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2.4 城市新陈代谢研究视角
城市新陈代谢既是一个涉及投入-产出的宏观系统，又可分解为土地、资源、人口等多要素的资源、能源流动过程，其研究视角随着尺度的变异而不同。
城市新陈代谢的系统模拟是学者们的研究热点，国外对美国纽约、比利时布鲁塞尔、东京、悉尼1996等城市的代谢系统进行了研究（Hanya等，1976；Newcombe等，1978；Newman，1996），国内也对深圳、广州、北京、重庆等城市进行了系统模拟。作为一个复杂的巨系统，城市新陈代谢系统包含了自然与城镇地区两大子系统，内部和外部环境两大输入、输出介质（Li等，2011），以及土地、生物量、人口、废弃物等组成要素的自组织系统。从组成功能的角度搭建的城市新陈代谢系统亦是学者们模拟的方向。基于系统动力学的城市社会经济系统研究和基于生态系统视角下的生态系统网络分析是研究的热点。作为一种系统论基础上的系统仿真方法，系统动力学在城市新陈代谢研究中的应用，主要是通过Dynamo、Vensim等系统动力学软件来实现的。李旋旗、花利忠（2012）使用系统动力学软件Vensim进行了住区形态变迁对城市代谢效率影响的建模与分析。城市新陈代谢系统包括城市供能系统、城市工商业系统、城市运输系统、城市住建系统、城市排泄系统等主体功能。根据城市代谢的主要功能结构，研究设置城市供能系统、城市工商业系统、城市运输系统、城市住建系统（进一步分为城市住区系统和事业建筑系统）、城市排泄系统五个主体功能系统作用为状态变量，构建了城市代谢系统流程图（见图2-2）。将不同系统之间相互的代谢效率影响关系加入到物质流程当中，得到住区形态变迁对城市总体代谢效率的影响模型的完整模型。
图2-2 城市新陈代谢系统流程图
（李旋旗等，2012）
除了系统动力学模型的应用外，网络环境分析（Network Environ Analysis，NEA）等生态学模型亦可分析城市新陈代谢。NEA模型集成了系统动力方法中的系统要素和系统部门，不仅能揭示代谢系统的部门组成，而且能有效揭示出生态系统的内部关联（Zhang等，2010）。Li和Zhang等（2010）通过生态网络分析了中国内部和外部社会代谢系统，见图2-3。其搭建的社会代谢系统可以分为七个组成部分：内部环境、农业部门、采矿业、制造业、国内部门（即国家公民，家庭生活）、回收部门和外部环境。通过对生态网络流的分析得出结论：中国正处于粗放式的经济发展模式。此外，在城市新陈代谢的系统模型建构中，模型的复杂程度对新陈代谢的解析重点会有差异化侧重点。Zhang等（2011）建立了两种能源代谢系统，并通过网络流量分析（network through flowanalysis）比较了两种能源系统模型，一种包括五个部门；另一种则包括了17个部门。研究结果表明：简化的系统易于形成系统的整体代谢状况反映；而复杂系统则为系统的代谢状况提供了更多的具化指示。
图2-3 城市代谢的体内代谢和体外代谢
（Zhang等，2010）
吴玉琴、严茂超（2011）对广州城市代谢效率进行了分析，其构建的广州生态经济系统主要包含了自然与城镇地区两大子系统，构建了土地、生物量、人口、废弃物等组成要素自组织的系统模型，并从整体环境功能角度，建立自然环境支持效率指标、资源生产服务效率指标和环境承载同化效率指标，作为评价广州市代谢效率的依据。其研究结果表明，广州市人均自然资源使用量呈现出下降趋势，城市固体废弃物却在增加；城市经济活动越来越依赖进口的货物和劳务，城市所能享有的生态服务区域已逐年减少，环境质量因污染而下降；城市代谢出现的线性模式不利于广州城市的可持续发展。
刘勇（2010）在设定城市形态和城市物质代谢效率的定量评价指标基础上，基于遥感数据和城市统计数据，运用DEA-Malmquist 模型，将城市物质代谢效率分解为技术效率、技术变动效率以及全要素生产率，与城市形态指标进行对比分析的结果表明：较低的城市集中度、较高的斑块曲折度和破碎度，以及较低的城市开放空间率，伴随着较低的城市物质代谢效率。
综观国内外城市新陈代谢的系统模拟研究，基于系统动力学的城市社会经济系统研究和基于生态系统视角下的生态系统网络分析是研究的热点，此外测度城市代谢效率、生态服务效率的模型亦有所研究。
城市化和工业化发展过程中，最基本的特征就是土地利用快速转型和社会经济系统新陈代谢的变化（Krausmann等，2002），因而研究土地利用变化的新陈代谢响应就成为新陈代谢研究的重点领域之一。土地利用变迁与新陈代谢耦合研究领域中以土地利用变迁的代谢效应以及土地利用格局影响新陈代谢的机制研究为主。进入工业化社会以后，对于储存性资源（即所有的矿藏和土地资源）的过度开发，造成废弃物质的数量日益增加，而大自然对被耗用的资源再生能力和废弃物的自净能力不断下降，严重影响物质代谢过程（马其芳，黄贤金，2008 ）。
土地利用变迁研究领域中以土地利用变迁的影响因素以及土地利用变迁造成的环境影响为主，而未将土地利用变迁对城市代谢系统中的资源消耗、资产累积以及废弃物的排放纳入考虑（吴玉琴等，2009）。从系统论的角度将土地作为要素纳入城市新陈代谢模型中成为土地利用变化的代谢响应研究新方向。土地利用变迁的资源消耗、资产累积以及废弃物的排放均可纳入新陈代谢模型考虑，从而建立起基于土地利用的城市新陈代谢模型。Lee等学者（2009）建立了台北都市区的社会经济代谢及土地利用模型。通过上述模型的研究，结果显示非可再生能源的输入是台北都市区城市化进程的重要推动力。并且随着农业与自然系统的资源不断输入城市，城市化资产不断增加。此外，城市化资产的累积加速了非可再生物质向城市化周边区域的涌入。Joan等学者（2010）以1854年、1954年和2004年为时间节点，研究了社会能量代谢与土地景观格局之间的耦合性，并测度了自然景观斑块、农业景观斑块、建成景观斑块等不同斑块的能量代谢差异。
与此同时，国内也开展了土地利用变化与新陈代谢耦合的研究。马其芳等（2008）选取江苏省苏州市为研究区，分别采用物质流分析方法和典型相关分析方法，考察1996—2005 年间，区域土地利用的数量、程度、结构等特征变化对区域内物质代谢过程的影响。其研究结果表明：区域土地利用变化对物质代谢所发挥的作用存在正负差异性和时空差异性。研究期间区域物质代谢变化与土地利用变化历程的转折点极为吻合，均在2000 年出现了明显变化。物质代谢吞吐规模的增加与农业用地的大量减少和建设用地的迅速增加密切相关，其中，建设用地与土地利用结构变化对物质代谢输入端规模增加发挥着正作用，农用地变化对苏州市物质输出端规模增加发挥着负相关的作用。
与整体模拟城市新陈代谢系统的宏观视角不同，微观尺度的新陈代谢研究内容集中于社区、家庭的消费和“绿色”能源生产的测度上，研究方法以空间统计学和系统动力学方法为主，并融入了RS、GIS等技术。国内外对于微观尺度新陈代谢的研究最早始于家庭代谢。如刘晶茹、王如松（2003）借鉴了国外家庭代谢的概念，并对中国城市家庭近20年的水资源代谢（水资源的消耗及废水排放）和能源代谢（能源的消耗及废气的排放）两个过程进行描述。其结果显示，目前中国城市家庭人均日生活用水量正在向欧洲国家20世纪80年代平均水平靠近，中国城市家庭人均生活用水量将继续保持增长的趋势，生活能源的消费量还将持续增加，它在总能源消费中的比例会不断提高。罗婷文、欧阳志云（2005）分析了北京城市化进程中城市家庭食物碳消费的变化趋势和影响因素，与1979 年相比，1999年北京城市家庭人均及户均食物消费量分别减少了15.2%和38.6%，而食物碳消费总量增加了28.5%，食物碳消费结构由“以粮食为主”转变成“以粮食和肉类为主”。
集聚于某一空间的众多家庭则构成了社区，从城市森林的光合作用（P）与街区工业、化石能源的消耗或呼吸（R）比值可以测度街区的新陈代谢水平。学者Hall（2011）测度了纽约州典型锈带城市——雪城三个街区的新陈代谢水平。具体而言，从城市森林的光合作用（P）与街区工业、化石能源的消耗或呼吸（R）比值来测量街区的新陈代谢。通过研究发现：（1）在所有三个街区的化石能源消耗是绿色植物生产“绿色”能源的200～700倍以上。（2）在该地区产生这么多的柳树生物“绿色”能量将需要至少每人0.3～0.7公顷的绿地，这就要求街区有富裕生活，混合的交通结构、充足的公共空间和家用燃料的混合结构。（3）较富裕的街区的人均能源消费几乎是市中心和附件较差街区能源消耗的两倍，难以做到街区尺度的碳收支平衡。未来提高社区新陈代谢的途径包括：供热结构的转换、植树绿化、太阳能发电装置、混合的交通结构、充足的公共空间和家用燃料的混合结构来保持其新陈代谢平衡。
此外，近年来一些学者也关注到社区形态对城市代谢效率的影响。李旋旗、花利忠（2012）选择厦门市作为研究区域，将典型住区类型分为旧式住区、传统单位住区、普通商品房住区、新式商品房住区与半城市化住区。然后用Vensim软件构建了住区形态变迁对城市代谢效率影响的系统动力学模型，通过情景模拟后发现：住区形态的更迭过程基本上都会带来福利效率的提升。传统住区形态向新式住区形态的转变虽是大势所趋，但从物质流和能量流角度，新式住区以消耗更多资源和能源为基础，且城市输入系统依赖于外界。因而从新陈代谢的角度，新式住区消耗了更多的资源和能源，且城市输入系统依赖于外界，使得新陈代谢效率有所下降。