1、第二章 工業生態學的基本理論2 產業代謝理論第1頁，共43頁。作為新興的學科領域，產業生態學的一個核心內容就是對產業代謝的研究，其研究目的是分析我們社會的物質基礎、產業系統內部以及與環境之間的物質和能量交換。當前的產業代謝造成了資源耗竭，并對環境產生了巨大壓力。那么如何才能使其可持續發展呢？通常認為，最有效的方法是通過物質回收、最優化能源利用、提高物質利用效率等途徑最小化其與環境系統的物質交換，從而實現產業系統的可持續發展。產業代謝概念的提出第2頁，共43頁。產業代謝的發展3452K.Boulding 1966強調人類社會由“牧童經濟”向“飛船經濟”轉變。D.Meadows 1966增長的極限

2、第一次用計算機模型模擬人口、工業、農業、污染和資源增長關系，超越極限人類必將崩潰。R.U.Ayres 1968，1969，1974）開展了美國的物質流分析，并將其結果與人口GDP聯系起來，提出應把環境污染與控制看做是整個經濟中的物質平衡問題。A.Kneese1974提出MIPs(單位產品或服務物質投入強度)生態包袱等重要概念，進一步發展了代謝分析。1A.Wolma1965ScientificAmerican第一次發表了他對美國城市代謝的經驗估計。他指出為了滿足城市居民家居、工作、休閑所需的物質及廢棄物的處理形成了城市代謝。牧童經濟：所描述的地球是一個物質充裕的開放系統，其特征為高強度的物質代謝

3、。飛船經濟：是指地球是一個封閉的系統，資源有效、經濟發展應重質量而不是數量。第3頁，共43頁。產業代謝的發展20世紀80年代，Ayres等人就經濟活動中物質與能量流動對環境的影響進行了創新性的研究；1989年，美國環境生態學家R.A.Frosch首次通過模擬生物新陳代謝過程和生態系統的循環再生過程提出了“產業代謝”的概念。第4頁，共43頁。 但是，目前產業代謝的研究成果對公共政策的影響非常微弱，應用范圍也極其狹窄。原因有很多：一、理論研究與具體政治目標的脫節，二、缺少有效的產業代謝分析工具，三、在理論研究和政策制定過程中，沒有充分重視經濟和自然生態系統中物質流動的作用。產業代謝概念的提出第5頁

4、，共43頁。產業代謝分析概念 產業代謝分析是描述產業系統中物質能量從資源采掘，經產業和消費系統到最終作為廢棄物處置的整個過程的方法。 產業代謝是模擬生物和生態系統代謝功能的一種系統分析方法。包括四個組成部分，即：生產者、消費者、再生者和外部環境。可以通過系統結構變化分析，功能模擬和產業流分析來研究工業生態系統的代謝機能及其控制方法。第6頁，共43頁。產業代謝示意圖太陽空氣家庭及個人消費風景：改善環境水地表水、地下水制造業、建筑物、運輸銷售服務廢棄物處置生物群落 藻類 蠕蟲 細菌 昆蟲采礦與鉆井從公用 從私或無主 人所的土地 有土地農業和林業在私人土地 公共土地上的耕作 與 上打獵 釣管理 魚

5、放牧123456758910111213141516171819第7頁，共43頁。產業代謝和生物代謝的聯系和區別（1）在個體層次上： 單個企業與生物體個體之間存在很大的相似性，兩者都是由自由能流驅動的物質加工轉化系統，而且兩者都是出于一種遠離熱力學平衡的穩定狀態的自組織“耗散系統”。區別: 生物體可以進行自我繁殖，而企業只能生產產品或提供服務，無法創造新企業。 生物體是高度專門化的，并且不能再短期內改變自身的行為模式；而企業是不需要專門化的，他們可以很容易地從生產某種產品或提供某種服務轉向生產另一種產品或另一種服務。（2）在系統層次上：不同的生物體之間通過互相提供食物而形成了相互依賴的鏈條關系

6、，建立了自然界物質的健康循環，將生物體與非生物體環境之間構成一個統一的、不斷進行物質循環和能量流動的整體，從而保持著生態系統的平衡和相對穩定。區別：產業代謝研究的宗旨是通過對經濟活動中純物質的數量與質量的追蹤，揭示構成產業活動的全部物質和能量的輸入、儲存轉化與輸出過程及其對環境的影響。第8頁，共43頁。（3）區別：自然生態系統中的元素代謝過程是封閉的，而產業生態系統中的代謝過程是開放的。無機物營養 C N P生物產品（無生命）生物體（有生命）流動回收回收流動再生再生光合作用尸體排泄物質流動的生物模型-生物地化循環物質流動的工業模型-工業原料循環自然環境原材料商品最終產品生產設備提取產生廢棄物廢

7、物循環利用副產品、家庭廢棄物產品生產再制造、恢復產品分銷第9頁，共43頁。產業代謝分析的內涵產業代謝分析是通過對產業系統中物質能量的輸入-儲存轉化-輸出過程的數量的追蹤，反映產業活動對環境的壓力。 通過對產業系統中物質流動途徑及其狀態的跟蹤分析，建立物質收支平衡表。 產業代謝分析的基本觀點是：人類活動產生的環境影響在很大程度上取決于進入經濟系統的自然資源和物質的數量和質量，以及從經濟系統排入環境的資源和廢棄物質的數量和質量。第10頁，共43頁。產業代謝的研究內容（1）在有限的區域內追蹤某些污染物：如針對江河流域地區工業集中、人口密度大和環境污染重的特點，可以通過產業代謝分析追蹤特征污染物的遷移

8、和轉化。（2）分析研究某一物質，特別是重金屬：由于其潛在的毒性，重金屬應列入首先對象。分析跟蹤環境中重金屬相對比較容易。（3）具體研究某種物質成分：產業代謝研究也可以僅限于某種物質成分、以確定其不同形態的特性及其自然生物地球化學循環的相互影響。（4）產業代謝也可以研究不同的與這樣那樣的產品相聯系的物質與能量流，例如德國烏珀塔爾研究院曾經就多種日用消費品進行了產業代謝分析，典型的例子是對澄汁的產業代謝分析。 第11頁，共43頁。德國是世界上人均橙汁消費量最高的國家，每人年消費橙汁21升。歐洲消費的橙汁中80以上來自世界上最主要的橙汁生產國巴西。橙汁從巴西到德國要經過12000公里的長途運輸。 為

9、了運輸的經濟性，橙汁要濃縮成原來狀態8的總量， 并在零下18度的條件下冷藏。 橙汁生產的主要原料是水和石油。石油主要用于生產蒸汽，用于橙汁濃縮加工。 生產1噸橙汁需要8.1千克石油。 如果包括運輸與冷藏在內，每噸橙汁約需100千克石油。 水的消耗同樣不可小視：每一杯橙汁至少需要22杯水，主要用于濃縮過程中產生蒸汽和運到德國后稀釋濃縮橙汁。 產業代謝研究內容第12頁，共43頁。 分析表明在德國生產1升橙汁需要25千克其他物質消耗，還不包括所謂的生態包袱。即為了取得生產橙汁所需的石油與水而需要消耗的能源與原料。而物質流分析方法將會對此進行研究。 比如說，生產1千克石油約需0.5-20升的水。如果我

10、們想做一全面分析，就應把這些水也包括進去；同樣地，也應該包括在橙汁運輸分銷過程中需要大量的小規格包裝物料（用于適應航空與鐵路運輸的獨立小包裝）以及由此產生大量的廢料。 我們可從以下兩個角度使橙汁生產與消費更為“生態化”：一是生產者應設法減少這25千克的物質消耗， 例如讓濃縮過程更為有效；另一角度，看起來難以實現，那就是減少橙汁消費。產業代謝研究內容第13頁，共43頁。 就德國而言，每人每年喝掉21升橙汁，如果按照“生態足跡”來計算，生產這21升橙汁相當于需要24平方米的土地。換句話說，德國每年消費的橙汁總量， 相當于需要巴西的150000公頃良田，這相當于瑞士國土面積的3倍以上。 由此可見對于

11、社會- 環境系統的物質流分析可以重新審視我們的經濟活動，引導經濟系統中物質和能源流動向更可持續的方向發展。近年的研究成果也表明，對于產業代謝的研究應該基于對經濟和環境系統中物質流的分析，因此國內外專家學者紛紛將研究重點轉向對物質流的分析，并且已經取得了一定成績。產業代謝研究內容第14頁，共43頁。產業代謝分析的類型（1）資源代謝分析（2）組織或區域代謝分析第15頁，共43頁。幾個重要的概念MIPs（單位服務的物質強度）：是指為消費者提供一個單位的產品或服務所涉及的整個生命周期過程（生產、消費、廢棄物處置）的物質流的數量。生態包袱：指生產或提供單位服務所需要的物質投入總量與產品質量之差稱為生態包

12、袱。隱流：那些在提供商品的過程中被搬運或被使用，而本身并不進入經濟系統的物質被稱為隱流。分為2類：一是隨目標材料一同開采后又被分離和拋棄的輔助材料，如金屬礦中的石塊；二是被挖出或受到擾動的物質，如開采礦石所挖出的覆土。減物質化：在產業代謝分析基礎上產生的改善物流和減少資源消耗的概念，是指在產業生產過程中減少物料消耗和降低能量強度的現象。第16頁，共43頁。表 1 資源代謝分析的分類中文名稱英文名稱英文縮寫元素流分析element flow analysisEFA分子流分析molecular flow analysisMoFA物質流分析substance flow analysisSFAmate

13、rial flow analysisMFA3第17頁，共43頁。元素流分析-舉例元素流分析的對象是單個元素。例如，當對一個系統開展硫元素分析時，我們不需要考慮它究竟是單質硫、二氧化硫、還是硫酸，而只需要關注單位時間內轉移的硫的質量。元素硫分析可在任何尺度上開展。1993年，國際應用系統分析研究所的Stigliani和Anderberg首次采用元素流分析方法，研究了流域范圍內的重金屬代謝。該項研究在空間模型上是萊茵河全流域，他們認為大河流域是進行產業代謝分析的理想實體。第18頁，共43頁。分析的對象為鎘、鉛、鋅三種金屬以及氮、硫和林丹。分析有三部分構成：（1）識別含有以上元素的化學品在其生命周期

14、的每一個階段對空氣、水和土壤的排放與沉降；（2）構建一個全流域污染模式；（3）評價環境影響及所提出的排放量削減政策，或與所要考慮的化學品相關的其他問題。第19頁，共43頁。分子流分析工業生態學的第一例分子流分析是由加利福尼亞大學的M.Molina和F.S.Rowland聯合開展的關于氟氯烴的大氣循環研究，并獲得了諾貝爾獎?？茖W家們在大氣層中檢測到了工業中用制冷劑的氟氯烴，Molina等人推斷氟氯烴在大氣層高能太陽輻射的作用下最終將分解，其分解產物進而與臭氧反應，消耗平流層中的臭氧。幾年后，南極上空臭氧空洞的發現證明了他們的分析是正確的。第20頁，共43頁。表 2 大氣層甲烷分子流分析收支項目流

15、量/ (Mta-1)（以碳計）源自然源濕地120（100 - 200）白蟻20（10 - 50）海洋10（5 - 20）水合物0（0 - 5）人為源煤炭、天然氣開采100（70 - 120）稻田60（20 - 100）反芻動物80（65 - 100）固體廢物處理80（60 - 100）生物質燃燒40（20 - 80）匯與HO反應的消耗430（350 - 510）土壤吸收30（15 - 45）注：1. 此為1990年數據。對于每一個項目，都有一個最佳的預測值，括號中數據表示該項目預測可能范圍。 2. 參考 T. E. Graedel, P. J. Crutzen, 1993.4第21頁，共43頁

16、。 人類社會經濟系統與自然環境之間是依靠各種物質流(material flow)聯系起來的， 產業代謝分析實質上是對這些物質流的研究與分析。20世紀80年代后期，人們逐漸認識經濟系統中的物質流動對于物質的全球循環具有重大的影響；另外經濟系統還影響自然生態系統的物質和能源消耗。因此許多學者認為，人類的經濟系統是自然生態系統的子系統。 經濟系統中的物質與能量流動與生態系統中的物質和能量流動相類似，但具有以下特性： 1. 經濟系統與生態系統之間的物質交換量大而迅速； 2. 經濟子系統內部物質流動迅速； 3. 經濟子系統內物質利用率低。物質流分析第22頁，共43頁。 簡單說來，物質流分析主要是對社會經

17、濟或環境系統中的物質輸入和輸出進行量化，建立物質流賬戶，以便進行以物質流為基礎的優化管理。 它具體是通過物理單位（如質量）對物質從開采、生產、消費、循環使用直到最終處置進行結算，其分析的物質可以是元素、原材料、產品、制成品，也可以是廢棄物以及向空氣、水的排放物等等。 物質流分析第23頁，共43頁。 20世紀90年代初,德國Wuppertal研究所的研究人員提出了生態包袱(ecological rucksacks)的概念，后來也稱其為隱藏流(hidden flows)。此后形成了較為完善的物質流分析框架，并廣泛應用于各國研究中。如德國、荷蘭、美國、日本、澳大利亞、奧地利、芬蘭意大利、波蘭、瑞典、

18、英國、法國等主要發達國家先后對本國的資源物質利用情況與經濟發展進行了分析，近年來，中國、巴西、委內瑞拉等少數發展中國家也開始進入該研究領域。 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注，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，為環境政策提供了新的方法和視角。 物質流分析第24頁，共43頁。2. 組織或區域代謝分析組織代謝分析（organismal metabolic analysis，OMA）是針對單個產業組織（如一個工廠）開展的分析；區域組織分析（regional metabolic analysis，RMA）是指對某一特定

19、地區內部及其邊界開展的物質流分析。第25頁，共43頁。表 4 1996 年 5 個國家國內不同行業的環境排放奧地利德國日本荷蘭美國總排放量/ Mt農業9.544.830.644.6231.6建筑業5.426.225.43.0110.0能源部門2.9133.1119.712.4723.9工業11.035.3171.318.1653.0民用6.556.435.214.0280.4交通部門5.557.977.817.1668.9人均排放量/ t 農業1.20.60.22.90.9建筑業0.70.30.20.20.4能源部門0.41.61.00.82.7工業1.40.41.41.22.4民用0.80.

20、70.30.91.0交通部門0.70.70.61.12.5注：參考 E. Matthews, et al. , 2000.2第26頁，共43頁。圖 5 煤的主要產業代謝流程注：參考T. E. Graedel, B. R. Allenby, 20021第27頁，共43頁。分析：從圖中可以看出，在目前的工業生產體系中，煤炭資源基本上是一種單向流動，即人們從自然界中索取大量的煤炭資源，在滿足人們生產和生活需求后，又講大量的廢棄物和污染物排放到環境中。大量直接燃煤產生的煙塵、SO2造成的大氣污染，以及CO2溫室氣體的排放.以1995年中國為例，燃煤造成的煙塵、二氧化硫和二氧化碳排放量分別為103410

21、4t、1702104 t和45000104t，分別占當年全國總排放量的70%，90%和75%。隨著經濟的發展，這種污染排放還有增長的趨勢。而且由于中國煤多油少的能源結構，決定了煤炭作為我國基礎能源的局面短期內是不可能改變的。第28頁，共43頁。 意義：產業代謝研究可以揭示產業系統的結構及系統中各成分之間、產業系統與環境系統之間的耦合關系，從而為了解產業系統的結構及其對環境的影響，為尋找改善物質代謝和提高能量利用率、減少環境排放的機會提供基礎。 從代謝總量上，提供了一種衡量經濟發展“之重”的參數，即提供了一個維持經濟系統正常運行所需要的物質的數量，而資源的消費量與環境的壓力之間存在著正相關關系。

22、 從代謝結構上，它以物質流分析為手段，提供關于產業體系運行機制的一個整體理解。產業代謝分析的意義和用途第29頁，共43頁。產業代謝分析方法的應用（1）資源管理：代謝分析方法可以為資源的分析、規劃、開采等管理措施提供基本的技術支持，可以提供一種資源的開采、使用、存量及其變化量的關系模型，可以用于檢測資源的開采和使用行為。（2）廢棄物管理：產業代謝分析可以有效識別不同廢棄物的成分，這對于采用適當的廢棄物處理措施（填埋、焚燒、堆肥）非常必要。（3）產業轉型： 產業轉型的主要目的是研究社會、技術和環境之間存在的復雜關系，確定各種變化的驅動力，探討使環境承受較小壓力的發展途徑。第30頁，共43頁。產業代

23、謝分析基本要素（1）物質 這里的物質是指研究的對象，既包括原材料，又包括經過化學合成的物質，也可以指產品。類別亞類舉例類別亞類舉例原材料礦物質材料 生物質材料 礦物燃料鐵礦，銅礦，金礦，石灰礦谷物，蔬菜，魚，野生動物煤炭，石油，天然氣產品礦物質材料 生物質材料 礦物燃料鋼材 大理石板 首飾牛奶 咖啡 肉 木材汽油 煤氣加工材料礦物質材料生物質材料礦物燃料生鐵，銅，石灰褐煤，甲烷，礦物油廢棄物氣體水體固體CO2 SOx VOCN P S廢塑料 廢玻璃第31頁，共43頁。（2）過程 指物質在系統中轉化、運行或存儲的過程。轉化的過程是指物質以一種形式進入系統，而以另外一種形式輸出。主要過程（黑箱）次

24、要過程1次要過程2次要過程31234614235876分解綜合產業代謝分析中的“過程”第32頁，共43頁。（3）流量和流速 每一個過程聯系著物質的輸入和輸出過程，流量和流速表征這些物質流的強度和速度。流量是指單位時間內流經系統的物質的數量或質量，用kg/a表示。流速是指單位時間、單位面積內物質的流量，用kg/sm2表示。例如：瑞士的紙消費量1.8106 t/a，反映的是流量，246 kg/人a反映的是流速。SO2排放：3.0104 t/a，反映是流量； 0.7g/m2 a，反映是流速。第33頁，共43頁。（4）轉化系數 指針對某一個過程，物質的輸出與輸入量之比。過程XXi1Xi2Xi3Xo1X

25、o2轉化系數的推導對輸出流Xo2而言，它的轉換系數TC2=XO2/(Xi1 + Xi2 + Xi3) 100%第34頁，共43頁。產業代謝分析程序（1）明確研究的問題和預期目標 首先必須明確所研究的問題，幷根據前期的調研，適當確定目標。（2）定義系統邊界 包括確定系統的時間、空間范圍及所考慮的物質類型。結合研究的目標，在定義系統的地理邊界時，最好選擇在“行政上”和“地理空間”上獨立的單元。（3）確定與系統相關的流、存量及過程 明確了系統的范圍和所考慮的物質后，首先要根據質量守恒原理，初步描繪出各種物質在系統中的輸入、儲存轉換及輸出的方式及過程。（4）計算過程 計算系統各過程的流量和存量及轉換系數。（5）研究報告。第35頁，共43頁。產業代謝分析量化指標（1）物質的再循環利用率 指產業系統中物質的再循環利用量與自然消耗的比值，是反映系統是否穩定的一個指標。 （2）物質生產率 指單位物質（能源）投入的經濟產出，是衡量產業代謝效率的一個主要指標，物質生產率越高，物質的生產率越高，經濟的效益越大。第36頁，共43頁。產業代謝分析形式（1）研究對象：既可以是某