城市代謝效率研究的熱點識別與綜合效率實證研究

武昊彤,冼超凡,劉晶茹

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

隨著城市化的快速發展,城市代謝相關研究日趨豐富[1]。城市代謝的概念最早于1965年由Wolman提出,他將城市的運行比作生物體代謝,認為城市代謝與生物代謝相似,都是從外界環境攝取物質而后向環境輸出廢棄物的過程[2]。1988年Robert Ayres確立了物質代謝的最初研究范疇[3-4]。2001年Harberl結合物質流與能量流分析方法用于城市物質代謝研究[5-6],此后城市代謝的研究方法逐漸統一。相關研究除了關注城市代謝與外界交互的循環過程,也開始通過模型建立來分析代謝系統的內部循環特征,將過程和節點轉換為數學語言以明確城市代謝物質、能量流的特性并進行優化[7- 9]。經過多年發展,城市代謝理論及其分析框架已被廣泛應用于分析城市人口、資源與環境的相互關系,識別城市生態系統的內部過程[10],以尋求其中的沖突及潛在問題最優解決方法。

城市代謝效率是城市代謝研究的重點內容,其可為城市可持續發展提供科學參考[11]。城市代謝效率的概念來自于生態效率,經濟合作與發展組織將其定義為：生態資源用于滿足人類需求的效率[12],廣義來看是系統產出與投入之比[13]。由于城市代謝過程涉及社會、經濟與自然子系統之間復雜的物質能量流動,因此大部分研究都采取指標體系法和模型分析法來分析城市代謝效率[13]。在研究方法方面,張妍等[11]綜合環境效率與資源效率構建了城市生態效率的度量模型；同時,也有學者[7]結合能值分析法,對城市物質代謝通量、存量及效率進行分析。數據包絡分析(Data Envelopment Analysis, DEA)是一種能滿足多投入多產出指標的模型,其將評價對象作為一個生產決策單元(Decision Making Units, DMU),能夠整合系統的投入和產出指標進行效率運算,常被用于城市代謝效率評估。如相關學者運用DEA模型針對不同形態/規模城市的代謝效率進行分析,旨在從空間形態上優化城市代謝效率[14]；有學者運用能值分析結合DEA模型對我國典型城市的代謝效率特征及發展機制進行分析,旨在實現對城市資源代謝的調控[15]；也有學者通過DEA模型評價不同城市的元素代謝過程及其污染減排效率[16-17]。目前相關研究采用的投入指標多以自然、社會與經濟資源等指標為主,而產出指標常選取社會經濟效益等期望產出指標或以廢水、廢氣和廢渣為代表的非期望產出指標,其主要是從資源投入是否能產出更大的社會經濟效益或更少的污染排放角度來闡釋城市代謝效率的高低,在指標類型的選擇與數量上并沒有統一的標準。同時,大部分研究多關注不同城市代謝效率間的橫向比較,較少縱向分析城市不同要素代謝效率的動態變化及其對城市代謝整體狀況的影響,難以反映當前城市代謝模式下的綜合效率。為了解城市代謝綜合效率評估所應涵蓋的要素,有必要通過分析城市代謝效率研究進展與發展趨勢、識別研究熱點及其涉及的要素,從中選出能反映城市代謝綜合效率的代表指標。

CiteSpace是一款可用于科學文獻信息挖掘與可視化的應用程序[18],已用于多個領域的文獻計量分析[19- 21]。本文擬先通過CiteSpace對城市代謝的研究進展進行梳理,識別城市代謝效率研究的熱點,結合現有研究熱點所涵蓋的代謝要素,建立可反映城市代謝綜合效率的指標體系,以城市代謝研究熱點地區深圳市為案例研究,評估其城市代謝的綜合效率,揭示其資源可持續利用程度,以期為同類城市的綜合效率評估提供方法參考,從而能為城市代謝管理的實踐提供科學支撐。

1 研究方法

1.1 文獻計量分析

文獻計量法于1969年首次被提出,是一種運用定量的統計分析工具對發表文獻進行分析從而獲得有價值信息的量化分析方法[22]。隨著各學科研究快速發展,越來越多的研究使用文獻計量分析方法回顧領域內研究熱點與前沿,并使之可視化[22],使讀者能夠更直觀地了解學科的研究內容,更好地把握學科發展的整體脈絡。因此,本研究先對城市代謝研究進行文獻檢索,在檢索結果的基礎上加入代謝效率等關鍵詞匯進行二次檢索。基于中國知網和Web of Science兩個數據庫,選取如物質流、能量流和元素流等城市代謝研究所涉及的關鍵詞匯作為主題進行檢索,時間跨度為1990年1月1日—2020年12月30日。經過篩選,最終在中國知網中獲得723篇文獻,在Web of Science中獲得1574篇文獻,基于此再以“代謝效率”為主題進行二次檢索,文獻計量分析在Citespace 5.7R5W版本上實現。

1.2 物質代謝綜合效率分析

1.2.1案例研究地區

深圳作為第一批可持續發展創新示范市之一,致力于通過實施資源高效利用為超大型城市可持續發展發揮示范效應[23],但目前極度依賴進口資源來滿足日益增加的人口與經濟規模,制約了城市的可持續發展。因深圳市同時具有“資源、空間小市”與“人口、經濟大市”等特點,往往被選為城市代謝研究的熱門案例地區,自2000年以來已有相關研究對深圳城市代謝狀態進行分析[11,24-25],研究對象涵蓋多種要素代謝過程。早期涉及城市代謝效率研究主要集中于能源與水等要素的消費及其污廢排放,后續相關研究逐漸關注于特殊要素(如元素、信息、金屬等)代謝流的量化及其環境影響[11,26-27],大量前人研究可為深圳城市代謝綜合效率評估的開展提供數據參考。

1.2.2數據包絡分析(DEA)

數據包絡分析(DEA)方法是基于線性規劃模型來平行評價決策單元綜合效率(具有相同類型的多投入與多產出指標)的一種非參數統計方法[28]。現有研究大多采用傳統基于不變規模報酬與可變規模報酬模型,其主要能辨析出有效(效率值為1)與非有效單元(效率值小于1),但無法對多個有效單元作進一步判別,而這對于表征時間序列的單元間比較尤為重要。超效率數據包絡分析模型的提出與改進[29-30],可通過基于修正松弛變量的Super-SBM(slacks-based measure)模型來處理效率評價中可能出現的多個決策單元同時有效(效率值為1)而無法比較的情形,進一步對DEA分析中大于1的有效單元繼續進行評價和排序[31],更深刻地體現效率評價的本質[30]。本文采用以上Super-SBM模型對城市代謝綜合效率進行評估。該模型定義為假設城市代謝系統有n個決策單元,每個決策單元代表特定年份,都有m個投入變量和t個產出變量,投入向量和產出向量分別為x∈Rm,y∈Rt,定義矩陣X、Y為：

X=x1,···,xn∈Rm×n>0

(1)

Y=y1,···,yn∈Rt×n>0

(2)

在Super-SBM模型中,排除了決策單元(x0,y0)的有限生產可能性集[31]為：

(3)

Super-SBM規劃模型可以表達為：

(4)

(5)

(6)

x0=Xλ+s-,s-≥0

(7)

y0=Yλ-s+,s+≥0

(8)

(9)

式中,ρ*是決策單元超效率值,λ為權重向量。下標“0”表示參與評價的對應決策單元[31],x0和y0分別為待評單元的投入與產出向量,xi0和yr0為x0和y0的元素；m、t分別為投入、產出要素數量。城市代謝過程往往需要資源投入來獲得產品產出從而獲得效益,這不可避免地導致了污染物排放等非期望輸出,在評估過程中可采取非期望輸出取倒數法處理非期望指標[16-17],強調如何以更少資源消耗獲得較大的期望產出與較小的非期望產出。S-、S+分別代表松弛投入量和松弛產出量,其數量級影響著決策單元的最終效率,松弛變量越少且小表征決策單位綜合效率越高。在此模型中,當0≤ρ*< 1,則被評單元被視為無效,在城市代謝綜合效率方面表現為低效,存在進一步提高的空間,當ρ*≥1時,被評價單元有效,其在綜合效率方面表現為相對高效。

2 結果

2.1 城市物質代謝效率研究進展及熱點

圖1 1990—2020年發表的城市代謝研究英文文獻與中文文獻數量Fig.1 Number of published literatures related to urban metabolism in English or Chinese from 1990 to 2020

通過Web of Science以城市代謝相關的關鍵詞進行檢索可知,近30年來城市代謝研究一直穩步發展,全球英文文獻數量逐年上升,截至2020年總量達到1574篇,且仍具有增長可能(圖1)。城市代謝研究相關的英文文獻大多發表在生態環境科學與資源利用(60.17%)、工程學(44.28%)、科學技術(25.92%)、燃料能效(11.82%)、水資源利用(7.75%)以及結構與建筑技術(6.67%)等領域。可知國際刊物對于城市代謝研究更關注基礎理論,聚焦于生態環境、土木工程、系統科學等方面,且常涉及多學科交叉,形成不斷豐富的研究領域。

從英文文獻發表數量來看,中國學者發表的英文文獻以435篇的數量位列第一,近30年來其論文發表總數占比高達27.64%。美國、英國、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,中國學者發表的英文論文數量僅有45篇,僅占該時段論文總數15.15%。而在2011—2020年,中國的論文發表數大幅提升,這十年間本研究領域超過三分之一的論文來自中國,成為本領域文章發表最多的國家。這表明中國的城市代謝研究起步雖晚,但是發展速度迅猛。中國的研究機構發文數量遙遙領先,表明我國在城市代謝領域研究已有較強的國際影響力。

對由中國知網檢索得到的723個結果分析可知,近30年城市代謝相關研究的中文文獻發表經歷了波動增加趨勢(圖1),主要集中在2000—2011年階段,此后發文量保持相對穩定,未出現上漲趨勢,與英文文獻發表量差距越來越大,2020年僅為英文文獻數量的五分之一。物質代謝相關的中文論文多關注環境科學與資源利用(29.16%)、宏觀經濟管理與可持續發展(21.31%)、建筑科學與工程(14.42%)等領域。綜上所述,環境科學與資源利用領域為全球城市代謝研究論文發表最多的領域,說明城市環境與資源問題仍是城市代謝研究關注的重點。

圖2 城市代謝效率相關文獻聚類 Fig.2 Clustering of literatures related to urban metabolic efficiency

在涉及城市代謝研究的文獻里,“代謝效率”這一關鍵詞匯在中文文獻中表述不多,其在部分文獻多以“代謝研究”、“排放強度”、“利用效率”等類似詞匯體現,而在英文文獻中代謝效率研究大多包含“urban metabolism”、 “efficiency”等關鍵詞,表達較為一致,加之涉及城市代謝效率分析的英文文獻總量較多,導致中文與英文文獻檢索數量差別較大。因此,增添“代謝效率”作為關鍵詞,對相關英文文獻作進一步檢索,并對篩選的文獻進行聚類分析可知(圖2,表1),當前城市物質代謝效率的研究熱點主要涉及城市資源消費效率及其可持續發展,分析要素集中于能源、碳氮元素及耐用物質(主要為建筑材料)等,研究內容多關注物質能量代謝、產業生態、污染排放等內容。

結合文獻分析可知,城市代謝過程通常由水資源、化石能源、營養元素以及若干耐用物質(金屬、木材與石材等)在多個部門間的循環構成[32],這些要素在滿足了城市社會經濟發展對資源消費的多元需求后,便以多種形態進入環境,如能源消費產生的碳、氮元素多以氣體形態向環境排放[8],而氮元素同時也通過食物與水資源消費過程流失到水體[33-34],耐用物質在城市環境中以固體形式存儲和流轉,成為物質存量或固廢[35]。而現有效率分析大多針對其中一個或一類過程進行分析,少有研究包含上述多個投入產出過程進行綜合效率分析。本研究根據案例地區相關數據的可獲得性,構建相關投入產出指標體系(表2)來評估深圳市2005—2017年期間城市代謝的綜合效率。指標數據來源于《2006—2018年深圳統計年鑒》,《2005—2017年深圳市水資源公報》,深圳市政府部門官方網站以及近期發表的相關文獻(表2)。

表1 關鍵詞聚類信息表

注：輪廓系數(silhouette)：聚類相似性度量,是簇的密集與分散程度的評價指標;輪廓系數的值在-1和1之間,該值越接近于1,簇越緊湊,聚類越好；對數似然比(log-likelihood ratio,LLR)：聚類標簽詞提取算法之一, 在聚類里LLR越大的詞越具有代表性

表2 城市代謝綜合效率的投入產出指標體系

2.2 深圳城市代謝綜合效率評估

結合Super-SBM模型與上述指標體系對深圳城市代謝綜合效率分析可知(表3),2005—2017年間綜合效率呈波動狀態。相比2005年,深圳城市代謝綜合效率在2017年并沒有得到明顯提高。其中,大部分年份表現為DEA有效(效率值大于1),表明這些年份城市代謝過程取得了高效運行。2006、2007、2011和2013年則表現為DEA無效(效率值小于1),相對于其他有效年份,這些無效年理論上可基于更少的資源消費量,產出更多的經濟效益和減少更多的環境污染輸出。通過投入產出松弛變量解讀可揭示各年的資源投入冗余量與經濟或減排產出不足量(表3),在2008—2012年間,除了2011年,其余年份城市代謝綜合效率均優且沒有投入冗余項。2011年綜合效率較低主要體現在當年資源利用效率不高,如水、能源與建材等資源消費沒有產出理想的經濟效益,同時燃燒源溫室氣體與氮氧化物減排效率低。總體而言,研究時期深圳城市代謝高效年份較多,然而,相比2005年,2017年深圳城市代謝綜合效率并沒有得到明顯提高。

表3 城市代謝綜合效率及其投入產出的冗余與不足

相對于能源、食物與耐用物質消費,深圳市在水資源利用效率上仍存在提高空間,在研究時期水資源投入冗余沒有明顯減少,很大程度造成當年整體城市代謝低效；而深圳在經濟產出方面仍有潛力,目前城市資源消費并未獲得最大經濟效益,尤其是在2011年后,這一時期,深圳經濟結構轉型還在持續,在環境經濟效益方面仍未達到最優化階段。對于污廢排放,深圳市碳氮減排效率有顯著提高,尤其2007年后深圳碳減排存在較少產出不足年份,且所需減排量也逐漸減少,這歸功于《深圳市國民經濟和社會發展十一五規劃綱要》強調的產業結構優化與廣推循環經濟,其促使減少化石能源消費及其相關污染排放成為環境管理工作重中之重[40],從而促進工業源溫室氣體與氮氧化物減排效率的提高。同時,深圳市保持相對少的建筑垃圾產生量,但在2012年建筑垃圾減少不足量達歷年之最,這可能與當年高房價驅動下住宅擴建與舊城改造浪潮開始有關,建筑拆建與裝修改造導致大量磚石、金屬與木材等耐用物質報廢為建筑垃圾[41]。

3 討論

目前深圳城市資源自給率很低,資源對外依賴性很大,尤其是食物、能源、淡水、沙石木材等關鍵資源,幾乎都需要區域之間的物質流動來支持深圳城市發展,上述資源要素的可持續消費被認為是解決目前大型城市人口膨脹、資源短缺和生態環境退化問題的關鍵所在[42]。近年,隨著《粵港澳大灣區發展規劃綱要》及《中共中央國務院關于支持深圳建設中國特色社會主義先行示范區的意見》等文件相繼出臺,對深圳市可持續發展的先行示范作進一步要求,其中對上述資源的可持續消費都分別作了針對性要求。因此,提高城市物質代謝效率,促進資源可持續消費,對于深圳滿足“雙區”要求尤為重要。本文構建的指標體系能較好涵蓋上述資源要素,可整體反映資源稀缺型城市的代謝狀況。相較于早期針對深圳城市代謝效率的分析[11],本文效率評估方法不局限于單位GDP生產所需的水耗、能耗及其污廢排放所構成的投入產出比值,而是整合多個關鍵要素的代謝效率進行綜合評估,評估結果能從整體視角為城市可持續發展提供科學參考。對于深圳市而言,若以單位GDP產出所需的資源消耗或污廢排放來簡單衡量城市代謝效率,往往易得出城市代謝效率逐步提高等結論,畢竟深圳GDP增長率久位全國前列,且其經濟增長與資源消費已形成脫鉤關系[43]。相關前期研究也通過DEA模型嘗試結合多類投入產出項對深圳城市代謝效率及其環境效應進行一個整體刻畫,但大都只關注于廢水、廢氣和固廢等比較籠統的非期望輸出指標,不能體現元素循環在城市食物、能源與水等必需資源消費及代謝過程中的重要性[42,44]。對于深圳市這類受土地資源約束的超大型城市,其發展從“增量擴張”逐漸轉為“存量優化”階段[45],未來城市發展很大程度依賴于城市更新,會加劇和擾亂城市耐用物質的代謝速率及穩態,城市代謝效率評估應需同時涵蓋這一方面。

通過對城市代謝效率研究領域的熱點識別,從中選取關鍵指標形成綜合效率評估指標體系,既切合當前城市代謝效率研究前沿,又能相對滿足城市可持續發展要求。聯合國在《2030年可持續發展議程》中提出了17項可持續發展目標(Sustainable Development Goals, SDGs)[46],本評估體系可綜合反映部分SDGs,如SDG1(消除饑餓),SDG6(清潔飲水與衛生設施),SDG7(能源普及與提高能源效率),SDG9(基礎設施與工業創新),SDG11(城市與社區可持續發展),SDG12(可持續的消費與生產模式),及SDG13(應對氣候變化)。然而,該體系所需指標易受數據不全或評價邊界模糊影響,導致應用范圍受限。本文的結論提出僅是基于深圳市2005—2017年的投入產出數據,未來還需更長的時間序列數據以及不同地區的研究結果來驗證方法的適用性及其存在的誤差。

城市代謝效率評估是保障城市生態系統有序運行的重要部分,其能為城市決策部門優化資源配置,提前布局避免潛在生態環境問題提供科學參考,但從代謝效率評估階段過渡到城市代謝優化階段仍缺乏管理抓手,仍需相關方面的研究來促進城市代謝管理的有效“落地”,如城市代謝通量的常態化監測,代謝過程的時序模擬及空間化,代謝效率評估的標準化及普適性等等。結合碳達峰、碳中和目標和探索“無廢城市”建設將成為未來深圳城市代謝效率研究的關注熱點,這為日后城市代謝綜合效率評估提供了改善空間,使其更好服務于未來城市代謝管理,本研究對于綜合效率評估方法的案例分析旨在為后續城市可持續發展評估邁出探索的一步。

4 結論

本文通過文獻計量分析,梳理了國內外近30年的城市代謝效率的研究進展,整合了代謝效率研究熱點所涉及的要素,以此建立評價指標體系通過案例研究對城市物質代謝綜合效率進行評估。結果表明：(1)環境科學與資源利用領域為全球城市代謝研究論文發表最多的領域,說明城市環境與資源問題仍是城市代謝研究持續關注的重點。城市代謝效率研究熱點關鍵要素包括能源、水資源、碳氮元素及耐用物質(主要為建筑材料)等要素及其環境效應。(2)通過案例分析,深圳城市代謝綜合效率在2005—2017年間呈波動狀態,多數年份城市代謝過程取得了高效運行,但仍存低效年份,截止2017年,綜合效率并沒有得到明顯提高。在資源投入與效益產出方面,深圳市在水資源利用效率方面仍需提高；在當前的資源消耗水平下仍有較高的經濟效益提高潛力；同時,深圳市在碳氮元素環境排放及建筑垃圾減排減產效率也有了一定程度的提高。(3)通過城市代謝效率研究的熱點識別,可明晰目前城市代謝綜合效率評估所需涵蓋的要素,由此建立評估體系可用于綜合效率評估的實踐運用,盡管仍需后續不斷完善,但其能較全面反映城市資源利用效率的動態,可為日后城市可持續發展評估提供科學參考。