城市生態系統與生態城市的基本理論問題

    生態學家從生態學角度把城市看作高密度建筑區居民與其周圍環境組成的開放的人工生態系統,該系統被人為地改變了結構、物質循環和生境。進入20世紀70年代以來,隨著世界性環境危機的加劇,城市發展進程受到了空前的挑戰,生態學原理與方法在城市規劃中得以廣泛推廣與應用,并由此產生了城市生態學。城市生態學最初由芝加哥學派創始人帕克于本世紀20年代提出,將其定義為研究城市人類活動與周圍環境之間關系的一門科學,顯然,城市生態系統在結構與功能上與自然生態系統及半人工生態系統均存在較大的差異。傳統生態學中的生態關系以自然生態系統中的動物、植物、微生物及相關生存環境為主。而由馬世駿等學者提出的“社會-經濟-自然復合生態系統”理論明顯拓寬了城市生態系統的內涵及外延,將城市生態系統的結構與功能分析與人類的社會及經濟活動緊密相連,從而使城市生態學成為以生態學為主,以相關學科為補充,多學科相輔相成的一門典型的交叉學科。根據研究對象的不同,城市生態學可分為城市自然生態學、城市經濟生態學和城市社會生態學三個分支。

    1、城市生態系統的特點與功能

    1.1、城市生態系統的特點

    ⑴城市是一個人工生態系統。雖然城市生態系統由自然、社會、經濟亞系統共同組成,一般而言,經濟、社會生態亞系統對復合生態系統的結構與功能往往更具影響力。作為人工生態系統,城市中的生物物種較為單一,系統對病蟲害的抵御能力較弱;系統自身的生產者生物量遠遠低于周邊生態系統,相反,消費者密度則高于其他生態系統,食物鏈呈倒金字塔型。

    ⑵物質循環系統多數為線狀而不是環狀。在城市生態系統食物網中,主要以消費者為主,缺少分解者,必須依靠人工措施對廢物進行消納或重新利用。

    ⑶能量高度集中。城市生態系統中的能量有兩個基本特征,一是高度集中;二是能量的質量高。能量的質量又稱能質(energy quality),體現了生態系統中能量功能的強弱。由于生態系統中大部分能量在逐級生產過程中被使用或耗散掉,而保留下來的能量,其質量則明顯增加。城市高質能主要表現為三種類型,一是實際能量的密集,如工廠、電器、加油站;二是大型的建筑物,如商場及辦公樓;三是富含信息的物質,如電腦、書籍、光盤。

    ⑷系統發展的動因不是自然選擇而是人工選擇。城市的出現極大地促進了人工選擇的進程,并改變了自然生態系統的結構與功能。人工選擇代替自然選擇,一方面無疑會強化系統功能,如加快物流、能流及信息流的流通速度,另一方面,也容易出現由于注重短期及局部經濟效益而忽視長遠生態效益的決策失誤。

    ⑸系統中的正反饋調節多于負反饋調節。由于受社會及經濟利益的影響,人們對資源、能源的利用及對環境的污染往往不能通過自然生態亞系統中有限的負反饋加以調節,容易造成生態系統的惡性循環。

    1.2、城市生態系統的功能

    生態系統服務功能。生態系統服務是指對人類生存及生活質量有貢獻的生態系統產品和生態系統功能,通過向人類提供原料、產品以及改善生活質量而實現。自然生態系統為人類提供了資源、能源及生物多樣性,城市生態系統則對這些資源進行進一步加工,使系統的物流、能流及信息流更加高效,向人們提供高附加值的產品。與城市生態系統物質生產功能相對應的是城市的還原及污染凈化功能。經濟生產供養了高密度的人口,而由高密度人口排放的城市垃圾、污水及工業廢物多數由城市自身進行分解及回收利用。隨著生物技術等現代科學技術的發展,城市生態系統服務的內容發生了明顯的改變,使城市對人類的影響已大大超出了以往任何歷史時期。

    文化服務功能。與城市生態系統功能服務相輔相成的是城市的文化服務功能,可稱之為文態功能。如果說生態環境有污凈之分,文態環境則有俗雅之別。一個和諧城市生態系統的維持離不開優秀文化傳統的支撐,同時,帶有特色的城市文化又會服務于城市居民,并隨著經濟及社會的發展而進一步豐富和發展。

    2、生態城市的概念及評判

    生態城市(Ecopolis)是城市生態學家Yanitsky于1987年提出的一種理想城市模式,是環境和諧、經濟高效、發展持續的人類住區。依照Yanitsky的理論,生態城市應該做到技術與自然充分融合,人為創造力和生產力得到最大程度的發揮,而居民的身心健康和環境質量得到最大程度的保護。目前世界上許多城市,如華盛頓、法蘭克福、墨西哥、東京、漢城、羅馬、莫斯科以及我國的天津、北京、長沙都開展了生態城市的研究,生態城市已成為國際第四代城市的發展目標。

    與傳統生態學中的“生態”相比,生態城市中“生態”的含義已發生了很大的變化,已不僅僅局限于自然生態系統的理論范疇,而是包容了自然、社會、經濟等領域,與生態平衡、社會發展、經濟結構息息相關。生態城的“生態”則包含了人與自然的協調關系及人與社會環境的協調關系兩層含義;生態城的“城”代表了自組織、自調節的共生系統。在空間構架上,有的學者甚至將生態城市的研究空間進一步拓展,使生態城市的“城市”在地理空間上超越了行政區劃的藩籬,已不再是“城市市”,而是“區域市”,是一種城鄉空間的融合(黃光宇、陳勇,1997)。由此可以看出,生態城市并不等同于自然保護主義的“綠色城市”,不是簡單地增加城市的綠化面積或單純追求優美的自然環境,而是實現低能耗、高效率、人與環境和諧共處、經濟持續發展的良性循環的城市發展模式。生態城市主要有三個特點,即自然——社會——經濟的和諧及持續性;能流、物流、信息流及價值流的高效性;區域發展的平衡及協調性。因此,生態城市應是結構合理、功能高效和關系協調的城市。依照宋永昌等學者(1999)的觀點,生態城市應做到環境清潔優美,生活健康舒適,人盡其才,物盡其用,地盡其利,人和自然協調發展,生態良性循環的城市。  

    3、生態城市的規劃原則

    1984年,聯合國在其“人與生物圈”(MAB)報告中提出了生態城規劃的5項原則:⑴生態保護戰略,包括自然保護,動植物區系及資源保護和污染防治;⑵生態基礎設施(infrastructure),即自然景觀和腹地對城市的持久支持能力;⑶居民的生活標準;⑷文化歷史的保護;⑸將自然融入城市。參照上述要求,在生態城市建設中,應遵循和諧、高效、環保的原則,以持續發展為準則,科學生態區劃為指導,發展市場為動力,加強環保為手段,生態農業為依托,建立生態示范小區為模式,使生態與經濟相互促進,相得益彰。在生態城市規劃上,應考慮三個基本問題,一是人口問題,二是資源合理利用問題,三是解決環境污染問題。

    3.1、限定城市人口

    建設生態城市首先應確定城市人口承載力。這里所說的承載力不是指環境最大容納量,而是在滿足人們健康發育及生態良性循環的前提下城市人口的最大限量。確定城市人口容納量時,應既考慮人口未來增長的可能性,又要考慮滿足一定生活質量的人口規模合理性。合理性與可能性曲線的交叉點即是最佳人口規模。隨著地區及部門間經濟合作和交流的增加,城市之間、城鄉之間以及不同城區之間的人口流動也隨之加快。因此,在確定國際大都市、省會城市及一般城市的人口容量時,不僅要明確固定靜態人口的分布規律,還應進一步分析周期性往返于城市——鄉村、城市——城市之間的“候鳥人口”以及城市商業區與居住區之間的“鐘擺人口”的分布及漲落規律。

    3.2、合理規劃城市景觀格局

    景觀格局是景觀元素的空間布局,是城市生態系統的一個重要組成部分。依照景觀生態學理論,城市景觀結構可以分為斑塊(patch)、廊道(corridor)及基質(matrix)。其中,斑塊是基本結構單元;廊道是線狀或帶狀結構體;基質是具有高度連接性的大的結構體。城市景觀區劃遵循的原則是:

    ⑴整體優化原則。應兼顧社會、經濟和環境的整體效益,既要維持生態系統的穩定,又要保證經濟及居民生活水平的提高。城市規劃只有抓主要矛盾才能突破城市建設的難點,例如,城市開發區的規劃應以創建整體生態化城市為準則,而老城區則以綜合治理、突出文化特色為準則,兩者相互補充,實現生態整合。在城市規劃中,還應縮小城市內部不同區域的經濟水平差異,調整城鄉經濟結構,建立城鄉復合生態系統,使城市發展以鄉村為依托,鄉村經濟增長以城市為動力。

    ⑵功能分區原則。劃分功能區首先要考慮城市的性質、特征,分析城市目前各區的主要功能、問題及城市發展的總體布局。功能分區必須做到城市生態系統物質生產、能量流動及信息傳遞的高效及渠道的暢通。完善和發展步行系統,建設大量室內購物中心,提高中心區環境質量。

    ⑶景觀穩定性原則。保持城市重要功能區布局及結構的相對穩定,應根據城市的承載力及經濟實力合理調整城市空間布局及規模,避免由于盲目擴大城市規模而出現“城市中的鄉村”現象。

    ⑷可持續發展原則。在經濟政策的制定及城市的規劃上應避免以損害環境利益為代價的經濟短期增長模式及不合理的城區過度開發。實現城市廢棄物的就地還原或回收,避免向鄉村流轉,減少城市對鄉村的“生態剝削”并由此導致的區域發展的不平衡。

    ⑸活化邊緣原則。不同系統交匯的邊緣是能流、信息流流動較快的區域,搞活城鄉及城市不同功能區交錯帶有利于區域經濟的發展?；罨吘壊⒉灰馕吨つ块_發邊緣,相反,應防止在某些大城市出現的邊緣城市(edge city,即在中心城市的周圍郊區發展起來的商業、就業與居住中心)或城市邊緣(urban fringe)的過快發展。

    3.3、調整產業結構

    城市的產業結構決定了城市的職能和性質以及城市基本活動的方向、內容、形式和空間分布。城市中產業結構的確立應因地制宜,按照生態學中的“共生”原理,通過對城市不同區域內的企業之間,以及工業、居民與自然生態亞系統之間的物質、能源的輸入與輸出進行優化,實現該區域內物質與能量的綜合平衡,做到資源的高效利用。應淘汰污染嚴重的生產工藝,采用環境友好技術(environmental benign technology)。例如,為了解決傳統化學工業對環境的危害,目前工業發達國家已把希望寄托在綠色化學工業(green chemistry industry)這一新興產業。目前,綠色化學工業所要解決的中心問題是使化學反應及其產物具有以下特點:⑴采用無毒、無害的原料;⑵在無毒、無害的反應條件下進行;⑶具有“原子經濟性”,即反應具有高選擇性,有極少量的副產品,甚至實現“零排放”;⑷產品應是環境友好的。

    3.4、提高資源利用效率

    提高資源綜合利用效率,加快資源開發及再生利用的研究與推廣。在城市生態系統建立高效和諧的物流、能流供應網,實現物流的“閉路再循環”,重新確定“廢物”價值,減少“廢物”的產生,引入諸如“大氣污染稅”等綠色稅收體系。

    在工業發達國家“,低物質化(dematerialization)”,即降低工業生產過程中的物料和能源消耗已成為一種發展趨勢。70年代以來,各國GNP的物質消耗量一直呈下降趨勢。最典型的例子是計算機的體積和重量越來越小,而運算能力卻越來越強。隨著消費者對綠色產品需求的增加及環保意識的進一步提高,在企業界建立“綠色核算體系”、“生態產品規格與標準”等綠色管理理念已是大勢所趨。

    4、生態城市與可持續發展  

    可持續發展是指既滿足人們需求,又不損害人類后代滿足其自身需求條件的發展?？沙掷m發展的理論思想與城市生態學中的諸多理論相吻合,例如,可持續發展思想與許多城市生態系統所遵循的生態學原理相一致,這些原理包括:復合生態系統原理、物質循環與能量流動原理、系統相關與相生相克原理、系統開放原理、生態位原理及限制因子原理等。生態城市從本質上說是可持續發展的城市,因此,生態城市也可以稱為可持續城市(sustainable city)。G豪霍頓和C亨特在《可持續城市》一書中將可持續城市定義為:居民和各種事務采用永遠支持“全球可持續發展”目標的方式,在鄰里和區域水平上不斷努力以改善城市的自然、人工和文化環境的城市。目前,國際上可持續城市的發展趨向于高建筑、高密度、小型化、多樣化、生態化。多功能的高建筑可有效地提高資源及能源的利用率,減少污染,增加綠地面積,改善交通環境,十分適合人多地少的中國國情。

    與傳統的城市相比,生態城市的發展有明顯不同模式。生態城市強調經濟的高效而不是高速;基于社會的開放而不是封閉。與“生態平衡”的提法不同,生態城市重視自然的和諧而不是平衡,一個發展中的生態系統應不斷有新的組成加入、新的關系產生,不平衡是絕對的,平衡是相對的。與此相對應,可持續發展從系統觀點出發,將自然、經濟、社會諸因素綜合起來統籌考慮,在社會、經濟及資源管理中進行綜合規劃,強調在協調中發展,在發展中保護。因此可以認為,可持續城市及生態城市的概念與實踐是可持續發展理論在城市規劃與建設中的具體應用。從城市生態學角度來看,可持續發展的核心就是通過維持與保護城市生態系統服務功能來保護人類的生存環境。

    任何一個生態系統都具有其生態特異性,生態城市或可持續城市的建設也應該不拘一格,每一個生態城市都應體現出其自身的區域特色。由于受地域分異、氣候變差、人文歷史的影響,我國各地生態城市建設應遵循生態城市的多樣化原則?？沙掷m發展的概念目前仍留有許多問題尚待探討,可持續發展并不可能使所有的部門或行業受益,也不可能通過決策的改變及系統功能的調整而迅速實現可持續發展的長遠目標。相反,在生態城市建設的初期會遇到來自不同方面的阻力。建設生態城的最終目的是依據生態學原理優化城市內部各系統之間以及城市與周邊環境之間的生態依存關系,提高系統的自我調節能力,在低投入、低能耗的前提下依靠科學規劃實現因地制宜的持續發展。城市生態系統是否能夠持續發展取決于系統自我調節功能的強弱。自然生態系統通過自然選擇及種間競爭、共生而使生態系統達到相對平衡,而作為具有高依賴性的城市生態系統的穩定與持續則取決于自然、社會、經濟三個亞系統之間的協調程度。其中,各個子系統信息的靈敏度及政府部門的決策合理性對該系統的平衡和穩定起著至關重要的作用。