國外物質流分析研究進展

徐 鶴，李 君，王絮絮

（南開大學環境科學與工程學院，天津300071）

國外物質流分析研究進展

徐 鶴，李 君，王絮絮

（南開大學環境科學與工程學院，天津300071）

回顧了國外物質流分析研究的起源和發展，并對其主流研究方法作一概述；探討了物質流分析研究框架及指標體系的發展及應用，對30余個國家的指標體系使用情況做一統計；總結了國外已研究物質流分析的主要國家物質流分析信息的應用情況；指出了國外物質流分析研究的不足之處。

物質流分析；分析方法；實踐應用；物質流信息用途；回顧

物質是社會存在的基礎，運動的物質主體及其運動的基本形式決定了社會經濟的發展方式和發展水平，物質代謝是自然界存在和發展的基本形式，也是人類與自然界交流的基本途徑。隨著人類社會的發展，物質代謝形式和規模也在不斷地發展。而人類活動產生的環境影響則在很大程度上取決于進入社會經濟系統的自然資源和物質的數量和質量，以及排放到環境中的廢棄物質的數量和質量。現在全世界越來越關注的環境問題，如全球變暖、沙漠化、臭氧層破壞等無不與物質的流動密切相關。而環境問題的根源是物質代謝的規模，代謝規模越大，人類對環境的擾動范圍和程度就越大，造成的環境損害也越大。可以說，社會經濟系統的物質吞吐量、物質的構成、排放方式和排放速率在一定程度上可以作為表征社會代謝的指標。

物質流分析是以質量守恒定律為基本研究原則，通過研究社會經濟系統的物質的輸入、貯存、分解、輸出之間的關系，提示一定區域內的物質流動特征和轉化效率，以便進行以物質為基礎的優化管理，為政策制定提供決策支持。

礦產資源的日益枯竭，人均占有資源降低以及越來越嚴格的環境保護標準和法規也日益成為物質流研究的主要推動力。就研究機構而言，歐盟委員會統計局（EUROSTAT）、世界資源研究所（WRI）、德國 Wuppertal研究所、耶魯大學主辦的產業生態學雜志（JIE）（Journal of Industrial Economy）等開展了許多關于物質流研究的卓有成效的工作，有力地推動了世界范圍內的物質流研究。

1 物質流分析的起源和發展

物質流分析從本質上來說，是物質循環理論的一個分支。物質流分析是從工業代謝基礎上逐步發展起來的，因此，物質流分析也借鑒了工業代謝研究的一些研究手段和工具，包括投入產出分析等。就工業代謝分析研究而言，最早是1968年Robert U.Ayres發表的“產業代謝”，從20世紀80年代起，Robert U.Ayres和Pete Baccini一起提出了工業代謝的隱喻，也就是從這個時候起，開始出現了早期的物質流研究；在20世紀90年代初，奧地利、德國、日本等應用物質流分析方法對各自國家經濟系統的自然資源和物質的流動狀況進行了分析，但這一階段的物質流研究由于缺乏統一規范的研究技術方法，各個國家的物質流研究數據可比性較差；在1996年，歐盟委員會組建了“ConAccount”平臺，開始對物質流分析進行研究，而這成為了物質流分析國際合作的里程碑式的發展；從1997年開始，由WRI提供協助，美國、日本、奧地利、德國、荷蘭、巴西、委內瑞拉、玻利維亞、丹麥、波蘭、西班牙、瑞士、瑞典等國完成了國家層面的物質流研究；2001年，歐盟委員會統計局（EUROSTAT）出版了第一部經濟系統的物質流分析研究方法手冊，即“Economy-wide material flow accounts and derived indicators.A methodologicalguide”,歐盟導則發布以后，至今，絕大多數的物質流研究都是基于這個導則進行的，這個導則也成為了物質流研究領域最為重要的參考手冊，繼此之后，2007年歐盟委員會統計局（EUROSTAT）對研究方法手冊進行了發展，發布了經濟系統物質流賬戶編寫手冊，即Economy-wide Material Flow Accounting“A compilation guide”；2007年，耶魯大學的JIE雜志展開了關于城市物質流分析的專題研究，這進一步推動了物質流研究從國家層面向城市、區域層面的拓展。值的一提是，美國的Eric Rodenburg,荷蘭的 M.Bovenkerk和Rene Kleijn等無論是在理論研究還是在實踐應用方面都走在了前面，對物質流分析的研究作出了較大的貢獻。

2 物質流分析方法概述

物質流分析在不同層次水平上有不同的研究手段和工具。到目前為此，物質流分析的研究領域涵蓋了不同實體水平、不同系統邊界的資源和物質流分析，包括從整個社會經濟領域的物質流分析到特定元素或特定產品的投入產出分析。圖1是物質流分析在不同層次的分析工具,從圖1中可以看出經濟領域的物質流分析，在層次上，既包括整個社會經濟領域的物質流賬戶構建及結合環境賬戶的國家會計核算，包括行業或部門的、整個的投入產出分析表及特定元素的元素流分析，也包括企業或產品的生命周期分析等。他們之間的關系見圖1。

就已有的物質流研究中，應用的方法主要集中在總物質需求和輸出、實物投入產出表、物質流分析、生態足跡分析、生命周期評價、環境空間、單位服務的物質強度等，詳述如下。

2.1 總物質需求和輸出

總物質需求和輸出（Total Material Requirement and Output，TMRO）是一種物質流核算方法，能夠對國家經濟系統和環境系統的物質交換和積累進行量化研究。在最初的研究中，國家的總物質需求只考慮了從環境的獲取，并沒有完全接受物質平衡的概念。而在現在的研究中，有了更多的延伸，不僅包括了世界其他經濟體的物質輸出，也包含了向環境的排放，注重物質守衡原則。TMRO從整體的層面對經濟活動進行考量，涵蓋了國內資源開采、進口、國內物質排放、出口等指標，并綜合考慮物質的整個生命周期，融入了沒有直接經濟價值的“隱藏流”或“生態包袱”等指標。（具有代表性的例子：見Adriaanse，1997[1]；Matthews等，2000[2]）

2.2 實物投入產出表

實物投入產出表（Physical Input-Output Tables，PIOT）能夠進行國家層面的物質流分析，它是在常規的投入產出方法的基礎上，結合環境資源和廢物排放進行拓展得到的。PIOT方法能夠就經濟系統和自然環境系統的物質和產品進行度量，涵蓋了由經濟活動產生的與環境相關的絕大部分的物質（或元素、化學品等）流動。PIOT方法對自然資源怎么進入、怎么處理加工、怎么作為商品在經濟領域進行流通、消費并最終作為廢物排放到環境中這一整個過程進行跟蹤分析，并評估由此積累的環境負擔（包括直接或間接的影響）。（具有代表性的例子：Graedel，1998[3]；Stahmer等，1997[4]）

2.3 物質流分析

物質流分析（Substance Flow Analysis，SFA）是對預先設定的某一地理區域，在其眾多的相關代謝物質中，關注其中一種或幾種物質的組合，或者化學中元素的運動狀況，其中尤以元素流和化合物分析研究為多。已有的研究成果，主要集中在鉻、汞、鉛等重金屬，以及氮、磷、碳、水和氯化物等。（具有代表性例子：Voet，E.van der 1996）。瑞典的集中于核心物質研究的以物質為基礎的“物質通量分析方法”也可以考慮作為SFA方法的一種主要形式。（具有代表性例子：Baccini and Brunner 1991[5]）

2.4 生態足跡分析

生態足跡分析（Ecological Footprint Analysis，EFA）作為一個可持續發展的指標，是用來描述地球剩余自然容量能夠提供的資源與經濟發展的關系的，在數值上它可以考慮為地球陸地的總承載力。它顯示在現有技術條件下，指定的人口單位內（一個人、一個城市、一個國家或全人類）需要多少具備生態生產力的土地和水域，來生產所需資源和吸納所衍生的廢物。并將所需要的領域與區域、國家、全球的所有的生態生產力的地區進行比較，探討可持續性能力。現有的研究通常被限制在陸地區域的潛在的生態資源輸出上。（具有代表性的例子：Wackernagel and Rees，1996[6]）

2.5 生命周期評價

生命周期可通俗地理解為“從搖籃到墳墓”的整個過程。對于某個產品而言，就是從自然中來回到自然中去的全過程，也就是既包括制造產品所需要的原材料的采集、加工等生產過程，也包括產品貯存、運輸等流通過程，還包括產品的使用過程以及產品報廢或處置等廢棄物回到自然過程，這個過程構成了一個完整的產品生命周期。作為新的環境管理工具和預防性環境保護手段，生命周期評價（Life-Cycle Assessment，LCA）主要應用在通過確定和定量化研究能量和物質利用及廢棄物的環境排放來評估一種產品、工序和生產活動造成的環境負載；評價能源材料利用和廢棄物排放的影響以及評價環境改善的方法。（具有代表性的 例 子 ：Maclean and Lave，1998[7]，Saouter and Van Hoof，2002[8]）

3 物質流分析研究框架及指標體系的發展應用

從20世紀70年代起，國際上開展了對全社會經濟綜合物質流平衡核算的研究。并初步建立了核算指標體系，為描述整個社會經濟全部的物資和能源的活動提供了一個綜合的圖景。20世紀90年代起，奧地利、日本、荷蘭、德國、美國共同合作，發展并完善了物質流核算體系。1997年由世界資源研究所（WRI）牽頭，這些國家合作發表了《國家的重量》（The Weight of Nations）的研究報告，在這個研究報告中提出了直接物質輸入、國內過程輸出等一些用于表征一個國家實物流的指標。2001年由歐盟委員會統計局發表了關于物質流研究的“歐盟導則”，這個導則為歐盟成員國編制各國全經濟范圍的物資流的核算和綜合平衡，提出了總體框架和實際編制的指南，并提出了相對成熟的指標體系，既包括用于表征一個國家或地區全社會經濟范圍物資的輸入、消費、國內過程輸出等描述實物流的指標體系，也包括表征環境影響等的隱藏流等指標體系。從“歐盟導則”發布以后，世界上所有的關于物質流研究的總體框架和指標體系都是基于這個導則進行的。世界物質流分析的研究一般框架總體是按圖2進行的。

圖2 物質流研究的一般框架

據不完全統計，全世界將近30個國家已經計算或使用了上述經濟領域物質流指標中的一個或部分指標。這些指標大致描述了經濟領域的物質使用強度等情況，如資源生產率，生態效率等。大部分指標被用來跟蹤并監測物質使用的整體情況和趨勢，也有少數的國家計算并使用一些特定的指標去關注特定元素或物質（6個國家）、產品（兩個國家）或行業（7個國家）等的物質流動情況。從表2可以看出，基本的經濟領域物質流指標使用最多的是 DE，IMP，EXP，DMI，DMC，PTB等，有25個國家進行了計算和使用，TMR有12個國家進行了計算和使用，NAS有9個國家計算和使用，RME有2個國家計算和使用，而對于RMI，RMC，TMC，DMO，TMO，TDO等指標則很少有國家或沒有國家對其進行計算或使用。各種指標及其具體使用情況和計算方法見表2。

表1 基本的經濟領域物質流指標的使用情況概況

4 物質流分析的應用

MFA的研究通常分為3個層次——宏觀、中觀及微觀。宏觀層次指國家級的物質流核算NMFA（National Material Flow Accounting）；中觀層次指區域或城市的物質流核算LMFA（Local Material Flow Accounting），同時也指國家或行業特定元素或化學物質的物質流研究；微觀層次的物質流核算針對具體企業或者具體企業的特定產品進行研究，比較成熟的方法就是生命周期評價（LCA）。目前的研究大多集中在宏觀和微觀的MFA，完成國家級MFA研究的國家有澳大利亞、德國、奧地利、比利時-盧森堡、捷克、丹麥、芬蘭、法國、希臘、匈牙利、愛爾蘭、意大利、日本、韓國、荷蘭、挪威、波蘭、葡萄牙、斯諾伐克、瑞典、智利 、美國、中國、玻利維亞、哥倫比亞、巴西、委內瑞拉等。就應用情況而言，主要分為信息支持和跟蹤監視兩方面。信息支持方面包括政策分析、構建社會活動的全景圖、決策制定三部分；跟蹤監視方面包括物質使用的可持續性、廢物管理、資源使用效率、物質使用的環境影響、物質使用的生態影響、貿易影響、供給安全等部分。表2是物質流分析信息在一些國家的應用情況。

5 物質流分析的方法學評價及前景

由于經濟-環境系統是一個非常復雜的系統，涉及到方方面面，其行為很難通過建立模型進行分析并預測其變化的趨勢和結果。物質流分析則以物質的重量作為基本的單位，對經濟系統的物質輸入、輸出、貯存狀況進行分析。近年來，國際上的物質流研究更加強調了隱藏流的概念，并將環境影響一并納入分析研究中。物質流分析的核心是對社會經濟活動中物質流動進行定量分析，了解和掌握整個社會經濟體系中物質的流向、流量，并綜合考慮所帶來的資源消耗、污染排放等環境影響。其優點可以分為幾個方面：（1）MFA能夠提供整個經濟領域的代謝概況，并對其數量和結構的動態變化進行回顧性分析；（2）經濟領域物質流分析能夠通過一些指標，或者從輸出端（如排放量），或者從輸入端（如總物質需求），將經濟領域的經濟活動與環境影響聯系在一塊；（3）基于指標的輸入和輸出端的量化有助于對基本物質（包括能源消費）的總需求量進行理解和解釋；（4）近年來開展的城市物質流分析研究能夠更加客觀地評價區域物質經濟代謝狀況；（5）基于物質流分析信息的使用，能夠更好地為政策、決策的制定服務并對物質、能源、環境、安全等進行跟蹤監視，實時掌握社會-經濟-環境系統狀況；（6）物質流分析作為循環經濟研究的一個重要方向，資源再生率是研究中一個重要的指標。通過物質流分析，可以對一個區域的資源再生情況有一個詳細的了解，并將其反映在研究結果中，通過影響政策的制定進而促進資源的再生利用。

表2 物質流分析信息的應用

當然現在的物質流研究也有其不足之處，也是后面的研究需要加強的，主要體現在以下方面：（1）就整體而言，物質流分析研究或多或少存在統計數據的不完整，統計數據有效性不強，各國之間的數據及研究結果可比性較差；（2）因為各國的社會經濟水平發展不平衡，技術水平存在差異，所以各國的隱藏流系數應有所不同，然而現在大部分國家沒有自己的隱藏流系數，這方面的研究還有待加強；（3）在經濟領域物質流分析研究中，突出地體現在不能包括所有的物質流動；（4）對于區域物質流分析研究，還沒有像國家物質流分析研究類似的統一的研究框架，且指標體系也相對不完善，這也導致城市之間數據及研究結果可比性較差；（5）物質流分析信息的應用并不充分，且與其他的研究，如能流、信息流分析的整合性還有待加強。

[1] Adriaanse A，S Bringezu，A Hammond，etal.Resource flows：The material basis of industrial economies[M].Joint project with Wuppertal Institute，Netherlands MHSPE，andJapan’s NIES. World Resources Institute report.Washington，DC：World Resources Institute.1997.

[2]Matthews E，C Amann，S Bringezu，etal.The weight of nations：Material outflows from industrial economies[M].Washington，DC：World Resources Institute.2000.

[3]Graedel T E，B R Allenby.Industrial ecology and the automobile[M].Upper Saddle River，NJ：Prentice Hall.1998.

[4]Stahmer C，M Kuhn，N Braun.Physical input-output tablesforGermany[M].ReportpreparedforDG XI and Eurostat.Luxembourg：Eurostat Directorate B，Unit B6.1997.

[5] Baccini P，P Brunner.Metabolism of the anthroposphere[M].Berlin：Springer-Verlag.1991.

[6] Wackernagel M，W Rees.Our ecological footprint[M].Gabriola Island，BC：New Society Publishers.1996.

[7] Maclean H，L Lave.Life-cycle ofan automobile[J].Environmental Science and Technology ，1998，32(13)：322A-328A.

[8] Saouter R，G.van Hoof.A database for the life-cycle assessment of Proctor and Gamble laundry detergents[J].International Journal of Life Cycle Assessment，2002，7(2)：103-114.

Review of foreign material flow analysis

XU He，LI Jun，WANG Xuxu
（College of Environmental Science and Engineering，Nankai University，Tianjin 300071，China）

Comprehensively introduced the definition of MFA and fully reviews the history of MFA and discribes its theoretical fundamentals,main viewpoints,research routes and framework.The most widely used categories of indicators and the analytic methods by which they are employed in MFA are presented in detail and compared among most of the countries.Practical applications of MFA and related information have progressed in many countries,mainly in areas where the demand for information on resource and material flows is clearly identified and linked to specific policy questions and/or to associated indicator development,the paper analysizes main uses of MFA information in those countries and draws a table to describe the details.At last,the paper gives the strengths and limitations of MFA and the derived indicators.

material flow analysis;analytic methods;practical applications;uses of MFA information;review

X24

A

1674-0912（2010）02-0029-06

2009－12－21）

天津市科技計劃項目：低碳生態城規劃建設的關鍵技術及實證研究（09ZCGHHZ00700）

徐 鶴（1971-），男，博士，教授，研究方向：循環經濟與戰略環評等。