基于能值的資源型城市新陳代謝過程對比分析

璩路路，師學義，劉 暢

（中國地質大學（北京）土地科學技術學院，北京100083）

基于能值的資源型城市新陳代謝過程對比分析

璩路路，師學義，劉 暢

（中國地質大學（北京）土地科學技術學院，北京100083）

城市新陳代謝注重分析城市物質、能量和貨幣的流動過程，這為探討不同職能城市的城市代謝過程提供了新的視角。為了探討不同資源型城市的新陳代謝特點和變化規律，分別以山西省省會資源型城市太原市和傳統資源型城市晉城市為例，基于太原市和晉城市2007—2014年的社會經濟數據，運用能值理論構建了8項反映城市新陳代謝的評價指標體系，從城市新陳代謝系統能值結構、能值使用強度、能值環境壓力和新陳代謝產出效率4個方面，對太原市和晉城市2007—2014年城市新陳代謝狀況進行了對比分析。結果表明：2007—2014年，總體上，太原市的城市新陳代謝系統能值結構優于晉城市，晉城市的能值使用強度高于太原市，晉城市的能值環境壓力大于太原市，太原市的新陳代謝產出效率高于晉城市。通過對比分析后對提高太原市和晉城市的城市新陳代謝過程提出了建議，為創造性地解決山西省新陳代謝資源與生態風險問題奠定基礎，進而為城市生態管理提供科學依據。

城市新陳代謝；能值理論；代謝特征；對比分析

城市是一個以人類活動為中心的社會—經濟—自然復合生態系統，是一個具有多層次、多輸入、多輸出的耗散結構，它必須從外界獲取物質和能量，不斷輸出產品和排放廢物，才能保持穩定有序的狀態；同時，城市猶如一個復雜的有機體，不斷進行新陳代謝，城市新陳代謝系統是融合了能量、物質、貨幣和人類勞動的復合巨系統[1]。城市新陳代謝的研究方法包括物質核算法、社會代謝多尺度綜合評估和能值分析法。物質核算法以質量守恒定律為基本依據，從實物的質量出發（通常以噸為單位），揭示物質在特定區域內的流動特征和轉化效率，但物質流分析法存在著單位不統一，目前對于不同物質之間的系統集成研究較為乏力。社會代謝多尺度綜合評估對城市代謝系統的資源、環境、生態變量解析能力不足。能值分析法將環境—經濟系統的過程和產品統一折算成能量單位，將不同能質的能量轉換成同一標準加以分析，為定量分析生態系統和經濟系統提供了一個衡量和比較各種生態流的共同尺度和度量標準，可以作為城市新陳代謝研究的有效方法。

能值分析理論由生態學家Odum創立，該理論全面闡述了系統的內在能量和資源，被廣泛應用到城市新陳代謝的研究中[2-4]。20世紀90年代初，隋春花等[5]把能值理論和研究方法第一次引入到中國，之后被廣泛應用到城市、農業、經濟等多個領域，Huang等[6-7]運用能值方法對臺北市物質代謝進行了研究，并探討了城市景觀格局演變、城市發展機制與社會經濟系統物質代謝的關系，嚴茂超等[8]對西藏的生態資源進行能值分析后得出水資源對未來西藏的可持續發展有著非常重要的意義，黃永斌等[9]以石嘴山市為例基于能值分析了城市資源與能源的流動過程。以往的研究多從國家、地區尺度對城市代謝系統進行分析，但對于區域中心不同職能城市的對比研究較少。本文運用能值分析方法構建反映城市新陳代謝系統能值結構、能值使用強度、能值環境壓力和新陳代謝產出效率的指標體系，對山西省省會資源型城市太原市和傳統資源型城市晉城市2007—2014年城市新陳代謝狀況進行對比分析，為創造性地解決山西省新陳代謝資源與生態風險問題奠定基礎，進而為城市生態管理提供科學依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

太原市（37°27′—38°25′N，111°30′—113°09′E）位于山西省境中央，為山西省省會，總面積6 988 km2，2014年總人口429.89萬，人口城市化率為85%。太原市作為內陸資源型省區中心，為中國重工業發達地區，已探明礦藏主要有鐵、錳、銅、鋁、鉛、鋅等金屬礦和煤等非金屬礦。近年來，太原市經濟保持平穩增長，GDP從2007年的1 291.77億元增長到2014年的2 531.09億元，增幅接近200%。2014年，第三產業增加值占GDP的比重達到58.47%，第一、二產業的比重則分別為1.54%和39.99%，總體而言，太原市的經濟集聚程度較高，規模不斷擴大，對于資源的消耗也在不斷加劇，城市的運轉負擔也在不斷加大。

晉城市作為山西省東南部典型的礦業資源型城市，土地總面積9 490 km2，2014年總人口達到219.31萬。晉城市素以豐富的自然資源而著稱，在東西長160 km，南北寬100 km的地下蘊藏著煤、煤層氣、鐵礦石、鋁土礦等數十種礦產資源，尤以煤鐵為著，晉城地處“沁水煤田”南端，全市范圍內有永紅煤礦、永安煤礦、寺河煤礦等各大礦區，轄區內更存在著晉煤集團、蘭花集團等一系列的煤炭相關產業公司。2014年晉城市礦業工業總產值535.4億元，占全市GDP的73.2%，有"煤鐵之鄉"的盛譽，當地資源的開采與經營對城市的社會經濟發展具有很大的推動作用。

1.2 數據來源

本文的原始數據來源于山西省環境統計年鑒（2007—2015年）、太原市統計年鑒（2007—2015年）和晉城市統計年鑒（2007—2015年）。

1.3 研究方法

1.3.1 能值分析方法 本文擬采用能值理論方法來進行城市新陳代謝分析。能值分析方法常以太陽能為基準來衡量各種能量的能值，即其所具有的太陽能值單位為太陽能焦耳（sej），任何物質及能量生成所需要的太陽能能值比率為能值轉換率（sej/J）。本文關于能值分析的基本步驟如下：（1）收集資料。通過查詢、計算，收集與研究區相關的自然環境、農業、工業及經濟貿易等各種資料，分析研究區城市代謝的主要成分和能值流，建立包括國內生產總值、人口、能源等主要能值流在內的基礎資料庫。（2）編制能值分析表，列出研究系統的主要能量來源指標；收集能值分析表中各類別資源能量流（物質流）的原始數據，查找能值轉換率，通過能值轉換率，可獲得任何資源、產品或勞務形成所需直接和間接的太陽能值。代謝能值（Em）的計算公式如下：

式中：Ti為輸入i的能值轉換率；Ei為資源i的數量[10]。

1.3.2 城市新陳代謝系統能值賬戶 城市新陳代謝系統能值賬戶是通過對城市不同能值組成部門眾多能值項目的能值統計，系統闡述城市新陳代謝的整體架構。基于能值的城市新陳代謝系統包括可再生資源能值（R）、非可再生資源能值（N）、進口能值部分（IM）、廢棄物能值部分（W）和出口能值（EX），能值轉換率采用Odum，Huang等學者的研究成果[11-15]；城市新陳代謝不同組成部門、能值項目及所參考的能值轉換率（表1）。其中可再生自然資源能值投入（R）既包括太陽能、風能、雨水化學能、雨水勢能、地球循環能等自然形成的，也包括農產品、畜產品和水產品等本地可再生資源能源。不可再生資源能值（N）則包括煤炭、鋼材、水泥等不可再生資源能值項目。進、出口資源能值（IM，EX）主要由進出口商品構成，進口資源能值亦加入了旅游能值部分。最后，廢棄物能值（W）由三部分組成，分別為固體廢棄物能值、廢水能值和廢氣能值。

表1 城市代謝系統的能值構成及能值轉換率

1.3.3 城市新陳代謝指標 參考Odum[11]的研究成果以及宋濤等[16]研究中國城市代謝系統而擬建的能值指標體系，并結合Brown等[17]提出系統可持續發展性能的能值指標，本文運用能值分析方法構建反映城市新陳代謝系統能值結構、能值使用強度、能值環境壓力和新陳代謝產出效率的指標體系，對山西省太原市和晉城市2007—2014年城市新陳代謝狀況進行了對比分析。本文在原有能值評價指標體系的基礎上，從城市新陳代謝系統能值結構、能值使用強度、能值環境壓力和新陳代謝產出效率4個方面指標構建了城市代謝能值評價指標體系（表2），代謝能值結構由系統總能值使用量（U）和能值外向度（EER）表征，總能值使用量（U）由可再生資源（R）、不可再生資源（N）和進口資源（IM）能值構成，系統外向度刻畫了代謝系統對外界的依賴程度，由代謝系統的能值外向度（EER）指標來刻畫，由進口資源（IM）和出口資源（EX）比上總能值構成；新陳代謝強度由能值貨幣比（EG）和人均能值量（EP）來反映，其中能值貨幣比是貨幣財富購買能值能力的綜合考量，人均代謝能值（EP）為每人能值擁有量，是代謝系統人口能值福利的表征[18]；城市代謝能值壓力指標由環境負荷率（ELR）和能值廢棄率（EWR）表征，環境負荷率（ELR）是非可再生能值（N）與進口能值（IM）與可再生能值（R）的比值，其數值較大則表明在系統中存在高強度的能值利用，同時對環境系統保持著較大壓力[19]，能值廢棄率（EWR）則指評價系統排放的廢棄物的可利用程度以及系統的循環能力，該比值越大，說明系統利用資源的效率越低，廢棄物再生資源化水平比較低；系統產出率由能值產出率（EYR）和能值可持續指標（ESI）來表征，能值產出率（EYR）為總代謝能值量（U）與進口能值量（IM）的比值，是評價投入的效益和當地能值利用程度的指標。系統能值可持續指標（ESI）為能值產出率（EYR）與能值負荷率（ELR）的比值表征單位能值環境負荷下的系統產出效率，是城市新城代謝系統社會經濟發展與生態環境與協調度的指標。這些指標從不同的角度對物質代謝能力進行分析，可以從不同側面反映城市代謝水平。

表2 城市代謝系統能值指標測度

2 結果與分析

2.1 新陳代謝系統能值結構

在城市新陳代謝系統的總代謝能值構成中，2007—2014年，晉城市和太原市總能值整體上呈增長趨勢且增幅不大，太原市系統總能值使用量由2007年的9.024×1023sej變為2014年的9.116×1023sej，明顯高于晉城市2007年的5.147×1023sej和2014年的6.422×1023sej的總能值使用量（圖1），但就增長幅度而言，晉城市的能值使用量增加了24.76%，高于太原市的1.02%，這說明近年來晉城市運轉所涉及的物質與能量需求急劇增加，而太原市由于總規模過大，增長潛在空間相對較小。在能值組成中，進出口能值都分別出現了較大的增長，晉城市不可更新資源值的增幅尤其明顯，晉城市境內礦產資源豐富，能源資源自給率比較高，2014年生產天然氣6.7億m3，生產原煤7 954萬t，遠大于太原市生產天然氣0.011 6億m3，原煤3 645萬t，轉換能值數值由2007年的1.203×1023sej變為2014年的1.567×1023sej，增加了30.26%，明顯高于太原市逐年下降的2007年1.166×1023sej和2014年的0.741×1023sej的不可更新資源能值（圖2），為驅動經濟發展，太原市越來越傾向于向外部購買資源性能值，因此，城市的對外開放度在不斷增大，2007—2014年，能值外向度不斷增長，太原市的能值外向度由2007年的0.076上升至2014年的0.142，平均能值外向度為0.105，明顯高于晉城市2007年的0.018 1、2014年的0.094和晉城市平均能值外向度0.054。

圖1 2007-2014年太原市和晉城市的總能值使用量對比

圖2 2007-2014年太原市和晉城市的能值外向度對比

2.2 新陳代謝能值使用強度

能值使用強度指標包括能值貨幣比和人均能值福利兩項。通過對能值貨幣比的測度，可以系統表征貨幣財富購買能值能力的變化情況，從而系統反映城市代謝系統通量特征。總體而言，太原和晉城的能值貨幣比呈下降趨勢，太原市的能值貨幣比由2007年5.31×1013sej/＄降到2014年的2.74×1013sej/＄，低于晉城2007年的能值貨幣比8.90×1013sej/＄和2014年的4.71×1013sej/＄（圖3）。晉城市代謝效率較高，這是因為每單位經濟產出所換取的能值量高，能值財富的增長快于貨幣財富的增長，經濟生產效率較高。太原市近年來城市發展水平在不斷上升，貨幣財富也在不斷增長，為驅動經濟發展太原市花費了大量的能值財富，但由于低能質的可更新資源的數量有限，花出的貨幣所含的能值大大低于采購資源本身所含的能值，因此，經濟生產的效率性不高。

能值福利指標則主要反映在代謝過程中人均可分配使用的資源量的多少。太原市人均能值福利一直維持在2.50×1017sej/cap的穩定水平，說明太原市能值增長與人口增長同步，而晉城市的人均能值福利則總體上呈增長趨勢，由2007年的2.40×1017sej/cap升為2012年的峰值3.29×1017sej/cap，而后達到2014年的2.93×1017sej/cap，2007—2009年，晉城市人均能值福利和太原市相當，2010—2014年晉城市人均能值福利相對較高（圖4），說明近年來，晉城市能值增長快于人口增長速度，而太原市作為省會，具有強大的吸納周圍城市人才和就業人口的作用，由于過多過快的人口增長，致使人均能值福利要低于晉城市。

圖3 2007-2014年太原市和晉城市的能值貨幣比對比

圖4 2007-2014年太原市和晉城市的人均能值福利對比

2.3 新陳代謝能值環境壓力

城市新陳代謝的能值環境壓力包括環境負荷率和能值廢棄率兩個指標，對太原市和晉城市十年間環境負荷率的研究顯示，兩地城市代謝系統的不可再生資源能值壓力呈現波動上升趨勢，且晉城市環境負荷率高于太原市，晉城市代謝能值環境負率較高，晉城市代謝系統的環境負荷率由2007年的0.350 1上升至2014年的0.590 1。隨著太原市進出口能值比例，尤其是進口商品能值的快速增長，環境負荷率也不斷攀升，2007—2014年，太原城市代謝系統的環境負荷率由2007年的0.236 3上升至2014年的0.271 7（圖5），以上結果說明由進口能值和不可再生資源使用所引起的晉城城市代謝系統環境負擔較太原市壓力偏大，產業結構調整和節能減排的潛力巨大。環境負荷率測度結果不同的是，由于可再生資源能值的下降和廢棄物能值的逐漸增加，太原的能值廢棄率逐年提高，由2007年的0.151 9上升為2014年的0.264 6，與之相反，晉城市可再生資源能值逐年上升而廢棄物能值逐年減少，從而晉城市的能值廢棄率逐年降低，2007—2014年能值廢棄率由1.115 5下降到0.961 8（圖6），因而從城市的發展過程來看，太原城市產業高速發展的廢棄物能值壓力較大，綠色城市轉型導向下的節能減排等環境管制任務迫切，而晉城市通過整合煤炭資源，發展循環經濟，盡管能值廢棄率本底值較高，但城市新陳代謝的可更新能力呈現良性發展。

圖5 2007-2014年太原市和晉城市的環境負荷率對比

圖6 2007-2014年太原市和晉城市的能值廢棄率對比

2.4 新陳代謝系統產出效率

城市新陳代謝系統產出效率指標反映的是代謝系統資源能源投入產出的效率，包括能值產出率和能值可持續性指數。能值產出率是衡量代謝系統產出貢獻大小的指標，其值越高，表明系統資源產出能值越高，即系統的生產效率越高。2007—2014年，太原和晉城的能值產出率都逐年下降，表明區域生產效率正在降低，能源利用結構不盡合理，有待優化。2007—2014年晉城的能值產出率高于太原（圖7），表明在城市經濟社會代謝過程中晉城市資源運用的效率高于太原市。能值可持續性指標表明單位能值環境壓力的產出效率，近10 a來太原市和晉城市的ESI總體上呈不斷下降趨勢，到2014年分別達到27.81，12.12，整體上晉城市和太原市城市新陳代謝系統的自組織能力和可持續性持續下降，2007—2008年晉城市的ESI值高于太原市，2009—2014年太原市的ESI高于晉城市（圖8），說明晉城市作為傳統的資源型城市，相對于省會城市太原市，近年來對進口能值需求顯著上升，不可再生資源能值減少，環境負荷率不斷攀升，不可再生資源過度的開發和浪費，導致的結果就是長期的可持續發展競爭優勢逐漸下降。而太原市在環境壓力下的社會經濟效益雖大于晉城，長遠尺度上相對具有競爭優勢，但由于輸入能值遠大于輸出能值，太原市的可持續性指數逐年下降。

圖7 2007-2014年太原市和晉城市的能值產出率對比

圖8 2007-2014年太原市和晉城市的能值可持續指數對比

3 結論與討論

本文以Odum能值分析為理論支撐，通過定義若干個基于能值流的指數，表征和度量了城市代謝系統的運行特征和發展的可持續性。作為案例研究，計算和圖解了資源型城市太原市和晉城市2007—2014年城市代謝的4項能值指數。結果表明：

（1）2007年以來，隨著社會經濟的發展，晉城市的城市代謝總能值不斷呈上升趨勢，能值外向度2014年較之2007年增長近5倍，能值貨幣比下降，人均能值福利提高，環境負荷率加大，能值廢棄率和系統產出率總體降低，與晉城市相比，太原市的城市代謝總能值也呈增長趨勢且高于晉城市，在此期間，能值廢棄率和環境負荷率增加，代謝強度降低，同時，代謝系統能值可持續指標和能值產出率降低。

（2）2007—2014年，太原市和晉城市代謝系統總能值增長較大，從能值來源指標方面來看，晉城市主要源于對不可更新能源的消耗，在新陳代謝系統構成中，非可再生資源能值占系統能值總量的比例較高，并呈現出非可再生資源能值導向下的資源型特征，雖然晉城市的自然資源非常豐富，但由于不可更新能源的過度開發利用，使得自然的不可更新能源迅速減少，導致未來發展的可持續性差，因此，應優先替代資源能源發展，進一步拓寬服務業進出口發展。代謝壓力加大主要源于晉城市經濟活動所需的能值多直接來自于無需付費的不可再生環境資源，屬于高資源消耗型經濟生態模式，如果不適度控制本地資源消耗可能會造成資源枯竭危機的出現，所以理應合理規劃資源開發與利用，完善調配機制。太原市在資源利用方面表現為利用率低下，能值貨幣比極低，代謝壓力加大反映了太原市在工業化過程中所面臨的環境挑戰加劇，只有從改變現有的生產模式出發，逐步建立高效的、科學的、現代化的生產模式，提高資源利用率，才能達到持續發展的目的。近年來，太原市第三產業在城市經濟系統中的地位不斷提高，進出口貿易不斷增長，因而城市代謝系統中進出口能值的比重不斷提高，城市代謝系統的外向度亦增長迅速，進一步加強對資源的引進與利用，在城市新陳代謝改善計劃中優化城市進出口服務結構，從而加強系統自組織能力的發揮。

（3）能值分析方法將城市生態系統中各種物質能量都轉換為統一的太陽能值，為城市新陳代謝系統開辟了定量分析研究的新思路，彌補了傳統GDP評價的不足，但能值分析也并非完美，在應用能值轉換率時，不同區域的能值轉化率是否相同還需商榷，由于時間和精力的限制，擬在接下來的研究中納入更多的資源型城市，開展更廣區域的對比研究。

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Comparative Analysis of Resource-Oriented Urban Metabolisms Based on the Emergy Theory

QU Lulu，SHI Xueyi，LIU Chang
（College of Land Science and Technology，China University of Geosciences，Beijing100083，China）

Urban metabolism highlights the processes of materials，energy and money flows of urban system，which provides a new perspective on analyzing the process of urban metabolism of different functional cities.In this paper，in order to explore the similarities and differences of metabolic characteristics and variation rules of different types of resource-dependent cities，taking the capital Taiyuan of Shanxi Province and a traditional resource-dependent city—Jincheng as the example，respectively，we established the urban metabolic evaluation framework by employing a set of eight emergy-based indicators through using socio-economic data from 2007 to 2014，and compared the similarities and discrepancies from perspectives of the urban metabolic emergy system′s structure，emergy metabolic intensity，emergy environmental pressure and metabolic output efficiency.The results show that emergy system′s structure of Taiyuan is higher than Jincheng on the whole，emergy metabolic intensity of Jincheng is higher than Taiyuan，emergy environmental pressure of Jincheng is greater than Taiyuan，metabolic output efficiency of Taiyuan is higher than Jincheng.The recommendations on improving metabolic process of Jincheng and Taiyuan are put forward in order to lay the foundation for creatively solving metabolic resources and ecological risk，and to provide the scientific basis for ecosystem management of the city in Shanxi Province through comparative analysis.

urban metabolism；emergy theory；metabolic characteristics；comparative analysis

F061.3

A

1005-3409（2017）01-0279-06

2016-05-26

2016-07-04

國土資源部公益性行業科研專項經費課題“北方村莊壓煤山丘區土地綜合整治技術研究”（201411007）

璩路路（1991—），男，河南焦作人，碩士生，研究方向為土地資源評價與土地利用規劃。E-mail：qululu91＠163.com

師學義（1960—），男，山西祁縣人，博士，教授，研究方向為土地利用規劃與土地利用工程。E-mail：shixueyi63＠163.com