城市生态系统诊断研究综述

前言

当前, 人类正经历快速的城市化过程, 到2030年, 预计全世界将有超过60%的人口居住在城市中。我国也不例外, 1978年城市化率仅为17.92%, 到2015年已达到56.1%, 预计到2050年将达到70%以上, 接近发达国家平均水平[1]。

城市化进程对经济发展和居民生活的改善起到了强大的推动作用, 但是也伴随着巨大的资源、能源消耗和一系列人口、资源、生态环境不协调问题。相关研究表明, 我国环境污染导致的经济损失呈增长态势, 2000年-2008年, 全国因环境污染导致的经济损失从3330亿元增长到5652亿元, 八年间增长69.7%, 年均增长6.84%[2]。

“十三五”规划提出“要加快转变经济发展方式, 促进城乡区域协调发展, 促进经济社会协调发展, 加快改善生态环境”, 为我国可持续发展指明了方向。城市作为各种政策、规划落实的重要载体, 其健康、有序发展无疑是当前经济转型期要面临的重要课题。研究城市发展的各种问题和城市健康的特征及指标, 构建城市生态系统诊断框架, 对完善城市生态系统研究体系, 促进我国“十三五”相关政策的落实具有重要意义。

1. 城市生态系统基本理论

1.1 结构和特征

城市生态系统指城市空间范围内的居民与自然环境及人工建造的社会环境相互作用而成的统一体。马世俊等将城市定义为由“社会-经济-自然”三个子系统构成的复合生态系统。城市的社会结构包括人口、政策、文化、科学水平和传统习惯等要素, 经济结构包括物质的输入输出、产品的供需平衡、资金积累的速率和利润等, 自然结构包括非再生的矿产资源和可再生的生物资源[3]。

城市生态系统的复杂结构导致它与自然生态系统有迥然不同的差异。从特征上看, 城市生态系统: (1) 以人为主体, 人类社会的政治、经济、法律、文化和科学技术对城市生态系统的发展具有举足轻重的影响; (2) 不完整性和高度依赖性, 系统内并不产生所需的基本资源, 自身也难以消纳产生的废物, 对外部系统依赖高; (3) 开放性, 表现为与外界广泛、密切的物质、能量交换; (4) 高“质量”性, 系统内物质、能量、人口高度集中, 密度极高; (5) 复杂性, 以满足人类需要为目的, 具有政治、经济、文化、科学、技术、旅游等多种功能, 且在人类干预下迅速发展和变化; (6) 脆弱性, 高强度的人类活动产生大量污染, 同时在一定程度上破坏了城市自然系统的调节机制, 系统的稳定主要依赖社会经济亚系统的调控能力和水平[4]。分析上述特征不难发现, “人类为主体”在所有特征中起决定性作用, 正是由于各种人类活动, 改变了原有的自然景观格局, 从根本上塑造了全新的系统结构、过程和功能, 以提供满足人类需求的各种服务。

1.2 城市病

“城市病”是一种形象的说法, 指的就是城市问题;城市是一个复杂的生态系统, 因而“城市病”也表现在多个方面。例如交通拥挤、住房紧张、基础设施不足、人口膨胀、城市贫困和社区公平等社会经济问题, 环境污染、温室效应、气候变化、城市灾害等生态环境问题。也有学者从城市景观角度阐释“城市病”, 如俞孔坚认为当前我国的城市设计过于追求毫无意义的风格、形式和华丽的异国情调, 忽视了城市居民的生存需求和感受, 是一种不可持续的城市美化运动[5]。

总体上看, “城市病”是城市的社会、经济和资源环境问题;从生态学的角度考虑, 表现为物质、能源利用效率低下, 以及城市系统关系失衡。马世骏等认为城市问题的焦点是资源问题, 当前城市生态系统中的资源利用率远低于自然生态系统, 如:物质循环线状简单、大量物质和能量以废物形式输出, 城市系统要素之间缺少共生关系和物质能量分级利用功能, 受经济技术力量、社会生产关系、决策和认识水平限制大等。夏倩等分析了不同城市增长衰退的原因, 认为除地理位置外, 国家经济及产业政策对城市发展起到重要作用[6]。

因此可以说, 现代城市的发展将越来越多的受到城市规划政策的影响。从城市规划的角度探究各种“城市病”的病因, 主要表现有如下几点:一是在城市定位上, 不顾内外各种制约因素盲目发展;二是在城市发展目标上, 过分的追求高速经济增长;三是产业选择上, 急功近利, 缺乏战略选择;四是城市空间设计上, 生活、生产和生态空间布局不合理;五是城市发展中的各种低效率问题。

1.3 城市生态系统健康

关于城市生态系统健康, 目前还没有形成统一的定义。国际发展研究中心的定义是“城市生态系统的健康不仅指自然和人工系统的完整性, 也包括城市居民在特定社会经济、文化和政治环境下的人群健康”。苏美蓉等将Rapport的VOR (活力、组织力、恢复力) 框架运用于城市生态系统健康研究中, 形成“活力-系统结构-恢复力-生态系统功能维持-环境影响”框架[7]。郭秀锐则认为应从自然生态和社会经济两个角度理解城市生态系统健康, 一方面“自然-经济-社会复合系统”在受到外界不利影响时能够保持稳定和可持续性, 另一方面还能持续的为城市居民提供生态系统服务[8]。周文华等定义为“城市生态系统健康指城市人居环境健康, 主要关注两个角度, 一是人类生产生活与周围环境的物质能量交换的良性循环, 二是城市人群健康[9]”。由于人类需求受主观判断和价值选择的影响, 处于不断变化中, 因而从目前来看, 形成统一的城市生态系统健康定义还具有一定的困难。

换一个角度, 无论是要使城市生态系统维持高效、协调、具有活力和对外界干扰的抵抗力, 还是要求该系统能够满足人的各种需求, 其实都关注一个主题, 即城市生态系统的可持续发展。因此也可以从可持续发展的角度理解城市生态系统健康。可持续发展理念综合考虑了生态、经济、技术、社会四个方面, 与城市复合生态系统理论 (“社会-经济-自然”) 能较好吻合。

2. 城市生态系统诊断相关理论

城市是一个复杂的生态系统, 从时间上看, 城市发展的过去、现在和未来形成一条完整的时间链;从空间上看, 主要形成生活、生产、生态三类布局;从属性上, 又可分为社会、经济、自然三个子系统。因此, 城市生态系统诊断需要广泛的学科交叉, 如:城市人口学、社会学、城市规划学、环境规划学、环境经济学、城市灾害预防和卫生科学、景观生态学等。

由于城市生态系统的复杂性, 以及每个研究者的理论背景和考察角度的不同, 目前形成的诊断指标体系非常丰富。从当前国内外的研究来看, 城市生态系统诊断涉及的方法理论主要包括如下方面:

2.1 城市“社会-经济-自然”复合生态系统理论

基于城市是一个复合的生态系统, 从社会、经济、自然角度构建不同的表征指标, 是最常见的一种指标体系构建方法。如颜文涛等对重庆市北部新区城市生态系统健康所作的评价, 自然子系统考察自然生态状况和人工环境状况, 社会子系统考察社会公平、社会结构、人群健康, 经济子系统考察经济结构、经济水平、经济效率[10]。

2.2 活力-组织结构-恢复力 (VOR) 理论

根据苏美蓉等提出的定义, “活力”可由活动性、新陈代谢或初级生产力表达, 代表系统的自我运作能力;“组织力”以生态系统要素的多样性和相互作用进行表达, 代表系统维持组织结构完整性的能力;“恢复力”反应生态系统在压力条件下保持结构和功能完整性的能力, 代表系统对外界压力的承受弹性[11]。该定义是从自然生态系统的角度提出的, 后来的许多学者对该理论做了发展并运用于城市生态系统研究中。

将VOR理论纳入到城市复合生态系统诊断中, 赋予指标更深层的含义, 每个指标在城市生态系统中的归属更加明确 (分别属于“活力”、“结构”、“恢复力”等) , 有利于加深对城市生态系统运行机理的理解。但是从当前的研究来看, VOR理论更适合于自然生态系统, 移植到城市生态系统中, 往往对指标解释显得不足。

2.3 能值理论

能值理论由美国生态学家奥德姆 (H.T.Odum) 1986年创立, 将某种储存或流动的能量中所包含另一种类能量的数量, 称为该能量的能值。能值分析以能值为基准, 通过能值转化率把生态系统或生态经济系统中不同种类、不可比较的物质流、能量流、价值流以及生态系统服务功能转换成同一标准的能值 (一般指太阳能值) 来衡量和分析。

能值指标的选取一般也结合城市复合生态系统理论、VOR理论、可持续发展理论等提出, 如刘耕源等提出的“活力-组织结构-恢复力-服务功能维持”框架中, “活力”以能值投资率、电力能值比等表示;“组织结构”以不可更新资源能值比、能值交换率等表示;“恢复力”以环境负荷率、人口承载力等表示, 以及能值可持续发展指标。

2.4 城市新陈代谢理论

Wolman最先将新陈代谢的概念引入城市, 认为城市系统的运作是一个新陈代谢的过程。Yan Zhang等认为城市新陈代谢有2种, 一种是耗散代谢 (dissipative metabolism) , 发生在系统向环境释放物质和能量时, 这种代谢增加系统的熵水平;另一种是还原代谢 (reductive metabolism) , 发生在系统从环境中获取和储藏物质及能量时, 这种代谢降低系统的熵水平[12]。当还原代谢作用强于耗散代谢时, 城市生态系统能够保持稳定、活力和有序。

2.5 景观生态学理论

李伟峰等利用景观生态学理论分析城市景观格局和城市生态系统之间的动态变化机制, 选择城市规模、土地利用/覆盖开发程度、土地利用异质化 (破碎化、连通化) 程度等作为研究指标[13]。俞孔坚等利用GIS技术分析了北京市城市扩张的生态底线, 选择调节服务 (水过程的自我调节、水土保持、地质灾害防护) 、供给服务 (淡水、粮食、生命支持系统) 和文化服务等作为研究指标。

3. 研究实践

从当前的国内外研究来看, 城市生态系统诊断一般以评价城市生态系统健康或可持续发展能力为主, 典型的诊断案例有:

(1) 史作民等1996年采用系统动力学模型和灰色系统方法对大连市的城市生态系统发展趋势进行研究;

(2) 郭秀锐2003年采用生态足迹、综合指标法、层次分析法和模糊评价法等分析广州市的城市生态系统健康状况;

(3) 周文华等2005年采用模糊数学评价法、综合指标法对北京市的城市生态系统健康进行评价;

(4) 马爽爽等2012年采用景观生态学理论、综合指标法对湖州市的城市生态系统健康进行评价。

4. 结语

城市是现代文明的产物, 也是一个复杂的生态系统, 在这个系统中, 人是主体, 既是生产者、又是消费者, 同时还是城市发展的决策者和管理者。人的选择, 特别是对城市的决策 (各种政策和规划) 决定了城市的发展方向, 也直接影响到城市生态系统的健康状况和人自身的需求。

从当前的研究来看, 城市生态系统的结构、城市“病”以及城市生态系统的健康问题, 都受到广泛的关注。基于城市是一个“社会-经济-自然”复合生态系统, 许多学者发展了多种理论和方法对其研究, 建立了一系列的评价指标。总体而言, 系统内局部、较细的目 (指) 标受到的关注较多, 但对城市生态系统整体缺少一种宏观把握, 例如对城市的定位、目标、布局等关注不足, 没有充分考虑人的决策 (政策、计划、规划等) 对城市生态系统的影响。因而表现在研究成果上, 城市现状水平 (特别是健康状况) 研究得很多, 但是对城市“病”的病因解释很少, 对城市生态系统健康状态的未来发展也难以做出有效的预测。另一方面, 城市生态系统研究的理论和方法还不成熟, 例如城市生态系统健康, 尽管其受到的关注最多, 但目前仍未能形成统一且明确的定义。

综上, 本文认为城市生态系统诊断在今后的研究中: (1) 除了关注城市生态系统的内部结构和功能, 也应关注城市的发展定位、规模和空间布局等, 因为各种决策活动是影响城市结构和功能健康、导致“城市病”的决定因素。 (2) 注重城市生态系统组成要素之间的联系。常见的指标体系, 只是静态的反应了生态系统的结构, 并没有体现系统的“过程”, 因而难以把握城市生态系统演替的内在机理。 (3) 加强多学科交叉研究, 完善系统科学、能值理论、景观生态学等理论在城市生态系统研究中的应用。 (4) 建立开放、完备的基础数据库系统。许多研究方法和模型, 如生态足迹法、能值法、综合指标法等, 都需要大量的社会、经济、环境数据支撑。

摘要：城市生态系统问题是当前研究热点。本文介绍了城市生态系统的基本结构和特征、城市“病”、城市生态系统健康等关键概念, 综述了在当前城市生态系统研究中应用的理论和方法。当前对城市生态系统诊断理论体系研究中, 城市生态系统健康得到的关注最多, 主要集中于现状研究, 对其未来演变还难以做出有效预测。通过综述及分析, 本文认为城市生态系统诊断在今后的研究中应关注决策活动对城市生态系统结构和功能的影响, 关注城市生态系统组成要素之间的联系, 加强多学科交叉研究在城市生态系统研究中的应用, 加强基础数据储备等。

关键词：城市生态系统,城市“病”,城市生态系统健康

参考文献

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