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中国全经济范围物质流账户数据库（1990-2020年）的构建与应用研究

作者与机构
本研究由Chuke Chen（第一作者，中国科学院城市环境研究所）、Jianchuan Qi（赣江创新研究院）、Nan Li（通讯作者，中国科学院城市环境研究所）、Tiantian Ji、Heming Wang（通讯作者，东北大学）、Yuanyi Huang（深圳大学）、Jing Guo、Xiaohui Lu（宁波诺丁汉大学）、Ruru Han、Jianlimin Wei及Wei-Qiang Chen（中国科学院城市环境研究所）共同完成，发表于Scientific Data期刊（2022年，第9卷，文章编号502）。

学术背景
研究领域与动机
该研究属于工业生态学（Industrial Ecology）与物质流分析（Material Flow Analysis, MFA）交叉领域。随着中国经济高速增长，物质利用规模急剧扩大，但分散的统计数据阻碍了对资源代谢动态的系统性分析。研究团队指出，现有国际物质流核算框架（如Eurostat的EW-MFA）缺乏针对中国统计体系的本土化适配，且数据覆盖时间短、材料分类不完整。因此，本研究旨在构建一个覆盖1990-2020年、包含数百种材料、基于国际标准化框架的中国全经济范围物质流账户数据库（China EW-MFA），以支持资源效率评估、环境压力分析和可持续发展政策制定。

科学问题与目标
研究需解决三个核心问题：
1. 如何整合碎片化的中国官方统计数据，使其适配EW-MFA国际标准框架？
2. 如何通过参数本地化和数据估算填补长期时间序列中的缺失值？
3. 如何量化物质输入、输出、库存及跨境流动，以揭示中国经济代谢的历史轨迹？

研究方法与流程
研究分为四个关键步骤，涉及多源数据采集、参数本地化、物质流核算及不确定性分析：

1. 系统边界与框架定义
- 经济边界：以中国行政领土内的经济活动为范围，排除跨境自然介质传输（如大气污染物跨境扩散）。
- 时间范围：1990-2020年（因1990年前数据质量不足，2020年为最新可用数据）。
- 物质分类：基于EW-MFA框架，将材料分为四类输入（生物质、金属矿石、非金属矿物、化石能源材料）和三类输出（释放至空气、水体、土地的废弃物）。
- 关键流程：包括国内资源提取（DE）、跨境贸易（IM/EX）、加工输出（DPO）及平衡项（BI，如燃烧需氧量）。

2. 数据采集与预处理
- 数据来源：整合12类权威数据库（表1），包括中国国家统计局、美国地质调查局（USGS）、联合国商品贸易统计数据库（UN Comtrade）等。
- 数据对齐：针对统计单位差异（如金属矿石的“金属含量”与“原矿重量”），开发单位转换因子。例如，非铁金属矿石通过公式 ( w{\text{metal ores in gross ore}} = w{\text{metal ores in other units}} / p_{\text{unit conversion factor}} ) 转换，其中转换因子基于2000-2017年中美数据对比的修剪平均值确定。
- 特殊处理：对缺失数据（如1990-1994年蔬菜产量）采用线性插值或结构比例假设。例如，蔬菜产量通过单产恒定假设（1995年单产27.04吨/公顷）估算。

3. 物质流量化与指标计算
- 核心指标：包括国内物质输入（DMI = DE + IM）、国内物质消费（DMC = DMI - EX）、净存量增加（NAS = DMC + BI_in - DPO - BIout）等。
- 创新方法：
- 平衡项计算：如燃烧需氧量通过质量守恒原理估算，考虑元素氧化（碳、硫等）与氢燃烧的摩尔质量转换（公式17-20）。
- 有机肥消散量：基于牲畜数量、日均排泄量及干物质含量参数化（表2），例如猪粪产量公式 ( w{\text{manure}} = q{\text{livestock}} \times p{\text{manure production}} \times p{\text{feeding period}} \times p{\text{dry matter}} )。

4. 数据验证与不确定性分析
- 人工校验工具：开发基于VBA的数据快速检查工具，确保每个数据单元格与原始统计一致。
- 参数敏感性：对假设参数（如蔬菜单产恒定）进行影响评估，发现其对DE的偏差影响小于1%。

主要结果
1. 物质输入动态（图2-3）
- 国内提取（DE）：从1990年41.8亿吨增至2020年124.6亿吨，非金属矿物占比最高（2020年60%），其次为化石能源材料（31%）。铁矿石提取在2013年达峰值（15.2亿吨），后因供给侧改革下降。
- 进口依赖：进口占比从1992年2.5%升至2019年18.3%，反映资源对外依存度提高（图7a）。

2. 加工输出（DPO）与环境污染（图4）
- CO₂主导：DPO从1990年28.7亿吨增至2020年127.1亿吨，其中CO₂排放占比从92.4%升至98%。
- 水体污染物下降：氮排放从1991年9.5万吨降至2019年1.2万吨，归因于污水处理率提升与化肥减量政策。

3. 代谢效率评估
- 资源生产率（SDG 8.4）：DMC/GDP比率显示2000-2010年资源效率改善，但2015年后趋缓。
- 国际对比：中国NAS增速高于全球均值，反映基础设施快速积累。

结论与价值
科学意义
- 首次构建了长时间序列、高分辨率的中国物质流账户数据库，填补了国际EW-MFA体系的中国空白。
- 提出的参数本地化方法（如非金属矿物转换因子、牲畜排泄模型）为发展中国家物质流研究提供范式。

应用价值
- 政策支持：数据库已用于评估“十三五”循环经济政策效果（如2016年氮排放骤降与污水治理政策关联）。
- SDG监测：支持联合国可持续发展目标（SDG 12.2）中资源可持续利用指标的测算。

研究亮点
1. 全面性：覆盖222种材料、31年跨度，整合上千数据源，远超既往研究（如Wang et al. 2020仅关注1995-2015年）。
2. 方法论创新：开发了针对中国统计体系的单位转换框架与平衡项核算算法。
3. 开放共享：数据通过Figshare（DOI:10.6084/m9.figshare.c.5994589）和项目网站（macycle.org）公开，支持国际比较研究。

局限与展望
- 部分参数（如化石燃料水分含量）依赖国际默认值，未来需本土化实验验证。
- 建议扩展水资源流动分析，以更全面评估环境压力。

此研究为理解中国经济代谢提供了不可替代的基础数据，其方法论与结论对全球资源管理研究具有重要参考价值。