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2.1 城市新陈代谢的理论根基
基于能值的城市新陈代谢是热力学理论的重要组成部分。以能量分析、能值分析和生态足迹等为代表的生态热力学方法自20世纪80年代出现以来发展方兴未艾，为区域可持续发展评估提供了定量支持。热力学方法可以统摄能量与信息，在城市新陈代谢系统的静态特征与演化过程研究中体现出其独特的优势（成淑敏等，2012）。
热力学理论中，最基本的理论包括两大定律。其一是热力学第一定律（能量守恒和转换定律），即热力系内物质的能量可以传递，其形式可以转换，在转换和传递过程中各种形式能源的总量保持不变。热力学第一定律是对能量守恒和转换定律的一种表述方式。表征热力学系统能量的是内能，通过做功和传热，系统与外界交换能量，使内能有所变化。其二是热力学第二定律，内容为不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响；不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响；不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。
遵循热力学的基本理论，基于能值分析的城市经济、社会、生态代谢系统评估正成为近年来的研究热点之一。作为一个典型的复杂耗散系统，区域新陈代谢过程具有不可逆性，要消耗大量的经济、社会、环境成本。物质和能量的消费与社会经济系统的增长有着强的正相关，物质和能量的消耗（耗散），推动着作为典型的耗散系统的社会经济系统不断趋向进步和演化。热力学原理下的区域物质和能量代谢分析有助于应对区域环境和城市的可持续性问题：在代谢的输入端，即原材料的开采过程，面临着源（source）的稀缺（scarcity）、环境污染和破坏及生物多样性丧失等问题；而在代谢的输出端，即废弃物的排放过程，面临着汇（sink）的吸纳能力、更大的环境污染和全球变化诸问题（王天送，2008）。
Odum的能量系统符号如图2-1所示。
此外，城市系统的能流分析为城市新陈代谢的发展研究提供了基础方法，即以城市新陈代谢系统的概念、理论为主线，研究该系统中物质、能量的利用，社会和自然的协调，以及系统动态的自身调节等。城市新陈代谢系统的能量流动是指能源在满足城市多种功能过程中在城市代谢系统内外的传递、流通和耗散过程。其中能源可分为原生能源、次生能源、有用能源和最终能源等。城市新陈代谢系统中的能量流动就是原生能源转化为次生能源，原生能源或次生能源经传输成为有用能源，并经过利用转变为最终能源的过程。在能量生产和消费活动过程中，有一部分能量以“三废”形式被排入城市环境而造成污染。
图2-1 Odum的能量系统符号
（Odum，1983）
系统动力学是由美国麻省理工学院教授福雷斯特于1956年创立的一门分析研究复杂系统问题的交叉的综合的新学科，以控制论、信息论和系统论作为理论基础，以仿真技术为手段，常被称为“战略实验室”。其特点是强调结构的描述，处理具有非线性和时变现象的系统问题，并能对其进行长期、动态、战略性的定量仿真分析与研究。
“系统动力学是研究社会系统动态行为的计算机仿真方法。”具体而言，系统动力学包括如下几点。第一，系统动力学将生命系统和非生命系统都作为信息反馈系统来研究，并且认为，在每个系统之中都存在着信息反馈机制。第二，系统动力学把研究对象划分为若干子系统，并且建立起各个子系统之间的因果关系网络，立足于整体以及整体之间的关系研究，以整体观替代传统的元素观。第三，系统动力学的研究方法用于建立计算机仿真模型——流图和构造方程式，实行计算机仿真试验，验证模型的有效性，为战略与决策的制定提供依据。
系统动力学之所以能成为研究城市新陈代谢系统与区域生态环境、社会经济协调发展的有效工具，除了因为它具有系统论、控制论和信息论等所具有的认识论和方法论特征，以及其他定量方法和模型方法的普遍特征以外，还因为它本身具有以下独特的认识论和方法论特征：第一，用系统动力学研究城市代谢系统中的生态环境与社会经济问题，首先要把这个问题所涉及的人口、资源、环境和社会经济等作为一个系统，并逐个讨论各个子系统及其要素之间的相互关系，确定系统结构功能的因果关系图，从而把人们的形象思维和抽象思维有机地结合起来。因此，系统动力学能形象地再现人口、资源、环境和社会经济等各个子系统之间的相互关系，从而使没有受过专门训练，而了解真实系统情况的人也能参与模型建立。第二，系统模型的建立并不是一蹴而就的，而是一个不断完善的过程。这有利于人们对城市代谢系统中的区域生态环境、社会经济发展、文化根基脉络相互耦合交织过程的循序渐进挖掘与认识。第三，本书采用Vensim软件对城市新陈代谢系统进行初步的构建，纳入人口、城市化、资源、进口、出口等众多子模块，是城市新陈代谢系统模拟平台搭建的有益尝试。
产业生态学最早的倡导者之一，时任通用汽车公司研究部副总裁的罗伯特·福罗什（Robert Frosh，1989）认为：“传统的产业活动模式——单个的制造过程，即获取原材料、生产产品、排出废弃物的模式——应该转化为一种更综合的模式，即产业生态系统。在这种系统中，能源和物质的消耗是优化的，产生的废物是最少的，一个过程的排放物将作为另一个过程的原材料”。美国国家科学院（1991）将产业生态学定义为“是对各种产业活动及其产品与环境之间相互关系的跨学科研究”（王寿兵等，2006）。
产业生态系统是一定空间中共同存在的所有产业组织与其环境之间不断进行物质、能量和信息交换而形成的统一整体。首先，产业生态系统强调生态性，产业生态系统内部各单元之间构成一个有机的生态链，就像自然生态系统中物质的循环共生一样，各单元之间实现物质流、能量流与信息流的交换，一个单元的“废弃物”可以作为另一个单元的“原料”加以利用，系统内部的物质与能量实现最大限度的循环利用，整个系统对外界的废弃物排放趋于零。其次，产业生态系统分为微观、中观和宏观三个层次。微观层次指单个生产单位及其生产环境，中观层次指区域范围内所有的产业部门及其生产环境，宏观层次指全国或全球范围内产业部门及其生产环境。再次，产业生态系统是个开放性的系统。产业生态系统的开放性不仅是生态特征的要求，也是系统适应外界市场环境变化的必然要求。一个系统不仅应在系统内建立相互关联的网状关系，与当地社区的其他企业也应建立网状合作的关系，以便适应市场可能出现的各种变化。最后，产业生态系统的动态性。产业生态系统有一个从低级到高级不断演化的过程，按发展阶段可以划分为一级、二级和三级生态系统。一级生态系统是一些相互不发生关系的线性物质的叠加，其运行方式是开采资源和抛弃废料。与一级生态系统相比，二级生态系统内部物质变得极为重要，资源变得有限了，因为物质、能量流都是单向的，资源减少，而废料不可避免地增加。为了真正转变为可持续的形态，生态系统进化成以完全循环的方式进行。以上即是三级产业生态系统。
城市新陈代谢的研究要借鉴产业生态系统，尤其是产业代谢研究的方法和思路，着眼于从城市-产业-生态环境复合系统的结构、组成、功能和过程出发，探索城市-产业新陈代谢和谐发展的新模式，为区域产业生态转型、企业生态重组提供方法论基础，为从根本上扭转产业发展中的环境污染被动局面，为解决区域生态环境变化，生态产业发展提供科学方法和决策依据（王如松等，2006）。
1987年，世界环境与发展委员会在《我们共同的未来》这一报告中对可持续发展的内涵做了界定和详尽的理论阐述：“既满足当代人的需要，又对后代人满足其需要的能力不构成危害的发展。”1992年联合国环境与发展大会通过了《里约环境与发展宣言》和《全球21世纪议程》，确立可持续发展作为人类社会发展的新战略，把可持续发展由理论和概念推向了行动。
可持续发展观从其发展原则上看，融入了如下思想：（1）人类与自然界共同进化的思想。可持续发展观认为，人地关系强调建立在适度的管理与干预下的经济发展与人口、资源、环境等的高度综合统一。（2）世代伦理思想。包括代内平等和代际平等。代内平等强调任何国家地区的发展不能以损害其他国家和地区的发展为代价。代际平等强调在发展问题上公正地对待下一代人（李克国等，2007）。（3）生态文明思想。生态文明的价值观具有两层含义，一是环境具有价值，人类通过劳动可以提高其价值，也可降低其价值，因为客体的价值是该客体对于主体需要的满足关系；二是发展活动所创造的经济价值必须与其所创造的社会价值和环境价值相统一。
可持续发展观强调通过实现经济效益、社会效益和生态环境效益的有机协调，使社会发展获得永续性的演化，这种新发展观包括三个基本原则：一是生态可持续性原则，可持续发展要求经济的发展要与自然和环境的承载能力相协调，发展的同时必须保护和改善生态环境，保证以持续的方式使用自然资源。二是经济持续性原则，在经济增长中，不仅重视增长的数量，而且要提高质量、优化配置、节约资源、降低消耗、减少废物、提高效率、增加效益，改变传统的生产和消费模式，实现清洁生产和文明消费，走内涵型、质量型、效益型、开放型的集约化发展道路。三是社会持续性原则，人们从事经济活动和环境保护归根结底是为了提高人们的生活质量和改善人们的生存环境，这也是经济发展与环境保护的统一性所在之处。可见，经济发展、生态环境的保护建设以及社会的发展是互相关联、不可分割的（张擎，2008）。
可持续发展观的最终目标就是实现人口、经济、资源与环境四大系统的协调统一，促进自然、经济与社会系统的可持续发展。这一目标是本书最根本的指导思想，城市资源、物质、能量新陈代谢过程与人口、产业、土地利用的耦合研究，将促进城市经济、社会与自然的和谐可持续发展。