铝的物质流分析与生态环境影响研究，助力铝工业实现循环、低碳和可持续发展

金属是支撑现代社会生产和生活方式必不可少的物质基础。然而，自20 世纪以来，全球金属生产、消费和贸易量持续快速增长，带来了资源耗竭、生态破坏和环境污染等可持续发展挑战。2000 年以后，我国几乎所有金属的生产量和消费量都飞速增长，目前已有30 多种金属矿产的消费量位居世界第一。总体来讲，我国金属资源生产和消费面临资源储量不足，现阶段单位经济产出的资源投入过高，再生循环利用比例较小，冶金工业的能耗和碳排放量大，以及金属供应链复杂和产业风险过大等多方面的严峻挑战。

▲ 铝工业可持续发展面临的挑战

铝是生产和消费量仅次于钢铁的金属，也是生产和消费量最大的有色金属。2000 年以后，我国电解铝的生产和消费量持续快速增长，到2004 年我国的铝生产和消费均已位居世界第一。2021 年，我国电解铝的产量达3850 万t，占世界总产量的57%。相应地，前述我国金属工业所面临的挑战在铝工业上得到了全方位和深刻的体现。因此，科学地回答如下问题就显得重要而紧迫：

• 全球各国特别是发达国家的铝生产和消费发展历程有何规律？

• 我国过去几十年——特别是21 世纪以来——生产和消费了多少铝，这些铝应用在何处，这种生产和消费体现了怎样的规律和特征，背后有怎样的驱动力？

• 铝的世界贸易体系是怎样的，在这个贸易体系中，各个国家特别是我国占有怎样的地位，面临哪些风险？

• 铝的全生命周期过程具有哪些和多大的生态环境影响，特别是在气候变化日益严峻的背景下，铝工业作为高能耗工业具有怎样的气候变化影响？

• 如何在确保人类福祉得到满足的情况下，实现铝工业的安全、高效、低碳和绿色可持续发展？

（陈伟强等著. 北京：科学出版社，2023.12）一书正是为回答上述问题而写的。

本书的主体内容建立在陈伟强和刘刚的博士论文基础上。书中内容凝聚着陈伟强的导师钱易院士、汤姆·格雷德尔（Tom Graedel）院士、石磊教授和刘刚的导师丹尼尔·穆勒（Daniel Müller）教授的心血，并汇聚了陈伟强和刘刚所指导的学生王婉君、陈伍、代敏、卢浩洁、科尔顿·班斯（Colton Bangs）等的工作。

2006 年，在清华大学任教的石磊教授受中国铝业股份有限公司委托，开展一项题为“中国铝业物质流分析及循环经济发展对策研究”的项目，使得当时在钱易院士和石磊教授指导下的博士生陈伟强以此为契机开展研究，并于2010 年完成了题为《中国铝存量与流量分析：环境影响、需求模拟及政策启示》的博士论文。巧合的是，就在陈伟强完成博士论文的前一年，也就是2009 年底，美国铝业协会委托耶鲁大学产业生态学研究中心主任汤姆·格雷德尔院士开展一项有关“北美金属铝的物质流、贸易和循环利用潜力”的研究，使得陈伟强在2010 年完成博士论文之后顺利进入耶鲁大学，进一步开展铝和其他各种金属的生命周期物质流与环境影响评价研究。

▲ “存量与流量”框架：铝在社会经济系统中的全生命周期流动过程

另外，可能既是机缘巧合也是时代需求使然，刘刚的导师丹尼尔·穆勒教授于2009 年从美国耶鲁大学回到欧洲并任教于挪威科技大学，随之受国际铝业协会、欧洲铝业协会和挪威海德鲁铝业有限公司等委托开展另一项有关金属铝的物质流、贸易和环境影响的研究，而刘刚则成为丹尼尔·穆勒教授的博士生并从事该项研究。此后，刘刚和陈伟强作为产业生态学学科中从事金属物质流分析的同行经常在一起开会交流。2015 年，陈伟强从耶鲁大学回国，加入了中国科学院城市环境研究所，并在国际铝业协会、国家自然科学基金委员会和中国科学院的资助下领导团队在这一领域继续耕耘；而刘刚则在2015 年初任教于南丹麦大学，并在国际铝业协会、欧盟“地平线2020”、丹麦独立研究基金等的资助下持续开展相关研究。

2020 年，在征得汤姆·格雷德尔院士、钱易院士、丹尼尔·穆勒教授和石磊教授以及多名其他合作者同意的前提下，陈伟强和刘刚商议决定在陈伟强的中文博士论文和双方此前发表的多篇英文论文的基础上，结合王婉君、陈伍、代敏和卢浩洁等学生的进一步工作，重新整理大纲并补充部分内容，汇聚成《铝的物质流分析与生态环境影响研究》。

▲ 本书结构和技术路线图

本书从国家和全球两个尺度构建了系统的铝的物质流分析框架，研究了铝在社会经济系统中的源与汇和全生命周期流动路径，探索了铝的物质流动规律与时空分布特征；结合生命周期评价方法，探讨了铝存量和流量变化及其驱动能源需求与温室气体排放的未来趋势和情景，提出了促进我国和全球铝工业节能减排、实现铝工业碳中和目标与可持续发展的建议。

本书在金属物质流研究方法学的开发与完善，基础数据的搜集、整理和分析，铝及铝工业可持续发展的框架构建与路径分析方面具有重要研究意义。

本书的一大贡献是从国家和全球两个尺度建立了立体和完善的铝的物质流分析模型。首先是开发和完善了国家尺度上铝的一年静态与多年动态的物质流分析模型，该模型对理解国家层面金属元素的流动及其资源环境影响有重要意义；其次，开发和完善了全球尺度基于贸易和基于存量的铝的物质流分析模型，这些模型是国家层面模型的补充和集成。两者有机结合可以从铝全生命周期的角度构建一个立体的金属元素物质流分析框架，使我们能全面认识金属元素在社会经济系统中的代谢过程及其对可持续发展和人类福祉的影响。上述分析框架均可推广到其他金属元素的类似研究中。

▲ 全球铝的物质流网络分析图

α(1-4)指铸造、锻轧、挤压以及其他4 种工序；β(1-7)是指7 种最终含铝产品，即建筑、交通工具、包装、机械设备、电力工程、耐用消费品和其他

本研究系统地搜集、整理、分析了铝的所有相关资源和产品在国家尺度和全球尺度上的产量、消费量、进出口量、循环量和损失量的数据，可为国家或全球政府部门、行业协会和铝工业企业提供大量与铝相关的基础数据。

本书核算了国家和全球层面的铝生命周期存量与流量及其能源环境影响，为形成铝的可持续生产与利用政策提供了量化依据。此外，这些核算模型与政策建议可为促进其他金属的可持续生产与利用提供借鉴。

我们衷心希望本书的研究思想、方法、结果和建议能够对读者有一些启发，以促进金属物质流相关研究的进一步完善，从而助力中国铝工业实现循环、低碳和可持续发展。

本文摘编自《铝的物质流分析与生态环境影响研究》（陈伟强等著. 北京：科学出版社，2023.12）一书“前言”“第1 章 绪论”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-076536-9

责任编辑：马 俊 郝晨扬

本书可作为产业生态学与循环经济研究方向研究生的学习用书，也可供生态、环保、区域经济、可持续发展、产业管理等领域的科技人员和管理人员参考，还可作为高等院校环境学、经济学、生态学、材料学等专业师生的扩展读物。

（本文编辑：刘四旦）

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