全球變化與城市生態(tài)

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(diǎn)。物質(zhì)生產(chǎn)和人類消費(fèi)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(shí)城市垃圾排放影響著城市本身到全球性區(qū)域多個(gè)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10%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(gè)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(jì)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(yuǎn)的生態(tài)系統(tǒng)提供服務(wù)。在20世紀(jì)的大部分時(shí)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(xiàn)甚微。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(jìn)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(xiàng)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(jìn)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(gè)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)用途，這些都?xì)w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(yuǎn)遠(yuǎn)超出他們的城市邊界--"生態(tài)足跡"一個(gè)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(shí)，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(gè)高度分層的精英城市過度的需求將導(dǎo)致生產(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(dá)米亞的鹽漬化)(10)。雖然最近全球化趨勢不斷加劇，幾個(gè)世紀(jì)前歐洲消費(fèi)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)槟翀觥Ｍ瑫r(shí)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(jī)會在城市中心日益和經(jīng)濟(jì)市場的需要。人類水文系統(tǒng)的修改縱觀歷史，因?yàn)榭衫玫乃?，城市如雨后春筍般沿著河流和三角洲拔地而起。這些水道離不開修改。在城市,水是絲絲縷縷的，不僅供家庭使用，而且用于工業(yè)過程，充足的衛(wèi)生設(shè)施，防止自然災(zāi)害(洪水、颶風(fēng)和海嘯)。因此，人類已經(jīng)修改水道系統(tǒng)來滿足大量常常存在相互矛盾的目標(biāo)。設(shè)計(jì)或改變溪流、河流、洪水通道、運(yùn)河和其他水道系統(tǒng)服務(wù)城市地區(qū)，不僅復(fù)制取代了水生生態(tài)系統(tǒng)，而且保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的流失（除了他們設(shè)計(jì)的像水運(yùn)和送水服務(wù)）。因此，很少有模型系統(tǒng)用來比較此些高度改變環(huán)境。一些人呼吁恢復(fù)在城市地區(qū)的溪流(45)，而另一些人則主張研究和管理這些獨(dú)特的設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)，以優(yōu)化城市人口的服務(wù)。在這些服務(wù)中，將包括防洪、多樣的水生生物棲息地，營養(yǎng)的保留和地方感。在城市地區(qū)對水道系統(tǒng)最重要的修改為在城市地區(qū)不透水覆蓋增加對溪流的影響，從而改變水文和從建筑,道路,停車場漏斗式累積污染物進(jìn)入河流。在美國點(diǎn)源污染已經(jīng)被規(guī)定，且大幅度減少，但在許多發(fā)展中國家仍然是一個(gè)嚴(yán)重的問題(47)。工業(yè)排放污水，污染河流和湖泊。在新的城市雨水基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)和廢水排放是分開的，但是在歐洲和美國的一些老城市這兩個(gè)流是混合的，造成了嚴(yán)重污染事件。從城市排放的風(fēng)暴和枯水導(dǎo)致當(dāng)?shù)鼗蛏踔羺^(qū)域性下游污染，特別是殺蟲劑和持久性有機(jī)污染物?；瘜W(xué)環(huán)境的變化，暴露的污染物，簡化的地貌結(jié)構(gòu)，和改變城市溪流的水文結(jié)合起來創(chuàng)造一個(gè)生物多樣性低、高營養(yǎng)濃度，減少營養(yǎng)保留效率，并且經(jīng)常提高初級生產(chǎn)的城市流成因"綜合癥"。其它生態(tài)系統(tǒng)功能屬性對城市化作出的反應(yīng)不一致，也許是因?yàn)槌菂^(qū)之間水文變化的程度和形式差異非常大。應(yīng)對城市流綜合癥可能需要放棄"恢復(fù)"流的想法，贊成設(shè)計(jì)性生態(tài)系統(tǒng)。.基于生態(tài)設(shè)計(jì)一個(gè)新穎的水生生態(tài)城市變得越來越普遍，其成功之處在于例證其保護(hù)河流泛濫平原、改造小區(qū)雨水流道，并使用捕獲低強(qiáng)度雨水/水系統(tǒng)作為解決城市雨水管理的創(chuàng)作性方案。城市生態(tài)多樣性的改變在城市，城市化和郊區(qū)化通常減少了大多數(shù)生物群落物種豐富度和均勻度(如。(48,50)],盡管增加鳥類(51)和節(jié)肢動物的豐度和生物量(52)。因?yàn)槌鞘凶阚E遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過城市邊界,城市化在區(qū)域和全球尺度上也可減少本地物種多樣性(圖2)。舉例來說，南半球出現(xiàn)在一些候鳥豐度下降與北半球出現(xiàn)城市擴(kuò)張有關(guān)(53)。這種模式有兩個(gè)例外值得注意:(i)相對于荒地城市植物物種豐富度和均勻度都經(jīng)常增加(54-56),可能由于高度異構(gòu)的棲息地,加上人類引入外來物種和首選物種在景觀碼中很少有個(gè)人的偏好。(ii)城市化后的鳥類物種豐富度可以達(dá)到中級水平,因?yàn)樵黾舆吘壣车漠愘|(zhì)性(57).人類常常直接控制植物豐富度、均勻度和密度。個(gè)別的人類和機(jī)構(gòu)不直接控制其他大部分物種功能團(tuán)（食草動物,食肉動物,寄生蟲,雜食動物,腐食者），或它們營養(yǎng)相互作用，除了選擇害蟲物種和有意引入，馴化食草動物和食肉動物(如貓)。人類決定城市植物群落，通?；谏鐣?jīng)濟(jì)地位，形成這些其他功能團(tuán)物種的模板。提出豐富度和均勻度變化的機(jī)制包括提高速度和生產(chǎn)力的季節(jié)性變化，放松對主要物種的捕食，增加一些城市物種的競爭能力，或者增加那些不太成功城市物種的寄生蟲壓力。這些假設(shè)并不是相互排斥的。城市競爭對手導(dǎo)致某些物種可能變得更好，因?yàn)樗鼈冡尫盘鞌?。城市化進(jìn)展也改變了物種群落的組成。在城市中，當(dāng)城市物種重新組合成為新的物種時(shí)，生物群落往往不同于周圍其他物種。例如,在種食蟲物種鳥類中常轉(zhuǎn)向更多為食種子的物(51)，節(jié)肢動物群落可能從更專業(yè)轉(zhuǎn)向大眾化的物種(62)。在農(nóng)村和城市河岸土壤中的線蟲多樣性并不改變，但功能成分變化使得城市土壤中食肉和雜食性物種比在農(nóng)村土壤少(63)。全球范圍內(nèi)的多樣性,麥金尼(64)認(rèn)為城市是偉大的均質(zhì)化部隊(duì),一些"適應(yīng)城市"的物種在全球的城市中變的更普遍了，并成為本地種的一部分，通常物種適應(yīng)邊緣成為當(dāng)?shù)睾偷貐^(qū)性豐富的物種往往以犧牲本地種為代價(jià)。這種均質(zhì)化的陸生、水生群落通過城市化以不同的速率在不同的地理區(qū)域獲得收益取決于人口增長和物種組成。城市環(huán)境是一個(gè)強(qiáng)大的選擇性力量，改變行為，酶活性以及這些城市中的生物形態(tài)。人為的改變同時(shí)具有直接的（如建筑結(jié)構(gòu)、生活環(huán)境的變化和破碎的班塊，野生動物的飼養(yǎng)）還有間接的（如改變溫度、生產(chǎn)力和光照，噪音和空氣污染）都可能會導(dǎo)致短期的城市生物體表型的變化。從長遠(yuǎn)來看,城市環(huán)境在群體遺傳學(xué)和城市物種的生活史特征中作為一個(gè)強(qiáng)大的進(jìn)化力量(68)。人類生物體對選擇城市環(huán)境的行為沒有免疫。社會結(jié)構(gòu)和交換作用，生理和健康，形態(tài)（如肥胖）甚至長期變化使得人類城市居民的基因可能與城市生活有關(guān)。鑒于城市土地使用和它的足跡將繼續(xù)擴(kuò)大在世界范圍內(nèi),對維持生物多樣性和功能和其相關(guān)的在城市內(nèi)或城市附件生態(tài)服務(wù)的預(yù)知似乎是很可怕然而,加強(qiáng)保護(hù)措施保護(hù)現(xiàn)有的自然或半自然棲息地或重建城市內(nèi)或附近的的棲息地可能改善這些生理變化(69)。引入外來物種結(jié)合一些城市的熱島效應(yīng)實(shí)際上可能提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，例如土壤礦化。此外，和諧生態(tài)學(xué)下的棲息地極大地改變了人類使用設(shè)計(jì),空間安排,和管理最大的生物多樣性，同時(shí)提供經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和生態(tài)服務(wù)，提供了巨大的希望，生態(tài)學(xué)家將越來越多的要求幫助幫助設(shè)計(jì)和管理新的城市和重建舊的城市。城市給生態(tài)學(xué)家提供了一個(gè)真實(shí)的世界實(shí)驗(yàn)室用于了解這些基本模式和流程，并服務(wù)于城市規(guī)劃師、工程師和建筑師，用于實(shí)現(xiàn)最大化的維持生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能的政策。隨著在城市或附近的人類生活不斷的增加，這些都是人類生物群體所經(jīng)歷的，人類聯(lián)系和接觸城市性質(zhì)取代了自然生物多樣性的經(jīng)歷。矛盾的是，這些人類非本地的，全球"均質(zhì)器"的經(jīng)驗(yàn)，如鴿子，對于人造環(huán)境而言，復(fù)雜的保護(hù)全球生物多樣性可能是必要的。前景城市是集中生產(chǎn)、消費(fèi)和廢物處理的中，驅(qū)動著土地變化，也使其成為全球環(huán)境問題的熱點(diǎn)。在某些地方，他心們代表了全球環(huán)境變化的縮影,并為豐富生態(tài)和全球變化科學(xué)