引言
联合国2024年发布的《可持续发展目标报告》明确提出建设"包容、安全、有韧性和可持续的城市与人类居住区"的要求，表明可持续城市发展已成为全球共同议程（United Nations, 2024）。中国城镇化持续加速，2022年常住人口城镇化率达到65.2%，预计到2035年将达到75%（Jiang等, 2025）。然而，快速城镇化也引发了与资源消耗和环境污染相关的系统性风险。截至目前，中国已识别出69个资源枯竭型城市，其中包括24个地级行政单位（Peng和Yu, 2025）。2023年，中国293个地级及以上城市中有超过40%的城市超过国家环境空气质量标准（Ding等, 2026）。如同复杂的生命有机体，城市通过持续的代谢过程运行（Galán-Cano等, 2025）。资源与环境问题日益表现为系统性问题，可归因于城市有机体内部的代谢紊乱。因此，有必要考察城市代谢过程以及城市内部各组成部分之间的相互作用，以识别资源与环境挑战的根源。
城市代谢（UM）理论分析城市内部物质与能量的输入、转化、输出和循环。它与自然有机体的代谢过程进行类比，为评估城市生态系统及其可持续性提供了创新框架（Tang等, 2025a）。Zhang进一步阐明，城市代谢研究将城市视为生命有机体，模拟其代谢过程，分析物质能量流以及人地相互作用（Zhang, 2018）。现有研究大多集中于单个城市（Wang等, 2025, Wang等, 2025），通常考察多个城市部门。例如，对北京物质代谢（Ning等, 2024）、深圳碳代谢（Ke等, 2024）以及瑞典翁厄的城市资源代谢（Papageorgiou等, 2025）的研究。其他研究则聚焦特定部门，包括住宅建筑部门的物质流（Alva等, 2026）和能源部门的电力代谢（Mansour等, 2026）。随着对循环经济日益重视，城市代谢研究越来越多地关注废弃物产生与分类（Alimoradiyan等, 2025；Liu等, 2026, Liu等, 2026）、循环基础设施（Artimenia等, 2026；Bahers和Rutherford, 2024），以及固体废物回收率和减排（Liu等, 2026）。跨多城市的比较分析仍相对有限。例子包括对中欧四个城市（Bokwa等, 2019）、中国八大城市（Liu等, 2025）和中国20个代表性城市（Wang等, 2026）的研究。其他例子还包括对巴黎和波士顿四个社区（Doussard等, 2026），以及不同国家的四个城市，包括维也纳（Fath, 2025）的研究。其他研究聚焦特定区域内的多城市比较，如京津冀地区（Tang等, 2025b）、长江三角洲（Sun等, 2026）和珠江三角洲（Wang和Liu, 2025；Zhang等, 2026）。然而，由于案例数量有限以及研究区域的地理集中，这些研究所覆盖的城市类型范围受到限制。因此，这些研究仍不足以揭示城市代谢的一般规律和不同城市类型的显著特征。
早期的城市代谢研究通常将城市视为"黑箱"，重点关注城市尺度的资源能源消耗总量，以及物质和能量的输入与输出。然而，此类模型难以揭示城市系统的内部过程以及各组成成分之间相互作用的详细变化（Galán-Cano等, 2025）。为解决这一局限，学者们引入了生态网络分析（ENA）。ENA将城市系统内物质、能量和信息的传递表征为相互连接的节点网络，模拟系统与外部环境之间的流动以及系统内部节点之间的流动（Cai等, 2025），从而有效地"打开"了城市代谢的"黑箱"（Galán-Cano等, 2025）。ENA已被广泛应用于水代谢（Yang等, 2025；Yuan等, 2026）、水-能耦合代谢（Yang等, 2024；Zhang等, 2025）以及氮磷代谢（Dong等, 2026）等领域。在该框架下，基于矩阵的计算可以定量刻画网络节点的多维属性，包括其结构、关系和功能（Li等, 2025）。这些计算有助于识别关键节点（Lin等, 2025）和关键路径（Wang等, 2025）。部分研究基于直接流矩阵引入了混合营养影响（MTI）指数，以量化给定节点对网络中其他节点的结构影响（Gao等, 2021a；Muscillo等, 2023）。其他研究则通过网络效用分析构建效用矩阵（Chen等, 2025；Zhi等, 2026；Zhong等, 2025）。这些矩阵可用于识别节点间的生态关系类型，如互利、竞争和控制（Lin等, 2024；Liu和Wang, 2026；Yuan等, 2025）。它们还可以用于计算网络互利指数（Lin等, 2026；Xiang等, 2026；Xu和Guo, 2024）以及量化部门生态效益（Li等, 2025；Wang等, 2024；Zhang等, 2025）。此外，Liang等（2023）进一步通过计算系统内所有生态关系产生的效用之和，评估了各节点所经历的危害或收益程度，从而表征了节点在网络中的生态功能。尽管如此，现有研究大多仅从单一维度刻画节点属性，缺乏对多维指标的综合考虑，这限制了其全面表征城市代谢系统关键特征的能力。
针对上述研究空白，本研究将分析从单城市案例扩展至多种城市类型的比较评估，选取20个中国代表性城市作为案例研究。这些城市的选取旨在反映地理分布、城市规模、发展阶段和产业结构等方面的多样性与代表性。在统一的分析框架下，本研究构建了一个涵盖八个部门的城市物质代谢网络模型，并基于该模型在不同类型城市间开展比较分析，从而识别共性规律与显著差异。本研究进一步整合生态关系、MTI和生态效益等多维指标，克服了单一维度评估的局限，从过程、结构和功能三个方面捕捉城市代谢系统的特征。此外，本研究通过曲线拟合考察这些特征与总物质流之间的关系，揭示了随着代谢规模扩大，城市代谢系统的内部结构与功能相互作用如何演变。研究结果为推进从单纯依赖规模扩张向城市代谢结构协同优化以及部门间关系调控转变、促进城市高质量发展，提供了量化证据与决策支持。
