区域代谢中的功能相互依存与空间溢出效应：基于比利时互联城市网络的空间计量研究

《Resources, Conservation and Recycling》：Functional interdependence and spatial spillover in the regional metabolism: a spatial econometric study of an interconnected network of cities in Belgium

　　

# 摘要

城市代谢不仅受本地特征影响，还受到互联区域系统中相邻城市相互作用的塑造。本研究基于互联城市代谢（Metabolism of Interconnected Cities, MIC）框架，探讨了空间邻近性与城市间相互依赖性如何影响区域代谢成果。研究以比利时三个区域作为案例。采用空间计量经济学方法（包括空间杜宾模型）以及OLS和K-means聚类分析，识别能源使用和废弃物产生的结构性与空间驱动因素及其直接和溢出效应。结果显示，两个变量均存在显著的空间关联，且具有不同的区域模式。能源消耗主要受本地因素影响，而废弃物产生在城市间表现出强烈的空间相互依赖性。研究结果揭示了经济结构、城市形态和土地利用特征的差异如何导致不同的区域代谢成果，并为制定考虑城市间相互依赖性的政策提供了参考。

# 引言

城市代谢（Urban Metabolism, UM）是研究城市地区物质与能量平衡的学科，作为衡量物质和能量流动与存量的核算框架（Kennedy等，2011）。代谢功能由社会经济组成部分处理，如人口、收入、创业活动、贸易、制度、通勤和土地利用，以及城市地区的自然、文化和政治组成部分。这些独立的社会经济和自然组成部分构成城市系统的基础单元，它们的集合可以定义为"城市特征"。城市特征是指涵盖建成环境形态、社会经济构成、制度安排和环境背景的结构与功能维度（Verma等，2025）。此外，城市并非孤立存在。它们通过依赖于腹地或远方地区获取资源、维持城市运转和增长以及处理废弃物，表现为相互关联的实体。这些依赖性通过基础设施、人口流动、政治和制度形成（Kennedy和Sgouridis，2011；Minx等，2013）。

城市地区可以被视为节点，以不同强度的空间相互作用动态存在于其周边地区之中，共享的UM能力和需求可以推动互联的区域发展。这些空间关联通过城市特征进行调解，但两个城市之间物质和能量的物理转移难以测量。尽管这一认识对UM研究具有重要意义，但区域相互作用的影响以及邻域空间关联如何影响城市可持续性，在实证研究方面仍然不足。相互依赖性超越了物理基础设施的范畴，依赖于经济合作、金融体系、政策协调、制度安排和治理结构（Bei，2017；Huang，2016；Lin和Iftikhar，2024）。它产生于UM能力与需求之间的互动以及更广泛的城市特征，包括经济结构、政策框架、制度能力、空间格局和生态背景。

城市功能以物质和能量消耗、城市人口统计、经济、社会或政策等方面的形式，通过社会和物理空间关系影响UM，进而影响城市的可持续性和环境影响（Barles，2010；Schaffartzik等，2014）。例如，相互靠近且靠近资源基础的城市可能比距离较远的城市更有效地利用资源，因为与资源的地理接近性和基础设施的空间分布都在城市有效利用资源方面发挥作用（Roy等，2015）。此类空间关系可以被假设为连接城市区域并维持互联城市UM网络的纽带（Verma等，2025）。相互关联城市的复杂性、规模和本地背景需要采用关系性和多尺度方法（Athanassiadis等，2018）。

关于流动模式和多种运输方式，更密集的城际流动网络与促进城市集聚形成有关（Wen等，2025）。核心城市具有更高的互联性，控制着与周边城市的集群形成，每个城市在此类空间关联网络中扮演独特的角色（Wen等，2025）。识别此类网络中包含哪些类型的城市将有利于规划战略并发挥此类城市的区域改善功能。在中国，收缩型城市与当地及周边地区的较低空气污染有关，收缩型城市的经济发展与周边城市的较低空气污染有关（Qiang等，2021）。城市人口可以直接预测GDP和就业；然而，就城市的创新能力而言，人口的预测力较低。（Liang等，2024）报告称，中国和美国的专利数量与其城际连通性之间存在强正向关系。与仅使用GDP、人口和教育相比，其模型在加入网络预测变量时表现更好。另一个来自交通规划的例子突出了复杂网络分析在希腊有效空间-经济模型中的作用（Tsiotas，2025）。（Tsiotas，2025）报告了一种"通过道路连通性进行轴向发展"的模式，该模式影响了希腊的区域发展。在伊朗的哈马丹和诺乌沙赫尔，主动出行也被发现与邻里之间及邻里内部的街道连通性有关（Mehriar等，2024）。因此，关于城市间空间连通性和相互依赖性的大多数研究来自交通领域；然而，这些研究揭示了功能相互依赖性的不同面向。这些可以归类为Verma等（2025）讨论的地理（土地利用和土地覆盖）、政策、城市发展、经济和社会属性等城市特征。此外，所有这些研究都呼吁采用网络化方法来理解和纳入互联性，而这种方法在城市代谢文献中尚属缺失。

MIC框架是一个概念框架，通过区分城市代谢能力、城市代谢需求和城市特征，将城市代谢组织为相互作用的市政系统（Verma等，2025）。它可以为选择、解释和分析代谢相互依赖性驱动因素提供概念基础。MIC中确定了三类联结：UM能力、UM需求和城市特征。UM需求是指维持城市功能所必需的资源和服务的潜在需求，包括能源、流动和废弃物消化。"潜在"一词指的是这些需求不是直接可观察的，而是从产生代谢需求和压力的可观察社会经济条件中推断出来的。UM能力是指城市地区供给、处理或管理代谢流的可见能力，主要由物理和技术基础设施塑造，如能源系统、交通网络和废物管理设施。这些能力构成了城市间代谢交换的物质基础，在本研究中以废弃物产生和能源消耗表示。城市特征被视为作为空间模型中自变量的可观察空间、经济、制度、环境和基础设施属性，影响本地代谢成果和跨邻域城市地区的溢出效应，从而驱动空间关系（图1）。

现有研究在涉及物质和能量流动方面通常依赖多区域投入产出（MRIO）模型或基于网络的流量分析，这些方法通常关注国家或大都市尺度，数据密集且缺乏空间和区域分析方法（Fu等，2022；Wang和Chen，2021；Yan等，2020）。此外，最近一项关于互联城市代谢（MIC）的研究综述指出，经济和功能相互依赖性，如就业结构和通勤模式，在UM研究中表现不足，尽管它们在通过流动、消费和能源使用塑造日常UM方面起着核心作用（Verma等，2025）。随着交通和通信的发展，加上人口变化，城市边界内的城市化与向农村地区的溢出有关（Kim，2013）。在方法论上，空间统计方法（包括空间自相关和空间回归）已被识别为在较细空间尺度上实证检验代谢相互依赖性的有前景但尚未充分利用的工具（Chun和Guldmann，2014）。使用空间指标和空间分析是实证分析和报告情境特定及尺度依赖结果更稳健的方法。

本研究做出三项贡献。首先，它利用市政尺度的社会经济和代谢指标将MIC框架的概念组成部分操作化。其次，它将空间计量经济学建模与城市代谢相结合，评估相邻市政是否通过直接和间接效应影响本地代谢成果。第三，通过分析市政尺度的区域代谢系统，提供了支持城市代谢区域解释的实证证据。尽管空间计量经济学研究已广泛考察了环境、社会经济和土地利用成果中的邻域溢出效应，但它们很少在将城市传统上作为独立核算单元或通过物质流分析（MFA）和多区域投入产出（MRIO）等显性物质流方法分析的城市代谢概念框架内应用。因此，本研究将空间计量经济学分析与互联城市代谢（MIC）框架相结合，考察城市代谢在市政尺度上是否表现出可量化的市政间依赖性。空间计量经济学模型（空间杜宾模型，SDM）被用作分析工具来操作化MIC框架提出的概念关系。此外，通过应用空间杜宾模型（SDM），本研究超越了简单的邻近性，识别了相邻市政的特征（如就业率或土地利用）如何直接影响本地城市代谢，这是一种在城市代谢文献中基本缺失的网络化方法。因此，MIC提供了一个概念视角，通过该视角可以使用空间计量经济学模型来研究市政之间的代谢关系，而不是将城市视为孤立的分析单元。

本文结构如下。第2节描述数据和方法，第3节呈现结果，第4节讨论研究结果及其含义，第5节为结论。

## 研究区域

分析在比利时佛兰德斯和瓦隆尼亚的市政层面进行（图S1）。布鲁塞尔首都区域（BCR）由于共享边界和作为单一单元的考虑，在空间分析中归入佛兰德斯，同时因数据约束及其面积显著小于其他两个区域而被视为单一单元。市政是最低一级行政单位，在此层面上可实施关键的UM相关政策，如废物管理、空间规划、创新和地方能源政策。

## 结果

研究结果支持了MIC框架在解释城市区域代谢动态方面的实用性，表明城市代谢在个别市政边界之外表现出空间关联（Verma等，2025）。区域UM在一个空间互联的城市矩阵中运作，而非孤立的行政边界内。此外，基于空间关联的存在与否，观察到区域异质性。

**区域代谢的空间结构：超越行政边界**

全球Moran I和单变量LISA对废弃物自相关的分析表明，高值或低值的市政倾向于相互聚集。然而，在能源方面这种模式较弱。研究结果与新兴的在UM研究中纳入空间维度的重视（Bahers等，2022）以及捕获物质和能量流动中空间模式和异质性的需求一致（Wu等，2022）。废弃物和能源中空间关联的证据表明...

## 结论

分析旨在区分本地决定的代谢模式与空间相互依赖的代谢模式，并识别区域特定的市政类型（表S11）。实证模式表明，UM指标与市政之间的空间结构和社会经济联系有关。空间回归和聚类分析表明，社会经济连通性和土地利用模式与差异化的代谢特征相符。

## CRediT作者贡献声明

Pramit Verma：写作—审阅与编辑，写作—原稿撰写，可视化，验证，软件，方法，调查，资金获取，正式分析，数据整理，概念化。Daniela Perrotti：写作—审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法，资金获取，概念化。Zhi Cao：写作—审阅与编辑，监督，调查。

## 利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

## 致谢

本工作得到UCLouvain FSR入职博士后 fellowship项目（资助编号SW17846 PV和DP）、中国国家重点研发计划（2025YFE0108900）和中国国家自然科学基金（W2412159）（ZC和DP）的支持。