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2.5 城市新陈代谢测度方法
城市新陈代谢的测度，核心思路在于对系统组成要素的统一核算。基于物质和能量视角的物质流和能值分析法是目前较为常见的方法，净初级生产力的人类占用及社会代谢多尺度综合评估法亦从生物物质和人类时间的角度实现物质资源和非物质性资源的有效度量问题，见表2-2。
表2-2 城市新陈代谢的相关测度方法
（Rosen，1999）
物质流分析（Materials Flow Analysis，MFA）是建立在环境经济综合核算中实物账户基础之上的可持续发展的定量研究方法（李刚，2005）。其基本原理是以质量守恒定律为基本依据，从实物的质量出发，将通过社会经济系统的物质分为输入、储存、输出三大部分，通过研究三者的关系，揭示物质在特定区域内的流动特征和转化效率（夏传勇，2005）。MFA一般采用物理单位（通常用t）对物质从采掘、生产、转换、消费、循环使用直到最终处置进行结算，其分析的物质可包括元素、原材料、建筑材料、产品、制成品、废弃物及向空气和水里的排放物等（马其芳等，2007）。
物质流分析作为人类经济社会活动中物质资源新陈代谢的一种方法，始于1969年，由Ayres第一次提出了利用“物质平衡原理”考察国民经济的物质流动（Ayres等，1969）。到了20世纪90年代，随着工业生态理念的兴盛，物质流分析逐渐被学者们广泛应用。中国、奥地利、日本和德国等国家都应用物质流分析方法对本国经济系统的自然资源和物质的流动状况进行了分析，众多学者对国民经济的物质流进行分析（Schmidt等，1993；陈效逑等，2003）。如劳森和道格拉斯（1998）从地理环境的角度，调查地球的资源开采对城市代谢可持续发展的影响。他们的研究结果认为，物质流及再利用、再循环的账户和定量分析应该是区域发展指标的重要组成部分，这将有助于确定哪个国家或城市的发展路径变得更可持续。市区发展所需要的物质流在可持续发展中发挥了重要作用。任何城市的可持续发展都必须考虑到日益增长的物质需求和相应的处置废弃物的代价。城市建设对地球物质材料的需求已经造成了岩石和沉积物的移动速率是自然侵蚀和沉积率的2～3倍的数量级。
随着我国国民经济实物账户的建立，早在20 世纪70 年代我国就开展了物质流和能流分析的相关研究。1979年，李兴基分析了城市物流、能流与环境保护之间的关系，并提出了城市物流、能流的调整方法。2008 年，徐明等基于物质流分析指标对辽宁省的社会代谢进行了分析。刘伟、鞠美庭（2011）对天津市1998—2007年间的物质流和能量流进行了实证研究。结果显示：2007年天津市物质消耗为97.25×10 6 t，能源消耗为47.15×10 6 t标准煤，年均增长率分别超过10%和8%；外部调入物质约占直接物质输入量的46%，其中煤炭占了约40%，且完全依赖外部调入；资源消耗强度较高、产出率较低，导致资源大量消耗、污染物排放总量持续增长，这对区域资源环境产生了较大压力，环境容量总体处于饱和状态。
随着新陈代谢概念的引入，物质流分析初期即成为新陈代谢测度的核心方法（Xu等，2008）。黄书礼等（2003）对台北的资源和物质流进行了分析，即定量研究了过去十年中台北大都市兴建大型工程项目，如道路、桥梁、地铁、防洪工程、雨水管道和污水管道及楼宇所产生的物质流（砂石、水泥、沥青、建筑废物）。结果表明，砂和砾石的消费占总建筑使用材料的约90％，而台北每年产生的建筑废物超过30×106 t。未来，建筑垃圾的回收和再利用，不仅可以创造城市新城代谢的循环，而且对台北的可持续发展至关重要。通过对煤炭、水、农作物等物质流的典型分析发现，伴随着快速工业化发展，城市代谢系统以不可再生资源的外部调入和消耗为主，资源消耗强度较高、城市代谢产出率较低，对区域资源环境产生了较大压力（刘伟等，2011）。
以能量守恒定律为基本依据，能量流分析法（Energy Flow Analysis，EFA）则以能量为基准，跟踪能量在社会经济系统中的流动途径及过程，揭示能量在特定区域内的流动特征、转化效率和总的吞吐量（马其芳等，2007）。城市新陈代谢系统的能量流动分析中，不同物质所包含能量之间的度量衡统一（能值）和整体能量的有用功（有用能）成为了城市新陈代谢效率测度的关键。
（1）能值分析法
能值理论最早由奥德姆（H.T.Odum）于20世纪80年代创立，能值（Emergy）不同于能量（Energy），是形成某一资源、产品或劳务产品形成所具有的能量（Odum，1986），通常以太阳能来进行衡量，单位为太阳能焦耳（Solar Emjoules，即sej）。例如，1g雨水的能值为75000太阳能焦耳。能值分析中常用太阳能值转换率（Solar transformity）作为各种物质或能量的转换单位。单位能量或物质所含有的太阳能值量即为太阳能值转换（单位为：sej/J或sej/g）率（李双成，蔡运龙，2002）。
基于能值的城市新陈代谢系统研究的重点包括可更新资源能值、不可更新资源、输入能值和燃料、生铁矿石、水泥和沙砾等不可更新资源能值。这些测度的项目能集中反映城市新陈代谢的资源、能源消耗强度和产出效率，较好地刻画出城市新陈代谢的健康程度。近年来，国外的能值分析法已广泛应用到东京、台北、悉尼等城市的新陈代谢研究中来（Ulgiati等，2009；Hanya等，1976；Huang等，1998；Zhang等，2009）。如Marco（2009）测度了意大利罗马每单位GDP的能值等指标，其结果表明罗马每单位GDP的能值为2.43E+12sej，而整个意大利的这一数值为1.64E+12sej，说明罗马经济发展所需的环境代价是远远高于整个经济系统发展程度的。同时，作者将罗马的指标与同类研究的其他作者发表的上述性能指标进行了比较（台北、圣胡安和澳门）后指出，罗马具有最高的人均每年能值，反映了罗马有较高的生活标准，见表2-3。与此同时，我国新陈代谢的研究中，能值分析成为近年来的主导研究视角。北京、天津、上海和重庆等城市都通过能值分析测度了城市新陈代谢状况。例如，张妍等（2009）采用能值分析方法，以北京、天津、上海和重庆四个直辖市为例计算了2005 年四城市物质代谢状况。能值项目包括可更新资源能值、不可更新资源等，不可更新资源包括燃料、生铁矿石、水泥和沙砾等。
表2-3 能值流量和性能参数选定的国际城市的比较
（Marco，2009）
（2）能值生态足迹法
生态足迹是指在一定的经济规模条件下，维持特定人口的资源消费和废弃物消费所必需的生物生产土地面积（徐中民等，2003）。该方法由于可以提出一个人类社会物质代谢过程中对环境胁迫状态的具体量化指标（即生态赤字）而得到广泛应用。
生态足迹的数学模型如下：
式中，
表示总生态足迹；N为人口数；
为人均生态足迹；i为消费品和投入的类型；
为i种商品的人均消费量；
为i种消费商品的全球平均产量；j为生物生产性土地类型；
为均衡因子（王书华，张义丰，2004）。
生态足迹法在城市新陈代谢研究中的运用有其天然缺陷，即对部分不可再生资源的测度欠缺，而能值生态足迹则有效解决了上述问题。能值生态足迹法结合了能值分析方法与生态足迹理论的优点。其具体方法是首先把各种不同类型、不同等级的能量流通过能值转换率，换算成可以直接进行加减的太阳能值，然后引入能值密度，将各消费项目的太阳能值换算成相对应的生物生产性土地面积（段七零，2008），即可得出能值生态足迹：
首先计算区域能值密度（p）。计算公式为
p＝区域总能值/区域土地面积
在计算区域总能值时，主要考虑五种可更新资源的能值：太阳辐射能、风能、雨水化学能、雨水势能及地球旋转能，为避免重复计算，以其中最大能值作为区域总能值。然后将消费项目的能值换算成对应的生物生产性土地面积，消费项目主要分为生物资源消费和能源资源消费。从而能值足迹的计算公式为
式中，
表示能值足迹；
为第i种资源的人均生态足迹；
为第i种消费项目的人均能值；p为区域能值密度。
能值理论改进的生态足迹模型，不仅考虑了生物圈生产的可再生资源，而且把水力发电、风力利用、地球旋转能、太阳辐射能等也纳入了支撑人类消费的可再生资源的来源（王国刚等，2012），成为城市新陈代谢研究的新领域。
（3）有用能分析法
对于城市新陈代谢的系统而言，通过能值可以统一测度不同项目的内生能量，但是却忽略了这些构成项目能量品质的差别，而有用能则克服了以上缺点。张力小等（2011）在城市新陈代谢研究中引入了“资源火用”的概念。“资源火用”（Exergy）亦称为有用能或效用能，是能量中能转变为有用功的那部分，因此是物质或能量的有用性或品质的表征。城市新陈代谢系统中，资源及物质流的移动会伴随着能量的衰减，通过对资源有用能的测算可以全面地测度城市代谢系统的能量耗散，有助于形成资源视角下新陈代谢流数量及质量的统一核算，并且可以加深对城市代谢系统能量等级、结构和效率的理解。近年来Exergy方法与能值方法的关联研究正在逐渐兴起，尤其是资源有用能的统一核算及废弃物的有用能环境影响已成为城市代谢系统中的重要研究方向（Rosen，2002；Chen等，2006）。Exergy方法已被引入到瑞典、日本等国家和区域尺度的新陈代谢研究中（Wall，1987）。然而遗憾的是，Exergy方法背后隐含的理论内涵和政策含义却尚待发掘和厘清，并且鲜有学者将其应用于城市新陈代谢的研究中（Baloccoa，2004），是城市新陈代谢未来研究领域的全新突破点。
净初级生产力（Net Primary Production，NPP）或称净初级生产量，被定义为单位面积、单位时间内，绿色植物在太阳能光合作用下的生物物质年生产总量扣除自身因呼吸作用的消耗而剩下的有机物质。而净初级生产力的人类占用（Human Appropriation of Net Primary Production，HANPP），或称净初级生产力的人类占有，则指潜在的天然植被的净初级生产力和当前生态循环中现有生物量总量之差（彭建等，2007）。与生态足迹、能值分析和物质流分析等方法一样，HANPP是城市新陈代谢评估的又一重要的生物物理量衡量方法与途径。HANPP反映了人类社会经济活动的强度，与区域的新陈代谢密切相关。HANPP可以用来评价人类对特定地域的生态系统的占用程度，将社会-经济活动、代谢机制与特定地区的土地利用强度相联系，这些都有助于分析新陈代谢问题（Haber等，2004a）。一些学者的研究表明，当前人类社会对净初级生产力的占用量已相当可观。在全球尺度上，HANPP占潜在净初级生产力的20%～40%，并将在今后的50 年内达到全球NPP的50%，而且这一比例在许多工业化国家已高于40%（Wright，1990）。Wrbka等探讨了HANPP将社会-经济活动和代谢机制与特定地区的土地利用强度相联系的能力。研究表明，当HANPP具有中等水平时景观差异最大，因此，基于生物多样性保护的土地利用政策应当是通过保存混合土地利用方式以使HANPP 达到中等水平。通过HANPP的研究表明，当前人类社会对净初级生产力的占用量已相当可观（Haber等，2004b；Wrbka等，2004）。HANPP在城市新陈代谢研究中的缺陷也是明显的，由于HANPP方法没有考虑进口物品所占用的区外初级生产力和社会经济体系的其他方面，如化石能源、矿产等（龙爱华等，2008），对区域新陈代谢的整体性判断还不及能值等指标。
社会代谢起源于20世纪后半叶的工业生态学，是一种宏观层次上观察和测量经济发展与物质流动关系的方法和工具（刘晔，耿涌，2010）。90年代初，日本学者Mayumi 将社会代谢方法引入区域可持续发展理论，提出“社会技术进步可以根据物质与能源的加速消费，以及人口结构、人类活动时间和土地利用模式的再分配特征进行描述。在此基础上，Mayumi与意大利学者MarioGiampietro 共同提出了用于定量分析社会可持续发展水平的社会代谢多尺度综合分析方法（Multi-Scale Integrated Analysis of Societal Metabolism，MSIASM）。
MSIASM并行地利用不同学科与社会经济系统的能量代谢过程及系统的经济、人口、社会和生态特征有关的各种经济参量和生物物理参量，根据“人类活动时间”资源、“体外能流”资源和“增加值流”三者在社会经济系统中的投入作为共同的参照基础（王天送，2008）。社会代谢多尺度综合评估的主要指标为人类活动（时间）量、体外能投入量、人类活动的社会开支、体外能代谢率等。其中：
人类活动（时间）量（Human Activities，HA）是MSIASM的核心指标，是将社会经济各项指标统一量纲的基础，指的是社会经济系统中人类活动的时间量，用人口数与活动时间的乘积表示。它包括总的人类活动（时间）量、部门人类活动（时间）量以及人类活动的社会开支三部分。
体外能投入量（Exosomatic Energy Throughput，ET），社会经济系统代谢的能量可以分成人类自身生理代谢的体内能（主要通过摄取各种食物）和除此之外的体外能（主要是各种商业能源和生物能源）。社会经济系统每年代谢的体外能数量，就是体外能投入量，包括社会经济系统总的体外能投入量和分部门的体外能投入量。
人类活动的社会开支（SOHA）是指人类社会活动时间的生产投入量与供养开支的比值，即社会为承担非工作时间所需的工作小时数。
体外能代谢率（Exosomat icMe tabo licRate，EMR）即平均每小时人类活动（时间）所消耗的体外能量。
国外对MSIASM的研究侧重于西班牙、越南、厄瓜多尔、东欧四国（罗马尼亚、匈牙利、保加利亚和波兰）等国家的国民社会经济宏观系统和部门经济的可持续发展（Iorgulescu等，2009）。如Iorgulescu等（2009）研究了东欧四国（罗马尼亚、匈牙利、保加利亚和波兰）的能源使用效率，尤其是清洁能源对于区域可持续发展的重要性。我国学者近年来也积极应用该方法进行区域经济社会代谢的研究。研究区域既有国家尺度的评估，也有甘肃、福建等省级社会的研究。如Geng（2011）采用MSIASM来评估中国区域社会和生态系统的代谢，设立了一系列的指标来模拟不同的发展前景。其研究结果为：中国西部和北部主要发展资源开采型产业，同时中国东部和南部则有更均衡的产业结构。同时，城市地区，特别是那些大的城市，已经达到这些发达国家的水平。因此如何减小城乡差距是中国政府的下一个挑战。从时间维度来看，虽然近年来中国取得了巨大的成就，然而对改善人们的生活质量和社会服务却缺乏关注。这需要一个更均衡的发展战略，使不同地区可以更好地利用自己的资源和相互支持，具有更加平衡的部门结构和更加完善的居民社会福利。
我国学者MSIASM方法的研究多集中于区域尺度，却鲜有城市尺度的研究。这些区域尺度的社会代谢分析，揭示出区域社会发展和生态系统代谢的不匹配性（Geng等，2011）。MSIASM方法对宏观经济发展与社会综合代谢程度的静态解析具有一定的说服力。然而该方法在对生态环境代谢的影响分析方面存在着天生的缺陷；此外，模型对于宏观经济活动的产业、土地等要素驱动的解析力度不足，无法更准确地解析区域社会代谢差异的动力机制。