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编辑荐语：本文探讨了物质流分析（MFA）及其在碳中和目标中的应用，分析了MFA及碳排放物质流分析（MFA-CE）的发展趋势和未来方向，提出了多方法融合和数据驱动的研究建议，为实现碳中和目标提供了重要参考。
文章题目：Review of material flow analysis and its application under carbon neutralization target: A bibliometric perspective作者(通讯*)：刘莉娜, 曲建升*, 李雪梅, 廖琴, 牛艺博通讯机构：甘肃省知识计算与决策智能重点实验室；中国科学院成都文献情报中心引用信息：Liu L, Qu J, Li X, Liao Q, Niu Y. Review of material flow analysis and its application under carbon neutralization target: a bibliometric perspective. Carbon Footprints. 2024;3:13. http://dx.doi.org/10.20517/cf.2024.16全文链接：https://www.oaepublish.com/articles/cf.2024.16文章摘要
碳中和愿景下，物质流分析（MFA）可为碳流动和碳排放的量化评价提供方法支持。尽管大量学术期刊发表了关于MFA的论文，但碳排放物质流分析（MFA-CE）研究仍面临巨大挑战，如该领域的未来研究趋势如何？对此，基于Web of Science数据库，本研究从文献计量和综述双视角出发，对1991—2022年MFA和MFA-CE研究的文本数据进行分析和挖掘。研究发现：
①在过去32年，MFA和MFA-CE研究具有相似的发文特征，如均具有快速波动增长的发文趋势，研究活跃地区均集中在美国、中国等。
②MFA和MFA-CE研究均为多学科交叉领域，以环境学和经济学交叉研究为主，其发文增长趋势最快。
③从高被引论文看，研究热点主要聚焦在全球物质流、环境影响和回收利用等方面。此外，高被引论文分析表明，2014年之后，MFA和MFA-CE研究均受到广泛关注。
④从文献综述看，MFA与其他方法融合使用将有助于识别物质流，如碳流动。此外，本文总结了MFA-CE研究的未来展望：一是加强跨学科合作，二是亟需重视多尺度研究，三是进一步加强数据可获取性和适用性。
图片摘要
随着碳中和成为国际共识，碳排放物质流分析（MFA-CE）研究引起了广泛关注。碳中和是国际社会应对气候风险、缓解生态危机的重要措施之一。截至2023年11月，有145个国家宣布或正在考虑实现净零排放目标，这些国家覆盖了全球近90%的排放。在此背景下，对碳排放进行量化评价有助于为实现碳中和提供数据支撑。根据物质流分析（MFA）的内在特征，它能够有效地分析社会系统中物质/产品的碳流动。如Igarashi等人的研究采用动态MFA方法分析了不锈钢行业减碳潜力。Krausmann等人通过使用MFA量化分析了1900—2015年全球物质需求的社会经济代谢。Li等人开发了一个基于存量驱动的动态MFA模型，探讨了1993—2060年中国发电基础设施相关的物质-能源-碳排放之间的关系。经过几十年的发展，MFA在许多领域得到广泛应用。从MFA的系统边界看，相关研究聚焦在一定时间段内全球、地区、国家、城市或社区层面。例如，一些研究关注了全球材料开采和消费、不同部门物质流动，包括农业、交通、建筑和固体废弃物等。一些研究基于MFA方法，探讨了不同收入水平、不同地区或不同城市的固体废物特征、食物浪费、经济增长与环境的影响。从不同研究对象看，MFA主要应用于资源开采、进出口、国内物质输出以及隐含物质流、能源流、碳排放流等。此外，一些学者从文献综述角度对MFA进行总结，如将其作为电子废物的战略工具，探讨其应用、发展趋势和未来研究方向，并从文献计量学角度分析MFA在工业生态系统中的应用。
论文发文趋势可以间接地反映研究人员对该领域的认知，如对应用、方法等方面的认知。与以往研究不同，文献计量学分析有助于理解研究现状和研究趋势，已成为分析科学研究的有力工具。通过文献计量分析，不仅可以定量描述特定主题的研究需求，还可以知识图谱形式分析其发展特征。有关MFA和MFA-CE领域的系统综述相对较少，尤其是从文献计量学和科学计量评价视角出发。此外，MFA-CE的贡献在于为碳排放量化评价提供了一种系统、全面、多尺度分析方法。然而，国际上MFA和MFA-CE领域研究现状如何？研究热点是什么？未来研究方向有哪些？为了回答这些问题，本研究从文献计量和综述视角分析了MFA和MFA-CE领域的发文趋势、国家分布特征、学科结构、学科布局和前沿热点。本研究数据来源于Web of Science核心合集：科学引文索引数据库扩展版（Science Citation Index Expended, SCI-E）和社会科学引文索引数据库（Social Sciences Citation Index, SSCI）。通过使用标题和关键词等于“物质流分析”和“碳排放物质流分析”进行检索，分别获取MFA和MFA-CE研究相关论文1309篇和782篇；剔除不相关论文之后，最终使用MFA研究论文1235篇和MFA-CE研究论文719篇作为文献计量分析的文本数据。研究框架图如图1所示，采用文献情报分析方法对MFA和MFA-CE研究的发展趋势和热点话题进行分析，并在此基础上探讨未来发展方向。文本数据分析采用Derwent Data Analyzer（DDA）、CiteSpace以及VOSviewer软件实现。DDA软件是一种智能信息分析工具，提供多角度数据挖掘和可视化的全景分析；CiteSpace软件是由陈超美博士研发的，用来分析和可视化文本数据的文献计量工具；VOSviewer软件是一个用于构建和可视化文献计量网络的软件工具，提供文本挖掘功能，用于构建和可视化科学文献中提取的重要术语的共现网络。![]()
从发文趋势来看，过去32年（1991—2022年），MFA和MFA-CE研究的发文量均呈现快速波动增长趋势，变化趋势相似，且均可分为3个阶段（图2）。总体来看，随着MFA和MFA-CE研究相关论文数量增加，可进一步说明该领域在国际上得到广泛认可和关注。通过绘制MFA和MFA-CE研究的国家合作网络图谱，可以有效识别国家合作强度。从国家分布特征看，在MFA和MFA-CE研究的总体合作强度中，美国和日本在研究早期占据主导地位，中国和美国在研究后期占主导地位。尤其是中国提出到2060年实现碳中和目标以来，中国在MFA和MFA-CE研究中的主导趋势更为明显。从机构分布来看，耶鲁大学和日本国立环境研究所在MFA和MFA-CE研究早期发挥重要作用，中国科学院和清华大学在研究后期发挥主导作用。从期刊分布来看，Resources Conservation and Recycling，Journal of Cleaner Production，Journal of Industrial Ecology和Environmental Science & Technology这四本期刊收录MFA和MFA-CE研究的相关论文最多，在其研究中发挥关键作用。2. 研究热点分析
从学科分布看，根据本研究使用的文本数据，发现MFA和MFA-CE研究分别涉及103和84个学科。其中，环境科学与材料科学（跨学科）相关的MFA和MFA-CE研究发文量增速最快，如与2004—2013年相关累计发文量相比，2014—2022年MFA和MFA-CE研究分别增长了2.79和4.83倍。从高被引论文看，根据JCR（期刊引文报告）高被引论文标准，检索到研究期间分别收录MFA和MFA-CE相关高被引论文7篇和3篇（包含在上面7篇中）。研究发现，高被引论文中被引频次最高的这篇论文，第一作者是Hass，于2015年将其文章发表在Journal of Industrial Ecology期刊上，被引484次。同时发现，高被引论文主要来源于Journal of Industrial Ecology，PNAS，Nature Geoscience，Global Environmental Change，Waste Management，Land Use Policy和Resources Conservation and Recycling高质量期刊。从关键词聚类分析看，MFA和MFA-CE研究分别涉及2920和1806个关键词。通过绘制关键词知识图谱发现，MFA研究聚焦在产业生态学、循环经济、中国、生命周期评价、磷等关键研究领域；MFA-CE研究聚焦在产业生态学、循环经济、中国、生命周期评价、循环利用、城市代谢和磷等关键领域。从研究前沿分析看，MFA和MFA-CE研究分别涉及20和14个突现词，如在MFA-CE研究中，关键词突现词主要包括资源管理、系统分析、物质流分析、环境影响、循环经济、废物管理、生命周期评价、城市代谢等（图3）。![]()
讨论
1. 物质流分析概念及界定
MFA源于新陈代谢研究，其基本思想可以追溯到19世纪50年代。1969年，Ayres等人首次建立国家尺度经济系统的物质流分析体系。Haes等人在1988年提出了经济和环境系统有害物质流的动态MFA框架。在20世纪90年代后，MFA理论框架基本形成，MFA相关研究也开始日益活跃。MFA作为一种评估工具，适用于自然资源和物质输入、流动和输出的评估。如图4所示，该方法广泛应用于社会经济代谢和产业生态学领域，用于研究物质流在环境与经济系统之间的相互作用。随着全球人口不断增长、工业化和消费水平提高带来的物质资源需求增加，MFA在量化生产、消费、贸易和废物管理中的物质流动发挥重要作用。![]()
通过对MFA研究进行梳理，MFA逐渐成为以社会经济和自然环境系统边界上所有物质为核算对象，坚持以节约为核算原则的核算框架。在此框架基础上，根据不同研究对象，采用MFA方法重点分析单个元素或者化合物以及一定范围内的物质总量或结构。近年来，MFA研究逐渐由静态方法向动态方法转变，旨在探索物质流动规律。尤其是碳中和愿景下，MFA在碳排放量化评价方面发挥重要作用。采用MFA的碳排放量化评价研究仍是未来学术界研究的热点话题之一。此类研究不仅关注如何精准量化碳排放，还致力于寻找有效的减排途径实现碳中和。从研究方法看，考虑生命周期评价、投入产出分析和MFA等多方法的融合的框架体系可有效避免计算内容重复和遗漏等问题，适用于多尺度量化评估，从而提高准确性和适用性。从研究内容看，MFA侧重于评价碳排放特征。如已有研究从不同尺度（全球、国家、地区、城市）、不同领域（能源、建筑、交通、农业等）和不同环节（生产、消费、废物处理等）分析其碳排放特征。这些多层次、多领域和多环节的研究可揭示碳排放的复杂性和多样性，为制定有效的减排策略提供科学依据。
3. 碳排放物质流分析的未来展望
通过对MFA-CE研究梳理，归纳为以下三个方面的研究展望（图5所示）。
一是多方法融合视角对碳排放量化亟需关注。MFA又称社会经济代谢分析，是根据质量守恒定理对社会经济系统中物质存量和流量进行系统评价的方法，适用于不同尺度的代谢核算。MFA适用于微观尺度分析，然而由于微观数据通常来自调查或实验，这给多尺度和长尺度的宏观分析带来挑战。对此，解决多维度、多角度、多环节视角下碳排放量化评价这一科学问题尤为迫切。
二是多尺度视角下碳排放关键影响机制研究需要加强。多尺度空间的碳排放对比研究可为碳排放管理提供数据支撑和科学参考，成为该领域研究的发展趋势之一。不同地区资源禀赋、气候变化、经济发展等存在显著差异，这些差异影响当地能源结构、生产模式和生活方式，从而导致碳排放具有明显差异。结合IPAT、EKC、KAYA恒等式等理论基础，分析其影响因素，并科学判断其关键机制。这将有助于识别碳排放未来发展路径，从而为制定科学合理的碳减排方案提供依据。
三是需要更加注重数据驱动和学科融合。在方法上可加强宏观和微观尺度融合，注重影响机制研究向落地实践转变。促进可持续发展是实现碳中和的核心任务。当前，MFA-CE研究受限于数据可获得性、准确性和一致性，在评价过程中并不可避免地依赖假设和参数估计，给碳排放核算带来一定的不确定性。未来研究需要加强数据驱动的多学科融合，提高数据质量和准确性，并促进跨学科研究和协同治理。
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图4 碳排放物质流分析未来展望
一方面，MFA研究本身存在不确定性。碳中和目标下，MFA在资源管理、环境保护和可持续发展中发挥重要作用，然而，MFA研究在数据获取、质量控制、复杂系统建模以及跨学科协作方面仍面临许多挑战。另一方面，本研究分析过程中也不可避免地存在一定局限性。尽管本研究分析了MFA和MFA-CE研究现状、热点和未来发展趋势，但仍存在一些不足。比如，未来可以扩展数据库来源，考虑纳入非英语语言的论文。此外，随着MFA和MFA-CE研究的不断发展，未来可能会有新的方向和技术突破。
结论
1991—2022年，MFA和MFA-CE研究呈现出相似的发文特征。一方面，它们均呈现不同程度的指数增长趋势，美国和中国分别在MFA和MFA-CE研究早期和后期占主导地位，这与相关时期各国的环境与气候政策密切相关。另一方面，MFA和MFA-CE研究排名前十的研究机构主要分布在美国、日本、奥地利和挪威等发达国家，以及中国。此外，中国科学院、清华大学和耶鲁大学是研究期间MFA和MFA-CE领域的发文量排名前三的机构；Resources Conservation and Recycling，Journal of Cleaner Production和Journal of Industrial Ecology是发文量排名前三的期刊。
从研究领域看，MFA和MFA-CE均属于多学科交叉领域。研究期间，环境科学与材料科学（跨学科）相关的MFA和MFA-CE研究发文量增速最快，如与2004—2013年相关累计发文量相比，2014—2022年MFA和MFA-CE研究分别增长了2.79和4.83倍。前十大学科类别占所有出版物的比例超过85%，主要集中在环境科学、工程、绿色与可持续科技和环境研究等领域。其中，环境研究和经济学的增长最快，分别在2004-2013年和2014-2022年期间增长了2.79倍和4.83倍。从高被引论文看，主要来源于Journal of Industrial Ecology，PNAS，Nature Geoscience，Global Environmental Change，Waste Management，Land Use Policy和Resources Conservation and Recycling高质量期刊，聚焦在全球物质流动、环境影响和回收利用方面。
MFA与其他方法融合研究，有助于识别和分析碳排放物质流。1991—2022年，58.22%的MFA研究出版物涉及碳排放。MFA作为碳排放领域的主要量化方法之一，将在碳中和愿景下得到广泛应用。MFA-CE研究中，MFA的主要优点在于可以分析碳排放物质流动的变化趋势，适用于微观层面。同时发现，生命周期评价、投入产出分析等方法出现在关键词聚类及研究前沿主题中，多方法融合的碳排放量化评价将有助于识别物质流动。
在前人研究基础上，本文在以下三个方面归纳总结了MFA-CE研究的未来展望。一是多方法融合视角对碳排放量化亟需关注。二是多尺度视角下碳排放影响机制研究需要加强。三是需要更加注重数据驱动和学科融合。基金支持：本研究得到了国家自然科学基金项目（42171300），陇原青年创新创业人才（个人）项目（2023LQGR44），兰州市青年科技人才创新项目（2023-QN-25），甘肃省科技计划资助（21CX6ZA111）和中国科学院青年创新促进会（2022434）项目的支持。引用信息：Liu L, Qu J, Li X, Liao Q, Niu Y. Review of material flow analysis and its application under carbon neutralization target: a bibliometric perspective. Carbon Footprints. 2024;3:13. http://dx.doi.org/10.20517/cf.2024.16曲建升
曲建升，研究员，博士生导师，2021年1月至今，就职于中国科学院成都文献情报中心。长期从事环境发展政策、碳排放评估及情报学理论方法的研究、教学与战略咨询工作。主持国家及省部级重要研究课题20余项，发表学术论文200余篇，出版专著、译著20余部，撰写研究报告30余部，获得中国科学院王宽诚西部学者突出贡献奖及省部级科技成果奖励4项，2011年享受国务院政府特殊津贴。刘莉娜
刘莉娜，助理研究员。2018年1月至今，就职于中国科学院西北生态环境资源研究院。近年来，聚焦气候变化与“双碳”领域，开展相关工作。作为项目/课题负责人，主持中国科学院西部之光青年学者、甘肃省自然科学基金等9项课题。2023年入选陇原青年创新创业人才（个人）项目，2023年入选兰州市青年科技人才创新项目（个人）。近年来，参与发表科研论文40余篇，参与出版专著8部，其中，以第一/通讯作者先后在《Journal of Geographical Sciences》《自然资源学报》《环境科学》等期刊发表论文近20篇，出版专著1部。撰写相关咨询建议多份，其中10余份被国办或甘肃省委办公厅或中国科学院专报采用。【往期推荐】
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