循环经济的自然科学基础理论

循环经济的自然科学基础理论段宁自可持续发展观点问世以来，人类消费的物质总量不但没有下降反而越来越大。全球环境资源面临的严峻形势，中国循环经济实践和社会科学理论的迅速进展，都日益突显了对循环经济自然科学基础理论的迫切需求。循环经济的自然科学基础理论要研究和解决的核心问题，包括（但不限于）作为一种经济它的物质基础结构与传统经济的差别在哪里、在物质消费和经济发展错综复杂的关系中，决定二者深层次内在联系的科学规律是什么，这些科学规律揭示了哪些形成循环经济的重要途径等等。本文着重从观点上和逻辑上讨论上述问题，尤其是构成循环经济的物质的运动形式和运动的物质主体，对一些关键性的科学规律进行探索并提炼出框架性的定理，但省略了它们的数学证明，用国内外的相关数据验证这些定理，以及解释这些科学规律的具体含义。一．循环经济唯一属性的辩识物质是经济的基础，任何形态的经济都必然建立在与其相应的物质基础上。人类的发展大体上讲经历了渔猎经济形态、农业经济形态和工业经济形态，每一种经济形态都是一个相当长的历史时期，这是因为奠定这一经济形态的特定物质从其形成和集聚、代谢路径和方向的稳定，直至代谢规模的出现和发展都需要很长的时期。从物质和物质代谢这一基础层面来看，人类任何一种经济形态的出现、发展和消亡有其自身的规律，既不可超越，也不可回避。1全球当前和未来的物质态势规定了循环经济是人类未来必然要发展的一种经济形态。长时期以来人类发展经济的物质基础没有改变，从大的方面来看其代谢方式也没有改变，唯一改变了的是代谢规模。由于人类的使用和排放，氮、磷、碳在生物地球化学循环中受到严重干扰，与自然量相比人类的排放量已经达到相当大的规模，据报道人类活动导致一些重金属的排放量已经大大超过自然交换量，铅300倍、锌38倍、锑23倍、镉20倍、铜14倍；上个世纪人类消费了1420亿吨石油、2650亿吨煤、7.6亿吨铅、4.8亿吨铜。有的专家估计，人类常用的19种矿产资源中，12种的耗竭期在30年之内，5种在10年之内。人类的经济必然并且应该不断发展，但前提是要解决好形成今后经济增长的物质基础的一系列问题。循环经济的内涵也应该从形成这种经济形态的物质基础这一深层次出发才能准确定义。这既要考虑循环经济的总体发展目的、它和其它事物都具备的共性、以及它要遵循的一般客观规律，还要考虑只有它才具有的特殊属性，即循环经济的唯一属性。后一点十分重要，因为只有准确识别循环经济的唯一属性，才能将它与其它事物区分开来。降低资源消费和减少污染产生，是循环经济的主要内容，但不是它的唯一属性，因为这二者也完全可用以定义清洁生产、可持续发展或者环境友好技术等等。道理其实很简单，汽车经济的物质基础是汽车、假日经济的物质基础是假日，这些大众语言虽然直白但抓住了各自经济现象的物质基础这一本质问题，而且符合特殊属性或唯一标识的原则。2循环经济的物质基础是循环利用的物质，换言之循环经济是建立在循环利用的物质这一物质基础上的经济形态，这是循环经济昀本质的属性，也是其唯一属性。考虑到物质由资源和环境两部分组成以及循环经济还需满足的共性要求，可以将其定义为：循环经济是以人类可持续发展为增长目的、以循环利用的资源和环境为物质基础，充分满足人类物质财富需求，生产者、消费者和分解者高效协调的经济形态。二．循环经济的物质基础传统上物质主要是指自然资源，包括土地资源、水资源、森林资源、矿产资源、能源资源等。循环经济的定义包含了对资源范畴的扩大，一是包括了循环再用的物质，二是包括了人工合成制造的物质。在形成循环经济的物质基础中，循环再用的自然资源将占到一个极其重要的位置。矿产资源如铁、铅、铜、锌等的循环再用在工业化国家已经得到普遍重视和推广应用，从这些国家的实践来看，废旧金属作为一种再生资源重新投入生产和消费过程，无论在技术上、经济上还是环境上都是可行的。非金属矿产资源的循环再用也在一些国家逐渐实施。办公大楼、桥梁等拆毁后将其建筑材料的非金属部分用作制造水泥的原材料，在德国和其它一些欧盟国家已经有较长历史。当前我国正处在加速城镇建设时期，工业厂房、民用住宅、道路桥梁的拆迁比比皆是。我国一些水泥企业自觉地搜集这些建筑物拆毁后遗留的废旧建材运回工厂制造水泥，收到了很好的效果。3人工合成制造的物质使人类看到了可持续发展的曙光。以人工制造的氢为能源，美国在加州建成的世界上第一条氢高速公路已经正式运行，风能在丹麦全国能源结构中已经上升到一个很大的比例。欧盟进行国际招标的项目包括了用生物质资源制造能源并以其为基础制造人工合成纤维和塑料的原材料，日本和中国的科学家利用微生物制造塑料的技术。环境是循环经济物质基础的另一个重要组成部分，事实上环境承载力日益短缺的严重性在形成循环经济理念的过程中起到了极为重要的推动作用。上个世纪70年代初DonellaH.Meadows等三人在其名著《增长的极限》一书中主要关心的问题是人类经济增长将会产生怎样的污染后果、以及怎样才能保证人类经济能够向所有的人提供充足的物质、同时又处在地球的极限内？20年后同样是这三位作者在其另一著作《超越极限》中给出的头三张图仍然分别是世界人口、工业产量和大气中二氧化碳浓度的变化趋势。可持续发展必须资源与环境并重，资源与环境同为循环经济物质基础，这已经成为国际共识。几十年来，两年出版一部的《世界资源报告》不但提供了全球范围内权威性的统计数据，而且在很大程度上代表了联合国、世界银行和国际著名学术机构的共同观点。研究历来《世界资源报告》观点走过的轨迹，不难看出国际机构对环境承载力的关注程度在不断上升。随着经济规模的持续增长和人类活动范围的不断扩大，我们在地球上的生存空间变小了，过去被认为是取之不尽用之不竭的环境承载力日益缺乏，环境越来越普遍地成为经济发展的4限制性因素，环境由传统经济学中的外生变量变成了今天经济分析中的内生变量。正因如此，一些有远见之明的发达国家多年以前就开始在国民经济帐户中设置了包括环境质量变化的卫星帐户，以便更加全面科学地评价本国经济发展的物质支出。环境问题对人类影响的深度和广度已经达到前所未有的程度。不计战争等因素，人类面临的昀大危机是全球气候变暖。人类排放的温室气体如二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物、全氟化碳、六氟化硫等是造成全球气候变暖的主要原因。主要科学研究成果包括：昀近100年是过去1000年中昀暖的，昀近20年是过去100年中昀暖的；温度的升高与CO2浓度的升高是同步的，昀近50年全球变暖主要由人类活动造成；冬季出现全球性的明显增温；全球降水在中高纬地区有所增加，非洲出现长期干旱等。全球变暖将直接导致严重而普遍的生态环境问题，其中有的生态环境问题事关人类生存与发展：自然植被的地理分布与物种组成可能发生明显的变化，冰川、冻土和雪可能减少；湖泊水源下降面积萎缩；海岸带和海洋生态系统受负面冲击；粮食产量明显下降、洪涝和干旱的频次和强度增加并使地表径流发生变化。环境的重要功能之一是资源的载体，作为一种物质，环境质量的循环再用是发展循环经济的重要内容。江苏、浙江、广东等省一直是我国水资源丰富的省份，但是近年来这几个省在出现严重电荒的同时，也饱受了水荒之苦。不是没有水资源，而是水质太差。严重和普遍的水污染导致这些地方许多城市、许多企业出现水质型缺水。云南5滇池的湖水几十年前还是二类水体，二类水体可用于集中式生活饮用水水源地一级保护区、以及珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵场等，但滇池的水现在早已污染成为五类水体，不能循环到原先的二类水体重新利用，由此导致的经济损失据估计达几百个亿，这还不包括原先二类水体水产资源的价值。我国经济长时期持续高速增长，各方面数据表明我国已进入工业化中期阶段，今后一段较长时期还将保持良好的增长势头。但是也要清醒地看到我们付出的代价是巨大的。去年我国GDP增长9.5%，但是工业二氧化碳排放量增长了14.7%。长期生活在超过三级标准的大气中人的身体会受到伤害，2003年国家掌握监测数据的340个城市中空气质量超过三级标准的有91个，达到26.8%，联合国环境署估计我国11个昀大的城市中，烟尘和细颗粒物每年使5万多人夭折、40万人感染慢性支气管炎，联合国开发署估计中国空气污染严重地区死于肺癌人数比空气良好地区高4.7~8.8倍。2003年全国主要水污染物COD超过环境容量68%，全国七大水系407个监测断面中一至三类的水仅占38.1%，劣五类的占29.7%，即近1/3的水连用于农业灌溉都不合格。三．物质代谢与经济增长之间的主要科学规律在关于人类物质代谢规模这个可持续发展的核心问题上，各国科学家进行了大量的研究。尽管一致的意见是要减降物质代谢总量，把它稳定在一个常数上，一部分研究人员甚至主张削减人类福利以缩小物质代谢规模，但数据一次次地证明人类物质代谢规模降不下来，人6类福利降不下来，长期以来理论观点与实际数据的明显矛盾启示着：必须对传统研究思路进行根本性调整，在观点上、理论上进行大胆创新，客观地直面数据和现实，科学地提出人类在这一重大问题上的正确发展方向。重点解决以下两个问题：一是，人类物质代谢规模总体上是将上升还是下降，对此起支配作用的科学规律是什么？二是，如果物质代谢规模的科学发展规律是随着经济上升而上升，有没有既不减降人类福利又使地球生物圈能可持续发展的途径？1．赶不上定理物质强度，即每单位经济产出（以货币表示）所消费的物质（以重量表示），直接和集中地反映了物质代谢和经济发展之间的关系，在循环经济的理论与实践中都具有十分重要的作用。关于物质强度的研究上个世纪Malenbaum为美国国家材料委员会准备的报告影响很大。Malenbaum把各个国家分成几个主要集团，分析了1951—1975年全球经济中12种金属物质强度的变化，并与美国对比，发现物质强度与GDP的关系呈倒U形曲线，由此他认为“人类、知识和期望”已经有效地使经济增长脱离了对大量消费原材料的依赖。环境Kuznets曲线已在包括中国在内的许多国家广泛应用，其基础正是上个世纪七十年代由Malenbaum、国际钢铁工业协会、Brooks和Andrews等关于物质强度的一系列富有成效的研究成果。结构调整也与物质强度密切相关。通过大幅度提高物质消费量小的行业经济产出的比例可以明显地降低国民经济中的物质强度，因此7经济学家和环境学家十分重视结构调整在降低物质强度中的重要作用。但是，如果降低物质强度主要依靠结构调整，是不能达到降低物质代谢总量的目标的。各国科学家对物质强度的研究逐渐集中在物质强度的变化速度与经济总量的变化速度之间的关系上。Femia、Hilsinki、陶在朴首先对二者关系进行了定量分析，陆钟武等人在研究经济增长过程中人均环境负荷变化规律时建立了单位GDP环境负荷下降率与人均GDP上升率之间的数量关系，提出了“穿越环境高山论。”这些成果为后续的研究提供了有利条件。物质代谢昀原始也昀重要的驱动力是人的本性：人类对美好生活的追求，在福利上趋向于无限扩大，在机理上先天为永远增长，而美好生活的相当一部分是由物质支撑的。可以用量化方法证明，从t1年到t2年，无论人类福利中非物质部分的比例增加到一个多大的数字，如果物质强度下降的速度赶上了人均经济总量上升的速度，t2年产生的人类福利中的物质部分与t1年相比必然下降，长时期的这种下降是违反了人类本性的。因此，从基本机理上讲，物质强度下降的速度赶不上人均GDP上升的速度。赶不上定理经济增长过程中物质消费所贡献的人均福利不受损害的充分条件是，物质强度下降的速度赶不上人均经济总量上升的速度。按2000年不变价格计算，从1980年到2003年，中国每万元GDP所消费的能源从4.3吨标煤下降到1.5吨标煤，即能源的物质强度下8降了65%，另一方面由于同一时期GDP从14047亿元上升到113845亿元，人口由98705万人上升到129227万人，即人均GDP增长了519%，能源物质强度下降的速度没有赶上GDP上升的速度，其净结果是从1980年到2003年，中国能源消费总量从60275万吨标煤上升到167800万吨标煤。中国是典型的发展中国家，在奠定其重化工基础