全球变化与城市生态

全球变化与城市生态

摘要：城市地区是推动多尺度环境变化的热点。物质生产和人类消费的需求改变着从城市本身到地域性的土地利用与覆盖，生物多样性和水循环系统，同时城市垃圾排放影响着城市本身到全球性区域多个尺度的生物地球化学循环与气候。而对于城市本身而言，全球环境变化已被当地显著的环境变化所掩盖。城市生态学集自然科学和社会科学，研究如何根本性地改变当地环境及其对区域和全球影响等此些问题。现今城市可持续发展的问题和解决方案均面临着全球城市化不断发展的挑战。

人类现在正在经历一场引人注目的城市生活转移，然而1900年只有10%的全球人口是城市居民，现在这一比例超过50%，且在未来50年将增加更多(图1)。95%以上的全球净增长人口将在发展中国家的城市,这将接近今天大多数工业化国家80%的城市化水平。此外，个别城市发展到前所未有的规模，几乎所有新的大城市(>1000万，按照惯例)均出现在发展中国家(图1)。城市人口的增长伴随着经济增长和人口结构的变化，尤其是在人口众多的中国和印度。更多的生产需求需要附近和遥远的生态系统提供服务。

在20世纪的大部分时间里生态学家们避开城市地区，其结果是导致生态知识对解决城市环境问题作出的贡献甚微。然而,最近越来越多的生态学家与其他科学家、规划师和工程师合作，旨在了解并进一步形成此些优越的生态系统。随着在10年前建立在国家科学基金

会资助的美国城市研究项目和其不同于之前的努力(见第1部分引用的可支持在线材料)，城市生态学也已经开始改变生态学这门学科。城市生态学集成了自然科学和社会科学的理论和方法研究城市生态系统的模式和流程。城市生态进化的概念框架视城市为具有异质性和动态的景观与复杂、自适应性的社会生态系统。在该生态系统中，提供生态系统服务需链接多尺度下的社会和生态系统。

城市生态学家们寻求城市生态系统中的共性，认识城市生态系统内的社会生态是如何相互作用的，以及他们扮演着环境变化的驱动者和响应者。在此，我们专注于五大类型的全球环境变化与城市生态系统的相互影响(图2)：即土地利用和覆盖变化，生物地球化学循环、气候、水循环系统和生物多样性。我们认为城市本身为许多全球性变化的缩影，这些信息测试案例用于解释社会生态系统的动力学和响应变化。

城市化对土地利用和覆盖变化的影响

在过去的一个世纪前所未有的城市人口增长率发生在小于3%的全球陆地表面，但其影响是全球性的，有78%的碳排放，60%的居民用水，和76%的木材用于工业用途，这些都归因于城市(6)。土地变化用于建设城市和支持城市人口本身的需求，并驱动其他类型的环境变化(图2)。

城市居民依赖于生态系统的生产力和同化能力远远超出他们的城市边界——“生态足迹”一个城市成千上百次占领其所在区域——

用于产生能量流动，物质和非物质的服务(包括废物吸收)，维持人类健康和生活质量(7、8)。同时，大城市群是人类聪明才智的标志，在人均基础上比小城市和乡镇或农村可能需要更少的资源(9)(见第2节中引用的支持在线材料；图S1和S2和表S1)。

甚至在古代，一个高度分层的精英城市过度的需求将导致生产性景观的退化，最终导致成功社会的崩溃(例如公元前3年美索不达米亚的盐渍化)(10)。虽然最近全球化趋势不断加剧，几个世纪前欧洲消费者的需求导致殖民土地的森林砍伐，最近西半球国家对牛肉的需求改变了新的世界，使得许多热带雨林转变为牧场。

同时在区域范围内，由人口流动带来的土地利用变化最明显。感知机会在城市中心日益增长，而农村的设置机会缺乏，造成景观退化和不平衡的经济系统，使得迁移成为了20世纪下半个世纪整个时期内最伟大的人类环境实验。仅在中国，超过3亿人可能会搬到城市，改变他们家乡的景观和这种持续建设城市的强大力量已经令人难以置信。从长远来看，短缺的建筑材料如金属、煤炭、水泥、和木材可能会限制中国的城市化，然而，对此施加压力还有全球基础设施的增长(13)。

城市化会增加班块碎片和多样性，这可表示为更多的边缘（即不同土地覆盖类型之间的接口）或更小的班块（如亚利桑那州中部的城市、住宅区和沙漠用地班块分别为20、100和650公顷）。城市土

地利用通常会留下受生态特征影响的景观遗产。在凤凰城，例如40年后以前农业土地仍可表现出独特的土壤生物地球化学性质且经过

几个世纪在该地区和其他地方仍可显示农业遗产。

一篇饱受争议的城市规划假设认为，城市的形态跟随土地利用模式功能，导致土地利用的多样性安排(18)。然而，最近的一项研究发现表明中国的四个集中式城市形态在形状、大小和增长率上有不尽相同的经济和政治驱动程序。土地使用政策(即分区，主计划，增长边界)帮助确定城市形式及其影响，但西雅图地区的一项长期研究发现，加大管理力度来使得增长边界内增加住房密度却无意间鼓励农村低

密度住宅的扩张和荒地面积变多。

当地规模城市生态中心的城市设计和建筑之间的关系，在新的系统中提供生态系统服务，是响应人民和他们体系的发展机会以及是系统发生进一步变化的驱动力。城市的“边缘”扩展到周围的乡村景观，导致土壤，建筑结构，市场,和非正式的人类定居点的变化，所有这些都给边缘生态系统施加压力。这些城市边缘地区的环境就像链接城市化扩展区与核心城市的纽带。事实上，城市规划师罗伯特·朗认为城市不再是独立的而是代表有限数量的能主导全球的大城市地区——联盟城市中心和越来越多的组合干预地区(21)。城市生态学的下一个前沿是理解城市化在生物物理、经济或政治背景下的设置。大陆或全球性的城市间比较可能有效的基于此大都市概念。

改变城市的生物地球化学循环和其从区域到全球的影响

城市是改变生物地球化学循环的原由和响应者。运输和工业集中于城市中心意味着城市是二氧化碳和其他温室气体的点源，这影响着全球的气候，以及微量气体,如NO，NO2，O3，二氧化硫，浓硝酸和各种有机酸(22、23)。区域性而言，空气污染，特别是影响相邻的养分循环和初级生产，生态系统被暴露。城市不成比例沿着河流和海岸线分布使其成为这些地区富营养化的重要贡献者。

城市废物产生和进入空气和水，通过运输从而影响从地方到全球尺度的生物地球化学循环，而影响的程度取决于废物被带到远离他们的来源的远近。例如，美国20个最大的城市向全球大气层排放的二氧化碳大于美国整个国土所能吸收的量。城市新陈代谢将城市类比为有机体，需要食物和其他所需的资源并向环境释放废弃物。科学家对适当性的城市代谢类比存有争论，但是其最大的效用已经用于量化纵向扩大城市消费和废物产生的趋势。这和其他研究表明，在过去的20年里大量增加了如食品废物流，进口和固体废物纸张和塑料的积累或分解，和对建筑材料需求的巨大增长的吞吐量。例如，在北京，固体废弃物处理产生的总碳排放从1990年到2003年增加了2.8倍(27)。

城市污染产生的越来越多的担忧,当城市化超过社会能力实现污染控制措施。例如，在美国，排放控制有点平衡城市的扩张带来的驾

驶距离增长，然而，在中国的一些城市伴随经济扩张燃煤和汽车使用增加，最终导致严重的空气污染后果(29)。在快速城市化且污水处理缺乏或不足的发展中国家地区对河流和沿海生态系统的营养负荷显示大量增加(30)。然而，尽管城市化和经济增长超出发展中国家的环境控制范围，来自最富裕城市的废物仍然是改变全球生物地球化学循环的一个主要推动力。

城市展示生物地球化学失衡的症状，该症状在大尺度上帮助创建。例如，城市正经历着高酸和氮沉积及大气中二氧化碳,甲烷,和O3的浓度升高，可以对生物体产生促进增长和阻碍增长的影响(31)。元素质量平衡可以解释这个问题，因为在城市景观中他们可能识别潜在过剩的输入和很可能是汇。城市是积聚着N，P和金属的热点地区，因此，其拥有大量的物质资源。可否有案例将高营养的废水处理后代替商业氮肥料与氮供应作物和草坪？在凤凰城，使用富含硝酸的地下水灌溉土地，每公顷土地能减少施用大于100公斤的所需肥料(34)。获取全球铜的一小(但增长)部分比例来自回收，但加大重复利用和回收铜及其他金属力度，更多能阻止不断膨胀对获取难度不断增加资源的需求。这种重复利用也会减轻金属在土壤中的积累问题(35)。

在城市中人类管理的都市景观往往是高度异构，根据财力赢得植物，肥料，甚至水、土地覆盖(包括不透水表面)，及在管理应用中的相关组织层面(如家庭、社区、城市)。例如，土壤养分含量在沙漠都市地区可以相差很大，因为前面所提到的遗留因素以及城市结构(不透水土地覆盖)和景观的选择(草坪、树木覆盖等)(36)。某些特性流比

其他物质更能有效的留住营养。对于一些大气污染物，人类行为的局部变化比集体性暂时的群体行为更不重要。例如，每日或每周的微粒物质、CO2、NOx或者O3流将产生驾驶习惯。

城市化和气候变化

毫无疑问，城市中心，尤其是在发达国家，温室气体排放的主要来源，因此其与全球气候变化是存在牵连关系的。然而，城市化导致当地气候的变化使得自上向下的全球气候变化对城市的影响可能黯

然失色。最低温度增加，有时最高温降低，降水减少或增加，每周循环。

人为改变气候的最好的记录案例是城市热岛效应。城市的空气和表面温度往往高于农村环境(39)，尤其是在晚上。几个城市环境特征改变能量预算参数并会影响城市热岛效应的形成。这些包括土地覆盖模式，城市规模(通常与城市人口规模有关)，增加了不透水表面(反照率低、热容高)，减少地区的植被覆盖和水(减少热损失由于蒸发冷却)，由于多层建筑增加表面吸收太阳能领域，和像峡谷般的温室形态高楼。城市热岛效应是当地的一个现象，对全球气候的影响几乎可以忽略不计(40)，但其重要和影响可能代表未来气候的先兆，已经观察到城市内的上升温度超过预测未来几十年全球的上升气温。Kalnay and Cai估计，在过去的一个世纪里美国国土城市化和其他土地利用变化中一半的观察结果为昼夜温差范围减少和平均气温增加0.27°C。相比之下，美国市中心的温度自1950年以来每十年增加0.14~1.1°C。

研究升温对城市剩余生态系统的影响，特别是当其他变量控制时，更能有助于我们预测生态系统面对全球气候变化将作出何种响应。

城市热岛效应不仅影响当地和一个区域的气候，而且还影响到水资源、空气质量、人类健康和生物多样性和生态系统功能(42)。城市气候变暖对生物施加热应力，包括人类，可能会通过改变表面能量平衡影响水资源，改变的不仅是热通量，而且是在地表附近的水分通量。城市热岛效应可能会诱导光化学烟雾的形成和创建本地的空气循环

模式，促进污染物的分散远离城市。在温暖地区(和夏季凉爽的地区)，城市变暖大大增加了冷却的能源消耗。例如，约3~8%的电力需求在美国估计用于弥补城市热岛效应效果(42)，代表另一个对全球气候变化的间接反馈。缓解热岛效应的一个方法是通过增加植被和反照率(39)，但是这个策略是一种交换，要求更多的用水，特别是在干旱地区。

尽管与目前全球温度上升相比当地的气温变化可能对城市生态

系统产生更大的影响力，其他方面的区域和全球气候变化给城市带来风险。特别是沿海城市将面临着海平面上升和任何由气候变化引起的增加飓风频率。因此，实现城市可持续发展的一个重要方面是加强我们应对城市化和气候变化的关系的能力。对于有效应对全球气候变化的城市,缓解和适应策略和经济市场的需要。

人类水文系统的修改

纵观历史，因为可利用的水，城市如雨后春笋般沿着河流和三角洲拔地而起。这些水道离不开修改。在城市,水是丝丝缕缕的，不仅供家庭使用，而且用于工业过程，充足的卫生设施，防止自然灾害(洪水、飓风和海啸)。因此，人类已经修改水道系统来满足大量常常存在相互矛盾的目标。设计或改变溪流、河流、洪水通道、运河和其他水道系统服务城市地区，不仅复制取代了水生生态系统，而且保护生态系统服务的流失（除了他们设计的像水运和送水服务）。因此，很少有模型系统用来比较此些高度改变环境。一些人呼吁恢复在城市地区的溪流(45)，而另一些人则主张研究和管理这些独特的设计生态系统，以优化城市人口的服务。在这些服务中，将包括防洪、多样的水生生物栖息地，营养的保留和地方感。

在城市地区对水道系统最重要的修改为在城市地区不透水覆盖增加对溪流的影响，从而改变水文和从建筑,道路,停车场漏斗式累积污染物进入河流。在美国点源污染已经被规定，且大幅度减少，但在许多发展中国家仍然是一个严重的问题(47)。工业排放污水，污染河流和湖泊。在新的城市雨水基础设施系统和废水排放是分开的，但是在欧洲和美国的一些老城市这两个流是混合的，造成了严重污染事件。从城市排放的风暴和枯水导致当地或甚至区域性下游污染，特别是杀虫剂和持久性有机污染物。

化学环境的变化，暴露的污染物，简化的地貌结构，和改变城市溪流的水文结合起来创造一个生物多样性低、高营养浓度，减少营养保留效率，并且经常提高初级生产的城市流成因“综合症”。其它生

态系统功能属性对城市化作出的反应不一致，也许是因为城区之间水文变化的程度和形式差异非常大。应对城市流综合症可能需要放弃“恢复”流的想法，赞成设计性生态系统。.基于生态设计一个新颖的水生生态城市变得越来越普遍，其成功之处在于例证其保护河流泛滥平原、改造小区雨水流道，并使用捕获低强度雨水/水系统作为解决城市雨水管理的创作性方案。

城市生态多样性的改变

在城市，城市化和郊区化通常减少了大多数生物群落物种丰富度和均匀度(如。(48,50)],尽管增加鸟类(51)和节肢动物的丰度和生物量(52)。因为城市足迹远远超过城市边界,城市化在区域和全球尺度上也可减少本地物种多样性(图2)。举例来说，南半球出现在一些候鸟丰度下降与北半球出现城市扩张有关(53)。这种模式有两个例外值得注意:(i) 相对于荒地城市植物物种丰富度和均匀度都经常增加(54-56),可能由于高度异构的栖息地,加上人类引入外来物种和首选物种在景观码中很少有个人的偏好。(ii) 城市化后的鸟类物种丰富度可以达到中级水平,因为增加边缘生境的异质性(57).

人类常常直接控制植物丰富度、均匀度和密度。个别的人类和机构不直接控制其他大部分物种功能团（食草动物,食肉动物,寄生虫,杂食动物,腐食者），或它们营养相互作用，除了选择害虫物种和有意引入，驯化食草动物和食肉动物(如猫)。人类决定城市植物群落，

通常基于社会经济地位，形成这些其他功能团物种的模板。提出丰富度和均匀度变化的机制包括提高速度和生产力的季节性变化，放松对主要物种的捕食，增加一些城市物种的竞争能力，或者增加那些不太成功城市物种的寄生虫压力。这些假设并不是相互排斥的。城市竞争对手导致某些物种可能变得更好，因为它们释放天敌。

城市化进展也改变了物种群落的组成。在城市中，当城市物种重新组合成为新的物种时，生物群落往往不同于周围其他物种。例如,在种食虫物种鸟类中常转向更多为食种子的物(51)，节肢动物群落可能从更专业转向大众化的物种(62)。在农村和城市河岸土壤中的线虫多样性并不改变，但功能成分变化使得城市土壤中食肉和杂食性物种比在农村土壤少(63)。全球范围内的多样性,麦金尼(64)认为城市是伟大的均质化部队,一些“适应城市”的物种在全球的城市中变的更普遍了，并成为本地种的一部分，通常物种适应边缘成为当地和地区性丰富的物种往往以牺牲本地种为代价。这种均质化的陆生、水生群落通过城市化以不同的速率在不同的地理区域获得收益取决于人口增长和物种组成。

城市环境是一个强大的选择性力量，改变行为，酶活性以及这些城市中的生物形态。人为的改变同时具有直接的（如建筑结构、生活环境的变化和破碎的班块，野生动物的饲养）还有间接的（如改变温度、生产力和光照，噪音和空气污染）都可能会导致短期的城市生物体表型的变化。从长远来看,城市环境在群体遗传学和城市物种的生活史特征中作为一个强大的进化力量(68)。人类生物体对选择城市环

境的行为没有免疫。社会结构和交换作用，生理和健康，形态（如肥胖）甚至长期变化使得人类城市居民的基因可能与城市生活有关。

鉴于城市土地使用和它的足迹将继续扩大在世界范围内,对维持生物多样性和功能和其相关的在城市内或城市附件生态服务的预知

似乎是很可怕然而,加强保护措施保护现有的自然或半自然栖息地或重建城市内或附近的的栖息地可能改善这些生理变化(69)。引入外来物种结合一些城市的热岛效应实际上可能提高生态系统服务，例如土壤矿化。此外，和谐生态学下的栖息地极大地改变了人类使用设计,空间安排,和管理最大的生物多样性，同时提供经济效应和生态服务，提供了巨大的希望，生态学家将越来越多的要求帮助帮助设计和管理新的城市和重建旧的城市。城市给生态学家提供了一个真实的世界实验室用于了解这些基本模式和流程，并服务于城市规划师、工程师和建筑师，用于实现最大化的维持生物多样性和生态系统功能的政策。随着在城市或附近的人类生活不断的增加，这些都是人类生物群体所经历的，人类联系和接触城市性质取代了自然生物多样性的经历。矛盾的是，这些人类非本地的，全球“均质器”的经验，如鸽子，对于人造环境而言，复杂的保护全球生物多样性可能是必要的。

前景

城市是集中生产、消费和废物处理的中，驱动着土地变化，也使其成为全球环境问题的热点。在某些地方，他心们代表了全球环境变化的缩影,并为丰富生态和全球变化科学提供机会。我们知道人类活动全部发生在受生物物理限制的行星，城市生态学可以阐明城市居民与其居住

的物化生环境之间的联系。随着我们的生态足迹的扩张，我们对问题的看法也应大尺度的超越自己，并更广泛的影响我们个人和集体的生活方式、选择和行动。因此，我们希望城市能够集中位于城市中心的工业和创造力贯穿大部分人类历史，使得城市的热点不但是解决方案而且是存在的问题。城市生态的关键作用在于寻找解决方案和导航城市可持续的未来。