本文来自微信公众号： 集智俱乐部 ，作者：黄康宁、卢明镇，原文标题：《自然·城市：嵌套的标度律——城市的规模经济从街区的不均匀中涌现》
人类造出来的东西有多重？一项于2026年10月26日发表在Nature Cities的研究用卫星数据给全球3000多座城市逐一「称重」：城市建成物总质量约3270亿吨。城市并不按人头线性「长胖」。人口多10倍的城市，建成物只多约8倍；人口密度高10倍的街区，只多约5.6倍。两层规模经济为何不同？答案在城市内部人口分布的不均匀：城市层面的标度律，是从街区层面涌现出来的。
关键词：城市标度律、嵌套复杂系统、涌现、多尺度、规模经济、建成环境质量
论文题目：Nested economies of scale in global city mass
论文链接：https://www.nature.com/articles/s44284-026-00532-x
发表时间：2026年10月26日
论文来源：Nature Cities
数据：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.29482190
交互地图：https://city-mass.nested-complexity.net
一、用质量给文明定位
1964年，苏联天文学家卡尔达舍夫（Nikolai Kardashev）用能量给文明分级。I型文明掌握一颗行星的能量，II型掌握一颗恒星，III型掌握整个星系。人类在哪一级？卡尔·萨根给了一个插值公式：K=（log₁₀W−6）/10，W是文明消耗的功率，单位是瓦。2025年全球一次能源消费约600艾焦，摊到每一秒，平均功率约19太瓦（1.9×10¹³瓦），代入得K≈0.73。【见文末备注2】人类还没到I型。这把尺子是对数的：要从0.73升到0.83，能耗得变成现在的10倍。
几万年前，狩猎采集者只用树枝、茅草和兽骨搭起栖身之所。今天，我们住在钢筋混凝土的城市里。人类能够用来支持自身生活的物质质量在不断地提高。
为了方便理解质量的标度律，我们需要先解释一下对数尺度和吨。为此我们可以先搭一把吨位的对数尺子。1吨，约一辆小轿车那么重。10吨，一辆公交车。100吨，一个火车头。1000吨，一架半载起飞的航天飞机。1万吨，一座埃菲尔铁塔。每上一格，乘以10。
如果把每个人身后的建成物放上这把尺子，文章显示，1900年，全球人均建成物22吨，约两辆公交车。此后每年增长约1.8%。现今是205吨，约两个火车头，相当于体重（按50公斤计）的约4090倍。同一时期，人均植被生物量从694吨降到138吨。在新冠疫情期间，我们人均享有的制成品质量正式超过了自然植被的质量。
图1：人类建成物的增长与全球城市质量。a：1900年以来全球人均建成物与人均植被生物量（对数坐标）；b：研究覆盖的城市（人口5万以上）；c：城市层面各类质量与人体质量之比；d：最大的100座城市在城市质量与人口中的份额。来源：Huang&Lu(2026)Nature Cities，CC BY 4.0；图标：Aiyu Zheng。
二、给3000多座城市称重
这份研究整合了建筑物、道路、地铁和硬化地面的高分辨率制图，再乘以分地区、分类型的材料强度，估算了全球3000多座城市建成环境的质量。
全球城市建成物总质量约3270亿吨，相当于3200多万座埃菲尔铁塔。把它摊在全球约30万平方公里的城市硬化地面上，是一层半米厚的实心混凝土，大约一张咖啡桌高。
摊到人头上，城市里每个人身后的建成物超过体重的5000倍，而城里的植被只有64倍。车辆、家电这类可移动的存量比人重得多，但不到建成物的1%。
但是人口的分布貌似更加集中。人口最多的100座城市住着43%的城市人口，人均建成物却比其他城市少约31%（175吨对253吨）。人均值，似乎随城市规模的变化而变化。
三、人口×10，建成物只×8
现有的材料需求预测大多基于线性假设：每多一个居民，就多一份同样的建材。按这种算法，城市建设与维护每年的材料用量将从2010年的400亿吨增至2050年的约900亿吨。但城市标度律研究早已发现，许多城市属性随规模非线性变化。比如，人口翻倍，经济产出不止翻倍。
研究团队检验了75个国家（每国至少5座城市）。城市建成物质量M与人口N满足幂律M=M₀N^β。各国的斜率β集中在0.88附近（标准差0.088），75个国家中72个低于1。尽管各国的经济水平、建筑风格、气候和资源差异巨大，这个斜率却很少偏离中心。去除各国的基线差异后，全部3588座城市给出统一的β=0.90（95%置信区间0.89–0.91，R²=0.91）。
β=0.90意味着，人口多10倍，建成物只多约8倍，人均少约两成。以湖北的武汉和宜昌为例：按论文的城市边界，武汉人口约为宜昌的10倍，建成物约为8倍。换用三套独立的建筑数据或它们的组合，β都落在0.892到0.916之间。
图2：城市建成物质量随人口亚线性增长。a：75个国家的城市及各国拟合线，左右插图分别为斜率与截距的分布；b：去除国家基线后β=0.9（橙线），虚线为线性假设（β=1），插图为两者给出的人均建成物之差。来源：Huang&Lu(2026)Nature Cities，CC BY 4.0；图标：Aiyu Zheng。
四、街区更省：
人口密度×10，建成物只×5.6
城市内部并不均匀。团队用全球六边形网格（H3第6级，中心到顶点约3.7公里）把城市切成17,497个街区。每个六边形面积几乎相同，所以街区人口就是人口密度。
街区层面的标度指数δ=0.75（置信区间0.747–0.754），明显低于城市层面的0.90。人口多10倍的街区，建成物只多约5.6倍，人均省下四成多。
背后有多个机制。其一，高楼让更多住户共用地基、屋顶和结构核心。其二，密集区的居民用公共设施替代私人空间：健身房替代家里的健身角，餐厅替代厨房，图书馆替代书房。其三，同样长的路网服务更多居民。这些机制要起作用，日常活动得留在街区里。按截断幂律出行模型估算，居民约89%的出行落在3.7公里半径内，正是六边形的尺度。
图3：街区层面的规模经济更强。红线为街区间的标度关系（δ=0.75），橙线为城市间（β=0.9），虚线为线性；彩色点为纽约的街区。b、c：各国的β与各城市的δ的分布。来源：Huang&Lu(2026)Nature Cities，CC BY 4.0；地图数据©OpenStreetMap，底图CARTO（CC BY 3.0）。
五、为什么城市只省两成？人并不平均
既然街区这么省，为什么整座城市只省两成？
如果大城市的人全住在高密度街区，城市层面的β可以逼近0.75。但真实城市里高密度和低密度街区混在一起。少数街区很密，大多数很疏。团队用齐普夫（Zipf）分布描述街区人口：排名第i的街区，人口是最大街区的1/iˢ，s越大越不均。实测s平均为1.16（标准差0.59）。
理论模型固定街区指数δ=0.75，只让s变化，模拟出的城市β与75个国家的实测β高度吻合。数学推导进一步表明，β被夹在两个极限之间：δ≤β≤1。人越挤进少数密集街区，城市越接近0.75；人摊得越平，越接近线性的1。真实城市落在0.90左右。
城市层面的规模经济，是街区层面的规模经济经由人口的不均匀「向上传导」的结果。这就是题目里的「嵌套」。
图4：街区人口的不均匀程度s决定城市层面的β。a：各城市s的分布（均值1.16）；b：模拟与实测的β对比；c：s越大，β越接近δ=0.75，s越小越接近线性。来源：Huang&Lu(2026)Nature Cities，CC BY 4.0；插画：Liang Chen。
六、对城市规划的启示
限高、容积率上限和排他性分区会压平城市自然形成的密度梯度，相当于降低s、抬高β。好心的限制，可能连建材上的节省一起压平。
按人均线性外推，会系统性高估大城市和高密度街区所需的建材。据跨政府气候变化委员会报告(IPCC)，水泥和钢铁每年排放约52亿吨二氧化碳当量。联合国人居署预测，低收入国家住在特大城市（500万人以上）的人口将从今天的1800万增至2070年的约1.4亿，大致等于目前住在25万人以下小城市的人口（约1.6亿）。按β=0.9，人口为另一座城市20倍的城市只需约14.8倍的建材。同样多的人住进特大城市而不是小城市，人均建材存量约低26%。
作者也提醒，这是横截面上的统计关联，不是因果，不能直接预测单个城市长大后的轨迹。规模和密度也有副作用：比如拥堵、犯罪和传染病同样随城市规模放大，贫民窟的共用设施常常疏于维护。效率之外，还要投资于体面的居住条件和公共卫生。政策应超越人均线性思维，改用规模校正的指标，把城市当作嵌套的复杂系统来管理。
七、城市是嵌套的复杂系统
城市的集约，是街区的集约，一层一层套起来的。论文的最后一句话是：
「将城市视为复杂适应系统，其表现同时取决于整体规模和层层嵌套的内部结构，这将使政策干预更全面、更有效，以追求一个更具生产力、更公平、更可持续的城市未来。」
Viewing cities as complex adaptive systems,whose performance depends jointly on their overall size and their hierarchically nested internal structure,will enable more holistic and effective policy interventions in the pursuit of a more productive,equitable and sustainable urban future.
黄康宁（Kangning Huang），上海纽约大学环境研究助理教授，上海市城市设计与城市科学重点实验室研究人员。中山大学学士、硕士，耶鲁大学环境学院博士，曾在美国国家大气研究中心（NCAR）做博士后。研究城市化、城市形态与气候变化。个人主页：https://kangning-huang.com/。
卢明镇，纽约大学环境研究系助理教授。北京大学学士，普林斯顿大学生态与进化生物学博士，曾任圣塔菲研究所Omidyar复杂性研究员。研究复杂生命系统的生态学理论，从植物根系到人类城市。实验室主页：www.mingzhenlu-lab.com。
致谢与延伸
图标由Aiyu Zheng绘制，插画由Liang Chen绘制。研究由纽约大学文理学院内部基金（FRC 2024）资助。
