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第4章产业代谢分析产业代谢分析是从生物学的代谢论引申出来的一种评价人类产业活动对环境压力的分析方法。通过产业生态系统与自然生态系统的“类比”，20世纪70年代，Ayres等正式提出了产业代谢分析的概念。经过30多年的发展，产业分析方法逐渐建立了一套独立的科学体系，在术语定义、研究方法及实践应用方面取得了显著进展。本章内容首先介绍了产业代谢分析的概念；产业代谢分析的方法原理；产业代谢分析的一般程序；产业代谢分析可使用的软件；按照宏观（国家）、中观（区域）微观（家庭）等不同尺度介绍了产业代谢的研究进展；以案例的形式介绍了产业代谢分析方法在不同空间尺度、不同研究对象中的应用。4.1产业代谢分析概论4.1.1产业代谢概念4.1.2产业代谢分析的基本原理4.1.3产业代谢分析的意义和用途4.1.1产业代谢概念代谢：该词起源于生物学，指的是一个生命体的内在发展过程，即生物体在吸收了富含能量的低熵食物后，用它维持自身的生存和发挥其各项机能，并在此基础上使自身得到增长和繁殖，同时将高熵的废弃物排出或呼出的过程。熵是对事物混乱度的量度，按照热力学第二定律熵增原理，演化总是朝着无序、混乱和衰退的方向，即总是在不断地增加熵值——并趋于接近最大熵值的危险状态。产业代谢的发展产业代谢可追溯到1857年J.Moleshott的著作中的社会代谢论的概念，他认为生命是一种代谢现象，是物质能量与环境的相互作用过程。社会代谢论认为：如果人类社会的物质代谢量不超过自然生态系统中可更新资源的生产和供给能力，这种代谢为“基本代谢”；如果超过可更新资源的生产和供给能力，必须使用不可更新资源的代谢为“外延性代谢”，这种代谢方式是不可持续的。社会代谢论逐渐发展成代谢分析方法的20世纪60年代发表的《增长的极限》（TheLimitstoGrowth）、《人口爆炸》、《富裕的终结》等系列书籍，给世人提出了环境压力的警告。其中《增长的极限》中关键性的结论是经济增长和人类生存所依靠的自然资源和地球承载力是有限的，人类在物质层次上无限增长的需求同我们星球在物质意义上的有限性存在着尖锐的矛盾。如果人类社会急需追求无限增长的目标和无止境的消费，最终会突破地球众多极限中的某个极限。这些著作引起了人们对环境问题的思考和关注，积极寻求评价和减缓人类活动对地球环境压力的科学方法。代谢分析方法就在这种环境下产生和发展起来的。20世纪70年代，美国的Ayres等对经济运行中物质与能量流动对环境的影响进行了开拓性研究，通过企业与生物个体、产业系统与生物系统之间的“类比”，提出了产业代谢的概念，并得到了美国国家工程院和美国全球变化委员会的认可。产业代谢分析是描述产业系统中物质能量从资源采掘，经产业和消费系统到最终作为废弃物处置的整个过程的方法。产业代谢示意图产业代谢分析可以从个体和系统两个层次理解生物与产业之间的类比关系。个体层次上生物有机体通过新陈代谢作用，把各种无机物和有机物转化为能够为自身生长发育所需要的营养，同时排放废弃物。企业则可以把它看成经济界的一个生物个体，不同的是生物界的生物体可以进行自我繁殖，而企业只能生产产品或提供服务，无法创造新的企业。生物界的生物体是高度专门化的，并且不能在短期内改变自身的行为模式，如植物通过光合作用吸收二氧化碳并释放氧气；而企业是不需要专门化的，它们很容易地从生产某种产品转向生产另一种产品。如生产电视机的企业也可以在引进新的生产线后生产录像机。就企业自身而言，它并不是一个可以自调节的稳定系统，它的运行需要人类的劳动、价格、需求等机制来调节。系统层次上不同生物体之间通过互相提供食物而形成了相互以来的链条，即食物链，建立了自然界物质的健康循环，将生物体与非生物环境之间构建成一个统一的、不断进行物质循环和能力流动的整体，从而保持着生态系统的平衡和相对稳定。通过与自然生态系统的类比，产业代谢认为产业生态系统就是由为数众多的企业、完善的规章制度、理性的消费者和有效的货币体系构成的，通过原料供应、生产制造以及消费和废弃物排放等过程相互联系在一起的，这种相互依赖的关系就是产业生态系统中的“食物链”。与自然生态系统相同，产业生态系统的运行需要不断地从自然界获得物质和能量。产业代谢分析的宗旨通过对经济活动中纯物质的数量与质量的追踪，揭示构成产业活动的全部物质和能量的输入、储存转化与输出过程及其对环境的影响。产业代谢关注的是人类活动对自然环境的压力。这种压力最直接反映就是对元素地球化学循环过程的干扰。就物质转换这一点来讲，自然系统和产业生态系统扮演着同样的角色。如下图。右图反映了物质在自然生态系统和产业生态系统中的循环过程。不同点：自然生态系统的元素代谢是封闭的，而产业系统中的代谢是开放的、单向的。很容易看出只有通过持续的物质和能量的供给才能维持工业系统的运行，否则工业系统就将处于崩溃状态。随着不可更新资源的日渐消耗及最终废弃物的不断增加，这种工业过程是不可持续的。因此，人类的产业必须模拟自然生态系统，实现代谢过程由“线形”向“环形”发展。人类活动的影响已在很大成都上超过了自然流动的规模。以镍和铅为例（如下表），因人类活动向大气环境排放的量已分别超过自然排放量的19.8和10.86倍，因此，人类的产业活动严重的破坏了自然生态系统的代谢平衡。大气环境中自然和人类活动造成的金属排放量元素自然总贡献量能源生产冶炼和加工制造过程商业、交通及废弃物焚烧人类活动引起的排放总量超过倍数锑2.61.31.5------0.73.50.35砷12.02.212.42.02.3190.58镉1.40.85.40.60.87.64.43铬43.012.7------170.831----铜6.18.023.62.01.6354.74铅2812.749.115.7254.933210.86锰1212.13.214.78.3382.17汞3172.30.1------1.23.6-----镍2.5424.84.50.45219.8硒3.03.92.3-----0.16.31.1铊291.1-----4.0----5.1----锡103.31.1------0.85.1-----钒28840.10.71.2862.07锌4516.872.533.49.21321.934.1.2产业代谢分析的基本原理产业代谢分析遵循的基本原理是质量守恒定律；产业代谢分析是通过对产业系统中物质能量的输入－储存转化－输出过程的数量的追踪，反映产业活动对环境的压力。也就是通过对产业系统中物质流动途径及其状态的跟踪分析，建立物质收支平衡表。揭示产业系统的结构及系统中各成分之间、产业系统与环境系统之间的耦合关系，为了解产业系统的结构及其对环境的影响，寻找改善物质代谢和提高能量利用率、减少环境排放的机会提供基础。质量守恒定律是自然科学中最重要的定律之一，是指在任何与周围隔绝的物质系统中，不论发生任何变化或过程，其总质量保持不变。产业代谢分析的基本观点人类活动产生的环境影响在很大程度上取决于进入经济系统的自然资源和物质的数量与质量，以及从经济系统排入环境的资源和废弃物质的数量与质量。前者产生对环境的扰动，引起环境的退化。后者引起环境的污染。产业代谢分析的概括从实物的质量出发，通过追踪人类对自然资源和物质的开发、利用与遗弃过程，研究可持续发展问题；即，通过对自然资源和物质的开采、生产、转移、消耗、循环、废弃等过程的分析，揭示物质在特定区域内的流动特征和转化效率，找出环境压力的直接来源，作为评价该区域发展的可持续性指标，进而提出相应的减少环境压力的解决方案，为实现可持续发展的近、中期目标提供科学依据。4.1.3产业代谢分析的意义和用途意义：（1）从代谢总量上，提供了一种衡量经济发展“之重”的参数，即提供了一个维持经济系统正常运行所需要的物质的能量，而资源的消费量与环境的压力之间存在着正相关关系。因此，要减少发展经济的环境压力，实现可持续发展，必须减少单位产出的物质消耗量，提高物质的生产力，提高物质生产率，即在提供同样的产品或服务的同时实现物质的投入量最少，以抵消人口和GDP增长所带来的环境压力。（2）从代谢结构上，它以物质流分析为手段，提供关于产业体系运行机制的一个整体理解。这样可确定真正的问题所在并选择优先解决的目标。（3）但是产业代谢分析并不仅仅是对经济系统中物质总量的一个描述。对于那些与环境问题密切相关的物质，如有毒物质、高残留物质等，通过产业代谢分析，可以跟踪他们在自然界的来源、在产业系统中的转化过程、在环境介质中存留的物理和化学的状态及滞留的时间等信息，为人类制定有效控制手段提供数据基础。产业代谢分析方法的应用（1）应用于资源管理①可以为资源的分析、规划、开创等管理措施提供基本的技术支持；②可以用于监测资源的开采和使用行为。③通过产业代谢分析可以揭示物质资源在自然生态系统中的耗竭及在人类产业系统中的富集过程，分析结果能够帮助人们更深入地认识提高资源循环利用率及质资源可持续使用的重要性，一旦资源分析的结果具有较高的准确准确性，公共政策即可能对这些方面施加影响。（2）废弃物管理可有效识别不同废弃物的成分，这对于采取适当的废弃物处置措施（填埋、焚烧、堆肥）非常必要。通过对废弃物成分的“溯源”分析，产业代谢分析的结果可以知道产品的生态设计，如“为再循环而设计”“为环境而设计”等（3）产业转型主要目的是研究社会、技术和环境直接存在的复杂关系，确定各种变化的驱动力，探讨是环境承受较小压力的发展途径。产业转型研究的一个重要因素是考虑人类的需求和活动通过干扰生物地球化学循环（碳、氮、水等）而对全球变化和生物多样性的直接影响；并主要考虑能源、原材料、食品等的生产活动，产业代谢分析可以为产业转型提供多学科的研究框架和数据基础。4.2产业代谢分析方法4.2.1产业代谢分析方法的基本要素构成1)物质2)过程3)流量和流速4)转换系数1)物质指研究的对象。包括：①原材料；②经过化学合成的物质（聚氯乙烯、聚丙烯等）；③某种物品。在具体分析时，可能同时涉及到物质产品的不同形态。例如：研究汞的代谢时，一定会考虑汞在系统中转换的各种途径及其所存在的状态，如汞化合物。欧盟发布的《物质流分析手册》中对物质的分类（如下表）类别亚类举例原材料矿物质材料生物质材料矿物燃料铁矿、铜矿、金矿、石灰矿谷物，蔬菜，鱼，野生动物煤炭，石油，天然气加工材料矿物质材料生物质材料矿物燃料生铁，铜，石灰褐煤，甲烷，矿物油产品矿物质材料生物质材料矿物燃料钢材、大理石板，金银首饰，化肥牛奶，咖啡，肉，木材，皮毛饰品汽油，煤气废弃物气体液体固体CO2，SO2N,P,S废塑料，废玻璃•按照材料在产品的不同生命周期阶段进行分类，每个阶段又可以进一步划分。2)过程指物质在系统中的转化、运行或储存的过程。①转化过程指物质以一种形式进入，而以另外一种形式输出。（呼入O2－呼出CO2）②运行过程指物质在系统中位置的移动过程。③储存过程指单位时间内，物质停留在系统中，没有发生转化及运行的过程。过程是进行代谢分析时的基本单位针对一个研究对象，如一个城市，可以将其视为黑箱，先描述这个系统的主要输入（1,2,3）及输出过程（4,5）。进一步分析时，可将黑箱打开，将主要的过程分为几个次要的过程，并分析各次要过程之间的物质流（6,7,8），最后结果进行汇总，再回到系统层次上，因此，这是一个“综合”到“分解”再到“综合”的过程。主要过程（黑箱）次要过程（1）次要过程（2）次要过程（3）1232154354678分解综合产业代谢分析中的“过程”3)流量和流速每一个“过程”联系着物质的输入和输出过程，流量和流速是表征这些物质流的强度和速度的单位。流量指单位时间内流经系统的物质的数量或者质量，可以用Kg/a等单位表示。流速指单位时间、单位面积内的物质的流量，可以用单位Kg/（s.m2）等单位表示。流速比流量更准确地描述物质流过“界面”时的状态，因此可以用于不同的过程或系统之间的比较。以瑞士的纸消费量为例，1.8*1