第十讲人工生态系统

第十章人工生态系统人类出现在地球上后，为了自身的生存，就开始了对自然环境的改造。通过人类的创造性活动，现在的地球环境中，除了自然生态系统，还有人类创造的人工生态系统。这就是一万年前左右开始的农业革命，创造的农业生态系统；以及两百年前开始的工业革命，创造的近代城市生态系统。农业生态系统1.农业生态系统的成分与结构农民在桑林茂密的园林内建造两层楼房，楼上住人，楼下是养蚕“工厂”，旁边是池塘。池塘上有水上厕所，粪便以及养蚕工厂的废料——蚕沙和蚕渣，供作养鱼的饲料，而塘泥则是植物的肥料，从而构成一个完整的小型农业生态系统。2.农业生态系统的特点及其评价农业生态系统的生产者——农作物，初级消费者——家畜、家禽都是人工创造的。作为绿色植物的农作物，其光能转换率比野生植物光能转移率要高，有的可达1.3％。在现代的生态农场中，使太阳能变为生物能的转换率，最高的可比野生植物乃至农作物高出4～12倍。另一方面，由于除了人类以外，只有初级消费者：家畜、家禽，所以，食物链很短。包括人类在内，食物链营养级只有2-3级，因此，光能的利用率较高。农业生态系统是完全由人类控制其功能而发挥作用的，尽管它仍然受着其它自然因素的影响。农业生态系统创造以来，在人类的发展过程中起着重大作用。农业生态系统出现以前，地球上全部自然生态系统的总生产量大约只能维持一千万人口的生存。自从有了农业生态系统，人类的食物供应有了保障，维持的人口数，从一万年前的数百万直到今天的数十亿。直到今天，人类的食物供应，仍然是仰赖于一万年以前创造的农业生态系统。农业生态系统是基本上符合生态学规律的。它具有类似自然生态系统的基本功能，而又比自然生态系统优越，因而，人类创造的农业生态系统基本上是成功的。但是，由于人口增长的压力，农业生态系统的负载过重，因而，对地球环境中的土圈，也造成了局部的破坏。表现在对土壤过分耕种，造成土壤损耗。古代我国黄河流域的水土流失、北非大片土地的沙漠化，就是例证。当然，对环境造成的这些局部破坏，不是由于农业生态系统本身具有的性质造成的，而是“超载”给系统造成的压力之结果。城市生态系统一城市生态系统的概念及特点二城市生态系统的结构和功能三生态城市一、城市生态系统的概念及特点1城市生态系统的概念城市生态系统是人类通过社会经济活动在改造和适应自然环境的基础上建立起来的一种典型的社会—经济—自然复合生态系统或人工生态系统。人是城市生态系统中最重要的组成部分，不仅数量大，而且是系统的主宰。拥有10万以上人口，住房、工商业、行政、文化娱乐等建筑物占50％以上面积，具有较为发达的交通线网和车辆来往频繁的人类集居区域，即可称为城市生态系统。年份全世界发达国家发展中国家总人口（亿）城市人口（%）人口数（亿）城市人口（%）人口数（亿）城市人口（%）19502529953161619804439126932292000605014814941世界城市人口统计表2城市生态系统的特点（1）城市生态系统是人工生态系统城市及城市生态系统是通过人的劳动和智慧创造出来的，人工控制与人工作用对它的存在和发展起着决定性的作用。大量的人工设施叠加于自然环境之上，形成了显著的人工化的特点。但是人工控制是在自然控制的大背景下起作用的，必然受到太阳辐射、气温、气候、风、水源状况等自然因素控制。（2）城市生态系统是以人为主体的生态系统城市生态系统中，人口高度集中，其他生物的种类和数量都很少。动物群落基本上是家养动物群落，其生存除部分受气候与疾病等的影响外，基本不受天敌的威胁，而主要受人的支配。人是城市生态系统中主要的消费者。家养动物A.自然生态系统中生物量金字塔；B.城市生态系统中生物量的倒金字塔。在城市生态系统中，生产者、消费者所占的比例，与其在自然生态系统中的比例正好相反，是以消费者为主的倒三角形营养结构。（3）城市生态系统的不完整性a）城市生态系统缺乏分解者城市生态系统缺乏分解者或者分解者功能微弱。城市生态系统中的废弃物不可能由分解者就地分解，几乎全部都需输送到化粪池、污染处理厂或垃圾处理场由人工设施进行处理。b）城市生态系统的生产者发生变化城市生态系统中的“绿色植物”不仅数量少，而且作用也发生了改变。主要功能成了美化景观，消除污染和净化空气。城市生态系统必须靠外部所提供植物产品来满足城市生态系统消费者的需求。(4)能量和物质流量巨大、转换迅速的开放系统•城市中的植物，其主要作用已变为美化环境、消除污染和净化空气。•由于植物产量远远不能满足当地消费者的粮食需要，必须从城市以外输入。•需要异地分解废弃物（污水厂、化粪池、垃圾场等）因此，大量、高速的输入输出流、能量、物质和信息在系统中高度浓集，高速转化。(5)城市生态系统的脆弱性（1）靠外力才能维持的系统城市生态系统不是一个自给自足的系统，需要外力才能维持。（2）城市生态系统破坏了自然调节机能城市生态系统的高集中性、高强度性以及人为的因素，产生了城市污染，也出现了热岛效应，逆温层的产生及地形的变化等等。这一切破坏了自然调节机能，加剧了城市生态系统的脆弱性。（3）食物链的简化使系统调节能力差在城市生态系统中食物链是植物→人；植物→食草动物→人，而且作为生产者的植物，绝大多数都是来自周围其他系统，系统内初级生产者绿色植物的地位和作用已完全不同于自然生态系统。（4）营养关系出现倒置使系统不稳定城市生态系统与自然生态系统的营养关系形成的金字塔截然不同，而是一个倒金字塔的情况，所以不如自然生态系统稳定。1城市生态系统的结构城市生态系统的结构是指这个系统内包括哪些组成部分或子系统。它着重反映系统的空间因素及其相互作用，由于不同专业的研究角度和出发点不同，所以城市生态系统的划分也各异。二城市生态系统的结构和功能⑴社会学家划分的城市生态系统城市生态系统城市社会城市空间人工环境自然环境城市居民城市组织人口结构劳动结构智力结构政治组织、经济组织文化组织、群众组织家庭组织人工设施（建成区环境）施工环境基础设施生产设施生活服务设施自然资源土地、空气、淡水食物、能源、原料地域环境地质、地貌、气候水文、土壤、生物城市生态系统生物系统城市居民家养生物野生生物非生物系统⑵环境生态学家提出的城市生态系统结构图非生物系统人工物质系统住宅与公共建筑物道路设施工厂交通运输通讯设施市政管网设施环境资源系统气域水域土地矿产能源系统生物能（食物等）自然能化石燃料城市生态系统的物质流可分自然推动的物质流和人工推动的物质流。前者如空气流动、自然水体流动等，可称作资源流；后者即交通运输等。城市生态系统的物质流包括人口流、劳力流、智力流、价值流、货物流、资源流。(1)物质交流（物质流）(2)能流流动（能流）2城市生态系统的功能(3)信息传递（信息流）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。对于政治中心、文化中心、科学中心、商业中心城市，这一功能尤其重要。城市的输出物中，除了物质产品和废物外，还有精神产品，这就要靠信息流完成。信息流也是附于物质流中的，报纸、广告、电台和收音机、电视台和电视机、书刊、信件、电话、照片等等都是信息的载体。人的各种活动，如集会、交谈、讲课、表演等等，也在交流信息。信息的流量反映了城市的发展水平和现代化程度。能流、物质流和信息流，最能体现城市的特点、职能、发展水平和趋势，反映城市的要求、活动强度和对环境的影响等。目前世界各大城市的能流、物流强度均处于极高状态，这必然对环境产生不可低估的影响。三生态城市城市化是人类社会发展与进步的必然趋势。随着经济技术的飞速发展，城市的数量猛增，而且城市规模变大，不仅出现上千万人口的大都市，而且还向城市群、城市带以及国际性大都市发展。城市化发展过快，规模过大，人类活动对自然界的影响强度和范围都要增加，产生的环境污染、资源匮乏、交通拥塞等等城市环境问题也将更为严重。城市的一角沙尘天气是我国近年来城市环境的首要敌人，破坏力极大。•生活在大城市还有多少幸福感？”这样的讨论已经成了北京、上海等大城市的热门话题。如今，交通拥堵、环境污染、入托难、就医难等诸多问题已经严重困扰城市居民的生活。•这些不尽如人意的表现有一个简单的名字：城市病，指的是人口过于向大城市集中而引发的一系列社会问题。中国的城市化已进入了高速发展阶段，而且这种快速增长势头将持续较长时期。中国城市要么按照美国汽车——高速公路——城市蔓延——石油社会的模式去发展经济，重蹈美国破坏世界环境的覆辙，要么就必须利用这个人类历史的重要时机，面对汽车时代固有的毛病挑战，选择一条可持续发展的新路——生态城市的道路。目前，国内外许多城市把生态城市作为城市发展的目标，如国外的法兰克福市、罗马市、莫斯科市、华盛顿市、悉尼市等，再如国内的大连、厦门、杭州、苏州、威海、扬州等。说大连是浪漫的，一点也不假。宽广的广场很多，且每一个广场都是经过精心的设计和策划的，主题很清晰，每一棵树、每块绿草地，都看得出设计者的良苦用心！大连生态城市的概念目前国内最权威并进入百科全书和许多教科书的定义是：按生态学原理建立起来的一类社会、经济、自然协调发展，物质、能量、信息高效利用，生态良性循环的人类聚居地。生态城市必然是一个绿化非常好的城市，而绿化非常好的城市不一定是生态城市。下面对生态城市作进一步描绘：（a）市民素质高（b）天蓝地绿水清（c）资源高度利用（d）产业结构优化（e）城市规划科学弗莱堡城马路边的生态墙日本的地球中心客房部建造生态屋顶来给底楼大厅降温城市楼房的立体绿化很有助于改善局部环境质量弗莱堡居民区铺设的透雨水路面2004年10月27日，在韩国首都汉城，环保主义者戴着防毒面具骑自行车游行。环保主义者们旨在用这种方式提醒人们为了减轻大气污染多使用公共交通工具，少开私家车。马路两边的多层植被有利于改善城市空气质量生态城市弗莱堡中随处可见天然植被人工生态系统展望1生态农业新村北京留民营，该村家家户户建有太阳灶和沼气池，基本上解决了生活用能；养殖家畜、家禽盖有“二层楼”，“二层楼”的上层养鸡、养兔，下层养猪，鸡、兔的粪通过隔板进到猪圈，可以做猪的一部分饲料；猪粪和厕所的粪便流入沼气池，加上青草和农作物杆发酵产生沼气获得生物能，沼气池渣和沼气水是种菜、种草的肥料，菜叶和草又可以喂鸡、养兔……。马雅农场的废物循环途径菲律宾的马雅农场也是一个较完善的人工生态系统，一个生态农业单位。它由庄稼地、猪场、牛场、饲料加工厂、沼气厂以及其他农牧产品加工厂、污泥处理池和养鱼池等组成。2未来的城市为了尽可能保持原有的自然生态系统，有人对未来的城市提出下列一些设想，如：（1）悬式城市：即于两端建造巨型铁塔，其间的钢索下悬吊楼房和道路等，城市底下是郁郁葱葱的绿地。（2）树状城市：建造树状铁塔，楼房造于各“树”的“分枝”上，各“树”间用钢索滑车进行交通，“树”下一片葱绿。（3）阶梯城：城中楼房高矮不一，并把一幢楼的楼顶造成是另外一幢楼的花园，或果园，或农田。研究表明，绿色植物保护了建筑的屋顶，吸收了灰尘，排除了氧，是出色的保护层，也是极好的保暖层。这些设想的主要意义在于防止人类生活与生产活动破坏自然的环境，使城市生态系统与原有的自然生态系统结合起来，在不违反自然客观规律的基础上，利用并改造环境。工业——农业——能源生产相结合的城市框图建立工业、农业和能源生产相结合的新型城市，做到农村现代化、城市田园化、农业工厂化和工厂园林化，实现整个废弃物的闭路循环，最佳地维持自然之间和自然与社会之间的生态平衡，就能协调好经济效益和环境效益之间的关系。3贝尔纳星球半个多世纪前，英国科学家贝尔纳就想到，人类可以生活在环绕太阳运行的人造星球上。美国科学家提出了具体方案：在位于月球环绕地球运行的轨道上，在距地球月球相等的位置，建造一个巨大的容器，内部保持大气，并由旋转产生人造的重力，做为永久的空间居住点，直径可为几公里或更大，居住数万、乃至更多的人。在住人的中央圆球两旁，各有一环状农业区，为空间居民提供食物。球外用许多反射镜组成一个环，把阳光反射到居住区内。人们称这种容器为“贝尔纳星球”。