基于GIS的產業生態學研究述評

王 雪,施曉清

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049

基于GIS的產業生態學研究述評

王 雪1,2,施曉清1,*

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049

產業生態學由于缺少關于空間分析的工具,使得研究結果因缺乏空間維度信息而影響對管理效率和精準度的支持。基于GIS的產業生態學相關研究已成為產業生態學研究的一個新的方向。為總結已有的研究成果并展望未來的研究方向,運用文獻計量及對比分析的手段,系統分析了國內外基于GIS的產業生態學的相關研究進展,得出以下結論：當前基于GIS的產業生態研究主要集中在物質代謝、產業共生和生命周期評價3個方面,將GIS技術引入到物質代謝研究中,可以更好的展示物質代謝的時空分布格局,為物質代謝研究提供了一種新的方法;基于GIS技術,不僅可以更加高效地挖掘潛在的產業共生機會,還可應用于生態產業園的規劃管理如企業的選址、空間布局等以及廢棄物的回收再利用方面;將GIS與LCA耦合在一起,可以很好地補充、完善和管理傳統數據,有助于探索產品、活動或工藝的環境影響的空間特性以及進行土地利用相關的環境影響評價。另外,國內外研究的側重點也不盡相同。在物質代謝研究中,國內研究較少,僅在城市尺度上進行了基礎設施的物質代謝及其存量分析,國外在國家、城市尺度上研究了銅、鋅等金屬的物質代謝情況;在產業共生研究中,國內側重于生態產業園的研究,而國外側重于城市尺度的產業共生機會識別的研究;在LCA的研究中,國內開展了基于GIS的生命周期評價數據庫和產品材料信息管理系統的研究,而國外側重于進行區域化的生命周期評價、進行土地利用影響類型的相關評價以及污染物的追蹤,國內在該方面尚處于起步階段。國內外在研究方法上存在共性,都是基于GIS的空間分析方法、緩沖區分析方法以及數據庫技術等。未來將GIS作為一個平臺,面向產業轉型展開產業生態學綜合理論方法的研究,可以為產業的可持續性管理提供有效支持。

產業生態;地理信息系統;物質代謝;產業共生;生命周期評價

產業生態學是站在資源瓶頸和環境約束的角度審視人類生產活動與其依存的資源、環境之間關系的一門新興交叉學科,主要是研究企業行為、企業之間關聯、企業與其依存環境的關系,目的在于認識和優化這種關系,從而實現人類生產活動的高效性、穩定性和持續性[1]。當前產業生態學的研究熱點主要包括物質代謝、產業共生、生命周期評價、生態效率和工業過程優化等。產業生態學的諸多研究領域均涉及大量空間屬性數據的采集、處理和應用,例如物質存量的空間分布、生態產業園的空間規劃等。為了對大量具有空間內涵的地理數據進行科學高效地處理,就迫切需要充分利用近年來迅速發展的計算機和信息處理技術,為產業生態學的應用研究提供技術上的有效支持。

地理信息系統(GIS),是以采集、存儲、管理、分析、顯示和應用整個或部分地球表面與空間和地理分布有關的數據的通用技術[2],是融合計算機圖形和數據庫于一體,用來存儲和處理空間信息的高新技術。它把地理位置和相關屬性信息有機結合起來,滿足城市建設、企業管理、居民生活對空間信息的要求,并借助其獨有的空間分析功能和可視化表達功能,為相關政府部門行政管理提供更為精準的輔助決策[3]。GIS在生態環境領域的應用已經得到了迅猛的發展[4]。近年來,隨著GIS技術的快速發展,利用空間產業共生潛力分析和決策支持工具的開發開始成為新的研究熱點。在2015年的國際產業生態學大會上,Laurent Georgeault等指出雖然GIS在公司層面還沒有廣泛應用,但是早已引起了產業生態學界的興趣,同時將GIS引入到產業生態學的研究中來,也說明了空間問題的重要性[5]。將GIS引入到產業生態學的應用研究中,將會為這個復雜的多學科交叉領域帶來新的研究方法和應用前景。

1 文獻計量分析

產業生態學的研究對象可以分為產業系統、企業,產業過程,產品,廢棄物及產業服務等。在宏觀層面上,運用物質流分析方法研究生產系統的物質代謝過程,在中觀層面上,產業生態學則研究產業共生現象,在微觀層面上,產業生態學主要研究產品的生態設計,主要著眼于產品的生命周期管理[1]。

圖1 國內外基于GIS的產業生態學3個研究方面的文獻數量 Fig.1 The number of research literature of industrial ecology based on GIS

基于上述背景,本文在web of science核心合集以及中國知網中進行了文獻檢索。在Web of Science核心數據庫中檢索式為(“industrial ecology” OR “industrial symbiosis” OR “Eco-industrial park” OR “material metabolism” OR “LCA”)AND (“geographic information system” OR “GIS”),在中國知網中檢索式為SU=(′產業生態′+′產業共生′+′物質代謝′+′生命周期評價′+‘生態產業園’)AND AB=(′地理信息系統′+′GIS′)。通過對檢索到的文獻進行閱讀、歸納、整理,同時也對參考文獻進行了瀏覽分析,得出49篇文獻,結合產業生態學的研究對象,將其分為三大類,即宏觀層面上生產系統物質代謝、中觀層面上產業共生和微觀層面上生命周期評價研究。圖1顯示了3類國內外研究文獻數量。可看出,國內外基于GIS的產業生態學的研究以中觀層面的產業共生的研究多于其他兩類。

圖2展示了文獻數量隨時間的變化規律。可以看出,從2000年開始出現了基于GIS的產業生態學的研究,并且從2009年開始,研究數量逐漸增多。由此可以看出,將GIS引入到產業生態學的研究中,已經受到越來越多的重視。最早的基于GIS的產業生態學的研究是關于產業共生的研究,且研究的數量均大于其他研究;物質代謝研究開始于2009年,從2013年開始逐年增多;生命周期評價研究開始于2001年,每年平穩增長。

圖2 基于GIS的產業生態學相關領域研究的文獻數量Fig.2 The number of related research in the field of literature of industry ecology based on GIS

從總體來看,基于GIS的產業生態學的研究呈增加趨勢。但該研究的發展脈絡和趨勢尚缺乏系統的梳理,影響了研究的進一步發展。為此,本文進行了國內外文獻的分類比較分析,系統分析了已有的基于GIS的產業生態領域中的相關研究進展,從宏觀層面上生產系統物質代謝過程、中觀層面上產業共生和微觀層面上生命周期評價3個方面展開述評,并展望了未來研究的方向。

2 國內外研究進展

2.1 基于GIS技術的生產系統物質代謝研究

產業生態學目標是實現社會經濟系統物質和能量流動的最優化。在宏觀層面上產業生態學強調生產系統物質的代謝過程,即運用物質流分析方法定量刻畫生產系統的物質代謝過程[6]。物質流分析(MFA)是指在一定時空范圍內關于特定系統的物質流動和儲存的系統性分析[7]。通過物質流分析,可以對投入的物質進行全過程追蹤考察,準確掌握投入、輸出的物質量和廢物產生量,對調控經濟系統與生態環境間物質的流動方向和流量,達到提高資源利用效率,降低經濟發展對生態環境的影響的目的[8]。

物質流分析是物質代謝研究中運用最廣泛的方法之一,但也存在不足。傳統的物質流分析方法在反映空間特性及其差異方面具有局限性;當前的研究多基于社會經濟等統計數據,側重于分析物質代謝隨時間的演變特征,缺乏物質代謝過程和空間演變的特征分析,且統計數據具有不完整、有效性不強以及各國之間的數據結構可比性較差等缺點[9];從管理對策方面來看,大多數研究提出的政策建議地域針對性往往比較差。結合GIS,可以彌補傳統的物質代謝分析方法空間表達的不足,有助于更加系統的研究物質代謝在時間和空間上的演變規律。Laurent Georgeault等在2015年的國際產業生態學大會上提出了一個基于MFA和GIS的計算系統,可以系統的描述建筑材料的輸入和輸出,及其成為城市礦山的潛力[5]。表1總結了國內外相關研究成果。

表1 基于GIS的物質代謝研究

以GIS為工具,分析特定系統的物質代謝情況,國外研究較多,國內在這方面的研究尚處于起步階段,且集中于城市尺度。

2.2 基于GIS技術的產業共生研究

2000年Chertow提出產業共生的概念,“產業共生將傳統意義上分離的產業通過合作的方式聚集起來,這種包括物質、能量、水和副產品的互換的合作會產生競爭性優勢”[19]。產業共生,作為實現廢棄物資源化的創新途徑[20-21],以及推動經濟綠色增長和提高資源效率的戰略性工具[22],已受到越來越多的關注。目前,歐盟有關產業共生的政策已成為經濟與環境政策的重要組成部分,如在歐盟“引領資源效率倡議”中,將產業共生作為獲取資源效率的推薦性方法;“歐盟廢棄物框架指令”將英國的“國家產業共生項目”作為經典案例介紹給其他成員國[22]。

分析產業共生關系是一個系統工程,涉及企業空間位置信息、原材料與廢棄物的種類和數量信息、運輸路線的規劃、新引入企業的選址、廢棄物處理堆放場地的規劃和選址等。結合GIS強大的空間數據處理能力,根據特定區域產業共生的具體情況,可以為城市產業共生管理研究提供有效支持。

2.2.1 產業共生機會的識別

Matthew指出實現產業共生的困難就在于識別共生機會和鼓勵利益相關者的積極性[23]。在產業共生的研究中,GIS作為一個工具,可以通過對原有物質能量流動關系的研究,挖掘潛在的共生關系,科學的分析產業共生的機會,以減小經濟活動對環境的影響。研究方法主要是通過對區域背景(產業現狀、環境、政策等),現有產業布局,物質流、能流、副產品的循環再利用情況,基礎設施的布局與共享,以及土地利用與經濟活動的空間組織等的分析,挖掘潛在的共生關系。同時基于GIS強大的空間數據分析與作圖能力,使分析過程和結果更加形象化,方便交流,同時可以作為決策支持工具。Guillaume等在2009年國際產業生態學年會上匯報了其在瑞士日內瓦地區利用GIS技術進行產業共生關系識別的研究,并對其進行了空間分析。國外已有較多相關研究,國內尚處于起步階段,如表2所示。

表2 基于GIS的產業共生機會識別研究

2.2.2 生態產業園規劃研究

Denisse Navarro認為GIS是一個便利的工具,通過標出選定的產業的數據,可以觀察到當前已經存在的協同交換和新的協同共生的機會。這一方法同樣適用于其他國家和城市,也可以用于生態產業園的規劃中。

生態產業園即產業共生的一種具體的實現方式。Peddle MT在1993年提出產業實體的概念,與生態產業園有相似之處[33]。生態產業園不外乎就是各類企業受到經濟利益驅使,或者為了實現地區規定的減排目標等,在一定范圍內聚集,形成副產品交換網絡,并且維護該網絡物質流、能量流、資金流和信息流的運行。

近年來,隨著生態產業園的快速發展,一個普遍的問題日漸凸顯：盡管有規劃建設方案,但卻缺乏技術手段支撐規劃的順利實施。同一般企業選址一樣,工業園區企業的選址是投資性決策,其重要性遠遠高于一般的經營性決策[34]。利用GIS強大的空間數據分析能力對生態產業園進行合理規劃是很有必要的。在中國地理學會2006年學術年會上,王亞偉、錢瑜就提出了以GIS技術為支持,以突出環境效益,優化空間布局為側重點的生態工業園規劃思路[35]。具體研究情況如表3所示。

表3 基于GIS的生態產業園研究

2.2.3 固體廢棄物管理研究

廢棄物是放錯地方的資源,其產生是人類從事生產生活活動所不可避免的,廢棄物資源化已成為全球廢棄物管理的趨勢。再生資源產業在廢棄物資源化過程中承擔著重要作用,然而對發展循環型社會的貢獻依然有限,迫切需要建立更為有效的廢棄物資源化體系。

將固體廢棄物納入產業共生體系,已有學者對此展開研究。早在2000年,Chertow提出將生態產業園區與城市廢棄物聯系起來,通過物質交換實現零排放目標[19]。Lyons通過對德克薩斯州的廢棄物回收、資源化、再制造和處置企業的調查,研究這些企業能否成為產品生產與廢棄物之間的橋梁,結果顯示僅有少部分廢棄物通過該路徑被應用于再生產[42]。2009年Van Berkel等根據日本Eco-Town的發展經驗,提出了城市共生的概念[43]。Geng等認為城市共生可以創造更多的協同機會,可以提高整個城市的生態效率[44]。

地理信息系統強大的空間信息管理與分析功能如環境制圖、專題分析、統計分析表現、空間等值分析、模擬結果表現等[45- 47],使其在固體廢棄物管理規劃中亦得到了廣泛應用。國外研究人員在區域、城市等尺度上均進行了一些相關研究,主要研究內容包括通過GIS建立模型,為研究廢棄物的現狀以及循環利用情況提供支持。國內在這方面的研究尚欠缺(表4)。

表4 基于GIS的廢棄物資源化研究

2.3 基于GIS技術的生命周期評價研究

生命周期評價(life cycle assessment, LCA)是對產品、工藝或活動從“搖籃到墳墓”即從資源開采到最終處理的整個生命周期環境影響的一種評價方法。LCA的方法最突出的缺點就是其中時間和空間元素的缺乏,以及經濟與社會公平因素的缺失[52]。而GIS可以存儲觀測數據的具體地點,可以彌補傳統LCA的不足,為產品生命周期評價研究提供更加全面和準確的數據。Garofalo等在2014年的歐洲國際生物質會議上,提出將作物模擬模型和GIS耦合到LCA中,對谷物秸稈能源轉換過程中的能源需求以及溫室氣體排放效應進行評估,在區域尺度上獲得了環境影響的精確的空間分布結果[53]。在2015年的環境保護信息國際聯合會議中,Mastrucci等以盧森堡為例,構建了基于GIS的城市建筑群生命周期評價框架,在城市尺度上從全生命周期角度評估了建筑物存量的環境影響[54]。

LCA在特征化因子的獲取、土地利用相關影響評價以及環境影響的空間特性等方面存在不足,國外研究主要集中在這些方面,國內研究包括數據庫的構建和環境影響的空間特性兩個方面。如表5所示。

表5 基于GIS的LCA研究

圖3 國內外文獻數量隨時間的而變化情況 Fig.3 The number of industrial ecology based on GIS literatures in different year

3 國內外研究比較

綜上所述,國內外研究在起步時間,研究規模,研究尺度,研究內容和方法等方面均有所不同。國內研究始于2006年,是從基于GIS的生態產業園規劃方面的研究開始的;國外研究開始較早,在2000年已出現第一篇相關文獻,是基于GIS的產業共生的研究。從圖3可以看出,從2008年以后,國內外文獻的變化趨勢大致相同,且近年來都呈增長趨勢,可見,基于 GIS研究產業生態仍將是今后研究的一個方向。

從研究規模上看,國內研究數量明顯少于國外。在研究尺度上(表6),國內研究側重于城市、生態產業園尺度,國外在國家、區域、城市尺度都有研究,區域、城市尺度居多。從研究內容上看,國內研究雖然在各個方面均有涉及,但集中于基于GIS的生態產業園的規劃研究,在產業共生機會識別的研究中幾乎處于空白狀態,在基于物質的共生機會的識別中,應更多借鑒國外的研究經驗;國外在物質代謝、產業共生機會識別、廢棄物循環利用和LCA方面的研究中,產業共生的研究最多;在基于GIS的LCA的研究中,在LCA的區域化研究方面,國外已做了一些研究,國內在該方面只提出一些理論框架,缺乏具體的研究。雖然國內外研究在以上方面存在諸多不同,但在研究方法上存在共性,即都用到了利用GIS收集和管理特定區域數據、GIS的空間分析、緩沖區分析、數據庫等基本功能。針對具體研究內容,國內外研究也都存在相應的不足,具體情況如表6所示。

表6 國內外研究比較

國內在基于GIS的物質代謝、產業共生、生命周期評價研究各個方面均有涉及,但由于起步晚,與國外研究相比,我國在3個方面的研究均存在差距,需要進一步開展研究,如：在LCA的研究中,國外根據不同的地理屬性,賦予不同的特征化因子,以便于獲得更加真實準確的評價結果的研究方法也是值得借鑒的。從整體來看,由于受到數據和信息的可用性和共享性以及開發語言等的限制,基于GIS的產業生態學的研究不夠全面,還需進一步的努力。

4 結論

本文通過上述基于GIS的產業生態學相關研究的梳理、分析和比較,得出了如下結論：

(1)將GIS技術引入到物質代謝研究中,可以更好的展示物質代謝的時空分布格局,為物質代謝的空間分析提供了一種新的方法。在研究方法上,國內外研究多采用GIS與自下而上的方法的結合,今后的研究可考慮將自上而下的方法結合進來,以便更好地完善數據。當前的研究多集中于資源物質的代謝情況,而從物質代謝的角度處理廢棄物問題的研究較少,將GIS和廢棄物代謝問題結合起來,可以作為未來研究的方向。

(2)基于GIS技術,不僅可以更加高效地挖掘潛在的產業共生機會,還可應用于生態產業園的規劃管理如企業的選址、空間布局等以及廢棄物的回收再利用方面。識別潛在的產業共生的機會,可以提高資源的利用效率以及減少廢棄物的產生。為了更加快捷方便的識別共生機會,可以借鑒國外在該方面的研究經驗,例如構建技術數據庫、空間數據庫、結合緩沖區分析等方法,另外基于GIS構建信息共享平臺是非常有必要的,國內在該方面的研究接近空白,應作為國內研究的一個重點。

(3)將GIS與LCA耦合在一起,可以很好地補充、完善和管理傳統數據,有助于探索產品、活動或工藝的環境影響的空間特性以及進行土地利用相關的環境影響評價。將空間屬性引入到LCA的研究中來,可以根據不同的地理屬性,賦予不同的特征化因子,使LCA的研究數據更加全面、準確,評價結果更加具有地域針對性,我國作為一個人口、地理環境和經濟發展水平相差巨大的國家,進行LCA的區域化研究是非常有必要的。

(4)將GIS作為產業生態學中空間分析的工具,不少學者已展開了研究。通過上述研究分析,不難發現,當前的研究多集中于GIS與物質代謝、產業共生或生命周期評價單獨耦合。未來將GIS作為一個平臺,面向產業轉型展開產業生態學綜合理論方法的研究,也會是一個新的重要方向。

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A review of industrial ecology based on GIS

WANG Xue1,2, SHI Xiaoqing1,*

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Because of the lack of spatial analysis tools, industrial ecology is limited in providing effective and accurate support for industrial management. By virtue of geographical information systems (GIS) technology, GIS-based industrial ecology has become a new research direction for industrial ecology. To summarize existing research and identify directions for future research, recent progress in GIS-based industrial ecology has been systematically reviewed in this paper by means of bibliometrics and comparative analysis, and the following conclusions were obtained. Substance metabolism, industrial symbiosis, and life cycle assessment (LCA) are three main aspects of GIS-based research of industrial ecology. With the introduction of GIS into the study of substance metabolism, the spatial and temporal distribution pattern of substance metabolism can be better demonstrated, providing a new method for substance metabolism. Based on GIS technology, potential industrial symbiotic opportunities could be increased, and the planning and administration of an eco-industrial park including the location, layout, and waste recycling of industries, could be optimized. Combining with GIS, LCA can help supplement, consummate, and manage the traditional data, which will be useful to explore the impacts of production and industrial activity on the environment, or to assess the influence of spatial features and land use on the environmental impact. However, the main emphasis of research undertaken locally and internationally on GIS-based industrial ecology differed. In the domestic research scenario, studies on substance metabolism are few, and these focused on the substance metabolism and inventory analysis of infrastructures at the city scale. Internationally, the research focus has been on the substance metabolism of metals such as copper, and zinc. In the case of industrial symbiosis, domestic research focuses on eco-industrial parks, while internationally, the focus is on the identification of the potential industrial symbiosis at the city scale. In case of LCA, domestic researches concentrate on the GIS-based LCA database and material information management system, while foreign researches focus on regionalization of LCA, assessing land use impact in LCA, and mapping the flows of pollutants. However, the commonality between the domestic and foreign research methods is centered on the spatial analysis, buffer analysis, and database technology. It is expected that GIS-based industrial ecology will provide effective support for industrial sustainability management.

industrial ecology; GIS; material metabolism; industrial symbiosis; LCA

國家自然科學基金資助項目(71373259)

2016- 06- 30;

2016- 10- 27

10.5846/stxb201606301326

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shixq@rcees.ac.cn

王雪,施曉清.基于GIS的產業生態學研究述評.生態學報,2017,37(4):1346- 1357.

Wang X, Shi X Q.A review of industrial ecology based on GIS.Acta Ecologica Sinica,2017,37(4):1346- 1357.