物质循环科学的研究对象、理论与方法
引用格式：袁增伟, 程明今. 物质循环科学的研究对象、理论与方法[J]. 资源科学, 2021, 43(3): 435-445. [Yuan Z W, Cheng M J. Object, theories and methods of material cycling science[J]. Resources Science, 2021, 43(3): 435-445.] DOI: 10.18402/resci.2021.03.01
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背 景
物质循环是指在自然力和人类活动共同驱动下的地球表层物质发生的时空迁移和形态重构过程。自工业革命以来，人类活动对物质循环的影响不断增强，已经成为影响地球表层物质循环路径、格局及效应变化的主要驱动力，并引发区域性资源短缺和环境污染问题。因此，为了推动资源与环境可持续利用，本文尝试建立物质循环科学（Material Cycling Science）框架，研究人类活动作用下的物质循环格局、过程与效应，发现物质的资源属性与环境属性相互转换规律，阐释“人类活动-资源消耗-污染物排放-环境归趋-环境效应”之间的互馈机制和响应关系，研发关键废物循环技术，推动物质闭路循环。
研 究 对 象
广义的物质循环是一个宽泛的概念，本文将物质循环科学所指的“物质”定义为具有资源和环境属性的宏观化学物质，包括资源（resources）、产品（products）、废物（wastes）、污染物（pollutants）等；“物质循环”特指人类活动影响下的具有特定时空尺度的地球表层物质迁移和转化过程。与生物地球化学循环、地球化学循环等学科相比，物质循环科学所研究的“物质循环”具有3个特征：以人类活动驱动为主导，兼顾人类经济社会系统内部及其与环境系统界面的物质流动、环境介质中的迁移转化，统筹考虑物质的资源和环境属性。概括地说，物质循环科学是一门研究人类活动作用下的地球表层物质循环路径、格局、过程与效应变化规律的学科。
图1 物质循环的时空尺度
理 论 体 系
物质循环科学是综合利用资源学、地理学、环境学、工程学的理论与方法研究物质循环格局、过程与效应的交叉学科。其研究体系主要分为物质循环格局与过程、废物循环利用、污染物排放的环境效应3个部分（图2）。其中，物质循环格局与过程是基于人类生产生活需要引起的物质流动过程，废物循环技术是人类主动改变物质流动路径的途径和方法，污染物排放的环境效应是物质进入环境后的自然迁移转化过程（图3）。质量守恒定律、系统论为建立物质循环过程概念模型提供了理论支撑，尺度效应、时空分异规律为研究物质循环格局与效应提供了理论依据，产业共生、人类矿床学等理论为研发废物循环技术提供了科学基础。
图2 物质循环科学的学科体系
图3 污染物“排放-损害”过程示意图
研 究 方 法
在物质循环科学技术研究体系中，不同过程组合研究即构成学科的主要研究方向，每个研究方向具有相应的研究方法（图2）。主要研究方法包括物质流分析、排放清单、废物循环技术、环境质量模拟、环境效应评估等。为了定量评估人类活动作用下的物质循环造成的资源环境效应，必须厘清各研究方法间的内在逻辑关系。
研 究 展 望
需要特别指出的是，以上各研究方向都只考虑了部分过程，忽视了与其他过程的衔接，导致难以建立具有内在响应关系的完整物质循环路径。因此，物质循环科学领域方法创新的主要途径，就是打通以上研究方向之间的数据接口——构建物理模型、建立数据融合方法、实现物质循环过程之间数据的无缝衔接。
（1）物质流分析结果与排放清单分析所需数据的融合。一方面，物质流分析中对人类活动类型的划分可能与排放清单构建中的人为源划分不一致；另一方面，物质流分析往往按元素种类来分析排放入环境的物质总量，而排放清单则按照污染物类别来分析；除此之外，二者测算的时间和空间尺度可能不一致。未来，应当建立多源环境数据融合方法，研发数据时空尺度转换模型，确保研究结果的尺度一致性，并提高时空精度和准确度。
（2）物质流分析结果与废物循环潜力测算所需数据的融合。从废弃物产生到形成再生资源的过程包含诸多不确定因素，除了测算结果的时空尺度外，还需要理清废弃物种类、产生量、收集量、进入资源化系统的量、形成再生资源的量、不同技术路径对再生资源产率的影响等。建立废弃物从产生到利用全过程的物理模型，有利于识别提高废物循环利用率的关键环节，查明可以利用但尚未有效利用的废物量，针对性地研发废物循环技术，并提出推动废物循环利用的管理措施和政策建议。
（3）排放清单结果与环境效应评估所需数据的融合。从污染物排放到环境效应产生的全过程受到排放因子、归趋因子、“量-浓度”转化模型、暴露因子、效应因子（图3）等众多参数的影响。这些参数往往基于微观过程测量获得，只能反映局部地区或特定时间的特征，但这些参数往往同时又具有较大的时空异质性。因此，任意一个或几个参数的时空尺度与其他参数不匹配，就可能导致结果出现较大的偏差。因此，应关注后续过程中各参数的时空分辨率及其一致性，尤其是建立运用各参数时空分异主控因子进行尺度一致性转换的技术方法。
需要注意的是，这些方法创新应该建立在对所研究过程的深入调查和理解上，而不能就数据谈数据。
结 论
毋庸置疑，工业革命以来的高资源开采-高污染排放的“双高”发展模式造成了物质资源的线性利用模式，进而导致了频发的环境污染和资源枯竭危机。面临越来越紧的资源与环境约束，发展循环经济、转变资源利用模式、推动物质闭路循环几乎成了唯一选择。物质循环科学的学科任务就是以物质的资源和环境属性为切入点，通过深入认识和理解人类活动影响下的物质循环路径、格局及效应识别系统“热点”，并针对性地调控和改造物质循环路径。我们相信，随着研究的不断深入，物质循环科学的理论与方法体系将不断完善，也将为资源环境可持续发展实践注入新的动力。
作 者 简 介
袁增伟 教授
南京大学教授、博士生导师、国家杰出青年科学基金获得者、首届国家优秀青年科学基金获得者。主要从事物质循环及其环境效应研究，在磷循环过程机理、含磷废物（畜禽粪便、餐厨垃圾、厨余垃圾、园林绿化废弃物等）资源化利用、磷排放生命周期过程环境效应评估等领域取得一定创新成果。主持国家自然科学基金8项，在PNAS、 ES&T、APPL ENERG、RCR 等SCI期刊上发表71篇论文，被SCI期刊他引2700余次，申报国家发明专利25项，出版专著/教材8部。
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