5．8．7　城市生态系统

1．城市生态系统概念

城市生态系统（urban ecosystem）是城市空间范围内居民与其自然环境系统和社会环境系统相互作用形成的人工生态系统。城市生态系统是一个以人为核心的系统，它不仅包含自然生态系统的组成要素，也包括人类及其社会经济等要素。马世骏（1984）等将其称为社会-经济-自然复合生态系统（social-economic-natural complex ecosystem，SENCE），认为城市的自然及物理组分是其赖以生存的基础；城市各部门的经济活动和代谢过程是城市生存发展的活力和命脉；而人的社会行为及文化观点则是城市演替与进化的动力泵。在人与生物圈计划（MBA）中，将城市生态系统定义为：凡拥有10万以上居民，且从事非农业劳动人口占65%以上，其工商业、行政、文化娱乐、居住等建筑物占50%以上面积，具有发达的交通线网和车辆，是人类生存聚居的区域，这样一个复杂的生态系统称为城市生态系统。

从传统生态学的观点看，城市本身并不是一个完整的、自我稳定的生态系统。但城市也具有自然生态系统的某些特征，具有某种相对稳定的生态功能和生态过程，生态学的普遍规律在城市中同样适用。因此，把城市看做一个生态系统，研究其物质、能量的高效利用，社会、自然的协调发展，系统功能的自我调节，不仅有益于城市本身的发展、管理和规划，也有利于处理和协调城市与周围地区的关系。

2．城市生态系统的结构

城市生态系统的结构不同于自然生态系统，除自然系统本身的结构外，城市生态系统还有以人类为主的社会结构和经济结构。

1）空间结构

城市由各类建筑物、街道、绿地等组成，形成一定的空间结构。城市的空间结构主要有同心圆、扇形和多核心模式三种。这三种模式可能在不同的城市出现，也可能在同一城市的不同地点出现。城市的空间结构模式主要取决于城市的地理条件、社会制度、经济状况、种族组成等因素。根据因子生态学原理，使用统计技术进行综合的社会地域分析结果表明，家庭状况符合同心圆模式，经济状况趋向于扇形模式，民族状况趋向于多核心模式。

2）营养结构

城市生态系统是以人类为中心成分的复合生态系统，它有两种不同的食物类型：一种是自然食物链，即传统意义上的食物链；另一种是人工食物链，经过人工加工的食品、饮用品、药品供人类直接食用。城市人口消费的食物大部分依靠周围环境系统供应，从而形成不同于自然生态系统的营养结构。

3）社会结构

社会结构包括人口、劳动力和智力结构。城市人口是城市的主体，其数量往往决定着城市的规模和等级。劳动力结构是指不同职业的劳动力所占的比例，它们反映出城市的经济特点和主要职能。智力结构是指具有一定专业知识和一定技术水平的那部分劳动力，它反映出城市的文化水平和现代化程度，也是决定城市经济发展的重要条件。

4）经济结构

经济结构由生产系统、消费系统、流通系统几部分组成。各部分的比例因城市不同而异，取决于城市的性质和职能。

3．城市生态系统的特点

城市生态系统作为以人为中心的、结构复杂、功能多样、巨大开放的人工生态系统，与自然生态系统相比，有许多不同的特点。

1）城市生态系统是以人为主体的生态系统

城市生态系统是通过人的劳动和智慧创造出来的，人工控制对该系统的存在和发展具有决定性作用。同自然生态系统相比，城市生态系统中生命系统的主体是人类，人是城市生态系统的主要消费者。所以，在城市生态系统中，人类的生物量大大超过系统内其他动物的生物量，也大大超过绿色植物的生物量。据北京、东京、伦敦三个城市人口生物量与植物生物量的比较，北京、东京、伦敦三城市的人类生物量与植物生物量的比分别是8∶1、10∶1和10∶7。

在城市生态系统中，城市居民既是自然人，又是社会人。人类是生态系统中的消费者，处于营养级的顶端，人类的生命活动是生态系统中能流、物流、信息流的一部分。人类同时又是经济生态系统中的生产者，是生产力诸要素中最积极、最活跃的部分，参与生产经营，创造物质财富，参与这些物质财富的交换、分配与消费。人类为了延续，也为了保证社会源源不断需要的劳动力，需要进行自身的再生产。在城市自然、经济、社会的再生产中，人类都是核心，是主体。人类的主导作用不仅仅是参与生态系统的上述各个过程，更重要的是人类为了自身的利益对城市生态系统进行着控制和管理，人类的经济活动对城市生态系统的发展起着重要的支配作用。不仅如此，城市生态系统中的环境还受到人为的强烈干扰，许多环境因素本身就是人类创造的。如人类创造的人工化地形、人工化地面、人工化水系、人工化气候等大量的人工设施叠加于自然环境之上，形成了显著的人工化特点。而人类的生产生活活动消耗了大量的能源和物资，伴随形成大量的废弃物，使城市成为污染最严重的地区之一。

2）城市生态系统是高度开放的生态系统

城市生态系统中人类的消费需要大量的食物能量和物质，需要其他生态系统（如农田、森林、草原、海洋等生态系统）的人为输入。同时，城市生态系统中的生产、建设、交通、运输等都需要能量和物质供应，这些也必须从外界输入，并通过加工、改造，以满足人类的各项需要。城市生态系统从系统外输入的能量和物质所生产的产品只有一部分供城市中的人们消费，另外一部分还需要向外界输出，这种向外输出的产品也包括能被外系统消费使用的新型能源和物质。城市也向外部系统输出人力、资金、技术、信息等。

城市生态系统的开放性还表现在系统内缺乏分解者，所以，城市人类生活和生产过程产生的大量废物不可能在系统内分解和容纳，还要输送到其他生态系统中去消化处理。美国百万人口城市中每天需输入水625000t，食品2000t，燃料9500t，排放废水500000t，固体废物2000t，大气污染物950t。

城市生态系统具有大量、高速的输入输出量，能量、物质和信息在系统中高度聚集，高速转化。如果从开放性和高速输入的性质来看，城市生态系统又是发展程度最高、反自然程度最强的人类生态系统。这种与周围其他生态系统相比高速而大量的能量和物质交换，主要靠人类活动来协调，使之趋于相对平衡，从而最大限度地完善城市生态系统，满足居民的需要。正是由于城市生态系统的这种非独立性和对其他生态系统的依赖性，使城市生态系统显得特别脆弱，自我调节能力很小。

3）城市生态系统是人类自我驯化的系统

自然生态系统都有自我调节机制以维持生态系统的稳定性，但城市是在一个很小的范围内，集中了大量的物质和能量，建立了大量的人类技术物质（包括建筑物、道路、桥梁和其他市政设施），并产生大量的污染物质，改变了原来的生态和生态平衡。同时，城市的地理环境也发生深刻的改变，地形、地貌失去了原来的面貌，人工地面的形成，改变了自然土壤的结构和功能，改变了地面受热状况，致使城市气候发生明显变化，形成城市“热岛”等，破坏了原有的自然调节机能。因此，城市生态系统的自我调节机能相当脆弱。

4）城市生态系统是多层次的复杂系统

城市生态系统是一个典型的复杂系统，它是一个多层次、多要素组成的复杂大系统。据估计，城市生态系统包含的要素数量数以亿计。仅以人为中心，即可将城市生态系统划分为三个层次的子系统：生物（人）-自然环境系统，只考虑人的生物性活动，人与其生存环境的气候、地形、食物、淡水、生活废弃物等构成一个子系统；人-经济系统，只考虑人的经济（生产、消费）活动，由人与能源、原料、工业生产过程、交通运输、商品贸易、工业废弃物等构成一个子系统；人-社会系统，只考虑人的社会活动和文化活动，由人的社会组织、政治活动、文化、教育、服务等构成一个子系统。

以上三层次的子系统内部，都有自己的能量流、物质流和信息流。而各层次之间又相互联系，构成一个不可分割的整体。一个优化的城市生态系统不仅要求系统功能多样性以提高其稳定性，还要求各子系统相互协调。

4．城市生态环境问题

城市生态系统以人口、建筑的高度密集，资源、能源的高消耗为特征。在城市大量物质和能量高速流动的同时，也产生大量的污染物与能量耗散，给城市生态环境带来了巨大的压力。这种压力的最明显特征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的人类生存危机。目前的城市，都面临着城市化进程对自然环境的破坏，气候变化，大气、水、固体废物和噪声污染等，以及人口、交通、住房等环境问题。城市生态系统的环境问题主要表现在以下六个方面。

1）自然生态环境遭到破坏

城市化不可避免地影响了自然生态环境，由此而引起了一系列的变化。如城市的高楼大厦代替了自然的森林，城市的输水管网代替了天然的水系，沥青、水泥地面代替了自然土壤地面。这些变化对人类的影响是长期的、潜在的。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，改变了它们之间长期形成的相互关系。而人类将自己困在自己创造的人工化的城市环境中，这种长期隔离的结果，使许多“文明病”、“公害病”相继产生。

2）土地的变化

在发展中国家，城市化的进程方兴未艾，城市在迅速扩大，新城市在不断出现。在发达国家，城市群的形成和城市人口由市区向郊区的扩展，也加快了占用农业用地的速度。城市土地中，由于高密度的建筑物和城市地面硬化，阻止了雨水向土壤的渗透，使得城市地下水位下降。而大量抽取地下水，会使地面发生沉降。城市地面沉降会造成房屋破坏、地下管线扭曲破裂等事故，还会对城市造成其他影响。我国上海市等数十座城市已经出现地面沉降现象。

城市土壤污染严重。城市废弃物对土壤的破坏，主要表现在对土壤的化学污染和垃圾占用大量土地。据统计，我国城市垃圾的无害化处理率为60%左右，但一些专家估计真正达到无害化处理的不足20%。所以，有80%以上的城市的生活垃圾只能运往郊区长年露天堆放。我国已有200多座城市陷入垃圾的包围之中。被污染的土壤会进一步对地面水和地下水造成污染。

3）气候和大气环境的变化

城市污染源集中，污染量大而复杂，其大气生态环境变化是十分明显的。城市形成后在气温、湿度、云雾状况、降水、风速等方面会发生显著变化，出现诸如城市热岛效应（heat island effect）、温室效应、城市风等气候变化。城市气候的变化，对城市生态环境以及城市居民的生活均有影响。据研究，随城市的人口规模、面积以及城市性质不同，热岛效应强度在2～7℃。

城市大气污染是城市面临的主要环境问题之一。一般城市大气中的污染物主要有颗粒物、一氧化碳、硫氧化物、氮氧化物和光化学氧化剂，以及一些有毒重金属如铅、镉、汞等。我国城市大气中总悬浮微粒含量在北方地区城市高于南方地区城市，2008年度全国519座城市空气质量数据显示，达到一级标准的城市有21个，二级标准的城市有378个（占72．8%），三级标准的城市有113个（占21．8%），劣于三级标准的城市有7个（占1．4%）。随着城市家庭的日益现代化，室内的空气污染和化学性污染也日益严重。

4）淡水短缺和水污染

城市生态系统水环境问题主要是水资源短缺和水体污染严重。随着城市化进程的加快，城市水资源短缺已成为世界范围的问题。城市居民人均日需水量为200～800L，工业用水是生活用水的2～4倍，一般一个50万人口的城市每天需水量100×10⁴～200×10⁴ m³。我国有300多个城市缺水，其中严重缺水的城市有50个。虽然有的城市所在地区并不缺乏水资源，由于城市污染源集中，污染物排放量大，城市地表水普遍都受到不同程度的污染，使得可供利用的清洁水源严重不足。引起城市水体污染的原因是城市中的工业废水和生活污水未经处理或处理不够，通过下水系统流入江河湖海造成的。针对目前城市水污染问题，防治水质恶化，控制和治理污染源是十分重要的。

5）人口密集

人口密集是城市的普遍现象。国外42个大城市人口平均密度为每平方千米7918人，我国城市的人口密度一般都高于国外，如上海市10个市区的人口密度高达每平方千米22615人。城市人口密度大是我国大城市的一大特点。

城市人口的高度密集，大大超过了城市的环境容量，是导致城市众多环境问题的根源。综合多种因素，城市中较合理的人口密度是10000～12000人/km²，市中心不大于20000人/km²。

6）绿地缺乏

联合国提出的城市人均绿地面积标准是50～60m²，但是，目前我国城市人均绿地面积仅为7m²。城市绿地具有调节气体平衡、改善小气候、净化空气、消除噪声、美化环境等多种功能。城市绿地的缺乏是城市生态质量恶化的重要原因之一。