全球變化與城市生態(tài)

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1、全球變化與城市生態(tài)摘要：城市地區(qū)是推動多尺度環(huán)境變化的熱點。物質(zhì)生產(chǎn)和人類消費的需求改變著從城市本身到地域性的土地利用與覆蓋，生物多樣性和水循環(huán)系統(tǒng)，同時城市垃圾排放影響著城市本身到全球性區(qū)域多個尺度的生物地球化學(xué)循環(huán)與氣候。而對于城市本身而言，全球環(huán)境變化已被當(dāng)?shù)仫@著的環(huán)境變化所掩蓋。城市生態(tài)學(xué)集自然科學(xué)和社會科學(xué)，研究如何根本性地改變當(dāng)?shù)丨h(huán)境及其對區(qū)域和全球影響等此些問題?，F(xiàn)今城市可持續(xù)發(fā)展的問題和解決方案均面臨著全球城市化不斷發(fā)展的挑戰(zhàn)。人類現(xiàn)在正在經(jīng)歷一場引人注目的城市生活轉(zhuǎn)移，然而1900年只有1

2、0%的全球人口是城市居民，現(xiàn)在這一比例超過50%，且在未來50年將增加更多(圖1)。95%以上的全球凈增長人口將在發(fā)展中國家的城市,這將接近今天大多數(shù)工業(yè)化國家80%的城市化水平。此外，個別城市發(fā)展到前所未有的規(guī)模，幾乎所有新的大城市(>1000萬，按照慣例)均出現(xiàn)在發(fā)展中國家(圖1)。城市人口的增長伴隨著經(jīng)濟增長和人口結(jié)構(gòu)的變化，尤其是在人口眾多的中國和印度。更多的生產(chǎn)需求需要附近和遙遠的生態(tài)系統(tǒng)提供服務(wù)。在20世紀(jì)的大部分時間里生態(tài)學(xué)家們避開城市地區(qū)，其結(jié)果是導(dǎo)致生態(tài)知識對解決城市環(huán)境問題作出的貢獻甚微

3、。然而,最近越來越多的生態(tài)學(xué)家與其他科學(xué)家、規(guī)劃師和工程師合作，旨在了解并進一步形成此些優(yōu)越的生態(tài)系統(tǒng)。隨著在10年前建立在國家科學(xué)基金會資助的美國城市研究項目和其不同于之前的努力(見第1部分引用的可支持在線材料)，城市生態(tài)學(xué)也已經(jīng)開始改變生態(tài)學(xué)這門學(xué)科。城市生態(tài)學(xué)集成了自然科學(xué)和社會科學(xué)的理論和方法研究城市生態(tài)系統(tǒng)的模式和流程。城市生態(tài)進化的概念框架視城市為具有異質(zhì)性和動態(tài)的景觀與復(fù)雜、自適應(yīng)性的社會生態(tài)系統(tǒng)。在該生態(tài)系統(tǒng)中，提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需鏈接多尺度下的社會和生態(tài)系統(tǒng)。城市生態(tài)學(xué)家們尋求城市生態(tài)系統(tǒng)中

4、的共性，認(rèn)識城市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的社會生態(tài)是如何相互作用的，以及他們扮演著環(huán)境變化的驅(qū)動者和響應(yīng)者。在此，我們專注于五大類型的全球環(huán)境變化與城市生態(tài)系統(tǒng)的相互影響(圖2)：即土地利用和覆蓋變化，生物地球化學(xué)循環(huán)、氣候、水循環(huán)系統(tǒng)和生物多樣性。我們認(rèn)為城市本身為許多全球性變化的縮影，這些信息測試案例用于解釋社會生態(tài)系統(tǒng)的動力學(xué)和響應(yīng)變化。城市化對土地利用和覆蓋變化的影響在過去的一個世紀(jì)前所未有的城市人口增長率發(fā)生在小于3%的全球陸地表面，但其影響是全球性的，有78%的碳排放，60%的居民用水，和76%的木材用于工業(yè)

5、用途，這些都歸因于城市(6)。土地變化用于建設(shè)城市和支持城市人口本身的需求，并驅(qū)動其他類型的環(huán)境變化(圖2)。城市居民依賴于生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和同化能力遠遠超出他們的城市邊界——“生態(tài)足跡”一個城市成千上百次占領(lǐng)其所在區(qū)域——用于產(chǎn)生能量流動，物質(zhì)和非物質(zhì)的服務(wù)(包括廢物吸收)，維持人類健康和生活質(zhì)量(7、8)。同時，大城市群是人類聰明才智的標(biāo)志，在人均基礎(chǔ)上比小城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)或農(nóng)村可能需要更少的資源(9)(見第2節(jié)中引用的支持在線材料；圖S1和S2和表S1)。甚至在古代，一個高度分層的精英城市過度的需求將導(dǎo)致生

6、產(chǎn)性景觀的退化，最終導(dǎo)致成功社會的崩潰(例如公元前3年美索不達米亞的鹽漬化)(10)。雖然最近全球化趨勢不斷加劇，幾個世紀(jì)前歐洲消費者的需求導(dǎo)致殖民土地的森林砍伐，最近西半球國家對牛肉的需求改變了新的世界，使得許多熱帶雨林轉(zhuǎn)變?yōu)槟翀?。同時在區(qū)域范圍內(nèi)，由人口流動帶來的土地利用變化最明顯。感知機會在城市中心日益增長，而農(nóng)村的設(shè)置機會缺乏，造成景觀退化和不平衡的經(jīng)濟系統(tǒng)，使得遷移成為了20世紀(jì)下半個世紀(jì)整個時期內(nèi)最偉大的人類環(huán)境實驗。僅在中國，超過3億人可能會搬到城市，改變他們家鄉(xiāng)的景觀和這種持續(xù)建設(shè)城市的強大

7、力量已經(jīng)令人難以置信。從長遠來看，短缺的建筑材料如金屬、煤炭、水泥、和木材可能會限制中國的城市化，然而，對此施加壓力還有全球基礎(chǔ)設(shè)施的增長(13)。城市化會增加班塊碎片和多樣性，這可表示為更多的邊緣（即不同土地覆蓋類型之間的接口）或更小的班塊（如亞利桑那州中部的城市、住宅區(qū)和沙漠用地班塊分別為20、100和650公頃）。城市土地利用通常會留下受生態(tài)特征影響的景觀遺產(chǎn)。在鳳凰城，例如40年后以前農(nóng)業(yè)土地仍可表現(xiàn)出獨特的土壤生物地球化學(xué)性質(zhì)且經(jīng)過幾個世紀(jì)在該地區(qū)和其他地方仍可顯示農(nóng)業(yè)遺產(chǎn)。一篇飽受爭議的城市規(guī)劃

8、假設(shè)認(rèn)為，城市的形態(tài)跟隨土地利用模式功能，導(dǎo)致土地利用的多樣性安排(18)。然而，最近的一項研究發(fā)現(xiàn)表明中國的四個集中式城市形態(tài)在形狀、大小和增長率上有不盡相同的經(jīng)濟和政治驅(qū)動程序。土地使用政策(即分區(qū)，主計劃，增長邊界)幫助確定城市形式及其影響，但西雅圖地區(qū)的一項長期研究發(fā)現(xiàn)，加大管理力度來使得增長邊界內(nèi)增加住房密度卻無意間鼓勵農(nóng)村低密度住宅的擴張和荒地面積變多。當(dāng)?shù)匾?guī)模城市生態(tài)中心的城市設(shè)計和建筑之間的關(guān)系，