第三讲-城市生态系统结构与功能

1城市生态学第三讲城市生态系统结构与功能2第三讲城市生态系统结构与功能•一、城市生态系统的概念与结构•二、城市生态系统的功能•三、城市生态流•四、城市生态系统的特性•五、城市生态位与城市生态演替第一节城市生态系统的概念与结构4一、城市生态系统的概念城市是人类技术进步、经济发展和社会文明的结晶，是加工物资、提练信息的高效场所。与乡村相比，城市是人口、物资高度密集，环境改变十分激烈的人工生态系统。城市由“城”和“市”组成“日中为市，各易而退，各得其所”6一、城市生态系统的概念城市生态系统是城市空间范围内的居民与自然环境和人工建造的社会环境相互作用形成的统一体，属人工生态系统。由于以人的生产和生活活动为核心，城市在自然生态系统的基础上，增加了社会和经济两个子系统，我们称其为社会--经济--自然复合生态系统。在此复合系统中，最活跃的积极因素是人，最强烈的破坏因素也是人。城市生态系统既是自然生态系统发展到一定阶段的结果，也是人类生态系统发展到一定阶段的结果。7一、城市生态系统的概念城市生态系统兼有复杂的社会属性和自然属性两方面的内容：一方面，人是社会经济活动的主体，以其特有的文明和智慧驱使大自然为自己服务，使物质生产和生活水平以正反馈为特征持续上升；另一方面，人毕竟是大自然的一员，其一切宏观性质的活动，都不能违背自然生态系统的基本规律，都受到自然地理条件的负反馈约束和控制。这两种力量间的基本冲突，正是复合生态系统的一个最基本的特征。。8二、城市生态系统的结构城市生态系统社会、经济系统自然系统生物部分非生物部分生物部分非生物部分城市人群人工栽培植物饲养动物各种产业部城市建筑物、公共设施各种污染物及公害陆地生物群落水生生物群落植物群落动物群落微生物群光、热、大气、水、岩石、土壤行道树人工林家庭养的鱼、鸟公园中的动物水生植物群落水生动物群落水生微生物群落天然森林灌丛杂草群落栖息在居民区周围的动物群其它动物群体空气中的微生物土壤中的微生物图1-1城市生态系统构成（引自金岚等，1992）9•城市生态系统可分为社会、经济、自然三个亚系统，各个亚系统又可分为不同层次的子系统，彼此互为环境。城市生态学要研究的就是这些不同层次内各组分间相生相克的复杂关系。•1.自然生态亚系统以生物结构及物理结构为主线，它以生物与环境的协同共生及环境对城市活动的支持、容纳、缓冲及净化为特征。2.社会生态亚系统以人口为中心，它是高密度的人口和高强度的生活消费为特征。二、城市生态系统的结构103.经济亚系统以资源（能源、物资、信息资金等）为核心，以物资从分散向集中的高密度运转，能量从低质向高质的高强度集聚，信息从低序向高序的连续积累为特征。总之，自然子系统是基础，经济子系统是命脉，社会子系统是主导。它们相辅相成、相生相克，导致了城市这个复合体复杂的矛盾运动。二、城市生态系统的结构11•1.自然生态亚系统•城市的有形部分是自然生态亚系统，它可分为物理结构和生物结构两部。•1.1城市生态系统的物理结构•城市是存在于地球表面并占有一定地理空间的一种物质形状，其物理结构包括自然环境和人工环境两部分：二、城市生态系统的结构12•1.1.1城市的自然环境•城市地貌•城市气候•城市水文•城市土壤•城市大气二、城市生态系统的结构城市小气候最突出的表现是“热岛效应”，即市区温度比郊区高，市中心比一般市区高；城市愈大表现愈突出。13•城市的热量平衡与城市热岛效应热量平衡−人为热的大量输入:工业生产、家庭炉灶、空调制冷、机动车排放、冬季取暖等−下垫面导热率高出乡村3倍,热容量较乡村大1/3倍,因而贮热量大−热收入远高于乡村二、城市生态系统的结构14城市热岛效应•城市热岛(urbanheatisland)—城市内部气温比周围郊区高的现象，城市气候中最典型的特征之一，无论是在中高纬度或低纬度地区，这一现象均普遍存在。•城市热岛效应可以从两个方面来分析：•同一时间城市和郊区气温的对比•同一城市历史发展过程中气温的前后对比二、城市生态系统的结构15城、郊气温对比•Tu-r—热岛强度=同时间同高度(离地1.5m)热岛中心与近郊的气温差值。•“城市热岛”矗立在农村较凉的“海洋”之上,国内外均如此:•冬季傍晚上海市区比郊外要高2~5C;•巴黎城中心年均温比郊区高1.7C二、城市生态系统的结构城市生态学－第一讲16城市热岛温度剖面示意图二、城市生态系统的结构城市生态学－第一讲17二、城市生态系统的结构18城市发展过程中气温的前后对比•随城市化发展,市区呈现出越来越暖的趋势.如东京历史时期气温逐年变化可分三个阶段•1920~1942年:气温变化趋势逐年上升(城市发展)•1942~1945年:气温变化趋势逐年下降(值第二次世界大战期间,东京城市受到大规模的破坏,城市热岛效应不存在)•1945~1967年:气温变化趋势逐年上升(战后城市建设迅速恢复,气温又开始回升)二、城市生态系统的结构19城市热岛强度的变化周期性•日变化:夜晚强,白昼午间弱•年变化:冬秋两季比夏春两季表现更明显,可能归因于冬季城市取暖耗能较多,释放大量人为热量•周变化:明显受工休日周期影响,周末弱,周内强二、城市生态系统的结构城市生态学－第一讲20维也纳城市和郊区气温差值的日变化21城市星期一星期二星期三星期四星期五星期六星期日平均纽黑文(1939~1943)0.60.70.60.70.60.60.30.6巴尔的摩(1971~1975)0.91.00.80.70.70.40.20.7美国两座城市冬季热岛强度Tu-r(℃)的周变化22非周期性−临界风速：风速大则热岛效应小，超过临界风速时则消失−云量：强热岛大多出现在无云的天气状态下季节热岛消失的风速（m/s）春4~5夏2~3秋5冬5~6北京地区热岛消失的临界风速二、城市生态系统的结构23城市热岛强度的地区差异•城市热岛强度与城市的布局形状、城市地形等有密切关系。团块状紧凑布局，城中心增温效应强。条形分散结构，城中心增温效应弱。盆地或凹地，由于风速小，热岛效应特别强，这里不仅抵消了冷空气的下沉作用，反而成为最暖的热岛中心•城市规模（面积、人口及其密度等）对热岛强度亦有影响二、城市生态系统的结构24城市规模与城乡气温(夜晚)差别的关系旧金山圣约瑟帕阿尔托城市面积(km2)116.8138.3322.27居民人口数(万人)78.410.13.3居民密度(人/km2)671226351481夜晚平均城乡气温差(℃)5.6~6.73.9~52.2~3.325城市附近自然景观以及城市内部下垫面性质亦对城市热岛强度起一定作用。无绿化的宽阔街道和广场，到中午时剧烈增温，在夜里又急剧冷却，气温日振幅最大。林荫道和有绿化的广场白昼较凉爽，气温的日振幅较小二、城市生态系统的结构2601时07时13时19时公园内27.128.331.828.3公园附近街道27.929.232.929.3两处气温差0.80.91.11.0上海市区公园同其附近街道的气温平均差值(℃)27表1-1各类环境中颗粒物数量的比较（微粒数/立方厘米空气）平均最大最小绝对最大城市小城镇农村海岸海洋14700034000950095009403790001140006650033400468049000590010501650840400000040000033600015000039800微粒是指直径5微米的颗粒。污染物纯洁大气城市大气颗粒物二氧化硫二氧化碳一氧化碳氮氧化物碳氢化合物0．01-0．02mg/m310-3—10-2ppm310—330ppm1ppm10-3—10-2ppm1ppm0.07—0.7mg/m30.02—2ppm350—700ppm5—200ppm10-2—10-1ppm1-20ppm表1-2城市空气与纯洁大气中的污染物浓度范围•城市大气•城市水文•城市土壤28•1.1.2城市的人工环境生产设施、生活设施及基础设施•基础设施城市水源、自来水厂与输配水管网、排水系统及污水处理道路、桥梁、隧道、公共交通城市煤气热力厂及输配管网、电力输配网邮电通讯园林绿化、环境卫生安全防御：防洪、消防、抗震、控制地面沉降二、城市生态系统的结构29•城市基础设施是国民经济基础设施的重要组成部分，为城市的生产、流通、消费和国民经济服务，具有明显的经济、社会与环境生态效益，是城市生产与城市居民正常生活的基本保证•城市基础设施也是城市现代化水平和文明程度的重要标志二、城市生态系统的结构城市生态学－第一讲30城市基础设施体系与人体生理机能比拟城市基础设施体系功能与作用相当于人体生理机能骨胳支撑道路交通系统建立城市整体与延伸的分支体系构架,疏导人流车流物流体液循环给排水系统供给用水,处理废水能源供应系统(供电,供热,供气)产生能源组织能源流通摄食,消化,过滤,排泄环境卫生系统处理回收废物流园林绿地系统净化生态环境,美化景观呼吸和美容装饰邮电通讯系统传输和交换信息感觉和神经控制反应城市防灾系统(防洪,消防,抗震,控制沉降)防止自然和人为灾害防护和免疫31•我国的城市化往往发展不平衡,城市人口增长速度远快于城市基础设施建设。基础设施水平与西方国家相比,处于相当落后的状态,如:北方城市几乎全部缺水,日缺水达15106t以上;排水设施城市供水紧张落后,97%的污水未经处理排入江河,造成水体污染城市道路短缺,交通拥挤:地铁线路尤其匮乏二、城市生态系统的结构32•城市居民住房紧张:人均不足10m2•城市绿化覆盖率低:许多城市未达国家标准二、城市生态系统的结构33•1.2城市生物结构•1.2.1生境特点•生存空间狭窄:群落在条带状或斑块状存在；•自然光照少,人工光照多:夜间照明导致。24h持续光照,一方面有利于植物生长,另一方面也对植物生长产生间接不利影响:主要体现在植物更易于受到大气污染和早霜的伤害,这一现象被称为光污染；二、城市生态系统的结构34小气候:温度高、湿度低、风速小,造成物候期较郊区提前土壤：盐离子浓、紧实度大、质地较粗生境类型•表面蒸发蒸腾强烈生境:公园绿地,绿化良好而宽阔的街道,河流湖泊周边,夏季气温较低、湿度较高,冬季较周围区偏冷,适合多种生物生存•空旷干燥生境:未绿化的宽阔街道和广场,高温、干旱,不适于耐旱性差植物生存二、城市生态系统的结构35•封闭狭窄生境:狭窄的街区、被高大建筑物环绕的小空地;夏季气温低,风速小;冬季暖,小气候条件良好,适合许多生物生存•人类活动产生的特殊生境：•屋顶(干旱,阳光充足,瓦松生长)•建筑物外墙(越老越利于植物生长)•路旁(污染严重,改变种间竞争关系,地衣/苔藓生长受抑)•铁道侧(热条件好,喜城市植物可沿此分布很远)二、城市生态系统的结构36•1.2.2城市植物群落的区系特征•城市植物—通常指仅限于城市地区出现的植物种类，主要包括以下两类：•以建筑群密集地段为最佳生境，在城市以外地带缺失或即使存在，但只选择该地带内有限的特殊生境的种类，这类植物通常被称为喜城市环境种(urbanophileplant)，如野大麦(Hordeummurinum)，大蒜芥(Sisymbriumaltissimum)等。二、城市生态系统的结构37生活的最佳生境局限于城市环境，或者说是受人类活动强烈影响的环境，即城市或乡镇附近，在城市以外地方亦可存在，这类植物被称为城市环境中立种(urbanneutralplant)，如大车前(Plantagomajor)，黄花柳(Salixcaprea)。那些明显回避城市生境的植物(多为典型的森林植物)，即使他们有时也出现在城市地区，但并不能被认为属于城市植物，通常他们被称为厌城市环境种(urbanphobplant)。二、城市生态系统的结构38城市植物区系的特征①乡土植物种类减少，人工散布植物种类增加。人工散布植物是指随着人类活动而散布的植物，诸如农作物和杂草等，也包括人类有意或无意引入，后来逸出野生化了的植物，这类植物也称归化植物。城市化的迅速发展，促使人工散布植物分布范围不断扩大。一般认为城市化程度越高，人工散布植物在植物区系总种数中所占的