城市生态学课件资料③——第二章

第2章 城市生态学的理论基础第1节 城市生态学的学科基础一、生态学（ecology）（一）生态学的发展与研究对象1.德国赫克尔（Emst Heinrich Haeckel）于1869年提出，并于1886年创立了生态学这门学科。Ecology来自希腊语“oikos”(居住地、隐蔽处、家庭)与“logos”科学研究。2. 生态学研究的基本对象是两个方面的关系，其一为生物与生物之间的相互关系，其二为生物与环境之间的相互。因此，生态学是研究生物之间、生物与环境之间的相互关系的学科。（2） 生态学研究尺度1.基因 DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。基因多样性是生物多样性的重要组成部分，是地球上所有生物携带的遗传信息的总和。转基因通俗的说就是一种生物体内的基因转移到另一种生物或同种生物的不同品种中的过程。一般来说转基因是通过有性生殖过程来实现的。2. 个体生态学物种的生活史个体对环境的适应性生活型环境对个体的制约生态型3. 种群生态学同类生物所组成的群体。种群的基本特征年龄结构、性比、大小等。种群的格局空间分布等。格局形成的过程种内竞争、生殖特征等。4. 群落生态学不同类别生物所组成的集合。群落的结构水平结构、垂直结构、种类结构。群落的动态演替过程、物种更替等。5. 生态系统、景观、全球生态学在一定空间范围内，各生物成分和非生物成分，通过能量流动和物质循环而相互作用和相互依存所形成的一个功能单位。结构食物链。功能能流、物流、信息流、价值流。调控机制、反馈。二、城市学1.城市学(urbanology)一词最早见于日本矶村英一的城市学（1975）。2.城市学以城市为研究对象，从不同角度、不同层次观察、剖析、认识、改造城市的各种学科的总称.3.最早的城市学是依附于建筑学之中的。工业革命后，社会学、城市地理学、城市管理学、城市经济学、城市规划学等被相继纳入城市学的范畴之中。三、人类生态学（anthropo-ecology）1.人类生态学(anthropo-ecology)是研究人与周围环境之间的相互关系及其规律的学科。2.美国芝家哥学派的代表人物（帕克）首先提出这个科学术语。3.当今人类面临的五大危机的挑战，其核心问题是“人口爆炸”，因此人类生态学也就自然成为生态学中最引人瞩目的分支之一。第二节 城市生态学的有关概念与原理1、 基本概念（1） 生态系统1.定义指一定地域内生存的一个生物群落与环境相互作用的，具有能量转换、物质循环代谢和信息传递功能的统一体。2.生态系统的结构特征（仿Clarke，1954 ）3.生态系统的功能特征4.生态系统中能量的流动能量流动特点：“越流越细”，能量在流动过程中逐渐耗散。单向流动，不可逆。5.生态系统的物质循环（2） 城市生态系统1. 定义人为改变了结构、改造了物质循环和部分改变了能量转化、长期受人类活动影响的、以人为中心的陆生生态系统（宋永昌等）。由人类社会、经济和自然三个子系统构成的复合生态系统（马世骏和王如松）。城市空间范围内的居民与自然环境系统和人工建造的社会环境系统相互作用而形成的统一体（杨小波等）。人们在一定的时间和空间范围内，利用以人为主体的城市生物与城市非生物环境之间，城市生物种群之间，以及城市自然环境与社会经济环境之间的相互作用建立起来的，并在人为和自然的共同支配下进行生物生产和非生物生产的综合体（赵运林等）。2.城市生态系统的特点人工生态系统，人是这个系统的核心和决定因素。消费者占优势的生态系统。分解功能不完全的生态系统。自我调节和自我维持能力很薄弱的生态系统。受社会经济多种因素制约的生态系统。2、 基本原理（1） 生态位1.定义生态位(niche):物种在群落中在时间、空间和营养关系方面所占的地位。生态位的宽度据该种的适应性而改变，适应性较大的物种占据较宽广的生态位。城市生态位(urban niche):城市给人们生存和活动提提供的生态位。反映了一个城市的现状对于人类经济活动，生活活动的适宜程度，既城市的性质、功能、地位、作用及其人口、资源、环境的优劣势。2. 城市生态位分类生产生态位：城市的经济水平（物质和信息生产及流通水平）、资源丰盛度（如水、能源、原材料、资金、智力、土地、基础设施等）。生活生态位：社会环境（物质，精神及社会服务水平等）及自然环境（物理环境质量、生物多样性、景观适宜度等）。（2） 多样性与稳定性( diversity & stability)1.生物群落与环境之间保持动态平衡的稳定状态的能力，是同生态系统物种及结构的多样性、复杂性呈正相关的。2.生态系统的结构愈多样、复杂，则其抗干扰的能力愈强，因而也愈易于保持其动态平衡的稳定状态。3.在结构复杂的生态系统中，当食物链（网）上的某一环节发生异常变化，造成能量、物质流动的障碍时，可以由不同生物种群间的代偿作用给予克服。4.如在物种十分丰富多样的热带雨林中，某些物种的缺失就会因这种代偿作用而不致对整个生态系统的功能造成大的影响。而在仅有地衣、苔藓的北极苔原，这种植被一旦受到破坏，就立即会使以地衣为食的驯鹿以及靠捕食驯鹿为生的食肉兽无法生存，因为结构过于简单的的苔原生态系统是无法发挥物种间的代偿作用的。应用：人力资源多样性，保证了城市各项事业的发展对人才的需求。土地的多样性，保证了城市各类活动的展开。城市功能与交通方式的多样性，使城市具有更大的吸引力与辐射力。行业和产业结构的多样性，使城市经济稳定，整体经济效益提高等。（三）食物链(网)原理1.基本概念食物链（food chain）:以能量和营养物质形成的各种生物之间的联系.食物网（food web）：生物群落中许多食物链彼此相互交错连接而成的复杂营养关系。应用：用于城市系统时，各企业之间相互提供生产原料，某一企业的产品是另一企业生产的原料；某些企业生产的“废品”也可能是另一些企业的原料。如此可以对城市食物网“加链”和“减链”。A.减链：除掉或控制那些影响食物网传递效益，利润低、污染重的链环。B.加链：增加新的生产环节，将不能直接利用的物质、资源转化为价值高的产品。食物链（网）原理表明：人类居于食物链的顶端，人类依赖于其他生产者及各营养级的“供养”而维持其生存。人类对其生存环境污染的后果最终会通过食物链的作用（即污染物的富集(enrichment)作用）而归结于人类自身。（四）系统整体功能最优原理1.整体大于部分之和，11/2+1/2。2.子系统功能和系统整体功能相辅相成。3.子系统都有无限制地满足自身发展的需要，而不顾其他个体的潜势存在。4.城市各组分之间的关系并非总是协调一致的。5.理顺系统结构，改善系统运行状态，要以提高整个系统的整体功能和综合效益为目标，局部功能与效率应当服从于整体。（五）环境承载力原理1.环境承载力（environmental load capacity）:某一环境状态和结构在不发生对人类生存发展有害变化的前提下，所能承受的人类社会作用。环境承载力会随城市外部环境条件的变化而变化。环境承载力的改变引起系统结构和功能的变化，从而推动系统的正向演替或逆向演替。2.生态演替（succession）一种更新过程，指一个群落被另一个群落，或一个生态系统被另一个生态系统代替的过程。正向演替（progressive succession）生态系统向结构复杂、能量最优利用、生产力最高的方向的演化称之；反之称为逆向演替（retrogressive succession）。演替方向:当城市活动强度小于环境承载力时，城市生态系统可表现为正向演替；反之，则相反。（六）生态平衡失调与生态危机1.生态平衡失调生态失调（Ecological Disturbance）是指相对生态平衡对应的一种解释，它是指当外来干扰超越生态系统的自我控制能力而不能恢复到原初状态时称之生态失调或生态平衡的破坏。而生态平衡则是生态系统在一定时间内结构和功能的相对稳定状态，其物质和能量的输入输出接近相等，在外来干扰下能通过自我调节（或人为控制）恢复到原初的稳定状态。2.生态危机严重的生态平衡失调，从而威胁到人类的生存时，称为生态危机(ecological crisis)，生态危机(ecological crisis)，也即由于人类盲目的生产和生活活动而导致的局部甚至整个生物圈结构和功能的失调生态平衡失调起初往往不易被人们觉察，如果一旦出现生态危机就很难在短期内恢复平衡。因此，人类应该正确处理人与自然的关系，在发展生产，提高生活水平的同时，注意保持生态系统结构和功能的稳定。3、 城市生态学研究思路（1） 系统思想1.系统（system）: 相互联系、依存、制约、作用的各事物及其过程所形成的统一体。体现这种整体性和相互联系性的思想，就是系统思想。2.系统思想要求：全面地、连贯地、灵活地看问题。（二)系统的特征1.整体性：由许多元素按一定方式组合起来的，元素虽各具不同的性能，但根据逻辑统一性的要求构成。2.关联性：各个组分之间相互联系、制约、有机地结合在一起。3.目的性：具有一定的功能，达到一定的目的。4.环境适应性：系统与其所处的环境不断进行能量、物质与信息的交换，系统必须适应它的环境。5.反馈机制：系统是一个信息反馈(feedback)系统，系统内部都有反馈机制。（三）系统研究思路1.系统输入：系统在边界确定以后，所有跨越边界进入系统的流动。2.系统输出：跨越边界离开系统的流动。3.黑箱理论（Black box theory）完全忽略系统内部结构，只通过输入和输出的信息来研究系统的转化特性和反应特性的系统研究思路。由于技术原因对系统内部难以了解，或仅对系统整体功能感兴趣时，都采用黑箱研究思路。4.白箱理论(White box theory)对系统的组分构成及其相互联系有透彻的了解，揭示系统内部的结构和功能来认识系统输入与输出在内的整体特性。如生物的形态解剖研究、各种电器设计等常采用白箱研究思路。5.灰箱理论(Grey box theory)兼用黑箱和白箱的研究思路。系统内部结构与功能只有部分已知，其余部分则是未知的。在这种情况下，采用灰箱研究思路来认识分析系统。4、 城市生态学的一般规律（1） 相互依存与相互制约规律反映生物间及生物与环境间的协调关系，主要是普遍的依存与制约关系，亦称“物物相关”和“相生相克”规律。生态系统中的(同种或异种)生物间，不同生态系统间，甚至生态系统中的生物与环境之间，均存在相互依存和相互制约的关系，亦可以说彼此影响。这种影响有些是直接的，有些是间接的，有些是立即表现出来的，有些需滞后一段时间才显现出来。一言以蔽之，生物之间和生态系统间的相互依存与制约关系，是普遍存在的。因此，在城市建设和城市居民生活中，特别是在需要排放污染、倾倒废物、喷洒药品、采伐、开山、筑路、修建大型给水工程及其它建设项目时，务必注意调查研究，摸清自然界诸事物之间的相互关系，对与某生产活动有关的其它事物也加以通盘考虑，包括考虑此种活动可能产生的（短期的和长期的、明显的和潜在的)影响，从而做到统筹兼顾，全面安排。（2） 物质循环与再生规律生态系统中，生物借助能量的不断流动，一方面从自然界摄取物质并合成新的物质，另一方面又随时分解为原来的简单物质，即所谓“再生”，重新被系统中的生产者植物所吸收利用，进行着不停顿的物质循环。因此要严格防止有毒物质进入生态系统，以免有毒物质经过生物放大作用和多次循环后富集到危及人类的程度。至于流经生态系统中的能量，通常只能通过系统一次，当能量经食物链转移时，每经过一个营养级，就有大部分能量转化为热散失掉，无法加以回收利用。因此，为了充分利用能量，必须设计出能量利用率高的系统如城市垃圾的处理，从最初的填埋法到后来的焚化法再进一步到堆肥制取沼气法，便体现了人类逐步掌握生态学的循环与再生规律，并应用于实践的过程。特别是后者，既能较彻底地消除污染，又能充分回收垃圾中含有的物质养分(有机肥料)和有用能量(沼气)，是较有前途的城市垃圾处理方法。（3） 物质输入与输出动态平衡规律物质输入输出的平衡规律，又称协调稳定规律，涉及到生态系统中生物与环境两个方面。生态系统中生物与环境之间的输入与输出，是相互对立的关系，当生物体进行输入时，环境必然进行输出，反之亦然。生物体一方面从周围环境摄取物质，另一方面又向环境排放物质，以补偿环境的损失(这里的物质输入与输出，包含着量和质两个指标)。因而，一个稳定的生态系统，其物质的输入与输出总是相平衡的。当输入不足时，会产生因而，一个稳定的生态系统，其物质的输入与输出总是相平衡的。当输入不足时，会产生生态匮乏，例如一个城市物资供应不足，必然造成生产生活紧张，效率下降;反之，当城市物资供应足够但输出不足，又会导致生态滞留，使环境恶化，生产生活同样受阻。（4） 环境资源的有效极限规律任何生态系统中，作为生物生存的各种环境资源，在质量、数量、空间和时间等方面，其供给量和供给速度都有一定