物質流分析

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物質流分析(Substance Flow Analysis，SFA)

　　物質流分析是在一個國家或地區範圍內，對特定的某種物質進行工業代謝研究的有效手段，它向我們展示了某種元素在該地區的流動模式，可以用來評估元素生命周期中的各個過程對環境產生的影響。由於工業代謝是原料和能源在轉變為最終產品和廢物的過程中，相互關聯的一系列物質變化的總稱，所以物質流分析的任務是弄清楚與這些物質變化有關的各股物流的情況，以及它們之間的相互關係，其目的是從中找到節省自然資源、改善環境的途徑，以推動工業系統向可持續發展的方向轉化。物質流分析研究因其強烈的政策導向和對政策的指導意義而受到國際上的關註，通過物質流分析，可以控制有毒有害物質的投入和流向，分析物質流的使用總量和使用強度，為環境政策提供新的方法和視角，為決策者在資源和環境方面決策提供參考。

　　物質流分析方法作為研究經濟活動中物質資源新陳代謝的一種方法，其基本思想的髮端可以追溯到100多年以前，而其概念則出現於20世紀不同年代的各個研究領域。在經濟學領域，Leontief在20世紀30年代就推出了輸入——輸出平衡表。第一個基於經濟學觀點的國家物質流分析發表於1969年。第一個關於資源保護和環境管理的研究出現於20世紀70年代。而這兩個最初應用的領域是：①城市新陳代謝(Metabolismof Cities)；②流域或城市區域的污染物遷移路徑分析(Anal．ysisof Pollutant Pathways)。20世紀七八十年代，物質平衡(Physical Bal．ance)、工業代謝(Industrial Metabolism)等理論的提出和完善，為物質流分析方法應用於整個經濟系統的研究奠定了基礎。20世紀七八十年代初，奧地利、日本和德國首先應用物質流分析方法對各自國家經濟系統的自然資源和物質的流動狀況進行了分析，從而揭開了經濟系統物質流分析方法在世界範圍廣泛應用的序幕。

　　20世紀90年代初，德國Wuppertal研究所提出了物質流賬戶體系(Material Flow Accounts，MFA)，它是定量測度經濟系統運行中物質使用量的基本工具，並提出了生態包袱(Ecological Rucksacks，ER)的概念，後來也稱其為隱藏流(Hidden Flow，HF)。1996年，歐盟委員會組建了“ConAccount”平臺(www.conaccount.net)，該平臺的成立可認為是物質流分析國際合作的里程碑。從1997年開始，世界資源研究所著手對5個國家(美國、日本、奧地利、德國、荷蘭)經濟系統的物質流動狀況進行了全面的分析。該研究所的第一份研究報告得到了這5個國家經濟系統的物質輸入總量，並且給出了衡量物質輸入狀況的相關指標。在第二份研究報告中，該研究所得到了各個國家經濟系統的物質輸出總量，並且給出了衡量物質輸出狀況的相關指標。與此同時，運用物質流分析方法對本國經濟系統進行分析的國家不斷增加，比如義大利、丹麥、芬蘭、瑞典、英國、捷克、中國等。2001年，歐盟統計局出版了第一部經濟系統物質流分析研究方法手冊，該手冊的出版對經濟系統物質流分析的深入研究起到了很大的作用。2004年，PaulH．Brunner&Helmut Rechberger合作編寫了Practical Handbookof Material Flow Analysis一書，系統介紹了物質流分析的概念、歷程、應用範圍及目標，詳細地陳述了其資料庫管理、軟體應用的具體操作方法，併列舉了許多關於環境管理、資源保護、廢棄物管理及區域物質流分析與管理的經典案例。

　　隨著物質總量流動的分析研究的深入進行，單個物質或單質的流動分析已在全球、國家及區域層面得以深入的研究，如美國Yale大學森林與環境學院對銀、銅、鋅等重金屬在不同尺度上的流動特征做了大量細緻的研究。而日本在迴圈性社會方面做了大量的研究工作。

　　人類社會生產、生活所採用的資源和材料都不可避免地在社會經濟活動與資源環境之間進行物質交換(如圖3—1)。簡單地說，物質流分析主要衡量的是社會經濟活動的物質投入、輸出和物質利用率，其基礎是對物質的投入和流出進行量化分析，建立物質投入和流出的賬戶，以便進行以物質流為基礎的優化管理。物質流分析研究主要分為三個階段：①定義要研究的體系以及體系成分；②確定並量化此物質的存貨與流通量；③依據研究目的闡述量化的結果，比如根據潛在可能或所研究流程的環境影響而降低某一流程的量。

　　物質流分析方法分為兩種：一種稱為Substance Flow Analysis(SFA)，主要研究某種特定的物質流，如鐵、銅、鋅、錳等對國民經濟有著重要意義的物質流，以及砷、鉛、汞、鎘等對環境有較大危害的有毒有害物質流和鋼鐵、化工、林業等產業部門物質流；另一種稱為bulk—MFA，主要研究國家經濟系統的物質流入與流出。前者主要應用於20世紀90年代，隨著可持續發展意識的不斷增強以及經濟全球化步伐的加快，基於國家經濟系統的bulk—MFA方法在20世紀90年代中期開始逐漸成為研究和應用的主流。

　　與傳統研究方法相比，物質流分析方法具有如下特點：

　　(1)以熱力學第一定律即物質守恆原理為原則進行物料平衡，計算公式可表示為“輸入=輸出+累積一釋放”；

　　(2)以研究對象的物理性狀指標作為定量分析單位(主要是質量)，這類似於在現金資本流分析中以貨幣為測度單位；

　　(3)以物質流過程為分析結構框架，構建人類經濟活動與自然生態系統之間的物質關聯，追蹤物質在系統內部與系統之問的遷移和轉化途徑，識別和評價物質流向、規模和強度等多個層次上的合理性及其影響，進而提出新的解決方案。

　　物質流分析內容有兩個方面，一是物質總量分析模型，另一個是物質使用強度模型。物質總量分析模型分析了一定的經濟規模所需要的總物質投入、總物質消耗和總迴圈量。而物質使用強度模型則主要關註一定生產或消費規模下，物質的使用強度、物質的消耗強度和物質的迴圈強度，這種強度可以以單位GDP來衡量，也可以人均值來衡量。物質流分析研究的原料從進入社會經濟活動開始，經由社會經濟活動與環境之問的物質轉化，一小部分積存在社會中以備後用，而大部分原料則在消費中使用消耗，最後在使用壽命終期流人廢物處理階段，通過分離將可回收的物料迴圈返回至社會經濟活動，其餘則被廢棄。物質流分析的框架模型如圖3—2所示。

　　實際上物質流分析也有不同的層次，既有某種元素層次的物質流動分析，也有行業層次的物質流分析，最高層次就是整個經濟活動層次的物質流分析.

　　物質流分析的核心是對社會經濟活動中物質流動進行定量分析，瞭解和掌握整個社會經濟體系中物質的流向、流量，建立在物質流分析基礎上的物質流管理則是通過對物質流動方向和流量的調控，提高資源的利用效率，達到設定的相關目標。這一點與迴圈經濟的宗旨是一致的。迴圈經濟強調從源頭上減少資源消耗，有效利用資源，減少污染物排放。迴圈經濟謀求以最小的環境資源成本獲取最大的社會、經濟和環境效益，並以此來解決長期以來環境保護與經濟發展之問的尖銳矛盾。可見，物質流分析是迴圈經濟的重要技術支撐，物質流分析和管理是迴圈經濟的核心調控手段。

　　從物質流分析與管理和迴圈經濟的相互關係來看，物質流分析和管理的調控作用主要體現在以下幾個方面。

　　1)減少物質投入總量

　　在社會經濟活動中，物質投入量的多少直接決定資源的開采量和對生態環境的影響程度。特別是對於不可再生資源，物質投入量的減少就直接意味著資源使用年限的增加，其對整個社會經濟和環境的意義是極為顯著的。因此，迴圈經濟強調要在減少物質總投入的前提下實現社會經濟目標。通過減少物質總投入，實現經濟增長與物質消耗和環境退化的“分離”。如何在減少物質投入總量的前提下保障經濟效益，通過技術和管理手段，不斷提高資源利用率和增加資源迴圈使用量是兩個關鍵。

　　2)提高資源利用效率

　　資源利用效率反映了物質、產品之問的轉化水平，其中生產技術和工藝是提高資源利用效率的核心。通過物質流分析，我們可以分析和掌握物質投入和產品產出之間的關係，並通過技術、工藝改造和更新，提高物質、產品之問的轉化效率，提高資源利用效率，達到以儘可能少的物質投入獲得預期經濟目標的目的。

　　3)增加物質迴圈量

　　通過提高廢棄物的再利用和再資源化，可以增加物質的迴圈使用量，延長資源的使用壽命，減少初始資源投入，從而最終減少物質的投入總量。工業代謝、工業生態鏈、靜脈產業等都是提高資源迴圈利用的重要內容和實現形式。有關資料表明，2000年日本總的物質迴圈利用率達到10％左右，所迴圈利用的大都是資源短缺或價值較高的廢舊物質，如廢鋼、廢鋁、廢塑料等。但是，大量的物質在目前的經濟、技術水平上還沒有很好地被迴圈利用或根本無法迴圈利用。

　　4)減少最終廢棄物排放量

　　實質上，在社會經濟活動中通過提高資源利用效率增加物質迴圈量，不但可以減少物質投入的總量，同時也可以實現減少最終廢棄物排放的目的。因此，在發展迴圈經濟過程中，生產工藝和技術的進步，生態工業鏈的發育和靜脈產業的發展壯大，可以通過提高資源使用效率、增加物質迴圈和減少物質總投入，達到減少最終廢棄物排放量的目的。3．4物質流分析對我國政策制定的影響物質流分析與管理作為迴圈經濟的重要調控手段，其對我國環境保護的政策意義主要體現在資源利用效率及物質迴圈率與靜脈產業的發展兩個方面。

　　物質流分析(Material Flow Analysis，MFA)作為一種核算方法，追蹤物質從自然界開采進入人類經濟體系中，並經過經濟活動在不同時段和區域中流動，最後回到自然環境中的情形，可以監測和追蹤那些貨幣價值很低但對自然環境影響較大的物質的流動。

　　(1)理論基礎

　　物質流分析的範圍是如圖3所示的經濟一環境系統。在這個系統中，社會經濟系統被包含在自然環境系統中，社會經濟系統與周圍的自然環境系統由物質流與能量流相連接。為了描述這2個系統的關係，人們提出了工業代謝和社會代謝2個概念。社會經濟系統被看做自然環境系統中一個具有代謝功能的有機體，該有機體對自然環境的影響可以用其他代謝能力(如該有機體從自然環境中攝取的以及排泄到自然環境中的物質量)來衡量。

　　根據物質守恆定律，一定時期內輸入一個系統的物質量等於同時期該系統存儲量與輸出該系統的物質量之和。對於上述社會經濟系統來說，自然環境所提供的輸人物質進入該系統，經過加工、貿易、使用、回收、廢棄等過程，一部分成為系統內的凈存儲，其餘部分輸出物質返回到自然環境中去，而整個過程中的輸入量恆等於輸出量與存儲量之和。

　　經濟一環境系統涉及到的基本概念主要有：

　　代謝主體構建物質流分析賬戶，明確代謝主體非常重要，否則就不能準確區分輸入與凈存儲。所謂代謝主體是指社會經濟圈內“吞”“吐”物質的可獨立觀測的基本單位，也就是輸入物質的消費者，如人、動物和機器等。需要特別指出的是，農作物(包括糧食和經濟作物)一般不作為代謝主體，否則物質輸入的邊界將延伸到礦物層，如多少氮、鉀的輸入，使所需數據無從統計。同理，森林也同樣作為輸入物質；而不作為代謝主體，漁業有人工養殖和捕獲之分，在物質流分析賬戶體系申，只有人工養殖為代謝主體，野生捕獲魚作為輸入物質。代謝主體在物質流分析中均以存量出現。

　　隱流和間接流隱流是指經濟活動所動用的而未被使用的物質量。這些被動用的物質量沒有進人代謝過程，卻是必需的“輸入”。如為了開采鐵礦石，必須掘進坑道或剝離表土和覆岩，這些物質並沒有進入代謝過程，被代謝主體所消費，所以稱其為隱流；德國也稱其為生態包袱。歐盟的物質流分析賬戶中，把國內物質開采所需的隱流稱之為國內無效伴生物質；把進口和出口物質對應的稱為間接流，它包括使用的和非使用的間接流；而在進口來源國為開采鐵礦石而發生的剝離量被稱為非使用的間接流。

　　系統邊界由於物質流分析所關心的焦點在於社會經濟系統在自然環境系統中的物質代謝，因此進行物質流分析研究時需要對系統邊界做如下兩方面的定義：①本國社會經濟系統與自然環境系統之間的邊界，是指直接從自然環境中開采的原料通過此邊界進入社會經濟系統進行進_步的加工轉換；②本國與其他國家的行政邊界是指成品、半成品以及原料經由該邊界，由本國出口到其他國家或由其他國家進口到本國。

　　在物質流分析研究中，只考慮通過系統邊界輸入經濟系統或輸出經濟系統的物質流，經濟系統內的物質流並不在研究之列。在這一原則基礎上，家庭的牲畜被視為經濟系統內部的物質流而不予統計，農業生產中使用的化肥被視為經濟系統輸出到自然環境的物質流。

　　(2)分析框架

　　圖4為物質流分析方法的基本框架。輸入經濟系統的物質中最主要的一部分是由本國自然環境中開采出的各種原料，包括化石燃料、礦物質、生物3部分。伴隨上述國內開采原料而產生的國內無效伴生物不進入經濟系統，沒有經濟價值，一經產生就輸出到自然環境中去。此外，輸入經濟系統的物質流還包括從其他國家和地區進口的成品、半成品和原料，以及與生產這些物質有關的間接流。輸入經濟系統的物質流一方面成為該系統內部的物質凈存儲，如基礎設施和耐用產品等；另一方面經過單位統計時段(一般以年為單位)的消費，成為通過系統邊界返回到自然環境中的廢棄物和排放物；此外還有一部分物質通過系統邊界出口到其他國家和地區。在輸出到自然環境系統中的廢棄物中，有一部分被稱做消耗流，即在生產使用過程中不可避免產生的廢棄物，包括化肥、農藥等在農業生產中的使用，以及其他產品在使用過程中的磨損。

　　物質流分析與迴圈經濟有著密切的關係，基於物質流分析的管理政策和手段是發展迴圈經濟的核心調控手段。目前我國迴圈經濟的實踐在3個層面(區域、行業、企業)展開，而物質流分析的手段也可以在不同層次應用。結合我國迴圈經濟發展的實踐，下麵就區域(國家)層次、行業層次、企業和產品層次3個方面介紹物質流分析的應用。

　　(1)區域(國家)層次

　　這裡的區域層次既可以達到國家層次，也可以指省(或城市)層次。區域(國家)層次的物質流分析方法又被稱為總體物質流分析(Bulk—MFA)，主要研究區域經濟系統的物質流入與流出。前者主要應用於20世紀90年代，隨著人們可持續發展意識的不斷增強以及經濟全球化步伐的加快，基於國家經濟系統的總體物質流分析方法在20世紀90年代中期開始逐漸成為研究和應用的主流。日本、奧地利、美國、丹麥、德國、義大利、芬蘭、荷蘭、瑞典和愛爾蘭等國家，目前已經建立了國家層次的物質流分析賬戶，並通過物質流分析得出的結果為政府部門提供決策支持。

　　監測資源與生態環境狀況並分析其與經濟發展的關係，需要一套實用的定量指標，如上所述，物質流分析就是這樣一套近年來備受關註的分析方法，併在發達國家迅速應用到賬戶指標體系。在構建我國的物質流分析賬戶時，應該充分借鑒國外一些已經完成的物質流核算經驗，結合我國的實際情況，建立適合我國國情的物質流分析賬戶。通過對我國的資源利用情況進行物質流分析，也可以為我國建立迴圈經濟指標體系，確立具體而明確的迴圈經濟發展目標提供直接而有力的施政依據。

　　(2)行業層次。

　　對行業層次的物質流分析既可以採用上節介紹的方法，也可以採用另外一種被稱為元素流分析(SubstanceFlowAnalysis，SFA)的方法。該方法主要研究某種特定的物質流，如鐵、銅、鋅等對國民經濟有著重要意義的物質流，砷、汞等對環境有較大危害的有毒有害物質流。

　　目前國內外學者對元素流分析做了大量的研究，已經形成了一套成熟的方法。這裡介紹2種物質流分析方法。

　　第一種方法是物質流的定點觀察法。為了研究某種產品生命周期中的物質流狀況，選定物質流中的一個區間作為觀察區。然後，觀察這二區間內物質流的變化。對這一區間內生命周期各階段流人和流出的有關物質量，都要弄清楚。如果把物質的流動比喻成一條河流，那麼用這種方法研究物質流，就好比是站在一座橋上，進行定點觀察。這座橋的位置一般都選在某一年度的產品生命周期的始端，因為從這裡能觀察到上一個生命周期的回收階段和本生命周期的生產、製造階段以及部分使用階段。

　　第二種方法是物質流的跟蹤觀察法。為了研究某種產品生命周期中的物質流狀況，選定一定數量的該種產品作為觀察對象。然後，沿著這些產品生命周期的軌跡，對其進行觀察。生命周期中各階段流入和流出的有關物質量，都要弄清楚。如果仍用河流作比喻，那麼用這種方法研究物質流，就好比是坐在一條船上順流而下，對選定的物質對象進行跟蹤觀察。跟蹤的行程，至少要從某一個生命周期的起點，一直到它的終點，途中經過產品的生產、製造、使用和產品報廢後的回收4個階段。只有這樣，瞭解的情況和收集的數據才比較完整，才便於做進一步的分析。必要時，甚至要連續觀察一個以上的生命周期。

　　(3)企業和產品層次

　　企業層次物質流分析方法在企業層次應用上的具體體現就是清潔生產的物料平衡。物料平衡是清潔生產的一個重要組成部分，通過衡算可以弄清楚原料和能量的實際利用情況及廢棄物的排放量。做物料平衡的目的不僅僅是為了使物料平衡，而是為了發現問題。通過進行物料平衡，可以瞭解原材料除了做成產品之外，另外的部分究竟消耗到了哪裡，有哪些排放方式，排放量是多少。通過繪製物料平衡圖，很容易確定各排放點的排放方式及其排放量，還可以確定污染最嚴重的排放點，以便對各排放點採取相應的排污措施。物料衡算的數據常用3種方法獲得：第一，對實際生產過程進行直接測定，一般以實、狽0為準；第二，通過對技術文件的統計獲得；第三，在不可能進行實測的地方，也可以根據化學計演算法進行估算。必須註意，現場實測必須進行完整的3個以上的生產周期(或持續生產72h)才能獲得比較準確的數據。當然也可以引用一些經驗值，衡算允許有很小的誤差。但是如果差別很大，應加以覆核和完善。一般說來，如果輸入總量和輸出總量之間的誤差在5％以內，則可以用物料平衡的結果進行隨後的有關評估與分析，反之則必須檢查造成較大誤差的原因，重新進行實測和物料平衡。