城市自然地理的实践与发展

中国地理学会 自然 地 理 专 业 委 员 会 自然地理学与生态建设气象出版社2 006年7月 城市自然地理的实践与发展 刘敏 许世远， 侯立军“ 欧冬妮 常静 (1.华东 师范大 学资源 与环 境科学学 院 教育 部地理 信息科学 重点实验 室 ， 上海 2 0 。 。 62 ， 2 . 华 东师范大 学河 口海 岸 科 学研究 院 ， 上海 2 。 。 。 兑 ) 1城市 自然地理学的缘起 20 世纪后期以来， 越来越多的人口进人城市， 城市成为了人地关系表现最为集中的地带， 城市化作为最强烈的干扰形式， 同时也是最关键的环境变异驱动力， 人口、 资源、 环境、 能源等 全球性问题都集中反映在城市， 城市地理学在这种情况下应运而生。由于最初人们主要关注 城市经济和社会问题， 所以城市地理学研究领域主要集中在城市人文地理的研究方面。然而， 城市各自然地理要素也具有变异性、 界面多样性、 过程复杂性等特征， 同时又是一个典型的自 然一人文一社会经济相互藕合的地域综合体， 对全球和区域环境变化的响应极为敏感， 对地理 环境演变所构成的压力、 效应也更为突出， 是探索人一地关系协调发展的重要场所。2 0世纪 80 年代以来， 随着可持续发展问题的提出， 越来越多的学者提出城市的自然地理问题， 90 年代 中期以来 ， 国内外一些学者提出建立城市 自然地理学 系统理论的想法 。 人地关 系发 展的新时期 人地关系是地理学研究的核心内容。现今地球表层系统由自然因素引发的环境变化正在 转变为由人类因素引发的环境变化( 陆大道， 2 0 0 2 ) 。不仅地理学家的研究方向正在发生变化， 以陆地表层系统为研究对象的自然地理学也将从“ 人一 地关系” 的观点及区域研究的角度出发， 着手研究人类活动对于自然环境的影响。 1 . 2 现代城市自然地理格局的出现 城市化快速发展所伴生的大规模土地利用/ 覆被变化已成为一种典型的人地系统相互作 用过程和环境变化的重要驱动力。城市人工地貌的形成与不透水面积增加使天然地表格局发 生强烈变异， 形成新的下垫面， 改变了局地的能量平衡， 大量能源的消耗产生了人为热的排放， 使城市热岛效应更为突出; 不透水地面增加改变了城市地域的水分平衡， 使地表径流增加迅 速， 形成典型的暴雨径流污染和受纳水体水质的恶化; 河网水系结构发生变化， 人工渠道化的 基金项 目 : 国家 自然科学 基金 资助项 目( 4 0 1 3 1 0 2 0 .4 9 8 0 1 o 1 8) ; 教 育部高 等学校 骨干 教师 资助计 划项 目， 中 国博 士后基 金 资助项 目 ( 2 0 0 5 0 3 7 1 3 5 ) 。 作者简介: 刘敏(l9 64一) ， 男， 博士， 教授， 从事城市多界面环境过程， 环缝地球化学与污染生态研究。 E-m a i ! : m l iu g e o . e c n u . e d u . 。 4 8 6 城市河流使物质( 尤其是污染物质) 迁移、 转化的物理、 化学和生物( 生态) 过程、 机制发生重大 的改变。这些都是现代城市自然地理格局的集中表现， 这些城市问题的出现迫切地需要给出 科学的解释， 而单纯的从地貌、 水文、 气候和生物的角度研究问题已经不够了， 需要建立新的城 市自然地理要素的理论体系和专题研究( 许世远， 2 。 。 4)。 1 . 3 城市化发展对地理学提出的挑战 一个学科要想有旺盛的生命力， 就必须紧密结合社会发展的需求， 不断修正自己的内涵和 外延。城市化是中国经济发展的必然趋势， 中国正进人城市化高速发展时期， 陆续出现的一系 列尖锐矛盾迫切需要及时的科学认识和解决之道( 蔡运龙等， 2 0 0 4)。以往城市区域的地理学 研究偏重于人文经济研究， 而由于现代城市自然格局的出现， 迫切需要对于已经改变了的“ 第 二格局自然” 的系统研究。因此， 城市自然地理学的研究是对自然地理学的完善和发展， 也弥 补了以往城市地理研究中对自然地理要素作用机理研究的不足。 1 . 4 全球变化研究的区域响应 区域人地系统结构特征、 变化过程分析以及区域可持续发展模式的构建已经成为了当今 全球变化研究的主流( 宋长青等， 2 0 0 6 ) 。作为支撑全球变化研究的战略措施之一， I HD P于 2005年末启动了“ 城市化与全球变化” 等一系列以城市区域研究为着眼点的国际合作项目。 其中. 城市 L U C C驱动下的物质生物地球化学循环与生态效应， 已成为当前多学科联合攻关 研究的重要内容和当今自然地理学研究的核心问题之一。因此， 城市自然地理学发展应着眼 于全球变化研究的大背景， 在整体论思想指导下， 继续加强城市地理要素变化的动态过程、 驱 动力及其作用机理研究; 特别要重视研究那些起主导性的自然过程、 效应及其反馈过程; 这些 关键科 一 学问题的突破， 不仅会大大丰富城市自然地理学的基础理论， 进一步拓展其应用领域， 而且将会有力地推动全球变化研究的进程。 2 有关城市自然地理学科的基本问题 2 . 1 研究的主要内容、 对象及学科任务 城市自然地理学是以城市为研究区域， 研究在人类驱动力机制下城市系统各自然要素时 空分布特点、 规律及演变过程、 各要素之间相互藕合作用与驱动力机理， 进而做出评价、 模拟、 预测和调控。当前重点研究城市复杂系统中人与自然要素相互作用的过程、 机制、 互馈与效 应。城市自然地理学的研究范围涉及地貌学、 气象学、 水文学、 土壤学、 土地覆被、 生态学、 环境 科学等白然学科， 同时涉及城市规划、 经济学、 社会学等人文学科， 从学科性质上来说， 它既是 一个交叉学科， 也是一个基础应用学科。它的任务是研究城市自然地理环境的变化特点、 发展 动向和存在的问题; 探求城市资源利用与环境负载矛盾; 寻求合理的利用与改造途径以及整治 方法， 谋求人一 地关系协调发展之路。 2 . 2学科意义与必 要性 城市白 然地理的深入研究将丰富传统自然地理学的研究内容， 建立交叉学科体系， 为地理 487 学人一地关系理论提供实证; 为全球变化的区域模式研究提供典型范例， 为 I G B P等全球重大 研究计划做出贡献; 为城市地区社会、 经济与环境的协调发展提供决策依据。 23城市自然地理学深入研究的基础 已经开展有关城市地貌( 如编制了上海市城市地貌图以及山地城市地貌图) 、 城市气候 ( “ 热岛效应，)、 城市水文( 已 开展了城市地面积水时空变化特征及其环境灾害效应、 城市河网 水体环境、 城市暴雨径流与管理) 、 城市环境地球化学过程、 城市L u c c与城市遥感与GIS 等 部门城市自然地理学研究工作。近年来， 在城市单个要素时空演变研究的基础上， 重视城市 自 然地理的过程研究、 多环境界面间的相互作用以及人类活动驱动力机制研究， 尤其在点上的工 作积累资料较好。中国目前城市化进程的总体态势对城市自然地理学的研究和实践奠定了 基础 。 2 . 4研究的重点和发展方向 目前城市自然地理问题的深入研究主要表现在对城市自然地理系统的复杂性和发展针对 城市自然地理过程与系统的地理计算: *系统化: 在要素研究中建立格局一过程一机制的系统思维， 深入研究多要素的藕合作 用; 深化自然过程与物理过程与生物地球化学过程、 宏观与微观等多方面的结合。 ，定量化: 自然地理过程与城市过程的祸合与互馈作用辨识与建模模拟; 高新分析测试 与信息技术的分析与决策。 ，综合化: 综合与多学科交叉， 形成学科新的领域和方向。进一步深化和完善城市 自然 地理学的研究内容， 更好地发挥自然地理学科为城市可持续发展应有的作用与贡献。 3 主要研究进展 从自然地理学角度出发， 着眼于全球环境变化与城市化进程中人与自然要素相互作用的 过程、 机制与互馈， 以遥感、 地理信息系统等新技术为支撑， 致力于开展包括不同尺度的城市复 杂环境中土地利用/ 土地覆被动力学演变过程与驱动机制、 城市空间热场特征与热岛效应、 城 市暴雨径流污染过程与负荷、 城市空间的人工土壤( 灰尘) 污染物分布特征与环境效应等关键 学科问题的城市自然地理学研究， 试图揭示城市土地利用/ 土地覆被变化与物质循环过程之间 的响应机理与效应( 陆大道， 2 o 0 2)。 3 . 1 城市土地利用/ 土地覆被动力学演变过程与驱动机制 改进了基于光谱特征的土地利用信息提取模型( 孟飞等， 2 。 。 5)， 使之具有普适性， 能够更 为有效地提取城镇覆被及其土地利用背景信息; 利用不同时空分辨率遥感数据， 再现了快速城 市化进程中河网水系的空间动态演化过程、 特征及规律， 发现了城市化是引起土地利用快速变 化的主要原因， 证实了城市化是河网缩减的主要驱动力。 3 . 2城市土地利用/ 土地筱被演变的热环境效应 利用多时相遥感卫星影像资料， 借助增强型陆地卫星热红外单波段， 较系统地研究了土地 4 8 8 覆被变化、 城市扩展及与城市地表温度之间的关系， 反演了上海中心城区及市郊热场的变化过 程和特征， 论证了城市下垫面结构和热力性质差异及城市热源是影响近十年来上海城市热效 应变化的主导因素， 揭示了城市土地利用/ 土地覆被变化与热岛效应之间的藕合关系( 张心怡 等， 2 0 0 6 ) ( 图略) 。 3 . 3 城市暴雨径流污染与环境效应 较早研究了上海城市降雨径流中污染物的时空变化特征， 利用数值模型对整个降雨过程 中的污染物进行定量化， 发现污染物在不同功能区路面径流和不同材料屋面径流中的时间平 均浓度具有显著差异性， 提出了上海城市暴雨径流过程中污染物的” 初始冲刷效应( F F E ) ” ， 估 算了上海城市路面、 屋面径流污染指标的年负荷量( 图略) ， 发现上海市降雨径流的区域污染过 程主要受城市下垫面类型和降雨前气候条件差异的影响( 顾琦等， 2 o 02; 蒋海燕等， 2 o 0 2 ; 王和 意等， 2 0 0 5 ; 王和意等， 2 0 0 3 ) 。 3 . 4城市土壤一 灰尘分布与环境效应 从多介质的角度揭示典型生态要素在城市水、 土介质中的空间分异特征及水土界面过程; 人类活动对其生物地球化学转化、 迁移的影响及其所产生的环境效应( 刘玉燕等， 2 。 。 6 ) 系统开 展了上海市和乌鲁木齐市人工土壤、 地表灰尘中营养盐、 重金属和P AH s 的含量水平、 空间分 布变异研究， 通过因子特征分析判别了两城市不同功能区重金属和 P AHs 来源; 模拟降水条 件下城市人工土壤和地表灰尘对磷酸盐的吸附一解吸动力学过程， 认为该过程可作为评估和 预测城市人工土壤、 地表灰尘中磷流失风险及对水环境影响效应的依据( 图略) 。 3 . 5城市化河口生物地球化学研究 河口、 海岸是沿海城市最重要的生态系统之一， 我国岸线延长， 城市河口、 三角洲流域研究 就显得尤为重要。课题组在国内较早地开展了有关长江河口滨岸、 河滩化学方面的研究， 提出 河口滨岸潮滩” 干一湿交替” 物理格架， 从河口生源要素地球化学循环角度出发， 开展了营养盐 ( N、 P) 在河口滨岸潮滩的累积行为与生物有效性、 水一沉积物界面附近的物质交换、 响应与作 用机理; 系统开展了P O P s 的环境生物地球化学和生态风险研究， 深人研究了环境微界面上 P O P s 的迁移转化机制， 为河口型城市生物地球化学研究提供了实证研究( 刘敏等， 2 O 02; 刘敏 等， 2 0 0 5 ; 刘敏等， 2 0 0 6 ; 杨毅等， 2 0 0 3 ; 刘华林， 2 0 0 4 ; 程书波， 2 0 0 6 ; L i ue t a l ， 2 0 0 6 ; Y a n ge t a l ， 2 0 0 6 ; L i ue t a l ， 2 0 0 3 ;L i ue t a l ， 2 0 0 2 ; L i ue t a l ， 2 0 0 0 ) ( 图略) 。 4 城市自然地理学的主要发展方向 如前所述， 目前城市问题的不断出现和自然地理学各分支学科在城市的广泛应用为城市 自然地理学的发展提供了良好的背景和发展基础。在今后的工作中， 城市 自然地理学的首要 任务在于整合已有的要素分析， 突出系统和综合的研究思路 ， 将散落于各分支领域的成果进行 高度的系统综合， 而不是简单的垒砌， 从而整合到城市自然地理的系统研究思路上来， 注重分 析各个地理要素之间的联系、 相互影响以及城市复杂系统与各要素之间的关系。今后城市 自 然地理研究的趋势在于: 48 9 ，在研究各要素时空变化的同时， 应着重不同尺度的城市环境系统中多要素自然过程研 究 ， 包括物理过程、 化学过程、 生物过程、 生态过程及其驱动力和祸合作用， 探索其动力学演变 机制，