构建面向碳中和目标的物质流分析研究框架——基于文献计量视角

谭雪萍，耿 涌，宋晓倩，陈 伟

（1.中国矿业大学经济管理学院，江苏 徐州 221116；2.上海交通大学环境科学与工程学院，上海 200240；3.上海交通大学中国城市治理研究院，上海 200030；4.山东师范大学地理与环境学院，山东 济南 250358）

当前，控制温室气体排放是全人类共同面临的重大且紧迫的挑战，碳中和（Carbon Neutrality）已成全球共识。根据Net Zero Tracker（2023），截至2023 年2 月9 日，全球已有超130 个经济体通过国家法律修订、政策宣示、国家领导公开承诺等方式正式宣布了碳中和目标，这些经济体的温室气体排放量约占全球当前排放的近90%。其中，中国于2020 年9 月22 日提出“二氧化碳排放力争在2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和”，随后构建了碳达峰碳中和“1+N”政策体系，将应对气候变化作为国家战略，纳入生态文明建设整体布局和经济社会发展全局，把系统观贯穿到碳达峰碳中和工作全过程。可见，碳中和是一场广泛且深刻的经济社会系统性变革。一方面世界经济发展模式将从资源依赖型转向技术依赖型；另一方面能源技术变革将驱动全球环境资源管理格局发生重大调整。因此，能源技术迭代下的环境资源管理问题将成为碳中和背景下的关键课题之一，有必要深入探究环境资源管理方法体系对碳中和目标的支撑路径。

物质流分析（Material Flow Analysis，MFA）基于物质代谢视角，对特定物质在特定时空边界内流动的源、路径和汇进行追踪，是资源管理、环境治理和可持续发展评价的系统性量化工具［1］。MFA 方法体系包括元素流分析（Substance Flow Analysis，SFA）和经济系统物质流分析（Economy-wide Material Flow Analysis，EW-MFA），前者主要针对元素、化合物等特定物质，后者则关注混合物和大宗物资［2］。目前，国际MFA 研究正处于发展期（2000年至今）［3］，MFA 在产业生态学［4］、循环经济［5］、磷资源［6］和稀土［7］等领域均有广泛应用，为全球社会经济系统的可持续发展作出重要贡献。现有文献回顾了MFA方法的发展历程及在部分领域的研究进展［2-3，8-9］，但鲜有文献对发展期的国际MFA研究进展和前沿方向进行系统梳理，也尚未探讨国际MFA研究对碳中和目标的支撑路径。鉴于此，为了提高MFA研究与碳中和路径的契合度，本研究拟聚焦以下问题：①国际MFA研究在发展期的关键文献和重要研究主题有哪些？②如何构建面向碳中和目标的MFA研究框架？③国际MFA应用研究对碳中和目标的支撑路径有哪些？

1 碳中和与MFA的内涵关联

碳中和是指在规定时期内人为温室气体排放量和人为清除量之间的“收支相抵”。狭义上指二氧化碳（CO2）净零排放，广义上指所有温室气体的净零排放。碳中和的基本逻辑是“一减一增”，即通过减少“碳源”和增加“碳汇”，实现排放量与消减量的大致平衡。当前碳中和的主要实现路径可划分为5 类，即能源供给低碳化、能源消费电气化、关键部门去碳化、技术创新零碳化、治理能力现代化［10］。其中，针对减少“碳源”的路径主要有：①促进能源供给多元化，提高可再生能源发电占比。②提高能源消费部门（如交通、建筑、工业）的电气化水平，提高能源效率，加大低碳燃料替代，推进转型基础设施建设。③促进重点部门减排，如制造工艺脱碳化，发展循环经济。④减少农业直接温室气体排放。⑤革新技术，包括低碳、零碳和负碳技术。⑥利用政策工具激励碳减排，如构建绿色金融体系，完善法律、标准和监管制度。增加“碳汇”的路径一般包括两种：一是通过碳捕集利用与封存（CCUS）等开展技术固碳；二是利用森林、草原、土地、湿地和海洋等实现生态固碳。

MFA 是物质循环理论的一个分支，可追溯到早期Ayres 等［11］提出的物质平衡概念和社会新陈代谢。“代谢”源于生物学，后发展为“社会经济系统代谢”，即与生物体类似，各种社会经济系统（如工业园区或城市）也需要从周围环境获取物质和能量来支撑其内部活动，同时向周边环境排放废物［12］。在量化社会经济系统代谢过程方面，MFA 表现出独特优势，不仅可以核算各类物质（如元素、化合物、产品及其任意组合）在不同空间尺度下的存流量，还能评估物质代谢过程中的资源利用效率、环境影响及循环潜力，从而提升物质流管理绩效，促进社会经济系统可持续发展。在宏观尺度上，MFA 可核算全球和国家经济系统的物质需求总量、消耗强度和生产力等指标，从而评价全球和国家系统的可持续发展程度［2］。在中观尺度上，MFA 可追踪分析区域经济系统内的资源利用和废物排放情况，为城市管理提供决策支持［9］。在微观尺度上，MFA 可核算工业园区、社区、企业和家庭的材料效率和废物管理绩效等［5］。

总体而言，碳中和与MFA 具有较强的内涵关联性。首先，两者均符合可持续发展观。碳中和旨在通过技术革新和制度创新实现高能效和清洁能源结构，建立以低能耗、低污染为基础的可持续发展模式，与资源使用效率以及环境保护密切相关。MFA 是以“系统论”和“物质守恒论”为基础，跟踪调查特定系统中的物质流动轨迹，评估物质使用效率、环境影响、资源需求和循环潜力，以及优化物质管理系统，从而实现提高资源利用效率、减少废物排放量、推动经济系统可持续发展的目的［13］。其次，MFA 可为碳中和实现路径提供技术支撑。碳中和实现路径主要包括重要部门“减碳增汇”与技术政策创新，涉及资源管理、环境治理、技术创新与可持续评价等诸多问题，依赖宏中微观尺度下多主体的协同管理和多系统资源环境数据核算，具有高度复杂性。MFA 是一种系统性研究方法，可以打开各类物质在不同空间尺度下的系统代谢黑箱，准确核算不同技术情景下的资源需求与污染物排放量，并通过物质流分析指标体系对系统代谢效率、资源管理绩效等进行评价，可为重要减碳部门的碳中和实现路径提供有力支撑。

2 国际MFA研究进展与前沿综述

2.1 数据来源与研究方法

本研究以Web of Science（WOS）核心数据库（SCI 和SSCI）作为数据来源，对文献进行高级检索，检索条件设置为TS=（‘material flow analysis’ OR ‘substance flow analysis’ OR ‘stock and flow’），并将文献类型和语言类型精练为‘Article’和‘English’。检索时段为MFA 研究的发展期2000—2022 年（检索日期为2022 年8 月12 日）。通过对检索结果进行去重、整理、删除不相关条目，最终获得2 148篇相关文献。

鉴于CiteSpace（可视化文献分析软件）在处理具有多学科交叉特征的大基数文献时具有独特优势，可以全面揭示重要研究主题、发展脉络、热点前沿及关键知识基础等［14］，本研究首先使用CiteSpace 对共被引文献和关键词进行聚类分析，以识别国际MFA研究领域的重要知识基础和研究主题。然后通过文献研究法对MFA前沿应用研究进行文献梳理和剖析，并提出针对性的分析框架。最后使用演绎归纳法，从系统性视角构建面向碳中和目标的MFA整合式研究框架，并对MFA的碳中和支撑路径进行解析。

2.2 知识基础与关键文献

文献共被引聚类分析可挖掘相似文献的共同主题及重要文献信息，凝练出本领域的重要知识基础，是探究热点形成原因及演变过程的重要工具［15］。高被引和高中心性文献往往代表本领域具有影响力的概念、方法和理论［16］。表1为国际MFA的关键文献及类群。

表1 共被引聚类及关键文献列表

总体而言，国际MFA研究的关键文献主要集中在3个文献类群，即“资源管理（#0 resource management）”“环境核算（#4 environmental accounting）”和“指标（#7 indicators）”。其中，高被引文献主要来自类群#0、#4和#7，而高中心性文献多分布在类群#0和#4。首先，类群#0 涉及的关键文献较多。其中，Graedel等［17］填补了产业生态学在理论和方法上的空白，为MFA的应用研究提供了关键概念、理论基础和核算方法。Spatari等［18］开发了一个区域性的物质流模型，为MFA在金属领域的应用提供了重要的研究框架。同年，van der Voet［19］在《产业生态学指导书》（A handbook of industrial ecology）中详细介绍了SFA 的使用方法。此外，Gordon 等［20］运用自上而下的方法确定了全球铜循环的研磨和冶炼损失，为测算金属资源的损失量及尾矿回收潜力提供了方法支撑。其次，在类群#4 的关键文献中，Brunner等［21］编写的《物质流分析操作手册》（Practical handbook of material flow analysis）同时具备高被引和高中心性特征，该文献详细介绍了物质流分析软件的使用过程，并列举了14个关于环境管理、资源保护和废物管理的典型案例，为MFA 在环境核算领域的应用提供了重要参考。作为高被引文献，Bringezu 等［22］指出人类活动的环境绩效在很大程度上取决于物质流的数量和质量，从而为MFA在环境绩效评估方面的应用提供了理论支撑。在高中心性文献中，欧盟［23］发布的《统计口袋书：欧盟能源与运输数字（1970—1999）》（Statistical Pocketbook：EU Energy &Transport inFigures 1970—1999），汇集了欧洲能源行业和交通行业的所有统计数据，为MFA的环境核算应用提供了重要的数据基础。最后，类群#7包括2篇关键文献。其中，Binder等［24］提出带有消费函数的动态物质流模型，并通过相关指标评价了发展中国家耐用品的代谢效率。另外，Müller等［25］构造了基于通用动态物质流分析模型的指标体系，为测算和评价材料代谢效率提供了有力的工具支撑。

2.3 重要研究主题及演变规律

关键词是科技论文中表达主题概念的重要组成部分，能够反映核心研究内容与主题。关键词聚类时间线图可以捕捉某一领域的重要研究主题及其演变规律［14］。图1 展示了国际MFA 的12 个重要研究主题及其发展脉络，可分为基础研究和应用研究两类。

图1 关键词聚类时间线图

2.3.1 基础研究主题

该类主题包括“产业生态学（#0 industrial ecology）”“物质流分析（#6 material flow analysis）”和“物质流管理（#8 material flow management）”，分别代表国际MFA 研究领域的理论基础、方法体系和应用目的。MFA的理论与方法体系基本形成于2000年前。其中，产业生态学中的城市代谢和产业代谢是MFA 的理论基础［26］，元素流分析框架和物质流账户体系则为MFA在不同尺度的应用提供了基本工具［27-28］。2007年，Binder［29］提出物质流管理概念，将社会科学建模方法（Social Sciences Modelling Approaches，SSMA）嵌入MFA 方法体系，为MFA 在环境资源管理领域的应用奠定了基础，凸显了MFA 的管理决策价值。主题#0覆盖了EW-MFA 和SFA 在产业生态学的相关研究。随着欧盟［30-31］在2001年出台了标准化的EW-MFA编制方法导则，并相继推出修订版，国际上对于经济系统全物质核算的方法框架已基本达成共识，MFA 研究逐渐从基于EWMFA的经济系统全物质核算，转向基于SFA的物质流动规律分析，并向更小的尺度拓展。主要研究内容包括：①追踪材料和矿产资源在社会经济系统的来源、去向和流动路径［32］。②揭示物质对共享经济等现代化生活生产方式的支撑作用［33］。③阐明有毒物质（如多溴联苯醚和重金属）在代谢过程中造成的环境问题［34］。④评估资源效率［35］、资源供需趋势［36］和城市矿产开发潜力［37］。主题#6主要关注MFA 的方法改进［38］，如概率物质流分析、物质循环指标和基于广义熵的物质流分析，并与生命周期评价、投入产出分析、情景分析、机器学习和贝叶斯-蒙特卡洛模拟等方法集成创新［39-40］。主题#8 探讨了MFA 的管理应用场景，包括评估、规划和优化资源管理系统［41］，量化生产、消费和回收等环节的环境影响［42］，控制和管理废物回收质量［38］，评价资源管理系统的可持续性［43］。

2.3.2 应用研究主题

根据时间分片和持续时间，应用研究主题大致可分为过时应用主题和前沿应用主题。其中，过时应用主题的当前研究热度较低，按出现顺序排列，依次为“氮（#4 Nitrogen）”“塔拉戈纳州（#9 Tarragona province）”“重金属（#10 heavy metals）”和“合金元素（#7 alloying element）”。相反，前沿应用主题的当前研究热度较高，按出现顺序排列，依次为“城市固体废物（#2 municipal solid waste）”“铁（#1 iron）”“循环经济（#3 circular economy）”“暴露（#5 exposure）”和“可再生能源（#11 renewable energy）”。总体来看，MFA 的研究对象逐渐从植物营养元素、重金属和基础金属拓展到稀土、关键金属和纳米材料等。研究问题从简单的物质流核算，演变为评估城市固体废物的回收可行性、钢铁行业减排潜力、二次资源循环潜力与管理绩效、有毒物质的环境暴露、可再生能源技术对金属的影响以及可能的资源约束等。另外，从时间和空间边界的角度来看，不同气候政策和技术情景下的资源需求预测，以及基于全球范围的资源跨国流动网络与供应安全逐渐成为国际MFA的应用前沿。

在过时应用研究中，主题#4主要针对植物营养元素，通过将MFA 与投入产出法和生命周期评价相结合，核算城市与农业系统中的氮磷存流量及环境影响［44］。主题#9是MFA 在环境健康方面的应用，主要对西班牙塔拉戈纳州垃圾焚烧产生的持久性有机污染物PCDD/Fs 进行流量核算和健康风险评估［45］。主题#10 形成于2002 年，源于耶鲁大学工业生态学中心的STAF（Stock and Flow）项目，重点核算了铜、锌、铅、镉、汞等重金属的来源、代谢和损失，评估了重金属导致的环境健康风险［46］。主题#7 起步较晚，将动态MFA 用于金属材料领域。该主题集成了MFA、生命周期评价、人口平衡模型、空间计量等方法，重点研究了合金材料、钢铁、建筑材料和电子废物等物质的存量分布和代谢效率［47］、动态回收策略及减排潜力［48］和不同资源政策情景下的存量预测等［49］。

在前沿应用研究中，主题#2形成时间早，是MFA的主流应用方向之一，主要运用MFA预测城市固体废物（如电气和电子设备、电池、电动汽车）的生成量［37］、测评回收管理的环境和经济可行性［50］、评估城市固体废物的管理绩效并提出改进策略［51］。主题#1 形成于2002 年，主要测度了钢铁行业的废物排放及减排效果［52］。从全球、国家和行业尺度探究铁元素、钢铁、铁矿石和相关金属元素（如钼、锰、锌等）的存流量［53］、需求和驱动因素［54］，以及铁资源的回收潜力［55］。主题#3将循环经济原则纳入城市复兴和废物管理框架中，不仅通过案例分析揭示了循环经济中的产业共生管理模式［56］。还通过集成MFA、投入产出模型、社会网络分析、生命周期评价、系统动力学等主流方法，分析资源的循环利用模式及经济可行性［57］，测评资源循环潜力及对环境、经济和资源的影响［58］，评价不同尺度下循环系统的效率和绩效［59］。主题#5聚集了MFA在工程纳米材料等有毒物质领域的应用，主要基于概率物质流分析法对有毒材料的环境暴露和健康风险进行建模和评估［60］，核算其存量、释放流动态及回收流量［61］。评估其在不同情景下的环境风险［62］，并提出控制措施［63］。主题#11形成时间较晚，源于全球对关键矿产资源的高度关注。该主题聚焦了新能源技术所需关键矿产资源的物质代谢规律［64］及材料效率［35］。预测了清洁技术（如光伏［65］、风电［66］、电动汽车［67］）在不同减排目标情景下的关键矿产资源需求。评估了可再生能源技术产生的废物流与环境影响［68］，以及从报废锂电池、光伏废料、废弃电气电子设备等固体废物中回收关键矿产资源的潜力和可行性［69］。

2.4 MFA前沿应用研究综述

为了进一步明晰国际MFA在前沿领域的重要研究内容，本研究运用文献研究法分别对5 个MFA 前沿应用主题的重要文献进行梳理和剖析，并结合MFA 重要知识基础和物质代谢过程，提出国际MFA 前沿应用研究的分析框架（图2）。

图2 MFA前沿应用研究的分析框架

2.4.1 “城市固体废物”主题相关研究

城市固体废物源于城市代谢，是指在城市建设、发展，以及居民生活过程中产生的固体废物。具有数量多、成分复杂，处理难度较大，以及危害性和资源性共存等特点。随着城镇化进程的加速，城市固体废物不断增加，造成严重的环境污染和资源浪费，严重阻碍了城市系统的可持续发展。如何实现城市固体废物的减量化、资源化和无害化处理一直是学术研究热点。

MFA 可量化物质从开采、制造、消费到处置的全过程流动情况，被广泛用于城市固体废物的生成量预测、循环潜力与可行性评估、管理系统绩效评价与优化。例如，部分学者运用MFA核算塑料包装袋、冰箱、电视机、锂电池、食物垃圾等物质的废物流［70］，并估算全球城市固体废物的生成量［71］。为服务于循环经济政策，现有文献也结合情景分析法对未来汽车报废量、风电部门废物量等进行预测［72］，并分析了技术转型的影响［73］。针对城市固体废物的资源性特点，有学者使用MFA 测度了锂电池、婴儿尿布、电热水器等固体废物的资源循环潜力［74］，并评估了各类城市固体废物的回收可行性［75-76］。此外，部分文献还通过集成MFA 与生命周期评价法，评估了回收城市固体废物的资源、环境和经济效益。例如，Van Eygen等［77］评估了回收比利时台式电脑和笔记本电脑产生的资源节约效益。Lin等［78］评估了回收中国快递包装废物产生的综合环境效益。随着城市固体废物综合管理应用的普及化，既有研究也通过MFA 构建材料效率指标，量化城市固体废物的利用效率［79］，并结合生命周期评价综合评估废物处理系统的环境和经济绩效［80］，从而优化废物管理系统［81］。

2.4.2 “铁”主题相关研究

作为国民经济发展的基础性资源，钢铁工业对人类社会经济系统具有重要的支撑作用，并且在生产、加工、制造、使用、回收利用等过程中有较大的环境影响。为了提高资源利用效率，减少对生态环境的影响，MFA 被大量用于铁资源管理。总体来看，目前针对铁资源物质流分析的应用研究较为丰富，多集中在国家、行业和企业层面，但在区域和城市层面的研究较少。

具体而言，既有研究主要将MFA 用于钢铁行业废物排放及减排效果测度、铁资源存流量及代谢效率核算、铁资源需求量预测及回收潜力评估。例如，部分文献核算了中国钢铁行业的二氧化碳排放量和废水排放量［82］，并评估了钢铁行业和钢铁工业园区的减排效果［52］。针对铁资源的物质流核算，Zhong 等［83］结合MFA 和复杂网络理论，定量分析了国际铁流特征及网络结构演变规律。Pauliuk等［53］运用动态MFA估计约200个国家的钢铁在用库存。Yellishetty 等［84］通过对比澳大利亚、巴西、中国和印度的钢铁物质流，发现澳大利亚和巴西的铁矿石库存将迅速耗尽。基于中国尺度，Zhao 等［54］使用MFA 和平均使用年限法分析了铁的在用库存及其驱动因素。Dai［85］则基于全经济范围的物质流账户和衍生指标，评估了河北省钢铁工业发展的规模、结构和运行效率等。此外，部分学者也测算了铁资源的需求量及钢铁的循环潜力。例如，Wang 等［86］研究了中国建筑物的混凝土改造如何影响钢铁需求，认为到2050年，中国的钢筋混凝土或钢结构建筑将激发对黑色金属的大量需求。Cooper 等［87］运用动态MFA 估计了美国在1880—2100 年的钢铁需求量、废钢生成量和最大回收量，并评估了用钢铁回收废料取代进口钢铁的潜力。

2.4.3 “循环经济”主题相关研究

循环经济通过改造或调控现有的线性物质流动模式，以及提高资源与能源的利用和转化效率，最终形成效率较高的物质循环模式。发展循环经济是实现社会经济可持续发展的重要途径，如何量化不同尺度下各类循环经济模式的环境经济效益及材料效率是当前研究热点。MFA 能够量化人类经济活动所造成的自然资源损耗和环境影响，评价或预警经济活动当前或潜在的资源环境压力，已被广泛用于分析不同物质的循环利用模式及经济可行性、测度物质的循环潜力及对环境和经济的影响，以及评价不同尺度下循环经济系统的效率与绩效。

首先，针对不同物质的循环利用模式及经济可行性，既有研究运用MFA 对从废物中回收磷、关键金属以及塑料等模式进行案例分析［88］，并结合生命周期成本评估法探讨回收稀土氧化物、塑料以及关键矿产等资源的经济可行性［89］。其次，考虑到部分废物具有资源性特征，部分学者进一步运用MFA测算了报废汽车、废旧电池、废旧电子电器等物质的废物流及循环潜力，并评估了其对环境、经济和资源的正向影响［37，90］。例如，Panchal 等［90］将MFA 与市场供应法相结合，测算了印度的电子废物生成量，并根据废弃电子设备中原材料类别对电子废物的循环价值进行评估。Baars 等［91］运用MFA 估计了整个欧盟电动汽车电池中钴的流量和需求量，认为通过循环经济减少初级资源开采，可以应对电池快速增长导致的资源约束和供应链风险。最后，为了评价不同尺度下循环经济系统的绩效，有学者基于MFA 构建了材料效率评价指标体系。例如，在国家尺度上，Schmidt等［92］运用MFA 和生命周期评价对奥地利、德国和塞尔维亚的材料效率和环境影响进行测度，并构建了针对PET瓶废物回收系统的材料效率评价指标。运用相同的方法，Meglin 等［93］在区域尺度上，运用若干环境和经济指标对比分析了瑞士3 个州的建筑材料循环利用绩效。Arain等［94］则在社区尺度上综合分析了回收4种家用电器（洗衣机、冰箱、电视、风扇）的经济和环境绩效。在工业园区尺度上，Wen等［95］以中国苏州新区印刷电路板行业为例，将MFA与资源生产率指标相结合，评价了工业共生系统对循环经济的贡献。

2.4.4 “暴露”主题相关研究

随着工业材料的复杂化和人类健康意识的提高，医疗垃圾和工业危险固体废物等有毒材料的处理和管理也逐渐得到学术界的关注，并成为国际MFA的新兴应用主题。

第一类文献侧重于运用MFA 探究有毒材料（如工程纳米材料、塑料、十溴二苯醚、重金属、多溴二苯醚、农药、溴化阻燃剂、氯化氢、化学品）的物质代谢规律。例如，Vyzinkarova 等［96］通过MFA 和情景分析，发现有毒物质五溴二苯醚商用混合物主要来自建筑材料，认为用于建筑的报废塑料材料必须被分离和适当处理。Pivnenko 等［97］运用静态和动态MFA评估了纸张回收材料中的化学污染物，包括双酚A（BPA）、邻苯二甲酸二（2-乙基）己酯（DEHP）和烃类矿物油（MOHs）。

另一类文献侧重于运用概率物质流分析（PMFA）评估有毒物质的环境暴露，并提出相关控制策略。PMFA 是一种有用的环境暴露评估工具，它可以将物质在其生命周期中的流动映射到环境中，同时考虑到与输入数据相关的不确定性［38］。例如，为了评估普通消费产品中人造纳米粒子的环境暴露，Royce 等［98］基于PMFA 和产品生命周期评价对人造纳米粒子的环境和微环境水平建模，并开发出基于地理信息系统（GIS）的有毒暴露排序系统。考虑到纳米材料的广泛应用将对生态环境及人类健康造成潜在危害，Caballero-Guzman 等［99］采用PMFA 对纳米二氧化钛、纳米氧化锌、纳米银和碳纳米管在瑞士回收系统中的流动规律进行模拟。Choi等［34］侧重于核算汽车中多溴联苯醚的物质流，并估算韩国汽车中多溴联苯醚在生命周期中的排放量及环境暴露。Ding 等［62］则利用PMFA评估了纳米银在中国湖南的质量平衡和暴露情况。为了实现高效的污染物管理，通过整合贝叶斯网络、蒙特卡洛模拟和MFA，Han等［100］系统分析了中国的磷流，并提出降低相关环境风险的建议。

2.4.5 “可再生能源”主题相关研究

为了应对气候变化这一重大且紧迫的全球性挑战，在碳中和目标驱动下，全球能源系统向清洁化、低碳化甚至无碳化发展已是大势所趋，太阳能、风能、潮汐能等可再生能源已成为实现碳中和目标的第一大贡献力量。然而，可再生能源技术严重依赖铜、锂、镍、钴和稀土元素等关键矿产，其在不同减排情景下将对各类关键矿产资源的物质代谢规律产生显著影响，甚至导致环境破坏［101］。

随着澳大利亚、日本、欧盟和美国对关键矿产的关注度不断提升，以及各国碳中和目标相继提出，MFA 的关注对象逐渐从重金属、大宗金属和植物营养元素拓展到关键矿产资源。例如，基于不同空间尺度，部分学者运用MFA 核算了镍、钴、钽、钕等关键矿产的存流量［102］，并评价了风电部门的材料效率［35］。此外，研究内容也从单一的物质流核算，拓展到不同技术和政策情景下的资源需求预测和关键矿产资源循环潜力测评。其中，基于MFA、情景分析和生命周期评价的组合式方法体系得到广泛应用。

具体而言，对于资源需求预测，Watari等［103］基于存量-流量动力学和总材料需求概念构建了系统分析模型，对全球能源转型下的矿物和能源资源流量进行测算，发现从2015—2050年，全球能源转型可能使与矿物生产相关的总材料需求流量在电力行业增加约200%～900%，在运输行业增加约350%～700%。在国家尺度上，Elshkaki［67］基于多层次动态MFA模型和9种情景假设，讨论了电动车材料对共生材料和环境的影响，发现中国的电动车发展会显著影响世界其他地区和部门的资源可用性。Ren 等［65］将动态MFA与情景分析相结合，对中国光伏产业的未来金属需求进行估计，并评估其供应风险，认为在可再生能源发展的不同规划层面均应考虑资源约束。为了探讨中国风电产业到2050 年的金属需求，Ren 等［66］集成了动态MFA 与探索性能源情景分析，评估了基础金属（铜、钢、铝、镍）和稀土元素（钕和镝）的需求量，发现在风电领域，铜和镍的供应压力较大，认为有必要通过回收提供二次资源。

此外，部分学者还对可再生能源技术产生的废物生成量、环境影响及循环潜力进行研究。例如，Wang等［68］基于MFA 和44 种情景估算了中国光伏废物在2020—2050 年的分布情况，发现从2040年起，废物量几乎等于光伏安装的材料流入量，且高度集中在北方或西北地区。为了厘清全球贸易中的镍流，并检测远离消费地的镍矿开采造成的环境影响，Nakajima等［104］运用MFA核算了全球镍流量，并使用全球链接投入产出模型分析了镍消费和采矿相关的全球土地使用变化之间的联系。对于废物的资源循环潜力，Saidani等［105］运用MFA 量化了从欧洲催化转化器中回收铂资源的数量和损耗量。Ciacci 等［69］核算了欧盟28 国在2016 年的钕库存和流量，发现如果将回收潜力转化为实际能力，欧盟28 国每年大约有高达50%的钕需求可以通过国内二次供应来满足。Yang等［48］采用自下而上的方法分析了2009—2019年中国3种电动汽车电池（镍锰钴锂电池、磷酸铁锂电池和锰酸锂电池）的金属存量，重点评估了镍、钴、锰、锂、铜、铝、铁7 种主要金属在一次使用阶段和二次使用阶段的存量和回收潜力。

综上所述，图2显示MFA的前沿应用研究具备以下特征：①MFA 的应用功能主要体现在3 个方面，即核算物质存流量、评估物质需求量及循环潜力、优化物质管理系统。②“环境核算”“指标”和“资源管理”三大文献知识基础为MFA 的前沿应用研究提供了理论与方法支撑。③物质代谢过程具有高度复杂性，涉及资源、产品、固体废物、污染物和有毒物质等，与环境影响、资源需求、固体废物循环利用等相关。MFA 与情景分析、生命周期评价等方法的集成应用已成主流趋势。④从资源到产品的环节涉及污染物排放和资源约束问题，与前沿主题“铁”和“可再生能源”相关。此类主题的主要研究目的是“减污降碳”和原生资源“减量化”。核心研究内容包括测算生产过程的环境影响，以及预测不同技术情景下的资源需求。⑤产品报废后，部分物质直接流入自然圈，部分物质可通过循环经济模式成为再生资源。此环节主要涉及前沿主题“城市固体废物”“暴露”和“循环经济。其中，城市固体废物的“无害化”和“资源化”处理是此类主题的主要研究目的。关键研究问题包括：厘清各类城市固体废物的物质代谢规律、测评城市固体废物的循环潜力及可行性、评估有毒物质的环境暴露与健康风险、评价各类循环模式的运行绩效，以及优化废物管理系统。

3 面向碳中和目标的MFA 研究框架构建与展望

3.1 研究框架构建概况

碳中和目标背景下的全球环境资源管理面临严峻挑战。一方面衡量碳排放水平的量化指标具有较大不确定性，亟须开发标准化的温室气体核算工具；另一方面依赖于技术革新的能源转型是碳中和的首要任务，然而能源转型技术驱动下的资源消耗和环境影响尚不明确。MFA作为环境资源管理与可持续评价的标准化方法，不仅适用于多尺度系统的物质流核算，还可与产业生态学和产业经济学的相关方法进行集成，对各类能源转型技术变革下的资源需求与废物循环利用潜力进行预测和评估，进而为政府、企业和个人的物质流管理决策提供依据。

鉴于碳中和与MFA 的内涵关联，本研究在梳理国际MFA 研究主题及其研究进展的基础上，将MFA 的基础研究、应用研究与碳中和实现路径进行整合，从系统性视角构建面向碳中和目标的MFA 整合式研究框架（以下简称“研究框架”）。如图3所示，研究框架包括“理论与方法基础”“应用研究范式”和“对碳中和目标的支撑路径”三大模块，呈现出“已经研究了什么”的全貌，并发现“在碳中和背景下还能研究什么”的潜在议题，以期聚焦碳中和战略框架下的环境资源管理问题，拓展MFA 的应用广度和深度，提升其对碳中和目标的支撑力度。

首先，“理论与方法基础”模块源于MFA 的三大基础研究主题，即“产业生态学”“物质流分析”和“物质流管理”，可以从理论和方法两方面支撑碳中和背景下的MFA应用研究。其中，“产业生态学”主题可为运用MFA 核算与评估社会经济系统代谢过程提供理论依据”，物质流管理”主题则为MFA 在管理领域的应用提供理论基础。“物质流分析”主题为MFA 提供针对不同空间尺度和代谢对象的单一式或组合式研究工具。

其次，“应用研究范式”模块源于MFA 应用研究主题和主要内容，包括范式结构和范式要素两部分，可为使用MFA 解决碳中和实践管理问题提供研究思路和重要参考。具体而言，范式结构为“核算-评估-管理”，分别代表MFA 在应用研究中的三大功能，即核算物质存流量、评估物质循环潜力、提升物质管理效率。其中，核算是评估和管理的基础，评估为管理提供决策依据，管理则通过信息反馈对核算和评估产生影响。范式要素涵盖“代谢对象”“空间尺度”“应用诱因”“主要内容”和“应用目的”。其中，“代谢对象”要素主要包括元素、单一物质/化合物、产品、产品组合、全部物质/产品5 类。“空间尺度”要素主要有家庭/工厂、社区/园区、城市、省份、国家、全球6 类。“应用诱因”要素主要包括气候变化、技术迭代、地缘政治、政策环境、市场需求和资源约束等。“主要内容”要素包括：①核算物质存流量、废物生成量及环境影响。②评估物质代谢效率、未来需求、循环利用的可行性和环境经济效益。③规划和优化物质管理系统，测度管理系统的绩效。“应用目的”要素则是通过“减量化”“无害化”和“资源化”实现社会经济系统的可持续发展。

最后，“对碳中和目标的支撑路径”模块将国际MFA应用研究主题与重要部门的碳中和实现路径进行关联，明晰了MFA 对碳中和目标的支撑路径和进一步研究方向。其中，碳中和目标的主要实现路径包括2 个维度，分别是重要部门“减碳增汇”、技术与政策支持。前者是碳中和实现路径主体，覆盖4 类重要部门（能源生产部门、能源消费部门、工商业部门、农林业部门）及其关键碳中和路径，即。①能源供应多元化、清洁化。②能源消费电气化、高效化和清洁化。③工艺流程脱碳化、循环经济普及化。④农业降碳与生态固碳。后者是前者的技术与政策保障，涵盖低碳（如能效提升技术）、零碳（如可再生能源技术、零碳能源综合利用服务技术）和负碳技术（如CCUS），以及气候立法、碳交易机制、财政税收金融政策支持体系、技术标准与监管制度等政策工具。基于上述“减碳增汇”主要路径，4 类重要部门与国际MFA应用研究主题的关联性表现为：①能源生产部门以能源转型路径为核心，与“可再生能源”主题紧密相关。②能源消费部门强调燃料替代和能源效率，主要与“可再生能源”“铁”“重金属”和“合金元素”主题相关。③工商业部门重视脱碳与循环经济，涉及的关联主题较多，包括“铁”“城市固体废物”“循环经济”“暴露”和“塔拉戈纳州”。④农林业部门关注农业减排，主要与主题“氮”相关。下文将结合技术与政策支持下的重要部门“减碳增汇”路径，详细解析MFA 对碳中和目标的支撑路径与研究展望。

3.2 MFA对碳中和目标的支撑路径解析与研究展望

碳中和本质上就是可持续的产业生态系统。MFA 在核算、评估和管理方面的功能，可为碳中和实现路径的选择和优化提供多尺度数据支持和决策参考。然而，当前国际MFA 的应用研究较为分散，与碳中和的契合度有待进一步提高。因此，为了明晰MFA 在碳中和领域的应用方向，本研究基于研究框架，进一步比照重要部门“减碳增汇”维度的碳中和实现路径，分别解析MFA应用研究对4类重要部门的支撑路径，并提出进一步研究建议。

3.2.1 针对能源生产部门

依赖于零碳技术的能源转型是能源生产部门最关键的碳中和实现路径，但面临诸多挑战，具体包括：①零碳技术的推广会激化关键矿产资源的供需矛盾。例如，在风力发电机、太阳能电池板、电解储氢、动力电池等低碳技术产品中，锂、钴、镍、镓、铟、稀土、铂等金属发挥了关键作用，被认为是支撑低碳产业发展不可或缺的物质基础，但这些金属存在突出的供应短缺风险。②全球能源低碳转型将加剧区域性的生态环境污染。低碳能源技术的规模化应用能够有效降低全球碳排放并改善生态环境。然而，关键金属矿产的开采、冶炼、加工和制造会消耗大量能源，并造成“三废”排放甚至是放射性污染，严重危及当地生态系统及居民健康。③全球能源低碳转型将增加地缘政治风险，国际社会对关键金属的恶性竞争将损害零碳技术的可行性。针对上述问题，MFA 可以就具体零碳技术预测相关资源需求量和废物生成量，并结合生命周期评价对环境效应进行测算，最后从可持续发展角度综合评估具体零碳技术的可行性。

与该路径相关的MFA 研究主题是“可再生能源”，但现有文献主要关注了风光电的金属约束及部分关键矿产资源的物质代谢与需求，对其他可再生能源技术及其资源影响关注不足。未来研究方向包括：①综合考虑风电、光伏、水电、核电等可再生与清洁能源技术，以及新型电力系统和新型基础设施，在碳中和目标驱动下引发的资源约束和环境污染问题。例如，核算风电、光伏、水电、核电、新型电力系统与新型基础设施所需金属资源的存流量，并基于碳中和目标进行资源需求预测，动态评价各类金属资源的关键性。②核算关键矿产资源的物质流和二次资源开发潜力。③评估处置报废新能源设备与新型基础设施的减排效应。④情景模拟可再生能源技术演变及国际贸易不确定性对金属资源供需关系的影响。

3.2.2 针对能源消费部门

终端电气化、高效化以及清洁化是能源消费部门减碳的重要路径。MFA 对能源消费部门的支撑路径包括：①核算各类电气化辅助技术和能效提升技术所需资源在不同尺度下的存流量，并预测不同情景下的资源需求量及供应短缺风险。②基于宏观尺度和中观尺度核算各个系统的温室气体排放量及代谢效率，以识别和监控不同消费部门的重点排放源。与该路径相关的MFA研究主题包括“铁”“可再生能源”“合金元素”和“重金属”，但既有研究与能源消费部门的关联度较低，且研究对象较为分散。未来研究可以系统梳理能源消费部门在电气化过程中使用的技术和产品，运用自下而上的物质流核算方式，对相关技术或产品的资源需求、能源消耗、污染物排放以及废物生成量进行核算和预测，并开展动态监测和评价。

3.2.3 针对工商业部门

工艺脱碳和循环经济模式是工商业部门减碳的关键路径。MFA 对工商业部门的支撑路径包括：①运用中微观尺度的碳流核算与相关指标，综合评价企业工艺脱碳效果。②循环经济与城市固体废物、垃圾处理、二次资源开发密切相关，研究尺度涵盖国家、城市、工业园区、企业、家庭和产品。MFA 可以回溯各类固体废物的产生源头，精准推动绿色生产和生活方式，衡量固体废物回收利用水平，保障重要资源可持续供给，追踪固体废物环境风险因子，促进环境政策协同增效。③综合评价全球、国家、区域、城市、工业园区和企业的循环经济绩效，并提出优化建议。

与该路径相关的MFA 研究主题主要包括“铁”“城市固体废物”“塔拉戈纳州”“暴露”和“循环经济”。其中“暴露”和“循环经济”是MFA 的新兴应用领域。关于“暴露”主题，现有文献主要评估了部分化学品的环境暴露，但根据《减污降碳协同增效实施方案》等政策文件的指导意见，后续研究需要加强对水、气、土、固体废物等环境要素的关注。例如，开展高毒废水致毒物质甄别，建立工业废水中高致毒化学品清单，开展毒性物质来源追溯、代谢过程核算和末端综合利用评价。评估各类工业固体废物产生过程中的有毒暴露，以及各种废旧物资、生活垃圾和医疗废物处置过程中的环境暴露和健康风险。在“循环经济”方向，学者们针对中国尺度的研究较为分散，需加强对循环经济产业园区、大宗固体废物、再生资源、生活垃圾等对象的关注。例如，对中国循环经济产业园区的共生模式进行案例分析，评价其环境、经济和社会效应；研究煤矸石、粉煤灰、尾矿、工业副产石膏、冶炼渣、建筑垃圾和农作物秸秆等7类大宗固体废物的生成量、循环潜力以及环境经济效应；评估废钢铁、废铜、废铝、废铅、废锌、废纸、废塑料、废橡胶、废玻璃等再生资源的开发潜力及其对资源供需关系的影响。针对生活垃圾，既有研究主要核算了家电和汽车的固体废物生成量，未来可进一步探讨其二次资源开发潜力及经济环境效益，并加强对其他生活垃圾的关注。

3.2.4 针对农林业部门

农业降碳与生态固碳是农林业部门实现碳中和目标的重要路径。MFA 对农林业部门的支撑路径主要包括：①核算农林业系统中营养元素（如氮、磷、钾）的代谢效率和循环潜力。②核算在一定时间范围内，各个森林资源保护环节（如抚育、改造、伐木、打枝、造材、集材、装车、运材、剩余物利用、迹地清理等）的物质流动及能源代谢，明确物质和能源的利用、存储及转化途径，识别资源消耗及环境影响并给出优化方案，从而实现森林生态和经济的双重效益最大化。③评价农林业生态系统的可持续性。与该路径相关的MFA 研究主题包括“氮”，但相关研究内容较单一。未来研究可以综合集成MFA与产业生态学和产业经济学领域的其他方法（如投入产出法、生命周期评价、生态足迹、网络分析、一般均衡模型等），预测全球气候变化、社会经济发展、技术变革等长期变化对氮、磷、钾等元素产生的供需扰动和代谢冲击，评估植物营养元素、农药等物质对农林业生态系统可持续性的不利影响。此外，还可以将MFA 拓展到生态系统保护与生态固碳效果评估中，为碳交易和气候变化投融资等碳中和支持政策的完善与实施提供可靠的数据基础。