盧 伊， 陳 彬

北京師范大學環(huán)境學院, 環(huán)境模擬與污染控制國家重點實驗室, 北京 100875

城市代謝研究評述：內(nèi)涵與方法

盧 伊， 陳 彬*

北京師范大學環(huán)境學院, 環(huán)境模擬與污染控制國家重點實驗室, 北京 100875

隨著城市發(fā)展面臨的生態(tài)問題日益顯著，部分研究者試圖通過對自然生態(tài)系統(tǒng)進行類比來尋求解決途徑，城市代謝理論應運而生。當以系統(tǒng)科學來研究城市生態(tài)系統(tǒng)時，哲學思想的引入為探索和城市及城市代謝的內(nèi)涵提供了最原始的橋梁。因此，在介紹城市代謝內(nèi)涵與研究進展的基礎上，融合產(chǎn)業(yè)、家庭、社會等多尺度代謝理論，對城市代謝的邊界進行擴展，將其分為狹義與廣義兩類，結(jié)合亞里士多德的“四因說”對其質(zhì)料因(組分)、形式因(結(jié)構(gòu))、動力因(驅(qū)動力)和目的因(功能)進行識別分析，據(jù)此將城市代謝研究方法歸納為質(zhì)料、形式和混合研究方法三類，并提出未來研究的主要動向和解決手段。城市代謝“四因圖”可為相關研究者提供參考。

城市代謝; 四因說; 產(chǎn)業(yè)代謝; 家庭代謝; 社會代謝

隨著城市化進程的加劇，巨大的外部資源壓力與生態(tài)破壞問題成為限制城市發(fā)展的重要因素，因此，研究者們開始嘗試通過將城市類比自然生態(tài)系統(tǒng)來找尋解決該問題的關鍵，代謝理論即為其中的一個重要研究方面。

代謝的概念最早源于生物學對生物個體及生態(tài)學對生態(tài)系統(tǒng)的研究，它是生物體或生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)一切物理化學過程的總和，包括物質(zhì)和能量從外環(huán)境向代謝主體的供給、在體內(nèi)傳遞和儲存、以及代謝廢物和廢能排至外環(huán)境的全過程。由于自然生態(tài)系統(tǒng)和人工生態(tài)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)與功能上存在一定相似性，通過仿生與類比，代謝的概念逐漸引入到對人工生態(tài)系統(tǒng)的研究中，城市代謝[1]、產(chǎn)業(yè)代謝[2]、家庭代謝[3]等概念相繼提出，其理論和內(nèi)涵不斷拓展。這些代謝理論雖然為城市代謝研究的發(fā)展提供了新思路，但由于其內(nèi)涵存在一定重疊和差異，這使得城市代謝過程的探究視角始終有所局限。由此，本文在系統(tǒng)梳理城市、社會、產(chǎn)業(yè)、家庭等不同尺度城市代謝研究脈絡的基礎上，參考亞里士多德“四因說”對城市代謝的理論內(nèi)涵和研究方法進行分類歸納，最終提出未來研究的熱點方向，以期為相關研究者提供新的研究思路。

1 城市代謝：內(nèi)涵與發(fā)展

1.1 城市代謝理論的內(nèi)涵與發(fā)展脈絡

城市代謝(Urban Metabolism)的概念最早由Wolman于1965年提出，通過同自然代謝過程相類比，它可被定義為物質(zhì)、能量輸入城市和產(chǎn)品、廢物輸出城市的完整過程，用以指明物質(zhì)、能量流動的基本方式，揭示城市對外環(huán)境的影響[1]。此后，基于代謝類比的觀點，城市代謝的內(nèi)涵被不斷豐富。Decker等認為城市可將原材料、燃料和水資源轉(zhuǎn)換成內(nèi)環(huán)境、人體生物質(zhì)和廢棄物[4]，Huang和Hsu進一步提出城市是一個為人類存續(xù)提供便利的自調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可被看作一個超生命體[5]。這里即把城市同生物個體相類比，將其看作一個不斷同外環(huán)境進行物質(zhì)、能量交換的有機體，而城市代謝則描述了其消費、儲存和轉(zhuǎn)換的過程與結(jié)果，進而通過類比生物個體對其生存環(huán)境的影響來探究城市代謝對支持人類生命的外環(huán)境的影響與壓力。此后，馬世駿和王如松先生則創(chuàng)造性地提出城市是一類以人類技術和社會行為為主導，生態(tài)代謝過程為經(jīng)絡，受自然生命支持系統(tǒng)所供養(yǎng)的社會-經(jīng)濟-自然復合生態(tài)系統(tǒng)[6-7]。可見，較生物個體而言，城市自身更具系統(tǒng)性和復雜性，基于將其同自然生態(tài)系統(tǒng)相類比的觀點，Kennedy等將城市代謝過程看作是城市中一切技術與社會經(jīng)濟過程的總和，它帶來城市發(fā)展和能量生產(chǎn)，同時可以消除浪費[8]，進一步豐富了城市代謝的理論內(nèi)涵。

城市代謝理論的提出與發(fā)展為城市生態(tài)問題的解決提供了新視角，有助于打開城市黑箱，探視其內(nèi)部的代謝機制與流動過程，為解釋和探尋維持城市正常運轉(zhuǎn)的關鍵部門提供了研究基礎。近50年來，城市代謝研究的變化發(fā)展同研究者們對不同城市代謝質(zhì)料的關注密切相關。質(zhì)料的概念源于亞氏的“四因說”，它表示事物所由產(chǎn)生，并在事物內(nèi)部始終存在著的東西，強調(diào)其對于事物的始基作用[9]?？梢?，城市代謝質(zhì)料即為貫穿代謝過程始終的各種形式的物質(zhì)和能量，它為城市代謝提供了最基本的物質(zhì)來源，是代謝的物理基礎。早期的城市代謝研究主要關注水、食物、建材、三廢等復合代謝質(zhì)料，研究者多將城市比作一個生物個體，根據(jù)質(zhì)量守恒定律來對復合質(zhì)料開采-生產(chǎn)-消費-廢棄這一線性流動過程和其輸入輸出規(guī)模進行跟蹤，以此來探究城市代謝對外環(huán)境的影響，進而探尋城市可持續(xù)發(fā)展路徑，如對東京[10]、香港[11-12]、悉尼[13]、維也納[14]、多倫多[15]、深圳[16]、邯鄲[17]、蘇州[18]、張掖[19]等研究。此后，隨著城市代謝理論與方法的演進，如物質(zhì)流分析、投入產(chǎn)出模型等研究手段開始廣泛應用到相關研究中，為進一步打開黑箱、探究代謝的具體路徑和關鍵組分提供了可能。研究者據(jù)此對城市代謝質(zhì)料予以細化，即以單一元素或物質(zhì)為關鍵質(zhì)料，研究城市代謝同區(qū)域或全球尺度代謝的作用關系和可能影響，其中包括對氮、磷等單一元素的研究[20-23]，以及對水系統(tǒng)[24-27]和廢棄物[28-29]的研究。研究表明，快速城市化是一種以大量消耗資源為代價的發(fā)展過程[11]，城市自身雖具有一定獨立性，但仍需依賴外界環(huán)境來供應資源、吸納廢物[4]，由于城市質(zhì)料的輸入增速要遠超過輸出部分的增速[15]，城市土地、大氣和水系統(tǒng)將逐漸出現(xiàn)超載現(xiàn)象[12]，因而未來城市代謝的良性發(fā)展應注重削減資源需求量和廢物產(chǎn)生量[18]。然而，受理論發(fā)展與研究手段的限制，這些研究大多將城市代謝理解為線性輸入-輸出過程，僅從外圍量化了代謝規(guī)模與環(huán)境壓力，但不易揭示代謝質(zhì)料在城市內(nèi)部的流動過程與關鍵靶點，難以突破城市黑箱問題的局限。

能量蘊含在種種代謝物質(zhì)和不同形式的能源中，城市代謝過程必然關系到能量的流動、儲存、轉(zhuǎn)換和耗散過程，因而基于能量這一關鍵質(zhì)料的研究往往更能揭示城市代謝的路徑與內(nèi)涵，近年來開始不斷受到研究者的重視。傳統(tǒng)的城市能量代謝研究將能量狹義地理解為能源，將其歸為復合代謝質(zhì)料中的一部分進行研究，如對香港[11-12]、多倫多[15]、利莫里克[29]及多城市[4]的研究。這些研究忽視了蘊含在物質(zhì)和服務中其他形式的能量以及能量質(zhì)量問題，無法繪出城市能量代謝的全貌。為彌補傳統(tǒng)能量代謝研究的缺陷，Odum提出的能值方法將城市看作一個異養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)，定量描述不同形式和質(zhì)量的能量及它們同社會、經(jīng)濟因素及外環(huán)境的關系，研究者據(jù)此先后對邁阿密[30]、巴黎[31]、臺北[32-33]、北京[34-35]、包頭[36]及多城市[37-39]等展開了案例研究，并探討城市內(nèi)部生態(tài)與經(jīng)濟子系統(tǒng)間的作用關系[40]。

縱觀針對城市案例的傳統(tǒng)代謝研究可以發(fā)現(xiàn)，由于邊界固定，許多研究往往探究城市整體的代謝質(zhì)料流動情況，即相當于將城市看作一個生命個體來探究其體內(nèi)的代謝過程與它同外環(huán)境的影響作用，不利于對城市內(nèi)部代謝結(jié)構(gòu)和機理的挖掘。因而，有必要將城市看作一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，打開黑箱，探究其內(nèi)部的物質(zhì)、能量代謝網(wǎng)絡，這就需要將其他尺度的代謝理論與研究方法融入于傳統(tǒng)的城市代謝研究中。

1.2 城市代謝的擴展：多尺度代謝理論的融合

由于城市系統(tǒng)自身具有社會-經(jīng)濟-自然的復合屬性，內(nèi)部囊括如工業(yè)生產(chǎn)、金融貿(mào)易、人居生活等不同的功能組分，產(chǎn)業(yè)代謝、家庭代謝和社會代謝等不同尺度的代謝理論開始不斷同城市代謝研究相融合，用以探討城市內(nèi)部某一功能組分的代謝過程及其對城市自身和城市外環(huán)境的影響作用。

1.2.1 多尺度代謝理論

(1)產(chǎn)業(yè)代謝

1988年，Ayres明確提出了產(chǎn)業(yè)代謝(又作工業(yè)代謝)的概念[2]，認為產(chǎn)業(yè)代謝是穩(wěn)定條件下原材料、能源和勞動最終轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品和廢物過程的結(jié)合，并將其作為模擬自然代謝功能的分析手段，通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化分析、功能模擬和產(chǎn)業(yè)流分析來研究產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的代謝機能及控制方法[41]，該理論隨后被廣泛用于國家或區(qū)域產(chǎn)業(yè)部門[42-48]及特定產(chǎn)業(yè)組織(如工廠、企業(yè)或園區(qū))[49-53]的代謝研究。由于產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)是城市生產(chǎn)功能的主要承擔者，是維持城市活力的關鍵組分，同時也是引發(fā)城市生態(tài)問題的重要源頭，通過物質(zhì)與能量的聯(lián)系，產(chǎn)業(yè)代謝過程勢必同城市代謝過程緊密相連，這也為二者的融合創(chuàng)造了條件。產(chǎn)業(yè)代謝理論的引入使城市代謝研究不再停留于早期對特定生態(tài)流代謝規(guī)模的核算與預測，而是通過引入物質(zhì)流分析等手段，使得解析城市產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的代謝結(jié)構(gòu)與效率、探析其對城市整體及外環(huán)境的影響成為可能。如Bailey等采用投入產(chǎn)出法對城市產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)中的物質(zhì)代謝過程進行生態(tài)分析[54-55]；Sendra等應用物質(zhì)流分析手段，對加泰羅尼亞市工業(yè)區(qū)的水和能源代謝效率進行分析[56]；Yang等采用能值分析法，對武漢市的3個主要產(chǎn)業(yè)部門進行代謝分析[57]。但總體來說，針對城市系統(tǒng)內(nèi)部特定產(chǎn)業(yè)組織的代謝研究要遠多于針對城市產(chǎn)業(yè)部門的研究。

(2)家庭代謝

家庭是社會生活的基本構(gòu)成單元，同時也是維持人居生活的基本功能結(jié)構(gòu)。家庭代謝概念的提出最早源于荷蘭的HOMES項目，它將家庭看作最小的社會單元，認為其內(nèi)部涵蓋著一系列復雜而動態(tài)變化的產(chǎn)品與服務消費過程，其中資源在家庭中輸入輸出的內(nèi)在模式即為家庭代謝[3, 58]。其研究基礎是物質(zhì)守恒原理，它將家庭看作一個具有代謝功能的有機體，而其對外環(huán)境的影響則可通過代謝能力來進行量化評價[59]。由于家庭的生產(chǎn)能力嚴重弱化，其代謝過程往往始于對物質(zhì)、能量的消耗與利用，其中一部分被人體(如食物)或作為消費品(如家具)儲存起來，剩余部分則廢棄至外界環(huán)境，可見，家庭代謝通過消費-廢棄的線性過程，將人類的社會經(jīng)濟活動同對環(huán)境的影響負荷緊密聯(lián)系起來。由于家庭是社會的基礎單元，其消費結(jié)構(gòu)和代謝模式對于社會子系統(tǒng)和城市整體具有不可忽視的基礎指導作用，通過代謝類比的思路將研究尺度由家庭放大至城市將為相關研究提供新思路，因而家庭代謝同樣成為城市代謝的擴展理論之一。有關家庭代謝的研究往往起步于對某種家庭必需生活資料消費/代謝的分析，包括對商品(尤其是食品)和服務[60-64]以及能源利用[58, 65-67]消費/代謝情況的研究。然而，受理論建成時間短、家庭研究尺度小、數(shù)據(jù)要求高等因素限制，研究者多關注家庭個體的代謝模式，并未將其同城市代謝過程相聯(lián)系進行研究。

(3)社會代謝

馬克思是將代謝概念引入社會學中的重要人物，他在《資本論》中指出，人類勞動就是社會同自然交換物質(zhì)的過程，從而以代謝的概念來描述人類勞動與自然環(huán)境間的關系[68]。這一理念由Fischer-Kowalski擴展，于1998年提出了社會代謝的概念，即人類社會同自然環(huán)境交換物質(zhì)和能量的過程[69]，它更強調(diào)以物質(zhì)、能量為載體來探究社會經(jīng)濟系統(tǒng)代謝過程的環(huán)境負荷。目前，針對國家或區(qū)域尺度的社會代謝研究不斷涌現(xiàn)，如對日本[70-71]、中國臺灣[72]、捷克斯洛伐克[73]、中國[74-76]、中國海南[77]和多國家比較[78]等研究；而在城市方面，肖強等[79]基于上升性理論，采用投入產(chǎn)出分析方法對重慶市的社會經(jīng)濟系統(tǒng)進行了代謝研究。目前，針對城市社會經(jīng)濟系統(tǒng)的代謝研究并不多見，這主要由于社會既可以看作城市的一個下位概念，將其代謝過程看作城市代謝的有機組分，也可理解為一個包括城市在內(nèi)的諸多人工系統(tǒng)的上位概念，是一個宏觀的抽象系統(tǒng)，因而以城市生態(tài)系統(tǒng)為核心進行的代謝研究也可以理解為是社會代謝的一個類型。

類似地，社區(qū)作為城市生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的一個子系統(tǒng)，也具有類似的組分復雜性，以及社會(以人居生活為核心)、經(jīng)濟(以商業(yè)交易為中心)和環(huán)境(以廢棄物處理和社區(qū)綠化為載體)的復合聯(lián)系性，也可視為一個微縮社會，因而有關社區(qū)代謝過程的研究同樣可歸為社會代謝的一個子類。由于研究尺度較小，對于數(shù)據(jù)量和精度的要求相對較高，相關研究較少，如對珀斯[80]和北京[81-82]的研究。

通過對上述不同尺度下代謝理論的內(nèi)涵與發(fā)展沿革進行梳理，可發(fā)現(xiàn)它們同城市代謝理論的內(nèi)涵與適用范圍相互重疊、兼具差異，具體特征與內(nèi)涵如表1所示。其中，社會代謝的應用尺度較大，作為城市代謝的上位概念，囊括了大多數(shù)有關人工社會系統(tǒng)的研究；而產(chǎn)業(yè)代謝和家庭代謝則縮小了研究邊界，將代謝過程集中于某一產(chǎn)業(yè)過程或家庭消費系統(tǒng)中，側(cè)重于對轉(zhuǎn)化效率和環(huán)境影響的探究，對數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)精度的要求相對較高。在研究手段上，產(chǎn)業(yè)代謝和家庭代謝多倚重物質(zhì)流分析方法，或?qū)ο到y(tǒng)中某一特定元素或物質(zhì)流進行過程解析，或以能量流分析為依托探究能量的代謝過程；而城市代謝和社會代謝則需以物質(zhì)、能量代謝為載體進行研究，研究手段較為多樣，同時還借鑒了空間分析手段。

表1 多尺度代謝理論的內(nèi)涵特征比對Table 1 Comparison of multi-scale metabolism concepts

1.2.2 狹義與廣義的城市代謝

為便于進一步分析討論，本文依據(jù)類比對象與系統(tǒng)邊界的選取方式，將城市代謝分解為廣義的城市代謝與狹義的城市代謝兩類。其中，狹義的城市代謝將城市同自然界中有機生命體相類比，將其定義為以城市系統(tǒng)整體同外環(huán)境間一切代謝質(zhì)料輸入輸出過程的總和，其系統(tǒng)邊界僅限于城市自身。而廣義的城市代謝則將城市類比于生態(tài)系統(tǒng)，其代謝過程既包括狹義的代謝過程，也包括城市生態(tài)系統(tǒng)中各組分同城市環(huán)境及外環(huán)境間的代謝過程(如家庭代謝、產(chǎn)業(yè)代謝)，其系統(tǒng)邊界不僅限于城市自身，還可小于城市邊界。下文中涉及的城市代謝概念均取廣義意。

對于狹義的城市代謝研究，由于尺度固定，黑箱模型的限制給代謝方法在城市生態(tài)研究中的應用造成了一定困難，因而代謝方法在城市研究的主要應用方面應該突破黑箱模型的限制，將黑箱打開，將城市分成不同的功能區(qū)，以各個功能區(qū)作為城市的肢體，以物質(zhì)能量流作為城市的血液，將城市看作一個各種功能復合的復雜系統(tǒng)進行研究[83]。家庭、社區(qū)和產(chǎn)業(yè)部門均作為的城市基本組成單元之一，其形態(tài)依據(jù)人類社會發(fā)展的需求在不斷變換革新，形態(tài)上的改變與內(nèi)在過程的變化必然存在某種聯(lián)系，這種形態(tài)與過程之間的關系將最終反映到整個城市的運轉(zhuǎn)和代謝過程之中，微觀尺度的代謝吞吐量大小對于城市環(huán)境壓力具有舉足輕重的作用[84-85]?？梢姡ㄟ^引入如家庭代謝、社會代謝、產(chǎn)業(yè)代謝等廣義的城市代謝理論，將有助于城市研究者打開黑箱，對其內(nèi)部代謝結(jié)構(gòu)和過程進行探視。

1.3 城市與城市代謝“四因圖”

哲學的基本問題之一在于對萬物本體的探討，亞氏的“四因說”即探討了構(gòu)成本體的四種原因：質(zhì)料因、形式因、動力因、目的因。如果允許對亞氏的“四因”賦予現(xiàn)代含義的話，質(zhì)料相當于組成，形式相當于結(jié)構(gòu)，動力相當于相互作用，目的相當于功能，而任何一個系統(tǒng)的存在及描述都離不開組成、結(jié)構(gòu)、相互作用和功能這四個要素。從這個含義上來說，亞氏的“四因說”是一種最原始、最樸素的系統(tǒng)科學[9]。當人們把城市看作一個生態(tài)系統(tǒng)，并以系統(tǒng)科學的角度來觀察、研究它時，引入哲學思想(如“四因說”)將為探索和更為接近城市及城市代謝的內(nèi)涵提供最原始、最樸素的橋梁。

城市代謝是城市存續(xù)的關鍵過程，它貫穿城市始終，很難從城市這一概念中剝離出來，進而抽象為一個獨立存在的個體。因而，本文以城市為本體進行分析，其“四因”可以理解為城市代謝的物質(zhì)組成、形態(tài)結(jié)構(gòu)、驅(qū)動力和功能目的，由此可構(gòu)建出城市代謝的“四因圖”，如圖1所示。

圖1 城市代謝“四因圖”Fig.1 The four-causes-map for urban metabolism

(1)質(zhì)料因是事物由所產(chǎn)生的，并在事物內(nèi)部始終存在著的東西[9]。如上文所述，質(zhì)料即流動在城市內(nèi)部各種形式的物質(zhì)與能量，它們構(gòu)成了城市得以存在、城市代謝得以延續(xù)的物理根基。具體說來，城市內(nèi)部包含自然、社會、經(jīng)濟子系統(tǒng)，其內(nèi)部又可細分為產(chǎn)業(yè)、社區(qū)、家庭等子系統(tǒng)，盡管尺度不同，這些子系統(tǒng)間通過不斷交換各種形式的代謝質(zhì)料構(gòu)成了城市代謝的內(nèi)循環(huán)。其中，大部分城市消費的原材料都源于人類對自然的開發(fā)與采掘，因而自然子系統(tǒng)為城市代謝提供了最基本的質(zhì)料基礎，它為不同尺度代謝活動的有序進行提供了物質(zhì)保障。同時，城市代謝產(chǎn)生的廢棄物也往往最終排向自然子系統(tǒng)進行分解和循環(huán)，但當排放量遠大于自然子系統(tǒng)的承載力時，環(huán)境污染與破壞則將對城市及其代謝過程造成損害。經(jīng)濟是衡量城市發(fā)展的量化表征，也是推動人類建設、發(fā)展城市的動力之一。城市經(jīng)濟的發(fā)展離不開產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的支持，經(jīng)濟子系統(tǒng)中的三大產(chǎn)業(yè)相互作用，為城市提供了經(jīng)濟活力與發(fā)展空間。尤其在以工業(yè)活動為主的工業(yè)系統(tǒng)中，生產(chǎn)、消費、分解部門彼此聯(lián)系，為城市存續(xù)提供大量消費品，并分解處理種種廢棄物，有力緩解了城市代謝對自然子系統(tǒng)的壓力。而社會是城市存續(xù)的根本形態(tài)，在社會子系統(tǒng)中，由于缺乏經(jīng)濟生產(chǎn)活動，其代謝過程主要表現(xiàn)在社會-社區(qū)-家庭不同尺度下的消費與廢棄過程。同時，城市自身的存續(xù)也有賴于同外環(huán)境進行代謝質(zhì)料的傳輸轉(zhuǎn)換，這又構(gòu)成了城市代謝的外循環(huán)，內(nèi)、外循環(huán)相結(jié)合即構(gòu)成了城市代謝的完整過程。

(2)形式因是事物的原型亦即表達本質(zhì)的定義[9]，它解釋了事物之所以由質(zhì)料組成事物的原因，表征事物的外在形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對城市而言，其形式因可以分為內(nèi)與外兩部分：“外”指城市的外部形態(tài)，即它的地理位置和空間構(gòu)型，它們構(gòu)筑了城市的外在表現(xiàn)；而“內(nèi)”則指城市的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括其關鍵的子系統(tǒng)或組分以及由代謝路徑構(gòu)成的復雜網(wǎng)絡，是城市的內(nèi)在聯(lián)系，同時也是城市代謝的重要內(nèi)涵。

(3)動力因即那個使被動者運動的事物、引起變化者變化的事物[9]，它解釋了本體運動、變化、發(fā)展的根本原因(即驅(qū)動力)，這種變化既可以是量的變化(如城市代謝規(guī)模和效率的增減)，也可以是形態(tài)(如城市擴張、空間結(jié)構(gòu)變動)或性質(zhì)(如城市由健康變?yōu)椴唤】?、代謝狀況由好變壞)的變化。推動城市運動變化的動力因可從主觀和客觀兩方面理解：客觀上看，城市的社會環(huán)境(如社會生產(chǎn)力、文化背景)和自然環(huán)境(如地理位置、氣候)構(gòu)成了推動其變化發(fā)展的背景因素；而主觀上，城市人、或說城市人的社會需求才能決定城市的變化過程，從而構(gòu)成了驅(qū)動城市及城市代謝變化發(fā)展的決定性因素。

(4)目的因是事物最善的終結(jié)[9]，它解釋事物之所以存在的根本原因，可以理解為事物的功能和性質(zhì)。對城市而言，城市的存在是為了滿足人類的生存需求或期待，一個“好”的城市或許需要安全、宜居、生態(tài)、可持續(xù)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、功能健全等等，而這種需求和期待(目的)正是城市得以存在的根本原因。

2 城市代謝技術方法的變遷

隨著多尺度代謝理論的融合，新的研究方法和探究手段大大拓展了城市代謝的研究思路和視角，為相關研究注入了新的活力。本文將目前城市代謝的研究方法分為三類，包括基于物質(zhì)、能量載體的質(zhì)料研究方法、表征物質(zhì)形態(tài)結(jié)構(gòu)的形式研究方法、和結(jié)合上述兩類方法的混合研究方法。

2.1 質(zhì)料研究方法

質(zhì)料可理解為各種形式的物質(zhì)和能量，是構(gòu)成研究系統(tǒng)構(gòu)成的物理根基。對城市生態(tài)系統(tǒng)而言，以物質(zhì)和能量為研究載體，通過跟蹤其在城市內(nèi)外的路徑和流量來探究城市代謝的過程、結(jié)構(gòu)與規(guī)模的方法均屬于質(zhì)料研究方法，其中較具代表性的有物質(zhì)流分析、能量流分析和能值分析等。

根據(jù)研究載體的不同，質(zhì)料研究方法又可分為基于物質(zhì)代謝的質(zhì)料研究方法和基于能量代謝的質(zhì)料研究方法。前者主要基于物質(zhì)代謝理論，以物質(zhì)流分析方法為主。物質(zhì)流分析主要以質(zhì)量守恒定律為依據(jù)，通過跟蹤某種物質(zhì)或元素在代謝系統(tǒng)中的輸入、儲存和輸出的路徑與規(guī)模，研究系統(tǒng)的運行特征和代謝效率。受技術手段的限制，早期基于物質(zhì)代謝的城市代謝研究主要針對城市生態(tài)系統(tǒng)中多種物質(zhì)材料(如食物、水、建材等)和污染物(如固體廢棄物、大氣污染物等)進行流動路徑、流量和存量的確認與核算，旨在對城市物質(zhì)代謝的規(guī)模進行宏觀把握，但這種研究方法仍無法突破黑箱模型的限制，物質(zhì)流方法的引入則可幫助研究者相對精確地了解物質(zhì)代謝過程的全貌。研究精度的提高導致研究者不再局限于對多種物質(zhì)代謝規(guī)模進行評估，而以水[86-87]、食物[23]、廢棄物[28, 29]或復合質(zhì)料[88-89]等為研究對象，通過設置代謝指標，對城市物質(zhì)代謝進行更為細致的研究。如陳波等[90]建立了城市物質(zhì)流分析的研究框架及指標體系，為城市物質(zhì)代謝研究提供了詳細的方法指南。此外，還有一些研究者通過建立物質(zhì)代謝的投入產(chǎn)出模型，對城市生態(tài)系統(tǒng)的水[16]、食物[22]和廢棄物[91]代謝水平進行模擬和評價，這些研究同樣為探究城市物質(zhì)代謝路徑和規(guī)模做出了積極貢獻。

能量作為城市生態(tài)系統(tǒng)重要的質(zhì)料之一，同樣受到了研究者的重視?；谀芰枯d體的研究方法以Haberl提出的能量代謝理論[92]為依托，探究城市系統(tǒng)中能量的輸入、轉(zhuǎn)換和輸出過程。早期針對城市能量代謝的研究多以能量流分析為主，主要針對城市能源的利用規(guī)模和轉(zhuǎn)換效率。能值分析方法的出現(xiàn)為城市能量代謝研究提供了新視角， Odum將能值定義為一種產(chǎn)品或勞務生產(chǎn)過程中直接或間接投入的可用能[93]，即以太陽能值為基準，對系統(tǒng)中各類物質(zhì)與能量進行系統(tǒng)核算，從而量化能量流動的規(guī)模，并體現(xiàn)出不同能量的質(zhì)量。由此，部分研究者嘗試將其引入城市代謝研究中，這為解決傳統(tǒng)能量代謝研究方法只考慮直接能源消耗而忽視間接能源消耗和可再生能源利用的問題提供了有力幫助。近年來，由于城市代謝研究者對于能值分析法的關注程度逐年上升，導致大量應用該方法的城市代謝研究[30-40]涌現(xiàn)而出，這些研究主要對探明城市能量代謝的結(jié)構(gòu)與效率提供了較大參考價值，同時也有少數(shù)研究者在現(xiàn)有分析框架的基礎上對方法予以完善[94-95]，有助于更好地構(gòu)建城市代謝體系。

此外，還有部分研究者將物質(zhì)與能量代謝過程和方法相結(jié)合，對城市代謝的模式與規(guī)模進行分析。如Yuan等[96]結(jié)合系統(tǒng)動力學方法，對北京城市發(fā)展的多個方面進行模擬，其中就包括對水資源和能源利用的代謝模擬；張妍和楊志峰[97]通過構(gòu)建城市物質(zhì)代謝的生態(tài)效率模型，對深圳市水、能量和廢棄物的代謝通量及生態(tài)效率進行系統(tǒng)分析；張力小和胡秋紅[98]結(jié)合資源科學的相關研究，提出將城市中物質(zhì)能量代謝拓展為資源代謝，并引入資源火用來解決核算問題。在家庭尺度的代謝研究方面，劉晶茹等[99]與Liu等[100]利用家庭代謝的概念模型，對近20年來中國城市家庭的水資源與能源代謝水平進行分析，并探討了影響家庭代謝的社會因素；陳依嵐和包存寬[101]利用代謝分析方法，從影響家庭消費模式的主要因素入手，對同濟新村家庭中的水、能源和其他物質(zhì)的代謝結(jié)構(gòu)進行分析。

2.2 形式研究方法

在研究城市代謝時，不僅需要探究質(zhì)料的代謝規(guī)模和過程，更需分別從空間的“外”和結(jié)構(gòu)的“內(nèi)”兩方面打開城市黑箱，把握城市系統(tǒng)代謝的運行機理和關鍵靶點。因此，以城市的外在形態(tài)和內(nèi)在結(jié)構(gòu)為主要關注目標的研究方法即屬于形式研究方法，主要包括地理空間分析、生態(tài)足跡方法和生態(tài)網(wǎng)絡分析等。

地理空間分析作為形式研究方法的一個重要分支，主要由實體空間分析和虛擬空間分析組成。實體空間分析通過遙感監(jiān)測技術對城市的空間動態(tài)變化進行監(jiān)測和表征，用以考察城市空間形態(tài)的變遷方式與規(guī)劃路徑，如對北京[102]的研究；而虛擬空間分析則將系統(tǒng)的生產(chǎn)力和承載力以虛擬土地面積表征，用于判斷系統(tǒng)代謝水平是否滿足生態(tài)承載力，即生態(tài)足跡方法。但目前，由于地理空間分析往往需要借助質(zhì)料研究方法來提供數(shù)據(jù)基礎，因而單獨采用該方法的城市代謝研究并不多，多數(shù)研究者往往采用混合方法的研究方式進行探究。

而生態(tài)網(wǎng)絡是由早期描述生物化學反應結(jié)構(gòu)的生物網(wǎng)絡演變而來的，它以網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)為基礎，對生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)、能量流動結(jié)構(gòu)的模擬[103]?；谏鷳B(tài)流代謝的生態(tài)網(wǎng)絡分析方法可以識別和量化網(wǎng)絡系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)、功能以及系統(tǒng)組分間的直、間接作用，從而定量研究系統(tǒng)中生態(tài)流的流向及相互作用的過程與強度，揭示出系統(tǒng)行為的整體性、復雜性與連接性的分析工具[104-106]。相較其他質(zhì)料研究方法而言，生態(tài)網(wǎng)絡分析更能夠體現(xiàn)出研究系統(tǒng)內(nèi)各組分間的生態(tài)關系、系統(tǒng)功能及營養(yǎng)級結(jié)構(gòu)，從而表征出代謝系統(tǒng)內(nèi)部的運行狀況和特點，因而近年來開始逐漸受到研究者的關注，并分別應用于城市[107-110]、產(chǎn)業(yè)[53, 111]、水系統(tǒng)[112]等不同尺度的代謝研究上。

2.3 混合研究方法

質(zhì)料研究方法和形式研究方法各有特點，如表2所示。

表2 城市代謝主要研究方法比較表Table 2 Comparison Table of Diverse Urban Metabolic Methodologies

質(zhì)料研究方法主要以物質(zhì)守恒和能量守恒定理為理論依據(jù)，對城市生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)代謝和能量代謝過程進行研究，從本質(zhì)上說是一種以質(zhì)料為載體、基于物質(zhì)能量守恒的投入產(chǎn)出方法，主要探討系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下的代謝過程和規(guī)模，難以準確模擬流量和存量的動態(tài)變化和作用關系。而形式研究方法則從形態(tài)和結(jié)構(gòu)上對研究系統(tǒng)的代謝過程進行探析，一方面需要依賴質(zhì)料研究方法為其提供數(shù)據(jù)支持，同時尤以空間分析手段為主的形式研究方法可用來研究較長時序條件下的代謝變化，可見，結(jié)合上述兩種研究方法將為探究系統(tǒng)代謝動態(tài)變化的全貌提供了可能，而這正符合亞氏對于本體的理解(亞氏認為事物是由質(zhì)料與形式構(gòu)成的)。近年來，有部分研究者開始嘗試通過質(zhì)料與形式相結(jié)合的混合研究方法，對城市的代謝過程進行動態(tài)分析，為城市生態(tài)系統(tǒng)規(guī)劃提供了新的參考依據(jù)。如Liu等[113-116]結(jié)合擴展火用分析與網(wǎng)絡分析方法，對北京社會經(jīng)濟系統(tǒng)的代謝過程、結(jié)構(gòu)與效率進行分析，探討城市可持續(xù)發(fā)展的可能路徑；Liu和Zhang[117]結(jié)合物質(zhì)流分析方法，以投入產(chǎn)出表為依據(jù)，對北京的城市代謝水平進行生態(tài)網(wǎng)絡分析；Browne等[118]結(jié)合能流核算、能流代謝率分析和生態(tài)足跡方法，研究愛爾蘭城區(qū)能源消費的可持續(xù)性；Chrysoulakis等[119]通過采用多指標分析法，聯(lián)系城市中能量、水資源、碳及其他污染物的代謝過程，結(jié)合空間技術探究其潛在動態(tài)變化，并對歐洲五個案例城市的可持續(xù)規(guī)劃提供參考方向；Moore等[120]則對溫哥華的物質(zhì)能量代謝水平進行分析，并結(jié)合生態(tài)足跡方法探究城市發(fā)展的可持續(xù)性。

3 城市代謝的研究展望

通過系統(tǒng)梳理目前城市代謝研究的主要關注目標和熱點問題，本文對城市代謝的研究方向進行了展望。

3.1 代謝模式發(fā)掘

目前，盡管有關城市代謝的定義及量化代謝規(guī)模的手段已較為明確，但通過構(gòu)建城市與城市代謝的“四因圖”發(fā)現(xiàn)，除城市代謝的質(zhì)料較為確定外，其形式因(形態(tài)結(jié)構(gòu)，即如何以系統(tǒng)科學的觀點研究城市及城市代謝的關鍵組分和作用結(jié)構(gòu))、動力因(驅(qū)動力，即我們對何者通過何種方式推動城市和城市代謝進行怎樣的變化發(fā)展)、目的因(需求與功能，即我們需要一個怎樣的城市、怎樣的城市代謝才是“好”的、如何衡量城市代謝的狀況)都有值得我們進一步研究的地方，這說明在現(xiàn)有的研究模式下，城市代謝這一概念本身仍有許多值得我們進一步探索和挖掘的空間，黑箱模型的局限只是城市代謝內(nèi)涵不清的一個后果。

對城市代謝的形式，多數(shù)研究者仍局限于對將城市看作一個生物個體，對不同質(zhì)料的線性代謝過程(即狹義的城市代謝)進行探討，由于這些研究未對城市代謝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行探索，因而始終無法描繪出代謝系統(tǒng)的關鍵過程與機理，也就難以突破黑箱模型的限制。系統(tǒng)科學的引入為解決這一問題提供了強有力的理論手段，通過將城市看作一個由多個子系統(tǒng)構(gòu)成的復雜巨系統(tǒng)，探索代謝質(zhì)料在其內(nèi)部關鍵靶點的流動情況，這使進一步探明城市代謝的內(nèi)在形式成為可能。探索城市代謝的動力則需緊密圍繞關鍵靶點和作用效應進行研究，同時應當聯(lián)系城市社會經(jīng)濟活動對代謝過程的影響作用。而城市代謝研究的關鍵還在于我們對目的的定義。近年來，城市代謝研究已逐漸從針對整體代謝規(guī)模的核算研究過渡至探究系統(tǒng)代謝效率和建立可持續(xù)性指標的研究中來，部分研究者通過對城市生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)、能量代謝過程設置效率指標來把握代謝系統(tǒng)的功能運行狀況和環(huán)境負荷能力，據(jù)此判斷城市健康和可持續(xù)能力，這表明，城市健康研究同城市代謝研究或有交叉融合的可能。

一旦上述問題得以突破，城市代謝的內(nèi)在機理和外在效應都將更為明確，而調(diào)控代謝狀況的手段和依據(jù)也將更為可靠。由此可見，未來對城市代謝概念的發(fā)掘及對現(xiàn)有研究模式的突破必將成為研究者予以特別關注的一個研究方向。

3.2 代謝排放控制

早期的城市代謝研究側(cè)重于探析資源開采(代謝質(zhì)料輸入端)和污染物排放(輸出端)對城市外部的環(huán)境影響，其中對代謝輸出端的研究多關注復合污染物的排放，近年來，隨著研究手段的豐富，一些研究者嘗試對單一排放源進行代謝分析。工業(yè)革命以來，高速的經(jīng)濟發(fā)展、無節(jié)制的資源開采和過度的能源利用，使得人類在生產(chǎn)生活過程中排放了大量溫室氣體，進而加劇了全球氣候變化進程，嚴重威脅人類社會的正常存續(xù)。城市是人類社會生產(chǎn)生活活動的集中地，也是溫室氣體的最主要排放源，全球超過80%的CO2排放源自城市[121]。目前，已有一些研究者結(jié)合城市代謝理論對這一問題予以關注，如Churkina[121]構(gòu)建了城市碳代謝模型和關鍵影響因素；Browne等[28]采用碳足跡方法分析愛爾蘭城區(qū)的廢棄物代謝情況，并對管理政策進行評估；Kellett 等[122]對城市碳代謝的主要來源和控制方案進行量化分析；Chen和Chen[123]則以利用生態(tài)網(wǎng)絡分析方法對維也納的碳代謝結(jié)構(gòu)與功能特征進行系統(tǒng)評價，為突破城市黑箱模型的局限提供了參考。隨著城市化進程的持續(xù)加劇，城市的溫室氣體排放量還將持續(xù)增長，因而針對城市代謝水平對溫室氣體排放的貢獻研究以及揭示城市碳代謝機理的代謝研究必將日益受到研究者的密切關注。

3.3 城市規(guī)劃設計

最早將城市代謝理論應用于城市規(guī)劃設計的研究可追溯至Oswald和Baccini的規(guī)劃研究。他們定義了成形性、可持續(xù)性、重建性與責任力的城市規(guī)劃原則，通過分析城市中水、食物、建材和能源的代謝過程來對城市生態(tài)系統(tǒng)的主要活動進行規(guī)劃設計[124]。此后，如Kennedy等[125]、Chrysoulakis等[119]、Moore等[120]均探討了采用城市代謝理論進行城市規(guī)劃設計的可能。隨著城市代謝研究方法的不斷擴展，空間技術的應用標志著依憑城市代謝視角的規(guī)劃研究成為可能。通過對城市生態(tài)系統(tǒng)中各種物質(zhì)和能量的代謝路徑、規(guī)模、結(jié)構(gòu)和效率進行研究分析，可以把握目前城市代謝的功能狀況，找尋影響代謝水平的關鍵路徑和因素，通過優(yōu)化改進現(xiàn)有代謝系統(tǒng)中的不足，采用空間技術將設計方案進行模擬，從而使規(guī)劃設計后的城市生態(tài)系統(tǒng)滿足代謝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置和代謝功能的高效發(fā)揮。

4 結(jié)論

(1)本文在簡要總結(jié)城市代謝的內(nèi)涵與發(fā)展過程的基礎上，通過融合多尺度代謝理論，將城市代謝擴展為廣義與狹義兩類，并結(jié)合亞里士多德“四因說”對其質(zhì)料因、形式因、動力因、目的因進行分析，初步提出城市代謝“四因圖”。

(2)本文將城市代謝的分析方法與研究技術分為基于物質(zhì)、能源代謝的質(zhì)料研究方法、探究系統(tǒng)代謝內(nèi)外結(jié)構(gòu)的形式研究方法和二者相結(jié)合的混合研究方法。物質(zhì)流分析、能值分析等質(zhì)料方法為城市代謝研究的主流，生態(tài)網(wǎng)絡分析和地理空間技術等形式方法逐漸升溫，混合方法吸收了上述兩者的優(yōu)勢，為探究系統(tǒng)代謝動態(tài)變化的全貌提供了可能。

(3)由于城市代謝本身仍有許多值得探索和挖掘的空間，未來有關發(fā)展與突破城市代謝模式、結(jié)合溫室氣體等代謝排放控制目標以及用于城市規(guī)劃設計的研究將成為未來城市代謝研究的關注熱點。

[1] Wolman A. The metabolism of cities. Scientific American, 1965, 213(3): 179-190.

[2] Ayres R U. Industrial metabolism: Theory and policy // Ayres R U, Simonis U K, eds. Industrial Metabolism: Restructuring for Sustainable Development. Tokyo: United Nations University Press, 1994.

[3] Noorman K J. Green Households? Domestic, Consumers, Environment and Sustainability. London: Earthscan Publications Ltd., 1998.

[4] Decker E H, Elliott S, Smith F A, Blake D R, Rowland F S. Energy and material flow through the urban ecosystem. Annual Review of Energy and the Environment, 2000, 25(1): 685-740

[5] Huang S L, Hsu W L. Material flow analysis and emergy evaluation of Taipei′s urban construction. Landscape and Urban Planning, 2003, 63(2): 61-74.

[6] 馬世駿, 王如松. 社會-經(jīng)濟-自然復合生態(tài)系統(tǒng). 生態(tài)學報, 1984, 4(1): 1-9.

[7] 王效科, 歐陽志云, 仁玉芬, 王華鋒. 城市生態(tài)系統(tǒng)長期研究展望. 地球科學進展, 2009, 24(8): 928-935.

[8] Kennedy C, Cuddihy J, Engel-Yan J. The changing metabolism of cities. Journal of Industrial Ecology, 2007, 11(2): 43-59.

[9] 葉僑健. 系統(tǒng)哲學探源——亞里士多德“四因說”新透視. 中山大學學報: 社會科學版, 1995, (4): 26-31.

[10] Science Council of Japan. Science for Better Environment: Proceedings of the International Congress on the Human Environment (HESC)， Kyoto, 1975. UK: Pergamon Press, 1977.

[11] Newcombe K, Kalma J D, Aston A R. The metabolism of a city: the case of Hong Kong. Ambio, 1978, 7(1): 3-15.

[12] Warren-Rhodes K, Koenig A. Escalating trends in the urban metabolism of Hong Kong: 1971-1997. A Journal of the Human Environment, 2001, 30(7): 429-438.

[13] Newman P W G. Sustainability and cities: Extending the metabolism model. Landscape and Urban Planning, 1999, 44(4): 219-226.

[14] Hendriks C, Obernosterer R, Muller D, Kytzia S, Baccini P, Brunner P H. Material flow analysis: A tool to support environmental policy decision making: Case studies on the city of Vienna and Swiss lowlands. Local Environment, 2000, 5(3): 311-328.

[15] Sahely H R, Dudding S, Kennedy C A. Estimating the urban metabolism of Canadian cities: Greater Toronto area case study. Canadian Journal of Civil Engineering, 2003, 30(2): 468-453.

[16] 顏文洪, 劉益民, 黃向, 胡玉佳. 深圳城市系統(tǒng)代謝的變化與廢物生成效應. 城市問題, 2003, (1): 40-44.

[17] 樓俞. 城市物質(zhì)代謝分析方法建立與實證研究——以邯鄲市為例 [D]. 北京: 清華大學, 2007.

[18] Liang S, Zhang T Z. Urban metabolism in China: Achieving dematerialization and decarbonization in Suzhou. Journal of Industrial Ecology, 2011, 15(3): 420-434.

[19] 王紅娟. 張掖市城市代謝機理及優(yōu)化調(diào)控研究 [D]. 蘭州大學, 2012.

[20] Nilssom J. A Phosphorus budget for a Swedish municipality. Journal of Environmental Management, 1995, 45(3): 243-253.

[21] Baker L A, Hope D, Xu Y, Edmonds J, Lauver L. Nitrogen balance for the Central Arizona-Phoenix (CAP) ecosystem. Ecosystem, 2001, 4(6): 582-602.

[22] Forkes J. Nitrogen balance for the urban food metabolism of Toronto, Canada. Resources, Conservation and Recycling, 2007, 52(1): 74-94.

[23] 黎思斯, 袁增偉, 畢軍, 武慧君, 劉恒. 城市食物生產(chǎn)與消費系統(tǒng)磷代謝研究. 環(huán)境科學, 2011, 32(2): 603-608.

[24] Hermanowicz S W, Asano T. Abel Wolman′s “the metabolism of cities” revisited: A case for water recycling and reuse. Water Science and Technology, 1999, 40(4): 29-36.

[25] Barles S. Urban metabolism and river systems: An historical perspective. Paris and the Seine, 1790—1970. Hydrology and Earth System Science Discuss, 2007, 4: 1845-1878.

[26] Sahely H R, Kenndy C A. Water use model for quantifying environmental and economic sustainability indicators. Journal of Water Resources Planning and Management, 2007, 133(6): 550-559.

[27] 邵田. 中國東部城市水環(huán)境代謝研究 [D]. 上海: 復旦大學, 2008.

[28] Brwone D, O′Regan B, Moles R. Assessment of total urban metabolism and metabolic inefficiency in an Irish city-region. Waste Management, 2009, 29(10): 2765-2771.

[29] Browne D, O′Regan B, Moles R. Material flow accounting in an Irish city-region 1992-2002. Journal of Cleaner Production, 2011, (19): 9-10.

[30] Zucchetto J. Energy-economic theory and mathematical models for combining the systems of man and nature, case study: The urban region of Miami, Florida. Ecological Modelling, 1975, 1(4): 241-268.

[31] Stanhill G. An urban agro-ecosystem: The example of nineteenth-century Paris. Agro-Ecosystems, 1976, 3: 269-284.

[32] Huang S L. Urban ecosystem, energetic hierarchies, and ecological economics of Taipei metropolis. Journal of Environmental Management, 1998, 52(1): 39-51.

[33] Huang S L, Wu S C, Chen W B. Ecosystem, environmental quality and ecotechnology in the Taipei metropolitan region, 1995, 4: 233-248.

[34] 胡聃, 文秋霞, 李鋒, 王震, 馮強, 張艷萍. 北京城市生態(tài)系統(tǒng)的能值動態(tài)分析. 城市環(huán)境與城市生態(tài), 2006, 19(6): 1-4.

[35] Chen B, Chen Z M, Zhou Y, Zhou J B, Chen G Q. Emergy as embodied energy based assessment for local sustainability of a constructed wetland in Beijing. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2009, 14(2): 622-635.

[36] Liu G Y, Yang Z F, Chen B, Zhang Y, Zhang L X, Zhao Y W, Jiang M M. Emergy-based urban ecosystem health assessment: A case study of Baotou, China. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2009, 14(3): 972-981.

[37] 李芳, 張妍, 劉耕源. 基于能值分析的城市物質(zhì)代謝研究. 環(huán)境可持續(xù)與技術, 2009, 32(10): 108-112.

[38] Zhang L X, Chen B, Yang Z F, Chen G Q, Jiang M M, Liu G Y. Comparison of typical mega cities in China using emergy synthesis. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2009, 14(6): 2827-2836.

[39] Su M R, Yang Z F, Chen B. Limiting factor analysis of urban ecosystems based on emergy -A case study of three cities in the Pearl River Delta in China. Procedia Environmental Sciences, 2011, 5: 131-138.

[40] Chen S Q, Chen B. Assessing inter-city ecological and economic relations: An emergy-based conceptual model. Frontiers of Earth Science, 2011, 5(1): 97-102.

[41] 曲向榮, 張國徽, 徐麗, 林華, 胡俊生. 產(chǎn)業(yè)生態(tài)學. 北京: 清華大學出版社, 2012.

[42] Ginley D M. Material flows in the transport industry: An example of industrial metabolism. Resources Policy, 1994, 20(3): 169-181.

[43] Michaelis P, Jackson T. Material and energy flow through the UK iron and steel sector. Part 1: 1954-1994. Resources, Conservation and Recycling, 2000, 29(1/2): 131-156.

[44] Saidur R, Sattar M A, Majyki H H, Abdessalam H, Shahruam B S. Energy and exergy analysis at the utility and commercial sectors of Malaysia. Energy Policy, 2007, 35(3): 1956-1966.

[45] Chen Z M, Chen G Q, Zhou J B, Jiang M M, Chen B. Ecological input-output modeling for embodied resources and emissions in Chinese economy 2005. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2010, 15(7): 1942-1965.

[46] Zhou Y C, Yang N, Hu S Y. Industrial metabolism of PVC in China: A dynamic material flow analysis. Resources, Conservation and Recycling, 2013, 73: 33-40.

[47] Chen S Q, Chen B. Sustainability and future alternatives of biogas-linked agrosystem (BLAS) in China: An emergy synthesis. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(6): 3948-3959.

[48] 楊謹, 陳彬, 劉耕源. 基于能值的沼氣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展水平綜合評價——以恭城縣為例. 生態(tài)學報, 2012, 32(13): 4007-4016.

[49] Yang P P J, Lay O B. Applying ecosystem concepts to the planning of industrial areas: A case study of Singapore′s Jurong Island. Journal of Cleaner Production, 2004, 12(8/10): 1011-1023.

[50] Liwarska-Bizukojc E, Bizukojc M, Marcinkowski A, Doniec A. The conceptual model of an eco-industrial park based upon ecological relationships. Journal of Cleaner Production, 2009, 17(8): 732-741.

[51] Chae S H, Kim S H, Yoon S G, Park S. Optimization of a waste heat utilization network in an eco-industrial park. Applied Energy, 2010, 87(6): 1978-1988.

[52] Behera S K, Kim J H, Lee S Y, Suh S, Park H S. Ecolution of ‘designed’ industrial symbiosis networks in the Ulsan Eco-industrial Park: ‘research and development into business′ as the enabling framework. Journal of Cleaner Production, 2012, 29-30: 103-112.

[53] Lu Y, Su M R, Liu G Y, Chen B, Zhou S Y, Jiang M M. Ecological network analysis for a low-carbon and high-tech industrial park. The Scientific World Journal, 2012, doi: 10.1100/2012/30547.

[54] Bailey R, Bras B, Allen J K. Applying ecological input-output flow analysis to material flows in industrial systems: Part I: Tracing flow. Journal of Industrial Ecology, 2004, 8(1/2): 45-68.

[55] Bailey R, Bras B, Allen J K. Applying ecological input-output flow analysis to material flows in industrial systems: Part II: Flow metrics. Journal of Industrial Ecology, 2004, 8(1/2): 69-91.

[56] Sendra C, Gabarrell X, Vicent T. Material flow analysis adapted to an industrial area. Journal of Cleaner Production, 2007, 15(17): 1706-1715.

[57] Yang Z F, Li S S, Zhang Y, Huang G H. Emergy synthesis for three main industries in Wuyishan City, China. Journal of Environmental Informatics, 2011, 17(1): 23-35.

[58] Biesiot W, Noorman K J. Energy requirements of household consumption: A case study of the Netherlands. Ecological Economics, 1999, 28(3): 367-383.

[59] Gao Z Y, Liu C Y. Empirical analysis on ecological footprint of household consumption in China. Energy Procedia, 2011, 5: 2387-2391.

[60] Druckman A, Sinclair P, Jackson T. A geographically and socio-economically disaggregated local household consumption model for the UK. Journal of Cleaner Production, 2008, 16(7): 870-880.

[61] 羅婷文, 歐陽志云, 王效科, 苗鴻, 鄭華. 北京城市化進程中家庭食物碳消費方法與數(shù)據(jù)來源. 生態(tài)學報, 2005, 25(12): 3252-3258.

[62] 李忠民, 尹英琦. 我國城鄉(xiāng)家庭居民食物消費低碳化比較研究. 經(jīng)濟問題探索, 2010, (9): 36-42.

[63] 尹英琦. 我國城鎮(zhèn)居民家庭食物碳消費研究 [D]. 陜西: 陜西師范大學, 2011.

[64] Kerkhof A C, Nonhebel S, Moll H C. Relating the environmental impact of consumption to household expenditures: An input-output analysis. Ecological Economics, 2009, 68(4): 1160-1170.

[65] 陸瑩瑩, 趙旭. 家庭能源消費研究述評. 水電能源科學, 2008, 26(1): 187-191.

[66] Kok R, Benders R M J, Moll H C. Measuring the environmental load of household consumption using some methods based on input-output energy analysis: A comparison of methods and a discussion of results. Energy Policy, 2006, 34(17): 2744-2761.

[67] Papathanasopoulou E. Household consumption, associated fossil fuel demand and carbon dioxide emissions: The case of Greece between 1990 and 2006. Energy Policy, 2010, 38(8): 4152-4162.

[68] Schandl H, Schulz N. Changes in the United Kingdom′s natural relations in terms of society′s metabolism and land-use from 1850 to the present day. Ecological Economics, 2002, 41(2): 203-221.

[69] Fischer-Kowalski M. Society′s metabolism: The intellectual history of materials flow analysis, Part I: 1860-1970. Journal of Industrial Ecology, 1998, 2(1): 61-78.

[70] Hashimoto S, Moriguchi Y. Proposal of six indicators of material cycles for describing society′s metabolism: From the viewpoint of material flow analysis. Resources, Conservation and Recycling, 2004, 40(3): 185-200.

[71] Hashimoto S, Moriguchi Y, Saito A, Ono T. Six indicators of material cycles for describing society′s metabolism: Application to wood resources in Japan. Resources, Conservation and Recycling, 2004, 40: 201-223.

[72] Huang S L, Lee C L, Chen C W. Socioeconomic metabolism in Taiwan: Emergy synthesis versus material flow analysis. Resources, Conservation and Recycling, 2006, 48(2): 166-196.

[73] Kuskkova P, Gingrich S, Krausmann F. Long term changes in social metabolism and land use in Czechoslovakia, 1830-2000: An energy transition under changing political regimes. Ecological Economics, 2008, 68(1/2): 394-407.

[74] Chen B, Chen G Q. Ecological footprint accounting based on emergy-A case study of the Chinese society. Ecological Modelling, 2006, 198(1/2): 101-114.

[75] Jiang M M, Zhou J B, Chen B, Chen G Q. Emergy-based ecological account for the Chinese economic in 2004. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2008, 13(10): 2337-2356.

[76] Li Y T, Zhang Y, Yang N J. Ecological network model analysis of China′s endosomatic and exosomatic societal metabolism. Procedia Environmental Sciences, 2010, 2: 1400-1406.

[77] 丁平剛, 田良, 陳彬. 海南省環(huán)境經(jīng)濟系統(tǒng)的物質(zhì)流特征與演變. 中國人口 資源與環(huán)境, 2011, 21(8): 66-71.

[78] Sorman A H, Giampietro M. The energetic metabolism of societies and the degrowth paradigm: Analyzing biophysical constraints and realities. Journal of Cleaner Production, 2013, 38: 80-93.

[79] 肖強, 文禮章, 易定宏, 胡聃, 于盈盈, 張海濤. 基于上升性理論的重慶市生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)投入產(chǎn)出分析. 生態(tài)學報, 2010, 30(5): 1148-1156.

[80] Gray S R, Becker N S C. Contaminant flows in urban residential water systems. Urban Water, 2002, 4(4): 331-346.

[81] Wang J, Han L, Li S S. The collection system for residential recyclables in communities in Haidian District, Beijing: A possible approach for China recycling. Waste Management, 2008, 28(9): 1672-1680.

[82] Li D, Wang R S. Hybrid Emergy-LCA (HEML) based metabolic evaluation of urban residential areas: The case of Beijing, China. Ecological Complexity, 2009, 6(4): 484-493.

[83] 劉天星. 代謝方法及其在城市生態(tài)學中的應用//生態(tài)學與全面 協(xié)調(diào) 可持續(xù)發(fā)展——中國生態(tài)學會第七屆全國會員代表大會論文摘要薈萃. 中國: 中國生態(tài)學會, 2004: 306-307.

[84] Codoban N, Kennedy C A. Metabolism of neighborhood. Journal of Urban Planning and Development, 2008, 134(1): 21-32.

[85] 李旋旗, 花利忠. 基于系統(tǒng)動力學的城市住區(qū)形態(tài)變遷對城市代謝效率的影響. 生態(tài)學報, 2012, 32(10): 2965-2974.

[86] Huang C L, Vause J, Ma H W, Yu C P. Urban water metabolism efficiency assessment: Integrated analysis of available and virtual water. Science of the Total Environment, 2013, 452-453: 19-27.

[87] Wang Z Y, Huang K, Yang S S, Yu Y J. An input-output approach to evaluate the water footprint and virtual water trade of Beijing, China. Journal of Cleaner Production, 2013, 42: 172-179.

[88] 徐濤濤. 基于可持續(xù)發(fā)展的家庭核算: 理論與方法 [D]. 貴陽: 貴州大學, 2007.

[89] Zhang Y, Liu H, Chen B. Comprehensive evaluation of the structural characteristics of an urban metabolic system: Model development and a case study of Beijing. Ecological Modelling, 2013, 252: 106-113.

[90] 陳波, 楊建新, 石垚, 歐陽志云. 城市物質(zhì)流分析框架及其指標體系構(gòu)建. 生態(tài)學報, 2010, 30(22): 6289-6296.

[91] Liang S, Zhang T Z. Comparing urban solid waste recycling from the viewpoint of urban metabolism based on physical input-output model: A case of Suzhou in China. Waste Management, 2012, 32(1): 220-225.

[92] Haberl H. Human appropriation of net primary productions as an environmental indicator: Implications for sustainable development. Ambio, 1997, 26(3): 143-146.

[93] Odum H T. Emergy in ecosystems. //Ecosystem Theory and Application. New York: John Wiley and Sons, 1986: 337-369.

[94] 劉耕源, 楊志峰, 陳彬. 基于能值分析方法的城市代謝過程研究——理論與方法. 生態(tài)學報, 2013, 33(15): 4539-4551.

[95] 劉耕源, 楊志峰, 陳彬. 基于能值分析方法的城市代謝過程研究(2): 案例研究. 生態(tài)學報, 2013, 33(16): 5078-5089.

[96] Yuan X H, Ji X, Chen H, Chen B, Chen G Q. Urban dynamics and multiple-objective programming: A case study of Beijing. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2008, 13(9): 1998-2007.

[97] 張妍, 楊志峰. 城市物質(zhì)代謝的生態(tài)效率——以深圳市為例. 生態(tài)學報, 2007, 27(8): 3125-3131.

[98] 張力小, 胡秋紅. 城市物質(zhì)能量代謝相關研究述評——兼論資源代謝的內(nèi)涵與研究方法. 自然資源學報, 2011, 26(10): 1801-1810.

[99] 劉晶茹, 王如松, 王震, 楊建新. 中國城市家庭代謝及其影響因素分析. 生態(tài)學報, 2003, 23(12): 2672-2676.

[100] Liu J R, Wang R S, Yang J X. Metabolism and driving forces of Chinese urban household consumption. Population and Environment, 2005, 26(4): 325-341.

[101] 陳依嵐, 包存寬. 基于代謝分析的可持續(xù)家庭消費模式研究. 2005 中國可持續(xù)發(fā)展論壇——中國可持續(xù)發(fā)展研究會2005年學術年會論文集 (下冊). 上海: 同濟大學出版社, 2005: 595-600.

[102] Liu S L, Dong Y H, Wen M X, Chen B. Quantify the landscape effect and environmental sustainability of rural region planning at town scale near metropolis. Frontiers of Earth Science in China, 2009, 3(1): 112-117.

[103] 韓博平. 生態(tài)網(wǎng)絡分析的研究進展. 生態(tài)學雜志, 1993, 12(6): 41-45.

[104] Fath B D, Patten B C. Quantifying resource homogenization using network flow analysis. Ecological Modelling, 1999, 123(2/3): 193-205.

[105] Jorgensen S E, Fath B D. Examination of ecological network. Ecological Modelling, 2006, 196(3/4): 283-288.

[106] Fath B D, Scharler U M, Ulanowicz R E, Hannon B. Ecological network analysis: Network construction. Ecological Modelling, 2007, 208(1): 49-55.

[107] 張妍, 楊志峰. 一種分析城市代謝系統(tǒng)互動關系的方法. 環(huán)境科學學報, 2009, 29(1): 217-224.

[108] Chen S Q, Fath B D, Chen B. Information indices from ecological network analysis for urban metabolic system. Procedia Environmental Sciences, 2010, 2: 720-724.

[109] Zhang Y, Yang Z F, Fath B R, Li S S. Ecological network analysis of an urban energy metabolic system: Model development, and a case study of four Chinese cities. Ecological Modelling, 2010, 221(16): 1865-1879.

[110] Zhang J Y, Zhang Y, Yang Z F. Ecological network analysis of an urban energy metabolic system. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 2011, 25(5): 685-695.

[111] Zheng H M, Zhang Y, Yang N J. Evaluation of an Eco-industrial park based on a social network analysis. Procedia Environmental Science, 2012, 13: 1624-1629.

[112] Li Y, Chen B, Yang Z F. Ecological network analysis for water use systems---A case study of the Yellow River Basin. Ecological Modelling, 2009, 220(22): 3163-3173.

[113] Liu G Y, Yang Z F, Chen B. Comparison of different urban development strategy options to the urban metabolism optimal path. Procedia Environmental Sciences, 2011, 5: 178-183.

[114] Liu G Y, Yang Z F, Chen B. Extended exergy-based urban ecosystem network analysis: a case study of Beijing, China. Procedia Environmental Sciences, 2010, 2: 243-251.

[115] Liu G Y, Yang Z F, Chen B, Zhang Y. Ecological network determination of sectoral linkages, utility relations and structure characteristics on urban ecological economic system. Ecological Modelling, 2011, 222(15): 2825-2834.

[116] Liu G Y, Yang Z F, Su M R, Chen B. The structure, evolution and sustainability of urban socio-economic system. Ecological Informatics, 2012, 10: 2-9.

[117] Liu H, Zhang Y. Ecological network analysis of urban metabolism based on input-output table. Procedia Environmental Sciences, 2012, 13: 1616-1623.

[118] Browne D, O′Regan B, Moles R. Comparison of energy flow accounting, energy flow metabolism ratio analysis and ecological footprinting as tools for measuring urban sustainability: A case-study of an Irish city-region. Ecological Economics, 2012, 83: 97-107.

[119] Chrysoulakis, Lopes M, Jose R S, Grimmond C S B, Jones M B, Magliulo C, Klostermann J E M, Synnefa A, Mitraka Z, Castro E A, Gonzalez A, Vogt R, Vesala T, Spano D, Pigeon G, Freer-Smith P, Staszewski Tomasz, Hodges N, Mills G, Cartalis C. Sustainable urban metabolism as a link between bio-physical sciences and urban planning: The BRIDGE project. Landscape and Urban Planning, 2013, 112: 100-117.

[120] Moore J, Kissinger M, Rees W E. An urban metabolism and ecological footprint assessment of Metro Vancouver. Journal of Environmental Management, 2013, 124: 51-61.

[121] Churkina G. Modeling the carbon cycle of urban systems. Ecological Modelling, 2008, 216(2): 107-113.

[122] Kellett R, Christen A, Coops N C, van der Laan M, Crawford B, Tooke T R, Olchovski I. A system approach to carbon cycling and emissions modeling at an urban neighborhood scale. Landscape and Urban Planning, 2012, 110: 48-58.

[123] Chen S Q, Chen B. Network environ perspective for urban metabolism and carbon emissions: A case study of Vienna, Austria. Environmental Science and Technology, 2012, 46(8): 4498-4506.

[124] Oswald F, Baccini P. Netzstadt: Designing the Urban. Basel: Birkh User, 2003.

[125] Kennedy C, Pincetl S, Bunje P. The study of urban metabolism and its applications to urban planning and design. Environmental Pollution, 2011, 159(8/9): 1965-1973.

A review on urban metabolism: connotation and methodology

LU Yi, CHEN Bin*

StateKeyJointLaboratoryofEnvironmentalSimulationandPollutionControl,SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

Facing the pressing ecological problems caused by urbanization, researchers have tried to seek for an effective solution with urban metabolism theory originated from the analogy of natural ecosystem. The metabolic concept has been introduced into artificial ecosystem and thus shapes the theoretical frameworks of the urban metabolism, industrial metabolism, household metabolism and social metabolism, blazing new trials for the urban metabolic studies. In order to penetrate into the urban metabolism issues, we divided the concept with the generalized and specific senses according to different metabolic objects and boundaries. The Aristotelian causality explores the constituted causes of a thing, embracing the material cause, formal cause, efficient cause, and final cause. A four-causes-map for urban metabolism on the perspective of Aristotle′s wisdom was thereby proposed to set up an integrated framework of multi-scale metabolic theories. The urban metabolism studies that have been widely extended and stimulated with myriad innovative methodologies can be interpreted as three main streams in view of Four Causes: 1) Material-based methodology emphasizing the energy and material fluxes of metabolic processes, e.g., material flow analysis,embodied energy (emergy) analysis; 2) Form-based methodology shaping the external morphology and internal structure of urban metabolism, e.g., spatial analysis, ecological footprint and ecological network analysis; 3) Hybrid methodology providing a panoramic figure of urban metabolism. Finally, the future trends and potential solutions were discussed to explore the metabolic pattern and carrying capacity issues relevant to the concrete urban planning activities.

urban metabolism; four causes; industrial metabolism; household metabolism; social metabolism

國家自然科學基金(91325302, 41271543); 國家科技支撐計劃課題(2012BAK30B03); 國家基金委創(chuàng)新研究群體科學基金(51121003); 高等學校博士學科點專項科研基金(20130003110027)

2013-06-09;

日期:2014-05-16

10.5846/stxb201306091538

*通訊作者Corresponding author.E-mail: chenb@bnu.edu.cn

盧伊， 陳彬.城市代謝研究評述：內(nèi)涵與方法.生態(tài)學報,2015,35(8):2438-2451.

Lu Y, Chen B.A review on urban metabolism: connotation and methodology.Acta Ecologica Sinica,2015,35(8):2438-2451.