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生态的概念和特征

摘要:虽然人类城市化速度在不断加快,但人类的生存和发展仍离不开自然界。城市的存在不仅依赖于城市以外的生态系统,更需要城市内部生态系统的支撑。城市生态系统不仅可以产生生态效益,同时可以带来可观的社会效益和经济效益,发挥着自然生态系统的功能。城市生态系统可分为行道树、草地/公园、城市森林、耕地、湿地、湖/海和溪流等类型。生态系统的存在对城市的环境改善和可持续发展极为重要,其服务功能的研究可为城市总体规划、城市土地利用等提供重要的基础资料。
关键词:生态系统 城市生态系统 生态系统服务功能 可持续发展
1 引言
20世纪以来,人类的城市化速度在日渐加快。据1997年联合国人居中心预测,到2030年全世界将有60%以上的人口居住于城市,2050年世界城市化水平达61%。因此,城市作为人类的聚集地已成为人类历史发展的必然。但即使如此,人类的衣、食、住、行和从前一样离不开自然界,城市也必须依赖于为其提供物质与能量、并可接纳其“代谢”废物的生态系统才能存在。欧洲波罗的海沿岸地区的29个大型城市的研究表明[1],任何城市生态支撑系统的面积至少为此城市面积的500~1000倍。但在城市化速度加快的同时,城市环境问题日益突出,自然环境受到严重破坏。社会、经济发展和自然生态保护的矛盾使城市的发展面临严峻考验。
1984年马世骏等[2]提出了“社会—经济—自然复合生态系统”的概念。城市是社会—经济—自然复合生态系统的具体体现。显然,城市中的自然生态系统构成了城市的框架,是公众健康和城市环境改善的基础。城市生态系统对于城市内区域性环境问题(大气污染、噪声等)的就地解决十分有效[1]。因此,城市生态系统功能的研究就显得更加重要。一般来说,城市生态系统是由公园、河流、森林、农田、果园苗圃、行道树、广场、屋顶花园和立体绿化等要素构成的,是自然要素和人工要素共同组成的网络结构[3]。本文重点从自然生态系统的角度分析了城市生态系统及其服务功能的类型与内涵,并探讨了其在评价和维持城市环境和可持续发展、城市总体规划及土地利用中的重要性。
2 生态系统服务功能
2.1 生态系统服务功能的概念与内涵
自20世纪70年代以来,生态系统服务功能开始成为一个科学术语,并且成为生态学与生态经济学研究的一个分支。Springer-Verlag首次使用生态系统服务功能的“Service”一词,并列出了自然生态系统对人类的“环境服务”功能,包括害虫控制、昆虫传粉、渔业、土壤形成、水土保持、气候调节、洪水控制、物质循环与大气组成等方面。稍后,在1981年,著名生态学家Ehrilship与 Holdren论述了生态系统在土壤肥力与基因库维持中的作用,并系统地讨论了生物多样性的丧失将会怎样影响生态服务功能,以及能否用先进的科学技术来替代自然生态系统的服务功能等问题[4]。生态系统服务功能一词很快地为生态学家所接受。
1997年Daily将生态系统服务功能定义为:生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用。并认为它不仅为人类提供了食品、医药及其他生产生活资料,还创造与维持了地球生命支持系统,形成了人类生存所必需的环境条件[5]。
2.2 生态系统服务功能的类型划分
1997年Robert Costanza等[6]在《自然》杂志上发表了“全球生态系统服务功能价值和自然资本”,在世界范围内引起巨大反响。Costanza等将全球生态系统类型划分为海洋、森林、草原、湿地、水面、荒漠、农田、城市等16个大类26个小类;生态系统服务功能划分为气候调节、水调控、水土流失控制、物质循环、污染净化、文化娱乐价值等17种功能。以上17种服务功能类型基本上可以划分为两大方面:即生产和生活方面(见图1)。
Costanza等通过测算全球生态系统服务功能体现的自然资本价值,得到如下基本结论:整个生物圈每年产生的价值平均最少为33万亿美元,为全球GNP的1.8倍。这种价值构成全球社会经济价值的一部分。有关生态系统服务功能的价值结构分析可参考宗跃光等[7]的研究。
3 城市生态系统服务功能
3.1 城市生态系统的类型及其特点
生态系统是指一定范围内的生物体和它们周围的非生物环境相互作用、共同组成的具有特定功能的综合体。而城市是在人类不断改造自然、适应自然的过程中形成的人工—自然复合生态系统。实际上,与真正的自然生态系统相比,城市生态系统具有发展快、能量及水等资源利用效率低、区域性强、人为因素多等特征,因此并非发展成熟的自然生态系统。著名生态学家Odum[1]在1971年就曾提出“城市可以看作是生物圈的寄生虫”。
在生态系统中最易混淆的就是不同生态系统之间边界的划分。城市生态系统也是如此,它既可能被看作是一个统一的大生态系统,又可能被分割为几个独立的小生态系统,如公园和湖。在具体研究中,可根据城市的大小、发达程度和其所处的气候、地理条件等地域特征进行相应的城市生态系统分类。Per Bound等[1]根据瑞典斯德哥尔摩市具有大面积水域和绿地的特点,将城市生态系统分为以下7类:行道树、草坪/公园、城市森林、耕地、湿地、湖/海和溪流。行道树即沿街树,经常由硬化路面所包围环绕;草坪/公园指那些由草、大树和其他植被混合而成的需要管理的绿色区域,包括操场和高尔夫球场在内;城市森林是指比公园树林覆盖度更大的需要少量管理的区域;耕地和花园可种植和提供各类食物和花卉;湿地由各类沼泽和低湿地区组成,在各类生态系统服务中贡献最大;湖/海指那些大面积的开阔水域;溪流是那些流动的水体的总称。以上分类系统几乎囊括了城市中出现的所有自然生态系统,因此可适合于任何城市。城市中其他地区(垃圾场或废荒地、广场等)也可能含有一定的植物与动物群落,但这些系统完全可以包含在上述7类中,只是可根据研究区域的具体特征及城市本身的特点在具体工作中加以重点考虑。例如,在我国河北省石家庄市空气达标方案研究中,结合规划目标和石家庄市自身特点,除以上7类外,还增加了干河道、护岸树2类。
3.2 城市生态系统服务功能的内涵及类型
从图1可以看出,生态系统服务功能的内涵可包括有机质的合成与生产、生物多样性的产生与维持、调节气候、营养物质贮存与循环、土壤肥力的更新与维持、环境净化与有害有毒物质的降解、植物花粉的传播与种子的扩散、有害生物的控制、减轻自然灾害等许多方面。而在城市生命支持系统中,以下6种生态系统服务功能至关重要:净化空气(大气调节)、调节城市小气候、减低噪声污染、降雨与径流的调节、废水处理(废物处理)和文化娱乐价值。
3.2.1 净化空气
由于工业生产、交通和供暖所导致的空气污染,是城市最主要的环境问题之一。尤其是那些位置低洼、污染物不易扩散、清洁生产技术不发达的城市。众所周知,植被可以吸收大气污染物,具有明显的减轻大气污染、净化空气的作用,但其净化程度取决于城市当地的条件[8]。植被净化空气最初是从叶片对空气中污染物和颗粒物的过滤开始的,其次才进行吸收。过滤能力随叶片面积的增加而增加,因此树木的净化能力要高于草地与灌木。针叶具有最大的比表面积,而且冬季空气污染最严重时针叶树叶不脱落,因此针叶树比落叶树的过滤能力更强。但是,针叶树对大气中污染物却较为敏感,而阔叶树对硫化物SOx(如SO2)、氮氧化物(NOx)、卤化物等污染物的吸收力很强[1]。因此,行道树、公园、城市森林等的结构以种植针、阔混合林时效果最好,植被比水或空旷地有更强的净化空气能力。植被的布局和结构也会影响净化能力,过于密集的植被又会引起大气紊流。Bernazky曾报道,在公园中空气污染物近85%被过滤吸收,而林荫道上只有70%。据统计,100hm2的混合林每年可从空气中移走15 t颗粒物,而同等条件下纯云杉林可达30~40 t之多[1]。可见,在城市各类生态规划中必须注意植被种类的搭配、区域的布局、结构的配置等问题。
3.2.2 调节城市小气候
城市会影响所在地区的气候甚至气象。据有关研究统计[9],我国广东省广州市区与周边郊区相比,气温高出7.2℃,空气湿度则低于郊区,风向和风速也由于市内建筑、道路等原因发生很大改变。此类城市热岛效应,正是由于城市内存在大面积的吸热表面(硬化路面、建筑物等),以及大量使用能源而引起的。
城市内所有的自然生态系统均有助于热岛效应的缓减。水环境不论冬季还是夏季都可减少温度偏差。植被对此的作用也不容忽视。1株成年大树每天就可蒸发近450 L水,这些水需消耗1000 MJ的热量才可自然蒸发出来[1]。因此,城市树木可明显降低城市夏季温度。通过夏季遮荫、冬季减小风速,植被还可减少能源使用,改善空气质量。有关资料表明,就供暖和降温所耗能源费用而言,美国芝加哥市区每增加10%的森林覆盖率,每一居民单元每年就可减少50~90美元。而且,树木长远效益的现值估价大约为其费用现值估价的2倍之多[6]。
3.2.3 降低噪声污染
交通、机械等原因造成的噪声问题影响着城市居民的健康。据估计,消除噪声所需费用占国民生产总值的0.2%~2%。瑞士对此制订的长远目标是:噪声最高值在市区外为55 db,市区内为30 db。
影响噪声强度有2个因素:首先是噪声源距离,每增加1倍距离可降低噪声3db;其次是地面特性,据研究表明,柔软的草坪比水泥步行街的噪声低3 db;同时,其他植被也可降低噪声:不小于5 m宽的密集灌木林可降低噪声2 db,而50 m宽的森林可降低噪声3~6 db;100 m宽的密集植被仅可降低噪声1~2 db[1]。
虽然可以采取各种措施来降低噪声,比如加设隔声墙或隔声玻璃,但玻璃仅限于室内,而隔声墙又会影响城市景观,因此最佳方式是进行城市生态规划与建设,加强绿化建设。
3.2.4 调节降雨与径流
表面覆有水泥、柏油等的基础建筑物,由于表面密实、坚硬,使大部分降水汇成地面径流,且由于携带市区污水而使水质发生恶化。而植被可以通过各种途径来解决这一问题。植被根系深入土壤,使土壤具有更强的渗透性,根系吸收水分后植物叶片以蒸腾的方式将水分释放到空气中,增加了大气湿度,从而调节降雨和径流;植被还能减缓水流速度,减少洪水危害。研究表明,有植被的地段仅有5%~15%的雨水流失,其余的或蒸发或渗透到地面;相反,无植被的地段60%的雨水流入了暴雨污水沟[1]。据Andrew F,Seidl等[10]对巴西Pantanal地区的研究表明,此类调节功能价值占生态系统功能总价值的30.07%。因此,对地理条件处于有暴发洪水危险、自然条件又较差的城市,植树造林的环境效益会更加显著。
3.2.5 废水处理
城市废水处理量极大,例如瑞典斯德哥尔摩的废水处理企业每年处理近1.5亿m3废水[1],花费很大。而且废水处理中所产生的营养物质,又会引起周围水域生态系统的富营养化问题。由于湿地内生物可吸收大量营养物质,并且可减慢污水流速,使颗粒物质沉淀于底部,近96%的氮和97%的磷可滞留于湿地内。这样,既可以增加生物多样性,又减少了废水处理的费用。
在全球范围内,各种不同湿地已被用来处理大量不同的废水,并且取得很显著的效果。根据白晓慧等[11]的研究结果表明,2种人工湿地均可有效去除SS和BOD5,并且也可有效去除氮、磷,出水可达Ⅲ类水域(适用于集中式生活饮用水水源地二级保护区、一般鱼类保护区及游泳区)的水质标准要求。据统计,通过湿地恢复削减单位氮的费用只有2.5~7.5美元,而通过废水处理厂所需费用却达4.125~43.75美元[1]。这些数据并不包括湿地的其他效益,例如生物量和生物多样性。因此,湿地在全球水循环系统中有着重要作用,具有“地球之肾”的美称[12]。
3.2.6 文化娱乐、社会价值
密集的人口环境、紧张的生活节奏使人们几乎没有时间和空间去休息和娱乐,人们觉得离自然越来越远。人只有在大自然中,头脑才能更为灵活,思维才能更为敏捷,压抑才能减轻,心理、生理病态和创伤才能愈合和康复。而且,绿色空间对于人类心理学研究十分重要,一个典型的例子就是对不同环境下人们对压力的反应进行研究。结果表明,暴露于自然环境下压力水平会迅速下降,而在城市环境下压力水平很高,甚至有不断升高的趋势。对医院病人的研究也表明,居住于面向花园的病房中的病人比居住于病房面向建筑物的病房中的病人恢复速度快10%,所需强烈镇痛药也减少了50%[1]。绿色环境可增进城市居民的身心健康,改善生存质量。除植物以外,城市内出现的动物区系如鸟和鱼,也可以给人们带来可观的美学、文化价值。此外,生态系统还可以改善城市景观,而且某些生态系统具有科学研究价值。城市生态系统的某些植物(如地衣)具有指示、监测城市环境质量的功能。从Costanza等[6]的研究结果可知,以上两部分占到生态系统服务功能总价值的10%。

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