基于文獻計量分析的物質存量研究進展

楊東，黨夢園，韓峰，石峰

(齊魯工業大學(山東省科學院) 山東省科技發展戰略研究所，山東 濟南 250014)

物質資源多以住宅、基礎設施、消費產品、廢棄物等形式累積在人類社會經濟系統之中，支撐人類社會經濟活動的運行和發展[1-3]。伴隨著經濟快速發展，全球社會經濟系統中物質的累積量在20世紀增長了23倍，并于2010年達到7.92×1011t[4]。隨著城市化進程進一步加速，社會經濟系統中的物質累計量會持續增加。物質資源在滿足社會經濟發展需要的同時，也產生了大量的環境污染和溫室氣體排放，造成了嚴重的生態環境問題[5-6]。追蹤物質資源在社會經濟系統中的流動和分布，可以有效打開“黑箱”，明晰環境污染和溫室氣體產生的根源，從源頭找到減排的方向，輔助城市決策者進行管理決策，實現社會經濟系統可持續發展。

物質存量(material stock, MS)是指特定空間范圍內，按某一時點測度的物質積累量，可以反映人類社會的物質資源累積程度、流動趨勢和資源化潛力[7]。伴隨我國經濟發展進入中低速增長階段，社會逐步邁入存量經濟時代，物質存量的研究顯得尤為重要，近年來逐漸成為生態學、人文地理學、環境科學等多學科交叉的研究熱點[8-10]。目前有關物質存量的研究已逐漸成熟，但對該領域發展足跡的梳理性研究還較為缺乏。

為了解物質存量研究的現狀，本文采取文獻計量方法，借助CiteSpace和VOSviewer可視化分析軟件，對Web of Science(WOS)核心數據庫中收錄的物質存量研究相關文獻進行計量分析，挖掘物質存量研究歷程的知識結構、發展脈絡與研究進展，為物質存量的理論研究發展提供參考。

1 文獻計量分析

1.1 數據來源和方法

物質存量研究是社會經濟代謝分析的重要內容，早期的物質存量研究多包含在物質流研究之中。為避免遺漏相關文獻，本文選取 “material flow analysis OR substance flow analysis AND material stock”作為主題詞，在WOS核心數據庫中的子數據庫Science Citation Index-Expanded (SCI-E) (https://clarivate.com/webofsciencegroup/solutions/webofscience-scie/)和Social Sciences Citation Index (SSCI) (https://clarivate.com/webofsciencegroup/solutions/webofscience-ssci/)中進行聯合檢索，時間段選取1985年1月1日至2020年7月15日(檢索日期為2020年7月16日)，檢索條件不限制語言和文獻類型，共得到693篇文獻，經人工篩選并刪除與物質存量內容不相關文獻后，共得到476篇文獻。收集的文獻信息包括作者姓名、國家/地區、出版年、期刊、標題、關鍵詞、摘要和參考文獻等。

文獻計量分析是對某一特定領域發表的文獻進行定量分析的常用方法[11]，可以基于特定研究領域開展大量文獻統計與總結，辨識研究領域發展變化的全過程，進而可以預測該研究領域未來發展的趨勢，彌補了定性分析缺乏系統性和準確性的不足[12]。文獻計量分析還可以借助文獻包含的各種信息(如關鍵詞、參考文獻等)，能夠在最短的時間里系統地了解研究領域的有效信息，提高相關學者對文獻的利用率。CiteSpace和VOSviewer可視化分析軟件是文獻計量分析的常用工具，其中，CiteSpace是由美國德雷賽爾大學陳超美博士開發的引文網絡可視化工具，通過繪制聚類、時間線和時區視圖圖譜，動態識別共引聚類、關鍵節點和突現節點[13]，被廣泛應用于探究某一領域的研究熱點、研究前沿、知識基礎、主要作者和機構等；VOSviewer是荷蘭萊頓大學Van Eck N.J.與Waltman L.研發的可視化軟件，能夠繪制作者、引文、關鍵詞等共現圖譜，在聚類技術、圖譜繪制等可視化方面具有獨特優勢[14]。

1.2 文獻計量結果

1.2.1 文獻發表數量

如圖1(a)所示，物質存量研究文獻發表呈現出3個歷史發展時期。2000年以前是物質存量研究的萌芽期，文獻發表數量較少，研究內容多以輔助物質流量分析為主。2000—2010年是物質存量研究的初步發展期，物質存量研究逐漸受到了環境、生態和可持續發展領域學者的關注。2002年美國耶魯大學產業生態中心啟動了“Stocks and Flow(STAF)項目”，旨在識別全球關鍵金屬生命周期過程的存量與流量，該項目帶動了一系列存量研究的快速發展。2011年后物質存量研究進入高速發展期，不同領域的研究者進入該研究領域，存量研究也發展成為一項獨立于物質流量的多學科交叉研究，研究方法、研究對象和研究尺度等領域呈現全面爆發式的進展。

1.2.2 主要發表期刊

物質存量文獻發表的期刊相對集中，大多發表在少數環境科學和產業生態學主題期刊上。如圖1(b)所示，Resources, Conservation and Recycling (RCR)、Journal of Industrial Ecology (JIE)、Environmental Science & Technology (EST)和Journal of Cleaner Production (JCLP) 4個期刊的發文量占到物質存量研究的一半以上。這表明物質存量的研究仍比較“小眾”，在生態環境研究領域的關注度相對較低。

注：2020年發文量數據截止到2020年7月15日。圖1 物質存量研究論文發表數量和期刊分布Fig.1 Distribution of the number of published papers and journals on material stock research

1.2.3 高被引作者及其機構

本文列出了物質存量研究領域排名前14位的高被引作者及其所在的研究機構，具體見表1。耶魯大學的Graedel T.E.和挪威科技大學的Müller D.B.是物質存量研究領域目前被引次數排名前兩位的研究者，他們分別以美國和歐洲為主要研究區域開展了金屬存量和建筑存量研究，為物質存量研究奠定了重要的理論和方法基礎。物質存量研究的高被引作者和研究機構主要分布在美國、挪威、日本和中國。通過作者合作網絡分析可以發現(圖2)，高被引作者之間存在著廣泛的國際合作關系。

表1 高被引作者及其機構統計

圖2 作者合作網絡Fig.2 Author cooperation network

1.2.4 文獻共被引頻次分析

借助VOSviewer軟件進行文獻共被引分析，得到64篇物質存量領域的高被引參考文獻。如圖3所示，高被引文獻根據研究時間、研究對象和研究方法主要可以分為三個聚類：靜態金屬存量研究(紅色聚類)、動態金屬存量研究(藍色聚類)和建筑存量研究(綠色聚類)。

圖3 文獻共被引分析圖Fig.3 Cocitation reference analysis

靜態金屬存量研究大多出現在2009年以前，多以鋼鐵、銅和鋁等大宗金屬為研究對象，采用靜態的“自上而下”的方法開展了全球和國家等大空間尺度的金屬存量核算研究[15-17]，分析了大宗金屬在社會經濟系統中的代謝特征[18-20]。動態金屬存量研究主要出現在2009年以后，逐漸采用“自下而上”或“自下而上”和“自上而下”相結合的方法，重點針對國家、區域、城市等尺度社會經濟系統的金屬在用存量(in-use stock)開展動態研究，預測不同社會經濟發展情況下金屬在用存量的未來供需[21-22]，評估廢棄環節中金屬資源的回收潛力[23-24]。建筑存量研究則主要針對日本[25]、挪威[26]、荷蘭[27]、德國[28]、意大利[29]、奧地利[30]和中國[31]的部分城市和地區開展建筑及基礎設施物質存量分析，揭示建筑物質在城市中的時空動態分布及代謝規律。通過對以上高被引文獻分析可以發現，存量研究主要依托社會經濟統計數據和調研數據，采用“自下而上”或者“自上而下”的核算方法，揭示不同尺度的物質時空代謝規律，以此來提升和優化物質存量的代謝效率，實現資源物質的高效利用，避免環境問題的產生。金屬存量和建筑存量是物質存量研究的關注焦點和知識基礎，未來較長時間內也仍舊是存量研究關注的重點。

2 物質存量研究進展

2.1 研究主題方面

研究主題的分布及演化可以直觀體現出物質存量研究不同時期研究熱點的變化，關鍵詞正是論文研究主題的集中體現。本文針對物質存量文獻的關鍵詞開展計量分析，從物質存量研究的研究對象、研究方法和研究目的三個方面，來判斷物質存量研究主體的發展變化，尋找關鍵研究熱點。將數據導入到CiteSpace中，節點類型選擇關鍵詞(Keyword)，關鍵詞來源僅選擇作者關鍵詞(Author Keywords)，運行軟件，得到節點(Nodes)437個，連線(Links)1 195條，最后選擇時區視圖(Time zone)，得到了熱點關鍵詞時區視圖，如圖4所示。

圖4 關鍵詞時區圖Fig.4 Time zone view of keywords

通過熱點關鍵詞時區變化可以看出，物質存量研究主題可分為三個發展階段。早期，物質存量研究(stock)主要作為物質流(material flow analysis)和元素流(substance flow analysis)研究的組成部分而受到關注，研究對象也主要側重于銅(copper)、鋼(steel)和鋁(aluminum)等大宗金屬在工業代謝(industrial metabolism)、金屬循環(metal cycle)和資源管理(resource management)中的分析。中期，存量逐漸作為獨立的研究方向受到研究者的重視，理論研究不斷擴展，存量研究指標也不斷細化，物質強度(material intensity)和在用存量(in-use stock)成為新熱點。存量研究的對象也擴展到以建筑存量(building stock)、住宅存量(dwelling stock)和基礎設施(infrastructure)為主的城市代謝(urban metabolism)研究。“自下而上”(bottom-up approach)和動態物質流(dynamic material flow analysis)存量核算分析方法被引入到存量研究當中，建材(building material)的需求預測和拆除廢棄物(construction and demolition waste)的綜合利用也逐漸受到重視。近期，大量新的研究方法和手段，諸如生命周期評價(life cycle assessment)、解耦分析(decoupling)和情景分析(scenario analysis)被引入到物質存量研究當中，物質存量的研究范疇也擴展到了溫室氣體排放(greenhouse gas emission)、循環經濟(circular economy)、城市礦產(urban mining)、資源效率(resource efficiency)等可持續發展(sustainability)領域。物質存量研究主題逐步深入，呈現出“從宏觀到微觀、從存量核算到可持續發展分析、從發現現象到解決問題”的路徑。

2.2 研究方法方面

由關鍵詞歸納分析發現，物質存量的研究方法多依賴于物質流分析(material flow analysis)和元素流分析(substance flow analysis)方法，一般可以分為“自上而下”和“自下而上”兩類。

存量研究方法早期主要以傳統的“自上而下”的為主，該方法依賴經濟社會統計數據，主要應用于大尺度的社會經濟代謝和物質存量研究。Graedel等[18,32]基于STAF項目，提出了金屬物質存量代謝分析方法，核算了全球社會經濟系統中銅、鋅等金屬的存量、在用存量以及流量。以上研究為大尺度的社會經濟代謝和物質存量分析奠定了方法基礎，并帶動了大批類似的研究。Johnson等[33-34]以及Reck等[35]基于STFA分析框架，定量分析了國家和全球不同空間尺度銀和鉻以及鎳在社會經濟系統中的存量和代謝強度，為進一步分析資源、廢棄物管理和環境影響提供了信息基礎。以上研究多聚焦某一時間點上金屬物質在社會經濟領域和空間領域的靜態分布，無法刻畫物質存量在時間尺度上的動態變化特征。為提升物質存量時間尺度上的研究精度，Müller[27]提出了動態物質流分析方法，量化了1900—2100年荷蘭住宅建筑存量和流量的時間變化特征。動態物質流分析方法極大地推動了物質存量研究，為解析社會經濟系統物質存量動態特征，預測存量達峰，輔助決策奠定了堅實的方法基礎。Pauliuk等[36]基于動態物質流分析方法，針對挪威交通、建筑和工業三個行業開展研究，評估了提高材料利用效率等不同措施的減排潛力；Hu等[37]對北京市住宅建筑進行了動態分析，預測了未來廢物的產生量，并在此基礎上對北京市建筑拆除廢物管理提出了可行性的建議；Sartori等[38]探索了1900—2100年挪威住宅建筑新建、拆除和翻新活動引起的存量變化，得出未來建筑翻新很可能成為推動挪威住宅存量變化的主要活動。但“自上而下”的研究方法在城市、街區等中小尺度領域經常面臨數據不易獲取的難題，同時也難以精確刻畫物質存量的空間分布特征。

“自下而上”的方法多應用于中小尺度的存量研究，研究的精度相對較高，但是普遍需要消耗大量的時間和資源去獲取調研數據。為了降低數據獲取難度， Tanikawa等[39]以和歌山和伯明翰建筑為研究對象，利用空間遙感數據，提出了4D-GIS的物質存量分析模型，提升了存量分析研究的精度，降低了數據的獲取難度，并實現了物質存量分析的空間可視化，這為城市尺度的研究提出了新的思路。Kleemann等[40]結合GIS數據集，采用“自下而上”方法動態分析了維也納不同建筑類型中建筑材料存量及空間分布，為預測建筑行業拆除活動和二次資源的流動提供了基礎。為了解國家社會經濟代謝動態和物質平衡，Tanikawa等[25]利用GIS技術展示了1945—2010年日本47個縣的建筑和基礎設施存量的空間分布，提出采用“自下而上”方法結合GIS技術來研究社會存量是探索社會經濟代謝的重要研究方向。在以上研究方法的基礎上，研究者陸續開展了北京[41]、深圳[42]、萊茵[43]、上海[44]、齊克拉約[45]、帕多瓦[29]和歐登塞[46]等城市和地區的物質存量研究。伴隨新技術的發展，夜間燈光數據、無人機航拍數據、POI數據也逐步作為新的數據源被納入到物質存量研究之中。Hattori等[47]利用夜間燈光數據估算了2006年和2010年不同國家和地區建筑中在用鋼存量，彌補了一些國家或地區由于缺乏物質消費、貿易等統計數據而無法估算在用物質存量的不足；Wang等[48]針對深圳市龍屋村建筑，利用GIS技術和無人機航拍技術，對每一棟建筑拆除物進行分析，為加強城市廢棄物管理和降低城市更新的環境影響提供了更為詳細的信息；Mao等[49]利用GIS技術和POI數據，編制了北京市建筑材料存量數據庫，詳細描述了2018年北京市建成環境存量和其空間分布。新數據技術的應用為中大空間尺度上開展高精度的物質存量研究提供了可能。

2.3 研究目的

(1)盤點社會經濟發展的資源基礎，預測資源需求達峰

存量分析可以有效量化社會經濟系統中的物質資源存量以及時空變化特征，結合情景分析、解耦分析等方法，可以合理預測不同經濟發展情境下，社會經濟發展的資源需求量以及需求的峰值。Zeltner等[50]結合動態物質流分析和情景分析方法，分析了美國社會銅的存量及變化特征，預測了2100年美國社會對于銅的需求，并結合銅的供應現狀，提出未來必須提高對再生銅的回收效率；Pauliuk等[23]采用動態物質流分析方法，核算了中國1900—2009年鋼鐵存量，并以人均鋼鐵存量為主要指標，預測了2100年中國社會經濟系統中的鋼鐵在用存量以及需求量；Bergsdal等[26]基于挪威人均住宅面積的歷史數據，采用動態物質流分析方法，分析并預測了1900—2100年挪威住宅存量和建材的需求情況。

(2)追蹤社會經濟系統資源存量變化，輔助城市礦產開發

存量分析可以獲取物質在不同經濟系統中的分布，量化物質在廢棄物系統中的儲量，以此輔助城市礦產開發。Thiebaud等[51]采用動態物質流分析方法，研究了瑞士電子設備中銦、釹和金的存量，結合電子設備的壽命曲線，預測了電子廢棄物中金屬的存量，估算了以上金屬的回收情況；Wang等[52]采用動態物質流分析模型，分析和預測了2040年中國廢舊電視中金屬和塑料的物質存量，該結果為電視機行業廢物回收和管理相關決策者提供了決策基礎；Miatto等[29]采用“自下而上”的方法，核算了意大利中型城市帕多瓦1902—2007年的總建筑存量和建筑拆除廢物數量，探索了建筑廢物的開發潛力。

(3)解析資源代謝特征，降低環境污染排放

存量分析可以追蹤資源在社會經濟系統的存在變化，可以解析資源代謝的特征，明確環境污染排放的具體節點和排放量，進而采取相應措施，可以避免或者降低環境污染物的排放。Müller等[53]針對2008年全球基礎設施開展了存量研究，分析了建造、使用和廢物管理等不同階段的存量，估算了全生命周期的溫室氣體排放，同時參照當前技術水平，估算了2050年全球基礎設施建設中建材生產導致的溫室氣體排放；Krausmann等[54]將溫室氣體排放引入物質存量-流量分析框架中，分析預測了2018—2050年不同情境驅動下各國建筑、基礎設施以及機械產生的碳排放，結果發現各國實現2050年《巴黎氣候協定》目標的最大阻礙是建筑、基礎設施和機械存量的不斷增長。Watari等[55]結合動態物質流分析方法與情景分析方法，預測了不同場景下2050年全球電動汽車行業鋰資源的供需情況以及二氧化碳排放情況，提出提高廢棄鋰電池回收從長期來看十分重要，但近期需要更加綜合的策略來應對氣候變化；Bai等[56]采用“自下而上”的核算方法針對1997—2016年中國31個省的基礎設施存量以及隱含碳排放量開展了研究，結果發現不同省份應基于不同的資源特點和發展方向制定合適的基礎設施建設規劃以此降低資源能源消耗和二氧化碳排放。

3 結論和展望

本文采用文獻計量方法，對WOS核心數據庫中收錄的物質存量相關文獻進行了分析，從論文出版年、作者、機構、期刊以及參考文獻等角度闡明物質存量的研究概況，并從研究主題、研究方法和研究目的三大方面對現有研究進行全面梳理。研究發現，經過不斷發展，當前物質存量研究具有以下特點和趨勢：物質存量研究主題呈現出從單純的物質核算，到資源達峰、社會經濟代謝、溫室氣體減排和城市礦產開發等多研究主題交叉共融的趨勢；研究方法不斷豐富，實現了物質存量研究在時間和空間上的進一步延伸；研究對象不斷擴展，從早期側重于單一金屬的研究到現在涉及建筑、電子產品等更加綜合產品的研究；研究內容也逐漸從單純的理論探索走向實踐指導決策。

盡管物質存量研究已經取得了長足發展，但在數據獲取和決策服務支撐上仍存在較大不足，主要體現在：第一，關鍵數據的獲取和數據質量問題。存量研究依賴于大量精確、及時和本土化的數據支撐，但是諸如物質存量強度、物質壽命、物質在用存量等數據往往是缺乏的，且數據獲取費時費力。第二，物質存量研究的決策服務支撐能力亟待加強。物質存量研究的根本目的是輔助產業和政府進行相關決策，但目前存量研究仍以觀察追蹤物質資源在社會經濟系統中的變化、解析時空動態規律為主，對指導產業發展和政府決策的實踐性研究仍然缺乏。

為了彌補物質存量研究中的不足，未來的研究需要積極與其他學科融合發展，提高數據精度和強化決策服務支撐的能力。物質存量研究傳統的數據獲取和分析手段相對比較單一，伴隨著空間遙感技術、大數據技術等新技術方法的不斷發展，數據獲取的精度和廣度將不斷提升，物質存量研究亟待與之融合發展，以此提升研究的精確度。同時，物質存量研究應緊密跟蹤經濟社會發展，打通科研界、產業界和政府間的阻隔，使物質存量分析結果真正成為政府和產業發展的決策支撐。