人类系统内物质与能量流核算的范围及方法

按照生态经济学的观点，人类经济社会系统是生态系统的一个组成部分，人类的系统被看做一个活的由建筑物、街道、机器、人体等组成的有机体，它们的活动需要从生态系统提取或收获（流入）物质和能量，然后精炼、混合、焚烧，经过制造、使用、再使用和回收之后变成人类累积的存量或以变化的形式返回到生态系统中去（流出），这个过程被称为社会代谢过程。社会代谢的人类活动必将造成对生态环境的压力，影响生态系统的维持和可持续性。社会代谢研究可以反映人类系统与生态系统的关系，揭示人类系统对于生态系统的压力的形式和数量，即使不能直接给出生态系统的临界值，但是对于可持续发展可以提供重要的信息。社会代谢研究可以作为经济学和生态学合作研究的平台，社会代谢可以通过与社会经济领域的经济核算、经济过程和政治决策进行关联，同时也是生态学家共用的生物和生态术语，从而结合多学科的优势研究复杂的人类经济社会和生态系统的可持续问题。

物质代谢和能量代谢是社会代谢过程的两个方面，物质代谢和能量代谢交织着伴随社会代谢过程。能量或以能量富含物质的形式存在，或以某种物质为载体；社会代谢过程中物质的转换和空间移动需要能量提供动力，能量可以增加物质的易得性和物质的使用效率。物质代谢和能量代谢的明显区别是物质代谢是一个封闭系统，而能量代谢是有阳光能量投入的开放系统。但是，由于现实的技术障碍，从能源的可持续供应的角度来讲，能量的需求限制并不比封闭系统的物质限制来得宽松。

所以，社会代谢研究必须对物质代谢和能量代谢两个方面进行综合研究，只侧重其中的一个方面不会带来全面客观的社会代谢的认识。物质—能源流核算则是从统计的角度提供基础实际数据，从物质—能源流核算可以引导一些示踪指标来描述社会代谢的两个方面，这些指标不仅反映物质代谢过程，而且反映从生态系统索取与排放的物质和能量的组成和数量。这些对生态系统的取予，会直接影响生态系统的功能，包括对于当代和未来人类的服务功能以及对多样性生物的服务功能。一般认为生态系统功能的持续性问题是可持续发展研究的中心问题。

（一）物质流核算

由于人类系统孕育于生态系统，是生态系统的一部分，人类系统和生态系统不断地进行物质和能量的交换，人类从自然界中摄取水、空气、生物性及非生物性资源（流入），经过社会经济系统的代谢作用把一些物质转化成建筑、机器、道路、耐用消费用品等人类系统的物质存量，并把废弃的固体、污水、废气等又排放回自然中（流出）。显然，必须辨别国家为整体的人类系统的边界以决定人类系统的物质流入、流出以及物质存量核算的范围，这里涉及两个边界：一是人类系统与生态系统的边界；二是一国与全球其他领域的边界。人类系统由可独立处理“吞”“吐”物质的代谢主体组成，包括人体、人养牲畜和人工物质产品3大部分。只有流入和流出人类系统边界的物质被核算，一国人类系统之内的物质流并没有在核算和平衡表体现出来；机器设备、厂房、道路等固定资产以及产成品库存、耐用消费品、人类身体与人养牲畜被认为是人类系统的物质存量同样在MFA及其平衡表内进行计算。欧盟统计局（EUROSTAT）的MFA的方法指导为了将MFA和国民经济核算相对照，在国家边界上采取国民原则。

MFA的理论基础是第一热力学定律（质量守恒定律）。质量守恒定律为全面一致的流入、流出和物质积累记录提供了一个基本的逻辑基础。

物质的流入量＝物质的流出量＋物质存量的净变化

MFA应用3种维度为不同的物质流归类：①领土维度，区分国内和国外；②生命周期维度，区分直接和间接，物质流是否可以从上游物质需求进行直接或间接计算；③产品维度，区分使用和未使用，物质流是否进入了人类社会经济系统。

组合上述3种维度，物质流核算将流入物质流作了5种分类（见表4.5）。

表4.5　流入物质流分类

同样，流出物质流也被分成了5类（见表4.6）。

表4.6　流出物质流分类

根据质量守恒定律，上述流入、流出和库存物质的物质流可以被整合进一张物质流核算平衡表内（见图4.2）。

图4.2　物质平衡表组成

国家MFA除了上述的平衡表外，单个物质流的账户也被建立和编制，以辅助实务和分析工作，这些物质流账户包括：①直接物质投入账户；②国内物质消费账户；③物质贸易平衡账户；④直接处理过向环境流出账户；⑤两个导出净增物质存量的可选择账户；⑥物质存量账户；⑦直接物质流平衡表；⑧未使用本国开采账户；⑨直接流出账户；⑩总物质需求账户；〇11总物质消费账户。

随着上述账户次序的增加，要求更多的原始数据和编制工作。每种账户包括借贷两方，使用簿记记账的方法。为了弥补上述物质流核算不能反映人类系统内物质流的缺陷，在上述物质流核算的基础上进一步编制物质投入产出表，以描述人类系统内以及人类系统与生态系统之间的物质流动。投入产出表包括投入表（哪个部门使用哪种材料或从环境提取哪种材料等）、产出表（哪个部门生产或处理哪种材料等）以及物质集成表（全部部门、产品的投入产出表）。投入产出表可显示部门之间的物质流动（按工业行业分）或显示使用物质以生产其他物质（物质×物质表－例如铁矿石和焦炭用于生产钢）。水、能源和其他物质的单独分表也经常被编制，以反映这些重要物质在人类经济系统内以及人类经济系统与生态系统之间的流动情况。(www.xing528.com)

在国家MFA的基础上，增加数据的详尽程度，运用存量流分析方法（STAF）可以充分研究一种物质从开采、生产、使用到最终回归到生态系统的生命全过程，从而充分描述物质在人类系统内的流动。通过统计和分析物质在一定地理区域物质完全过程的库存和流动，能得到充分的物质循环的信息，有利于制定相关的物质效率增进策略、资源回收策略或最终处置方法，提高物质利用效率，减少对生态环境的索取和负担，从而对环境和物质资源利用、管理和评价提供帮助。这种方法适用于单一物质的分析评价，已经广泛地用于金属的循环分析中。

（二）能源流核算

1.能源流核算的概念

社会代谢研究方法将人类系统当成生态系统的组成部分，所以人类系统的能源流应该在更大的生态系统为背景下进行考虑。对于地球生态系统来讲，太阳辐射是最重要的能源来源。大部分的太阳能驱动水文循环和气候系统，小部分的太阳能为自养生物的光合作用所吸收，这个初级生产过程是地球生物食物链的基础，食草动物吃植物、食肉动物又吃食草动物，能量从此在食物链间传递，其间伴随富含能量的生物材料多种代谢的途径，物质流和能源流紧密交织在一起。在这个生态系统能量的营养动态过程里，吸收的太阳能没有丢失的部分构成了总初级产品（GPP），GPP减去植物的自身代谢的能量需要等于净初级产品（NPP），NPP便是食物网的能量投入。通常用卡路里为单位来衡量生物代谢体的能量含量，从而在物质流和能量流间建立连接的桥梁。

和物质流核算相对应，能量流核算也必须核算能量在人类系统的流入、流出和存量。能源平衡表仅对人工物质产品制造、维持和使用的能量投入进行核算，但是没有包括对于人体、人养牲畜的营养动态过程的能量核算，后者当然在生物生产力（NPP）的限度之内。社会代谢研究要求能量流核算和物质流核算一样，应对人类系统的人体、人养牲畜以及人工物质3大部分进行核算。能源平衡表能源一般采用低位热值，也就是对应净卡路里值，而食品、饲料等富含能量物质的能量值一般采用总卡路里值。为了将生态系统能量流与人类系统能量流相比较，人类系统的能量流核算一般采用能量富含物质的总卡路里值，这也符合技术进步增加能源转换效率的事实。

2.能源流核算方法

能量流按流经人类系统边界分类，包括两部分：一部分是通过国家人类系统边界从生态系统流入和流出到生态系统的能量流；另一部分是人类系统边界内的能量流。如图4.3所示。

图4.3　物质流边界

通过国家人类系统边界的能量流的核算，可以从国家MFA扩展的能量流核算来进行。直接能量投入（DEI）的概念与直接物质投入（DMI）的概念相对应，DEI包括国内开采和进口两部分。国内开采除了一般能源统计的技术能源投入之外，还要加上从国内生态系统收割并进入人类系统的生物能量含量。目前，后者的数据可以从农业统计和森林统计取得实物量数据，并用总卡路里值进行换算。进口部分应该包括一切进口富含能量物质的总卡路里值，不仅仅包括商品能源，这部分数据一般可以从国际贸易统计数据提取和换算。

总初级能量投入的概念与总物质需求的概念相对应，等于直接能量投入加上能量隐藏流。能量隐藏流包括国内和国外两部分，核算能量隐藏流比较麻烦，但还是可行的。

（三）物质与能源流量核算

1.物质与能源流量账户

物质与能源流量账户（Material and Energy Flow Accounts）描述了环境和经济之间以及经济体内部物质和能源在核算期内的流量，其中“物质”一词包括原材料、污染物和废弃物以及资源等广泛的概念。账户建立在十分详细的行业分类统计的基础上，针对人们关心的资源和废弃物编制详细的实物量账户，以投入产出模型为基础，建立经济环境模型来分析经济活动与有关的资源环境、废弃物之间的联系。

2.物质与能源流核算方法

物质与能源流核算从统计的角度提供基础实际数据，引导一些示踪指标来描述社会代谢的两个方面，这些指标不仅反映物质代谢过程，而且反映从生态系统索取和排放的物质和能量的组成和数量。这些对生态系统的取予，会直接影响生态系统的功能，包括对于当代和未来人类的服务功能以及对多样性生物的服务功能。具体核算流程如图4.4所示。

图4.4　物质—能量流示意图