第1章绪论
城市化在中国以及全球很多发展中国家都呈现出不可逆的趋势。1900年，城市居民仅占全球人口的10%，2022年城市人口比例约为57%（UN DESA，2022）。城市用地面积增加和碳库减少的现象在不断加剧，二者在亚洲、欧洲和美洲大部分地区的变化速率已成倍地超过人口的增速（Seto et al.，2012）。
城市实体是由密集的商业建筑、住宅和基础设施系统构成的整体，存在高度集中的物资投入和废弃物处理活动。尽管城市化本身并不是新的现象，但是现代城市正以过往无法预见的速度增长和扩张。因此，对于一些复杂的大型城市系统（如由中心城、卫星城和郊区等组成的高度组织化经济地理系统）而言，“都市区”可能是更加恰当的描述。居住在城市或都市区毫无疑问会给人们的生活带来极大的便利，并大幅提高工作效率。然而，公众和科研工作者普遍对由城市经济发展所引发的一系列环境问题感到担忧，认为不受任何约束的发展模式正在对我们赖以生存的自然生态系统施加巨大的压力。城市凭借着高强度的生产和消费活动，改变了能源和资源在不同部门和地域间的流通。对城市生产与消费活动进行更合理的规划和更科学的管理，对于实现全球可持续发展目标有重要的意义。
建立城市代谢理论与方法的目的在于量化、模拟和管理城市的能量流、物质流和信息流等要素，从而促进城市经济–社会–生态的协同可持续发展。本章通过阐述城市代谢的核心概念、方法以及其如何应用于系统可持续性模拟与评估，以介绍城市代谢研究所取得的进展，并分析城市代谢与可持续发展的关系及城市代谢与资源协同管理。*先，本章定义并图示了城市代谢的基本概念与相关术语，进而论述城市代谢研究的主要方法和指标，并比较了相关应用场景。其次，对城市代谢研究的代表性案例和代谢流类型等进行了梳理，并对城市代谢流核算的重要数据来源做了简要介绍。*后，从不同角度探讨城市代谢与资源耦合、可持续性评估之间的关系，以讨论城市代谢理论方法对于实现可持续城市规划与管理的重要性。
1.1 城市代谢概述
1.1.1 理论发展
“新陈代谢”是源自生物学研究的概念，通常被定义为有机生物体发生的同化异化、生长繁殖等涉及的化学过程的总和，*早于1815年由德国化学家希格瓦特提出（Foster，2000）。后来，李比希在《化学在农业和生理学上的应用》一书中使用了“新陈代谢”来揭示有机体与其所处环境之间的相互交换、相互作用（李比希，1983）。此时的新陈代谢概念具有生物学意义和生理学意义，用于描述动植物为了维持生存，在生命有机体内进行的一系列复杂的能量与物质交换的过程，包括物质代谢和能量代谢。
马克思继承和引用了自然界关于新陈代谢的概念，在A Contribution to the Critique of Political Economy一书中将商品交换描述为社会代谢的一种模式（Marx，1859）。他重点关注社会的新陈代谢，包括人类作为动物与自然二者之间的新陈代谢和各类经济社会活动的新陈代谢。在随后的《资本论》一书中，马克思进一步详细描述了经济社会无序增长带来的社会–生态代谢断层问题（Marx，1867，1894）。“生态系统代谢”的概念可以追溯到20世纪30年代，Tansley（1935）强调生物体（生物成分）和环境物理因素（非生物成分）的统一，定义“复杂有机体”和“生态系统”为一个单一自然系统。动植物和自然环境间的物质循环和能量流被认为是生态系统代谢的基本形式，这在一定程度上也适用于描述城市复合系统的活动。
针对城市快速的扩张和对资源的过度开采，Wolman（1965）率先对城市代谢进行定量分析，以一个一百万人口的假想美国城市为例，研究能量和物质代谢。不局限于生物学概念，城市代谢反映城市的物质使用、能源消耗和废物排放所有生态过程和经济过程的总和，体现人工生态系统的实际运作模式。图1-1为Wolman对于城市代谢的定量化解析，主要展示了水、燃料和食物三类物质（资源）的流入，以及废水、废气和固体废弃物三类物质的流出。基于这一定义，城市的物质、能量和营养物通量将被视作整个城市代谢大框架中的组成部分（Baccini and Brunner，1991）。在这些通量中，尽管有毒污染物在过去几十年中更受关注，但能源、水资源、物料等无毒物质当前也逐渐被纳入代谢分析的框架中（Ayres and Kneese，1969；Bolin，1970；Kneese et al.，1974）。
自此，生态学家和城市学家一直在研究能够将城市视作代谢有机体的可行方法，并评估全球各地区城市在代谢过程中的结构和功能（Kennedy et al.，2007）。在理论与方法层面上，不少学者研究社会代谢与生态代谢，追踪能量流与物质流的投入、产出和相互作用（Fischer-Kowalski，1998）。
城市化对气候变化的影响直到20世纪末才被明晰，结果表明城市或大都市区是二氧化碳*大的排放源（O’Meara，1999），对改变全球碳循环格局产生了重要影响（Churkina，2008）。在全球变化背景下，城市代谢与碳排放之间的密切联系使得碳代谢研究变得空前重要。追踪城市代谢系统中的碳通量和路径将有助于规制人为碳排放，厘清各部门的减排责任。可以说，城市代谢理论与方法翻开了碳平衡研究和城市可持续发展研究的新篇章。
1.1.2 相关术语定义
城市代谢（urban metabolism，UM）指的是城市中所有与生产和消费活动相关的能量或物质的技术流及经济流环节的总和，具体来说，是指城市从其他经济体进口或者由自然生态系统输入原材料和产品（相当于有机体的“同化”过程），经过城市经济部门之间的资源分配、产品加工转换、服务交换，形成一定的能量和物质储存（相当于有机体的成长发育过程），*后以产品出口或者废弃物排放的形式（如以气体、液体和固体废弃物的形式，相当于有机体的“异化”过程）离开城市边界（或者资源化利用后再返回城市内部）的过程（Wolman，1965；Kennedy et al.，2007；Warren-Rhodes and Koenig，2001）。这是在早期的城市代谢概念提出后，经过多次改进形成的内涵。
城市代谢系统（urban metabolic system，UMS）是以代谢的结构、过程和机制为研究目标或对象的开放型城市复合体。城市代谢系统由相互耦联的城市经济子系统、社会子系统和自然生态子系统组成，系统内部持续消耗能源、食物和其他库存中积累的能量和物质，在城市经济体中相互作用，*后向大气、水和土壤排放各类废物并与外界发生交互作用（Ferr?o and Fernandez，2013）。
城市代谢网络（urban metabolic network，UMN）是从系统论（systems theory）视角来研究城市代谢系统的派生概念，其主要目的是刻画城市代谢系统内各组分间的复杂过程、依存关系和系统整体表现。图1-2展示了一个典型的城市代谢网络范式结构，它由内部相互紧密关联的经济社会部门构成，通过输入和输出的环境元与其他地区交换能量和物质。代谢网络是学者应用生态网络分析研究城市代谢后所提出的概念，用于描述通过不同路径产生直接和间接作用而相互耦联的城市代谢系统，以及由此产生的各经济社会部门的相互控制依赖和效用关系。城市代谢网络可用于识别系统层面的代谢结构和功能特征（Chen S Q and Chen B，2014）。例如，图1-3展示了其中一种形态的碳代谢网络（Chen S Q and Chen B，2012）。该碳代谢网络由相互间存在碳转移的城市系统各组分构成，包含农业，能源生产业，建筑业，工业、贸易和服务业，水和土壤等经济部门与居民消费业、本地环境、外部环境等之间，以及本地环境与外部环境之间的碳流动和交换［可以是物质碳流（physical carbon flow）或隐含碳流（embodied carbon flow）］。
体外代谢（exosomatic metabolism）和体内代谢（endosomatic metabolism）指的是新陈代谢的外部交换和内部互动过程，多用于评估代谢系统的环境压力和可持续性。Lotka（1956）将社会实体代谢分为两个部分，一部分与内部社会经济活动相关，类似于人体内脏器官；另一部分与外界环境交互相关，如基础设施和技术设备的进口，类似于人造外脏器官。Georgescu-Roegen（1971）将“体外代谢”和“体内代谢”这两个概念用于描述经济社会系统，面向经济和生物物理过程的可持续性，实现内部和跨边界能量流、物质流的量化。在多尺度代谢分析中，Ramos-Martin等（2007）将人类社会的代谢定义为“一个社会所需的能量和物质的持续转移过程”，并量化了经济系统的“体外”能源代谢。
上述城市代谢相关概念关系如图1-4所示。城市代谢网络是城市代谢系统的结构模型，分为体内代谢和体外代谢两部分研究内容，反映城市代谢系统的表现。上述概念与其他的城市代谢术语共同构成用于描述城市增长和发展的重要体系，被越来越多地嵌入城市生态学和工业生态学研究中。
1.1.3 分析方法和指标
选择合适的方法和指标来测度和评估城市代谢效率与可持续性是改善城市资源利用管理和废物排放控制的重要步骤（Ferr?o and Fernandez，2013）。目前的方法包括：①以代谢强度为导向的物质流分析（material flow analysis，MFA）（Fischer-Kowalski，1998；Warren-Rhodes and Koenig，2001）、能值分析（emergy analysis，EMA）方法（Huang，1998；Huang and Chen，2005）、生命周期分析（life cycle assessment，LCA）和投入产出分析（input-output analysis，IOA）等。②以代谢结构与功能为导向的生态网络分析（ecological network analysis，ENA）方法。这些方法作为自然和社会交互关系的重要核算与模拟工具，已被广泛应用于分析城市内部和跨边界的能源消耗、碳排放、水资源利用和环境可持续发展等问题。
在早期的代谢研究中，主要是基于调研与监测数据来测量城市物质平衡和各类资源的流动通量（Pouyat et al.，2002；Pataki et al.，2005；Turnbull et al.，2006；Levin and Karstens，2007a，2007b）。此后，城市代谢研究逐渐转向将城市视为存在广泛内在联系的生态系统进行评估（Pickett et al.，2001；Pataki et al.，2006）。以碳排放为例，在城市代谢框架内，学者主要依赖能源消耗、资源消费和废物输出的清单（能源流和物质流）来追踪和计算对应活动的二氧化碳等温室气体排放（Kennedy et al.，2009，2010；Ramaswami et al.，2008；Kaufman et al.，2008）。该方法在早期作为问题识别的*要工具，使得将代谢概念应用于城市评估成为可能，如碳的代谢量（Baccini and Brunner，1991；Sahely et al.，2003）。然而，除了代谢系统的输入和输出以外，城市代谢系统内部的交互作用和结构信息的缺失削弱了对部门层面微观调控的环境决策支持。此外，传统代谢评估缺乏对经济贸易的间接效应的考虑，然而，在当前的资源管理中，跨部门和跨边界资源流通的间接效应尤为重要（Schramski et al.，2006）。
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