城市生態(tài)系統(tǒng)：人與自然復(fù)合

王效科,蘇躍波,任玉芬,張紅星,孫 旭,歐陽志云,3

1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院北京城市生態(tài)系統(tǒng)研究站,北京 100085 3 中國科學院大學,北京 100049

世界上已經(jīng)有超過一半的人口居住在城市中。人類也從農(nóng)民社會進入了市民社會。2018年底我國人口城市化率達59.6%,城市數(shù)量達672個。在發(fā)達國家,如美國、加拿大和澳大利亞等,城市人口數(shù)量已經(jīng)超過總?cè)丝诘?5%[1]。城市集中了全球80%以上的人類社會經(jīng)濟活動[2]。由于城市能夠為人類提供良好的就業(yè)、教育、醫(yī)療等機會,吸引越來越多人口不斷向城市聚集,城市的數(shù)量和規(guī)模都在不斷擴大。城市一方面是人類思想、商業(yè)、文化、科學、生產(chǎn)和社會活動的聚集地,為人類提供了更多的發(fā)展機會和空間,成為了社會經(jīng)濟發(fā)展的主要引擎；另一方面,城市人口的高度聚集和生產(chǎn)生活的極度活躍,遠遠超出自身的資源供養(yǎng)和廢物消納能力,造成了資源過度消耗和環(huán)境嚴重惡化,導(dǎo)致城市居民生活質(zhì)量出現(xiàn)下降,擁擠、污染、犯罪等問題嚴重影響了城市的可持續(xù)發(fā)展。因此,聯(lián)合國將建設(shè)包容、安全、彈性和可持續(xù)的城市作為17個人類可持續(xù)發(fā)展目標之一[3]。

城市是一類高強度人類影響的地方或區(qū)域,以人工建造環(huán)境為主,支撐了超過一定數(shù)量的人口(如不少于1000人[1])。在城市土地上,人類為了提高生活質(zhì)量和生產(chǎn)效率,既對原有的自然生境進行了改造,如人工管理的草坪和花園,也構(gòu)建或形成了一系列的新的生境,如房屋、道路、公園等。這些生境可以統(tǒng)稱為城市生境。這些城市生境不但對促進社會經(jīng)濟發(fā)展和提高生產(chǎn)生活水平具有很大的作用,而且對城市中的各種生物(如動物、植物及微生物)具有多方面的影響,其影響將最終影響到整個城市生態(tài)系統(tǒng),進而影響到城市居民的生活質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

城市生態(tài)學作為一門研究城市區(qū)域中的生物與環(huán)境間相互關(guān)系的學科,最初主要研究城市生境中的生物變化[4||5],即城市中的生態(tài)學(Ecology in city)。隨著生態(tài)學家對城市生態(tài)環(huán)境問題的不斷關(guān)注,將生態(tài)系統(tǒng)研究理念和方法應(yīng)用到城市生態(tài)學的研究中[6],形成城市的生態(tài)學(Ecology of city),提出城市生態(tài)系統(tǒng)這一核心概念。近年來,全球城市人口快速發(fā)展和城市環(huán)境問題的日益突出,城市可持續(xù)發(fā)展越來越需要城市生態(tài)學的理論和方法指導(dǎo),就出現(xiàn)了面向城市的生態(tài)學,強調(diào)城市生態(tài)學研究應(yīng)該更多關(guān)心城市規(guī)劃和管理的社會需求[7]。

隨著城市在人類生存和發(fā)展中的地位不斷提升,城市生態(tài)學進入了空前的快速發(fā)展階段。來自生態(tài)學、環(huán)境科學、社會學、園林學和城市規(guī)劃學等專業(yè)的科學家紛紛加入到城市生態(tài)學的研究隊伍,極大地推動了城市生態(tài)學的發(fā)展。對于城市這樣一個由自然環(huán)境、生物和人類構(gòu)成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng),可以采用多種思路和方法開展研究。特別是構(gòu)建具有一定適應(yīng)性的統(tǒng)一科學研究范式(Paradigm),將有利于促進不同研究工作的交流和研究成果的比較。從科學研究角度,范式就是一種公認的模型或模式[8],是一種對本體論、認識論和方法論的基本承諾,是科學家群體所共同接受的一組假說、理論、準則和方法的總和。在傳統(tǒng)生態(tài)學研究中,已經(jīng)形成了許多研究范式,如組織層級水平、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、群落演替、頂級群落、食物鏈等。這些范式對于指導(dǎo)生態(tài)學家開展生物與環(huán)境關(guān)系研究發(fā)揮了很大作用。城市生態(tài)學的研究,同樣需要一些研究范式來規(guī)范和指導(dǎo)。本文將在分析國內(nèi)外城市生態(tài)學研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,基于生態(tài)學及相關(guān)學科的研究范式,從生態(tài)系統(tǒng)角度,擬系統(tǒng)總結(jié)一些重要的城市生態(tài)學研究范式,為科學地認識、表征、模擬、診斷和預(yù)測城市生態(tài)系統(tǒng)及其變化提供方法學基礎(chǔ)。

1 城市是生態(tài)系統(tǒng)

生態(tài)系統(tǒng)是一個由生物群落與其周圍組分構(gòu)成的系統(tǒng)[9]。事實上,由于任何生物生存都離不開環(huán)境,都會和周圍環(huán)境構(gòu)成一個生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)概念的提出,讓我們認識到研究生物,應(yīng)該將生物與其周圍環(huán)境作為一個整體考慮[10]。當生物和環(huán)境構(gòu)成一個系統(tǒng)時,就會表現(xiàn)出新的屬性和功能。城市作為一個地域單元,盡管具有高度人工化的結(jié)構(gòu),但也離不開其他生物的支持,或逃脫不了其他生物的侵染,內(nèi)部包含各種生物,這些生物會與其環(huán)境構(gòu)成一個完整的生態(tài)系統(tǒng)。將城市作為一個生態(tài)系統(tǒng)進行研究,即城市的生態(tài)學。城市生態(tài)系統(tǒng)可以定義為：城市區(qū)域內(nèi)所有生物(包括人類)與環(huán)境構(gòu)成的系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的森林或草地生態(tài)系統(tǒng)相比較,城市生態(tài)系統(tǒng)具有人類影響主導(dǎo)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間異質(zhì)性高、生物種類和群落種類多樣、社會經(jīng)濟驅(qū)動強烈等特點。

城市生態(tài)系統(tǒng)首先被認為是一個高度復(fù)雜的社會—經(jīng)濟—自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),由社會子系統(tǒng)、經(jīng)濟子系統(tǒng)和自然子系統(tǒng)復(fù)合而成[6,11]。從驅(qū)動力上,城市生態(tài)系統(tǒng)不但受到自然因素的影響和控制,而且受到社會經(jīng)濟因素的影響和控制,人類對城市結(jié)構(gòu)和布局的規(guī)劃決定了城市生態(tài)系統(tǒng)的基本空間格局。從動態(tài)變化上,在人類高強度的能流物流驅(qū)動下,城市生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能變化速度很快。

城市作為一個客觀存在的地域單元,具有密集的人口及人類活動,有大量的人類構(gòu)筑物,與周邊農(nóng)村地區(qū)或自然區(qū)域存在多方面的差異。這種差異形成了城市生態(tài)系統(tǒng)的邊界。盡管水、土、氣、生因子構(gòu)成了城市生態(tài)系統(tǒng)的主要組分,但由于高強度的人類活動,城市的水土氣生性質(zhì)和功能已經(jīng)發(fā)生了很大變化。傳統(tǒng)的水土氣生研究理論需要擴展,例如,城市生態(tài)系統(tǒng)研究需要新的水土氣生分類體系(例如城市土壤分類、城市植被分類)和新的水土氣生過程規(guī)律(如城市水文學)描述方法。這也為相關(guān)的水土氣生研究學科提供了新的學科生長點。

生態(tài)系統(tǒng)概念提出70多年來,不但推動了生態(tài)學發(fā)展,而且極大的推動了生態(tài)學的應(yīng)用。生態(tài)系統(tǒng)理論和方法在指導(dǎo)自然資源管理、生物多樣性保護、生態(tài)環(huán)境保護、全球變化應(yīng)對等政策措施制定方面,發(fā)揮了很大作用。將城市作為一種生態(tài)系統(tǒng)來研究,不但能夠提高人類對城市中生物與環(huán)境關(guān)系(城市生態(tài)學)的認識,而且能夠為應(yīng)對城市生態(tài)環(huán)境問題(如熱島效應(yīng)、洪澇災(zāi)害和人居環(huán)境質(zhì)量下降等)提供各種解決方案。將城市作為一個生態(tài)系統(tǒng)研究,還與城市內(nèi)部空間和組分的不可分性有關(guān)。人類為了生產(chǎn)和生活需要,在城市建設(shè)過程中,會將城市內(nèi)部劃分成不同的功能單元布置不同的活動,共同構(gòu)成了一個整體城市。任何一個單元都只是城市這個生態(tài)系統(tǒng)的一部分。這不同于傳統(tǒng)的自然生態(tài)系統(tǒng),在森林或草原中,我們可以選擇一個典型片段進行研究,探討整個森林或草原生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。但城市內(nèi)部任何一個功能單元(或片段)都只是整個城市生態(tài)系統(tǒng)的一個部分,并不能代表整個城市生態(tài)系統(tǒng)。城市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各部分聯(lián)系緊密,很難分離,相互作用共同構(gòu)成一個整體,為城市的人們生存和發(fā)展提供必要的生活環(huán)境、生產(chǎn)條件和發(fā)展空間。因此,城市生態(tài)系統(tǒng)研究,需要考慮城市內(nèi)部各種功能單元。

1.1 黑箱范式

在系統(tǒng)科學研究中,經(jīng)常將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)作為一個黑箱,通過分析輸入與輸出間的響應(yīng)關(guān)系,就可以知道如何管理控制一個系統(tǒng),使其產(chǎn)生人類所需要的功能。城市生態(tài)系統(tǒng),需要消費大量的能源和材料[12],需要有大量能量和物質(zhì)的輸入和輸出。如果將城市生態(tài)系統(tǒng)作為一個黑箱看待,不考慮其內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu),只需要研究其能量物質(zhì)的輸入輸出特征,就可以直接評價城市的資源需求、環(huán)境影響和生態(tài)效率。

在1965年,Wolman[13]就提出了城市代謝概念,即通過定量城市的輸入(如水、原料和燃料)和輸出(如排泄物、固體廢物和空氣污染物)物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化和流動,就可以分析評價城市和社區(qū)特征。通過分析城市,與能量資源消費、生產(chǎn)增長和廢棄物排放緊密相關(guān)的技術(shù)和社會經(jīng)濟過程[14],研究城市的能量、水、養(yǎng)分、產(chǎn)品和廢棄物輸入、輸出和貯存,探討物資和能量消費與社會經(jīng)濟驅(qū)動力的關(guān)系[15-16]。并采用合適的工具和指標,建立起城市代謝模型,以探索城市資源利用效率和生產(chǎn)力提高的優(yōu)化途徑,辨識城市可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵過程和改進機會。

為了評價城市對土地利用、水資源和氣候的影響,有時會采取更簡單的城市生態(tài)系統(tǒng)輸入輸出量評價指標。如生態(tài)足跡指標(人類消費和廢物處理需要的土地面積[17])被較早應(yīng)用到城市對環(huán)境影響評價中。該指標又演化成水足跡、食物足跡、廢棄物足跡、碳足跡,都已經(jīng)被應(yīng)用到城市生態(tài)影響的評價中[18-20]。

黑箱范式雖然不能反映城市生態(tài)系統(tǒng)能量流動和物質(zhì)循環(huán)過程的詳細特征,但對城市管理來說,該范式簡單直接,而且其結(jié)果容易理解和應(yīng)用。

1.2 結(jié)構(gòu)-過程-功能-服務(wù)級聯(lián)范式

生態(tài)系統(tǒng)的研究,首先是從研究生態(tài)系統(tǒng)中的生物與環(huán)境的結(jié)構(gòu)關(guān)系[9]開始,逐漸發(fā)展到研究生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)能量流動過程和功能(營養(yǎng)級[21]、有機質(zhì)分解[22]、生產(chǎn)力[23]),然后到研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[24]。要完整理解一個生態(tài)系統(tǒng),就需要從生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-過程-功能-服務(wù)全方面開展研究[25-26],這就構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)的一種研究范式,即生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-過程-功能-服務(wù)之間具有逐級關(guān)聯(lián)關(guān)系,即生態(tài)系統(tǒng)級聯(lián)范式。

城市作為一個生態(tài)系統(tǒng),需要開展從城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的全面研究[27],即采用生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-過程-功能-服務(wù)的生態(tài)系統(tǒng)級聯(lián)范式來描述分析(圖1)。城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程、功能和服務(wù)的主要特征：

圖1 城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-過程-功能-服務(wù)級聯(lián)框架

(1)結(jié)構(gòu)特征：生產(chǎn)者-消費者-還原者構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)能量傳輸和物質(zhì)循環(huán)的完整過程。在城市生態(tài)系統(tǒng)中,人類占據(jù)了主導(dǎo)地位。人類作為城市的主要消費者,需要大量的生產(chǎn)者提供食物和能源,包括外來生產(chǎn)者提供食物和能源。需要高效的還原者分解廢棄物,包括建設(shè)污水處理廠和垃圾焚燒爐。

(2)過程特征：生態(tài)系統(tǒng)功能維持需要連續(xù)不斷的能量流、物質(zhì)流和信息流。城市中各種人工建造和調(diào)控措施決定了能源和物質(zhì)的輸送轉(zhuǎn)化過程,改變了自然界生物地球化學循環(huán)過程和物質(zhì)生產(chǎn)過程[28]。在城市生態(tài)系統(tǒng)中,參與能量流和物質(zhì)流的物質(zhì)形態(tài)多種多樣。除太陽能外,化石能源和其他外來能源是主要能源；建筑材料、生活用品和食品是主要物質(zhì)輸送形態(tài)(可以稱為物資流)。為了維持城市生產(chǎn)生活,城市中建設(shè)了多種人工運輸設(shè)施(如道路、管道和輸電線路等)和工具(如機動車等),用于物質(zhì)和能量的輸送,極大地增強了能量流和物質(zhì)流的通量。城市生態(tài)系統(tǒng)的能量和物質(zhì)流動的方式和方向主要是由社會經(jīng)濟目的決定的。城市生態(tài)系統(tǒng)具有高度的對外依賴性,需要大量外部的物質(zhì)能量輸入才能夠維持。信息流已經(jīng)在城市生態(tài)系統(tǒng)中變得越來越發(fā)達和重要,人類通過生產(chǎn)、收集、傳輸和解譯各種信息,能夠提高能量流和物質(zhì)流的效率,增強城市生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)。

(3)功能特征：生態(tài)系統(tǒng)的基本功能主要有生產(chǎn)力與生物量、養(yǎng)分循環(huán)與營養(yǎng)庫、水源和生境。在城市生態(tài)系統(tǒng)中,由于植被等自然地表的減少,會造成生產(chǎn)力與生物量、養(yǎng)分循環(huán)與營養(yǎng)庫、水源和自然生境的減少。但城市高密度的人口和高效率的經(jīng)濟社會活動,不但能夠保證人類的能量和營養(yǎng)需求,而且能夠為城市提供優(yōu)質(zhì)的生活質(zhì)量等功能,部分彌補了城市生態(tài)系統(tǒng)中自然功能的不足。

(4)服務(wù)特征：對人類來說,生態(tài)系統(tǒng)能夠提供產(chǎn)品、調(diào)節(jié)和文化等多種服務(wù)。由于城市植被減少和城市社會經(jīng)濟功能需要,城市生態(tài)系統(tǒng)提供的服務(wù)種類和數(shù)量都發(fā)生了變化,提供的產(chǎn)品以加工過的食物和各種生活用品為主,提供調(diào)節(jié)功能的方式以各種人工環(huán)境調(diào)節(jié)和凈化設(shè)施(如空調(diào)、污水和垃圾處理等)為主,提供文化服務(wù)的種類更加多樣和強大,包括各種學校、醫(yī)院和政府等。城市居民最關(guān)心的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是降溫、洪澇災(zāi)害減輕和人體健康保障等[28-29]。

生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程、功能和服務(wù)不是相互孤立存在的,而是關(guān)聯(lián)的。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定過程、過程決定功能、功能決定其影響(服務(wù)),具有逐級關(guān)聯(lián)關(guān)系和先后依賴關(guān)系,即級聯(lián)效應(yīng)(Cascade effect)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化可以通過這種級聯(lián)效應(yīng)傳遞到服務(wù)的變化。近些年來,在生態(tài)系統(tǒng)評價中,生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程、功能和服務(wù)間的級聯(lián)效應(yīng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[26]。對于城市生態(tài)系統(tǒng),這種級聯(lián)效應(yīng)也存在。由于城市生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性,這種級聯(lián)效應(yīng)不是簡單線性或唯一函數(shù)關(guān)系。但無論如何,理解這種級聯(lián)效應(yīng)對研究城市生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和過程調(diào)控以及功能和服務(wù)提升具有重要科學價值。特別是在城市生態(tài)系統(tǒng)中,級聯(lián)效應(yīng)貫穿著強大的人為調(diào)控作用,包括人類可以為了獲得需要的服務(wù)而改變生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程,通過各種政策和措施將這種單向的級聯(lián)關(guān)系改變成具有回路的循環(huán)反饋的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。級聯(lián)效應(yīng)能夠很好的反映城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的形成機制,解釋城市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)在聯(lián)系和指導(dǎo)城市規(guī)劃管理者制定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升措施和對策,但相應(yīng)的實例研究目前還很少[30]。

2 城市是人與自然復(fù)合的生態(tài)系統(tǒng)

人口地域上的聚集形成了城市。城市與一般居民點或村落的區(qū)別主要體現(xiàn)在：城市人口需要城市以外區(qū)域提供食物、水資源和其他生活物資來支撐,而且城市生活消費排放的廢棄物量已經(jīng)超過了城市生態(tài)系統(tǒng)自身代謝還原能力,需要輸出到城市以外區(qū)域或采用人工設(shè)施(如污水處理場和垃圾焚燒廠)來消化,才能保證城市環(huán)境不被破壞。盡管城市離不開自身的自然環(huán)境條件,但從城市生態(tài)系統(tǒng)的要素、結(jié)構(gòu)、過程、功能到服務(wù),城市處處表現(xiàn)出以人為主導(dǎo)的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)特點。

人與自然關(guān)系一直是生態(tài)學研究的熱點之一。人類為了滿足自身發(fā)展和完善的需要,對自然進行不斷的改造和開發(fā)利用,但人類是自然界的產(chǎn)物,不可能離開自然而生存。沒有自然界提供優(yōu)質(zhì)水源、清潔空氣和足夠食物,人類就不可能生存。并且,自然的資源提供能力和循環(huán)再生能力都是有限的,即人類生存的資源環(huán)境承載力是有限的。過分開發(fā)和利用自然是不可能持續(xù)的,甚至會造成人類的災(zāi)難。從局部地區(qū)人類活動引起的滑坡、泥石流和洪澇,到全球范圍內(nèi)人類活動引起的氣候變化,許多案例都反映了人類活動可以造成威脅人類生存和發(fā)展的災(zāi)難性后果。幸運的是,人類社會發(fā)展和技術(shù)進步,有可能通過提高資源利用效率和環(huán)境凈化能力,減少人類活動對自然環(huán)境影響和破壞,從而減少自然災(zāi)害和提高人類生活質(zhì)量。因此,人類社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的根本就是要解決好人與自然共存并和諧相處。

城市形成和發(fā)展過程中,盡管人類起到了主導(dǎo)作用,但人與自然在城市生態(tài)系統(tǒng)中都具有重要作用,缺一不可。人與自然的相互作用決定了城市生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能特征。

2.1 城市生態(tài)系統(tǒng)中人與自然的作用

城市是人類社會經(jīng)濟發(fā)展的產(chǎn)物,人類在整個城市生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。但自然作為城市形成和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),其作用不可忽視?，F(xiàn)在城市面臨的許多生態(tài)環(huán)境問題都與忽視自然的作用有關(guān)。如城市熱島效應(yīng)和洪澇災(zāi)害都與自然植被大量減少有關(guān)。在城市生態(tài)系統(tǒng)中,人和自然都是重要的組分,都在發(fā)揮著重要作用,共同維持和調(diào)控各種生態(tài)過程和功能,為城市生活的人們提供各種服務(wù)。充分認識人和自然在城市生態(tài)系統(tǒng)中的作用,對理解城市生態(tài)系統(tǒng)特征和開展城市規(guī)劃與管理具有重要意義。

在以前研究中,城市生態(tài)系統(tǒng)被分為自然、社會和經(jīng)濟三個子系統(tǒng)[6],并且認為三個子系統(tǒng)相互作用和關(guān)聯(lián)。但對于三個子系統(tǒng)各自的作用及其相互間如何關(guān)聯(lián),研究還比較少。為了將問題簡單化,這里將社會和經(jīng)濟子系統(tǒng)都歸并成人類及其活動。這樣就可以將城市生態(tài)系統(tǒng)的組分分成人和自然兩大類,然后分析自然和人類在生態(tài)系統(tǒng)組分、結(jié)構(gòu)、過程、功能和服務(wù)等方面的各自作用(表1)?？梢钥偨Y(jié)如下：

表1 人與自然在城市生態(tài)系統(tǒng)的基本組分、結(jié)構(gòu)、過程、功能和服務(wù)的作用

(1)城市生態(tài)系統(tǒng)組分中,除水、土、氣、生等自然因子外,還有一些人工組分,如人工構(gòu)筑物(如道路、管道、房屋和廣場等)。

(2)城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的生產(chǎn)者、消費者和還原者,既包括自然界的光合作用產(chǎn)生有機物的植物(生產(chǎn)者)、采食植物和捕食其他動物的動物(消費者),以及分解植物和動物殘體的微生物(還原者),還包括人類社會的食品加工及能源和其他原材料生產(chǎn)的生產(chǎn)者,飲食交通娛樂等的消費者,以及各種廢棄物處理的還原者。人類可以同時承擔生產(chǎn)者、消費者和還原者的角色。

(3)城市生態(tài)系統(tǒng)過程,自然界主要依靠風場、河流、土壤發(fā)育和生物生長以及食物鏈進行能量和物質(zhì)的流動,人類通過各種交通運輸和通信,進行能量、物質(zhì)、物資和信息的傳遞。

(4)城市生態(tài)系統(tǒng)功能,自然界包括維持空氣和水體質(zhì)量、提供水資源和生產(chǎn)力、維持各種能量流動與養(yǎng)分循環(huán)等,人類活動包括供應(yīng)日常用品、維持環(huán)境、提供各種基礎(chǔ)設(shè)施,以滿足人類生活生產(chǎn)和文化需求。

(5)城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),自然和人類都能夠提供,包括提供產(chǎn)品、調(diào)節(jié)、文化等服務(wù)。對于城市特別關(guān)心的固碳、溫室氣體減排、熱島效應(yīng)緩解、暴雨徑流減緩、水質(zhì)改善、空氣質(zhì)量改善、人體健康等服務(wù)[28,31],人和自然既可以分別完成,也可以共同協(xié)作實現(xiàn)。

2.2 城市生態(tài)系統(tǒng)人與自然的相互作用機制

人類是城市生態(tài)系統(tǒng)的主角,人類主導(dǎo)的社會經(jīng)濟活動對城市形成和發(fā)展具有決定性作用。但自然界在提供城市生產(chǎn)生活條件方面也具有重要作用和優(yōu)勢,因此在城市生態(tài)系統(tǒng)中,自然和人類會承擔不同角色,共同發(fā)揮作用,表現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)組分上鑲嵌、結(jié)構(gòu)上融合、過程上耦合、功能上互補和服務(wù)上協(xié)同(表1),以保障城市生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展。

(1)組分上鑲嵌：城市生態(tài)系統(tǒng)組成元素可以分為人工構(gòu)筑物和自然要素。前者包括人工建造的各種建筑物(房屋、道路、廣場等),基本上是自然界不存在或很少有的。后者是自然形成的各種植被、湖泊和巖石等。在城市空間上,兩類元素常常鑲嵌分布。這種組分鑲嵌特征,將會直接影響城市生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程、功能和服務(wù)。

(2)結(jié)構(gòu)上融合：生態(tài)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上是由生產(chǎn)者、消費者和分解者組成,三者構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈,維持了生態(tài)系統(tǒng)能量流動和物質(zhì)循環(huán)過程的正常工作。為了滿足人類物質(zhì)和精神生活的高度需求,城市生態(tài)系統(tǒng)中的能量和物質(zhì)流動的通量很大,自然界的生產(chǎn)者、消費者和分解者的能力已經(jīng)不能滿足需求,而必須依靠人工建立的基礎(chǔ)設(shè)施(如化石能源生產(chǎn)消費、廢棄物處理等),融合各種自然要素,共同來完成城市生態(tài)系統(tǒng)的有機物生產(chǎn)、消費和分解活動,以保證城市生態(tài)系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮和城市效率的提高。

(3)過程上耦合：城市生態(tài)系統(tǒng)既包括依靠自然力驅(qū)動的自然過程,也需要依靠社會經(jīng)濟力驅(qū)動的人類過程。這兩種過程并不僅僅單獨運動,而且常常相互耦合在一起,共同完成城市生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)循環(huán)。城市除自然的能量流動和物質(zhì)循環(huán)外,大量能量和物質(zhì)需要人類外部輸入和內(nèi)部轉(zhuǎn)運,被利用后會排入人工廢棄物處理系統(tǒng)(如垃圾焚燒廠和污水處理場等),最后回歸自然,融入自然界參與自然物質(zhì)循環(huán)。只有將人類社會物質(zhì)代謝過程和自然物質(zhì)循環(huán)相耦合,才能科學的根治各種城市生態(tài)環(huán)境問題。

(4)功能上互補：城市生態(tài)系統(tǒng)中,自然界具有的生產(chǎn)功能和養(yǎng)分循環(huán)功能,往往只能滿足城市社會經(jīng)濟的部分需要,更多的需要由人工設(shè)施的功能來滿足。如城市的食物和能源供給功能、居住功能、教育衛(wèi)生功能等,除少量依靠自然環(huán)境外,主要是依靠人類從外地輸入或自行修建,補充自然生態(tài)系統(tǒng)功能上的不足,共同滿足城市人類生產(chǎn)生活的功能需求。

(5)服務(wù)上協(xié)同：城市需要足夠的食物、飲用水和能源、良好的空氣和水體環(huán)境以及充足的文化生活等服務(wù)。由于物理化學和生物學性質(zhì)不同,自然界和人工設(shè)施在提供不同服務(wù)時的成本和效率不一樣,因此,應(yīng)該優(yōu)化配置自然和人類要素,利用自然和人類提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的互補和協(xié)同關(guān)系,減少城市面臨的生態(tài)環(huán)境問題。

在城市生態(tài)系統(tǒng)中,人與自然的關(guān)系既可以是競爭的,也可以是互補的。一塊土地要么開發(fā)為人工設(shè)施,要么保留自然景觀,人與自然相互競爭。特別是在城市處于快速發(fā)展時期,城市土地的社會經(jīng)濟價值不斷提升,造成人工建筑用地擴大,自然用地減少,結(jié)果造成了生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的下降以及人居環(huán)境質(zhì)量的惡化。人類對城市生產(chǎn)生活的需求是多方面的,一部分是自然能夠提供的,而一些需要人類自己解決。如城市的廢棄物分解,盡管自然界具有一定的環(huán)境凈化能力,但面對城市巨量的廢棄物,遠遠超過了自然界的凈化能力,需要人工建立垃圾焚燒、污水處理等設(shè)施來降解廢棄物。在城市規(guī)劃和建設(shè)中,應(yīng)該努力減少城市生態(tài)系統(tǒng)中人與自然間存在的競爭關(guān)系,充分發(fā)揮人與自然間的互補與協(xié)同關(guān)系,才能保證人與自然和諧相處,促進城市可持續(xù)發(fā)展。

2.3 人與自然共存進化范式

隨著人類活動范圍和影響的不斷擴大,生態(tài)學正在從探討純自然的生態(tài)系統(tǒng)(原始森林和草原)發(fā)展到研究受人類影響的生態(tài)系統(tǒng),如農(nóng)田、城市生態(tài)系統(tǒng)等。在全球范圍內(nèi),目前幾乎不存在嚴格意義的不受人類活動影響的生態(tài)系統(tǒng)。即使南極北極和高寒山地,也受到氣候變化和遠程傳輸過來污染物的影響。因此,越來越多的生態(tài)學家將人類活動納入到生態(tài)系統(tǒng)研究中,探討生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)及其受人類活動的影響,探尋人類與自然和諧相處的可持續(xù)發(fā)展途徑。

我國古代就有人地合一的觀念。30年前,馬世駿和王如松[32]提出了社會-經(jīng)濟-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論,指出生態(tài)系統(tǒng)是由自然、經(jīng)濟、社會三個子系統(tǒng)構(gòu)成的,具有整體、協(xié)調(diào)、循環(huán)、共生的特性。劉建國等[33]提出了人與自然耦合系統(tǒng)概念,指出了人和自然在空間、時間和組織單元上耦合,該耦合系統(tǒng)具有閾值、交互反饋、時滯、彈性、異質(zhì)性和意外性等特點。著名經(jīng)濟學家Ostrom[34]提出了社會-生態(tài)系統(tǒng)概念,認為資源的使用者從來不會有效地保護資源,除非政府強制要求。越來越多的實踐證明,只有同時考慮人類和自然兩方面及其相互作用,人類才能理解社會發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)動態(tài),才能走上社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展道路。越來越多的人認為,人類是生態(tài)系統(tǒng)的組成部分,生態(tài)系統(tǒng)中的人類和自然環(huán)境組分深深的交織在一起,相互影響[35]。

城市作為人類社會發(fā)展的產(chǎn)物,城市學家早期主要關(guān)心城市的社會經(jīng)濟性質(zhì)和問題[36]。隨著城市人口進一步聚集和各種生態(tài)環(huán)境問題的集中爆發(fā),生態(tài)學家重新關(guān)注城市中自然組分的重要性。早在1980年代,我國開始城市生態(tài)系統(tǒng)研究時,馬世駿和王如松[32]提出“城市是一類以人類的技術(shù)和社會行為為主導(dǎo),生態(tài)過程為紐帶,人與自然環(huán)境相互作用形成的社會-經(jīng)濟-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)”,就強調(diào)城市是一類以人的行為為主導(dǎo)、自然環(huán)境為依托、資源流動為命脈、社會體制為經(jīng)絡(luò)的人工生態(tài)系統(tǒng)[6]。自2000年以來,國外城市生態(tài)系統(tǒng)研究的理論框架中,也強調(diào)人與自然的相互關(guān)系。在美國鳳凰城研究中,Grimm和Redman[37]提出城市中人類活動和生態(tài)系統(tǒng)的耦合框架,強調(diào)研究城市生態(tài)系統(tǒng)格局和過程動態(tài)及其受人類活動和環(huán)境變化的影響。Pickett等[38]提出城市是由社會系統(tǒng)和與生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-過程相關(guān)聯(lián)的資源系統(tǒng)構(gòu)成的人類-自然耦合系統(tǒng)。Alberti等[39]更強調(diào)了人類和自然的結(jié)合,生態(tài)系統(tǒng)驅(qū)動力、格局、過程和效應(yīng)的研究應(yīng)該包含人類社會和自然特征及其相互雜交(hybrid)?？傊?這些研究都是從靜態(tài)角度分析人與自然關(guān)系的。我們知道,城市作為一種社會發(fā)展現(xiàn)象,是在不斷發(fā)展變化的,具有一種動態(tài)變化過程。因此,有必要從進化的角度來分析一下城市生態(tài)系統(tǒng)的人與自然相互關(guān)系。

人類社會的發(fā)展歷史,就是一部人與自然共同進化的歷史。地球上生物的出現(xiàn),逐步改變了地球上的氣候、水文和土地覆蓋特性,形成了各種新的生境條件,促進了新的生物出現(xiàn)。地球上的自然環(huán)境與生物相互作用、共同進化。正如蓋亞假設(shè)指出的,生物與環(huán)境的相互作用形成的協(xié)同、自我調(diào)節(jié)和復(fù)雜的系統(tǒng),維持了地球上適合生命持續(xù)生存與發(fā)展的條件[40]。人類出現(xiàn)和壯大,越來越深刻地改變地球面貌和過程,形成了人類世[41-42]。在人類世,人與自然的關(guān)系還在不斷變化。特別是隨著人類向城市聚集,城市化進一步加劇了人類對地球的影響。城市建設(shè),人類利用各種先進技術(shù)對自然環(huán)境進行重新構(gòu)造,改變了城市區(qū)域的自然地理面貌和地球物理化學過程。隨著全球城市數(shù)量和規(guī)模的不斷擴大,城市將成為我們所處的星球演化過程中的一種重要現(xiàn)象,地球?qū)芸爝M入城市世(Urbanocene)。在城市世,城市將成為主導(dǎo)人類和地球演化的核心,人類和地球的未來命運都將與城市的發(fā)展密切相關(guān)。城市既是人類社會發(fā)展的產(chǎn)物,也是地球演化的產(chǎn)物。任何城市都是由自然和人類兩種要素構(gòu)成的。城市的維持和發(fā)展,需要自然過程和人類社會過程共同支撐,同時伴隨著人與自然的共同發(fā)展[43]?？梢哉f,城市是一種人與自然共存進化的產(chǎn)物。人類發(fā)展,推動了城市發(fā)展,自然條件為城市發(fā)展提供了自然基礎(chǔ)。城市發(fā)展改變了人類,也改變了自然,改變了人與自然的關(guān)系。城市發(fā)展可以引起一系列生態(tài)環(huán)境問題,如資源短缺、污染嚴重和生活質(zhì)量下降,但人類通過建立新的社會、經(jīng)濟和技術(shù)系統(tǒng),耦合人與自然因素和過程,可以防止生態(tài)環(huán)境問題的出現(xiàn),建立一種人與自然的和諧關(guān)系,保障人類社會高效持續(xù)發(fā)展。城市發(fā)展將會改變地球的自然進化史,但這一定是建立在人與自然共存進化的基礎(chǔ)上。

人與自然共存進化范式,反映了城市生態(tài)系統(tǒng)研究的核心。城市是人與自然共同構(gòu)成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),你中有我、我中有你。人與自然相互作用形成了一個協(xié)同、自我調(diào)節(jié)和復(fù)雜的城市生態(tài)系統(tǒng),維持著城市居民的生活生產(chǎn)及城市發(fā)展。人類為了適應(yīng)城市生活,在不斷進行城市建設(shè)和改變自身的行為。城市植物和動物為了適應(yīng)城市環(huán)境,也會產(chǎn)生生長發(fā)育變化和生活行為適應(yīng)。人類不僅是城市生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展演變的影響因素,而且是城市生態(tài)系統(tǒng)中的一個重要組分。人類自身及其建造的各種設(shè)施,已經(jīng)成為城市生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的組分,直接參與了、甚至主導(dǎo)了城市生態(tài)系統(tǒng)的一些重要過程和功能。自然仍然是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,城市氣候、水文、地形、植被、土壤等自然要素,對城市居民生活質(zhì)量和城市生態(tài)環(huán)境具有重要調(diào)控作用。因此,城市生態(tài)系統(tǒng)中,自然要素和人類要素是共存的,共同維持城市生態(tài)系統(tǒng)的過程和功能。人類和自然通過不斷的相互作用、相互影響和相互適應(yīng),塑造了一定結(jié)構(gòu)和功能的城市生態(tài)系統(tǒng),為人類生存和發(fā)展提供生活生產(chǎn)條件。在城市生態(tài)系統(tǒng)中,人與自然不但具有各自的角色和發(fā)揮不同的作用,而且在許多方面是緊密的融合在一起的,共同塑造了城市生態(tài)系統(tǒng)的形態(tài)及能流和物流特征,形成了城市生態(tài)系統(tǒng)的自然-人工復(fù)合格局、社會-生物-地球-化學循環(huán)耦合過程和生產(chǎn)-生活復(fù)合功能。人類推動了城市發(fā)展,進而影響到城市自然環(huán)境,如地貌改變、熱島效應(yīng)、環(huán)境污染、植被變化等,甚至可以改變城市生物的進化過程[44]。人類起源于自然,需要自然界持續(xù)地提供基本生活生產(chǎn)資源和條件,城市對自然環(huán)境的改變,有可能影響到自然資源供給能力和條件,人類社會必然需要做出相應(yīng)的改變。為了減緩和適應(yīng)城市自然環(huán)境的改變,生活在城市的人類不得不改變其生產(chǎn)生活方式,甚至改變?nèi)祟惿鐣袨榈倪M化過程。在城市生態(tài)系統(tǒng)中,人和自然不但需要共存,而且會發(fā)生共同進化,即人與自然共存進化。對于城市生態(tài)環(huán)境問題來說,人與自然共存進化,既是其產(chǎn)生的根源,也是其根除的良方。城市生態(tài)人與自然共存進化,調(diào)控著城市的形成和發(fā)展,決定了城市生態(tài)系統(tǒng)的演化非線性、空間異質(zhì)性以及穩(wěn)定性和彈性。因此認識人與自然共存進化規(guī)律,應(yīng)該是今后城市生態(tài)學的研究重要內(nèi)容。

3 結(jié)論

城市作為一個人與自然復(fù)合的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng),可以采用黑箱范式、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-過程-功能-服務(wù)級聯(lián)范式和人與自然共同進化范式開展研究。城市生態(tài)系統(tǒng)在研究方法和內(nèi)容上,與傳統(tǒng)的森林、草原和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)存在很大不同。首先城市能量物質(zhì)流動集中發(fā)生在人類社會,主要為城市物質(zhì)代謝。其次,城市生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程、功能和服務(wù)的類型和數(shù)量都明顯增多,特別是包括許多社會經(jīng)濟因素和途徑。再次,城市生態(tài)系統(tǒng)是人與自然復(fù)合成的一個整體,表現(xiàn)在人與自然因素在組分上鑲嵌、結(jié)構(gòu)上融合、過程上耦合、功能上互補和服務(wù)上協(xié)同。人類不僅僅是城市生態(tài)系統(tǒng)的一個驅(qū)動力或受影響者,而具有多種角色：生產(chǎn)者、消費者、還原者、建設(shè)者、管理者、接受者和響應(yīng)者等。人類需要很好地協(xié)調(diào)城市生態(tài)系統(tǒng)人與自然之間的各層次上的關(guān)系,才能夠保證城市具有良好的人居環(huán)境質(zhì)量和高效的生活生產(chǎn)方式。

在如今快速城市化發(fā)展時期,城市面臨的熱島效應(yīng)、洪澇災(zāi)害和疾病風險等“城市病”還在不斷加重。這些問題的起源與傳統(tǒng)城市建設(shè)中缺乏對城市生態(tài)系統(tǒng)的全面了解有關(guān)。例如忽視城市生態(tài)系統(tǒng)中的自然環(huán)境的作用和價值,造成植被缺乏和地表過分人工化,降低了城市生態(tài)系統(tǒng)的氣候和水文調(diào)節(jié)服務(wù)功能,容易形成氣溫升高和暴雨積水。城市也需要強大的人工設(shè)施,如果沒有可靠的供水供電系統(tǒng)、足夠有效的污水和垃圾處理系統(tǒng),城市生態(tài)系統(tǒng)就很難良性循環(huán),人居環(huán)境質(zhì)量就無法保證。在城市生態(tài)系統(tǒng)中,人與自然應(yīng)該共存、互惠共生、發(fā)揮各自長處,才能提升城市生態(tài)系統(tǒng)總體服務(wù)功能,保證城市生態(tài)系統(tǒng)健康和活力。城市是人類社會發(fā)展形成的,人類活動影響巨大,但不能簡單認為城市是一種以人為核心的生態(tài)系統(tǒng),而應(yīng)該將城市看成人與自然復(fù)合的生態(tài)系統(tǒng)。人與自然共存進化,是城市形成的重要動力。城市發(fā)展改變了自然和改變了人類,人類也會采用各種社會、經(jīng)濟和技術(shù)手段,進行城市規(guī)劃、建設(shè)和管理,保證城市生態(tài)系統(tǒng)的健康和活力。將城市作為一個完整的生態(tài)系統(tǒng),分別采用黑箱范式、結(jié)構(gòu)-過程-功能-服務(wù)級聯(lián)范式和人與自然共存進化范式,系統(tǒng)研究城市生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)能量輸入輸出關(guān)系、結(jié)構(gòu)-過程-功能-服務(wù)間級聯(lián)關(guān)系以及人與自然協(xié)同關(guān)系,將為辨識城市生態(tài)環(huán)境問題、探索城市人居環(huán)境質(zhì)量提高的技術(shù)途徑和制定城市社會經(jīng)濟發(fā)展政策提供科學依據(jù),從而增強城市生態(tài)系統(tǒng)的彈性和可持續(xù)性。