物质流分析
物质流分析(Substance Flow Analysis，SFA)
目录 |
什么是物质流分析[1]
物质流分析是在一个国家或地区范围内，对特定的某种物质进行工业代谢研究的有效手段，它向我们展示了某种元素在该地区的流动模式，可以用来评估元素生命周期中的各个过程对环境产生的影响。由于工业代谢是原料和能源在转变为最终产品和废物的过程中，相互关联的一系列物质变化的总称，所以物质流分析的任务是弄清楚与这些物质变化有关的各股物流的情况，以及它们之间的相互关系，其目的是从中找到节省自然资源、改善环境的途径，以推动工业系统向可持续发展的方向转化。物质流分析研究因其强烈的政策导向和对政策的指导意义而受到国际上的关注，通过物质流分析，可以控制有毒有害物质的投入和流向，分析物质流的使用总量和使用强度，为环境政策提供新的方法和视角，为决策者在资源和环境方面决策提供参考。
物质流分析方法作为研究经济活动中物质资源新陈代谢的一种方法，其基本思想的发端可以追溯到100多年以前，而其概念则出现于20世纪不同年代的各个研究领域。在经济学领域，Leontief在20世纪30年代就推出了输入——输出平衡表。第一个基于经济学观点的国家物质流分析发表于1969年。第一个关于资源保护和环境管理的研究出现于20世纪70年代。而这两个最初应用的领域是：①城市新陈代谢(Metabolismof Cities)；②流域或城市区域的污染物迁移路径分析(Anal．ysisof Pollutant Pathways)。20世纪七八十年代，物质平衡(Physical Bal．ance)、工业代谢(Industrial Metabolism)等理论的提出和完善，为物质流分析方法应用于整个经济系统的研究奠定了基础。20世纪七八十年代初，奥地利、日本和德国首先应用物质流分析方法对各自国家经济系统的自然资源和物质的流动状况进行了分析，从而揭开了经济系统物质流分析方法在世界范围广泛应用的序幕。
20世纪90年代初，德国Wuppertal研究所提出了物质流账户体系(Material Flow Accounts，MFA)，它是定量测度经济系统运行中物质使用量的基本工具，并提出了生态包袱(Ecological Rucksacks，ER)的概念，后来也称其为隐藏流(Hidden Flow，HF)。1996年，欧盟委员会组建了“ConAccount”平台(www.conaccount.net)，该平台的成立可认为是物质流分析国际合作的里程碑。从1997年开始，世界资源研究所着手对5个国家(美国、日本、奥地利、德国、荷兰)经济系统的物质流动状况进行了全面的分析。该研究所的第一份研究报告得到了这5个国家经济系统的物质输入总量，并且给出了衡量物质输入状况的相关指标。在第二份研究报告中，该研究所得到了各个国家经济系统的物质输出总量，并且给出了衡量物质输出状况的相关指标。与此同时，运用物质流分析方法对本国经济系统进行分析的国家不断增加，比如意大利、丹麦、芬兰、瑞典、英国、捷克、中国等。2001年，欧盟统计局出版了第一部经济系统物质流分析研究方法手册，该手册的出版对经济系统物质流分析的深入研究起到了很大的作用。2004年，PaulH．Brunner&Helmut Rechberger合作编写了Practical Handbookof Material Flow Analysis一书，系统介绍了物质流分析的概念、历程、应用范围及目标，详细地陈述了其数据库管理、软件应用的具体操作方法，并列举了许多关于环境管理、资源保护、废弃物管理及区域物质流分析与管理的经典案例。
随着物质总量流动的分析研究的深入进行，单个物质或单质的流动分析已在全球、国家及区域层面得以深入的研究，如美国Yale大学森林与环境学院对银、铜、锌等重金属在不同尺度上的流动特征做了大量细致的研究。而日本在循环性社会方面做了大量的研究工作。
物质流分析的模型[2]
人类社会生产、生活所采用的资源和材料都不可避免地在社会经济活动与资源环境之间进行物质交换(如图3—1)。简单地说，物质流分析主要衡量的是社会经济活动的物质投入、输出和物质利用率，其基础是对物质的投入和流出进行量化分析，建立物质投入和流出的账户，以便进行以物质流为基础的优化管理。物质流分析研究主要分为三个阶段：①定义要研究的体系以及体系成分；②确定并量化此物质的存货与流通量；③依据研究目的阐述量化的结果，比如根据潜在可能或所研究流程的环境影响而降低某一流程的量。
物质流分析方法分为两种：一种称为Substance Flow Analysis(SFA)，主要研究某种特定的物质流，如铁、铜、锌、锰等对国民经济有着重要意义的物质流，以及砷、铅、汞、镉等对环境有较大危害的有毒有害物质流和钢铁、化工、林业等产业部门物质流；另一种称为bulk—MFA，主要研究国家经济系统的物质流入与流出。前者主要应用于20世纪90年代，随着可持续发展意识的不断增强以及经济全球化步伐的加快，基于国家经济系统的bulk—MFA方法在20世纪90年代中期开始逐渐成为研究和应用的主流。
与传统研究方法相比，物质流分析方法具有如下特点：
(1)以热力学第一定律即物质守恒原理为原则进行物料平衡，计算公式可表示为“输入=输出+累积一释放”；
(2)以研究对象的物理性状指标作为定量分析单位(主要是质量)，这类似于在现金资本流分析中以货币为测度单位；
(3)以物质流过程为分析结构框架，构建人类经济活动与自然生态系统之间的物质关联，追踪物质在系统内部与系统之问的迁移和转化途径，识别和评价物质流向、规模和强度等多个层次上的合理性及其影响，进而提出新的解决方案。
物质流分析内容有两个方面，一是物质总量分析模型，另一个是物质使用强度模型。物质总量分析模型分析了一定的经济规模所需要的总物质投入、总物质消耗和总循环量。而物质使用强度模型则主要关注一定生产或消费规模下，物质的使用强度、物质的消耗强度和物质的循环强度，这种强度可以以单位GDP来衡量，也可以人均值来衡量。物质流分析研究的原料从进入社会经济活动开始，经由社会经济活动与环境之问的物质转化，一小部分积存在社会中以备后用，而大部分原料则在消费中使用消耗，最后在使用寿命终期流人废物处理阶段，通过分离将可回收的物料循环返回至社会经济活动，其余则被废弃。物质流分析的框架模型如图3—2所示。
实际上物质流分析也有不同的层次，既有某种元素层次的物质流动分析，也有行业层次的物质流分析，最高层次就是整个经济活动层次的物质流分析.
物质流分析的核心是对社会经济活动中物质流动进行定量分析，了解和掌握整个社会经济体系中物质的流向、流量，建立在物质流分析基础上的物质流管理则是通过对物质流动方向和流量的调控，提高资源的利用效率，达到设定的相关目标。这一点与循环经济的宗旨是一致的。循环经济强调从源头上减少资源消耗，有效利用资源，减少污染物排放。循环经济谋求以最小的环境资源成本获取最大的社会、经济和环境效益，并以此来解决长期以来环境保护与经济发展之问的尖锐矛盾。可见，物质流分析是循环经济的重要技术支撑，物质流分析和管理是循环经济的核心调控手段。
从物质流分析与管理和循环经济的相互关系来看，物质流分析和管理的调控作用主要体现在以下几个方面。
1)减少物质投入总量
在社会经济活动中，物质投入量的多少直接决定资源的开采量和对生态环境的影响程度。特别是对于不可再生资源，物质投入量的减少就直接意味着资源使用年限的增加，其对整个社会经济和环境的意义是极为显著的。因此，循环经济强调要在减少物质总投入的前提下实现社会经济目标。通过减少物质总投入，实现经济增长与物质消耗和环境退化的“分离”。如何在减少物质投入总量的前提下保障经济效益，通过技术和管理手段，不断提高资源利用率和增加资源循环使用量是两个关键。
2)提高资源利用效率
资源利用效率反映了物质、产品之问的转化水平，其中生产技术和工艺是提高资源利用效率的核心。通过物质流分析，我们可以分析和掌握物质投入和产品产出之间的关系，并通过技术、工艺改造和更新，提高物质、产品之问的转化效率，提高资源利用效率，达到以尽可能少的物质投入获得预期经济目标的目的。
3)增加物质循环量
通过提高废弃物的再利用和再资源化，可以增加物质的循环使用量，延长资源的使用寿命，减少初始资源投入，从而最终减少物质的投入总量。工业代谢、工业生态链、静脉产业等都是提高资源循环利用的重要内容和实现形式。有关资料表明，2000年日本总的物质循环利用率达到10％左右，所循环利用的大都是资源短缺或价值较高的废旧物质，如废钢、废铝、废塑料等。但是，大量的物质在目前的经济、技术水平上还没有很好地被循环利用或根本无法循环利用。
4)减少最终废弃物排放量
实质上，在社会经济活动中通过提高资源利用效率增加物质循环量，不但可以减少物质投入的总量，同时也可以实现减少最终废弃物排放的目的。因此，在发展循环经济过程中，生产工艺和技术的进步，生态工业链的发育和静脉产业的发展壮大，可以通过提高资源使用效率、增加物质循环和减少物质总投入，达到减少最终废弃物排放量的目的。3．4物质流分析对我国政策制定的影响物质流分析与管理作为循环经济的重要调控手段，其对我国环境保护的政策意义主要体现在资源利用效率及物质循环率与静脉产业的发展两个方面。
物质流分析(Material Flow Analysis，MFA)作为一种核算方法，追踪物质从自然界开采进入人类经济体系中，并经过经济活动在不同时段和区域中流动，最后回到自然环境中的情形，可以监测和追踪那些货币价值很低但对自然环境影响较大的物质的流动。
(1)理论基础
物质流分析的范围是如图3所示的经济一环境系统。在这个系统中，社会经济系统被包含在自然环境系统中，社会经济系统与周围的自然环境系统由物质流与能量流相连接。为了描述这2个系统的关系，人们提出了工业代谢和社会代谢2个概念。社会经济系统被看做自然环境系统中一个具有代谢功能的有机体，该有机体对自然环境的影响可以用其他代谢能力(如该有机体从自然环境中摄取的以及排泄到自然环境中的物质量)来衡量。
根据物质守恒定律，一定时期内输入一个系统的物质量等于同时期该系统存储量与输出该系统的物质量之和。对于上述社会经济系统来说，自然环境所提供的输人物质进入该系统，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，而整个过程中的输入量恒等于输出量与存储量之和。
经济一环境系统涉及到的基本概念主要有：
代谢主体构建物质流分析账户，明确代谢主体非常重要，否则就不能准确区分输入与净存储。所谓代谢主体是指社会经济圈内“吞”“吐”物质的可独立观测的基本单位，也就是输入物质的消费者，如人、动物和机器等。需要特别指出的是，农作物(包括粮食和经济作物)一般不作为代谢主体，否则物质输入的边界将延伸到矿物层，如多少氮、钾的输入，使所需数据无从统计。同理，森林也同样作为输入物质；而不作为代谢主体，渔业有人工养殖和捕获之分，在物质流分析账户体系申，只有人工养殖为代谢主体，野生捕获鱼作为输入物质。代谢主体在物质流分析中均以存量出现。
隐流和间接流隐流是指经济活动所动用的而未被使用的物质量。这些被动用的物质量没有进人代谢过程，却是必需的“输入”。如为了开采铁矿石，必须掘进坑道或剥离表土和覆岩，这些物质并没有进入代谢过程，被代谢主体所消费，所以称其为隐流；德国也称其为生态包袱。欧盟的物质流分析账户中，把国内物质开采所需的隐流称之为国内无效伴生物质；把进口和出口物质对应的称为间接流，它包括使用的和非使用的间接流；而在进口来源国为开采铁矿石而发生的剥离量被称为非使用的间接流。
系统边界由于物质流分析所关心的焦点在于社会经济系统在自然环境系统中的物质代谢，因此进行物质流分析研究时需要对系统边界做如下两方面的定义：①本国社会经济系统与自然环境系统之间的边界，是指直接从自然环境中开采的原料通过此边界进入社会经济系统进行进_步的加工转换；②本国与其他国家的行政边界是指成品、半成品以及原料经由该边界，由本国出口到其他国家或由其他国家进口到本国。
在物质流分析研究中，只考虑通过系统边界输入经济系统或输出经济系统的物质流，经济系统内的物质流并不在研究之列。在这一原则基础上，家庭的牲畜被视为经济系统内部的物质流而不予统计，农业生产中使用的化肥被视为经济系统输出到自然环境的物质流。
(2)分析框架
图4为物质流分析方法的基本框架。输入经济系统的物质中最主要的一部分是由本国自然环境中开采出的各种原料，包括化石燃料、矿物质、生物3部分。伴随上述国内开采原料而产生的国内无效伴生物不进入经济系统，没有经济价值，一经产生就输出到自然环境中去。此外，输入经济系统的物质流还包括从其他国家和地区进口的成品、半成品和原料，以及与生产这些物质有关的间接流。输入经济系统的物质流一方面成为该系统内部的物质净存储，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和地区。在输出到自然环境系统中的废弃物中，有一部分被称做消耗流，即在生产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。
物质流分析与循环经济有着密切的关系，基于物质流分析的管理政策和手段是发展循环经济的核心调控手段。目前我国循环经济的实践在3个层面(区域、行业、企业)展开，而物质流分析的手段也可以在不同层次应用。结合我国循环经济发展的实践，下面就区域(国家)层次、行业层次、企业和产品层次3个方面介绍物质流分析的应用。
(1)区域(国家)层次
这里的区域层次既可以达到国家层次，也可以指省(或城市)层次。区域(国家)层次的物质流分析方法又被称为总体物质流分析(Bulk—MFA)，主要研究区域经济系统的物质流入与流出。前者主要应用于20世纪90年代，随着人们可持续发展意识的不断增强以及经济全球化步伐的加快，基于国家经济系统的总体物质流分析方法在20世纪90年代中期开始逐渐成为研究和应用的主流。日本、奥地利、美国、丹麦、德国、意大利、芬兰、荷兰、瑞典和爱尔兰等国家，目前已经建立了国家层次的物质流分析账户，并通过物质流分析得出的结果为政府部门提供决策支持。
监测资源与生态环境状况并分析其与经济发展的关系，需要一套实用的定量指标，如上所述，物质流分析就是这样一套近年来备受关注的分析方法，并在发达国家迅速应用到账户指标体系。在构建我国的物质流分析账户时，应该充分借鉴国外一些已经完成的物质流核算经验，结合我国的实际情况，建立适合我国国情的物质流分析账户。通过对我国的资源利用情况进行物质流分析，也可以为我国建立循环经济指标体系，确立具体而明确的循环经济发展目标提供直接而有力的施政依据。
(2)行业层次。
对行业层次的物质流分析既可以采用上节介绍的方法，也可以采用另外一种被称为元素流分析(SubstanceFlowAnalysis，SFA)的方法。该方法主要研究某种特定的物质流，如铁、铜、锌等对国民经济有着重要意义的物质流，砷、汞等对环境有较大危害的有毒有害物质流。
目前国内外学者对元素流分析做了大量的研究，已经形成了一套成熟的方法。这里介绍2种物质流分析方法。
第一种方法是物质流的定点观察法。为了研究某种产品生命周期中的物质流状况，选定物质流中的一个区间作为观察区。然后，观察这二区间内物质流的变化。对这一区间内生命周期各阶段流人和流出的有关物质量，都要弄清楚。如果把物质的流动比喻成一条河流，那么用这种方法研究物质流，就好比是站在一座桥上，进行定点观察。这座桥的位置一般都选在某一年度的产品生命周期的始端，因为从这里能观察到上一个生命周期的回收阶段和本生命周期的生产、制造阶段以及部分使用阶段。
第二种方法是物质流的跟踪观察法。为了研究某种产品生命周期中的物质流状况，选定一定数量的该种产品作为观察对象。然后，沿着这些产品生命周期的轨迹，对其进行观察。生命周期中各阶段流入和流出的有关物质量，都要弄清楚。如果仍用河流作比喻，那么用这种方法研究物质流，就好比是坐在一条船上顺流而下，对选定的物质对象进行跟踪观察。跟踪的行程，至少要从某一个生命周期的起点，一直到它的终点，途中经过产品的生产、制造、使用和产品报废后的回收4个阶段。只有这样，了解的情况和收集的数据才比较完整，才便于做进一步的分析。必要时，甚至要连续观察一个以上的生命周期。
(3)企业和产品层次
企业层次物质流分析方法在企业层次应用上的具体体现就是清洁生产的物料平衡。物料平衡是清洁生产的一个重要组成部分，通过衡算可以弄清楚原料和能量的实际利用情况及废弃物的排放量。做物料平衡的目的不仅仅是为了使物料平衡，而是为了发现问题。通过进行物料平衡，可以了解原材料除了做成产品之外，另外的部分究竟消耗到了哪里，有哪些排放方式，排放量是多少。通过绘制物料平衡图，很容易确定各排放点的排放方式及其排放量，还可以确定污染最严重的排放点，以便对各排放点采取相应的排污措施。物料衡算的数据常用3种方法获得：第一，对实际生产过程进行直接测定，一般以实、狈0为准；第二，通过对技术文件的统计获得；第三，在不可能进行实测的地方，也可以根据化学计算法进行估算。必须注意，现场实测必须进行完整的3个以上的生产周期(或持续生产72h)才能获得比较准确的数据。当然也可以引用一些经验值，衡算允许有很小的误差。但是如果差别很大，应加以复核和完善。一般说来，如果输入总量和输出总量之间的误差在5％以内，则可以用物料平衡的结果进行随后的有关评估与分析，反之则必须检查造成较大误差的原因，重新进行实测和物料平衡。