基于3E1S系統(tǒng)的低碳生態(tài)城市發(fā)展模型研究

于晨霞 潘輝

【摘 ?要】隨著城市化進程的加快，社會不斷進步，經(jīng)濟快速增長，但同時能源、社會、經(jīng)濟和環(huán)境之間的矛盾日益嚴重，使城市面臨著巨大的壓力。因此，構建低碳生態(tài)城市成為我國城市發(fā)展的重要目標。論文通過對低碳生態(tài)城市的概念進行界定，在對傳統(tǒng)的經(jīng)濟-能源-環(huán)境（3E）進行系統(tǒng)分析的基礎上，加入社會因素，構建低碳城市發(fā)展經(jīng)濟-能源-環(huán)境-社會（3E1S）系統(tǒng)模型，為低碳生態(tài)城市發(fā)展提供理論支撐。

【Abstract】With the acceleration of urbanization， social progress and rapid economic growth. But at the same time， the contradiction between energy， society， economy and environment is increasingly serious， so that the city is facing great pressure.Therefore， building low-carbon ecological city has become an important goal of urban development in China. This paper defines the concept of low-carbon eco-city， on the basis of systematic analysis of traditional economy， energy and environment（3E）， adds social factors to construct the system model of economy， energy， environment， society（3E1S） for low-carbon city development， providing theoretical support for low-carbon eco-city development.

【關鍵詞】城市化;低碳生態(tài)城市;3E1S系統(tǒng)

【Keywords】urbanization; low carbon eco-city; 3E1S system

【中圖分類號】X22 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2021）12-0139-04

1 引言

現(xiàn)階段，我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程加快，能源的巨大消耗及碳排放領域的擴張等現(xiàn)象，嚴重影響著我們的生存環(huán)境。因此，改變這種局面的主要途徑就是大力發(fā)展低碳經(jīng)濟，積極進行低碳生態(tài)城市建設。目前，低碳生態(tài)城市是一個前沿交叉概念，融合了可持續(xù)發(fā)展、低碳經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境等多方面的理論。目前為止，低碳生態(tài)城市并沒有一個被學者們統(tǒng)一認可的定義。從系統(tǒng)的定義來看，我們的城市也是一個系統(tǒng)，而且是一個復雜巨系統(tǒng)。城市系統(tǒng)由多種子系統(tǒng)構成，其各自具有特定的功能，按照相應的作用和聯(lián)系形成了城市的整體功能。城市系統(tǒng)的功能及其各子系統(tǒng)的功能的大小取決于系統(tǒng)構成要素的強弱及其組織結(jié)構的合理性。如果城市系統(tǒng)的構成要素組織結(jié)構不合理，城市發(fā)展會失去平衡，城市系統(tǒng)會出現(xiàn)問題，如資源的浪費、生產(chǎn)效率低、環(huán)境惡化、管理混亂等，直接會對人們的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生負面影響。城市系統(tǒng)結(jié)構的合理性又可以稱為城市的生態(tài)平衡，其取決于各個子系統(tǒng)之間形成的比例是否合適，以及能量、信息和物質(zhì)等要素在各個子系統(tǒng)之間的傳遞是否順暢[1]。

2 研究背景與進展

20世紀20年代，最早由前蘇聯(lián)開始將能源和經(jīng)濟結(jié)合起來進行綜合研究，產(chǎn)生了能源經(jīng)濟學這一交叉學科。1973年，世界爆發(fā)了能源危機，嚴重威脅到各國經(jīng)濟的發(fā)展，此時，西方國家為了應對能源危機，保持經(jīng)濟的發(fā)展，對能源和經(jīng)濟的關系日益關注，并廣泛地開展了能源和經(jīng)濟二元系統(tǒng)的綜合研究。20世紀下半葉，能源消耗問題已經(jīng)在全球范圍內(nèi)威脅到人類自身的生存環(huán)境。關心環(huán)境，已經(jīng)成為當今世界的趨勢。20世紀80年代以后，各國研究人員開始從經(jīng)濟學觀點和視角看待環(huán)境生態(tài)問題，從而產(chǎn)生了另一門交叉學科——環(huán)境經(jīng)濟學，逐漸建立了經(jīng)濟和環(huán)境二元系統(tǒng)研究體系，對經(jīng)濟和環(huán)境之間的關系進行了深入研究。隨著人們對經(jīng)濟和環(huán)境系統(tǒng)以及經(jīng)濟和能源系統(tǒng)的研究，取得了大量的成果。但是，對于世界發(fā)展多元的特征，人們在對二元系統(tǒng)研究的過程中，逐漸發(fā)現(xiàn)，隨著問題研究廣度和深度的不斷增加，如果想得到更科學、更全面的研究結(jié)果，二元系統(tǒng)的研究已經(jīng)不能夠滿足要求，需要建立多元系統(tǒng)來進行研究。因此，人們意識到將能源、經(jīng)濟和環(huán)境相結(jié)合來作為研究對象會帶來更廣闊的研究空間。于是，在20世紀90年代后期，世界上許多環(huán)保組織和能源研究機構展開了相關的合作，建立了能源、經(jīng)濟和環(huán)境三元體系，目的在于解決能源、環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展之間存在的矛盾[2]。日本是最早系統(tǒng)地提出能源-經(jīng)濟-環(huán)境（3E）模式的國家。近些年，隨著學者們從不同角度、不同內(nèi)容對3E系統(tǒng)進行了廣泛深入的研究和完善，研究成果逐漸系統(tǒng)化，從而形成了經(jīng)濟-能源-環(huán)境（3E）系統(tǒng)理論[3]。

3 傳統(tǒng)3E系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展理論

系統(tǒng)作為諸多構成要素組成的集合體，內(nèi)部會存在若干層次的子系統(tǒng)。因此，構成系統(tǒng)的子系統(tǒng)具有層級上的差別。系統(tǒng)最終的屬性取決于最高等級的各個并列的子系統(tǒng)的相互作用，最高等級的各個并列子系統(tǒng)又由低一級的若干構成要素組成。

傳統(tǒng)3E系統(tǒng)由經(jīng)濟子系統(tǒng)、能源子系統(tǒng)和環(huán)境子系統(tǒng)構成，集經(jīng)濟效益、能源效益和環(huán)境效益為一體，具有多層次和多要素的特征，不斷地與外部環(huán)境進行各種生產(chǎn)要素（技術、資源、資金、勞動力等）的交換活動。能源是人類生存發(fā)展的物質(zhì)基礎，是促進經(jīng)濟增長和社會進步的動力，在3E系統(tǒng)中處于核心地位。經(jīng)濟發(fā)展是社會健康發(fā)展和人民生活水平提高的前提條件，在3E系統(tǒng)中處于重要地位。環(huán)境是人類社會持續(xù)發(fā)展的保障，也是人類努力追求的基本目標。經(jīng)濟發(fā)展為我們提供了豐富的物質(zhì)財富，而環(huán)境給我們提供了精神上的享受。因此，環(huán)境系統(tǒng)在3E系統(tǒng)中處于保障地位。3E系統(tǒng)運行的狀況取決于3個子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)度，協(xié)調(diào)性越好，3E系統(tǒng)整體的發(fā)展會呈現(xiàn)良好的狀態(tài)，不斷地向著理想的狀態(tài)發(fā)展，否則，整個系統(tǒng)會處于一種惡性循環(huán)的狀態(tài)。3E系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展狀態(tài)如圖1所示。

4 基于3E1S系統(tǒng)的低碳生態(tài)城市發(fā)展模型構建

世界由人類社會和自然界共同構成。如果從系統(tǒng)角度來看，世界是一個復雜巨系統(tǒng)，它由眾多具體事物以及這些事物之間的相互關聯(lián)所構成。因為系統(tǒng)的概念過于龐雜，通常人們在研究中會有針對性地選取一部分作為研究對象，雖然降低了研究的難度，但是獲得的是研究的深度。城市作為這個復雜現(xiàn)實世界的一部分，也可稱之為是一個系統(tǒng)。因此，本文基于能源-經(jīng)濟-環(huán)境（3E）系統(tǒng)理論，加入了社會子系統(tǒng)，建立了能源-經(jīng)濟-環(huán)境-社會（3E1S）系統(tǒng)，在對其結(jié)構關系進行分析的基礎上，構建了符合我國經(jīng)濟發(fā)展的低碳生態(tài)城市概念模型。

4.1 3E1S系統(tǒng)的結(jié)構關系

在能源-經(jīng)濟-環(huán)境（3E）系統(tǒng)研究中，許多學者把社會系統(tǒng)并入經(jīng)濟系統(tǒng)來進行研究，雖然社會發(fā)展與經(jīng)濟發(fā)展具有相關性，能夠相互影響、互相促進，但是經(jīng)濟的高速發(fā)展并不一定會帶動社會的發(fā)展，如果處理不好，還會遲滯社會發(fā)展，再加上將社會系統(tǒng)并入經(jīng)濟系統(tǒng)，不能明顯看出二者之間的關系，基于此弊端，本文將社會系統(tǒng)單獨作為和經(jīng)濟系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)并列的系統(tǒng)加以研究，從而構建了經(jīng)濟-能源-環(huán)境-社會綜合系統(tǒng)，可稱為3E1S系統(tǒng)。

3E1S系統(tǒng)不僅包括能源、經(jīng)濟、環(huán)境和社會4個子系統(tǒng)，而且還包括各子系統(tǒng)的協(xié)同關系，即能源系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)和社會系統(tǒng)的調(diào)控、耦合與反饋關系。雖然我們把3E1S系統(tǒng)進行獨立研究，但是它并不是一個封閉的系統(tǒng)，而是處于不斷的運動和變化之中的開放型的復雜巨系統(tǒng)[4]。

能源是人類社會進步的物質(zhì)基礎，推動了經(jīng)濟和社會的進步，沒有能源，就沒有人類現(xiàn)在的生產(chǎn)水平和生活水平。經(jīng)濟發(fā)展是社會發(fā)展的基礎，會在一定程度上推動社會的發(fā)展，豐富社會的物質(zhì)成果，從而減少社會矛盾，增進社會和諧進步，反過來，社會發(fā)展會對經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生反饋促進作用，會為經(jīng)濟更好更快地發(fā)展提供充足的生產(chǎn)要素。但是，隨著經(jīng)濟發(fā)展水平越來越高，能源的消耗與日俱增，但是能源供給力卻大大降低，再加上社會的進步和人們生活需求擴大，生產(chǎn)生活中排放出巨量的污染物，從而嚴重影響了經(jīng)濟的發(fā)展和人類的生存環(huán)境[5]，因此，對能源-經(jīng)濟-環(huán)境-社會系統(tǒng)進行研究就是在綜合考慮能源消耗過程中與經(jīng)濟、社會以及環(huán)境之間的關系的基礎上，對其中各個子系統(tǒng)之間的協(xié)同作用程度的研究，換句話說，就是將能源消耗、經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境保護和社會進步等要素作為一個完整的有機整體，考慮如何建立一種既要有效利用能源，促進經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，同時又能夠保持生態(tài)環(huán)境不被破壞的發(fā)展狀態(tài)。3E1S系統(tǒng)結(jié)構關系如圖2所示。

4.1.1 能源子系統(tǒng)

能源作為一種物質(zhì)資源，對人類經(jīng)濟發(fā)展和社會進步具有重要的推動作用，它為人們的生產(chǎn)和生活提供了各種發(fā)展動力。從人類發(fā)展的歷史進程來看，每一次能源資源的使用方式的改進或更替都會促進人類社會和經(jīng)濟產(chǎn)生跨越式的發(fā)展，它是人類經(jīng)濟、社會不斷發(fā)展進步和人類生存狀況不斷改善的保證。能源資源的利用是一把雙刃劍，一方面，能源資源能夠促進經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，但是同時，另一方面，能源資源的開發(fā)和使用如果出現(xiàn)了問題，如盲目開發(fā)化石能源、能源使用效率低下等，會對人類居住的生態(tài)環(huán)境造成破壞性的影響[6]。

4.1.2 經(jīng)濟子系統(tǒng)

經(jīng)濟發(fā)展水平?jīng)Q定了人類社會的發(fā)展程度和生活質(zhì)量，經(jīng)濟子系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中處于主導地位，缺乏經(jīng)濟的持續(xù)增長，整體系統(tǒng)就失去了存在的意義。經(jīng)濟發(fā)展和能源使用相輔相成，互相促進。能源的使用對經(jīng)濟的快速發(fā)展起到了推動作用，同時，經(jīng)濟的快速增長對能源資源的需求提出了更高的要求，從而帶動能源的快速發(fā)展。經(jīng)濟系統(tǒng)和能源系統(tǒng)要想保持健康的可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)，要求經(jīng)濟發(fā)展總量和能源消耗總量之間，或者經(jīng)濟增長速度和能源消耗增長速度維持一個合理的比例關系。否則，比例關系失衡必然會對雙方的發(fā)展產(chǎn)生嚴重的阻礙。同時，如果能源系統(tǒng)過度消耗和經(jīng)濟系統(tǒng)粗放發(fā)展，不但使雙方比例失調(diào)，對雙方產(chǎn)生不良影響，最重要的是會對生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的破壞作用。

4.1.3 社會子系統(tǒng)

社會發(fā)展的最終目標是人類精神方面和物質(zhì)方面的要求得到滿足，生活質(zhì)量不斷得到改善。社會發(fā)展子系統(tǒng)主要包括技術進步和人口數(shù)量及質(zhì)量2個方面。技術進步對社會子系統(tǒng)起到了推動作用。人口的數(shù)量及質(zhì)量對社會的發(fā)展具有正反兩方面的影響。人口是社會和經(jīng)濟發(fā)展的主體，適度的人口的數(shù)量和質(zhì)量是社會和經(jīng)濟發(fā)展的激勵因素，但另一方面，如果人口過剩，素質(zhì)低下，會對經(jīng)濟發(fā)展、能源消耗和環(huán)境改善產(chǎn)生負面影響。只有人口同能源使用、經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護相互協(xié)調(diào)，才能實現(xiàn)共同的目標。因此，社會子系統(tǒng)體現(xiàn)的是自身狀態(tài)的變化以及和經(jīng)濟發(fā)展、能源利用和環(huán)境等因素的內(nèi)在關聯(lián)性。

4.1.4 環(huán)境子系統(tǒng)

環(huán)境是整個3E1S系統(tǒng)中的重要構成要素。環(huán)境系統(tǒng)具有自然資源屬性和環(huán)境資源屬性的雙重特征。自然資源屬性是指環(huán)境的單個要素（如土地、礦產(chǎn)、空氣、水、植物等）以及要素之間結(jié)合的模式形態(tài)。環(huán)境資源屬性是指環(huán)境本身的自我凈化能力，具體表現(xiàn)為環(huán)境對各種環(huán)境污染（廢水、廢氣、廢渣等）的容納能力[7]。經(jīng)濟系統(tǒng)在物質(zhì)上和能量上都依賴于環(huán)境系統(tǒng)，因此，環(huán)境系統(tǒng)是經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的根本保證。良好的環(huán)境系統(tǒng)為經(jīng)濟發(fā)展提供充足的物質(zhì)條件（如各種生產(chǎn)資料等），為人們的生活和工作提供了必需的活動場所。環(huán)境系統(tǒng)受到經(jīng)濟系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和社會系統(tǒng)的影響，但同時，它會從各個方面反作用于社會和經(jīng)濟系統(tǒng)，也就是說，環(huán)境系統(tǒng)既可以直接或間接促進社會和經(jīng)濟的發(fā)展，也會在一定條件下對社會和經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生阻礙作用[8]。例如，當社會進步和經(jīng)濟發(fā)展使得環(huán)境承載能力持續(xù)超負荷運轉(zhuǎn)時，環(huán)境就會不斷惡化，資源逐漸枯竭，生態(tài)遭到破壞，那么，自然環(huán)境就會對人類進行報復，阻礙人類社會進步和經(jīng)濟發(fā)展。

4.2 基于3E1S系統(tǒng)的低碳生態(tài)城市發(fā)展模型

通過以上對3E1S系統(tǒng)的分析研究，本文認為低碳生態(tài)城市本質(zhì)上是一個復雜巨系統(tǒng)，它以經(jīng)濟發(fā)展和社會進步為基礎，通過優(yōu)化能源結(jié)構、減少能源消耗以及提高能源利用率、增強城市碳匯能力等方式，最終實現(xiàn)城市發(fā)展中經(jīng)濟-能源-社會-環(huán)境（3E1S）系統(tǒng)的高度耦合、協(xié)調(diào)發(fā)展的良好狀態(tài)[9]（見圖3）。

低碳生態(tài)城市發(fā)展概念模型包括以下幾層涵義：

第一，低碳生態(tài)城市實現(xiàn)的基礎是城市經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及社會環(huán)境的不斷進步。低碳生態(tài)城市的建設需要系統(tǒng)的思維，既不能為了追求社會環(huán)境的友好，片面地降低能源的消耗和碳排放，忽視城市經(jīng)濟效益，也不能為了追求經(jīng)濟的發(fā)展而忽略社會環(huán)境的可持續(xù)性。經(jīng)濟發(fā)展是一個城市建設的基礎和物質(zhì)前提，沒有經(jīng)濟的可持續(xù)增長，低碳生態(tài)城市建設不可能實現(xiàn)。因此，城市經(jīng)濟和社會環(huán)境需要協(xié)調(diào)發(fā)展，共同促進低碳生態(tài)城市的建設。

第二，低碳生態(tài)城市建設的核心是城市能源系統(tǒng)的不斷優(yōu)化。能源系統(tǒng)作為城市經(jīng)濟和社會發(fā)展的動力源泉，在實現(xiàn)低碳生態(tài)城市建設過程中，關鍵是要在其消耗周期中有效地降低碳排放量。在能源系統(tǒng)的輸入階段，優(yōu)化能源結(jié)構，提高清潔能源比重;在能源系統(tǒng)使用階段，提高能源使用效率;在能源系統(tǒng)輸出階段，增強城市碳匯以及碳中和的能力。

第三，低碳生態(tài)城市的建設目標是實現(xiàn)城市經(jīng)濟、能源、社會以及環(huán)境耦合、協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。隨著人類社會經(jīng)濟的發(fā)展，對城市能源的過度消耗和城市綠地、森林等環(huán)境的不斷破壞導致了生態(tài)環(huán)境的失衡，而友好的生態(tài)環(huán)境是低碳生態(tài)城市建設的重要指標。想要實現(xiàn)城市經(jīng)濟、能源、社會以及環(huán)境耦合協(xié)調(diào)發(fā)展，需要達到城市能源消耗和生態(tài)環(huán)境之間的能量傳遞的動態(tài)平衡。

5 結(jié)語

低碳生態(tài)城市本質(zhì)上是一個復雜巨系統(tǒng)，本文基于經(jīng)濟-能源-環(huán)境-社會（3E1S）綜合系統(tǒng)，構建了我國低碳生態(tài)城市發(fā)展模型，提出了通過優(yōu)化能源結(jié)構、減少能源消耗以及提高能源利用率、增強城市碳匯能力等方式，最終實現(xiàn)城市低碳生態(tài)發(fā)展的良好狀態(tài)，為低碳生態(tài)城市的發(fā)展模式提供了理論基礎和研究范式。

【參考文獻】

【1】Lin B， Liu X. Dilemma between economic development and energy conservation： energy rebound effect in China[J]. Energy，2012（45）：867-873.

【2】李菁菁，李安琦.城市低碳發(fā)展模式研究——以濟寧市為例[J].環(huán)境保護科學，2021，47（02）：56-61.

【3】杜海龍，李迅，李冰.綠色生態(tài)城市理論探索與系統(tǒng)模型構建[J].城市發(fā)展研究，2020，27（10）：1-8+140.

【4】楊帆，王永佳.內(nèi)蒙古低碳試點工作現(xiàn)狀與對策建議[J].環(huán)境與發(fā)展，2020，32（10）：1-3.

【5】范小蒙.新常態(tài)背景下低碳城市發(fā)展規(guī)劃思考[J].建材與裝飾，2020（21）：108+112.

【6】莊貴陽，周枕戈.高質(zhì)量建設低碳城市的理論內(nèi)涵和實踐路徑[J].北京工業(yè)大學學報（社會科學版），2018，18（05）：30-39.

【7】宋祺佼，王宇飛，齊曄.中國低碳試點城市的碳排放現(xiàn)狀[J].中國人口·資源與環(huán)境，2015，25（01）：78-82.

【8】周藝穎.低碳環(huán)保理念下城市固體廢棄物處理模式研究[J].科技創(chuàng)新導報，2020，17（12）：110+112.

【9】趙濤，于晨霞，潘輝.低碳城市3E1S系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度研究[J].統(tǒng)計與決策，2019（22）：131-135.