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1.1 城市新陈代谢的背景
人类社会经济环境系统是个复杂的开放性耗散系统，新陈代谢即是这个耗散系统维持其生存的基本过程之一。人类的生存和繁衍，显然必须要有并且能够维持其代谢过程。人类从植物利用来自太阳的辐射能、（主要）由水和空气（直接或间接）合成的复杂有机化合物（即食物）中摄取能量，从环境中摄入水，通过呼吸作用（利用空气中的氧气）将这些有机化合物（即生物质）的绝大部分转化成CO2和水，吸取化学能（Fischer-Kowalski，1997）。人类社会也维持有代谢，其支撑的代谢最少要等于其所有社会成员的个体代谢之和。这一代谢是基本社会代谢（basic societal metabolism）。作为一个处于远离平衡的非线性耗散系统，人类社会经济环境系统是一个处于非平衡态的自组织系统，同时具有非线性的动力学过程。城市新陈代谢概念的引入有助于概念化人类社会的自组织过程与生态系统的自组织过程之间的和谐。而新陈代谢的整个过程与社会经济系统的发展与可持续性有着密切的关系。物质和能量是社会经济系统发展的生物物理基础，物质和能量的消耗（耗散），使得作为典型的耗散系统的社会经济系统不断复杂化、有序化，系统的组织和复杂性越高，耗散的物质和能量就越多，从而推动着社会经济环境系统不断演化和前进（王天送，2008）。
全球气候变化会给人类带来难以估量的损失，气候变化会使人类付出巨额代价的观念已为世界所广泛接受，并成为被广泛关注和研究的全球性环境问题。在全球气候变化的背景下，开放性耗散结构的城市系统的破坏或不适应新变化，都可能给整个城市带来致命的危机甚至毁灭，如极端气候带来的干旱和洪涝侵扰；重大自然灾害，如汶川地震、海地地震和日本福岛海啸带来的城市毁灭（郭华，2012）。尤其是现代工业文明以来，人类社会在资源的掠夺性攫取行为以及线性的经济生活模式下，正面临着资源枯竭和环境污染的危机。这种环境危机归根结底是由于破坏了生态系统的基本代谢功能（即能量流动、物质循环、信息传递），造成系统的正熵值增加，促使系统无序程度提升，最终导致系统失衡（马其芳等，2007）。
从新陈代谢的视角来看，我国区域发展的代谢成本过高，表现在资源、能源的过度消耗上。2000 年，北京大学的陈效逑等人分析了1989—1996 年间我国经济系统的物质需求总量、物质消耗强度和物质生产力，研究结果显示出我国的物质投入需求总量大，经济发展主要依赖国内资源、能源投入，资源、能源利用效率较低，1994 年单位物质消耗量所创造的GNP 仅为发达国家的2%～6%（陈效逑等，2000）。
我国的区域发展，由于盲目的城镇扩张与无序蔓延，过度侵占了大量的优质耕地，造成严重的资源浪费和环境污染。而且中国城镇化发育的能源消费也远不如人意：能源消费总量增长迅速；能源消费结构演进缓慢，特别是进入国家城镇化快速发育阶段后的表现更是如此；能源产出效率提高有限，甚至出现一定程度的倒退。例如，中国是目前世界上少数几个能源结构以煤炭为主的国家，到2006 年煤炭占据了中国一次能源消费的70%以上，虽然煤炭占能源消费总量的比例已有所下降，但在未来短期内很难改变这种以煤为主的一次性能源消费结构。2006年，中国单位GDP 的产出能耗超过了9.0万吨标煤，数倍于发达国家和大约1.4倍于印度（张雷，黄园淅，2010）。
城市作为一个活力和复杂的生态系统，包括自然系统、经济系统和社会系统，城市生态系统要素有生物组成要素（动植物、菌类等）和非生物要素（热、光、水等），这些系统的要素通过能量流动、地球化学循环、物资供应及废物处理系统，形成一个具有内在联系的统一整体。目前城市和区域发展中出现资源/能源短缺、生态环境破坏、人类生存质量下降、经济增长质量不高等诸多日益严重的问题，在这些问题的背后，其深层次原因，是城市代谢过程出了问题。分析城市在人类各种活动影响下，如何将取自自然系统的物质和能源进行转换、利用与处理，如何通过减量、回收等方式，优化重组其代谢功能，同时又能维持城市的生产力，以增进其可持续性，是城市代谢研究的主要课题，成为评价城市可持续发展的重要依据，也是正确认识与妥善处理人与自然关系的出发点与归宿（吴玉琴，严茂超，2009）。
全球气候变化的背景下，弹性城市理念应运而生，它一方面强调应对外来冲击的缓冲能力，另一方面增强城市的学习能力，抓住挑战带来的机遇，保持发展活力（郭华，2012）。城市的弹性发展作为我国当前政策规划和实施中的重要导向，是我国可持续发展的内在要求，是深入实践科学发展观，努力建设资源节约型、环境友好型社会的必由之路（钱洁，张勤，2011）。正如所有的生态系统一样，物质和能量的投入与产出关系是其发展的核心问题。城市主要的环境问题来自于城市投入和产出增长管理的失调。密集的人口规模和生产活动，使城市的新陈代谢不畅，水资源短缺、土地占用、大气污染、能源紧张、固体废弃物增多，有限的地域范围内承受着巨大的负熵物质排放。某种意义上说，城市的快速发展成为城市新陈代谢不可承受之重。在城市弹性目标发展的政策规划过程中，适当运用城市新陈代谢理论对弹性城市政策规划进行系统分析，有利于更好地进行城市产业政策布局，完善政策过程，促进高效政策和良性政策循环的实现。
一系列生态环境问题的不断涌现，严重制约着城市的健康发展，如此模式发展下去，势必造成全球的生态和社会包袱（蔺学芹，2009）。目前城市的产业发展模式极大地阻碍了我国城市整体实力和竞争力的提升，不利于城市可持续的新陈代谢运转。因而分析城市能源、物质（包括污染物）的投入与产出路径及整体运行效率，有助于城市生态资源环境系统的整合，有助于增进资源利用、垃圾回收和能源使用效率（Newman，1999）。客观认识城市的新陈代谢系统，探索新陈代谢提升目标导向下的城市发展模式，是城市可持续发展的核心问题，对于解决目前严峻的城市新陈代谢问题，促进城市经济、社会、环境的可持续健康增长都具有重要的意义。
1.2 城市新陈代谢的研究意义
我国现阶段正处于快速的城市化过程中，对资源、能源的大量消耗及垃圾、污染物的无序排放是这种粗放式发展模式的表征。相对于城市社会经济发展与区域资源环境耦合关系的研究，学者对城市新陈代谢的研究多集中于个体城市、社区新陈代谢模型的模拟，其结果显示全球大部分城市的代谢强度在不断增加，并与当地生态环境质量蜕化密切相关，对城市的可持续性产生重要影响（李栋，刘晶茹等，2008）。然而，对宏观尺度差异化城市代谢变化的关注程度和研究深度则略显不足。同时，由于我国区域面积广阔，城市间无论自然环境条件还是社会经济发展，往往都存在较大不同。这种差异性也深刻地表现在城市的可持续发展，尤其是新陈代谢的过程中。因此，了解我国城市新陈代谢的发展特征，有助于我们从宏观尺度上把握我国城市化发展特征，认识其区域发展差异，并且加深对我国城市化时空演变过程的认识，促进我国城市的可持续健康发展，丰富和深化对城市可持续发展领域的研究内容。
作为国内外新兴的研究热点，部分学者已经对布鲁塞尔、台湾、北京、广州、上海等城市的新陈代谢展开研究，研究涉及核算指标及模型刻画、土地与产业、人口与社会空间等多方面内容。但这些研究多是选取个案作为研究区域进行城市新陈代谢的模拟研究，采用的研究方法也往往具有个案性和特殊性。目前缺少一种以城市新陈代谢为视角的，简单方便、行之有效的城市新陈代谢指标判别体系，尤其是缺乏城市新陈代谢的资源、能源投入与能值产出效率的研究。因此，合理有效的城市新陈代谢指标体系及模型构建不仅可以完善城市新陈代谢研究领域的内容，为下一步大尺度宏观视角的城市新陈代谢研究提供依据，也可以据此弥补目前我国新陈代谢概念混淆、指标混乱、模型缺乏普适性等缺陷。
总体而言，近年来城市和区域发展中出现的资源/能源短缺、生态环境破坏、人类生存质量下降、经济增长质量不高等诸多问题的深层次原因，即是城市新陈代谢的失调（吴玉琴等，2009）。因而客观认识城市新陈代谢的机制内涵，探索新陈代谢的提升模式，是城市可持续发展的核心问题，对于解决目前严峻的城市新陈代谢问题，促进城市经济、社会、环境的可持续增长都具有重要的意义。
根据社科院发布的《中国城市发展报告2011》，2011年，中国城镇人口达到6.91亿，城镇化率达到了51.27%。按照世界城市化规律，我国已经进入了城市化加速发展阶段，城市新陈代谢的机理与进程将会随之改变，由此将对城市产生各种正面或负面的影响，尤其是对资源、能源、环境的压力将会与日俱增。因此，为了把握未来城市新陈代谢的趋势，为政府提前进行战略部署和政策制定提供依据，使城市经济社会发展与资源、能源、环境相协调，促进物质、能源的可持续良性循环，加强对我国城市新陈代谢现象的研究具有很强的现实意义。通过分析我国典型案例城市新陈代谢的水平差异及其动力机制，能够加强对我国城市经济社会发展所消耗的资源、能源及产出的废物污染等方面的认识，有助于各级政府制定和优化弹性区域宏观管理政策，统筹协调区域内部、区域之间的产业、经济、社会发展思路与资源环境调控策略。
1.3 本书研究内容
1．研究目标
本书借鉴了弹性城市、能值、SBM分析等理论，系统地对城市新陈代谢系统的指标测度、效率测度及集成模拟进行了探讨。随后本书厘清了城市新陈代谢与资源、能源、产业、人口、城镇化等因子的耦合、作用方式及作用机理，试图构建基于能值的城市新陈代谢模型，以及新陈代谢变化规律、新陈代谢形成机制等理论框架。在此基础上，本书以北京、上海、苏州等中国典型城市为例，测度了中国典型城市的新陈代谢效率、新陈代谢类型与变化机制等。尤其是通过对案例城市北京的新陈代谢效率测度，以及对演变规律及形成机理的深入探讨，验证并修正上述影响模型，提出城市新陈代谢提升和弹性城市管治目标导向下的产业、空间、能源优化，为以后的相关实践提供参考借鉴。
2．研究内容
本书以弹性城市目标导向下的城市新陈代谢为研究对象，试图刻画出城市新陈代谢的系统构成、效率测度与形成机制，以典型城市为例测度其城市代谢程度，以及与资源、环境、人口、产业、空间耦合的形成与机理，并尝试构建基于能值的城市新陈代谢测度模型，同时解决城市新陈代谢的效率提高和产业结构、空间布局优化问题。研究的内容主要包括以下四部分：
（1）研究城市有机体新陈代谢的理论与机制。基于能值理论、系统动力学理论、弹性城市、投入产出理论、城市经济-社会-生态复合系统理论、可持续发展理论等，提出城市新陈代谢系统、效率测度、变化规律和形成机制。
（2）基于能值的城市新陈代谢特征测度分析。首先从单项指标、综合指标及模型搭建等方面分析北京、上海、深圳等典型城市地区城市新陈代谢的基本特征，并从经济、产业、人口、城镇化等方面识别城市新陈代谢系统的显著差异，识别出新陈代谢效率差异的形成机制。这是本书研究的基础内容，文章后面的分析都是建立在基于能值理论的城市新陈代谢特征分析基础之上的。
（3）聚焦于研究案例城市北京，研究其新陈代谢特征及其演变，并对形成新陈代谢的机理进行初步验证。在上一部分全国众多典型城市新陈代谢特征识别的基础上，比较北京与全国其他城市的代谢效率、存量、压力差异，并分别从经济、产业、人口、城镇化、土地、治理等角度对典型城市北京新陈代谢演变的机制进行分析研究。核心在于深度剖析北京新陈代谢与社会经济发展、资源/能源利用特征的耦合机制。
（4）弹性目标下的城市新陈代谢结构整合途径研究。这是本书最终所要实现的研究目标，包括弹性目标下城市可持续发展的新陈代谢优惠途径，以及差异化城市新陈代谢系统的可持续发展模式。根据上述问题，参照优秀发展模式提供优化产业结构、空间布局、缓解新陈代谢压力的方式与方法，是本书的用意所在。
3．拟解决的关键问题
本书拟解决的关键问题包括：
（1）如何科学地定义和刻画基于能值的城市新陈代谢的主要特征，力求使城市新陈代谢模型具备可操作性、指标普适性；
（2）如何系统测度城市新陈代谢的效率、存量、压力差异及其演变规律，并据此总结出城市新陈代谢的差异化类型；
（3）如何系统刻画案例城市新陈代谢的城市新陈代谢系统机制；
（4）借鉴系统动力学刻画不同政策下的城市新陈代谢演变；
（5）提出弹性目标下的城市新陈代谢发展模式与优化措施。