基于能值分析方法的城市代謝過程
——案例研究

劉耕源，楊志峰，陳 彬

(北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100875)

基于能值分析方法的城市代謝過程
——案例研究

劉耕源，楊志峰*，陳 彬

(北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100875)

城市代謝過程研究是實(shí)現(xiàn)城市生態(tài)規(guī)劃和環(huán)境管理等實(shí)際工作優(yōu)化與決策的關(guān)鍵理論問題之一。核算了1999—2006年北京代謝過程中能值通量和強(qiáng)度，并依照Eco-Indictor 99的劃分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合自然系統(tǒng)對(duì)污染物的自凈化及污染對(duì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)的損害程度測(cè)度方法(DALY法和PDF法)，從城市代謝生產(chǎn)過程和消費(fèi)過程研究城市代謝對(duì)人群健康和自然生態(tài)系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明：(1)北京城市代謝過程大部分依賴于外部購買的不可更新資源的消耗；(2)外部購買的不可更新資源主要依賴于它省的資源供給，對(duì)國外資源利用很少，說明北京是一個(gè)本國資源依賴性的城市，而且這種依賴程度在不斷增長(zhǎng)；(3)當(dāng)前過快的城市代謝過程主要由固定資產(chǎn)建設(shè)所拉動(dòng)，隨著北京基礎(chǔ)建設(shè)程度放緩，這種高依賴性的代謝模式會(huì)的到一定的改變；(4)在考慮生態(tài)損失的情況下其可持續(xù)發(fā)展水平有5%的下降。該研究克服傳統(tǒng)外在預(yù)警式評(píng)價(jià)方法的局限，綜合評(píng)價(jià)城市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)在代謝過程及代謝水平，為城市生態(tài)規(guī)劃和環(huán)境管理提供更為有效的優(yōu)化與決策依據(jù)。

北京；能值評(píng)價(jià)；城市代謝

城市是一個(gè)以人類活動(dòng)為中心的社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，是一個(gè)具有多層次、多輸入、多輸出的耗散結(jié)構(gòu)，它必須從外界獲取物質(zhì)和能量，不斷輸出產(chǎn)品和排放廢物，才能保持穩(wěn)定有序的狀態(tài)。同時(shí)，城市猶如一個(gè)復(fù)雜的有機(jī)體，不斷進(jìn)行新陳代謝，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化、循環(huán)和再生。

長(zhǎng)期以來，中國城市所遵循的高投入、低產(chǎn)出、高污染的粗放型發(fā)展模式導(dǎo)致了嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性隱患與環(huán)境問題，如高度依賴外界物質(zhì)能源投入、物質(zhì)與能源利用效率低、城市廢棄物恣意排放、環(huán)境污染、生態(tài)破壞等。這些生態(tài)環(huán)境問題已對(duì)我國的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一系列懲罰性影響。城市生態(tài)環(huán)境問題的出現(xiàn)，與城市代謝不良密切相關(guān)，可以歸結(jié)為城市生態(tài)系統(tǒng)日益增大的代謝流量，日趨復(fù)雜的代謝結(jié)構(gòu)，不斷降低的生態(tài)效率，持續(xù)惡化的環(huán)境影響。資源的過度使用及低效利用加劇了資源對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的瓶頸制約，產(chǎn)業(yè)布局不合理及污染物不當(dāng)排放導(dǎo)致了城市經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)性隱患與環(huán)境問題。另一方面，在未來相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，我國城市人口仍將保持持續(xù)增長(zhǎng)、城市化進(jìn)程將進(jìn)一步加快、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)入快速轉(zhuǎn)型期、經(jīng)濟(jì)總量繼續(xù)以較快速度增長(zhǎng)。毫無疑問，如果仍然沿用現(xiàn)有發(fā)展模式，必將更為強(qiáng)烈地影響我們賴以生存的自然生態(tài)基礎(chǔ)，最終導(dǎo)致城市健康程度降低甚至生態(tài)系統(tǒng)崩潰。

由此，城市代謝全過程的研究成為實(shí)現(xiàn)城市生態(tài)規(guī)劃和環(huán)境管理等實(shí)際工作優(yōu)化與決策的關(guān)鍵理論問題之一，是解決城市生態(tài)與環(huán)境問題，維系健康穩(wěn)定的城市生態(tài)系統(tǒng)的迫切需要。同時(shí)，由于城市中經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與自然系統(tǒng)交互作用的復(fù)雜性，相應(yīng)城市代謝過程的研究又必須聚焦于城市生態(tài)的系統(tǒng)層面，需要整合系統(tǒng)生態(tài)學(xué)、城市生態(tài)學(xué)和生態(tài)熱力學(xué)等研究方法，從而有力地促進(jìn)這些學(xué)科理論的交叉、創(chuàng)新和發(fā)展。然而，無論是國內(nèi)還是國際，過去對(duì)城市代謝的研究?jī)H局限于元素代謝或部分子系統(tǒng)過程的物質(zhì)代謝研究，尚未建立城市代謝的完備機(jī)制，以及缺乏對(duì)代謝的過程、機(jī)理、通量、效率、結(jié)構(gòu)和影響的全方位度量。這一缺乏主要源自兩方面難題：首先是如何把一系列城市代謝不良問題納入一個(gè)有機(jī)的、多層次、全方位分析體系；其次是如何通過過程拆解，定量各子過程的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理與互動(dòng)關(guān)系。因此有必要順應(yīng)城市生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)整體性的要求，采用多學(xué)科交叉，對(duì)城市代謝全過程進(jìn)行整體評(píng)價(jià)，為城市生態(tài)規(guī)劃和環(huán)境管理提供更為有效的優(yōu)化與決策依據(jù)。

本文以基于“能值分析方法的城市代謝過程研究(1)——理論與方法”一文所提出城市代謝評(píng)價(jià)框架為基礎(chǔ)，結(jié)合所選案例城市特點(diǎn)，進(jìn)行城市代謝過程核算與評(píng)價(jià)，并提出城市未來發(fā)展的建議。

1 北京市基礎(chǔ)能源資源流分析

北京，位于東經(jīng)115°25′—117°30′、北緯39°26′—41°03′之間，地處歐亞大陸的東部邊緣，隸屬環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈，西北部有丘陵南部為平原，占地面積16807.8km2。其擁有悠久的歷史和政治和文化中心的地位，北京是中國最發(fā)達(dá)的城市之一，擁有集成的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，包括電子、機(jī)械、化工、輕工、紡織和汽車制造業(yè)。與發(fā)展中國家的其他大城市一樣，北京也面臨著城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)生態(tài)相矛盾的問題，包括大的流動(dòng)人口、農(nóng)業(yè)土地喪失、資源短缺、高污染、生態(tài)環(huán)境惡化、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)增加等。北京城市系統(tǒng)的演變，可以視為歷史累計(jì)資源消耗和積累，這反過來又引起了城市的組織結(jié)構(gòu)的變化。綜上所述，這些密集的資源消耗在北京大部分都是從其他省市或者境外購買，本土開采比例異常小。此外，所有巨大能源資源的流動(dòng)也伴隨著巨大的服務(wù)和資金流向。

因此，作為具有豐富歷史、龐大規(guī)模的省會(huì)城市，北京是一個(gè)連接中國和世界、傳統(tǒng)與現(xiàn)代重要節(jié)點(diǎn)，而經(jīng)歷了全國鼎力支持打造的2008年北京奧運(yùn)會(huì)也為全球提供了中國城市希望得到世界認(rèn)可的典型案例。本研究選取北京作為案例城市。

2 基于能值的北京市代謝系統(tǒng)核算

本研究使用的能值基準(zhǔn)是15.83×1024sej/a，引用的能值轉(zhuǎn)換率做了相應(yīng)的修正。由于篇幅限制，在此僅以北京市2006年數(shù)據(jù)為例，能值核算結(jié)果詳見表1和2。

表1 2006年城市代謝系統(tǒng)能值流計(jì)算表

*太陽能值轉(zhuǎn)化率定義為1 sej/J

表2 2006年城市代謝系統(tǒng)能值進(jìn)口計(jì)算表

續(xù)表

項(xiàng)目Items單位Units原始數(shù)據(jù)Rawdata能值轉(zhuǎn)換率Transformity/(sej/unit)能值轉(zhuǎn)換率參考文獻(xiàn)Reference能值Emergyvalue/(sej/a) 水果FruitJ/a2.30×10138.88×104[7]2.04×1018 肉MeatJ/a2.75×1095.31×106[5]1.46×1016 奶MilkJ/a2.36×10113.35×106[5]7.90×101713.2進(jìn)口原材料Importedrawandprocessedmaterials 木材WoodJ/a1.51×10155.36×104[1]8.11×1019 鐵礦Ironoresg/a4.68×10131.44×109[1]6.72×1022 建筑用沙石Sandandgravelg/a1.02×10131.68×109[2]1.70×1022 紙與紙板PaperandpaperboardJ/a1.20×10157.37×104[8]8.85×1019 絲SilkJ/a6.39×10111.12×107[1]7.18×1018 羊毛Wool,animalhairJ/a1.32×10147.37×106[1]9.70×102013.3進(jìn)口商品Importedgoods 聚乙烯Polythene(PE)g/a7.30×10104.69×109[9]3.43×1020 聚丙烯Polypropylene(PP)g/a1.60×10104.69×109[9]7.51×1019 聚苯乙烯Polystyrene(PS)g/a1.10×10104.69×109[9]5.16×1019 其他焦炭化工產(chǎn)品Othercokechemicalsg/a2.54×10104.89×109[9]1.24×1020 其他石油化工產(chǎn)品Otherpetroleumproductsg/a1.16×10124.89×109[9]5.69×1021 鋼鐵Ironandsteelg/a2.70×10133.16×109[10]8.53×1022 鋁和鋁產(chǎn)品Aluminumandarticlesg/a1.20×10127.74×108[1]9.29×102013.4進(jìn)口其他金屬及金屬產(chǎn)品Othermetalsandarticlesg/a2.16×10114.74×109[1]1.02×102113.5進(jìn)口高科技產(chǎn)品、機(jī)器、電子產(chǎn)品(拆解成原始材料投入)Hi-techproducts,machineryandelectricalequip-ment 鐵Steelg/a3.65×1093.16×109[10]1.15×1019 鋁Aluminumg/a1.65×1097.74×108[1]1.28×1018 銅Copperg/a1.20×1093.36×109[9]4.05×1018 其他金屬Othermetalsg/a4.20×1094.74×109[1]1.89×1019 陶瓷/玻璃Ceramics/Glassesg/a1.69×10103.18×109[9]5.37×1019 塑料Plasticsg/a6.09×1097.21×109[1]4.39×101913.6進(jìn)口交通設(shè)備Transportequipment(拆解成原始材料投入) 鐵Steelg/a1.88×10103.16×109[10]5.94×1019 鋁Aluminumg/a3.21×1097.74×108[1]2.48×1018 橡膠和塑料材料Rubberandplasticmaterialg/a2.29×1087.21×109[1]1.65×1018 銅Copperg/a6.87×1083.36×109[9]2.31×101813.7進(jìn)口計(jì)算機(jī)產(chǎn)品Computertechnology(拆解成原始材料投入) 黑色金屬Ferrousmetalg/a1.25×1093.16×109[10]3.94×1018 二氧化硅/玻璃Silica/glassg/a1.62×1093.18×109[1]5.16×1018 銅Copperg/a4.36×1083.36×109[9]1.47×1018 塑料Plasticsg/a1.43×1097.21×109[1]1.03×1019 鋁Aluminumg/a8.72×1087.74×108[1]6.75×1017 其他金屬Othermetalg/a4.98×1084.74×109[1]2.36×101814進(jìn)口勞力Importhumanlabor$/a7.30×1085.00×1012*3.65×102115進(jìn)口相關(guān)服務(wù)Servicesassociatedtoimports(體現(xiàn)在進(jìn)口材料與商品中) 來自其他省份Fromotherprovinces$/a1.80×10105.00×1012*9.02×1022 來自國外Import$/a1.05×10101.13×1012**1.19×102216旅游收入Tourism$/a2.30×10105.00×1012*1.15×1023

* 本研究計(jì)算得出，國家能值貨幣比；** 本研究得出，世界能值貨幣比

3 污染物的測(cè)定

本研究將對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人群健康有害的污染物列于表3[11- 12]中。城市代謝過程所排放的大氣污染物包括二氧化硫、粉塵、氮氧化物和甲烷(引起呼吸系統(tǒng)疾病)、二氧化碳、氧化亞氮和甲烷(引起氣候變化)，水體污染物包括水銀、鎘、六價(jià)鉻、鉛、砷、揮發(fā)酚、氰化物、石油、化學(xué)需氧量、氨氮。污染物的數(shù)據(jù)來源主要來自《北京統(tǒng)計(jì)年鑒2000—2007》、《中國環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒2000—2007》等。

表3 所選取的污染物和環(huán)境影響列表[11- 12]

*COD和NH4-N所產(chǎn)生的生態(tài)系統(tǒng)損失由于缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)，這里并沒有考慮

4 污染物直接和間接影響損失核算

表4分別列出了用于污染物處理的額外的能值投入量。這里將針對(duì)城市中不同的代謝過程由于污染物直接和間接影響造成的損失進(jìn)行核算與分析。

4.1 用于污染物處理的額外的能值投入量

用于污染物處理的額外投入的能值詳見表4，可以看出，2006年，北京用于水污染處理和大氣污染處理所投入的量較高，分別為1.43×1021sej/a和1.10×1021sej/a，總的污染處理投入占當(dāng)年總能值投入量(U=4.69×1023sej/a)的0.41%，所占比例很小。而排放物循環(huán)使用量?jī)H為1.31×1020sej/a，還有很大的上升空間。

4.2 用于稀釋的生態(tài)服務(wù)直接能值投入核算

Ulgiati and Brown的一篇文章[15]中曾強(qiáng)調(diào)依托現(xiàn)有生物圈的循環(huán)過程提供自然消解環(huán)境服務(wù)的優(yōu)勢(shì)，這樣可以避免要用于處理廢物額外的投資需求(他們稱之為“熵陷阱”)。但是達(dá)到這種只有很少或者根本沒有額外資源投入的戰(zhàn)略需要就要保證自然界可以吸納這些生產(chǎn)副產(chǎn)品，一旦超過了其能給予的生態(tài)服務(wù)功能最大值便變得不可持續(xù)。需要稀釋降解水中和大氣中污染物的生態(tài)服務(wù)量核算表見表5。這里“可容忍濃度”值參照中國《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838—2002)》和中國《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3095—1996)》。另外，平均風(fēng)速值假定為2.50m/s(北京平均風(fēng)速)。

表4 2006年用于污染物處理的額外的能值投入量

結(jié)果表明，在2006年，北京消費(fèi)過程所排放的水體污染物要高于城市生產(chǎn)過程，而兩個(gè)城市代謝過程排放的空氣污染物非常接近。生態(tài)系統(tǒng)用于稀釋大氣污染物所提供的服務(wù)能值要遠(yuǎn)低于稀釋水體污染物。因此，北京需要放著重點(diǎn)在消費(fèi)過程(家庭消費(fèi)、交通運(yùn)輸服務(wù)以及其他服務(wù)行業(yè))的水體污染方面。分污染物來說，大氣污染物中需要提供稀釋服務(wù)能值最大的為二氧化硫(3.95×1019sej/a)，同時(shí)，所有的水體污染物中，用于稀釋的生態(tài)服務(wù)提供能值最大的是NH3-N，比生產(chǎn)過程需要稀釋的生態(tài)服務(wù)提供能值大10倍以上。

表5 2006年需要稀釋降解水中和大氣中污染物的生態(tài)服務(wù)量核算

Rw-i: 稀釋第i種污染物到可接受濃度的生態(tài)服務(wù)量

需要注意的是，本研究中，只是進(jìn)行了一個(gè)環(huán)境吸收、稀釋代謝過程副產(chǎn)物的粗略估算。這有一個(gè)前提假設(shè)是整個(gè)市區(qū)的生態(tài)服務(wù)是可以支撐稀釋實(shí)際的污染到“可容忍濃度”。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006年北京地表水總量為7.6×108m3，而當(dāng)年稀釋需求水量為3.0×108m3，從總量上看是滿足的，但是仍然存在環(huán)境背景值問題，或者即使不考慮環(huán)境背景值，北京水體也因?yàn)楦鞣N小型水庫和公共供水設(shè)施阻礙水體的自然循環(huán)。換句話說，想用干凈的水來稀釋進(jìn)行需求完全可能會(huì)超過當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有的生態(tài)服務(wù)供給能力。

4.3 污染物排放引起的間接生態(tài)和經(jīng)濟(jì)能值損失核算

大氣污染物對(duì)人體健康的影響包括呼吸系統(tǒng)疾病和氣候變化等，水體污染物對(duì)其影響包括致癌效果和富營(yíng)養(yǎng)化等[16]。在這里考慮6個(gè)空氣中的污染物(二氧化硫，粉塵，氮氧化物，二氧化碳，甲烷，氧化亞氮)和8個(gè)水中的污染物(汞，鎘，六價(jià)鉻，鉛，砷，揮發(fā)酚，氰化物，石油類)，其他污染物由于數(shù)據(jù)問題暫不考慮。

2006年，在城市消費(fèi)過程中由6種大氣污染物所造成人群健康損失為1.15×1021sej/a。水體污染造成的人群健康損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣污染物城市消費(fèi)過程中，氮氧化物和溫室氣體(二氧化碳)作為兩個(gè)最大影響因素，總能值損失量為6.23×1020sej/a。二氧化碳和粉塵有最大的份額，但由于CO2不是國家污染考核指標(biāo)，這可能是CO2造成人群健康損失最大的原因。

5 城市代謝演替分析

從表6中可以看出，自1999年以來，北京總能值使用量(U)以每年19.88%的速度不斷增大，在2004年達(dá)到峰值(25.11%)，這與北京改革開放后以經(jīng)濟(jì)建設(shè)為中心的政策是相匹配的，這期間已逐步建立以加工業(yè)快速發(fā)展、市場(chǎng)為導(dǎo)向的經(jīng)濟(jì)體制，這使得北京能源、原材料、勞動(dòng)力的消耗同步增加。

可更新資源(包括太陽能、雨水能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?在此研究的時(shí)間尺度上是看作是一個(gè)常量。值得注意的是，為了避免重復(fù)計(jì)算，這里可更新資源只考慮了雨水能(最大項(xiàng))。本地不可再生資源的使用波動(dòng)，主要包括石灰石、砂石和鐵礦石，而這些正是建筑類行業(yè)所需要的基本材料，由于北京近年來基礎(chǔ)建設(shè)頻繁，這部分的能值使用量遠(yuǎn)大于自然表土損失和退化土壤的侵蝕。

表6 考慮污染物造成的生態(tài)經(jīng)濟(jì)損失后北京1999年到2006年能值流核算表

表6中還羅列了2006年北京主要進(jìn)口投入能值量。進(jìn)口總額從1999年的1.51×1023sej/a躍升為2006年的3.49×1023sej/a?？傔M(jìn)口的商品中，化石燃料從8.84×1022sej/a上升到1.35×1023sej /a，增長(zhǎng)了1.52倍。建材(包括鐵礦石、鋼鐵等)由4.32×1022sej/a增長(zhǎng)到1.70×1023sej/a，足足增加了3.92倍。這表明近些年北京的經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來越依賴于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，這種趨勢(shì)甚至取代了能源轉(zhuǎn)化行業(yè)。而出口方面石油化工產(chǎn)品、礦產(chǎn)品機(jī)械與運(yùn)輸設(shè)備的能值最大。如表2所示，北京進(jìn)口的服務(wù)能值達(dá)到2.04×1023sej/a，比1999年增長(zhǎng)了4.04倍。由于進(jìn)口量的急劇增大，使得能源自給率下降明顯。另外，通過拆解進(jìn)口來源，發(fā)現(xiàn)從其他省份進(jìn)口的服務(wù)是從國外進(jìn)口服務(wù)的7.6倍，這表明北京的進(jìn)口仍然依賴于國內(nèi)市場(chǎng)間的供需傳遞。而旅游和支付勞力也增長(zhǎng)顯著，相較1999年分別增大了2.58倍和5.52倍。1999年到2006年，煤炭仍是北京最重要的基礎(chǔ)需求能源，可以看出2000年煤炭使用減少，而后急速增加，這應(yīng)與北京備戰(zhàn)奧運(yùn)的大規(guī)模投入相關(guān)。與此同時(shí)，北京使用來自其他省市的石油穩(wěn)步下降，從國外進(jìn)口煤、石油增速明顯，電力使用量也逐年增大(11%到13%)。與此同時(shí)，北京重視了對(duì)清潔能源的使用，天然氣已躍居為第四大能源消費(fèi)，其增長(zhǎng)趨勢(shì)與電力使用量相一致。不考慮體現(xiàn)在使用商品中的服務(wù)，鋼鐵和礦石的消費(fèi)量所占比例最大，而與其相關(guān)的建筑用砂石消費(fèi)也較高。而在表2中，考慮了體現(xiàn)在商品中的服務(wù)，可以看到，高新技術(shù)產(chǎn)品、機(jī)械和電氣設(shè)備的增加明顯，這也說明，北京的產(chǎn)品消耗種類在這幾年發(fā)生較大變化，而高新技術(shù)產(chǎn)品背后所蘊(yùn)含的巨大的勞動(dòng)力和服務(wù)，使其也成為北京市物質(zhì)消耗能值的第3位。

6 北京市能值指標(biāo)分析

在本節(jié)中，通過能值指標(biāo)的分析來考察北京代謝系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

6.1 能值強(qiáng)度

能值強(qiáng)度指單位面積使用能值量，該指標(biāo)用以描述城市經(jīng)濟(jì)活動(dòng)或城市發(fā)展強(qiáng)度和集約程度。如表7所示，北京能值強(qiáng)度，從1999年的1.85×1013sej/m2增長(zhǎng)到2006年的4.59×1013sej/m2，這表明，在過去幾年中，北京保持了較快的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，并取得了經(jīng)濟(jì)總量的新高。從計(jì)算數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，這一增長(zhǎng)主要是進(jìn)口高能值轉(zhuǎn)換的商品和服務(wù)所引起的。結(jié)合能值利用結(jié)構(gòu)和北京人均能值利用量，可以看出，在北京所消耗的總資源，可更新資源輸入非常少，大部分是從境外購買的商品和服務(wù)，這也意味著，當(dāng)?shù)鼐用竦纳钏胶统鞘薪?jīng)濟(jì)的發(fā)展完全依賴于從外部資源購買。

表7 能值指標(biāo)分析表

6.2 進(jìn)/出口結(jié)構(gòu)

對(duì)于城市生態(tài)系統(tǒng)，能值居民享有的福利也可以通過比較資源的進(jìn)口和出口，這是通過兩個(gè)比率占透露，一個(gè)是出口和進(jìn)口之間的差額，另一種是進(jìn)口/出口。

一個(gè)城市的出口和進(jìn)口的能值之間的時(shí)間內(nèi)超過凈差額反映資源流向不同地區(qū)之間的貿(mào)易發(fā)生時(shí)的過程。評(píng)估能值帳戶的交易，揭示了“真正的財(cái)富”的交流，因此，從傳統(tǒng)的貿(mào)易原則，是相當(dāng)不同的。相反，當(dāng)出口大于進(jìn)口，即出口與進(jìn)口的比例如果是超過1，則反映城市出口真實(shí)的財(cái)富，這會(huì)被證明是一個(gè)“生態(tài)貿(mào)易”逆差；當(dāng)進(jìn)口高于出口，即該比率小于1，則意味著進(jìn)口占主導(dǎo)地位的平衡，表現(xiàn)出一種良好的貿(mào)易狀態(tài)。

從1999年到2006年，北京的出口/進(jìn)口比率都是小于1。在此期間，北京工業(yè)的快速發(fā)展帶來了快速的能源需求，使油耗增加從1999年的1.01×1023sej/a增加到2006年的1.90×1023sej。這些燃料的大部分是用于工業(yè)、建筑業(yè)和交通部門。在此期間，進(jìn)口能值比的最大差異出現(xiàn)在2005年和2006年的出口能值上。

6.3 環(huán)境影響

環(huán)境負(fù)荷率(ELR)是本地的不可再生能值和購買能值(包括服務(wù))與本地可再生能值的比值。相比一個(gè)成熟的自組織系統(tǒng)，環(huán)境承載力越高，表明其更多地依賴于間接的資源。北京環(huán)境承載率數(shù)值增加劇烈，從1999年的208增長(zhǎng)到2006年的455。這種數(shù)據(jù)只是為今后的城市發(fā)展規(guī)劃提供一個(gè)“生態(tài)中心”的價(jià)值而不是“人類中心”的價(jià)值觀做鋪墊，這一點(diǎn)后面會(huì)有相關(guān)的解釋。

6.4 環(huán)境可持續(xù)發(fā)展指數(shù)

環(huán)境可持續(xù)發(fā)展指數(shù)是總的經(jīng)濟(jì)收益(EYR)與總的環(huán)境負(fù)荷(ELR)之比。該指標(biāo)根據(jù)生態(tài)經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng)的特點(diǎn)，既考慮了從客觀出發(fā)分析系統(tǒng)的環(huán)境壓力，又考慮到了系統(tǒng)生產(chǎn)在人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)中的實(shí)際作用，由此得出的能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)。非常明顯，北京的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)在不斷下降，這也與人們常提到的僅憑外界的進(jìn)口跟掠奪式的本地開發(fā)促成的城市不可持續(xù)發(fā)展不謀而合。

6.5 修正后能值指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)

能值產(chǎn)出率(EYR)可以看出對(duì)本地資源的依賴程度，只有達(dá)到更多可更新資源的利用，才可能更好的確保城市的可持續(xù)發(fā)展。在這里重點(diǎn)查看由于考慮了污染物造成的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)損失后對(duì)指標(biāo)的影響，從表中可以看出，損失對(duì)能值產(chǎn)出率的影響不并不大，即使在1999年這種污染物排放較大的年份。而環(huán)境負(fù)荷率(ELR)的影響較大，環(huán)境負(fù)荷率進(jìn)一步提高(ELR′)考慮污染物造成的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)損失后，由于間接輸入流主要是不可再生的能源，增加了相應(yīng)的投入。

環(huán)境可持續(xù)指標(biāo)ESI′值作為能值產(chǎn)出率和環(huán)境負(fù)荷率的比值，也發(fā)生了相應(yīng)的變化。由于減少了產(chǎn)出比(EYR′lt;EYR)以及增加了負(fù)荷率(ELR′gt;ELR)的綜合效應(yīng)，可持續(xù)指數(shù)ESI′值顯著下降，在1999年下降明顯，達(dá)8.2%，2006年也有3.5%的降低，但基本的趨勢(shì)并沒有改變。研究也表明，由于污染物排放的影響，確實(shí)通過人群健康的影響和城市生態(tài)資本的損失大大拉低了城市代謝系統(tǒng)的可持續(xù)性。

對(duì)比近年來城市代謝的相關(guān)研究，其中Li and Wang 計(jì)算出北京家庭代謝能值總量為1.06×1016sej/a，ELR為104.60[17]；Zhang等計(jì)算出北京2004年能值總量為6.514 ×1023sej/a，ELY為531.23[18]。之前結(jié)果普遍結(jié)果都偏大，原因在于由于難以處理進(jìn)出口復(fù)雜商品，這些研究中普遍是采用進(jìn)出口貨幣量來折算能值量，這樣與實(shí)際考慮商品種類和包含的勞動(dòng)和服務(wù)價(jià)值要大的多(因?yàn)檫M(jìn)口商品能值核算不應(yīng)該乘以國內(nèi)能值貨幣比)，而由于僅考慮污染物排放量，沒有考慮污染物排放造成的損失量，所以計(jì)算出的ELR也偏大。

7 討論與結(jié)論

本文基于作者以往研究，以北京為例，運(yùn)用生態(tài)熱力學(xué)的方法對(duì)北京市1999年到2006年的代謝過程進(jìn)行熱力學(xué)核算，對(duì)復(fù)雜商品的能值計(jì)算進(jìn)行修正，并拆解了不同尺度的商品來源，研究了排放物的環(huán)境影響，但僅僅評(píng)價(jià)是不夠的，主要問題還在于(1)概念模型仍然太簡(jiǎn)化；(2)多尺度嵌套體現(xiàn)在哪里；(3)如何理解結(jié)論中提出的“絕對(duì)比例的進(jìn)口跟掠奪式的本地開發(fā)促成的城市不可持續(xù)”。

對(duì)環(huán)境和人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的關(guān)系可以很容易地被理解并且建模出一個(gè)整體的世界體系(見圖1)，利用能路語言，來描述地區(qū)之間的能源和物質(zhì)的流動(dòng)，以及相應(yīng)的控制(反饋)機(jī)制。這樣可以很直觀的來看出能量與物質(zhì)的流動(dòng)與匯集。

從之前的計(jì)算和分析的結(jié)果可以得出北京的一些并不超出我們預(yù)期的結(jié)論，如北京從國內(nèi)其他省市的進(jìn)口要比從其他國家進(jìn)口高52.7倍；北京使用的能值總量遠(yuǎn)不及其所應(yīng)該支付的貨幣量；北京極高的環(huán)境負(fù)荷遠(yuǎn)不是本地可更新資源可以消納；而由于GDP和能值使用量的“掛鉤”使得實(shí)現(xiàn)北京經(jīng)濟(jì)的發(fā)展在不可持續(xù)的道路前進(jìn)一步(圖1)。

圖1 城市代謝系統(tǒng)在國家與世界體系中的地位與作用Fig.1 The urban metabolic system position and role in the national and world system

如圖1所示，能值流從左至右從城市到國家最終實(shí)現(xiàn)全球累積，而貨幣流作為交易的反饋流與能值流逆方向流動(dòng)。由于各個(gè)國家的資本情況不同，資本強(qiáng)的國家可以通過加速資本流運(yùn)作實(shí)現(xiàn)更多的能值流的進(jìn)入，這種不公平的交易可以看成是一種目的在于區(qū)域自我增強(qiáng)的新殖民主義傾向。而更多實(shí)際情況是由于貧困和資源分布的不均衡，財(cái)富很多情況的分配是取決于權(quán)利、關(guān)系而不是公平。從圖1可以看出，這種權(quán)利控制線由右至左，影響著物質(zhì)與能量向著區(qū)域流動(dòng)，用以加強(qiáng)核心區(qū)域的自我累計(jì)。這也證明了中國依賴社會(huì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，憑借部分地區(qū)的政治和經(jīng)濟(jì)力量，通過技術(shù)轉(zhuǎn)變進(jìn)行中國(世界)市場(chǎng)轉(zhuǎn)化，加速了一些產(chǎn)業(yè)核心區(qū)的能量流輸入。

圖1還從另一個(gè)角度說明了這種多尺度嵌套的效果和影響，上面是說總能值使用量上的控制，還有一個(gè)方面是污染物產(chǎn)生的影響。由于污染物的遷移和溫室氣體的全球影響，使得人們對(duì)污染物的考慮不能僅限于本地的自凈與填埋，而要考慮其對(duì)于全國甚至全球的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，也要考慮污染物在國家尺度和全球尺度的貯存和累積。

如上所述，用能值這樣一個(gè)能量累計(jì)的概念并不是全新的，但是以此擴(kuò)大出一個(gè)全新的基于世界體系的城市代謝理論，如“城市依賴?yán)碚摗钡?，用以說明不同的城市可能定位于生產(chǎn)者或者消費(fèi)者的不同角色，而在這種不公平不均衡的發(fā)展過程中，本身是什么角色并不重要，而是在于相互之間是什么樣的關(guān)系。所以當(dāng)看到城市絕對(duì)比例的進(jìn)口跟掠奪式的本地開發(fā)時(shí)，它并不一定是不可持續(xù)的，而是形成了一種全國關(guān)聯(lián)或者全球關(guān)聯(lián)的聚團(tuán)，而處于核心地位的城市通過經(jīng)濟(jì)、政治優(yōu)勢(shì)濃縮了周邊的資源、人力及價(jià)值的創(chuàng)造，而真正的不可持續(xù)的是與它緊密關(guān)聯(lián)的其他區(qū)域。本研究構(gòu)建了城市、國家、全球多層嵌套模型，旨在通過能量流和交易過程形成全球關(guān)聯(lián)的快照。而不同區(qū)域生產(chǎn)的產(chǎn)品離開生產(chǎn)者，它代表了一種類型的資源，但由于不同區(qū)域提供的產(chǎn)品體現(xiàn)服務(wù)不同，最終到達(dá)消費(fèi)者之前，其最終的貿(mào)易值其實(shí)發(fā)生了巨大變化[19]。如資源型城市出口產(chǎn)品體現(xiàn)服務(wù)價(jià)值很低，高科技產(chǎn)品體現(xiàn)了巨大的服務(wù)價(jià)值。所以能值分析的方法可以統(tǒng)一真實(shí)物理量值和體現(xiàn)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)人與自然界面的交互。本研究試圖為城市代謝研究提供一個(gè)新的視角，為實(shí)現(xiàn)城市系統(tǒng)調(diào)控和整體規(guī)劃提供一定的理論支持。

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Urbanmetabolismprocessbasedonemergysynthesis:acasestudyofBeijing

LIU Gengyuan, YANG Zhifeng*, CHEN Bin

StateKeyJointLaboratoryofEnvironmentalSimulationandPollutionControl,SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

The knowledge of urban metabolism process is a major step towards the design of sustainable development schemes and environmental management. This study systematic simulated and analyzed the mechanisms of Beijing urban ecosystem from a thermodynamic point of view. This assessment model review and compile existing data and studies on environmental issues available primarily at some sources, which include resource accounting and environmental impact assessment. The direct and indirect emergy demand was assessed based on airborne and waterborne pollutants dilution patterns, and concepts of Life Cycle Impact Assessment followed the DALY and PDF methods. Results pointed out (1) the development of economy in Beijing was closely correlated with the consumption of the nonrenewable resources and exerting rising load on environment; (2) of the total emergy use by the economic system, the imported nonrenewable resources from other province contribute most with increasing use from imported nonrenewable resources; (3) the rapid growth of society fixed capital investment drave Beijing′s economic development and GDP′S growing; (4)emissions greatly reduced the sustainability of the urban metabolic system by pulling resources for damage repair and for replacement of lost natural and human-made capital. Such a knowledge is a necessary pre-requisite to perform a reliable cost-benefit evaluation of urban sustainability strategies, and provide guidance to policy decisions.

Beijing; urban metabolism; emergy analysis

國家科技支撐資助項(xiàng)目(2012BAC05B02); 國家基金委創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助(51121003); 高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20110003120031); 中國博士后科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(20110490014); 國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41101564); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金; 低碳高端產(chǎn)業(yè)園區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值研究項(xiàng)目(26400150); 低碳高端產(chǎn)業(yè)園區(qū)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建項(xiàng)目(26400151)

2012- 04- 26;

2012- 10- 23

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

10.5846/stxb201204260598

劉耕源，楊志峰，陳彬.基于能值分析方法的城市代謝過程——案例研究.生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33(16):5078- 5089.

Liu G Y, Yang Z F, Chen B.Urban metabolism process based on emergy synthesis: a case study of Beijing.Acta Ecologica Sinica,2013,33(16):5078- 5089.