ERIS编辑优选：海峡西岸城市群基础设施材料代谢与减碳路径
文章介绍
通讯作者：
- 宋璐璐，中国科学院城市环境研究所
- 陈伟强，中国科学院城市环境研究所
研究背景：
道路、供水管网、排水管网等基础设施的建设与更新需要持续投入大量材料，并在原生材料生产、加工和回收过程中产生温室气体排放。随着城市发展由大规模新增建设逐步转向存量维护和更新，基础设施材料的需求结构、报废规模和再生材料供给将发生变化。现有研究对基础设施材料存量、未来流量及循环经济减排效应的长期耦合分析仍相对不足。本研究以海峡西岸城市群为例，构建基础设施物质-能源-碳排放耦合模型，分析2000-2060年材料代谢变化，并评估报废回收、集约利用和寿命延长等策略的温室气体减排潜力。
研究内容：
本研究以海峡西岸城市群的路灯、高速公路、城市道路、供水管道、天然气管道和排水管道六类基础设施为研究对象，采用物质-能源-碳排放耦合模型（IMAGINE Materials model），系统核算其中砂、碎石、水泥、钢、铜、铝和沥青七类大宗材料的代谢过程及其相关温室气体排放。在此基础上，研究重建了2000-2020年基础设施材料代谢的历史演变过程，并通过拟合人均基础设施产品存量与建成区面积之间的关系，预测2021-2060年基础设施存量、材料需求和报废量的变化。
研究发现：
1.基础设施材料存量增长呈现明显的阶段性。人均基础设施产品存量与建成区面积之间符合S型关系，即在城市扩张初期快速增长，随后增速放缓并趋于饱和。模型结果表明，多数城市将在2030-2045年进入存量饱和阶段，区域材料总存量预计于2036年前后达峰。未来基础设施材料流动将逐步由新增建设投入主导，转向维护更新与报废释放并重。
图1. 2000-2020年海峡西岸城市群材料存量的时间变化规律
图2. 基础设施产品存量与建成区面积的关系及材料存量预测
2.城市基础设施材料代谢阶段存在显著差异。福州、厦门等存量接近饱和的城市，应重点提高既有设施维护水平、延长使用寿命并完善报废材料回收；泉州、莆田等仍处于增长阶段的城市，应控制单位基础设施服务的材料投入并提高设施集约利用效率；龙岩等后发城市应在新增建设阶段采用减量化和可循环设计，以降低长期材料需求和碳锁定风险。
图3. 2021—2060年福建省的材料需求（流入量）与报废产生量（流出量）
3.需求侧措施的减排贡献高于单纯提高报废回收率。三类循环经济策略均可降低温室气体排放，但报废回收受到废旧材料释放规模和时间的限制，其减排潜力相对有限。提高基础设施集约利用水平和延长使用寿命能够直接减少新增材料需求，因此具有更大的累计减排潜力。研究表明，基础设施材料减碳需要协同实施需求侧管理和报废回收，而不能仅依赖末端循环利用。
图4. 不同循环经济策略的温室气体减排贡献与剩余排放
作者介绍
陈伟强 研究员
中国科学院城市环境研究所
- 陈伟强，中国科学院城市环境研究所研究员、国家自然科学基金青年A类项目获得者（原国家杰出青年科学基金）、国际产业生态学会候任主席，获得中国稀土学会稀土科技一等奖（排名第一）。主要从事城市代谢、关键金属物质流分析、资源环境数智技术与产业生态系统工程研究。现任Resources, Conservation, and Recycling和Journal of Industrial Ecology等SCI期刊编辑、厦门大学兼职教授和中国科学技术大学兼职博士生导师。主持国家自然科学基金青年项目A类、京津冀环境综合治理国家科技重大专项、中国科学院前沿科学重点研究项目、国家自科基金国际合作重点项目及国际铝/铜/镍业协会等国内外行业协会和国家电网、施耐德电气公司、北方稀土、中国稀土集团等世界500强企业或央企委托的研究课题30余项。在PNAS、One Earth、Nature Climate Change、Nature Geoscience、Nature Communications、Fundamental Research及《中国科学院院刊》等国内外期刊发表论文100余篇。
宋璐璐 研究员
中国科学院城市环境研究所
- 宋璐璐，中国科学院城市环境研究所研究员。先后入选福建省杰青、中科院上海分院青年英才、福建省和厦门市高层次人才。荣获全球华人产业生态学会优秀论文奖，担任中国生态学学会产业生态专业委员会副秘书长。主持国家自然科学基金和福建省技术厅项目8项，作为科研骨干参与国家自然科学基金委-联合国环境署联合项目、中科院前沿科学重点研究项目和国家重点研发计划项目等研究课题10余项。在Nature Climate Change、Journal of Industrial Ecology、Environmental Research Letters等国内外期刊发表文章40余篇。担任Science、Nature Cities、Nature Chemical Engineering等期刊审稿人。
期刊介绍
- 2025年影响因子：3.3 Citescore：5.6
- Environmental Research: Infrastructure and Sustainability（ERIS）是一本涵盖多学科的开放获取期刊，本期刊旨在发表针对各种规模和地理环境的基础建设及其相关系统所面临的各种挑战的研究，以及更广泛意义上的可持续性和持久性研究，包括环境、经济和社会因素等。我们欢迎包括定性、定量、实验性、理论及应用研究的所有方法学研究。