第五章-城市生态系统分析

第五章城市生态系统分析城市生态系统主要问题城市生态空间研究方法城市生态系统综合评价第一节城市生态系统主要问题1、自然生态环境遭到破坏2、土地占用和土壤变化3、气候变化和大气污染4、用水短缺和水污染5、人口密集与绿地奇缺6、乡镇生态问题严重

城市生态系统问题的实质是生活在城市中的人类与其生存环境之间的关系产生了不平衡。这种不平衡的最明显的特征就是城市人类生存环境质量的下降以及这种环境质量下降引起了城市人类生存危机。突出问题一、自然生态环境遭到破坏

城市生态系统的发展变化是伴随着城市化的进程而发展变化的，城市化在全世界范围内尤其是在发达国家已经达到了一个相当高的水平。城市化的发展不可避免地在一定程度上影响了自然生态环境。

一方面，城市化确实使人类为自身创造了方便、舒适的生活条件，满足了自己的生存、享受和发展上的需要。

另一方面也应看到，城市化造成的自然生态环境绝对面积的减少并使之在很大区域内发生了质的变化和消失，这种变化对城市居民起着更为本质的作用。自然生态的破坏引发了一系列城市环境问题，如热岛效应、生活方式的改变等。

另外，人类在享受现代文明的同时，却抑制了绿色植物、动物和其他生物的生存发展，改变着它们之间长期形成的相互关系。人类将自己圈在了自身创造的人工化的城市里而与自然生态环境隔离开来。

二、土地占用和土壤变化

（一）城市土地占用

城市占用土地从比例上看并不算大，全世界城市占地不到1%，其中欧洲达到3%，美国和加拿大0.8%，亚洲、拉丁美洲以及前苏联、东欧国家均在0.4%左右，非洲和大洋洲只占0.2%。但是随着各国城市区域的扩大，所占面积越来越大，增加速度也日益加快。特别是发展中国家，近些年来，城市面积增大很快。（二）城市的土壤变化1、地下水位下降与地面沉降

随着城市建筑物密度增大和大规模排水系统以及其他地下建筑的增加，在很大程度上阻止了雨水向土壤中的渗透，使得城市地下水位下降。特别是在建筑物密度最高，并建有地下城市的大城市中心地区最为严重。加之压力加大，使得土壤孔隙变小，储水能力不断下降。与此同时，土壤通气性变差，不利于植物的正常生长。另外，人们过量抽取地下水，也加剧了城市地下水位的下降。随着地下水位的大幅度下降，不仅使抽水地区的地面作垂直方向的沉降，而且沉降范围也向四周地区扩展，出现了地下水“漏斗”。这一切，会导致房屋破坏、地下管线扭折破裂而发生漏水、漏电、漏气等事故，对城市生活有着很大的影响。2、城市废物污染

工业城市中的垃圾不能像过去农村中的植物残体、动物遗体、排泄物以及人粪尿那样，重回到土地中去。城市中各种废物的数量及其成分，不仅无法全部用以增加土地的肥力，而且成为城市及社会的一大问题。我国历年垃圾的堆存量已高达64.4×108t，占地5.6×104hm2，有200多座城市陷入垃圾包围之中。我国城市垃圾的无害化处理率仅为2.3%，97%以上的城市生活垃圾只能运往城郊长年露天堆放。在我国的垃圾中，有机物占36%，无机物占56%，其他占8%，其中无机物的主要成份是煤灰和残土。在垃圾中危害最大是要数“白色垃圾”这类垃圾很难自然分解，会进一步造成地下水和空气的污染。三、气候变化和大气污染

城市大气环境质量直接关系到城市居民的身体健康和生产能力的发挥。由于城市人口密集、工业和交通发达，从而消耗大量的石化燃料，并产生烟尘和各种有害气体，以致于城市内污染源过于集中，污染量大而又复杂，加上特殊的城市气候，往往造成城市大气环境的污染状况更为复杂和严重。1、城市气候变化

城市中除了大气环流、地理经纬度、大的地形地貌等自然条件基本不变外，城市气候在气温、湿度、云雾状况、降水量、风速等等都发生了变化。城市的气候现象对于城市大气污染物质的扩散规律及污染物质间的复合作用都有一定影响。（1）城市热岛效应

是指城市气温高于郊区的现象，其强度以城市平均气温与郊区平均气温之差来表示。一般大城市年平均气温比郊区高0.5～1℃。冬季平均最低气温约高1～2℃，城市中心区气温通常比郊区高2～3℃，最大可相差5℃。热岛效应虽然加强城市与郊区的空气交换，但也在一定程度上使污染物不易向更大范围扩散，并把城区边缘工业区的污染物汇集到中心区，往往在城市上空形成污染物幕罩，久久不能散去，使城区大气质量恶化。

形成城市热岛效应的主要原因：①耗能散热量大；②下垫面吸热导热好、保水性差；③风速小、热量不易扩散；④城市大气污染使得吸收较多的红外辐射而升温。（2）城市风

城市内的高大形体建筑物及街道都能造成气流在局部范围内产生涡流。城市局部风速的一般规律是高大建筑物背风区风速下降，并在一定范围内产生涡流。风速减弱和局部涡流不利于污染物的扩散，甚至停滞在涡流区内，加剧污染。此外，城市内建筑物鳞次栉比，参差不齐，使城市底层风向多变，街道建筑物旁侧都可以产生各种各样的局部环流。城市街道走向、宽窄及街区的绿化状况也都影响城市风。城市热岛效应也能影响城市风，构成城市环流。（3）大气湿度及其他气候因素

城市的水泥沥青路面及屋顶改变了地表的性质，使城区雨水的地表径流提前形成，径流量加大，城市也影响径流洪峰和滞后时间。同时，城市的热岛效应使城区大气温度升高，但可供蒸发蒸腾的水量又远远小于郊区，因而城区的大气干燥。由于城区污染源量大面广，使城区大气中的颗粒物、CO2、SO2、NOx等浓度增加，城市易出现多雾和云覆盖增加的情况，因而使太阳辐射减少，降雨量会增加，这些对环境和人体健康都有很多不利的影响。2、城市大气污染城市特殊的气候条件和人类活动造成城市大气极易出现污染的情况。城市污染在污染源、污染物等方面有其特有性质。

（1）城市大气污染源

城市大气污染源按污染物的排放方式可分为点源、线源和面源三种：

①点源

指工业和民用集中供热锅炉烟囱和各种工业的集中排气装置。②线源

主要指机动车密集的交通干线及两侧，由于车辆行驶排出的废气形成的污染现象。③面源

指城市内居民生活用的散烧炉灶和分散的工业排气装置。（2）城市大气污染物

城市大气污染物主要由工业生产、交通运输和生活能源利用所产生，主要有烟尘、SO2、NOx、HC、CO等。由于城市大气污染源繁杂而密集，所排出的污染物质相互影响，相互作用的可能性很大，容易产生多种有害污染物的协同作用和二次污染物的反应.3、我国的城市大气污染我国城市空气质量总体上仍处于较重的污染水平，燃煤是形成城市大气污染的主要原因，主要污染物为尘和二氧化硫。城市大气污染冬、春季较重，夏、秋季较轻。北方城市烟尘污染较重，南方城市二氧化硫污染较重。总体上看，北方城市重于南方城市。部分大、中城市出现煤烟与机动车尾气混合型污染，一些城市细粒子污染问题突出。

据2001年环境公报，全国城市质量满足国家二级标准、三级标准和劣于三级标准的城市比例各占三分之一；南方地区酸雨污染较重，酸雨控制区内90%以上的城市出现了酸雨。监测的341个城市中，114个城市达到或优于国家空气质量二级标准，占统计城市数的33.4%。其中海口、三亚、肇庆等10个城市空气质量达到一级标准。114个城市空气质量为三级，占统计城市数的33.4%。113个城市空气质量劣于三级，占统计城市数的33.2%。颗粒物仍是影响我国城市空气质量的主要污染物，64.1%的城市颗粒物年均浓度超过国家空气质量二级标准。其中101个城市颗粒物年均浓度超过三级标准，占统计城市数的29.2%。颗粒物浓度高的城市主要分布在新疆、青海、甘肃、山西、内蒙古、陕西、宁夏、河北等省区。四、用水短缺和水污染

1、用水短缺水是城市存在的基本条件，但世界上很多城市都遇到水资源紧缺问题，城市供水问题当前在世界范围内已成为一个特别尖锐突出的制约性问题。城市居民人均日需水量约为200～800L左右，工业用水是生活用水的2～4倍，加上市政与农业用水，粗略估算一个50万人口的城市每天需水量100～200万m3。这样大量的水，一般自然供水很难解决。城市的淡水资源主要受地区降水量和地表江河过境径流量影响。随着城市经济的不断增长和人口的增加，人们大量抽取地下水，从而给城市水体和城市生态系统带来诸多不良影响：①城市水资源日益短缺。②导致城市地下水位逐年往下降，出现大面积的漏斗区。③引起地面下沉。

海洋97.41%2.59%冰帽和冰河1.984%地下水0.592%生物体0.0001%冰流0.0001%大气中的水蒸气0.001%土壤含水0.005%水资源分布全球总贮水量估计为13.9亿立方千米其中淡水总量仅为0.36亿立方干米除冰川和冰帽外，可利用的淡水总量不足世界总贮水量的1%2、城市水污染在发达国家中，城市的水污染主要是工业排放的废水，约占城市废水总量的3/4，其中以金属原材料、化工、造纸等行业的废水污染最为严重。主要污染物是氨氮，其次是耗氧有机物和挥发酚。生活污水、工业废渣、矿业开采也对水体造成了一定程度的污染。城市中的工业废水和生活污水，未经处理或处理不够，都通过下水道系统流入江河湖海，有的甚至直接流入，形成了各种水污染，这不只是对城市人口造成损害，还会对农村的生活和生产也带来不良影响。

（1）地表水

据国家水质监测网监测，流经城市的河流都存在着岸边污染带，局部水体污染严重，72％的纳污河段各项污染物的平均值有不同程度的超标。河流的城市段污染，小河流重于大河流，北方城市重于南方城市。（2）地下水据2001年环境公报，全国186个主要地下水水位监测城市和地区中，有63个城市和地区地下水水位有所回升，回升区所占比例为34%，比上年增加近10%；但地下水水位总的发展趋势仍以下降为主，下降区比例高达62%。全国大部分城市和地区地下水水质总体较好，局部受到一定程度的点状或面状污染，部分指标超标，主要污染指标有矿化度、总硬度、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、铁、锰、氯化物、硫酸盐、氟化物、pH值等。北方城市地下水污染重于南方城市，超标率高。三氮污染在全国各地区均较突出，矿化度和总硬度超标主要分布在东北、华北、西北和西南等地区，铁和锰超标主要在东北和南方地区。五、城市噪声问题1、城市噪声噪声污染是我国四大公害之一。尤其是近几年来，随着城市规模的发展，交通运输事业和娱乐事业的发展，城市噪声污染程度迅速上升，已成为我国环境污染的重要组成部分之一。城市噪声源主要由交通、工业与建筑施工产生。一些国家调查表明，城市环境中76%的噪声是由交通运输引起的，其中汽车占66%，飞机、火车占9.8%。工业噪声约占城市噪声的10%。建筑施工扰民现象不容忽视，因为它虽是临时的、间歇的，但所用的搅拌机、推土机、打桩机、震荡器可产生80～100dB(A)（等效A声级）的噪声。2、我国城市声环境概况据2001年环境公报，我国对273个城市进行了道路交通噪声监测，比上年增加了59个城市。其中9.5%的城市污染严重，16.5%的城市属中度污染，48.7%的城市属轻度污染，25.3%的城市道路交通声环境质量较好。在一些大城市中，城市电磁波污染也日益引人注目。干扰台、广播和电视台、雷达站、高频热合机、火花塞等都是电磁波污染源。仅以高频热合机为例，2000年将增加到13万台，电磁波辐射污染也将加重。据一些大城市的调查，长期暴露在电磁波辐射污染环境中的居民，已开始出现头晕、脱发等现象。六、人口密集与绿地奇缺1、人口密集人口密集是城市尤其是一些大城市、特大城市的普遍现象。据有关资料，国外42个大城市人口平均密度为每平方公里7918人，其中高于这个值的有14个城市。我国1990年为26.2%，而1998年则上升为30.4%。随着我国社会经济的不断发展以及户籍制度的改革，城镇人口还会进一步增加。预计到2025年我国城市人口比例将达到58%，2050年则达到70%左右。2、绿地缺乏

联合国规定的城市人均绿地标准为50～60㎡，达到或超过这一标准的城市为数不多。我国规定的人均绿地标准是7～11㎡，而1993年，我国重要城市的人均绿地面积平均值为4.2㎡，与联合国的标准相差甚远。近几年来，我国城市绿地面积虽有所提高，但由于急功近利，多种植草皮，其生态效益不如树木，这也是新的问题。七、乡镇生态问题严重乡镇生态问题及其对城市生态系统的冲击是我国社会经济发展过程中的特殊问题。应注意问题：①厂区和居民区不分②建厂时并未考虑废水、废物处理设施的建设③大中城市工厂对乡镇企业的污染转嫁第二节

城市生态空间研究方法一、城镇生态空间概念与内涵生态空间的三种研究观点：1、空间效应观点，强调生态空间是一种生物要素与环境要素相互作用与活动变化的舞台，表现出一定的空间形态和运动规律，代表理论英美学派（Clements）、威斯康星学派（J.T.Curtis）、生态演替论（Tansley）；2、空间功能观点，强调生态空间是一种抽象空间，它与特定的环境相结合，构成生物可利用的”资源”，其基本理论是生态位研究，如一般生态位研究（Grinnell），扩展生态位研究（马世骏）；3、空间行为观点：将生物自身的空间活动作为研究主体，力图解释生态空间异质性的动因，如芝加哥学派（J.E.Parker），空间引力场论（Edwards）等。

城市生态空间的研究对象从类型上分有空间个体、空间种群和空间群落三个部分。1、空间个体侧重研究生态空间单体的形态、类型特征、地理分布及空间适应性，如建筑类型学（L.Krier）、住屋形式（A.Rapport）等；2、空间种群指同种空间类型组成的复合体、其在群体水平上表现出一些特征，如密度、多样性、数量动态等，主要研究工作如中心地理论、居住区域住宅群等；3、空间群落主要研究不同空间种群复合形成的整体结构、空间链与网、演替进化特性等，如城乡景观交错带（牛文元）CBD结构形（M.Howood）。城市生态空间从从空间尺度层次上分有建筑群体、城市、城镇群体和城镇群系等城镇生态空间研究的一般假设

结构性假设：城市生态空间形态的形成是空间对环境条件适应和自组织的结果，各种干扰因素（如战争、自然演变、规划控制等）是促成各种空间结构形成和变异的重要因素，空间结构的稳定性与空间受干扰程度成反比。

耦合性假设：城市空间的动态变化过程是一个耦合机制作用的过程，包括时间、空间耦合，空间-经济-人三位一体耦合等。量子化假设:城镇生态空间发展过程中同时呈现连续性和离散性特征，城市生态空间的发展是以量子化方式一份一份进行，从而使空间发展呈现出态的叠加现象。城镇生态空间研究的基本原理1、结构和功能原理：城镇空间可以看作是巨大的镶嵌体，其结构在某些尺度范围内具有相似性，决定空间结构形成的基本元素是空间功能；2、空间多样性原理：高空间多样性提高了空间发展的潜力，其与空间异质性紧密相关，高空间异质性提高了多空间并存的可能性；3、空间流动原理：由于不同空间位势的差异，造成空间类型的转移和扩散，对空间异质性有着重要的影响；4、空间变化原理：城市生态空间的水平结构将空间类型、人口、镶嵌体、走廊等范围形状和结构联系起来，由于干扰的不断介入和各空间单元的变化速率不等，一个完全均质的空间永远达不到；5、空间稳定性原理：城镇空间的稳定性起因于其对干扰的抗性和干扰后复原的能力。每个单元都有自己的稳定度，因而区域总的稳定性反映其内部类型的比例。二、城镇生态空间研究方法城镇生态空间的基本研究方向包括空间生态位分析、空间干扰分析、空间特性分析等。1、空间生态位分析基于Grinell的生态位理论和扩展生态位、城市生态位等的研究，城市生态位于景观生态位关系密切，城市生态位分为生产生态位和生活生态位；2、城镇空间干扰分为自然干扰、随机性烦扰、规律性干扰、瞬时干扰和长期干扰、，局部干扰和全局干扰等，城镇生态空间景观是由环境基质和干扰体系共同作用的结果；3、空间特性分析主要从研究城镇生态位空间异质性、时空耦合性和空间进化发展的基本机制，从空间现象、过程和关系方面入手。1.空间形态：首先分析城镇空间的结构单元，即决定城镇空间形态的基本要素，包括生活型、层片、中心、边界、优势型和网络。(各概念）。空间形态的分析涉及到集中与分散指数、梯度指数和空间多样性指数等形态分析指数。2.空间状态：城市生态空间最基本的状态是集聚与分散运动，可分为空间溢出效应（空间密度的变化情况，在空间上的显著特征是距离衰减率，通常用扩散限制模型和动力学集团凝聚模型来描述）、空间规模效应（不同类型空间随距离变化的效应不同，可分为可达性制约型、土地制约型、中间制约型和均匀制约型）和空间分化效应（应用因子生态法进行分析）。

3.空间动态：实质是溢出效应、规模效应和分化效应沿时间轴的综合作用结果。

4.空间进态：空间发展和进化的过程，表现出有序与无序统一、确定与随机统一、相似与非相似统一以及稳定性与非稳定性统一的基本特性。第三节城市生态系统综合评价一、城市生态系统评价基本内容城市生态系统评价工作立足于对城市经济发展-社会活动-环境保护交互作用的关系深入研究的基础上，运用系统方法，找出制约城市发展中的主要环境问题，解释和评价城市经济社会系统的结构特征和城市在利用环境资源方面出现的问题；分析经济活动与城市生态环境承载力的关系，寻求调节城市发展与生态环境、区域人口合理规模、经济开发强度与环境效应等关系的途径

1、城市生态环境现状评价：全面对城市自然本底、功能本底和包括大气、土壤、植被、地址、地貌等环境本底状