保羅·漢斯·布魯納（Paul H.Brunner），奧地利維也納工業大學名譽教授，在固體廢棄物和資源管理領域做出開拓性工作。保羅與蘇黎世聯邦理工學院彼得·巴奇尼聯合主編《人類圈的物質代謝》一書，提出人類活動、資源與環境之間相互作用的創新性理念，是代謝研究領域的裡程碑式研究成果。保羅的研究聚焦廢物處理的高級方法，以及刻畫、評估和設計代謝繫統的理念，在過去40是多年中，布魯納博士為歐洲、亞洲和美洲的科研和教學做出了突出貢獻，他是多家雜志編委和會議組委，成功推動了物質流分析方法在資源和廢物管理決策優化領域的應用。赫爾穆特·萊希伯格（Helmut Rechberger），2003年，被聘為奧地利維也納工業大學資源管理方向教授，是廢物與資源管理研究中心主任。赫爾穆特曾師從維也納工業大學的保羅·漢斯·布魯納、蘇黎世聯邦理工學院彼得·巴奇尼和耶魯大學的湯姆·格萊德爾，畢業後，他積極參與教學和科研活動，在資源與廢物管理領域做出了出色成果，逐步獲得了研究領域內的國際聲譽。他領導開發了STAN物質流分析軟件。如今，他的研究興趣主要集中在推動可持續的區域和城市資源管理高級技術方法的發展。劉剛，南丹麥大學，化工、生物與環境研究中心，生命周期工程部門，教授。研究方向：產業生態學，社會代謝分析，金屬/農業食品/城市繫統/低碳技術研究。楚春禮，副教授，碩士生導師。研究領域：產業生態學，環境規劃與管理，流域（區域）水環境評估與管理決策支持。主講或參與主講本科生產業生態學、環境學基礎（國家精品課）、典型環境事件與對策（學校公選課）、海洋自然保護區與特別保護區概論、淨零建築設計與低碳；愛課程慕課“環境學基礎”課程負責人；主講Industrial Ecology、產業生態學進展。

章概述1

1.1目標與主要內容1

1.2物質流素流分析2

1.3物質流分析的發展歷程4

1.3.1聖托裡奧的人體代謝分析4

1.3.2列昂惕夫的經濟學投入產出分析方法6

1.3.3城市代謝分析7

1.3.4區域物質平衡8

1.3.5人類社會代謝9

1.3.6MFA領域的進展10

思考題——1.1節到1.3節13

1.4物質流分析的應用13

1.4.1環境管理與環境工程15

1.4.2產業生態學15

1.4.3資源管理17

1.4.4廢物管理19

1.4.5人類社會代謝20

1.4.6物質流分析與其他方法聯用27

1.4.7政策評估與決策29

1.5物質流分析的目標31

思考題——1.4節到1.5節31



第二章物質流分析方法論33

2.1物質流分析術語及其定義33

2.素33

2.1.2商品34

2.1.3物質34

2.1.4過程和存量35

2.1.5流量與通量36

2.1.6遷移繫數38

2.1.7繫統與繫統邊界38

2.1.8行為39

2.1.9人類社會及其代謝43

2.1.10物質流分析44

2.1.11物質賬戶45

思考題——2.1節46

2.2物質流分析步驟47

2.素篩選48

2.2.2繫統時空邊界確定51

2.2.3相關流、存量、彙和過程識別51

2.2.4物質流量、存量與濃度測定52

2.2.5總物質流量和存量評估53

2.2.6結果計算：靜態與動態MFA55

2.2.7結果展示57

2.2.8物質賬戶59

思考題——2.2節60

2.3MFA中數據不確定性的處理61

2.3.1數據收集62

2.3.2不確定性傳遞69

2.3.3數據校正76

2.3.4敏感性分析91

2.3.5案例94

2.4MFA軟件STAN97

2.4.1使用STAN軟件的環境要求99

2.4.2圖形用戶界面100

2.4.3建立圖形模型100

2.4.4輸入數據104

2.4.5執行計算107

2.4.素圖層109

2.4.7設置時段110

2.4.8使用數據瀏覽器112

2.5MFA結果評估方法115

2.5.1引言115

2.5.2單位服務的物質強度116

2.5.3可持續過程指數117

2.5.4生命周期評價119

2.5.5瑞士生態分數120

2.5.6分析121

2.5.7成本效益分析124

2.5.8人類社會流與自然地質流比值125

2.5.9統計熵分析127



第三章案例研究135

3.1環境管理136

3.1.1案例研究1：區域鉛污染136

3.1.2案例研究2：區域磷管理148

3.1.3案例研究3：大流域的氮污染154

3.1.4案例研究4：環境影響聲明的支持工具159

思考題——3.1節168

3.2資源節約170

3.2.1案例研究5：氮管理170

3.2.2案例研究6：銅管理173

3.2.3案例研究7：建築廢物管理183

3.2.4案例研究8：塑料廢物管理194

3.2.5案例研究9：鋁管理197

思考題——3.2節201

3.3廢物管理202

3.3.1MFA應用於廢物分析203

3.3.2MFA作為廢物管理的決策支持工具210

思考題——3.3節235

3.4產業應用236

3.4.1案例研究16：MFA作為制造業優化的支持工具237

3.5區域物質管理249

3.5.1案例研究17：區域鉛管理249

3.5.2案例研究18：磷賬戶作為決策支持工具252

思考題——3.5節257



第四章展望：未來的方向258

4.1關於MFA的未來258

4.2標準化260

4.3MFA與立法261

4.4產業生態學與人類社會代謝262

4.4.1MFA與IE262

4.4.2MFA作為產品設計和工藝改進的工具263

4.4.3MFA作為繫統設計的工具263

4.4.4MFA作為人類社會代謝設計的工具263



參考文獻265

Preface Chinese Edition

The management of resources in view of availability and environmental protection requires sound methodologies for measuring, evaluation and design of material flows and stocks. Because of the unprecedent high consumption pattern of modern societies, this topic is more relevant than ever. Today, many countries focus on the transition towards circular economies, aiming at less resource use and reduced environmental loadings.

Material Flow Analysis, originating in regions of traditional resource scarcity such as Switzerland, Austria, and Japan, thus comes in time. With circular economy as an emerging objective in many regions of the world, MFA methodology is instrumental to support policy measures for the transition from mainly linear resource use to circularity. Because of its mass balance approach, MFA is most useful to validate and impartially compare different measures taken around the globe.

China as the most populated nation in the world is a key driver for global resource consumption. Hence, implementation of Chinese policies aimed at sustainable resource use will have a large effect on worldwide resource distribution and availability. The methodology of MFA is an appropriate base for such policy development. It allows for linking measures and effects, and—if uniformly applied in different countries and regions—serves well to point out those strategies that are most successful on the way towards a circular economy.

The rapidly increasing applications of MFA in China show that the potential of MFA has been recognized there. Hence, in our opinion, the Chinese translation of our Handbook comes at the right time, and we are much obliged to Gang Liu and Chunli Chu for taking on this demanding task. Like the English edition, the Chinese version is directed at higher education as well as post graduate courses, and enables scientists, engineers, and in particular students to get to know and apply MFA in their daily practice. We do hope that the Chinese version of the Handbook will make its contribution to MFA becoming a “common language”, globally used for solving resource and environmental issues. We are convinced that it will support China on its path towards a more sustainable use of resources.



Paul H. Brunner and Helmut Rechberger

Vienna and Andermatt, November 2020







第二版前言

自本書版出版上市已經過去數年，再版需求愈發強烈。一方面，物質流分析（MFA）研究熱度不斷提升，從1975年每年發表百餘篇論文已經發展到2015年每年發表超過5000篇，該領域得到了各界讀者的廣泛關注。另一方面， MFA的研究領域不斷擴展，並且仍在快速發展，特別是近數年，MFA方法不斷豐富和完善，動態MFA、不確定性研究，以及相關軟件研發，都取得了突破性進展。基於此，我們決定再版本書，以滿足更廣大工程師和科研工作者的需求。

初，MFA著眼於刻畫和分析各個單一過程，例如，化學生產或者廢物管理中的單一過程。在過去二十年中，認識和評估復雜繫統的研究快速發展，例如區域物質平衡、大尺素流動、國家和全球經濟體中的物質流量和存量，其中必須要應對如何分析整個人類繫統與自然繫統復雜相互作用關繫的挑戰，這些挑戰涉及不同尺度，包含不同子繫統。在這樣的背景下，MFA逐步發展成為產業生態學、資源管理、廢物管理等學科領域的核心支持方法。此次出版的第二版本全面考慮了這些新的發展和挑戰，新增引用文獻覆蓋了所有相關文獻，新增案例研究闡釋了MFA應對產業生態學挑戰的潛力，新設STAN軟件章節搭建了構建MFA模型的統一的標準化框架。而對於版中MFA方法涵蓋的諸如物質賬戶、投入產出分析等方法在新的版本中並沒有太多擴展。之所以如此，一方面是因為如前所述，近期MFA領域發展太過迅速，因此很難在一個版本中就將所有新的發展都囊括進來；另一方面，關於物質賬戶和投入產出分析已經有了很多優秀的參考書，我們在相關章節進行了推薦；後，本書側重於全面介紹不同尺度的物質流素流分析，納入不確定性研究，提供能夠綜合分析素以及能源的功能強大的軟件。讀者可以在本書的主頁上找到書中思考題的答案，在STAN主頁上找到更多研究案例。

雖然在廣度和深度上，第二版都有了一定拓展，但是本書仍然適用於一般讀者，以及開始進入MFA領域的工程師和科學家，和具有了一定從業經驗的工程師和研究者，提供基本的MFA方法和案例以及復雜繫統的物質平衡應用案例。本書的宗旨始終是為人類繫統分析、評估以及優化研究提供透明的、可重復的基礎方法。我們希望，書中推薦的方法能夠得到廣泛應用，促進知識、思想的創新以及數據的更新，推動MFA領域的發展。無論何時，我們都要牢記，優化物質利用，不損害子孫後代的公平機會，不造成環境風險，保證足夠的資源可獲得性，需要全球共同的艱苦努力。

我們特別感謝維也納工業大學（德語：Technische Universitt Wien）的同事們為此書所付出的諸多努力和真知灼見：感謝奧利弗·辛西奇（Oliver Cencic）編寫23節和24節，感謝大衛·萊納（David Laner）對第二章、第三章的貢獻，感謝魯道夫弗魯維特（Rudolf Frühwirt）對第二章的統計分析的貢獻，感謝塔娜·維津卡洛娃（Dana Vyzinkarova）對案例研究的貢獻，感謝英格·亨格爾（Inge Hengl）和瑪麗亞·古內施（Maria Gunesch）為書中的圖表、參考文獻以及版權的貢獻。感謝泰勒弗朗西斯集團高級編輯伊爾瑪·沙格拉·布裡頓（Irma Shagla Britton）為推動本版圖書出版所付出的巨大努力。



Paul H. Brunner and Helmut Rechberger

瑞士安德馬特，奧地利維也納









版前言

大約40年前，艾貝爾·沃爾曼（Abel Wolman）在《科學美國人》（Scientific American）發表的一篇文章中首先使用了城市代謝（metabolism of cities）這一表述，他創造性地將城市比作一個生命體，輸入、貯存和輸出物質和能量，從此，很多人受到該思想的啟發，開展大量研究，刻畫了諸多公司、區域、城市以及國家的代謝過程。盡管人類圈的稱謂已經出現在諸多書本和文章中，關於人類圈研究的方法卻發展相對緩慢。因此，本書旨在建立、推廣一套研究人類社會繫統的物質代謝的相對固定的、易懂的並且實用的方法體繫。

作為本書的兩位作者，我們都在物質流分析（MFA）領域耕耘多年，將該方法廣泛應用於環境管理、資源管理、廢物管理和水質管理等諸多領域並取得很好的效果。基於此，我們決定編著本書，分享我們多年的研究和實踐經驗，供工程領域的學生、專家以及其他讀者參考。我們希望以此來推動MFA的發展，推動MFA形成統一的實踐範式，從而幫助未來的工程師建立一套解決資源導向問題的通用方法、工具。

此外，本書還希望能夠為推動資源節約、環境保護以及“可持續的物質管理”貢獻力量，我們認為，人類活動不應該耗竭自然資源、破壞自然繫統，我們的後代必須能夠獲得與我們同等的獲取資源、享受環境的機會。而要實現這一目標，必須要進一步推進技術和社會科學的發展。本書中提供的研究案例有助於理解MFA在推進可持續物質管理方面的應用潛力。

本書為參考用書，著重服務實踐。書中的14個研究案例闡釋了如何在實踐中應用MFA。每章之後設置“問題”，希望能夠幫助讀者練習書中方法，加深理解，拓展專業深度。書中的MFA工具尚不完善，有待於進一步改進。希望本書能夠如我們所願，切實幫助讀者加深對人類社會繫統的理解，優化人類社會繫統設計。本書僅是一個開始而非終點，因此請廣大讀者向我們提出更多的評論和建議。同時，也希望本書能夠推動MFA的廣泛應用，促進有關MFA的討論，如果讀者有任何評論，可以聯繫我們。

我們特別感謝奧利弗·辛西奇（Oliver Cencic）編寫23節MFA中數據不確定性的處理和24節MFA軟件STAN，特別感謝維也納工業大學固廢與資源管理團隊為本書終稿修改提供的支持，感謝德梅特·賽漢（Demet Seyhan）準備磷的研究案例，感謝鮑勃·艾瑞斯（Bob Ayres）和邁克爾·裡特霍夫（Michael Ritthoff）為25節提出的重要建議，感謝英格·亨格爾（Inge Hengl）為本書設計和終成稿所做的巨大貢獻！赫爾穆特·萊希伯格（Helmut Rechberger）感謝彼得·巴奇尼（Peter Baccini）抽出寶貴時間為本書潤色。後，我們特別感謝鮑勃·迪恩（Bob Dean）、烏爾裡克·洛姆（Ulrik Lohm）、斯蒂芬·摩爾（Stephen Moore）和雅科夫·韋斯曼（Yakov Vaisman）針對本書初成稿提出的建議。



Paul H. Brunner and Helmut Rechberger

瑞士安德馬特，奧地利維也納