城市代谢效率研究的热点识别与综合效率实证研究

城市代谢是城市可持续发展研究的重要部分,其有序运行为城市发展与居民生活提供重要保障,代谢效率的提高有助于缓解资源利用与环境保护间的矛盾。通过分析国内外近30年的城市代谢效率的研究进展,整合代谢效率研究热点选取综合效率评估所需指标,并以深圳市为案例研究,结合数据包络分析（DEA）模型对城市物质代谢综合效率进行评估。结果表明：（1）近30年城市代谢研究处于蓬勃发展阶段,中国在相关研究领域中的影响力凸显,而城市代谢效率研究主要关注能源、水资源、碳氮元素及耐用物质（主要为建筑材料）等要素及其环境效应;（2）基于上述要素对深圳城市代谢的综合效率进行评估,其综合效率在2005-2017年间呈波动状态,多数年份城市代谢过程取得了高效运行（效率值大于1）,但仍存低效年份,包括2006（0.96）、2007（0.76）、2011（0.85）和2013（0.97）年,研究期间综合效率提高不明显。在资源投入与效益产出方面,深圳市在水资源利用效率方面需进一步提高;在当前资源消耗水平下经济效益仍有提高潜力;在减少碳氮元素的环境排放及建筑垃圾产生的效率方面有一定程度的提高。（3）通过城市代谢效率研究的热点识别,可明晰目前城市代谢综合效率评估所需涵盖的要素,由此建立评估体系可用于综合效率评估的实践,通过案例分析研究其反映城市资源利用效率动态的可行性,以期为城市可持续发展评估提供科学参考。     

面向环境管理的城市代谢物质实体空间研究评述

城市代谢是适应当前全球环境问题研究需要而出现的理论研究,与国家制定的环境管理目标具有内在一致性.本文对城市代谢概念进行解析,并指出城市代谢物质实体研究的意义;概述了城市代谢研究的主要方法并进行优缺点比较;解读了城市代谢物质实体空间研究的系统边界、内涵和研究方法等;总结城市物质实体空间代谢的应用研究进展,提出城市代谢研究存在概念体系、基础理论体系、交叉学科综合理论体系不完善,导致研究发展速度难以满足当前发展的需要、典型案例研究数量有限的不足;建议未来研究可加强在国家间进行实证研究案例的综合比较,以及城市生态系统演化规律、典型城市代谢的优化模式和以实体城市为基本研究单元的环境管理决策支持系统研究.     

城市物质流分析框架及其指标体系构建

借鉴国内外物质流分析的研究成果,结合我国城市物质代谢特点,建立了城市物质流分析的框架及指标体系。该框架以城市社会经济系统物质通量的变化为核心,增加了对城市社会经济系统可持续能力的考察以及对城市和区域循环经济贡献的关注。论文识别了城市物质流分析中系统边界界定等关键问题,并提出了解决方法;指标体系在借鉴国家层面物质流分析指标体系的基础上,注重对城市经济系统内部循环及不同城市经济系统间的物质循环的考察,增加了再生资源输入量、内部资源回收量、可回收废物输出量、新鲜水输入量、中水回用量等指标,用于表征城市可持续发展的能力及实践成果。     

社会经济代谢研究:内涵、发现和展望

社会经济代谢是指由于人类活动导致的物质和能量在社会经济系统内部和边界上的迁移和转换。社会经济代谢研究已经成为产业生态学的核心领域。本文结合典型案例介绍了社会经济代谢研究的内涵和基本步骤,总结了社会经济代谢研究的主要发现:提供了追踪物质在社会经济系统的来源、去向和流动路径的方法与模型;揭示了物质材料及其社会经济代谢过程对现代化生产和生活方式的支撑作用;阐明了人类活动驱动与物质代谢相关的生态环境问题的机制;提供了评估资源利用效率、资源供需趋势和城市矿产开发潜力的模型与基础数据。最后指出了社会经济代谢研究的发展方向:增加研究对象并深化对每种对象的研究精度;拓展或细化研究系统的时空边界;引入并融合新的数据来源和研究方法;将社会经济代谢中的物质流对接到与其相关的生态环境影响;建立可共享、可拓展、可累积的数据平台。     

城市生态系统氮代谢研究进展

城市氮代谢是当前城市物质代谢研究领域中的一个研究热点,其研究框架是将城市视为一个可进行氮代谢的生态系统整体,重点关注人类活动对城市人为活化氮代谢过程的影响及其可能产生的环境问题。本文在阐述城市氮代谢内涵、研究背景的基础上,介绍了物质流分析方法研究城市氮代谢的进展,分析了系统动态模型在城市氮代谢模拟研究中应用前景;最后从城市内部的氮代谢分析、工业氮在城市氮代谢中的归宿、氮足迹概念在城市氮代谢过程研究中运用等方面,探讨了未来城市氮代谢研究趋势与发展方向。实现不同尺度的城市氮代谢过程的准确分析,关键在于研究区域边界和氮流归宿的明确,而目前中国针对城市氮代谢分析研究很少,因此,有必要探讨适合城市氮代谢研究的多尺度分析方法及评价指标,以期为减少城市人为活化氮的排放提供理论参考。     

城市物质代谢的生态效率——以深圳市为例

城市可持续发展研究的关键是城市物质代谢通量及其效率研究,但物质代谢通量仅能反映代谢速率,而其生态效率则能反映支持社会经济发展的物质代谢能力。从工业、生活的源头循环(减少原生资源的消耗)和末端循环(减少污染物的产生)角度,构建城市物质代谢生态效率的度量模型,并依据中国城市化发展进程,选定深圳市作为研究区,核算城市水、能量和废物代谢通量以及代谢的生态效率。结果表明:随着深圳市社会经济的快速发展,水、能源和废物代谢通量呈现出增长势头,但代谢的生态效率不断提高。1998～2004年间,GDP增长2.7倍,城市水和电的代谢通量分别增长1.5倍和3.0倍;工业增加值增长3.7倍,工业水、电、能源和废物的代谢通量分别增长1.9、3.5、2.7倍和2.0倍;常住人口增长1.5倍,居民水和电的代谢通量分别增长1.8倍和1.7倍;资源效率提高1.8倍,环境效率提高3.7倍,生态效率提高2.3倍。虽然深圳市物质代谢的生态效率在提高,但是随着物质资源的日益稀缺,物质代谢的生态效率仍需进一步提高,而提高城市物质代谢生态效率的关键是资源效率和环境效率的协同发展,以及逐步构建废物资源化的循环链条。     

从城市到城市群：京津冀物质代谢特征及影响因素

随着城市化进程和一体化战略的持续推进,城市管理者急需了解城市规律以消减生态-资源-环境挑战,并提供坚实物质基础。以京津冀城市群及其组成城市为研究对象,创新性地从城市群和城市两尺度核算并分析了2000—2017年物质消耗状况及变化趋势,识别并对比了主要贡献物质、贡献部门和影响因素。研究表明：(1)研究期间,京津冀城市群物质消耗量总体上升。从物质类型看,主要由非金属矿物(>34.2%)拉动;从产业结构看,受到工业部门(>58%)绝对影响。首要驱动因素为经济规模(>50%)。(2)各城市物质消耗量与城市群较为类似,总体也呈增长态势,几乎均受到非金属矿物和工业部门驱动,且经济规模起到正向促进作用,不同的是物质消耗强度作用类型多样,且产业结构效应在城市中贡献更为突出。研究结果在一定程度上明确了城市及城市群代谢的规律,能够为优化资源利用效率和资源配置结构奠定基础,为城市及城市群生态管理与调控提供切实可行的落力点。     

基于GIS的产业生态学研究述评

产业生态学由于缺少关于空间分析的工具,使得研究结果因缺乏空间维度信息而影响对管理效率和精准度的支持。基于GIS的产业生态学相关研究已成为产业生态学研究的一个新的方向。为总结已有的研究成果并展望未来的研究方向,运用文献计量及对比分析的手段,系统分析了国内外基于GIS的产业生态学的相关研究进展,得出以下结论:当前基于GIS的产业生态研究主要集中在物质代谢、产业共生和生命周期评价3个方面,将GIS技术引入到物质代谢研究中,可以更好的展示物质代谢的时空分布格局,为物质代谢研究提供了一种新的方法;基于GIS技术,不仅可以更加高效地挖掘潜在的产业共生机会,还可应用于生态产业园的规划管理如企业的选址、空间布局等以及废弃物的回收再利用方面;将GIS与LCA耦合在一起,可以很好地补充、完善和管理传统数据,有助于探索产品、活动或工艺的环境影响的空间特性以及进行土地利用相关的环境影响评价。另外,国内外研究的侧重点也不尽相同。在物质代谢研究中,国内研究较少,仅在城市尺度上进行了基础设施的物质代谢及其存量分析,国外在国家、城市尺度上研究了铜、锌等金属的物质代谢情况;在产业共生研究中,国内侧重于生态产业园的研究,而国外侧重于城市尺度的产业共生机会识别的研究;在LCA的研究中,国内开展了基于GIS的生命周期评价数据库和产品材料信息管理系统的研究,而国外侧重于进行区域化的生命周期评价、进行土地利用影响类型的相关评价以及污染物的追踪,国内在该方面尚处于起步阶段。国内外在研究方法上存在共性,都是基于GIS的空间分析方法、缓冲区分析方法以及数据库技术等。未来将GIS作为一个平台,面向产业转型展开产业生态学综合理论方法的研究,可以为产业的可持续性管理提供有效支持。     

基于景观生态学的城市人居环境代谢研究范式与研究框架建构

人居环境建设已经成为中国城市发展和当代生态学研究的新兴命题,基于物质代谢研究成果,系统剖析城市人居环境问题,提升城市化过程的生态文明水准成为推动新型城市化发展的重要路径选择。通过对人居环境视角和社会代谢视角的城市研究进行简要回顾,认为两种视角的有机整合可以弥补各自的理论和方法论缺陷,进而凝练出新的城市生态学研究思路。利用景观生态学理论和概念体系,建构了多层次、多维度的城市人居环境代谢研究范式和基本研究框架。这一范式可以从多尺度和多维度反映城市人居环境代谢的过程特征,厘清城市人为活动和各种资源环境问题的关联关系,整合多学科的知识和技术手段,解析城市人居环境的时空动态演化过程及其驱动机制,为城市人居环境研究学科的发展创造有利条件。通过建构基于景观生态学的城市人居环境物质能量代谢研究框架,还可以有效推进城市人居环境物质能量代谢中的格局-过程-尺度耦合问题,数据采集、储存与分析问题和效应调控与过程管理问题的研究,对于完善城市代谢研究方法,促进城市人居环境建设具有重要的参考和借鉴意义。     

厦门市城市能源代谢综合分析方法及应用

城市代谢理论目前被认为是系统解析城市病症结的重要切入点。能源是人类活动和城市发展的物质基础, 研究其代谢规律可以揭示城市能源利用过程中存在的问题及其代谢污染物的生态环境效应, 从而为城市能源规划与管理提供科学依据。文章在部门调研数据、统计年鉴数据和文献资料分析的基础上, 提出了一种基于能量流的城市能源代谢综合分析方法。该方法系统分析能源在城市内部的流动过程, 全面核算5 种主要代谢污染物的排放量, 并使用7 个指标对能源代谢进行评价, 进一步使用该方法系统研究了厦门市2009 年能源代谢情况, 结果表明: (1)厦门本地能源稀缺, 对外依存度高, 并且结构较为单一, 主要依赖煤炭和燃油, 分别占能源总量的61%和23%。(2)代谢污染物CO₂、NO₂ 和废热首要来自能源加工转化, SO₂ 和PM2.5 首要来自工业。(3)2009 年能源代谢总效率为0.43 tce·t^-1, 在各部门中服务业及其他的效率最高, 加工转化的效率最低, 代谢效率与能源结构关系密切。(4)文章提出的方法可为城市能源代谢研究提供方法参考。     

城市能源代谢生态网络分析研究进展

运用生态网络分析方法研究城市能源代谢可以打破以往研究中的"黑箱模式",有助于考察城市内部能源的代谢过程和代谢路径。对研究城市能源代谢的一般方法进行了分析和对比,发现在探究城市能源代谢方面,生态网络分析相较于其他方法更具优越性;因此,全面整理和阐述了生态网络分析方法的主要内容,并系统综述了该方法在城市能源代谢中的应用。在此基础之上,指出在未来城市能源代谢的生态网络分析中应从研究尺度、上升性分析和环境元分析的结合应用以及增加不同模型精细度的对比研究3个方面做出改进。     

城市碳代谢过程研究进展

碳代谢过程分析是城市代谢研究的重要环节,而通过土地利用/覆盖的空间调整优化城市碳代谢过程已成为区域可持续发展的关键。利用城市代谢思想,本文综述了城市碳代谢过程核算、碳代谢网络模拟、碳代谢过程与土地利用/覆盖变化关系分析、碳代谢空间格局演替等方面的内容,并指出了当前研究中存在着空间属性表达缺乏、核算/模拟结果较难直接应用于实践调控、自然和社会经济代谢过程难以并重考虑等问题。在此基础上,提出了此领域未来发展预期:(1)基于土地流转,将碳排放/碳吸收垂向流映射到碳存量变化的水平流,以"存量"变化推导出网络"流量"分布,实现节点、流互动关系的空间表达,构建时空维度碳代谢网络模型;(2)强调自然节点在城市碳代谢网络中的重要作用,形成社会经济节点与自然节点并重的生态网络模型,有效服务于城市规划及设计。     

Urbanization and Socioeconomic Metabolism in Taipei

The analysis of socioeconomic metabolism has largely been dominated by quantification of material flows on a mass basis. This neglects the energetic dimensions of the urban metabolism and makes analysis that integrates material and energy flows difficult. The present research applies Odum's emergy concept to integrate energy and material flows for the study of the socioeconomic metabolism of the Taipei area. We also take into consideration the urban sprawl in the Taipei area to study its relationship to the change of socioeconomic metabolism. We interpret SPOT satellite images from 1992 and 2002 to provide a deeper understanding of the whole urban system; results show that Taipei's urban areas increased in size during the past decades. Emergy-based indicators show decreasing empower densities (total emergy use per area) of undeveloped and agricultural areas, whereas the empower density of urban areas has increased, which signals a convergence of resource flows toward urban areas. Such an increase of empower density is mainly due to fossil fuel use and translates into increased environmental loading and decreased sustainability. An analysis of the relationship between urbanization and socioeconomic metabolism indicates that changes in land use affect the characteristics of socioeconomic metabolism in Taipei. The effects of urban sprawl on Taipei's urban sustainability are also discussed.     

The Changing Metabolism of Cities

Data from urban metabolism studies from eight metropolitan regions across five continents, conducted in various years since 1965, are assembled in consistent units and compared. Together with studies of water, materials, energy, and nutrient flows from additional cities, the comparison provides insights into the changing metabolism of cities. Most cities studied exhibit increasing per capita metabolism with respect to water, wastewater, energy, and materials, although one city showed increasing efficiency for energy and water over the 1990s. Changes in solid waste streams and air pollutant emissions are mixed.
The review also identifies metabolic processes that threaten the sustainability of cities. These include altered ground water levels, exhaustion of local materials, accumulation of toxic materials, summer heat islands, and irregular accumulation of nutrients. Beyond concerns over the sheer magnitudes of resource flows into cities, an understanding of these accumulation or storage processes in the urban metabolism is critical. Growth , which is inherently part of metabolism, causes changes in water stored in urban aquifers, materials in the building stock, heat stored in the urban canopy layer, and potentially useful nutrients in urban waste dumps.
Practical reasons exist for understanding urban metabolism. The vitality of cities depends on spatial relationships with surrounding hinterlands and global resource webs. Increasing metabolism implies greater loss of farmland, forests, and species diversity; plus more traffic and more pollution. Urban policy makers should consider to what extent their nearest resources are close to exhaustion and, if necessary, appropriate strategies to slow exploitation. It is apparent from this review that metabolism data have been established for only a few cities worldwide, and interpretation issues exist due to lack of common conventions. Further urban metabolism studies are required.     

Metabolized‐Water Breeding Diseases in Urban India: Sociospatiality of Water Problems and Health Burden in Ahmedabad City

Studies on urban metabolism have provided important insights in the material and sociopolitical issues associated with the flow of water. However, there is a dearth of studies that reveal how infrastructure, as a hybrid of social and material construct, facilitates disease emergence. The article brings together urban metabolism, political ecology, and anthropological studies to examine the social construction and reconstruction of the material flow through everyday practices for addressing the water problem and its health burden in Ahmedabad city. The article georeferences the water problems and occurrence of diseases and, through interviews, documents Ahmedabad's sociospatial characteristics of water problems and health burden in two case study wards. Through a situated understanding of the everyday practices, the infrastructure is exposed through leakages, reveals the citizens desire for better water quality, and struggle to gain access to water using diverse ‘pressure’ tactics. It is these social‐material constructs of water that give structure and coherence to urban space, which spatially coincides with the occurrence of diseases. It reveals the sociopolitical drivers of the water problems and identifies different hypotheses of the hotspots of disease emergences. The methodology offers a way forward for researchers and development agencies to improve the surveillance and monitoring of water infrastructure and public health through an incremental approach that takes into consideration the diffuse interplay of power by diverse actors. It charts out avenues for building on the urban metabolism by emphasizing the importance of examining the sociospatiality of the everyday practices for improving resource use efficiencies in cities of rapidly growing economies.     

城市居民行为与生态社区建设研究

简评了城市居民行为与社区生态环境的关系及其对生态社区建设的启示,归纳了相关研究的进展及存在的问题,并提出下一步研究方向。研究发现,当前城市居民行为对生态环境的胁迫及社区环境对居民行为的影响研究方法多样、内容分散,研究设计及其逻辑尚无系统完备的研究体系做支撑。此外,目前生态社区建设研究大多集中于新型生态社区的设计与开发,少有针对已有社区的生态化改造的分析,也没有充分针对不同城市社区类型及资源、能源、环境禀赋提出因地适宜的建设生态社区的建议。研究还发现,即使是针对新型生态化社区,在构建过程中也是重视生态社区的规划和生态基础设施的建设、忽视生态社区的后续管理,更是缺乏针对管理机制创新方面的探讨。另外,现有城市生态社区建设多重视单个具体指标的提升,轻视全面建设生态社区中的系统性思考,缺少具有普适性的生态社区评价指标体系及对指标间关联关系的考量与分析。现有社区物业管理信息化平台,大多包含了社区环境卫生管理,并没有从社区生态系统建设和保护的角度出发将社区物质能量代谢、碳氮循环、生态系统性管理理念纳入进来,更缺少实时、动态的面向社区居民的生态环境资产核算方面的计算、查询、规划等互动式交流。当前生态社区集成示范的可推广性与普适性有待进一步深入考察,即要保证示范具有可参考、可借鉴、可推广等实际应用价值,避免由于技术过于超前或成本太高而导致示范难有操作性。     

The current and potential role of urban metabolism studies to analyze the role of food in urban sustainability

Food supply chains are essential for urban sustainability. To reflect on the state of knowledge on urban food flows in urban metabolism research, and the actual and potential role of urban metabolism studies to tackle food sustainability in cities, we systematically review scientific research on food from an urban metabolism perspective and apply statistical and thematic analyses. The analysis of 89 studies provides insights as to the relation between food supply and (environmental and social dimensions of) urban sustainability. First, food is an important contributor to urban environmental impacts, if a consumption-based approach is adopted. Secondly, the social impacts of urban food supply remain scarcely studied in urban metabolism research, but emerging results on public health, malnutrition, and food waste appear promising. In parallel, we find that the findings of the studies fail to engage with debates present in the broader literature, such as that of food justice. Our analysis shows that most studies focus on large cities in high-income, data-rich countries. This limits our understanding of global urban food supply. Existing studies use innovative mixed-methods to produce robust accounts of urban food flows in data-scarce contexts; expanding these accounts is necessary to get a better understanding of how urban food supply and its diverse impacts in terms of environmental and social sustainability may vary across cities, a necessary step for the urban metabolism literature to contribute to current debates around food sustainability and justice.     

铁西区城市改造过程中建筑景观的演变规律

探索城市改造过程中景观的变化规律对城市景观变化的预测有重要的指导意义。以沈阳市铁西区1997、2002、2005、2008年建筑物三维信息为基础数据。按照建筑物使用性质将其分为居住、工业、商业、教育与医疗、其他建筑5类,按照建筑物的高度将其分为平房、低层、多层、中高层、高层和超高层6类。采用转移矩阵法分析了不同时段建筑类型的更替规律。并将探索性空间数据分析法应用于建筑改造空间分布特征的研究。结果显示:1997到2002年,居住建筑是建筑改造的主体。2002年后,工业建筑成为建筑改造的主体。1997到2008年,不同高度类型的建筑更替顺序为:平房→低层建筑→多层建筑。新增建筑先以低层为主,后以中高层,逐渐以高层为主。建筑改造在空间上并不是随机分布的,而是存在显著的空间正相关关系。在局部空间范围内,建筑改造呈现成片集中改造的现象。