摘要: 隨著城市化快速發(fā)展，城市生態(tài)學進入了空前繁榮時期，一些新理念和新范式引起了廣泛關注。從生態(tài)系統(tǒng)角度，分析了城市生態(tài)系統(tǒng)組分、結構、過程、功能和服務的特點，提出了城市生態(tài)系統(tǒng)研究的黑箱范式和結構-過程-功能-服務級聯(lián)范式。重點分析了人與自然在城市生態(tài)系統(tǒng)的組分、結構、過程、功能和服務等方面上的不同角色，探討了人與自然在城市生態(tài)系統(tǒng)組分上鑲嵌、結構上融合、過程上耦合、功能上互補和服務上協(xié)同的相互作用機制，提出了城市生態(tài)系統(tǒng)研究的人與自然共同進化范式，即人類和自然相互作用和適應，推動了城市發(fā)展。這將為深入認識和研究城市生態(tài)系統(tǒng)提供重要理論支撐。

WANG Xiaoke1,2,3 , SU Yuebo1,3 , REN Yufen1,2 , ZHANG Hongxing1,2 , SUN Xu1,2 , OUYANG Zhiyun1,2,3     

Abstract: With the rapid development of urbanization, urban ecology has entered an unprecedented period of prosperity, and some new concepts and paradigms have drawn wide attention. We analyzed the characteristics of component, structure, processes, functions, and services from the perspective of ecosystem and proposed the "black box" paradigm and "structure-process-function-service cascade" paradigm for urban ecosystem research. We also explored different roles of human and nature in the component, structure, process, function and services of urban ecosystem, discussed the interactive mechanisms between human and nature by mosaic component, fused structure, coupled process, complementary function, and synergized service within urban ecosystem. It is proposed the paradigm of co-evolution of human and nature for urban ecosystem research. It will provide important theoretical support for the in-depth understanding and research of urban ecosystem.

世界上已經有超過一半的人口居住在城市中。人類也從農民社會進入了市民社會。2018年底我國人口城市化率達59.6%, 城市數量達672個。在發(fā)達國家, 如美國、加拿大和澳大利亞等, 城市人口數量已經超過總人口的85%[1]。城市集中了全球80%以上的人類社會經濟活動[2]。由于城市能夠為人類提供良好的就業(yè)、教育、醫(yī)療等機會, 吸引越來越多人口不斷向城市聚集, 城市的數量和規(guī)模都在不斷擴大。城市一方面是人類思想、商業(yè)、文化、科學、生產和社會活動的聚集地, 為人類提供了更多的發(fā)展機會和空間, 成為了社會經濟發(fā)展的主要引擎；另一方面, 城市人口的高度聚集和生產生活的極度活躍, 遠遠超出自身的資源供養(yǎng)和廢物消納能力, 造成了資源過度消耗和環(huán)境嚴重惡化, 導致城市居民生活質量出現下降, 擁擠、污染、犯罪等問題嚴重影響了城市的可持續(xù)發(fā)展。因此, 聯(lián)合國將建設包容、安全、彈性和可持續(xù)的城市作為17個人類可持續(xù)發(fā)展目標之一[3]。

城市是一類高強度人類影響的地方或區(qū)域, 以人工建造環(huán)境為主, 支撐了超過一定數量的人口(如不少于1000人[1])。在城市土地上, 人類為了提高生活質量和生產效率, 既對原有的自然生境進行了改造, 如人工管理的草坪和花園, 也構建或形成了一系列的新的生境, 如房屋、道路、公園等。這些生境可以統(tǒng)稱為城市生境。這些城市生境不但對促進社會經濟發(fā)展和提高生產生活水平具有很大的作用, 而且對城市中的各種生物(如動物、植物及微生物)具有多方面的影響, 其影響將最終影響到整個城市生態(tài)系統(tǒng), 進而影響到城市居民的生活質量和生產效率。

城市生態(tài)學作為一門研究城市區(qū)域中的生物與環(huán)境間相互關系的學科, 最初主要研究城市生境中的生物變化[4-5], 即城市中的生態(tài)學(Ecology in city)。隨著生態(tài)學家對城市生態(tài)環(huán)境問題的不斷關注, 將生態(tài)系統(tǒng)研究理念和方法應用到城市生態(tài)學的研究中[6], 形成城市的生態(tài)學(Ecology of city), 提出城市生態(tài)系統(tǒng)這一核心概念。近年來, 全球城市人口快速發(fā)展和城市環(huán)境問題的日益突出, 城市可持續(xù)發(fā)展越來越需要城市生態(tài)學的理論和方法指導, 就出現了面向城市的生態(tài)學, 強調城市生態(tài)學研究應該更多關心城市規(guī)劃和管理的社會需求[7]。

隨著城市在人類生存和發(fā)展中的地位不斷提升, 城市生態(tài)學進入了空前的快速發(fā)展階段。來自生態(tài)學、環(huán)境科學、社會學、園林學和城市規(guī)劃學等專業(yè)的科學家紛紛加入到城市生態(tài)學的研究隊伍, 極大地推動了城市生態(tài)學的發(fā)展。對于城市這樣一個由自然環(huán)境、生物和人類構成的復雜生態(tài)系統(tǒng), 可以采用多種思路和方法開展研究。特別是構建具有一定適應性的統(tǒng)一科學研究范式(Paradigm), 將有利于促進不同研究工作的交流和研究成果的比較。從科學研究角度, 范式就是一種公認的模型或模式[8], 是一種對本體論、認識論和方法論的基本承諾, 是科學家群體所共同接受的一組假說、理論、準則和方法的總和。在傳統(tǒng)生態(tài)學研究中, 已經形成了許多研究范式, 如組織層級水平、生態(tài)系統(tǒng)結構、群落演替、頂級群落、食物鏈等。這些范式對于指導生態(tài)學家開展生物與環(huán)境關系研究發(fā)揮了很大作用。城市生態(tài)學的研究, 同樣需要一些研究范式來規(guī)范和指導。本文將在分析國內外城市生態(tài)學研究現狀的基礎上, 基于生態(tài)學及相關學科的研究范式, 從生態(tài)系統(tǒng)角度, 擬系統(tǒng)總結一些重要的城市生態(tài)學研究范式, 為科學地認識、表征、模擬、診斷和預測城市生態(tài)系統(tǒng)及其變化提供方法學基礎。

1 城市是生態(tài)系統(tǒng)

生態(tài)系統(tǒng)是一個由生物群落與其周圍組分構成的系統(tǒng)[9]。事實上, 由于任何生物生存都離不開環(huán)境, 都會和周圍環(huán)境構成一個生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)概念的提出, 讓我們認識到研究生物, 應該將生物與其周圍環(huán)境作為一個整體考慮[10]。當生物和環(huán)境構成一個系統(tǒng)時, 就會表現出新的屬性和功能。城市作為一個地域單元, 盡管具有高度人工化的結構, 但也離不開其他生物的支持, 或逃脫不了其他生物的侵染, 內部包含各種生物, 這些生物會與其環(huán)境構成一個完整的生態(tài)系統(tǒng)。將城市作為一個生態(tài)系統(tǒng)進行研究, 即城市的生態(tài)學。城市生態(tài)系統(tǒng)可以定義為：城市區(qū)域內所有生物(包括人類)與環(huán)境構成的系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的森林或草地生態(tài)系統(tǒng)相比較, 城市生態(tài)系統(tǒng)具有人類影響主導、結構復雜、空間異質性高、生物種類和群落種類多樣、社會經濟驅動強烈等特點。

城市生態(tài)系統(tǒng)首先被認為是一個高度復雜的社會—經濟—自然復合生態(tài)系統(tǒng), 由社會子系統(tǒng)、經濟子系統(tǒng)和自然子系統(tǒng)復合而成[6, 11]。從驅動力上, 城市生態(tài)系統(tǒng)不但受到自然因素的影響和控制, 而且受到社會經濟因素的影響和控制, 人類對城市結構和布局的規(guī)劃決定了城市生態(tài)系統(tǒng)的基本空間格局。從動態(tài)變化上, 在人類高強度的能流物流驅動下, 城市生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能變化速度很快。

城市作為一個客觀存在的地域單元, 具有密集的人口及人類活動, 有大量的人類構筑物, 與周邊農村地區(qū)或自然區(qū)域存在多方面的差異。這種差異形成了城市生態(tài)系統(tǒng)的邊界。盡管水、土、氣、生因子構成了城市生態(tài)系統(tǒng)的主要組分, 但由于高強度的人類活動, 城市的水土氣生性質和功能已經發(fā)生了很大變化。傳統(tǒng)的水土氣生研究理論需要擴展, 例如, 城市生態(tài)系統(tǒng)研究需要新的水土氣生分類體系(例如城市土壤分類、城市植被分類)和新的水土氣生過程規(guī)律(如城市水文學)描述方法。這也為相關的水土氣生研究學科提供了新的學科生長點。

生態(tài)系統(tǒng)概念提出70多年來, 不但推動了生態(tài)學發(fā)展, 而且極大的推動了生態(tài)學的應用。生態(tài)系統(tǒng)理論和方法在指導自然資源管理、生物多樣性保護、生態(tài)環(huán)境保護、全球變化應對等政策措施制定方面, 發(fā)揮了很大作用。將城市作為一種生態(tài)系統(tǒng)來研究, 不但能夠提高人類對城市中生物與環(huán)境關系(城市生態(tài)學)的認識, 而且能夠為應對城市生態(tài)環(huán)境問題(如熱島效應、洪澇災害和人居環(huán)境質量下降等)提供各種解決方案。將城市作為一個生態(tài)系統(tǒng)研究, 還與城市內部空間和組分的不可分性有關。人類為了生產和生活需要, 在城市建設過程中, 會將城市內部劃分成不同的功能單元布置不同的活動, 共同構成了一個整體城市。任何一個單元都只是城市這個生態(tài)系統(tǒng)的一部分。這不同于傳統(tǒng)的自然生態(tài)系統(tǒng), 在森林或草原中, 我們可以選擇一個典型片段進行研究, 探討整個森林或草原生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能。但城市內部任何一個功能單元(或片段)都只是整個城市生態(tài)系統(tǒng)的一個部分, 并不能代表整個城市生態(tài)系統(tǒng)。城市生態(tài)系統(tǒng)內部各部分聯(lián)系緊密, 很難分離, 相互作用共同構成一個整體, 為城市的人們生存和發(fā)展提供必要的生活環(huán)境、生產條件和發(fā)展空間。因此, 城市生態(tài)系統(tǒng)研究, 需要考慮城市內部各種功能單元。

1.1 黑箱范式

在系統(tǒng)科學研究中, 經常將結構復雜的系統(tǒng)作為一個黑箱, 通過分析輸入與輸出間的響應關系, 就可以知道如何管理控制一個系統(tǒng), 使其產生人類所需要的功能。城市生態(tài)系統(tǒng), 需要消費大量的能源和材料[12], 需要有大量能量和物質的輸入和輸出。如果將城市生態(tài)系統(tǒng)作為一個黑箱看待, 不考慮其內部的復雜結構, 只需要研究其能量物質的輸入輸出特征, 就可以直接評價城市的資源需求、環(huán)境影響和生態(tài)效率。

在1965年, Wolman[13]就提出了城市代謝概念, 即通過定量城市的輸入(如水、原料和燃料)和輸出(如排泄物、固體廢物和空氣污染物)物質及其轉化和流動, 就可以分析評價城市和社區(qū)特征。通過分析城市, 與能量資源消費、生產增長和廢棄物排放緊密相關的技術和社會經濟過程[14], 研究城市的能量、水、養(yǎng)分、產品和廢棄物輸入、輸出和貯存, 探討物資和能量消費與社會經濟驅動力的關系[15-16]。并采用合適的工具和指標, 建立起城市代謝模型, 以探索城市資源利用效率和生產力提高的優(yōu)化途徑, 辨識城市可持續(xù)發(fā)展的關鍵過程和改進機會。

為了評價城市對土地利用、水資源和氣候的影響, 有時會采取更簡單的城市生態(tài)系統(tǒng)輸入輸出量評價指標。如生態(tài)足跡指標(人類消費和廢物處理需要的土地面積[17])被較早應用到城市對環(huán)境影響評價中。該指標又演化成水足跡、食物足跡、廢棄物足跡、碳足跡, 都已經被應用到城市生態(tài)影響的評價中[18-20]。

黑箱范式雖然不能反映城市生態(tài)系統(tǒng)能量流動和物質循環(huán)過程的詳細特征, 但對城市管理來說, 該范式簡單直接, 而且其結果容易理解和應用。

1.2 結構-過程-功能-服務級聯(lián)范式

生態(tài)系統(tǒng)的研究, 首先是從研究生態(tài)系統(tǒng)中的生物與環(huán)境的結構關系[9]開始, 逐漸發(fā)展到研究生態(tài)系統(tǒng)中的物質能量流動過程和功能(營養(yǎng)級[21]、有機質分解[22]、生產力[23]), 然后到研究生態(tài)系統(tǒng)服務[24]。要完整理解一個生態(tài)系統(tǒng), 就需要從生態(tài)系統(tǒng)結構-過程-功能-服務全方面開展研究[25-26], 這就構成了生態(tài)系統(tǒng)的一種研究范式, 即生態(tài)系統(tǒng)結構-過程-功能-服務之間具有逐級關聯(lián)關系, 即生態(tài)系統(tǒng)級聯(lián)范式。

城市作為一個生態(tài)系統(tǒng), 需要開展從城市生態(tài)系統(tǒng)結構到生態(tài)系統(tǒng)服務的全面研究[27], 即采用生態(tài)系統(tǒng)結構-過程-功能-服務的生態(tài)系統(tǒng)級聯(lián)范式來描述分析(圖 1)。城市生態(tài)系統(tǒng)結構、過程、功能和服務的主要特征：

圖 1 城市生態(tài)系統(tǒng)結構-過程-功能-服務級聯(lián)框架Fig. 1 Urban ecosystem structure-process-function-service cascade framework

(1) 結構特征：生產者-消費者-還原者構成了生態(tài)系統(tǒng)能量傳輸和物質循環(huán)的完整過程。在城市生態(tài)系統(tǒng)中, 人類占據了主導地位。人類作為城市的主要消費者, 需要大量的生產者提供食物和能源, 包括外來生產者提供食物和能源。需要高效的還原者分解廢棄物, 包括建設污水處理廠和垃圾焚燒爐。

(2) 過程特征：生態(tài)系統(tǒng)功能維持需要連續(xù)不斷的能量流、物質流和信息流。城市中各種人工建造和調控措施決定了能源和物質的輸送轉化過程, 改變了自然界生物地球化學循環(huán)過程和物質生產過程[28]。在城市生態(tài)系統(tǒng)中, 參與能量流和物質流的物質形態(tài)多種多樣。除太陽能外, 化石能源和其他外來能源是主要能源；建筑材料、生活用品和食品是主要物質輸送形態(tài)(可以稱為物資流)。為了維持城市生產生活, 城市中建設了多種人工運輸設施(如道路、管道和輸電線路等)和工具(如機動車等), 用于物質和能量的輸送, 極大地增強了能量流和物質流的通量。城市生態(tài)系統(tǒng)的能量和物質流動的方式和方向主要是由社會經濟目的決定的。城市生態(tài)系統(tǒng)具有高度的對外依賴性, 需要大量外部的物質能量輸入才能夠維持。信息流已經在城市生態(tài)系統(tǒng)中變得越來越發(fā)達和重要, 人類通過生產、收集、傳輸和解譯各種信息, 能夠提高能量流和物質流的效率, 增強城市生態(tài)系統(tǒng)功能和服務。

(3) 功能特征：生態(tài)系統(tǒng)的基本功能主要有生產力與生物量、養(yǎng)分循環(huán)與營養(yǎng)庫、水源和生境。在城市生態(tài)系統(tǒng)中, 由于植被等自然地表的減少, 會造成生產力與生物量、養(yǎng)分循環(huán)與營養(yǎng)庫、水源和自然生境的減少。但城市高密度的人口和高效率的經濟社會活動, 不但能夠保證人類的能量和營養(yǎng)需求, 而且能夠為城市提供優(yōu)質的生活質量等功能, 部分彌補了城市生態(tài)系統(tǒng)中自然功能的不足。

(4) 服務特征：對人類來說, 生態(tài)系統(tǒng)能夠提供產品、調節(jié)和文化等多種服務。由于城市植被減少和城市社會經濟功能需要, 城市生態(tài)系統(tǒng)提供的服務種類和數量都發(fā)生了變化, 提供的產品以加工過的食物和各種生活用品為主, 提供調節(jié)功能的方式以各種人工環(huán)境調節(jié)和凈化設施(如空調、污水和垃圾處理等)為主, 提供文化服務的種類更加多樣和強大, 包括各種學校、醫(yī)院和政府等。城市居民最關心的生態(tài)系統(tǒng)服務是降溫、洪澇災害減輕和人體健康保障等[28-29]。

生態(tài)系統(tǒng)的結構、過程、功能和服務不是相互孤立存在的, 而是關聯(lián)的。系統(tǒng)的結構決定過程、過程決定功能、功能決定其影響(服務), 具有逐級關聯(lián)關系和先后依賴關系, 即級聯(lián)效應(Cascade effect)。系統(tǒng)結構的變化可以通過這種級聯(lián)效應傳遞到服務的變化。近些年來, 在生態(tài)系統(tǒng)評價中, 生態(tài)系統(tǒng)的結構、過程、功能和服務間的級聯(lián)效應已經得到廣泛應用[26]。對于城市生態(tài)系統(tǒng), 這種級聯(lián)效應也存在。由于城市生態(tài)系統(tǒng)的復雜性, 這種級聯(lián)效應不是簡單線性或唯一函數關系。但無論如何, 理解這種級聯(lián)效應對研究城市生態(tài)系統(tǒng)的結構和過程調控以及功能和服務提升具有重要科學價值。特別是在城市生態(tài)系統(tǒng)中, 級聯(lián)效應貫穿著強大的人為調控作用, 包括人類可以為了獲得需要的服務而改變生態(tài)系統(tǒng)結構和過程, 通過各種政策和措施將這種單向的級聯(lián)關系改變成具有回路的循環(huán)反饋的網絡關系。級聯(lián)效應能夠很好的反映城市生態(tài)系統(tǒng)服務的形成機制, 解釋城市生態(tài)系統(tǒng)內在聯(lián)系和指導城市規(guī)劃管理者制定生態(tài)系統(tǒng)服務提升措施和對策, 但相應的實例研究目前還很少[30]。

2 城市是人與自然復合的生態(tài)系統(tǒng)

人口地域上的聚集形成了城市。城市與一般居民點或村落的區(qū)別主要體現在：城市人口需要城市以外區(qū)域提供食物、水資源和其他生活物資來支撐, 而且城市生活消費排放的廢棄物量已經超過了城市生態(tài)系統(tǒng)自身代謝還原能力, 需要輸出到城市以外區(qū)域或采用人工設施(如污水處理場和垃圾焚燒廠)來消化, 才能保證城市環(huán)境不被破壞。盡管城市離不開自身的自然環(huán)境條件, 但從城市生態(tài)系統(tǒng)的要素、結構、過程、功能到服務, 城市處處表現出以人為主導的復合生態(tài)系統(tǒng)特點。

人與自然關系一直是生態(tài)學研究的熱點之一。人類為了滿足自身發(fā)展和完善的需要, 對自然進行不斷的改造和開發(fā)利用, 但人類是自然界的產物, 不可能離開自然而生存。沒有自然界提供優(yōu)質水源、清潔空氣和足夠食物, 人類就不可能生存。并且, 自然的資源提供能力和循環(huán)再生能力都是有限的, 即人類生存的資源環(huán)境承載力是有限的。過分開發(fā)和利用自然是不可能持續(xù)的, 甚至會造成人類的災難。從局部地區(qū)人類活動引起的滑坡、泥石流和洪澇, 到全球范圍內人類活動引起的氣候變化, 許多案例都反映了人類活動可以造成威脅人類生存和發(fā)展的災難性后果。幸運的是, 人類社會發(fā)展和技術進步, 有可能通過提高資源利用效率和環(huán)境凈化能力, 減少人類活動對自然環(huán)境影響和破壞, 從而減少自然災害和提高人類生活質量。因此, 人類社會實現可持續(xù)發(fā)展的根本就是要解決好人與自然共存并和諧相處。

城市形成和發(fā)展過程中, 盡管人類起到了主導作用, 但人與自然在城市生態(tài)系統(tǒng)中都具有重要作用, 缺一不可。人與自然的相互作用決定了城市生態(tài)系統(tǒng)的結構、過程和功能特征。

2.1 城市生態(tài)系統(tǒng)中人與自然的作用

城市是人類社會經濟發(fā)展的產物, 人類在整個城市生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著主導作用。但自然作為城市形成和發(fā)展的物質基礎, 其作用不可忽視。現在城市面臨的許多生態(tài)環(huán)境問題都與忽視自然的作用有關。如城市熱島效應和洪澇災害都與自然植被大量減少有關。在城市生態(tài)系統(tǒng)中, 人和自然都是重要的組分, 都在發(fā)揮著重要作用, 共同維持和調控各種生態(tài)過程和功能, 為城市生活的人們提供各種服務。充分認識人和自然在城市生態(tài)系統(tǒng)中的作用, 對理解城市生態(tài)系統(tǒng)特征和開展城市規(guī)劃與管理具有重要意義。

在以前研究中, 城市生態(tài)系統(tǒng)被分為自然、社會和經濟三個子系統(tǒng)[6], 并且認為三個子系統(tǒng)相互作用和關聯(lián)。但對于三個子系統(tǒng)各自的作用及其相互間如何關聯(lián), 研究還比較少。為了將問題簡單化, 這里將社會和經濟子系統(tǒng)都歸并成人類及其活動。這樣就可以將城市生態(tài)系統(tǒng)的組分分成人和自然兩大類, 然后分析自然和人類在生態(tài)系統(tǒng)組分、結構、過程、功能和服務等方面的各自作用(表 1)。可以總結如下：

表 1 人與自然在城市生態(tài)系統(tǒng)的基本組分、結構、過程、功能和服務的作用Table 1 The roles of human and nature in the basic components, structure, process, function and service of urban ecosystem

項目
Items自然
Nature人類
Human相互作用機制
Interaction mechanism 組分Component空氣、水體、土壤、生物道路、建筑物、管道、輸電線路鑲嵌 結構Structure生產者植物有機物生產能源生產、食物生產、工業(yè)生產、文化、服務業(yè)、基礎設施建設融合 消費者食草動物和食肉動物飲食、取暖和制冷、交通、娛樂 還原者微生物分解垃圾焚燒、廢氣凈化、污水處理 過程Process空氣流動、河水流動、土壤形成、生物生長、食物鏈運輸、通信耦合 功能Function空氣質量、水資源、水體質量、生產力、能量流動、養(yǎng)分循環(huán)產品生產、環(huán)境凈化、教育衛(wèi)生互補 服務Service產品、調節(jié)、文化產品、調節(jié)、文化協(xié)同

(1) 城市生態(tài)系統(tǒng)組分中, 除水、土、氣、生等自然因子外, 還有一些人工組分, 如人工構筑物(如道路、管道、房屋和廣場等)。

(2) 城市生態(tài)系統(tǒng)結構中的生產者、消費者和還原者, 既包括自然界的光合作用產生有機物的植物(生產者)、采食植物和捕食其他動物的動物(消費者), 以及分解植物和動物殘體的微生物(還原者), 還包括人類社會的食品加工及能源和其他原材料生產的生產者, 飲食交通娛樂等的消費者, 以及各種廢棄物處理的還原者。人類可以同時承擔生產者、消費者和還原者的角色。

(3) 城市生態(tài)系統(tǒng)過程, 自然界主要依靠風場、河流、土壤發(fā)育和生物生長以及食物鏈進行能量和物質的流動, 人類通過各種交通運輸和通信, 進行能量、物質、物資和信息的傳遞。

(4) 城市生態(tài)系統(tǒng)功能, 自然界包括維持空氣和水體質量、提供水資源和生產力、維持各種能量流動與養(yǎng)分循環(huán)等, 人類活動包括供應日常用品、維持環(huán)境、提供各種基礎設施, 以滿足人類生活生產和文化需求。

(5) 城市生態(tài)系統(tǒng)服務, 自然和人類都能夠提供, 包括提供產品、調節(jié)、文化等服務。對于城市特別關心的固碳、溫室氣體減排、熱島效應緩解、暴雨徑流減緩、水質改善、空氣質量改善、人體健康等服務[28, 31], 人和自然既可以分別完成, 也可以共同協(xié)作實現。

2.2 城市生態(tài)系統(tǒng)人與自然的相互作用機制

人類是城市生態(tài)系統(tǒng)的主角, 人類主導的社會經濟活動對城市形成和發(fā)展具有決定性作用。但自然界在提供城市生產生活條件方面也具有重要作用和優(yōu)勢, 因此在城市生態(tài)系統(tǒng)中, 自然和人類會承擔不同角色, 共同發(fā)揮作用, 表現在生態(tài)系統(tǒng)組分上鑲嵌、結構上融合、過程上耦合、功能上互補和服務上協(xié)同(表 1), 以保障城市生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展。

(1) 組分上鑲嵌：城市生態(tài)系統(tǒng)組成元素可以分為人工構筑物和自然要素。前者包括人工建造的各種建筑物(房屋、道路、廣場等), 基本上是自然界不存在或很少有的。后者是自然形成的各種植被、湖泊和巖石等。在城市空間上, 兩類元素常常鑲嵌分布。這種組分鑲嵌特征, 將會直接影響城市生態(tài)系統(tǒng)的結構、過程、功能和服務。

(2) 結構上融合：生態(tài)系統(tǒng)從結構上是由生產者、消費者和分解者組成, 三者構成了生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈, 維持了生態(tài)系統(tǒng)能量流動和物質循環(huán)過程的正常工作。為了滿足人類物質和精神生活的高度需求, 城市生態(tài)系統(tǒng)中的能量和物質流動的通量很大, 自然界的生產者、消費者和分解者的能力已經不能滿足需求, 而必須依靠人工建立的基礎設施(如化石能源生產消費、廢棄物處理等), 融合各種自然要素, 共同來完成城市生態(tài)系統(tǒng)的有機物生產、消費和分解活動, 以保證城市生態(tài)系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮和城市效率的提高。

(3) 過程上耦合：城市生態(tài)系統(tǒng)既包括依靠自然力驅動的自然過程, 也需要依靠社會經濟力驅動的人類過程。這兩種過程并不僅僅單獨運動, 而且常常相互耦合在一起, 共同完成城市生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質循環(huán)。城市除自然的能量流動和物質循環(huán)外, 大量能量和物質需要人類外部輸入和內部轉運, 被利用后會排入人工廢棄物處理系統(tǒng)(如垃圾焚燒廠和污水處理場等), 最后回歸自然, 融入自然界參與自然物質循環(huán)。只有將人類社會物質代謝過程和自然物質循環(huán)相耦合, 才能科學的根治各種城市生態(tài)環(huán)境問題。

(4) 功能上互補：城市生態(tài)系統(tǒng)中, 自然界具有的生產功能和養(yǎng)分循環(huán)功能, 往往只能滿足城市社會經濟的部分需要, 更多的需要由人工設施的功能來滿足。如城市的食物和能源供給功能、居住功能、教育衛(wèi)生功能等, 除少量依靠自然環(huán)境外, 主要是依靠人類從外地輸入或自行修建, 補充自然生態(tài)系統(tǒng)功能上的不足, 共同滿足城市人類生產生活的功能需求。

(5) 服務上協(xié)同：城市需要足夠的食物、飲用水和能源、良好的空氣和水體環(huán)境以及充足的文化生活等服務。由于物理化學和生物學性質不同, 自然界和人工設施在提供不同服務時的成本和效率不一樣, 因此, 應該優(yōu)化配置自然和人類要素, 利用自然和人類提供的生態(tài)系統(tǒng)服務的互補和協(xié)同關系, 減少城市面臨的生態(tài)環(huán)境問題。

在城市生態(tài)系統(tǒng)中, 人與自然的關系既可以是競爭的, 也可以是互補的。一塊土地要么開發(fā)為人工設施, 要么保留自然景觀, 人與自然相互競爭。特別是在城市處于快速發(fā)展時期, 城市土地的社會經濟價值不斷提升, 造成人工建筑用地擴大, 自然用地減少, 結果造成了生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務的下降以及人居環(huán)境質量的惡化。人類對城市生產生活的需求是多方面的, 一部分是自然能夠提供的, 而一些需要人類自己解決。如城市的廢棄物分解, 盡管自然界具有一定的環(huán)境凈化能力, 但面對城市巨量的廢棄物, 遠遠超過了自然界的凈化能力, 需要人工建立垃圾焚燒、污水處理等設施來降解廢棄物。在城市規(guī)劃和建設中, 應該努力減少城市生態(tài)系統(tǒng)中人與自然間存在的競爭關系, 充分發(fā)揮人與自然間的互補與協(xié)同關系, 才能保證人與自然和諧相處, 促進城市可持續(xù)發(fā)展。

2.3 人與自然共存進化范式

隨著人類活動范圍和影響的不斷擴大, 生態(tài)學正在從探討純自然的生態(tài)系統(tǒng)(原始森林和草原)發(fā)展到研究受人類影響的生態(tài)系統(tǒng), 如農田、城市生態(tài)系統(tǒng)等。在全球范圍內, 目前幾乎不存在嚴格意義的不受人類活動影響的生態(tài)系統(tǒng)。即使南極北極和高寒山地, 也受到氣候變化和遠程傳輸過來污染物的影響。因此, 越來越多的生態(tài)學家將人類活動納入到生態(tài)系統(tǒng)研究中, 探討生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)及其受人類活動的影響, 探尋人類與自然和諧相處的可持續(xù)發(fā)展途徑。

我國古代就有人地合一的觀念。30年前, 馬世駿和王如松[32]提出了社會-經濟-自然復合生態(tài)系統(tǒng)理論, 指出生態(tài)系統(tǒng)是由自然、經濟、社會三個子系統(tǒng)構成的, 具有整體、協(xié)調、循環(huán)、共生的特性。劉建國等[33]提出了人與自然耦合系統(tǒng)概念, 指出了人和自然在空間、時間和組織單元上耦合, 該耦合系統(tǒng)具有閾值、交互反饋、時滯、彈性、異質性和意外性等特點。著名經濟學家Ostrom[34]提出了社會-生態(tài)系統(tǒng)概念, 認為資源的使用者從來不會有效地保護資源, 除非政府強制要求。越來越多的實踐證明, 只有同時考慮人類和自然兩方面及其相互作用, 人類才能理解社會發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)動態(tài), 才能走上社會經濟可持續(xù)發(fā)展道路。越來越多的人認為, 人類是生態(tài)系統(tǒng)的組成部分, 生態(tài)系統(tǒng)中的人類和自然環(huán)境組分深深的交織在一起, 相互影響[35]。

城市作為人類社會發(fā)展的產物, 城市學家早期主要關心城市的社會經濟性質和問題[36]。隨著城市人口進一步聚集和各種生態(tài)環(huán)境問題的集中爆發(fā), 生態(tài)學家重新關注城市中自然組分的重要性。早在1980年代, 我國開始城市生態(tài)系統(tǒng)研究時, 馬世駿和王如松[32]提出“城市是一類以人類的技術和社會行為為主導, 生態(tài)過程為紐帶, 人與自然環(huán)境相互作用形成的社會-經濟-自然復合生態(tài)系統(tǒng)”, 就強調城市是一類以人的行為為主導、自然環(huán)境為依托、資源流動為命脈、社會體制為經絡的人工生態(tài)系統(tǒng)[6]。自2000年以來, 國外城市生態(tài)系統(tǒng)研究的理論框架中, 也強調人與自然的相互關系。在美國鳳凰城研究中, Grimm和Redman[37]提出城市中人類活動和生態(tài)系統(tǒng)的耦合框架, 強調研究城市生態(tài)系統(tǒng)格局和過程動態(tài)及其受人類活動和環(huán)境變化的影響。Pickett等[38]提出城市是由社會系統(tǒng)和與生態(tài)系統(tǒng)結構-過程相關聯(lián)的資源系統(tǒng)構成的人類-自然耦合系統(tǒng)。Alberti等[39]更強調了人類和自然的結合, 生態(tài)系統(tǒng)驅動力、格局、過程和效應的研究應該包含人類社會和自然特征及其相互雜交(hybrid)?？傊? 這些研究都是從靜態(tài)角度分析人與自然關系的。我們知道, 城市作為一種社會發(fā)展現象, 是在不斷發(fā)展變化的, 具有一種動態(tài)變化過程。因此, 有必要從進化的角度來分析一下城市生態(tài)系統(tǒng)的人與自然相互關系。

人類社會的發(fā)展歷史, 就是一部人與自然共同進化的歷史。地球上生物的出現, 逐步改變了地球上的氣候、水文和土地覆蓋特性, 形成了各種新的生境條件, 促進了新的生物出現。地球上的自然環(huán)境與生物相互作用、共同進化。正如蓋亞假設指出的, 生物與環(huán)境的相互作用形成的協(xié)同、自我調節(jié)和復雜的系統(tǒng), 維持了地球上適合生命持續(xù)生存與發(fā)展的條件[40]。人類出現和壯大, 越來越深刻地改變地球面貌和過程, 形成了人類世[41-42]。在人類世, 人與自然的關系還在不斷變化。特別是隨著人類向城市聚集, 城市化進一步加劇了人類對地球的影響。城市建設, 人類利用各種先進技術對自然環(huán)境進行重新構造, 改變了城市區(qū)域的自然地理面貌和地球物理化學過程。隨著全球城市數量和規(guī)模的不斷擴大, 城市將成為我們所處的星球演化過程中的一種重要現象, 地球將會很快進入城市世(Urbanocene)。在城市世, 城市將成為主導人類和地球演化的核心, 人類和地球的未來命運都將與城市的發(fā)展密切相關。城市既是人類社會發(fā)展的產物, 也是地球演化的產物。任何城市都是由自然和人類兩種要素構成的。城市的維持和發(fā)展, 需要自然過程和人類社會過程共同支撐, 同時伴隨著人與自然的共同發(fā)展[43]?？梢哉f, 城市是一種人與自然共存進化的產物。人類發(fā)展, 推動了城市發(fā)展, 自然條件為城市發(fā)展提供了自然基礎。城市發(fā)展改變了人類, 也改變了自然, 改變了人與自然的關系。城市發(fā)展可以引起一系列生態(tài)環(huán)境問題, 如資源短缺、污染嚴重和生活質量下降, 但人類通過建立新的社會、經濟和技術系統(tǒng), 耦合人與自然因素和過程, 可以防止生態(tài)環(huán)境問題的出現, 建立一種人與自然的和諧關系, 保障人類社會高效持續(xù)發(fā)展。城市發(fā)展將會改變地球的自然進化史, 但這一定是建立在人與自然共存進化的基礎上。

人與自然共存進化范式, 反映了城市生態(tài)系統(tǒng)研究的核心。城市是人與自然共同構成的復合生態(tài)系統(tǒng), 你中有我、我中有你。人與自然相互作用形成了一個協(xié)同、自我調節(jié)和復雜的城市生態(tài)系統(tǒng), 維持著城市居民的生活生產及城市發(fā)展。人類為了適應城市生活, 在不斷進行城市建設和改變自身的行為。城市植物和動物為了適應城市環(huán)境, 也會產生生長發(fā)育變化和生活行為適應。人類不僅是城市生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展演變的影響因素, 而且是城市生態(tài)系統(tǒng)中的一個重要組分。人類自身及其建造的各種設施, 已經成為城市生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的組分, 直接參與了、甚至主導了城市生態(tài)系統(tǒng)的一些重要過程和功能。自然仍然是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 城市氣候、水文、地形、植被、土壤等自然要素, 對城市居民生活質量和城市生態(tài)環(huán)境具有重要調控作用。因此, 城市生態(tài)系統(tǒng)中, 自然要素和人類要素是共存的, 共同維持城市生態(tài)系統(tǒng)的過程和功能。人類和自然通過不斷的相互作用、相互影響和相互適應, 塑造了一定結構和功能的城市生態(tài)系統(tǒng), 為人類生存和發(fā)展提供生活生產條件。在城市生態(tài)系統(tǒng)中, 人與自然不但具有各自的角色和發(fā)揮不同的作用, 而且在許多方面是緊密的融合在一起的, 共同塑造了城市生態(tài)系統(tǒng)的形態(tài)及能流和物流特征, 形成了城市生態(tài)系統(tǒng)的自然-人工復合格局、社會-生物-地球-化學循環(huán)耦合過程和生產-生活復合功能。人類推動了城市發(fā)展, 進而影響到城市自然環(huán)境, 如地貌改變、熱島效應、環(huán)境污染、植被變化等, 甚至可以改變城市生物的進化過程[44]。人類起源于自然, 需要自然界持續(xù)地提供基本生活生產資源和條件, 城市對自然環(huán)境的改變, 有可能影響到自然資源供給能力和條件, 人類社會必然需要做出相應的改變。為了減緩和適應城市自然環(huán)境的改變, 生活在城市的人類不得不改變其生產生活方式, 甚至改變人類社會行為的進化過程。在城市生態(tài)系統(tǒng)中, 人和自然不但需要共存, 而且會發(fā)生共同進化, 即人與自然共存進化。對于城市生態(tài)環(huán)境問題來說, 人與自然共存進化, 既是其產生的根源, 也是其根除的良方。城市生態(tài)人與自然共存進化, 調控著城市的形成和發(fā)展, 決定了城市生態(tài)系統(tǒng)的演化非線性、空間異質性以及穩(wěn)定性和彈性。因此認識人與自然共存進化規(guī)律, 應該是今后城市生態(tài)學的研究重要內容。

3 結論

城市作為一個人與自然復合的復雜生態(tài)系統(tǒng), 可以采用黑箱范式、生態(tài)系統(tǒng)結構-過程-功能-服務級聯(lián)范式和人與自然共同進化范式開展研究。城市生態(tài)系統(tǒng)在研究方法和內容上, 與傳統(tǒng)的森林、草原和農田生態(tài)系統(tǒng)存在很大不同。首先城市能量物質流動集中發(fā)生在人類社會, 主要為城市物質代謝。其次, 城市生態(tài)系統(tǒng)的結構、過程、功能和服務的類型和數量都明顯增多, 特別是包括許多社會經濟因素和途徑。再次, 城市生態(tài)系統(tǒng)是人與自然復合成的一個整體, 表現在人與自然因素在組分上鑲嵌、結構上融合、過程上耦合、功能上互補和服務上協(xié)同。人類不僅僅是城市生態(tài)系統(tǒng)的一個驅動力或受影響者, 而具有多種角色：生產者、消費者、還原者、建設者、管理者、接受者和響應者等。人類需要很好地協(xié)調城市生態(tài)系統(tǒng)人與自然之間的各層次上的關系, 才能夠保證城市具有良好的人居環(huán)境質量和高效的生活生產方式。

在如今快速城市化發(fā)展時期, 城市面臨的熱島效應、洪澇災害和疾病風險等“城市病”還在不斷加重。這些問題的起源與傳統(tǒng)城市建設中缺乏對城市生態(tài)系統(tǒng)的全面了解有關。例如忽視城市生態(tài)系統(tǒng)中的自然環(huán)境的作用和價值, 造成植被缺乏和地表過分人工化, 降低了城市生態(tài)系統(tǒng)的氣候和水文調節(jié)服務功能, 容易形成氣溫升高和暴雨積水。城市也需要強大的人工設施, 如果沒有可靠的供水供電系統(tǒng)、足夠有效的污水和垃圾處理系統(tǒng), 城市生態(tài)系統(tǒng)就很難良性循環(huán), 人居環(huán)境質量就無法保證。在城市生態(tài)系統(tǒng)中, 人與自然應該共存、互惠共生、發(fā)揮各自長處, 才能提升城市生態(tài)系統(tǒng)總體服務功能, 保證城市生態(tài)系統(tǒng)健康和活力。城市是人類社會發(fā)展形成的, 人類活動影響巨大, 但不能簡單認為城市是一種以人為核心的生態(tài)系統(tǒng), 而應該將城市看成人與自然復合的生態(tài)系統(tǒng)。人與自然共存進化, 是城市形成的重要動力。城市發(fā)展改變了自然和改變了人類, 人類也會采用各種社會、經濟和技術手段, 進行城市規(guī)劃、建設和管理, 保證城市生態(tài)系統(tǒng)的健康和活力。將城市作為一個完整的生態(tài)系統(tǒng), 分別采用黑箱范式、結構-過程-功能-服務級聯(lián)范式和人與自然共存進化范式, 系統(tǒng)研究城市生態(tài)系統(tǒng)的物質能量輸入輸出關系、結構-過程-功能-服務間級聯(lián)關系以及人與自然協(xié)同關系, 將為辨識城市生態(tài)環(huán)境問題、探索城市人居環(huán)境質量提高的技術途徑和制定城市社會經濟發(fā)展政策提供科學依據, 從而增強城市生態(tài)系統(tǒng)的彈性和可持續(xù)性。

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網址: Urban ecosystem: human and nature compounding http://m.gysdgmq.cn/newsview105137.html