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.     

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。     

基于能值分析的厦门城市代谢可持续性评估

生态城市建设是中国城市转型发展的关键节点,对中国生态文明和新型城镇化发展具有推动作用。研究以中国典型的生态城市厦门市为例,基于城市代谢框架结合能值分析法,对厦门市代谢系统进行各项能值流的核算,构建2010-2017年厦门市能值指标评估体系,选用可持续发展指数、可持续发展能值指标、城市健康水平能值指数3项指标综合评价其生态可持续性,选取部分能值指标与珠海市、深圳市进行对比分析,以期为中国生态城市的可持续发展提供科学参考。结果表明：（1）2010-2017年,厦门市总能值呈上升趋势,2017年的总能值为2.51×10²⁴ sej,是2010年总能值的1.65倍,货币流能值显著增加,废弃物流能值下降。能值自给率由98.30%逐渐递增至99.20%,能值产出率由8.30%逐渐递增至15.20%,环境承载率小于3,属于环境低负荷状态。（2）厦门市可持续发展指标处于1-10之间,表明其生态经济系统具有活力和发展潜力,可持续发展能值指标由2010年的3.67增加至2017年的7.76,表明厦门市的可持续发展性能愈来愈好,城市健康水平能值指数由2010年的6.21上升至2017年的25.80,表明厦门市生态系统处于健康可持续发展的状态。（3）厦门市与珠海市、深圳市的能值指标对比分析表明,厦门市与珠海市均处于富有经济活力与生态可持续发展潜力阶段,且厦门市代谢系统的可持续发展水平整体优于珠海市与深圳市。（4）总体来看,厦门城市代谢系统处于可持续发展阶段,生态城市的建设有利于厦门市实现生态经济的可持续发展,研究对同类型生态城市的建设与可持续发展具有理论参考价值。     

网络视角下城市物质代谢过程解析——以京津冀13城市为例

城市作为物质吞吐量的集中区,往往存在一定的资源消耗和环境问题。京津冀是中国北方经济规模最大的地区,负载着巨大的资源环境压力。以京津冀地区为例,在计算城市物质输入与输出的基础上,运用生态网络分析方法对代谢系统内部的具体路径和节点关系进行深入探究,并分析其变化。结果表明,京津冀地区97%的流量都集中于各城市内部,各城市之间的优势互补有待加强。2017年京津冀13城市代谢总流量增长为2000年的3.3倍,其中承德、秦皇岛和唐山增长最为迅速,而衡水是唯一一个流量下降的城市。各城市的关键路径中有71.8%呈现流量上升态势,加工制造业为涉及关键路径最多的部门,其中加工制造业-环境为大多数所有城市共有的关键路径。掠夺/控制是京津冀13城市的主导关系类型;2000—2017年间13城市总体的生态关系良性转变少于劣性转变,致使共生关系数量下降,需要从交通运输业、采掘业和加工制造业等重点部门上寻求突破。关键路径及生态关系等代谢网络特征及其变化的识别,有效打破了城市代谢的“黑箱”,为缓解不同城市物质利用所带来的资源环境问题提供可靠理论依据。     

城市复合生态系统中互动关系的测度与评价

基于城市复合生态系统原理和城市代谢功能,构建了城市系统互动分析指标体系。应用因子分析法、层次分析法及所建立的量化模型,对城市复合生态系统中的不同变量之间的相关性和协调性进行度量。并以中国北京、上海、广州、天津、重庆和深圳等六大城市为例,对其可持续发展进程进行横向比较。结果表明,六大城市发展度由大到小的顺序是:上海、深圳、广州、天津、北京、重庆;协调度由好到坏的排序是:重庆、上海、广州、北京、天津、深圳;循环度由好到坏的排序是:深圳、上海、天津、北京、广州、重庆;从可持续发展度看,建设和实现可持续发展城市或生态城市的先后顺序大致为:上海、深圳、广州、重庆、天津、北京。说明城市可持续发展的关键取决于社会经济活动压力源的削减、自然生态环境的保育以及城市代谢功能的增强。     

城市与区域生态关联研究进展

城市及其周边区域正在面临日益严峻的环境污染、生态恶化、资源短缺等问题。这些问题的出现,与长期以来城市发展过程中忽视城市与区域的生态关联密切相关。研究城市与区域的生态关联,对于解决城市与区域的生态环境问题、指导新型城镇化建设具有重要的理论意义与实践价值。主要从以下3个方面系统总结了城市与区域生态关联的研究进展:(1)城市发展对周边区域的生态环境影响,包括直接的胁迫和间接的影响;(2)区域对城市发展的生态支撑;(3)城市与周边区域社会、经济、生态关联的相互作用机制。指出了当前城市与区域生态关联研究中存在的问题和不足:1)城市对周边区域生态环境直接影响的研究较多,且多侧重城市对周边区域的负面影响,对其间接影响的研究较为缺乏;2)周边区域对城市发展生态支撑作用的研究相对缺乏、认识不够深入;3)对城市与周边区域生态关联作用机制的研究较为缺乏。未来的研究要将城市和区域作为统一整体,进一步完善城市与区域生态关联的理论框架,耦合社会经济的相互作用,定量解析城市与区域的生态关联,为城市与区域的可持续发展提供科学依据。     

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。     

城市生态网络分析研究进展

自生态网络分析方法提出40多年来,其理论发展和应用实践不断拓展,但直至21世纪才不断引入到城市生态系统研究中,用以分析城市内部多个主体和多种生态流构成的关联网络。目前,城市生态网络分析集中于生态网络分析方法与指标的拓展及多尺度的应用研究,而生态网络分析方法又形成了上升性分析和环境元分析两大分支,多尺度应用涵盖了城市镶嵌的区域背景尺度和城市内部产业部门之间的细节尺度。然而,当前研究仍存在着多尺度融合、多种生态网络分析方法集成不足等问题,这限制了城市生态网络分析方法在城市规划设计中的应用。未来城市生态网络分析研究集中于如下3点:(1)开展多尺度城市生态网络分析,包括城市群-城市-园区/社区等,构建多级嵌套生态网络模型;(2)集成上升性与环境元分析方法,提出由外在表征到内在过程的城市生态系统评价模式及模拟方法;(3)强调自然节点在城市生态网络中的重要作用,形成社会经济节点与自然节点并重的生态网络模型,并强调构建多精度的生态网络模型服务于不同的研究目的。     

生态网络视角下武汉市湿地生态格局分析

城市湿地是城市发展的重要生态保障。快速城市化进程导致湿地景观破碎化,威胁湿地生态系统安全。生态网络通过廊道连接重要生境斑块,基于生态网络分析城市湿地生态格局,不仅可了解湿地的空间分布情况,还可反映湿地系统的结构与连通性特征。以武汉市为研究区,利用形态学空间格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis, MSPA)方法识别湿地源地,结合地表景观类型、地形坡度及人类活动强度因素构建综合阻力面,采用最小累积阻力模型(Minimum Cumulative Resistance, MCR)提取生态廊道构建湿地生态网络,最后对网络进行重要性分级。分析网络的结构及区域特征,结果表明:武汉市湿地规模较大,但破碎化严重且空间分布不均;网络空间结构不完备但景观结构良好,重要廊道多位于城市边缘斑块间且集中分布在南部地区;各区域湿地格局特征不同,江夏区及汉南区湿地资源丰富且斑块质量高,廊道分布多且景观结构较好但重要性不高,黄陂区及东西湖区湿地总量少且形态破碎,区内廊道少、重要性低且景观结构有待改善,新洲区湿地规模小,廊道分布较少且景观结构不完善,但湿地及廊道重要性均较高。研究结果将为武汉市湿地保护与建设工作提供科学依据。     

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。     

城市生态学学科定义、研究内容、研究方法的分析与探索

从生态学的学科定义、生态学的发展现状、城市生态学的发展历史与现状、城市生态学未来发展趋势的出发,认为将城市生态学定义为“研究城市及其群体的发生、发展与自然、资源、环境之间相互作用的过程和规律的科学”,既能涵盖城市生态学已有的内容,也能指导城市生态学未来的发展。城市生态学的研究中,城市与自然、资源、环境相互作用的具体机制应全面深入地展开,城市生态系统的研究应更为精确,城市生态学应参与可持续生态系统、生物多样性保护、全球变化的研究。结合城市生态学的发展经验和目前面对的挑战,案例研究与理论研究相结合、现场观测资料与统计资料相结合、对比研究与定位研究相结合、自然科学和社会科学相结合、并充分利用现代新技术和数理模型分析方法应该是城市生态学研究的主要方法。     

Metabolic network alignment in large scale by network compression

Metabolic network alignment is a system scale comparative analysis that discovers important similarities and differences across different metabolisms and organisms. Although the problem of aligning metabolic networks has been considered in the past, the computational complexity of the existing solutions has so far limited their use to moderately sized networks. In this paper, we address the problem of aligning two metabolic networks, particularly when both of them are too large to be dealt with using existing methods. We develop a generic framework that can significantly improve the scale of the networks that can be aligned in practical time. Our framework has three major phases, namely the compression phase, the alignment phase and the refinement phase. For the first phase, we develop an algorithm which transforms the given networks to a compressed domain where they are summarized using fewer nodes, termed supernodes, and interactions. In the second phase, we carry out the alignment in the compressed domain using an existing network alignment method as our base algorithm. This alignment results in supernode mappings in the compressed domain, each of which are smaller instances of network alignment problem. In the third phase, we solve each of the instances using the base alignment algorithm to refine the alignment results. We provide a user defined parameter to control the number of compression levels which generally determines the tradeoff between the quality of the alignment versus how fast the algorithm runs. Our experiments on the networks from KEGG pathway database demonstrate that the compression method we propose reduces the sizes of metabolic networks by almost half at each compression level which provides an expected speedup of more than an order of magnitude. We also observe that the alignments obtained by only one level of compression capture the original alignment results with high accuracy. Together, these suggest that our framework results in alignments that are comparable to existing algorithms and can do this with practical resource utilization for large scale networks that existing algorithms could not handle. As an example of our method's performance in practice, the alignment of organism-wide metabolic networks of human (1615 reactions) and mouse (1600 reactions) was performed under three minutes by only using a single level of compression.     

基于灰水足迹的中国城市水资源可持续利用综合评价

随着城市化的快速发展,中国城市水资源面临着水资源短缺与水环境恶化等挑战,因此加强城市水资源可持续利用对于中国可持续发展具有重要意义。基于灰水足迹核算对2016年中国地级市水资源可持续利用情况进行综合评价。研究结果表明：（1）中国城市灰水足迹水平差异大,平均值为23.40×10⁸ m³,主要集中在20.00×10⁸ m³以下。中国城市农业源灰水足迹比例占比主要在70%以上,工业源比例占比主要在20%以下,而生活源比例占比在40%以下;（2）全国灰水经济生产率在12.45-857.31元/m³范围内,地区差异明显。33%城市灰水足迹荷载系数均大于1,全国地级市灰水足迹荷载系数平均值为1.16,城市水资源利用已对水环境产生污染压力,用水不可持续;（3）城市水资源开发率与灰水足迹荷载系数呈一定程度的正相关关系,说明了城市发展对水资源利用的"量"和"质"的压力作用具有一定的协同关系;（4）水资源可持续利用程度呈现大型城市 > 特大型城市 > 超大型城市 > 中小型城市,城市发展一定程度上有助于水资源的可持续利用,但发展规模过大可能会造成用水高产而护水低效的现象。因地制宜的实行水资源循环经济发展模式以及适时纳入灰水足迹核算与管理体系,是当前城市化大背景下实现水资源可持续利用的重要途径。     

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。     

城市生态安全及其动态评价方法

城市生态安全是人类生存和发展的一个重大课题。当前,城市生态安全正严重威胁着城市的可持续发展。全面了解城市生态安全状况是维护城市持续发展的基础。而城市生态安全的研究仍处于起步阶段,在吸取现有的国内外相关研究成果的基础上,探讨了城市生态安全的内涵和动态特征,分析了城市生态安全问题。对城市生态安全的评价方法进行了研究,提出了城市生态安全状态评价的指标体系和评价模型,趋势分析模型,以及基于状态评价与趋势分析的城市生态安全动态评价方法。     

基于形态学空间格局分析法的城市绿色基础设施网络格局优化——以合肥市为例

绿色基础设施格局对于城市环境的改善、经济社会的发展、城市形象的提升等有着重要的作用。以合肥市域为研究范围,基于形态学空间格局分析法(MSPA)提取UGI要素与生态源地,使用夜间灯光数据与坡度数据校正InVEST模型中生境质量模块生成的阻力面,进而结合电路理论运用Circuitscape软件与Linkage Mapper工具模拟构建UGI网络并识别生态走廊中的关键节点,最后基于斑块、廊道、障碍点的空间特征,提出合肥市城市绿色基础设施网络格局的优化策略。结果表明：(1)合肥市UGI网络由120个生态源地斑块、4442.4km~2的廊道、62处障碍点构成,生态斑块大部分面积较小且分散,生态斑块集中度南部优于北部。生态走廊在主城区以外环状蔓延分布,分别集中在市域东部、北部与南部,网络整体连接性较低。障碍点多数分布在生态源地边缘或生态走廊内,主要为建设用地与道路用地,低于平均阻力值的障碍点面积占障碍点总面积的71.1%,相对容易修复;(2)合肥市现有重要生态走廊集中分布于巢湖东北、巢湖西北、市域南部,各区域内的廊道连接自成体系,未形成整体的网络连接。依据廊道分析提出保护72条重要生态走廊,恢复1...     

城市群生态网络协同构建场景要素与路径分析——以粤港澳大湾区为例

城市群生态网络构建是城市与区域协同发展面临的重要场景之一,合理的生态网络能加强生态源地间的连通性,提高生态系统的生态功能,有效缓解生态环境问题,对保障城市与区域生态安全,提升人类福祉具有重要意义。以粤港澳大湾区城市群为例,以场景为依托开展生态网络协同构建场景要素与协同路径分析,结合景观连通性和形态学空间格局分析方法（MSPA）获得生态源地,并基于最小累积阻力模型识别生态廊道与生态节点,构建大湾区生态网络总体格局,最后从跨区域协作角度探讨城市群生态网络协同构建的潜在路径。研究结果表明：（1）研究区生态网络由40个生态源地、780条潜在生态廊道与892个生态节点构成,生态源地面积1.88万km²,占湾区总面积比例为33%,所识别的生态源地及生态廊道与自然保护区、广东省万里碧道、珠江三角洲绿道网重合程度较高;（2）识别跨区域生态廊道552条,其中,跨越佛山与广州市的生态廊道较多,一半以上的廊道跨越三个及以上城市,跨陆海区域的生态廊道连接了湾区南部主要沿海城市,构成陆海生态网络的关键组成部分;（3）提出城市群生态网络协同构建的潜在模式,应结合生态源地、生态廊道、生态节点等构建主体,分析城市内、城市间生态网络构建过程涉及的协同需求、协同对象,探索差异化的协同路径;（4）以场景为依托识别城市群生态网络构建场景的主题、时空特征、对象、路径和价值,可为进一步开展生态网络协同构建与应用示范过程提供指导。本研究是对城市群生态网络协同建设的有益探索,基于跨区域生态廊道协同构建场景模式的探讨能够为今后进一步探索区域统筹协同机制、实现景观格局协同构建和优化、促进区域生态共建共享提供理论依据。     

山东半岛城市扩展模式与生态足迹的关系

理解城市扩展模式与生态足迹动态之间的关系是区域可持续性研究的重要内容,对实现城市可持续发展具有重要指导意义。然而,目前对这二者关系探索的实证研究较少。以山东半岛城市群为例,掌握其2000—2010年的城市扩展模式与生态足迹动态特征,并探索二者之间的关系。采用景观扩展指数和生态足迹模型对研究区的城市扩展模式和生态足迹动态进行计算。在此基础上,将该区44个县划分为4种类型,用相关分析法对城市扩展模式和生态足迹动态的关系进行探索。结果表明,2000—2010年山东半岛城市群的城市用地面积增量加了1.2×10~5hm~2,增幅为19.4%。44个县均体现出边缘型扩展面积最大,生态赤字增加的特点,平均赤字增量为1.26 hm~2/人。垦利等27个县的外延式扩展面积与生态赤字增加量存在较显著的正相关关系,在济阳等17个县中,二者未呈现出相关关系。建议垦利、淄博和青岛等地区在未来城市发展中,控制飞地型和边缘型扩展面积总量,发展清洁能源,遏制化石能源足迹的增长趋势。     

成渝城市群区域生态与城镇发展双网络格局分析及时空演变

协调生态网络格局与城镇网络格局是城市可持续发展的重要课题。基于2000、2010、2020年成渝城市群3期土地利用数据,应用形态空间格局分析(MSPA)、景观格局指数、景观连通性、最小累计阻力(MCR)模型等方法构建研究区生态源地与生态廊道、经济社会源地与交通廊道形成的区域生态网络格局与城镇发展网络格局,分析节点、廊道、源地、网络等“点、线、面、网”4类空间要素特征与演变趋势,探讨区域双网络格局空间关系与干扰时空变化情况。结果表明：(1)2000—2020年,研究区生态源地与生态廊道受到不同程度城镇化影响,两者总面积分别减少2660.26 km²、1169.9 km²,经济社会源地与交通廊道总面积则分别增长4324.19 km²、2392.14 km²;(2)以重庆中部、四川西南部为核心的高密度区生态关键点在2000—2020年间重心呈现先由东至西南迁移,后又向东及东北回移的趋势,数量减少了311,同时2020年生态干扰点数量达到2000年的3倍;(3)2000—2020年交通廊道对生态源地的干扰不...     

金坛市城南新区城市规划的方法与实践:生态学视角

快速城市化加重了资源的消耗和对城市周围环境的破坏,对城市进行规划和建设时需要尽可能降低这些影响.城市规划的理论研究和实践越来越注重生态方面的考虑,城市规划与生态学的结合已渐成趋势.本文以金坛市城南新区规划为案例,阐述了城市规划与生态学结合的思路和方法.在该规划中,采用了生态承载力、生态系统服务价值等一系列生态学技术方法,并将环境影响评价与规划同步实施,把环境影响评价意见及时反馈到规划编制过程中,从而收到了良好的效果.此外,提出了城南新区规划、开发的生态原则和生态空间控制标准,为城市发展预留了生态底限.