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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。