城市生态系统与生态城市的基本理论问题

    生态学家从生态学角度把城市看作高密度建筑区居民与其周围环境组成的开放的人工生态系统,该系统被人为地改变了结构、物质循环和生境。进入20世纪70年代以来,随着世界性环境危机的加剧,城市发展进程受到了空前的挑战,生态学原理与方法在城市规划中得以广泛推广与应用,并由此产生了城市生态学。城市生态学最初由芝加哥学派创始人帕克于本世纪20年代提出,将其定义为研究城市人类活动与周围环境之间关系的一门科学,显然,城市生态系统在结构与功能上与自然生态系统及半人工生态系统均存在较大的差异。传统生态学中的生态关系以自然生态系统中的动物、植物、微生物及相关生存环境为主。而由马世骏等学者提出的“社会-经济-自然复合生态系统”理论明显拓宽了城市生态系统的内涵及外延,将城市生态系统的结构与功能分析与人类的社会及经济活动紧密相连,从而使城市生态学成为以生态学为主,以相关学科为补充,多学科相辅相成的一门典型的交叉学科。根据研究对象的不同,城市生态学可分为城市自然生态学、城市经济生态学和城市社会生态学三个分支。

    1、城市生态系统的特点与功能

    1.1、城市生态系统的特点

    ⑴城市是一个人工生态系统。虽然城市生态系统由自然、社会、经济亚系统共同组成,一般而言,经济、社会生态亚系统对复合生态系统的结构与功能往往更具影响力。作为人工生态系统,城市中的生物物种较为单一,系统对病虫害的抵御能力较弱;系统自身的生产者生物量远远低于周边生态系统,相反,消费者密度则高于其他生态系统,食物链呈倒金字塔型。

    ⑵物质循环系统多数为线状而不是环状。在城市生态系统食物网中,主要以消费者为主,缺少分解者,必须依靠人工措施对废物进行消纳或重新利用。

    ⑶能量高度集中。城市生态系统中的能量有两个基本特征,一是高度集中;二是能量的质量高。能量的质量又称能质(energy quality),体现了生态系统中能量功能的强弱。由于生态系统中大部分能量在逐级生产过程中被使用或耗散掉,而保留下来的能量,其质量则明显增加。城市高质能主要表现为三种类型,一是实际能量的密集,如工厂、电器、加油站;二是大型的建筑物,如商场及办公楼;三是富含信息的物质,如电脑、书籍、光盘。

    ⑷系统发展的动因不是自然选择而是人工选择。城市的出现极大地促进了人工选择的进程,并改变了自然生态系统的结构与功能。人工选择代替自然选择,一方面无疑会强化系统功能,如加快物流、能流及信息流的流通速度,另一方面,也容易出现由于注重短期及局部经济效益而忽视长远生态效益的决策失误。

    ⑸系统中的正反馈调节多于负反馈调节。由于受社会及经济利益的影响,人们对资源、能源的利用及对环境的污染往往不能通过自然生态亚系统中有限的负反馈加以调节,容易造成生态系统的恶性循环。

    1.2、城市生态系统的功能

    生态系统服务功能。生态系统服务是指对人类生存及生活质量有贡献的生态系统产品和生态系统功能,通过向人类提供原料、产品以及改善生活质量而实现。自然生态系统为人类提供了资源、能源及生物多样性,城市生态系统则对这些资源进行进一步加工,使系统的物流、能流及信息流更加高效,向人们提供高附加值的产品。与城市生态系统物质生产功能相对应的是城市的还原及污染净化功能。经济生产供养了高密度的人口,而由高密度人口排放的城市垃圾、污水及工业废物多数由城市自身进行分解及回收利用。随着生物技术等现代科学技术的发展,城市生态系统服务的内容发生了明显的改变,使城市对人类的影响已大大超出了以往任何历史时期。

    文化服务功能。与城市生态系统功能服务相辅相成的是城市的文化服务功能,可称之为文态功能。如果说生态环境有污净之分,文态环境则有俗雅之别。一个和谐城市生态系统的维持离不开优秀文化传统的支撑,同时,带有特色的城市文化又会服务于城市居民,并随着经济及社会的发展而进一步丰富和发展。

    2、生态城市的概念及评判

    生态城市(Ecopolis)是城市生态学家Yanitsky于1987年提出的一种理想城市模式,是环境和谐、经济高效、发展持续的人类住区。依照Yanitsky的理论,生态城市应该做到技术与自然充分融合,人为创造力和生产力得到最大程度的发挥,而居民的身心健康和环境质量得到最大程度的保护。目前世界上许多城市,如华盛顿、法兰克福、墨西哥、东京、汉城、罗马、莫斯科以及我国的天津、北京、长沙都开展了生态城市的研究,生态城市已成为国际第四代城市的发展目标。

    与传统生态学中的“生态”相比,生态城市中“生态”的含义已发生了很大的变化,已不仅仅局限于自然生态系统的理论范畴,而是包容了自然、社会、经济等领域,与生态平衡、社会发展、经济结构息息相关。生态城的“生态”则包含了人与自然的协调关系及人与社会环境的协调关系两层含义;生态城的“城”代表了自组织、自调节的共生系统。在空间构架上,有的学者甚至将生态城市的研究空间进一步拓展,使生态城市的“城市”在地理空间上超越了行政区划的藩篱,已不再是“城市市”,而是“区域市”,是一种城乡空间的融合(黄光宇、陈勇,1997)。由此可以看出,生态城市并不等同于自然保护主义的“绿色城市”,不是简单地增加城市的绿化面积或单纯追求优美的自然环境,而是实现低能耗、高效率、人与环境和谐共处、经济持续发展的良性循环的城市发展模式。生态城市主要有三个特点,即自然——社会——经济的和谐及持续性;能流、物流、信息流及价值流的高效性;区域发展的平衡及协调性。因此,生态城市应是结构合理、功能高效和关系协调的城市。依照宋永昌等学者(1999)的观点,生态城市应做到环境清洁优美,生活健康舒适,人尽其才,物尽其用,地尽其利,人和自然协调发展,生态良性循环的城市。  

    3、生态城市的规划原则

    1984年,联合国在其“人与生物圈”(MAB)报告中提出了生态城规划的5项原则:⑴生态保护战略,包括自然保护,动植物区系及资源保护和污染防治;⑵生态基础设施(infrastructure),即自然景观和腹地对城市的持久支持能力;⑶居民的生活标准;⑷文化历史的保护;⑸将自然融入城市。参照上述要求,在生态城市建设中,应遵循和谐、高效、环保的原则,以持续发展为准则,科学生态区划为指导,发展市场为动力,加强环保为手段,生态农业为依托,建立生态示范小区为模式,使生态与经济相互促进,相得益彰。在生态城市规划上,应考虑三个基本问题,一是人口问题,二是资源合理利用问题,三是解决环境污染问题。

    3.1、限定城市人口

    建设生态城市首先应确定城市人口承载力。这里所说的承载力不是指环境最大容纳量,而是在满足人们健康发育及生态良性循环的前提下城市人口的最大限量。确定城市人口容纳量时,应既考虑人口未来增长的可能性,又要考虑满足一定生活质量的人口规模合理性。合理性与可能性曲线的交叉点即是最佳人口规模。随着地区及部门间经济合作和交流的增加,城市之间、城乡之间以及不同城区之间的人口流动也随之加快。因此,在确定国际大都市、省会城市及一般城市的人口容量时,不仅要明确固定静态人口的分布规律,还应进一步分析周期性往返于城市——乡村、城市——城市之间的“候鸟人口”以及城市商业区与居住区之间的“钟摆人口”的分布及涨落规律。

    3.2、合理规划城市景观格局

    景观格局是景观元素的空间布局,是城市生态系统的一个重要组成部分。依照景观生态学理论,城市景观结构可以分为斑块(patch)、廊道(corridor)及基质(matrix)。其中,斑块是基本结构单元;廊道是线状或带状结构体;基质是具有高度连接性的大的结构体。城市景观区划遵循的原则是:

    ⑴整体优化原则。应兼顾社会、经济和环境的整体效益,既要维持生态系统的稳定,又要保证经济及居民生活水平的提高。城市规划只有抓主要矛盾才能突破城市建设的难点,例如,城市开发区的规划应以创建整体生态化城市为准则,而老城区则以综合治理、突出文化特色为准则,两者相互补充,实现生态整合。在城市规划中,还应缩小城市内部不同区域的经济水平差异,调整城乡经济结构,建立城乡复合生态系统,使城市发展以乡村为依托,乡村经济增长以城市为动力。

    ⑵功能分区原则。划分功能区首先要考虑城市的性质、特征,分析城市目前各区的主要功能、问题及城市发展的总体布局。功能分区必须做到城市生态系统物质生产、能量流动及信息传递的高效及渠道的畅通。完善和发展步行系统,建设大量室内购物中心,提高中心区环境质量。

    ⑶景观稳定性原则。保持城市重要功能区布局及结构的相对稳定,应根据城市的承载力及经济实力合理调整城市空间布局及规模,避免由于盲目扩大城市规模而出现“城市中的乡村”现象。

    ⑷可持续发展原则。在经济政策的制定及城市的规划上应避免以损害环境利益为代价的经济短期增长模式及不合理的城区过度开发。实现城市废弃物的就地还原或回收,避免向乡村流转,减少城市对乡村的“生态剥削”并由此导致的区域发展的不平衡。

    ⑸活化边缘原则。不同系统交汇的边缘是能流、信息流流动较快的区域,搞活城乡及城市不同功能区交错带有利于区域经济的发展。活化边缘并不意味着盲目开发边缘,相反,应防止在某些大城市出现的边缘城市(edge city,即在中心城市的周围郊区发展起来的商业、就业与居住中心)或城市边缘(urban fringe)的过快发展。

    3.3、调整产业结构

    城市的产业结构决定了城市的职能和性质以及城市基本活动的方向、内容、形式和空间分布。城市中产业结构的确立应因地制宜,按照生态学中的“共生”原理,通过对城市不同区域内的企业之间,以及工业、居民与自然生态亚系统之间的物质、能源的输入与输出进行优化,实现该区域内物质与能量的综合平衡,做到资源的高效利用。应淘汰污染严重的生产工艺,采用环境友好技术(environmental benign technology)。例如,为了解决传统化学工业对环境的危害,目前工业发达国家已把希望寄托在绿色化学工业(green chemistry industry)这一新兴产业。目前,绿色化学工业所要解决的中心问题是使化学反应及其产物具有以下特点:⑴采用无毒、无害的原料;⑵在无毒、无害的反应条件下进行;⑶具有“原子经济性”,即反应具有高选择性,有极少量的副产品,甚至实现“零排放”;⑷产品应是环境友好的。

    3.4、提高资源利用效率

    提高资源综合利用效率,加快资源开发及再生利用的研究与推广。在城市生态系统建立高效和谐的物流、能流供应网,实现物流的“闭路再循环”,重新确定“废物”价值,减少“废物”的产生,引入诸如“大气污染税”等绿色税收体系。

    在工业发达国家“,低物质化(dematerialization)”,即降低工业生产过程中的物料和能源消耗已成为一种发展趋势。70年代以来,各国GNP的物质消耗量一直呈下降趋势。最典型的例子是计算机的体积和重量越来越小,而运算能力却越来越强。随着消费者对绿色产品需求的增加及环保意识的进一步提高,在企业界建立“绿色核算体系”、“生态产品规格与标准”等绿色管理理念已是大势所趋。

    4、生态城市与可持续发展  

    可持续发展是指既满足人们需求,又不损害人类后代满足其自身需求条件的发展。可持续发展的理论思想与城市生态学中的诸多理论相吻合,例如,可持续发展思想与许多城市生态系统所遵循的生态学原理相一致,这些原理包括:复合生态系统原理、物质循环与能量流动原理、系统相关与相生相克原理、系统开放原理、生态位原理及限制因子原理等。生态城市从本质上说是可持续发展的城市,因此,生态城市也可以称为可持续城市(sustainable city)。G豪霍顿和C亨特在《可持续城市》一书中将可持续城市定义为:居民和各种事务采用永远支持“全球可持续发展”目标的方式,在邻里和区域水平上不断努力以改善城市的自然、人工和文化环境的城市。目前,国际上可持续城市的发展趋向于高建筑、高密度、小型化、多样化、生态化。多功能的高建筑可有效地提高资源及能源的利用率,减少污染,增加绿地面积,改善交通环境,十分适合人多地少的中国国情。

    与传统的城市相比,生态城市的发展有明显不同模式。生态城市强调经济的高效而不是高速;基于社会的开放而不是封闭。与“生态平衡”的提法不同,生态城市重视自然的和谐而不是平衡,一个发展中的生态系统应不断有新的组成加入、新的关系产生,不平衡是绝对的,平衡是相对的。与此相对应,可持续发展从系统观点出发,将自然、经济、社会诸因素综合起来统筹考虑,在社会、经济及资源管理中进行综合规划,强调在协调中发展,在发展中保护。因此可以认为,可持续城市及生态城市的概念与实践是可持续发展理论在城市规划与建设中的具体应用。从城市生态学角度来看,可持续发展的核心就是通过维持与保护城市生态系统服务功能来保护人类的生存环境。

    任何一个生态系统都具有其生态特异性,生态城市或可持续城市的建设也应该不拘一格,每一个生态城市都应体现出其自身的区域特色。由于受地域分异、气候变差、人文历史的影响,我国各地生态城市建设应遵循生态城市的多样化原则。可持续发展的概念目前仍留有许多问题尚待探讨,可持续发展并不可能使所有的部门或行业受益,也不可能通过决策的改变及系统功能的调整而迅速实现可持续发展的长远目标。相反,在生态城市建设的初期会遇到来自不同方面的阻力。建设生态城的最终目的是依据生态学原理优化城市内部各系统之间以及城市与周边环境之间的生态依存关系,提高系统的自我调节能力,在低投入、低能耗的前提下依靠科学规划实现因地制宜的持续发展。城市生态系统是否能够持续发展取决于系统自我调节功能的强弱。自然生态系统通过自然选择及种间竞争、共生而使生态系统达到相对平衡,而作为具有高依赖性的城市生态系统的稳定与持续则取决于自然、社会、经济三个亚系统之间的协调程度。其中,各个子系统信息的灵敏度及政府部门的决策合理性对该系统的平衡和稳定起着至关重要的作用。