第七章 城市生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)流

1、Zuo Qiting第七章第七章 城市生態(tài)系統(tǒng)城市生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)流的生態(tài)流Zuo Qitingv生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能是統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)和功能是統(tǒng)一的v結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)是指系統(tǒng)的組成成分及其相互聯(lián)結(jié)的方式，是指系統(tǒng)的組成成分及其相互聯(lián)結(jié)的方式，v功能功能是指貫穿系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的各種過程的狀態(tài)變化，是指貫穿系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的各種過程的狀態(tài)變化，結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)，而功能則是結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)。結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)，而功能則是結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)。v本章重點(diǎn)討論城市生態(tài)系統(tǒng)的功能。本章重點(diǎn)討論城市生態(tài)系統(tǒng)的功能。 Zuo Qitingv城市生態(tài)系統(tǒng)最基本的功能是生活和生產(chǎn)最基本的功能是生活和生產(chǎn)，具體表現(xiàn)為城市的物質(zhì)生產(chǎn)、物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)

2、以物質(zhì)生產(chǎn)、物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)以及信息傳遞及信息傳遞等.v這些循環(huán)流動(dòng)把城市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的生活、生產(chǎn)、資源、環(huán)境、時(shí)間、空間等各個(gè)組分以及外部環(huán)境聯(lián)系了起來，v這一切 “生態(tài)流”（ecological flow），實(shí)現(xiàn)了城市的新陳代謝(urban metabolism)。Zuo Qiting第一節(jié)第一節(jié) 城市生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)代謝城市生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)代謝v 城市也是一個(gè)物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，它也有城市也是一個(gè)物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，它也有物質(zhì)的輸入、輸出和內(nèi)部的轉(zhuǎn)移變化。物質(zhì)的輸入、輸出和內(nèi)部的轉(zhuǎn)移變化。城市的物質(zhì)代謝可概括表示如圖城市的物質(zhì)代謝可概括表示如圖8一一1。Zuo Qitingv 從市外進(jìn)入城市的物質(zhì)有天然

3、輸入的和人工輸入的兩部分兩部分：v天然輸入空氣、大部分水以及其中含有的物質(zhì)；v人工輸入包括原材料、生產(chǎn)資料以及生活資料。由人工生產(chǎn)，經(jīng)過各種運(yùn)輸工具以及建造的特殊管線輸入城市的。 Zuo Qitingv在某一時(shí)間內(nèi)，城市空間中存在的物質(zhì)總量稱為城市生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)存量（現(xiàn)存量（standing mass）。v城市現(xiàn)存量不包括巖石圈。v城市中存在著物質(zhì)的輸入與輸出，在一定時(shí)間內(nèi)物質(zhì)收支之差就是這個(gè)現(xiàn)存量的變量。Zuo Qitingv現(xiàn)存量：現(xiàn)存量：調(diào)查方法也還存在許多問題，理論上可以設(shè)想，實(shí)際上幾乎無法辦到。v當(dāng)前只能利用統(tǒng)計(jì)資料采取間接推算的辦法，此外，也可以利用照片，特別是航片作為推算建筑物和樹

4、木體積、質(zhì)量的重要輔助手段。 Zuo Qitingv 城市物質(zhì)的輸入和輸出的吞吐量很大。v不同規(guī)模、不同性質(zhì)的城市，其輸入、輸出的規(guī)模、性質(zhì)、代謝水平不同。 工業(yè)城市工業(yè)城市的輸入以原料、能源為主，輸出以加工產(chǎn)品為主， 風(fēng)景旅游城市風(fēng)景旅游城市的輸入以消費(fèi)品為主，輸出中廢棄物比重較大， 交通與港口城市交通與港口城市的輸入與輸出以中轉(zhuǎn)物資為主等等。Zuo Qitingv 輸入和輸出收支平衡的城市輸入和輸出收支平衡的城市（輸入略大于輸出，用于城市居民生理、生活的需要），其規(guī)模內(nèi)部積蓄量變動(dòng)較小，維持相對的動(dòng)態(tài)平衡；v輸入大大超過輸出的城市輸入大大超過輸出的城市，是發(fā)展型的城市；v輸入比輸出小很多的

5、城市輸入比輸出小很多的城市，表明城市的整體規(guī)模衰落。Zuo Qiting 一、城市的食物代謝一、城市的食物代謝v城市中人群的食物包括許多有機(jī)物和無機(jī)物，按其性質(zhì)可分為植物性食品、動(dòng)物性食品以及無機(jī)鹽等。城市生態(tài)系統(tǒng)中的食物代謝是通過食物鏈實(shí)現(xiàn)的。Zuo Qitingv城市生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈可以概括為兩大基本類型：v栽培食物鏈，栽培食物鏈，主要是通過人工栽培或飼養(yǎng)植物和動(dòng)物，以供人們食用；v野生食物鏈，野生食物鏈，主要是通過各種捕獲采集方式從自然界中獲得的野生生物，它的前期是在自然界進(jìn)行的。 Zuo Qitingv城市中的食物鏈?zhǔn)欠浅?fù)雜的，要弄清楚這些食物鏈的環(huán)節(jié)須進(jìn)行許多分析，其中包括：v（

6、1）食物鏈中的各種生物的名稱、數(shù)量、分布、季節(jié)變動(dòng)以及可利用程度等。v（2）食物鏈中的各種生物生長的條件以及它們的作用范圍。v（3）各種生物在食物鏈中的位置，它們和食物鏈中其他生物的關(guān)系，以及種群動(dòng)態(tài)和遺傳特征。Zuo Qitingv（4）這些物種的生理學(xué)特性以及它們對環(huán)境污染的反應(yīng)，特別是有害物質(zhì)在體內(nèi)的累積及其效應(yīng)等。v（5）這些物種與人類的關(guān)系。 v如果這些弄清楚了，食品不光能在數(shù)量上滿足人類，更重要的是在品質(zhì)上也能得到保證，這是要多學(xué)科配合才能完成。 Zuo Qitingv 從城市食物代謝一般研究來說，主要是研究各類食品的供應(yīng)數(shù)量、來源、消耗和排泄物處理與去路等。Zuo Qiting食

7、品安全食品安全綠色食品是中國政府主推的一個(gè)認(rèn)證農(nóng)產(chǎn)品，他有綠色AA級，和A級之分，而其AA級的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)接近于有機(jī)農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。綠色食品是普通耕作方式生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品向有機(jī)食品過渡的一種食品形式。有機(jī)食品是食品行業(yè)的最高標(biāo)準(zhǔn)。Zuo Qiting 二、城市的水循環(huán)二、城市的水循環(huán)v水是城市的生命線，它既是食物，又是原料，還是傳遞物質(zhì)和能量的載體，是城市生活和生產(chǎn)中必不可少的物質(zhì)。v為了維持生存，人每天至少需要22.5升水，一般的生活需要5升，加上衛(wèi)生方面的用途共需4050升。 Zuo Qitingv 發(fā)達(dá)國家城市居民每人每日平均用水量為300500L（包括工業(yè)用水）。v發(fā)展中國家約100300L。v全世

8、界用水量最高的是芝加哥（824 L）、次為莫斯科、華盛頓（700L）、再次為紐約、大阪（600 L）和巴黎（450L）。v1996年，我國城市人均日用水量208L，其中上海287L，北京269L，天津 128L。Zuo Qitingv水是城市里流量最大流速最快的流量最大流速最快的物質(zhì)物質(zhì)，在現(xiàn)代化城市中用水量更高。v在人為影響下的城市中的水循環(huán)與空曠地有很大不同。Zuo Qitingv布魯塞爾：v面積1618km2，人口100.75萬，水量的主要來源是降水，全年從降水中獲得的水量為113X106t，其中71.8滲入地下，28.2左右用于蒸發(fā)和蒸騰，v城市的用水，包括工業(yè)生產(chǎn)用水，每人每天以 1

9、56L計(jì)，全年約 57.37 X 106t這部分水量主要靠徑流及地下水供應(yīng)，最終又以廢水排出。Zuo Qitingv工業(yè)水循環(huán)利用，可以緩和用水不足，保證居民用水的基本需要。v日本工業(yè)用水的復(fù)用率，1979年已達(dá)73.1%。v君津鋼鐵廠每煉一噸鋼鐵需用水150噸，每日耗水280萬噸，相當(dāng)于東京市區(qū)自來水供應(yīng)量的一半，但該廠回收率達(dá) 95，每天僅需補(bǔ)充新水14萬噸。全日本已有114個(gè)城市建立了“中水道”，專門收集仍可使用的工業(yè)廢水，供居民洗滌、澆園之用。v我國工業(yè)用水復(fù)用率不到20%Zuo Qitingv我國水資源不豐富，中國水資源總量居世界第6，但人均水資源量是世界平均水平的14，列全球第88

10、位，屬于缺水國家。 v中國的淡水資源人均擁有量是美國的四分之一，前蘇聯(lián)的七分之一。660個(gè)城市3/4以上城市缺水,水源不足已成為限制城市發(fā)展的重要因素。v尋找新的水源，提高城市水循環(huán)的利用率是當(dāng)務(wù)之急。Zuo Qitingv用水問題：v城市用水多。v排放水中含有污染物問題：化學(xué)物質(zhì)、放射性物質(zhì)、油類等特殊物質(zhì)，其量雖小，造成的問題卻不可忽視。 Zuo Qiting用水安全用水安全v我國1949年僅72個(gè)城市有自來水廠，1982年底增加到226個(gè)市，日供水3 425萬噸，比1949年增加了13倍，用水人口8 102萬人，普及率 84。1996年底，城市用水普及率已達(dá)95，用水人口21996萬人，

11、日供水12 769萬噸。Zuo Qiting三、城市的氧氣代謝三、城市的氧氣代謝v城市內(nèi)主要的氧氣消耗：v其中一部分與生物活動(dòng)有關(guān)；v另一部分是以各種化合物燃料為主的有機(jī)物燃燒時(shí)所消耗的氧氣v由于上述原因以及因氧氣同城市氣體中的氫氣、一氧化碳等發(fā)生反應(yīng)，形成了CO2、NOx、SOx等氧化物或水。Zuo Qitingv城市呼吸和燃燒，消耗了大量氧氣并積累了二氧化碳，在大氣交換不充分，造成城市局部地區(qū)氧氣供應(yīng)不足，對人體健康帶來危害。v任何發(fā)達(dá)的生產(chǎn)技術(shù)都還不能代替植物的光合作用。綠色植物，特別是樹木能吸收利用大量的二氧化碳并放出氧氣，這對城市生態(tài)系統(tǒng)的生存與氣候穩(wěn)定有著很大的影響。Zuo Qit

12、ingv上海1996年人口為1304萬，面積為6340km2僅滿足市民呼吸氧氣及二氧化碳固定平衡，全市就需有130km2的森林，占上海市土地面積的2.0，如加上城市生產(chǎn)等其他活動(dòng)的耗氧，上述數(shù)值還將大大增加。v 立體森林立體森林_住宅設(shè)計(jì)住宅設(shè)計(jì)米蘭，意大利項(xiàng)目設(shè)計(jì)：博埃里建筑事務(wù)所委托任務(wù)：住宅綜合體年份：2006 設(shè)計(jì)，2010 開始建造客戶：Hines Italia srl建筑面積：21000平方米住宅，6000平方米辦公，850平方米零售，2000平方米文化娛樂，15000平方米綠地，32000平方米停車立體森林是一個(gè)新型生態(tài)建筑的實(shí)驗(yàn)作品。設(shè)計(jì)的基本概念是在城市中心區(qū)，不通過侵占城市

13、土地來增加城市綠化率。這個(gè)實(shí)驗(yàn)包括了2個(gè)分別高110米與76米的住宅塔樓。在這兩個(gè)塔樓上將種植900棵樹木和2000多株花卉灌木。她們將根據(jù)陽光，高度等因素來確定分布在建筑上位置。建造這些垂直綠化相當(dāng)于安插了一個(gè)7000平方米的森林在城市之中，其產(chǎn)生的微觀環(huán)境將為住戶提供氧氣的同時(shí)吸收多余的二氧化碳和雜塵。Zuo Qiting二氧化碳的排放二氧化碳的排放v 算算你的碳排放量：v http:/ Qiting第二節(jié)第二節(jié) 城市生態(tài)系統(tǒng)的能流城市生態(tài)系統(tǒng)的能流v城市生態(tài)系統(tǒng)中的一切活動(dòng)都要靠消耗各種形式的能量來維持，能量是作功的能力。Zuo Qitingv根據(jù)熱力學(xué)第一定律和第二定律，城市生態(tài)系統(tǒng)中

14、的能量可從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，但在能量傳遞過程中，并不能百分之百地轉(zhuǎn)變?yōu)闈撃?，一部分能量在維持系統(tǒng)的活動(dòng)中被消耗掉；v因而，城市生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)城市生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化的效率是有限的，不可能化的效率是有限的，不可能是很高的。是很高的。Zuo Qitingv一個(gè)城市的能流強(qiáng)度，也就是它的能量消費(fèi)，可以代表這個(gè)城市的發(fā)展水平，也是衡量城市居民生活水平的主要指標(biāo)。v一般情況下，能量的消費(fèi)量和國民生產(chǎn)總值的增長量是成正比的。能量不足就會(huì)影響城市發(fā)展，甚至造成重大損失。 Zuo Qiting一、城市能源一、城市能源v按來源：自然能源、礦物能源和生物能源。 自然能源：太陽能、風(fēng)能、潮汐能、地?zé)崮艿龋?

15、礦物能源：煤、石油、天然氣及其制品； 生物能源：沼氣、秸稈、木材等。v按能源利用方式可分為一次能源和二次能源。Zuo Qitingv一次能源是指從自然界直接取得、而不改變其基本形態(tài)的能源，有時(shí)也稱為初級能源。v二次能源是一次能源經(jīng)過加工，轉(zhuǎn)變成另一種形態(tài)的能源，如電力、煤氣、柴油等。v一次能源和二次能源很難有明確的定義和區(qū)分。Zuo Qitingv常規(guī)能源：當(dāng)前被廣泛利用的一次能源；v新能源：目前尚未被廣泛利用而正在積極研究以便推廣利用的一次能源。v一次能源又可劃分為可再生的能源和不可再生的能源。Zuo Qitingv我國能源資源豐富，但人均占有量比較低。我國城市以煤炭為主要能源，越來越多的城

16、市走向利用煤氣或電力作為能源。Zuo Qitingv下一代能源應(yīng)具備的基本條件：下一代能源應(yīng)具備的基本條件：v儲(chǔ)藏量大，最好是可再生的能源；v清潔而安全，對環(huán)境影響盡可能?。籿使用方便且能連續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)；v技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理。v從現(xiàn)在的觀點(diǎn)看，大規(guī)模地開發(fā)太陽能和核聚變能，以及用太陽能直接分解水蒸汽或電解水制氫作為燃料，并綜合開發(fā)其他能源，是建設(shè)未來城市能源體系的重要途徑。城市根據(jù)其礦物能源供應(yīng)情城市根據(jù)其礦物能源供應(yīng)情況可以劃分為以下幾個(gè)類型：況可以劃分為以下幾個(gè)類型：v（1）富能城市：這類城市本身具有豐富的能源，能夠滿足城市本身發(fā)展的需要，甚至可以輸出一部分，如山西大同、陽泉、河南平頂山等。v（2

17、）有能城市：這類城市本身具有部分能源，但不能滿足需要，還要外部供給部分能源，如南京、西安等。v（3）缺能城市：這類城市本身缺乏能源，需依賴外部供應(yīng)才能發(fā)展，如上海、天津等。v我國一些富能城市正在轉(zhuǎn)化為有能甚至缺能城市。Zuo Qiting 二、城市生態(tài)系統(tǒng)的能量收支二、城市生態(tài)系統(tǒng)的能量收支v城市生態(tài)系統(tǒng)的能量輸入包括兩大部分，一部分是太陽輻射能和其他自然能；v另一部分是附加的輔助能，又稱體外能，如化石燃料、食品等。Zuo Qitingv 城市能量收支平衡方程式可表示為：v E =（ElE2E3E4E5）（Q1Q2Q3）v 城市的太陽輻射輸入（E1）是城市自然能輸入的主要部分，它因城市的地理位

18、置和所處地形部位而不同，一般隨緯度增加而減少，隨海拔上升而增加，同時(shí)也受其他氣候因素以及大氣污染影響。Zuo Qitingv其他自然能：如風(fēng)能、地?zé)帷⒊毕芤约八δ埽‥2）等，由于它們的局地性和對技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求較高，目前還只能在少數(shù)城市中得到應(yīng)用。在城市的輔助能量中，電力（E3）以及各種化石燃料燃燒（E4）占有最大的份額，在現(xiàn)代城市中沒有電一切活動(dòng)都難以進(jìn)行。 1931年的10月21日,全美同時(shí)熄燈一分鐘,(就連自由女神像的燈也不例外)為了紀(jì)念三天前去世的偉人,愛迪生!其實(shí)在愛迪生一去世當(dāng)天即有人向國會(huì)提出熄燈來紀(jì)念他,只是如此大規(guī)模的停電,所將造成的損失和災(zāi)難,無人能估計(jì),所以美國國會(huì)不敢貿(mào)

19、然決定,這也是為何他們晚了三天才決定以熄燈來紀(jì)念這為偉大的發(fā)明家的主要原因。Zuo Qitingv在城市的能量收支中還有一個(gè)重要部分就是食物中的能量（E5），v城市中大量的人口需要食物供應(yīng)。每個(gè)居民每天需由食物中獲得的熱量，約為 10 46412 557kJ。v城市能量輸出包括熱散失（Ql），以電、聲形式的能量輸出（Q2）和輸出產(chǎn)品中的能量（Q3）。Zuo Qiting三、能源與城市的發(fā)展三、能源與城市的發(fā)展v 1.城市的能量指標(biāo)v 城市的能量供應(yīng)、消耗和分配是城市發(fā)展水平和發(fā)展?jié)摿Φ臉?biāo)志，v （1）人均占有能源量和耗能量?？勺鳛槌鞘袊窠?jīng)濟(jì)發(fā)展的綜合指標(biāo)，人均占有能源量高的城市有利于其發(fā)展，

20、表明城市有較大的發(fā)展?jié)摿?。Zuo Qitingv(2）單位地表每年得到的太陽輻射總量及當(dāng)?shù)氐谝恍陨a(chǎn)者貯存的能量。v城市的太陽輻射能除了用于水分蒸發(fā)和空氣加熱外，還有一部分為植物所利用，生產(chǎn)有機(jī)物。這部分貯存在植物中的能量對于維持城市生態(tài)平衡具有重要的作用，也是許多城市自然能利用狀況的重要指標(biāo)。Zuo Qitingv(3）附加能量的利用分配情況。數(shù)量及比例反映著城市的性質(zhì)和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)特征。v (4）能量利用效率。實(shí)際利用能量與投入能量之比即能量利用效率。v (5）單位產(chǎn)值能耗。我國多用萬元產(chǎn)值能耗作指標(biāo)，這是一個(gè)純經(jīng)濟(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，有助于衡量能量的經(jīng)濟(jì)效益和能量的分配。Zuo Qitingv 2城市發(fā)

21、展對能源需求的預(yù)測v 城市的能量需求是一個(gè)很復(fù)雜的問題，它取決于國民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)與人口增長的速度。能源消費(fèi)構(gòu)成、能源價(jià)格政策以及人民生活水平等多種因素。要對它進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測并不十分容易，目前還沒有預(yù)測長期能源需求的可靠方法，通常采用以下兩種預(yù)測方法：Zuo Qitingv（1）人均能量消費(fèi)法。具體做法有兩種：v 按人民生活中衣食住行對能源需求估算。v按人均國民生產(chǎn)總值達(dá) 1000美元時(shí)對能源需求計(jì)算。Zuo Qitingv（2）能源消費(fèi)彈性系數(shù)法。此法較適合于預(yù)測長期能源需求量。Zuo Qitingv 能源消費(fèi)彈性系數(shù)e等于能源消費(fèi)年平均增長率與工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的年平均增長率之比，其關(guān)系的數(shù)學(xué)式

22、如下：v dE/E dE Gv e = - = - . -v dG/G dG Ev 式中，E為能源消費(fèi)量，G為工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值，我國常采用國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）,西方國家多采用國民生產(chǎn)總值（GNP）。v Zuo Qitingv能源消費(fèi)彈性系數(shù)e雖然受到經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)不同的影響，但它遵循一個(gè)共同規(guī)律，即在工業(yè)化初期或國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時(shí)期，工業(yè)生產(chǎn)比重上升，超過農(nóng)業(yè)生產(chǎn)比重，能源消耗的年平均增長速度超過國民生產(chǎn)總值年平均增長速度一倍以上，能源消耗增長系數(shù)e一般大于1,甚至超過2。Zuo Qitingv隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和技術(shù)水平的提高，石油、天然氣的大量應(yīng)用，燃料利用的熱效率不斷提高，人口增長率降低，國民經(jīng)

23、濟(jì)結(jié)構(gòu)改變，能源消費(fèi)增長系數(shù)e普遍下降，大多數(shù)低于1，一般為0.41.1。Zuo Qiting3城市能源利用的未來趨勢城市能源利用的未來趨勢v 我國總的能源情況是：v能源產(chǎn)量低，人均能量少，分布不均勻，能源構(gòu)成以煤炭為主，一些城市的能源供應(yīng)緊張，已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的限制因素。城市能源利用問題十分復(fù)雜，從生態(tài)學(xué)觀點(diǎn)看，城市能源利用的未來趨勢有以下幾方面：Zuo Qitingv （1）充分利用能量資源、減少浪費(fèi)。v （2）發(fā)展生物能源、開發(fā)垃圾能源，建立合理化的生產(chǎn)消費(fèi)體系。Zuo Qitingv（3）開發(fā)無污染少污染的新能源。v 大力開發(fā)太陽能。v 大力開發(fā)水力發(fā)電。v 發(fā)展核電。v v（4）控制城市人口，加強(qiáng)能量利用與人類生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系的研究。Zuo Qiting第三節(jié)第三節(jié) 城市生態(tài)系統(tǒng)的信息流城市生態(tài)系統(tǒng)的信息流v 城市生態(tài)系統(tǒng)中的信息傳遞是一個(gè)比較新的研究領(lǐng)域，。v 信息一詞來自拉丁文