穆獻(xiàn)中, 朱雪婷

北京工業(yè)大學(xué)循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究院, 北京 100124

能源對(duì)于城市的發(fā)展至關(guān)重要,在快速的城市化進(jìn)程中,城市的眾多環(huán)境問題源于這一過程對(duì)能源的不合理消費(fèi)。因此,為順應(yīng)可持續(xù)發(fā)展趨勢(shì),應(yīng)圍繞“如何科學(xué)引導(dǎo)城市能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型” 這一核心問題,理清城市能源系統(tǒng)的內(nèi)在代謝機(jī)理,為我國(guó)城市能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供參考。能源代謝是指能源從資源形態(tài)到最終消費(fèi)形態(tài)的所有過程,期間伴隨廢棄物的產(chǎn)生。簡(jiǎn)言之,城市能源代謝就是城市區(qū)域內(nèi)能源消費(fèi)和廢棄物產(chǎn)生的過程,主要包括能源的輸入、加工轉(zhuǎn)化、終端消費(fèi)和能源代謝污染物的排放四個(gè)環(huán)節(jié)[1]。能源代謝的主要特征是存在直接能源代謝和間接能源代謝,其中,直接能源代謝具備單向性,間接能源代謝具備雙向性和交叉重疊性。在深入了解城市能源代謝的內(nèi)涵和特征的基礎(chǔ)上,探究城市能源代謝的內(nèi)在機(jī)理有助于追蹤城市能源代謝的核心環(huán)節(jié),揭示城市在能源利用過程中存在的問題及代謝污染物對(duì)城市生態(tài)和環(huán)境的影響,從而識(shí)別城市能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),為城市能源的政策制定提供科學(xué)依據(jù)。

近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于不同方法對(duì)城市能源代謝過程進(jìn)行了研究。對(duì)已有研究整理發(fā)現(xiàn),城市能源代謝的復(fù)雜性不僅體現(xiàn)在能源消費(fèi)規(guī)模上,更體現(xiàn)在城市內(nèi)部能源代謝路徑的交叉和重疊上,形成城市系統(tǒng)中多部門、多種能源流的復(fù)雜交互網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此,可以將城市能源系統(tǒng)中各部門和能源流抽象為網(wǎng)絡(luò),利用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析研究城市能源代謝過程。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析最初應(yīng)用于自然生態(tài)系統(tǒng),因其在分析系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)越性,逐步應(yīng)用于城市經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、水系統(tǒng)和能源系統(tǒng)等的研究。本文通過梳理生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法的發(fā)展脈絡(luò)及在城市能源代謝中的應(yīng)用,指出已有研究存在的不足,并對(duì)未來城市能源代謝的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析提出研究展望。

1 城市能源代謝研究

城市能源系統(tǒng)研究是城市生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)研究的重要分支,因?yàn)殡S著城市生態(tài)系統(tǒng)研究的不斷深入和理論方法的不斷創(chuàng)新,一些研究者[2- 3]認(rèn)為能源系統(tǒng)的研究不應(yīng)孤立地分析其系統(tǒng)本身,而應(yīng)將其作為城市生態(tài)系統(tǒng)的一部分[4],從生態(tài)系統(tǒng)角度研究能源系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律,分析其組織形態(tài)和行為特征[5],即從能源代謝角度進(jìn)行分析。

1.1 城市新陳代謝研究

將城市視為完整生態(tài)系統(tǒng)的思想最早來自于Wolman基于物質(zhì)代謝視角分析城市生態(tài)系統(tǒng)的研究思路。根據(jù)Wolman的觀點(diǎn),城市是一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng),城市新陳代謝包含了物質(zhì)/能量輸入、產(chǎn)品/廢物輸出的整個(gè)過程。可見廢物產(chǎn)生是資源利用的必然結(jié)果,只有合理利用資源,才能減少資源浪費(fèi)和環(huán)境破壞[6]。后來的學(xué)者大多接受Wolman的觀點(diǎn),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步解釋和發(fā)展了城市代謝的概念[7- 10]。近年來,關(guān)于城市物質(zhì)代謝的實(shí)證研究大量涌現(xiàn),根據(jù)研究視角的不同,可以將這些研究分為三類：一是研究以城市為代謝主體的多種物質(zhì)新陳代謝過程,如北京市[11- 14],張掖市[15],石嘴山市[16],大連市[17- 18],榆林市[19],石家莊市[20]等；二是針對(duì)某一特定元素,分析其在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的流動(dòng)代謝過程,如碳元素[21- 22],鐵元素[23],硫元素[24],氮元素[25],鉛元素[26],鉀元素[27],鋁元素[28]等；三是針對(duì)某一種具體物質(zhì),研究其在城市經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的流動(dòng)代謝過程,目前研究主要集中在水資源[29- 33]和能源[34-39]兩方面。

1.2 城市能源代謝研究的不同方法比較

城市能源代謝作為城市新陳代謝的重要組成部分[33],一些學(xué)者指出城市能源代謝的系統(tǒng)性分析是城市代謝研究的核心問題[40],這是因?yàn)樵谀茉戳鲃?dòng)過程中,大量能源被用于維護(hù)城市系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[41]。早期的能源系統(tǒng)研究主要集中于能源供需平衡[42-44],能源使用強(qiáng)度[45-50],能源利用結(jié)構(gòu)[51-54]和系統(tǒng)功能[55-56]等。這些研究主要分析能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能,側(cè)重于描述能源系統(tǒng)的靜態(tài)特征。例如,Zhang等提出了能源結(jié)構(gòu)多樣性指數(shù)[57]；Templet等[53]和Xu等[54]評(píng)估了城市能源結(jié)構(gòu)的多樣性；在功能分析方面,普遍的研究框架是基于圖論的城市能源系統(tǒng)能流狀態(tài)的分析[58-61]?？梢?早期研究就城市能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的分析,在如何具體描述能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、如何分析系統(tǒng)的功能特性、如何通過優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能來實(shí)現(xiàn)城市能源系統(tǒng)新陳代謝的可持續(xù)健康發(fā)展等關(guān)鍵問題上沒有做出充分解釋。

基于上述問題,不同學(xué)者嘗試從能源代謝的角度出發(fā),運(yùn)用不同方法對(duì)城市能源系統(tǒng)及其系統(tǒng)組分進(jìn)行了研究。Liang等運(yùn)用改進(jìn)后的投入產(chǎn)出方法,對(duì)蘇州市的能源代謝狀況進(jìn)行了分析[62]。Browne等分別利用物質(zhì)流、代謝比和生態(tài)足跡分析法探討了利默里克市的能源代謝情況[63]。Baynes等從城市新陳代謝的角度分析了澳大利亞墨爾本地區(qū)的能源代謝過程[64]。Yang等利用能值分析法對(duì)廈門市的能源代謝進(jìn)行了研究[65]。Garcia-Montiel等分析了波多黎各圣胡安大都市區(qū)的社會(huì)生態(tài)過程對(duì)區(qū)域內(nèi)的能源流動(dòng)和代謝的影響機(jī)制[66]。劉華軍等基于1995—2012年的中國(guó)省際能源消費(fèi)數(shù)據(jù),利用社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析方法對(duì)能源消費(fèi)空間關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征及其效應(yīng)進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)考察[67]。姜巍等以2007年的中國(guó)投入產(chǎn)出表為基礎(chǔ),運(yùn)用威弗綜合指數(shù)法構(gòu)建了中國(guó)產(chǎn)業(yè)部門之間的聯(lián)系網(wǎng)絡(luò),并對(duì)以煤炭開采和洗選業(yè)為主的5個(gè)主要能源產(chǎn)業(yè)的網(wǎng)絡(luò)特征進(jìn)行了分析[68]。趙顏創(chuàng)等在部門調(diào)研數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資料分析的基礎(chǔ)上,提出了一種基于能量流的城市能源代謝綜合分析方法,系統(tǒng)分析了能源在城市內(nèi)部的流動(dòng)過程,并全面核算了能源的5種主要代謝污染物的排放量,同時(shí)使用7個(gè)指標(biāo)對(duì)能源代謝進(jìn)行評(píng)價(jià),系統(tǒng)研究了廈門市2009年的能源代謝情況[1]。Chen等學(xué)者以北京市為例,比較了能量流分析,投入產(chǎn)出分析和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析三種方法在分析城市能源代謝過程中的不同之處,并指出生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析可以揭示各部門之間相互作用的機(jī)制以及各部門對(duì)能源的依賴程度[69]。

可以看出,城市能源代謝分析主要集中于能量流分析、投入產(chǎn)出分析和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析等方法。其中能量流分析是研究城市代謝的傳統(tǒng)方法[70],計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)(社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng))能量的輸入和輸出,但該方法的缺陷在于沒有考察系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)和能量的流動(dòng)過程,因此忽略了能量流動(dòng)過程中的隱含能量。因此,Haberl率先提出了“能量代謝”的概念[71],改進(jìn)了能量流分析方法[72],打破了傳統(tǒng)研究的“黑箱模式”, 詳細(xì)分析了箱內(nèi)(即城市生態(tài)系統(tǒng)的部門)流量。(此處“黑箱模式”是指：只側(cè)重于研究系統(tǒng)的外部特征,例如總投入和總產(chǎn)出,卻不能檢查系統(tǒng)內(nèi)部,即不能對(duì)城市能源系統(tǒng)內(nèi)部能量交換的細(xì)節(jié)進(jìn)行足夠的分析。)但該方法仍未解決中間非能源產(chǎn)品和物質(zhì)交換中的隱含能量計(jì)算問題。投入產(chǎn)出分析主要通過累計(jì)消費(fèi)系數(shù)評(píng)估產(chǎn)品中蘊(yùn)含的能量,但同樣無法計(jì)算中間產(chǎn)品中的間接能耗。而基于多路徑和多節(jié)點(diǎn)分析的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析可以有效計(jì)算總能源消耗(直接能耗+間接能耗),并可以結(jié)合投入產(chǎn)出分析識(shí)別能源流量,從而揭示城市能源系統(tǒng)的代謝機(jī)制。因此,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法在研究城市能源系統(tǒng)代謝時(shí)具備較強(qiáng)優(yōu)越性。

2 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法將研究對(duì)象中所傳輸交換的物質(zhì)、能量和信息等介質(zhì)抽象化為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn),而節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的交流關(guān)系共同組成了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合投入產(chǎn)出方法,研究系統(tǒng)間和系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間介質(zhì)的流動(dòng)關(guān)系,分析所研究系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、功能特征以及不同時(shí)期發(fā)展和演化的規(guī)律。目前,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法已經(jīng)成為研究生態(tài)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)以及城市代謝系統(tǒng)等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)外部特征和內(nèi)部機(jī)理等結(jié)構(gòu)功能的重要工具?；谠摲椒ㄔ谘芯肯到y(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間各組分關(guān)系的優(yōu)越性,其得到了迅速的發(fā)展與推廣應(yīng)用,在城市能源系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛。

2.1 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法起源

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析起源于1973年Hannon[73]將Leontief[74-75]所開發(fā)的投入-產(chǎn)出模型,用于研究生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量的流動(dòng)[76],是當(dāng)前分析生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能之間相互作用的主要方法之一。該方法可以定量分析生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中生態(tài)流的方向和數(shù)量以及參與者之間的相互作用,從而揭示生態(tài)系統(tǒng)行為的完整性和復(fù)雜性[77]。1976年,Patten和Finn首先發(fā)表了關(guān)于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)流量分析的論文[73,78]。最初該分析方法被廣泛應(yīng)用于自然生態(tài)系統(tǒng)的研究[79-83],自從2002年Bodini 和 Bondavalli首次將生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法應(yīng)用到城市系統(tǒng)中以來,該方法在城市系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展[84],例如城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)[12,85- 86]、城市水系統(tǒng)[87]、城市能源系統(tǒng)[34,37]、城市碳代謝系統(tǒng)[22,88-89]等。目前,城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析主要集中于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法與指標(biāo)的拓展及多尺度的應(yīng)用研究,針對(duì)不同的研究目的與需要,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法又形成了上升性分析和環(huán)境元分析兩大分支[90]。

2.2 上升性分析方法

上升性分析主要研究系統(tǒng)的整體外在表征特點(diǎn),例如系統(tǒng)穩(wěn)定性[91],即系統(tǒng)抵抗外界干擾變化的能力；系統(tǒng)總通量[92],即系統(tǒng)中流經(jīng)所有成員的流量的總和；系統(tǒng)發(fā)展程度[93],即系統(tǒng)發(fā)展的最大潛力和系統(tǒng)冗余度[31]等,在該方面上升性具有很大的優(yōu)越性。運(yùn)用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法研究各地區(qū)水資源代謝時(shí),多采用上升性分析,例如研究黑河流域[31]、白洋淀流域[94]、黃河流域[95]、美國(guó)Sarmato城市[93]以及北京市[30]等地區(qū)。同時(shí)也有學(xué)者運(yùn)用該方法評(píng)價(jià)城市系統(tǒng)的可持續(xù)性[96-97]和健康發(fā)展水平[17]等。但該方法不能表征網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)間的相互作用機(jī)制,而環(huán)境元分析能夠有效解決這一問題[90]。

2.3 環(huán)境元分析方法

環(huán)境元分析方法主要研究系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)分布和功能關(guān)系,該方法源于傳統(tǒng)的 Leontief 投入產(chǎn)出分析,因此會(huì)涉及到Leontief矩陣的應(yīng)用。該方法運(yùn)用的前提是系統(tǒng)是穩(wěn)態(tài)的[98],在此基礎(chǔ)上對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布和功能關(guān)系進(jìn)行分析。主要用于剖析系統(tǒng)的內(nèi)在機(jī)理特征,如系統(tǒng)內(nèi)的通量[70,99],即每一個(gè)成員流通量的總和；綜合流量[70,99],即資源在成員之間流動(dòng)的數(shù)量；綜合效用[100],即定量化評(píng)價(jià)兩兩成員之間的生態(tài)關(guān)系；控制程度[101],即識(shí)別某一節(jié)點(diǎn)對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的控制作用；共生程度[13],即系統(tǒng)整體或每一成員的效用水平等。環(huán)境元分析相比上升性分析在城市系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍較廣,主要集中在能源[102-103]、水[29,31]、二氧化碳[88]以及多種物質(zhì)[12,104]等的研究,另外在碳元素[92,105]、氮元素[25,100]和硫元素[24]等代謝分析中也有廣泛應(yīng)用。表1說明了兩類方法的內(nèi)涵和具體指標(biāo)應(yīng)用。

表1 上升性和環(huán)境元分析指標(biāo)

3 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法在城市能源代謝中的應(yīng)用

研究城市能源生態(tài)系統(tǒng)的一般思路是,利用城市能源網(wǎng)絡(luò)流圖、能源平衡表及投入產(chǎn)出表存在的結(jié)構(gòu)相似性,構(gòu)建城市能源生態(tài)網(wǎng)絡(luò),分析網(wǎng)絡(luò)中各部門間以及與外部環(huán)境間的能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)化、流動(dòng)和消費(fèi)的代謝過程,并以此為基礎(chǔ)對(duì)城市能源系統(tǒng)進(jìn)行分析[73-76,106]。目前,國(guó)內(nèi)關(guān)于“城市能源代謝的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析”的研究主要集中于北京師范大學(xué)楊志峰院士和張妍教授的研究團(tuán)隊(duì)。

該團(tuán)隊(duì)基于城市能源代謝特征開發(fā)城市能源代謝生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型,并以北京市1995,2000,2005和2007的歷史數(shù)據(jù)對(duì)城市系統(tǒng)內(nèi)能源流量進(jìn)行考察,利用環(huán)境元分析中的效用分析法闡明了城市能源系統(tǒng)內(nèi)各部門的復(fù)雜關(guān)系[107]；在此基礎(chǔ)上,該團(tuán)隊(duì)研究了中國(guó)四個(gè)典型城市(北京,天津,上海和重慶)17個(gè)部門的能源流,分析城市能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,闡明優(yōu)化城市能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方法,從而說明如何在未來的城市系統(tǒng)研究中使用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法[106]；之后分別建立了4個(gè)城市的5部門生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型和17部門模型,對(duì)比了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析中的簡(jiǎn)單模型(5部門模型)和復(fù)雜模型(17部門模型)在分析城市能源系統(tǒng)時(shí)的不同服務(wù)功能[108]?？紤]城市系統(tǒng)中的能源代謝網(wǎng)絡(luò)不僅包含實(shí)物能源流,還應(yīng)該考慮中間產(chǎn)品利用和交換過程中所隱含的能源流,即間接能源消耗。基于此觀點(diǎn),該團(tuán)隊(duì)將生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法與經(jīng)濟(jì)學(xué)中的投入產(chǎn)出分析法相結(jié)合,以北京市為例,測(cè)算了城市能源系統(tǒng)內(nèi)28個(gè)部門的直接能源消耗和間接能源消耗,特別是對(duì)城市新陳代謝部門的間接能源流動(dòng)進(jìn)行了深入分析[99]。以此為基礎(chǔ),研究了北京市2000年至2010年間28個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)部門的能源消耗情況,確定了能源流動(dòng)過程及其在北京市各行業(yè)的利用分布情況,并根據(jù)研究結(jié)果為北京減少能源消耗提出來相關(guān)政策建議[12]。運(yùn)用同樣的方法,他們做了兩個(gè)方面的拓展：一是同樣以北京市為研究對(duì)象,將生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析與投入產(chǎn)出分析相結(jié)合,從碳足跡的角度分析了城市系統(tǒng)內(nèi)28個(gè)部門的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),量化了城市產(chǎn)品和服務(wù)中隱含的能源和碳足跡[109]。二是將該方法從單一城市尺度(北京)擴(kuò)展到了多城市尺度和的應(yīng)用：根據(jù)2002年和2007年中國(guó)各省的多區(qū)域貨幣投入產(chǎn)出表和能源統(tǒng)計(jì)年鑒,結(jié)合生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法,分別計(jì)算了各省的直接和間接能源消費(fèi)以及整體能源的投入和產(chǎn)出,描述了中國(guó)七個(gè)城市的能源流動(dòng)結(jié)構(gòu)[102]；以及抽象出行業(yè)部門和能源流作為網(wǎng)絡(luò)模型中的節(jié)點(diǎn)和路徑,構(gòu)建了北京、天津和河北三地多個(gè)部門間的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型,在核算京津冀城市群直接能耗和間接能耗的基礎(chǔ)上,考察了能源在城市中各部門之間的代謝路徑和在北京、天津和河北三個(gè)地區(qū)間的流動(dòng)以及三個(gè)地區(qū)在能源流動(dòng)中各自的生態(tài)地位[103]。隨后對(duì)京津冀城市群進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究,以京津冀為研究對(duì)象,根據(jù)2010年中國(guó)的多區(qū)域投入產(chǎn)出表,結(jié)合生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法,構(gòu)建了一個(gè)以部門和能源流為節(jié)點(diǎn)和路徑的18部門網(wǎng)絡(luò)模型,計(jì)算了部門和區(qū)域的能源消耗,詳細(xì)描述了能源在城市中各部門和京津冀城市間的流動(dòng)過程[76]。隨后,該團(tuán)隊(duì)使用該方法,將多區(qū)域投入產(chǎn)出表和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析相結(jié)合,從兩個(gè)角度分別分析了京津冀地區(qū)與中國(guó)其他地區(qū)的能源流動(dòng)。一個(gè)角度是將京津冀地區(qū)作為一個(gè)整體,研究其與中國(guó)其他27個(gè)省區(qū)的能源流動(dòng)；另一個(gè)角度是分析北京、天津和河北三個(gè)地區(qū)之間的能源流動(dòng)和代謝機(jī)制[37]。

其他學(xué)者應(yīng)用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法研究城市能源代謝的研究主要有：鄭詩賞等采用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法,首先構(gòu)造了2000、2005、2010和2014年山東省整體能源代謝網(wǎng)絡(luò),然后對(duì)其進(jìn)行了流量分析和效用分析,探討了山東省能源代謝網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能關(guān)系[35]。Chen等以北京市為例,在多區(qū)域投入產(chǎn)出表和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析相結(jié)合的基礎(chǔ)上,分析了城市系統(tǒng)中能源利用和水資源之間的聯(lián)系[32]；之后,Wang等運(yùn)用同樣的方法研究了京津冀地區(qū)城市系統(tǒng)中能源利用和水資源之間的聯(lián)系[36]；彭焜等將生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法和系統(tǒng)投入產(chǎn)出法相結(jié)合,對(duì)湖北省能源和水資源的耦合關(guān)系及協(xié)同管理機(jī)制進(jìn)行了研究[110]。

綜上所述,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法在城市能源代謝中已有廣泛應(yīng)用,主要基于城市能源系統(tǒng)中能源流的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)化、傳輸、消費(fèi)和排放路徑進(jìn)行分析,以反映系統(tǒng)中各部門間的互動(dòng)關(guān)系；在單一城市尺度和多個(gè)城市尺度均有應(yīng)用,但研究力度和深入度仍有待提升。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析中的環(huán)境元分析法是目前研究城市能源代謝過程的一個(gè)主要方法,即通過列昂惕夫矩陣計(jì)算出城市能源系統(tǒng)中的隱含能流,進(jìn)而得出能源系統(tǒng)組分間的關(guān)聯(lián)。但用來研究系統(tǒng)整體外在表征特點(diǎn)的上升性分析在其中的應(yīng)用較為欠缺。之前有學(xué)者將生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析中的上升性分析和環(huán)境元分析相結(jié)合,用于城市物質(zhì)代謝[17]、水資源代謝[31]和社區(qū)碳代謝[111]的由外在整體表征特點(diǎn)到內(nèi)在代謝過程的分析。但將二者結(jié)合起來分析城市能源代謝狀況的研究較少,即大部分學(xué)者只是研究了城市能源代謝系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)行機(jī)理,但對(duì)于系統(tǒng)整體外在表征特點(diǎn)所做研究工作存在不足,為后來者提供了研究空間。

4 結(jié)論與展望

自城市能源系統(tǒng)這一概念提出以來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于不同角度對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了分析。目前研究成果眾多,而城市能源系統(tǒng)的代謝研究是其中非常重要的研究分支。經(jīng)過眾多學(xué)者不停地探索與研究,城市能源代謝的研究方法不斷得到改進(jìn)與完善。通過對(duì)比各個(gè)方法在具體應(yīng)用中的優(yōu)劣勢(shì),本文認(rèn)為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法是目前研究城市能源代謝過程較為先進(jìn)的方法,但通過整理目前城市能源代謝生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的已有成果,發(fā)現(xiàn)仍存在一些問題,如研究尺度問題,對(duì)系統(tǒng)的分析不完善問題,數(shù)據(jù)可獲取性問題等。因此,本文在綜合梳理城市能源代謝、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法及其應(yīng)用等已有研究和脈絡(luò)的基礎(chǔ)上,對(duì)未來生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法在城市能源代謝問題中的繼續(xù)深入研究進(jìn)行了展望：

(1)拓展城市能源代謝的研究尺度。城市能源系統(tǒng)作為相互關(guān)聯(lián)的開放系統(tǒng),單城市的研究尺度已難以滿足現(xiàn)實(shí)需求,多城市群體或區(qū)域協(xié)同一體化是未來重要的研究方向。但就目前研究進(jìn)展來看,單城市背景和城市群尺度的研究都相對(duì)較少,且主要集中在京津冀城市群。在當(dāng)前大力推進(jìn)城市群一體化建設(shè)背景下,拓展分析尺度,構(gòu)建多城市能源系統(tǒng)協(xié)同的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型,分析城市能源系統(tǒng)的代謝過程,將是未來的重要研究方向。

(2)加強(qiáng)城市能源代謝上升性分析和環(huán)境元分析的結(jié)合。對(duì)城市能源代謝的系統(tǒng)認(rèn)識(shí),應(yīng)從系統(tǒng)的外在表征和內(nèi)部機(jī)理兩方面進(jìn)行全面解析。上升性分析和環(huán)境元分析方法分別應(yīng)用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)外部特征和分析系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)理,服務(wù)于不同的研究目標(biāo)。但目前二者在城市能源代謝方面的結(jié)合應(yīng)用比較欠缺,因此未來應(yīng)該加強(qiáng)城市能源代謝上升性分析和環(huán)境元分析的結(jié)合。

(3)增加生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型不同精細(xì)度的對(duì)比研究。目前研究中已出現(xiàn)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型精細(xì)度有5部門模型、17部門模型和28部門模型等等,但均是獨(dú)立研究。關(guān)于不同模型精細(xì)度的對(duì)比研究并不多見,模型精細(xì)度的不同對(duì)分析結(jié)果造成的影響并不明晰。因此,未來的一個(gè)研究方向是理清何種生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型精細(xì)度可以滿足何種研究需要,突出生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型不同精細(xì)度的對(duì)比研究。