丘陵地区城市生态系统的生态流

2.2　丘陵地区城市生态系统的生态流

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、空间等因素与城市的外部环境密切地联系起来，支持着城市生态系统的协调发展，从而实现城市的新陈代谢功能。

2.2.1　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，以维持这个系统的正常运转（图2.3）。

图2.3　城市能量流简图

城市生态系统的能量来源有很多种，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。按能源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，转变为另一种形态的能源，如电力、煤气、柴油等。

对能源进行评价是一个十分复杂的研究课题，它涉及政治、国防、社会经济、资源和技术等许多方面。从生态学角度看，各种能源各有利弊（表2.1）。

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、电以及化学能等方式输出到系统外（图2.4）。

表2.1　从生态学角度对各种能源利弊的比较

图2.4　城市生态系统的能量收支示意图

目前我国总的能源状况具有能源产量低、人均能量少、且分布不均匀的特征。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。城市能源的问题十分复杂，从生态学观点看，未来城市能源利用总趋势如下。

1）充分利用能量资源，力推节能减排

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。这些问题均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，1吨商品煤变为民用煤气，其效率相当于1.9吨煤的直接燃烧。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，还应研究改进煤的燃烧技术，以提高热效和降低污染。

2）大力发展生物能源

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大量沼气，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结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，还有利于废物处理。此外，城市垃圾作为现代城市的一大公害，日益困扰城市；而其中却含有大量的有机废弃物，分级处理后的垃圾能用于生产沼气。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，同时因为技术的发展有阶段性，所以，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，例如太阳能、风能、核能以及页岩气等等。

2.2.2　城市生态系统的物质流

从地球化学的观点来看，城市是一个物质循环系统，具有物质的输入、输出和内部的转移变化。弄清物质的收支转移和变化，不仅有助于全面认识城市生态系统特征，同时也有助于解决城市所面临的各种问题。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（图2.5）。

图2.5　城市生态系统的能量收支示意图

从城市外部进入城市的物质输入分为天然输入和人工输入两大部分，前者如空气、大部分水以及其他含水的物质，是由天然的空气流动和大气降水、河水、地下水等方式流进城市内部；后者包括原材料、生产资料以及生活资料，这些是人工生产的物质经过各种运输工具以及建造的特殊管道线输入城市。

不同规模、不同性质的城市，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日渐衰落。

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类型。城市生态系统中的食物代谢主要通过食物链实现，主要表现为两种类型：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。

水是城市的生命线，既是食物，又是原料，同时还是传递物质和能量的载体。因而它成为城市生活和生产中必不可少的物质、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，由于水库、下水道等的修建，增加了人工控制的城市给水排水系统。上述两种因素相互结合、错综复杂（图2.6）。

图2.6　自然界水循环示意图

2.2.3　城市生态系统的信息流

城市生态系统的信息(Information)既具有一般生态系统的特征，又具有其独特的内涵，而且还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。

城市应具有大容量的信息流。因为城市既是现代政治、经济、文化中心，也是信息中心，对周围地区具有最大的辐射力和凝聚力。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，如激光排版的印刷技术、卫星接收与发射通讯技术、电子计算机、激光信息技术等；同时，城市还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。邮政、电讯、国际互联网是现代化城市基础设施的主要组成部分，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。尤其是国际互联网Internet的迅速发展和普及，为城市信息流提供了更为高效广阔的媒介，这就大大地缩短了城市间的时空距离，提高信息交流的效率，因而就进一步推动城市的快速发展。

城市信息系统研究是一项不可缺少、不可限量的重要基础工作；而且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。在它的知识库里，存储着应用于城市发展、规划管理以及城市设计等诸多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。城市信息系统不仅是一个复杂的、多学科的社会性工作；而且还是历史的、动态的科学档案。更为重要的是，城市信息系统具有较强的实用性。因此，城市信息系统的建立，必须根据城市特点，有目标、有计划、有步骤地进行。