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.     

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。     

基于生物物理视角的城市生态竞争力

研究城市的生命支持系统、系统解析城市运行的生物物理代谢过程是深入揭示现代城市"病"产生机理与作用规律的新视角.借助生态能量学方法之一 --能值方法对城市生态经济系统进行了系统分析,并构建了综合性城市生态竞争力指数UECCI,将之应用于北京、上海和广州3个案例城市1990年到2005年的评价中.同时,引入并整合台北(1991和1998年)和澳门(1990、1993、1995、1997、2000、2003和2004年)的能值分析结果进行参照对比.结果显示:研究期内3个案例城市生态经济系统的演化趋势呈现很好的一致性,但广州的UECCI一直高于北京和上海,广州城市生态经济系统在可持续发展的长远尺度上似乎更具有生态竞争力;与台北与澳门的进一步比较发现,尽管中国大陆城市经济发展程度不及台北与澳门,其UECCI总体上却高于台北和澳门.     

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.     

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。     

中国城市家庭代谢及其影响因素分析

家庭是可持续消费研究的主要对象,为了分析家庭消费的环境影响,荷兰的HOMES项目将代谢的概念引入家庭,提出了家庭代谢的概念。目前家庭代谢分析是评价家庭消费活动环境影响的主要方法,它通过对家庭系统中物质和能量流动过程的描述,来识别家庭消费的环境结果。本文首先介绍了家庭代谢的概念模型,该模型中包含着代谢流的方向、流量和速度3个要素,水资源、能源和物质代谢是家庭代谢的主要内容。应用这一模型,对中国城市家庭近20a的水资源和能源代谢进行描述,对家庭代谢的经济及人口社会因素进行了分析。结果表明,中国城市家庭的代谢量在可预见的短-中期时间内,将继续保持增加的趋势。     

H. T. 奥德姆与中国的能值研究

简要论述了由霍华德.汤姆.奥德姆创立的能值理论与方法在中国的传播并综述了多年以来中国的能值研究进展。能值理论与方法在中国的传播始于1990年霍华德·汤姆·奥德姆第二次访华.在此期间,即1990年8月1日至1990年8月21日他访问了台北、广州、北京和沈阳,并作了多个学术报告,如“自组织与系统生态学”和“能值分析与环境评价”等。从此以后,我国的广州、北京、南京和沈阳、佛山等多座城市的大学和科研机构先后开展了10多年的能值研究,能值理论应用于多个领域,包括国家、省、市、自然保护区等生态经济系统的能值评估、农业生态系统、城市生态系统、环境与资源、废水处理、生态工程和工业的能值评价。用中文或英文发表关于能值的学术论文60多篇,由霍华德.汤姆.奥德姆所著的3本关于能值的书被翻译为中文,能值概念、理论和方法被10多部中文书刊引用,2本关于能值的中文专著已发表。能值分析的研究工作已得到国家自然科学基金资助,其中有些课题已结题,有些课题正在进行中。能值理论与方法已被许多中国生态学家所接受,但在应用过程中仍存在许多问题。     

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。     

基于能值分析的中国海洋生态经济可持续发展评价

海洋生态经济可持续发展的研究既是生态经济研究的重要领域,也是海洋经济研究的重点领域。运用能值分析构建中国海洋生态经济系统能值分析模型和指标体系,以中国沿海地区及其附近海域为研究区域,利用2013年的数据对中国海洋生态经济系统的可持续发展水平进行能值测度。研究表明:(1)2013年,中国沿海各省的海洋生态经济总能值为1.70×10~(24)sej,可更新资源能值占主体地位。(2)受沿海各省海洋经济发展水平不同和区域海洋资源储量影响,中国沿海地区海洋生态经济能值密度分布差异较大,能值货币比率以上海为界,南高北低,高中低3种能值产出率结构并存且以中能值产出率结构为主。(3)中国海洋生态经济系统的生态承载力以高承载力和较高承载力为主,但局部地区海洋生态承载力偏低影响区域海洋生态系统平衡。中国海洋生态经济系统环境负载率较大,环境负载率高的地区与我国海洋经济发达地区高度耦合。(4)从可持续发展指数来看,中国海洋生态经济发展的整体可持续性较好,局部地区环境负载率过大和生态承载力偏低严重制约着区域海洋生态经济的可持续发展。     

基于能值生态足迹的长山群岛人地关系分析

为探究长山群岛人地关系变化特征以及人类活动对海岛资源环境的影响,利用改进能值生态足迹模型,分析了1996—2016年长山群岛人地关系供需平衡变化情况,并利用脱钩效应模型探讨了海岛经济发展与能值生态足迹之间的关系。结果表明:(1)经济发展速度和海岛居民生活水平的提高使长山群岛能值生态足迹增长,经济发展和城镇扩张导致能值生态承载力不断下降;(2)长山群岛人地关系始终处于生态赤字状态并呈扩大趋势,但各账户生态赤字表征涵义不同,应区别对待;(3)长山群岛能值生态足迹与GDP之间经历了"扩张连接-弱脱钩-扩张连接-弱脱钩-强脱钩"的转变过程,经济发展速度、产业结构和增长方式是脱钩状态变化的重要因素。(4)随着产业重心的转移,长山群岛能值生态足迹的影响从海洋转向岛陆。     

城市代谢研究评述:内涵与方法

随着城市发展面临的生态问题日益显著,部分研究者试图通过对自然生态系统进行类比来寻求解决途径,城市代谢理论应运而生。当以系统科学来研究城市生态系统时,哲学思想的引入为探索和城市及城市代谢的内涵提供了最原始的桥梁。因此,在介绍城市代谢内涵与研究进展的基础上,融合产业、家庭、社会等多尺度代谢理论,对城市代谢的边界进行扩展,将其分为狭义与广义两类,结合亚里士多德的"四因说"对其质料因(组分)、形式因(结构)、动力因(驱动力)和目的因(功能)进行识别分析,据此将城市代谢研究方法归纳为质料、形式和混合研究方法三类,并提出未来研究的主要动向和解决手段。城市代谢"四因图"可为相关研究者提供参考。     

The emergy of metabolism in different ecosystems under the same environmental conditions in the agro-pastoral ecotone of northern China

The sustainability of ecosystem productivity and rules governing ecosystem development are important topics of scientific research. The emergy approach is an effective method for investigating these topics, especially when used to evaluate systems that have developed under the same environmental conditions, such as climate and soil. In this paper, emergy differences between terrestrial ecosystems were studied in Guyuan County, a region representative of the agro-pastoral ecotone in Hebei Province, China. A combination of field tests and a questionnaire survey were carried out between June and August 2015. The ecosystems studied included natural grassland, artificial grassland, field crops and commercial crops. These four ecosystems were further subdivided into a total of ten ecosystems. Natural grassland was divided into free-grazing and mowed ecosystems; artificial grassland consisted of oat, Chinese leymus and corn silage; field crops included naked oats, flax and wheat; and commercial crops consisted of cabbage and potatoes. The results showed that the rain input of 4.78 × 10¹⁴ seJ/ha/yr constituted the highest renewable natural resource emergy and that the purchased emergy inputs of the ten ecosystems ranged from 3.53 to 147.67 × 10¹⁴ seJ/ha/yr. Natural resource emergy input was the basic power to maintain the ecosystem, and purchased emergy input was the direct cause of the development of the ecosystems. Groundwater was the most important non-renewable purchased energy for the production of economic crops. The emergy investment ratios (EIR) for potatoes (27.81) and cabbage (19.03) were higher than those of the other ecosystems, but mowed and artificial Chinese leymus grassland had the higher emergy self-sufficiency rates (ESR). Natural grassland, artificial Chinese leymus grassland and traditional grain crops had a low environmental load and high sustainability, whereas potatoes and cabbage had a high environmental load and low sustainability. Overall, rain-fed artificial grassland has a high development potential from the perspective of environment and productivity.     

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.     

基于能值分析的深圳市三个小型农业生态经济系统研究

应用能值分析方法,通过能值转换率,把深圳市3个农场生态经济系统的能量流、物质流、货币流和信息流转化为统一量纲———能值。在绘制能值系统概图和编制能值分析表的基础上,建立能值评价指标体系对3个系统的能值输入结构、生产效率、环境负载和可持续发展状况等进行分析和比较。此外,比较经济指标与能值分析结果,并采用情景分析对农场未来发展做出预测。能值分析方法不仅考虑环境及其服务功能对经济生产的贡献,同时能值交换率和能值产出率把系统经济流入和产出纳入分析过程,结合环境和经济评价,可用于综合分析农场生态效益和经济效益。研究结果表明:西丽果场是可持续发展能力最高的农场,碧岭现代农业科技园次之,而山海农场的可持续发展能力最低。都市农场应该大比例利用可更新资源,努力发展农业生产,并且积极提升农业的技术含量。在此基础上,控制规模合理地发展旅游经济,走高科技农业生态旅游之路。     

The emergy ecological footprint for small fish farm in China

Mariculture, especially cage aquaculture remains a growing, vibrant and important production sector for high protein food in coastal regions in China. A quantitative evaluation of the mariculture system is an essential step to documenting its’ sustainability. The method of emergy ecological footprint is applied to evaluate the environmental sustainability of an offshore small fish farm (Great Marine fish farm, GMFF) in the East China Sea. All input needed to support fish farming were accounted and converted into biological space, to estimate the natural capital demand for the rearing process in terms of global hectares. The emergy ecological footprint of GMFF was 1953.19 ha, meaning that nearly 2000 ha of ecologically productive lands were needed to support the fish framing. The largest component of emergy ecological footprint was forage (1183.64 ha), which took up 60.60% of the total footprint; the second and third largest footprint components were fingerlings and fuel. In a word, emergy ecological footprint can serve as a practical and meaningful tool for comparing and monitoring the environmental impact of fish farming. The strong dependence of external contributions of exploiting the wild fish resources affects strongly the level of environmental sustainability of fish farming.     

Emergy as a Life Cycle Impact Assessment Indicator

Founded in thermodynamics and systems ecology, emergy evaluation is a method to associate a product with its dependencies on all upstream environmental and resource flows using a common unit of energy. Emergy is thus proposed as an indicator of aggregate resource use for life cycle assessment (LCA). An LCA of gold mining, based on an original life cycle inventory of a large gold mine in Peru, is used to demonstrate how emergy can be incorporated as an impact indicator into a process‐based LCA model. The results demonstrate the usefulness of emergy in the LCA context. The adaptation of emergy evaluation, traditionally performed outside of the LCA framework, requires changes to the conventional accounting rules and the incorporation of uncertainty estimations of the emergy conversion factors, or unit emergy values. At the same time, traditional LCA boundaries are extended to incorporate the environmental processes that provide for raw resources, including ores. The total environmental contribution to the product, doré, is dominated by mining and metallurgical processes and not the geological processes forming the gold ore. The measure of environmental contribution to 1 gram (g) of doré is 6.8E + 12 solar‐equivalent Joules (sej) and can be considered accurate within a factor of 2. These results are useful in assessing a process in light of available resources, which is essential to measuring long‐term sustainability. Comparisons are made between emergy and other measures of resource use, and recommendations are made for future incorporation of emergy into LCA that will result in greater consistency with existing life cycle inventory (LCI) databases and other LCA indicators.