全球变化与城市生态

1、全球变化与城市生态全球变化与城市生态 全球变化与城市生态摘要：城市地区是推动多尺度环境变化的热 点。物质生产和人类消费的需求改变着从城市本 身到地域性的土地利用与覆盖，生物多样性和水 循环系统，同时城市垃圾排放影响着城市本身到 全球性区域多个尺度的生物地球化学循环与气 候。而对于城市本身而言，全球环境变化已被当 地显著的环境变化所掩盖。城市生态学集自然科 学和社会科学，研究如何根本性地改变当地环境 及其对区域和全球影响等此些问题。 现今城市可 持续发展的问题和解决方案均面临着全球城市 化不断发展的挑战。人类现在正在经历一场引人注目的城市生 活转移，然而1900年只有10%勺全球人口是城 市居民

2、，现在这一比例超过 50%且在未来50 年将增加更多（图1）。95%以上的全球净增长人 口将在发展中国家的城市，这将接近今天大多数 工业化国家80%勺城市化水平。此外，个别城市 发展到前所未有的规模，几乎所有新的大城市（1000万，按照惯例）均出现在发展中国家（图 1）。城市人口的增长伴随着经济增长和人口结构 的变化，尤其是在人口众多的中国和印度。 更多 的生产需求需要附近和遥远的生态系统提供服 务。在20世纪的大部分时间里生态学家们避开 城市地区，其结果是导致生态知识对解决城市环 境问题作出的贡献甚微。然而，最近越来越多的 生态学家与其他科学家、规划师和工程师合作， 旨在了解并进一步形成此些

3、优越的生态系统。随 着在10年前建立在国家科学基金会资助的美国 城市研究项目和其不同于之前的努力（见第1部 分引用的可支持在线材料），城市生态学也已经 开始改变生态学这门学科。城市生态学集成了自 然科学和社会科学的理论和方法研究城市生态 系统的模式和流程。城市生态进化的概念框架视 城市为具有异质性和动态的景观与复杂、自适应 性的社会生态系统。在该生态系统中，提供生态 系统服务需链接多尺度下的社会和生态系统。城市生态学家们寻求城市生态系统中的共 性，认识城市生态系统内的社会生态是如何相互 作用的，以及他们扮演着环境变化的驱动者和响 应者。在此，我们专注于五大类型的全球环境变 化与城市生态系统的相

4、互影响（图2）:即土地利 用和覆盖变化，生物地球化学循环、气候、水循 环系统和生物多样性。我们认为城市本身为许多 全球性变化的缩影，这些信息测试案例用于解释 社会生态系统的动力学和响应变化。城市化对土地利用和覆盖变化的影响 在过去的一个世纪前所未有的城市人口增 长率发生在小于3%勺全球陆地表面，但其影响 是全球性的，有78%勺碳排放，60%的居民用水， 和76%勺木材用于工业用途，这些都归因于城市 （6）。土地变化用于建设城市和支持城市人口本 身的需求，并驱动其他类型的环境变化（图2）。城市居民依赖于生态系统的生产力和同化 能力远远超出他们的城市边界-"生态足迹"一 个城市

5、成千上百次占领其所在区域-用于产生 能量流动，物质和非物质的服务（包括废物吸 收），维持人类健康和生活质量（7、8）。同时， 大城市群是人类聪明才智的标志，在人均基础上 比小城市和乡镇或农村可能需要更少的资源 （9）（见第2节中引用的支持在线材料；图 S1和 S2和表S1）。甚至在古代，一个高度分层的精英城市过度 的需求将导致生产性景观的退化，最终导致成功 社会的崩溃（例如公元前3年美索不达米亚的盐 渍化）（10）。虽然最近全球化趋势不断加剧，几 个世纪前欧洲消费者的需求导致殖民土地的森 林砍伐，最近西半球国家对牛肉的需求改变了新 的世界，使得许多热带雨林转变为牧场。同时在区域范围内，由人口流

6、动带来的土地 利用变化最明显。感知机会在城市中心日益增 长，而农村的设置机会缺乏，造成景观退化和不 平衡的经济系统，使得迁移成为了 20世纪下半 个世纪整个时期内最伟大的人类环境实验。仅在 中国，超过3亿人可能会搬到城市，改变他们家 乡的景观和这种持续建设城市的强大力量已经 令人难以置信。从长远来看，短缺的建筑材料如 金属、煤炭、水泥、和木材可能会限制中国的城 市化，然而，对此施加压力还有全球基础设施的 增长（13）。城市化会增加班块碎片和多样性，这可表示 为更多的边缘（即不同土地覆盖类型之间的接 口）或更小的班块（如亚利桑那州中部的城市、 住宅区和沙漠用地班块分别为 20、100和650公

7、顷）。城市土地利用通常会留下受生态特征影响 的景观遗产。在凤凰城，例如 40年后以前农业 土地仍可表现出独特的土壤生物地球化学性质 且经过几个世纪在该地区和其他地方仍可显示 农业遗产。一篇饱受争议的城市规划假设认为，城市的 形态跟随土地利用模式功能，导致土地利用的多 样性安排（18）。然而，最近的一项研究发现表明 中国的四个集中式城市形态在形状、 大小和增长 率上有不尽相同的经济和政治驱动程序。 土地使 用政策（即分区，主计划，增长边界）帮助确定城 市形式及其影响，但西雅图地区的一项长期研究 发现，加大管理力度来使得增长边界内增加住房 密度却无意间鼓励农村低密度住宅的扩张和荒 地面积变多。当地

8、规模城市生态中心的城市设计和建筑 之间的关系，在新的系统中提供生态系统服务， 是响应人民和他们体系的发展机会以及是系统 发生进一步变化的驱动力。城市的"边缘"扩展到 周围的乡村景观，导致土壤，建筑结构，市场 ， 和非正式的人类定居点的变化，所有这些都给边 缘生态系统施加压力。这些城市边缘地区的环境 就像链接城市化扩展区与核心城市的纽带。事实 上，城市规划师罗伯特朗认为城市不再是独立 的而是代表有限数量的能主导全球的大城市地 区-联盟城市中心和越来越多的组合干预地区 (21)。城市生态学的下一个前沿是理解城市化在 生物物理、经济或政治背景下的设置。大陆或全 球性的城市间比较可

9、能有效的基于此大都市概 念。改变城市的生物地球化学循环和其从区域 到全球的影响城市是改变生物地球化学循环的原由和响 应者。运输和工业集中于城市中心意味着城市是 二氧化碳和其他温室气体的点源，这影响着全球 的气候，以及微量气体，如NO NO2 O3,二氧 化硫，浓硝酸和各种有机酸(22、23)。区域性而 言，空气污染，特别是影响相邻的养分循环和初 级生产，生态系统被暴露。城市不成比例沿着河 流和海岸线分布使其成为这些地区富营养化的 重要贡献者。城市废物产生和进入空气和水，通过运输从而影响从地方到全球尺度的生物地球化学循环， 而影响的程度取决于废物被带到远离他们的来 源的远近。例如，美国20个最大

10、的城市向全球 大气层排放的二氧化碳大于美国整个国土所能 吸收的量。城市新陈代谢将城市类比为有机体， 需要食物和其他所需的资源并向环境释放废弃 物。科学家对适当性的城市代谢类比存有争论， 但是其最大的效用已经用于量化纵向扩大城市 消费和废物产生的趋势。这和其他研究表明，在 过去的20年里大量增加了如食品废物流，进口 和固体废物纸张和塑料的积累或分解，和对建筑 材料需求的巨大增长的吞吐量。例如，在北京， 固体废弃物处理产生的总碳排放从1990年到2003 年增加了 2.8 倍(27)。城市污染产生的越来越多的担忧，当城市化 超过社会能力实现污染控制措施。例如，在美国， 排放控制有点平衡城市的扩张带

11、来的驾驶距离 增长，然而，在中国的一些城市伴随经济扩张燃 煤和汽车使用增加，最终导致严重的空气污染后 果(29) o在快速城市化且污水处理缺乏或不足的 发展中国家地区对河流和沿海生态系统的营养 负荷显示大量增加（30）。然而，尽管城市化和经 济增长超出发展中国家的环境控制范围， 来自最 富裕城市的废物仍然是改变全球生物地球化学 循环的一个主要推动力。城市展示生物地球化学失衡的症状，该症状 在大尺度上帮助创建。例如，城市正经历着高酸 和氮沉积及大气中二氧化碳，甲烷,和O3的浓度 升高，可以对生物体产生促进增长和阻碍增长的 影响（31）。元素质量平衡可以解释这个问题，因 为在城市景观中他们可能识别

12、潜在过剩的输入 和很可能是汇。城市是积聚着 N, P和金属的热 点地区，因此，其拥有大量的物质资源。可否有 案例将高营养的废水处理后代替商业氮肥料与 氮供应作物和草坪？在凤凰城，使用富含硝酸的 地下水灌溉土地，每公顷土地能减少施用大于 100公斤的所需肥料（34）。获取全球铜的一小（但 增长）部分比例来自回收，但加大重复利用和回 收铜及其他金属力度，更多能阻止不断膨胀对获 取难度不断增加资源的需求。这种重复利用也会 减轻金属在土壤中的积累问题（35）。在城市中人类管理的都市景观往往是高度 异构，根据财力赢得植物，肥料，甚至水、土地 覆盖（包括不透水表面），及在管理应用中的相关 组织层面（如家庭

13、、社区、城市）。例如，土壤养 分含量在沙漠都市地区可以相差很大，因为前面 所提到的遗留因素以及城市结构（不透水土地覆 盖）和景观的选择（草坪、树木覆盖等）（36）。某 些特性流比其他物质更能有效的留住营养。对于 一些大气污染物，人类行为的局部变化比集体性 暂时的群体行为更不重要。例如，每日或每周的 微粒物质、C02 NOx或者03流将产生驾驶习 惯。城市化和气候变化毫无疑问，城市中心，尤其是在发达国家， 温室气体排放的主要来源，因此其与全球气候变 化是存在牵连关系的。然而，城市化导致当地气 候的变化使得自上向下的全球气候变化对城市 的影响可能黯然失色。最低温度增加，有时最高 温降低，降水减少或

14、增加，每周循环。人为改变气候的最好的记录案例是城市热 岛效应。城市的空气和表面温度往往高于农村环 境（39），尤其是在晚上。几个城市环境特征改变 能量预算参数并会影响城市热岛效应的形成。这 些包括土地覆盖模式，城市规模（通常与城市人 口规模有关），增加了不透水表面（反照率低、热 容高），减少地区的植被覆盖和水（减少热损失由 于蒸发冷却），由于多层建筑增加表面吸收太阳 能领域，和像峡谷般的温室形态高楼。城市热岛 效应是当地的一个现象，对全球气候的影响几乎 可以忽略不计（40），但其重要和影响可能代表未 来气候的先兆，已经观察到城市内的上升温度超 过预测未来几十年全球的上升气温。Kalnay an

15、d Cai估计，在过去的一个世纪里美国国土城市化 和其他土地利用变化中一半的观察结果为昼夜 温差范围减少和平均气温增加 0.27 ° C。相比之 下，美国市中心的温度自1950年以来每十年增 加0.141.1 ° C。研究升温对城市剩余生态系统 的影响，特别是当其他变量控制时，更能有助于 我们预测生态系统面对全球气候变化将作出何 种响应。城市热岛效应不仅影响当地和一个区域的 气候，而且还影响到水资源、空气质量、人类健 康和生物多样性和生态系统功能（42）。城市气候 变暖对生物施加热应力，包括人类，可能会通过 改变表面能量平衡影响水资源，改变的不仅是热 通量，而且是在地表附近

16、的水分通量。城市热岛 效应可能会诱导光化学烟雾的形成和创建本地 的空气循环模式，促进污染物的分散远离城市。 在温暖地区(和夏季凉爽的地区)，城市变暖大大 增加了冷却的能源消耗。例如，约 38%勺电力 需求在美国估计用于弥补城市热岛效应效果 (42)，代表另一个对全球气候变化的间接反馈。 缓解热岛效应的一个方法是通过增加植被和反 照率(39)，但是这个策略是一种交换，要求更多 的用水，特别是在干旱地区。尽管与目前全球温度上升相比当地的气温 变化可能对城市生态系统产生更大的影响力，其 他方面的区域和全球气候变化给城市带来风险。 特别是沿海城市将面临着海平面上升和任何由 气候变化引起的增加飓风频率。

17、因此，实现城市 可持续发展的一个重要方面是加强我们应对城 市化和气候变化的关系的能力。对于有效应对全 球气候变化的城市，缓解和适应策略和经济市场 的需要。人类水文系统的修改纵观历史，因为可利用的水，城市如雨后春 笋般沿着河流和三角洲拔地而起。这些水道离不 开修改。在城市，水是丝丝缕缕的，不仅供家庭 使用，而且用于工业过程，充足的卫生设施，防 止自然灾害（洪水、飓风和海啸）。因此，人类已 经修改水道系统来满足大量常常存在相互矛盾 的目标。设计或改变溪流、河流、洪水通道、运 河和其他水道系统服务城市地区，不仅复制取代 了水生生态系统，而且保护生态系统服务的流失 （除了他们设计的像水运和送水服务）。

18、因此， 很少有模型系统用来比较此些高度改变环境。一 些人呼吁恢复在城市地区的溪流（45），而另一些 人则主张研究和管理这些独特的设计生态系统， 以优化城市人口的服务。在这些服务中，将包括 防洪、多样的水生生物栖息地，营养的保留和地 方感。在城市地区对水道系统最重要的修改为在 城市地区不透水覆盖增加对溪流的影响，从而改 变水文和从建筑，道路，停车场漏斗式累积污染 物进入河流。在美国点源污染已经被规定，且大 幅度减少，但在许多发展中国家仍然是一个严重 的问题（47）。工业排放污水，污染河流和湖泊。 在新的城市雨水基础设施系统和废水排放是分 开的，但是在欧洲和美国的一些老城市这两个流 是混合的，造成

19、了严重污染事件。从城市排放的 风暴和枯水导致当地或甚至区域性下游污染，特 别是杀虫剂和持久性有机污染物。化学环境的变化，暴露的污染物，简化的地 貌结构，和改变城市溪流的水文结合起来创造一 个生物多样性低、高营养浓度，减少营养保留效 率，并且经常提高初级生产的城市流成因"综合 症"。其它生态系统功能属性对城市化作出的反 应不一致，也许是因为城区之间水文变化的程度 和形式差异非常大。应对城市流综合症可能需要 放弃"恢复"流的想法，赞成设计性生态系统。 基于生态设计一个新颖的水生生态城市变得越 来越普遍，其成功之处在于例证其保护河流泛滥 平原、改造小区雨水流道

20、，并使用捕获低强度雨 水/水系统作为解决城市雨水管理的创作性方城市生态多样性的改变在城市，城市化和郊区化通常减少了大多数 生物群落物种丰富度和均匀度(如。(48,50), 尽管增加鸟类(51)和节肢动物的丰度和生物量 (52)。因为城市足迹远远超过城市边界，城市化 在区域和全球尺度上也可减少本地物种多样性（图2）。举例来说，南半球出现在一些候鸟丰度 下降与北半球出现城市扩张有关（53）。这种模式 有两个例外值得注意：（i） 相对于荒地城市植物 物种丰富度和均匀度都经常增加（54-56）,可能由于高度异构的栖息地，加上人类引入外来物种 和首选物种在景观码中很少有个人的偏好。（ii） 城市化后的鸟

21、类物种丰富度可以达到中级水平，因为增加边缘生境的异质性（57）.人类常常直接控制植物丰富度、均匀度和密 度。个别的人类和机构不直接控制其他大部分物 种功能团（食草动物，食肉动物，寄生虫，杂食动 物，腐食者），或它们营养相互作用，除了选择害 虫物种和有意引入，驯化食草动物和食肉动物 （如猫）。人类决定城市植物群落，通常基于社会 经济地位，形成这些其他功能团物种的模板。提 出丰富度和均匀度变化的机制包括提高速度和 生产力的季节性变化，放松对主要物种的捕食， 增加一些城市物种的竞争能力，或者增加那些不 太成功城市物种的寄生虫压力。这些假设并不是 相互排斥的。城市竞争对手导致某些物种可能变 得更好，因

22、为它们释放天敌。城市化进展也改变了物种群落的组成。 在城 市中，当城市物种重新组合成为新的物种时，生 物群落往往不同于周围其他物种。例如，在种食 虫物种鸟类中常转向更多为食种子的物（51），节 肢动物群落可能从更专业转向大众化的物种 （62）。在农村和城市河岸土壤中的线虫多样性并 不改变，但功能成分变化使得城市土壤中食肉和 杂食性物种比在农村土壤少（63）。全球范围内的 多样性,麦金尼（64）认为城市是伟大的均质化部 队,一些"适应城市“的物种在全球的城市中变的 更普遍了，并成为本地种的一部分，通常物种适 应边缘成为当地和地区性丰富的物种往往以牺 牲本地种为代价。这种均质化的陆生、水生群落 通过城市化以不同的速率在不同的地理区域获 得收益取决于人口增长和物种组成。城市环境是一个强大的选择性力量，改变行 为，酶活性以及这些城市中的生物形态。人为的 改变同时具有直接的（如建筑结构、生活环境的 变化和破碎的班块，野生动物的饲养）还有间接 的（如改变温度、生产力和光照，噪音和空气污 染）都可能会导致短期的城市生物体表型的变 化。从长远来看，城市环境在群体遗传学和城市 物种的生活史特征中作为一个强大的进化力量(68)。人类生物体对选择城市环境的行为没有免 疫。社会结构和交换作用，生理和健康，形态(如 肥胖)甚至长期变化使得人类城市居民的基因可 能与城市生活有关。鉴于城市土地