3.2 物質代謝

“物質代謝”一詞源于生命科學,1857年Moleschott在其出版的《生命的循環》一書中指出“生命是能源、物質與周圍環境交換的代謝現象”。隨著物質代謝理論的逐步完善,自20世紀60年代開始國內外學者開展針對經濟發展與物質代謝的關系展開學術討論和研究。1965年Wolman在物質代謝基礎上提出了“城市代謝”概念,指出城市發展過程就是通過物質和能量的代謝不斷向環境輸出產品和廢物的過程;1969年美國首次完成了國家層面物質代謝分析,指出經濟系統物質代謝過程即為經濟系統與自然環境資源和能源相互轉化的過程;1989年Frosch提出“產業代謝”的概念,指出產業生產過程就是物質的輸入消耗、系統存儲以及以廢物形式輸出到自然環境的過程;產業代謝方法研究目前主要集中在美國、德國和世界資源研究所等機構提出的物質代謝領域。1998年王如松等提出工業代謝的概念,指出“工業代謝是模擬自然生態系統代謝功能的系統分析方法”,伴隨著循環經濟研究領域不斷拓展;段寧等指出工業代謝過程伴隨著產品代謝和廢物代謝量兩類代謝。綜上所述,物質代謝可以理解為“系統與自然環境之間的資源和能源的輸入、存儲、輸出的過程”。2010年國內學者傅澤強等從生物學、生態學、哲學以及生態經濟系統的角度分別給出了物質代謝定義的不同詮釋。由此可見,目前學術界尚未針對物質代謝提出統一的定義。但是,無論從哪種角度分析,從物質代謝理論提出的根本初衷及其應用來看,物質代謝以理解為“系統與自然環境之間的資源和能源的輸入、存儲、輸出的過程”。物質代謝理論可為解決和評估經濟發展與生態系統平衡問題提供理論基礎和方法依據。

物質代謝理論涵蓋了三方面核心要素,即代謝系統、代謝過程和代謝量。從系統邊界大小可將代謝系統分為由全球和國家宏觀尺度、區域或城市中觀尺度以及企業或家庭微觀尺度三類。受代謝數據可獲得性影響,目前在前兩個尺度研究相對較多,針對這些領域資源代謝、存儲及不同區域的物質轉移、資源代謝特征及其可持續性評估;如針對全球范圍內的銅、鋁、鐵等金屬代謝量以及存量評估,德國、奧地利、日本等國家層面特定物質代謝分析;歐洲各國陸續開展的銅、鉛、鋅等金屬代謝分析;Ethan等通過完成全球25個經濟發達城市物質代謝分析發現,城市物質代謝中能源代謝量和種類的變化促進了城市可持續發展的進程;Rosado等學者分別在對瑞典斯德哥爾摩、加拿大多倫多以及中國北京等城市開展近20年來的物質代謝研究,提出城市物質代謝特征、影響要素以及城市可持續發展的物質代謝建議;Agudelo?Vera等運用物質流核算分析方法提出了循環型城市發展的方案;Newman等運用物質代謝理論提出城市可持續發展內涵,應包括從自然系統輸入到經濟系統物質的可持續供給,還應包括經濟系統輸出到自然系統的廢物的可代謝消納;張蓓等提出物質代謝方法可用于循環經濟指標體系研究,實現對區域層面循環經濟績效評估;陳躍等從環境管理角度指出未來物質代謝分析可稱為發展循環經濟實現環境有效管理的重要手段之一。目前針對企業和家庭層面的物質代謝研究相對較少,Wouter Biesiot等完成荷蘭家庭物質代謝核算,指出物質代謝模式差異對物質代謝效率影響很大;劉晶茹等參照國外研究方法,完成了家庭水和食物碳代謝分析;Bringezu等對物質代謝的環境影響理論開展研究,指出物質代謝在可持續領域的應用除關注系統物質代謝量的減量化外,還應將系統代謝物質的無毒或者低毒的特征納入物質代謝分析,但該研究僅僅提出了研究方向,并未針對方法學開展系統研究。

物質代謝遵循了物質和能量守恒原理,目前其分析方法主要有物質流分析方法(Material Flow Analysis,MFA)、能值分析方法(Energy Flow Analysis,EFA)、生態足跡法(Ecological Footprint,EF)、全生命周期評價(Life Cycle Analysis,LCA)等,目前應用最廣和最為成熟的是物質流分析方法。

(1)物質流分析方法

物質流分析思想最早發源于100多年前。Ayres于1969年首次針對社會經濟系統物質代謝提出物質流分析框架。Wernick等提出經濟系統物質流分析方法(Economicwide?material flow analysis,EW?MFA);1997年Adriaanse等結合可持續發展生態工業發展需求,拓展了物質流分析方法應用領域;2001年歐盟將物質流種類分成了輸入流、儲存流、輸出流、物質流代謝效率、物質流代謝強度等十余個指標評估系統物質代謝情況。隨著物質代謝系統不斷細化以及對某類物質代謝分析需求,1999年Guinee等基于物質代謝研究提出了元素流分析方法(Substance Flow Analysis,SFA)。元素流分析方法適用單質和微觀系統邊界物質代謝研究,Hansen等完成了德國元素代謝分析;Mathieux 等運用SFA與LCA結合方法,完成了歐洲報廢汽車中鋁元素的物質代謝及其環境影響分析;劉毅等完成了磷元素的代謝分析;Han等針對山東省某園區銅和硫的物質代謝完成元素流分析,從元素代謝效率及環境影響等角度提出了園區綠色發展對策建議;張佳興等針對中國汞物質流分析提出了汞污染削減路徑分析;陸鐘武等針對鋼鐵行業鐵元素的企業層面物質代謝研究;耶魯大學生態工業中心研究開發了元素流分析的存量?流量模型(Stock and Flow,STAF),主要針對元素代謝的開采、生產、消費、回收等全生命周期開展元素流核算評估,運用該模型以及國內從國家、區域等尺度完成了磷、硫、銅、鋅、銀、鐵等60余種元素流代謝。元素流分析方法日漸成為分析資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世紀80年代,由美國著名生態經濟學家H.T.Odum提出。H.T.Odum指出能值是指某一流動或儲存的能量是包含另一類別能量的數量。能值分析則是將生態系統中能量流、物質流、信息流、人口流、資金流等不同類別、不可比較的能量轉換成同一計量單位能值進行統一核算,系統評估生態效益、經濟效益和可持續發展性能的分析方法。能值分析方法指標分為一般指標、評價指標和可持續發展指標三類。與原有經濟系統中單一貨幣計量相比,能值分析方法相對全面和客觀。目前能值分析方法應用領域較為廣泛,包括國家尺度、區域和城市尺度、生態系統尺度等。

(3)生態足跡法

生態足跡的概念是1992年William Rees教授首次提出,隨后在1996年提出了生態足跡具體核算方法。生態足跡分析方法是指人類作為地球生態系統消費者,其生產和生活行為對地球形成的壓力,即任何人所需要地球表面支持自身生存所遺留給自然生態系統的痕跡,它是基于土地面積的量化評估各類行為的生態影響效果的評估方法。

生態足跡通過生物生產性土地實現,其中生物生產性土地是指具有生態生產能力的土地或水體,化石能源、可耕地、林地、草場、建筑用地和還要等各種資源和能源消費,通過折算為生物生產性土地,然后乘以其均衡因子進而計算求和即為生態足跡。各類生物生產面積的均衡因子核算可通過全球該類生物生產面積的平均生態生產力與全球所有各類生物生產面積的平均生態生產力。

目前生態足跡核算主要包括兩種方法:Wackernagel等基于生物生產力,通過與物質流分析技術和生命周期分析方法結合的表現消費計算生態足跡核算方法;Bicjnell等提出投入覘標追蹤滿足中消費的直接和間接生產投入。目前生態足跡核算方法主要應用于國家尺度、省市、地方、企業、大學、家庭乃至個人的核算研究。

(4)全生命周期評價

全生命周期評價(Life Cycle Analysis,LCA)最早起源于1969年美國可口可樂公司對其生產的飲料瓶環境影響定量化評估,隨后學術界開始了對LCA方法學的探索研究,直到20世紀80年代晚期LCA才得以廣泛應用。LCA是一種針對產品、工藝或者服務展開的資源能源消耗和環境影響評價,其評價范圍涵蓋了原材料開采、加工、產品制造、運輸、使用和報廢的整個生命周期過程。1997年國際標準化組織出版了首個生命周期評價國際標準《生命周期評價原則和框架》(ISO 1040),該標準中將LCA主要分為目標范圍的確定、清單分析、影響評價和結果解釋四個主體部分。隨著LCA方法的日漸成熟和應用領域的不斷擴展,目前LCA評價對象已經從最初的單一產品擴展到資源開采、工業生產過程、工業園區以及建設項目等系統性評價,評價內容也從單純的資源能源、環境領域日漸增加了經濟系統和社會政策等眾多領域。截至目前,根據LCA評價系統差異性和評價方法差異,已經形成了過程全生命周期評價(Process?based LCA,PLCA)投入產出全生命周期評價(Input?output LCA,I?O LCA)和混合生命周期評價(Hybrid LCA,HLCA)。PLCA是基于實地調研、監測等手段獲取產品生產過程各階段的資源能源消耗,自下而上地計算產品的環境影響。該方法針對性和精確度強,但存在核算不完整的截斷誤差的缺點。單純從系統邊界來看,I?O LCA和HLCA相對PLCA更全面,前兩種基本涵蓋了國民經濟系統,目前主要應用于國民經濟系統宏觀評價。從評價準確性來看,PLCA相較其他兩種方法則更具優勢,目前主要應用產品評價(見表3.1)。