养分循环与生态城市*——人居环境视角下的综述与展望

赵继龙 刘长安

1 研究背景

在当前城市面临的诸多难题中，城市养分代谢问题是一个日益严重，然而却被长期忽视的议题。养分（nutrient）通常指有机体从其周围环境所获取的支持有机体生长和维持生命的物质[1]。在生态问题的语境中，所谓养分主要是指培育农作物所需的磷、氮、钾等营养元素，它通过自然代谢过程维系整个生态系统的正常有序运行，并借由食物—农业系统，把自然生态系统与人类社会系统连为有机整体。

和能量循环、水循环一样，养分循环一直是城市生态循环系统的重要组成部分。在前工业社会的城市中，人和动物的排泄物通常加以回收利用，“以粪养农”，向城区周围的农田中补充富含养分的城肥，有助于农业系统的循环补给。工业化城市摒弃了这一优良传统，完全依赖外界供应的资源维持运行，当养分以食物的形式输入城市，被居民消费后转变为人体排泄物和有机垃圾，前者经水稀释变成污水汇流至污水处理厂进行处理，后者则主要被运往郊区进行填埋或焚烧，导致养分的自然循环过程受到严重干扰，大量养分无法返还土壤。正如马克思在《资本论》中指出的：资本主义生产（工业化生产）“破坏着人和土地之间的物质转换，使人类以衣食等形式消费掉的土地组成部分无法回归土壤，进而破坏土地具有持久肥力的永恒自然条件[2]”。这带来两方面的严重后果：一是造成地表水污染、垃圾堆积并危及人类健康卫生；二是农田肥力下降，必须大量开采矿产和消耗能源提炼养分（化肥）以补充地力，造成严重的养分危机。随着城市人口的增多，城市养分的单向流动和线性代谢愈发成为破坏养分循环、继而造成养分短缺和环境恶化的主导因素。以磷为例，由于大量开采和无节制使用，世界上的磷矿资源估计50~100年即消耗殆尽[3]，没有磷，地球生命系统将无以为继。因此，郝晓地认为，目前人类面临的养分危机远比能源危机和水危机更为严峻，亟需优先解决[4]。在这样的背景下，闭合城市养分循环遂成为生态人居环境建设领域的一个重要话题，国内外展开了丰富的理论研究和实践探索。

2 国内外研究进展

2.1 养分循环对生态城市的作用机制研究

养分循环作为一个土壤学原理，较早出现在农业—食物系统的研究中，目前其状态与很多环境污染问题的密切相关性已得到公认[5]，并成为人类社会可持续发展的重要评价指标之一[6]。随着近年来农业—食物系统进入城市领域引发新的理论思考，以及养分循环失衡达到危及地球生态安全的程度，城市养分问题从早期有机垃圾和污水被动处置等传统的片面话题，逐渐升级和深化为城市养分循环这一全过程视角的系统命题，并进一步纳入生态城市、韧性城市及城市代谢等系统理论中加以论证。1960年代，沃尔曼（Wolman）提出了城市代谢的概念，希望从类似有机体新陈代谢的视角认识城市系统的运行规律[7]。布伦纳（Brunner）把城市生态系统中的水、养分、能量和材料等4个活跃质料确定为评价城市代谢的年度指标[8]。查普曼（Chapman）等认为，通过水、养分等资源的再利用和再循环实现生态效率，是韧性城市的七个关键要素之一[9]。

多维度的深刻剖析则发源于马克思的代谢断层（Metabolic Rift）理论。马克思将“代谢断层”的概念建立在批判资本主义工业化农业和继承李比希（Liebig）及摩莱肖特（Moleschott）思想的基础之上，揭示出养分代谢过程与当代环境问题的深层次、多维度的关联[10]。马克思把代谢定义为“自然和社会之间通过劳动而进行的实际的新陈代谢相互作用”，而“代谢断层”则表示在相互依赖的社会代谢过程中存在无法消除的断层，致使土地再生产的必需条件被打断，从而破坏了代谢循环[11]。西方当代学者对马克思的言论进行了整理和发展，福斯特（Foster）等许多当代环境社会学家均用代谢断层理论解释资本主义农业的养分循环变化[12]。麦克林托克（McClintock）进一步将代谢断层解析为三个相互关联的层面：反映自然生态问题的生态断层、反映人类社会问题的社会断层和反映二者间不良关系的个体断层。显然，破坏养分循环带来的不仅仅是环境生态问题，还包含复杂社会过程的多维度代谢断层，需要多措并举地修补断层。关于这一点，他以城市农业为切入点展开了充分的理论论证，而重建城市养分循环是其中的深层机制[13]。

马克思指出，工业化的农业生产不仅破坏了养分循环，还通过全球贸易改变了养分代谢的尺度，向其他地理空间转嫁了养分危机和生态危机。基于此，本着地区公平原则在本地范围内重建养分循环成为学者的共识。艾金斯（Ekins）强调多样性、模块化和“紧密反馈”作为韧性城市系统的三原则，紧密反馈即在地闭合资源循环[14]，贴切地反映了这种共识，但具体是城乡大循环还是城市小循环，还存有分歧。19世纪英国学者查德威克（Chadwick）的主张可归于城乡循环一类，他认为人类污水应该以肥料形式返回农村腹地，这不仅能够清洁城市，而且还有助于在城乡环境之间恢复有机平衡，并生产更多的食物供给城市，形成“蛇头咬蛇尾”式的养分循环[15]；我国学者戴培昆等[16]、郑跃华等[17]持同样主张，提出重建城乡之间的物质循环系统，通过城乡互补共生和环卫系统的串联来综合解决水污染和土壤肥力等问题。朴门永续设计理论的创立者莫里森（Mollison）则主张更小尺度的循环，他将物质循环列为永续设计的重要原则之一，力求将养分、水分等各类物质保持在基地范围内，并使其形成循环，避免流失[18]。威列美克（Wielemaker）等主张在城市内部构建养分闭合循环，因为城市有巨量的资源吞吐和类型多样的功能模块，有条件为资源循环代谢各环节提供适宜的共生匹配方案，从而依靠自身潜力就能做到消减外部资源输入和废物输出[19]。在具体措施上，罗林（Röling）等主张建立养分闭合回路，把有机物质封闭起来进行循环，就可以防止因其外泄污染而导致的环境与健康风险[20]，科德尔（Cordell）等进一步明确提出需要优化资源流动的载体和路径，变革相关城市市政基础设施，把线性、开环的养分代谢通路重新闭合成循环流动的回路，避免养分从农业—食物系统中流失[21]。

2.2 城市养分循环的关键策略（城市农业）研究

养分循环要求系统类似于由生产者、消费者、分解者等组成的完整生态链，城市有机废物需要农业生产环节进行消纳和处置，才能转换为食物，完成一次循环。但现代城市自身缺乏农业要素，很难依靠自身实现养分循环，一些学者之所以主张建立城乡之间养分循环系统，正是基于这个原因。仅就养分循环的物质性需求这一单维度看，在城市及其农村腹地之间建立循环系统的确是最佳选择。但随着近年来城市农业理论的兴起，相关学者、尤其是建成环境领域的学者，越来越倾向于把农业纳入城市中，将发展多功能的城市农业作为关键策略来构建城市内部养分循环。

城市农业（urban agriculture）是指在城市环境中开展的农业种植和养殖活动，我国学者对其国内外研究现状和发展趋势、促进城市可持续发展的作用等给予了充分的阐述[22-25]。消纳城市有机废弃物，在地闭合城市养分循环是城市农业的核心生态价值[26]，早在1996年，联合国即组织开展各国利用城市有机废弃物进行城市农业生产现象的文献研究和实地经验收集[27]。里斯（Rees）认为，将食物生产布局在城市内或附近地区，有可能把养分循环靠近人类食物的生产和消费，使之关联起来进行整合，将家庭有机废物转化为养分的形式返回到附近的菜园和农田[28]。米德摩尔（Midmore）等通过对亚洲城市蔬菜种植的广泛调查，获得了废弃物农业再利用能够减少垃圾处置和长期管理所需交通和土地成本的切实证据[29]。劳伦兹（Lorenz）总结了利用城市有机废弃物改良城市农业土壤的若干技术措施，并指出通过生物机制和废物再利用，城市有机农业可以把诸多效益关联为一个整体，从而成为城市可持续发展的倍增器[30]。

随着研究的深入，城市农业参与城市废物管理、闭合城市养分循环的理论阐述得到不断深化和提升。2010年，第23期《城市农业杂志》用20篇文献集中报道了发展中国家发展城市农业、改善城市养分循环的经验[31]，其中德雷克塞尔（Drechsel）和埃尔尼（Erni）回顾了用物质流分析方法（MFA）对库玛西城市农业养分代谢的研究结果，并提出若干闭合循环的建议[32]。在最新的研究中，城市农业被作为一种关键要素纳入到城市代谢的理论架构中，德阿纳（Dehaene）等建立了一个以城市农业为核心、以人类社会终极目标为外缘、以相关代谢流为中环的圈层式概念模型，用于捕捉食物系统、农业生产、城市空间、绿色基础设施管理、公共卫生、教育、经济关系和公民权力之间复杂的多重联系[33]。联合国粮农组织（FAO）提出食物—能源—水关系（food-energy-water nexus，缩写为FEW）的命题，希望把可持续发展中的“孤岛”问题进行跨行业整合研究；在此基础上，拉马斯瓦米（Ramaswami）等构建了基于FEW的城市系统分析框架，认为城市农业对于改善城市养分循环和优化FEW关系，进而影响城市生态发展，具有巨大的潜在作用[34]。

2.3 城市养分循环的技术体系研究

有机废物收集、处置转化和农业回用构成城市养分循环的主要环节，每一环节的运行都要求有一定技术和空间条件，并对参与人（群）产生影响，这一系列环节构成空间、技术、社会三维互动的复合系统。前两个环节共同构成所谓的“卫生系统”，包括源分离厕所、垃圾分类等收集技术和沼气、堆肥、生命机器（living machine）、膜生物反应器（mbrs）等养分转化技术；后一个环节则是城市农业。麦克威尔（mcconville）总结了世界各地经验，提出7个不同流程的卫生系统[35]。马吉德（magid）等对现有的14个城乡养分循环的集成技术系统进行评估，认为设计和建设生态废物集成管理系统具有技术和经济可行性[36]。埃尔默（elmer）等总结了建筑与场地尺度上养分循环的技术经验，并结合欧洲若干生态住区案例提出以景观为依托来支持养分循环的“第五基础设施（fifth infrastructure）”概念[37]。

为养分代谢各环节建立有效的技术连接是重建养分循环的关键。当前主要有以下典型做法：其一是北美发达国家的低密度社区，主要以家庭或社区为单位利用厨余圾垃、绿植废物等有机固废进行堆肥并用于社区农业来就地实现养分循环，例如2009年纽约就有超过130个社区花园可通过堆肥系统回收利用各类废弃物[38]。其二是北欧发达国家在其实验性高密度生态社区的建设实践中，利用社区级新型市政设施收集处理各种有机废弃物来支持社区养分的闭合循环，例如瑞典的哈默比生态社区采用封闭的地下真空管道系统进行废弃物分类和回收，回收率可达70%以上[37]。其三是欠发达国家和地区的低收入城市社区，试图通过建设生态厕所、垃圾堆肥或沼气设施，同时发展社区农业，来实现养分高效回收和就地利用，如秘鲁利马的乔里约斯（Chorrillos）学校采用将粪、尿和洗浴用水分类收集、分别处理的卫生系统，并就地用于校园农田中[39]。

2.4 考虑养分循环的生态城市规划建设探索

近年来将养分循环作为重要原则纳入规划建设框架的生态城市或生态街区的案例逐渐增多。瑞典哈默比滨海新城、马尔默新城及皇家海港新城以及我国天津中新生态城等生态城市案例，均不同程度地考虑并实施了构建资源循环系统的设想，通过源分离厕所和严格的垃圾分类收集，最大程度地实现了养分回收，但其较少发展城市农业，主要还是在周边乡村地区进行农业回用。另外一部分建成案例把在地养分循环作为重点，构建了相对完整的循环系统。澳大利亚查尔斯特大学的特古纳（Thurgoona）校园中的建筑物全部设置无水堆肥厕所，以便实现养分回收和再利用[40]。温哥华东南福溪社区单独收集可以堆肥的生活垃圾，运送至城市堆肥场进行堆肥，并用于社区中的城市农业种植[41]。鄂尔多斯郝兆奎生态住区建成国际首例在城镇多层住宅中使用的源分离厕所系统，将收集的人类排泄物堆肥后用于社区内的农业种植，为社区养分循环积累了技术经验[42]。

相关的规划设计研究和提案则易于超脱具体的现实约束，从更理想的视角进行了探索。在宏观层面，我国学者张凤荣等在分析北京养分平衡基础上，提出构建更具代谢效率和生态稳定性的“分散集团式”和多中心城市结构，以增加城市建成区与周围农田间交换边界的长度和复杂程度，为有机废弃物充分还田和养分循环利用提供空间支持[43]；美国建筑师斯蒂纳（Sterner）等持相同观点，认为瑞吉斯特（Richard Register）的分散模式和卡尔索尔普（Peter Calthorpe）的城市网络及TOD模式均是有利于养分循环的城市空间结构，他提出以厌氧反应（沼气）作为绿色城市的核心枢纽，并由厌氧发酵所需的合理碳氮比来规定城市绿量和农业规模[44]。微观层面的研究则更为丰富。荷兰瓦赫宁根大学（WUR）在阿尔梅勒新城地区开展名为阿尔梅勒（Agromere）的可持续社区研究，关联了城市农业和社区垃圾、污水处理设施，进而重组了社区的循环系统[45]；代尔夫特理工大学的提莫伦（Timmeren）与罗林（Röling）提出可持续植入（sustainable implant）的前沿理论，以能源、食物与水等城市“关键流”（critical streams）为基础，构建了分布式代谢循环技术体系，组成创新的市政设施系统[46]。刘长安等带领研究团队开展将城市农业融入校园社区的设计实践，并核算养分代谢平衡关系，为可持续社区设计探索了新的方法和路径[47]。美国伊利诺伊工学院（IIT）教授戴维斯（Blake Davis）创新地把食物和能源生产融入到建筑空间中，在名为“植物（The Plant）”的项目中利用鱼菜共生、作物种植、厌氧发酵等互补系统（complementary systems）增进养分循环，尝试创造一个自给自足、零废物输出、融食物生产和教育功能于一体的建筑设施[48]。

3 研究简评与展望

养分是典型的受到错误理解和错误对待的宝贵资源。正是现代社会的这种误解和误用，造成全球养分危机不断加剧，除磷矿即将耗尽外，氮循环失衡也被科学家列为确保地球生态安全、如今已然突破的9个基本边界之一。正如麦克威尔所言，考虑到养分代谢重要性，在制定任何尺度的城市空间规划设计策略时，都需要综合考量养分再利用问题[35]。事实上，国际学术界近年来对养分循环的重要生态意义及相关技术问题的关注和讨论较为活跃，尤其是低密度及低收入社区的分散式养分回收和就地再利用技术、城乡养分循环等方面研究较为充分并形成基本共识，很多技术已经不同程度应用成功到生态社区或建筑实践中，养分循环的优势和劣势、技术可行性、效益和风险等诸多方面的问题也得到了总结。城市农业作为一种城市养分代谢循环的连接器和调节器，其多重功能也得到国内外学者的充分论述并取得较多理论成果。我国在利用大型污水处理厂和堆肥场收集处理城市有机废弃物，并将城肥回用于农村地区方面也有较为成熟的经验。这些研究成果和实践经验为今后此领域相关理论问题的深化和拓展奠定了基础。

但国内外对这个新兴领域的研究尚有不足，这也是未来需要进一步加强研究之处。

第一、城市养分要素中，除氮、磷被普遍作为主要代谢质料外，碳、水甚至资金等相关要素是否纳入考量存在一定歧义，未来需要进一步明确城市养分系统的构成体系和层次结构，以便进一步规范研究内容和明确环境干预策略。

第二、养分与水、能量、材料等其它城市关键代谢流相比，具有社会影响深刻、空间需求复杂和环境关系敏感的特点，现有研究还停留在技术维度上某个环节的讨论，缺少对城市养分循环全过程的关注和空间机制的研究，今后应把城市养分循环视为空间、技术、社会的复合系统，进一步加强多维度互动机理的研究。

第三、对于在我国占主导地位的高密度城市社区类型，在地构建养分“微循环”更具复杂性和挑战性，如何构建适宜的技术系统，赋予养分代谢过程以与城市社区需求相匹配的环境品质，“优雅”地闭合养分循环，是眼前生态城区建设中所亟需纳入的新要素和亟需解决的新课题。

第四、我国农耕社会创建了完善的城乡养分循环体系，千百年来为城市保持健康卫生和农田保持持久生产力提供了有效保障，远比现代技术系统高明得多，尼尔森（Nelson）感言道，“中国可能迟早会发现，它所长久依赖的体系才是最有效和最经济的选择[49]”；未来研究中，我国学者须研究如何回归传统生态智慧，把养分循环的传统体系改造提升为更具适应性的新体系，为探索我国生态城市建设的本土化特色道路提供理论支持。