城市生态系统理论研究

安 徽 农 业 大 学

城市生态学课程论文

论文题目 城市生态系统理论研究 姓 名 戚文娟 学 号 13720134 院 系 研究生院 专 业 风景园林学 指导教师 刘桂华

城市生态系统理论研究 （安徽农业大学研究生学院, 合肥，230036）

13级风景园林学 戚文娟 指导老师：刘桂华

摘 要: 随着全球和中国的快速城市化, 城市生态系统的长期研究受到了高度关注。在分析城市生态

系统结构、格局、过程和功能特点的基础上, 评述了近些年来城市生态系统研究的主要框架和学术观点, 比较了Phoenix、 Baltimore和北京3个城市生态系统研究站在研究目的、基本科学问题、研究内容和研究方法上的特点, 并介绍了这 3个城市生态站的一些主要研究思路和研究成果, 指出了今后城市生态系统的研究重点是从理论上和研究方法上创新, 将自然过程和人类社会经济过程很好地结合起来,为城市可持续发展提供科学依据。 关键词：城市；生态系统；长期演变

Theoretical study of city ecological system

Abstract: with the rapid city of global and Chinese, long-term study of city ecosystem has been highly concerned. On the basis of the analysis of city ecological system structure, pattern, process and functional characteristics, the main frame and the academic view of city ecological system in recent years was reviewed, and comparison of Phoenix, Baltmore and Beijing 3 city ecosystem research station in the research purpose, basic scientific problems, research contents and research methodology, and introduces the 3 city ecological station of some of the major research ideas and research results, and points out the future research emphasis of city ecological system is the innovation in theory and research methods, the natural process and human social and economic processes are well combined, and provide scientific basis for the sustainable development of the city. Keywords: City; ecological system; evolution

1 前言

自 20世纪以来, 人类社会发生的最大变化体现为城市化。 1900年, 全球只有 10% 的人口生活在城市, 现在有超过 50% 的人口以城市为家[ 1]。人类经( peasant)为主到市民 ( urbanite)为主的社会变革。未来 20多年, 全球城市化将继续加速,到 2030年, 全球城市人口将超过 60%[ 2]。中国作为世界上人口最多的发展中国家, 城市化水平一直比较低。但随着近 30年社会经济的快速发展, 城市化进入了加速阶段。截至 2007年底, 全国设市城市共 656个, 其中地级以上城市 287个、县级城市 369个; 建制镇 1. 9万个, 全国城镇人口已达 5. 94亿, 城市化水平达到 44. 9% ( http: Mwww. chinapop. gov.cn/xwzx/rkxw /200808/ t20080813_158305. htm l), 比1980年代的 20%增长了 2倍多, 每年新增加城市人口约 1 300万。据 52008年中国城市竞争力蓝皮书:中国城市竞争力报告 6预测, 2030年从规模上来看,我国的城市化率将达到 65% 以上, 城市人口达 10亿人左右, 城市数量达到 1 000个左右, 小城镇1 500~ 2 000个。总之, 尽管中国的城市化起步晚、发展水平低, 但城市化速度快、城市人口总数大, 将可能面临更多更复杂的问题。

城市化在促进社会经济发展, 提高人类生活质量方面具有长远的意义, 但城市化对生态环境的影响也是广泛和深远的。城市一方面需要消耗大量的自然资源来维

持, 另一方面向环境排放大量的废弃物。既会造成全球和区域自然资源的过度消耗, 也会影响到全球环境变化和区域生态环境的恶化。占全球土地面积不到 3% 的城市, 消耗了全球 60% 的水资源和 76%的木材, 排放了全球 78% 的碳[ 3]。在我国, 特别是北方水资源紧张的区域, 城市的水资源短缺现象非常严重。在东南沿海的经济发达地区,城市空气和水体污染已经扩展到区域, 如长江三角洲和珠江三角洲的水污染和空气污染已经成为影响区域社会经济发展的重要不利因素。据估计, 中国669个人口超过 10万的城市有超过 60% 缺乏足够水资源, 大城市周边 90% 的河流受到严重污染; 2005年中国有监测的 522个城市中, 11% 的为大气严重污染, 只有 56% 的达到了国家环境保护总局的环境质量要求[ 4]。因此, 不管从全球还是从区域来看, 研究城市生态系统对缓解全球气候变化和防止区域生态环境恶化具有重要意义。

城市化的快速发展, 推动了城市生态学的发展。在 20世纪, 许多学科都在关注城市的社会、经济和生态环境问题, 如社会学、地理学、生态学、人类学,历史学、城市设计和规划。尽管各学科在解决城市管理和发展的问题中都发挥了很大作用, 但如何促进城市可持续发展, 需要从综合的角度考虑和分析。20世纪的后 20年, 多学科的综合性交叉研究在城市生态学中得到重视[ 1, 2, 5, 6]。城市生态学也从城市中的生态学 ( Ecology in cities)发展到城市的生态学( Ecology of city)[ 7]。城市中的生态学主要研究城市内部的生境或生物, 采用了与自然生态系统相似的研究方法, 研究城市中的绿地、河流等, 这种研究方法在欧洲比较普遍[ 8]而城市的生态学将强调从生态系统理论出发, 把城市作为一个整体单元和一个生态系统, 综合研究城市中空间格局、能量物质流动和服务功能等。我国从 1980年代开始, 城市化问题得到了广泛关注[ 9], 研究领域涉及城市规划、城市交通、城市大气污染和水体污染等。其中从生态学角度探讨城市问题的城市生态学, 一直是一个比较热的研究领域。国内的城市生态学也存在城市中的生态学和城市的生态学不同的研究方向。前者主要集中在城市森林和城市土壤的研究上, 如上海、沈阳和北京等[ 10~ 12]。城市的生态学则主要是在王如松等[ 13]提出的复合生态系统理论指导下, 系统研究城市生态系统的可续发展、生态规划和生态系统服务功能等。

面对全球性和区域性的生态环境问题, 传统的生态学研究已经很难回答生态环境的演变规律和满足可持续发展的需要, 因此长期生态学研究在国内外都得到了重视。美国的长期生态学研究计划( LTER)和中国生态系统研究网络 ( CERN)对促进 长期生态学的理论发展和应用起到了重要作用。围绕城市生态系统, 美国 1997年建立了 Phoenix和Baltimore 2个城市生态站, 中国 2001年建立了北京城市生态系统研究站。这里, 我们将在分析城市生态系统特点的基础上, 重点介绍这 3个城市生态站的研究现状和研究展望。

2 城市生态系统特点

城市生态系统是一个高度复杂的社会 ) 经济)自然复合生态系统, 由社会子系统、经济子系统和自然子系统复合而成[ 13]。其结构和功能特征不但与自然因素的影响有关, 而且与社会经济发展和人类活动密切相关。城市生态系统的服务功能直接影响到城市居民的生活质量和社会经济可持续发展能力。城市生态系统在结构、格局、过程和功能上是自然和人类因素的综合 (表 1)。

表 1 城市生态系统的基本组分、格局、过程和功能

Table 1 The basic components, pattern, processes and functions of an urban ecosystem

生态系统从功能单元上是由生产者、消费者和分解者组成, 三者的协同维持了生态系统的能量流动和物质循环功能的正常工作。在以人为主体的城市生态系统中,自然界的生产、消费和分解活动在整个城市能量流动和物质循环中只起到一部分作用，而人类全面参与、甚至主导了城市生态系统的生产、消费和分解活动 (表 2)。人类既可以是生产者和消费者, 又可以作为分解者。只有合理调控和协同城市中的生产、消费和分解活动, 才能保证城市生态系统功能的正常发挥和城市效率的提高。

表 2 城市生态系统的功能单元

Table 2 The functional units of urban ecosystem

与其他生态系统相比较, 城市生态系统在气候、水文、土壤、物种组成、种群动态和流量物质流方面具有独特的特点[ 6, 14~ 16], 产生了一些特殊的生态格局、过程、干扰和影响[ 5]。可以概括成以下特点:

( 1) 城市生态系统组分中, 除水、土、气、生因素外, 还有一些人工组分, 如人工构筑物 (道路、广场和房屋等 )。

( 2) 城市生态系统的结构不但受到自然因素的影响和控制, 而且要受到社会经济因素的影响和控制, 人类对城市结构和布局的规划决定了城市发展的基本空间格局。

( 3) 城市生态系统需要高强度能量和物质的输入、流动和输出, 能量和物质流动的方式和方向主要是由社会经济目的决定的。在能量流动中, 除利用太阳能外, 化石能源和其他外来能源的输入是城市生态系统主要能源, 各种人工运输设施 (如管道和输电线路等 )和工具 (如机动车等 )是城市生态系统能量流动的主要方式。在物质

流动中, 建筑材料、生活用品和食品是主要物质输送形态, 交通和管道等是物质流动的主要方式。

( 4) 城市生态系统的功能主要体现在高度集约化的社会和经济功能, 具有高密度的人口和高效率的经济活动和社会活动。生态系统的各种自然功能往往不被重视。

( 5) 城市生态系统结构和功能具有较快的演变速率, 随社会经济发展而变化。 ( 6) 城市生态系统具有高度的对外依赖性, 需要外部的大量物质能量的输入才能够维持。

3 城市生态系统研究框架

由于城市是以人为主的的复杂系统, 仅仅依靠单个学科研究城市生态环境问题具有很大的局限性。早在 1920年代, Park等[ 17]就采用系统的方法研究城市是如何运转的。认为城市是有许多驱动力机制控制的。对稀缺资源的竞争驱使人类布局在城市空间形成了不同的生态位, 以共同分享社会资源和承担生态压力。对土地和资源的竞争最终导致城市空间分带。后来, 生态学家提出了城市生态系统的概念, 以综合研究城市发展和环境变化的相互作用。生态学家将城市描绘成一个异养型生态系统,高度依靠于能量和物质的大量输入以及大量排放废弃物。 1965年, Wolman[ 18]将城市代谢 ( urban me-tabolism)研究方法应用到城市的能量和物质输入和输出分析。系统生态学家也提出了标准方程来描述城市能量平衡和物质循环。伴随着有关城市生态系统要素研究的不断深入, 如城市水文学、城市空气污染学等, 城市生态系统的综合研究也在加速发展。

20世纪 80年代初, 中国的城市生态学采用了生态系统的观念, 提出了城市生态系统概念, 并将人类社会经济活动纳入进去。马世骏等[ 19]、王如松[ 20]1984年提出城市是一类以人类的技术和社会行为为主导, 生态代谢过程为经络, 受自然生命支持系统所供养的 /社会 ) 经济) 自然复合生态系统 0。城市可持续能力的维系有赖于对城市环境、经济、社会和文化因子间复杂的人类生态关系的深刻理解、合规划及系统管理。

到了 1990年代, 生态学的研究从个体生态学、群落生态学等研究重点发展到了以生态系统研究为重点, 特别是突出了生态系统的格局 ) 过程) 功能研究。1990年代后期美国生态学家越来越认识到人类活动在改变生态系统结构和功能中的重要作用, 努力将社会经济活动纳入到生态系统的动态分析。城市作为一种受人类活动影响最强烈的生态系统, 为认识人类活动对生态系统的影响提供一种重要研究对象城市生态学在努力采取综合性思路,吸收相关学科的研究手段和研究成果, 将人类和生态相互作用整合到城市生态系统中, 提出了几种城市生态系统研究框架。

在 Baltimore城市生态系统研究的基础上, Pick-ett等[ 7]提出的城市生态学长期研究框架, 将城市的社会和自然子系统通过一系列的直接机制和反馈关系连接成人类生态系统。不同于传统的人类学研究, 将人类社会子系统表征为社会制度、社会循环和社会秩序。人类社会和生物物理资源的联系要受到资源子系统的调节。由于城市区域是人类社会和自然子系统的耦合, 采用复合斑块动态可以很好地整合生物的、物理的和社会的斑块, 分析城市生态系统的空间结构。

在 Phoenix 城市生态系统研究基础上, Grimm等[ 3]提出了一个综合方法。通过人类活动和生态系统的过程和格局, 将驱动生态系统变化的自然和社会经济因素连

接起来。采用系统生态学的思路,研究能量和信息流及物质循环驱动下的人类活动与生态系统的过程和格局的相互关系。分析社会制度、文化、行为及其相互作用对这种相互关系的调节作用。

华盛顿大学 (University ofWashington)的 Alber-ti等[ 2]提出的研究框架更加强调格局和过程及其与人类和生态功能间相互作用的独特性。提出的概念模型不区分人类活动格局和生态格局及人类活动和生态过程。相反, 该模型认为城市景观格局是由人类活动和生态过程在微观尺度上的相互作用形成的, 城市生态系统的功能要受到人类和生态过程的同时影响和维持。近来, 在总结以前的城市生态系统研究框架基础上并结合美国长期生态学整个研究框架, Grimm等[ 1]指出以社会经济和自然环境两大模块为基础，在长期和短期驱动力作用下, 生态系统结构和功能会发生变化, 从而影响了城市生态系统服务功能; 人类社会将根据生态系统服务功能的变化, 采取社会经济手段对城市生态系统进行调控, 促进城市可持续发展 （图1

图 1 美国凤凰城城市生态系统长期研究框架[ 1]

Fig. 1 The long-term frame of urban ecosystem studies in Phoenix, USA

4 城市生态系统长期研究

城市生态系统的长期研究近年来得到了快速发展, 特别是在美国自然科学基金委员会的支持下,Phoenix和 Baltimore的长期生态学研究取得了很多重要进展。近来 Grimm 等[ 1]和 P ickett等[ 21]分别总结了 Phoenix和 Baltimore长期生态学研究成果。北京城市生态系统研究站在参考美国城市生态站的研究工作基础上, 结合北京城市

生态系统的特点, 提出了北京城市生态系统研究站的主要任务应该以研究城市生态系统结构--格局--过程和功能演变及社会和自然相互作用为科学目标, 以解决北京水资源和污染问题、提高生活质量和促进社会经济发展为国家目标, 通过遥感技术、长期样地、定位站、流动观测和社会调查, 监测城市生态系统主要结构和功能指标, 研究城市生态系统长期演变规律、城市生态要素特征与城市发展、能流物流与城市功能和环境、水资源与水分利用、城市生物的环境响应和城市可持续发展决策支持系统, 开展生态规划、生态管理和生态工程等示范 (图 2)。

由于城市地理环境、发展历史及社会经济发展和生态环境问题的差异, Phoenix、Baltimore和北京3个城市生态系统研究站在研究目的、基本科学问题、研究内容和研究方法有一些差异 (表 3)。

Phoenix城市生态学研究主要围绕土地利用和土地覆盖、生物地球化学循环、气候变化、水文系统和生物多样性等方面, 探讨了社会、经济和自然因素对城市环境变化的驱动作用及响应机制。研究方法上突出城市整体布点 (如 200个调查样地和社会学调查点 )和建立社区实验场, 利用决策剧院 ( DCDC)技术, 与城市管理决策紧密结合。

Baltimore城市生态学研究围绕 3个科学问题(城市生态系统中的社会经济、生态和自然特性的空间结构是如何相互关联, 如何随时间变化的; 城市系统中的能量、物质和人工建筑的社会经济资产的通量是多少, 相互之间如何作用, 随时间如何变化;怎样发展和利用将城市群作为一个生态系统的认识, 改善城市环境质量和减少对下游空气和流域的影响 ), 研究涉及社会地位与环境问题认识的关系、种族和环境危害的关系, 探讨物种多样性格局、岸边带功能、河流氮负荷以及城市土地适应性模型、土壤多样性、城市固碳能力, 分析了社会格局与植被间的时滞、草坪生物地球化学循环、生态系统营养保持和社会与生物自然间的反馈关系。研究方法以流域研究为核心, 在城市所在流域建立多个监测点, 并与城市恢复措施紧密结合。

北京城市生态系统研究, 目的是为了认识城市生态系统结构、过程、功能和格局的长期演变规律,探讨人类活动对生态系统的影响机制, 为城市可持续管理提供科学依据和政策建议; 重点研究城市水文、城市土壤、城市植物和城市动物的特征及其受人类活动和城市发展的影响、城市生态系统结构和格局特征与城市生态系统功能的关系及其长期演变规律、城市生态系统能量和物质流动规律及其与城市功能和城市环境问题的关系、城市生态系统服务功能和城市生态系统效率的评价方法、城市生态系统与区域生态系统的耦合关系和协同演化、基于城市及其区域资源的可利用程度和城市发展的生态规模的城市可持续发展研究、城市生态系统的模拟和管理决策支持系统及北京城市生态系统数据库建设;研究方法强调城市整体特征, 采用遥感观测、长期样地和社会调查等监测方法及生态系统整体演变研究方法和生态规划示范方法。

图 2 北京城市生态系统研究工作框架

Fig. 2 Framework of urban ecosystem studies in Beijing, China

5 研究展望

城市生态系统作为一个研究的热门问题, 不但是社会发展和人类生活的需要, 而且是生态学发展的需要。从能量和物质代谢角度看, 城市是生物圈表层最活跃的地点。人类活动对土地利用的直接影响控制了初级生产力和生物多样性。城市化通过改变地表的性质和热量平衡, 影响了生物地球化学过程, 改变微气候和空气质量。城市化增加了不透水地表面积, 同时影响地形和水文过程, 改变水分、养分和沉积物的通量。这些影响对我们的生存环境和社会经济发展将产生很大的干扰, 必须长期积极应对。从生态系统理论看, 城市化格局会影响城市生态系统过程的机制, 自然格局和过程及其动态变化会影响人类对景观空间配置的选择, 城市生态系统随着人类和生态过程的相互作用演化。城市生态系统研究既是城市可持续发展的需要, 也是生态学理论发展的需要, 而且需要开展长期的研究。

尽管城市多种多样, 城市间具有很大的环境、社会和经济差异, 但城市生态系统的结构 ) 格局 ) 过程和功能关系具有一定的相似性, 是一种以人类活动为核心的复合生态系统, 从理论上可以进行研究和归纳, 这就是开展城市生态系统长期研究的目的。开展城市生态系统的长期研究, 将有利于监测和研究城市生态系统的长期演变规律, 丰富人类城市生态学知识, 提高人类解决目前和未来可能面临的生态环境问题的能力。

表 3 城市生态系统长期定位研究的目的、科学问题、研究内容和研究方法

Table 3 The aims, scientific issues, and investigation contents and methods of long- term studies on urban ecosystems

城市生态系统的研究, 目前已经采用了许多研究方法: 如城乡梯度法、生物地球化学循环、物质流等, 应用了许多新的技术手段, 如遥感观测、长期监测、生态模型和生态模拟。但是, 由于城市生态系统的复杂性和人类活动与自然过程的交织, 在一些研究方法和技术手段的采用上仍然存在问题, 如生物地球化学循环方法没有考虑社会经济系统中的元素循环、物质流分析中没有统计自然系统的物质迁移,城市生态系统的模拟实验往往由于城市土地的高价值很难实现。因此, 理论上的创新和方法学上的进步将成为城市生态系统长期研究的重要任务。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/c1k8.html