全球变化与城市生态

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1、全球变化与城市生态摘要：城市地区是推动多尺度环境变化的热点。物质生产和人类消费的需求改变着从城市本身到地域性的土地利用与覆盖，生物多样性和水循环系统，同时城市垃圾排放影响着城市本身到全球性区域多个尺度的生物地球化学循环与气候。而对于城市本身而言，全球环境变化已被当地显著的环境变化所掩盖。城市生态学集自然科学和社会科学，研究如何根本性地改变当地环境及其对区域和全球影响等此些问题。现今城市可持续发展的问题和解决方案均面临着全球城市化不断发展的挑战。人类现在正在经历一场引人注目的城市生活转移，然而1900年只有10%的全球人口是城市居民，现在这一比例超过50

2、%，且在未来50年将增加更多(图1)。95%以上的全球净增长人口将在发展中国家的城市,这将接近今天大多数工业化国家80%的城市化水平。此外，个别城市发展到前所未有的规模，几乎所有新的大城市(>1000万，按照惯例)均出现在发展中国家(图1)。城市人口的增长伴随着经济增长和人口结构的变化，尤其是在人口众多的中国和印度。更多的生产需求需要附近和遥远的生态系统提供服务。在20世纪的大部分时间里生态学家们避开城市地区，其结果是导致生态知识对解决城市环境问题作出的贡献甚微。然而,最近越来越多的生态学家与其他科学家、规划师和工程师合作，旨在了解并进一步形成此些优越

3、的生态系统。随着在10年前建立在国家科学基金会资助的美国城市研究项目和其不同于之前的努力(见第1部分引用的可支持在线材料)，城市生态学也已经开始改变生态学这门学科。城市生态学集成了自然科学和社会科学的理论和方法研究城市生态系统的模式和流程。城市生态进化的概念框架视城市为具有异质性和动态的景观与复杂、自适应性的社会生态系统。在该生态系统中，提供生态系统服务需链接多尺度下的社会和生态系统。城市生态学家们寻求城市生态系统中的共性，认识城市生态系统内的社会生态是如何相互作用的，以及他们扮演着环境变化的驱动者和响应者。在此，我们专注于五大类型的全球环境变化与城市

4、生态系统的相互影响(图2)：即土地利用和覆盖变化，生物地球化学循环、气候、水循环系统和生物多样性。我们认为城市本身为许多全球性变化的缩影，这些信息测试案例用于解释社会生态系统的动力学和响应变化。城市化对土地利用和覆盖变化的影响在过去的一个世纪前所未有的城市人口增长率发生在小于3%的全球陆地表面，但其影响是全球性的，有78%的碳排放，60%的居民用水，和76%的木材用于工业用途，这些都归因于城市(6)。土地变化用于建设城市和支持城市人口本身的需求，并驱动其他类型的环境变化(图2)。城市居民依赖于生态系统的生产力和同化能力远远超出他们的城市边界——“生态足

5、迹”一个城市成千上百次占领其所在区域——用于产生能量流动，物质和非物质的服务(包括废物吸收)，维持人类健康和生活质量(7、8)。同时，大城市群是人类聪明才智的标志，在人均基础上比小城市和乡镇或农村可能需要更少的资源(9)(见第2节中引用的支持在线材料；图S1和S2和表S1)。甚至在古代，一个高度分层的精英城市过度的需求将导致生产性景观的退化，最终导致成功社会的崩溃(例如公元前3年美索不达米亚的盐渍化)(10)。虽然最近全球化趋势不断加剧，几个世纪前欧洲消费者的需求导致殖民土地的森林砍伐，最近西半球国家对牛肉的需求改变了新的世界，使得许多热带雨林转变为牧

6、场。同时在区域范围内，由人口流动带来的土地利用变化最明显。感知机会在城市中心日益增长，而农村的设置机会缺乏，造成景观退化和不平衡的经济系统，使得迁移成为了20世纪下半个世纪整个时期内最伟大的人类环境实验。仅在中国，超过3亿人可能会搬到城市，改变他们家乡的景观和这种持续建设城市的强大力量已经令人难以置信。从长远来看，短缺的建筑材料如金属、煤炭、水泥、和木材可能会限制中国的城市化，然而，对此施加压力还有全球基础设施的增长(13)。城市化会增加班块碎片和多样性，这可表示为更多的边缘（即不同土地覆盖类型之间的接口）或更小的班块（如亚利桑那州中部的城市、住宅区和

7、沙漠用地班块分别为20、100和650公顷）。城市土地利用通常会留下受生态特征影响的景观遗产。在凤凰城，例如40年后以前农业土地仍可表现出独特的土壤生物地球化学性质且经过几个世纪在该地区和其他地方仍可显示农业遗产。一篇饱受争议的城市规划假设认为，城市的形态跟随土地利用模式功能，导致土地利用的多样性安排(18)。然而，最近的一项研究发现表明中国的四个集中式城市形态在形状、大小和增长率上有不尽相同的经济和政治驱动程序。土地使用政策(即分区，主计划，增长边界)帮助确定城市形式及其影响，但西雅图地区的一项长期研究发现，加大管理力度来使得增长边界内增加住房密度却

8、无意间鼓励农村低密度住宅的扩张和荒地面积变多。当地规模城市生态中心的城市设计和建筑之间的关系，