物质循环科学的研究对象、理论与方法

人类活动的一项基本功能是从自然界不断开采资源,并将其加工成各种产品来满足生产和生活需要,同时向环境中排放污染物。因此,从宏观化学物质循环的角度来看,人类活动就是将地球表层物质不断进行时空转运和形态重构的过程。日益增强的人类活动已经成为影响地球表层物质循环格局、过程及其生态环境效应的主要驱动力,并引发区域性资源短缺和环境污染问题。为了推动资源与环境可持续利用,亟待发展物质循环科学,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。本文界定了物质循环科学的研究视角与对象,并将其定义为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;阐释了以人类矿床学为核心的物质循环科学理论体系,在此基础上明晰了物质循环格局与过程、废物循环技术、污染物排放的环境效应等相关方向的研究内容与方法;厘清了物质流分析、排放清单、废物循环技术、环境归趋与环境效应等研究方向的内在逻辑关系,并分析了物质流动路径中各过程之间的数据融合方法。

中国煤炭铁路运输生命周期温室气体排放研究

中国煤炭储量丰富、消耗量大且其资源禀赋与经济发展水平呈逆向分布,大宗煤炭铁路运输所导致的温室效应不容忽视。由于铁路机车的技术应用存在时空异质性,因而有必要从生命周期视角解析煤炭铁路运输温室气体排放的时空变异特征,探索减排潜力。本文在构建煤炭铁路运输生命周期温室气体排放(Life Cycle Greenhouse Gas Emissions,LC-GHGEs)核算模型的基础上,量化1999—2017年3类机车的省级LC-GHGEs因子,刻画LC-GHGEs的总体变化趋势与时空分异特征。结果显示:(1)随着西北电力机车工作量占比大幅提升与西南水电的大力发展,西北、西南铁路运输的LC-GHGEs因子呈显著下降,而华北、华东呈略微上升,省际差异逐步缩小。(2)1999—2017年,煤炭铁路运输LC-GHGEs总量首先呈现相对稳定的增长趋势,经历2002—2011年的煤炭"黄金十年"后开始迅速下降,然后在2017年再次上升。自2002年起,电力机车替代内燃机车成为温室气体排放最大的贡献者。(3)内蒙古替代山西成为LC-GHGEs贡献最高的煤炭输出省份,重点输出省份的西向转移加剧了煤炭铁路运输的温室效应。煤炭铁路运输LC-GHGEs在输入省份的分布较为分散,钢铁生产大省的贡献较为突出。最后,基于上述研究结果,从机车技术升级、能源结构调整、调运系统优化等方面提出了如何有效降低煤炭铁路运输温室气体排放的对策建议。