城市是一个以人类活动为中心的社会-经济-自然复合生态系统。长期以来，中国城市所遵循的高投入、低产出、高污染的粗放型发展模式导致了严重的结构性隐患与环境问题，如高度依赖外界物质能源投入、物质与能源利用效率低、城市废弃物恣意排放、环境污染、生态破坏等。这些生态环境问题已对我国的城市生态系统和居民健康产生了一系列惩罚性影响。基于生物物理的视角考虑，城市生态环境问题的出现，与城市代谢不良密切相关，可以归结为城市生态系统日益增大的代谢流量，日趋复杂的代谢结构，不断降低的生态效率，持续恶化的环境影响，体现在两个方面问题的凸显：一方面，随着城市空间拓展和人口膨胀，对资源消耗的需求持续增加，且资源利用效率低下。能源、土地和水三大核心资源的供需矛盾日益突出，资源短缺的“瓶颈效应”越来越显著。另一方面，在当前的产业结构和生产工艺水平下，高物质投入和高能量消耗必然导致高污染排放。近年来松花江水污染、太湖蓝藻等越来越多的环境污染事件为我国城市发展模式敲响了警钟。毫无疑问，如果仍然沿用现有发展模式，必将更为强烈地影响我们赖以生存的自然生态基础，最终导致城市健康程度降低甚至生态系统崩溃。　　 由此，城市代谢全过程的研究成为实现城市生态规划和环境管理等实际工作优化与决策的关键理论问题之一，通过对城市代谢过程的追踪和量化，摸清其运行机制，不但可以定量描述城市资源系统支撑和环境负荷，更可以找到城市代谢过程的优化路径，提高其资源利用效率。但是，在利用代谢研究方法剖析我国城市生态系统的过程中，无论是在方法体系上，还是其在我国城市生态系统应用的实际情况，都逐渐凸现出如下问题亟待解决：　　 （1）城市生态系统代谢分析的研究对象包括物质性和非物质性两大类，目前的研究主要集中在前者，如原材料、能源及“三废”污染物等。由于当前主要能源类型为化石能源，其可用能储存于含能物质中，因此本质上能源也属于原材料，仅加工转化过程和利用形式有所不同。需要特别注意的是上述研究对象均已被纳入经济分析，但事实上城市中的生产生活行为还获得了大量生物圈可再生资源的支撑，包括阳光、土壤、风力等，以及环境容量、劳动力和信息，传统的研究对此考虑较少。而如何真正实现城市资源消费的高效和“减量化”，必须全面、系统地考察城市生态经济系统的各种资源消费。　　 （2）传统的对系统代谢研究的方法主要有以质量守恒为基本依据的物质流分析方法（MFA）和以能量守恒为基本依据的能量流（EFA）分析方法。但是，物质重量相加，忽视了各种资源之间的品质差异，即为社会提供最终福利能力的差异。最为重要的问题是，因为其计量过程是以物质和能量守恒定律为基本依据。传统的城市物质代谢方法体系无法真正体现资源品质的衰减过程，也就很难理清废弃物资源利用的层级结构。换句话说，很多“强制性”资源回用往往导致整体过程中更大的资源浪费，也是很多循环经济设计“只循环不经济”的根本原因所在。　　 （3）大多城市代谢的研究采用把系统看作灰箱，将研究的重点多局限于元素代谢或部分子系统过程的物质代谢研究，尚未建立城市代谢的完备机制，以及缺乏对代谢的过程、机理、通量、效率、结构和影响的全方位度量。这一缺乏主要源如何揭示城市生态环境问题的深层次原因，并定量其间互动关系及其对整体城市系统的多方面影响，这需要对城市生态过程进行系统合理的拆解与整合。因此，只有建立城市生态过程核算体系，综合考虑系统生态流与生态组分之间复杂的作用关系，即生态流+生态组分=过程，才能深刻揭示城市生态系统结构--过程--功能演化机理，从而才能实现一体化核算、诊断、模拟与调控。　　 本论文的立项初衷体现在如下两个方面：　　 第一，在分析资源消费及其环境影响时，重新界定城市代谢的内涵与外延，涵盖城市范围内的物质性资源与非物质性资源，将“资源”与“废弃物”统一在一个概念之下，即“废弃物是可用性降低的资源”，一个代谢过程的废弃物可能是下一个代谢过程的资源输入。本研究引入生态热力学方法进行资源量化分析。　　 第二，解决城市生态系统的资源环境问题，似乎就是要城市在资源消耗--污染排放的过程链条上进行削减（国家在“十一五”规划纲要中提出单位GDP能耗降低20％左右，主要污染物排放总量减少10％的节能和减排两个约束性目标），但除了能源，还要“节什么、谁来节、减多少”等系统性的问题其实并不明确。因此，探索城市系统资源消耗、废弃物排放以及资源回用之间的关联关系，系统解析城市资源消耗的结构（组成结构与部门分配结构）特征，研究区域城市发展过程中资源消耗的变化规律及其代谢机理，有助于寻找、评估和实施低排放的资源利用模式，提高效率和循环利用水平，为政策制订提供科学的决策工具，实现城市资源消耗的生态管理与调控，从而更好更快的推行两型社会（资源节约型和环境友好型）的建设。　　 本论文以北京为例，运用生态热力学的方法，从时间轴的动态演替角度动态评价北京城市生态系统多年演变趋势，进而从水平轴的空间模式角度对中国典型城市进行聚类分析，划分中国城市基本代谢类型，研究不同代谢类型的主导因子和限制瓶颈，以及基于相同代谢模式的城市分布规律。本研究有利于解决城市代谢不良的影响因子识别问题，优化城市的物质代谢系统，使政策制定者能够确定如何在现有的经济基础上，以及在向生态经济转型的关键发展时期，避免支付高额生态成本和重复发达国家城市建设中的末端控制模式，推动社会系统的生态化转型实践，力求突破当前城市发展的瓶颈，促进城市的健康发展。本论文主要的研究成果如下：　　 1.对城市的可持续发展进行热力学解析，提出与“热熵”概念相对应“城市代谢”问题和“产熵-排熵”的“可持续发展”问题。提出控制人口以及改变高消费的生存方式的自我设限，是实现城市可持续发展的必要条件。　　 2.模拟生物有机体，在剖析城市代谢内涵、城市代谢过程特征的基础上，建立了城市代谢模型，从合成代谢过程、分解代谢过程、调控代谢过程等方面提出了城市代谢过程模拟框架。核算了北京城市代谢系统中各种物质流、能量流、货币流，从生物物理学角度评估了北京市社会经济及资源环境状况。结果表明：（1）从1999年到2006年，北京市流量、强度和密度都显著增加，城市代谢过程大部分依赖于外部购买的不可更新资源的消耗；（2）外部购买的不可更新资源主要依赖于它省的资源供给，对国外资源利用很少，说明北京是一个本国资源依赖性的城市，而且这种依赖程度在不断增长；（3）当前过快的城市代谢过程主要由固定资产建设所拉动，随着北京基础建设程度放缓，这种高依赖性的代谢模式会的到一定的改变。　　 3.依照Eco-Indictor99的划分标准，结合自然系统对污染物的自净化及污染对经济系统和生态系统的损害程度测度方法（DALY法和PDF法），从城市代谢生产过程和消费过程研究城市代谢对人群健康和自然生态系统的影响。并以北京为例，研究1999-2006年北京城市代谢演替情况，结果表明：（1）8年来北京整体健康程度呈现波动上升状态，在考虑生态损失的情况下其健康水平有5％-12％的下降；（2）二氧化氮和温室气体是北京生态系统损失和经济损失的主要影响因素；（3）当前排放已远远超出北京环境容量；（4）北京城市代谢系统对生产过程污染排放治理投资保持稳定，而对于消费过程污染排放治理投资却滞后于实际排放影响，导致其造成生态系统损失和经济损失波动上升。　　 4.通过建立城市生态网络模型，探讨了城市生产者、消费者、分解者之间的生态关系和关联程度，城市生态关系包括生态组分间的掠夺、控制和共生等关系，以及亚组分间的竞争、中性、偏利共生、无利共生等关系。利用网络路径分析方法研究了代谢长度与代谢路径数量、连通性的变化关系，由代谢路径的数量分布确定了城市代谢系统的基本营养结构，以及各组分间的作用途径；利用网络有效利用矩阵中正负号分布、数量比值，确定了城市代谢系统各组分间的作用方式、共生状况，最后揭示出固有网络结构中复杂的生态关系。研究结果表明：北京是具有一个高度竞争性的部门共生体，而且随着代谢长度的增加，城市代谢系统中各组分间的作用途径更为多样，代谢路径数量、连通性不断提高，与其他经济系统相比，北京七部门生态关系更类似于伦敦经济系统。　　 5.基于能值理论，选择效率、结构、通量、影响四个方面作为生态系统健康评价的4个要素，每个要素都用相应的能值指标对城市生态系统现状进行描述。并综合上述指标构建城市健康能值指数（EUEHI），从空间尺度，选取中国典型31个城市进行基于能值的城市健康评估，并进行空间聚类分析，得出中国典型城市健康分布图。结果显示：（1）中国城市健康程度呈现“弦”状分布；（2）健康等级从沿海到内陆呈现先递增，后递减的状况，L3>L2>L1。并进一步对影响中国城市健康水平的因素进行敏感性分析，分析结果显示：（1）中国城市经济健康指数和环境健康指数呈负相关，说明当前中国城市发展模式下，经济与环境的“双赢”局面很难实现；（2）当前中国大部分城市分布在低经济发展模式、高经济制约模式，说明当前经济仍是中国大多数城市的制约瓶颈之一，而发展模式的落后使得经济与环境不能同步改善，导致整体健康水平低。需要进一步调整系统组织结构的配置，提高运行的效率，合理调整经济发展的速度、环境负载的程度以及资源耗竭的速率等。　　 6.结合敏感性分析，提出面向可持续发展的北京结构优化情景，分析城市代谢模型对不同参数的敏感性，通过城市代谢系统结构和功能的分析可以为其结构优化和关系调整提供一些建议。