全 文 ：面向环境管理的城市代谢物质实体空间研究评述∗
刘　 晔１，２∗∗　 刘　 丹３
（ １中国科学院农业政策研究中心 ／中国科学院地理科学与资源研究所，北京 １００１０１； ２中国科学院沈阳应用生态研究所，沈阳
１１００１６； ３中国刑事警察学院， 沈阳 １１０８５４）
摘　 要　 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．
关键词　 环境问题； 城市代谢； 优化模式； 城市生态系统
文章编号　 １００１－９３３２（２０１５）０７－２２２５－１２　 中图分类号　 Ｆ２０５　 文献标识码　 Ａ
Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｎ ｕｒｂａｎ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｐａｃｅ ｅｎｔｉｔｉｅｓ ｆｏｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ
ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ． ＬＩＵ Ｙｅ１，２， ＬＩＵ Ｄａｎ３ （１ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｐｏｌｉｃｙ， Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｅｏｇｒａ⁃
ｐｈｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ａｎｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１０１， Ｃｈｉｎａ；
２Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００１６， Ｃｈｉｎａ； ３Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｏ⁃
ｌｉｃｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０８５４， Ｃｈｉｎａ） ． ⁃Ｃｈｉｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｅｃｏｌ．， ２０１５， ２６（７）： ２２２５－２２３６．
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｕｒｂａｎ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ｉｓ ａ ｂａｓｉｃ ｔｈｅｏｒｙ ｆｏｒ ｃｏｐｉｎｇ ｗｉｔｈ ｇｌｏｂａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ， ｗｈｉｃｈ
ｉｓ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｉｍｓ ｏｆ ｎａｔｉｏｎａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ
ｕｒｂａｎ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ， ａｎｄ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ｔｈｅ ｍｅａｎｉｎｇ ｆｏｒ ｕｒｂａｎ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ｉｎ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｐａｃｅ ｅｎｔｉｔｉｅｓ； ｒｅ⁃
ｖｉｅｗｅｄ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｕｒｂａｎ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ａｎｄ ｉｔｓ ｍｅｒｉｔｓ ａｎｄ ｓｈｏｒｔａｇｅｓ； ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ
ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ， ｃｏｎｎｏｔａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｉｅｓ； ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅｓ ｏｎ ｕｒｂａｎ ｍｅｔａ⁃ｂｏｌｉｓｍ
ｐｒａｃｔｉｃｅｓ ｉｎ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｐａｃｅ ｅｎｔｉｔｉｅｓ． Ａｔ ｌａｓｔ， ｗｅ ｍａｄｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｗｅｒｅ ｓｈｏｒｔａｇｅｓ， ｉｎｃｌｕ⁃
ｄｉｎｇ ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ， ｂａｓｉｃ ｔｈｅｏｒｙ ｓｙｓｔｅｍ， ａｎｄ ｉｎｔｅｒｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｔｈｅｏｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｃｕｒ⁃
ｒｅｎｔ ｕｒｂａｎ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ｒｅｓｅａｒｃｈ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃａｓｅｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｕｒｂａｎ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ｗｅｒｅ ｌｉｍｉｔｅｄ ａｎｄ
ｎｏｔ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｔｏ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｏｃｉｅｔｙ， ｅｃｏｎｏｍｙ， ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ． Ｉｎ ｔｈｅ ｆｕ⁃
ｔｕｒｅ， ｗｅ ｎｅｅｄ ｔｏ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃａｓｅ ｓｔｕｄｉｅｓ ｆｒｏｍ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ， ｄｅ⁃
ｖｅｌｏｐ ｔｈｅ ｐｒｉｏｒ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｕｒｂａｎ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ｒｅｓｅａｒｃｈ， ｉｄｅｎｔｉｆｙ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ ｕｒｂａｎ
ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ， ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｔａｋｉｎｇ
ｕｒｂａｎ ｓｐａｔｉａｌ ｅｎｔｉｔｙ ｓｐａｃｅｓ ａｓ ｕｎｉｔｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ； ｕｒｂａｎ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ； ｐｒｉｏｒ ｍｏｄｅｓ； ｕｒｂａｎ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ．
∗国家自然科学基金青年科学基金项目（４１２０１５８４）资助．
∗∗通讯作者． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｌｉｕｙｅ＠ ｉａｅ．ａｃ．ｃｎ
２０１４⁃０９⁃０２⁃收稿，２０１５⁃０３⁃１２接受．
　 　 自工业革命以来，全球生态系统不断面对环境
变化的冲击．为应对日益恶化的全球变暖和气候异
常等环境问题，把握人类主导的生态系统的变化原
因、明晰变化规律、找到具有科学理论体系支持的应
对机制，已成为当前国家环境管理的重要议题．我国
政府对应提出了低碳发展、循环发展和绿色发展的
目标，各地和各级科研部门也响应中央号召不断加
快气候变化的生态建设和环境改善的实践活动，城
市环境管理的研究在这个过程中起着至关重要的作
用．这不仅因为城市是人类经济活动的中心、社会发
展的心脏，也是环境问题产生的主要源头；而且因为
城市拥有国家政治、经济和文化上的政策、技术和管
理的主要力量，囤积着大量可用于维持社会运转的
应 用 生 态 学 报　 ２０１５年 ７月　 第 ２６卷　 第 ７期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ｊｕｌ． ２０１５， ２６（７）： ２２２５－２２３６
物质存量［１］ ．
经过几十年的理论发展和实践应用，城市代谢
已逐渐成为城市环境管理研究的重要内容．大量研
究表明，城市代谢与环境变化密切相关；随着城市化
的不断发展，全球大部分城市的代谢强度在不断增
加，并与当地地下水位变化、局部地区原材料耗竭、
热岛效应及富营养化现象等密切相关，对城市可持
续性会产生严重影响．城市代谢的研究内容是城市
资源和能源运转的基本规律，这正是城市环境问题
的理论研究方向；同时，我国政府提出的环境管理目
标也与城市代谢研究的应用方向一致．城市是一个
不完全的生态系统，其运转所需的物质与能量及运
行产生的末端废弃物都必须与外界进行交换而获得
或处置，自身的结构和功能才能得以维系和发展．深
入研究城市代谢对解决区域环境问题意义重大［２－４］ ．
因此，本研究深入解读了城市代谢的概念、总结了城
市代谢研究的系统边界及内涵界定，并综述了城市
代谢物质实体空间的研究框架，意在解析城市代谢
理论如何更好地应用于环境管理实践．
１　 城市代谢概念
代谢原义指生物体内全部有序化学变化的总
和，包括物质代谢和能量代谢两方面．城市代谢将城
市复合生态系统视为生命有机体，分析城市与周围
环境之间的物质循环和能量流动，是一种多层次、多
尺度系统分析城市能源消费与利用格局的综合方
法［５］ ．“城市代谢”研究具有多学科交叉解释环境问
题的特点，其概念的产生和发展融合了多个学科的
共同作用．在环境学领域，Ｗｏｌｍａｎ［６］首次提出了“城
市物质代谢”的概念，他认为城市系统的运作是一
个新陈代谢的过程，并假想一个百万人口的都市，分
析其内部能源、水、矿产资源的使用消耗，及最终产
生废弃物的过程，结果显示，城市代谢概念清晰界定
了物质能源需求以及排放废弃物对自然生态系统的
环境影响情况．Ｋｅｎｎｅｄｙ 等［４］在此基础上进一步提
出“城市代谢是发生在城市中的技术和社会经济过
程的总和”．本文认为，城市应视作全球生态系统的
一部分，其自然生态系统和人工生态系统都符合生
物体代谢的模式．城市代谢即物质和能量在城市系
统内部的输入、存储和输出的过程．在物质实体空间
上，城市人工系统与城市自然系统相结合共同构成
了城市代谢研究的物质实体［５］ ．应用于物质实体空
间的研究使城市代谢研究真正从实验室走向现实，
在寻找、评估和实施降低排放、提高效率和产出的措
施、以及降低系统的代谢外延性程度上发挥了应有
的作用．通过多年的积累，城市代谢研究已经发展成
为以物质流和能流代谢过程为核心，以生态学理论
为基础，以大量学科交叉研究为依托的实用性学科，
且由于其交叉学科的属性，实际上可以实现与城市
地理学、产业生态学、城市生态学、生态经济学等领
域一系列研究内容［７－１０］的互补，进而发挥作用共同
为城市物质实体空间的环境管理提供理论基础．
２　 城市代谢研究的系统边界及内涵界定
城市代谢向上可追溯到社会代谢概念，向下可
溯及工业代谢（也称产业代谢，本文统称工业代谢）
概念．以往已有很多学者对城市代谢产生缘起和研
究方法进行过较全面的综述，然而，这些综述并未对
城市代谢研究的系统边界和内涵进行解析，也未从
城市物质实体空间的环境管理需要出发，这显然不
利于城市代谢研究的理论发展和实践应用．
２􀆰 １　 城市代谢研究的系统边界解析
随着对城市环境问题认识的深化，城市代谢已
成为不断上升的热点研究领域，然而由于城市代谢
机制的复杂性，使得在城市代谢理论研究中融入新
发现、新知识方面，往往断章取义，难以融会贯通．在
理论研究方面，不同领域研究者难以形成统一的研究
共识，研究的系统化和规范化进程缓慢．在实践应用
中，城市代谢研究成果的应用范围有限，各地区的城
市代谢研究成果难以相互借鉴，城市代谢研究进度与
各时期城市建设和环境管理需求不符．为解决上述问
题，首先需要对城市代谢的系统边界进行定义．
城市代谢研究的系统边界定义可以分为两类：
一类是以城市的地理边界为系统边界；另一类是以
城市内部出现的环境问题影响范围为边界．城市的
演化经历政治城市、经济城市、信息城市和生态城市
的发展历程．在政治城市阶段，城市因政治而生，产
生于农业文明初期，用做人类社会的组织中心和精
神统治中心，是农业生态系统的调控中心．在经济城
市阶段，社会分工细化，经济系统的组织运作方式日
益复杂，城市作为系统的调控中心优先得到发展，进
化速度远远快于农业生态系统的其他部分，城市的
生产功能依托政治地位得到迅速加强，成为城市的
有机组成部分．在信息城市阶段，全球贸易、交通、信
息网络逐步建立，城市逐渐成为“地球生命系统”的
调控中心，城市内部环境不佳，能量浪费、水循环减
弱、物质循环受阻、生物多样性降低，成为全球环境
问题的源头．在生态城市阶段，城市生态系统演化到
６２２２ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
“顶极阶段”，城市系统内部良性运转、最大限度地
实现效率，同时可以实现与其他生态系统的耦合，实
现全球生命系统内部的能量传递、物质循环、信息畅
通，达到全球生态平衡．城市不同发展阶段的两种边
界明显不同，随着演化等级提高，地理边界与环境影
响边界差距逐级递增．从环境问题的全球化趋势可
知，城市环境问题最终的影响范围可达全球尺度，这
使得建立在物质实体空间上的城市代谢研究的系统
边界问题更难以界定．
生态学研究中的自然生态系统存在“顶极”阶
段，该阶段的生态系统实现了稳定的动态平衡，系统
边界容易确定．自然生态系统和人工生态系统的基
本运行机制是其物质和能量代谢过程，从两者可类
比的角度出发，物质实体空间上的城市生态系统最
后的理想状态也将到达顶级阶段；按照自然和人文
状况的不同特点，全球城市的“顶极”生态系统将具
有类型上的差异．城市生态系统“顶极”阶段应符合
结构合理、功能高效、关系协调以及社会和谐、环境
友好和经济繁荣的要求［１１］ ．在自然系统中，“顶极”
可能在原始自然状态下形成，也可能在受到人为干
扰破坏后经过恢复而成．而在人工系统中，“顶极”是
人和自然共同作用的结果．可以说，就当前的研究而
言，发达国家的一些城市可能达到了“顶极”，但发
展中国家却离“顶极”状态甚远，而且全球生态系统
平衡还是难以实现的目标．因此，从系统稳定性出发
确定城市代谢研究系统边界暂时不太可能．
一般来看，每个城市的发展必须有一定的物质
基础和固定的物质实体空间，以保证其内部特定的
结构与功能正常发挥作用．出于界定的便捷性和实
践性的需要，城市代谢研究的系统边界应为城市的
实体空间边界，即市政设施配套的区域且能保证城
市各子系统正常运作以及各项生态功能正常发挥作
用的区域，就是城市物质实体代谢研究的空间对应
区域，以利于保证研究的针对性以及确保城市代谢
规律在实践应用过程中可以按类型对城市生态系统
进行分类管理和制定“顶极”规划和实施目标．值得
注意的是，由于城市化的发展，现有的城市行政边界
将不断发生变化，当城市化发展到一定阶段时速度
将会减慢，甚至停滞下来．这种情况在发达国家已经
表现出规律性，因此，系统边界应以当前城市行政边
界为系统边界，待有一定研究基础后根据城市化规
律拓展研究边界．
２􀆰 ２　 城市代谢研究的内涵解析
从城市代谢概念出现至今，该研究一直与生态
学的概念紧密相关．这一类比而来的概念无论从生
物体角度考虑，还是从生态系统角度考虑都可以恰
当地诠释城市作为人工系统能量和物质的输入、存
储到输出的运行机制，而且由于城市森林系统的存
在，城市本来就是自然生态系统和人工生态系统耦
合体，因此，城市生态系统作为城市代谢研究的对象
是毋庸置疑的．马世骏等［１２］创造性地提出，城市是
一类以人类技术和社会行为为主导，生态代谢过程
为经络，受自然生命支持系统所供养的社会⁃经济⁃
自然复合系统［１３］ ．城市生态系统的不同功能决定了
其生态服务的内涵，而城市的生存和发展离不开这
些服务．王如松等［１４］认为，这些服务可以分为两种
类型：一类是提供原材料、劳力、资金、技术、设备等
物质、能量和信息的直接服务，这些服务一般都能通
过市场进行商品交换，可以称作社会生态服务；另一
类是维持人类赖以生存、发展的生命支持系统的持
续运行，从而间接支持社会经济活动的自然生态服
务，如稳定大气、调节气候、缓冲干扰、调节水文、保
持水土、熟化土壤、营养元素循环、环境自净、传授花
粉、生物控制、维护环境、基因遗传，以及科研、教育、
美学、艺术及休闲等用途．这些服务的不同组合形式
构成了物质实体空间上城市代谢的内在特征．
城市生态系统在物质实体空间上表现为具有不
同功能和建设特点的空间组合，这些组合可以进一
步形成更高层次的组合，最终逐级形成复杂的等级
层次系统的螺旋结构．它们的基本构成为：住区空间
子系统、商业 ／服务空间子系统、物质生产空间子系
统、社会文化空间子系统、交通运输空间子系统、市
政基础设施子系统、景观绿地及自然保留地空间子
系统．这种空间上的有机整合体现了物质实体空间
城市代谢的外部特征．从理论上看，城市代谢的实现
可以通过运行机制研究实现横、纵两向结构模式的
整合；在横向层面中着重于物质实体空间子系统之
间的功能配合与城市中总体形象的塑造，而在纵向
层面中着重于物质实体空间子系统与不同层级城市
社会组织与管理的配合，以满足不同层面的人类需
要，以及实现人类社会与原生生态系统之间关系的
协调．因此，依托物质实体空间的城市生态系统及其
各功能区子系统研究就是城市生态两类服务的结合
点，是城市环境管理的落脚点，也是体现城市代谢实
践作用的现实所在．
城市代谢研究作为产业代谢和社会代谢研究的
延伸，在研究方法上与其他代谢研究具有一致性．事
实上，这也体现了城市代谢研究的多尺度特征．这种
７２２２７期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 刘　 晔等： 面向环境管理的城市代谢物质实体空间研究评述　 　 　 　 　
一致性保证了城市代谢研究能够最大程度地融汇其
他“代谢”的研究成果．例如，产业代谢的多尺度研究
可以视为城市代谢中城市经济单元（如城市产业、
行业、产业园区、企业等）研究；社会代谢的多尺度
研究则可以视为城市代谢中社会单元（如人口、社
区、家庭、个体、文化等）研究．综上所述，城市代谢在
物质实体空间上的研究内容应该是系统中所有各类
物质、能量的输入、输出和累计（储存）过程、动力学机
制及其生态、环境影响因素分析．从定量研究出发，这
需要建立一些指标来表征经济、社会发展以及自然生
态、环境因素与物质、能量代谢之间的相互关系，识别
特定环节或过程中减缓资源消耗、减轻环境负荷和生
态影响的可行措施［５］ ．这些研究是以现有概念和研究
方法为基础，既可以实现物质实体空间功能分区研
究，也可以为城市环境管理提供决策支持．
３　 城市代谢物质实体空间的研究框架
３􀆰 １　 概念模型
如何实现城市各部门的高效运作和各种功能间
的协调运行，建立起一种能够整合社会、机制、文化
驱动因素的新方法是城市代谢物质实体空间研究的
核心目标．本文根据以往城市代谢理论的应用，总结
了城市物质实体空间代谢研究框架图（图 １）．城市
代谢研究应包含城市代谢指标体系、城市代谢演化
规律、城市优化模式、城市环境管理决策支持系统等
组成部分，这 ４个部分中各部分既是城市代谢研究
框架体系的组成部分，又可以根据环境管理的需要
自我完善．在技术层面，研究已经融合了 ３Ｓ（ＧＩＳ、
ＧＰＳ、ＲＳ）、统计分析数据、计算机模拟技术等多种研
究方法．研究最初应该进行数据收集，包括社会调
查、试验分析、空间数据解译以及社会经济统计收集
等，多种途径收集多尺度数据的目的是为了实现产
业、社区与市政部门之间物质循环、材料流动等信息
交汇融合；有条件的可以建立空间数据库，根据城市
范围的定量空间信息，建立基于空间技术的城市共
生空间数据库．然后，应该根据数据分析结果和专家
知识建立城市代谢指标体系，用以识别城市各功能
区及其内涵，对城市代谢的效率进行定量描述．在充
分运用城市代谢研究方法的基础上，分析材料、水、
能源、废物等要素的输入、运转和输出过程，从人口、
文化、教育、土地权属等社会要素出发分析城市代谢
的社会影响因素，从居民可支配收入、财政收入、基
础设施投入等经济要素出发分析城市代谢的经济影
响指标体系，进行城市功能分区研究和评估城市生
态系统服务水平，基于上述分析结果识别城市代谢
的基本特征．第二阶段应该识别城市代谢演化路径，
探析城市代谢演化机制，进而实现城市代谢优化模
式模拟．该模拟系统内部应体现城市各子系统的高
效运行和协调发展的特点，并能实现城市的社会、经
济和环境效率的最大化．第三阶段在收集各国已有
城市代谢效率优化技术的基础上，结合城市发展特
点，建立城市环境管理决策支持系统，通过国内外已
有城市代谢研究成果的横向比较和纵向分析，实质
上促使城市代谢研究完成从实践到理论的飞跃，为
城市环境规划和管理提供科学参考和决策工具．这
个研究框架显示城市代谢研究不但能够定量分析和
描述环境状况及其趋势，还可为城市环境政策提供
一定的信息参考．
３􀆰 ２　 城市代谢研究方法
由于当前城市代谢研究的方法体系并未完善，
且受篇幅所限，因此，本文只是介绍城市代谢核心方
法，并未直接包括城市代谢物质实体空间研究的全
部方法．如，多元统计分析、空间分析和计算机模拟
方法作为多学科适用方法，在城市代谢研究中主要
用作制图、影响因素分析和决策平台建设技术集成，
本文并未介绍．
３􀆰 ２􀆰 １能值分析 　 能值分析指任何资源、产品或劳
务形成所需的直接或间接太阳能之和，单位用太阳
能值表示［１５］ ．能值的数值大小反映了自然对社会产
品和服务的形成所投入的无偿服务，也即生态成本．
能值分析以能值为共同基准，综合分析评价系统的
能物流、货币流、人口流、信息流，得出一系列反映系
统结构和功能特征与生态经济效益的能值指标，评
价系统的可持续发展性能及决策［１６］ ．它结合控制
论、系统生态学与热力学原理，可以通过生物物理学
理论的方法，实现自然属性与人类行为的连接，评估
终端用户所获得的客观生态服务和生态压力等特
征［１７］ ．由于其继承自食物网原理的特点，对解决城
市物质实体空间实体种存在的资源消耗过程的环境
评估是恰当的．目前基于能值分析已经出现了不同
层次城市代谢的研究案例．这些案例为了解城市生
态系统的组成和功能、进一步完善城市代谢研究方
法体系积累了宝贵经验．
３􀆰 ２􀆰 ２物质流分析方法　 物质流分析是根据质量守
恒定律对经济⁃环境系统之间的输入流、输出流和存
量进行核算，研究其代谢的过程，同时也通过“隐
流”概念表征未被利用但是却进入经济系统而被白
白浪费的物质．物质流分析以质量作为共同基准，将
８２２２ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
图 １　 城市代谢物质实体空间的研究框架
Ｆｉｇ．１　 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｏｆ ｕｒｂａｎ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｐａｃｅ ｅｎｔｉｔｉｅｓ．
研究系统设置为黑箱，可以从资源消耗和废弃物排
放的角度对城市物质和能量消耗对环境的影响进行
系统分析，评价系统提出的一系列可持续发展指标，
用于对社会经济部门的决策和结果进行评估［１８］，具
有明确的研究系统框架［１９－２１］ ．从研究方法来看，具
有材料流分析和整体物质流分析两种分类．材料流
是研究某种特定物质的流，如战略性资源（铁、铜、
锌等），以及砷、汞等环境中的有毒有害物质，或者
钢铁、化工、林业等产业部门的物质流．另一种是整
体物质流分析，主要研究国家或区域系统的物质输
入和输出［２２］ ．相对于前者，整体物质流分析更受研
究者信赖．与自然生态系统的物质流相比，物质流分
析中经济系统物质流缺乏完备的循环代谢机制，同
时每个环节的流动和代谢路径过长，使得能源效率
明显降低，加重了生产过程对环境的压力．
３􀆰 ２􀆰 ３ 火用分析　 火用分析也可称为有用能或可用能分
析，是计算能量中能转变为有用功的部分，因此，火用
分析即是物质或能量的有用性或品质的表征分析．
９２２２７期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 刘　 晔等： 面向环境管理的城市代谢物质实体空间研究评述　 　 　 　 　
这个概念不同于能值分析的部分在于，该方法考虑
的物质或能量按质量进行区分，计算中能够真正度
量资源的稀缺性和有用性，火用是能量“质”和“量”的
统一，可以对各种形式的物质、能量和信息进行统一
度量，并赋予其科学客观的意义［２１］ ．随着火用分析在
环境影响分析中的应用，火用分析的指标表现形式不
断得到延展．火用环境影响可通过秩序破坏、资源退化
与废排放三方面内容得以表述［２３］；结合会计理论，
也用于计算环境污染措施的工程成本［２４］，特别是借
助扩展火用和投入产出表等两个方面可以实现产业
代谢过程的网络分析［２５］ ．火用分析作为表达能量和物
质“有效性”的研究方法，适用于反映以城市为系统
的结构、梯度、等级和组织等特征，对于进一步完善
城市代谢的方法论具有参考价值．
３􀆰 ２􀆰 ４其他方法　 除上述 ３ 种方法外，生态足迹分
析、人类占用净初级生产力分析和社会代谢分析等
方法也曾被视作城市代谢分析．与能值分析、物质流
分析、火用分析等方法相比，它们的研究范围都脱离
了城市实体，应视为非物质实体空间城市代谢的典
型代表．其中，生态足迹指生产一定数量人口所消费
的所有资源和吸纳这些人口所产生的所有废弃物所
需要的生物生产总面积（包括陆地和水域） ［１７］；人类
占用净初级生产力指潜在的天然植被的净初级生产
力（没有人类干扰时盛行植被的净初级生产力）和
当前生态循环中现有生物量总量之差，表征人类社
会对自然生态系统的占用程度［２６］；社会代谢分析指
将各个尺度（如国家、经济部门、次级部门、省 ／州、
社区、直至个别家庭）的社会经济系统能量代谢过
程与该系统的经济（如 ＧＤＰ、劳动生产率）、人口（如
人口年龄和性别）、生态（如能源密度）和社会（如义
务教育和退休年龄的规定）特征结合起来，综合地分
析评估社会经济的发展与可持续性的方法［２７］ ．与物质
实体空间研究关注的外部特征和过程分析不同，它们
更关注静态分析结果、环境压力和环境影响．
表 １ 对上述研究的优缺点进行了总结，可以更
直观判断它们在城市代谢研究中的适用性和需要改
进之处．从现有资料来看，能值分析和物质流分析可
以与其他学科的研究方法交叉融合以解决城市代谢
物质实体空间研究的方法论问题，因此，可以认为是
城市代谢物质实体空间分析的主流研究方法．例如，
生命周期评价和投入产出分析常被用于与物质流分
析和能值分析等方法结合共同开展城市代谢分析．
生命周期分析偏重于从全生命周期角度出发对系统
边界内开展从输入、存储到输出的分析，被认为是对
某一产品系统或服务从原材料获取直至最终废弃处
理的整个生命周期的输入、输出进行编制及对其潜
在环境影响进行评价的技术［２８－２９］ ．投入产出分析则
是通过使用投入产出表的价值量，与其他评价方法
整合进行系统边界内的输入、储存到输出的分
析［３０－３２］ ．近些年随着计算机技术的发展，大量城市
代谢集成分析工具，如 ＬＥＡＰ 模型［１０］、ＢＲＩＤＧＥ［４］、
ＳＩＭＢＯＸ［４］和生态网络分析［２５］等研究工具的出现反
映出城市代谢研究方法向着多种方法融合方向发展
的趋势．
４　 物质实体空间城市代谢的研究应用
从物质实体空间出发，城市代谢研究围绕当前
城市快速发展中存在的诸多环境问题开展多层面研
究．在特征及要素分析层面，从城市代谢现行能源、
物质、养分及废弃物的输入、运行和输入过程分析出
发，能够提供城市发展过程中环境影响的整体评价；
在城市发展限制因素识别层面，能够从现有限制
表 １　 城市代谢测度方法比较
Ｔａｂｌｅ １　 Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｕｒｂａｎ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ
方法 Ｍｅｔｈｏｄ 优点 Ｍｅｒｉｔ 缺点 Ｓｈｏｒｔａｇｅ
能值分析
Ｅｍｅｒｇｙ ａｎａｌｙｓｉｓ
主要利用流量分析的生态系统和自然资源
基础，强调生命过程中太阳能的非物质作用
缺乏数据难以进行太阳能值的计算，在整合
和表达不同城市过程中是困难的．忽视了地
理因素和气候过程、核能和定性因素
物质流分析
Ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｌｏｗ ａｎａｌｙｓｉｓ
可以用于可持续指标的综合计算，尤其是关
于环境压力的计算．大量商品的输入和输出
的定量
需要物质开采和使用的数据，不能整合多个
物质转化过程
火用分析
Ｅｘｅｒｇｙ ａｎａｌｙｓｉｓ
通过使用的资源降解过程，能够追踪工业、
地理区域、物质或产品的资源流，以及这些
资源流如何随时间变化
缺少分类一致的数据，特别是主要的数据库
的合并．与其他方法的融合尚未完成
生态足迹分析
Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ
可以直观地描述物质的环境影响 缺少地理定位信息，难以作具体深入的指导
应用
人类占用净初级生产力
Ｈｕｍａｎ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｅｔ ｐｒｉｍａｒｙ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
直观评价人类对特定地域生态系统的占用
程度
缺乏进口物品和社会经济其他方面考虑
社会代谢分析
Ｓｏｃｉａｌ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ａｎａｌｙｓｉｓ
可以用于物质消耗产生的环境压力分析和
分部门分析
缺少独立的城市代谢过程分析，难以完成动
态性分析
０３２２ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
城市发展的自然和社会经济等多因素出发分析限制
城市代谢正常运转的影响因素；在城市设计应用层
面，能够提供从城市规划、社区规划到建筑物规划诸
层面的建议；在城市代谢优化层面，能够根据城市及
其子系统发展的需要提供城市环境管理优化措施建
议；在决策支持层面，能够根据城市政府环境决策的
实际需要提供决策支持模型．
４􀆰 １　 物质实体空间城市代谢特征及要素分析
物质实体空间城市代谢特征分析包含城市及各
子系统的能源、物质、营养和废弃物等的输入、转化
与输出等分析内容．城市整体的代谢特征是早期城
市代谢研究的主要内容，如在意大利的罗马、日本的
东京、澳大利亚的悉尼，以及中国的台北、北京、天
津、上海、重庆等大型城市进行过相应研究．也有观
点认为，这种城市整体的代谢特征可以作为可持续
发展评估标准，如 Ｍａｒｃｌａｒｅｎ［３３］根据城市代谢特征进
行了全球城市可持续性发展评价．按评价方法的差
异，近期的研究主要为物质流⁃能值分析和空间方法
分析两类．物质流⁃能流分析方法主要针对城市的某
种金属和养分，或者将城市作为整体进行城市代谢
特征研究．这类研究需要庞大的资金支持，大多在洛
杉矶［３４］、日内瓦［３５］、巴黎［３６－３７］等地区开展研究，如
考虑城市代谢可能涉及的生态系统适应性［３８］、有毒
废物的累积［３９］、生物地球化学循环［４０］、物质变化的
历史特点［４１］、城市基础设施系统的完备度［４２］ ．
随着应对全球环境问题的需要及空间分析技术
的发展，这类研究有不断向着碳 ／水代谢、空间定量
化分析和与物质实体空间代谢特征匹配的方向发展
和延伸的趋势．如为了应对全球变暖问题，城市代谢
领域的专家 Ｋｅｎｎｅｄｙ等［４３］在 ２００９ 年进行了全球主
要城市温室气体排放的计算．Ｂｒｏｗｎｅ 等［４４］应用大量
生物物理可持续性指标监测爱尔兰地区，强调从能
源物质输入功能角度测量温室气体排放率进行“能
流代谢率分析”具有重要价值．Ｚｈａｎｇ 等［４５］使用生态
网络分析建立城市能流模型，指出碳足迹主要来自
间接消费（可以解释 ６０％的城市碳排放），并据此提
出减少碳排放的关键是改善间接消费的利用效率．
Ｌｉｕ等［４６］在中国开展了针对 ３１ 个典型城市代谢的
空间变化能值分析，在城市代谢的地理特征差异、经
济发展水平和当前能源可获得性认识方面取得进
展，不但实现了中国城市生态系统代谢水平的空间
制图，也为进一步开展驱动力和可持续性政策建议
奠定基础．Ｓｕ等［４７］认为，城市代谢的方法和指标可
用作城市生态系统健康现状评价，以广州为案例区，
结合城市生态系统健康水平和不同土地利用子系统
的空间信息，得到了城市生态系统健康的空间分布
信息，提出广州北部应作为重点保护区、中部和南部
应作为优先发展区、中南部和中西部是限制开发区
的观点，同时指出健康状态指标应用与划分标准．
Ｇｕｏ等［４８］从快速城市化带来的环境影响出发，定量
分析城市道路系统的代谢过程，重点分析其存量的
组成和空间分布，提出了改进的城市代谢模型． Ｉｎｏｓ⁃
ｔｒｏｚａ［４９］根据空间位置和城市存在时间及城市代谢
类型不同，研究了城市间物质积累的差异程度，提出
城市代谢行为与城市形态之间存在联系，这种联系
可以通过物质流分析应用于城市规划实践．
４􀆰 ２　 城市发展限制因素识别
物质实体空间城市发展限制因素识别及优化是
城市代谢研究近期的重要研究内容之一．它显示出
城市代谢为城市环境管理部门提供城市问题产生原
因解析、重点部门识别和优化措施的重要作用．随着
对城市环境问题本质认识的提升，城市代谢方法对
识别城市发展限制因素及优化模式提供了保证，这
也为提升部门间的协同程度和提高社会经济环境综
合效益提供了保障．如 Ｌｉａｎｇ 等［５０］研究发现，炼焦、
金属的熔解和压制、电力的生产和供应是控制城市
温室气体排放的关键，清洁能源作为城市能源的主
体、加强废弃物的综合利用是实现二氧化碳减排目
标的有效途径．Ｐｉｎｃｅｔｌ［５１］研究发现了城市的自然生
态系统服务、城市代谢和城市政治生态联系的有效
方法，认为城市发展的经济、文化、政治和历史驱动
因素研究可以组成可持续城市研究框架． Ｒｏｔｅｍ⁃
Ｍｉｎｄａｌｉ等［５２］研究发现了零售业在城市规划和发展
中的作用，指出零售业在土地利用、城市交通及各子
系统协调发展中的重要性，提出了零售业发展的居
民点最小成本模型和城市生物多样性保护和森林管
理的建议．Ｚｈａｎｇ 等［５３］通过生态网络分析发现了影
响城市代谢不同系统的组成成分及其与环境之间的
资源和废弃物转换效率的关键要素． Ｌｉｎ 等［５４］研究
发现，人类活动对城市生物地理化学过程具有驱动
作用，随着城市化发展，环境和生态健康有负向发展
趋势，技术创新有助于缓解相关压力．
许多学者认为，城市代谢的理想状态体现出城
市是一个健康的“社会⁃经济⁃环境”复合体，他们认
为这种健康的城市系统以有活力、有增长潜力、有弹
性和有能力克服扰动、有稳定结构及有能力维持其
主体功能为主要特征［５５］，体现了系统各部分协调发
展的动态平衡状态，即城市生态系统的“顶极”状态．
１３２２７期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 刘　 晔等： 面向环境管理的城市代谢物质实体空间研究评述　 　 　 　 　
相对应的，城市的不健康状态，可以称为城市“病”．
不合理城市代谢反映了资源生态和消费对城市生态
系统不合理和不可持续的结构性扰动，进而造成了
城市系统内部功能关系的混乱，也就是说城市代谢
过程的失调将引发城市“病”．已有研究发现，城市
“病”的产生是由于社会和经济的发展过程中，城市
的人口需求超出了城市生态系统承载能力、加剧了
资源开发与利用对环境的破坏造成的．因此，城市
“病”的研究从另一个角度对城市发展的限制因素
进行了思考．Ｚｈａｎｇ 等［５６］结合投入⁃产出分析和生态
网络分析，对城市功能的相互关系和城市代谢过程
层级机构进行研究，系统地分析了城市“病”的现状
和产生原因．Ｚｈａｎｇ 等［５５］在进一步的研究中使用来
自流分析和利用分析两种手段，直观地对城市代谢
系统各组成所处的生态层次、主次关系进行解析，提
出了治愈城市“病”的关键手段．废弃物危机是围绕
城市“病”研究的重要内容．Ｄ’Ａｌｉｓａ 等［５７］针对废弃
物危机开展区域废弃物的来源和处置研究，采用社
会多尺度综合分析方法，以废弃物代谢率和废弃物
密度为指标，分析检验当地废弃物模式的可持续水
平，结果显示，研究有助于解释废弃物区域管理是否
存在生物物理压力，以及是否是不可持续的，该结果
可用于检测区域的废弃危机并可为各级政府处理本
辖域内的废弃物管理问题提供参考． Ｌｉａｎｇ 等［５８］研
究城市固体废弃物的管理对城市可持续性的影响，
通过使用物质投入产出模型和情境分析，预测了
２０１５年的苏州废旧轮胎、餐厨废物、飞灰和污泥 ４
类固体废弃物再利用的环境影响，结果发现了几种
废弃物不同的技术水平差异直接影响城市“病”有
效治理的水平．
４􀆰 ３　 城市设计研究
当前的城市代谢研究可以运用到城市规划设计
的方方面面．美国麻省理工学院建筑系提出了基于
城市代谢原理的城市设计基本原理，认为城市规划
应满足形态学、可持续性、重建和责任 ４ 方面原则；
城市质量应包括鉴别、多样性、灵活性、自我满足度、
资源利用率 ５个标准；城市主要活动应包括滋养和
恢复、清洁、居住与工作、交通与交流 ４ 个组
成［５９－６０］ ．加拿大多伦多大学的城市工程学院也基于
城市代谢原理提出了可持续城市基础设施规划，并
在社区尺度上体现出城市基础设施配置的规划思
路，研究从城市代谢的角度出发提出绿色建筑设计、
可持续交通和可替换能源系统等设计方案，以及循
环使用中水和雨水、开发污泥为有机肥、市政废弃物
焚烧发电、飞灰制成建筑材料等城市环境管理方
案［６１－６３］ ．在建筑物尺度上，Ｙｅ 等［６４］利用城市建筑碳
代谢分析结果，提出了城市节能减排的住区空间规
划和设计建议．另外，随着计算机辅助工具的发展，
应用城市代谢理论开发的规划软件得以开发和应
用．例如，英国开发的一体化资源模型工具（ＩＲＭ）就
是通过追踪城市系统的水、能、养分和物质流，按照
物质和能量代谢特点将城市规划为可以循环利用方
式，以实现减少城市资源投入和废弃物产出的最优
目标［６５］ ．
４􀆰 ４　 城市代谢的优化模式研究
在现实环境管理需求的推动下，随着城市实体
空间数据的积累和各学科方法的不断融合，城市代
谢优化模式研究也得到了一定突破．以中国科学院
城市环境研究所和北京师范大学为代表，分别在厦
门和北京开展了一系列以环境管理为目标的城市代
谢优化模式研究．例如，Ｙａｎｇ 等［６６－６７］通过评价厦门
市时空代谢规律提出多尺度的城市代谢优化模式建
议．Ｌｉｕ 等［６８］和 Ｙａｎｇ 等［６９］通过对北京等城市代谢
研究发现了城市内部家庭代谢驱动力、过程、影响、
效率和持续性的巨大差异，并指出北京现有的路径
仍然过于简单，建议通过加快再生资源、缓解资源供
应和废弃物处理压力的措施优化城市代谢模式以实
现城市的可持续发展．此外， Ｚｈａｎｇ 等［７０－７１］采用空
间分析技术和传统分析方法相结合的手段对北京的
城市碳代谢空间模式进行研究，提出了城市碳代谢
空间优化管理建议．Ｌｅｄｕｃ 等［７２］提出城市能源代谢
的一系列优化方案，提出通过将工业生态系统整合
进城市生态系统最终实现城市内部的资源循环利用
的建议，认为城市能源利用的优化管理可以有效提
高区域的社会和环境效益．
４􀆰 ５　 城市环境管理决策支持系统
城市环境管理决策支持系统研究是城市代谢研
究的最终目标，即通过把握城市环境问题的本质规
律，建立城市环境管理决策支持系统，进而实现城市
环境的科学有序管理．近年来，随着空间技术的发
展，更要研究在空间规划上的应用价值，如 Ｄｅｉｌ⁃
ｍａｎ［７３］根据空间属性规律进行的城市代谢拟合研
究，以及 Ｆｕｎｇ 等［７４］进行的城市尺度的宏观经济模
型．正在进行的两个欧盟第七工作框架下的
ＳＵＭＥ［７５］和 ＢＲＩＤＧＥ［７６］也是该类城市代谢过程空间
模拟研究的典型代表．欧盟支持的 ＦＰ７ 项目———可
持续城市规划决策支持系统（ＢＲＩＤＧＥ）是从能量、
水、碳、废弃物等组成元素出发进行的城市代谢研究
２３２２ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
项目，为城市规划和建设的终端使用者（如城市规
划师、建筑师和工程师）提供了新的理念知识．该工
具也通过对赫尔辛基、雅典、伦敦、弗兰克和格林尼
治 ５ 个案例城市的检测更好地体现了其应用价
值［７７］ ．ＢＲＩＤＧＥ 建立的决策支持系统不但规范了城
市代谢的评估过程，也为定量化决策分析提供了经
典案例［７８］ ．此外，Ｖｉｌｌａｒｒｏｅｌ 等［７９］以城市代谢为基础
进行了多部门环境管理政策与投资的决策支持系统
（ＭＳＡ）介绍，该工具评估多种资源流（养分、水和能
源）在城市范围内的输入、输出和循环过程及各部
门的协调性并开展了相应的综合效益分析．
近年来，以城市为实体研究单位的能源和水环
境管理决策支持系统也得到了一定发展．市政能源
和环境管理系统（ＭＥＥＭＳ）是以城市代谢理论为基
础的国家层面的应用案例．ＭＥＥＭＳ 提出了市政能源
管理决策支持系统的 ３ 部分组成：市政代谢方法的
综合、基于知识的系统（ＫＢＳ）和市政技术创新系统
（ＭＴＩＳ），即市政能源管理系统应该包括解决 ＭＥＥＳ
的动力学、新 ＭＥＥＳ 组织概念以及可由上述创新元
素定义的决策机制．这种由终端使用者最终实现的
ＭＥＥＭＳ，为整合能源和环境系统提供了道路，这个
新的城市市政能源 ＭＥＥＭＳ概念设计已经完成并进
入到了实施阶段［８０］ ．此外，Ｂｌｅĉｉĉ 等［８１］提出了城市
能源管理决策系统的概念框架，认为该系统不但应
包括碳交换和温度效应的评估，还应包括与土地利
用情景相关的热岛效应评估，指出框架包含元胞自
动机模型对城市土地利用的动态模拟、交通网络变
化评估的交通模拟与高级冠层⁃大气⁃土壤算法
（ＡＣＡＳＡ）模型、多尺度天气预告模型 ３ 部分．Ｂｅｈｚａ⁃
ｄｉａｎ等［８２］使用新的“ＷａｔｅｒＭｅｔ２”模型进行城市水系
统的代谢模拟，该模型定量表征了城市水系统中主
要水流及其支流的时空变化情况，其中，城市水系统
表征了 ４种典型的空间尺度（室内、本地、亚流域和
系统区域），提供了包括水的供应、水的需求、废水
和循环水修复的城市水系统管理方案，它包含了多
种决策情景，并通过 ５种参与策略比较，提出城市水
系统管理的专家观点．“ＷａｔｅｒＭｅｔ２”模型是规划者专
门进行城市水系统管理的重要决策工作．与水相关
的模型还有 Ｖｅｎｋａｔｅｓｈ 等［８３］提出的城市水服务模
型，该模型从不同的利益相关者需要出发，提出了兼
顾经济、社会和环境效益的城市水资源动态的代谢
模型（ＤＭＭ）．该系统关注了最新的全球环境管理需
求，例如水的安全、气候变化适应和减缓、环境生命
周期评估、综合成本效益分析，以及关于如何改进
水⁃能源⁃碳的相互关系；选取的案例从整体系统的
角度出发，分析了城市水和废水系统的代谢和资源
流的环境影响，证明了 ＤＭＭ 作为工具检测未来决
策有效性的重要作用．
５　 结　 　 论
本文对用于环境管理的城市代谢物质实体空间
研究进行了从概念定义到应用现状的综合评述．发
现现有城市物质实体空间代谢的实证研究虽然在方
法创新和工具创新等方面有所突破，但在理论研究、
方法体系、多尺度实证研究等方面仍存在一些问题．
理论研究上，概念体系、基础理论体系、交叉学科综
合理论体系还不够完善．比较常见的环境管理工具
集中于宏观城市尺度的城市代谢研究，缺乏城市子
系统空间协调发展规律方面的相关研究．同时，现在
城市代谢研究注重核算能源、水、碳的代谢规律研
究，但对关键要素生产、使用和废弃的系统整合较
少，且缺乏跨尺度的研究框架和工具．实证研究上，
力度不够强，仅在欧洲得到了较大规模的资金和政
策支持．
在未来的研究中，应该通过深入研究，不断完善
城市代谢概念体系．重点研究核心概念和基本概念
的界定，加强不同空间尺度的城市物质实体空间代
谢研究．通过构建城市代谢空间数据库和建立城市
代谢研究指标体系，为城市代谢研究逐步实现动态
化、定量化和系统化奠定基础．不同空间尺度研究应
既包括城市物质实体空间整体和子系统，又包括其
横向和纵向生态整合研究．
在研究方法方面，应利用传统的物质流分析和
能值分析等研究方法，结合遥感影像解译、ＧＩＳ 探索
性分析、生命周期分析、能值分析、情景分析、社会调
查等方法；在调研资料、抽样调查数据、高分辨率影
像、社会经济统计数据和当地矢量数据的处理过程
中，实现多学科交叉方法的融合，突出空间分析技术
在城市代谢研究的重要地位．
在研究内容方面，以城市代谢研究框架为基础，
加强发展中国家城市整体物质实体空间及其构成子
空间的典型案例研究．扩展实证研究案例在国家间
的综合比较，识别出具有代表性意义的全球典型城
市代谢一般模式、物质子空间相互作用模式，建立城
市代谢的结构⁃模式⁃效应模型，揭示城市代谢的运
行规律和优化模式．通过典型城市代谢的横向比较
和纵向分析以及关键技术解析，建立环境管理决策
支持系统，为政府环境管理提供决策工具，以现实问
３３２２７期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 刘　 晔等： 面向环境管理的城市代谢物质实体空间研究评述　 　 　 　 　
题为导向带动学科不断发展．同时，应考虑城市化进
程，增加城市扩张趋势明显地区的城市代谢时间序
列研究，补充城市代谢动态化研究．
总之，城市代谢研究是一个多学科交融的领域．
只有不断增强创新意识，坚持多学科协作、多时空尺
度研究、多分析方法运用，才能摸索出城市代谢运行
规律，提出低碳发展路线图、循环发展路线图和绿色
发展路线图，建立起因地制宜的环境管理决策支持
系统，并应用科研成果推动国家环境管理的科学化
进程．
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ｍｅｔａｂｏｌｉｃ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｒｂａｎ ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ ａｒｅａ： Ｔｈｅ ｃａｓｅ
ｏｆ Ｂｅｉｊｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ． Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ， ２００９， ６：
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［１１］　 Ｂｉ Ｌ⁃Ｌ （毕凌岚）． Ｔｈｅ Ｓｐａｔｉａｌ Ｆｏｒｍ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｕｒ⁃
ｂａｎ Ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ． Ｂｅｉｊｉｎｇ： Ｃｈｉｎａ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ＆ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ
Ｐｒｅｓｓ， ２００７ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［１２］　 Ｍａ Ｓ⁃Ｊ （马世骏）， Ｗａｎｇ Ｒ⁃Ｓ （王如松）． Ｔｈｅ ｓｏｃｉａｌ⁃
ｅｃｏｎｏｍｉｃ⁃ｎａｔｕｒａｌ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓ． Ａｃｔａ Ｅｃｏｌｏｇｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ （生
态学报）， １９８４， ４（１）： １－９ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［１３］　 Ｗａｎｇ Ｘ⁃Ｋ （王效科）， Ｏｕｙａｎｇ Ｚ⁃Ｙ （欧阳志云）， Ｒｅｎ
Ｙ⁃Ｆ （仁玉芬）， ｅｔ ａｌ． Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｓ ｉｎ ｌｏｎｇ⁃ｔｅｒｍ ｓｔｕｄｉｅｓ
ｏｆ ｕｒｂａｎ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ． Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｅａｒｔｈ Ｓｃｉｅｎｃｅ （地球科
学进展）， ２００９， ２４（８）： ９２８－９３５ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［１４］　 Ｗａｎｇ Ｒ⁃Ｓ （王如松）， Ｈｕ Ｄ （胡 　 聃）， Ｗａｎｇ Ｘ⁃Ｒ
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［４２］　 Ｂｅｔｔｅｎｃｏｕｒｔ Ｌ， Ｌｏｂｏ Ｊ， Ｈｅｌｂｉｎｇ Ｄ， ｅｔ ａｌ． Ｇｒｏｗｔｈ ｉｎｎｏ⁃
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［４３］　 Ｋｅｎｎｅｄｙ ＣＡ， Ｒａｍａｓｗａｍｉ Ａ， Ｃａｒｎｅｙ Ｓ， ｅｔ ａｌ． Ｇｒｅｅｎ⁃
ｈｏｕｓｅ ｇａｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｂａｓｅｌｉｎｅｓ ｆｏｒ ｇｌｏｂａｌ ｃｉｔｉｅｓ ａｎｄ ｍｅｔｒｏ⁃
ｐｏｌｉｔａｎ ｒｅｇｉｏｎｓ． Ｐｌｅｎａｒｙ Ｐａｐｅｒ Ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｔ ｔｈｅ Ｗｏｒｌｄ
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ｆｌｏｗ ａｃｃｏｕｎｔｉｎｇ， ｅｎｅｒｇｙ ｆｌｏｗ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ｒａｔｉｏ ａｎａｌｙｓｉｓ
ａｎｄ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｏｏｔｐｒｉｎｔｉｎｇ ａｓ ｔｏｏｌｓ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｕｒｂａｎ
ｓｕｓｔａｉｎａｂｉｌｉｔｙ： Ａ ｃａｓｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ａｎ Ｉｒｉｓｈ ｃｉｔｙ⁃ｒｅｇｉｏｎ． Ｅｃｏ⁃
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ｃｉａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｆｏｏｔｐｒｉｎｔｓ： Ｍｏｄｅｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ａ ｃａｓｅ
ｓｔｕｄｙ ｆｏｒ Ｂｅｉｊｉｎｇ． Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｏｌｉｃｙ， ２０１４， ７３： ５４０－５５１
［４６］　 Ｌｉｕ Ｇ， Ｙａｎｇ Ｚ， Ｃｈｅｎ Ｂ． Ａ ｓｐａｔｉａｌ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ
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２０１２， １５： １２２－１３０
［４８］　 Ｇｕｏ Ｚ， Ｈｕ Ｄ， Ｚｈａｎｇ Ｆ， ｅｔ ａｌ． Ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ
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ｊｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ． Ｓｃｉｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｏｔａｌ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， ２０１４，
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［４９］　 Ｉｎｏｓｔｒｏｚａ Ｌ． Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｕｒｂａｎ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ
ｔｈｒｏｕｇｈ ‘Ｔｅｃｈｎｏｍａｓｓ’： Ａ ｎｏｖｅｌ ｉｎｄｉｃａｔｏｒ ｔｏ ａｓｓｅｓｓ ｕｒ⁃
ｂａｎ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ． Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ， ２０１４， ４２： １０－
１９
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ｃａｓｅ ｏｆ Ｓｕｚｈｏｕ ｉｎ Ｃｈｉｎａ． Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｏｌｉｃｙ， ２０１１， ３９：
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［５１］ 　 Ｐｉｎｃｅｔｌ Ｓ． Ｎａｔｕｒｅ， ｕｒｂａｎ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｕｓｔａｉｎａｂｉｌｉ⁃
ｔｙ： Ｗｈａｔ ｎｅｗ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｎｅｅｄｅｄ ｆｏｒ ａ ｍｏｒｅ ｃｏｍｐｒｅ⁃
ｈｅｎｓｉｖｅ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ？ Ｃｉｔｉｅｓ， ２０１２， ２９： Ｓ３２－Ｓ３７
［５２］　 Ｒｏｔｅｍ⁃Ｍｉｎｄａｌｉ Ｏ． Ｒｅｔａｉｌ ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｖｓ． ｕｒｂａｎ ｌｉｖａｂｉ⁃
ｌｉｔｙ： Ａｐｐｌｙｉｎｇ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｕｒｂａｎ ｇｅｏｇｒａｐｈｙ ｒｅ⁃
ｓｅａｒｃｈ． Ａｐｐｌｉｅｄ Ｇｅｏｇｒａｐｈｙ， ２０１２， ３５： ２９２－２９９
［５３］　 Ｚｈａｎｇ Ｙ， Ｌｉｕ Ｈ， Ｃｈｅｎ Ｂ． Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ
ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｎ ｕｒｂａｎ ｍｅｔａｂｏｌｉｃ ｓｙｓ⁃
ｔｅｍ： Ｍｏｄｅｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ａ ｃａｓｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｂｅｉｊｉｎｇ．
Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ， ２０１３， ２５２： １０６－１１３
［５４］　 Ｌｉｎ Ｔ， Ｇｉｂｓｏｎ Ｖ， Ｃｕｉ ＳＨ， ｅｔ ａｌ． Ｍａｎａｇｉｎｇ ｕｒｂａｎ ｎｕｔｒｉ⁃
ｅｎｔ ｂｉｏｇｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｆｏｒ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｕｒｂａｎｉｚａｔｉｏｎ． Ｅｎｖｉ⁃
ｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ， ２０１４， １９２： ２４４－２５０
［５５］　 Ｚｈａｎｇ Ｙ， Ｚｈｅｎｇ ＨＭ， Ｆａｔｈ ＢＤ， ｅｔ ａｌ． Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｎｅｔ⁃
ｗｏｒｋ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｎ ｕｒｂａｎ ｍｅｔａｂｏｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎ⁃
ｐｕｔ⁃ｏｕｔｐｕｔ ｔａｂｌｅｓ： Ｍｏｄｅｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｃａｓｅ ｓｔｕｄｙ ｆｏｒ
Ｂｅｉｊｉｎｇ． Ｓｃｉｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｏｔａｌ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， ２０１４， ４６８：
６４２－６５３
［５６］ 　 Ｚｈａｎｇ Ｙ， Ｚｈｅｎｇ Ｈ， Ｆａｔｈ ＢＤ． Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ
ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ｏｆ ｕｒｂａｎ ｓｏｃｉｏｅｃｏｎｏｍｉｃ ｓｅｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｓｓｏ⁃
ｃｉａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｆｏｏｔｐｒｉｎｔｓ： Ｍｏｄｅｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ａ ｃａｓｅ
ｓｔｕｄｙ ｆｏｒ Ｂｅｉｊｉｎｇ． Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｏｌｉｃｙ， ２０１４， ７３： ５４０－５５１
［５７］　 Ｄ’Ａｌｉｓａ Ｇ， Ｎｏｌａ ＭＦＤ， Ｇｉａｍｐｉｅｔｒｏ Ｍ． Ａ ｍｕｌｔｉ⁃ｓｃａｌｅ
ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｕｒｂａｎ ｗａｓｔｅ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ： Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｗａｓｔｅ
ｄｉｓｐｏｓｅｄ ｉｎ Ｃａｍｐａｎｉａ． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｌｅａｎｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，
２０１２， ３５： ５９－７０
［５８］　 Ｌｉａｎｇ Ｓ， Ｚｈａｎｇ Ｔ． Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｕｒｂａｎ ｓｏｌｉｄ ｗａｓｔｅ ｒｅｃｙ⁃
ｃｌｉｎｇ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｖｉｅｗｐｏｉｎｔ ｏｆ ｕｒｂａｎ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ
ｐｈｙｓｉｃａｌ ｉｎｐｕｔ⁃ｏｕｔｐｕｔ ｍｏｄｅｌ： Ａ ｃａｓｅ ｏｆ Ｓｕｚｈｏｕ ｉｎ Ｃｈｉｎａ．
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作者简介　 刘　 晔，女，１９８０ 年生，博士后，助理研究员． 主
要从事区域可持续发展研究． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｌｉｕｙｅ＠ ｉａｅ．ａｃ．ｃｎ
责任编辑　 杨　 弘
６３２２ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷