基于3E1S系统的低碳生态城市发展模型研究

于晨霞 潘辉

【摘  要】随着城市化进程的加快，社会不断进步，经济快速增长，但同时能源、社会、经济和环境之间的矛盾日益严重，使城市面临着巨大的压力。因此，构建低碳生态城市成为我国城市发展的重要目标。论文通过对低碳生态城市的概念进行界定，在对传统的经济-能源-环境（3E）进行系统分析的基础上，加入社会因素，构建低碳城市发展经济-能源-环境-社会（3E1S）系统模型，为低碳生态城市发展提供理论支撑。

【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.

【关键词】城市化;低碳生态城市;3E1S系统

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

【中图分类号】X22                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）12-0139-04

1 引言

现阶段，我国工业化和城镇化进程加快，能源的巨大消耗及碳排放领域的扩张等现象，严重影响着我们的生存环境。因此，改变这种局面的主要途径就是大力发展低碳经济，积极进行低碳生态城市建设。目前，低碳生态城市是一个前沿交叉概念，融合了可持续发展、低碳经济、生态环境等多方面的理论。目前为止，低碳生态城市并没有一个被学者们统一认可的定义。从系统的定义来看，我们的城市也是一个系统，而且是一个复杂巨系统。城市系统由多种子系统构成，其各自具有特定的功能，按照相应的作用和联系形成了城市的整体功能。城市系统的功能及其各子系统的功能的大小取决于系统构成要素的强弱及其组织结构的合理性。如果城市系统的构成要素组织结构不合理，城市发展会失去平衡，城市系统会出现问题，如资源的浪费、生产效率低、环境恶化、管理混乱等，直接会对人们的生产和生活产生负面影响。城市系统结构的合理性又可以称为城市的生态平衡，其取决于各个子系统之间形成的比例是否合适，以及能量、信息和物质等要素在各个子系统之间的传递是否顺畅[1]。

2 研究背景与进展

20世纪20年代，最早由前苏联开始将能源和经济结合起来进行综合研究，产生了能源经济学这一交叉学科。1973年，世界爆发了能源危机，严重威胁到各国经济的发展，此时，西方国家为了应对能源危机，保持经济的发展，对能源和经济的关系日益关注，并广泛地开展了能源和经济二元系统的综合研究。20世纪下半叶，能源消耗问题已经在全球范围内威脅到人类自身的生存环境。关心环境，已经成为当今世界的趋势。20世纪80年代以后，各国研究人员开始从经济学观点和视角看待环境生态问题，从而产生了另一门交叉学科——环境经济学，逐渐建立了经济和环境二元系统研究体系，对经济和环境之间的关系进行了深入研究。随着人们对经济和环境系统以及经济和能源系统的研究，取得了大量的成果。但是，对于世界发展多元的特征，人们在对二元系统研究的过程中，逐渐发现，随着问题研究广度和深度的不断增加，如果想得到更科学、更全面的研究结果，二元系统的研究已经不能够满足要求，需要建立多元系统来进行研究。因此，人们意识到将能源、经济和环境相结合来作为研究对象会带来更广阔的研究空间。于是，在20世纪90年代后期，世界上许多环保组织和能源研究机构展开了相关的合作，建立了能源、经济和环境三元体系，目的在于解决能源、环境与经济发展之间存在的矛盾[2]。日本是最早系统地提出能源-经济-环境（3E）模式的国家。近些年，随着学者们从不同角度、不同内容对3E系统进行了广泛深入的研究和完善，研究成果逐渐系统化，从而形成了经济-能源-环境（3E）系统理论[3]。

3 传统3E系统协调发展理论

系统作为诸多构成要素组成的集合体，内部会存在若干层次的子系统。因此，构成系统的子系统具有层级上的差别。系统最终的属性取决于最高等级的各个并列的子系统的相互作用，最高等级的各个并列子系统又由低一级的若干构成要素组成。

传统3E系统由经济子系统、能源子系统和环境子系统构成，集经济效益、能源效益和环境效益为一体，具有多层次和多要素的特征，不断地与外部环境进行各种生产要素（技术、资源、资金、劳动力等）的交换活动。能源是人类生存发展的物质基础，是促进经济增长和社会进步的动力，在3E系统中处于核心地位。经济发展是社会健康发展和人民生活水平提高的前提条件，在3E系统中处于重要地位。环境是人类社会持续发展的保障，也是人类努力追求的基本目标。经济发展为我们提供了丰富的物质财富，而环境给我们提供了精神上的享受。因此，环境系统在3E系统中处于保障地位。3E系统运行的状况取决于3个子系统之间的协调度，协调性越好，3E系统整体的发展会呈现良好的状态，不断地向着理想的状态发展，否则，整个系统会处于一种恶性循环的状态。3E系统的协调发展状态如图1所示。

4 基于3E1S系统的低碳生态城市发展模型构建

世界由人类社会和自然界共同构成。如果从系统角度来看，世界是一个复杂巨系统，它由众多具体事物以及这些事物之间的相互关联所构成。因为系统的概念过于庞杂，通常人们在研究中会有针对性地选取一部分作为研究对象，虽然降低了研究的难度，但是获得的是研究的深度。城市作为这个复杂现实世界的一部分，也可称之为是一个系统。因此，本文基于能源-经济-环境（3E）系统理论，加入了社会子系统，建立了能源-经济-环境-社会（3E1S）系统，在对其结构关系进行分析的基础上，构建了符合我国经济发展的低碳生态城市概念模型。

4.1 3E1S系统的结构关系

在能源-经济-环境（3E）系统研究中，许多学者把社会系统并入经济系统来进行研究，虽然社会发展与经济发展具有相关性，能够相互影响、互相促进，但是经济的高速发展并不一定会带动社会的发展，如果处理不好，还会迟滞社会发展，再加上将社会系统并入经济系统，不能明显看出二者之间的关系，基于此弊端，本文将社会系统单独作为和经济系统、能源系统、环境系统并列的系统加以研究，从而构建了经济-能源-环境-社会综合系统，可称为3E1S系统。

3E1S系统不仅包括能源、经济、环境和社会4个子系统，而且还包括各子系统的协同关系，即能源系统、经济系统、环境系统和社会系统的调控、耦合与反馈关系。虽然我们把3E1S系统进行独立研究，但是它并不是一个封闭的系统，而是处于不断的运动和变化之中的开放型的复杂巨系统[4]。

能源是人类社会进步的物质基础，推动了经济和社会的进步，没有能源，就没有人类现在的生产水平和生活水平。经济发展是社会发展的基础，会在一定程度上推动社会的发展，丰富社会的物质成果，从而减少社会矛盾，增进社会和谐进步，反过来，社会发展会对经济发展产生反馈促进作用，会为经济更好更快地发展提供充足的生产要素。但是，随着经济发展水平越来越高，能源的消耗与日俱增，但是能源供给力却大大降低，再加上社会的进步和人们生活需求扩大，生产生活中排放出巨量的污染物，从而严重影响了经济的发展和人类的生存环境[5]，因此，对能源-经济-环境-社会系统进行研究就是在综合考虑能源消耗过程中与经济、社会以及环境之间的关系的基础上，对其中各个子系统之间的协同作用程度的研究，换句话说，就是将能源消耗、经济发展、环境保护和社会进步等要素作为一个完整的有机整体，考虑如何建立一种既要有效利用能源，促进经济和社会的快速发展，同时又能够保持生态环境不被破坏的发展状态。3E1S系统结构关系如图2所示。

4.1.1 能源子系统

能源作为一种物质资源，对人类经济发展和社会进步具有重要的推动作用，它为人们的生产和生活提供了各种发展动力。从人类发展的历史进程来看，每一次能源资源的使用方式的改进或更替都会促进人类社会和经济产生跨越式的发展，它是人类经济、社会不断发展进步和人类生存状况不断改善的保证。能源资源的利用是一把双刃剑，一方面，能源资源能够促进经济和社会的快速发展，但是同时，另一方面，能源资源的开发和使用如果出现了问题，如盲目开发化石能源、能源使用效率低下等，会对人类居住的生态环境造成破坏性的影响[6]。

4.1.2 经济子系统

经济发展水平决定了人类社会的发展程度和生活质量，经济子系统在整个系统中处于主导地位，缺乏经济的持续增长，整体系统就失去了存在的意义。经济发展和能源使用相辅相成，互相促进。能源的使用对经济的快速发展起到了推动作用，同时，经济的快速增长对能源资源的需求提出了更高的要求，從而带动能源的快速发展。经济系统和能源系统要想保持健康的可持续发展状态，要求经济发展总量和能源消耗总量之间，或者经济增长速度和能源消耗增长速度维持一个合理的比例关系。否则，比例关系失衡必然会对双方的发展产生严重的阻碍。同时，如果能源系统过度消耗和经济系统粗放发展，不但使双方比例失调，对双方产生不良影响，最重要的是会对生态环境系统产生严重的破坏作用。

4.1.3 社会子系统

社会发展的最终目标是人类精神方面和物质方面的要求得到满足，生活质量不断得到改善。社会发展子系统主要包括技术进步和人口数量及质量2个方面。技术进步对社会子系统起到了推动作用。人口的数量及质量对社会的发展具有正反两方面的影响。人口是社会和经济发展的主体，适度的人口的数量和质量是社会和经济发展的激励因素，但另一方面，如果人口过剩，素质低下，会对经济发展、能源消耗和环境改善产生负面影响。只有人口同能源使用、经济发展和环境保护相互协调，才能实现共同的目标。因此，社会子系统体现的是自身状态的变化以及和经济发展、能源利用和环境等因素的内在关联性。

4.1.4 环境子系统

环境是整个3E1S系统中的重要构成要素。环境系统具有自然资源属性和环境资源属性的双重特征。自然资源属性是指环境的单个要素（如土地、矿产、空气、水、植物等）以及要素之间结合的模式形态。环境资源属性是指环境本身的自我净化能力，具体表现为环境对各种环境污染（废水、废气、废渣等）的容纳能力[7]。经济系统在物质上和能量上都依赖于环境系统，因此，环境系统是经济发展和社会进步的根本保证。良好的环境系统为经济发展提供充足的物质条件（如各种生产资料等），为人们的生活和工作提供了必需的活动场所。环境系统受到经济系统、能源系统和社会系统的影响，但同时，它会从各个方面反作用于社会和经济系统，也就是说，环境系统既可以直接或间接促进社会和经济的发展，也会在一定條件下对社会和经济的发展产生阻碍作用[8]。例如，当社会进步和经济发展使得环境承载能力持续超负荷运转时，环境就会不断恶化，资源逐渐枯竭，生态遭到破坏，那么，自然环境就会对人类进行报复，阻碍人类社会进步和经济发展。

4.2 基于3E1S系统的低碳生态城市发展模型

通过以上对3E1S系统的分析研究，本文认为低碳生态城市本质上是一个复杂巨系统，它以经济发展和社会进步为基础，通过优化能源结构、减少能源消耗以及提高能源利用率、增强城市碳汇能力等方式，最终实现城市发展中经济-能源-社会-环境（3E1S）系统的高度耦合、协调发展的良好状态[9]（见图3）。

低碳生态城市发展概念模型包括以下几层涵义：

第一，低碳生态城市实现的基础是城市经济的不断发展以及社会环境的不断进步。低碳生态城市的建设需要系统的思维，既不能为了追求社会环境的友好，片面地降低能源的消耗和碳排放，忽视城市经济效益，也不能为了追求经济的发展而忽略社会环境的可持续性。经济发展是一个城市建设的基础和物质前提，没有经济的可持续增长，低碳生态城市建设不可能实现。因此，城市经济和社会环境需要协调发展，共同促进低碳生态城市的建设。

第二，低碳生态城市建设的核心是城市能源系统的不断优化。能源系统作为城市经济和社会发展的动力源泉，在实现低碳生态城市建设过程中，关键是要在其消耗周期中有效地降低碳排放量。在能源系统的输入阶段，优化能源结构，提高清洁能源比重;在能源系统使用阶段，提高能源使用效率;在能源系统输出阶段，增强城市碳汇以及碳中和的能力。

第三，低碳生态城市的建设目标是实现城市经济、能源、社会以及环境耦合、协调可持续发展。随着人类社会经济的发展，对城市能源的过度消耗和城市绿地、森林等环境的不断破坏导致了生态环境的失衡，而友好的生态环境是低碳生态城市建设的重要指标。想要实现城市经济、能源、社会以及环境耦合协调发展，需要达到城市能源消耗和生态环境之间的能量传递的动态平衡。

5 结语

低碳生态城市本质上是一个复杂巨系统，本文基于经济-能源-环境-社会（3E1S）综合系统，构建了我国低碳生态城市发展模型，提出了通过优化能源结构、减少能源消耗以及提高能源利用率、增强城市碳汇能力等方式，最终实现城市低碳生态发展的良好状态，为低碳生态城市的发展模式提供了理论基础和研究范式。

【参考文献】

【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.城市低碳发展模式研究——以济宁市为例[J].环境保护科学，2021，47（02）：56-61.

【3】杜海龙，李迅，李冰.绿色生态城市理论探索与系统模型构建[J].城市发展研究，2020，27（10）：1-8+140.

【4】杨帆，王永佳.内蒙古低碳试点工作现状与对策建议[J].环境与发展，2020，32（10）：1-3.

【5】范小蒙.新常态背景下低碳城市发展规划思考[J].建材与装饰，2020（21）：108+112.

【6】庄贵阳，周枕戈.高质量建设低碳城市的理论内涵和实践路径[J].北京工业大学学报（社会科学版），2018，18（05）：30-39.

【7】宋祺佼，王宇飞，齐晔.中国低碳试点城市的碳排放现状[J].中国人口·资源与环境，2015，25（01）：78-82.

【8】周艺颖.低碳环保理念下城市固体废弃物处理模式研究[J].科技创新导报，2020，17（12）：110+112.

【9】赵涛，于晨霞，潘辉.低碳城市3E1S系统耦合协调度研究[J].统计与决策，2019（22）：131-135.