地理学综合研究的生态热力学途径：基于exergy的城市生态-社会经济系统综合分析

综合研究是地理学存在的基本前提之一，也是社会实践对地理学发展的要求。探讨综合分析方法和技术对于提升地理学的理论水平和应用价值均具有重要意义。本项研究引入生态热力学理论与技术，以城市生态-社会经济系统作为研究对象，在城市内部过程/子系统、城市系统以及区域等多个尺度上探索exergy（火用）值作为综合分析手段的途径。本项研究设置以下主要研究内容：城市内部主要生态-经济过程的exergy值利用与转化、城市子系统的exergy网络分析、城市自然要素和人文要素的exergy值核算与综合分析、区域exergy值空间格局及其时间变化趋势，以及不同类型城市exergy值特征的比较等。通过该项研究，可以明晰城市生态－经济过程运行的生态热力学机制，可以辨识城市自然和人文因素对于城市整体结构与功能的作用大小与程度，可以丰富城市综合评价的方法与途径，最终构建起城市生态－社会经济系统综合测度的生态热力学框架。

本项目尝试引入生态热力学理论、方法和与技术，以生态-社会经济系统作为研究对象，在多个空间尺度上探索exergy 值和能值等方法作为地理综合研究手段的可行性。主要研究成果如下：. 在理论研究方面，初步构建了一个以能值和exergy 值为主要方法，涵盖生态足迹和能量分析的地理综合研究生态热力学范式。从认识论视角，该范式将由自然和人文要素组成的地理系统视为可以分解和重新整合的非线性动态系统，系统在与外界的物能和信息交换中形成了特定的结构与功能；从方法论视角，该范式将系统要素过程及物能和信息流动换算成统一的量纲如能量、能值、exergy 值或空间单位，进而构建生态热力学评价指标，对地理系统进行综合测度。. 在案例研究方面，应用生态热力学途径核算了小型农场、城市和国家三个尺度的生态-社会经济系统，并构建了相应的评价指标对系统整体性能进行评估。在对深圳市三个小型农场的分析中，能值指标能够清晰地区分农场系统的性质、结构组成、发展程度、环境负载和可持续发展潜力；应用exergy值途径对北京市生态-社会经济系统进行现状评估和动态模拟。结果表明，从1990年到2010年北京市exergy值使用中依赖本地自然资源的比例显著下降，exergy 值流大都需要从外界购入；废弃物与可更新exergy 值比快速升高，反映了经济总量实现迅速增长的同时，给环境造成了巨大的负载和压力。exergy 值投资率高速增长，表明城市外部依赖性明显增强，环境负荷增加。经济生产效率指数缓慢下降，城市经济单位增长的外部资源exergy投入增加，表明经济生产效率在降低。从整体上看，用exergy 值指标衡量，北京城市系统的可持续发展性能和竞争力有所下降。对北京市exergy 值指标动态模拟表明，未来100年土地利用类型变化总的趋势是农业用地的大量减少和城市建设用地的持续增加，人均生态财富量呈现下降态势，生态成本、资源消耗与环境排放的变化趋势大致呈现倒“U”型；应用能值改进的生态足迹模型对全国各省区的可持续发展能力进行评价，结果表明，我国目前总体生态经济系统处于盈余状态。从1996—2008 年，尽管人均生态足迹不断增长，但因生态承载力的增长快于生态足迹，因而生态盈余也不断增加。根据生态盈余和经济发展水平，可以将我国发展类型划为高发达高盈余、高发达低盈余、低发达高盈余及低发达低盈余等几种。