城市生态系统的生态流

2023-11-19 理论教育版权反馈

【摘要】：因此，城市生态系统的能量转化效率是有限的，且必须以不同形式给城市生态系统补充能源，以维持系统的正常运转。阐明这些物质的收支、转移和变化，不仅有助于对城市生态系统特征的认识，而且是解决城市各种问题的基础。

城市生态系统最基本的功能是城市居民的生活和生产，具体表现为城市的物质生产、物质循环、能量流动和信息传递等形式的生态流，正是这种循环流动把城市生态系统内的生活、生产、资源、环境、时间、空间等，以及城市的外部环境密切联系起来，支持着城市生态系统的协调发展，实现了城市的新陈代谢。

1.城市生态系统的能量流

城市生态系统中的一切活动都要靠消耗各种形式的能量来维持。根据热力学第一定律和热力学第二定律，城市生态系统中的能量可以从一种形式转变为另一种形式，但在能量传递转换过程中，总有一部分能量在维持系统的活动中被消耗，其能量转换效率不可能达到百分之百。因此，城市生态系统的能量转化效率是有限的，且必须以不同形式给城市生态系统补充能源，以维持系统的正常运转。

1）城市生态系统的能量来源

能源种类很多，按照来源特点可分为自然能源、矿物能源和生物能源。自然能源包括太阳能、风能、潮汐能、地热能等；矿物能源包括煤、石油、天然气及其制品；生物能源包括沼气、秸秆、木材等。能源按利用方式又可分为一次能源和二次能源。一次能源是指从自然界直接取得而不改变其基本形态的能源，有时也称为初级能源，如太阳光能、风能、煤、石油、天然气等；二次能源是在一次能源的基础上经过加工，转变成的另一种形态的能源，如电力、煤气、柴油等。

根据矿物能源供应情况可以将城市分为三类。①富能城市。这类城市本身具有丰富的能源，能够满足城市本身发展的需要，甚至可以输出一部分能源，如太原市、大庆市。②有能城市。这类城市本身具有部分能源，但不能满足需求，还需要外部供给部分能源，如南京市、西安市等。③缺能城市。这类城市本身缺乏能源，依赖于大量的外部能源供应，如上海市、天津市等。

2）城市生态系统的能量收支

城市生态系统的能量输入包括两大部分：一部分是太阳辐射能和其他形式的自然能源（如风能、水力、地热等）；另一部分是附加的辅助能，又称体外能，如化石燃料、食物能等。这些能量在使用过程中将改变形态，如化石能燃烧、食物能在体内氧化转变为热能等。进入城市的能量，一部分以热能或化学能的形式储存起来，另一部分则以热、声、光、电以及化学能的方式输出到系统外。

3）城市能源利用的发展趋势

我国总的能源情况是：能源产量低，人均能源少，分布不均匀，能源构成以煤炭为主，部分城市能源供应紧张，已成为经济发展的限制因素。城市能源利用问题十分复杂，从生态学观点看，城市能源利用的未来总趋势有以下几方面。

（1）充分利用能量资源，减少浪费。我国目前的能源结构以煤为主，存在着利用率低、经济效益低、环境污染严重和运输量大等问题。这些问题都在不同程度上与城市的环境紧密相关，因此合理利用燃煤是解决城市能源和环境问题的关键。首先，可以考虑把煤转化为气体燃料或液体燃料，并加以综合利用，从而提高热效率和经济效益，并防止污染和减轻运输负担。据推算，1t商品煤变为民用煤气，其效率相当于1.9 t煤的直接燃烧。因此，实现城市煤气化，不仅是建设现代化城市的一个组成部分，同时也是解决能源供应和环境污染的重要措施。此外，还要研究改进煤的燃烧技术，以提高热效率和降低污染。

（2）发展生物能源。积极发展沼气是解决能源问题的重要措施，农村地区发展沼气已有许多成功的经验，在城市也可以利用有机废弃物生产沼气。北美和西欧的许多国家很早就利用城市污水处理厂生产沼气并作为动力能源来使用，如1951年联邦德国就有48个污水处理厂提供了1600×104 m3沼气能源，其中3.4%用于发电，51.4%转化为车用燃料，28.5%用于城市煤气系统，16.7%用于加热沼气分解器。这样，污水处理厂不但节省了能源消耗，还能向外供应能源。我国中、小城市以及大城市的城乡接合部都有条件发展沼气能源，特别是城市近郊的大型养殖场推广沼气利用既能解决部分燃料供应问题，还有利于废物处理。此外，城市生活垃圾中含有大量的有机废弃物，将分级处理后的垃圾用于生产沼气，开发垃圾能源，实现废物资源化，有着广阔的前景。

（3）开发无污染或少污染的新兴能源。我国土地辽阔，城市分布在不同的自然条件下，能量储量的差异很大，同时技术的发展也有阶段性。因此，必须根据当时当地的具体情况，开发无污染或少污染的新兴能源。①深层次开发太阳能利用方式。太阳能是洁净的、用之不尽的可再生能源，加强太阳能的利用，不仅可缓解能源问题，而且能减轻城市生态系统的环境污染。据报道，在三天内投射到地球的太阳能等于全世界煤、石油、天然气的探明储量，一个采光面为2 m2的太阳灶，总热值相当于一个1000 W的电炉，可满足六口之家的生活用能。由此可见，开发太阳能发电系统具有很大的潜力。②大力开发水力发电。我国水利资源丰富，已经开发的尚不足5%，尤其是西南地区，水利资源极为丰富，地质地形条件很好，为发展水电事业提供了有利条件。③发展核电。核电站的燃料费用低廉，发电成本要比火力发电低20%～35%，并已证实在严格的管理下是安全可靠的。当然，核电站的建设应十分慎重，对废料的处置更应重视，严格防止产生放射性污染。此外，在有条件的地方，还可开发潮汐能、风能和地热能等自然能源。

2.城市生态系统的物质流

1）城市物质代谢的一般特征

从地球化学观点看，城市也是一个物质循环系统，它具有物质的输入、输出和内部的转移变化。阐明这些物质的收支、转移和变化，不仅有助于对城市生态系统特征的认识，而且是解决城市各种问题的基础。研究城市的物质代谢，首先要对进入和流出城市生态系统的物质进行定量记述，并阐明它们在城市内变化的过程和机制。

从市外进入城市的物质有天然输入和人工输入两大部分，前者如空气、大部分水以及其中含有的物质，它们是由天然的空气流动和大气降水、雨水及地下水流进城市的；后者包括原材料、生产资料及生活资料，这些物质是由人工生产，经过各种运输工具以及建造的特殊管道线输入城市的。

在进入城市生态系统的物质中，一部分在市内不发生变化，仅仅作为流通物质或商品保持原形再输出城市或保留在城市中，另一部分则很快被使用而改变其形态。木材、钢材、水泥、石料等建筑材料，多长期蓄积在市内，变成城市的一部分，同时也扩大了城市的空间；生产原料如煤炭、石油、矿物在市内经加工后，一部分用于市内，一部分运往市外；生产过程中产生的废弃物，一部分留在市内就地处理或再生利用，另一部分则输出市外。物质在市内停留时间的长短，取决于物质的种类、理化性质、用途、社会经济条件等。

不同规模、不同性质的城市，其物质的输入输出规模、性质、代谢水平等各不相同。工业城市的输入以原料、能源为主，输出则以加工产品为主；风景旅游城市的输入以消费品为主，输出中废弃物的比重较大；交通与港口城市的输入输出以中转物质为主，物质材料的输入输出量极大。

输入和输出收支平衡的城市，即输入略大于输出，其规模、内部积蓄变动较小，维持相对的动态平衡。输入大大超过输出的城市，是发展型城市；输入比输出小得多的城市，表明城市的整体规模走向衰落。(www.chuimin.cn)

2）城市食物代谢

城市居民的食物，按其性质可分为植物性食品和动物性食品以及无机盐等。城市生态系统中的食物代谢是通过食物链实现的。其食物链主要表现有两种类型：一类是栽培食物链，主要是通过人工栽培或饲养的农产品，供人们食用；另一类是野生食物链，主要是通过各种捕获采集方式从自然界中获取的野生生物，它的前期是在自然界进行的。

不难想象，城市中的食物链是非常复杂的，既包括自然生态系统遗留的各种食物链和食物网，又包括极为复杂的以人为中心的食物营养关系。要弄清楚整个城市生态系统的食物链营养关系，并描述其食物网，必须进行许多分析，既要描述系统中与人类有关的食物营养关系，还必须描述系统中其他生物相互之间的食物营养关系。

3）城市水循环

水是城市的生命线，它既是食物，又是原料，还是传递物质和能量的载体，是城市生活和生产中必不可少的物质。为了维持生存，一个人每天至少需要饮水2～2.5 L，一般的生活需求约5 L，加上卫生方面的用途每人每天需40～50 L水。

发达国家城市居民每人每日平均用水300～500 L（包括工业用水），发展中国家为100～300 L。全世界人均日用水量最高的是芝加哥（824 L），我国城市人均日用水量为208 L，其中上海287 L，北京269 L，天津128 L。水是城市里流量最大、流速最快的物质，在人为的影响下，城市中的水循环与空旷地有着很大的区别。一方面是由于大量的建筑物和人工铺设的不透水地面，显著地改变了降水、蒸发、蒸腾、渗透以及地表径流等自然循环；另一方面，由于水渠、下水道等的修建，增加了人工控制的城市给水排水系统，两者相互结合、错综复杂。

在此以香港为例来说明城市水分的收支情况。香港的陆地面积1046 km2，其供水包括淡水和海水两部分，淡水主要是降水、内地供水和地下水，并消耗于蒸发、蒸腾、地表径流和居民的生产、生活；海水则主要用于工业、商业和市政建设。

我国淡水资源人均拥有量仅为美国的1/4，我国北方及沿海的一些城市，如北京、天津、西安、济南、青岛、大连等，水源不足已成为限制城市发展的重要因素。因此，提高城市水循环的利用率具有非常重要的意义。

3.城市生态系统的信息流

城市生态系统的信息既具有一般生态系统的特征，也具有其独特的内涵。城市生态系统依赖于其高效运作的信息传递机制，实现系统的稳定持续发展。

1）城市信息流

城市是现代政治、经济、文化中心，也是信息中心，对周围地区具有辐射力与凝聚力。城市的重要功能之一，就是输入分散的、无序的信息，输出经过加工的、集中的、有序的信息。城市有现代化的信息技术以及使用这些技术的专门人才，如包括激光排版在内的印刷技术，包括卫星接收与发射的通信技术，如电报、电话、微电脑、电子计算机、激光全息技术等。城市有完善的新闻传播网络系统，如报纸、电台、电视台、出版社、杂志社、通讯社以及党、政、军决策机关等。因此，城市具有大容量的信息流。

邮政、电信是现代化城市的基础设施之一，为人们的政治、经济、文化、科学技术提供了必不可少的信息，将城市社会再生产的生产、交换、分配、消费四个环节有机联系起来。近年来，移动电话的迅速发展，更将身处不同城市的人们紧密联系，也大大方便了居民的日常生活。

随着国际互联网的迅速发展和普及，有“光的速度、海的容量”之称的宽带网也在很多城市得以应用，为城市信息流传播提供了更为高效的媒介。从信息交流角度来讲，地理距离已不重要，“地球村”开始变得名副其实。

2）城市信息与城市发展

在当今信息时代，信息的价值已得到人们的广泛认可。现代化城市的显著特点之一，就是人们逐步以信息流代替某些物质流，如用电话交谈代替登门拜访，以电视、广播进行教学，以信用卡取代汇款等。信息服务是一个方兴未艾的行业。

城市信息系统涉及城市的许多方面，在它的数据库里，存储着从社会、经济到自然资源的各种因素的信息；在它的知识库里，存储着应用于城市规划发展、建设管理等方面的各种分析模型和软件，它们服务于城市生态系统的各个层次和阶段，满足各个领域的不同需求。早在20世纪30年代，我国就曾利用航空摄影测绘过南昌的地形图。1980年，中国科学院和天津市科学技术委员会组织城市航空遥感试验，对天津市区和郊区进行了土地资源调查和大气、水源、噪声等环境监测，并结合天津市7年来积累的环境监测数据编制了《天津市环境质量图集》。自1983年，在中国科学院环境委员会的主持下，国家计委地理所组织多个单位利用美国陆地卫星影像和我国国土卫星影像，对整个北京、天津、唐山、秦皇岛5.55×104 hm2的面积进行了考察和分析，1990年出版了《京津地区生态环境地图集》，还建立了1 km网络的数据库，设计了地理分析软件系统。上海市也已完成城市规划信息系统的总体设计方案。

城市信息系统研究是一项方兴未艾、不可限量的重要基础工作。概括地说：①城市信息系统是一个复杂的、多学科的社会性工作；②城市信息系统是历史的、动态的科学档案；③城市信息系统的空间结构是多层次的；④城市信息系统需要具有较强的实用性；⑤城市信息系统的建立，必须根据城市特点，针对有限目标，有计划、有步骤地进行。

城市生态系统的生态流

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