全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿猿卷 第 员远期摇 摇 圆园员猿年 愿月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
物种分布模型理论研究进展 李国庆袁刘长成袁刘玉国袁等 渊源愿圆苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
稀土元素对农田生态系统的影响研究进展 金姝兰袁黄益宗 渊源愿猿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
藤壶金星幼虫附着变态机制 饶小珍袁林摇 岗袁许友勤 渊源愿源远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
群居动物中的共同决策 王程亮袁王晓卫袁齐晓光袁等 渊源愿缘苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
季风进退和转换对中国褐飞虱迁飞的影响 包云轩袁黄金颖袁谢晓金袁等 渊源愿远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
两种海星对三种双壳贝类的捕食选择性和摄食率 齐占会袁王摇 珺袁毛玉泽袁等 渊源愿苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
新疆巴音布鲁克繁殖期大天鹅的生境选择 董摇 超袁张国钢袁陆摇 军袁等 渊源愿愿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
我国特有植物青檀遗传结构的 陨杂杂砸分析 李晓红袁张摇 慧袁王德元袁等 渊源愿怨圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
栽培菊花与菊属鄄近缘属属间杂种杂交后代耐盐性的遗传分析 许莉莉袁陈发棣袁陈素梅袁等 渊源怨园圆冤噎噎噎噎
荒漠区植物光合器官解剖结构对水分利用效率的指示作用 张海娜袁苏培玺袁李善家袁等 渊源怨园怨冤噎噎噎噎噎噎
水分对番茄不同叶龄叶片光合作用的影响 陈凯利袁李建明袁贺会强袁等 渊源怨员怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
广西猫儿山不同海拔常绿树种和落叶树种光合速率与氮的关系 白坤栋袁蒋得斌袁万贤崇 渊源怨猿园冤噎噎噎噎噎
施肥对板栗林地土壤 晕圆韵通量动态变化的影响 张蛟蛟袁李永夫袁姜培坤袁等 渊源怨猿怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
施肥对红壤水稻土团聚体分布及其碳氮含量的影响 刘希玉袁王忠强袁张心昱袁等 渊源怨源怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
大兴安岭天然沼泽湿地生态系统碳储量 牟长城袁王摇 彪袁卢慧翠袁等 渊源怨缘远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于多时相 蕴葬灶凿泽葬贼 栽酝影像的汶川地震灾区河岸带植被覆盖动态监测要要要以岷江河谷映秀鄄汶川段
为例 许积层袁唐摇 斌袁卢摇 涛 渊源怨远远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同强度火干扰下盘古林场天然落叶松林的空间结构 倪宝龙袁刘兆刚 渊源怨苑缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
长江中下游湖群大型底栖动物群落结构及影响因素 蔡永久袁姜加虎袁张摇 路袁等 渊源怨愿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
千岛湖岛屿社鼠的种群年龄结构和性比 张摇 旭袁鲍毅新袁刘摇 军袁等 渊缘园园园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
性信息素诱捕下害虫 蕴燥早蚤泽贼蚤糟增长及经济阈值数学模型 赵志国袁荣二花袁赵志红袁等 渊缘园园愿冤噎噎噎噎噎噎噎
秋末苏南茶园昆虫的群落组成及其趋色性 郑颖姹袁钮羽群袁崔桂玲袁等 渊缘园员苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
北方常见农业土地利用方式对土壤螨群落结构的影响 韩雪梅袁李丹丹袁梁子安袁等 渊缘园圆远冤噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
基于鸟类边缘种行为的景观连接度研究要要要空间句法的反规划应用 杨天翔袁张韦倩袁樊正球袁等 渊缘园猿缘冤噎噎
西南高山地区土壤异养呼吸时空动态 张远东袁庞摇 瑞袁顾峰雪袁等 渊缘园源苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
江苏省土壤有机质变异及其主要影响因素 赵明松袁张甘霖袁李德成袁等 渊缘园缘愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于林业清查资料的桂西北植被碳空间分布及其变化特征 张明阳袁罗为检袁刘会玉袁等 渊缘园远苑冤噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
基于能值分析方法的城市代谢过程要要要案例研究 刘耕源袁杨志峰袁陈摇 彬 渊缘园苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 孕杂砸模型的耕地生态安全物元分析评价 张摇 锐袁郑华伟袁刘友兆 渊缘园怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
保水剂对煤矸石基质上高羊茅生长及营养吸收的影响 赵陟峰袁王冬梅袁赵廷宁 渊缘员园员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
生态保护价值的距离衰减性要要要以三江平原湿地为例 敖长林袁陈瑾婷袁焦摇 扬袁等 渊缘员园怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
广东山区土壤有机碳空间变异的尺度效应 姜摇 春袁吴志峰袁钱乐祥袁等 渊缘员员愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
室内养殖雌性松鼠秋季换毛期被毛长度和保温性能变化 荆摇 璞袁张摇 伟袁华摇 彦袁等 渊缘员圆远冤噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿园远鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿圆鄢圆园员猿鄄园愿
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 高寒草甸牦牛群要要要三江源区位于青藏高原腹地袁 平均海拔 源圆园园皂袁是长江尧黄河尧澜沧江三条大河的发源地袁也是
全球气候变化最敏感的地区遥 三江源区高寒草甸植被状况对该区的生态环境尧草地资源合理利用和应对全球气候
变化具有十分重要的意义遥 圆园园缘 年以来袁国家投资 苑园 多亿元启动三江源生态保护工程遥 监测显示袁近年来袁三江源
湖泊湿地面积逐步扩大袁植被覆盖度得到提高袁三江源区高寒草甸的生态恶化趋势得到遏制遥 图为冒着风雪在三江
源高寒草甸上吃草的牦牛群遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援 糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援 糟燥皂
第 33 卷第 16 期
2013 年 8 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 33,No. 16
Aug. ,2013
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家科技支撑资助项目(2012BAC05B02); 国家基金委创新研究群体科学基金资助(51121003); 高等学校博士学科点专项科研基金
项目(20110003120031); 中国博士后科学基金面上资助项目(20110490014); 国家自然科学基金青年科学基金项目(41101564); 中央高校基本
科研业务费专项资金; 低碳高端产业园区生态经济价值研究项目(26400150); 低碳高端产业园区标准构建项目(26400151)
收稿日期:2012鄄04鄄26; 摇 摇 修订日期:2012鄄10鄄23
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: zfyang@ bnu. edu. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201204260598
刘耕源,杨志峰,陈彬.基于能值分析方法的城市代谢过程———案例研究.生态学报,2013,33(16):5078鄄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鄄5089.
基于能值分析方法的城市代谢过程
———案例研究
刘耕源,杨志峰*,陈摇 彬
(北京师范大学环境学院,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京摇 100875)
摘要:城市代谢过程研究是实现城市生态规划和环境管理等实际工作优化与决策的关键理论问题之一。 核算了 1999—2006 年
北京代谢过程中能值通量和强度,并依照 Eco鄄Indictor 99 的划分标准,结合自然系统对污染物的自净化及污染对经济系统和生
态系统的损害程度测度方法(DALY法和 PDF法),从城市代谢生产过程和消费过程研究城市代谢对人群健康和自然生态系统
的影响,结果表明:(1)北京城市代谢过程大部分依赖于外部购买的不可更新资源的消耗;(2)外部购买的不可更新资源主要依
赖于它省的资源供给,对国外资源利用很少,说明北京是一个本国资源依赖性的城市,而且这种依赖程度在不断增长;(3)当前
过快的城市代谢过程主要由固定资产建设所拉动,随着北京基础建设程度放缓,这种高依赖性的代谢模式会的到一定的改变;
(4)在考虑生态损失的情况下其可持续发展水平有 5%的下降。 该研究克服传统外在预警式评价方法的局限,综合评价城市生
态系统内在代谢过程及代谢水平,为城市生态规划和环境管理提供更为有效的优化与决策依据。
关键词:北京;能值评价;城市代谢
Urban metabolism process based on emergy synthesis: a case study of Beijing
LIU Gengyuan, YANG Zhifeng*, CHEN Bin
State Key Joint Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
Abstract: 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忆 s economic development and GDP忆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鄄made capital. Such a knowledge is a necessary pre鄄requisite to perform a reliable cost鄄benefit evaluation of urban
sustainability strategies, and provide guidance to policy decisions.
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Key Words: Beijing; urban metabolism; emergy analysis
城市是一个以人类活动为中心的社会鄄经济鄄自然复合生态系统,是一个具有多层次、多输入、多输出的耗
散结构,它必须从外界获取物质和能量,不断输出产品和排放废物,才能保持稳定有序的状态。 同时,城市犹
如一个复杂的有机体,不断进行新陈代谢,实现整个系统的优化、循环和再生。
长期以来,中国城市所遵循的高投入、低产出、高污染的粗放型发展模式导致了严重的结构性隐患与环境
问题,如高度依赖外界物质能源投入、物质与能源利用效率低、城市废弃物恣意排放、环境污染、生态破坏等。
这些生态环境问题已对我国的社会经济发展产生了一系列惩罚性影响。 城市生态环境问题的出现,与城市代
谢不良密切相关,可以归结为城市生态系统日益增大的代谢流量,日趋复杂的代谢结构,不断降低的生态效
率,持续恶化的环境影响。 资源的过度使用及低效利用加剧了资源对经济社会发展的瓶颈制约,产业布局不
合理及污染物不当排放导致了城市经济的结构性隐患与环境问题。 另一方面,在未来相当长的一段时期内,
我国城市人口仍将保持持续增长、城市化进程将进一步加快、产业结构进入快速转型期、经济总量继续以较快
速度增长。 毫无疑问,如果仍然沿用现有发展模式,必将更为强烈地影响我们赖以生存的自然生态基础,最终
导致城市健康程度降低甚至生态系统崩溃。
由此,城市代谢全过程的研究成为实现城市生态规划和环境管理等实际工作优化与决策的关键理论问题
之一,是解决城市生态与环境问题,维系健康稳定的城市生态系统的迫切需要。 同时,由于城市中经济、社会
与自然系统交互作用的复杂性,相应城市代谢过程的研究又必须聚焦于城市生态的系统层面,需要整合系统
生态学、城市生态学和生态热力学等研究方法,从而有力地促进这些学科理论的交叉、创新和发展。 然而,无
论是国内还是国际,过去对城市代谢的研究仅局限于元素代谢或部分子系统过程的物质代谢研究,尚未建立
城市代谢的完备机制,以及缺乏对代谢的过程、机理、通量、效率、结构和影响的全方位度量。 这一缺乏主要源
自两方面难题:首先是如何把一系列城市代谢不良问题纳入一个有机的、多层次、全方位分析体系;其次是如
何通过过程拆解,定量各子过程的运转机理与互动关系。 因此有必要顺应城市生态系统有机整体性的要求,
采用多学科交叉,对城市代谢全过程进行整体评价,为城市生态规划和环境管理提供更为有效的优化与决策
依据。
本文以基于“能值分析方法的城市代谢过程研究(1)———理论与方法冶一文所提出城市代谢评价框架为
基础,结合所选案例城市特点,进行城市代谢过程核算与评价,并提出城市未来发展的建议。
1摇 北京市基础能源资源流分析
北京,位于东经 115毅25忆—117毅30忆、北纬 39毅26忆—41毅03忆之间,地处欧亚大陆的东部边缘,隶属环渤海经济
圈,西北部有丘陵南部为平原,占地面积 16807. 8km2。 其拥有悠久的历史和政治和文化中心的地位,北京是
中国最发达的城市之一,拥有集成的产业结构,包括电子、机械、化工、轻工、纺织和汽车制造业。 与发展中国
家的其他大城市一样,北京也面临着城市经济发展与社会生态相矛盾的问题,包括大的流动人口、农业土地丧
失、资源短缺、高污染、生态环境恶化、灾害风险增加等。 北京城市系统的演变,可以视为历史累计资源消耗和
积累,这反过来又引起了城市的组织结构的变化。 综上所述,这些密集的资源消耗在北京大部分都是从其他
省市或者境外购买,本土开采比例异常小。 此外,所有巨大能源资源的流动也伴随着巨大的服务和资金流向。
因此,作为具有丰富历史、庞大规模的省会城市,北京是一个连接中国和世界、传统与现代重要节点,而经
历了全国鼎力支持打造的 2008 年北京奥运会也为全球提供了中国城市希望得到世界认可的典型案例。 本研
究选取北京作为案例城市。
2摇 基于能值的北京市代谢系统核算
本研究使用的能值基准是 15. 83伊1024 sej / a,引用的能值转换率做了相应的修正。 由于篇幅限制,在此仅
以北京市 2006 年数据为例,能值核算结果详见表 1 和 2。
9705摇 16 期 摇 摇 摇 刘耕源摇 等:基于能值分析方法的城市代谢过程———案例研究 摇
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表 1摇 2006 年城市代谢系统能值流计算表
Table 1摇 Emergy flows supporting urban metabolic system in 2006
项目
Items
单位
Units
原始数据
Raw data
能值转换率
Transformity
/ (sej / unit)
能值转换率
参考文献
Reference
能值
Emergy value
/ (sej / a)
可更新能量投入(本地可更新)Renewable Input ( locally available)
1 太阳能 Sun J / a 7. 02伊1019 1 * 7. 02伊1019
2 风能 Kinetic energy of wind J / a 4. 87伊1016 2. 51伊103 [1] 1. 22伊1020
3 降雨能 (重力势能)Rainfall (Geopotential Energy) J / a 1. 25伊1015 1. 74伊104 [1] 2. 19伊1019
4 降雨能 (化学能)Rainfall (Chemical Potential) J / a 1. 12伊1016 3. 05伊104 [1] 3. 43伊1020
5 地热能 Geothermal Heat J / a 1. 79伊1016 5. 76伊104 [1] 1. 03伊1021
不可更新投入 (本地不可更新)Nonrenewable Input ( locally available)
6 表层土壤损失 Top soil loss J / a 3. 17伊1014 1. 23伊105 [1] 3. 90伊1019
7 本地化石燃料投入 Fuels input from local region
摇 煤 Coal J / a 2. 04伊1017 6. 69伊104 [1] 1. 37伊1022
摇 原油 Crude oil J / a 0. 00 9. 08伊104 [1] 0. 00
摇 天然气 Natural gas J / a 0. 00 9. 85伊104 [3] 0. 00
8 本地物质投入 Constructed local input
摇 石灰石 Limestone g / a 1. 52伊1013 1. 68伊109 [2] 2. 55伊1022
摇 建筑用沙石 Sand and gravel g / a 1. 02伊1013 1. 68伊109 [2] 1. 70伊1022
摇 铁矿 Iron ore g / a 1. 68伊1013 1. 44伊109 [1] 2. 41伊1022
摇 摇 *太阳能值转化率定义为 1 sej / J
表 2摇 2006 年城市代谢系统能值进口计算表
Table 2摇 Emergy imports for urban metabolic system in 2006
项目
Items
单位
Units
原始数据
Raw data
能值转换率
Transformity
/ (sej / unit)
能值转换率
参考文献
Reference
能值
Emergy value
/ (sej / a)
9 水电 Hydroelectricity J / a 2. 30伊1014 3. 36伊105 [1] 7. 74伊1019
10 河流径流 Stream flow J / a 8. 81伊1015 3. 05伊104 [2] 2. 69伊1020
11 化石燃料进口 Imported Fuels import
摇 煤 Coal J / a 7. 04伊1017 6. 69伊104 [1] 4. 83伊1022
摇 焦炭 Coke J / a 4. 72伊1016 1. 10伊105 [4] 5. 18伊1021
摇 原油 Crude oil J / a 3. 45伊1017 9. 08伊104 [4] 3. 13伊1022
摇 汽油 Gasoline J / a 9. 20伊1016 1. 05伊105 [4] 9. 64伊1021
摇 煤油 Kerosene J / a 1. 23伊1017 1. 10伊105 [4] 1. 36伊1022
摇 柴油 Diesel Oil J / a 8. 61伊1016 1. 10伊105 [4] 9. 48伊1021
摇 燃料油 Fuel Oil J / a 4. 42伊1015 1. 10伊105 [4] 4. 87伊1020
摇 液化石油气(LPG)Liquefied petroleum gas J / a 6. 66伊1015 1. 11伊105 [4] 7. 37伊1020
摇 天然气 Natural gas J / a 1. 58伊1017 9. 85伊104 [3] 1. 56伊1022
12 进口电力 Imported Electricity J / a 1. 47伊1017 1. 74伊105 [1] 2. 57伊1022
13 进口商品 Imported goods
13. 1 进口农牧产品
Imported Farm and Pasture Product
摇 粮食 Grain J / a 1. 91伊1016 1. 14伊105 [5] 2. 18伊1021
摇 油菜籽 Rapeseed J / a 8. 23伊1016 8. 88伊104 [6] 7. 31伊1021
摇 蔬菜 Vegetable J / a 1. 42伊1014 7. 37伊104 [6] 1. 05伊1019
0805 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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摇 摇 续表
项目
Items
单位
Units
原始数据
Raw data
能值转换率
Transformity
/ (sej / unit)
能值转换率
参考文献
Reference
能值
Emergy value
/ (sej / a)
摇 水果 Fruit J / a 2. 30伊1013 8. 88伊104 [7] 2. 04伊1018
摇 肉 Meat J / a 2. 75伊109 5. 31伊106 [5] 1. 46伊1016
摇 奶 Milk J / a 2. 36伊1011 3. 35伊106 [5] 7. 90伊1017
13. 2 进口原材料 Imported raw and processed materials
摇 木材 Wood J / a 1. 51伊1015 5. 36伊104 [1] 8. 11伊1019
摇 铁矿 Iron ores g / a 4. 68伊1013 1. 44伊109 [1] 6. 72伊1022
摇 建筑用沙石 Sand and gravel g / a 1. 02伊1013 1. 68伊109 [2] 1. 70伊1022
摇 纸与纸板 Paper and paperboard J / a 1. 20伊1015 7. 37伊104 [8] 8. 85伊1019
摇 丝 Silk J / a 6. 39伊1011 1. 12伊107 [1] 7. 18伊1018
摇 羊毛 Wool, animal hair J / a 1. 32伊1014 7. 37伊106 [1] 9. 70伊1020
13. 3 进口商品 Imported goods
摇 聚乙烯 Polythene(PE) g / a 7. 30伊1010 4. 69伊109 [9] 3. 43伊1020
摇 聚丙烯 Polypropylene(PP) g / a 1. 60伊1010 4. 69伊109 [9] 7. 51伊1019
摇 聚苯乙烯 Polystyrene(PS) g / a 1. 10伊1010 4. 69伊109 [9] 5. 16伊1019
摇 其他焦炭化工产品 Other coke chemicals g / a 2. 54伊1010 4. 89伊109 [9] 1. 24伊1020
摇 其他石油化工产品 Other petroleum products g / a 1. 16伊1012 4. 89伊109 [9] 5. 69伊1021
摇 钢铁 Iron and steel g / a 2. 70伊1013 3. 16伊109 [10] 8. 53伊1022
摇 铝和铝产品 Aluminum and articles g / a 1. 20伊1012 7. 74伊108 [1] 9. 29伊1020
13. 4 进口其他金属及金属产品 Other metals and articles g / a 2. 16伊1011 4. 74伊109 [1] 1. 02伊1021
13. 5 进口高科技产品、机器、电子产品(拆解成原始材料
投入)Hi鄄tech products, machinery and electrical equipment
摇 铁 Steel g / a 3. 65伊109 3. 16伊109 [10] 1. 15伊1019
摇 铝 Aluminum g / a 1. 65伊109 7. 74伊108 [1] 1. 28伊1018
摇 铜 Copper g / a 1. 20伊109 3. 36伊109 [9] 4. 05伊1018
摇 其他金属 Other metals g / a 4. 20伊109 4. 74伊109 [1] 1. 89伊1019
摇 陶瓷 /玻璃 Ceramics / Glasses g / a 1. 69伊1010 3. 18伊109 [9] 5. 37伊1019
摇 塑料 Plastics g / a 6. 09伊109 7. 21伊109 [1] 4. 39伊1019
13. 6 进口交通设备
Transport equipment(拆解成原始材料投入)
摇 铁 Steel g / a 1. 88伊1010 3. 16伊109 [10] 5. 94伊1019
摇 铝 Aluminum g / a 3. 21伊109 7. 74伊108 [1] 2. 48伊1018
摇 橡胶和塑料材料 Rubber and plastic material g / a 2. 29伊108 7. 21伊109 [1] 1. 65伊1018
摇 铜 Copper g / a 6. 87伊108 3. 36伊109 [9] 2. 31伊1018
13. 7 进口计算机产品 Computer technology
(拆解成原始材料投入)
摇 黑色金属 Ferrous metal g / a 1. 25伊109 3. 16伊109 [10] 3. 94伊1018
摇 二氧化硅 /玻璃 Silica / glass g / a 1. 62伊109 3. 18伊109 [1] 5. 16伊1018
摇 铜 Copper g / a 4. 36伊108 3. 36伊109 [9] 1. 47伊1018
摇 塑料 Plastics g / a 1. 43伊109 7. 21伊109 [1] 1. 03伊1019
摇 铝 Aluminum g / a 8. 72伊108 7. 74伊108 [1] 6. 75伊1017
摇 其他金属 Other metal g / a 4. 98伊108 4. 74伊109 [1] 2. 36伊1018
14 进口劳力 Import human labor ＄ / a 7. 30伊108 5. 00伊1012 * 3. 65伊1021
15 进口相关服务 Services associated to imports
(体现在进口材料与商品中)
摇 来自其他省份 From other provinces ＄ / a 1. 80伊1010 5. 00伊1012 * 9. 02伊1022
摇 来自国外 Import ＄ / a 1. 05伊1010 1. 13伊1012 ** 1. 19伊1022
16 旅游收入 Tourism ＄ / a 2. 30伊1010 5. 00伊1012 * 1. 15伊1023
摇 摇 * 本研究计算得出,国家能值货币比;** 本研究得出,世界能值货币比
1805摇 16 期 摇 摇 摇 刘耕源摇 等:基于能值分析方法的城市代谢过程———案例研究 摇
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3摇 污染物的测定
本研究将对生态系统和人群健康有害的污染物列于表 3[11鄄12]中。 城市代谢过程所排放的大气污染物包
括二氧化硫、粉尘、氮氧化物和甲烷(引起呼吸系统疾病)、二氧化碳、氧化亚氮和甲烷(引起气候变化),水体
污染物包括水银、镉、六价铬、铅、砷、挥发酚、氰化物、石油、化学需氧量、氨氮。 污染物的数据来源主要来自
《北京统计年鉴 2000—2007》、《中国环境统计年鉴 2000—2007》等。
表 3摇 所选取的污染物和环境影响列表[11鄄12]
Table 3摇 Lists of emissions and environmental impacts
项目
Items
污染影响类别:
人体健康
Damage category
human health
伤残调整寿命年
DALY / kg of emission
污染影响类别:
生态系统质量
Damage category
ecosystem quality
生态系统
破坏概率
PDF伊m2 伊a
大气污染物 二氧化碳 CO2 气候变化 2. 10伊10-7
Airbornepollution 氮氧化物 NOx 呼吸系统疾病 8. 87伊10-5 酸化效应 5. 71
二氧化硫 SO2 呼吸系统疾病 5. 46伊10-5 酸化效应 1. 04
粉尘 Dust 呼吸系统疾病 3. 75伊10-4
一氧化二氮 N2O 气候变化 6. 90伊10-5
甲烷 CH4 呼吸系统疾病 1. 28伊10-8
甲烷 CH4 气候变化 4. 40伊10-6
水体污染物 水银 Mercury 生态毒理学效应 1. 97伊102
Waterborne pollution 镉 Cadmium 致癌效果 7. 12伊10-2 生态毒理学效应 4. 80伊102
六价铬 Hexavalent Chromium 致癌效果 3. 43伊10-1
铅 Lead 生态毒理学效应 7. 39
砷 Arsenic 致癌效果 6. 57伊10-2 生态毒理学效应 1. 14伊101
挥发酚 Volatile phenol 致癌效果 1. 05伊10-5
氰化物 Cyanide 致癌效果 4. 16伊10-5
石油 Oil 致癌效果 4. 16伊10-5
化学需氧量 COD 富营养化* n. a. 富营养化* n. a.
氨氮 NH4 鄄H 富营养化* n. a. 富营养化* n. a.
摇 摇 *COD和 NH4 鄄N所产生的生态系统损失由于缺乏相关数据,这里并没有考虑
4摇 污染物直接和间接影响损失核算
表 4 分别列出了用于污染物处理的额外的能值投入量。 这里将针对城市中不同的代谢过程由于污染物
直接和间接影响造成的损失进行核算与分析。
4. 1摇 用于污染物处理的额外的能值投入量
用于污染物处理的额外投入的能值详见表 4,可以看出,2006 年,北京用于水污染处理和大气污染处理所
投入的量较高,分别为 1. 43伊1021 sej / a和 1. 10伊1021 sej / a,总的污染处理投入占当年总能值投入量(U=4. 69伊
1023 sej / a)的 0. 41% ,所占比例很小。 而排放物循环使用量仅为 1. 31伊1020 sej / a,还有很大的上升空间。
4. 2摇 用于稀释的生态服务直接能值投入核算
Ulgiati and Brown的一篇文章[15]中曾强调依托现有生物圈的循环过程提供自然消解环境服务的优势,这
样可以避免要用于处理废物额外的投资需求(他们称之为“熵陷阱冶)。 但是达到这种只有很少或者根本没有
额外资源投入的战略需要就要保证自然界可以吸纳这些生产副产品,一旦超过了其能给予的生态服务功能最
大值便变得不可持续。 需要稀释降解水中和大气中污染物的生态服务量核算表见表 5。 这里“可容忍浓度冶
值参照中国《地表水环境质量标准(GB3838—2002)》和中国《环境空气质量标准(GB3095—1996)》。 另外,
平均风速值假定为 2. 50m / s(北京平均风速)。
2805 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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表 4摇 2006 年用于污染物处理的额外的能值投入量
Table 4摇 Additional resources input for the waste treatment processes in 2006
项目
Items
单位
Units
原始数据
Raw amount
能值转换率
Transformity
/ (sej / unit)
能值转换率
参考文献
References
能值
Emergy value
/ (sej / a)
水污染处理过程 Waterborne waste treatment processes
17 电力 Electricity J / a 1. 48伊1015 1. 74伊105 [1] 2. 58伊1020
18 化学添加产品 Chemical products
摇 磷去除添加剂 Phosphorus removal reagent kg / a 4. 26伊106 4. 44伊1012 [13] 1. 89伊1019
摇 絮凝剂 Flocculating reagent kg / a 3. 53伊105 4. 44伊1012 [13] 1. 57伊1018
摇 氢氯酸 Hydrochloric acid kg / a 8. 24伊106 4. 44伊1012 [13] 3. 66伊1019
摇 氯酸钠 Sodium chlorate kg / a 2. 05伊106 4. 44伊1012 [13] 9. 10伊1018
19 劳力 Labor ＄ / a 1. 72伊107 7. 47伊1012 本研究计算 1. 28伊1020
20 体现在商品与能源中的服务
Service embodied in fuels and goods ＄ / a 1. 30伊10
8 7. 47伊1012 本研究计算 9. 74伊1020
大气污染处理过程 Airborne waste treatment processes
21 电力 Electricity J / a 1. 06伊1015 1. 74伊105 [1] 1. 84伊1020
22 化学添加产品 Chemical products
摇 脱硫添加剂 Desulfurizer kg / a 9. 52伊107 4. 69伊1012 [9] 4. 47伊1020
23 劳力 Labor ＄ / a 1. 29伊107 7. 47伊1012 本研究计算 9. 62伊1019
24 体现在商品与能源中的服务
Service embodied in fuels and goods ＄ / a 5. 04伊10
7 7. 47伊1012 本研究计算 3. 77伊1020
固体废物处理过程 Solid waste treatment processes
25 电力 Electricity J / a 6. 64伊1012 1. 74伊105 [1] 1. 16伊1018
26 垃圾车(考虑拆解后的原材料)Garbage truck
摇 钢铁 steel g / a 5. 58伊1010 3. 16伊109 [10] 1. 76伊1020
摇 塑料和轮胎 plastic and tires g / a 6. 20伊109 7. 21伊109 [1] 4. 47伊1019
摇 柴油 Diesel for truck J / a 1. 10伊1013 1. 10伊105 [1,4] 1. 21伊1018
27 焚化辅助燃料 Auxiliary fuel for incineration
摇 煤 Coal J / a 1. 29伊1014 6. 69伊104 [14] 8. 61伊1018
摇 石油 Oil J / a 8. 35伊1012 9. 08伊104 [1,4] 7. 58伊1017
28 焚化辅助材料 Chemical products for incineration
摇 石灰石 Limestone g / a 2. 94伊109 1. 68伊109 [2] 4. 93伊1018
摇 碳酸盐 Carbonate g / a 2. 94伊108 1. 68伊109 [2] 4. 93伊1017
29 劳力 Labor ＄ / a 4. 87伊107 7. 47伊1012 本研究计算 3. 64伊1020
30 体现在商品与能源中的服务
Service embodied in Fuels and Goods ＄ / a 1. 45伊10
7 7. 47伊1012 本研究计算 1. 08伊1020
排放物循环使用 Recycle and reuse part of the emissions
31 甲烷 Methane kg / a 1. 30伊107 5. 22伊104 [14] 6. 78伊1011
32 肥料 Fertilizer kg / a 4. 90伊1010 2. 68伊109 [1] 1. 31伊1020
结果表明,在 2006 年,北京消费过程所排放的水体污染物要高于城市生产过程,而两个城市代谢过程排
放的空气污染物非常接近。 生态系统用于稀释大气污染物所提供的服务能值要远低于稀释水体污染物。 因
此,北京需要放着重点在消费过程(家庭消费、交通运输服务以及其他服务行业)的水体污染方面。 分污染物
来说,大气污染物中需要提供稀释服务能值最大的为二氧化硫(3. 95伊1019 sej / a),同时,所有的水体污染物
中,用于稀释的生态服务提供能值最大的是 NH3 鄄N,比生产过程需要稀释的生态服务提供能值大 10 倍以上。
3805摇 16 期 摇 摇 摇 刘耕源摇 等:基于能值分析方法的城市代谢过程———案例研究 摇
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表 5摇 2006 年需要稀释降解水中和大气中污染物的生态服务量核算
Table 5摇 Ecological services needed to dilute some airborne and waterborne pollutants
消费过程排放
Emission in
consumption
process
类别
Items
参考浓度
Ref.
Concentration
2006 值
Emerg value
/ (sej / a)
生产过程排放
Emission in
production
process
类别
Items
参考浓度
Ref.
Concentration
2006 值
Emerg
value
/ (sej / a)
1 SO2 2. 00伊10-2mg / m3 3. 95伊1019 6 SO2 2. 00伊10-2 mg / m3 4. 53伊1019
2 PM10 8. 00伊10-2mg / m3 4. 21伊1018 7 PM10 8. 00伊10-2 mg / m3 5. 43伊1018
3 NOx 5. 00伊10-2mg / m3 2. 70伊1019 8 NOx 5. 00伊10-2mg / m3 1. 81伊1019
9 镉 Cadmium 1. 00伊10-4mg / L 3. 01伊1017
10 铬 Chromium 1. 00伊10-2mg / L 1. 37伊1018
11 铅 Lead 1. 00伊10-2mg / L 3. 16伊1017
12 砷 Arsenic 1. 00伊10-2mg / L 0. 00
13 挥发酚 Volatile phenol 2. 00伊10-3mg / L 5. 85伊1019
14 氰化物 Cyanide 1. 00 mg / L 1. 51伊1016
4 COD 1. 50伊101mg / L 1. 01伊1021 15 COD 1. 50伊101 mg / L 9. 30伊1019
16 石油 Oil 5. 00伊10-2mg / L 2. 19伊1020
5 氨氮 NH4 鄄N 1. 50伊10-1mg / L 1. 21伊1022 17 氨氮 NH4 鄄N 1. 50伊10-1mg / L 6. 49伊1020
R*w鄄气 Max(1 颐3) 3. 95伊1019 R*w鄄气 Max(6颐8) 4. 53伊1019
R*w鄄水 Max(4 颐5) 1. 21伊1022 R*w鄄水 Max(9 颐17) 6. 49伊1020
摇 摇 Rw鄄i: 稀释第 i种污染物到可接受浓度的生态服务量
需要注意的是,本研究中,只是进行了一个环境吸收、稀释代谢过程副产物的粗略估算。 这有一个前提假
设是整个市区的生态服务是可以支撑稀释实际的污染到“可容忍浓度冶。 据统计,2006 年北京地表水总量为
7. 6伊108 m3,而当年稀释需求水量为 3. 0伊108 m3,从总量上看是满足的,但是仍然存在环境背景值问题,或者
即使不考虑环境背景值,北京水体也因为各种小型水库和公共供水设施阻碍水体的自然循环。 换句话说,想
用干净的水来稀释进行需求完全可能会超过当地现有的生态服务供给能力。
4. 3摇 污染物排放引起的间接生态和经济能值损失核算
大气污染物对人体健康的影响包括呼吸系统疾病和气候变化等,水体污染物对其影响包括致癌效果和富
营养化等[16]。 在这里考虑 6 个空气中的污染物(二氧化硫,粉尘,氮氧化物,二氧化碳,甲烷,氧化亚氮)和 8
个水中的污染物(汞,镉,六价铬,铅,砷,挥发酚,氰化物,石油类),其他污染物由于数据问题暂不考虑。
2006 年,在城市消费过程中由 6 种大气污染物所造成人群健康损失为 1. 15伊1021 sej / a。 水体污染造成的
人群健康损失远远小于空气污染物城市消费过程中,氮氧化物和温室气体(二氧化碳)作为两个最大影响因
素,总能值损失量为 6. 23伊1020 sej / a。 二氧化碳和粉尘有最大的份额,但由于 CO2 不是国家污染考核指标,这
可能是 CO2 造成人群健康损失最大的原因。
5摇 城市代谢演替分析
从表 6 中可以看出,自 1999 年以来,北京总能值使用量(U)以每年 19. 88%的速度不断增大,在 2004 年
达到峰值(25. 11% ),这与北京改革开放后以经济建设为中心的政策是相匹配的,这期间已逐步建立以加工
业快速发展、市场为导向的经济体制,这使得北京能源、原材料、劳动力的消耗同步增加。
可更新资源(包括太阳能、雨水能、风能、地热能等)在此研究的时间尺度上是看作是一个常量。 值得注
意的是,为了避免重复计算,这里可更新资源只考虑了雨水能(最大项)。 本地不可再生资源的使用波动,主
要包括石灰石、砂石和铁矿石,而这些正是建筑类行业所需要的基本材料,由于北京近年来基础建设频繁,这
部分的能值使用量远大于自然表土损失和退化土壤的侵蚀。
4805 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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表 6摇 考虑污染物造成的生态经济损失后北京 1999 年到 2006 年能值流核算表
Table 6摇 Summary of flows of the city 1999—2006
变量
Variable
单位
Units
指标解释
Item 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
R sej / a 可更新资源投入Renewable sources 1. 05伊10
21 1. 05伊1021 1. 05伊1021 1. 05伊1021 1. 03伊1021 1. 03伊1021 1. 03伊1021 1. 03伊1021
N sej / a
不可更新资源投入
Nonrenewable resources:
N=N0+ N1
1. 69伊1022 1. 18伊1022 1. 47伊1022 1. 88伊1022 1. 75伊1022 1. 94伊1022 2. 01伊1022 1. 37伊1022
N0 sej / a
分散损耗
Dispersed rural source 3. 90伊10
19 3. 90伊1019 3. 90伊1019 3. 90伊1019 3. 90伊1019 3. 90伊1019 3. 90伊1019 3. 90伊1019
N1 sej / a
集中使用
Concentrated use 1. 68伊10
22 1. 18伊1022 1. 47伊1022 1. 87伊1022 1. 75伊1022 1. 93伊1022 2. 01伊1022 1. 37伊1022
G sej / a 进口商品Imported goods 5. 20伊10
22 7. 45伊1022 8. 68伊1022 1. 01伊1023 1. 21伊1023 1. 51伊1023 1. 73伊1023 1. 89伊1023
F sej / a 进口化石燃料Imported fuels 9. 94伊10
22 1. 07伊1023 1. 10伊1023 1. 07伊1023 1. 18伊1023 1. 36伊1023 1. 50伊1023 1. 60伊1023
P2I sej / a
购买的服务
Purchased services 5. 05伊10
22 7. 28伊1022 7. 63伊1022 8. 37伊1022 1. 13伊1023 1. 38伊1023 1. 70伊1023 1. 02伊1023
P2I2 sej / a
旅游能值收入
Emergy for turism 4. 46伊10
22 5. 52伊1022 6. 85伊1022 7. 17伊1022 5. 21伊1022 8. 50伊1022 9. 74伊1022 1. 15伊1023
P2I3 sej / a
支付劳力的能值
Emergy paid for imported labor 6. 62伊10
20 9. 43伊1020 1. 29伊1021 1. 44伊1021 1. 87伊1021 2. 33伊1021 3. 65伊1021 3. 65伊1021
U sej / a
总能值使用量 U=R+ N+ G + F
+ P2I + P2I3
2. 20伊1023 2. 68伊1023 2. 91伊1023 3. 13伊1023 3. 73伊1023 4. 47伊1023 5. 18伊1023 4. 69伊1023
R*w sej / a
为降解污染物投入的生态服
务量
Emergy of ecological services
needed to dissipate the emissions
2. 63伊1022 5. 19伊1022 4. 91伊1022 4. 99伊1022 4. 43伊1022 1. 90伊1022 1. 60伊1022 1. 42伊1022
L*w,1 sej / a
由于污染造成的人群致残致死
损失量
Emergy of the human life losses
caused by the emissions
1. 59伊1021 1. 71伊1021 1. 75伊1021 1. 78伊1021 1. 97伊1021 2. 55伊1021 3. 02伊1021 2. 58伊1021
L*w,2 sej / a
由于污染造成的生态损失量
Emergy of the ecological losses
due to the emissions
2. 65伊1021 2. 82伊1021 2. 66伊1021 2. 74伊1021 2. 42伊1021 1. 81伊1021 2. 71伊1021 3. 01伊1021
Lw,3 sej / a
由于废物填埋造成的土地占用
经济损失量
Emergy of the land occupation
caused by the emissions
1. 21伊1019 1. 54伊1019 1. 76伊1019 1. 87伊1019 2. 75伊1019 3. 96伊1019 4. 84伊1019 4. 98伊1019
Ew sej / a
用于污染物处理的经济投入
Emergy investment for
waste treatment
1. 33伊1021 1. 52伊1021 1. 62伊1021 1. 99伊1021 2. 37伊1021 2. 85伊1021 2. 73伊1021 3. 24伊1021
Fb sej / a
污染物处理后的回用量
Feedback emergy 2. 35伊10
19 2. 68伊1019 3. 19伊1019 5. 35伊1019 8. 15伊1019 1. 17伊1020 1. 45伊1020 1. 31伊1020
表 6 中还罗列了 2006 年北京主要进口投入能值量。 进口总额从 1999 年的 1. 51伊1023 sej / a 跃升为 2006
年的 3. 49伊1023 sej / a。 总进口的商品中,化石燃料从 8. 84伊1022 sej / a 上升到 1. 35伊1023 sej / a,增长了 1. 52
倍。 建材(包括铁矿石、钢铁等)由 4. 32伊1022 sej / a增长到 1. 70伊1023 sej / a,足足增加了 3. 92 倍。 这表明近些
年北京的经济发展越来越依赖于基础设施建设,这种趋势甚至取代了能源转化行业。 而出口方面石油化工产
品、矿产品机械与运输设备的能值最大。 如表 2 所示,北京进口的服务能值达到 2. 04伊1023 sej / a,比 1999 年
增长了 4. 04 倍。 由于进口量的急剧增大,使得能源自给率下降明显。 另外,通过拆解进口来源,发现从其他
省份进口的服务是从国外进口服务的 7. 6 倍,这表明北京的进口仍然依赖于国内市场间的供需传递。 而旅游
和支付劳力也增长显著,相较 1999 年分别增大了 2. 58 倍和 5. 52 倍。 1999 年到 2006 年,煤炭仍是北京最重
5805摇 16 期 摇 摇 摇 刘耕源摇 等:基于能值分析方法的城市代谢过程———案例研究 摇
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要的基础需求能源,可以看出 2000 年煤炭使用减少,而后急速增加,这应与北京备战奥运的大规模投入相关。
与此同时,北京使用来自其他省市的石油稳步下降,从国外进口煤、石油增速明显,电力使用量也逐年增大
(11%到 13% )。 与此同时,北京重视了对清洁能源的使用,天然气已跃居为第四大能源消费,其增长趋势与
电力使用量相一致。 不考虑体现在使用商品中的服务,钢铁和矿石的消费量所占比例最大,而与其相关的建
筑用砂石消费也较高。 而在表 2 中,考虑了体现在商品中的服务,可以看到,高新技术产品、机械和电气设备
的增加明显,这也说明,北京的产品消耗种类在这几年发生较大变化,而高新技术产品背后所蕴含的巨大的劳
动力和服务,使其也成为北京市物质消耗能值的第 3 位。
6摇 北京市能值指标分析
在本节中,通过能值指标的分析来考察北京代谢系统经济结构特点。
6. 1摇 能值强度
能值强度指单位面积使用能值量,该指标用以描述城市经济活动或城市发展强度和集约程度。 如表 7 所
示,北京能值强度,从 1999 年的 1. 85伊1013 sej / m2 增长到 2006 年的 4. 59伊1013 sej / m2,这表明,在过去几年中,
北京保持了较快的经济增长,并取得了经济总量的新高。 从计算数据中可以发现,这一增长主要是进口高能
值转换的商品和服务所引起的。 结合能值利用结构和北京人均能值利用量,可以看出,在北京所消耗的总资
源,可更新资源输入非常少,大部分是从境外购买的商品和服务,这也意味着,当地居民的生活水平和城市经
济的发展完全依赖于从外部资源购买。
表 7摇 能值指标分析表
Table 7摇 The table of emergy indices
变量
Variable
指标解释
Item 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
EYR U / (G + F + P2I + P2I3) 1. 09 1. 05 1. 06 1. 07 1. 05 1. 05 1. 04 1. 03
EYR忆
(U+ R*w + I*w,1+ Iw,2*+ Iw,3) /
(G + F + P2I + P2I3 + Rw* +
Iw,1*+ Iw,2*+ Iw,3)
1. 08 1. 04 1. 05 1. 06 1. 05 1. 05 1. 04 1. 03
ELR忆 (N+G+F+ P2I + P2I3) / R 208 254 275 295 361 434 502 455
ELR
(N+G+F+ P2I + P2I3 + Rw*+
Iw,1*+ Iw,2*+ Iw,3) / R
237 307 325 347 409 456 523 474
ESI EYR / ELR 5. 23伊10-3 4. 14伊10-3 3. 85伊10-3 3. 61伊10-3 2. 91伊10-3 2. 42伊10-3 2. 08伊10-3 2. 27伊10-3
ESI忆 EYR忆 / ELR忆 4. 54伊10-3 3. 39伊10-3 3. 22伊10-3 3. 05伊10-3 2. 56伊10-3 2. 29伊10-3 1. 99伊10-3 2. 17伊10-3
6. 2摇 进 /出口结构
对于城市生态系统,能值居民享有的福利也可以通过比较资源的进口和出口,这是通过两个比率占透露,
一个是出口和进口之间的差额,另一种是进口 /出口。
一个城市的出口和进口的能值之间的时间内超过净差额反映资源流向不同地区之间的贸易发生时的过
程。 评估能值帐户的交易,揭示了“真正的财富冶的交流,因此,从传统的贸易原则,是相当不同的。 相反,当
出口大于进口,即出口与进口的比例如果是超过 1,则反映城市出口真实的财富,这会被证明是一个“生态贸
易冶逆差;当进口高于出口,即该比率小于 1,则意味着进口占主导地位的平衡,表现出一种良好的贸易状态。
从 1999 年到 2006 年,北京的出口 /进口比率都是小于 1。 在此期间,北京工业的快速发展带来了快速的
能源需求,使油耗增加从 1999 年的 1. 01伊1023 sej / a增加到 2006 年的 1. 90伊1023 sej。 这些燃料的大部分是用
于工业、建筑业和交通部门。 在此期间,进口能值比的最大差异出现在 2005 年和 2006 年的出口能值上。
6. 3摇 环境影响
环境负荷率(ELR)是本地的不可再生能值和购买能值(包括服务)与本地可再生能值的比值。 相比一个
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成熟的自组织系统,环境承载力越高,表明其更多地依赖于间接的资源。 北京环境承载率数值增加剧烈,从
1999 年的 208 增长到 2006 年的 455。 这种数据只是为今后的城市发展规划提供一个“生态中心冶的价值而不
是“人类中心冶的价值观做铺垫,这一点后面会有相关的解释。
6. 4摇 环境可持续发展指数
环境可持续发展指数是总的经济收益(EYR)与总的环境负荷(ELR)之比。 该指标根据生态经济复合系
统的特点,既考虑了从客观出发分析系统的环境压力,又考虑到了系统生产在人类社会经济中的实际作用,由
此得出的能值可持续发展指数。 非常明显,北京的可持续发展指数在不断下降,这也与人们常提到的仅凭外
界的进口跟掠夺式的本地开发促成的城市不可持续发展不谋而合。
6. 5摇 修正后能值指标综合评价
能值产出率(EYR)可以看出对本地资源的依赖程度,只有达到更多可更新资源的利用,才可能更好的确
保城市的可持续发展。 在这里重点查看由于考虑了污染物造成的生态和经济损失后对指标的影响,从表中可
以看出,损失对能值产出率的影响不并不大,即使在 1999 年这种污染物排放较大的年份。 而环境负荷率
(ELR)的影响较大,环境负荷率进一步提高(ELR忆)考虑污染物造成的生态和经济损失后,由于间接输入流主
要是不可再生的能源,增加了相应的投入。
环境可持续指标 ESI忆值作为能值产出率和环境负荷率的比值,也发生了相应的变化。 由于减少了产出比
(EYR忆ELR)的综合效应,可持续指数 ESI忆值显著下降,在 1999 年下降明
显,达 8. 2% ,2006 年也有 3. 5%的降低,但基本的趋势并没有改变。 研究也表明,由于污染物排放的影响,确
实通过人群健康的影响和城市生态资本的损失大大拉低了城市代谢系统的可持续性。
对比近年来城市代谢的相关研究,其中 Li and Wang 计算出北京家庭代谢能值总量为 1. 06伊1016 sej / a,
ELR为 104. 60[17];Zhang等计算出北京 2004 年能值总量为 6. 514 伊1023 sej / a,ELY 为 531. 23[18]。 之前结果
普遍结果都偏大,原因在于由于难以处理进出口复杂商品,这些研究中普遍是采用进出口货币量来折算能值
量,这样与实际考虑商品种类和包含的劳动和服务价值要大的多(因为进口商品能值核算不应该乘以国内能
值货币比),而由于仅考虑污染物排放量,没有考虑污染物排放造成的损失量,所以计算出的 ELR也偏大。
7摇 讨论与结论
本文基于作者以往研究,以北京为例,运用生态热力学的方法对北京市 1999 年到 2006 年的代谢过程进
行热力学核算,对复杂商品的能值计算进行修正,并拆解了不同尺度的商品来源,研究了排放物的环境影响,
但仅仅评价是不够的,主要问题还在于(1)概念模型仍然太简化;(2)多尺度嵌套体现在哪里;(3)如何理解
结论中提出的“绝对比例的进口跟掠夺式的本地开发促成的城市不可持续冶。
对环境和人类社会经济系统之间的关系可以很容易地被理解并且建模出一个整体的世界体系(见图 1),
利用能路语言,来描述地区之间的能源和物质的流动,以及相应的控制(反馈)机制。 这样可以很直观的来看
出能量与物质的流动与汇集。
从之前的计算和分析的结果可以得出北京的一些并不超出我们预期的结论,如北京从国内其他省市的进
口要比从其他国家进口高 52. 7 倍;北京使用的能值总量远不及其所应该支付的货币量;北京极高的环境负荷
远不是本地可更新资源可以消纳;而由于 GDP 和能值使用量的“挂钩冶使得实现北京经济的发展在不可持续
的道路前进一步(图 1)。
如图 1 所示,能值流从左至右从城市到国家最终实现全球累积,而货币流作为交易的反馈流与能值流逆
方向流动。 由于各个国家的资本情况不同,资本强的国家可以通过加速资本流运作实现更多的能值流的进
入,这种不公平的交易可以看成是一种目的在于区域自我增强的新殖民主义倾向。 而更多实际情况是由于贫
困和资源分布的不均衡,财富很多情况的分配是取决于权利、关系而不是公平。 从图 1 可以看出,这种权利控
制线由右至左,影响着物质与能量向着区域流动,用以加强核心区域的自我累计。 这也证明了中国依赖社会
的复杂结构,凭借部分地区的政治和经济力量,通过技术转变进行中国(世界)市场转化,加速了一些产业核
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图 1摇 城市代谢系统在国家与世界体系中的地位与作用
Fig. 1摇 The urban metabolic system position and role in the national and world system
心区的能量流输入。
图 1 还从另一个角度说明了这种多尺度嵌套的效果和影响,上面是说总能值使用量上的控制,还有一个
方面是污染物产生的影响。 由于污染物的迁移和温室气体的全球影响,使得人们对污染物的考虑不能仅限于
本地的自净与填埋,而要考虑其对于全国甚至全球的生态风险,也要考虑污染物在国家尺度和全球尺度的贮
存和累积。
如上所述,用能值这样一个能量累计的概念并不是全新的,但是以此扩大出一个全新的基于世界体系的
城市代谢理论,如“城市依赖理论冶等,用以说明不同的城市可能定位于生产者或者消费者的不同角色,而在
这种不公平不均衡的发展过程中,本身是什么角色并不重要,而是在于相互之间是什么样的关系。 所以当看
到城市绝对比例的进口跟掠夺式的本地开发时,它并不一定是不可持续的,而是形成了一种全国关联或者全
球关联的聚团,而处于核心地位的城市通过经济、政治优势浓缩了周边的资源、人力及价值的创造,而真正的
不可持续的是与它紧密关联的其他区域。 本研究构建了城市、国家、全球多层嵌套模型,旨在通过能量流和交
易过程形成全球关联的快照。 而不同区域生产的产品离开生产者,它代表了一种类型的资源,但由于不同区
域提供的产品体现服务不同,最终到达消费者之前,其最终的贸易值其实发生了巨大变化[ 19 ]。 如资源型城
市出口产品体现服务价值很低,高科技产品体现了巨大的服务价值。 所以能值分析的方法可以统一真实物理
量值和体现价值,实现人与自然界面的交互。 本研究试图为城市代谢研究提供一个新的视角,为实现城市系
统调控和整体规划提供一定的理论支持。
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圆猿员缘 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 猿猿 卷摇
《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是由中国科学技术协会主管,中国生态学学会、中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊,创刊于 1981 年,报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果。 坚持“百花齐放,百家
争鸣冶的方针,依靠和团结广大生态学科研工作者,探索生态学奥秘,为生态学基础理论研究搭建交流平台,
促进生态学研究深入发展,为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务、为国民经济建设和发展服务。
《生态学报》主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果。 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方法、新技术介绍;新书评价和
学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,300 页,国内定价 90 元 /册,全年定价 2160 元。
国内邮发代号:82鄄7,国外邮发代号:M670
标准刊号:ISSN 1000鄄0933摇 摇 CN 11鄄2031 / Q
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馆等订阅。
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本期责任副主编摇 王克林摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 33 卷摇 第 16 期摇 (2013 年 8 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
摇
(Semimonthly,Started in 1981)
摇
Vol郾 33摇 No郾 16 (August, 2013)
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