论文标题：Thermodynamic-based ecological scaling theory in urban metabolic framework: a review

期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者：Gengyuan Liu, Mingwan Wu

发表时间：15 Jan 2025

DOI： 10.1007/s11783-025-1924-8

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FESE

Young Talent Award 2024

摘要

城市经济和社会系统遵循经验尺度定律。同时，大量证据包括能量代谢的无尺度网络、物种和种群的异速生长模式，以及生物圈系统中各级之间的有用能与转换性尺度定律关系，表明城市生态系统在自组织过程中表现出能量代谢的多级尺度定律特征，同时具有显著的人类活动印记。本研究综合上述成果，假设城市生态组分也与城市代谢框架内的系统级尺度理论相一致。这包括：1）多稳定共存和相互转化现象的存在，反映了尺度定律的动态性质；以及2）生态系统与社会经济系统之间微妙的平衡，特别是在空间竞争和产出效率方面。城市代谢过程的生态系统尺度理论假设为识别生态安全临界点提供了理论依据，这对未来生态规划和管理的战略决策至关重要。

摘要图

1 引言

现有复杂性研究通常将城市化解释为居住在城市地区的人口比例的逐步增加。城市化触发了经济扩张、人口集中、社会进步以及空间重组 在此背景下，城市经济和人口集聚显示出空间一致的尺度定律，这为“尺度理论”的早期发展奠定了基础。尺度理论是指城市人口、建设空间、社会经济产出和基础设施成本之间存在多种尺度关系的集合。

在以往的研究中，大多关注经济和社会系统的尺度定律效应，但较少关注生态建设的尺度定律特征。掌握了城市生态建设的统一规律，可以为未来城市生态建设规划和趋势预测提供重要的理论指导。

2 热力学视角对规模理论的新认知

2.1 生态热力学视角下的生态系统能量代谢规模理论

生态热力学是研究生态系统中能量转换和物质循环过程的热力学分支。通过热力学视角，可以量化生态系统的功能状态，评估其对外界干扰的响应，并预测长期的环境变化对生态系统可能产生的影响。从生态热力学视角出发，生态系统通过结构与物质能量的流动实现节点的连接和网络构建。现有研究中已经在生态系统层面发现生态网络物质能量关系具有尺度定律特征。因此有理由推断，在生态热力学视角下的生态系统具有较强的符合尺度理论的特点。

2.2 生态热力学视角下的城市能量代谢规律探索

在生态系统的热力学观点中，城市发展和内部运转逻辑如何影响资源和能源的传输、消耗和废弃的全过程，类似于生态系统演化过程中物质流动和能量传输的新陈代谢过程，伴随着能量效率提升和熵增。因此，城市新陈代谢是将城市单元视为一个“超级有机体”。根据这一热力学观点，城市有机体如同生态系统功能实体，通过资源和能源模拟生态系统养分和能量的流动，反映城市有机体生长过程中的复杂反应过程，以及各能量层级之间存在的级联效应。

2.3 热力学视角下城市系统中的生态要素是否应该符合尺度定律？

城市生态系统在一定程度上符合尺度定律的原因有内在原因和外在原因两方面。在内因方面，生命有机体的新陈代谢依赖热力学能量流动的推动，形成生态系统的一系列发展演化过程。在外因方面，城市化与生态环境之间存在复杂交互作用。城市生态基础设施中的生态空间不仅是野生动物迁徙和生态过程的栖息环境，还可以为人类产生各种生态系统服务效益。

3 城市系统中生态要素的尺度定律假说提出

根据文献综述，作者认为城市生态基础设施是在绿色可持续发展时期，人为建设、修复、维护、保育的，为城市人口提供绿化景观和休闲娱乐场所等服务功能的城市公共基础设施，应与其他人造设施一样，符合尺度定律特征。其热力学机制是通过自组织式的能量转化和耗散构建能量梯度，形成复杂性差异化和多功能分化的系统多稳态结构。城市生态系统尺度定律假说中包括了由于城市自然资源禀赋造成的多稳态共存假说、社会经济扰动下的生态权衡假说。

3.1 城市生态系统能量代谢的多稳态共存与规模特征

在识别系统应对外力干扰的复原力和系统崩溃临界点之前，系统状态转变的过渡信号均表征在城市生态系统的多稳态结构中。因此，城市生态系统的尺度定律所体现的系统状态转变也涉及更精细化尺度下的多稳态共存现象。在城市生态系统中，由于自然资源禀赋的空间分配差异，造成区域生态空间分布不均衡，与人类活动范围相互竞争、在合理范围内共存的多个状态。类似于草原生态系统中，以非洲草原整个生态系统分区为例，由于降水量的不同，从水资源丰沛的高密集型大片草原，过渡到由于水资源相对匮乏形成草甸斑块镶嵌于旱地，再到降水稀缺的荒漠地带，多种状态共存并稳定延续，形成了多稳态结构。因此，生态系统空间斑块多稳态中，部分状态集合（图1中的状态iii和状态iv）形成了尺度定律特征。

图1 城市生态系统的能量层级和多层级转化的尺度规律

3.2 社会经济扰动下的生态权衡与阈值效应假说

当经济系统、社会系统的生态位与生态系统的生态位发生重叠时，将引发不同子系统之间的空间和能量竞争。城市生态系统内部生态系统服务之间的权衡关系，在适应气候变化和区域环境特征上具有明显的尺度效应，从小尺度到大尺度权衡的内容和强度各异。在城市复杂系统多要素权衡中，系统层级的权衡结果将影响系统内部组分的权衡与协同相互作用。而生态与经济社会的权衡关系和状态变化的阈值范围对于进一步制定城市发展战略政策，提升城市生态韧性，具有重要的参考价值。

4 结论

本研究批判性地回顾了城市社会经济系统的尺度理论和控制城市代谢的热力学原理，提出某些城市生态系统组成部分表现出类似于社会经济系统的尺度定律。城市生态系统能量流动和物质转化的热力学视角促进了对城市生态原理的连贯理解。作者进一步提出，未来应将这一假设纳入城市生态系统演变和城市化影响的研究中，从而丰富城市生态系统的统一理论框架。

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本文内容来自FESE期刊2025年第19卷第1期发表的研究文章“Thermodynamic-based ecological scaling theory in urban metabolic framework: a review”。通讯作者为北京师范大学的刘耕源教授。

引用格式：Gengyuan Liu, Mingwan Wu. Thermodynamic-based ecological scaling theory in urban metabolic framework: a review. Front. Environ. Sci. Eng., 2025, 19(1): 4

https://doi.org/10.1007/s11783-025-1924-8

本文来自Special Issue—Young Talents

作者简介

刘耕源，教授，博导，青年长江学者（评优二期滚动），北师大教学名师，生态学优秀科技工作者。环境学院副院长。欧盟项目外籍专家、发改委碳核查专家、国际能值协会（ISAER）干事、国际清洁生产进展网络（ACPN）亚太区主席、北京生态修复学会副理事长、中国生态学学会理事、阿里云碳中和特别工作组专家等。 长期致力于城市“双碳”大数据建模、生态暴露与人群健康、生态产品价值实现、能-水-食物耦合优化等方面的研究，主持多项相关课题，在PNAS、The Innovation等期刊发表SCI论文150余篇，获得教育部科学技术进步奖一等奖、自然科学二等奖、茅以升北京青年科技奖等。

期刊简介

Frontiers of Environmental Science & Engineering是由高等教育出版社、中国工程院和清华大学共同主办的环境领域综合学术期刊，聚焦环境领域前沿问题与研究成果，重点关注开创性、跨学科的研究，致力于打造具有国际影响力的高水平学术交流平台，是中国工程院院刊系列期刊、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊。

主编：曲久辉院士，John Crittenden院士

期刊官网1（国内免费获取）

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期刊官网2

www.springer.com/journal/11783

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