城市能源代謝生態網絡分析研究進展

穆獻中, 朱雪婷

北京工業大學循環經濟研究院, 北京 100124

能源對于城市的發展至關重要,在快速的城市化進程中,城市的眾多環境問題源于這一過程對能源的不合理消費。因此,為順應可持續發展趨勢,應圍繞“如何科學引導城市能源系統轉型” 這一核心問題,理清城市能源系統的內在代謝機理,為我國城市能源系統轉型升級提供參考。能源代謝是指能源從資源形態到最終消費形態的所有過程,期間伴隨廢棄物的產生。簡言之,城市能源代謝就是城市區域內能源消費和廢棄物產生的過程,主要包括能源的輸入、加工轉化、終端消費和能源代謝污染物的排放四個環節[1]。能源代謝的主要特征是存在直接能源代謝和間接能源代謝,其中,直接能源代謝具備單向性,間接能源代謝具備雙向性和交叉重疊性。在深入了解城市能源代謝的內涵和特征的基礎上,探究城市能源代謝的內在機理有助于追蹤城市能源代謝的核心環節,揭示城市在能源利用過程中存在的問題及代謝污染物對城市生態和環境的影響,從而識別城市能源系統轉型的關鍵節點,為城市能源的政策制定提供科學依據。

近年來,國內外學者基于不同方法對城市能源代謝過程進行了研究。對已有研究整理發現,城市能源代謝的復雜性不僅體現在能源消費規模上,更體現在城市內部能源代謝路徑的交叉和重疊上,形成城市系統中多部門、多種能源流的復雜交互網絡結構。因此,可以將城市能源系統中各部門和能源流抽象為網絡,利用生態網絡分析研究城市能源代謝過程。生態網絡分析最初應用于自然生態系統,因其在分析系統網絡結構方面的優越性,逐步應用于城市經濟系統、水系統和能源系統等的研究。本文通過梳理生態網絡分析方法的發展脈絡及在城市能源代謝中的應用,指出已有研究存在的不足,并對未來城市能源代謝的生態網絡分析提出研究展望。

1 城市能源代謝研究

城市能源系統研究是城市生態系統相關研究的重要分支,因為隨著城市生態系統研究的不斷深入和理論方法的不斷創新,一些研究者[2- 3]認為能源系統的研究不應孤立地分析其系統本身,而應將其作為城市生態系統的一部分[4],從生態系統角度研究能源系統的運行規律,分析其組織形態和行為特征[5],即從能源代謝角度進行分析。

1.1 城市新陳代謝研究

將城市視為完整生態系統的思想最早來自于Wolman基于物質代謝視角分析城市生態系統的研究思路。根據Wolman的觀點,城市是一個完整的生態系統,城市新陳代謝包含了物質/能量輸入、產品/廢物輸出的整個過程。可見廢物產生是資源利用的必然結果,只有合理利用資源,才能減少資源浪費和環境破壞[6]。后來的學者大多接受Wolman的觀點,并在此基礎上進一步解釋和發展了城市代謝的概念[7- 10]。近年來,關于城市物質代謝的實證研究大量涌現,根據研究視角的不同,可以將這些研究分為三類：一是研究以城市為代謝主體的多種物質新陳代謝過程,如北京市[11- 14],張掖市[15],石嘴山市[16],大連市[17- 18],榆林市[19],石家莊市[20]等；二是針對某一特定元素,分析其在經濟系統中的流動代謝過程,如碳元素[21- 22],鐵元素[23],硫元素[24],氮元素[25],鉛元素[26],鉀元素[27],鋁元素[28]等；三是針對某一種具體物質,研究其在城市經濟系統的流動代謝過程,目前研究主要集中在水資源[29- 33]和能源[34-39]兩方面。

1.2 城市能源代謝研究的不同方法比較

城市能源代謝作為城市新陳代謝的重要組成部分[33],一些學者指出城市能源代謝的系統性分析是城市代謝研究的核心問題[40],這是因為在能源流動過程中,大量能源被用于維護城市系統的結構和功能[41]。早期的能源系統研究主要集中于能源供需平衡[42-44],能源使用強度[45-50],能源利用結構[51-54]和系統功能[55-56]等。這些研究主要分析能源系統結構和功能,側重于描述能源系統的靜態特征。例如,Zhang等提出了能源結構多樣性指數[57]；Templet等[53]和Xu等[54]評估了城市能源結構的多樣性；在功能分析方面,普遍的研究框架是基于圖論的城市能源系統能流狀態的分析[58-61]。可見,早期研究就城市能源系統結構和功能的分析,在如何具體描述能源系統的結構性質、如何分析系統的功能特性、如何通過優化系統的結構和功能來實現城市能源系統新陳代謝的可持續健康發展等關鍵問題上沒有做出充分解釋。

基于上述問題,不同學者嘗試從能源代謝的角度出發,運用不同方法對城市能源系統及其系統組分進行了研究。Liang等運用改進后的投入產出方法,對蘇州市的能源代謝狀況進行了分析[62]。Browne等分別利用物質流、代謝比和生態足跡分析法探討了利默里克市的能源代謝情況[63]。Baynes等從城市新陳代謝的角度分析了澳大利亞墨爾本地區的能源代謝過程[64]。Yang等利用能值分析法對廈門市的能源代謝進行了研究[65]。Garcia-Montiel等分析了波多黎各圣胡安大都市區的社會生態過程對區域內的能源流動和代謝的影響機制[66]。劉華軍等基于1995—2012年的中國省際能源消費數據,利用社會網絡分析方法對能源消費空間關聯的網絡結構特征及其效應進行了經驗考察[67]。姜巍等以2007年的中國投入產出表為基礎,運用威弗綜合指數法構建了中國產業部門之間的聯系網絡,并對以煤炭開采和洗選業為主的5個主要能源產業的網絡特征進行了分析[68]。趙顏創等在部門調研數據、統計年鑒數據和文獻資料分析的基礎上,提出了一種基于能量流的城市能源代謝綜合分析方法,系統分析了能源在城市內部的流動過程,并全面核算了能源的5種主要代謝污染物的排放量,同時使用7個指標對能源代謝進行評價,系統研究了廈門市2009年的能源代謝情況[1]。Chen等學者以北京市為例,比較了能量流分析,投入產出分析和生態網絡分析三種方法在分析城市能源代謝過程中的不同之處,并指出生態網絡分析可以揭示各部門之間相互作用的機制以及各部門對能源的依賴程度[69]。

可以看出,城市能源代謝分析主要集中于能量流分析、投入產出分析和生態網絡分析等方法。其中能量流分析是研究城市代謝的傳統方法[70],計算系統內(社會經濟系統)能量的輸入和輸出,但該方法的缺陷在于沒有考察系統內部物質和能量的流動過程,因此忽略了能量流動過程中的隱含能量。因此,Haberl率先提出了“能量代謝”的概念[71],改進了能量流分析方法[72],打破了傳統研究的“黑箱模式”, 詳細分析了箱內(即城市生態系統的部門)流量。(此處“黑箱模式”是指：只側重于研究系統的外部特征,例如總投入和總產出,卻不能檢查系統內部,即不能對城市能源系統內部能量交換的細節進行足夠的分析。)但該方法仍未解決中間非能源產品和物質交換中的隱含能量計算問題。投入產出分析主要通過累計消費系數評估產品中蘊含的能量,但同樣無法計算中間產品中的間接能耗。而基于多路徑和多節點分析的生態網絡分析可以有效計算總能源消耗(直接能耗+間接能耗),并可以結合投入產出分析識別能源流量,從而揭示城市能源系統的代謝機制。因此,生態網絡分析方法在研究城市能源系統代謝時具備較強優越性。

2 生態網絡分析方法

生態網絡分析方法將研究對象中所傳輸交換的物質、能量和信息等介質抽象化為網絡中的節點,而節點與節點之間的交流關系共同組成了系統網絡。結合投入產出方法,研究系統間和系統內各個節點之間介質的流動關系,分析所研究系統的網絡結構、功能特征以及不同時期發展和演化的規律。目前,生態網絡分析方法已經成為研究生態系統、經濟系統、產業系統以及城市代謝系統等復雜網絡系統外部特征和內部機理等結構功能的重要工具。基于該方法在研究系統內和系統間各組分關系的優越性,其得到了迅速的發展與推廣應用,在城市能源系統中的應用也越來越廣泛。

2.1 生態網絡分析方法起源

生態網絡分析起源于1973年Hannon[73]將Leontief[74-75]所開發的投入-產出模型,用于研究生態系統中物質和能量的流動[76],是當前分析生態系統結構與功能之間相互作用的主要方法之一。該方法可以定量分析生態網絡中生態流的方向和數量以及參與者之間的相互作用,從而揭示生態系統行為的完整性和復雜性[77]。1976年,Patten和Finn首先發表了關于生態網絡流量分析的論文[73,78]。最初該分析方法被廣泛應用于自然生態系統的研究[79-83],自從2002年Bodini 和 Bondavalli首次將生態網絡分析方法應用到城市系統中以來,該方法在城市系統中的應用范圍不斷擴展[84],例如城市社會經濟系統[12,85- 86]、城市水系統[87]、城市能源系統[34,37]、城市碳代謝系統[22,88-89]等。目前,城市生態網絡分析主要集中于生態網絡分析方法與指標的拓展及多尺度的應用研究,針對不同的研究目的與需要,生態網絡分析方法又形成了上升性分析和環境元分析兩大分支[90]。

2.2 上升性分析方法

上升性分析主要研究系統的整體外在表征特點,例如系統穩定性[91],即系統抵抗外界干擾變化的能力；系統總通量[92],即系統中流經所有成員的流量的總和；系統發展程度[93],即系統發展的最大潛力和系統冗余度[31]等,在該方面上升性具有很大的優越性。運用生態網絡分析方法研究各地區水資源代謝時,多采用上升性分析,例如研究黑河流域[31]、白洋淀流域[94]、黃河流域[95]、美國Sarmato城市[93]以及北京市[30]等地區。同時也有學者運用該方法評價城市系統的可持續性[96-97]和健康發展水平[17]等。但該方法不能表征網絡內部各節點間的相互作用機制,而環境元分析能夠有效解決這一問題[90]。

2.3 環境元分析方法

環境元分析方法主要研究系統網絡內部的結構分布和功能關系,該方法源于傳統的 Leontief 投入產出分析,因此會涉及到Leontief矩陣的應用。該方法運用的前提是系統是穩態的[98],在此基礎上對網絡內部結構分布和功能關系進行分析。主要用于剖析系統的內在機理特征,如系統內的通量[70,99],即每一個成員流通量的總和；綜合流量[70,99],即資源在成員之間流動的數量；綜合效用[100],即定量化評價兩兩成員之間的生態關系；控制程度[101],即識別某一節點對其他節點的控制作用；共生程度[13],即系統整體或每一成員的效用水平等。環境元分析相比上升性分析在城市系統中的應用范圍較廣,主要集中在能源[102-103]、水[29,31]、二氧化碳[88]以及多種物質[12,104]等的研究,另外在碳元素[92,105]、氮元素[25,100]和硫元素[24]等代謝分析中也有廣泛應用。表1說明了兩類方法的內涵和具體指標應用。

表1 上升性和環境元分析指標

3 生態網絡分析方法在城市能源代謝中的應用

研究城市能源生態系統的一般思路是,利用城市能源網絡流圖、能源平衡表及投入產出表存在的結構相似性,構建城市能源生態網絡,分析網絡中各部門間以及與外部環境間的能源生產、轉化、流動和消費的代謝過程,并以此為基礎對城市能源系統進行分析[73-76,106]。目前,國內關于“城市能源代謝的生態網絡分析”的研究主要集中于北京師范大學楊志峰院士和張妍教授的研究團隊。

該團隊基于城市能源代謝特征開發城市能源代謝生態網絡模型,并以北京市1995,2000,2005和2007的歷史數據對城市系統內能源流量進行考察,利用環境元分析中的效用分析法闡明了城市能源系統內各部門的復雜關系[107]；在此基礎上,該團隊研究了中國四個典型城市(北京,天津,上海和重慶)17個部門的能源流,分析城市能源系統的結構和功能,闡明優化城市能源系統結構的方法,從而說明如何在未來的城市系統研究中使用生態網絡分析方法[106]；之后分別建立了4個城市的5部門生態網絡模型和17部門模型,對比了生態網絡分析中的簡單模型(5部門模型)和復雜模型(17部門模型)在分析城市能源系統時的不同服務功能[108]。考慮城市系統中的能源代謝網絡不僅包含實物能源流,還應該考慮中間產品利用和交換過程中所隱含的能源流,即間接能源消耗。基于此觀點,該團隊將生態網絡分析方法與經濟學中的投入產出分析法相結合,以北京市為例,測算了城市能源系統內28個部門的直接能源消耗和間接能源消耗,特別是對城市新陳代謝部門的間接能源流動進行了深入分析[99]。以此為基礎,研究了北京市2000年至2010年間28個社會經濟部門的能源消耗情況,確定了能源流動過程及其在北京市各行業的利用分布情況,并根據研究結果為北京減少能源消耗提出來相關政策建議[12]。運用同樣的方法,他們做了兩個方面的拓展：一是同樣以北京市為研究對象,將生態網絡分析與投入產出分析相結合,從碳足跡的角度分析了城市系統內28個部門的能源消費結構,量化了城市產品和服務中隱含的能源和碳足跡[109]。二是將該方法從單一城市尺度(北京)擴展到了多城市尺度和的應用：根據2002年和2007年中國各省的多區域貨幣投入產出表和能源統計年鑒,結合生態網絡分析方法,分別計算了各省的直接和間接能源消費以及整體能源的投入和產出,描述了中國七個城市的能源流動結構[102]；以及抽象出行業部門和能源流作為網絡模型中的節點和路徑,構建了北京、天津和河北三地多個部門間的生態網絡模型,在核算京津冀城市群直接能耗和間接能耗的基礎上,考察了能源在城市中各部門之間的代謝路徑和在北京、天津和河北三個地區間的流動以及三個地區在能源流動中各自的生態地位[103]。隨后對京津冀城市群進行進一步的深入研究,以京津冀為研究對象,根據2010年中國的多區域投入產出表,結合生態網絡分析方法,構建了一個以部門和能源流為節點和路徑的18部門網絡模型,計算了部門和區域的能源消耗,詳細描述了能源在城市中各部門和京津冀城市間的流動過程[76]。隨后,該團隊使用該方法,將多區域投入產出表和生態網絡分析相結合,從兩個角度分別分析了京津冀地區與中國其他地區的能源流動。一個角度是將京津冀地區作為一個整體,研究其與中國其他27個省區的能源流動；另一個角度是分析北京、天津和河北三個地區之間的能源流動和代謝機制[37]。

其他學者應用生態網絡分析方法研究城市能源代謝的研究主要有：鄭詩賞等采用生態網絡分析方法,首先構造了2000、2005、2010和2014年山東省整體能源代謝網絡,然后對其進行了流量分析和效用分析,探討了山東省能源代謝網絡的系統結構及功能關系[35]。Chen等以北京市為例,在多區域投入產出表和生態網絡分析相結合的基礎上,分析了城市系統中能源利用和水資源之間的聯系[32]；之后,Wang等運用同樣的方法研究了京津冀地區城市系統中能源利用和水資源之間的聯系[36]；彭焜等將生態網絡分析方法和系統投入產出法相結合,對湖北省能源和水資源的耦合關系及協同管理機制進行了研究[110]。

綜上所述,生態網絡分析方法在城市能源代謝中已有廣泛應用,主要基于城市能源系統中能源流的生產、轉化、傳輸、消費和排放路徑進行分析,以反映系統中各部門間的互動關系；在單一城市尺度和多個城市尺度均有應用,但研究力度和深入度仍有待提升。同時可以發現,生態網絡分析中的環境元分析法是目前研究城市能源代謝過程的一個主要方法,即通過列昂惕夫矩陣計算出城市能源系統中的隱含能流,進而得出能源系統組分間的關聯。但用來研究系統整體外在表征特點的上升性分析在其中的應用較為欠缺。之前有學者將生態網絡分析中的上升性分析和環境元分析相結合,用于城市物質代謝[17]、水資源代謝[31]和社區碳代謝[111]的由外在整體表征特點到內在代謝過程的分析。但將二者結合起來分析城市能源代謝狀況的研究較少,即大部分學者只是研究了城市能源代謝系統的內部運行機理,但對于系統整體外在表征特點所做研究工作存在不足,為后來者提供了研究空間。

4 結論與展望

自城市能源系統這一概念提出以來,國內外學者基于不同角度對該系統進行了分析。目前研究成果眾多,而城市能源系統的代謝研究是其中非常重要的研究分支。經過眾多學者不停地探索與研究,城市能源代謝的研究方法不斷得到改進與完善。通過對比各個方法在具體應用中的優劣勢,本文認為生態網絡分析方法是目前研究城市能源代謝過程較為先進的方法,但通過整理目前城市能源代謝生態網絡分析的已有成果,發現仍存在一些問題,如研究尺度問題,對系統的分析不完善問題,數據可獲取性問題等。因此,本文在綜合梳理城市能源代謝、生態網絡分析方法及其應用等已有研究和脈絡的基礎上,對未來生態網絡分析方法在城市能源代謝問題中的繼續深入研究進行了展望：

(1)拓展城市能源代謝的研究尺度。城市能源系統作為相互關聯的開放系統,單城市的研究尺度已難以滿足現實需求,多城市群體或區域協同一體化是未來重要的研究方向。但就目前研究進展來看,單城市背景和城市群尺度的研究都相對較少,且主要集中在京津冀城市群。在當前大力推進城市群一體化建設背景下,拓展分析尺度,構建多城市能源系統協同的生態網絡模型,分析城市能源系統的代謝過程,將是未來的重要研究方向。

(2)加強城市能源代謝上升性分析和環境元分析的結合。對城市能源代謝的系統認識,應從系統的外在表征和內部機理兩方面進行全面解析。上升性分析和環境元分析方法分別應用于評價系統外部特征和分析系統內部機理,服務于不同的研究目標。但目前二者在城市能源代謝方面的結合應用比較欠缺,因此未來應該加強城市能源代謝上升性分析和環境元分析的結合。

(3)增加生態網絡模型不同精細度的對比研究。目前研究中已出現的生態網絡模型精細度有5部門模型、17部門模型和28部門模型等等,但均是獨立研究。關于不同模型精細度的對比研究并不多見,模型精細度的不同對分析結果造成的影響并不明晰。因此,未來的一個研究方向是理清何種生態網絡模型精細度可以滿足何種研究需要,突出生態網絡模型不同精細度的對比研究。