基于能值分析方法的城市代謝過(guò)程研究
——理論與方法

劉耕源，楊志峰，陳 彬

(北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100875)

現(xiàn)代城市是極度人為化的復(fù)雜生態(tài)巨系統(tǒng)，其物質(zhì)、能量與信息轉(zhuǎn)換過(guò)程之時(shí)空奇異涌現(xiàn)性導(dǎo)致現(xiàn)代城市“病”［1-2］。從現(xiàn)代系統(tǒng)生態(tài)學(xué)和非平衡熱力學(xué)角度對(duì)城市生命體的重新詮釋提供一項(xiàng)專(zhuān)業(yè)化視角［3-5］，以客觀統(tǒng)一參數(shù)衡量一般城市生態(tài)流變過(guò)程，為城市的系統(tǒng)生態(tài)特征的識(shí)別和演變機(jī)理研究提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)［6］。同時(shí)，由于城市中經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與自然系統(tǒng)交互作用的復(fù)雜性，相應(yīng)城市代謝過(guò)程的生態(tài)熱力學(xué)研究又必須聚焦于城市全過(guò)程的系統(tǒng)層面，需要整合系統(tǒng)生態(tài)學(xué)、城市生態(tài)學(xué)和生態(tài)熱力學(xué)等研究方法，從而有力地促進(jìn)這些學(xué)科理論的交叉、創(chuàng)新和發(fā)展。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 城市代謝研究進(jìn)展

城市代謝是應(yīng)用生物代謝作用的觀念來(lái)闡述城市發(fā)展問(wèn)題，這種觀念借鑒的基礎(chǔ)在于二者之間的相似性。例如城市系統(tǒng)到達(dá)最佳發(fā)展階段，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)通過(guò)內(nèi)部循環(huán)過(guò)程不斷的進(jìn)行反饋、調(diào)整，該運(yùn)行過(guò)程就類(lèi)似于自然生態(tài)系統(tǒng)中的自組織機(jī)制。到目前為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了許多相關(guān)研究，產(chǎn)生了一定的科研成果。

城市代謝植根于工業(yè)代謝，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，對(duì)城市中物質(zhì)從最初的開(kāi)采，到工業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品消費(fèi)，直至變成最終的廢物這一全過(guò)程進(jìn)行跟蹤。它通過(guò)建立物質(zhì)衡算表，測(cè)算或估算物質(zhì)流動(dòng)與儲(chǔ)存的數(shù)量及它們的物理和化學(xué)狀態(tài)，描繪其進(jìn)行的路線和動(dòng)力學(xué)機(jī)制［7］。在城市代謝的理論方面，許多學(xué)者進(jìn)行了不同的界定和討論［8-14］。工業(yè)代謝研究的對(duì)象可以針對(duì)某種物質(zhì)(如CO)或某種物質(zhì)成分(如鉻、鉛等重金屬和硫、碳等元素)，也可以針對(duì)與特定產(chǎn)品或?qū)ο?如電子芯片)相聯(lián)系的物質(zhì)流和能量流，通常在大河流域、國(guó)家等較大的范圍內(nèi)展開(kāi)［15］。后來(lái)的研究者在此基礎(chǔ)上對(duì)城市代謝的概念進(jìn)行拓展，提出城市家庭物質(zhì)代謝、土地利用代謝響應(yīng)、資源代謝等理論［16-19］，擴(kuò)充了城市代謝的范圍。并基于城市地理與系統(tǒng)論的觀點(diǎn)提出城市本身一方面為新陳代謝的有機(jī)體，一方面是管理的機(jī)器，也就是將資源與物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閺U棄物維持人類(lèi)的生存與居住條件。研究者強(qiáng)調(diào)循環(huán)式的新陳代謝，即所謂的生態(tài)城市的主要目標(biāo)是在輸入和輸出的需求和管理達(dá)到一種循環(huán)代謝的地步［20］。目前，城市代謝的內(nèi)涵與類(lèi)型仍沒(méi)有達(dá)成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，深入探討與研究仍在繼續(xù)。

對(duì)于城市模擬與代謝的評(píng)價(jià)也處于發(fā)展階段。當(dāng)前城市代謝研究方法正在從傳統(tǒng)的定性分析向更為嚴(yán)格的定量化描述方向發(fā)展，以便找出經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的物質(zhì)流動(dòng)與環(huán)境問(wèn)題之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過(guò)分析經(jīng)濟(jì)發(fā)展與物質(zhì)流、能量流的結(jié)構(gòu)變化，來(lái)研究城市代謝的動(dòng)力機(jī)制與調(diào)控策略。城市代謝的研究方法可以分為物質(zhì)核算法、貨幣核算法和生態(tài)熱力學(xué)核算法。物質(zhì)核算法關(guān)注于物質(zhì)資源的分類(lèi)及物質(zhì)資源平衡表賬戶(hù)，通過(guò)收集統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析城市系統(tǒng)中物質(zhì)在整個(gè)生命周期的流動(dòng)過(guò)程［21-22］。早期城市代謝的研究多用物質(zhì)核算方法，并已運(yùn)用于多個(gè)城市的設(shè)計(jì)與管理中，如澳大利亞［15］、香港［23］、南通［24］、臺(tái)灣［19-20］及其他城市［25-26］。但此方法仍有一些無(wú)法解決的問(wèn)題，如核算單位的不統(tǒng)一、物質(zhì)集成技術(shù)的不完善和對(duì)能量流的忽視。貨幣核算法對(duì)于分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和自然資本的經(jīng)濟(jì)價(jià)值是有效的［27-28］，但是對(duì)于城市系統(tǒng)中有些功能的核算是以支付意愿獲得的，帶有較大的主觀性［27］。生態(tài)熱力學(xué)核算法是聯(lián)系經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)的橋梁，能夠提供城市代謝核算的統(tǒng)一量度［3］。生態(tài)學(xué)家研究并提出了大量以生態(tài)熱力學(xué)為基礎(chǔ)的目標(biāo)函數(shù)來(lái)描述生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的組織原則，目前已有在城市方面應(yīng)用的初探性研究［3，4，20，29-33］，并有學(xué)者在此基礎(chǔ)上對(duì)方法進(jìn)行改進(jìn)，并演化出能值等概念［43-41］，并試圖將越來(lái)越多當(dāng)前關(guān)注的生態(tài)要素納入核算體系中。但是由于數(shù)據(jù)和關(guān)注角度的因素仍存在對(duì)周邊區(qū)域?qū)Τ鞘械纳鷳B(tài)服務(wù)支持、外來(lái)污染侵襲及全球尺度的環(huán)境影響考慮不足的問(wèn)題。當(dāng)前研究多局限于反映局部的、短時(shí)間尺度內(nèi)的或者是相對(duì)于人類(lèi)健康和生態(tài)毒理而言的環(huán)境影響，并未能充分反映其因排放在產(chǎn)生潛在環(huán)境影響中的重要地位。城市的節(jié)能減排是我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的第一步，其本質(zhì)是資源減量化與生態(tài)重構(gòu)，這要綜合考慮物質(zhì)性和非物質(zhì)性?xún)煞N投入及污染物的生態(tài)損失的核算，這就必須找到鏈接它們的關(guān)節(jié)點(diǎn)。這個(gè)研究的視角要充分考慮到與其他研究對(duì)接的理論基礎(chǔ)和完善的統(tǒng)一核算平臺(tái)，才能落實(shí)到城市層面，滿足構(gòu)建基礎(chǔ)理論模型和得到強(qiáng)有力的系統(tǒng)分析定量化支持的雙重目標(biāo)，為提出和構(gòu)建符合中國(guó)國(guó)情的城市發(fā)展的政策措施與長(zhǎng)效機(jī)制提供理論與方法學(xué)依據(jù)。

生態(tài)熱力學(xué)理論自誕生起，它的理論和應(yīng)用始終處于矛盾中，這個(gè)脫離現(xiàn)實(shí)的表象卻是掩蓋在更加接近現(xiàn)實(shí)世界的分析范式中，出現(xiàn)了研究結(jié)果在城市實(shí)際政策指導(dǎo)上面的懸空。線性、簡(jiǎn)單的靜態(tài)系統(tǒng)或者經(jīng)驗(yàn)研究都易于操作，可是這樣的應(yīng)用是在強(qiáng)烈的約化現(xiàn)實(shí)或在強(qiáng)假設(shè)基礎(chǔ)上成立的，這樣的理論應(yīng)用的沒(méi)有可靠的穩(wěn)定的理論基礎(chǔ)，所以理論向更復(fù)雜的世界靠攏是必須的。對(duì)于中國(guó)而言，目前我國(guó)正處于一個(gè)快速工業(yè)化和城市化的進(jìn)程當(dāng)中，物質(zhì)與能源使用源頭、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、利用效率以及環(huán)境影響形成一個(gè)全生命周期的研究鏈條，因此，從城市代謝全過(guò)程的角度來(lái)研究城市發(fā)展是很有價(jià)值的一個(gè)切入視角，也是實(shí)現(xiàn)城市系統(tǒng)調(diào)控和動(dòng)態(tài)規(guī)劃的必要步驟。由于對(duì)于生態(tài)服務(wù)功能、跨尺度環(huán)境影響的忽視，當(dāng)前的研究多基于投入產(chǎn)出表分析，重點(diǎn)剖析城市或區(qū)域產(chǎn)業(yè)代謝結(jié)構(gòu)及效率，考慮產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效用最大化，從理論與方法方面已較成熟，如［14，42-44］，但是該方法多考慮城市產(chǎn)業(yè)部門(mén)，忽視了家庭消費(fèi)、人口增長(zhǎng)、自然支持環(huán)境等重要城市生態(tài)結(jié)點(diǎn);而考慮生態(tài)意識(shí)的城市過(guò)程研究需要對(duì)城市過(guò)程進(jìn)行重新拆解，定量各子系統(tǒng)間的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理與互動(dòng)關(guān)系。

1.2 城市代謝的生態(tài)熱力學(xué)觀及研究進(jìn)展

城市可持續(xù)發(fā)展?fàn)幷撘丫?。在環(huán)保學(xué)者和生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)家有一個(gè)普遍的共識(shí)，即經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)是有極限的。經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)會(huì)被“環(huán)境的再生能力和吸收能力”所限［45］。另一方面，環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)家也證明了由于有限的資源供應(yīng)，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)不可能持續(xù)出現(xiàn)。然而，“純經(jīng)濟(jì)學(xué)家”卻認(rèn)為市場(chǎng)機(jī)制可以調(diào)節(jié)資源需求和增加環(huán)境吸收能力，環(huán)境保護(hù)應(yīng)交由市場(chǎng)自我調(diào)節(jié)。因此，可持續(xù)增長(zhǎng)也被嘗試定義到環(huán)境可持續(xù)性框架之中。

所以城市代謝的可持續(xù)目標(biāo)的內(nèi)在矛盾可歸納為:“可持續(xù)”暗示了能源和資源的全球平均，而“發(fā)展”卻暗示了生產(chǎn)和消費(fèi)的持續(xù)增長(zhǎng)。這就帶來(lái)了城市為了保證自己的有限增長(zhǎng)從哪吸引資源的問(wèn)題?正如Eisenmenger and Giljum所說(shuō):任何現(xiàn)實(shí)主義的可持續(xù)發(fā)展定義都應(yīng)該是減少而不是增加資源的開(kāi)采和使用，這才是可以使全球平均消費(fèi)和擴(kuò)張率下降的唯一方法［46］。因此，經(jīng)濟(jì)學(xué)的視角定義的可持續(xù)發(fā)展觀難以適應(yīng)當(dāng)前城市的需要，而城市的生態(tài)熱力學(xué)觀試圖從另一種角度來(lái)解釋城市的未來(lái)，至少如果用熱力學(xué)來(lái)詮釋發(fā)展，我們就不會(huì)站在“無(wú)限的增長(zhǎng)”這一前提之下。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，所有的生產(chǎn)過(guò)程(即能量轉(zhuǎn)換過(guò)程)都是耗散過(guò)程，最終把原材料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品及伴隨熵(將在過(guò)程中損失掉)。熱力學(xué)第二定律決定了所有的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中都存在熵增，即有損失［47］。譬如Hornborg認(rèn)為，“工業(yè)化意味著社會(huì)的熵轉(zhuǎn)移”［48］。當(dāng)城市代謝發(fā)生時(shí)，代謝系統(tǒng)中的生產(chǎn)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生負(fù)熵增，并釋放到環(huán)境中，從而減少了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的熵的總量。所以，城市規(guī)劃或研究中常在城市的前面不斷加上“生態(tài)”、“環(huán)境友好”等詞匯界定，實(shí)際是將城市的自然系統(tǒng)看做是熵的傳輸管道，傳遞負(fù)熵到熱井，使得整個(gè)系統(tǒng)的總熵趨于平衡。

進(jìn)一步說(shuō)，負(fù)熵的產(chǎn)生和傳遞也可以看作是資本化加劇的結(jié)果，使得當(dāng)本地的自然資源，不能提供足夠容納負(fù)熵的熱井容量時(shí)，就會(huì)加速相鄰城市之間或區(qū)域之間的貿(mào)易形成負(fù)熵的空間代際轉(zhuǎn)移。因此，Hornborg說(shuō)，我們用道德的手段去批評(píng)資本主義的生產(chǎn)與貿(mào)易似乎并不準(zhǔn)確，而實(shí)際這是一種自然法則，它只是找到一個(gè)地方來(lái)平衡負(fù)熵［48］。而這種說(shuō)法似乎可以用現(xiàn)在世界貿(mào)易來(lái)證明，世界上大多數(shù)人都去參加全球的交易其實(shí)是不現(xiàn)實(shí)的，但現(xiàn)在結(jié)果似乎是越窮的人看似已經(jīng)放棄了全球經(jīng)濟(jì)，越窮的國(guó)家越邊緣化。這時(shí)一些國(guó)家和地區(qū)就會(huì)由于戰(zhàn)爭(zhēng)、殖民主義等因素自動(dòng)的成為了“熵接收器”，形成這樣的市場(chǎng)機(jī)制。

所以城市代謝的生態(tài)熱力學(xué)觀是隨著人們對(duì)城市地位與作用的認(rèn)知的變化所改變的，如同早起的人類(lèi)中心主義到如今的生態(tài)中心主義，從以人為本的城市觀轉(zhuǎn)移到以生態(tài)為本的城市觀，而用能值方法來(lái)研究城市代謝，正符合了這樣的一種以生態(tài)為本的城市觀。能值分析是Odum發(fā)展的一套龐大的用于描述生態(tài)系統(tǒng)及其他系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的理論體系［49］。該理論解釋了系統(tǒng)是如何利用能量來(lái)進(jìn)行有效的進(jìn)行組織。能值是以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)，并且建立了共同的考量單位——太陽(yáng)能焦耳。后來(lái)能值被正式定義為體現(xiàn)(包被)能或記憶能量，即為生產(chǎn)任何產(chǎn)品或服務(wù)的直接或間接需求的能量總量。這一概念的提出也正值能源危機(jī)頂峰時(shí)刻，Odum認(rèn)識(shí)到生態(tài)系統(tǒng)在全球經(jīng)濟(jì)中所扮演的臨界角色，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的發(fā)展不僅制約于經(jīng)濟(jì)規(guī)則，而且受生態(tài)限制。這一概念的提出就是用能量整合經(jīng)濟(jì)學(xué)與生態(tài)學(xué)。不能只從效率的高低和結(jié)構(gòu)的繁復(fù)來(lái)定義城市的可持續(xù)，不少研究中已經(jīng)開(kāi)始用恢復(fù)力［50］或者脈沖模式［51］來(lái)重新定義城市的可持續(xù)發(fā)展。Odum強(qiáng)調(diào)，可持續(xù)發(fā)展意味著城市的生產(chǎn)和消費(fèi)的過(guò)程并不是線性的，而是相當(dāng)于脈沖狀［51］，當(dāng)然，這并不只是城市系統(tǒng)，還包括周邊區(qū)域，最終的可持續(xù)表現(xiàn)都在于促進(jìn)人群福祉、加快社會(huì)轉(zhuǎn)型、政治的公正、經(jīng)濟(jì)的公平分配和資源共享以及長(zhǎng)期的生態(tài)平衡。Odum提出，從長(zhǎng)期來(lái)看，脈沖模式顯然是更好地實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的效率和整體生產(chǎn)力，因此，政策必須從概念上放棄穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，本文中提出的“平衡”實(shí)際意味著一個(gè)脈沖的動(dòng)態(tài)“穩(wěn)定”狀態(tài)。

所以本文擬選擇現(xiàn)有的生態(tài)熱力學(xué)中能值分析計(jì)算方法，創(chuàng)新性的將周邊區(qū)域?qū)Τ鞘械纳鷳B(tài)服務(wù)支持、外來(lái)污染侵襲及全球尺度的環(huán)境影響納入城市核算體系，重構(gòu)城市代謝模型與指標(biāo)，使政策制定者能夠確定如何在現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)上，以及在向生態(tài)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵發(fā)展時(shí)期，避免支付高額生態(tài)成本和重復(fù)發(fā)達(dá)國(guó)家城市建設(shè)中的末端控制模式，推動(dòng)社會(huì)系統(tǒng)的生態(tài)化轉(zhuǎn)型實(shí)踐，力求突破當(dāng)前城市發(fā)展的瓶頸，促進(jìn)城市的健康發(fā)展。

2 研究方法

2.1 現(xiàn)有城市代謝能值分析的瓶頸與解決方法

在用能值分析的方法來(lái)研究城市代謝問(wèn)題時(shí)，仍然面臨著一些困難與瓶頸，主要問(wèn)題在于以下幾個(gè)方面:

(1)城市進(jìn)出口產(chǎn)品復(fù)雜，能值轉(zhuǎn)換率數(shù)據(jù)缺乏

能值轉(zhuǎn)換率是城市代謝研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一，從20世紀(jì)90年代以來(lái)，已有不少學(xué)者從各個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展了能值轉(zhuǎn)換率的核算，包括早期發(fā)表的5個(gè)能值使用手冊(cè)Filio 1—5［52-56］，為現(xiàn)有的能值研究提供了基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)平臺(tái)，包括的基礎(chǔ)礦產(chǎn)、能源、森林、濕地、糧食作物、不同地貌下土地的能值流動(dòng)和儲(chǔ)存，為現(xiàn)有的能值分析提供了參考樣本。經(jīng)過(guò)眾多能值學(xué)者多年的研究，能值轉(zhuǎn)換率的覆蓋范圍逐漸擴(kuò)大。后續(xù)的能值轉(zhuǎn)換率主要參見(jiàn)于期刊發(fā)表的論文，包括全球NPP的能值轉(zhuǎn)換率［57］，27個(gè)化學(xué)元素的能值轉(zhuǎn)換率［58］，還有不少學(xué)者針對(duì)中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品、能源和基礎(chǔ)工業(yè)原料等［59-63］，一直被中國(guó)學(xué)者廣泛沿用。

雖然能值轉(zhuǎn)換率的數(shù)據(jù)在世界各國(guó)學(xué)者的豐富研究成果中不斷增多，但是很多物質(zhì)的能值轉(zhuǎn)換率仍然十分缺乏。特別的，對(duì)于城市系統(tǒng)能值研究領(lǐng)域而言，如工農(nóng)業(yè)原材料、化學(xué)品、家庭消費(fèi)品、高新技術(shù)產(chǎn)品等都很難查找，而且現(xiàn)有的一些研究中的產(chǎn)品能值轉(zhuǎn)換率都與勞力和服務(wù)能值混在一起計(jì)算，難以剝離(勞力和服務(wù)問(wèn)題的解決見(jiàn)下文)。所以本研究開(kāi)發(fā)了結(jié)合生命周期評(píng)價(jià)的復(fù)雜進(jìn)出口商品的能值核算方法，具體的步驟如下:

(a)結(jié)合生命周期的材料清單方法和相關(guān)文獻(xiàn)，收集復(fù)雜商品實(shí)際制造使用物質(zhì)重量值(如:根據(jù)文獻(xiàn)，典型的個(gè)人電腦，機(jī)箱12358.27g，顯示器16187.29g，鍵盤(pán)1157.02g，鼠標(biāo)177.06g，其中黑色金屬使用比例20%，玻璃比例26%，銅比例7%，塑料比例23%，鋅比例2%，鋁14%，鉛6%等)。由此可算出組成電腦的原始材料重量。

(b)根據(jù)基礎(chǔ)原料的能值轉(zhuǎn)換率核算出復(fù)雜商品能值投入量。

(c)購(gòu)買(mǎi)商品的價(jià)格實(shí)際是購(gòu)買(mǎi)了商品中體現(xiàn)的服務(wù)和勞力，需要根據(jù)研究區(qū)域的能值貨幣比來(lái)核算，其中，進(jìn)口商品按照進(jìn)口地的當(dāng)年能值貨幣比計(jì)算，出口商品按照本地當(dāng)年能值貨幣比計(jì)算。

(2)能值基準(zhǔn)更新頻繁，部分研究使用混亂

在能值手冊(cè)Folio 1［52］中Odum等人針對(duì)地球運(yùn)動(dòng)，計(jì)算了礦產(chǎn)、能源的能值轉(zhuǎn)換率，并探討了能值轉(zhuǎn)換率的計(jì)算方法，提出了隨著地球運(yùn)動(dòng)中能量吸收的變化，能值轉(zhuǎn)換率的基線值應(yīng)由1996年的9.44×1024seJ/a提升為15.83×1024seJ/a，也就是說(shuō)2000年以前發(fā)表的能值轉(zhuǎn)換率在2000年以后的應(yīng)用中，應(yīng)該乘以系數(shù)1.68，從而保證能值轉(zhuǎn)換率指標(biāo)的準(zhǔn)確性。此外，Campbell在1998和2000年重新計(jì)算了潮汐能后采用了新的能值基準(zhǔn)9.26×1024seJ/a［77-78］。不少學(xué)者也在研究中運(yùn)用了此基準(zhǔn)，此基準(zhǔn)與Odum2000年前的能值轉(zhuǎn)換率乘系數(shù)為0.98(9.26/9.44)。

最近Brown和Ulgiati［64］的文章中用太陽(yáng)能、潮汐能和地?zé)崮茏鳛榛A(chǔ)驅(qū)動(dòng)力重新核算能值手冊(cè)Folio#1文章中的能值基線，在這次核算中，太陽(yáng)常數(shù)的測(cè)算和傳送到地球的潮汐能估算的相對(duì)精確，但地?zé)崮苋杂邢鄬?duì)較大的不確定性，為了應(yīng)對(duì)這種不確定性，Brown和Ulgiati對(duì)地?zé)釘?shù)據(jù)做了一套蒙特卡羅模擬，并選擇平均地?zé)嶂底鳛樨暙I(xiàn)值。研究結(jié)果顯示能值基線約為15.20×1024seJ/a，與之前Odum等人算出的全球能值基準(zhǔn)15.83×1024seJ/a略有不同。所以如果用最新的能值轉(zhuǎn)換率，可以將2000年以前的能值轉(zhuǎn)換率乘系數(shù)1.61(15.20/9.44)。

但是，很多學(xué)者并沒(méi)有注意到基線更新的問(wèn)題，很多能值轉(zhuǎn)換率仍然采用了舊的基線或者在一套計(jì)算方法中引用的新舊基線能值轉(zhuǎn)換率混雜使用問(wèn)題，這也為能值轉(zhuǎn)換率的推廣和使用制造了一定程度的障礙。所以在能值分析中，應(yīng)標(biāo)注清楚使用的是哪種能值基準(zhǔn)，有利于結(jié)果間的轉(zhuǎn)換和比較。

(3)能值轉(zhuǎn)換率中勞力與服務(wù)未與產(chǎn)品分離，結(jié)果難以比較

如上文所述，早期的勞力和服務(wù)是包含在商品的計(jì)算之中的，甚至有些研究由于難以獲得實(shí)際商品的重量直接用商品的購(gòu)買(mǎi)價(jià)格來(lái)計(jì)算商品的能值轉(zhuǎn)換率，這實(shí)際是對(duì)商品所包含的勞力和服務(wù)計(jì)算的理解存在誤區(qū)。張攀［65］指出，總體來(lái)說(shuō)，勞力和服務(wù)可以劃分開(kāi)來(lái)，勞務(wù)是指投入系統(tǒng)的直接勞動(dòng)力的能值，服務(wù)是指由于外部物質(zhì)投入而間接帶來(lái)的各種人工服務(wù)的能值。所以研究中，勞力是勞動(dòng)力價(jià)格×區(qū)域能值貨幣比，反映了直接的人力投入，服務(wù)是在商品制造、運(yùn)輸過(guò)程中的人力服務(wù)能值，一般等于商品售價(jià)×區(qū)域能值貨幣比。而統(tǒng)計(jì)年鑒中商品的價(jià)值量通常同時(shí)包含商品的售價(jià)和在本地的人工投入，在難以分開(kāi)的情況下可以統(tǒng)一核算為勞力和服務(wù)。這時(shí)在計(jì)算商品的能值轉(zhuǎn)換率時(shí)，需要計(jì)算不包含勞力和服務(wù)的能值投入量，這種能值轉(zhuǎn)換率可以在其他研究中直接使用，并可以比較不同水平的生產(chǎn)技術(shù)。Ulgiait［63］建議也計(jì)算包含了勞力和服務(wù)的能值轉(zhuǎn)換率，借此衡量不同區(qū)域的經(jīng)濟(jì)水平差異。

2.2 納入城市生態(tài)環(huán)境影響的城市代謝模型

在能值方法中對(duì)于廢物的處理一直是一個(gè)難題，Huang等［19］曾將其作為一種熵增的指標(biāo)來(lái)輔助能值分析結(jié)果，但仍有不少研究錯(cuò)誤的將廢物作為產(chǎn)出的一部分來(lái)核算，本研究擬從環(huán)境影響的角度將城市代謝過(guò)程中廢物的排放納入到能值體系中。

每一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中都在生成有用的產(chǎn)品的同時(shí)也生產(chǎn)不受歡迎的副產(chǎn)物(作用到生態(tài)系統(tǒng)、人群健康、經(jīng)濟(jì)資產(chǎn)上)，但大部分的能值研究并沒(méi)有考慮排放對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人群完整性的影響，這也成為早期能值作為環(huán)境核算方法被人提出的一個(gè)質(zhì)疑點(diǎn)。事實(shí)上，已有一些研究在此方面做了一定的推薦，Ulgiati等人［66］在1995就已經(jīng)把關(guān)注點(diǎn)集中在需要在資源的能值核算需要考慮防止或修復(fù)可逆的損害。Ulgiati和Brown［67］計(jì)算了不考慮大氣擴(kuò)散和化學(xué)服務(wù)的情況下用來(lái)稀釋大氣污染排放的能值投入量。Hau和Bakshi［68］首次提出了利用生態(tài)指標(biāo)99中的傷殘調(diào)整健康生命年(DALYs)計(jì)算經(jīng)濟(jì)部門(mén)人群健康的生態(tài)累計(jì)可用能值。Brown和Ulgiati［69］用能值方法計(jì)算了恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)健康所需能值投入量，并指出:1)當(dāng)不可逆裝的損害發(fā)生后，額外的能值資源需要輸入，用以取代失去的資產(chǎn)或單位;2)如果不可能用新的資源替代，至少應(yīng)該保守的估計(jì)自然或人為的資本損失，以確定一個(gè)過(guò)程產(chǎn)品的真實(shí)成本。Lei和Wang［70］追蹤澳門(mén)固體廢物焚燒后爐渣粉粉煤灰的能值轉(zhuǎn)換率。Zhang等［71］綜合稀釋和生態(tài)指標(biāo)99的方法來(lái)評(píng)價(jià)中國(guó)鋼鐵生產(chǎn)的可持續(xù)性。綜合現(xiàn)有研究，額外的能值成本計(jì)算應(yīng)包括:1)自然過(guò)程對(duì)污染物的稀釋和消減;2)通過(guò)技術(shù)手段提取、再循環(huán)的污染物;3)人造資產(chǎn)的損失的維修保養(yǎng)活動(dòng);4)可逆和不可逆的自然資本損害(如:生物多樣性的喪失);5)可逆和不可逆的損害人體健康。因此，總能值使用量U可以計(jì)算如下:

式中，R和N分別表示能值的本地可再生能源和不可再生的資源，F(xiàn)是進(jìn)口貨物和商品的能值(包括其相關(guān)的服務(wù))和Fi包括環(huán)境與人類(lèi)投入到污染防治中的能值(這里的F僅計(jì)算回用部分)。

為了清晰起見(jiàn)，如果計(jì)算焚燒污染物對(duì)城市建筑物外表面的損害，這種危害可以通過(guò)計(jì)算用于修復(fù)的能值投入Fi=A×SkFn，k，式中，A是表面受損面積，F(xiàn)n，k是單位面積需要修復(fù)(化學(xué)用品、勞力等)的投入。

圖1顯示了兩種模式:(a)無(wú)廢物處理設(shè)施模式;(b)有廢物處理設(shè)施模式。該圖是圖2城市整體能值圖的一個(gè)子系統(tǒng)。大氣、水、固體廢物進(jìn)入廢物處理系統(tǒng)就需要額外投入燃料、物資與勞動(dòng)力。按照公式(1)F1，…，F(xiàn)n在圖中用Lw，n表示。沒(méi)有進(jìn)入廢物處理設(shè)施前，對(duì)人力資本的損失能值表示為L(zhǎng)w，1，這意味著這些污染物造成人群健康影響，這反過(guò)來(lái)需要增加額外的固定投資，同時(shí)，其他種類(lèi)的排放物，如酸雨或者湖泊富營(yíng)養(yǎng)化，可能導(dǎo)致動(dòng)植物的損失，這里用Lw，2表示，表示自然資本退化的能值損失。未經(jīng)處理的污染物排放后需要自然系統(tǒng)提供如稀釋或者降解等生態(tài)服務(wù)使它們變得無(wú)害，這里用Rw表示這些能值。一般的城市都排放大量的污染物，所以為了防止或者減少進(jìn)一步的污染損害，應(yīng)該增加廢物處理設(shè)施，如圖1(b)所示。廢物處理系統(tǒng)可以有效的減少污染物排放(但是不為零)，并輸入額外的能源。這里，污染物排放造成的人群損失和自燃損失就變成了。另外，固體廢物也造成相應(yīng)的損害，可以通過(guò)測(cè)量土地占用和土地退化來(lái)表示損失的能值(即土地不可逆轉(zhuǎn)的退化了)，這里用Lw，3表示。廢物處置系統(tǒng)應(yīng)該通過(guò)生態(tài)技術(shù)設(shè)計(jì)成可循環(huán)的(循環(huán)部分為Fb)。這種回用應(yīng)該使得總能值使用量U通過(guò)減少本地不可更新能值N的使用或者減少進(jìn)口量F得到一定程度的減小。

圖1 環(huán)境與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)直接或間接能值流核算Fig．1 Direct and indirect emergy inflows from environment and economic system

用圖2來(lái)描述城市代謝系統(tǒng)，其中所用的符號(hào)來(lái)自于Odum［49］提出的能路語(yǔ)言。由于最外層的系統(tǒng)邊界是地球，所以從外界投入的驅(qū)動(dòng)力只有太陽(yáng)能和引力。圖中，最外面的黑框表示選定的城市系統(tǒng)，左側(cè)的是外界投入的可更新能源，包括太陽(yáng)能、地?zé)?、以及雨水、風(fēng)、潮汐、波浪等，這些可更新資源以生態(tài)服務(wù)功能的形式間接的支持了城市代謝系統(tǒng)的生產(chǎn)和消費(fèi)過(guò)程(如城市內(nèi)植被的光合作用、自然界的碳循環(huán)、氧循環(huán)、作為稀釋/凈化/降解城市中的大氣污染物/水污染物/固體廢物等)。本地的一些資源，如土壤、木材、地下水等，也被城市代謝系統(tǒng)所使用?；剂虾碗娏Φ哪苤凳菃为?dú)核算的，核算的過(guò)程取決于人類(lèi)對(duì)其開(kāi)采以及使用的整個(gè)過(guò)程投入。雖然化石燃料也是在隨著地殼運(yùn)動(dòng)而慢慢更新，但是相比人類(lèi)使用的速度，這些入流都考慮為不可再生能源。模型中，人類(lèi)的角色體現(xiàn)的很明確，從事經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。

圖2中，貨幣流使用虛線來(lái)表示的，貨幣流的方向與勞力的方向相反，所以可以用貨幣流來(lái)追蹤勞力投入的情況。從圖中可以看出，整個(gè)城市系統(tǒng)的代謝過(guò)程是依賴(lài)于自然的工作流程，但貨幣流相對(duì)獨(dú)立;這就說(shuō)明資金流在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體系下是一套獨(dú)立而完整的工作環(huán)境，作用是在于保證持續(xù)社會(huì)商品購(gòu)買(mǎi)和服務(wù)提供的持續(xù)正常進(jìn)行。

2.3 城市生態(tài)經(jīng)濟(jì)損失的能值量化方法

(1)生態(tài)服務(wù)的量化方法

圖2 城市代謝全過(guò)程系統(tǒng)模型Fig．2 Emergy flow system diagram of the urban metabolic system

自然界有自我凈化的作用，當(dāng)污染物排放到周邊環(huán)境中后自然界的大氣和水體會(huì)提供稀釋、淡化或分解服務(wù)，使得污染物濃度達(dá)到一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)可接受的濃度范圍。這些生態(tài)服務(wù)能值的計(jì)算方法可以根據(jù)排放濃度和背景濃度折算相關(guān)的能值轉(zhuǎn)換率。例如，計(jì)算空氣稀釋二氧化氮排放所需的能值，就需要確定排放量、城市稀釋濃度標(biāo)準(zhǔn)以及風(fēng)的能值轉(zhuǎn)換率。

稀釋空氣和水源污染的生態(tài)服務(wù)可以計(jì)算如下［67］:

式中，Mair/water表示稀釋所需空氣/水的重量，d是空氣/水的密度，W是每年的第i個(gè)污染物的濃度，c是法規(guī)或科學(xué)研究證實(shí)的污染物“可容忍濃度”。公式(2)應(yīng)適用于每一種污染物。這里，使用“可容忍濃度”的假設(shè)，說(shuō)明這些污染物至少在某種濃度是可以接受的。相反，如果背景濃度分別確定是“c”，這將意味著這個(gè)污染或多或少接近工業(yè)時(shí)代之前的水平。而實(shí)際上環(huán)境服務(wù)所能給與的比想象的更多，因?yàn)闆](méi)有不能被環(huán)境吸收消減的污染物，但仍然需要設(shè)定一個(gè)“可容忍濃度”，這樣，一旦用來(lái)稀釋消減的空氣或水的質(zhì)量可知，就可以計(jì)算這些空氣或水的能量，并計(jì)算式(1)的環(huán)境服務(wù)價(jià)值。如果只是考慮這些污染物被轉(zhuǎn)運(yùn)，那么可以計(jì)算稀釋用空氣或水環(huán)境的動(dòng)能，如果考慮其消解污染物的化學(xué)反應(yīng)，那么還需計(jì)算稀釋用空氣或水的化學(xué)能。

釋放到大氣中的化學(xué)污染物:

公式(3)(4)分別適用于第i污染物釋放;

式中，Mair表示稀釋空氣的質(zhì)量，Nkinetic表示稀釋空氣的動(dòng)能，trair表示風(fēng)的能值轉(zhuǎn)換率，v表示平均風(fēng)速，Nchem，water表示水的化學(xué)可用能(=驅(qū)動(dòng)化學(xué)轉(zhuǎn)換的能力)，trchem，water表示水的化學(xué)潛能。的轉(zhuǎn)換率，G為單位水體相對(duì)于參考值(海水)的吉布斯自由能(4.94J/g)。

如果污染物是余熱(假設(shè)余熱是直接釋放到大氣中)，必須考慮生態(tài)系統(tǒng)對(duì)其冷卻稀釋的服務(wù)。冷卻計(jì)算程序開(kāi)始從系統(tǒng)總熱量的釋放量(估算，系統(tǒng)本身總能源使用量+轉(zhuǎn)換降解熱)?，F(xiàn)在的科學(xué)界接受這樣的事實(shí)，就是釋放到空氣中的熱量會(huì)使得系統(tǒng)平均溫度T0提高到一個(gè)新的平衡溫度Te。假設(shè)，“可容忍的溫度提高量”只比平均環(huán)境溫度高1℃，那么所需稀釋的空氣和水的重量可以按照如下公式計(jì)算:

式中，M表示系統(tǒng)用于降低排放溫度所需的空氣/水的重量，ρ表示空氣/水的熱容量。一旦用于降低排放溫度所需的空氣/水的重量已知，可以用公式(3)來(lái)計(jì)算。

最后，總的環(huán)境提供的服務(wù)功能需要考慮同時(shí)稀釋各種污染物的因素，可以計(jì)算為:

值得一提的是，這種方法是一種簡(jiǎn)化模擬的方法，并沒(méi)有考慮污染物的擴(kuò)散以及在大氣和水體中的化學(xué)過(guò)程，它依賴(lài)于一個(gè)隱含的假設(shè)，即可用于稀釋的空氣/水始終是足夠的。

(2)生態(tài)和經(jīng)濟(jì)損失的量化方法

目前已有很多學(xué)者試圖用于整合污染物排放與其對(duì)環(huán)境的影響。這將是一個(gè)非常有效的整合方法，需要能用實(shí)際的排放值來(lái)量化實(shí)際的自然資本和人力資本的損害值，例如，由于污染造成生態(tài)系統(tǒng)的退化或人體健康的損害、土地占用或土地退化、人造資產(chǎn)的損害以及其他相關(guān)的經(jīng)濟(jì)損失、生物多樣性的減少等。

本研究中，初步的損失評(píng)估參考Eco-indicator 99的評(píng)估框架［72］。這種框架與終端生命周期影響評(píng)價(jià)方法相似，在其整體環(huán)境影響評(píng)價(jià)過(guò)程固有的存在著很大的不確定性。但是這種方法仍然能夠提供一個(gè)計(jì)算損失的途徑。反映自然資本的損失，這里引入受影響的生態(tài)系統(tǒng)中物種可能消失的比例(PDF法);反映人們對(duì)遭受污染損害的關(guān)注以及對(duì)損害程度的測(cè)度，我們引入世界銀行、世界衛(wèi)生組織提出采用的由于污染而使人類(lèi)健康受到影響的DALY法——傷殘調(diào)整健康生命年，這種方法是由美國(guó)的Murray教授首先提出，并在1993年世界銀行發(fā)布的世界發(fā)展報(bào)告中采用［36，72-73］。DALYs同時(shí)考慮了早亡所損失的壽命年和病后失能狀態(tài)下(特定的失能?chē)?yán)重程度和失能持續(xù)時(shí)間)生存期間的失能壽命損失年。因此，DALY含義是指疾病從發(fā)生到死亡所損失的全部壽命年。

需要說(shuō)明的是，利用Eco-indicator 99的評(píng)估框架采用(PDF和DALY方法)量化污染物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人群健康的影響是具有測(cè)量或統(tǒng)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。但是需要注意如下幾點(diǎn):1)在Eco-indicator 99的評(píng)估框架中提供的數(shù)據(jù)只限于歐洲(大多數(shù)情況下僅為荷蘭的數(shù)據(jù))，如果用于評(píng)估其他國(guó)家的情況需要進(jìn)行修正［74］，這里，我們強(qiáng)烈呼吁數(shù)據(jù)庫(kù)的更新;2)Eco-indicator 99的評(píng)估框架認(rèn)為污染物濃度和造成的影響之間的劑量反應(yīng)關(guān)系是線性的而不是邏輯斯蒂曲線［36］，這在一定的假設(shè)前提是正確的，但是也表明該方法只適用于污染物濃度的減緩變化，不適合排放量的較大波動(dòng)，如突發(fā)的環(huán)境污染事故。3)這種方法只適用于有明確受當(dāng)?shù)嘏欧庞绊懙娜巳翰⑵湓诖碎L(zhǎng)期居住的大區(qū)域，單獨(dú)的產(chǎn)業(yè)部門(mén)由于沒(méi)有明確的穩(wěn)定的受影響居住人群，并不適合用此類(lèi)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

污染物排放對(duì)人體健康的影響，可以看作是一個(gè)額外的資源投資的間接需求。人力資源(考慮其復(fù)雜性:生活質(zhì)量，教育，知識(shí)，文化，社會(huì)價(jià)值觀和結(jié)構(gòu)，層次的角色，等等)可以被視為當(dāng)?shù)氐木徛目稍偕茉磧?chǔ)存流程。而且還關(guān)聯(lián)社會(huì)支持及其各部門(mén)的資產(chǎn)。當(dāng)這種資產(chǎn)和關(guān)聯(lián)的損失以及投資的損失存在，這種損失必須聯(lián)系到的城市變化和創(chuàng)新的過(guò)程。人群健康能值損失的計(jì)算公式可以表達(dá)為:

PDF在Eco-indicator 99的評(píng)估框架中表示潛在消失物種比例(PDF)［72］。這種影響可以量化為當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)資源損失的能值，計(jì)算方法同上:

(3)對(duì)污染物處理處置設(shè)施的能值投入量化方法

根據(jù)Ulgiati等人［76］的研究，對(duì)污染物處理處置設(shè)施的能值投入量的計(jì)算是為了與因污染物排放而造成的損失相比較。本研究中，投入到污染物處理處置設(shè)施的能值輸入量已經(jīng)包含在總使用能值。因此，在考慮廢物處理的情況下，對(duì)污染物處理處置設(shè)施的能值投入總量(Ew)不會(huì)被添加到城市總能值消耗中，以避免重復(fù)計(jì)算。此外，回收和回用的材料(Fb)不計(jì)入出口能值中。

本研究中城市廢物包括工業(yè)廢水、城市生活垃圾、城市污水以及由化石燃料燃燒和垃圾焚燒造成的廢氣排放。在系統(tǒng)能值投入方面，包括處理過(guò)程中的勞力投入、燃料、水、電力和資本(機(jī)器)投入。而回用部分，由于數(shù)據(jù)的原因，只考慮了固體廢物堆肥產(chǎn)生沼氣和回用物質(zhì)。

另外，由于垃圾當(dāng)前的主要處理方式還是填埋，所以對(duì)城市資本的損失考慮為垃圾填埋場(chǎng)設(shè)置而占據(jù)土地造成的損失。這可以通過(guò)能值/面積比或者土壤生成能值密度折算成城市資本損失，其中:用能值/面積比折算是考慮了損失的最上限(平均能值密度的經(jīng)濟(jì)活動(dòng))，用土壤生成能值密度是按損失的最下限來(lái)折算的(平均環(huán)境強(qiáng)度)。在本研究采用第一種方式來(lái)進(jìn)行能值損失折算(Lw，3)，其他情況可以根據(jù)不同的系統(tǒng)情況進(jìn)行選擇。

2.4 環(huán)境影響修正后的能值指標(biāo)

基于基本能值核算方法［49］和污染物排放生態(tài)環(huán)境影響量化方法，重新修正能值評(píng)價(jià)指標(biāo):

(1)能值產(chǎn)出率

式中，U表示總能值使用量(其中U=R+N+F+G+P2I+P2I3)，R表示當(dāng)?shù)乜稍偕Y源，N表示不可再生的資源，F(xiàn)表示進(jìn)口燃料，G表示進(jìn)口的物資與商品，P2I表示購(gòu)買(mǎi)服務(wù)，P2I3表示支付外來(lái)勞力的能值。

EYR表示總能值使用量與進(jìn)口能值使用量的比例，該指標(biāo)表征系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)投資的有效性。通過(guò)EYR值的比較，可以了解不同系統(tǒng)對(duì)本地資源或進(jìn)口商品的依賴(lài)程度。EYR值越高，對(duì)本地可再生或不可再生資源的能力越高。當(dāng)然，如果利用可再生資源，這個(gè)過(guò)程是可持續(xù)的;如果過(guò)度開(kāi)發(fā)不可更新資源，也將會(huì)是不可持續(xù)的過(guò)程。

當(dāng)考慮了生態(tài)資本和經(jīng)濟(jì)資本的損失之后，該指標(biāo)的計(jì)算公式變?yōu)楣?10)，能值損失被視為間接負(fù)輸入，也就是系統(tǒng)需要為這種損失再次進(jìn)行輸入。

(2)環(huán)境承載率

環(huán)境承載率(ELR)由公式(11)所示。是當(dāng)?shù)氐牟豢稍偕苤岛唾?gòu)買(mǎi)能值(包括服務(wù))的總和與本地可再生能值的比，該指標(biāo)顯示間接的環(huán)境資源對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)力度。環(huán)境承載率越小，表明對(duì)可更新資源的依賴(lài)程度越大。如一個(gè)完整的自然生態(tài)系統(tǒng)就完全依靠可再生資源投入。同時(shí)，該指標(biāo)越高，也說(shuō)明系統(tǒng)本地環(huán)境資源的壓力越大:

公式(12)表示考慮了生態(tài)資本和經(jīng)濟(jì)資本的損失之后的環(huán)境承載率計(jì)算:

(3)可持續(xù)性發(fā)展指數(shù)

可持續(xù)發(fā)展指數(shù)可根據(jù)上面公式(9)、(10)、(11)、(12)計(jì)算得出:

該指數(shù)考慮單位環(huán)境負(fù)荷(ELR)下的總的經(jīng)濟(jì)效益(EYR)。

3 結(jié)論

本文試圖完整的建立基于能值的城市代謝系統(tǒng)綜合核算體系?；诂F(xiàn)有城市核算的難點(diǎn)與缺失點(diǎn)，在更好的理解系統(tǒng)和更好的構(gòu)建完整城市代謝體系的同時(shí)，建立了完整的基于生態(tài)熱力學(xué)城市代謝系統(tǒng)綜合核算體系。

(1)確定研究系統(tǒng)的邊界，收集城市代謝過(guò)程資料和數(shù)據(jù)。

(2)利用系統(tǒng)能路語(yǔ)言，繪制系統(tǒng)圖。

(3)編制城市代謝分析表

包括本地資源、輸入的不可再生資源、輸入貨物及勞務(wù)、貨物輸出、廢物流(環(huán)境影響)等，計(jì)算從系統(tǒng)外部輸入系統(tǒng)的能值流(可再生資源、粗放使用的系統(tǒng)內(nèi)自然資源、系統(tǒng)內(nèi)集約型資源、從外界輸入的化石燃料與礦物、從外界輸入的財(cái)貨與勞務(wù)等)以及從系統(tǒng)內(nèi)部向外輸出的能值流(加工或未加工的原材料輸出，流向其他省市及出口國(guó)外的商品流以及勞務(wù)流)。同時(shí)，貨幣流作為商品和服務(wù)的一般等價(jià)物在系統(tǒng)內(nèi)部流通。

1)可更新資源，不可更新物質(zhì)流、能流核算方法 建立城市代謝更更新資源、不可更新物質(zhì)流、能流清單，通過(guò)能值基準(zhǔn)、修正文獻(xiàn)中能值轉(zhuǎn)換率，計(jì)算其投入產(chǎn)出能值。

2)基于生命周期評(píng)價(jià)的復(fù)雜進(jìn)出口商品的能值核算方法 利用生命周期評(píng)價(jià)方法拆解復(fù)雜進(jìn)出口商品的材料與服務(wù)(體現(xiàn)在復(fù)雜商品制造過(guò)程中的能值)，分項(xiàng)計(jì)算其能值。

(4)污染物及溫室氣體的生態(tài)損失能值核算方法研究

依照Eco-Indictor 99的劃分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合自然系統(tǒng)對(duì)污染物的自?xún)艋拔廴緦?duì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)的損害程度測(cè)度方法(傷殘調(diào)整健康生命年DALY法和物種潛在消失比例PDF法)，從城市生產(chǎn)過(guò)程和消費(fèi)過(guò)程研究污染物對(duì)人群健康、自然生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的影響。

(5)用以稀釋進(jìn)化污染物生態(tài)服務(wù)能值核算方法

按照對(duì)污染物的最大稀釋量核算生態(tài)服務(wù)能值的最大提供值。

(6)時(shí)間尺度上城市代謝系統(tǒng)的一體化核算和指標(biāo)評(píng)價(jià)。

其中，根據(jù)收集資料繪制系統(tǒng)能值圖是關(guān)鍵的一步。繪制系統(tǒng)能值圖后，編制能值分析表匯總計(jì)算城市的主要物質(zhì)、能量、信息、資金、人口等各種生態(tài)流，得到能值指標(biāo)值，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、代謝強(qiáng)度、環(huán)境負(fù)荷、緩沖容量五個(gè)生物物理層面因素系統(tǒng)分析城市生態(tài)系統(tǒng)健康特征。

而后續(xù)的研究將以此理論與方法框架為基礎(chǔ)，針對(duì)不同城市的特點(diǎn)，進(jìn)行城市代謝全過(guò)程能值核算研究，本研究有利于解決城市代謝不良的影響因子識(shí)別問(wèn)題和代謝系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題，使政策制定者建立以生態(tài)為本的城市觀，推動(dòng)社會(huì)系統(tǒng)的生態(tài)化轉(zhuǎn)型實(shí)踐，力求突破當(dāng)前城市發(fā)展的瓶頸，促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展。

［1］ Duan N.Material metabolism and circular economy.China Environmental Science，2005，25(3):320-323.

［2］ Huang G H，Chen B，Qin X S.Study of diagnosing，preventing and controlling illnesses of modern cities.Journal of Xiamen University of Technology，2006，14(3):1-10.

［3］ Odum H T.Systems Ecology.New York:John Wiley and Sons，1983.

［4］ J?rgensen S E.Application of exergy and specific exergy as ecological indicators of coastal areas.Aquatic Ecosystem Health and Management，2000，3(3):419-430.

［5］ Chen Z M，Chen B，Chen G Q.Cosmic exergy based ecological assessment for a wetland in Beijing.Ecological Modelling，2011，222(2):322-329.

［6］ Huang SL.Urban ecosystems，energetic hierarchies，and ecological economics of Taipei metropolis.Journal of Environmental Management，1998，52(1):39-51.

［7］ Erlach B，Serra L，Valero A.Structural theory as standard for thermoeconomics.Energy Conversion and Management，1999，40(15/16):1627-1649.

［8］ Wolman A.The metabolism of cities.Scientific American，1965，213(3):179-190.

［9］ Newman P W G，Birrel R，Holmes D.Human settlements in state of the environment Australia//Australia:State of the Environment Advisory Council.Melbourne:CSIRO Publishing，1996.

［10］ Xi D L.The regional implementation of resources comprehensive utilization.China Resources Comprehensive Utilization，2000，(1):15-17.

［11］ Ouyang Z Y，Wang X Q，Miao H.A primary study on Chinese terrestrial ecosystem services and their ecological-economic values.Acta Ecologica Sinica，1999，19(5):607-613.

［12］ Peng X Y，Hou X R.The theoretic and practical analysis of relationship between material input and income comparison between China and other countries.China Soft Science，2000，(9):33-38.

［13］ Wang R S，Zhou Q X，Hu D.The Control Methods of Urban Ecology.Beijing:China Meteorological Press，2000:31-40.

［14］ Chen X Q，Zhao T T，Guo Y Q，et al.Material input and output analysis of Chinese economy system.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis，2003，39(4):538-547.

［15］ Ayres R U.Toxic heavy metals:materials cycle optimization.The National Academy of Sciences of the United States of America，1992，89(3):815-820.

［16］ Liu J R，Wang R S，Wang Z，Yang J X.Metabolism and driving forces analysis of Chinese urban households.Acta Ecologica Sinica，2003，23(12):2672-2676.

［17］ Zhao W，Yang Z F，Li W.Optimization of energy structure in eco-urban construction.Journal of Safety and Environment，2005，5(6):54-59.

［18］ Luo T W，Ouyang ZY，Wang X K，Miao H，Zheng H.Dynamics of urban food-carbon consumption in Beijing households.Acta Ecologica Sinica，2005，25(12):3252-3258.

［19］ Huang SL，Lee CL，Chen C W.Socioeconomic metabolism in Taiwan:emergy synthesis versus material flow analysis.Resources，Conservation and Recycling，2006，48(2):166-196.

［20］ Huang SL，Kao W C，Lee CL.Energetic mechanisms and development of an urban landscape system.Ecological Modelling，2007，201(3/4):495-506.

［21］ Fischer-Kowalski M.Society's metabolism:the intellectual history of materials flow analysis，Part I，1860—1970.Journal of Industrial Ecology，1998，2(1):61-78.

［22］ Tao Z P.Ecological Rucksack and Ecological Footprint:The Weight and the Area Concept of Sustainable Development.Beijing:Economic Science Press，2003:20-25.

［23］ Warren-Rhodes K，Koenig A.Escalating trends in the urban metabolism of Hong Kong:1971—1997.AMBIO:A Journal of the Human Environment，2001，11(4):429-438.

［24］ Yu ST，Huang J X.Studies on material metabolism in the regional system A case study of Nantong city，Jiangsu Province.Journal of Natural Resources，2005，20(2):212-221.

［25］ Yan W H，Liu Y M，Huang X，Hu Y J.The changes of urban metabolism and effects of waste creation in Shenzhen，Guangdong province.Urban Problems，2003，8(1):40-44.

［26］ Huang X J，Yu S T，Ma Q F，Li L L，Zhai W X.Studies on material metabolism response of regional land use change.Journal of Natural Resources，2006，21(1):1-8.

［27］ Costanza R，d'Arge R，de Groat R，F(xiàn)arberk S，Grasso M，Hannon B，Limburg K，Naeem S，O'Neill R V，Paruelo J，Raskin R G，Suttonkk P，van den Belt M.The value of the world's ecosystem services and natural capital.Nature，1997，38(7):253-260.

［28］ Seidl A F，Moraes A S.Global valuation of ecosystem services:application to the Pantanal da Nhecolandia，Brazil.Ecological Economics，2000，33(1):1-6.

［29］ Lan S F，Odum H T.Emergy evaluation of the environment and economy of Hong Kong.Journal of Environmental Science，1994，6(4):432-439.

［30］ Sui C H，Lan SF.Emergy analysis of Guangzhou and Shanghai urban ecosystem.Urban Environment and Urban Ecology，2006，19(4):1-3.

［31］ Lu H F，Peng S L，Ren H，Chen L.Emergy-based indices system for regional analysis of industrial ecosystem.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni，2006，45(2):68-72.

［32］ Chen G Q.Exergy consumption of the earth.Ecological Modelling，2005，184(2/4):363-380.

［33］ Liu G Y，Yang Z F，Chen B，Zhang Y，Zhang L X，Zhao Y W，Jiang M M.Emergy-based urban ecosystem health assessment:a case study of Baotou，China.Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation，2009，14(3):972-981.

［34］ Szargut J，Morris D R，Steward F R.Exergy Analysis of Thermal，Chemical and Metallurgical Processes.Washington DC:Springer，1998.

［35］ Pu J，Liu G L，F(xiàn)eng X.Application of the cumulative exergy approach to different air conditioning systems.Energy and Buildings，2010，42(11):1999-2004.

［36］ Ukidwe N U，Bakshi B R.Industrial and ecological cumulative exergy consumption of the United States via the 1997 input-output benchmark model.Energy，2007，32(9):1560-1592.

［37］ Chen G Q.Scarcity of exergy and ecological evaluation based on embodied exergy.Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation，2006，11(4):531-552.

［38］ Chen Z M，Chen B，Chen G Q.Cosmic exergy based ecological assessment for a wetland in Beijing.Ecological Modelling，2011，222(2):322-329.

［39］ Sciubba E.Beyond thermoeconomics?The concept of extended-exergy accounting and its application to the analysis and design of thermal systems.Exergy，An International Journal，2001，1(2):68-84.

［40］ Ertesv?g I S.Energy，exergy，and extended-exergy analysis of the Norwegian society 2000.Energy，2005，30(5):649-675.

［41］ PeiróL T，Méndez G V，Sciubba E，Durany X G.Extended exergy accounting applied to biodiesel production.Energy，2010，35(7):2861-2869.

［42］ Zhong Q F，Chen X K.Input-Output Analysis.Beijing:China Financial＆ Economic Publishing House，1986:131-132.

［43］ Xu Y J，Zhang Z T，Shi L，Chen J N.Material flow analysis in Guiyang.Journal of Tsinghua University:Science and Technology，2004，44(12):1688-1691，1699-1699.

［44］ Nakamura S，Nakajima K.Waste input-output material flow analysis of metals in the Japanese economy.Materials Transactions，2005，46(12):2550-2553.

［45］ Daly H E，F(xiàn)arley J.Ecological Economics:Principles and Applications.Washington DC:Island Press，2003.

［46］ Eisenmenger N，Giljum S.Evidence from societal metabolism studies for ecological unequal trade//Hornborg A，Crumley CL，eds.The World System and the Earth System:Global Socioenvironmental Change and Sustainability Since the Neolithic.Walnut Creek:Left Coast Press，2006.

［47］ Capra F.The Web of Life:A New Scientific Understanding of Living Systems.New York:Anchor Books，1996.Carpenter S，Walker B，Anderies M，Abel N.From metaphor to measurement:resilience of what to what?Ecosystems，2001，4(8):765-781.

［48］ Hornborg A.Introduction:conceptualizing sociological systems//Hornborg A，Crumley C L，eds.The World System and the Earth System:Global Socioenvironmental Change and Sustainability Since the Neolithic.Walnut Creek:Left Coast Press，2001.

［49］ Odum H T.Environmental Accounting:EMERGY and Environmental Decision Making.New York:John Wiley＆ Sons，1996:370-370.

［50］ Walker B H，Anderies J M，Kinzig A P，Pyan P.Exploring resilience in social-ecological systems through comparative studies and theory development:introduction to the special issue.Ecology and Society，2006，11(1):1-12.

［51］ Odum H T.Environment，Power，and Society for the Twenty-First Century:The Hierarchy of Energy.Columbia:Columbia University Press，2007.

［52］ Odum H T，Brown M T，Brandt-Williams S.Handbook of Emergy Evaluation A Compendium of Data for Emergy Computation Issued in a Series of Folios.Folio#1:Introduction and Global Budget.Gainesville:Center for Environmental Policy，University of Florida，2000.

［53］ Odum H T.Handbook of Emergy Evaluation A Compendium of Data for Emergy Computation Issued in a Series of Folios.Folio#2:Emergy of Global Processes.Gainesville:Center for Environmental Policy，University of Florida，2000.

［54］ Brown M T，Bardi E.Handbook of Emergy Evaluation A Compendium of Data for Emergy Computation Issued in a Series of Folios.Folio#3:Emergy of Ecosystems.Gainesville:Center for Environmental Policy，University of Florida，2001.

［55］ Brandt-Williams S.Handbook of Emergy Evaluation A Compendium of Data for Emergy Computation Issued in a Series of Folios.Folio#4:Emergy of Florida Agriculture.Gainesville:Center for Environmental Policy，University of Florida，2002.

［56］ Kangas R C.Handbook of Emergy Evaluation A Compendium of Data for Emergy Computation Issued in a Series of Folios.Folio#5:Emergy of Landforms.Gainesville:Center for Environmental Policy，University of Florida，2002.

［57］ Brown M T，Protano G，Ulgiati S.Assessing geobiosphere work of generating global reserves of coal，crude oil，and natural gas.Ecological Modelling，2010，222(3):879-887.

［58］ Suchet P A，Probst J L，Ludwig W.Worldwide distribution of continental rock lithology:implications for the atmospheric/soil CO2uptake by continental weathering and alkalinity river transport to the oceans.Global Biogeochemical Cycles，2003，17(2):1038-1052.

［59］ Dong X B，Ulgiati S，Yan M C，Zhang X S，Cao W S.Energy and eMergy evaluation of bioethanol production from wheat in Henan Province，China.Energy Policy，2008，36(10):3882-3892.

［60］ Lu H F，Bai Y，Ren H，Campbell D E.Integrated emergy，energy and economic evaluation of rice and vegetable production systems in alluvial paddy fields:implications for agricultural policy in China.Journal of Environmental Management，2010，91(12):2727-2735.

［61］ Li L J，Lu H F，Ren H，Kang WL，Chen F P.Emergy evaluations of three aquaculture systems on wetlands surrounding the Pearl River Estuary，China.Ecological Indicators，2011，11(2):526-534.

［62］ Jiang M M，Chen B，Zhou JB，Tao F R，Li Z，Yang Z F，Chen GQ.Emergy account for biomass resource exploitation by agriculture in China.Energy Policy，2007，35(9):4704-4719.

［63］ Geng Y，Zhang P，Ulgiati S，Sarkis J.Emergy analysis of an industrial park:the case of Dalian，China.Science of the Total Environment，2010，408(22):5273-5283.

［64］ Brown M T，Ulgiati S.Updated evaluation of exergy and emergy driving the geobiosphere:a review and refinement of the emergy baseline.Ecological Modelling，2010，221(20):2501-2508.

［65］ Zhang P.A Study on Emergy Analysis Evaluation and Optimization of Complex Industrial Ecosystem ［D］ Dalian:Dalian University of Technology，2011.

［66］ Ulgiati S，Brown M T，Bastianoni S，Marchettini N.Emergy-based indices and ratio to evacuate the sustainable use of resources.Ecological Engineering，1995，5(4):519-531.

［67］ Ulgiati S，Brown M T.Quantifying the environmental support for dilution and abatement of process emissions:the case of electricity production.Journal of Cleaner Production，2002，10(4):335-348.

［68］ Hau JL，Bakshi B R.Promise and problems of emergy analysis.Ecological Modelling，2004，178(1/2):215-225.

［69］ Brown M T，Ulgiati S.Emergy，transformity and ecosystem health//J?rgensen SE，Costanza R，Xu F L，eds.Handbook of Ecological Indicators for Assessment of Ecosystem Health.Boca Raton，F(xiàn)L:CRC Press，2005:333-352.

［70］ Lei K P，Wang Z S.Emergy synthesis and simulation for Macao.Energy，2008，33(4):613-625.

［71］ Zhang X H，Jiang W J，Deng SH，Peng K.Emergy evaluation of the sustainability of Chinese steel production during 1998—2004.Journal of Cleaner Production，2009，17(11):1030-1038.

［72］ Goedkoop M，Spriensma R.The Eco-indicator 99:A Damage Oriented Method for Life Cycle Impact Assessment:Methodology Report.Pré Consultants，Amersffort，The Netherlands，2000.

［73］ Murray C J L，Lopez A D，Jamison D T.The global burden of disease in 1990:summary results，sensitivity analysis and future directions.Bulletin of the World Health Organization，1994，72(3):495-509.

［74］ Zhang X H，Deng S H，Wu J，Jiang W J.A sustainability analysis of a municipal sewage treatment ecosystem based on emergy.Ecological Engineering，2010，36(5):685-696.

［75］ Ulgiati S，Brown M T，Bastianoni S，Marchettini N.Emergy-based indices and ratios to evaluate the sustainable use of resources.Ecological Engineering，1995，5(4):519-531.

［76］ Ulgiati S，Bargigli S，Raugei M.An emergy evaluation of complexity，information and technology，towards maximum power and zero emissions.Journal of Cleaner Production，2007，15(13/14):1354-1372.

［77］ Campbell D E.Emergy analysis of human carrying capacity and regional sustainability:an example using the state of maine.Environmental Monitoring and Assessment，1998，51(1/2):531-569.

［78］ Campbell DE.A revised solar transformity for tidal energy received by the earth and dissipated globally:implications for Emergy Analysis//Brown M T，ed.Emergy Synthesis:Theory and Applications of the Emergy Methodology.Proceedings of the 1stBiennial Emergy Analysis Research Conference.Gainesville，F(xiàn)L:Center for Environmental Policy，Department of Environmental Engineering Sciences，University of Florida，2000:255-264.

參考文獻(xiàn):

［1］ 段寧.物質(zhì)代謝與循環(huán)經(jīng)濟(jì).中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2005，25(3):320-323.

［2］ 黃國(guó)和，陳冰，秦肖生.現(xiàn)代城市“病”診斷、防治與生態(tài)調(diào)控的初步構(gòu)想.廈門(mén)理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，14(3):1-10.

［10］ 席德立.淺談資源綜合利用的區(qū)域?qū)嵤?中國(guó)資源綜合利用，2000，(1):15-17.

［11］ 歐陽(yáng)志云，王效科，苗鴻.中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的初步研究.生態(tài)學(xué)報(bào)，1999，19(5):607-613.

［12］ 彭新育，候先榮.中國(guó)與其他國(guó)家物質(zhì)消耗-收入關(guān)系的比較分析.中國(guó)軟科學(xué)，2000，(9):33-38.

［13］ 王如松，周啟星，胡聃.城市生態(tài)學(xué)調(diào)控方法.北京:氣象出版社，2000:31-40.

［14］ 陳效逑，趙婷婷，郭玉泉，宋升佑.中國(guó)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的物質(zhì)輸入與輸出分析.北京大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2003，39(4):538-547.

［16］ 劉晶茹，王如松，王震，楊建新.中國(guó)城市家庭代謝及其影響因素分析.生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，23(12):2672-2676.

［17］ 趙偉，楊志峰，李巍.面向生態(tài)城市建設(shè)的能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2005，5(6):54-59.

［18］ 羅婷文，歐陽(yáng)志云，王效科，苗鴻，鄭華.北京城市化進(jìn)程中家庭食物碳消費(fèi)動(dòng)態(tài).生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，25(12):3252-3258.

［22］ 陶在樸.生態(tài)包袱與生態(tài)足跡.北京:經(jīng)濟(jì)科學(xué)出版社，2003:20-25.

［24］ 于術(shù)桐，黃賢金.區(qū)域系統(tǒng)物質(zhì)代謝研究——以江蘇省南通市為例.自然資源學(xué)報(bào)，2005，20(2):212-221.

［25］ 顏文洪，劉益民，黃向，胡玉佳.深圳城市系統(tǒng)代謝的變化與廢物生成效應(yīng).城市問(wèn)題，2003，8(1):40-44.

［26］ 黃賢金，于術(shù)桐，馬其芳，李璐璐，翟文俠.區(qū)域土地利用變化的物質(zhì)代謝響應(yīng)初步研究.自然資源學(xué)報(bào)，2006，21(1):1-8.

［30］ 隋春花，藍(lán)盛芳.廣州與上海城市生態(tài)系統(tǒng)能值的分析比較.城市環(huán)境與城市生態(tài)，2006，19(4):1-3.

［31］ 陸宏芳，彭少麟，任海，陳烈.產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域能值分析指標(biāo)體系.中山大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，45(2):68-72.

［42］ 鐘契夫，陳錫康.投入產(chǎn)出分析.北京:中國(guó)財(cái)政經(jīng)濟(jì)出版社，1986:131-132.

［43］ 徐一劍，張?zhí)熘?，石磊，陳吉?貴陽(yáng)市物質(zhì)流分析.清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，44(12):1688-1691，1699-1699.

［65］ 張攀.復(fù)合產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值分析評(píng)價(jià)和優(yōu)化研究［D］大連:大連理工大學(xué)，2011.