解析城市道路物质代谢与环境影响的驱动因素：中国上海基于 MFA-LCA-LMDI 的综合分析

《Resources, Conservation and Recycling》：Decoding the drivers of urban road material metabolism and environmental impacts: an integrated MFA-LCA-LMDI analysis of Shanghai, China

　　

**要点摘要**
- 开发了一套面向城市道路系统的MFA-LMDI-LCA综合框架。
- 2014至2023年间，上海道路材料存量从416.75 Mt增至810.61 Mt。
- 道路长度推动存量增长，而道路宽度在一定程度上抵消了积累。
- 外区存量更多，而中心城区存量密度更高。
- 材料生产阶段主导了从摇篮到施工环节的环境影响。

**引言**

城市道路系统已成为快速城市化地区建筑材料的巨大储存库，形成了规模庞大且长期存在的使用中材料存量（Kloostra等，2022；Dai等，2022；Ye等，2026）。以往研究表明，道路基础设施的建设和维护需要大量沥青和骨料，这些材料不可避免地通过资源开采、加工和下游排放产生显著的环境负担（Zhao等，2023；Zhang等，2023）。一旦这些材料被纳入道路系统，便会在城市中锁定数十年，既作为关键矿物资产，也作为持续的环境负担来源。随着城市道路网络不断扩展和完善，理解道路相关材料存量的规模、结构及其环境影响，已成为推进资源高效和低碳城市基础设施系统的重要前提。在纽约、伦敦和芝加哥等道路网络成熟的大型全球城市，近几十年来城市土地利用扩张相对稳定（Zhao等，2017）。在此背景下，道路相关材料存量的持续增长提出了一个根本性但尚未解决的问题：材料积累在多大程度上受与人口动态和城市发展阶段相关的社会结构因素支配；在多大程度上由道路网络扩张和基础设施供给等规模驱动过程推动；以及在多大程度上可以通过嵌入内部基础设施设计和材料利用中的设计相关效率机制来加以缓和。

这种不确定性对资源和环境治理具有重要含义。现有城市材料存量和基础设施代谢研究表明，经济增长和人口动态是国家尺度存量积累的关键驱动因素（Deng等，2022；Tareq等，2025）。然而，这些分析大多将道路系统视为同质性资产，侧重于外部需求端因素，对道路宽度、横断面设计和材料强度等内部道路特征的作用提供有限洞察。以往研究建议，设计相关参数可显著影响基础设施材料存量，因为道路宽度和路面结构决定了道路横断面的几何尺寸以及每个结构层所需的材料数量（Yu等，2021）。因此，将这些设计相关因素纳入大规模基础设施存量分析，对于增强对影响基础设施积累因素的理解至关重要。

在城市材料代谢框架内，Wolman（1965）将城市过程描述为代谢功能，即城市从外部环境获取能量和材料，并产生相应的废物排放。因此，物质流分析（MFA）已成为量化材料输入、流量和使用中存量的关键方法论途径（Meijer等，2024）。为实现这一量化，MFA可通过自上而下或自下而上的方法实施（Yang等，2023a；Zhong等，2022）。自上而下方法依赖汇总统计数据，但在实现城市尺度材料存量所需详细量化方面往往受到限制（Cai等，2024）。相比之下，自下而上方法通过将特定服务单元与材料强度数据相结合，可实现更详细的评估（Mollaei等，2021；Grossegger等，2024）。然而，自下而上方法缺乏固有的能力来表征空间分布和地理异质性。地理信息系统（GIS）弥补了这一局限，使得能够对这些存量积累的确切位置进行精确制图和空间分析。以往研究已应用基于GIS的MFA来估算多种空间尺度下的建筑和基础设施材料存量。例如，Mao等（2020）生成了北京城市建成环境存量的高分辨率地图，Wiedenhofer等（2024a）量化了英国和爱尔兰共和国国家尺度的建筑和交通基础设施存量。尽管取得了这些进展，大多数现有MFA研究将道路基础设施作为汇总建成环境类别的一部分处理，对城市道路系统的内部结构特征提供有限洞察。

除量化材料存量外，理解驱动其增长的机制对于评估材料积累是否可通过政策或设计干预加以缓和至关重要。结构分解分析（SDA）和指数分解分析（IDA）已被广泛用于解构社会经济和技术因素对资源使用和排放变化的贡献。在这些方法中，对数平均迪氏指数（LMDI）法因分析稳健性、数据简洁性和零残差误差而备受推崇（Gu等，2019；Hasan和Liu，2022）。它被广泛用于识别碳排放的影响因素（Ortega-Ruiz等，2020；Gao等，2024；Zhao等，2025）和能源消耗的影响因素（Li等，2019；Chong等，2023）。在材料存量背景下，基于LMDI的研究主要聚焦于社会结构和规模驱动因素，如人口增长、经济发展和技术变革（Chu等，2022；Dai和Yue，2023）。实证应用包括对中国山东半岛城市群空置住房存量的分析（Yang等，2023b），以及中国城市基础设施材料存量的分析（Zhang等，2019）。然而，嵌入在道路内部设计特征中的设计相关效率机制，如道路宽度和材料利用强度，很少被纳入分解分析。

道路材料存量增长的环境后果已广泛通过生命周期评估（LCA）加以考察，LCA为量化道路基础设施全生命周期的环境影响提供了系统框架，包括材料生产、运输、施工、运营和拆除阶段（Qiao等，2022）。众多研究应用LCA评估不同路面结构和材料的潜在环境影响（Aghel等，2025；De Pascale等，2025）。在各种影响指标中，碳排放是最常被考察的，评估涵盖不同生命周期范围，从特定阶段到全生命周期（Yu等，2024；Xu等，2025；Huang等，2022）。除碳聚焦评估外，Hossain等（2022）评估了香港不同类型路面的更广泛环境影响，包括温室气体排放。尽管有这些贡献，大多数现有道路基础设施LCA研究主要聚焦于温室气体排放，而其他环境影响类别，如富营养化、酸化和资源耗竭，则受到较少关注。这种聚焦限制了全面评估以效率为导向的设计策略在降低材料需求的同时是否也能转化为跨多个影响维度的更广泛环境效益的能力。

为克服单一方法的局限性，近期研究越来越多地整合GIS、MFA和LCA来评估建成环境中的材料存量及其相关环境影响。Wiedenhofer等（2024b）应用GIS-MFA-LCA框架量化了全球基础设施材料存量和隐含碳排放，Wang等（2023）评估了比利时沥青和混凝土道路的材料存量及温室气体减排潜力。类似整合方法也用于分析澳门和中国建筑的材料存量（Liu等，2023；Long等，2024）。尽管这些整合研究代表了重要的方法论进展，但大多数仅聚焦于量化材料存量及环境影响，未明确将材料积累变化与其潜在驱动机制联系起来。因此，能够同时量化道路材料存量、识别其驱动因素并评估其环境后果的整合框架仍然相对有限。

为解决这一未决问题，本研究开发了一套综合分析框架，将MFA、LCA和LMDI方法相结合，以考察城市道路材料代谢及其环境后果。该框架能够在规模驱动效应、设计相关效率效应和社会结构效应之间进行定量区分。本研究不仅量化了道路材料存量的时空演变及其多个影响类别的生命周期环境影响，还提供了实证证据，表明在持续增长的经济增长下，设计层面的效率提升在多大程度上可以缓和材料积累。研究结果为成熟城市道路系统中效率导向策略在资源治理方面的局限与潜力提供了可借鉴的洞察。

**分章节摘要**

**模型框架**

本研究提出了一个综合分析框架（图1），将基于地理信息系统（GIS）的空间处理、自下而上的物质流分析（MFA）、对数平均迪氏指数（LMDI）分解和生命周期评估（LCA）相结合，系统考察城市道路材料代谢。该框架被设计为模块化且可迁移的方法，可应用于任何拥有可用道路网络和社会经济数据的城市。它将物理……

**研究区域特征**

上海位于中国东部沿海，总面积为6340.5平方公里。该市由16个行政区域组成，包括7个中心城区和9个外郊区（上海市统计年鉴，2024）。作为中国经济发展最发达的超大城市之一，上海在过去十年间经历了持续的基础设施投资和空间扩张。城市道路系统由多层级道路组成……

**道路材料存量的时间演变**

2014至2023年上海道路材料总量及分材料存量如图3a所示。在研究期间，材料总存量持续增加，从2014年的约416.75 Mt增至2023年的810.61 Mt，年均增长率为7.67%。总体轨迹可分为三个明显阶段，包括一个快速积累期（2014–2016年）、一个稳步巩固期（2017–2020年）以及一个重新加速期……

**讨论**

本研究旨在解决城市道路材料代谢中的一个核心但未决问题：在成熟超大城市中，道路材料存量的持续增长主要是规模驱动需求不可避免的结果，还是内部基础设施设计和效率选择可以实质性缓和材料积累及其环境后果。通过整合2014至2023年上海的MFA、LMDI分解和LCA，研究结果为……提供了实证证据

**结论**

本研究开发了一套MFA-LMDI-LCA综合分析框架，以系统研究使用中城市道路材料存量的时空演变、驱动机制和环境后果，以上海作为代表性成熟超大城市案例。通过明确区分规模驱动效应、设计相关效率效应和社会结构效应，本研究使对基础设施扩张和内部……相对作用的清晰理解成为可能。

**CRediT作者贡献声明**

Dan Chong：撰写——审稿与编辑、验证、项目管理、方法论、调查研究、资金获取、形式分析、数据整理、概念化。Jinzhao Zhang：撰写——原稿、可视化、验证、软件、方法论、调查研究、形式分析、数据整理、概念化。Wei Sheng：方法论、概念化。Siqi Jia：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、概念化。Shiyuan Li：软件、调查研究、数据……

**利益冲突声明**

作者声明，没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**

本研究得到上海市科学技术委员会资助（23DZ1202102和23DZ1202804）。

Dan Chong | Jinzhao Zhang | Wei Sheng | Siqi Jia | Shiyuan Li