1、城市生態學康 慕 誼北京 2002.0206北京師范大學資源與環境科學學院課程本課程的著重點城市氣候學與城市自然環境城市生態系統的特點城市中的環境問題城市園林綠地與綠化城市生態環境管理與規劃城市生態系統研究方法舉例1 城市與城市生態學1.1 城市的發展與城市化1.1.1 城市的概念和城市的形成與發展城市(city)是非農業人口為居民主體, 以空間與環境利用為基礎, 以聚集經濟效益為特點, 以人類社會進步為目的的一個集約人口、經濟、科學技術和文化的空間地域綜合體人類社會與地域空間的高度結合城市與其周圍環境的聯系1 城市與城市生態學城市的形成(三次社會分工與私有制) 1 第一次:畜牧業與農業分離聚

2、落(城市胚胎) 第二次:農業與手工業分離產生聚落中心 第三次:手工業與商業分離“市”(集)形成 2 私有制產生聚落爭斗防衛“城”(鎮)形成城市的發展自然條件：大河沖積平原區；經濟技術發展水平：沖破自然束縛向外擴張拓展城市化景觀現代農業景觀-1950傳統農業景觀-18001950歷史鄉村景觀-11001800鐵器時代末期景觀-約公元前1000新石器及青銅時代景觀-原始自然景觀-城市景觀發展變遷過程自然人工 海岸地面抬升(1cm/a)促使港口向河流下游深水處遷移, 船只噸位(吃水深度)的增加亦加速了該過程港口城市形成1 城市與城市生態學1.1.2 城市化與城市問題城市化(urbanization)

3、通常是指農業人口轉化為城市人口的過程。其表現為： 空間上城市規模的擴大 數量上農業人口轉變為城鎮非農業人口 質量上城市居民生活方式的現代化城市人口增長: (以前)自然(目前)機械城市化發展過程孤立農家 市井集鎮 老工業區 新工業區交通線形式對不同城市景觀類型形成的影響深圳市的土地利用變化歐洲的城市化發展1 城市與城市生態學城市問題：由于城市化的發展和城市人口、工業、建筑的高度集中, 帶來了一系列的。當城市人口膨脹到一定程度，城市擴大到一定規模時，勢必造成城市用地緊張、交通擁擠、住房短缺、基礎設施滯后、環境污染、生態條件惡化，并導致失業率增加和犯罪率上升等一系列現代城市社會弊病。1 城市與城市生

4、態學1.2 城市生態學的研究對象、目的、任務1.2.1 城市生態學 經典的生態學研究生物與其生活環境之間的相互關系。其研究對象主要是：1 城市與城市生態學生物個體 (個體生態學 autecology)生物種群 (種群生態學 population ecology）生物群體 (群落生態學 synecology)生態系統 (生態系統學 ecosystem ecology) 將某一環境及其中的生物群體結合起來加以研究,目的是闡明生態系統的機制?，F代生態學強調的這種機制, 主要指生態系統中物質和能量的流動。1 城市與城市生態學城市生態學 (urban ecology) 生態學的一個分支, 是以城市空間范

5、圍內生命系統和環境系統之間聯系為研究對象的學科。由于人是城市中生命成分的主體, 因此也可以說, 城市生態學是研究城市居民與城市環境之間相互關系的科學。其研究內容主要包括：1 城市與城市生態學城市居民變動及其空間分布特征(城市人口的生物特征、行為特征、社會特征研究)城市物質代謝功能及其與城市環境質量之間關系(城市物流、能流及經濟特征研究)城市自然生態變化與城市環境的互動影響(城市生物及非生物環境的演變過程研究)城市生態管理與調控(城市交通、供水、生活廢物處理及其中的物質、能量利用, 社會、自然和諧, 系統動態調控方法研究)城市自然生態特征的指標體系及城市合理容量1 城市與城市生態學 對城市進行生

6、態學研究, 僅僅運用自然科學的原理是不夠的。這首先因為城市是人類社會的產物, 所以有關生態學的研究也必然涉及社會科學的不同領域。人類往往不能適應城市生活的自然環境, 要按照自己的意愿, 如按照傳統、政治、經濟狀況等改造城市。這種改變常常不可能不使城市生態系統受到影響, 而且是影響到城市的自然和社會各個方面, 因此城市生態學必然要運用到自然科學和社會科學兩方面研究領域的成果與方法。1 城市與城市生態學1.2.2 城市生態學研究的流派 城市生態學的研究起源于歐美, 然而北美的城市生態學概念和西歐的城市生態學概念并不完全相同。西歐的城市生態學是由自然科學家, 特別是植物學家所首先創立, 在以后的研究

7、中, 也一直基本保持著自然科學的性質。把非自然科學亦納入城市生態學研究范疇的觀點, 僅僅是在近期才開始被德國和其他一些歐洲國家所接受。1 城市與城市生態學 在北美洲，城市生態學植根于社會科學。Robert E. Park芝加哥學派著名的代表人物之一, 在1926年就已開始講授“城市生態學”課程, 其內容是“城市和社會之間關系的多樣性”。北美的城市生態學概念, 從一開初到現在, 始終比西歐的城市生態學概念具有更濃烈的社會科學色彩。特別是在其發展初期, 純粹屬于社會科學。1 城市與城市生態學 隨著時間的推移，城市生態學概念在西歐和北美間開始相互協調，逐漸趨于統一。在歐洲，城市生態學的概念正在逐漸擴

8、展自己的含義；在北美, 自然科學方面的研究(如氣候學、綠地建設和城市園林樹木的意義等), 已在有關的城市環境規劃中獲得了廣泛的應用。1 城市與城市生態學1.2.3 我國的城市生態學研究 我國城市生態學的研究起步較晚,但發展很快。1984年12月在上海舉行了“首屆全國城市生態科學研討會”, 會議探討了城市生態學的目的、任務、研究對象和方法，以及在實際工作中的作用。這次會議標志著中國城市生態研究工作的開始。以后的研究首先將注意力集中在把城市生態理論研究應用到城市規劃、建設和管理實踐中去, 主要是對一些大城市進行生態系統工程方面的研究。1 城市與城市生態學19831985年間組織的“天津市城市生態系

9、統與污染防治綜合研究”；“北京市城市生態系統特征及其環境規劃的研究”等。這些研究為制定城市總體規劃、城市經濟發展規劃、城市環境保護規劃和城市管理措施等提供了決策依據。在城市生態系統個別組分的研究方面，有江蘇植物研究所等開展的南京市“城市空氣污染與某些植物種的關系”的個體生態研究。此外在北京以及其它城市還有一些有關城市生態調控決策支持系統方面的研究，目的是為城市規劃、環境管理與決策者提供信息支持、方法支持和知識支持。1 城市與城市生態學城市生態學研究現階段研究方向: 為使城市發展步入正常良性循環軌道, 為使日益嚴重的城市問題得到妥善解決, 應該分城市職能類別開展城市生態的深入研究(以政治文化、工

10、業企業、風景旅游、交通樞紐、商貿金融、港口運輸等各類城市進行研究);城市生態的單項基礎性研究(要構建城市總體模型, 首先應有單項基礎研究, 如有關城市植被、植物區系、動物區系、水文、氣候、土壤等以及有關城市交通、人口居住、環境美化方面的研究);城市生態環境管理及規劃研究2 生態學有關概念與原理2.1 生態平衡及其反饋調節機制生態平衡(ecological equilibrium) 指生態系統的一種相對穩定狀態。當處于這一狀態時, 生態系統內生物之間和生物與環境之間相互高度適應, 種群結構和數量比例長久保持相對穩定, 生產與消費和分解之間相互協調, 系統能量和物質的輸入與輸出之間接近平衡。生態系

11、統平衡是一種動態平衡, 因為能量流動和物質循環仍在不間斷地進行, 生物個體也在不斷地進行更新。2 生態學有關概念與原理負反饋機制(negative feedback mechanism) 生態系統的平衡靠負反饋機制維持。生態系統中的反饋現象十分復雜, 既表現在生物組分與環境之間, 也表現于生物各組分之間及結構與功能之間, 其中起主要作用的是能夠使系統達到和保持平衡或穩態的負反饋機制。負反饋是指系統或其中某成分因一系統輸入而在輸出上產生一響應變化趨勢, 該響應變化又反過來作用于導致產生該響應變化的系統輸入, 使該輸入受到抑制從而衰減之(見下頁圖示)。生態系統穩態生態系統負反饋環作用示意圖輸 入

12、向偏離 向偏離 向調整 向調整輸 出兔的食物增加兔數量減少兔因饑餓死亡兔吃少量植物植物增加兔數量增加兔吃大量植物植物減少兔與植物種群之間的負反饋環兔數量減少兔吃少量植物兔因饑餓死亡兔的食物增加植物減少植物增加兔數量增加兔吃大量植物狼數量下降狼數量增加狼因饑餓死亡狼的食物增多狼吃少量的兔狼吃較多的兔狼、兔、植物種群之間的雙重負反饋環2 生態學有關概念與原理 當自然生態系統處于平衡狀態時, 生物種類通常較多, 結構復雜, 食物鏈網錯綜, 對外界的干擾有較強的抵御能力, 功能發揮亦較穩定。有人稱此為多樣性穩定性學說。此時系統內各物種通過競爭和生態適應, 占據各自獨特的生態位, 彼此協調相處, 對環境

13、資源的利用較為充分; 同時復雜的食物網結構使能量和物質可通過多種途徑流動, 一個環節或途徑發生了損傷或中斷, 可以由其他方面的調節所抵消或得到緩沖, 從而使整個系統不易受到致命傷害。2 生態學有關概念與原理 然而生態系統的穩定性(stability)至少包含兩方面的涵義(其他有持久性persistence等):抵抗力(resistance)系統抵御外界干擾使自身不致受到傷害的緩沖能力, 抵抗力越強則系統越不容易出現傷害或崩潰現象。恢復力(resilience)當系統遭到外界干擾致使系統受損后迅速修復還原自己的能力, 恢復力越強則系統恢復(restoration)到正常的時間越短。 兩者難以兼得

14、, 恢復力強則抵抗力弱, 反之亦然(見下二頁圖)。生態系統總穩定性(抵抗力與恢復力)關系示意圖生態系統功能時 間干擾抵抗力的量度：當一次干擾的強度和作用時間一定時，此區域的面積越大(軌跡偏離正常范圍越晚和幅度越小)，生態系統的抵抗力越強功能軌跡曲線正常作用范圍生態系統總穩定性(抵抗力與恢復力)關系示意圖生態系統功能時 間干擾恢復力的量度：當一次干擾的強度和作用時間一定時，此區域的面積越大(軌跡回復到正常范圍越早)，生態系統的恢復力越強功能軌跡曲線正常作用范圍2 生態學有關概念與原理生態平衡失調與生態危機 現實中生態系統常受到外界的干擾, 但干擾造成的損壞一般都可通過負反饋機制的自我調節作用使系

15、統得到修復, 維持其穩定與平衡。不過生態系統的調節能力是有一定限度的。當外界干擾壓力很大, 使系統的變化超出其自我調節能力限度即生態閾限(ecological threshold)時, 系統的自我調節能力隨之喪失。此時, 系統結構遭到破壞, 功能受阻, 整個系統受到嚴重傷害乃至崩潰, 此即生態平衡失調。2 生態學有關概念與原理 嚴重的生態平衡失調, 從而威脅到人類的生存時, 稱為生態危機(ecological crisis)由于人類盲目的生產和生活活動而導致的局部甚至整個生物圈結構和功能的失調。 生態平衡失調起初往往不易被人們覺察, 如果一旦出現生態危機就很難在短期內恢復平衡。因此, 人類應該

16、正確處理人與自然的關系, 在發展生產, 提高生活水平的同時, 注意保持生態系統結構和功能的穩定與平衡, 實現人類社會的可持續發展(sustainable development)。2 生態學有關概念與原理2.2 生態學的一般規律 這里僅著重對生態學的一般規律進行簡要概括。生態學所提示或遵循的下述一般規律, 對搞好城市生態環境保護, 發展工業生產, 保障居民生活等均有指導意義。相互依存與相互制約規律 反映生物間及生物與環境間的協調關系, 主要是普遍的依存與制約關系, 亦稱“物物相關” 和“相生相克”規律2 生態學有關概念與原理 生態系統中的(同種或異種)生物間, 不同生態系統間, 甚至生態系統中

17、的生物與環境之間, 均存在相互依存和相互制約的關系, 亦可以說彼此影響。這種影響有些是直接的, 有些是間接的, 有些是立即表現出來的, 有些需滯后一段時間才顯現出來。一言以蔽之, 生物之間和生態系統間的相互依存與制約關系, 是普遍存在的。2 生態學有關概念與原理 因此, 在城市建設和城市居民生活中, 特別是在需要排放污染、傾倒廢物、噴灑藥品、采伐、開山、筑路、修建大型給水工程及其它建設項目時, 務必注意調查研究, 摸清自然界諸事物之間的相互關系, 對與某生產活動有關的其它事物也加以通盤的考慮, 包括考慮此種活動可能會產生的影響(短期的和長期的、明顯的和潛在的), 從而做到統籌兼顧, 全面安排。

18、2 生態學有關概念與原理物質循環與再生規律 生態系統中, 生物借助能量的不停流動, 一方面不斷地從自然界攝取物質并合成新的物質, 另一方面又隨時分解為原來的簡單物質, 即所謂“再生”, 重新被系統中的生產者植物所吸收利用, 進行著不停頓的物質循環。因此要嚴格防止有毒物質進入生態系統, 以免有毒物質經過生物放大作用和多次循環后富集到危及人類的程度。2 生態學有關概念與原理 至于流經生態系統中的能量, 通常只能通過系統一次, 當能量經食物鏈轉移時, 每經過一個營養級, 就有大部分能量轉化為熱散失掉, 無法加以回收利用。因此, 為了充分利用能量, 必須設計出能量利用率高的系統。如城市垃圾的處理, 從最初的填埋法到后來的焚化法再進一步到堆肥制取沼氣法, 便體現了人類逐步掌握生態學的循環與再生規律, 并應用于實踐的過程。特別是后者, 既能較徹底地消除污染, 又能充分回收垃圾中含有的物質養分(有機肥料)和有用能量(沼氣), 是較有前途的城市垃圾處理方法。2 生態學有關概念與原理物質輸入輸出的動態平衡規律 物質輸入輸出的平衡規律, 又稱協調穩定規律, 涉及到生態系統中生物與環境兩個方面。生態系統中生物與環境之間的輸入與輸出, 是相互對立的關系, 當生物體進行輸入時, 環境必然進行輸出, 反