物质代谢研究方法

3．2．2　物质代谢研究方法

现阶段国际上分析物质代谢效应的方法主要有五种：①物质流分析（Materials Flow Analysis，MFA）。主要是以质量守恒定律为基本依据，从实物的质量出发，将通过社会经济系统的物质分为输入、储存、输出三大部分，通过研究三者的关系，揭示物质在特定区域内的流动特征和转化效率⁽¹¹⁾。一般采用物理单位（通常用t）对物质进行从采掘、生产、转换、消费、循环使用直到最终处置的结算，其分析的物质可包括元素、原材料、建筑材料、产品、制成品、废弃物及向空气和水里的排放物等。②能量流分析（Energy Flow Analysis，EFA）。能量流与物质流是同一个物质代谢过程的两个不同方面，因此EFA与MFA的系统边界相同。具体是以能量守恒定律为基本依据，跟踪能量在社会经济系统中的流动途径及过程，揭示能量在特定区域内的流动特征、转化效率和总的吞吐量。③资源流分析（Resources Flow Analysis，RFA）。是指资源在人类活动作用下，资源在产业、消费链条或不同区域之间所产生的运动、转移和转化。它既包括资源在不同地理空间资源势的作用下发生的空间位移（即所谓的横向流动），也包括资源在原态、加工、消费、废弃运动过程中形态、功能、价值的转化过程（即所谓的纵向流动）。通过对资源“横向流动”问题的研究，评估流动过程中产生的相关效应，包括社会、经济、环境效应；通过对资源“纵向流动”问题的研究，揭示资源系统中的资源利用效率。④人类留用的净初级生产量（Human Appropriation of Net Primary Production，HANPP）。主要是估计地球的净初级生产（光合作用所产生的植物有机质）中人类留作自己用的那一部分所占的比例，可以用来反映社会经济系统中物质代谢组成结构和能量利用效率的变化。植物通过光合作用产生的生物物质年总产量是人类社会关键的物质和能量输入，因此HANPP与社会经济系统的物质代谢直接相关。⑤生态足迹（Ecological Footprint，EF）。主要是计算出满足城市或者区域社会经济系统物质代谢所需要的土地数量，即计算出化石能源地、耕地、牧草地、林地、建筑用地和水域的生产力。主要用于判断一个区域社会经济系统的物质代谢是否处于生态承载能力的范围内。

可见，以上方法分析和关注物质代谢过程的视角各有千秋。物质流和能量流分析侧重于研究物质和能量在特定区域的流动特征和转化效率，忽略了物质或能量在流动过程中所产生的相关效应（社会、经济、环境效应）以及各环节内部之间对资源利用效率的影响；资源流分析主要是在物质流分析的结果上，侧重研究资源横向流动产生的社会、经济和环境效应和纵向流动过程中的资源利用效率⁽¹²⁾；人类留用的净初级生产量的计算更关注人类社会代谢过程对能量的利用效率；而生态足迹则从承载人类活动的媒介——土地入手，考察代谢强度。这里主要介绍物质流分析方法。

物质流分析方法主要包括物料流分析（Bulk－Material Flow Analysis，Bulk－MFA）和元素流分析（Substance Flow Analysis，SFA）。Bulk－MFA主要针对混合物和大宗物资，研究经济系统的物质输入与输出。SFA主要针对元素和化合物，研究某种特定的物质流，如砷、汞等对环境有较大危害的有毒物质流；化工等产业部门的物质流；铁、铜、锌等对国民经济有着重要意义的物质流。目前，对物质流分析的基本内容主要集中在以下两个部分：第一是对进、出社会经济系统物质流的规模和种类进行统计和核算，即物质流账户分析；第二是对社会经济系统的物质使用强度的分析，主要关注在一定生产或消费规模下，物质的使用强度、物质的消耗强度、物质的循环利用强度等。

1）物质流分析原则与相关概念界定

首先，质量守恒定律是物质流分析的基本原则。在进行物质流分析时，均以重量为核算单位。对于一个系统而言，物质的流入总量等于物质的流出总量与系统内物质存量的净变化量之和。就社会经济系统来说，自然环境所提供的输入物质进入该系统，经过加工、贸易、使用、回收、废弃等过程，一部分成为系统内的净存储，其余部分输出物质返回到自然环境中去（见图3．4）⁽¹³⁾，而整个社会代谢过程中的输入量等于输出量与净存储量之和，即输入＝输出＋净存量。

图3．4　经济—环境系统

社会代谢所定义的物质存量通常是指：道路、建筑、水坝、运输工具（船舶、飞机、汽车）、机械设备等人造资本和消费性耐用商品，如冰箱、电视和家电。年末与年初的物质存量变化称为存量净变化。人口的增加、人类总体重的变化也应视为存量的变动。有些研究将牲畜数及其重量的变化作为投入量计算，这是有待探讨的，因为在人类的社会经济圈中，牲畜同人一样是代谢的主体部分，它们吃进草料，排出粪便；吸入新鲜空气，排出废气，因此，牲畜的重量应作为存量处理。森林、渔业产品与农产品相同，作为投入量而不作为存量。

物质代谢之物质投入大于排出，物质存量便不断增长，例如楼房、道路的扩张；机械设备增加等。物质存量净变化是人类可持续发展的新观察点。联合国发展署和其他人口研究机构预测，大约在未来50年内，全球人口存量将静止下来，尽管人口数是120多亿或150多亿尚存争议，但全球人口出生数与死亡数相等的一天终会到来。但是物质投入与排出相等、物质净存量不变化的一天是否会到来尚无预测报告。美国经济学家戴利强调的稳定型经济（Steady State Economy）就是指物质代谢的进出平衡、存量恒定的可持续状态。

为避免重复计算，在物质流分析中需明确界定代谢主体、生态包袱、系统边界等重要概念。物质流分析中的代谢主体是指社会经济圈内“吞”、“吐”物质的可独立处理的基本物质单位，例如，人和牲畜摄入的营养物质、空气和水，排出的粪便和污物等。一般为了计算方便，植物不宜看成代谢主体。因为，植物吞吐的物质层次属于矿物质，统计上很难获得数据。代谢主体在物质流账户中均以存量出现。生态包袱是社会经济系统物质代谢的重要组成部分，人类为获得有用物质和产品而动用的、没有直接进入交易和生产过程的物料，在物质流账户中又被称为隐流或非直接流。在计算进出口非生物制成品和半制成品所携带的生态包袱时，需要将这些商品先转化为原材料t当量（Raw Material Equivalent，RME）。例如，进（出）口的汽车，计算时应将汽车的重量换算成相应的铁矿石、橡胶、各种金属矿石等生产汽车的原材料的重量，再计算这些原材料的非直接流。

物质流分析存在两种类型的系统边界：一是社会经济系统与自然环境系统之间的边界，从自然环境中获取基本物质（原生的、未被加工的物质和材料），社会经济系统吞进这些物质后，又将物质（废气、废水、固体废弃物）排泄到自然环境中；二是本国（或本地区）与其他国家（或地区）的行政边界，成品、半成品以及原料经由该边界，由本国（或本地区）出口到其他国家（或地区）或由其他国家（或地区）进口到本国（或本地区）。

图3．5是社会经济系统在自然环境系统中物质代谢过程的物质流系统概貌。在国家物质流分析过程中，只对通过本国社会经济系统边界的输入和输出物质流予以考虑，系统内部的物质流不列入研究范畴。因此，家庭畜养的牲畜被视为系统内部的物质流而不予统计，农业生产中的化肥则被视为系统输出到自然环境的物质流。

图3．5　社会代谢的物质流概貌

2）物质流分析框架

物质流分析框架主要由输入端、社会经济系统内部以及输出端构成（见图3．6）。输入端主体是从本国或本地区自然环境中开采的各种原料（Domestic Extraction，DE），包括化石燃料、矿物质、生物等；还包括伴随国内原料开采而产生的隐流，这部分不进入经济系统，一经产生便直接输出到自然环境中去了。输入经济系统的物质流还有从其他国家或地区进口的成品、半成品和原料以及与这些物质相关而产生的非直接流。进入经济系统的物质流一方面成为系统内部的存量物质，如基础设施和耐用产品等；另一方面经过单位统计时段（一般以年为单位）的消费，成为通过系统边界返回到自然环境中的废弃物和排放物；此外，还有一部分物质通过系统边界出口到其他国家或地区。在输出到自然环境系统中的废弃物中，有一部分被称为消耗流（Dissipative Flows，DF），即在产品使用过程中不可避免产生的废弃物，包括化肥、农药等在农业生产中的使用以及其他产品在使用过程中的磨损。

需要指出的是，在物质流计算过程中忽略了每年不足百万t单位的资料及未被报道的物质移动（如个人消费取火用的火柴或黑市交易等）。一般在计算过程中，重量均以物质的净重（即排除物质中的水分，计算干物质重量）为标准，且排除生物呼吸或工业生产过程中所需的氧气。

由于物质流分析遵循质量守恒定律，在计算过程中，如发现有些计算项目对于物质输入与输出的总平衡具有重要作用，可以通过对统计数据进行平衡修订，完整的表现整个系统的物质流平衡，即物质平衡修订。比如，输入端的燃料重量和输出端的排放量相差很大，这主要是因为燃烧过程中燃料和空气混合发生了氧化反应。就二氧化碳排放量而言，碳的重量占27%，氧为73%，因此，需进行平衡修订。输入端平衡修订需考虑的内容包括燃料燃烧所需氧、生物呼吸作用所需氧以及其他工业过程所需氧气。输出端平衡修订需考虑的内容包括燃料燃烧过程产生的水蒸气、生物代谢过程中的水蒸气等。

图3．6　物质流分析框架

3）物质流账户指标体系

这里主要以2001年欧盟推广的物质流账户指标体系为例进行说明（见表3．1），共分为四大类，即投入、排放、消费、物质平衡类指标。具体包括：

①投入类指标：直接物质输入（Direct Material Input，DMI），所有具有经济价值的直接进入经济生产和消费活动的物质，包括区域内部直接物质输入和进口物质两部分；物质总需求（Total Material Requirement，TMR），区域内部的物质需求量与进口的物质需求量之和，其中进口物质的隐流虽然对出口地区产生环境压力，但仍计入进口地区的物质需求总量之中；物质总投入（Total Material Input，TMI），区域内部直接物质投入、进口物质和区域内部隐流之和。不包括进口物质产生的隐流；隐流（Indirect Flow，IF），区域内部和进口物质开采所产生的隐流之和。

表3．1　欧盟推广的物质流指标体系

②排放类指标：国内生产过程排放（Domestic Processed Output，DPO），从经济系统进入自然环境且不能再循环使用的，排放到水域、大气、土地及耗散性流失的各种物质；国内总排放（Total Domestic Output，TDO），国内总的物质输出量，包括国内生产过程排放和国内隐流之和。

③消费类指标：国内物质消费（Domestic Material Consumption，DMC），直接进入经济系统内部的物质消耗总量，不包含隐流；国内总物质消费（Total Material Consumption，TMC），国内生产、消费活动所引起的物质流量，它包括进口的隐流，但不包含出口和出口的隐流。

④物质平衡类指标：存量净增长（Net Addition to Stock，NAS），经济系统的年度储存物质净增长量，主要包括新建房屋和基础设施的建筑材料和一些新生产的耐用消费品，比如汽车、工业机械等；实物贸易平衡（Physical Trade Balance，PTB），以实物重量表示的进出口平衡，等于进口物质流减去出口物质量。

在物质流账户分析的基础上，建议用以下一些指标区别各国资源投入总量以及人均资源投入量⁽¹⁴⁾。具体如下：

国家物质投入组成：分析国家各种物质投入占总投入的比率；

使用集中度指标：以物质消费重量（进口物质重量＋自产物质重量－出口物质重量）除以国内生产总值（GDP），用来计算物质投入的效率；

初次使用及再循环指标：计算自然环境开采的初次使用物质与再回收物质占物质总投入量的比率，得出物质再回收率；

废弃或排放集中度：用废弃物或排放废气的重量除物质总产出，计算物质使用效率；

漏出指标：用使用物质消散进入环境的重量（如使用杀虫剂或农药）除以总产出的重量，用来计算使用物质效率性；

最终产品物质效能：用制造的最终产品重量除以国内生产总值，计算最终产品效率；

原料和制成品的交易用料的比例：计算原料和制成品在贸易上占的比例，可以了解国家的物质消费和需求的情况；

开采物的废弃比例（隐流系数）：计算开采和萃取物质时产生出的、无出售价值的物质所占比例，可以了解开采效率。

另外，还有一些衍生指标，诸如物质消耗强度＝物质需求总量／人口数，是衡量经济系统某一年人均资源消耗量的指标；物质生产力＝国内生产总值／物质需求总量，是衡量经济系统某一年资源利用效率的指标。可见，通过物质流账户指标的应用，可以迅速的对政策需求作出灵活反应，构建不同社会的资源使用强度指标。