人类活动的一项基本功能是从自然界不断开采资源,并将其加工成各种产品来满足生产和生活需要,同时向环境中排放污染物。因此,从宏观化学物质循环的角度来看,人类活动就是将地球表层物质不断进行时空转运和形态重构的过程。日益增强的人类活动已经成为影响地球表层物质循环格局、过程及其生态环境效应的主要驱动力,并引发区域性资源短缺和环境污染问题。为了推动资源与环境可持续利用,亟待发展物质循环科学,研究人类活动作用下的物质循环格局、过程与效应,发现物质的资源属性与环境属性相互转换规律,阐释“人类活动-资源消耗-污染物排放-环境归趋-环境效应”之间的互馈机制和响应关系,研发关键废物循环技术。本文界定了物质循环科学的研究视角与对象,并将其定义为一门研究人类活动作用下的地球表层物质循环路径、格局、过程与效应变化规律的学科;阐释了以人类矿床学为核心的物质循环科学理论体系,在此基础上明晰了物质循环格局与过程、废物循环技术、污染物排放的环境效应等相关方向的研究内容与方法;厘清了物质流分析、排放清单、废物循环技术、环境归趋与环境效应等研究方向的内在逻辑关系,并分析了物质流动路径中各过程之间的数据融合方法。
生命周期评价方法因可针对产业活动的物质流、能量流及其环境效应进行系统地量化与优化,已成为国际公认的进行环境管理、可持续发展评估和生态设计的必备工具。受制于尚未完善的生命周期清单和生命周期影响评价模型,当前中国生命周期评价研究存在应用面狭窄、溯源困难、结论冲突、源头减量化难控制等诸多问题。针对上述问题,本文指出基于过程的、快速的生命周期清单构建方法可实现“微观-中观-宏观-动态”多层次研究;统一完整的、动态的、适用于中国国情、较高数据质量、可共享的本土化生命周期清单数据库构建仍需进一步推进;生命周期影响评价模型的选用和修正对科学、精准的生命周期评价研究是十分必要的;具有时空属性的生命周期影响评价模型亟需进一步提升。最后,基于中国生命周期评价方法研究现状的梳理和分析结果,本文对未来生命周期评价的研究方向进行了展望。
煤基固废的大规模循环利用,对于中国西北大型能源基地的可持续发展和生态环境保护具有重要现实意义。本文以中国典型能源基地为研究对象,采用区域内固废、产业协同配置的思路,通过煤基固废制备化学品、环保材料、建材等关键技术开发,构建电石渣、气化渣、废催化剂等典型煤基固废循环利用关键产品链。结果表明：①电石渣、气化渣、废催化剂等煤基固废可通过杂质快速分离、矿相调控和载体重构等技术的耦合集成,制备性能良好的脱硫剂、水玻璃、催化剂等系列产品,直接用于区域内煤-电-化企业生产过程;②煤基固废中90%以上的钙、硅、铝得到有效利用,废催化剂中钒、钨、钛金属循环利用率超过90%,气化渣中残碳被有效分离利用。以上构建的循环产品链将煤炭、水资源利用效益分别提升36%和27%,3类典型固废综合利用率由28%提升至85%左右,为煤炭固废的大规模利用提供了新路径,从而可实现煤炭及其伴生/二次资源区域内的高效循环。
物质循环是人类获取资源的重要方式,尤其是对于磷这种地球生物生存不可或缺、不可替代的资源,理解其循环过程对资源可持续利用乃至人类永续发展具有重要意义。目前关于物质循环的研究多采用物质流分析方法,该方法是一种以物质流动过程质量守恒为基础、以系统分析为手段的定量核算方法,需要将系统物质流动路径与核算模型融为一体。为了解决传统物质流分析方法中数据与模型无法分离从而不适应与复杂物质循环过程模拟的问题,本文提出了复杂物质循环过程模拟概念模型与定量计算公式,建立了基于数据库、模型库、结果库、分析库4库分离的复杂物质循环过程建模方法,并基于EnVirLab环境虚拟仿真实验平台,以中国1600—2012年畜禽养殖系统磷循环过程为例开展方法验证研究,验证了基于4“库”分离的复杂物质循环过程模拟分析方法的可行性。本文对于建立标准化的物质流分析方法及开发复杂物质循环过程模拟软件,进而精确量化物质循环路径,对实现物质循环过程模拟从定量格局描述性分析向定量机理解释性分析转变具有重要意义。
目前中国从高速发展转向高质量发展阶段,城市规模迅速扩大,城市污水、污泥大量排放,污水污泥合理处置和资源化利用等问题成为了水污染治理与能源化利用的关键。本文基于投入产出方法构建区域水环境-经济-能源系统动态最优化模型,模拟分析2012—2025年福建省9市污水污泥再利用、环境保护与城市经济增长间均衡发展路径。研究发现：①引入先进技术的环境综合政策系统对经济增长有显著的促进作用,在COD年均减排3%,能源消耗为14500万t标准煤的约束下,通过技术引入和政策调控,到2025年,福建省新增污水处理能力3.7亿m3,新增污泥处理量37.6万t,GDP年均增速达到8.6%。随着环境约束增加、技术投入加大,经济增长具有边际递增效应;②环境政策手段对区域经济影响具有滞后性,地方政府应制定系统的中长期财政计划,以确保环境治理效果的稳定性和持续性;③引入污水污泥处理技术的政策系统为环境治理与经济增长实现“双赢”的发展模式提供了有力支持。运用创新的技术实现节能减排约束下的经济发展目标,有效地促进经济社会发展全面绿色转型。
城市矿产是工业化和城市化的产物,具有重要生态价值和经济价值,对城市矿产进行科学、深入、全面的研究有助于其可持续开采和利用。本文基于文献挖掘视角,以1988—2018年间与城市矿产相关的4351篇中文研究文献为对象,运用科学计量学与文本挖掘相结合的方法,定量研究该领域历年来相关研究的动态发展状况,并对未来发展趋势展开分析。研究发现：①中国城市矿产研究正处于发展瓶颈期,存在5个主要研究团队,以理论研究为主,其中翟昕和周永生所在团队着手该领域的研究较早（2010—2014年）,赵玉柱和李金惠所在团队在中间阶段较为突出（2015—2016年）,王昶所在团队在近期较为突显（2017—2018年）;②“矿产资源”（1995年）、“可持续发展”（2002年）、“矿业城市”（2004年）、“资源型城市”（2005年）、“循环经济”（2007年）等关键词在“城市矿产”（2010年）一词形成过程中扮演重要的更迭或者过渡角色,这与人们对城市矿产概念和认识的深化相关;③该领域在不同时间段的研究热点各异,政策导向性较为明显,与社会热点相结合是未来发展的趋势;④政策工具、技术进步与创新是该领域未来研究的重要关联主题。本文的研究能够帮助科研工作者和决策者快速了解和掌握城市矿产领域的研究状况和趋势方向,为推进城市矿产的深入研究和科学决策提供重要参考价值。
中国是全球最大的汽车制造和消费国,汽车行业带来的资源消耗和温室气体排放受到了学者的广泛关注。辨析汽车行业的物质资源代谢特征和碳减排潜力可为落实循环经济政策和实现可持续发展提供科学依据。本文基于动态物质流模型,预测了中国乘用车中21种物质材料的代谢特征,评估了乘用车使用过程中的碳减排潜力。研究结果表明：①1949—2019年中国乘用车中的物质存量呈现指数型增长趋势,由2.3万t增加至3.7亿t。2030年后物质存量逐渐饱和,并于2050年达到5.6亿~11.1亿t;②2050年乘用车中物质材料报废量将超过需求量并达到37.4百万~73.8百万t/年;其中,钢铁（包括高强钢、普通钢和铁）报废量将达到21.2百万~42.4百万t/年;其他战略金属和稀贵金属报废量将达到36.8万~59.8万t/年;延长乘用车使用寿命以及较低的乘用车保有量可有效减少产废量;③提高汽油车的燃料效率是最有效的碳减排策略,其碳减排潜力高达3.3亿t,可降低40%的碳排放量。本文的研究结果可为汽车行业物质资源的有效管理以及碳减排策略的制定提供科学支撑。
铜是支撑人类经济和社会发展的重要金属之一,人类活动主导了地球上的铜资源循环过程。本文基于文献成果,运用元素流分析方法,从总体循环格局、关键铜流演变过程、社会存量时空变化和铜循环的未来可持续性4个方面,系统分析了1910—2018年人类圈铜循环格局的动态演变及未来趋势。结果表明：①在过去的一个世纪中,人类圈铜循环强度显著增加,累计约有821.8 Tg铜资源从岩石圈中进入人类圈,其中约一半的铜以社会存量形式存储在社会经济系统中,另有381.7 Tg在铜循环各个过程中被损耗;②从关键铜流的区域演变过程看,人类圈铜循环已从之前的美洲为主导,转变为20世纪90年代起至2018年的亚洲为绝对主导;③铜社会存量的空间格局特征表明铜矿资源经开发利用后,在人类圈进行了空间再分配,经济发达地区累积了更多社会存量;④截至2050年,人类圈铜资源的供给能否满足持续增长的需求仍存在一定不确定性。本文最后从矿铜和再生铜两方面给出了提高铜资源供给能力的主要方向。
钴作为最重要的汽车电池材料之一,其供需平衡和物质流对全球主要国家交通绿色转型和应对气候变化至关重要。为揭示区域钴物质流的变化趋势,刻画其供应格局,本文以典型发达国家美国为例,构建了基于全生命周期贸易关联的钴物质流分析框架,开展了1995—2015年美国钴物质流量、存量和供应格局分析。研究显示：①从流量分析来看,美国采矿及精炼阶段由国内供应为主导向进口为主导转变,一次资源开采量呈递减趋势,二次资源利用规模逐渐扩大;制造阶段以高温合金和其他为主导;表观消费实现了从高温合金驱动向电池驱动的转变;含钴废弃物从其他与高温合金占主导向电子产品电池占主导转变。②从存量分析来看,终端消费品在用存量实现了从高温合金和其他驱动向高温合金和电池驱动的转换。③无论从流量还是存量来看,电动汽车电池表观消费及在用存量的总量占比在2011—2015年均增长了15%,需引起特别关注。④从供应格局来看,过去20年,美国净进口规模前3的含钴产品依次为材料、电子产品电池和电动汽车电池;材料进口80%依赖欧洲的供应格局转变为亚洲占主导（35%）,美洲（27%）和欧洲（22%）为辅,供应来源日趋多元化;电池供应则进一步向亚洲集中,源自亚洲的电动汽车电池和电子产品电池进口占比分别从1995年的82%和57%提升至2015年的96%和91%。截至2015年,中国已经成为了美国最大的材料和电子产品电池供应国,第二大电动汽车电池供应国;中国供应了美国31%的材料,74%的电子产品电池和36%的电动汽车电池。在中美贸易摩擦加剧背景下,“美中”脱钩对全球、中国以及美国钴物质流的作用和影响值得深入研究和高度重视。厘清近20年来美国钴物质流变化趋势,有助于研判美国钴产业链演变态势,为进一步完善中国战略性关键矿产管理体制机制,制定适应性政策提供支撑。
中国是全球最大的精铅生产国和消费国,铅资源对外依存度一直保持在20%左右,而铅在全生命周期的损失带来的环境影响严重地危害了人类生命健康。本文定量分析了中国铅元素的流量、社会存量、理论报废量、回收量和循环效率等指标,得到中国铅资源在其全生命周期各个阶段的投入产出量、损失量和循环效率等情况,从而为中国铅资源高效循环利用和减少环境影响提供政策建议。结果表明：①1949—2017年中国铅的社会存量已达2553.2万t,其中82%的社会存量集中在2000—2017年期间;②1949—2017年,铅制品理论报废量已达3822万t,而实际再生铅的产量仅为1977万t,理论循环效率为52%,远低于欧美的98%;③2017年中国铅在生产、制造、消费和回收等4个阶段损失量的占比分别为6%、7%、14%和73%,表明政府在铅生产、制造和消费领域的一系列强制性管理政策效果明显,铅废物回收是铅损失控制的关键点;④未来中国铅的消费仍保持较高水平,铅制品的报废量将持续增加。因此,全面控制铅在各阶段的损失仍需政府进一步强化生产、制造和消费阶段的管理政策执行力度,特别是有针对性地出台系列强制性废料管理和报废回收的政策,大幅提高铅在全生命周期的利用效率和循环效率,有效解决中国铅资源短缺和环境危害严重等问题。
钢结构建筑因自重较轻、施工方便成为主流的建筑类型,但过去对该产业评估研究较少,缺乏对其资源生产率及环境影响的充分认识。本文选择中国西部、东北和中部地区的15个钢结构建筑设施作为研究对象,利用物质流分析钢结构建筑物质流动过程中输入、输出物质种类和重量,结合钢结构建筑所产生的经济价值,核算其资源生产率,同时对钢结构建筑中钢铁的物质流全过程进行生命周期评价。结果表明：①生产过程中95%的钢铁得到利用,5%成为废钢铁,钢结构建筑中单位建筑面积资源消耗量从高到低排序为矿物、水、氧气、化石能源、生物质,其中东北地区钢结构建筑的矿物质消耗量最大,达到107 kg/m2;②根据钢结构建筑直接输入物质所占比例,西部地区、东北地区、中部地区钢结构建筑资源生产率分别约为692元/t、512元/t、610元/t;③钢结构生命周期对环境影响最大的阶段为钢铁生产阶段;如果考虑循环利用,其环境影响最大出现在钢结构加工阶段,且钢铁循环利用可显著降低钢结构产业的环境影响。依据以上研究结果,东北地区钢结构建筑资源生产效率最低,应提高其资源生产效率,大幅度促进循环利用,实现可持续发展。
由于制冷剂较高的臭氧层消耗潜势和气候变化影响,政府和公众对于制冷剂的重视程度正不断加深。《蒙特利尔议定书》虽从源头上限制了臭氧消耗类物质（ODS）的生产和使用,却忽略了ODS的产品生命周期过程中潜在的释放风险。基于物质流分析方法,本文构建了中国澳门特别行政区（以下简称澳门特区）家用空调制冷剂的动态分析框架,并从生命周期角度量化了1998—2019年澳门特区家用空调制冷剂的流量和存量特征,揭示了不同制冷剂类型的潜在环境释放随时间的变化趋势。结果表明：①1998—2019年间,澳门特区家用空调制冷剂进口量、存量和释放量均有显著增加,其中最主要制冷剂类型为R22（CHClF2）,且R22释放也导致了最大的臭氧消耗潜势（ODP）影响和全球变暖潜势（GWP）影响。②1998—2019年间,澳门特区家用空调制冷剂累计进口量为1096.71 t,制冷剂的存量也由零增加至512.67 t且没有达峰的迹象。近年来,澳门特区家用空调废弃阶段的制冷剂释放量贡献占比高达80%,空调使用阶段制冷剂贡献率为20%左右。尽管澳门特区家用空调制冷剂的ODP影响和GWP影响已分别于2014年和2013年达到峰值,但存量仍然具有较大规模。③未来,澳门特区政府应继续巩固和完善废弃空调回收和处置措施,进一步增加现有处理企业处置能力、强化废弃制冷剂的回收和循环处置技术水平。本文的结果可为澳门特区制冷剂的有效管理提供参考,也可为其他城市核算家用空调生命周期制冷剂提供方法支撑。
电子废弃物回收利用具有区域性和长期性双重特征,区域层面电子废弃物远景资源化潜力分析可为国家循环产业布局及企业产能调整提供数据支撑。本文构建了区域层面电子废弃物远景资源化潜力预测模型（LRP模型）,并引入Weibull分布模型对调研获得的产品寿命分布数据进行修正,引入Logistic分布模型对LRP模型的时间维度进行拓展。以北京市五大家电为例,整合家庭及办公场所两个电子废弃物重要产生源,依托500户居民的网络调研数据,预测了至2050年北京市电子废弃物的资源化潜力,并对其影响因素及影响效果进行了系统的探讨。结果表明：①北京市电子产品报废量在2020年之前呈快速增长的趋势,年均增长率超10%,而之后年份变动幅度较小,总量均维持在1000万台以上。②电子废弃物资源潜力自2018年基本趋于稳定,年产生量超过26.5万t,其中金属含量较多,占资源总量的54%以上。③分析了人口增长趋势、寿命分布、逆向物流、边界设定4类情景对电子废弃物资源化潜力的影响效果,其中人口增长速度提升以及产品寿命缩短情景对电子废弃物总体的资源化潜力具有较大影响,分别会使2020—2050年间的蓄积资源化潜力提升41.87万t及133.11万t,边界设定情景则会大幅增加废旧电脑的资源化潜力,而逆向物流情景的影响则相对较小。建议加快运用数字化手段提升电子废弃物的溯源能力,加强电子产品全生命周期的统筹管理水平,促进高更新换代产品逆向物流及商业模式的配套衔接。
中国在资源、环境的约束下实现经济社会的发展,降低资源消耗,提高资源利用率是实现生态文明建设的重要策略之一,探索资源循环利用与生态文明建设的耦合关系对资源生命周期内的环境治理和绿色发展具有重要意义。根据资源循环利用与生态文明建设系统耦合机理,基于物质流分析方法和绿色发展指标构建两系统的评价指标体系,并运用耦合协调度模型,分析中国2007—2017年两系统综合发展水平以及耦合协调程度。结果表明：①资源循环利用综合发展评价指数先降低后增长,2015年受国内外政策、市场环境影响达到峰值,生态文明建设综合发展评价指数呈上升趋势,政策作用效果显著,环境治理成效明显;②两系统的耦合协调优化趋势不明显,分为2007—2010年的耦合改善阶段、2011—2014年的耦合降低和2015—2017年的耦合改善阶段,主要影响因素是资源循环利用中资源的高投入、废弃物的高排放以及低水平的资源循环。应从控制资源投入和废物排放量的层面完善资源全生命周期过程中的相关法律制度,加强节约集约利用资源,规范资源在生产系统和生活系统中的流动,进一步采取协调两系统的措施强化两者的耦合关系。
为推动循环经济加快转型升级,评估钢铁产业链“资源-经济-环境”耦合对实现可持续发展具有积极意义。本文基于生命周期评估和能值核算构建了耦合系统模型,从产品、企业、行业层面分析了中国钢铁产业链耦合机制,结合废钢回收率讨论并识别了影响各层面主体耦合的关键驱动政策,以期为行业管理者提供参考依据。结果表明：①中国钢铁产业链主体的耦合协调度具有明显差异,总体呈现下游>中游>上游的分布规律;②资源-经济-环境系统中影响产业链耦合的主导因素是资源-经济维度;③随着废钢回收率的显著提高,“去产能”“技术进步”“提高资源利用率”政策可对钢铁产业链不同类别主体的耦合产生积极影响。为提高中国钢铁产业链韧性及抗风险能力,本研究从多类别主体角度为产业链综合发展提出有针对性的政策建议。
中国煤炭储量丰富、消耗量大且其资源禀赋与经济发展水平呈逆向分布,大宗煤炭铁路运输所导致的温室效应不容忽视。由于铁路机车的技术应用存在时空异质性,因而有必要从生命周期视角解析煤炭铁路运输温室气体排放的时空变异特征,探索减排潜力。本文在构建煤炭铁路运输生命周期温室气体排放（Life Cycle Greenhouse Gas Emissions, LC-GHGEs）核算模型的基础上,量化1999—2017年3类机车的省级LC-GHGEs因子,刻画LC-GHGEs的总体变化趋势与时空分异特征。结果显示：①随着西北电力机车工作量占比大幅提升与西南水电的大力发展,西北、西南铁路运输的LC-GHGEs因子呈显著下降,而华北、华东呈略微上升,省际差异逐步缩小。②1999—2017年,煤炭铁路运输LC-GHGEs总量首先呈现相对稳定的增长趋势,经历2002—2011年的煤炭“黄金十年”后开始迅速下降,然后在2017年再次上升。自2002年起,电力机车替代内燃机车成为温室气体排放最大的贡献者。③内蒙古替代山西成为LC-GHGEs贡献最高的煤炭输出省份,重点输出省份的西向转移加剧了煤炭铁路运输的温室效应。煤炭铁路运输LC-GHGEs在输入省份的分布较为分散,钢铁生产大省的贡献较为突出。最后,基于上述研究结果,从机车技术升级、能源结构调整、调运系统优化等方面提出了如何有效降低煤炭铁路运输温室气体排放的对策建议。
资源产品大规模的国际贸易在对全球资源进行再分配的同时,也产生了显著的跨境环境影响转移。传统仅从国家或产业层面评估国际贸易中单一环境要素的隐含流已远无法满足国际谈判与博弈中的精细化决策要求。本文以铜资源为例,应用生命周期评价方法构建了产品级、多环境要素的国际贸易环境影响及隐含流核算体系,选取了2018年6种铜资源产品的国际贸易数据,核算了铜资源产品在国际贸易中对各国带来的环境影响变化及在各国之间形成的多环境要素隐含流。分析发现：①不同资源产品在生产加工过程的环境影响类别、国际贸易带来的环境影响变化和所形成的隐含流规律等方面均具有较大差异。②铜资源产品的国际贸易带来了全球环境影响的显著增加,其中,约97%来源于铜矿、粗铜、精炼铜等原材料产品的贸易,主要流向原料国,其余3%的贸易环境影响增加来源于铜废料的国际贸易,主要由中国等发展中国家承担;③总体上,在铜资源的国际贸易中主要形成了“发达国家→中、印等发展中国家→其他发展中国家”的全球环境影响转移链条。根据研究所得结论,建议在资源产品国际贸易谈判博弈和环境政策制定中,应综合考虑多环境要素,并结合各国经济发展水平对不同资源产品予以精细的差别化管理。
明晰废弃电器电子产品（Waste Electrical and Electronic Equipment, WEEE）回收处理的环境效益及其空间分布特征,可以促进回收处理体系的合理规划和布局。本文基于保有量系数法估算了充分规范回收处理和省际流动情景下2020年中国31个省份（不包括港澳台地区）WEEE回收处理量,测算了所产生的环境效益,并结合空间自相关方法分析了环境效益的空间分布特征。结果表明：①2020年WEEE回收处理实现节约原材料和能源7621.5万t、减少污染物排放18978.9万t、减少温室气体排放232.7万t;②WEEE回收处理的环境效益在空间上呈现“东强西弱”的总体格局;③WEEE回收处理的环境效益存在全局空间正相关,局部空间关联特征表现为“东部沿海高-高集聚”、“北部省份低-低集聚”、福建省和江西省低-高异常、四川省高-低异常的特征。④WEEE回收处理环境效益前5位中的广东、浙江和河南并未形成高-高集聚的空间特征。据此,提出完善正规高效的WEEE回收处理体系、从区域空间尺度对WEEE回收处理设施及能力进行布局、提高具有明显集聚优势省份的WEEE回收处理设施利用率、充分发挥环境效益较高省份带动辐射作用的政策建议。
