構建面向碳中和目標的物質流分析研究框架
——基于文獻計量視角

譚雪萍，耿 涌，宋曉倩，陳 偉

（1.中國礦業大學經濟管理學院，江蘇 徐州 221116；2.上海交通大學環境科學與工程學院，上海 200240；3.上海交通大學中國城市治理研究院，上海 200030；4.山東師范大學地理與環境學院，山東 濟南 250358）

當前，控制溫室氣體排放是全人類共同面臨的重大且緊迫的挑戰，碳中和（Carbon Neutrality）已成全球共識。根據Net Zero Tracker（2023），截至2023 年2 月9 日，全球已有超130 個經濟體通過國家法律修訂、政策宣示、國家領導公開承諾等方式正式宣布了碳中和目標，這些經濟體的溫室氣體排放量約占全球當前排放的近90%。其中，中國于2020 年9 月22 日提出“二氧化碳排放力爭在2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和”，隨后構建了碳達峰碳中和“1+N”政策體系，將應對氣候變化作為國家戰略，納入生態文明建設整體布局和經濟社會發展全局，把系統觀貫穿到碳達峰碳中和工作全過程。可見，碳中和是一場廣泛且深刻的經濟社會系統性變革。一方面世界經濟發展模式將從資源依賴型轉向技術依賴型；另一方面能源技術變革將驅動全球環境資源管理格局發生重大調整。因此，能源技術迭代下的環境資源管理問題將成為碳中和背景下的關鍵課題之一，有必要深入探究環境資源管理方法體系對碳中和目標的支撐路徑。

物質流分析（Material Flow Analysis，MFA）基于物質代謝視角，對特定物質在特定時空邊界內流動的源、路徑和匯進行追蹤，是資源管理、環境治理和可持續發展評價的系統性量化工具［1］。MFA 方法體系包括元素流分析（Substance Flow Analysis，SFA）和經濟系統物質流分析（Economy-wide Material Flow Analysis，EW-MFA），前者主要針對元素、化合物等特定物質，后者則關注混合物和大宗物資［2］。目前，國際MFA 研究正處于發展期（2000年至今）［3］，MFA 在產業生態學［4］、循環經濟［5］、磷資源［6］和稀土［7］等領域均有廣泛應用，為全球社會經濟系統的可持續發展作出重要貢獻。現有文獻回顧了MFA方法的發展歷程及在部分領域的研究進展［2-3，8-9］，但鮮有文獻對發展期的國際MFA研究進展和前沿方向進行系統梳理，也尚未探討國際MFA研究對碳中和目標的支撐路徑。鑒于此，為了提高MFA研究與碳中和路徑的契合度，本研究擬聚焦以下問題：①國際MFA研究在發展期的關鍵文獻和重要研究主題有哪些？②如何構建面向碳中和目標的MFA研究框架？③國際MFA應用研究對碳中和目標的支撐路徑有哪些？

1 碳中和與MFA的內涵關聯

碳中和是指在規定時期內人為溫室氣體排放量和人為清除量之間的“收支相抵”。狹義上指二氧化碳（CO2）凈零排放，廣義上指所有溫室氣體的凈零排放。碳中和的基本邏輯是“一減一增”，即通過減少“碳源”和增加“碳匯”，實現排放量與消減量的大致平衡。當前碳中和的主要實現路徑可劃分為5 類，即能源供給低碳化、能源消費電氣化、關鍵部門去碳化、技術創新零碳化、治理能力現代化［10］。其中，針對減少“碳源”的路徑主要有：①促進能源供給多元化，提高可再生能源發電占比。②提高能源消費部門（如交通、建筑、工業）的電氣化水平，提高能源效率，加大低碳燃料替代，推進轉型基礎設施建設。③促進重點部門減排，如制造工藝脫碳化，發展循環經濟。④減少農業直接溫室氣體排放。⑤革新技術，包括低碳、零碳和負碳技術。⑥利用政策工具激勵碳減排，如構建綠色金融體系，完善法律、標準和監管制度。增加“碳匯”的路徑一般包括兩種：一是通過碳捕集利用與封存（CCUS）等開展技術固碳；二是利用森林、草原、土地、濕地和海洋等實現生態固碳。

MFA 是物質循環理論的一個分支，可追溯到早期Ayres 等［11］提出的物質平衡概念和社會新陳代謝。“代謝”源于生物學，后發展為“社會經濟系統代謝”，即與生物體類似，各種社會經濟系統（如工業園區或城市）也需要從周圍環境獲取物質和能量來支撐其內部活動，同時向周邊環境排放廢物［12］。在量化社會經濟系統代謝過程方面，MFA 表現出獨特優勢，不僅可以核算各類物質（如元素、化合物、產品及其任意組合）在不同空間尺度下的存流量，還能評估物質代謝過程中的資源利用效率、環境影響及循環潛力，從而提升物質流管理績效，促進社會經濟系統可持續發展。在宏觀尺度上，MFA 可核算全球和國家經濟系統的物質需求總量、消耗強度和生產力等指標，從而評價全球和國家系統的可持續發展程度［2］。在中觀尺度上，MFA 可追蹤分析區域經濟系統內的資源利用和廢物排放情況，為城市管理提供決策支持［9］。在微觀尺度上，MFA 可核算工業園區、社區、企業和家庭的材料效率和廢物管理績效等［5］。

總體而言，碳中和與MFA 具有較強的內涵關聯性。首先，兩者均符合可持續發展觀。碳中和旨在通過技術革新和制度創新實現高能效和清潔能源結構，建立以低能耗、低污染為基礎的可持續發展模式，與資源使用效率以及環境保護密切相關。MFA 是以“系統論”和“物質守恒論”為基礎，跟蹤調查特定系統中的物質流動軌跡，評估物質使用效率、環境影響、資源需求和循環潛力，以及優化物質管理系統，從而實現提高資源利用效率、減少廢物排放量、推動經濟系統可持續發展的目的［13］。其次，MFA 可為碳中和實現路徑提供技術支撐。碳中和實現路徑主要包括重要部門“減碳增匯”與技術政策創新，涉及資源管理、環境治理、技術創新與可持續評價等諸多問題，依賴宏中微觀尺度下多主體的協同管理和多系統資源環境數據核算，具有高度復雜性。MFA 是一種系統性研究方法，可以打開各類物質在不同空間尺度下的系統代謝黑箱，準確核算不同技術情景下的資源需求與污染物排放量，并通過物質流分析指標體系對系統代謝效率、資源管理績效等進行評價，可為重要減碳部門的碳中和實現路徑提供有力支撐。

2 國際MFA研究進展與前沿綜述

2.1 數據來源與研究方法

本研究以Web of Science（WOS）核心數據庫（SCI 和SSCI）作為數據來源，對文獻進行高級檢索，檢索條件設置為TS=（‘material flow analysis’ OR ‘substance flow analysis’ OR ‘stock and flow’），并將文獻類型和語言類型精練為‘Article’和‘English’。檢索時段為MFA 研究的發展期2000—2022 年（檢索日期為2022 年8 月12 日）。通過對檢索結果進行去重、整理、刪除不相關條目，最終獲得2 148篇相關文獻。

鑒于CiteSpace（可視化文獻分析軟件）在處理具有多學科交叉特征的大基數文獻時具有獨特優勢，可以全面揭示重要研究主題、發展脈絡、熱點前沿及關鍵知識基礎等［14］，本研究首先使用CiteSpace 對共被引文獻和關鍵詞進行聚類分析，以識別國際MFA研究領域的重要知識基礎和研究主題。然后通過文獻研究法對MFA前沿應用研究進行文獻梳理和剖析，并提出針對性的分析框架。最后使用演繹歸納法，從系統性視角構建面向碳中和目標的MFA整合式研究框架，并對MFA的碳中和支撐路徑進行解析。

2.2 知識基礎與關鍵文獻

文獻共被引聚類分析可挖掘相似文獻的共同主題及重要文獻信息，凝練出本領域的重要知識基礎，是探究熱點形成原因及演變過程的重要工具［15］。高被引和高中心性文獻往往代表本領域具有影響力的概念、方法和理論［16］。表1為國際MFA的關鍵文獻及類群。

表1 共被引聚類及關鍵文獻列表

總體而言，國際MFA研究的關鍵文獻主要集中在3個文獻類群，即“資源管理（#0 resource management）”“環境核算（#4 environmental accounting）”和“指標（#7 indicators）”。其中，高被引文獻主要來自類群#0、#4和#7，而高中心性文獻多分布在類群#0和#4。首先，類群#0 涉及的關鍵文獻較多。其中，Graedel等［17］填補了產業生態學在理論和方法上的空白，為MFA的應用研究提供了關鍵概念、理論基礎和核算方法。Spatari等［18］開發了一個區域性的物質流模型，為MFA在金屬領域的應用提供了重要的研究框架。同年，van der Voet［19］在《產業生態學指導書》（A handbook of industrial ecology）中詳細介紹了SFA 的使用方法。此外，Gordon 等［20］運用自上而下的方法確定了全球銅循環的研磨和冶煉損失，為測算金屬資源的損失量及尾礦回收潛力提供了方法支撐。其次，在類群#4 的關鍵文獻中，Brunner等［21］編寫的《物質流分析操作手冊》（Practical handbook of material flow analysis）同時具備高被引和高中心性特征，該文獻詳細介紹了物質流分析軟件的使用過程，并列舉了14個關于環境管理、資源保護和廢物管理的典型案例，為MFA 在環境核算領域的應用提供了重要參考。作為高被引文獻，Bringezu 等［22］指出人類活動的環境績效在很大程度上取決于物質流的數量和質量，從而為MFA在環境績效評估方面的應用提供了理論支撐。在高中心性文獻中，歐盟［23］發布的《統計口袋書：歐盟能源與運輸數字（1970—1999）》（Statistical Pocketbook：EU Energy &Transport inFigures 1970—1999），匯集了歐洲能源行業和交通行業的所有統計數據，為MFA的環境核算應用提供了重要的數據基礎。最后，類群#7包括2篇關鍵文獻。其中，Binder等［24］提出帶有消費函數的動態物質流模型，并通過相關指標評價了發展中國家耐用品的代謝效率。另外，Müller等［25］構造了基于通用動態物質流分析模型的指標體系，為測算和評價材料代謝效率提供了有力的工具支撐。

2.3 重要研究主題及演變規律

關鍵詞是科技論文中表達主題概念的重要組成部分，能夠反映核心研究內容與主題。關鍵詞聚類時間線圖可以捕捉某一領域的重要研究主題及其演變規律［14］。圖1 展示了國際MFA 的12 個重要研究主題及其發展脈絡，可分為基礎研究和應用研究兩類。

圖1 關鍵詞聚類時間線圖

2.3.1 基礎研究主題

該類主題包括“產業生態學（#0 industrial ecology）”“物質流分析（#6 material flow analysis）”和“物質流管理（#8 material flow management）”，分別代表國際MFA 研究領域的理論基礎、方法體系和應用目的。MFA的理論與方法體系基本形成于2000年前。其中，產業生態學中的城市代謝和產業代謝是MFA 的理論基礎［26］，元素流分析框架和物質流賬戶體系則為MFA在不同尺度的應用提供了基本工具［27-28］。2007年，Binder［29］提出物質流管理概念，將社會科學建模方法（Social Sciences Modelling Approaches，SSMA）嵌入MFA 方法體系，為MFA 在環境資源管理領域的應用奠定了基礎，凸顯了MFA 的管理決策價值。主題#0覆蓋了EW-MFA 和SFA 在產業生態學的相關研究。隨著歐盟［30-31］在2001年出臺了標準化的EW-MFA編制方法導則，并相繼推出修訂版，國際上對于經濟系統全物質核算的方法框架已基本達成共識，MFA 研究逐漸從基于EWMFA的經濟系統全物質核算，轉向基于SFA的物質流動規律分析，并向更小的尺度拓展。主要研究內容包括：①追蹤材料和礦產資源在社會經濟系統的來源、去向和流動路徑［32］。②揭示物質對共享經濟等現代化生活生產方式的支撐作用［33］。③闡明有毒物質（如多溴聯苯醚和重金屬）在代謝過程中造成的環境問題［34］。④評估資源效率［35］、資源供需趨勢［36］和城市礦產開發潛力［37］。主題#6主要關注MFA 的方法改進［38］，如概率物質流分析、物質循環指標和基于廣義熵的物質流分析，并與生命周期評價、投入產出分析、情景分析、機器學習和貝葉斯-蒙特卡洛模擬等方法集成創新［39-40］。主題#8 探討了MFA 的管理應用場景，包括評估、規劃和優化資源管理系統［41］，量化生產、消費和回收等環節的環境影響［42］，控制和管理廢物回收質量［38］，評價資源管理系統的可持續性［43］。

2.3.2 應用研究主題

根據時間分片和持續時間，應用研究主題大致可分為過時應用主題和前沿應用主題。其中，過時應用主題的當前研究熱度較低，按出現順序排列，依次為“氮（#4 Nitrogen）”“塔拉戈納州（#9 Tarragona province）”“重金屬（#10 heavy metals）”和“合金元素（#7 alloying element）”。相反，前沿應用主題的當前研究熱度較高，按出現順序排列，依次為“城市固體廢物（#2 municipal solid waste）”“鐵（#1 iron）”“循環經濟（#3 circular economy）”“暴露（#5 exposure）”和“可再生能源（#11 renewable energy）”。總體來看，MFA 的研究對象逐漸從植物營養元素、重金屬和基礎金屬拓展到稀土、關鍵金屬和納米材料等。研究問題從簡單的物質流核算，演變為評估城市固體廢物的回收可行性、鋼鐵行業減排潛力、二次資源循環潛力與管理績效、有毒物質的環境暴露、可再生能源技術對金屬的影響以及可能的資源約束等。另外，從時間和空間邊界的角度來看，不同氣候政策和技術情景下的資源需求預測，以及基于全球范圍的資源跨國流動網絡與供應安全逐漸成為國際MFA的應用前沿。

在過時應用研究中，主題#4主要針對植物營養元素，通過將MFA 與投入產出法和生命周期評價相結合，核算城市與農業系統中的氮磷存流量及環境影響［44］。主題#9是MFA 在環境健康方面的應用，主要對西班牙塔拉戈納州垃圾焚燒產生的持久性有機污染物PCDD/Fs 進行流量核算和健康風險評估［45］。主題#10 形成于2002 年，源于耶魯大學工業生態學中心的STAF（Stock and Flow）項目，重點核算了銅、鋅、鉛、鎘、汞等重金屬的來源、代謝和損失，評估了重金屬導致的環境健康風險［46］。主題#7 起步較晚，將動態MFA 用于金屬材料領域。該主題集成了MFA、生命周期評價、人口平衡模型、空間計量等方法，重點研究了合金材料、鋼鐵、建筑材料和電子廢物等物質的存量分布和代謝效率［47］、動態回收策略及減排潛力［48］和不同資源政策情景下的存量預測等［49］。

在前沿應用研究中，主題#2形成時間早，是MFA的主流應用方向之一，主要運用MFA預測城市固體廢物（如電氣和電子設備、電池、電動汽車）的生成量［37］、測評回收管理的環境和經濟可行性［50］、評估城市固體廢物的管理績效并提出改進策略［51］。主題#1 形成于2002 年，主要測度了鋼鐵行業的廢物排放及減排效果［52］。從全球、國家和行業尺度探究鐵元素、鋼鐵、鐵礦石和相關金屬元素（如鉬、錳、鋅等）的存流量［53］、需求和驅動因素［54］，以及鐵資源的回收潛力［55］。主題#3將循環經濟原則納入城市復興和廢物管理框架中，不僅通過案例分析揭示了循環經濟中的產業共生管理模式［56］。還通過集成MFA、投入產出模型、社會網絡分析、生命周期評價、系統動力學等主流方法，分析資源的循環利用模式及經濟可行性［57］，測評資源循環潛力及對環境、經濟和資源的影響［58］，評價不同尺度下循環系統的效率和績效［59］。主題#5聚集了MFA在工程納米材料等有毒物質領域的應用，主要基于概率物質流分析法對有毒材料的環境暴露和健康風險進行建模和評估［60］，核算其存量、釋放流動態及回收流量［61］。評估其在不同情景下的環境風險［62］，并提出控制措施［63］。主題#11形成時間較晚，源于全球對關鍵礦產資源的高度關注。該主題聚焦了新能源技術所需關鍵礦產資源的物質代謝規律［64］及材料效率［35］。預測了清潔技術（如光伏［65］、風電［66］、電動汽車［67］）在不同減排目標情景下的關鍵礦產資源需求。評估了可再生能源技術產生的廢物流與環境影響［68］，以及從報廢鋰電池、光伏廢料、廢棄電氣電子設備等固體廢物中回收關鍵礦產資源的潛力和可行性［69］。

2.4 MFA前沿應用研究綜述

為了進一步明晰國際MFA在前沿領域的重要研究內容，本研究運用文獻研究法分別對5 個MFA 前沿應用主題的重要文獻進行梳理和剖析，并結合MFA 重要知識基礎和物質代謝過程，提出國際MFA 前沿應用研究的分析框架（圖2）。

圖2 MFA前沿應用研究的分析框架

2.4.1 “城市固體廢物”主題相關研究

城市固體廢物源于城市代謝，是指在城市建設、發展，以及居民生活過程中產生的固體廢物。具有數量多、成分復雜，處理難度較大，以及危害性和資源性共存等特點。隨著城鎮化進程的加速，城市固體廢物不斷增加，造成嚴重的環境污染和資源浪費，嚴重阻礙了城市系統的可持續發展。如何實現城市固體廢物的減量化、資源化和無害化處理一直是學術研究熱點。

MFA 可量化物質從開采、制造、消費到處置的全過程流動情況，被廣泛用于城市固體廢物的生成量預測、循環潛力與可行性評估、管理系統績效評價與優化。例如，部分學者運用MFA核算塑料包裝袋、冰箱、電視機、鋰電池、食物垃圾等物質的廢物流［70］，并估算全球城市固體廢物的生成量［71］。為服務于循環經濟政策，現有文獻也結合情景分析法對未來汽車報廢量、風電部門廢物量等進行預測［72］，并分析了技術轉型的影響［73］。針對城市固體廢物的資源性特點，有學者使用MFA 測度了鋰電池、嬰兒尿布、電熱水器等固體廢物的資源循環潛力［74］，并評估了各類城市固體廢物的回收可行性［75-76］。此外，部分文獻還通過集成MFA 與生命周期評價法，評估了回收城市固體廢物的資源、環境和經濟效益。例如，Van Eygen等［77］評估了回收比利時臺式電腦和筆記本電腦產生的資源節約效益。Lin等［78］評估了回收中國快遞包裝廢物產生的綜合環境效益。隨著城市固體廢物綜合管理應用的普及化，既有研究也通過MFA 構建材料效率指標，量化城市固體廢物的利用效率［79］，并結合生命周期評價綜合評估廢物處理系統的環境和經濟績效［80］，從而優化廢物管理系統［81］。

2.4.2 “鐵”主題相關研究

作為國民經濟發展的基礎性資源，鋼鐵工業對人類社會經濟系統具有重要的支撐作用，并且在生產、加工、制造、使用、回收利用等過程中有較大的環境影響。為了提高資源利用效率，減少對生態環境的影響，MFA 被大量用于鐵資源管理。總體來看，目前針對鐵資源物質流分析的應用研究較為豐富，多集中在國家、行業和企業層面，但在區域和城市層面的研究較少。

具體而言，既有研究主要將MFA 用于鋼鐵行業廢物排放及減排效果測度、鐵資源存流量及代謝效率核算、鐵資源需求量預測及回收潛力評估。例如，部分文獻核算了中國鋼鐵行業的二氧化碳排放量和廢水排放量［82］，并評估了鋼鐵行業和鋼鐵工業園區的減排效果［52］。針對鐵資源的物質流核算，Zhong 等［83］結合MFA 和復雜網絡理論，定量分析了國際鐵流特征及網絡結構演變規律。Pauliuk等［53］運用動態MFA估計約200個國家的鋼鐵在用庫存。Yellishetty 等［84］通過對比澳大利亞、巴西、中國和印度的鋼鐵物質流，發現澳大利亞和巴西的鐵礦石庫存將迅速耗盡。基于中國尺度，Zhao 等［54］使用MFA 和平均使用年限法分析了鐵的在用庫存及其驅動因素。Dai［85］則基于全經濟范圍的物質流賬戶和衍生指標，評估了河北省鋼鐵工業發展的規模、結構和運行效率等。此外，部分學者也測算了鐵資源的需求量及鋼鐵的循環潛力。例如，Wang 等［86］研究了中國建筑物的混凝土改造如何影響鋼鐵需求，認為到2050年，中國的鋼筋混凝土或鋼結構建筑將激發對黑色金屬的大量需求。Cooper 等［87］運用動態MFA 估計了美國在1880—2100 年的鋼鐵需求量、廢鋼生成量和最大回收量，并評估了用鋼鐵回收廢料取代進口鋼鐵的潛力。

2.4.3 “循環經濟”主題相關研究

循環經濟通過改造或調控現有的線性物質流動模式，以及提高資源與能源的利用和轉化效率，最終形成效率較高的物質循環模式。發展循環經濟是實現社會經濟可持續發展的重要途徑，如何量化不同尺度下各類循環經濟模式的環境經濟效益及材料效率是當前研究熱點。MFA 能夠量化人類經濟活動所造成的自然資源損耗和環境影響，評價或預警經濟活動當前或潛在的資源環境壓力，已被廣泛用于分析不同物質的循環利用模式及經濟可行性、測度物質的循環潛力及對環境和經濟的影響，以及評價不同尺度下循環經濟系統的效率與績效。

首先，針對不同物質的循環利用模式及經濟可行性，既有研究運用MFA 對從廢物中回收磷、關鍵金屬以及塑料等模式進行案例分析［88］，并結合生命周期成本評估法探討回收稀土氧化物、塑料以及關鍵礦產等資源的經濟可行性［89］。其次，考慮到部分廢物具有資源性特征，部分學者進一步運用MFA測算了報廢汽車、廢舊電池、廢舊電子電器等物質的廢物流及循環潛力，并評估了其對環境、經濟和資源的正向影響［37，90］。例如，Panchal 等［90］將MFA 與市場供應法相結合，測算了印度的電子廢物生成量，并根據廢棄電子設備中原材料類別對電子廢物的循環價值進行評估。Baars 等［91］運用MFA 估計了整個歐盟電動汽車電池中鈷的流量和需求量，認為通過循環經濟減少初級資源開采，可以應對電池快速增長導致的資源約束和供應鏈風險。最后，為了評價不同尺度下循環經濟系統的績效，有學者基于MFA 構建了材料效率評價指標體系。例如，在國家尺度上，Schmidt等［92］運用MFA 和生命周期評價對奧地利、德國和塞爾維亞的材料效率和環境影響進行測度，并構建了針對PET瓶廢物回收系統的材料效率評價指標。運用相同的方法，Meglin 等［93］在區域尺度上，運用若干環境和經濟指標對比分析了瑞士3 個州的建筑材料循環利用績效。Arain等［94］則在社區尺度上綜合分析了回收4種家用電器（洗衣機、冰箱、電視、風扇）的經濟和環境績效。在工業園區尺度上，Wen等［95］以中國蘇州新區印刷電路板行業為例，將MFA與資源生產率指標相結合，評價了工業共生系統對循環經濟的貢獻。

2.4.4 “暴露”主題相關研究

隨著工業材料的復雜化和人類健康意識的提高，醫療垃圾和工業危險固體廢物等有毒材料的處理和管理也逐漸得到學術界的關注，并成為國際MFA的新興應用主題。

第一類文獻側重于運用MFA 探究有毒材料（如工程納米材料、塑料、十溴二苯醚、重金屬、多溴二苯醚、農藥、溴化阻燃劑、氯化氫、化學品）的物質代謝規律。例如，Vyzinkarova 等［96］通過MFA 和情景分析，發現有毒物質五溴二苯醚商用混合物主要來自建筑材料，認為用于建筑的報廢塑料材料必須被分離和適當處理。Pivnenko 等［97］運用靜態和動態MFA評估了紙張回收材料中的化學污染物，包括雙酚A（BPA）、鄰苯二甲酸二（2-乙基）己酯（DEHP）和烴類礦物油（MOHs）。

另一類文獻側重于運用概率物質流分析（PMFA）評估有毒物質的環境暴露，并提出相關控制策略。PMFA 是一種有用的環境暴露評估工具，它可以將物質在其生命周期中的流動映射到環境中，同時考慮到與輸入數據相關的不確定性［38］。例如，為了評估普通消費產品中人造納米粒子的環境暴露，Royce 等［98］基于PMFA 和產品生命周期評價對人造納米粒子的環境和微環境水平建模，并開發出基于地理信息系統（GIS）的有毒暴露排序系統。考慮到納米材料的廣泛應用將對生態環境及人類健康造成潛在危害，Caballero-Guzman 等［99］采用PMFA 對納米二氧化鈦、納米氧化鋅、納米銀和碳納米管在瑞士回收系統中的流動規律進行模擬。Choi等［34］側重于核算汽車中多溴聯苯醚的物質流，并估算韓國汽車中多溴聯苯醚在生命周期中的排放量及環境暴露。Ding 等［62］則利用PMFA評估了納米銀在中國湖南的質量平衡和暴露情況。為了實現高效的污染物管理，通過整合貝葉斯網絡、蒙特卡洛模擬和MFA，Han等［100］系統分析了中國的磷流，并提出降低相關環境風險的建議。

2.4.5 “可再生能源”主題相關研究

為了應對氣候變化這一重大且緊迫的全球性挑戰，在碳中和目標驅動下，全球能源系統向清潔化、低碳化甚至無碳化發展已是大勢所趨，太陽能、風能、潮汐能等可再生能源已成為實現碳中和目標的第一大貢獻力量。然而，可再生能源技術嚴重依賴銅、鋰、鎳、鈷和稀土元素等關鍵礦產，其在不同減排情景下將對各類關鍵礦產資源的物質代謝規律產生顯著影響，甚至導致環境破壞［101］。

隨著澳大利亞、日本、歐盟和美國對關鍵礦產的關注度不斷提升，以及各國碳中和目標相繼提出，MFA 的關注對象逐漸從重金屬、大宗金屬和植物營養元素拓展到關鍵礦產資源。例如，基于不同空間尺度，部分學者運用MFA 核算了鎳、鈷、鉭、釹等關鍵礦產的存流量［102］，并評價了風電部門的材料效率［35］。此外，研究內容也從單一的物質流核算，拓展到不同技術和政策情景下的資源需求預測和關鍵礦產資源循環潛力測評。其中，基于MFA、情景分析和生命周期評價的組合式方法體系得到廣泛應用。

具體而言，對于資源需求預測，Watari等［103］基于存量-流量動力學和總材料需求概念構建了系統分析模型，對全球能源轉型下的礦物和能源資源流量進行測算，發現從2015—2050年，全球能源轉型可能使與礦物生產相關的總材料需求流量在電力行業增加約200%～900%，在運輸行業增加約350%～700%。在國家尺度上，Elshkaki［67］基于多層次動態MFA模型和9種情景假設，討論了電動車材料對共生材料和環境的影響，發現中國的電動車發展會顯著影響世界其他地區和部門的資源可用性。Ren 等［65］將動態MFA與情景分析相結合，對中國光伏產業的未來金屬需求進行估計，并評估其供應風險，認為在可再生能源發展的不同規劃層面均應考慮資源約束。為了探討中國風電產業到2050 年的金屬需求，Ren 等［66］集成了動態MFA 與探索性能源情景分析，評估了基礎金屬（銅、鋼、鋁、鎳）和稀土元素（釹和鏑）的需求量，發現在風電領域，銅和鎳的供應壓力較大，認為有必要通過回收提供二次資源。

此外，部分學者還對可再生能源技術產生的廢物生成量、環境影響及循環潛力進行研究。例如，Wang等［68］基于MFA 和44 種情景估算了中國光伏廢物在2020—2050 年的分布情況，發現從2040年起，廢物量幾乎等于光伏安裝的材料流入量，且高度集中在北方或西北地區。為了厘清全球貿易中的鎳流，并檢測遠離消費地的鎳礦開采造成的環境影響，Nakajima等［104］運用MFA核算了全球鎳流量，并使用全球鏈接投入產出模型分析了鎳消費和采礦相關的全球土地使用變化之間的聯系。對于廢物的資源循環潛力，Saidani等［105］運用MFA 量化了從歐洲催化轉化器中回收鉑資源的數量和損耗量。Ciacci 等［69］核算了歐盟28 國在2016 年的釹庫存和流量，發現如果將回收潛力轉化為實際能力，歐盟28 國每年大約有高達50%的釹需求可以通過國內二次供應來滿足。Yang等［48］采用自下而上的方法分析了2009—2019年中國3種電動汽車電池（鎳錳鈷鋰電池、磷酸鐵鋰電池和錳酸鋰電池）的金屬存量，重點評估了鎳、鈷、錳、鋰、銅、鋁、鐵7 種主要金屬在一次使用階段和二次使用階段的存量和回收潛力。

綜上所述，圖2顯示MFA的前沿應用研究具備以下特征：①MFA 的應用功能主要體現在3 個方面，即核算物質存流量、評估物質需求量及循環潛力、優化物質管理系統。②“環境核算”“指標”和“資源管理”三大文獻知識基礎為MFA 的前沿應用研究提供了理論與方法支撐。③物質代謝過程具有高度復雜性，涉及資源、產品、固體廢物、污染物和有毒物質等，與環境影響、資源需求、固體廢物循環利用等相關。MFA 與情景分析、生命周期評價等方法的集成應用已成主流趨勢。④從資源到產品的環節涉及污染物排放和資源約束問題，與前沿主題“鐵”和“可再生能源”相關。此類主題的主要研究目的是“減污降碳”和原生資源“減量化”。核心研究內容包括測算生產過程的環境影響，以及預測不同技術情景下的資源需求。⑤產品報廢后，部分物質直接流入自然圈，部分物質可通過循環經濟模式成為再生資源。此環節主要涉及前沿主題“城市固體廢物”“暴露”和“循環經濟。其中，城市固體廢物的“無害化”和“資源化”處理是此類主題的主要研究目的。關鍵研究問題包括：厘清各類城市固體廢物的物質代謝規律、測評城市固體廢物的循環潛力及可行性、評估有毒物質的環境暴露與健康風險、評價各類循環模式的運行績效，以及優化廢物管理系統。

3 面向碳中和目標的MFA 研究框架構建與展望

3.1 研究框架構建概況

碳中和目標背景下的全球環境資源管理面臨嚴峻挑戰。一方面衡量碳排放水平的量化指標具有較大不確定性，亟須開發標準化的溫室氣體核算工具；另一方面依賴于技術革新的能源轉型是碳中和的首要任務，然而能源轉型技術驅動下的資源消耗和環境影響尚不明確。MFA作為環境資源管理與可持續評價的標準化方法，不僅適用于多尺度系統的物質流核算，還可與產業生態學和產業經濟學的相關方法進行集成，對各類能源轉型技術變革下的資源需求與廢物循環利用潛力進行預測和評估，進而為政府、企業和個人的物質流管理決策提供依據。

鑒于碳中和與MFA 的內涵關聯，本研究在梳理國際MFA 研究主題及其研究進展的基礎上，將MFA 的基礎研究、應用研究與碳中和實現路徑進行整合，從系統性視角構建面向碳中和目標的MFA 整合式研究框架（以下簡稱“研究框架”）。如圖3所示，研究框架包括“理論與方法基礎”“應用研究范式”和“對碳中和目標的支撐路徑”三大模塊，呈現出“已經研究了什么”的全貌，并發現“在碳中和背景下還能研究什么”的潛在議題，以期聚焦碳中和戰略框架下的環境資源管理問題，拓展MFA 的應用廣度和深度，提升其對碳中和目標的支撐力度。

首先，“理論與方法基礎”模塊源于MFA 的三大基礎研究主題，即“產業生態學”“物質流分析”和“物質流管理”，可以從理論和方法兩方面支撐碳中和背景下的MFA應用研究。其中，“產業生態學”主題可為運用MFA 核算與評估社會經濟系統代謝過程提供理論依據”，物質流管理”主題則為MFA 在管理領域的應用提供理論基礎。“物質流分析”主題為MFA 提供針對不同空間尺度和代謝對象的單一式或組合式研究工具。

其次，“應用研究范式”模塊源于MFA 應用研究主題和主要內容，包括范式結構和范式要素兩部分，可為使用MFA 解決碳中和實踐管理問題提供研究思路和重要參考。具體而言，范式結構為“核算-評估-管理”，分別代表MFA 在應用研究中的三大功能，即核算物質存流量、評估物質循環潛力、提升物質管理效率。其中，核算是評估和管理的基礎，評估為管理提供決策依據，管理則通過信息反饋對核算和評估產生影響。范式要素涵蓋“代謝對象”“空間尺度”“應用誘因”“主要內容”和“應用目的”。其中，“代謝對象”要素主要包括元素、單一物質/化合物、產品、產品組合、全部物質/產品5 類。“空間尺度”要素主要有家庭/工廠、社區/園區、城市、省份、國家、全球6 類。“應用誘因”要素主要包括氣候變化、技術迭代、地緣政治、政策環境、市場需求和資源約束等。“主要內容”要素包括：①核算物質存流量、廢物生成量及環境影響。②評估物質代謝效率、未來需求、循環利用的可行性和環境經濟效益。③規劃和優化物質管理系統，測度管理系統的績效。“應用目的”要素則是通過“減量化”“無害化”和“資源化”實現社會經濟系統的可持續發展。

最后，“對碳中和目標的支撐路徑”模塊將國際MFA應用研究主題與重要部門的碳中和實現路徑進行關聯，明晰了MFA 對碳中和目標的支撐路徑和進一步研究方向。其中，碳中和目標的主要實現路徑包括2 個維度，分別是重要部門“減碳增匯”、技術與政策支持。前者是碳中和實現路徑主體，覆蓋4 類重要部門（能源生產部門、能源消費部門、工商業部門、農林業部門）及其關鍵碳中和路徑，即。①能源供應多元化、清潔化。②能源消費電氣化、高效化和清潔化。③工藝流程脫碳化、循環經濟普及化。④農業降碳與生態固碳。后者是前者的技術與政策保障，涵蓋低碳（如能效提升技術）、零碳（如可再生能源技術、零碳能源綜合利用服務技術）和負碳技術（如CCUS），以及氣候立法、碳交易機制、財政稅收金融政策支持體系、技術標準與監管制度等政策工具。基于上述“減碳增匯”主要路徑，4 類重要部門與國際MFA應用研究主題的關聯性表現為：①能源生產部門以能源轉型路徑為核心，與“可再生能源”主題緊密相關。②能源消費部門強調燃料替代和能源效率，主要與“可再生能源”“鐵”“重金屬”和“合金元素”主題相關。③工商業部門重視脫碳與循環經濟，涉及的關聯主題較多，包括“鐵”“城市固體廢物”“循環經濟”“暴露”和“塔拉戈納州”。④農林業部門關注農業減排，主要與主題“氮”相關。下文將結合技術與政策支持下的重要部門“減碳增匯”路徑，詳細解析MFA 對碳中和目標的支撐路徑與研究展望。

3.2 MFA對碳中和目標的支撐路徑解析與研究展望

碳中和本質上就是可持續的產業生態系統。MFA 在核算、評估和管理方面的功能，可為碳中和實現路徑的選擇和優化提供多尺度數據支持和決策參考。然而，當前國際MFA 的應用研究較為分散，與碳中和的契合度有待進一步提高。因此，為了明晰MFA 在碳中和領域的應用方向，本研究基于研究框架，進一步比照重要部門“減碳增匯”維度的碳中和實現路徑，分別解析MFA應用研究對4類重要部門的支撐路徑，并提出進一步研究建議。

3.2.1 針對能源生產部門

依賴于零碳技術的能源轉型是能源生產部門最關鍵的碳中和實現路徑，但面臨諸多挑戰，具體包括：①零碳技術的推廣會激化關鍵礦產資源的供需矛盾。例如，在風力發電機、太陽能電池板、電解儲氫、動力電池等低碳技術產品中，鋰、鈷、鎳、鎵、銦、稀土、鉑等金屬發揮了關鍵作用，被認為是支撐低碳產業發展不可或缺的物質基礎，但這些金屬存在突出的供應短缺風險。②全球能源低碳轉型將加劇區域性的生態環境污染。低碳能源技術的規模化應用能夠有效降低全球碳排放并改善生態環境。然而，關鍵金屬礦產的開采、冶煉、加工和制造會消耗大量能源，并造成“三廢”排放甚至是放射性污染，嚴重危及當地生態系統及居民健康。③全球能源低碳轉型將增加地緣政治風險，國際社會對關鍵金屬的惡性競爭將損害零碳技術的可行性。針對上述問題，MFA 可以就具體零碳技術預測相關資源需求量和廢物生成量，并結合生命周期評價對環境效應進行測算，最后從可持續發展角度綜合評估具體零碳技術的可行性。

與該路徑相關的MFA 研究主題是“可再生能源”，但現有文獻主要關注了風光電的金屬約束及部分關鍵礦產資源的物質代謝與需求，對其他可再生能源技術及其資源影響關注不足。未來研究方向包括：①綜合考慮風電、光伏、水電、核電等可再生與清潔能源技術，以及新型電力系統和新型基礎設施，在碳中和目標驅動下引發的資源約束和環境污染問題。例如，核算風電、光伏、水電、核電、新型電力系統與新型基礎設施所需金屬資源的存流量，并基于碳中和目標進行資源需求預測，動態評價各類金屬資源的關鍵性。②核算關鍵礦產資源的物質流和二次資源開發潛力。③評估處置報廢新能源設備與新型基礎設施的減排效應。④情景模擬可再生能源技術演變及國際貿易不確定性對金屬資源供需關系的影響。

3.2.2 針對能源消費部門

終端電氣化、高效化以及清潔化是能源消費部門減碳的重要路徑。MFA 對能源消費部門的支撐路徑包括：①核算各類電氣化輔助技術和能效提升技術所需資源在不同尺度下的存流量，并預測不同情景下的資源需求量及供應短缺風險。②基于宏觀尺度和中觀尺度核算各個系統的溫室氣體排放量及代謝效率，以識別和監控不同消費部門的重點排放源。與該路徑相關的MFA研究主題包括“鐵”“可再生能源”“合金元素”和“重金屬”，但既有研究與能源消費部門的關聯度較低，且研究對象較為分散。未來研究可以系統梳理能源消費部門在電氣化過程中使用的技術和產品，運用自下而上的物質流核算方式，對相關技術或產品的資源需求、能源消耗、污染物排放以及廢物生成量進行核算和預測，并開展動態監測和評價。

3.2.3 針對工商業部門

工藝脫碳和循環經濟模式是工商業部門減碳的關鍵路徑。MFA 對工商業部門的支撐路徑包括：①運用中微觀尺度的碳流核算與相關指標，綜合評價企業工藝脫碳效果。②循環經濟與城市固體廢物、垃圾處理、二次資源開發密切相關，研究尺度涵蓋國家、城市、工業園區、企業、家庭和產品。MFA 可以回溯各類固體廢物的產生源頭，精準推動綠色生產和生活方式，衡量固體廢物回收利用水平，保障重要資源可持續供給，追蹤固體廢物環境風險因子，促進環境政策協同增效。③綜合評價全球、國家、區域、城市、工業園區和企業的循環經濟績效，并提出優化建議。

與該路徑相關的MFA 研究主題主要包括“鐵”“城市固體廢物”“塔拉戈納州”“暴露”和“循環經濟”。其中“暴露”和“循環經濟”是MFA 的新興應用領域。關于“暴露”主題，現有文獻主要評估了部分化學品的環境暴露，但根據《減污降碳協同增效實施方案》等政策文件的指導意見，后續研究需要加強對水、氣、土、固體廢物等環境要素的關注。例如，開展高毒廢水致毒物質甄別，建立工業廢水中高致毒化學品清單，開展毒性物質來源追溯、代謝過程核算和末端綜合利用評價。評估各類工業固體廢物產生過程中的有毒暴露，以及各種廢舊物資、生活垃圾和醫療廢物處置過程中的環境暴露和健康風險。在“循環經濟”方向，學者們針對中國尺度的研究較為分散，需加強對循環經濟產業園區、大宗固體廢物、再生資源、生活垃圾等對象的關注。例如，對中國循環經濟產業園區的共生模式進行案例分析，評價其環境、經濟和社會效應；研究煤矸石、粉煤灰、尾礦、工業副產石膏、冶煉渣、建筑垃圾和農作物秸稈等7類大宗固體廢物的生成量、循環潛力以及環境經濟效應；評估廢鋼鐵、廢銅、廢鋁、廢鉛、廢鋅、廢紙、廢塑料、廢橡膠、廢玻璃等再生資源的開發潛力及其對資源供需關系的影響。針對生活垃圾，既有研究主要核算了家電和汽車的固體廢物生成量，未來可進一步探討其二次資源開發潛力及經濟環境效益，并加強對其他生活垃圾的關注。

3.2.4 針對農林業部門

農業降碳與生態固碳是農林業部門實現碳中和目標的重要路徑。MFA 對農林業部門的支撐路徑主要包括：①核算農林業系統中營養元素（如氮、磷、鉀）的代謝效率和循環潛力。②核算在一定時間范圍內，各個森林資源保護環節（如撫育、改造、伐木、打枝、造材、集材、裝車、運材、剩余物利用、跡地清理等）的物質流動及能源代謝，明確物質和能源的利用、存儲及轉化途徑，識別資源消耗及環境影響并給出優化方案，從而實現森林生態和經濟的雙重效益最大化。③評價農林業生態系統的可持續性。與該路徑相關的MFA 研究主題包括“氮”，但相關研究內容較單一。未來研究可以綜合集成MFA與產業生態學和產業經濟學領域的其他方法（如投入產出法、生命周期評價、生態足跡、網絡分析、一般均衡模型等），預測全球氣候變化、社會經濟發展、技術變革等長期變化對氮、磷、鉀等元素產生的供需擾動和代謝沖擊，評估植物營養元素、農藥等物質對農林業生態系統可持續性的不利影響。此外，還可以將MFA 拓展到生態系統保護與生態固碳效果評估中，為碳交易和氣候變化投融資等碳中和支持政策的完善與實施提供可靠的數據基礎。