艺流程,减少非必要能源消耗。3)关键路径识别结果表明,承载间接能源流动量较高且较为稳定的流动路径均为基于产业链生产情况的流动路径。同样地,依赖度分析结果表明产业部门间更为明确的依赖关系体现在产业链上下游环节之间。因此降低能源消耗需从产业部门全局出发,依据产业部门间上下游关系,制定跨部门协同政策,促进产业部门协同降低能源消耗。依赖关系与间接能源流动关系相关性整体上呈增长趋势,二者之间相似性变强。表明中国产业结构调整成效显著,商品生产及服务产业链逐渐完善。但二者相似度并不高,因此仍需进一步优化产业结构,提高国内产业链完整性,降低能源消耗总量。