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杨东，党梦园，韩峰，石峰
(齐鲁工业大学(山东省科学院) 山东省科技发展战略研究所，山东 济南 250014)
物质资源多以住宅、基础设施、消费产品、废弃物等形式累积在人类社会经济系统之中，支撑人类社会经济活动的运行和发展[1-3]。伴随着经济快速发展，全球社会经济系统中物质的累积量在20世纪增长了23倍，并于2010年达到7.92×1011t[4]。随着城市化进程进一步加速，社会经济系统中的物质累计量会持续增加。物质资源在满足社会经济发展需要的同时，也产生了大量的环境污染和温室气体排放，造成了严重的生态环境问题[5-6]。追踪物质资源在社会经济系统中的流动和分布，可以有效打开“黑箱”，明晰环境污染和温室气体产生的根源，从源头找到减排的方向，辅助城市决策者进行管理决策，实现社会经济系统可持续发展。
物质存量(material stock, MS)是指特定空间范围内，按某一时点测度的物质积累量，可以反映人类社会的物质资源累积程度、流动趋势和资源化潜力[7]。伴随我国经济发展进入中低速增长阶段，社会逐步迈入存量经济时代，物质存量的研究显得尤为重要，近年来逐渐成为生态学、人文地理学、环境科学等多学科交叉的研究热点[8-10]。目前有关物质存量的研究已逐渐成熟，但对该领域发展足迹的梳理性研究还较为缺乏。
为了解物质存量研究的现状，本文采取文献计量方法，借助CiteSpace和VOSviewer可视化分析软件，对Web of Science(WOS)核心数据库中收录的物质存量研究相关文献进行计量分析，挖掘物质存量研究历程的知识结构、发展脉络与研究进展，为物质存量的理论研究发展提供参考。
1.1 数据来源和方法
物质存量研究是社会经济代谢分析的重要内容，早期的物质存量研究多包含在物质流研究之中。为避免遗漏相关文献，本文选取 “material flow analysis OR substance flow analysis AND material stock”作为主题词，在WOS核心数据库中的子数据库Science Citation Index-Expanded (SCI-E) (https://clarivate.com/webofsciencegroup/solutions/webofscience-scie/)和Social Sciences Citation Index (SSCI) (https://clarivate.com/webofsciencegroup/solutions/webofscience-ssci/)中进行联合检索，时间段选取1985年1月1日至2020年7月15日(检索日期为2020年7月16日)，检索条件不限制语言和文献类型，共得到693篇文献，经人工筛选并删除与物质存量内容不相关文献后，共得到476篇文献。收集的文献信息包括作者姓名、国家/地区、出版年、期刊、标题、关键词、摘要和参考文献等。
文献计量分析是对某一特定领域发表的文献进行定量分析的常用方法[11]，可以基于特定研究领域开展大量文献统计与总结，辨识研究领域发展变化的全过程，进而可以预测该研究领域未来发展的趋势，弥补了定性分析缺乏系统性和准确性的不足[12]。文献计量分析还可以借助文献包含的各种信息(如关键词、参考文献等)，能够在最短的时间里系统地了解研究领域的有效信息，提高相关学者对文献的利用率。CiteSpace和VOSviewer可视化分析软件是文献计量分析的常用工具，其中，CiteSpace是由美国德雷赛尔大学陈超美博士开发的引文网络可视化工具，通过绘制聚类、时间线和时区视图图谱，动态识别共引聚类、关键节点和突现节点[13]，被广泛应用于探究某一领域的研究热点、研究前沿、知识基础、主要作者和机构等；
VOSviewer是荷兰莱顿大学Van Eck N.J.与Waltman L.研发的可视化软件，能够绘制作者、引文、关键词等共现图谱，在聚类技术、图谱绘制等可视化方面具有独特优势[14]。
1.2 文献计量结果
1.2.1 文献发表数量
如图1(a)所示，物质存量研究文献发表呈现出3个历史发展时期。2000年以前是物质存量研究的萌芽期，文献发表数量较少，研究内容多以辅助物质流量分析为主。2000—2010年是物质存量研究的初步发展期，物质存量研究逐渐受到了环境、生态和可持续发展领域学者的关注。2002年美国耶鲁大学产业生态中心启动了“Stocks and Flow(STAF)项目”，旨在识别全球关键金属生命周期过程的存量与流量，该项目带动了一系列存量研究的快速发展。2011年后物质存量研究进入高速发展期，不同领域的研究者进入该研究领域，存量研究也发展成为一项独立于物质流量的多学科交叉研究，研究方法、研究对象和研究尺度等领域呈现全面爆发式的进展。
1.2.2 主要发表期刊
物质存量文献发表的期刊相对集中，大多发表在少数环境科学和产业生态学主题期刊上。如图1(b)所示，Resources, Conservation and Recycling (RCR)、Journal of Industrial Ecology (JIE)、Environmental Science & Technology (EST)和Journal of Cleaner Production (JCLP) 4个期刊的发文量占到物质存量研究的一半以上。这表明物质存量的研究仍比较“小众”，在生态环境研究领域的关注度相对较低。
注：2020年发文量数据截止到2020年7月15日。图1 物质存量研究论文发表数量和期刊分布Fig.1 Distribution of the number of published papers and journals on material stock research
1.2.3 高被引作者及其机构
本文列出了物质存量研究领域排名前14位的高被引作者及其所在的研究机构，具体见表1。耶鲁大学的Graedel T.E.和挪威科技大学的Müller D.B.是物质存量研究领域目前被引次数排名前两位的研究者，他们分别以美国和欧洲为主要研究区域开展了金属存量和建筑存量研究，为物质存量研究奠定了重要的理论和方法基础。物质存量研究的高被引作者和研究机构主要分布在美国、挪威、日本和中国。通过作者合作网络分析可以发现(图2)，高被引作者之间存在着广泛的国际合作关系。
表1 高被引作者及其机构统计
图2 作者合作网络Fig.2 Author cooperation network
1.2.4 文献共被引频次分析
借助VOSviewer软件进行文献共被引分析，得到64篇物质存量领域的高被引参考文献。如图3所示，高被引文献根据研究时间、研究对象和研究方法主要可以分为三个聚类：静态金属存量研究(红色聚类)、动态金属存量研究(蓝色聚类)和建筑存量研究(绿色聚类)。
图3 文献共被引分析图Fig.3 Cocitation reference analysis
静态金属存量研究大多出现在2009年以前，多以钢铁、铜和铝等大宗金属为研究对象，采用静态的“自上而下”的方法开展了全球和国家等大空间尺度的金属存量核算研究[15-17]，分析了大宗金属在社会经济系统中的代谢特征[18-20]。动态金属存量研究主要出现在2009年以后，逐渐采用“自下而上”或“自下而上”和“自上而下”相结合的方法，重点针对国家、区域、城市等尺度社会经济系统的金属在用存量(in-use stock)开展动态研究，预测不同社会经济发展情况下金属在用存量的未来供需[21-22]，评估废弃环节中金属资源的回收潜力[23-24]。建筑存量研究则主要针对日本[25]、挪威[26]、荷兰[27]、德国[28]、意大利[29]、奥地利[30]和中国[31]的部分城市和地区开展建筑及基础设施物质存量分析，揭示建筑物质在城市中的时空动态分布及代谢规律。通过对以上高被引文献分析可以发现，存量研究主要依托社会经济统计数据和调研数据，采用“自下而上”或者“自上而下”的核算方法，揭示不同尺度的物质时空代谢规律，以此来提升和优化物质存量的代谢效率，实现资源物质的高效利用，避免环境问题的产生。金属存量和建筑存量是物质存量研究的关注焦点和知识基础，未来较长时间内也仍旧是存量研究关注的重点。
2.1 研究主题方面
研究主题的分布及演化可以直观体现出物质存量研究不同时期研究热点的变化，关键词正是论文研究主题的集中体现。本文针对物质存量文献的关键词开展计量分析，从物质存量研究的研究对象、研究方法和研究目的三个方面，来判断物质存量研究主体的发展变化，寻找关键研究热点。将数据导入到CiteSpace中，节点类型选择关键词(Keyword)，关键词来源仅选择作者关键词(Author Keywords)，运行软件，得到节点(Nodes)437个，连线(Links)1 195条，最后选择时区视图(Time zone)，得到了热点关键词时区视图，如图4所示。
图4 关键词时区图Fig.4 Time zone view of keywords
通过热点关键词时区变化可以看出，物质存量研究主题可分为三个发展阶段。早期，物质存量研究(stock)主要作为物质流(material flow analysis)和元素流(substance flow analysis)研究的组成部分而受到关注，研究对象也主要侧重于铜(copper)、钢(steel)和铝(aluminum)等大宗金属在工业代谢(industrial metabolism)、金属循环(metal cycle)和资源管理(resource management)中的分析。中期，存量逐渐作为独立的研究方向受到研究者的重视，理论研究不断扩展，存量研究指标也不断细化，物质强度(material intensity)和在用存量(in-use stock)成为新热点。存量研究的对象也扩展到以建筑存量(building stock)、住宅存量(dwelling stock)和基础设施(infrastructure)为主的城市代谢(urban metabolism)研究。“自下而上”(bottom-up approach)和动态物质流(dynamic material flow analysis)存量核算分析方法被引入到存量研究当中，建材(building material)的需求预测和拆除废弃物(construction and demolition waste)的综合利用也逐渐受到重视。近期，大量新的研究方法和手段，诸如生命周期评价(life cycle assessment)、解耦分析(decoupling)和情景分析(scenario analysis)被引入到物质存量研究当中，物质存量的研究范畴也扩展到了温室气体排放(greenhouse gas emission)、循环经济(circular economy)、城市矿产(urban mining)、资源效率(resource efficiency)等可持续发展(sustainability)领域。物质存量研究主题逐步深入，呈现出“从宏观到微观、从存量核算到可持续发展分析、从发现现象到解决问题”的路径。
2.2 研究方法方面
由关键词归纳分析发现，物质存量的研究方法多依赖于物质流分析(material flow analysis)和元素流分析(substance flow analysis)方法，一般可以分为“自上而下”和“自下而上”两类。
存量研究方法早期主要以传统的“自上而下”的为主，该方法依赖经济社会统计数据，主要应用于大尺度的社会经济代谢和物质存量研究。Graedel等[18,32]基于STAF项目，提出了金属物质存量代谢分析方法，核算了全球社会经济系统中铜、锌等金属的存量、在用存量以及流量。以上研究为大尺度的社会经济代谢和物质存量分析奠定了方法基础，并带动了大批类似的研究。Johnson等[33-34]以及Reck等[35]基于STFA分析框架，定量分析了国家和全球不同空间尺度银和铬以及镍在社会经济系统中的存量和代谢强度，为进一步分析资源、废弃物管理和环境影响提供了信息基础。以上研究多聚焦某一时间点上金属物质在社会经济领域和空间领域的静态分布，无法刻画物质存量在时间尺度上的动态变化特征。为提升物质存量时间尺度上的研究精度，Müller[27]提出了动态物质流分析方法，量化了1900—2100年荷兰住宅建筑存量和流量的时间变化特征。动态物质流分析方法极大地推动了物质存量研究，为解析社会经济系统物质存量动态特征，预测存量达峰，辅助决策奠定了坚实的方法基础。Pauliuk等[36]基于动态物质流分析方法，针对挪威交通、建筑和工业三个行业开展研究，评估了提高材料利用效率等不同措施的减排潜力；
Hu等[37]对北京市住宅建筑进行了动态分析，预测了未来废物的产生量，并在此基础上对北京市建筑拆除废物管理提出了可行性的建议；
Sartori等[38]探索了1900—2100年挪威住宅建筑新建、拆除和翻新活动引起的存量变化，得出未来建筑翻新很可能成为推动挪威住宅存量变化的主要活动。但“自上而下”的研究方法在城市、街区等中小尺度领域经常面临数据不易获取的难题，同时也难以精确刻画物质存量的空间分布特征。
“自下而上”的方法多应用于中小尺度的存量研究，研究的精度相对较高，但是普遍需要消耗大量的时间和资源去获取调研数据。为了降低数据获取难度， Tanikawa等[39]以和歌山和伯明翰建筑为研究对象，利用空间遥感数据，提出了4D-GIS的物质存量分析模型，提升了存量分析研究的精度，降低了数据的获取难度，并实现了物质存量分析的空间可视化，这为城市尺度的研究提出了新的思路。Kleemann等[40]结合GIS数据集，采用“自下而上”方法动态分析了维也纳不同建筑类型中建筑材料存量及空间分布，为预测建筑行业拆除活动和二次资源的流动提供了基础。为了解国家社会经济代谢动态和物质平衡，Tanikawa等[25]利用GIS技术展示了1945—2010年日本47个县的建筑和基础设施存量的空间分布，提出采用“自下而上”方法结合GIS技术来研究社会存量是探索社会经济代谢的重要研究方向。在以上研究方法的基础上，研究者陆续开展了北京[41]、深圳[42]、莱茵[43]、上海[44]、齐克拉约[45]、帕多瓦[29]和欧登塞[46]等城市和地区的物质存量研究。伴随新技术的发展，夜间灯光数据、无人机航拍数据、POI数据也逐步作为新的数据源被纳入到物质存量研究之中。Hattori等[47]利用夜间灯光数据估算了2006年和2010年不同国家和地区建筑中在用钢存量，弥补了一些国家或地区由于缺乏物质消费、贸易等统计数据而无法估算在用物质存量的不足；
Wang等[48]针对深圳市龙屋村建筑，利用GIS技术和无人机航拍技术，对每一栋建筑拆除物进行分析，为加强城市废弃物管理和降低城市更新的环境影响提供了更为详细的信息；
Mao等[49]利用GIS技术和POI数据，编制了北京市建筑材料存量数据库，详细描述了2018年北京市建成环境存量和其空间分布。新数据技术的应用为中大空间尺度上开展高精度的物质存量研究提供了可能。
2.3 研究目的
(1)盘点社会经济发展的资源基础，预测资源需求达峰
存量分析可以有效量化社会经济系统中的物质资源存量以及时空变化特征，结合情景分析、解耦分析等方法，可以合理预测不同经济发展情境下，社会经济发展的资源需求量以及需求的峰值。Zeltner等[50]结合动态物质流分析和情景分析方法，分析了美国社会铜的存量及变化特征，预测了2100年美国社会对于铜的需求，并结合铜的供应现状，提出未来必须提高对再生铜的回收效率；
Pauliuk等[23]采用动态物质流分析方法，核算了中国1900—2009年钢铁存量，并以人均钢铁存量为主要指标，预测了2100年中国社会经济系统中的钢铁在用存量以及需求量；
Bergsdal等[26]基于挪威人均住宅面积的历史数据，采用动态物质流分析方法，分析并预测了1900—2100年挪威住宅存量和建材的需求情况。
(2)追踪社会经济系统资源存量变化，辅助城市矿产开发
存量分析可以获取物质在不同经济系统中的分布，量化物质在废弃物系统中的储量，以此辅助城市矿产开发。Thiebaud等[51]采用动态物质流分析方法，研究了瑞士电子设备中铟、钕和金的存量，结合电子设备的寿命曲线，预测了电子废弃物中金属的存量，估算了以上金属的回收情况；
Wang等[52]采用动态物质流分析模型，分析和预测了2040年中国废旧电视中金属和塑料的物质存量，该结果为电视机行业废物回收和管理相关决策者提供了决策基础；
Miatto等[29]采用“自下而上”的方法，核算了意大利中型城市帕多瓦1902—2007年的总建筑存量和建筑拆除废物数量，探索了建筑废物的开发潜力。
(3)解析资源代谢特征，降低环境污染排放
存量分析可以追踪资源在社会经济系统的存在变化，可以解析资源代谢的特征，明确环境污染排放的具体节点和排放量，进而采取相应措施，可以避免或者降低环境污染物的排放。Müller等[53]针对2008年全球基础设施开展了存量研究，分析了建造、使用和废物管理等不同阶段的存量，估算了全生命周期的温室气体排放，同时参照当前技术水平，估算了2050年全球基础设施建设中建材生产导致的温室气体排放；
Krausmann等[54]将温室气体排放引入物质存量-流量分析框架中，分析预测了2018—2050年不同情境驱动下各国建筑、基础设施以及机械产生的碳排放，结果发现各国实现2050年《巴黎气候协定》目标的最大阻碍是建筑、基础设施和机械存量的不断增长。Watari等[55]结合动态物质流分析方法与情景分析方法，预测了不同场景下2050年全球电动汽车行业锂资源的供需情况以及二氧化碳排放情况，提出提高废弃锂电池回收从长期来看十分重要，但近期需要更加综合的策略来应对气候变化；
Bai等[56]采用“自下而上”的核算方法针对1997—2016年中国31个省的基础设施存量以及隐含碳排放量开展了研究，结果发现不同省份应基于不同的资源特点和发展方向制定合适的基础设施建设规划以此降低资源能源消耗和二氧化碳排放。
本文采用文献计量方法，对WOS核心数据库中收录的物质存量相关文献进行了分析，从论文出版年、作者、机构、期刊以及参考文献等角度阐明物质存量的研究概况，并从研究主题、研究方法和研究目的三大方面对现有研究进行全面梳理。研究发现，经过不断发展，当前物质存量研究具有以下特点和趋势：物质存量研究主题呈现出从单纯的物质核算，到资源达峰、社会经济代谢、温室气体减排和城市矿产开发等多研究主题交叉共融的趋势；
研究方法不断丰富，实现了物质存量研究在时间和空间上的进一步延伸；
研究对象不断扩展，从早期侧重于单一金属的研究到现在涉及建筑、电子产品等更加综合产品的研究；
研究内容也逐渐从单纯的理论探索走向实践指导决策。
尽管物质存量研究已经取得了长足发展，但在数据获取和决策服务支撑上仍存在较大不足，主要体现在：第一，关键数据的获取和数据质量问题。存量研究依赖于大量精确、及时和本土化的数据支撑，但是诸如物质存量强度、物质寿命、物质在用存量等数据往往是缺乏的，且数据获取费时费力。第二，物质存量研究的决策服务支撑能力亟待加强。物质存量研究的根本目的是辅助产业和政府进行相关决策，但目前存量研究仍以观察追踪物质资源在社会经济系统中的变化、解析时空动态规律为主，对指导产业发展和政府决策的实践性研究仍然缺乏。
为了弥补物质存量研究中的不足，未来的研究需要积极与其他学科融合发展，提高数据精度和强化决策服务支撑的能力。物质存量研究传统的数据获取和分析手段相对比较单一，伴随着空间遥感技术、大数据技术等新技术方法的不断发展，数据获取的精度和广度将不断提升，物质存量研究亟待与之融合发展，以此提升研究的精确度。同时，物质存量研究应紧密跟踪经济社会发展，打通科研界、产业界和政府间的阻隔，使物质存量分析结果真正成为政府和产业发展的决策支撑。
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