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。     

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.     

基于投入产出表的北京市产业生态效率

提高生态效率对协调经济发展与环境保护的关系至关重要。为了了解北京市产业转型过程中各产业部门生态效率的变化趋势,识别提高影响北京市产业生态效率的关键部门,基于北京市投入产出表,运用指标体系法,选取水资源效率,以及废水、二氧化硫、工业固体废弃物的环境效率作为生态效率的衡量指标,核算了北京市2007、2010和2012年各部门的水资源效率以及2005、2007和2010年各部门的环境效率,并比较分析了各部门的水资源的完全用水系数以及污染物的完全排放系数,计算各部门之间完全排放量的相互贡献比例,识别了提高生态效率的关键部门。研究结果:(1)2007—2012年,北京市各部门水资源效率和2005—2010年废水、二氧化硫(SO_2)、工业固体废弃物的环境效率整体呈波动上升趋势。(2)农林牧渔业和废品废料部门是提高水资源效率的关键部门。(3)水的生产和供应业、化学工业、食品制造及烟草加工业、纺织业和造纸印刷及文教体育用品制造业是提高废水环境效率的关键部门。(4)石油加工、炼焦及核燃料加工业、非金属矿物制品业、金属冶炼及压延加工业、电力及热力的生产和供应业是提高SO_2环境效率的关键部门。(5)煤炭开采和洗选业、金属矿采选业、木材加工及家具制造业、非金属矿物制品业、金属冶炼及压延加工业、电力及热力的生产和供应业、水的生产和供应业是提高工业固体废弃物环境效率的关键部门。     

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。     

The metabolism of U.S. cities 2.0

In the fifty years since Abel Wolman first published an estimate of U.S. urban metabolism, the field of urban metabolism has begun to thrive, with cities outside the United States being much of the focus. As cities attempt to meet local and international sustainability goals, it is time to revisit the metabolism of cities within the United States. Using existing empirical databases for material flows (the Freight Analysis Framework) and a published database on urban water flux, we provide a revised estimate of urban metabolism for the typical U.S. city. We estimate median values of metabolism for a city of one million people, considering water resources, food, fuel, and construction materials. Food consumption and waste production increased substantially to 3,800 metric tons per day and 4,900 metric tons per day, respectively. To facilitate a second generation of urban metabolism, we extend traditional analyses to include the embedded energy required to facilitate material consumption with important implications in determining sustainable urban metabolism. We estimate that a city of one million people requires nearly 4,000 gigajoules of primary energy per day to facilitate its metabolism. Our results show high heterogeneity of urban metabolism across the United States. As a result of the study, we conclude that there is a distinct need to promote policies at the regional or city scale that collect data for urban metabolism studies. Urban metabolism is an important educational and decision‐making tool that, with an increase in data availability, can provide important information for cities and their sustainability goals.     

基于生态效率的江西省循环经济发展模式

循环经济发展模式的研究是当今可持续发展研究及政府相关决策的核心内容,生态效率则是循环经济的合适测度,它是资源能源效率和环境效率的综合表征指标。基于生态效率度量模型和循环经济发展模式的判别模型,以江西省为例,分析其在2000-2010年间循环经济发展模式的变化轨迹。结果表明:(1) 能源消耗与经济发展表现出同步增长的趋势;(2) 各种资源和环境效率均有所上升,其环境效率总体上大于资源效率,按效率增加快慢的排序为:固体废弃物排放效率 > 建设用地效率 > COD排放效率 > 水资源效率 > SO₂排放效率 > 能源效率;(3) 江西省循环经济发展走的是一条由传统线性经济模式到末端治理模式再到循环经济模式的发展道路,符合环境库兹尼茨曲线发展规律,即无害化→减量化→资源化。对研究方法的创新性进行了谨慎的探讨,对区域循环经济发展所应注意的问题提出的建议。     

社会经济代谢研究:内涵、发现和展望

社会经济代谢是指由于人类活动导致的物质和能量在社会经济系统内部和边界上的迁移和转换。社会经济代谢研究已经成为产业生态学的核心领域。本文结合典型案例介绍了社会经济代谢研究的内涵和基本步骤,总结了社会经济代谢研究的主要发现:提供了追踪物质在社会经济系统的来源、去向和流动路径的方法与模型;揭示了物质材料及其社会经济代谢过程对现代化生产和生活方式的支撑作用;阐明了人类活动驱动与物质代谢相关的生态环境问题的机制;提供了评估资源利用效率、资源供需趋势和城市矿产开发潜力的模型与基础数据。最后指出了社会经济代谢研究的发展方向:增加研究对象并深化对每种对象的研究精度;拓展或细化研究系统的时空边界;引入并融合新的数据来源和研究方法;将社会经济代谢中的物质流对接到与其相关的生态环境影响;建立可共享、可拓展、可累积的数据平台。     

旅游地生态效率测度的SBM-DEA模型及实证分析

旅游地是典型的人地关系相互作用的特殊区域,旅游地的生态效率研究是其制定与实施包容性、持续性发展政策与措施的基础。采用基于时间序列、包含非期望产出的SBM-DEA模型方法,构建旅游地生态效率测度模型及评价指标体系,以黄山风景区为例,利用1981—2014年的投入产出数据,测度旅游地复合系统的生态效率,分析其演化特征和阶段,并利用Tobit回归模型对其影响因素进行实证检验。结果表明:(1)34年来,黄山风景区旅游生态效率(综合效率)不断提升,且具较大发展潜力,在分解效率中,技术效率较高,规模效率次之,规模效率是决定综合效率的关键因素;(2)旅游生态效率的演化经历了初期低效、快速成长、成熟高效、下行风险四个阶段,不同阶段效率的特征不同,影响因素也存在差异;(3)旅游生态效率完成了由规模报酬递增向递减的过渡,资源要素的投入冗余已成为现阶段阻碍生态效率的进一步提高的关键因素;(4)旅游发展水平、产业结构和技术水平对生态效率产生显著的正向影响,投资水平产生显著的负向影响,以废弃物末端治理为表征的环保规制对生态效率的提升作用并不显著。文章最后提出,在山岳型风景区发展初期,应尽可能扩大资源要素投入规模,进入成熟阶段后,则转向逐渐控制投入规模,改善技术能力和资源配置能力,摒弃过度依靠资源消耗和环境污染的粗放式发展模式,走精细化、可持续的发展道路。     

长白山次生针阔混交林叶凋落物中有机物分解与碳、氮和磷释放的关系

采用分解袋法,研究了长白山次生针阔混交林内9种树种叶凋落物34个月的分解过程.结果表明:在次生针阔混交林中,不同树种叶凋落物的初始N和P浓度存在很大差异,叶凋落物分解速率(k)与初始N浓度和C/N显著相关.有机物剩余百分率与C剩余百分率呈显著的线性正相关关系,与N和P剩余百分率之间呈显著的二项式回归关系. N和P剩余百分率在初期阶段随有机物分解而增加,达到峰值后逐渐降低. 随着有机物剩余百分率的下降,C/N和C/P均呈逐渐降低趋势,各种叶凋落物之间C/N和C/P的差异逐渐减小,分解末期分别趋近于23和350. 随有机物剩余百分率的降低, N/P变化不明显,当有机物剩余百分率低于25%时,不同树种叶凋落物之间N/P差异显著下降. 有机物剩余百分率可用来预测C、N和P的剩余百分率.      

产业生态系统资源代谢分析方法

产业生态系统是由企业群、资源及环境组成的社会-经济-环境复合生态系统。资源代谢是其功能运行的重要保障。资源代谢在时间和空间尺度上的耗竭及阻滞是造成严重生态环境问题的主要原因。根据生态学原理,运用物质流分析手段解析了产业生态系统的物质流、能流及资金流结构,构建了产业生态系统资源代谢分析模型,提出了资源输入-使用-输出-循环共生四方面的资源代谢分析指标体系和基于模糊综合分析的资源代谢问题树分析方法。在此基础上提出了基于循环共生网络结构模型的生态管理模式。以期为产业资源的生态管理提供方法支撑。     

城市生活垃圾代谢的研究进展

城市代谢是导致城市发展、能量生产和废物排放的社会、经济和技术过程的总和。生活垃圾管理系统是一类典型的、具备社会、经济、自然要素的复杂系统,它不仅同管理体制、技术水平和居民素质有关,也贯穿生产、消费、流通、还原过程,更和水体、土壤、大气、生物、矿产等自然环境紧密联系。综述了近年来基于城市生态系统代谢思路,在生活垃圾碳、重金属、营养元素和能量的城市代谢等方面的研究进展,分析了未来该领域研究需重点关注的方向。生活垃圾在城市生态系统中的能量流动、物质循环、代谢效率等方面的研究,可为生活垃圾管理系统的评价、规划、工程、管理研究提供科学基础。     

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 Changing Metabolism of Cities

Data from urban metabolism studies from eight metropolitan regions across five continents, conducted in various years since 1965, are assembled in consistent units and compared. Together with studies of water, materials, energy, and nutrient flows from additional cities, the comparison provides insights into the changing metabolism of cities. Most cities studied exhibit increasing per capita metabolism with respect to water, wastewater, energy, and materials, although one city showed increasing efficiency for energy and water over the 1990s. Changes in solid waste streams and air pollutant emissions are mixed.
The review also identifies metabolic processes that threaten the sustainability of cities. These include altered ground water levels, exhaustion of local materials, accumulation of toxic materials, summer heat islands, and irregular accumulation of nutrients. Beyond concerns over the sheer magnitudes of resource flows into cities, an understanding of these accumulation or storage processes in the urban metabolism is critical. Growth , which is inherently part of metabolism, causes changes in water stored in urban aquifers, materials in the building stock, heat stored in the urban canopy layer, and potentially useful nutrients in urban waste dumps.
Practical reasons exist for understanding urban metabolism. The vitality of cities depends on spatial relationships with surrounding hinterlands and global resource webs. Increasing metabolism implies greater loss of farmland, forests, and species diversity; plus more traffic and more pollution. Urban policy makers should consider to what extent their nearest resources are close to exhaustion and, if necessary, appropriate strategies to slow exploitation. It is apparent from this review that metabolism data have been established for only a few cities worldwide, and interpretation issues exist due to lack of common conventions. Further urban metabolism studies are required.     

基于物质流分析和数据包络分析的区域生态效率评价——以江苏省为例

区域生态效率(eco-efficiency)评价是考量区域可持发展的重要内容.基于物质流分析(material flow analysis, MFA)构建区域生态效率评价指标体系,并将污染物排放作为一种非期望输入引入到数据包络分析(data envelopment analysis, DEA)模型中,以江苏省(1990～2005年)为例进行生态效率分析评价.结果表明,江苏省的区域生态效率在1990～2005年期间呈现逐步上升的趋势.但是,同期的总物质投入(total material input, TMI)、物质需求总量(total material requirement, TMR)和污染物排放量也呈上升趋势.因此,江苏省社会经济发展和环境影响总体上呈现"弱脱钩(weak de-link)".     

武汉市造纸行业资源代谢分析

资源代谢问题是造成产业系统生态环境影响的主要原因.在分析武汉市造纸行业资源代谢的基础上从资源输入-资源使用-环境胁迫-系统循环共生4个方面构建武汉市造纸行业资源代谢分析指标体系.运用模糊综合评判法和问题树模型对2007年武汉市造纸业的原材料、水、能源等资源的代谢与全国造纸行业平均水平进行了比较分析.结果表明:(1)武汉市造纸业资源代谢水平总体上评价等级为优,但某些指标与全国平均水平比还略有差距;(2)从资源输入角度分析,原材料输入生态效率及水资源输入生态效率等级为优,能源输入生态效率等级为良;(3)从资源使用角度分析,单位产品的原材料消耗及单位产品的水资源消耗等级为优,单位产品的能源消耗等级为良;(4)从环境胁迫角度分析,单位污染物工业总产值及单位产品污染物排放等级均为优,污染物达标排放率等级为良;(5)从系统循环共生分析,企业清洁生产达标率等级为良,资源持续利用及污染物治理等级为优,而中水回用率等级为差.通过代谢分析可得,武汉市造纸行业能源输入生态效率、单位产品能源消耗与全国平均水平比还有一定距离,整个行业中企业清洁生产比例还具有提升的空间;中水回用方面较弱,需要特别加强.     

Towards a Dynamic Approach to Urban Metabolism: Tracing the Temporal Evolution of Brussels’ Urban Metabolism from 1970 to 2010

Urban metabolism (UM) is a way of characterizing the flows of materials and energy through and within cities. It is based on a comparison of cities to living organisms, which, like cities, require energy and matter flows to function and which generate waste during the mobilization of matter. Over the last 40 years, this approach has been applied in numerous case studies. Because of the data‐intensive nature of a UM study, however, this methodology still faces some challenges. One such challenge is that most UM studies only present macroscopic results on either energy, water, or material flows at a particular point in time. This snapshot of a particular flow does not allow the tracing back of the flow's evolution caused by a city's temporal dynamics. To better understand the temporal dynamics of a UM, this article first presents the UM for Brussels Capital Region for 2010, including energy, water, material, and pollution flows. A temporal evaluation of these metabolic flows, as well as some urban characteristics starting from the seminal study of Duvigneaud and Denayer‐De Smet in the early 1970s to 2010, is then carried out. This evolution shows that Brussels electricity, natural gas, and water use increased by 160%, 400%, and 15%, respectively, over a period of 40 years, whereas population only increased by 1%. The effect of some urban characteristics on the UM is then briefly explored. Finally, this article succinctly compares the evolution of Brussels’ UM with those of Paris, Vienna, Barcelona, and Hong Kong and concludes by describing further research pathways that enable a better understanding of the complex functioniong of UM over time.     

城市住宅建筑系统流量-存量动态模拟——以北京市为例

地面建筑物的累积与更新是城市化过程的结果与显性特征之一。城市建筑系统在不同层面上与外部环境系统进行着物质能量交换,对这种交互产生的资源压力与环境胁迫的关注,使其成为城市代谢研究领域中的热点问题。系统分析与模拟城市建筑物流量-存量的动态变化过程及其资源环境响应,对于揭示城市建筑系统代谢机理,提高城市总体规划精准性、强化资源系统韧性管理、提升废弃物处置效率等宏观战略具有重要意义。以北京市为例,基于Stella建模平台,构建了城市居民住宅建筑系统流量-存量的动态模拟模型,定量模拟了不同管理情景下钢材需求量与建筑拆除垃圾产生量的变化区间。结果表明:(1)基准情景下,北京住宅建筑新建流量前期增速较快,2005年达到峰值3024.1万m~2,而拆除流量约于2057年达到峰值,拆除面积为2073.14万m~2;城市住宅建筑存量最高值出现在2075年左右,面积为7.51亿m~2;(2)与基准情景相比,如果人均住宅建筑面积提高到45 m~2,从现在到模拟期结束(2019—2100)将增加钢铁需求量3251.65万t;而如果延长住宅建筑寿命至设计值,同期可减少钢铁需求量3022.9万t;(3)基准情景、大面积情景以及长寿命情景下,北京市城镇住宅建筑拆除垃圾峰值产生量分别为0.29亿t、0.39亿t、0.20亿t,政府管理部门应采取有针对性的应对措施,提前做出综合利用和处理处置方案。     

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。     

Enabling Future Sustainability Transitions

This synthesis article presents an overview of an urban metabolism (UM) approach using mixed methods and multiple sources of data for Los Angeles, California. We examine electric energy use in buildings and greenhouse gas emissions from electricity, and calculate embedded infrastructure life cycle effects, water use and solid waste streams in an attempt to better understand the urban flows and sinks in the Los Angeles region (city and county). This quantification is being conducted to help policy‐makers better target energy conservation and efficiency programs, pinpoint best locations for distributed solar generation, and support the development of policies for greater environmental sustainability. It provides a framework to which many more UM flows can be added to create greater understanding of the study area's resource dependencies. Going forward, together with policy analysis, UM can help untangle the complex intertwined resource dependencies that cities must address as they attempt to increase their environmental sustainability.