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。     

基于生态网络效用的城市碳代谢空间分析——以杭州为例

城市碳排放占全球碳排放总量的78%,通过模拟生物代谢来剖析城市碳代谢机理从而控制城市碳排放是缓解全球气候变暖危机的关键。为研究杭州城市化过程中土地利用变化对城市碳代谢的综合作用,以4个时间段(1995—2000,2000—2005,2005—2010,2010—2015)为例,建立了一个"碳流"模型来分析城市生态系统中自然和人工分室在城市碳代谢正负"碳流"产生中的作用,之后利用生态网络效用方法分析"碳流"产生的生态关系及其空间分布,同时利用互惠指数M综合评价土地利用变化对城市碳代谢的综合作用。结果显示(1)净"碳流"在研究期间持续呈现负值且在2000—2005年间达到峰值,负"碳流"主要源自耕地与工业用地之间的转换,正"碳流"主要源自工业用地与城市用地之间的转换。(2)1995—2000年互惠指数(M)呈现先增加后减少再增加的变化趋势,M平均值小于1,说明土地利用变化对城市碳代谢的综合作用是消极的。(3)竞争关系集聚在高负碳代谢密度分室,互惠共生关系主要集聚在高正碳代谢密度分室。(4)从1995—2000至2010—2015,以每5年为时间间隔,生态关系分布空间变化如下:掠夺限制生态关系呈现向西北、西南和南部方向蔓延—西北方向移动—东南方向移动的变化趋势,竞争生态关系呈现东南方向移动—南部和西北部方向蔓延—零星分布的变化趋势,互惠共生生态关系呈现向东南方向移动—暂时不存在—零星分布的变化趋势。研究结果为低碳城市发展提供了理论依据。     

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。     

基于生态网络的城市代谢结构模拟研究——以大连市为例

基于生态热力学的城市系统结构的研究是实现城市生态规划和环境管理等实际工作优化与决策的关键理论问题之一。基于生态热力学 流核算方法,建立大连市生态网络模型,通过路径分析探讨了代谢长度与代谢路径数量、连通性的变化关系,确定了城市代谢系统的基本营养结构,以及各组分间的作用途径;利用网络有效利用矩阵中正负号分布、数量比值,确定了城市代谢系统各组分间的作用方式、共生状况,最后揭示出固有网络结构中复杂的生态关系。结果表明:大连是具有一个高度竞争性的部门共生体,而且随着代谢长度的增加,城市代谢系统中各组分间的作用途径更为多样,代谢路径数量、连通性不断提高。该研究可为政策制定者确定如何在现有的经济基础上,避免支付高额生态成本和重复发达国家城市建设中的末端控制模式,推动社会系统的生态化转型实践,促进城市的健康发展。     

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。     

食物源CNP的城市代谢特征——以厦门市为例

基于元素流分析原理,将食物源碳氮磷3种元素在城市系统中的代谢特征进行耦合分析,追踪以"食物消费"、"废物处置"、"人体代谢"为主要环节的食物碳氮磷代谢过程,发掘其中共同的代谢环节,明晰3种元素代谢路径、代谢通量及其影响因素的差异,并对厦门市1991—2010年食物源碳氮磷城市代谢进行案例分析。结果表明,食物源碳氮磷城市代谢中通量最大的代谢路径是"食物—食物摄入—人体粪尿—未还田粪尿—污水处理—污泥—污泥填埋—土壤";食物源碳氮磷城市代谢主要引起土壤和水体的环境负荷加重;厨余垃圾中碳氮磷占食物源的比例分别为13.7%、32.2%、70.3%,在整个代谢过程中具有最大的减量管理潜力。提出优化代谢过程、减少碳氮磷环境负荷的若干对策建议,包括增大食物的有效食用比例、资源化利用污泥和厨余垃圾等。     

城市食物磷足迹研究——以龙岩市为例

运用物质流分析法,以龙岩市为例,分析了1985—2010年城市食物磷代谢的变化,估算了食物磷足迹。研究表明,龙岩市总磷输入和总磷输出都有明显的增长(总磷输入从4110 t增加到12102 t,总磷输出从3855 t增加到11315 t);总磷足迹从6482t增加到20473 t,直接磷足迹的比例从53%下降到42%;而间接磷足迹的增速明显高于直接磷足迹;龙岩市在城市尺度上是重要的磷汇,在流域尺度上则是重要的磷源。磷足迹的研究有助于全面理解和评估城市磷代谢的特征;将磷足迹与磷流动分析结合,对我国磷资源和区域磷素管理调控具有指导意义。     

基于能值分析方法的城市代谢过程研究——理论与方法

作为一个以人类活动为中心的社会-经济-自然复合生态系统,城市所遵循的高投入、低产出、高污染的粗放型发展模式导致了严重的结构性隐患与环境问题.基于生物物理的视角考虑,城市生态环境问题的出现,与城市代谢不良密切相关.当前对城市代谢的研究视角多基于污染物排放和资源消费,需要一种热力学的全新视角从整体角度来重新诠释可持续发展.开发了一种基于能值分析方法的城市代谢过程研究框架,首先对城市的可持续发展进行热力学解析,其次针对现有能值方法的局限,结合自然系统对污染物的自净化及污染对经济系统和生态系统的损害程度测度方法,从水体污染、大气污染和固体废物研究城市代谢对人群健康和自然生态系统的影响.研究有利于解决城市代谢不良的影响因子识别问题和代谢系统综合评价问题,使政策制定者建立以生态为本的城市观,推动社会系统的生态化转型实践,力求突破当前城市发展的瓶颈,促进城市的可持续发展.     

工业园区氮代谢——以江苏宜兴经济开发区为例

以江苏宜兴经济开发区为例,基于物质流分析构建了工业园区的氮代谢网络和分析方法,解析了工业园区中产业系统和污水处理系统的氮代谢途径和通量。研究表明,氮物质流系统的源和汇比磷物质流系统多,流通量大且较为集中;氮肥生产、纺织印染和食品加工行业是宜兴经济开发区的主要氮排放源;企业自备处理设施除氮效果较好,去除率约79%,而污水处理厂由于设计和运行等原因氮去除率较低,约57%;生活污水氮去除率低;直接排入水体的降水造成的水体负荷约28%。由此,建议企业继续完善企业内处理设施,对集中污水处理厂进行脱氮除磷提标改造,同时加强对园区内生活污水、生活垃圾和企业固体排放物的管理。     

Eco-efficiency of urban material metabolism: a case study in Shenzhen, China

The keys of studying urban sustainable development are material metabolism flux and efficiency. Metabolism flux of urban materials can only reflect the metabolism velocity, while its eco-efficiency can determine the metabolism capacity to support socio-economic development. The general model and the measure model of the eco-efficiency were set up, based on the source recycle (decreasing the consumption of crude resources) and the terminal recycle (decreasing the discharge of pollutants) of production and life. These models were employed to study material metabolism flux and efficiency in Shenzhen, China. Results showed that water, energy and waste metabolism fluxes have increased since 1998 with constant socio-economic development, and their eco-efficiencies have also increased rapidly. When GDP rose by 2.7 times, the metabolism fluxes of urban water and electricity rose by 1.5 and 3.0 times, respectively. When the added value of industry rose by 3.7 times, the metabolism fluxes of industrial water, electricity, energy and waste rose by 1.9, 3.5, 2.7 and 2.0 times, respectively. When population rose by 1.5 times, the metabolism fluxes of residential water and electricity rose by 1.8 and 1.7 times, respectively. During the period, the resource efficiency, environmental efficiency and eco-efficiency rose by 1.8, 3.7 and 2.3 times, respectively. Whereas the efficiency of material metabolism has been improved in Shenzhen, the scarcity of material resources has become more and more serious. Therefore, it is necessary to further improve the efficiency of material metabolism. The keys of improving the eco-efficiency of urban material metabolism are the increasing of resource and environmental efficiencies, and the establishing of the recycling chain of re-utilization of waste resources.     

Eco-efficiency of urban material metabolism: a case study in Shenzhen, China

The keys of studying urban sustainable development are material metabolism flux and efficiency. Metabolism flux of urban materials can only reflect the metabolism velocity, while its eco-efficiency can determine the metabolism capacity to support socio-economic development. The general model and the measure model of the eco-efficiency were set up, based on the source recycle (decreasing the consumption of crude resources) and the terminal recycle (decreasing the discharge of pollutants) of production and life. These models were employed to study material metabolism flux and efficiency in Shenzhen, China. Results showed that water, energy and waste metabolism fluxes have increased since 1998 with constant socio-economic development, and their eco-efficiencies have also increased rapidly. When GDP rose by 2.7 times, the metabolism fluxes of urban water and electricity rose by 1.5 and 3.0 times, respectively. When the added value of industry rose by 3.7 times, the metabolism fluxes of industrial water, electricity, energy and waste rose by 1.9, 3.5, 2.7 and 2.0 times, respectively. When population rose by 1.5 times, the metabolism fluxes of residential water and electricity rose by 1.8 and 1.7 times, respectively. During the period, the resource efficiency, environmental efficiency and eco-efficiency rose by 1.8, 3.7 and 2.3 times, respectively. Whereas the efficiency of material metabolism has been improved in Shenzhen, the scarcity of material resources has become more and more serious. Therefore, it is necessary to further improve the efficiency of material metabolism. The keys of improving the eco-efficiency of urban material metabolism are the increasing of resource and environmental efficiencies, and the establishing of the recycling chain of re-utilization of waste resources.     

基于人水关系的京津冀城市群水资源安全格局评价

京津冀城市群是我国乃至全世界人类活动对水循环扰动强度最大的地区之一,水资源过度开发利用不仅严重影响生态环境安全,而且制约着经济社会的可持续发展。基于人水关系协调视角,从水资源本底条件、水资源开发利用程度、水资源开发利用效率等3个方面建立了水资源安全综合评价指标体系,并根据国内外发展经验和相关标准确定了评价标准阈值,使得评价结果在不同的时空尺度上均具有可比性。然后通过熵技术支持下的层次分析法和多目标模糊隶属度函数,对2000—2014年京津冀城市群水资源安全的时空格局进行了定量评价。结果表明:(1)整个京津冀城市群的水资源安全指数多在0.2—0.4之间,属于不安全类型,但总体向临界安全类型转变;(2)各城市的水资源安全指数在时空尺度上表现出较大差异,总体表现为南低北高且随着时间的推移普遍提高的格局;(3)整个京津冀城市群及各城市水资源安全指数的次级指标在时空尺度上也表现出一定的差异性和地域一致性,它们交互作用,最终综合决定着水资源安全指数的时空变化。     

基于CA-Markov和MSPA的绿色基础设施预测与时空演变分析——以京津冀城市群为例

绿色基础设施（Green Infrastructure,GI）的合理布局有助于建立国土空间绿色发展新模式。在生态文明和高质量发展背景下,研究GI长时序时空双维度演变格局对提升生态环境质量、提高国土空间治理能力和实现"碳中和"目标具有重要意义。基于CA-Markov （Cellular Automata-Markov,CA-Markov）、MSPA （Morphological Spatial Pattern Analysis,MSPA）和景观格局分析方法等构建GI研究模型框架,实现对GI过去-现在-未来的时空双维度分析。以京津冀城市群为研究区,分析了2000-2020年GI时空双维度演化特征,预测了未来2025和2030年的发展态势,讨论了协同发展过程与GI格局演变的对应关系,并总结GI优化启示。结果表明：（1）2000-2020年,GI面积占研究区总面积的比例呈现逐年下降趋势,由90.82%降为86.60%,空间上表现为西北部密集、东南部稀疏的分布态势。核心作为GI的主要组成部分,面积占比57.04%-65.93%不等,同样呈现逐年下降趋势,其主要分布在研究区北部、西部和西北部。（2）2020-2030年,研究区GI面积小幅度下降,但核心面积占比增长明显,2030年占比高达84.04%。连接桥、边缘和环等其他GI类型面积占比较小,其分散分布在各核心之间。（3）城市群协同发展进程提速直接导致GI的波动,主要体现在2015-2020年实质发展期和2020-2025年国土空间规划加速落实期。（4）未来,京津冀城市群GI生态网络稳定性的提升需重点关注各城市中心GI的面积占比和东南部的连通性问题。研究结果为快速实现GI检查、评估和治理提供技术支撑,也有助于实现京津冀城市群建立绿色、低碳、可持续发展新模式。     

京津冀城市群生态网络构建与优化

生态安全是人类生活的基本保障,快速城镇化致使大型生态源地破碎化、岛屿化,生态环境问题日益严重。构建生态网络不仅能加强生态源地间的连通性,完善生态功能,还能提高生态系统的综合能力,改善恶化的生态环境问题。以京津冀为研究区,基于地理空间分析技术确定京津冀生态源地,对研究区内的林地、湿地、草地,结合生态红线等进行区域叠加从而完成源地提取;基于最小成本路径方法,考虑土地利用及高程影响因子,提取京津冀城市群生态廊道,分析统计廊道分布情况;结合重力模型与重要生态源地连通性筛选出京津冀重要生态廊道,叠加现有国道、河流构建生态网络,对重要生态节点进行分析。研究结果表明,生态源地面积占研究区总面积比例为21.76%,林地、湿地、草地面积占总生态源地面积分别为82.78%,11.05%,6.17%;不同地貌区域生态源地类型不同,林地主要分布在山区,湿地主要分布在平原区域,草地主要分布在研究区西北部;景观成本值平原区域高于草原和山区,北京、天津、石家庄城区及周边景观成本值最高;采用最小成本路径模型提取廊道579条,其中张家口、承德区域生态网络较好,平原区域生态源地及生态节点缺失较为严重。最后,对北京、天津、白洋淀、衡水湖等重点生态区域提出修复和保护意见,为京津冀城市群发展提供参考。此外,本研究对其他地区生态网络的构建提供理论依据与技术支持。