GSR公开课第七讲：投入产出分析在环境管理中的应用
主讲人：梁赛 教授
（2022年2月11日）
（获得清华大学学士学位和博士学位，广东工业大学“百人计划”特聘教授、博士生导师，国家高层次青年人才。从事环境系统分析领域的教学科研工作，主要关注社会经济过程与生态环境过程的耦合模拟分析，从多视角识别社会经济系统中影响生态环境问题的关键因素，为减少环境影响的政策决策提供多视角-多过程的科学支撑。在Nature子刊、Cell姊妹刊One Earth、环境专业顶刊Environmental Science & Technology等发表论文130余篇。论文总被引5200余次，H指数43。曾获Environmental Science & Technology 2020年度优秀评审奖、北京市第十四届哲学社会科学优秀成果奖二等奖、陶氏可持续性项目博士后、北京市优秀毕业生、清华大学优秀博士学位论文一等奖等荣誉）
课程概要：
环境足迹概念基于生命周期思想，被广泛用于环境管理中。投入产出分析是核算环境足迹的一种常用方法。本课程从环境足迹概念切入，讲解为什么要关注环境足迹，环境足迹对环境管理工作有什么启示作用。进而介绍核算环境足迹常用的投入产出模型，包括基本原理、基本概念、平衡关系、运算过程；之后讲解如何对投入产出模型进行环境扩展，并用于环境足迹核算。最后，结合案例分析，讲解环境扩展的投入产出模型在环境管理中的典型应用，包括环境足迹核算、生命周期评价、经济行为对环境压力的影响、风险对产业链经济的影响、经济环境网络分析等。
课程内容：
一、 环境足迹概念
（一）概念引入
环境足迹基于生命周期理念，是对产品或者服务的最终需求所导致的直接和间接环境压力。目前多方提到的系统理念，也是一种环境足迹和生命周期理念的体现。与传统监测（生产视角）相比，环境足迹是基于消费视角，在整个产业链的最末端环节去核算全产业链的环境影响。两种视角相辅相成，生产视角可以进行排放源管控，消费视角可分析消费模式、消费水平变动对全局产生的影响。根据美国温室气体核算源识别的结果，生产端识别的前三大源头是Electricity、Energy intensive、Agriculture，而消费端识别出的则是Services、Manufacture、Food，二者识别的调控抓手是不一样的。
基于消费视角核算国内环境压力（领域范围的）：该国的环境足迹=基于生产视角核算的环境压力+进口隐含的环境压力-出口隐含的环境压力。因此，国家之间、区域之间的贸易，在环境足迹的核算中很关键，商品进口国会把环境负担转移给商品出口国。
（二）国际贸易与环境问题
联合国气候变化框架公约提出共同但有区别的责任，认为附件B国家（大多是发达国家）有减缓气候变化的责任（基于生产视角），而非附件B国家（大多是发展中国家）没有减排责任。这导致全球二氧化碳排放不但没有减少，反而增加。因为虽然附件B国家停止了碳排放强度高的生产活动，但从消费端核算，他们消费所导致的全球碳排放是增加的（生产活动转移到非附件B国家），而非附件B国家由于没有考核压力，碳排放量迅速增长。
2011年，美国科学院院刊的研究核算了国际之间的碳流向是如何转移流动的，发现主要是从发展中国家隐含流动到发达国家（产品在发展中国家生产，在北美和西欧等发达国家消费）。此外，Nature上的一篇文章研究表明生物多样性也存在同样的问题（东南亚生物多样性的减少跟西欧国家的消费有紧密关系）。
由此可见，单纯的生产侧管控，并不一定能控制住全局的环境问题，需要从生命周期理念出发，从环境足迹概念出发，进行全局管控。
（三）核算环境足迹的用途与方法
环境足迹能够核算某一国家的消费，通过何种路径，直接、间接驱动了另一个国家的环境压力：B国（多个国家）的消费（对何种产品的消费），通过国际贸易（包括间接贸易A→C→D→…→B），驱动A国（多个国家）的环境压力。可为消费端提出减排策略，通过调整消费国家的消费行为、消费水平，实现全局减排。
环境足迹核算方法很多，目前最主流、使用最广泛的方法是环境扩展的多区域投入产出模型：Environmentally Extended Multi-regional input-output model （EE-MRIO）。
二、 投入产出模型
（一）经济投入产出模型
由于理论基础非常成熟，投入产出模型在经济学包括产业生态领域都得到非常大的认可和广泛应用。1973年，诺贝尔经济学奖颁给了提出投入产出理论的科学家Wassily Leontief，他发展了投入产出分析方法，并在经济学领域产生了重大作用，说明了投入产出模型认可度很高，这也是其得到广泛应用的一个主要原因。
（二）投入产出模型知识预储备
一是宏观经济学的知识（行业，GDP，一般均衡，供给，需求等基本概念），推荐教材：Ronald E. Miller and Peter D. Blair, 2009, Input–Output Analysis: Foundations and Extensions （Second Edition）, Cambridge University Press；二是代数中的矩阵概念（通过向量和矩阵运算）。
（三）投入产出模型应用举例
1. 公式推导：假设一个三个企业的经济体
投入产出所考察的时间通常以一年为一个时间段，单位通常是货币，用销售价值表示产品流动（如¥、$、�）。
部门：指从事相同性质的经济活动的所有单位的集合（如企业, 组织）。
以农场为例，从其他部门购买产品（投入），把自己生产的产品卖给其他部门和最终消费者（产出）。
收益–成本=利润
其中，收益=卖给其它部门的产出（定义为中间产出）+卖给消费者的产出（定义为最终需求）=总产出（产品的总销售价值）
成本=来自其他部门的投入（定义为中间投入）+其他成本（如劳动者报酬，净税收（税收-补贴），固定资产折旧，利息，租金（土地、设施等））
收益=成本+利润
总产出=中间投入+其他成本+利润（定义为增加值，各行业增加值的总和即GDP）
总产出（中间产出+最终需求）=中间投入+增加值
总产出等于总投入时，市场达到供给和需求的平衡。
最终需求包括居民消费、政府消费、NGO消费，以及库存变化、固定资本形成、净出口（出口–进口）
2. 三部门系统求解增加值
以下是投入产出表的基本样式，包括中间的三个生产者的关系、最终需求、增加值、总投入和总产出，把整个市场的投入和产出用表格的形式表示。求解增加值：先根据行平衡算出总产出，然后总产出等于总投入，再根据列平衡，求出增加值。
如加上自循环（每个部门可能有多种类型的企业，内部企业之间的生产关联即自循环），求解方式也类似。
每个部门的行平衡（表示产品去向）：总产出=中间产出之和+最终需求之和
每个部门的列平衡（表示投入来源）：总投入=中间投入之和+增加值之和
每一个部门：总投入=总产出
增加值之和=最终需求之和=GDP（国内生产总值/地区生产总值）
3. 矩阵运算
AX + Y = X
4. 环境足迹核算关键公式
AX+Y=X→X–AX=Y→X=（I-A）-1Y，其中X为满足Y规模的需求所需要各个部门的产出量，Y为整个国家的最终需求（也可替换为家庭、企业、区域、国家的最终消费W）
（I – A）-1 = I + A + A2 + A3 + A4 + A5 + ……（其中Ax代表部门 i 经过x步到达部门 j）
环境足迹核算关键公式：Q = （I-A）-1W，其中：
L = （I-A）-1: Leontief逆矩阵
lij: 完全需求系数 （完全 = 直接 + 间接）
I: 单位矩阵
A: 直接需求系数矩阵
W: 对某部门产品的某个需求量
Q: W的需求量所导致的各个部门的产出量
三、 环境足迹核算
（一）环境卫星账户
在原来矩阵的基础上，添加扩展向量，环境排放称为环境卫星账户。以二氧化碳排放为例，如下图所示：
（二）环境强度矩阵到环境足迹
环境强度：各个部门单位产出所产生或排放的污染物的量
投入产出分析学习推荐教材：
夏明，张红霞，林晨译．投入产出分析：基础与扩展．2019，中国人民大学出版社
Ronald E. Miler and Peter D. Blair. Input- Output Analysis: Foundations and Extensions（ Second Edition ）. 2009, Cambridge University Press
（三）整体概念图
四、 环境管理应用
（一）环境足迹核算
1. 三部门系统示例
环境足迹核算：核算消费者消费部门C的产品所导致的上游所有部门排放的污染物总量
2. 汞核算示例
从生产端清单核算排放到不同环境介质中的汞各是多少，识别直接排放源。再基于排放源排放清单构建环境卫星账户，用全球投入产出模型计算环境足迹（消费端），结果表明，国内消费是中国汞排放的主要贡献者，达到70%以上，其次是北美和西欧。研究核算了国内和国外消费通过全球产业链直接和间接传导所导致的中国汞排放量。此外，选取中国和美国在行业层面，或者说部门层面做进一步分析，发现同样是从消费端分析，对于不同区域，调控抓手是有差异的（如对于国内消费来说，建筑行业贡献最大，但对于美国消费来说，建筑行业贡献并不大，反而是很多服务业贡献最大）。
（二）生命周期评价
传统的基于过程的生命周期评价：树状追溯过程，结果存在“截断误差”（由于数据库所涵盖的产品类别有限，而实际上市场经济系统范围更大，产生了截断误差）。但投入产出模型可涵盖经济系统的完整产业链，拓展了基于过程的生命周期评价的系统边界。把基于过程的生命周期评价内嵌到投入产出模型里，把N个部门、M个环节用扩展的投入产出表，或者是混合的投入产出表表示，通过矩阵运算算出某一种产品在某个环节对整个经济系统所产生的影响。ES&T的一篇文章把基于过程的LCA和混合LCA（把投入产出和基于过程的LCA嵌套）做了比较，分析不同情况下基于过程的LCA在混合LCA里的占比，结果表明，对于大部分生命周期环境影响指标，结果是可接受的，能达到80%~90%。但对于少数指标，比如说陆地生态毒性，占比仅60%，在资源方面，尤其是金属，基于过程的LCA仅能核算20%，而80%的影响都被截断误差忽略了。
（三）经济行为对环境压力的影响
可分析区域内经济系统演变对环境压力的影响。从末端控制、生产结构、消费结构、经济类型、富裕程度、人口规模等分析对环境压力变化的影响，识别重要的调控要素。
P=FLYsyggp，其中F为环境强度，L为里昂惕夫逆矩阵，代表生产结构，Ys为经济类型，yg为消费结构，g为富裕程度，p为人口规模。
2014年，ES&T的一篇文章分析了32类资源和污染物的变动情况，发现在1992年到2010年期间，推动环境压力增长的因素包括：需求水平、外向型经济模式、人口、消费行为；减缓环境压力的因素包括：物质效率和生产行为（技术进步）。
（四）风险对产业链经济的影响
可分析风险对经济系统产生的冲击。如风险会影响某部门的产品需求，进而通过产业链影响其他部门的生产活动。基于投入产出模型，可识别脆弱环节，支持风险应对与预防。
Δx=（I-A）-1×Δy，其中Δx为整个经济系统的损失，Δy为对某部门的需求的变动。
另一篇ES&T的文章研究蜜蜂授粉服务中断对美国经济系统产生的影响，结果表明影响最大的是房地产，然后是批发零售、农业相关、农药相关、化石燃料开采加工。由此可见把间接影响考虑进来后所得到的结果，跟只考虑直接影响是很不一样的。美国密西根大学团队也基于投入产出模型分析了水资源耗竭会对全球贸易产生什么样的影响。
（五）经济环境网络分析
与大数据的分析手段相关。点代表：区域、部门、产品；边代表：产品交易、隐含物质流。经济环境网络分析中有两类运用较多：中介中心度（betweenness）和聚类特征（群落特征，community structure）。
中介中心度：识别中间转换者。如部门B，从末端控制或消费端控制都不会关注到部门B，既没有直接排放，也没有进入最终消费环节，但在网络是产品流通、污染物隐含流动的关键控制节点。
聚类特征：如分析美国经济部门对动物授粉的依赖的聚类特征。总共聚出五个类别，可看出哪些部门应该去相互联系联合，共同应对生物多样性减少带来的风险。全球二氧化碳的类似研究也有类似的结果，可看出哪些部门可能跟其他国家的一些部门关联更紧密，可基于此加强部门层面跨区域合作。
课程总结：邓璟菲、肖萌、董璟琦