基于3E1S系統的低碳生態城市發展模型研究

于晨霞 潘輝

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

【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;低碳生態城市;3E1S系統

【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

現階段，我國工業化和城鎮化進程加快，能源的巨大消耗及碳排放領域的擴張等現象，嚴重影響著我們的生存環境。因此，改變這種局面的主要途徑就是大力發展低碳經濟，積極進行低碳生態城市建設。目前，低碳生態城市是一個前沿交叉概念，融合了可持續發展、低碳經濟、生態環境等多方面的理論。目前為止，低碳生態城市并沒有一個被學者們統一認可的定義。從系統的定義來看，我們的城市也是一個系統，而且是一個復雜巨系統。城市系統由多種子系統構成，其各自具有特定的功能，按照相應的作用和聯系形成了城市的整體功能。城市系統的功能及其各子系統的功能的大小取決于系統構成要素的強弱及其組織結構的合理性。如果城市系統的構成要素組織結構不合理，城市發展會失去平衡，城市系統會出現問題，如資源的浪費、生產效率低、環境惡化、管理混亂等，直接會對人們的生產和生活產生負面影響。城市系統結構的合理性又可以稱為城市的生態平衡，其取決于各個子系統之間形成的比例是否合適，以及能量、信息和物質等要素在各個子系統之間的傳遞是否順暢[1]。

2 研究背景與進展

20世紀20年代，最早由前蘇聯開始將能源和經濟結合起來進行綜合研究，產生了能源經濟學這一交叉學科。1973年，世界爆發了能源危機，嚴重威脅到各國經濟的發展，此時，西方國家為了應對能源危機，保持經濟的發展，對能源和經濟的關系日益關注，并廣泛地開展了能源和經濟二元系統的綜合研究。20世紀下半葉，能源消耗問題已經在全球范圍內威脅到人類自身的生存環境。關心環境，已經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濟學觀點和視角看待環境生態問題，從而產生了另一門交叉學科——環境經濟學，逐漸建立了經濟和環境二元系統研究體系，對經濟和環境之間的關系進行了深入研究。隨著人們對經濟和環境系統以及經濟和能源系統的研究，取得了大量的成果。但是，對于世界發展多元的特征，人們在對二元系統研究的過程中，逐漸發現，隨著問題研究廣度和深度的不斷增加，如果想得到更科學、更全面的研究結果，二元系統的研究已經不能夠滿足要求，需要建立多元系統來進行研究。因此，人們意識到將能源、經濟和環境相結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，世界上許多環保組織和能源研究機構展開了相關的合作，建立了能源、經濟和環境三元體系，目的在于解決能源、環境與經濟發展之間存在的矛盾[2]。日本是最早系統地提出能源-經濟-環境（3E）模式的國家。近些年，隨著學者們從不同角度、不同內容對3E系統進行了廣泛深入的研究和完善，研究成果逐漸系統化，從而形成了經濟-能源-環境（3E）系統理論[3]。

3 傳統3E系統協調發展理論

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

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

4 基于3E1S系統的低碳生態城市發展模型構建

世界由人類社會和自然界共同構成。如果從系統角度來看，世界是一個復雜巨系統，它由眾多具體事物以及這些事物之間的相互關聯所構成。因為系統的概念過于龐雜，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實世界的一部分，也可稱之為是一個系統。因此，本文基于能源-經濟-環境（3E）系統理論，加入了社會子系統，建立了能源-經濟-環境-社會（3E1S）系統，在對其結構關系進行分析的基礎上，構建了符合我國經濟發展的低碳生態城市概念模型。

4.1 3E1S系統的結構關系

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

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

能源是人類社會進步的物質基礎，推動了經濟和社會的進步，沒有能源，就沒有人類現在的生產水平和生活水平。經濟發展是社會發展的基礎，會在一定程度上推動社會的發展，豐富社會的物質成果，從而減少社會矛盾，增進社會和諧進步，反過來，社會發展會對經濟發展產生反饋促進作用，會為經濟更好更快地發展提供充足的生產要素。但是，隨著經濟發展水平越來越高，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，生產生活中排放出巨量的污染物，從而嚴重影響了經濟的發展和人類的生存環境[5]，因此，對能源-經濟-環境-社會系統進行研究就是在綜合考慮能源消耗過程中與經濟、社會以及環境之間的關系的基礎上，對其中各個子系統之間的協同作用程度的研究，換句話說，就是將能源消耗、經濟發展、環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，促進經濟和社會的快速發展，同時又能夠保持生態環境不被破壞的發展狀態。3E1S系統結構關系如圖2所示。

4.1.1 能源子系統

能源作為一種物質資源，對人類經濟發展和社會進步具有重要的推動作用，它為人們的生產和生活提供了各種發展動力。從人類發展的歷史進程來看，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濟產生跨越式的發展，它是人類經濟、社會不斷發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濟和社會的快速發展，但是同時，另一方面，能源資源的開發和使用如果出現了問題，如盲目開發化石能源、能源使用效率低下等，會對人類居住的生態環境造成破壞性的影響[6]。

4.1.2 經濟子系統

經濟發展水平決定了人類社會的發展程度和生活質量，經濟子系統在整個系統中處于主導地位，缺乏經濟的持續增長，整體系統就失去了存在的意義。經濟發展和能源使用相輔相成，互相促進。能源的使用對經濟的快速發展起到了推動作用，同時，經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展。經濟系統和能源系統要想保持健康的可持續發展狀態，要求經濟發展總量和能源消耗總量之間，或者經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展產生嚴重的阻礙。同時，如果能源系統過度消耗和經濟系統粗放發展，不但使雙方比例失調，對雙方產生不良影響，最重要的是會對生態環境系統產生嚴重的破壞作用。

4.1.3 社會子系統

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

4.1.4 環境子系統

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

4.2 基于3E1S系統的低碳生態城市發展模型

通過以上對3E1S系統的分析研究，本文認為低碳生態城市本質上是一個復雜巨系統，它以經濟發展和社會進步為基礎，通過優化能源結構、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，最終實現城市發展中經濟-能源-社會-環境（3E1S）系統的高度耦合、協調發展的良好狀態[9]（見圖3）。

低碳生態城市發展概念模型包括以下幾層涵義：

第一，低碳生態城市實現的基礎是城市經濟的不斷發展以及社會環境的不斷進步。低碳生態城市的建設需要系統的思維，既不能為了追求社會環境的友好，片面地降低能源的消耗和碳排放，忽視城市經濟效益，也不能為了追求經濟的發展而忽略社會環境的可持續性。經濟發展是一個城市建設的基礎和物質前提，沒有經濟的可持續增長，低碳生態城市建設不可能實現。因此，城市經濟和社會環境需要協調發展，共同促進低碳生態城市的建設。

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

第三，低碳生態城市的建設目標是實現城市經濟、能源、社會以及環境耦合、協調可持續發展。隨著人類社會經濟的發展，對城市能源的過度消耗和城市綠地、森林等環境的不斷破壞導致了生態環境的失衡，而友好的生態環境是低碳生態城市建設的重要指標。想要實現城市經濟、能源、社會以及環境耦合協調發展，需要達到城市能源消耗和生態環境之間的能量傳遞的動態平衡。

5 結語

低碳生態城市本質上是一個復雜巨系統，本文基于經濟-能源-環境-社會（3E1S）綜合系統，構建了我國低碳生態城市發展模型，提出了通過優化能源結構、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，最終實現城市低碳生態發展的良好狀態，為低碳生態城市的發展模式提供了理論基礎和研究范式。

【參考文獻】

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

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

【9】趙濤，于晨霞，潘輝.低碳城市3E1S系統耦合協調度研究[J].統計與決策，2019（22）：131-135.