生態(tài)學(xué)有關(guān)概念與原理

1、城市生態(tài)學(xué)康 慕 誼北京 2002.0206北京師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院課程本課程的著重點(diǎn)城市氣候?qū)W與城市自然環(huán)境城市生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)城市中的環(huán)境問題城市園林綠地與綠化城市生態(tài)環(huán)境管理與規(guī)劃城市生態(tài)系統(tǒng)研究方法舉例1 城市與城市生態(tài)學(xué)1.1 城市的發(fā)展與城市化1.1.1 城市的概念和城市的形成與發(fā)展城市(city)是非農(nóng)業(yè)人口為居民主體, 以空間與環(huán)境利用為基礎(chǔ), 以聚集經(jīng)濟(jì)效益為特點(diǎn), 以人類社會進(jìn)步為目的的一個集約人口、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)和文化的空間地域綜合體人類社會與地域空間的高度結(jié)合城市與其周圍環(huán)境的聯(lián)系1 城市與城市生態(tài)學(xué)城市的形成(三次社會分工與私有制) 1 第一次:畜牧業(yè)與農(nóng)業(yè)分離聚

2、落(城市胚胎) 第二次:農(nóng)業(yè)與手工業(yè)分離產(chǎn)生聚落中心 第三次:手工業(yè)與商業(yè)分離“市”(集)形成 2 私有制產(chǎn)生聚落爭斗防衛(wèi)“城”(鎮(zhèn))形成城市的發(fā)展自然條件：大河沖積平原區(qū)；經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展水平：沖破自然束縛向外擴(kuò)張拓展城市化景觀現(xiàn)代農(nóng)業(yè)景觀-1950傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)景觀-18001950歷史鄉(xiāng)村景觀-11001800鐵器時代末期景觀-約公元前1000新石器及青銅時代景觀-原始自然景觀-城市景觀發(fā)展變遷過程自然人工 海岸地面抬升(1cm/a)促使港口向河流下游深水處遷移, 船只噸位(吃水深度)的增加亦加速了該過程港口城市形成1 城市與城市生態(tài)學(xué)1.1.2 城市化與城市問題城市化(urbanization)

3、通常是指農(nóng)業(yè)人口轉(zhuǎn)化為城市人口的過程。其表現(xiàn)為： 空間上城市規(guī)模的擴(kuò)大 數(shù)量上農(nóng)業(yè)人口轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)非農(nóng)業(yè)人口 質(zhì)量上城市居民生活方式的現(xiàn)代化城市人口增長: (以前)自然(目前)機(jī)械城市化發(fā)展過程孤立農(nóng)家 市井集鎮(zhèn) 老工業(yè)區(qū) 新工業(yè)區(qū)交通線形式對不同城市景觀類型形成的影響深圳市的土地利用變化歐洲的城市化發(fā)展1 城市與城市生態(tài)學(xué)城市問題：由于城市化的發(fā)展和城市人口、工業(yè)、建筑的高度集中, 帶來了一系列的。當(dāng)城市人口膨脹到一定程度，城市擴(kuò)大到一定規(guī)模時，勢必造成城市用地緊張、交通擁擠、住房短缺、基礎(chǔ)設(shè)施滯后、環(huán)境污染、生態(tài)條件惡化，并導(dǎo)致失業(yè)率增加和犯罪率上升等一系列現(xiàn)代城市社會弊病。1 城市與城市生

4、態(tài)學(xué)1.2 城市生態(tài)學(xué)的研究對象、目的、任務(wù)1.2.1 城市生態(tài)學(xué) 經(jīng)典的生態(tài)學(xué)研究生物與其生活環(huán)境之間的相互關(guān)系。其研究對象主要是：1 城市與城市生態(tài)學(xué)生物個體 (個體生態(tài)學(xué) autecology)生物種群 (種群生態(tài)學(xué) population ecology）生物群體 (群落生態(tài)學(xué) synecology)生態(tài)系統(tǒng) (生態(tài)系統(tǒng)學(xué) ecosystem ecology) 將某一環(huán)境及其中的生物群體結(jié)合起來加以研究,目的是闡明生態(tài)系統(tǒng)的機(jī)制?，F(xiàn)代生態(tài)學(xué)強(qiáng)調(diào)的這種機(jī)制, 主要指生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量的流動。1 城市與城市生態(tài)學(xué)城市生態(tài)學(xué) (urban ecology) 生態(tài)學(xué)的一個分支, 是以城市空間范

5、圍內(nèi)生命系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)之間聯(lián)系為研究對象的學(xué)科。由于人是城市中生命成分的主體, 因此也可以說, 城市生態(tài)學(xué)是研究城市居民與城市環(huán)境之間相互關(guān)系的科學(xué)。其研究內(nèi)容主要包括：1 城市與城市生態(tài)學(xué)城市居民變動及其空間分布特征(城市人口的生物特征、行為特征、社會特征研究)城市物質(zhì)代謝功能及其與城市環(huán)境質(zhì)量之間關(guān)系(城市物流、能流及經(jīng)濟(jì)特征研究)城市自然生態(tài)變化與城市環(huán)境的互動影響(城市生物及非生物環(huán)境的演變過程研究)城市生態(tài)管理與調(diào)控(城市交通、供水、生活廢物處理及其中的物質(zhì)、能量利用, 社會、自然和諧, 系統(tǒng)動態(tài)調(diào)控方法研究)城市自然生態(tài)特征的指標(biāo)體系及城市合理容量1 城市與城市生態(tài)學(xué) 對城市進(jìn)行生

6、態(tài)學(xué)研究, 僅僅運(yùn)用自然科學(xué)的原理是不夠的。這首先因?yàn)槌鞘惺侨祟惿鐣漠a(chǎn)物, 所以有關(guān)生態(tài)學(xué)的研究也必然涉及社會科學(xué)的不同領(lǐng)域。人類往往不能適應(yīng)城市生活的自然環(huán)境, 要按照自己的意愿, 如按照傳統(tǒng)、政治、經(jīng)濟(jì)狀況等改造城市。這種改變常常不可能不使城市生態(tài)系統(tǒng)受到影響, 而且是影響到城市的自然和社會各個方面, 因此城市生態(tài)學(xué)必然要運(yùn)用到自然科學(xué)和社會科學(xué)兩方面研究領(lǐng)域的成果與方法。1 城市與城市生態(tài)學(xué)1.2.2 城市生態(tài)學(xué)研究的流派 城市生態(tài)學(xué)的研究起源于歐美, 然而北美的城市生態(tài)學(xué)概念和西歐的城市生態(tài)學(xué)概念并不完全相同。西歐的城市生態(tài)學(xué)是由自然科學(xué)家, 特別是植物學(xué)家所首先創(chuàng)立, 在以后的研究

7、中, 也一直基本保持著自然科學(xué)的性質(zhì)。把非自然科學(xué)亦納入城市生態(tài)學(xué)研究范疇的觀點(diǎn), 僅僅是在近期才開始被德國和其他一些歐洲國家所接受。1 城市與城市生態(tài)學(xué) 在北美洲，城市生態(tài)學(xué)植根于社會科學(xué)。Robert E. Park芝加哥學(xué)派著名的代表人物之一, 在1926年就已開始講授“城市生態(tài)學(xué)”課程, 其內(nèi)容是“城市和社會之間關(guān)系的多樣性”。北美的城市生態(tài)學(xué)概念, 從一開初到現(xiàn)在, 始終比西歐的城市生態(tài)學(xué)概念具有更濃烈的社會科學(xué)色彩。特別是在其發(fā)展初期, 純粹屬于社會科學(xué)。1 城市與城市生態(tài)學(xué) 隨著時間的推移，城市生態(tài)學(xué)概念在西歐和北美間開始相互協(xié)調(diào)，逐漸趨于統(tǒng)一。在歐洲，城市生態(tài)學(xué)的概念正在逐漸擴(kuò)

8、展自己的含義；在北美, 自然科學(xué)方面的研究(如氣候?qū)W、綠地建設(shè)和城市園林樹木的意義等), 已在有關(guān)的城市環(huán)境規(guī)劃中獲得了廣泛的應(yīng)用。1 城市與城市生態(tài)學(xué)1.2.3 我國的城市生態(tài)學(xué)研究 我國城市生態(tài)學(xué)的研究起步較晚,但發(fā)展很快。1984年12月在上海舉行了“首屆全國城市生態(tài)科學(xué)研討會”, 會議探討了城市生態(tài)學(xué)的目的、任務(wù)、研究對象和方法，以及在實(shí)際工作中的作用。這次會議標(biāo)志著中國城市生態(tài)研究工作的開始。以后的研究首先將注意力集中在把城市生態(tài)理論研究應(yīng)用到城市規(guī)劃、建設(shè)和管理實(shí)踐中去, 主要是對一些大城市進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)工程方面的研究。1 城市與城市生態(tài)學(xué)19831985年間組織的“天津市城市生態(tài)系

9、統(tǒng)與污染防治綜合研究”；“北京市城市生態(tài)系統(tǒng)特征及其環(huán)境規(guī)劃的研究”等。這些研究為制定城市總體規(guī)劃、城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃、城市環(huán)境保護(hù)規(guī)劃和城市管理措施等提供了決策依據(jù)。在城市生態(tài)系統(tǒng)個別組分的研究方面，有江蘇植物研究所等開展的南京市“城市空氣污染與某些植物種的關(guān)系”的個體生態(tài)研究。此外在北京以及其它城市還有一些有關(guān)城市生態(tài)調(diào)控決策支持系統(tǒng)方面的研究，目的是為城市規(guī)劃、環(huán)境管理與決策者提供信息支持、方法支持和知識支持。1 城市與城市生態(tài)學(xué)城市生態(tài)學(xué)研究現(xiàn)階段研究方向: 為使城市發(fā)展步入正常良性循環(huán)軌道, 為使日益嚴(yán)重的城市問題得到妥善解決, 應(yīng)該分城市職能類別開展城市生態(tài)的深入研究(以政治文化、工

10、業(yè)企業(yè)、風(fēng)景旅游、交通樞紐、商貿(mào)金融、港口運(yùn)輸?shù)雀黝惓鞘羞M(jìn)行研究);城市生態(tài)的單項基礎(chǔ)性研究(要構(gòu)建城市總體模型, 首先應(yīng)有單項基礎(chǔ)研究, 如有關(guān)城市植被、植物區(qū)系、動物區(qū)系、水文、氣候、土壤等以及有關(guān)城市交通、人口居住、環(huán)境美化方面的研究);城市生態(tài)環(huán)境管理及規(guī)劃研究2 生態(tài)學(xué)有關(guān)概念與原理2.1 生態(tài)平衡及其反饋調(diào)節(jié)機(jī)制生態(tài)平衡(ecological equilibrium) 指生態(tài)系統(tǒng)的一種相對穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)處于這一狀態(tài)時, 生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)生物之間和生物與環(huán)境之間相互高度適應(yīng), 種群結(jié)構(gòu)和數(shù)量比例長久保持相對穩(wěn)定, 生產(chǎn)與消費(fèi)和分解之間相互協(xié)調(diào), 系統(tǒng)能量和物質(zhì)的輸入與輸出之間接近平衡。生態(tài)系

11、統(tǒng)平衡是一種動態(tài)平衡, 因?yàn)槟芰苛鲃雍臀镔|(zhì)循環(huán)仍在不間斷地進(jìn)行, 生物個體也在不斷地進(jìn)行更新。2 生態(tài)學(xué)有關(guān)概念與原理負(fù)反饋機(jī)制(negative feedback mechanism) 生態(tài)系統(tǒng)的平衡靠負(fù)反饋機(jī)制維持。生態(tài)系統(tǒng)中的反饋現(xiàn)象十分復(fù)雜, 既表現(xiàn)在生物組分與環(huán)境之間, 也表現(xiàn)于生物各組分之間及結(jié)構(gòu)與功能之間, 其中起主要作用的是能夠使系統(tǒng)達(dá)到和保持平衡或穩(wěn)態(tài)的負(fù)反饋機(jī)制。負(fù)反饋是指系統(tǒng)或其中某成分因一系統(tǒng)輸入而在輸出上產(chǎn)生一響應(yīng)變化趨勢, 該響應(yīng)變化又反過來作用于導(dǎo)致產(chǎn)生該響應(yīng)變化的系統(tǒng)輸入, 使該輸入受到抑制從而衰減之(見下頁圖示)。生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)生態(tài)系統(tǒng)負(fù)反饋環(huán)作用示意圖輸 入

12、向偏離 向偏離 向調(diào)整 向調(diào)整輸 出兔的食物增加兔數(shù)量減少兔因饑餓死亡兔吃少量植物植物增加兔數(shù)量增加兔吃大量植物植物減少兔與植物種群之間的負(fù)反饋環(huán)兔數(shù)量減少兔吃少量植物兔因饑餓死亡兔的食物增加植物減少植物增加兔數(shù)量增加兔吃大量植物狼數(shù)量下降狼數(shù)量增加狼因饑餓死亡狼的食物增多狼吃少量的兔狼吃較多的兔狼、兔、植物種群之間的雙重負(fù)反饋環(huán)2 生態(tài)學(xué)有關(guān)概念與原理 當(dāng)自然生態(tài)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時, 生物種類通常較多, 結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 食物鏈網(wǎng)錯綜, 對外界的干擾有較強(qiáng)的抵御能力, 功能發(fā)揮亦較穩(wěn)定。有人稱此為多樣性穩(wěn)定性學(xué)說。此時系統(tǒng)內(nèi)各物種通過競爭和生態(tài)適應(yīng), 占據(jù)各自獨(dú)特的生態(tài)位, 彼此協(xié)調(diào)相處, 對環(huán)境

13、資源的利用較為充分; 同時復(fù)雜的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)使能量和物質(zhì)可通過多種途徑流動, 一個環(huán)節(jié)或途徑發(fā)生了損傷或中斷, 可以由其他方面的調(diào)節(jié)所抵消或得到緩沖, 從而使整個系統(tǒng)不易受到致命傷害。2 生態(tài)學(xué)有關(guān)概念與原理 然而生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性(stability)至少包含兩方面的涵義(其他有持久性persistence等):抵抗力(resistance)系統(tǒng)抵御外界干擾使自身不致受到傷害的緩沖能力, 抵抗力越強(qiáng)則系統(tǒng)越不容易出現(xiàn)傷害或崩潰現(xiàn)象。恢復(fù)力(resilience)當(dāng)系統(tǒng)遭到外界干擾致使系統(tǒng)受損后迅速修復(fù)還原自己的能力, 恢復(fù)力越強(qiáng)則系統(tǒng)恢復(fù)(restoration)到正常的時間越短。 兩者難以兼得

14、, 恢復(fù)力強(qiáng)則抵抗力弱, 反之亦然(見下二頁圖)。生態(tài)系統(tǒng)總穩(wěn)定性(抵抗力與恢復(fù)力)關(guān)系示意圖生態(tài)系統(tǒng)功能時 間干擾抵抗力的量度：當(dāng)一次干擾的強(qiáng)度和作用時間一定時，此區(qū)域的面積越大(軌跡偏離正常范圍越晚和幅度越小)，生態(tài)系統(tǒng)的抵抗力越強(qiáng)功能軌跡曲線正常作用范圍生態(tài)系統(tǒng)總穩(wěn)定性(抵抗力與恢復(fù)力)關(guān)系示意圖生態(tài)系統(tǒng)功能時 間干擾恢復(fù)力的量度：當(dāng)一次干擾的強(qiáng)度和作用時間一定時，此區(qū)域的面積越大(軌跡回復(fù)到正常范圍越早)，生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力越強(qiáng)功能軌跡曲線正常作用范圍2 生態(tài)學(xué)有關(guān)概念與原理生態(tài)平衡失調(diào)與生態(tài)危機(jī) 現(xiàn)實(shí)中生態(tài)系統(tǒng)常受到外界的干擾, 但干擾造成的損壞一般都可通過負(fù)反饋機(jī)制的自我調(diào)節(jié)作用使系

15、統(tǒng)得到修復(fù), 維持其穩(wěn)定與平衡。不過生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力是有一定限度的。當(dāng)外界干擾壓力很大, 使系統(tǒng)的變化超出其自我調(diào)節(jié)能力限度即生態(tài)閾限(ecological threshold)時, 系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力隨之喪失。此時, 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)遭到破壞, 功能受阻, 整個系統(tǒng)受到嚴(yán)重傷害乃至崩潰, 此即生態(tài)平衡失調(diào)。2 生態(tài)學(xué)有關(guān)概念與原理 嚴(yán)重的生態(tài)平衡失調(diào), 從而威脅到人類的生存時, 稱為生態(tài)危機(jī)(ecological crisis)由于人類盲目的生產(chǎn)和生活活動而導(dǎo)致的局部甚至整個生物圈結(jié)構(gòu)和功能的失調(diào)。 生態(tài)平衡失調(diào)起初往往不易被人們覺察, 如果一旦出現(xiàn)生態(tài)危機(jī)就很難在短期內(nèi)恢復(fù)平衡。因此, 人類應(yīng)該

16、正確處理人與自然的關(guān)系, 在發(fā)展生產(chǎn), 提高生活水平的同時, 注意保持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定與平衡, 實(shí)現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展(sustainable development)。2 生態(tài)學(xué)有關(guān)概念與原理2.2 生態(tài)學(xué)的一般規(guī)律 這里僅著重對生態(tài)學(xué)的一般規(guī)律進(jìn)行簡要概括。生態(tài)學(xué)所提示或遵循的下述一般規(guī)律, 對搞好城市生態(tài)環(huán)境保護(hù), 發(fā)展工業(yè)生產(chǎn), 保障居民生活等均有指導(dǎo)意義。相互依存與相互制約規(guī)律 反映生物間及生物與環(huán)境間的協(xié)調(diào)關(guān)系, 主要是普遍的依存與制約關(guān)系, 亦稱“物物相關(guān)” 和“相生相克”規(guī)律2 生態(tài)學(xué)有關(guān)概念與原理 生態(tài)系統(tǒng)中的(同種或異種)生物間, 不同生態(tài)系統(tǒng)間, 甚至生態(tài)系統(tǒng)中

17、的生物與環(huán)境之間, 均存在相互依存和相互制約的關(guān)系, 亦可以說彼此影響。這種影響有些是直接的, 有些是間接的, 有些是立即表現(xiàn)出來的, 有些需滯后一段時間才顯現(xiàn)出來。一言以蔽之, 生物之間和生態(tài)系統(tǒng)間的相互依存與制約關(guān)系, 是普遍存在的。2 生態(tài)學(xué)有關(guān)概念與原理 因此, 在城市建設(shè)和城市居民生活中, 特別是在需要排放污染、傾倒廢物、噴灑藥品、采伐、開山、筑路、修建大型給水工程及其它建設(shè)項目時, 務(wù)必注意調(diào)查研究, 摸清自然界諸事物之間的相互關(guān)系, 對與某生產(chǎn)活動有關(guān)的其它事物也加以通盤的考慮, 包括考慮此種活動可能會產(chǎn)生的影響(短期的和長期的、明顯的和潛在的), 從而做到統(tǒng)籌兼顧, 全面安排。

18、2 生態(tài)學(xué)有關(guān)概念與原理物質(zhì)循環(huán)與再生規(guī)律 生態(tài)系統(tǒng)中, 生物借助能量的不停流動, 一方面不斷地從自然界攝取物質(zhì)并合成新的物質(zhì), 另一方面又隨時分解為原來的簡單物質(zhì), 即所謂“再生”, 重新被系統(tǒng)中的生產(chǎn)者植物所吸收利用, 進(jìn)行著不停頓的物質(zhì)循環(huán)。因此要嚴(yán)格防止有毒物質(zhì)進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng), 以免有毒物質(zhì)經(jīng)過生物放大作用和多次循環(huán)后富集到危及人類的程度。2 生態(tài)學(xué)有關(guān)概念與原理 至于流經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)中的能量, 通常只能通過系統(tǒng)一次, 當(dāng)能量經(jīng)食物鏈轉(zhuǎn)移時, 每經(jīng)過一個營養(yǎng)級, 就有大部分能量轉(zhuǎn)化為熱散失掉, 無法加以回收利用。因此, 為了充分利用能量, 必須設(shè)計出能量利用率高的系統(tǒng)。如城市垃圾的處理, 從最初的填埋法到后來的焚化法再進(jìn)一步到堆肥制取沼氣法, 便體現(xiàn)了人類逐步掌握生態(tài)學(xué)的循環(huán)與再生規(guī)律, 并應(yīng)用于實(shí)踐的過程。特別是后者, 既能較徹底地消除污染, 又能充分回收垃圾中含有的物質(zhì)養(yǎng)分(有機(jī)肥料)和有用能量(沼氣), 是較有前途的城市垃圾處理方法。2 生態(tài)學(xué)有關(guān)概念與原理物質(zhì)輸入輸出的動態(tài)平衡規(guī)律 物質(zhì)輸入輸出的平衡規(guī)律, 又稱協(xié)調(diào)穩(wěn)定規(guī)律, 涉及到生態(tài)系統(tǒng)中生物與環(huán)境兩個方面。生態(tài)系統(tǒng)中生物與環(huán)境之間的輸入與輸出, 是相互對立的關(guān)系, 當(dāng)生物體進(jìn)行輸入時, 環(huán)境必然進(jìn)行輸出, 反