基于能值分析方法的城市代谢过程——案例研究

城市代谢过程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。核算了1999-2006年北京代谢过程中能值通量和强度,并依照Eco-Indictor 99的划分标准,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(DALY法和PDF法),从城市代谢生产过程和消费过程研究城市代谢对人群健康和自然生态系统的影响,结果表明:(1)北京城市代谢过程大部分依赖于外部购买的不可更新资源的消耗;(2)外部购买的不可更新资源主要依赖于它省的资源供给,对国外资源利用很少,说明北京是一个本国资源依赖性的城市,而且这种依赖程度在不断增长;(3)当前过快的城市代谢过程主要由固定资产建设所拉动,随着北京基础建设程度放缓,这种高依赖性的代谢模式会的到一定的改变;(4)在考虑生态损失的情况下其可持续发展水平有5%的下降。该研究克服传统外在预警式评价方法的局限,综合评价城市生态系统内在代谢过程及代谢水平,为城市生态规划和环境管理提供更为有效的优化与决策依据。     

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。     

基于能值理论的中国城市新陈代谢

运用城市新陈代谢能值指标方法,分析了2000和2010年31个典型中国城市的新陈代谢系统构成及发展特征.结果表明: 研究期间,中国城市新陈代谢系统的资源消耗型、沿海外贸型特征明显.内陆城市的非可再生资源能值占城市代谢系统能值总量的比例较高.北京、上海等大都市及东部沿海城市的进出口能值比重偏大,表现出显著的代谢外向型发展特征.在此基础上,明确了城市在实现可持续发展目标过程中的新陈代谢改进方向:发展可再生资源、能源产业;改善非可再生资源、能源利用效率;优化城市进出口服务、货物和燃料结构;弹性的城市新陈代谢管理机制.     

京津唐城市生态系统能值比较

运用能值(emergy)分析方法,以京津冀地区的北京、天津、唐山为研究对象,建立了复合生态系统与可持续发展的能值指标,对3个城市1991～2005年自然环境与社会经济可持续发展状况进行了比较分析.研究结果表明:1991～2005年期间,由于北京、天津的本地资源能值对经济发展的驱动力不足,城市发展对外部输入能值的依赖程度越来越高;北京、天津、唐山社会子系统的能值指标均呈上升趋势,城市居民生活水平和经济发展水平不断提高;北京经济子系统的各项指标均优于天津和唐山,但环境子系统和能值可持续指标体现出,北京的环境压力最大、可持续发展能力低于天津和唐山.在此分析基础上,对北京、天津、唐山的可持续发展提出了几点建议,为制定城市发展策略和产业调整提供科学依据.     

城市可持续发展能力的能值评价新指标

能值理论、方法克服了传统能量与经济分析方法的诸多缺憾,为城市可持续发展的研究提供了全新的视角。但作为一种新兴的理论,其评价指标,尤其是针对城市可持续发展能力的综合评价指标尚不完善。从生态经济效益及环境影响的全面表达角度,剖析了国际现行可持续发展能值指标(ESI)的不足之处,并在此基础上拓展构建了新的可持续发展能值指标(EISD)。以珠江三角洲中山市1996～2000年的发展动态为例进行了案例研究。结果表明,新拓展的可持续发展能值指标．在系统效益评价中考虑了系统能值产出的实际经济效果,在环境影响评价中同时考虑了系统的消耗影响和排放影响,可以更全面明晰的评价城市系统的可持续发展能力、状态及其成因,为系统的优化指明方向。     

基于能值理论的有色金属矿产资源开采生态补偿机制

矿产资源为中国经济的高速增长提供了不竭的动力,但在其开采过程中也带来了诸多的环境问题。在当今资源、环境的约束下,如何采取适宜的量化方法来表征矿产资源开采所带来的生态环境损失,并在此基础上确定合理的生态补偿标准,成为了一项重要的研究课题。选取我国有色金属采选业为研究案例,并基于能值分析方法,核算了矿产资源开采过程中造成的直接、间接环境损失,提出了生态补偿指数,用以为生态补偿标准的制定提供参考依据。对能值分析指标的计算和分析结果表明,从可持续发展角度,生态补偿指数为89.18%,说明我国有色金属采选业的环境投入较高,需要的补偿费用较多;能值产出率为9.24,表明有色金属采选业的生产效率高;环境承载率为238,呈现高负荷状态,区域环境所承受的压力巨大;可持续发展指数为0.039,表明我国有色金属采选业处于不可持续状态,急需采取相关环境保护措施进行调整。从经济成本角度,我国有色金属采选业需要的生态环境补偿费用约为4.38×109元,现阶段征收的资源税费远低于生态恢复的治理费用,不能够覆盖生态修复治理成本。最后根据本文研究内容得出我国有色金属采选业面临的主要问题,分别从宏观角度、微观角度及长远角度3个方面给出了相应的政策建议。     

基于能值理论的成都市生态经济系统可持续性评估

运用能值理论与方法,建立了以能值产出率、能值密度、能值-货币比率、环境负载率和可持续发展指数等9个指标的评价指标体系,并对2005-2009年成都市生态经济系统发展态势进行了定量描述.结果表明:近几年系统能值产出率持续降低,环境负荷率由17.49上升到37.77,可持续发展指数从0.26下降到0.06;城市经济社会综合实力显著增强,但由此造成的环境压力不断增大,阻碍了系统的可持续发展;成都市全面提升可持续发展能力的关键,应从产业结构的优化调整入手,提高资源能值利用效率,大力推行清洁生产,创建循环经济产业链,加大高科技的应用力度和范围.     

甘肃省生态经济系统的能值分析

能值理论是研究生态经济系统结构和功能的新理论,它以太阳能值为统一尺度,解决了不同类型能量之间无法进行核算的问题,为我们提供了一种新的能量分析理论方法。应用能值理论,对甘肃省生态经济系统进行了能值分析,并对甘肃省总的能值用量、能值货币比率、能值自给率、人均能值用量、能值密度等一系列能值指标进行了定量研究,为甘肃可持续发展提供科学依据与建议。     

基于能值分析的福州与厦门城市生态系统比较研究

能值分析方法(Emergy Analysis)为综合评价城市复合生态系统提供了新的手段和方法。以福州和厦门为研究对象,对其城市各种生态流进行计算和归类,建立了相应的城市复合生态系统与可持续发展能值指标,并对两城市复合生态系统中自然、经济、社会三大子系统进行了综合评价与对比分析。结果表明:厦门在经济发展水平和社会人均福利方面优于福州,在生态安全和可持续发展能力方面落后于福州。从能值角度出发,福州应加快城市基础设施建设,加强城郊地区能值反馈,科学引导人口转移;厦门应积极发展绿色产业,降低生产能耗物耗,提高废弃物循环利用率;两城市应加强区际资源互补和消除技术壁垒,促成两城市互补、互利、可持续发展。     

城市环境经济能值综合和可持续性分析

澳门资源缺乏,人口高度密集,其生命支持系统几乎完全依赖进口。近年,澳门经历了经济的繁荣和社会的发展,澳门如何能克服其自身的缺点而生存?试图应用H.T.Odum创立的能值(Emergy)分析理论和方法,从城市生态系统的理论出发,对澳门的能值流进行系统分析研究,通过一系列能值指标,评价澳门城市生态系统自然环境和社会经济可持续发展的状况,为澳门制定发展策略和产业调整提供科学指导依据。2003年澳门城市生态系统应用能值为220×1020sej(Solaremjoules,太阳能焦耳,缩写为sej),输入的购买能值有216×1020sej,出口能值为140×1020sej。旅游博彩业为澳门带来52.1亿美元的收益,折算能值收益为86.5×1020sej,而游客只消费能值32.6×1020sej的商品和服务,旅游博彩业巨大的能值净收益为53.9×1020sej,旅游博彩业的贡献冲击比率为2.65。研究还发现,以相同的货币进行商品交换,中国大陆与澳门的能值交换比率是1.8倍。澳门旅游博彩业的能值剩余和澳门与中国大陆的能值交换优势,是维持澳门生态经济系统的关键因素。最后对澳门的可持续发展状况进行了讨论。     

Studies of emergy flow in a compound agro-ecosystem in the Taihu Lake area, Jiangsu Province, China

Emergy flow in a compound agro-ecosystem in the Taihu Lake area of Jiangsu province, China, is studied with a set of numeric models. Model parameters are based on 11 years of records. Results show that total emergy production of two producing subsystems will decline although emergy input into the two subsystems and emergy production of the fish subsystem are growing. Emergy efficiency of the producing subsystems, both gross and net, will decrease, while emergy efficiency of the compound ecosystem will grow up first and then gradually decline. Net emergy production of the producing subsystems will gradually decline, but that of the compound ecosystem will firstly increase and then decrease. Net emergy allocation per human capita in the compound ecosystem will slowly inecrease, but it will decrease if the animal subsystem is removed from the ecosystem; this shows that the animal subsystem is a necessary part of the compound ecosystem. Relative to buffering capacity, emergy efficiency of the compound ecosystem, and recent living quality of local people, sustainable development of the ecosystem is discussed.     

基于MSIASM方法的中国省级行政区体外能代谢分析

通过社会代谢多尺度综合分析方法,采用社会不同层次人类活动时间、体外能代谢率与人类活动的社会开支和体外能的社会开支等指标,评价我国30个北京、天津、河北、山西、内蒙古自治区、辽宁、黑龙江、上海、福建、山东、河南、湖南、陕西、甘肃、宁夏回族自治区、新疆维吾尔自治区、吉林、江苏、浙江、安徽、江西、湖北、广东、广西壮族自治区、海南、重庆、四川、贵州、云南和青海30个省级行政区的社会代谢状况,识别出限制区域可持续发展的关键因素可持续发展水平,并通过因子分析和相关分析方法,识别限制区域可持续发展的因素。结果表明,该方法社会代谢多尺度综合分析方法适合于中国省级行政区的可持续发展评价;与2003年相比,2007年我国各省级单位的社会生产和消费水平普遍提高。在内蒙古自治区,矿业的迅速发展及其对工业和服务业的剧烈带动作用,造成了体外能代谢改善水平高于全国其他省级行政区。在海南省,整体工业化水平不高,以农业和旅游业为主的产业特点,使其体外能代谢的改善水平低于全国其他省级行政区。在江西和贵州,生产性行业发展过快,而服务业发展的和民生的工程人民生活水平改善发展的滞后,导致生产部门体外能代谢水平提高,而消费部门体外能代谢水平下降。在河北、青海和新疆维吾尔自治区,社会各行业均发展较快,而人民生活水平的改善较慢,使其付薪部门体外能代谢水平提高,而家庭部门体外能代谢水平下降。在安徽和广西壮族自治区,农业生产发展和消费水平提高较快,而工业生产水平和服务业发展有所降低,使其非农生产部门体外能代谢水平下降,而农业和家庭部门的体外能改善水平提高。在山西和上海地区,工业、服务业的发展和人民生活水平改善较叫快,而农业生产发展较慢,导致非农部门和家庭的体外能代谢水平提高,而农业部门的体外能代谢水平有所降低,这为地区可持续发展政策的制定提供了科学依据。与2003年对比,2007年资本和技术聚集是我国大部分地区社会发展的重要影响因素。北京、天津、河北、山西、内蒙古自治区、辽宁、黑龙江、上海、福建、山东、河南、湖南、陕西、甘肃、宁夏回族自治区和新疆维吾尔自治区仍需加大力度调整地区产业结构;吉林、江苏、浙江、安徽、江西、湖北、广东、广西壮族自治区、海南、重庆、四川、贵州、云南和青海继续加大资本技术的引进力度,以解决个省级行政区经济发展中的资本技术聚集与区域产业结构的不协调问题。而且,2007年中国省级行政区社会代谢表现异常,大多数省级行政区社会开支并未随社会发展而增加,社会负担表现为自南方向北方转移的倾向;内蒙古、宁夏和新疆3个矿产资源丰富的省级行政区的经济发展使当地环境承压过重。30个省级行政区中只有上海接近中等发达国家水平,北京、天津、河北等16个省级行政区仍需着力调整区域的产业结构,吉林、江苏、浙江等14个省级行政区仍需着力资本技术的引进力度,中国的社会负担出现南方转移到北方的倾向;与其他国家和地区相比,大部分省级行政区仍处于发展中国家水平,对这些国家和地区曾遇到的不可持续发展问题我们应引以为戒。     

Supercomputer analysis of purine and pyrimidine metabolism leading to DNA synthesis

A model-system is established to analyze purine and pyrimidine metabolism leading to DNA synthesis. The principal aim is to explore the flow and regulation of terminal deoxynucleoside triophosphates (dNTPs) in various input and parametric conditions. A series of flow equations are established, which are subsequently converted to differential equations. These are programmed (Fortran) and analyzed on a Cray X-MP/48 supercomputer. The pool concentrations are presented as a function of time in conditions in which various pertinent parameters of the system are modified. The system is formulated by 100 differential equations.     

Ecosystem, environmental quality and ecotechnology in the Taipei metropolitan region

The “self-design” capability of a natural environment is ignored in currently practiced environmental technology and urban planning professionals. Therefore, we propose an ecological engineering approach to conduct scenarios for environmental management in the metropolitan region of Taipei. Ecological energetic analysis is applied to assess the ecological economic status and the role and contribution of solid waste and water resources in the Taipei metropolitan region. The benefit of an ecological engineering approach to the environmental quality and sustainable development of the metropolitan region is evaluated using emergy synthesis. The results indicate that Taipei metropolitan region operates its activity mainly on the imported fuels and goods and services, which account for 90% of total emergy used. The treatment of waste as resources and the use of the self-design capability of the natural environment according to the ecological engineering approach can generate positive contribution and aid the environmental quality and productive potential of the ecological economic system. It is concluded that ecological sustainability should be used as a reference of environmental quality for urban development policy.     

基于能值分析的环太湖城市群生态经济系统可持续发展研究

采用能值理论与分析方法,研究2015年环太湖城市群生态经济系统的能值流量,并构建多维度的生态经济系统指标体系,综合评价环太湖城市群可持续发展程度和健康水平。研究结果表明：（1）可更新资源利用不足,在能值利用总量中占比最大值仅为7.95%;（2）不可更新资源消耗过度,在能值利用总量中占比最小值达到56.95%;（3）（除苏州市外）可更新资源产品中肉类与水产品占比最小值已达63.08%,急需对传统的农业结构进行调整;（4）不可更新资源产品均以水泥和钢铁为主,占比最小值已达88.02%,应该加快传统的工业转型升级;（5）输入能值占比最大值仅为36.27%,商品进出口呈现贸易顺差,对外经济开放仍有发展空间;（6）废弃物与可更新能值比率最大值仅为12.8%,废弃物能值比最小值仅为0.19%,废弃物排放和利用水平有待提高;（7）湖州市可持续指标ESI和能值可持续发展指标EISD为1.59和2.99,在环太湖城市群中更具可持续发展潜力;（8）苏州市健康能值指数EUEHI和改进的健康能值指数EUEHI''为8.22和1.65,在环太湖城市群中健康水平较低。据此结果提出了有助于环太湖城市群经济社会发展与自然生态环境和谐共赢的可持续发展对策。     

Biorefinery: Toward an industrial metabolism

Fossil fuel reserves are running out, global warming is becoming a reality, waste recycling is becoming ever more costly and problematic, and unrelenting population growth will require more and more energy and consumer products. There is now an alternative to the 100% oil economy; it is a renewable resource based on agroresources by using the whole plant. Production and development of these new products are based on biorefinery concept. Each constituent of the plant can be extracted and functionalized in order to produce non-food and food fractions, intermediate agro-industrial products and synthons. Three major industrial domains can be concerned: molecules, materials and energy. Molecules can be used as solvent surfactants or chemical intermediates in substitution of petrol derivatives. Fibers can be valorized in materials like composites. Sugars and oils are currently used to produce biofuels like bioethanol or biodiesel, but second-generation biofuels will use lignocellulosic biomass as raw material. Lipids can be used to produce a large diversity of products like solvent, lubricants, pastes or surfactants. Industrial biorefinery will be linked to the creation of new processes based on the twelve principles of green chemistry (clean processes, atom economy, renewable feedstocks…). Biotechnology, especially white biotechnology, will take a major part into these new processes with biotransformations (enzymology, micro-organisms…) and fermentation. The substitution of oil products by biobased products will develop a new bioeconomy and new industrial processes respecting the sustainable development concept. Industrial biorefinery can be developed on the principle that any residues of one can then be exploited as raw material by others in an industrial metabolism.     

Monitoring the sustainability and equity of socioeconomic development: A comparison of emergy indices using Macao, Italy and Sweden as examples

The concept of sustainability involves factors related to society, economy, and ecology. The modern context of sustainability also includes a requirement for equitable consumption of materials and energy to sustain the quality of life while still protecting the environment. To evaluate the environmental sustainability of socioeconomic activities, emergy (embodied energy) is an important tool because it can measure real wealth by accounting for both natural and socioeconomic flows using a common set of units. However, different emergy indices provide different insights, and not all are equally suitable for every situation. Using traditional emergy-based indices, an integrated environmental sustainability index (ESI), and two measures of emergy storage, we analyzed emergy flows and related indices for three typical human-influenced ecosystems: those of Macao, Italy, and Sweden. The performance of each ecosystem was compared using several emergy-based indices to assess their levels of sustainable development and demonstrate how different indices provide different insights. Based on the principle that equitability is an essential component of sustainability, we suggest that a positive and low net emergy ratio is desirable, since this means that the system does not capture excessive amounts of resources from external systems and thereby damage its external life-support systems.