基于多区域投入产出模型的国际贸易隐含水体氮排放转移研究

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　　摘要 经济全球化进程的加快是贸易隐含污染物排放转移的主要驱动因素，近年来氮足迹与全球氮循环问题日益引发关注，水体氮是氮的主要存在形式，主要來自于种植业、畜禽养殖业、氮肥生产以及城市生活污水排放。本研究利用全球污染排放数据库，基于2015年的全球投入产出模型，从污染转移总量以及贸易流污染排放强度两方面计算了国际贸易对全球水体中的氮排放格局的影响。主要结论：①水体氮排放量的转移方向与大小与区域距离的远近、农业资源的丰富程度以及经济发达程度有关。水体氮排放转移量较大的贸易流大部分为经济较发达的区域向经济次发达区域的污染转移，一些农业资源禀赋程度相似、区域距离较远的区域污染转移量一般较小。一个国家向经济发展程度比自己低的区域出口的产品流隐含的污染强度低，向比自己经济发展程度高的区域出口的产品污染强度高。建议通过农机具援助、技术培训等方式，加快对非洲、亚洲等区域的农业技术转移和扩散，帮助农业生产欠发达地区提高农业生产力和管理水平，降低欠发达地区向发达地区出口的贸易流中的污染强度。②2015年，中国贸易隐含的水体氦污染净进口量为16万t.占到全球水体氮进口的2.72%，谷物进口大幅增加是产生水体氮净进口的重要原因。大幅增加的进口以及过高的粮食库存不仅给世界带来资源环境压力，也进一步加剧了本国的资源环境压力，因此不仅应从产量上关注粮食安全，还要从生态安全的角度调整粮食供给结构、种植结构和进出口结构，最大限度的降低因农业生产带来的资源环境压力。
　　关键词 国际贸易;水体氮;隐含排放;排放转移;全球环境投入产出模型
　　中图分类号X32文献标识码A 文章编号1002 - 2104（2019） 01 - 0160 - 08 D01：10.12062/cpre.20180922
　　近年来，氮足迹及其对环境和健康的影响逐渐引起了学者的关注。氮元素最主要的形态有氨气、氮氧化物以及水体中的有机氮、无机氮以及硝态氮。其中，水体氮约占到不同形式的人工氮排放量的45%，主要来自于种植业、畜禽养殖业、氮肥生产以及城市生活污水排放，水体中过量的氮会对水生生态系统和人体健康构成潜在威胁。近年来，对外贸易隐含的环境影响是贸易与环境关系研究中关注的热点问题。从消费者需求视角核算全球贸易隐含的污染排放和转移，对于认识贸易对环境污染的影响、划分减排责任，以及为有关部门制定正确的外贸政策、优化外贸结构、提高外贸质量，促进经济又好又快发展有重要意义。
　　1 文献综述
　　在研究方法上，有研究在核算单位产品产值或产量的资源消耗基础上，测算主要的农产品（如谷物、大豆、棉花等）进出口贸易所对应的水、土地等资源消耗量，此类测算方法没有考虑不同行业之间的关联性，如农产品也是国民经济其它行业的中间投入品，农副、纺织等行业的产品进出口贸易也会引起农业资源利用格局的改变。而投入产出模型可以较好的揭示出行业间的关联性，扩展的多区域环境投入产出模型可以用来分析某一行业产品的进出口对本行业以及其他行业产品产出、资源消耗以及环境压力的影响。
　　从研究内容上，以往研究较多关注贸易对碳排放、水资源消耗格局以及生物多样性的影响以及各国的责任划分。近年来，由于氮的环境影响随着贸易全球化程度的加深而加大，全球贸易对氮排放的影响也逐渐引起学者重视。有研究从消费需求的视角进行分析，认为一些出口氮污染排放较多产品的国家为进口这类型产品的国家承担了环境成本。如Burke et al.研究了肉类的生产、消费及其在不同国家之间的贸易往来隐含的氮排放，发现美国有50%以上的隐含氮排放来自于向中国、日本、欧盟的出口。Lassaletta et al.发现近年来全球贸易中隐含的氮排放呈迅速上升趋势。
　　从研究视角上，以往研究仅从总量上测算了各国家和区域的贸易中氮排放转移量，本研究基于全球环境投入产出模型，不仅从总量上对全球贸易引起的水体氮转移量进行了测算，分析了各国和各区域水体氮的进出口情况，而且比较了双边国际贸易流中隐含的水体氮污染排放强度的差异，发现一个国家或区域向经济水平较低的国家或区域出口的产品流隐含的污染强度低，向比自己经济发展程度高的区域出口的产品污染强度高。
　　2 模型和数据来源
　　2.1 多区域投入产出模型
　　投入产出表反映某一时间内各产品（或部门）间投入与产出的内在关联。多区域投入产出表可以反映不同国家（区域）、不同部门之间投入和产出的内在关联性。多区域环境投入产出模型是目前最常用的消费者视角环境会计核算工具以及衡量国际贸易的环境影响的主要工具。多区域投入产出的基本关系可表示为：
　　式中，m为国家或区域的数量，n表示某个区域或国家内划分的行业或产品个数，aij为在第s个国家或区域，生产单位产值的j产品所投入的r区域i产品的数量，x为第s区域j产业部门的产值，yi为r区域的i产品在s区域的最终消费。
　　用矩阵来表示：
　　X =AX+Y
　　（2）
　　将其变换为：
　　x=（I-A）-lY
　　（3）
　　其中，（I-A）-1为完全需求系数矩阵，即列昂惕夫逆矩阵。
　　为了分析在国际贸易中隐含的水体氮流动，水体氮的直接排放系数矩阵f以及消费者视角下不同区域不同部门的水体氮的排放量矩阵F：
　　F=f（l-A）-lY
　　（4）
　　式中，为n×n的对角矩阵，对角线上的元素fI为r地区i部门的单位产品产出的水体氮的排放强度，由r地区i部门的水体氮排放量除以r地区i部门的总产出得到。该公式表明了最终消费与由最终消费引起的相应的水体氮排放量的量化关系。该矩阵从行方向来看，表示各区域和各行业对第r地区i部门的水体氮排放量的贡献，从列向来看，表示s地区j部门的生产造成其它区域其它部门的水体氮的排放量。
　　水体氮排放在不同国家不同部门之间的转移矩阵可表示成如下： 　　TF=F- FT（5）
　　A国向B国进口产品，B国因生产这些产品产生了污染排放，这种现象被称之为A国向B国进口了污染排放;反之，A国向B国出口农产品，A国产生了污染排放，这种现象被称之为A国向B国出口了污染排放。若A国进口的污染排放量多于出口的污染排放量，则A国为污染物进口国家，反之，被称为污染物出口国家。
　　2.2 数据来源
　　本研究所采用了Lenzen等人修正的多区域投入产出数据库，该数据库涵盖了188个国家26个行业部门的投入产出关系。该模型已广泛应用于国际贸易引起的污染物排放转移问题研究（见图1）。本研究根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第5次气候变化评估报告对全球区域的划分方法，将129个区域合并成10个区域进行展示，分别为北美、东南亚和太平洋群岛、东欧和独联体、东亚、拉美加勒比海地区、南亚、日澳新、撒哈拉以南非洲、西欧、中东和北非。
　　生产环节的水体氮排放主要来自农业生产、食品加工、纺织和服装等行业，目前可用于计算氮足迹的模型有N-calculator模型及投入产出模型等。其中N-calculator模型常用來计算国家人均氮足迹，数据来源于消费者一端，用活性氮总量分析计算，未对不同种类活性氮进行分类，因此不适用于水体氮排放量计算。而通过自上而下的多区域投入产出（MRIO）模型来计算各国的水体氮排放量，可以对满足消费者需求的整个供应链中直接或间接的水体氮排放进行全面评估。参考Oita等人的MRIO氮足迹计算方法对各国水体氮足迹进行计算，基于从粮农组织数据库（FAO网站）获取的农作物、肥料和畜禽粪便的相关数据，使用IPCC氮排放方程计算得到农业生产活动氮足迹。食品加工、纺织和服装等行业的水体氮排放量数据来源于Eora全球供应链数据库。在此基础上，利用2015年世界投入产出表来测算国际贸易引起的水体氮排放转移量及影响。IPCC氮排放方程公式如下：
　　Nwp=0.3×NferT+0.3×NsOIL+0.3×NpsTR+0.3×Nres
　　（6）
　　其中，Nwp为农业生产活动排放到水体中的氮总量;Nfet为每年施用到土壤中的有机氮肥总量（不含来自放牧牲畜的）;Nsoil为每年施用到土壤中的牲畜粪肥氮量;Npstr为放牧牲畜每年排泄在草场、牧场和围场上的尿液和粪便氮量;Nres为每年返回土壤中的作物残余物（地上部分和地下部分）中的氮量。
　　3 结果与讨论
　　3.1 国际贸易引起的各区域水体氮排放转移
　　2015年，全球水体氮的总排放量为9188. 80万t，其中70.42%的排放量来自农业生产活动。农业生产活动导致的水体氮排放量最高的国家是中国，占到了生产环节总排放量的24.6%。
　　单位农业产出的水体氮排放量在不同国家或区域间差异较大，这与农业生产的技术水平、管理水平、产品结构、产品附加值、相对价格等因素有关。总体来看，在农业生产率较低、生产的农产品附加值较低、污染防控能力较低、肥料养分利用率低的非洲国家和地区，单位农业产值的水体氮排放量较大，如坦桑尼亚、马里、中非共和国、南苏丹、尼日利亚、几内亚、苏丹、埃塞俄比亚等国的单位农业产值水体氮排放高于300kg Nwp/美元。在耕地资源有限、农产品相对价格和产品附值较高、污染控制水平较高、肥料养分利用率高的新加坡、韩国、以色列、日本和瑞士等国家单位农业产值的水体氮排放低于2 kg Nwp/美元。农业部门水体氮排放量居前7位的国家分别为中国、印度、美国、巴基斯坦、印度尼西亚、澳大利亚和墨西哥，在这7个国家中单位农业产值水体氮排放量最高的为巴基斯坦，为212.7kg Nwp/美元，最低的为印度尼西亚，单位农业产值水体氮排放量为9.6kg Nwp/美元，除了生产管理水平和污染控制水平外，种植结构的不同也是引起水体氮排放强度差异较大的原因，如巴基斯坦主要盛产单位面积化肥和农药施用量较高的果蔬作物，印度尼西亚则主要生产污染排放强度较小的油料作物。
　　经测算，2015年通过国际贸易引起的各区域间水体氮排放转移量为843.2万t，占到全球水体氮总排放量的9.2%。基于环境投入产出模型计算了两种视角下的全球各区域水体氮排放量，如表1所示。从水体氮直接排放量（即生产者视角）看，东亚、南亚、北美、拉美加勒比海以及撒哈拉以南非洲地区水体氮直接排放量相对较高，分别占全球排放量的23.1%、16.7%、12.1%、12.1%和10.6%，其他五个区域的水体氮直接排放量较低，合计占全球排放量的25.3%。根据水体氮完全排放量（即消费者视角）分析，东亚、南亚、北美、拉美加勒比海以及西欧等五个地区的水体氮完全排放量相对较高，分别为24.1%、15.3%、12.4%、11.2%和10.9%，其他五个区域的完全排放合计占全球排放量的26.1%。各区域之间的贸易带来的隐含排放导致了两种视角下水体氮排放量的差异，西欧、东亚、东欧和独联体、日澳新、北美、中东和北非六个区域为水体氮净进口国，撒哈拉以南非洲、南亚、拉美加勒比海、东南亚和太平洋群岛四个地区为水体氮净出口国，其中西欧和撒哈拉以南非洲分别为最大的水体氮净进口区域和净出口区域，而中东和北非地区的水体氮排放量的净转移量最小。
　　图2更加详细地展示了生产者和消费者视角下水体氮排放量随国际供应链在各区域之间的转移过程，可以更清晰的识别各区域间国际贸易对水体氮排放量转移的贡献，通过细化各区域之间的隐含氮排放转移过程可以识别规模较大的水体氮转移的贸易流。其中水体氮排放转移量最大的几组贸易流分别为：撒哈拉以南非洲分别向西欧、东欧和独联体、北美、日澳新的农产品出口（隐含水体氮排放86.77万t、37.97万t、24.63万t、23.48万t）;拉美加勒比海地区分别向西欧、北美的农产品出口（隐含水体氮排放39.63万t、26.09万t）;南亚向西欧、东亚的农产品出口（隐含水体氮排放36.25万t、24.35万t）;东南亚和太平洋群岛向东亚的农产品出口（隐含水体氮排放29.77万t）;中东和北非向西欧的农产品出口（隐含水体氮排放28.97万t）;北美向东亚的农产品出口（隐含水体氮排放24.88万t）。 　　水体氮排放转移量较大的贸易流大部分为经济较发达的区域向经济次发达区域的污染转移，水体氮排放量的转移方向与程度与区域距离的远近、农业资源的丰富程度以及经济发达程度有关。一些农业资源禀赋程度相似、区域距离较远的区域污染转移量一般较小，如东南亚和太平洋群岛与东欧和独联体两地区之间（0.66万t、2.83万t）、东南亚和太平洋群岛与拉美加勒比海地区之间（2.22万t、0.77万t）、南亚与拉美加勒比海地区之间（0.52万t、2.63万t）的污染转移量相对较小;经济发展水平较低的区域向经济水平较高的区域污染排放转移量较小，如南亚向其他各区域的水体氮转移量为13.46万t，占本地区水体氮完全排放总量的1.2%，撒哈拉以南非洲向其他区域的水体氮转移量为9.66万t，占本地区水体氮完全排放总量的1.7%;与此同时，经济发展水平较高的区域向经济水平较低的区域污染排放转移量明显更高，如各区域从撒哈拉以南非洲进口农产品，隐含水体氮排放转移量222. 11万t，占撒哈拉以南非洲水体氮直接排放量的28.1%，西欧和日澳新地区通过农产品进口分别向其他区域转移了水体氮完全排放量的33. 3%和32.5%;农业资源的丰富程度也同样影响着水体氮排放量的转移，如西欧、东亚地区由于耕地资源短缺，进口水体氮排放量较高。
　　为进一步探究各区域间农产品双边贸易流中的污染强度，发现发达经济体向次发达经济体的出口贸易流污染强度较低，而欠发达经济体向发达经济体的出口贸易流污染强度较高。对北美和其他區域间国际贸易中隐含的水体氮排放强度进行分析，如表2所示。北美从撒哈拉以南非洲进口农产品的贸易流污染强度最高，为223.89 kgNwp/t农产品，其次为南亚（117.87 kg Nwp/t农产品），从东南亚和太平洋群岛、欧洲、拉美加勒比海地区以及日澳新地区进口贸易流的污染强度较低;在北美出口贸易流中，污染强度最高的为出口到欧洲，36.65 kg Nwp/t农产品，对于南亚和撒哈拉以南非洲地区，污染强度相对出口到其他区域强度较低，而且远低于进口贸易流污染强度。整体上看，北美进口贸易流隐含的污染强度高于出口贸易流，说明其进口贸易中包含较多污染强度大的产品，而出口贸易流中清洁产品包含较多。贸易流污染强度的差异与农业生产力水平和生产效率有关，北美国家的生产力和管理水平较高，农业生产的单位污染物排放强度较低，而非洲和南亚等地区的农业生产以及管理水平相对落后，农业生产的单位污染物排放强度较高。另一方面，污染强度与农产品贸易结构也有关，北美主要输出污染排放强度较低的油料作物和粮食作物，而撒哈拉以南非洲、南亚、东亚、东南亚和太平洋群岛等地区的国家多输出污染排放强度较高的蔬菜和水果等农产品。
　　3.2 中国水体氮排放量进出口情况
　　水体氮排放量为净进口且居于前十位的国家和地区有日本、俄罗斯、德国、韩国、意大利、英国、荷兰、西班牙、中国香港与中国大陆（图3）。水体氮排放量为净出口且居于前十位的国家有巴基斯坦、澳大利亚、印度、坦桑尼亚、埃塞俄比亚、缅甸和加拿大。可以看出，污染转移量为正的多为农业资源相对短缺或经济较为发达的经济体，而污染物转移量为负的国家多为农业资源较为丰富的发展中国家，这些国家通过出口农产品排放了比本土实际需求更多的污染物（图3）。2015年，中国大陆的水体氮排放量为1685万t，其中由本国需求引起的水体氮排放量为1 607万t，由他国对中国的进口贸易引起的水体氮排放量有78万t。向中国进口水体氮排放的主要国家有日本、美国、韩国、德国和意大利，进口的水体氮排放量分别为8.89万t、8.69万t、4.66万t以及2.48万t（图4），中国大陆的水体氮排放量主要是由于这些国家的餐饮和住宿行业、食品和饮料制造行业、教育、卫生以及其他服务行业对中国农产品的需求引起（表3）。
　　中国通过最终需求导致的水体氮完全排放量为1701万t，其中向其他国家进口的水体氮排放量为94万t。中国进口量最多的前5个国家有缅甸、美国、巴基斯坦、印度以及澳大利亚（图4），进口量分别为10.73万t、10.26万t、8.80万t、5.16万t以及4.94万t。经行业关联度分析，水体氮的进口主要是由于建筑业、食品与饮料、农产品、纺织与服装等产品的消费需求所引起（表3）。2015年，中国的水体氮污染排放从2010年的净出口变为了净进口，逆差为16万t水体氮。近年来中国的谷物贸易逆差持续扩大（从2010年的9.6亿美元增加到了2014年的57.3亿美元）是水体氮排放由顺差转为逆差的重要原因。进一步分析发现，中国向其他区域进口的贸易流平均污染强度为9.06 kg水体氮/t农产品，要低于北美向其他区域进口的贸易流污染强度42.05 kg水体氮/t农产品，这主要是由于农产品进口结构差异造成的。中国向各区域进口的多是污染排放强度较低的油料作物和粮食作物，而北美进口的农产品中的林果产品比例较高。中国向其他区域出口的贸易流平均污染强度为34.94 kg水体氮/t农产品，高于进口贸易流的平均污染强度，原因在于中国主要进口污染程度较轻的油料和粮食作物，出口水体氮污染程度较重的水果和蔬菜作物。
　　4 总结
　　（1）基于全球多区域环境投入产出模型，分析了全球价值链中生产者、消费者视角下的水体氮污染排放贡献。研究发现，从生产者视角到消费者视角，西欧和东亚地区的水体氮排放量明显上升，而撒哈拉以南非洲、南亚的水体氮排放量出现明显下降。北美是主要的农产品出口国家之一，由于管理水平较高，出口贸易流污染排放强度较低，在维持一个较高的农产品贸易顺差的基础上，水体氮污染物进口量和出口量达到基本平衡状态。
　　（2）谷物进口大幅增加及农产品贸易逆差扩大使中国从水体氮净出口国变为净进口国。2015年，水体氮进口量最大的前五个国家为日本、俄罗斯、德国、韩国和意大利，占到全球水体氮进口量的47.9%，中国的水体氮污染排放从2010年的净出口变为了净进口，逆差为16万t水体氮，占到全球水体氮进口的2.72%，近年大豆、玉米、水稻等主要谷物进口大幅增加是导致这一现象的重要原因。中国的水体氮主要的出口区域分布在日本、美国、韩国、德国和意大利等东亚、欧洲以及北美国家，主要是由于这些国家和区域的餐饮和住宿行业、食品和饮料制造行业、教育、卫生以及其他服务行业的需求引起。主要的进口区域分布在缅甸、美国、巴基斯坦、印度以及澳大利亚等东南亚、北美、非洲、南亚国家，主要是由于中国的建筑业、食品与饮料、农产品、纺织与服装等产品需求所引起。
　　（3）农产品进出口结构失衡以及无效粮食产能增加加剧了国内的资源环境压力。值得注意的是，虽然中国成了水体氮净进口国，但国内环境压力并未因粮食大量进口而减轻，在进口大幅增加的同时，国内粮食库存不断增加，经计算，2015年无效的粮食产能导致的水体氮污染排放高达410.45万t，占到本土排放总量的24.4%。同时，中国主要出口蔬菜、水果等需要高量施氮的农产品，进口施氮量相对较少的粮食作物，进出口结构的不平衡进一步加剧了国内的资源环境压力。因此不仅应从产量上关注粮食安全，还要从生态安全的角度调整粮食供给结构、种植结构和进出口结构，最大限度地降低因无效的农业产能造成的资源环境压力。
　　（4）在农产品贸易中也存在发达经济体向欠发达经济体转移环境压力的现象。研究发现，发达地区倾向于将污染较重的农业产业通过国际贸易转移至其他区域，即通过进口污染较重的农产品来满足自身的生产和消费需求，如西欧向撒哈拉以南非洲地区以及拉美加勒比海地区进口农产品的贸易流中隐含排放最多，分别占到了国际贸易引起的水体氮排放量的10.4%以及4.8%。通过比较北美与其他地区的双边贸易流中的污染强度，发现北美向欠发达经济体进口的产品污染强度较高，而出口的产品隐含污染强度较低。可见，从贸易流隐含污染排放强度的角度，国际贸易也存在环境不公平现象。建议在加强农业对外贸易的同时，通过农机具援助、技术培训等方式，加快对非洲、亚洲等欠发达区域农业技术转移和扩散，帮助农业生产欠发达地区提高农业生产力和管理水平，降低单位农业产出的污染排放，维护贸易公平。
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