城市代谢:理论、方法及应用

理 论 篇 本篇围绕城市代谢内涵、研究进展、基本理论及技术框架展开，试图解析城市代谢内涵、过程和特征，借助CiteSpace文献分析工具，挖掘城市代谢的知识结构、脉络图景及演变过程，全景梳理城市代谢研究的学科背景、关联领域和研究基础。在此基础上，阐明城市代谢研究的重要性，并从复合生态系统、生态热力学、系统生态学等基本理论出发，搭建城市代谢的技术框架和研究范式。 第1章 城市代谢内涵 1.1 城市代谢概念 1.1.1 城市生命体 城市是否是一个生命体？是否有跳动的心脏、完善的脏器、强劲的骨肌、敏锐的神经？是否有新陈代谢演化过程？本章将带着这些问题，追溯城市形成与发展的过程，并在此基础上，探究城市与生命体在结构和功能上的相似性特征。 1. 城与市 城市是“城”与“市”的组合词，“城”是用墙围起来的具有防御功能的地域，即城池；而“市”是指一定区域范围内物质、能量、信息、资金、人口的集散地，是交易活动的场所，即集市。三次社会分工与私有制的出现促进了“城”与“市”的形成。原始社会后期，人类征服自然的能力不断增强，促使畜牧业与农业分离，劳动生产率得到提高，形成了一些小的聚落，这是“市”的萌发胚胎，同时，聚落间产品交换也为私有制的产生创造了物质条件。到了原始社会末期，金属工具的使用和改良促使手工业与农业分离，商品生产得到迅速发展，贫富差距越发明显，开始出现以手工业为主的聚落、部落中心，“市”不断生长发育。到了奴隶社会初期，专门经营商品买卖的商人出现，促使脑力劳动与体力劳动分离，商业资本不断积累，导致“市”（集）不断成熟。在这一过程中，私有制的产生形成了对抗阶级，为巩固和扩大私有制，聚落、部落会不断挑起对内压迫和对外掠夺的战争，争斗防卫形成了“城”（镇）。“城”与“市”的结合体现了城市发展的两种基本形态—因“城”而“市”、因“市”而“城”。因“城”而“市”就是由城发展形成市，这种类型的城市多见于战略要地和边疆城市，如天津起源于天津卫、威海由威海卫不断形成；而因“市”而“城”则是由市发展形成城，这类城市比较多。“城”与“市”的融合形成了行政管理边界“城”和人类活动集中边界“市”，也就是现在“城市”的行政边界和建成区边界（人类活动集中区与城市腹地间界线），因此城市是一类特殊的人类住区。 城市依托于适宜的自然条件（冲积平原为主），同时借助社会经济技术水平，冲破自然束缚，不断向外扩张、向内拓展，已成为人类聚居生活的高级形式和全球人口的主要家园。城市的快速发展，导致物质流、能量流、人口流、信息流高度密集、周转迅速。同时，城市作为一个不完善的开放系统，内部无法完成物质循环和能量转换，许多输入物质经加工、利用后又从城市输出，物质呈现出线性而不是环状的流动轨迹变化。物质能量的大量输入及废弃物的排出加大了对城市自身腹地及外部区域的压力，产生了资源能源过度消耗、污染事故频发、环境质量恶化等一系列问题。有数据表明，城市每年以2%～3%的面积，创造了全球75%以上的GDP，消耗了全球75%左右的自然资源和将近67%的化石燃料，贡献了全球70%以上的温室气体排放，土地、淡水、食物、能源、基础设施等已难以承载城市这一庞大的身躯，全球城市化进程产生的生态环境问题集中爆发，深刻影响着城市生态系统健康和区域、全球的可持续发展（Acuto et al.， 2018）。 在这一背景下，人类面对困境提出如下问题：城市作为一个人工系统，可否模仿自然生态系统来塑造与改造，以缓解生态环境问题？如果这一命题可行，那从何处着手来模仿自然生态系统呢？在没有有效办法控制生态环境问题的情况下，人们将目光转向产生这一问题的始作俑者—城市本身，萌生用生态学原理与方法来重新剖析城市系统运行演变规律的想法。试图将城市看作是一个巨型的有机体或鲜活的生命体，近似模仿自然生态系统完备的循环机制，分析城市“代谢病”（生态环境问题）背后的新陈代谢机理（Zhang， 2019; Kennedy et al.， 2007; Newman， 1999）。 剖析城市新陈代谢机理的首要前提是城市与生物、人体和生态系统有诸多相似之处。将生命体理念引入城市研究框架中，分析城市在结构和功能方面与人体的相似特征，是开展城市代谢研究的重要思维方式。在研究城市时，不能将其简单割裂为城+市，因为两者是相辅相成的，共同组成了一个鲜活的生命体，在此框架下，城市道路、高楼、厂房等人工产物不再是冰冷的钢筋水泥，而是有生命的血肉，城市物质、能量流动过程不再是线性的机械运动，而是发挥某种功能的内在联系。因此，城市生命体可定义为在人类社会发展过程中一定区域内形成的、以非农业人口为主体，人口、经济、政治、文化高度聚集，能通过与生物体相类似的自养或异养的新陈代谢方式进行物质循环、能量转换和废弃物排泄，具有在时空维度上生长、消亡及自我更新的自然演化过程，并能进行自我调控和自我繁殖的复杂巨系统（黄国和等， 2006）。 2. 相似性特征 城市虽属人工系统，大部分由非生物要素组成，但其与生命体有许多相似之处，是具有生物属性的人工生命体。下面以人体为参照物，阐述城市在结构层次、功能机理层次与生命体的相似性特征。 （1）结构层次相似。 图1-1梳理了城市与人体在细胞-组织-器官-系统等不同结构层次上的诸多相似性。城市生命体的“细胞”—人，像人体的每个细胞一样具有个体独特性，是城市的重要参与者和基本单元。城市生命体的“组织”是由形态相似、功能相同的一群“细胞”按不同方式组织在一起构成的家庭、企业，是城市社会经济组织的基本成分。城市生命体的“器官”是有机整合同一属性的“组织”，以发挥某种特定功能的基本单位，如社区、产业。城市生命体的“系统”由不同“器官”有机组合，并在城市生命体中发挥着不同的功能，如发挥着生产功能和经济系统、消费功能的社会系统。当然，城市环境作为自然生态系统，也可以拆解为细胞-组织-器官等结构层次。“细胞”“组织”“器官”“系统”按照一定的有序结构和运行机制就会形成有机整体—城市，不同结构层次的代谢主体状态良好且职责明确，就会保障城市生命体正常有序运转，否则就有可能产生病变—“城市病”。 图1-1 城市生命体与人体的结构层次比拟 （2）功能机理层次相似。 在剖析结构层次的基础上，按照特定的功能机理，均可以在城市生命体中搜寻到由不同“器官”构成的“运动系统”“控制系统”“消化系统”“吸收系统”“排泄系统”“循环系统”。城市生命体运行往往需要多个“器官”共同参与，而某个“器官”也会具有多重功效，物流能流及不同“器官”的有机组合就形成了城市运行的不同系统。人体“骨肌”构成运动系统，决定着人体的形态和运动能力，而城市“骨肌”则包括交通干线（公路、铁路、桥梁和管道设施）和建筑，就像人的骨骼（骨架）和肌肉，形成了城市集中式、组团式、条带式和放射式等外部轮廓，也决定着城市的运输能力。人体中“脑”是控制中心，收集各类信息，指挥着人体的各种思想和行为，而城市政府管理部门同样发挥着控制功能，作为“脑”协调、规范各类社会经济活动，指挥调配着物质、能量及信息流的传输，并加强应对外界不利因素影响的各类防御系统建设，为城市弹性、持续健康的维系提供安全保障。对城市生命体功能的改造、更新，不能像西医那样，动辄手术、截肢，而应借鉴中医疏通经络、调和阴阳的理念，“望”其气色，“闻”其声息，“问”其症状，“切”其脉象，优化城市流量、存量与增量，为城市生命体把脉问诊。 人体“胃肠”将食物分解成容易吸收的养分供给人体组分，而城市“胃肠”—物能转化部门构成消化系统，它们将来自环境的金属与非金属矿物、矿物燃料等转化为城市所需的物质与能量。人体“肝脾”主要完成营养物质吸收、合成等代谢功能，城市制造部门也发挥着“肝脾”功能，利用物质与能量组织生产，提供重要的商品与服务，构成吸收系统。城市“肝肾”—物质净化部门构成排泄系统，主要发挥解毒、排泄代谢产物的功能，承担着废水、废气、废渣的净化与处理任务。人体“心肺”通过驱动血液输送和气体更新，为人体各部位提供氧气和各种养料，而城市“心肺”—交通部门也负责养分输送，火车站、客运站和机场作为交通中心调配着交通运输系统，有效促进物质、能量流的交换与输送，城市交通干线（动脉和静脉血管）和网状街道（毛细血管）彼此衔接，作为基盘承载着各种交通工具，稳定快速地输送城市人流、物流，循环系统有效保障了城市生命体的活力（图1-2）。 图1-2 城市生命体与人体的功能机理比拟 城市森林、草地、水域、湿地等自然组分构成了城市腹地，不仅为城市提供物质、能量，也消纳了部分废弃物，从这一意义来说，腹地也发挥了城市“肝肾”、“肺脏”等器官的功能。城市人工肝肾（物质净化部门）与自然肾（湿地）保证城市生命体自身的洁净，产生的废弃物经无害化处理、回用之后进入其他部门或排入自然；城市人工肺脏（物能流通部门）与自然肺脏（森林）保持着城市生命体的活力。可见，无论是自然属性组分，还是社会经济属性的组分，均是城市生命体不可或缺的重要代谢主体，积极参与城市更新、新陈代谢的成长过程。