设计MEMME——一种用于经济学的概念性物质与能量代谢模型

《Ecological Economics》：Designing MEMME – A conceptual material and energy metabolism model for economies

　　劳拉·费利西奥（Laura Felício）| 弗里多林·克劳斯曼（Fridolin Krausmann）| 塔妮娅·索萨（Tania Sousa）
MARETEC——海洋、环境与技术中心，LARSyS，里斯本高等技术学院，里斯本大学，1049-001，葡萄牙

**摘要**
能源和材料驱动着经济的社会经济进程，通过物理和化学转化获得经济价值。因此，理解经济不仅需要分析其货币流动，还需要分析其生物物理流动和存量。然而，将材料和能源的视角整合到一个统一的分析框架中仍然是一个挑战，现有方法仅部分解决了这一问题。本研究提出了“经济物质与能源代谢模型”（Material and Energy Metabolism Model for Economies，简称MEMME），这是一种新的生物物理模型，能够在质量和能量单位上提供一致且平衡的核算。MEMME重点关注材料、能源以及食物和饲料的转化，整合存量和流动，以便更全面地分析社会代谢。它提出了新的指标，提高了我们对资源利用、转化效率及其与经济活动联系的理解，包括一个生物物理经济生产力指标（BioEP），该指标衡量物理产出（材料和有用能量）对产生经济产出的有效性。葡萄牙的案例研究（1970–2022年）显示，资源利用增加，存量增长，但效率提升有限，并未减少总体消费。BioEP表明，葡萄牙在将资源转化为有用流动方面变得更加高效，但在将这些流动转化为经济价值方面效率较低，突显了效率与生产力之间的权衡。然而，BioEP还显示2000年至2008年间存在绝对脱钩现象。MEMME提供了一个一致的框架，以得出这种综合性的见解。

**1. 引言**
要理解经济与环境的相互作用及其内部动态，需要一个综合的生物物理视角。社会经济代谢（Socioeconomic Metabolism，简称SEM）通过将社会视为复杂的社会-自然系统来提供这一框架（González de Molina和Toledo，2023年；Victor M. Toledo，2011年）。该概念受到生物代谢的启发，认识到社会依赖材料和能源流动来运作和繁衍（Fischer-Kowalski和Weisz，1999年；González de Molina和Toledo，2023年）。它分析了社会与其周围环境之间的生物物理流动（即自然资源投入和废物及排放输出），以及社会经济系统内的流动（Fischer-Kowalski和Haberl，1997年；Haberl等人，2019年）。这些流动维持了生物物理结构（如建筑物或机器），并与材料和能源流动一起为社会提供移动性、住所、供应和排放等服务。尽管在SEM中材料和能源流动密切相关，但实证代谢研究大多只关注材料或能源，而综合视角较为罕见（Giampietro等人，2009年；Haberl，2001年；Krausmann等人，2004年）。一方面，物质流动核算（Material Flow Accounting，简称MFA）编纂了物质投入（例如家庭物质投入），并追踪物质存量和输出，包括废物和温室气体排放（Krausmann等人，2017a）。另一方面，社会能量分析（Societal Exergy Analysis，简称SEA）研究量化了能源流动的初级（例如原油提取）、最终（例如电力）和有用（例如照明）阶段，从而能够评估总体效率（Pinto等人，2023年；Sousa等人，2017年）。一些研究在SEA框架内整合了能源和材料核算，认识到能量——即给定能量量执行工作的潜力——可以作为能源和材料流动的统一度量标准。Wall（1977年）首次使用这种方法，并计算了瑞典、意大利和日本的能量效率。虽然这些研究关注SEM中的能源和材料转化，但由于以能源为中心的视角，排除了循环流动（如回收流）。最近，Carmona等人（2021年）扩展了这种方法，包括所有自然资源（例如现代可再生能源，如太阳能和风能），并将资源分为食物、技术能源和材料转化类别。然而，这种方法忽视了材料和能源转化的焦点，难以识别它们在SEM中的位置并计算其效率。例如，确定材料生产的效率变得困难，因为最终能量是技术能源链的一部分，而产生的材料则属于材料转化链。

在MFA中，能源通过能源载体的质量来表示（如生物质、化石材料），但忽略了非物质形式的能源（如大多数现代可再生能源，如水能、风能或太阳能）。以质量单位表示能源流动也无法充分反映这些材料的“能源价值”。同样，仅以能量单位进行核算也存在问题，因为材料的嵌入能量并不能完全体现其价值，因为能量并未适当反映材料的使用。此外，化学能量因材料类型而异（Michalakakis等人，2021年），这导致与质量视角相比的结果显得“扭曲”。选择单一单位来处理能源和材料也忽略了它们在服务提供方面的相互依赖性和不可替代性。可以识别出三种关键的能源-材料联系：a) 材料的提取、加工和运输需要能源；b) 能源基础设施和转化技术需要材料；c) 来自材料存量的服务提供（例如铁路系统、火车和机车）需要能源。

有一些方法旨在整合能源和材料的视角，例如“多尺度社会与生态系统代谢综合分析”（Multi-Scale Integrated Analysis of Societal and Ecosystem Metabolism，简称MuSIASEM）模型（Giampietro等人，2009年）和“物质与能源流动分析”（Material and Energy Flow Analysis，简称MEFA）框架（Krausmann等人，2004年）。MuSIASEM通过定义社会经济系统来分析能源和材料流动，区分资金（随时间保持不变的结构要素，负责能源转化）如资本、人员和土地，以及流动（临时输入/输出）如食物。它区分了内向和外在代谢，并使用时间（以小时计）提供统一度量标准（例如每小时工作消耗的能量和材料）。虽然它揭示了跨尺度的依赖性，但对其材料流动的处理不如能源详细，削弱了能源-材料的全面整合。此外，能源的量化仅停留在初级或最终阶段，而没有量化到有用阶段，转化效率也未被量化。MEFA是一个考虑SEM流动所有输入和输出的框架，包括MFA和EFA（Energy Flow Accounting）。EFA与传统能源平衡不同，因为它还考虑了食物能量和与牲畜相关的生物质（Haberl，2001年）。尽管MEFA主张需要同时考虑材料和能源流动，但最终仍保持核算分离，无法实现真正的能源-材料整合。

在考虑以往研究的局限性时，将能源和材料分开分析、保持各自的核算或使用单一单位进行汇总，仍是一项挑战。本研究通过一种新颖的方法解决了这一问题，该方法在保持SEM中材料和能源的特定特性的同时，将两种视角整合到一个核算框架内。质量和能量单位的核算完全一致且平衡。经济物质与能源代谢模型（MEMME）是一个生物物理概念模型，专注于SEM中的材料和能源转化，结合了材料循环/回收和存量与能源和材料流动。MEMME在概念上得到发展，并应用于涵盖1970–2022年的国家案例研究（部分数据仅截至2016年）。选择葡萄牙是因为其有丰富的数据集，包括SEA和物质存量研究。在此期间，葡萄牙经历了从石油到天然气，再到可再生能源的能源和经济转变（Felício等人，2024年）；同时经济结构也发生了变化（2022年服务业贡献了76%的附加值，而1970年为55%）（欧盟委员会，2024年）。政治变化，如1974年独裁统治的结束和1986年加入欧洲经济共同体（EEC），也影响了葡萄牙的SEM，影响了资源替代、转化效率和能源-材料-经济联系。

关注转型时期不仅对理解葡萄牙的SEM演变至关重要，也对了解经历类似转变的其他经济体有所启示。本案例研究涵盖了四十多年的时间，提供了全面的历史视角。第2节介绍了MEMME的发展及其组成部分。第3节展示了其在案例研究中的应用，第4节讨论了结果和结论。

**2. MEMME：前提、界限和结构**
MEMME关注SEM中的能源和材料转化过程，通过对从初级资源到废弃物的流动及其排放的核算来实施这一过程，同时包括存量。该模型的原则，即系统界限和结构，基于三个关键前提来定义所有SEM流动：
• 所有过程或存量（用框表示）在能源和质量上都是平衡的；
• 过程/转化仅发生在框内，因此流动从起点到终点的价值相同；
• 尽可能以质量和能量单位保持流动价值。

保持能源和质量单位使得所有流动的核算一致，并允许在同一转化过程中估计不同的指标（见小节2.3）。

**2.1. 系统界限**
MEMME研究社会经济系统中能源和材料的存量和流动（例如国民经济）。图1展示了MEMME的结构。社会经济系统嵌入在自然环境（绿色“背景”层）中，从中提取所有自然资源（材料、能源载体）或收获（如太阳辐射），并将所有废物和排放（包括散发热量）排放到外部。所研究的社会经济系统还与其他社会经济系统（例如其它国民经济）交换材料和能源流动（如市场进出口流动），这些流动以梯形显示在社会经济系统边界上。

**2.2. 结构和概念**
MEMME结构包括转化框（矩形）、存量框（圆角矩形）、市场框（小梯形）和流动（箭头）。根据箭头类型和颜色区分四种类型的流动：黑色实线是材料流动，灰色实线是能源流动，虚线是废物和排放流动，点划线是贸易流动。用灰色表示的流动对应于只能以能量单位测量的非物质流动。

**2.2.1. 转化框**
在MEMME的背景下，转化是指需要能源和材料来进行资源的物理和/或化学变化的过程。MEMME结构围绕三个主要转化进行构建：能源（框2）、材料（框3）和食物及饲料（框4）。还有一个第四个框（框1），用于通过收获或提取资源。所有与能源流动链相关的转化都被视为能源转化，包括例如水坝中的潜在能量转化为电能，以及燃料中的化学能量转化为电机的机械能。因此，从自然资源的初级阶段（例如原油或风能）到最终消费者可用阶段（例如柴油或电力），再到最终用途（例如热能或机械驱动），所有能源转化都发生在能源转化框2中。这包括在太阳能电站、炼油厂、发电厂、汽车发动机、电炉等基础设施和机器中发生的能源转化。由于涵盖了所有的能量转换过程，该“能量转换”框对应于Santos等人（2025年）提出的扩展能源部门。能量以“有效能”（exergy）为单位进行量化，因为这能够一致地聚合不同热力学质量的能量流（如热能、机械能或电能），并将它们表示为“机械功潜力”这一共同单位，从而能够有意义地汇总异构转换过程中的效率（Felício等人，2019年）。有用有效能定义为获得给定量有用能量所需的最小最终有效能或电能。例如，在10°C的环境中，80°C的1千瓦时热能的有效能是理想热泵在这些条件下所需的电能，大约为0.2千瓦时；而1千瓦时的电能的有效能则是1千瓦时。

物质转换包括所有改变物质形态、成分或与其他物质结合以创造新物质的化学和物理过程（不包括那些在能量和食物/饲料转换中考虑的过程）。这包括通常发生在制造业中的转换，例如将木材转化为家具或纸张、铁转化为钢材、金属矿石转化为金属合金、石油产品转化为塑料、天然气转化为氨等。这些物质被转化为产品和服务（在“库存”小节中有进一步描述），最终由消费者使用，并伴随着有用有效能，例如汽车就是一种使用有用有效能的产品，通过机械驱动提供运输服务。

“食物和饲料转换”框（第4框）包括所有与人类或动物可消耗商品相关的转换，以及为非食品工业生产动物副产品的过程，例如用于润滑剂的动物油脂或用于纺织业的皮革。食物和饲料是人类和动物的能量和物质来源（Sousa等人，2008年）。因此，食物和饲料过程与其他两种类型的转换分开讨论。动物的屠宰和饮料的瓶装也包含在这个框中。

“收获和提取”框（第1框）是物质资源（生物质）的采集和提取（矿物、原油和天然气）的地方。所有“非物质”能量形式（太阳能、风能）被表示为“来自可再生能源的初级有效能”流。第1框中的转换是将资源从自然环境中提取出来并准备好进入社会经济流的过程，例如从尾矿中分离金属矿石或清洗和切割庄稼的根部。收获是从社会管理的生态系统（农业、林业和渔业）中获取生物资源的过程，其中资源的再生产可以由人类控制（野生狩猎和捕鱼除外）。提取涉及从岩石圈中定位和回收能量载体和材料（采矿和采石）。人类无法控制岩石圈中的资源再生产，因为这些资源在人类寿命或更短时间内不会再生。

在MEMME模型中，代表了三种不同的库存：牲畜（A框）、人口（B框）和物质产品及库存（C框）。牲畜和人口是能够自主处理食物和饲料并自我繁殖的自创实体。它们受自然过程中的繁殖和迁移影响（包括牲畜的进出口）。牲畜包括所有家养动物，包括用于食物和其他产品的动物、劳力或其他服务的动物，以及渔业资源（水产养殖和野生物种）。人口包括居住在社会经济系统边界内的所有人类个体。物质产品和库存是物质转换的结果。物质产品都是寿命较短的产品，例如一次性包装和医院用品。物质库存包括所有具有平均使用寿命超过一年的制品，例如建筑物、固定机械设备、车辆等耐用商品。这些产品对于转换过程是必需的，并且在MEMME模型中被作为一个单独的框表示，这是出于实际考虑——并非所有库存都能根据现有数据明确地分配到每个转换框中。

国内提取或收获的原材料被视为物质流，因为这些资源被用作材料并转化为能源、材料或食物和饲料用途。因此，用于能源转换的原材料也是物质。然而，由于同时保留了能量（PJ）和质量（Mt）单位，可以计算系统内整个的能量转换效率，这对应于SEA模型中的初级有用有效能效率。所有能量转换的输出（出口和副产品除外）都是有用的有效能，它们以热能、机械驱动、电解、光能、电子和冷却等形式在其它框（1、3、4和5）中被提供和消耗。因此，这些输出只能以能量单位进行核算。

所有物质转换的输入和输出都被视为物质，除了转换过程所需的有用有效能（例如工厂中机器的机械驱动）。由于某些物质产品的混合物非常复杂，很难将质量转换为有效能，所以输出仅以质量单位表示。

从第2框流向第3框的副产品具有非能量用途，例如从炼油厂流出的用于生产塑料的石油产品。这些输出以能量和质量单位进行核算，但在MEMME模型中仍表示为物质。

食物和饲料的输入和输出被视为物质流。这些流不以能量单位量化，因为加工后的食物、饲料和非食品用途的副产品由多种类型的材料组成，因此难以转换为有效能。尽管如此，也有人试图以有效能为单位来核算食物（例如Manso等人（2018年）和Meng等人（2022年）的研究），未来可能会实现两种单位之间的完整核算。

贸易流（进出口）由“市场”框表示。每种流的详细描述参见表1。流的命名与图1中的相同，并根据流的来源和目的地框进行标记，例如从第2框流向第3框提供的有用有效能（E）被标记为F_2_3E。具有相同来源和目的地的流通过额外的字母进行区分：F - 化肥，E - 有用有效能，P - 产品，S - 库存，W - 废物。NE表示自然环境中的来源/目的地。

表1列出了MEMME模型中的流及其标签和描述。流根据其在模型中的来源和目的地框对应的标签进行标识。对于具有相同来源-目的地标签的流，会添加一个字母来指定流：F - 化肥，E - 有用有效能，P - 产品，S - 库存，W - 废物。NE表示自然环境中的来源/目的地。

- **收获和提取**：此处采集生物资源（生物质）和提取矿物、原油和天然气。所有“非物质”能量形式（太阳能、风能）被表示为“来自可再生能源的初级有效能”流。第1框中的转换是从自然环境中获取资源并将其准备进入社会经济流的过程，例如从尾矿中分离金属矿石或清洗和切割农作物根部。收获是从生态系统（农业、林业和渔业）中获取生物资源的过程，其中资源的再生产可以由人类控制（野生狩猎和捕鱼除外）。提取涉及从岩石圈中定位和回收能量载体和材料（采矿和采石）。人类无法控制岩石圈中的资源再生产，这些资源被认为是不可再生的，因为它们在人类寿命或更短时间内不会再生。

2.2.2. 库存
MEMME模型中代表了三种不同的库存：牲畜（A框）、人口（B框）和物质产品及库存（C框）。
- **牲畜和人口**是能够自主处理食物和饲料并繁殖的自创实体。它们受自然繁殖和迁移过程的影响（包括牲畜的进出口）。牲畜包括所有家养动物，包括用于食物和其他产品的动物、役用动物或其他服务的动物，以及渔业资源（水产养殖和野生物种）。人口包括居住在社会经济系统边界内的所有人类个体。
- **物质产品和库存**是物质转换的人造结果。物质产品都是使用寿命在一年内的产品，例如一次性包装和医院用品。物质库存包括所有建筑结构、固定机械设备、车辆等耐用商品，其平均使用寿命超过一年。它们对于转换过程是必需的，并在MEMME模型中被单独作为一个框表示，这是出于实际考虑——并非所有库存都能根据现有数据清晰地分配到每个转换框中。

2.2.3. 流
国内提取或收获的原材料被视为物质流，因为这些资源被用作材料并转化为能源、材料或食物和饲料用途。
用于能源转换的原材料是物质。然而，由于同时保留了能量（PJ）和质量（Mt）单位，可以计算系统内的能量转换效率，这对应于SEA模型中的初级有用有效能效率。所有能量都以有效能形式进行核算。所有能量转换的输出（出口和副产品除外）都是有用的有效能，它们以热能、机械驱动、电解、光能、电子和冷却等形式在其他框（1、3、4和5）中被提供和消耗。因此，这些输出只能以能量单位进行核算。

所有物质转换的输入和输出都被视为物质，除了转换过程所需的有用有效能外，例如工厂中机器的机械驱动。输出仅以质量单位表示，因为某些物质产品的物质混合物非常复杂，很难将质量转换为有效能。
从第2框流向第3框的副产品具有非能量用途，例如从炼油厂流出的用于生产塑料的石油产品。这些输出以能量和质量单位进行核算，但在MEMME模型中仍表示为物质。
食物和饲料的输入和输出被视为物质流。这些流不以能量单位量化，因为加工后的食物、饲料和非食品用途的副产品由多种类型的材料组成，因此难以转换为有效能。因此，第4框中的所有可消耗商品和副产品在MEMME模型中被分类为物质。尽管如此，也有人在尝试以有效能为单位核算食物（例如Manso等人（2018年）和Meng等人（2022年）的研究），这也可能在未来实现两种单位之间的完整核算。

贸易流（进出口）由“市场”框表示。每种流的详细描述见表1。流的名称与图1中的相同，并根据流的来源和目的地框进行标记，例如从第2框流向第3框提供的有用有效能（E）被标记为F_2_3E。具有相同来源和目的地的流通过额外的字母进行区分：F - 化肥，E - 有用有效能，P - 产品，S - 库存，W - 废物。NE表示自然环境中的来源/目的地。

**表1. MEMME模型中的流及其标签和描述**
流根据其在模型中的来源和目的地框对应的标签进行标识。对于具有相同来源-目的地标签的流，会添加一个字母来指定流：F - 化肥，E - 有用有效能，P - 产品，S - 库存，W - 废物。NE表示自然环境中的来源/目的地。

| 流 | 资源 | 流标签 |
|-----------|-------------|---------|
| 收获的生物质 | 直接作为饲料被牲畜消耗的生物质 | F_NE-Al |
| 畜牧粪便 | 用作有机肥料的牲畜粪便，包括留在牧场上的粪便和施用于土壤的粪便（如处理过的粪便和垫料粪便） | F_A_NE |
| 准备屠宰的动物及原始动物产品 | 所有即将被屠宰的活动物、捕捞的鱼（野生的和水产养殖的）、野味肉以及不需要动物死亡的原始动物产品（如鸡蛋、生牛奶和羊毛） | F_A_4 |
| 国内原材料 | 作为作物和木材收获的生物质，以及提取的所有矿物（包括原油、煤、金属矿石和非金属矿物）。天然气和用作原材料的废物（如用于沼气生产）也包含在内 | F_NE_1 |
| 市场1贸易 | 这是一种双向流，对应于原材料和初级产品的进出口。其价值（+进口-出口）显示社会经济系统是净进口国还是净出口国 | F_1_M1 |
| 来自可再生能源的初级有效能 | 储存在可再生能源中的所有能量（生物质除外），即水坝中的潜在能量、风能中的动能、地热源和太阳能辐射中的热能、波浪和潮汐中的动能 | F_NE_2 |
| 原材料转换 | 收获的生物质，直接用作能量载体以转化为其他形式的能量（例如发电厂中的电能或壁炉中的热能）。所有化石燃料的原始形式（原油、天然气和煤）也包含在内 | F_1_2 |
| 用于物质目的的生物质 | 用于非食品用途的作物或用于家具的木材；用于非食品用途的动物产品（如原始羊毛）；以及用于物质产品和库存的所有矿物（如沙子和石膏） | F_1_3 |
| 市场2贸易 | 与F_1_M1类似，但用于电力和能量载体产品的贸易 | F_2_M2 |
| 用于农业、林业和渔业的有效能 | 用于农业、林业和渔业收获的有效能，以及用于采矿和采石的提取 | F_2_1 |
| 用于制造业和建筑业的有效能 | 用于制造业和建筑业的物质转换的有效能 | F_2_3 |
| 用于食品和饲料转换的有效能 | 通常发生在食品和烟草行业的有效能 | F_2_4 |
| 肌肉工作 | 由牲畜产生的肌肉工作形式的有效能，用于各种活动（例如农业中的耕作） | F_A_1 |
| 由人口产生的肌肉工作 | 由人口产生的肌肉工作形式的有效能，用于各种活动（例如建筑施工） | F_B_1 |
| 副产品 | 来自能量转换但用于生产物质产品和库存的副产品（例如来自炼油厂用于生产塑料的碳氢化合物和用于生产氨的天然气） | F_2_3P |
| 非食品产品 | 来自食物和饲料转换的用于物质转换的非食品产品（例如用于润滑剂的猪油和用于药品的除虫菊提取物） | F_4_3 |
| 市场3贸易 | 与F_1_M1类似，但用于原材料、半成品和成品的贸易 | F_3_M3 |
- **物质产品**：使用寿命在一年内的产品，因此不属于物质库存，例如化学肥料和杀虫剂 | F_3_CP |
- **物质库存的增加**：在物质库存中积累的新材料（例如建筑物中的混凝土或家具中的木材），使用寿命超过一年——库存的净增加 | F_3_CS |
- **再利用和降级材料**：在工业过程中产生的回收和降级材料、材料库存的降解以及消费后的产品 | F_C_3 |
- **废物**：用于能源的工业废物（F_3_2W）和市政废物（F_C_2）用于焚烧 | F_3_2W |
- **市场4贸易**：与F_1_M1类似，但用于食品和饲料产品的贸易 | F_4_M4 |
- **市场A贸易**：与F_1_M1类似，但用于活动物的贸易 | F_A_MA |
- **种子**：用于播种的转化生物质（即在作物转化过程中收集的种子） | F_4_NE |
- **饲料**：被牲畜消耗的转化生物质（例如饲料、青贮饲料和干草） | F_4_A |
- **食物**：被人口消耗的转化生物质（例如面包、巴氏杀菌牛奶和煮熟的土豆） | F_4_B |
- **废物**：来自收获、采矿和采石的残留物（例如树叶、秸秆、尾矿和浆液） | F_1_NE |
- **管理的废物**：例如送往垃圾填埋场的废物，以及未管理的废物（例如建筑物废墟中的废物） | F_C_New |
- **饲料废物、排放物和排泄物**：来自饲料代谢的废物、排放物和排泄物（不作为有机肥料使用） | F_A_NEW |
- **食物废物、排放物和排泄物**：来自食物代谢的废物、排放物和排泄物（通常为污水污泥） | F_B_NE |
- **来自能量转换过程的分散热能和废物**：需要处理的来自能量转换过程的分散热能、排放物和废物 | F_2_NE |
- **来自食物和饲料转换过程的分散热能和废物**：需要处理的来自食物和饲料转换过程的分散热能、排放物和废物 | F_3_NE |

关于MEMME模型的流的进一步说明：
- 所有化石燃料的原始形式（原油、煤和天然气）都包含在F_1_2流中，因为在MEMME模型中认为它们首先被提取用于能源转换；
- 生物燃料（如生物柴油、生物汽油和生物喷气燃料）包含在F_3_2P中，因为它们是由使用植物油的过程和第4框（F_4_3）中的副产品（例如动物油脂）以及其他第3框中的过程产生的。因此，这些生物燃料被认为是在第3框中生产的，并流向能量转换框以供使用；
- 回收和降级过程发生在物质转换框内。重新使用的材料流动（F_C_3）作为输入进入系统，而回收材料市场（例如金属废料）则包含在市场3中。因此，用于回收的进口材料是材料转换框的输入，而出口是输出。如果一种材料在没有任何转换的情况下直接出口，它就会在F_C_3流动中进入框3，并直接出口到市场3，不进行任何转换。2.3. MEMME中的存量-流量互动为了清楚地理解MEMME对SEM（社会经济代谢）的观点，提供了两个简短的例子来说明这一概念模型。转换不仅需要能量和材料的流动，还需要材料的存量。例如，在汽车底盘生产过程中（材料转换），金属板材（材料的输入）被加热（热的输入）并放入预先製作的模具中（材料的存量），在那里它们固化。机械和预制的模具属于材料存量（框C），电炉中将电能转换为热能的过程属于能量转换（框2），而金属板材在固化过程中被转换为底盘形状的过程属于材料转换（框3）。作为更复杂的例子，考虑工业农业。所有的工具和机器都被归类为材料存量。用于操作这些机器的能量（例如收割机的柴油）转换为机械驱动的过程发生在框2中。由此产生的机械工作——例如收割谷物——是进入收获过程（框1）的流动，因为收割是这一过程的一部分。然后，农业活动的结果，如收获的谷物，作为原材料变得可用。经过交易（市场1）后，收获的作物流入框3或框4；例如，用于食品和饲料转换的谷物流入框4。随后，生产的饲料和食品分别流入畜牧业（框A）和人口（框B）。这些例子说明了MEMME结构背后的逻辑，表明：a) 材料存量整合了每个需要基础设施和机械的代谢步骤；b) SEM是一个随时间发展的动态过程。然而，现有数据通常按年度汇总，忽略了只有在更短的时间步长才能看到的细节。关于SEM的连续视角的想法在其他研究中也有探讨，例如Schiller等人（2017年）；c) 有些材料存量不能被归类到单一的转换框中。例如，用于微芯片生产的带有机械臂的机器在能量转换框（框2）和材料转换框（框3）中都起作用。在框2中，它将电能转换为机械驱动，在框3中，其机械臂将特定组件放置到微芯片中。因此，出于实际和简化的原因，需要一个单独的材料存量框（框C）。MEMME目前是一个基于地域的生产会计框架，其中国家系统被表示为较低层次过程的聚合。系统内部以及与世界其他地区的总体交换被追踪，但空间关系没有明确解决。2.3.1. 指标通过整合SEA（社会经济分析）和MFA（物质流分析）的观点，MEMME使得能够量化这些方法的共享指标以及专注于能量-材料互动的新指标。补充材料A中的表A-1和A-2总结了SEA和MFA的指标及其在MEMME中的对应指标。表2展示了MEMME视角下启用的新指标。每个指标的详细解释都在表格之后的小节中给出。这些指标通过将转换置于讨论的核心，提供了对SEM动态的洞察，强调了社会经济系统内部以及与其他系统和自然环境的互动。这很重要，因为能量和材料只有在经过物理或化学转换后才能具有社会经济价值。表2. 采用MEMME方法得出的新指标。新的MEMME指标单位：提取能耗强度 PJ/Mt；收获能耗强度 PJ/Mt；能量转换效率 %（PJ/PJ）；材料转换效率 %（Mt/Mt）；食品和饲料转换效率 %（Mt/Mt）；材料转换能耗强度 PJ/Mt；生物物理经济生产力 M$/√(Mt*PJ)。2.3.2. 提取（Iext）和收获（Ihvt）能耗强度关注资源采集的强度很重要，因为它代表了社会经济流动与自然环境之间的初始互动。这组指标通过评估获取1 Mt资源所需的有用能量来探索资源采集过程中的能量-材料动态。提取强度指标Iext是采矿和采石（F_2_1ext）中消耗的有用能量与交易前（市场1）的提取输出流量的比率：(1)Iext=采矿和采石中消耗的有用能量 / 提取输出这些流量是框1的输入和输出。同样，收获强度指标Ihvt是农业、林业和渔业（F_2_1hvt）中消耗的有用能量与收获产出和动物产品流量的比率。收获在这里被广义理解，与之前的指标不同，Ihvt需要一个不与框1交互的额外流量。这是因为农业数据包括了作物和畜牧业的生产，由于许多农业系统实际上是两者的结合，所以同时报告这两种活动。为了保持一致性，渔业也包括在这个指标中，因为水产养殖也是农业的一部分。因此，用于屠宰的动物和产品（包括鱼类捕获和水产品）的流量F_A_4（输入框4）也包括在这个指标中。(2)Ihvt=农业、林业和渔业中消耗的有用能量 / 收获产出 + 动物产品因此，农业的强度实际上也在Ihvt中计算，而不仅仅是收获的强度。2.3.3. 转换效率：能量（?E）、材料（ηM）和食品及饲料（ηFF）转换框的效率反映了社会经济系统利用可用资源的效率。这提供了一个无量纲的度量，表明系统利用资源的程度——或者从另一个角度来看，这些资源产生了多少浪费（包括分散的热量）。能量转换效率（?E）由框2中输出流量与输入流量的比率给出。同样，材料转换效率（ηM）对应于框3中输出流量与输入流量的比率，而食品和饲料转换效率（ηFF）由框4中输出流量与输入流量的比率给出。(3)εE=有用能量 + 出口 + 副产品 / 原材料 + 来自可再生能源的初级能量 + 进口 + 副产品 + 用于能源的废物(4)ηM=短期产品 + 材料存量增加 + 副产品 + 出口 + 用于能源的废物 / 原材料 + 再利用材料 + 进口 + 副产品 + 非食品产品=(5)ηFF=饲料 + 食品 + 种子 + 非食品产品 + 出口 / 原材料 + 动物产品 + 进口2.3.4. 材料转换能耗强度（IM）材料转换能耗强度指标IM用于捕捉工业过程对能量消耗的依赖性，强调能量流动与材料流动之间的联系。类似于提取和收获强度，IM由公式6给出：(6)IM=材料转换的有用能量 / 短期产品 + 材料存量增加 + 副产品 + 出口 + 用于能源的废物2.3.5. 生物物理经济生产力（BioEP）有用能量是能量链中最接近经济价值的阶段。同样，正在使用的材料产品和存量最接近经济价值的生产。有用能量与正在使用的材料产品和存量一起提供服务（例如：维持、供暖、运输）。因此，一个将这些与GDP联系起来的指标旨在捕捉SEM这三个组成部分的动态：材料、能量和经济价值。这个新指标（公式7）是每单位组合材料（存量和产品）和能量输出产生的经济产出——即生物物理输出。这些输出来自SEM内的所有转换过程（框2、3和4），要么在社会经济系统中提供社会服务，要么被出口。生物物理输出根据GDP的输出方法定义，其中用于生产输出的中间产物被扣除，以避免资源输出的双重计算，例如，钢铁被计为材料输出，而用于其在电弧炉中生产的电力则不计入。 (7)BioEP=GDP / (材料输出12 + 有用能量12)BioEP反映了社会经济系统将物理资源转化为经济价值的效率。分母的两个术语都乘以0.5，以确保当一个经济体仅仅是另一个经济体的放大版本时（例如，GDP翻倍，材料输出翻倍，有用能量翻倍），BioEP保持不变。几何平均数通常用于复合指标中，如人类发展指数（联合国开发计划署，2024年），以避免完全补偿并减少对异常值的敏感性。在BioEP中，考虑到能量和材料是互补的而不是可替代的，并且所有值都通过索引到基准年来标准化，以便随时间进行更简单的比较。根据Semieniuk（2024年）的研究，一个国家内部的脱钩应使用基于恒定价格的领土国民账户GDP来评估，而不是用于跨国比较的PPP或汇率基础指标。然而，国民账户的定期结构调整可能会显著改变历史GDP增长，从而影响脱钩结果，使这些指标部分依赖于会计惯例。因此，我们使用基于2015年美国常量美元的领土国民账户GDP，这些数据基于国家统计来源。这些数据以不变价格表示，意味着它们已经根据2015年进行了通货膨胀调整。世界银行在这些条件下提供了几个GDP“年份”的数据，我们使用2024年12月的版本，因为从2021年以后GDP年份没有差异。所有提出的公式（1至7）都包含在补充材料B中，指定了每个方程的所有流量。3. 通过MEMME视角看葡萄牙（1970–2022年）随着模型的结构和关键概念的定义，将其应用于案例研究可以深入了解该模型。1970年至2022年间，葡萄牙经历了几个影响其社会经济代谢的转变，是一个很好的案例研究。葡萄牙的人口从1970年的约200万人增加到了2022年的1000万人，而其牲畜数量减少了约60万LSU（牲畜单位），到2022年降至190万LSU（FAO，2024年；联合国，经济和社会发展部，2024年），因为牲畜生产转向了较小的动物（例如家禽）。农业用地相对保持稳定，在42-43%之间（FFMS，2025年）。1986年，葡萄牙加入了欧洲经济共同体（EEC），即现在的欧盟（欧盟，2025年）；这带来了20世纪90年代基础设施和建筑的大规模投资，而自20世纪60年代以来，人口从乡村地区向沿海城市的迁移持续进行。这需要更多的建设，因此需要更多的材料。随着国家从20世纪70年代的次要经济部门转向以第三产业为中心的经济（Mitchell，2007年），建筑需求增加。葡萄牙的人均GDP从1970年的7670美元稳步增长到2022年的22,043美元（2015年不变价格）。尽管低于欧盟平均水平，但葡萄牙在1994年成为了世界银行的高收入国家集团的一员（世界银行，2024年）。然而，在研究期间，高额的财政赤字和随后的经济危机导致1983年和2011年得到了国际货币基金组织的救助（国际货币基金组织，2021年）。葡萄牙直到2023年才实现了自1992年以来的首次财政盈余。3.1. 数据用于本案例研究的数据尽可能从国际数据库中获取。这样做是为了确保MEMME可以在不同国家之间使用现有和可比的数据进行应用，同时能够计算所有相关的短期研究流量。 whenever possible, data was gathered from databases specialized in the subject, such as IEA database for energy flows and FAO database on crops, livestock and food. UNEP IRP Global Material Flows database was used as a source for the extraction and trade of minerals and metals and other materials not covered by other sources (e.g. grazed biomass); data regarding material stocks and the corresponding flows was sourced from MISO2 database (Plank et al., 2022; Wiedenhofer et al., 2024). An exception are the non-metallic minerals, which had to be reversed engineered from MISO data, as data was overestimated in UNEP IRP database. Outflows of waste, dispersed heat and emissions were not quantified because these flows are only partially covered in available data sources. A detailed table with the data sources per flow, including the specific datasets, and methodological notes on more disaggregated categories within the flows is available in supplementary material C.3.2. 葡萄牙的生物物理和货币指标3.2.1. 生物物理流动和指标表格2中的MEMME衍生指标是在考虑了生物物理流动之后计算的。图2展示了葡萄牙经济对资源的需求，显示了市场1之后所有转换环节的输入流，包括用于转换的原材料流（F_1_2、F_1_3、F_1_4和F_A_4）、各环节之间的流（F_2_3P、F_3_2P、F_4_3）以及除市场1之外的所有进口流（F_2_M2、F_3_M3和F_4_M4）。下载：高分辨率图片（566KB）；下载：全尺寸图片。

图2显示了1970至2022年间葡萄牙MEMME转换环节的输入流。2A部分：能源转换环节（第2个环节）的输入流；2B部分：材料转换环节（第3个环节）的输入流——由于数据限制，仅涵盖至2016年；2C部分：食品和饲料转换环节（第4个环节）的输入流。名称前标有“Imp”的所有流均表示来自相应市场的进口。图中未显示出口情况，因为出口属于每个环节的输出。

在图2A中，可以看出石油及其制品是流向第2个环节的主要原材料/能源资源。20世纪70年代，葡萄牙开始将石油作为主要能源，例如Sines炼油厂于1972年投入使用；随后由于油价高涨，转向煤炭（Felício等人，2024年）。天然气于1997年首次出现在葡萄牙能源体系中，主要从阿尔及利亚进口并替代了煤炭。进入21世纪初，对风能和太阳能等现代可再生能源的投资迅速增加，到2010年，可再生能源（F_NE_2）已成为发电的主要来源（同上）。这验证了先前的研究结果，即葡萄牙的能源转型得到了政府政策和支持（Felício等人，2024年；Felício等人，2019年）。

葡萄牙一直都是原材料和初级农产品的净进口国，这在一份名为D的补充材料中有详细说明。关于能源转换，所有在葡萄牙消耗的化石燃料均需进口。疫情影响了材料输入，导致2017年之后的流入量下降，主要是由于原油进口减少。2020年，随着最后一家燃煤电厂关闭，煤炭退出了能源市场。由于国际能源署（IEA）的数据更新，截至1988年，初级固体生物燃料（生物质）的消耗量大幅增加，从而导致消费量同比增长。

图2B显示，自1970年以来，非金属矿物一直是流入材料转换环节（F_1_3）的主要原材料。到1975年，其输入量超过了其他所有材料的总和，并持续增长直至2000年，之后因建筑领域对非金属矿物需求的减少而急剧下降（联合国环境规划署等人，2025年）。工业原木的输入量在五个十年间基本保持稳定，而非食品初级农作物（如麻类植物和天然橡胶）在整个研究时期内的重要性较低。从1998年开始，化石燃料产品（尤其是塑料）及回收和再利用材料的进口量显著增加。

图2C显示，随着经济和人口的增长，初级农作物的输入量持续增加；同时，其他可食用产品的进口量也大幅增加，尤其是动物产品和加工/衍生产品（动物和植物基产品），这得益于葡萄牙现代化进程及加入欧盟后与外界的贸易往来减少。

图3表明，由于农业集约化，收获和提取的熵强度（Ihvt）从1970年到2000年代中期增加了两倍以上。这一趋势与全球数据一致，即自20世纪70年代以来，每公顷土地的熵输入量增加，主要受化肥、农药、灌溉及相关机械化的影响（粮农组织，2024年；美国农业部经济研究服务局，2025年）。这种现代化手段与土地生产力的提升密切相关（Steenwyk等人，2022年）。1986年葡萄牙加入欧盟后，实施了共同农业政策（CAP），1992年的改革在谷物方面效果不佳，且偏向畜牧养殖（Pereira和Martinho，2017年）。在葡萄牙，这体现在牛奶产量上升及农作物在总农业产出中的比重从约90%降至2000年的80%（粮农组织，2024年）。同时，欧盟基金支持灌溉系统的建设，使玉米产量达到峰值（约2000年，Viana等人，2021年）。2003年的CAP改革导致葡萄牙南部地区产量下降，原因包括农场废弃和种植结构从耕地转向永久性作物及畜牧养殖（Pereira和Martinho，2017年），此后熵强度趋于稳定。

图3显示，提取的熵强度（Iext）在2000年前保持相对稳定，之后开始上升。这种变化与有色金属矿石开采量的增加有关，导致建筑领域使用的低能耗非金属矿物的重要性下降（2000年占比不到10%，到2014年上升至约17%）。

图4展示了研究期间的能源和材料转换效率（?E和ηM）。由于FAO关于1970至2022年食品和饲料的数据仅以初级农产品为基准，无法计算其转换效率（ηFF），因此未将其纳入分析。能源转换效率（?E）与SEA初级有用熵效率不同，因为它包括了具有非能源用途的产出（如石脑油，即流F_2_3P）。尽管经济向电气化转型，能源载体组合发生变化，但整个时期能源转换效率（?E）基本保持在14%左右。值得注意的是，自1986年以来电力在葡萄牙能源消费中占据重要地位，终端用电率约为36%（Felício等人，2024年）。

材料转换效率（ηM）自1976年起持续提高，从约80%升至20世纪80年代后的85%以上。这一增长主要归因于非金属建筑材料（如混凝土）的使用以及金属矿石国内加工程度的下降。流向库存的材料流F_3_CS从1970年到2000年增加了六倍，尤其是混凝土的使用量大幅增加，占材料库存流总量的50%以上（Wiedenhofer等人，2024年）。1996至2003年间，金属矿石在输入流中的占比略有上升（图2），这可能与低效率的生产过程有关。2003年后，随着葡萄牙转向欧元货币以及混凝土使用的减少，对天然砂等原始材料和回收/再利用材料的依赖增加，推动材料转换效率上升。事实上，回收和再利用材料的年用量从约5.9百万吨增加到13.2百万吨，使再生材料在材料转换输入总额中的占比从约5%升至20%，这意味着再生材料的使用量增加了四倍。同时，沥青、塑料、木材和纸制品在F_3_CS流中的重要性显著增长（合计占比从2003年的约25%升至约55%），这些产品的生产过程比水泥和混凝土更高效。后期效率波动较大，2004年由于进口混合/复杂产品增加，2016年由于非金属矿物产品出口下降。

图5显示了材料转换的熵强度（IM），表明生产1兆吨材料输出需要1拍焦耳（PJ）的有效能。1995年之前，IM的值在0.9至0.6 PJ/Mt之间波动；2000年左右混凝土使用量达到峰值时，IM值较低。然而，自2001年以来，尽管材料产量大幅下降，但有效能消耗的减少幅度较小，导致材料生产的熵强度反而上升。这一趋势主要源于材料流向库存（F_3_C）的结构变化，从建筑材料的较大质量流转变为制造行业（例如造纸和纸浆，其材料转换熵强度约为16 PJ/Mt）。2010年后IM值突然翻倍，反映了葡萄牙材料转换过程中有效能和材料使用的紧密耦合。

图6显示了生物物理经济生产力（BioEP）指标，以1970年为基准年。2016年的材料和有效能产出仅相当于1970年的80%，此后持续下降至2001年的0.57。直到2016年，生物物理产出持续增长，但未恢复到1970年的水平。这表明1970年生产的物质库存为2000年或2016年的生物物理产出贡献了更多的经济价值。这与随着时间积累的物质库存有关，而这些库存又与有效能的消耗地点相关，均来自该时期的投资。

从1970年到2022年，葡萄牙的GDP持续增长，2008至2013年期间出现衰退（世界银行，2024年）。其物质和有效能被用于生产长期使用的物质库存，这些库存增加了国家资本，并间接支持了经济活动。然而，GDP主要反映短期产品的周转或有效能的直接使用。2001年前，生物物理产出的增长速度快于GDP，主要是由于大规模投资于混凝土密集型基础设施和住房建设。2001年后，随着物质库存向短期产品转移和建设活动的放缓，生物物理产出下降，导致BioEP下降。2001年后，尽管GDP增长，但生物物理产出下降，表明2000至2008年间SEM产出（熵和材料）与经济增长脱节。

图7显示了1970至2016年间葡萄牙的物质库存（黑色）、有效能输出（蓝色）和材料产出（橙色）的经济生产力。2015年的GDP以美元计。（关于该图例中颜色参考的解释，请参阅本文的网页版本。）然而，这些脱钩结果应谨慎解读。正如Semieniuk（2024）所指出的，对GDP序列的结构性修订可能会影响历史增长率，从而影响所测量的脱钩程度。此外，MEMME指标是基于生产的，而不是基于消费的，这意味着2001-2014年间观察到的部分脱钩可能实际上反映了通过贸易将物质和能源密集型活动转移到国外，而不是葡萄牙消费的生物物理需求真正减少。这种解释与关于生态不平等交换的文献（Hornborg, 1998；Hornborg和Martinez-Alier, 2016）一致，这些文献强调了通过全球贸易转移资源开采和环境压力。然而，在葡萄牙的情况下，基于消费的指标“物质足迹”显示出了绝对减少（INE, 2025），这表明外部化不太可能是观察到的脱钩的主要驱动因素。

图7显示了库存经济生产率的下降，到2016年时已降至1970年的一半以下（1970年：0.13美元/吨*年，2016年：0.63美元/吨*年）。这意味着支持1美元GDP所需的物质库存量翻了一番。然而，从2012年开始，出现了轻微的稳定趋势，类似于1984年至1988年期间的趋势。库存的近期稳定可以归因于2012年后的库存平台期，而GDP继续增长。Krausmann等人（2017b）在全球范围内观察到，1970年代至2010年间物质库存的生产率略有下降，而物质使用生产力（即物质产出）却有所增加。葡萄牙在这两个指标上也观察到了类似的趋势。

4. 讨论与结论

为了克服现有方法的局限性，MEMME充分整合了物质和能量的视角，同时保持了它们各自的特性。它提供了一个质量和能量平衡的框架，同时考虑了所有转化阶段（初级、最终和有用阶段）的物质和能量流动，包括有形的（例如化石燃料、生物质）和无形的形式（例如风能、太阳能、核能）。与传统方法不同，后者要么孤立物质，要么以模糊其特定作用的方式将它们合并，MEMME明确追踪了转化（物理和化学）、反馈循环（例如回收）以及能量-物质-服务之间的联系。它能够通过在社会经济代谢中清晰定位转化过程（如物质生产或能量转换）来分析其效率。MEMME还整合了库存和流动，确保物质基础设施和能源系统都得到了体现。

MEMME增加了新的指标，有助于更好地理解社会如何使用和转化自然资源。“收获强度”和“提取强度”衡量了获取单位质量生物或地质资源所需的有用熵，而“转化效率”（包括能量、物质以及食物和饲料效率）评估了系统将投入转化为对社会具有经济价值或有用产出的有效性。像转化效率这样的指标，在如此大的层面（国家级别）使用，可以指出并加强了对更小尺度（如行业或产品级别）进行更详细研究的必要性，以更好地理解结果，显示出全面研究社会代谢在所有尺度上的相关性。补充这些指标，“物质转化熵强度”量化了工业转化的能量强度，而“生物物理经济生产力”指标BioEP评估了将生物物理产出（物质和熵）转化为GDP的有效性。这些指标共同提高了我们对资源如何使用、转化效率以及它们与经济活动之间关系的理解。

随着人口和物质库存的增加，葡萄牙经济也得到了增长。这也反映在熵和物质投入的增加上（图2），不仅为了支持经济增长，也为了维持一个更大、更复杂的社会经济系统。收获、提取和物质转化的熵强度增加到了一倍多，而能量转化的效率基本保持不变，物质转化的效率有所提高。这表明在期末（2016年），该经济的社会代谢更加依赖于生物物理资源的消耗。

20世纪60年代，工业的重要性已经略低于服务业，其占GDP的比例从70年代中期开始下降，而服务业对GDP的贡献在70年代中期超过了50%，并持续稳步增长，到2010年达到了约75%（PORDATA, 2024）。在这次结构转型期间，物质和有用熵的消费都增加了（Cunha和Ferr?o, 2022；Felício等人，2024；Niza和Ferr?o, 2006）。这种转型似乎在21世纪初基本完成，当时熵和物质使用的增长放缓，表明资源消费趋于稳定。在此期间，能量转化的效率相对保持不变（图4）：通过持续电气化带来的效率提升被与服务业扩张相关的低效终端用途（例如空调等低温系统）的重要性所抵消（Felício等人，2024）。相比之下，物质转化的效率有所提高（图5），主要是由于物质组成的变化，因为金属矿石加工的减少以及混凝土、骨料、回收材料和转化损失较低的材料（例如沥青、塑料、木材和纸张）的使用增加逐渐提高了效率。然而，物质生产也转向了更耗能的材料，通常是寿命较短的商品（例如石油化工产品、纸张、汽车零部件），部分抵消了这些效率提升。

总体而言，资源使用增加了，资源强度的关键指标恶化了，而效率仅略有提高。这种模式与技术进步的主流叙事相反，后者假设资源效率的提高是资源使用与经济发展脱钩的基础。这种脱钩通常被描绘为在不改变消费模式的情况下实现气候目标的途径，但这些结果集体反驳了这一观点。

MEMME提供了一种通过估算有用阶段的生物物理经济生产力（BioEP）来观察脱钩的方法。从1970年到2001年，有用阶段的生物物理产量与经济价值保持着耦合，而2001-2014年期间则呈现了与经济增长的绝对脱钩。这对应于BioEP在70年代和90年代的下降，在2001年达到最低值，之后回升至低于1970年的水平，显示出整体下降。2001年后在葡萄牙观察到的脱钩趋势也反映在物质足迹数据的发展上，这些数据来自国际资源小组（联合国环境规划署等，2025）。这些数据显示，2003年至2013年间，葡萄牙不仅在国内提取（DE）和国内物质消耗（DMC）方面实现了绝对减少，而且在基于消费的物质足迹指标上也有所减少。领土和基于消费的指标的下降表明，我们结果中观察到的脱钩并非主要由将物质密集型过程外包到其他国家及进口所驱动。2008年至2013年间观察到的绝对下降部分可以归因于经济衰退和相关的经济增长疲软时期，这种模式在文献中得到了广泛记载，表明绝对脱钩通常与低或负经济增长时期密切相关（Shao等人，2017；Steinberger等人，2013；Wu等人，2019）。总体而言，2016年与1970年的比较显示，葡萄牙的社会经济代谢在将资源转化为有用流动方面变得更加高效，但在将这些流动转化为经济价值方面效率较低。

尽管MEMME在这里是在国家层面应用的，但其会计结构并不固有地局限于该尺度。MEMME可以应用于地区、大都市区或城市系统，从而分析城乡之间的代谢联系、区域专业化以及国内物质和能量使用的差异。这样的应用将使我们能够探索不同地区如何贡献于和依赖于国家代谢，尽管这需要详细的数据。

这项研究有一些局限性。由于缺乏原始数据，特别是实际产品重量而非初级作物的等价物，因此无法充分探讨“食物和饲料转化”及其相关指标。这类数据之前可以从FAO获得，但由于2010年引入的方法学变化，现在已经从数据集中移除。

MEMME提供了一个一致核算能量和质量的视角，因此在处理不同来源之间的数据不一致性问题时至关重要。这不仅与数据来源系统的信息缺乏有关，也与专门机构仅提供某一视角的详细数据有关。两个例子可以说明这一点：IEA的木材数据与FAO的数据不一致（本研究在补充材料C中描述了克服这一困难的方法），而联合国Comtrade的贸易Bitumen数据显示IEA的贸易数据可能被低估了（Plank等人，2022）。

作为概念模型，MEMME突出了与Müller等人（2018）先前指出的社会代谢一致数据核算相关的挑战。可用数据往往缺乏对收集数据的系统和条件的全面描述，导致数据来源之间的不一致性，使得难以得出连贯和可靠的结论。尽管存在这些挑战，MEMME解决了Müller等人（2018）为监控物理经济的模型和情景提出的两个关键建议。首先，通过提供一致和统一的能量和物质核算框架，MEMME改进了用于排放模型的能量和物质约束的定义。其次，通过在分析过程中保持质量和能量单位，MEMME通过探索能量和材料之间的联系，提高了对系统的理解，从而支持更准确的情景预测。

未来研究的一个重要方向是将MEMME指标与经济增长和福祉联系起来，类似于熵-增长文献（Ayres和Warr, 2005）。虽然基于社会熵分析的先前研究侧重于从最终用途到有用用途的熵效率和有用工作（Santos等人，2025；Santos等人，2018；Serrenho等人，2016），但MEMME通过同时核算熵和物质流动提供了更广泛的视角。因此，将MEMME整合到宏观经济框架中的未来工作将允许更全面地评估物质-能量系统对经济绩效和福祉的贡献。此外，虽然本文侧重于介绍MEMME及其相关的生物物理指标，但根据Requena-i-Mora和Brockington（2021）的观点，可持续性指标反映了特定的世界观和环境负担分配，未来的工作应结合基于消费的物质和能量测量（如物质足迹和嵌入熵指标）。这将有助于评估观察到的脱钩是否反映了全球资源使用的真实减少，还是主要将影响转移到了国外，以及环境压力和效益是如何在不同地区分布的。

**作者贡献声明：**
Laura Felício：撰写——原始草稿、可视化、方法论、数据分析、概念化。
Fridolin Krausmann：撰写——审阅与编辑、方法论、概念化。
Tania Sousa：撰写——审阅与编辑、方法论、概念化。

**资金来源：**
Laura Felício的工作得到了FCT - 科学技术基金会通过个人研究资助SFRH/BD/145856/2019和Blockchain.PT项目——用区块链议程分散葡萄牙（项目编号51）的支持，该项目由葡萄牙恢复和韧性计划（PPR）资助。Tania Sousa的时间由欧盟通过Horizon Europe计划资助，授予协议编号101137914。Fridolin Krausmann的资金来自奥地利科学基金会（FWF），项目编号346 REMASS，doi:10.55776/EFP5。这项工作还得到了FCT/MCTES（PIDDAC）通过项目UIDB/50009/2025、UIDP/50009/2025和LA/P/0083/2020的支持。