城市代谢效率研究的热点识别与综合效率实证研究

武昊彤,冼超凡,刘晶茹

1 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085 2 中国科学院大学, 北京 100049

随着城市化的快速发展,城市代谢相关研究日趋丰富[1]。城市代谢的概念最早于1965年由Wolman提出,他将城市的运行比作生物体代谢,认为城市代谢与生物代谢相似,都是从外界环境摄取物质而后向环境输出废弃物的过程[2]。1988年Robert Ayres确立了物质代谢的最初研究范畴[3-4]。2001年Harberl结合物质流与能量流分析方法用于城市物质代谢研究[5-6],此后城市代谢的研究方法逐渐统一。相关研究除了关注城市代谢与外界交互的循环过程,也开始通过模型建立来分析代谢系统的内部循环特征,将过程和节点转换为数学语言以明确城市代谢物质、能量流的特性并进行优化[7- 9]。经过多年发展,城市代谢理论及其分析框架已被广泛应用于分析城市人口、资源与环境的相互关系,识别城市生态系统的内部过程[10],以寻求其中的冲突及潜在问题最优解决方法。

城市代谢效率是城市代谢研究的重点内容,其可为城市可持续发展提供科学参考[11]。城市代谢效率的概念来自于生态效率,经济合作与发展组织将其定义为：生态资源用于满足人类需求的效率[12],广义来看是系统产出与投入之比[13]。由于城市代谢过程涉及社会、经济与自然子系统之间复杂的物质能量流动,因此大部分研究都采取指标体系法和模型分析法来分析城市代谢效率[13]。在研究方法方面,张妍等[11]综合环境效率与资源效率构建了城市生态效率的度量模型；同时,也有学者[7]结合能值分析法,对城市物质代谢通量、存量及效率进行分析。数据包络分析(Data Envelopment Analysis, DEA)是一种能满足多投入多产出指标的模型,其将评价对象作为一个生产决策单元(Decision Making Units, DMU),能够整合系统的投入和产出指标进行效率运算,常被用于城市代谢效率评估。如相关学者运用DEA模型针对不同形态/规模城市的代谢效率进行分析,旨在从空间形态上优化城市代谢效率[14]；有学者运用能值分析结合DEA模型对我国典型城市的代谢效率特征及发展机制进行分析,旨在实现对城市资源代谢的调控[15]；也有学者通过DEA模型评价不同城市的元素代谢过程及其污染减排效率[16-17]。目前相关研究采用的投入指标多以自然、社会与经济资源等指标为主,而产出指标常选取社会经济效益等期望产出指标或以废水、废气和废渣为代表的非期望产出指标,其主要是从资源投入是否能产出更大的社会经济效益或更少的污染排放角度来阐释城市代谢效率的高低,在指标类型的选择与数量上并没有统一的标准。同时,大部分研究多关注不同城市代谢效率间的横向比较,较少纵向分析城市不同要素代谢效率的动态变化及其对城市代谢整体状况的影响,难以反映当前城市代谢模式下的综合效率。为了解城市代谢综合效率评估所应涵盖的要素,有必要通过分析城市代谢效率研究进展与发展趋势、识别研究热点及其涉及的要素,从中选出能反映城市代谢综合效率的代表指标。

CiteSpace是一款可用于科学文献信息挖掘与可视化的应用程序[18],已用于多个领域的文献计量分析[19- 21]。本文拟先通过CiteSpace对城市代谢的研究进展进行梳理,识别城市代谢效率研究的热点,结合现有研究热点所涵盖的代谢要素,建立可反映城市代谢综合效率的指标体系,以城市代谢研究热点地区深圳市为案例研究,评估其城市代谢的综合效率,揭示其资源可持续利用程度,以期为同类城市的综合效率评估提供方法参考,从而能为城市代谢管理的实践提供科学支撑。

1 研究方法

1.1 文献计量分析

文献计量法于1969年首次被提出,是一种运用定量的统计分析工具对发表文献进行分析从而获得有价值信息的量化分析方法[22]。随着各学科研究快速发展,越来越多的研究使用文献计量分析方法回顾领域内研究热点与前沿,并使之可视化[22],使读者能够更直观地了解学科的研究内容,更好地把握学科发展的整体脉络。因此,本研究先对城市代谢研究进行文献检索,在检索结果的基础上加入代谢效率等关键词汇进行二次检索。基于中国知网和Web of Science两个数据库,选取如物质流、能量流和元素流等城市代谢研究所涉及的关键词汇作为主题进行检索,时间跨度为1990年1月1日—2020年12月30日。经过筛选,最终在中国知网中获得723篇文献,在Web of Science中获得1574篇文献,基于此再以“代谢效率”为主题进行二次检索,文献计量分析在Citespace 5.7R5W版本上实现。

1.2 物质代谢综合效率分析

1.2.1案例研究地区

深圳作为第一批可持续发展创新示范市之一,致力于通过实施资源高效利用为超大型城市可持续发展发挥示范效应[23],但目前极度依赖进口资源来满足日益增加的人口与经济规模,制约了城市的可持续发展。因深圳市同时具有“资源、空间小市”与“人口、经济大市”等特点,往往被选为城市代谢研究的热门案例地区,自2000年以来已有相关研究对深圳城市代谢状态进行分析[11,24-25],研究对象涵盖多种要素代谢过程。早期涉及城市代谢效率研究主要集中于能源与水等要素的消费及其污废排放,后续相关研究逐渐关注于特殊要素(如元素、信息、金属等)代谢流的量化及其环境影响[11,26-27],大量前人研究可为深圳城市代谢综合效率评估的开展提供数据参考。

1.2.2数据包络分析(DEA)

数据包络分析(DEA)方法是基于线性规划模型来平行评价决策单元综合效率(具有相同类型的多投入与多产出指标)的一种非参数统计方法[28]。现有研究大多采用传统基于不变规模报酬与可变规模报酬模型,其主要能辨析出有效(效率值为1)与非有效单元(效率值小于1),但无法对多个有效单元作进一步判别,而这对于表征时间序列的单元间比较尤为重要。超效率数据包络分析模型的提出与改进[29-30],可通过基于修正松弛变量的Super-SBM(slacks-based measure)模型来处理效率评价中可能出现的多个决策单元同时有效(效率值为1)而无法比较的情形,进一步对DEA分析中大于1的有效单元继续进行评价和排序[31],更深刻地体现效率评价的本质[30]。本文采用以上Super-SBM模型对城市代谢综合效率进行评估。该模型定义为假设城市代谢系统有n个决策单元,每个决策单元代表特定年份,都有m个投入变量和t个产出变量,投入向量和产出向量分别为x∈Rm,y∈Rt,定义矩阵X、Y为：

X=x1,···,xn∈Rm×n>0

(1)

Y=y1,···,yn∈Rt×n>0

(2)

在Super-SBM模型中,排除了决策单元(x0,y0)的有限生产可能性集[31]为：

(3)

Super-SBM规划模型可以表达为：

(4)

(5)

(6)

x0=Xλ+s-,s-≥0

(7)

y0=Yλ-s+,s+≥0

(8)

(9)

式中,ρ*是决策单元超效率值,λ为权重向量。下标“0”表示参与评价的对应决策单元[31],x0和y0分别为待评单元的投入与产出向量,xi0和yr0为x0和y0的元素；m、t分别为投入、产出要素数量。城市代谢过程往往需要资源投入来获得产品产出从而获得效益,这不可避免地导致了污染物排放等非期望输出,在评估过程中可采取非期望输出取倒数法处理非期望指标[16-17],强调如何以更少资源消耗获得较大的期望产出与较小的非期望产出。S-、S+分别代表松弛投入量和松弛产出量,其数量级影响着决策单元的最终效率,松弛变量越少且小表征决策单位综合效率越高。在此模型中,当0≤ρ*< 1,则被评单元被视为无效,在城市代谢综合效率方面表现为低效,存在进一步提高的空间,当ρ*≥1时,被评价单元有效,其在综合效率方面表现为相对高效。

2 结果

2.1 城市物质代谢效率研究进展及热点

图1 1990—2020年发表的城市代谢研究英文文献与中文文献数量Fig.1 Number of published literatures related to urban metabolism in English or Chinese from 1990 to 2020

通过Web of Science以城市代谢相关的关键词进行检索可知,近30年来城市代谢研究一直稳步发展,全球英文文献数量逐年上升,截至2020年总量达到1574篇,且仍具有增长可能(图1)。城市代谢研究相关的英文文献大多发表在生态环境科学与资源利用(60.17%)、工程学(44.28%)、科学技术(25.92%)、燃料能效(11.82%)、水资源利用(7.75%)以及结构与建筑技术(6.67%)等领域。可知国际刊物对于城市代谢研究更关注基础理论,聚焦于生态环境、土木工程、系统科学等方面,且常涉及多学科交叉,形成不断丰富的研究领域。

从英文文献发表数量来看,中国学者发表的英文文献以435篇的数量位列第一,近30年来其论文发表总数占比高达27.64%。美国、英国、意大利位列第二至第四名。值得一提的是,在1990—2010年的20年中,中国学者发表的英文论文数量仅有45篇,仅占该时段论文总数15.15%。而在2011—2020年,中国的论文发表数大幅提升,这十年间本研究领域超过三分之一的论文来自中国,成为本领域文章发表最多的国家。这表明中国的城市代谢研究起步虽晚,但是发展速度迅猛。中国的研究机构发文数量遥遥领先,表明我国在城市代谢领域研究已有较强的国际影响力。

对由中国知网检索得到的723个结果分析可知,近30年城市代谢相关研究的中文文献发表经历了波动增加趋势(图1),主要集中在2000—2011年阶段,此后发文量保持相对稳定,未出现上涨趋势,与英文文献发表量差距越来越大,2020年仅为英文文献数量的五分之一。物质代谢相关的中文论文多关注环境科学与资源利用(29.16%)、宏观经济管理与可持续发展(21.31%)、建筑科学与工程(14.42%)等领域。综上所述,环境科学与资源利用领域为全球城市代谢研究论文发表最多的领域,说明城市环境与资源问题仍是城市代谢研究关注的重点。

图2 城市代谢效率相关文献聚类 Fig.2 Clustering of literatures related to urban metabolic efficiency

在涉及城市代谢研究的文献里,“代谢效率”这一关键词汇在中文文献中表述不多,其在部分文献多以“代谢研究”、“排放强度”、“利用效率”等类似词汇体现,而在英文文献中代谢效率研究大多包含“urban metabolism”、 “efficiency”等关键词,表达较为一致,加之涉及城市代谢效率分析的英文文献总量较多,导致中文与英文文献检索数量差别较大。因此,增添“代谢效率”作为关键词,对相关英文文献作进一步检索,并对筛选的文献进行聚类分析可知(图2,表1),当前城市物质代谢效率的研究热点主要涉及城市资源消费效率及其可持续发展,分析要素集中于能源、碳氮元素及耐用物质(主要为建筑材料)等,研究内容多关注物质能量代谢、产业生态、污染排放等内容。

结合文献分析可知,城市代谢过程通常由水资源、化石能源、营养元素以及若干耐用物质(金属、木材与石材等)在多个部门间的循环构成[32],这些要素在满足了城市社会经济发展对资源消费的多元需求后,便以多种形态进入环境,如能源消费产生的碳、氮元素多以气体形态向环境排放[8],而氮元素同时也通过食物与水资源消费过程流失到水体[33-34],耐用物质在城市环境中以固体形式存储和流转,成为物质存量或固废[35]。而现有效率分析大多针对其中一个或一类过程进行分析,少有研究包含上述多个投入产出过程进行综合效率分析。本研究根据案例地区相关数据的可获得性,构建相关投入产出指标体系(表2)来评估深圳市2005—2017年期间城市代谢的综合效率。指标数据来源于《2006—2018年深圳统计年鉴》,《2005—2017年深圳市水资源公报》,深圳市政府部门官方网站以及近期发表的相关文献(表2)。

表1 关键词聚类信息表

注：轮廓系数(silhouette)：聚类相似性度量,是簇的密集与分散程度的评价指标;轮廓系数的值在-1和1之间,该值越接近于1,簇越紧凑,聚类越好；对数似然比(log-likelihood ratio,LLR)：聚类标签词提取算法之一, 在聚类里LLR越大的词越具有代表性

表2 城市代谢综合效率的投入产出指标体系

2.2 深圳城市代谢综合效率评估

结合Super-SBM模型与上述指标体系对深圳城市代谢综合效率分析可知(表3),2005—2017年间综合效率呈波动状态。相比2005年,深圳城市代谢综合效率在2017年并没有得到明显提高。其中,大部分年份表现为DEA有效(效率值大于1),表明这些年份城市代谢过程取得了高效运行。2006、2007、2011和2013年则表现为DEA无效(效率值小于1),相对于其他有效年份,这些无效年理论上可基于更少的资源消费量,产出更多的经济效益和减少更多的环境污染输出。通过投入产出松弛变量解读可揭示各年的资源投入冗余量与经济或减排产出不足量(表3),在2008—2012年间,除了2011年,其余年份城市代谢综合效率均优且没有投入冗余项。2011年综合效率较低主要体现在当年资源利用效率不高,如水、能源与建材等资源消费没有产出理想的经济效益,同时燃烧源温室气体与氮氧化物减排效率低。总体而言,研究时期深圳城市代谢高效年份较多,然而,相比2005年,2017年深圳城市代谢综合效率并没有得到明显提高。

表3 城市代谢综合效率及其投入产出的冗余与不足

相对于能源、食物与耐用物质消费,深圳市在水资源利用效率上仍存在提高空间,在研究时期水资源投入冗余没有明显减少,很大程度造成当年整体城市代谢低效；而深圳在经济产出方面仍有潜力,目前城市资源消费并未获得最大经济效益,尤其是在2011年后,这一时期,深圳经济结构转型还在持续,在环境经济效益方面仍未达到最优化阶段。对于污废排放,深圳市碳氮减排效率有显著提高,尤其2007年后深圳碳减排存在较少产出不足年份,且所需减排量也逐渐减少,这归功于《深圳市国民经济和社会发展十一五规划纲要》强调的产业结构优化与广推循环经济,其促使减少化石能源消费及其相关污染排放成为环境管理工作重中之重[40],从而促进工业源温室气体与氮氧化物减排效率的提高。同时,深圳市保持相对少的建筑垃圾产生量,但在2012年建筑垃圾减少不足量达历年之最,这可能与当年高房价驱动下住宅扩建与旧城改造浪潮开始有关,建筑拆建与装修改造导致大量砖石、金属与木材等耐用物质报废为建筑垃圾[41]。

3 讨论

目前深圳城市资源自给率很低,资源对外依赖性很大,尤其是食物、能源、淡水、沙石木材等关键资源,几乎都需要区域之间的物质流动来支持深圳城市发展,上述资源要素的可持续消费被认为是解决目前大型城市人口膨胀、资源短缺和生态环境退化问题的关键所在[42]。近年,随着《粤港澳大湾区发展规划纲要》及《中共中央国务院关于支持深圳建设中国特色社会主义先行示范区的意见》等文件相继出台,对深圳市可持续发展的先行示范作进一步要求,其中对上述资源的可持续消费都分别作了针对性要求。因此,提高城市物质代谢效率,促进资源可持续消费,对于深圳满足“双区”要求尤为重要。本文构建的指标体系能较好涵盖上述资源要素,可整体反映资源稀缺型城市的代谢状况。相较于早期针对深圳城市代谢效率的分析[11],本文效率评估方法不局限于单位GDP生产所需的水耗、能耗及其污废排放所构成的投入产出比值,而是整合多个关键要素的代谢效率进行综合评估,评估结果能从整体视角为城市可持续发展提供科学参考。对于深圳市而言,若以单位GDP产出所需的资源消耗或污废排放来简单衡量城市代谢效率,往往易得出城市代谢效率逐步提高等结论,毕竟深圳GDP增长率久位全国前列,且其经济增长与资源消费已形成脱钩关系[43]。相关前期研究也通过DEA模型尝试结合多类投入产出项对深圳城市代谢效率及其环境效应进行一个整体刻画,但大都只关注于废水、废气和固废等比较笼统的非期望输出指标,不能体现元素循环在城市食物、能源与水等必需资源消费及代谢过程中的重要性[42,44]。对于深圳市这类受土地资源约束的超大型城市,其发展从“增量扩张”逐渐转为“存量优化”阶段[45],未来城市发展很大程度依赖于城市更新,会加剧和扰乱城市耐用物质的代谢速率及稳态,城市代谢效率评估应需同时涵盖这一方面。

通过对城市代谢效率研究领域的热点识别,从中选取关键指标形成综合效率评估指标体系,既切合当前城市代谢效率研究前沿,又能相对满足城市可持续发展要求。联合国在《2030年可持续发展议程》中提出了17项可持续发展目标(Sustainable Development Goals, SDGs)[46],本评估体系可综合反映部分SDGs,如SDG1(消除饥饿),SDG6(清洁饮水与卫生设施),SDG7(能源普及与提高能源效率),SDG9(基础设施与工业创新),SDG11(城市与社区可持续发展),SDG12(可持续的消费与生产模式),及SDG13(应对气候变化)。然而,该体系所需指标易受数据不全或评价边界模糊影响,导致应用范围受限。本文的结论提出仅是基于深圳市2005—2017年的投入产出数据,未来还需更长的时间序列数据以及不同地区的研究结果来验证方法的适用性及其存在的误差。

城市代谢效率评估是保障城市生态系统有序运行的重要部分,其能为城市决策部门优化资源配置,提前布局避免潜在生态环境问题提供科学参考,但从代谢效率评估阶段过渡到城市代谢优化阶段仍缺乏管理抓手,仍需相关方面的研究来促进城市代谢管理的有效“落地”,如城市代谢通量的常态化监测,代谢过程的时序模拟及空间化,代谢效率评估的标准化及普适性等等。结合碳达峰、碳中和目标和探索“无废城市”建设将成为未来深圳城市代谢效率研究的关注热点,这为日后城市代谢综合效率评估提供了改善空间,使其更好服务于未来城市代谢管理,本研究对于综合效率评估方法的案例分析旨在为后续城市可持续发展评估迈出探索的一步。

4 结论

本文通过文献计量分析,梳理了国内外近30年的城市代谢效率的研究进展,整合了代谢效率研究热点所涉及的要素,以此建立评价指标体系通过案例研究对城市物质代谢综合效率进行评估。结果表明：(1)环境科学与资源利用领域为全球城市代谢研究论文发表最多的领域,说明城市环境与资源问题仍是城市代谢研究持续关注的重点。城市代谢效率研究热点关键要素包括能源、水资源、碳氮元素及耐用物质(主要为建筑材料)等要素及其环境效应。(2)通过案例分析,深圳城市代谢综合效率在2005—2017年间呈波动状态,多数年份城市代谢过程取得了高效运行,但仍存低效年份,截止2017年,综合效率并没有得到明显提高。在资源投入与效益产出方面,深圳市在水资源利用效率方面仍需提高；在当前的资源消耗水平下仍有较高的经济效益提高潜力；同时,深圳市在碳氮元素环境排放及建筑垃圾减排减产效率也有了一定程度的提高。(3)通过城市代谢效率研究的热点识别,可明晰目前城市代谢综合效率评估所需涵盖的要素,由此建立评估体系可用于综合效率评估的实践运用,尽管仍需后续不断完善,但其能较全面反映城市资源利用效率的动态,可为日后城市可持续发展评估提供科学参考。