物质代谢研究进展综述

传统的线性经济生活模式导致人类社会面临着巨大的环境压力,因此为提高资源的利用效率,实现社会经济的可持续发展,物质代谢研究逐渐成为近年来国际研究领域的热点问题。文章从三方面对国际上关于物质代谢研究进展做了阐述:①物质代谢的研究背景;②物质代谢的基础性研究,包括不同层次的物质代谢吞吐量的研究和物质代谢定量分析方法的探讨;③物质代谢相关的研究进展,包括土地利用/覆盖变化、自然环境效应和可持续发展与物质代谢作用关系的讨论。最后,对其未来的发展方向提出了一些建议,认为除了要进一步完善物质代谢研究方法和模型外,还应从土地利用/覆盖变化、研究尺度、政策和行为、生态环境效应等角度对物质代谢进行拓展分析。     

基于MFA的青岛市城阳区物质代谢研究

基于欧盟的物质流分析(MFA)框架,对青岛市城阳区的物质代谢状态和代谢强度进行了系统分析.结果表明:1995─2004年城阳区资源投入量和污染物排放量分别增长3.6和1.8倍,化石燃料和矿物约占资源投入量的50.26%～76.30%,进口资源量所占比例呈逐年增长趋势,经济发展的资源外部依赖性较强.万元GDP资源投入由6.01 t降至3.56 t,万元GDP污染物排放量也降低了63.74%,表明城阳区经济发展的资源利用效率和生态效率已有不同程度的提高,但仍远高于发达国家20世纪末期的水平,因此提高资源生产力和控制污染物排放是实现城阳区可持续发展的必由之路.      

城市物质流分析框架及测算方法

在借鉴国家物质流分析(MFA)框架基础上,针对进出城市系统的物质数据缺乏且难以统计的特点,引入面向元素或产品的物质流分析(SFA)要素,建立了城市尺度物质流分析框架.与国家物质流分析相比,该框架总体结构和物质分类上相同,但输入量、净存量和输出量的计算顺序和假设条件不同.对于化石能源,可由城市统计年鉴中的能源平衡表直接得出本地开采量、净存量、调入量和调出量;对于生物质,本地开采(生产)量一般都有统计,净存量可通过假设人均消费量相对稳定估算得出,而调入量和调出量则需要对大宗工业用途进行调查并做少量假设计算得出;对于金属矿物及其产品、工业非金属矿物及其产品、建筑材料3类物质,本地开采量和消费量一般都有所统计,而调入量和调出量的计算则需要首先采用针对元素或成品的物质流分析来获取城市系统中的净存量,然后再配合生产和消费数据并做少量假设测算得出.其他项目的获取或测算同国家物质流分析,由此得到的城市物质流分析框架可以用于城市间物质代谢的比较.      

中国汽车行业钢铁物质流代谢研究

汽车行业在我国发展迅速,汽车行业的钢铁物质流代谢在整个国民经济的钢铁物质流代谢系统中的影响已不可忽视。研究中国汽车行业钢铁物质流代谢对再生资源利用产业、再制造行业的发展具有重要的意义。结合系统动力学方法及相关经验模型对中国汽车行业钢铁物质流代谢进行研究。首先通过Gompertz模型研究了世界主要国家汽车千人保有量与时间的关系,以此为参照设定中国汽车千人保有量随时间变化的相关参数。其次利用中国汽车行业钢铁物质流循环代谢的系统动力学模型,对系统关键流量、存量的动态变化过程进行考察分析,通过设定不同情景、不同寿命分布,研究中国汽车报废量、钢板和零件耗钢量随时间变化的规律,并探讨了零件再制造、汽车轻型化等问题。选取汽车千人保有量为260辆/千人的中等情景进行分析,考察时间为2011-2050年,结果表明报废汽车年折钢量与汽车行业钢材年消耗量比值不断上升,最终可达到1.2;再制造行业潜力巨大,零件再制造数量将近8亿件;延长汽车4 a寿命,可减少近一半的汽车报废量;通过轻型化,钢材年消耗量可减少18%,减少近650万t,累计减少1亿多吨钢材,节省大量资源,经济和环境效益显著。     

城市生活垃圾循环利用系统物质代谢框架的构建

讨论了传统的物质流分析(MFA)方法用于城市生活垃圾代谢分析的适用性及不足之处,在此基础上结合城市生活垃圾的处理流程,对传统的MFA框架进行了改进,构建了适合城市生活垃圾代谢分析的框架,并对新框架的3个模块进行了详细的说明,建立了相应的评价指标体系并给出了应用实例。城市生活垃圾循环利用系统物质代谢分析框架能够清楚地描述生活垃圾进入经济系统后的具体流向和流量,为描述城市生活垃圾的代谢情况提供了定性及定量化的分析工具。     

滇池流域磷循环系统的物质流分析

研究营养元素在社会经济系统中的物质代谢结构及特征,是有效预防和控制地表水体富营养化的关键性分析技术之一.以滇池流域磷循环为研究案例,运用物质流分析方法建立了2000年流域静态物质流模型(PHOSFAD),并在此基础上识别出流域磷循环系统的总体结构特征,以及资源开采、化工生产、农业种植、畜禽养殖、居民生活等生产和消费部门的物质利用效率特征,为科学防治滇池水体富营养化提供了重要决策依据和参考.     

基于能值分析的城市物质代谢研究

采用能值分析方法,构建了基于城市物质代谢通量指标、代谢存量指标和代谢效率指标的城市物质代谢指标体系,并以北京、天津、上海和重庆四个直辖市为例计算了2005年四城市物质代谢状况。分析结果表明:北京市代谢效率最低;上海市代谢通量和代谢存量最大,但是代谢效率不容乐观;重庆市代谢通量和代谢存量在四个城市中居于末位,但是代谢效率最高;天津市在四个城市中代谢呈中等水平。最后根据分析结果对城市今后的可持续发展提出了意见和建议。     

区域土地利用变化的物质代谢响应初步研究

文章在描述相关研究进展的基础上,认为在物质资源不断减少的情形下,物质代谢效率提高对于人类社会发展具有更为重要的意义。并在此基础上,分析了土地利用方式、土地利用强度、土地利用布局等土地利用变化过程对于物质代谢变化的影响机理。以江苏省为例进行实证分析,构建区域土地利用变化的物质代谢驱动力模型。结果表明,随着1989年以来江苏省土地利用强度的不断提高,物质代谢通量快速增长。土地利用强度越高,物质代谢通量值越大,土地利用强度提高10%,则物质代谢通量将提高5.62%,因此,资源利用量与污染物排放量越多,带来的环境冲击也就越大;但土地利用强度越高,物质代谢效率值就越小,土地利用强度每提高10%,物质代谢效率就提高5.03%,因而单位GD P的资源利用量与污染物排放量也就越少。虽然物质代谢效率在提高,但是物质资源日益稀缺,物质代谢效率需进一步提升。最后提出了区域土地利用变化物质代谢效应响应的研究方向。     

矿业城市的物质代谢分析——以徐州市为例

资源利用与污染治理决定着矿业城市物质代谢效率的高低,对城市的生态建设起着关键作用,是城市能否实现可持续发展的关键所在。本文结合DEA模型和生态效率度量模型,从资源利用和污染治理的角度对徐州市1995年-2007年的物质代谢演变进行了综合评价,并利用分形理论对其进行了分析和预测。结果表明:徐州市物质代谢效率在1995年-2007年期间以5%的年增长率稳步提高,其中资源利用与污染处理能力的年增长率分别为6.4%和4%,与地区生产总值12.7%的年增长率存在较大差距,表明徐州的经济发展依旧是以相当的生态环境影响为代价;在现有的政策条件下,徐州市物质代谢效率将保持稳步增长的态势。文章最后提出资源利用与环境治理协调发展的若干建议,以进一步提高徐州物质代谢效率的增长速度。     

物质流分析视角下北京市物质代谢研究

作为"重大国家战略"的"京津冀一体化"日益引起社会各界的高度重视,推动其进程的加快,首先要解决的就是该区域的资源环境问题,而北京作为该经济圈的核心,其资源环境问题的解决更是起着关键性的作用.在提高城市环境质量、改善人们生存环境方面,北京市仍任重而道远.运用物质流分析方法(EW-MFA)可以深入探讨社会经济发展与资源消耗及环境污染之间的关系,从而为社会经济发展过程中资源环境问题的解决提供科学依据.因此,本文采用欧盟物质流核算框架(EW-MFA)建立了北京市"吞吐"状态的物质代谢模型.结果表明:1992—2014年北京市的物质输入与输出总体呈上升趋势,矿物和化石燃料是北京市物质输入的主要组成部分;受社会经济发展水平的影响,北京市的物质投入强度表现出先上升后下降的趋势;研究期间内物质代谢效率不断提高.针对北京市的资源环境问题,应转变传统发展理念,不能一味地追求物质财富的增加而忽略生态环境的影响,且不断推动技术的革新和产业结构的调整应成为实现社会经济可持续发展的有效路径.     

区域环境-经济系统物质流与能流分析方法及实证研究

物质和能量流动是环境-经济系统正常运行的基本条件,研究原料、能源转化为产品和废弃物的代谢过程及环境影响,对于提高资源生产力,从根本上解决资源环境问题至关重要。参考区域物质流分析和能流分析方法,提出了区域物质流与能流分析的概念和研究框架,并对天津市1998-2007年间的物质流和能量流进行了实证研究。结果显示:2007年天津市物质消耗为97.25×10⁶ t,能源消耗为47.15×10⁶ tce,年均增长率分别超过10%和8%;外部调入物质约占直接物质输入量的46%,其中煤炭占了约40%,且完全依赖外部调入;资源消耗强度较高、产出率较低,导致资源大量消耗、污染物排放总量持续增长,这对区域资源环境产生了较大压力,环境容量总体处于饱和状态。最后针对存在的问题提出了相应措施与建议。     

废弃物循环利用方法学研究进展

物质流动和循环的演化是社会代谢过程的表征,也是循环经济和循环型社会建设的真实反映。作为物质循环演化过程中的环节之一,废弃物循环利用在实现物质闭环流动上扮演了重要的角色。研究对近年来国际国内废弃物循环利用研究领域的方法学进展进行了综述和总结。目前,废弃物循环利用相关的研究方法主要包括元素流分析、物质流分析、投入产出分析、成本收益分析、生命周期分析等方法。此外,一些学者也在研究废弃物循环利用的过程中引入了最优化建模和动力学建模的方法。     

聚合物基复合材料老化性能研究进展

分析了湿热老化、化学侵蚀和大气老化对复合材料的作用机理及对其力学性能的影响,阐述了上述环境作用下的聚合物基复合材料腐蚀寿命预测模型,提出了存在的主要问题及今后的发展趋势。认为材料腐蚀机理的细节、环境因素之间的交互作用、不同方法和装置之间的相关性是今后的研究重点。     

负投入法在循环经济规划中的应用

采用基于物质流核算框架和三维物质投入产出表(PIOT)的物质代谢调控模型编制循环经济规划时,在实际中存在着同一行业的产品计量单位不一致的问题,给物质代谢调控模型的构建带来了困难,尝试用负投入法对此加以解决.首先,在理论上对负投入法的可行性进行了探讨.其次,给出了如何在三维PIOT框架下运用负投入法解决前述问题的具体方法.最后,以河南省义马市循环经济规划为例,对所提出的方法进行验证.结果表明,在PIOT中,负投入法仍能够准确地反映主产品和副产品之间的技术关系.而负投入法在价值型投入产出表中的2个缺点,在PIOT的应用中都可以克服.在具体应用中,需要处理好由投入产出分析行模型计算所得的“负投入”量与实际总需求量之间的关系,以及副产品的需求量与供应量之间的关系.案例分析表明该方法是实用、可行的.     

资源环境领域脱钩分析研究进展

为掌握资源环境领域脱钩分析的研究进展,论文采用概括和比较分析的手段,从脱钩概念界定、脱钩分析的主要关注领域、脱钩分析的测度方法以及脱钩指标4个方面对资源环境领域的脱钩分析进行了梳理和概括。归纳出已有研究的几个特点:①不同研究对于脱钩的定义和类型划分不同,就脱钩而言,主要区别在于所包含绝对脱钩、相对脱钩和衰退性脱钩中的类型不同;②目前脱钩分析的研究领域主要集中在宏观层面以及部分行业(产业)层面的环境(资源)压力与其驱动因素之间的脱钩分析;③不同研究所采用的脱钩测度方法有很大差别,目前大致有8类不同的脱钩测度方法;④脱钩指标也是脱钩分析中的一项重要研究内容,目前还没有一个统一的指标体系,越来越多的研究将各类有关环境压力和资源消耗的指标应用到脱钩分析作为脱钩指标。最后探讨了还需要进一步深入研究的内容。     

土壤重金属地球化学背景值影响因素的研究

在北京、天津、济南、南京、广州和广东省采集了46个土壤样品,样品包括由花岗岩、片麻岩、辉长岩,橄榄辉长岩和石灰岩发育的褐土、黄棕壤、红壤、黄壤、赤红壤、砖红壤和石灰土。测定了样品中铜、锌、锰、铬,钴、镍、铅和砷的含量并进行了Q型因子分析和两组线性判别分析。结果表明,可将46个土壤划分为由酸性岩发育的土壤和由基性岩发育的土壤两大类。酸性岩土壤又可再划分为高铅花岗岩和低铅花岗岩土壤两组.基性岩土壤也可再划分为火成岩土壤和沉积岩(石灰岩)土壤两组。结果又表明,46个土壤的8种重金属元素的地球化学背景值与母岩类型之间的关系远比与土壤类型之间的关系更为密切。     

基于应力强度因子的发动机连杆裂解力数值模拟分析

目的为获得合适的裂解力,以某款轿车发动机连杆为研究对象,应用扩展有限元法(Extended Finite Element Method,XFEM)对裂解工艺中的裂解力进行计算分析。方法根据部件的实际尺寸建立预制初始微裂纹条件下的连杆裂解有限元模型,确定相关的材料参数,并进行有限元网格划分,确定部件之间的约束类型。以应力强度因子大于材料断裂韧度,裂纹即扩展为依据,反复试算得出应力强度因子达到断裂韧度时的裂解力,进而通过大量计算和数据拟合得出初始微裂纹长度与裂解力之间的关系。分析裂解力对塑性区的影响,为裂解力阈值确定给出参考。结果当裂解力能够满足裂解工艺要求时,预制的初始微裂纹长度应尽可能小。结论最为理想的裂解力为材料断裂韧度对应的裂解力。文中提出的分析方法也适合于求解各类连杆的裂解力。