3.2 物质代谢
“物质代谢”一词源于生命科学,1857年Moleschott在其出版的《生命的循环》一书中指出“生命是能源、物质与周围环境交换的代谢现象”。随着物质代谢理论的逐步完善,自20世纪60年代开始国内外学者开展针对经济发展与物质代谢的关系展开学术讨论和研究。1965年Wolman在物质代谢基础上提出了“城市代谢”概念,指出城市发展过程就是通过物质和能量的代谢不断向环境输出产品和废物的过程;1969年美国首次完成了国家层面物质代谢分析,指出经济系统物质代谢过程即为经济系统与自然环境资源和能源相互转化的过程;1989年Frosch提出“产业代谢”的概念,指出产业生产过程就是物质的输入消耗、系统存储以及以废物形式输出到自然环境的过程;产业代谢方法研究目前主要集中在美国、德国和世界资源研究所等机构提出的物质代谢领域。1998年王如松等提出工业代谢的概念,指出“工业代谢是模拟自然生态系统代谢功能的系统分析方法”,伴随着循环经济研究领域不断拓展;段宁等指出工业代谢过程伴随着产品代谢和废物代谢量两类代谢。综上所述,物质代谢可以理解为“系统与自然环境之间的资源和能源的输入、存储、输出的过程”。2010年国内学者傅泽强等从生物学、生态学、哲学以及生态经济系统的角度分别给出了物质代谢定义的不同诠释。由此可见,目前学术界尚未针对物质代谢提出统一的定义。但是,无论从哪种角度分析,从物质代谢理论提出的根本初衷及其应用来看,物质代谢以理解为“系统与自然环境之间的资源和能源的输入、存储、输出的过程”。物质代谢理论可为解决和评估经济发展与生态系统平衡问题提供理论基础和方法依据。
物质代谢理论涵盖了三方面核心要素,即代谢系统、代谢过程和代谢量。从系统边界大小可将代谢系统分为由全球和国家宏观尺度、区域或城市中观尺度以及企业或家庭微观尺度三类。受代谢数据可获得性影响,目前在前两个尺度研究相对较多,针对这些领域资源代谢、存储及不同区域的物质转移、资源代谢特征及其可持续性评估;如针对全球范围内的铜、铝、铁等金属代谢量以及存量评估,德国、奥地利、日本等国家层面特定物质代谢分析;欧洲各国陆续开展的铜、铅、锌等金属代谢分析;Ethan等通过完成全球25个经济发达城市物质代谢分析发现,城市物质代谢中能源代谢量和种类的变化促进了城市可持续发展的进程;Rosado等学者分别在对瑞典斯德哥尔摩、加拿大多伦多以及中国北京等城市开展近20年来的物质代谢研究,提出城市物质代谢特征、影响要素以及城市可持续发展的物质代谢建议;Agudelo⁃Vera等运用物质流核算分析方法提出了循环型城市发展的方案;Newman等运用物质代谢理论提出城市可持续发展内涵,应包括从自然系统输入到经济系统物质的可持续供给,还应包括经济系统输出到自然系统的废物的可代谢消纳;张蓓等提出物质代谢方法可用于循环经济指标体系研究,实现对区域层面循环经济绩效评估;陈跃等从环境管理角度指出未来物质代谢分析可称为发展循环经济实现环境有效管理的重要手段之一。目前针对企业和家庭层面的物质代谢研究相对较少,Wouter Biesiot等完成荷兰家庭物质代谢核算,指出物质代谢模式差异对物质代谢效率影响很大;刘晶茹等参照国外研究方法,完成了家庭水和食物碳代谢分析;Bringezu等对物质代谢的环境影响理论开展研究,指出物质代谢在可持续领域的应用除关注系统物质代谢量的减量化外,还应将系统代谢物质的无毒或者低毒的特征纳入物质代谢分析,但该研究仅仅提出了研究方向,并未针对方法学开展系统研究。
物质代谢遵循了物质和能量守恒原理,目前其分析方法主要有物质流分析方法(Material Flow Analysis,MFA)、能值分析方法(Energy Flow Analysis,EFA)、生态足迹法(Ecological Footprint,EF)、全生命周期评价(Life Cycle Analysis,LCA)等,目前应用最广和最为成熟的是物质流分析方法。
(1)物质流分析方法
物质流分析思想最早发源于100多年前。Ayres于1969年首次针对社会经济系统物质代谢提出物质流分析框架。Wernick等提出经济系统物质流分析方法(Economicwide⁃material flow analysis,EW⁃MFA);1997年Adriaanse等结合可持续发展生态工业发展需求,拓展了物质流分析方法应用领域;2001年欧盟将物质流种类分成了输入流、储存流、输出流、物质流代谢效率、物质流代谢强度等十余个指标评估系统物质代谢情况。随着物质代谢系统不断细化以及对某类物质代谢分析需求,1999年Guinee等基于物质代谢研究提出了元素流分析方法(Substance Flow Analysis,SFA)。元素流分析方法适用单质和微观系统边界物质代谢研究,Hansen等完成了德国元素代谢分析;Mathieux 等运用SFA与LCA结合方法,完成了欧洲报废汽车中铝元素的物质代谢及其环境影响分析;刘毅等完成了磷元素的代谢分析;Han等针对山东省某园区铜和硫的物质代谢完成元素流分析,从元素代谢效率及环境影响等角度提出了园区绿色发展对策建议;张佳兴等针对中国汞物质流分析提出了汞污染削减路径分析;陆钟武等针对钢铁行业铁元素的企业层面物质代谢研究;耶鲁大学生态工业中心研究开发了元素流分析的存量⁃流量模型(Stock and Flow,STAF),主要针对元素代谢的开采、生产、消费、回收等全生命周期开展元素流核算评估,运用该模型以及国内从国家、区域等尺度完成了磷、硫、铜、锌、银、铁等60余种元素流代谢。元素流分析方法日渐成为分析资源消耗特征的重要方法之一。
(2)能值分析方法
能值分析方法起源于20世纪80年代,由美国著名生态经济学家H.T.Odum提出。H.T.Odum指出能值是指某一流动或储存的能量是包含另一类别能量的数量。能值分析则是将生态系统中能量流、物质流、信息流、人口流、资金流等不同类别、不可比较的能量转换成同一计量单位能值进行统一核算,系统评估生态效益、经济效益和可持续发展性能的分析方法。能值分析方法指标分为一般指标、评价指标和可持续发展指标三类。与原有经济系统中单一货币计量相比,能值分析方法相对全面和客观。目前能值分析方法应用领域较为广泛,包括国家尺度、区域和城市尺度、生态系统尺度等。
(3)生态足迹法
生态足迹的概念是1992年William Rees教授首次提出,随后在1996年提出了生态足迹具体核算方法。生态足迹分析方法是指人类作为地球生态系统消费者,其生产和生活行为对地球形成的压力,即任何人所需要地球表面支持自身生存所遗留给自然生态系统的痕迹,它是基于土地面积的量化评估各类行为的生态影响效果的评估方法。
生态足迹通过生物生产性土地实现,其中生物生产性土地是指具有生态生产能力的土地或水体,化石能源、可耕地、林地、草场、建筑用地和还要等各种资源和能源消费,通过折算为生物生产性土地,然后乘以其均衡因子进而计算求和即为生态足迹。各类生物生产面积的均衡因子核算可通过全球该类生物生产面积的平均生态生产力与全球所有各类生物生产面积的平均生态生产力。
目前生态足迹核算主要包括两种方法:Wackernagel等基于生物生产力,通过与物质流分析技术和生命周期分析方法结合的表现消费计算生态足迹核算方法;Bicjnell等提出投入觇标追踪满足中消费的直接和间接生产投入。目前生态足迹核算方法主要应用于国家尺度、省市、地方、企业、大学、家庭乃至个人的核算研究。
(4)全生命周期评价
全生命周期评价(Life Cycle Analysis,LCA)最早起源于1969年美国可口可乐公司对其生产的饮料瓶环境影响定量化评估,随后学术界开始了对LCA方法学的探索研究,直到20世纪80年代晚期LCA才得以广泛应用。LCA是一种针对产品、工艺或者服务展开的资源能源消耗和环境影响评价,其评价范围涵盖了原材料开采、加工、产品制造、运输、使用和报废的整个生命周期过程。1997年国际标准化组织出版了首个生命周期评价国际标准《生命周期评价原则和框架》(ISO 1040),该标准中将LCA主要分为目标范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释四个主体部分。随着LCA方法的日渐成熟和应用领域的不断扩展,目前LCA评价对象已经从最初的单一产品扩展到资源开采、工业生产过程、工业园区以及建设项目等系统性评价,评价内容也从单纯的资源能源、环境领域日渐增加了经济系统和社会政策等众多领域。截至目前,根据LCA评价系统差异性和评价方法差异,已经形成了过程全生命周期评价(Process⁃based LCA,PLCA)投入产出全生命周期评价(Input⁃output LCA,I⁃O LCA)和混合生命周期评价(Hybrid LCA,HLCA)。PLCA是基于实地调研、监测等手段获取产品生产过程各阶段的资源能源消耗,自下而上地计算产品的环境影响。该方法针对性和精确度强,但存在核算不完整的截断误差的缺点。单纯从系统边界来看,I⁃O LCA和HLCA相对PLCA更全面,前两种基本涵盖了国民经济系统,目前主要应用于国民经济系统宏观评价。从评价准确性来看,PLCA相较其他两种方法则更具优势,目前主要应用产品评价(见表3.1)。
表3.1 物质代谢的主要分析方法
续表
