产业生态研究范围与方法

4.1　产业生态研究范围与方法

4.1.1　产业生态研究范围

产业生态研究的范围很广,从“清洁产品”的企业生产流程、生态效率(工业生产过程的生态持续能力)、微生物工业到全球环境变化与人类生态系统研究,范围极其广泛。本书着重强调区域尺度范围内的产业生态研究。主要是基于产业生态方面,大多是关于全球性或微观(如产业流程、产业代谢等)的研究,对中尺度区域(1∶1万～1∶20万)的研究比较少。区域产业生态系统研究无论在国内还是在国外都还处于早期研究阶段。因此,希望通过本书对区域产业生态研究进行一些前沿探索。

企业是产业经济发展的基本单元,也是产业生态研究的基本要素,从微观角度或单个企业方面,产业生态就是按照3R原则(Reduce,Reuse,Resource),促进企业内部生产的无污染排放,改进生产工艺和流程,形成企业内从原料到成品的良性循环,减少原材料消耗、减少废物排放(包括减少有毒原料和有毒废物),发展清洁产品生产,加强产品的回收重复利用。例如,光纤技术的使用大幅度减少了通信技术中铜线的使用,铝型材在汽车上的应用大大减少了车身重量和油耗量。减量化原则(Reduce)属于旨在减少生产和消费过程使用的原料量,从源头节约资源使用和减少污染物的排放。再利用原则(Reuse)属于生产过程控制方法,通过延长产品和服务的时间强度,尽可能多次或多种方式地使用,避免过早地成为垃圾,减少污染;再循环原则(Resource)就是“废弃物”的资源化、旧产品和旧零件的再利用。要求产品完成使用功能后重新变成再生资源。杜邦化学公司20世纪80年代末就开始把工厂当做新的生态经济理念的实验室,创造性地把生态经济三原则发展成为与化学工业相结合的“3R制造法”,以达到少排放至零排放的环境保护目标。通过放弃使用某些对环境有害的化学物质、减少一些化学物质的使用量以及回收本公司产品的新工艺,到1994年已经使该公司生产造成的废弃塑料物减少了25%,空气污染物排放量减少了70%。同时,在废塑料如废弃的牛奶盒和一次性塑料容器中回收化学物质,开发出了耐用的乙烯材料等新产品。

随着制造业日益在全球扩展开来,竞争的基础不再是单个的企业及其供应链之间的竞争了,而是区域产业集群之间的竞争。跨国公司在世界范围分布它的企业,并对它们迁入或搬出的地区产生重大影响,对地区的经济发展发挥着巨大作用。

无论是企业整合还是区域集聚,工业园是产业生态化集聚的基本单元。传统的工业是从资源、产品、废物的单向线性发展模式,企业之间分散发展,关联性不强。发展生态工业园,就是把各种分散的企业和产业协调优化为产业生态链,形成产业集群化和生态化,建立从自然资源、产品、再生资源的新经济发展模式。其实质是依据产业生态经济理论,按照工业生态学的原理,通过企业间的物质、能量和信息交换,建立产业生态系统的“食物链”和“食物网”,形成互利共生网络,实现产业系统内“生产者—消费者—分解者”的闭路循环,实现物质循环和能量多级利用。由此形成企业间的工业代谢和共生群落关系,建立一种新型工业组织形态。在这样的体系中,不存在废物或污染问题,一个企业的“废物”同时是另一个企业的生产原料。

产业生态集聚不同于传统的企业群在地理上的集中,传统的企业集群是以生产配套协作为核心,在结构上没有形成以物质循环和能量循环为核心的完整循环,与生态环境的协调适应性差,可持续发展能力不足。产业生态集聚建立了企业之间的网络循环,其特征是产业的循环性、群落多样性和产业价值链的增值性,通过对产业集聚的空间结构分析,研究产业的上下游关系和网络循环性、产业多样性、产业价值链、产业密集度(绿洲效应)、产业关联度等产业生态内涵,评估产业生态的成长性和生态的强弱。

从区域角度看,就是按照产业生态与区域经济原理,在自然生态系统的承载力基础上,将网络型产业生态体系与社会发展系统及资源环境系统进行系统耦合,在物质能量代谢、空间格局及人类生态关系等方面进行优化,降低生产过程对生态环境的不利影响,使资源环境能系统开发持续利用、物质能量多级利用高效产出、城市与社会经济系统空间结构协调发展,形成优势互补、互利共生、自然生态与人工产业链结合的复合生态系统,合理有效地利用空间资源,发挥区域整体优势,提高区域产业在国内国际上的竞争力,以达到经济发展、环境改善和人力资源充分利用的目的。

从宏观角度看,国家通过宏观产业发展的战略选择和管理立法,促进新型的工业化模式和可持续发展道路。在国家层面上,欧盟国家、北美国家、日本等发达国家分别制定了鼓励副产品回收、绿色包装等法律,同时规定了包装废弃物的回收、复用或再生的具体指标。

4.1.2　产业生态研究方法

作为一门新兴科学,产业生态从不同学科发展而来,尽管产业生态学还很不完善,甚至还没有一个完整的定义和系统的分析框架,但是,产业生态作为研究人类产业系统与自然环境的相互作用和协调发展,已经得到了广泛认可。

生命周期评价(LCA)法和系统分析是产业生态研究中的两个基本方法。生命周期法主要在于产品代谢或生命周期的过程,而系统分析法则更为灵活,适用范围更加广泛,从单一的产品或过程到整个产业甚至一个地区;生命周期法侧重于比较分析,系统分析法侧重优选和决策;生命周期法是描述性模型,而系统分析法是规范模型。因此,生命周期法需要的资料比系统分析法更加广泛,从而更适合应用于产业代谢,检验特定的材料流动和过程;而系统分析法则强调和分析相互联系,集中于局部研究范围,排除与决策无关的信息,因而更适合于产业生态(见表4-1)。

表4-1　生命周期评价法和系统分析法的比较

(1)　生命周期评价法

生命周期评价法是产业生态研究的主要方法之一。按照美国病理和毒理学会SETAC的定义:生命周期评价是一种对产品、生产工艺及活动对环境的负荷进行评价的客观过程,它通过对能量和物质利用以及由此造成的环境废弃物排放进行辨识和量化,来评估能量和物质利用对环境的影响,以寻求改善的途径。这种评价贯串于产品的整个生命周期,包括原材料的开采和加工、产品制造、运输、销售、产品使用与再使用、维护、再循环及最终处置。生命周期评价法是实现产业生态的有效管理方法之一。通过资源和能源的整个流通过程,对物资消耗和污染排放进行分析,从而得到全过程、全系统的物流情况和环境影响,以此评价系统的生态经济效益的优劣。

生命周期评价法包括确定范围、调查清单分析、影响评价和改善评价四个主要部分。确定范围是识别评价目标,决定适当的研究范围的过程,调查清单分析是计算一个特定产品、过程或产业从原材料开采到最终产品所需要的资源,影响评价把调查清单项目与环境联系起来,评估对环境的影响与危害,改善评价就是调整生命周期中的一些方面减轻对环境的危害以获得最大的环境收益。

然而,目前由于该方法在技术运用中出现了一些问题,例如,缺乏足够的调查清单、难于确定系统界限、不同的基本假设和无法直接对比的影响评价等,而且对于一个特定的材料循环,没有明显逻辑上的起点和终点,确定调查边界的清单分析也主要依赖于主观判断,因此,该方法的可靠性引起了一些争议,但对产业实践者来说,却得到了越来越多的认同。

生命周期评价法的主要优点在于它提供了一个广泛的框架,它指导调查过程扩大范围,考虑可能先前被忽略的因素,作为管理工具提供了更多的知识,作为载体提供了更加全面的方法。

(2)　系统分析法

系统分析法是对系统组成之间的关系进行量化的数学模型,它建立在系统分析各组成成分关系的基础上。研究范围可大可小,从围绕一个制造厂到包括供应商、合作伙伴、顾客的产业链或一个很大的区域范围。系统分析法是单一计量单位的目标函数,目的是找出满足目标函数最大值(或最小值)的数学模型及其解决方案。因此,系统分析法是帮助决策者汇集所有要素解决单一目标的设计工具。例如,工厂在遵守污染排放规定范围内追求利益最大化(或生产成本最小化);公共事业在保持较高服务水平和较低的安全风险条件下追求最低成本和边际利润。当然,这种方法依然有待实践,因为对产业生态而言,最大的障碍在于在具体量化整体环境影响时,很难用单一变量或量度对环境系统进行定量分析,对多目标函数也比较难以同时优化选择。

生命周期评价法和系统分析方法具有同样的缺点:缺乏对比的统一基础,即物质消耗与能源消耗和对环境影响的统一度量。生命周期评价法无法应用于复杂问题(如技术替代),对资源和污染采用各自的分析方法使其结果可能无法直接对比;系统分析法可以得出最优节省成本的机会,但不能改善环境。

除上述两种研究方法外,其他方法也在产业生态学中得到了广泛应用,如投入产出法、可持续账户法、总成本评价法等。格雷等人对可持续账户做了大量研究,并提出了可持续账户的三种方法:自然清单账户、可持续成本计算和投入产出分析。为统一物质能量消耗和环境影响评价,近年来,国外把热力学熵和可用能(Exergy,也称有效能,是物质和能量的统一总称)的概念应用于产业生态学。Ayres等人基于热力学中的可用能的概念,提出一个更加完整的“资源和废物账户”,为生命周期评价研究提供了统一基础。“可用能”以模拟方式把赫兹的热力学能量守恒第一、第二定律与吉布斯自由能定律结合起来,是一个系统在理想条件下进行运作的热力学容量。由于所有的工业生产过程和物质流、能量流均可以用具体的“可用能”进行模型化,因此,热力学从理论上为生命周期评价和系统分析提供了一个共同的科学框架,使二者成为一个完整的工具。“可用能”的主要优点在于把三个不同的环境(大气、海洋和地壳)用标准的化学“可用能”进行统一计算。Lloyd Connelly以“可用能”为基础,把消费过程分解为两个独立的可量化的现象:循环和降解,加强了对产业生态代谢的研究。