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。     

城市生态安全格局构建:目标、原则和基本框架

随着人口增长和经济快速发展,城市化已经成为人类社会发展的必然趋势。快速城市化必将导致生态用地流失、生态系统服务下降和环境健康风险加剧,由此影响到城市生态安全。尽管生态安全的概念已经为社会广泛接受,但对生态安全的内涵和如何构建生态安全格局仍然缺乏统一认识。在分析生态安全内涵、生态安全概念辨析和生态安全格局构建基本原则基础上,结合城市生态系统特点,提出了城市生态安全格局构建的目的、基本原则和基本框架。认为城市生态安全格局构建是一个涉及多尺度的区域性、综合性问题,除了要遵循生态安全格局构建的一般性原则外,还必须考虑以下原则:以人为本原则、流域适应原则、区域协调原则和有限目标原则。同时,需要重点关注宏观与微观尺度之间的关系协调、城市内部与外部之间的关系协调、理想与现实目标之间的权衡、人类生存需求与生态服务需求之间的权衡关系。通过城市生态安全格局构建,需要实现以下目标:控制城市化过程中出现的问题、维持城市地区正常的物质循环与代谢功能、维持城市生态系统健康运行与可持续发展、保证城市人居环境健康和居民的正常生活,以及满足现有城市居民可预见时期内生态服务需求。从景观、城市和区域三个尺度上,分析了城市生态安全格局构建需要面对的实体、解决的问题和实现的目标。     

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。     

京津冀地区的生态质量定量评价

生态质量的好坏标志着区域经济社会可持续发展的能力以及社会生产和人居环境稳定可协调的程度,如何定量评价区域生态质量状况与变化,协调其与城镇化的关系,日益成为城市生态学研究的热点.本文选择城市化发展迅速、生态环境问题突出的京津冀城市群为研究对象,基于遥感技术反演京津冀城市群植被覆盖度、生物量和人工表面比例、植被面积百分比等生态参数,结合植被破碎化指数,采用主成分分析法,构建了基于遥感参数的生态质量指数综合模型,定量评价了2000—2010年京津冀城市群生态质量及动态变化.结果表明: 本文构建的生态模型可以更客观、综合地定量评估城市与区域的生态质量状况与变化.2000—2010年,京津冀城市群的生态质量指数从2.38上升到2.84,增幅达19.3%.其中,2000—2005年的增幅(12.2%)高于2006—2010年(7.2%).从空间分布来看,生态质量指数的高值区位于京津冀北部,西部、东南部较低.不同城市的生态质量状况及变化趋势不同.承德的生态质量状况最好,并显著高于其他城市;其次为北京、秦皇岛和保定;天津的生态质量最差.承德、北京、秦皇岛和保定的生态质量高于京津冀地区的平均水平;廊坊、天津和沧州的生态质量明显低于平均水平.2000—2010年间,除唐山外,其他城市的生态质量均呈好转趋势.其中,沧州、衡水的生态质量指数提升最显著,增幅分别达520.5%和171.8%.     

基于“水-能-碳”消费视角的福建省资源环境与经济增长脱钩关系

厘清资源环境消耗与经济增长之间的脱钩关系及驱动机制,对福建省发挥国家生态文明建设示范区作用具有重要意义。本研究通过构建“水-能-碳”资源环境投入产出模型,对福建省行业“水-能-碳”资源环境压力进行分析,基于脱钩理论和对数平均迪式指数分解法对福建省各行业“水-能-碳”资源环境消耗与经济增长之间的脱钩状态及其驱动因素进行研究。结果表明: 2002—2017年,福建省由虚拟水主导的资源环境压力转变为隐含碳为主导的“水-能-碳”多维资源环境压力,且各行业部门差异较大。从行业部门来看,生产供应业具有较大的直接资源环境压力,制造业部门的间接资源环境压力显著。从脱钩关系来看,福建省的资源环境消耗与经济增长的脱钩状态表现良好,主要表现为弱脱钩和强脱钩。从驱动因素来看,经济效应和人口效应是抑制脱钩的主要因素,而技术效应和结构效应则对脱钩起到促进作用。     

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。     

城市发展指数和生态足迹在直辖市可持续发展评估中的应用

综合应用城市发展指数(CDI)和生态足迹(EF)指标,分析各直辖市1978—2012年的可持续发展情况,衡量发展方式由资源消耗型向环境友好型转变的程度。研究表明:各直辖市的CDI不断增长,至2012年均达到80左右,基本处于同一层次水平,城市经济社会发展状况总体良好。EF的动态变化呈现阶段性发展的特点,各直辖市间也存在显著差异,除上海市,其他3个直辖市的EF呈现增长态势,至2012年,北京EF最高(2.60 hm2/人),重庆最低(1.79 hm~2/人),是唯一一个低于全国平均EF的直辖市。综合分析CDI和EF,在相似的社会经济发展水平下,重庆市的资源消耗较低,可持续发展潜力较大;天津市一直处于资源消耗型发展中,亟待转型;近十年来,上海和北京的城市建设模式出现了一定转变,由以消耗环境资源为代价的发展模式转变为环境友好型的发展模式。     

京津冀城市群人-地、人-水与人-碳交互胁迫关系及其叠加效应

随着社会、经济效益的不断增加及国际影响力的不断增大，京津冀正在向世界级城市群迈进。而快速的城市增长与资源环境的交互胁迫效应严重制约了京津冀地区的可持续发展，因此，明确城市增长与不同资源环境要素的相互作用机制并采用有效的措施，是实现京津冀地区发展和保护共生的关键。目前针对城镇化与单一种资源环境要素交互作用的研究较多，但对城镇化与不同资源环境要素相互作用的叠加效应的关注很少。针对土地、水资源与能源这三种明显限制京津冀地区发展的资源要素，综合考虑了供给侧与需求侧特征，分析了人-地、人-水与人-碳的相互作用关系，解析了京津冀地区城镇发展与不同资源环境要素交互胁迫作用及其叠加效应。结果表明：2002-2017年，1、城市群整体水平上，人-地、人-水和人-碳关系总体上均呈"强协调"或"弱协调"交替变化的状态；2、城市尺度上，不同城市的人-地、人-水和人-碳交互关系存在明显时空分异。多数城市都曾面临土地、水资源或能源的胁迫影响，尤其是河北的一些城市（石家庄、邯郸、承德、衡水、邢台、唐山及保定等）在有些年份面临土地、水资源或能源的"强胁迫"影响；3、从京津冀地区整体水平上看，不存在多种资源要素的叠加胁迫影响，但是，城市群内部多数城市在有的年份同时面临土地、水资源或能源两种以上资源要素的叠加胁迫影响。因此，要协同改善京津冀地区资源环境的胁迫，需要全面考虑不同空间尺度之间，不同城市之间，以及不同资源要素之间的叠加影响机制，有针对性的提出政策与措施。     

Quantifying a virtual water metabolic network of the Metropolitan District of Quito,Ecuador using ecological network methods

Current human population is mostly located in urban areas making cities the center of attention in terms of achieving sustainability goals. Evidence shows that ecosystems have evolved over time toward a balanced configuration between resource efficiency and functional redundancy. For this reason, they are exemplary models to follow in terms of sustainability. Here, we apply similar ecological network-based methods to study the virtual water metabolic network (VWMN) of the Metropolitan District of Quito. The VWMN was obtained using novel bottom-up, survey-based methods to generate the urban metabolic network. We compare the VWMN results with those previously obtained from ecological food webs, to learn if there are insights about the sustainability of urban metabolic processes. We conclude that VWMN does not exhibit characteristics observed in sustainable ecological networks because this socioeconomic network exhibits higher levels of path redundancy. Urban metabolism studies are gaining in popularity as a research tool aimed at informing resource management and this is one of the first covering a city in the Global South and using a bottom-up survey method.     

典型资源型城市生态承载力评价——以唐山市为例

资源型城市生态承载力评价研究的开展对促进资源型城市自然-经济-社会复合生态系统健康可持续发展具有指导意义。以唐山市作为案例城市,基于资源型城市独特的生态系统特点,从生态弹性力、承载媒体的支撑力、承载对象的压力三方面提出对生态承载力进行量化的研究方法,构建了较完整的生态承载力综合评价指标体系,利用主客观相结合的赋权方法,对唐山市生态承载力状况进行评价,探讨了2001—2010年10年间唐山市生态承载力变化趋势。结果表明:唐山市在研究时段内,生态弹性力指数波动强烈,表明生态系统的稳定性较差;承载媒体的支撑力指数逐渐增大,指数由0.111上升至0.898,显示系统的承载指数越来越高;承载对象的压力变化较为复杂,呈现先降后升,近几年又略有下降的趋势;系统的生态承载力整体上呈现波动性上升趋势,综合指数由0.345上升至0.720,说明唐山市生态系统的承载能力不断提高,但资源依赖型发展模式带来的资源短缺、环境污染和生态破坏等问题仍是制约生态承载力进一步提高的主要因素。研究成果客观地反映了唐山市生态承载力状况,对于唐山市未来的发展提出了合理的对策和建议,可为其他地区生态承载力研究提供一定借鉴。     

Ecological network analysis of urban–industrial ecosystems

Sustainability of urban areas is paramount in the coming years as cities continue to grow in population and resource consumption. A number of methods to model cities have been developed, including material flow analysis and urban metabolism, but these accounting methods do not fully analyze the complex network dynamics present within cities. Ecological network analysis (ENA) provides a new perspective into these urban areas by using metrics designed for analysis of natural ecosystems. This study analyzes 29 urban–industrial ecosystems using ENA, comparing the networks to each other as well as comparing them to previously analyzed eco‐industrial parks and natural food webs. It is found that these systems perform similar to other human‐designed systems, which consistently lack in ecological performance when compared with the natural ecosystems. Additionally, the impact of specific actor types within these networks is shown indicating the importance of industry, agriculture, and the natural environment. Finally, the types of networks are determined to affect the ecological metrics, with the more linear‐based energy networks having the worst performance. This new dataset of ecologically analyzed networks provides a deeper understanding of urban networks and their infrastructure, while providing useful information on how to potentially improve their sustainability.     

京津冀城市群城市化与生态环境时空分异及协同发展格局

京津冀城市群在快速城市化进程中,"高耗能、高污染、高排放"的粗放型经济发展模式引发了一系列诸如雾霾、水质污染及生态体系破坏等问题。选取2000—2015年京津冀城市群13个地级以上城市作为研究对象,采用系统指数评估模型评价城市化与生态环境系统及其子系统指数值,运用耦合协调度模型及其分类原则判定两者协同发展格局。结果表明:(1)北京、天津、唐山、石家庄、廊坊城市化发展较强,邯郸、秦皇岛、衡水、沧州居中,邢台、保定、张家口、承德较弱;北京、保定、张家口、承德和秦皇岛生态环境保护较好,天津、石家庄、廊坊、邯郸、沧州居中,邢台、衡水、唐山较弱。(2)2000—2007年为城市化缓慢发展阶段,2008—2015年为稳步提升阶段;2000—2010年为生态保护攻坚期,2011—2015年为生态文明建设期,环保投入剧增。(3)高城市化区的空间格局保持不变,偏高城市化区和中城市化区空间格局相对稳定,低城市化区基本不存在;优生态环境区、偏优生态环境区和中生态环境区空间格局相对稳定,劣生态环境保护区不存在。(4)京津冀城市群城市化与生态环境系统耦合协调度上升趋势显著,但是濒临失调和中度协调占主导类型,具有较大上升空间;协同发展类型整体上逐渐由城市化滞后演变为生态环境滞后,生态环境质量需要进一步提高。由此,需要以生态环境保护为抓手,坚持产业转型升级和"高科技+"的自主优化思想,打造集聚区域特色的"美丽中国"绿色城市化样板区;加大地区生态环境保护的投入和宣传,以"生态+"思想融入经济社会发展,培育区域性绿色小城镇;建立多样化生态保护园区、现代化旅游和康养基地、科技化教育培训机构,促进区域内外多维多向联动发展;保有生态环境危机意识,积极创建保障措施,杜绝重大生态破坏、环境污染等事件。     

生态约束下闽三角城市群城镇发展特征与转型路径

我国城市群快速发育与增长的同时也伴随着巨大的生态代价。基于生态约束视角提出城市群可持续发展的"供需-效率-结构"三维测度模型，以闽三角城市群为实证，综合运用生态足迹、生态承载力与信息熵模型，从资源供需关系、发展生态效率与生态本底结构三个方面评价其2018年区域城镇可持续发展空间分异规律，并进一步探究其影响因素与转型发展路径。研究发现：（1）闽三角区域城镇发展空间分异明显，具体表现为南北差异与海陆差异，空间集聚效应正在形成。（2）城镇可持续发展潜力与能源消耗和经济发展水平呈显著负相关，而人口、城镇化、经济、能源消耗等影响因素对资源供需关系、发展生态效率与生态本底结构三个子系统的影响机制存在差异。（3）鉴于影响机制差异，采用系统聚类法将闽三角城镇划分为赤字型、失衡型、粗放型与可持续型四类，针对不同类型城镇的主要发展制约因素提出相应的转型发展路径。研究希望为城市群可持续发展研究提供新的思路，为闽三角区域城镇转型发展提供参考与借鉴。     

京津冀城市群地区生态安全格局构建与保障对策

京津冀城市群健康与可持续发展是保障我国国家安全的重要基础,但因其城市化过程缺乏区域间协同联动,产业布局各自为政,导致生态用地流失、水生态失衡等问题,由此带来生态系统服务下降、生态风险加剧、生态安全受到威胁。因此,如何从区域角度构建科学合理的生态安全格局,成为保障京津冀城市群区域一体化协同发展的关键。在国家重大专项(典型脆弱生态修复与保护研究——京津冀城市群生态安全保障技术研究,项目编号为2016YFC0503000)的支持下,该研究将围绕"区域生态安全保障"这一核心主题,揭示京津冀城市群生态安全格局的维持机制与影响因子,重点研发关键生物栖息地生态修复、受损生态空间生态重建、生态监管与生态风险预测预警技术,进而构建区域协调与空间联动的生态安全保障决策系统和预测预警平台,并开展示范应用研究,为京津冀城市群地区生态安全保障提供技术支撑。     

环杭州湾城市群生态环境与社会经济耦合协调关系及其影响因素

生态环境与社会经济之间的耦合协调关系是可持续发展关注的一个重点和热点。以环杭州湾城市群为研究对象,构建环杭州湾城市群生态环境与社会经济耦合协调度综合评价指标体系,借助ArcGIS软件,采用耦合协调度模型和Pearson相关分析,分析环杭州湾城市群在2000—2019年间生态环境、社会经济发展指数与耦合协调度的演变特征及其影响因素。结果表明：(1)2000—2019年间环杭州湾城市群的社会经济指数呈稳定上升趋势,生态环境指数呈先上下波动后逐年上升的变化趋势;(2)2000—2014年间环杭州湾城市群社会经济的发展速度大于生态环境的发展速度,2015—2019年间生态环境的发展速度大于社会经济发展速度;(3)2000—2019年,环杭州湾城市群生态环境和社会经济之间的耦合协调度从良好协调过度到了完美协调,其中,2000年上海和杭州的耦合协调度小于其它城市,2019年苏州是杭州湾城市群中唯一没有达到完美协调的城市;(4)人口密度、空气质量、工业废水排放量、工业固体废弃物是环杭州湾城市群生态环境与社会经济耦合协调度提高的主要阻碍因素。