第08章城市生态系统的生态流课件

第八章第八章 城市生态系统的生态流城市生态系统的生态流.第八章 城市生态系统的生态流.1生态系统的生态系统的结构和功能是统一的结构和功能是统一的结构结构是指系统的组成成分及其相互联结的是指系统的组成成分及其相互联结的方式，方式，功能功能是指贯穿系统网络的各种过程的状态是指贯穿系统网络的各种过程的状态变化，结构是功能的基础，而功能则是结变化，结构是功能的基础，而功能则是结构的表现。构的表现。本章重点讨论城市生态系统的功能。本章重点讨论城市生态系统的功能。.生态系统的结构和功能是统一的.2城市生态系统最最基基本本的的功功能能是是生生活活和和生生产产，具体表现为城市的物物质质生生产产、物物质质循循环环、能量流动以及信息传递能量流动以及信息传递等.这些循环流动把城市生态系统内的生活、生产、资源、环境、时间、空间等各个组分以及外部环境联系了起来，这一切“生态流”（ecological flow），实现了城市的新陈代谢(urban metabolism)。.城市生态系统最基本的功能是生活和生产，具体表现为城市的物质生3第一节第一节 城市生态系统的物质代谢城市生态系统的物质代谢 城市也是一个物质循环系统，它也有城市也是一个物质循环系统，它也有物质的输入、输出和内部的转移变化。物质的输入、输出和内部的转移变化。城市的物质代谢可概括表示如图城市的物质代谢可概括表示如图8一一1。.第一节 城市生态系统的物质代谢.4.5 从市外进入城市的物质有天然输入的和人工输入的两部分两部分：1.空气、大部分水以及其中含有的物质；2.包括原材料、生产资料以及生活资料。由人工生产，经过各种运输工具以及建造的特殊管线输入城市的。.从市外进入城市的物质有天然输入的和人工输入的两部分：.6.7在某一时间内，城市空间中存在的物质总量称为城市生态系统的现存量（standing mass）。城市现存量不包括岩石圈。城市中存在着物质的输入与输出，在一定时间内物质收支之差就是这个现存量的变量。.在某一时间内，城市空间中存在的物质总量称为城市生态系统的现存8现存量：现存量：调查方法也还存在许多问题，理论上可以设想，实际上几乎无法办到。当前只能利用统计资料采取间接推算的办法，此外，也可以利用照片，特别是航片作为推算建筑物和树木体积、质量的重要辅助手段。.现存量：调查方法也还存在许多问题，理论上可以设想，实际上几乎9对东京都物质现存量进行推算，并用各种元素的现存量加以表示。取材的对象建筑物（钢筋、钢筋混凝土建筑、木建筑、混凝土构件建筑）公路（沥青、水泥）、桥梁、隧洞、铁道、地下街道、上下水道等等。.对东京都物质现存量进行推算，并用各种元素的现存量加以表示。.10推算方法：对于建筑物用每单位面积的材料量乘以总建筑面积，得出东京都内各类物质的现存量，再乘以各物质材料每单位平均含有各元素的比率，求出各元素的总量（表82）。元素只限于主要的，并没有对一切元素都进行分析。.推算方法：.11可以看出，几种主要元素含量，从大到小的顺序依次是：氧硅铁钙铝碳氧硅铁钙铝碳清楚地反映出城市钢铁和水泥的特征，从当前继续进行的城市各种基建工程来看，这种特征将越来越明显。.可以看出，几种主要元素含量，从大到小的顺序依次是：.12 城市物质的输入和输出的吞吐量很大。唐山市唐山市总面积13472km2，其中市区面积1090 km2，总人口为5.95 X106人，其中市区人口1.35 X106人，人口密度 1239人/km2，19811983年唐山市物质流动的估算，平均每年向系统输入物质大约为 3.45 X108t，输出物质大约为3.43 X108t（表 83）。.城市物质的输入和输出的吞吐量很大。.13不同规模、不同性质的城市，其输入、输出的规模、性质、代谢水平不同。工业城市工业城市的输入以原料、能源为主，输出以加工产品为主，风景旅游城市风景旅游城市的输入以消费品为主，输出中废弃物比重较大，交通与港口城市交通与港口城市的输入与输出以中转物资为主等等。.不同规模、不同性质的城市，其输入、输出的规模、性质、代谢水平14 输入和输出收支平衡输入和输出收支平衡（输入略大于输出，用于城市居民生理、生活的需要）的城市，其规模内部积蓄量变动较小，维持相对的动态平衡；输入大大超过输出的城市输入大大超过输出的城市，是发展型的城市；输入比输出小很多的城市输入比输出小很多的城市，表明城市的整体规模衰落。.输入和输出收支平衡（输入略大于输出，用于城市居民生理、生活15 一、城市的食物代谢城市中人群的食物包括许多有机物和无机物，按其性质可分为植物性食品、动物性食品以及无机盐等。城市生态系统中的食物代谢是通过食物链实现的。.一、城市的食物代谢城市中人群的食物包括许多有机物和无机物，16城市生态系统中的食物链可以概括为两大基本类型（图82），栽培食物链，栽培食物链，主要是通过人工栽培或饲养植物和动物，以供人们食用；野生食物链，野生食物链，主要是通过各种捕获采集方式从自然界中获得的野生生物，它的前期是在自然界进行的。.城市生态系统中的食物链可以概括为两大基本类型（图82），.17城市中的食物链是非常复杂的，要弄清楚这些食物链的环节须进行许多分析，其中包括：（1）食物链中的各种生物的名称、数量、分布、季节变动以及可利用程度等。（2）食物链中的各种生物生长的条件以及它们的作用范围。（3）各种生物在食物链中的位置，它们和食物链中其他生物的关系，以及种群动态和遗传特征。.城市中的食物链是非常复杂的，要弄清楚这些食物链的环节须进行许18（4）这些物种的生理学特性以及它们对环境污染的反应，特别是有害物质在体内的积及其效应等。（5）这些物种与人类的关系。如果这些弄清楚了，食品不光能在数量上满足人类，更重要的是在品质上也能得到保证这是要多学科配合才能完成的。.19 从城市食物代谢一般研究来说，主要是研究各类食品的供应数量、来源、消耗和排泄物处理与去路等。表84：上海市居民食物消费量 表86：香港食物的供需情况.从城市食物代谢一般研究来说，主要是研究各类食品的供应数量、20 二、城市的水循环水是城市的生命线，它既是食物，又是原料，还是传递物质和能量的载体，是城市生活和生产中必不可少的物质。为了维持生存，人每天至少需要22.5升水，一般的生活需要5升，加上卫生方面的用途共需4050升。.二、城市的水循环水是城市的生命线，它既是食物，又是原料，还21 发达国家城市居民每人每日平均用水量为300500L（包括工业用水）。发展中国家约100300L。全世界用水量最高的是芝加哥（824 L）、次为莫斯科、华盛顿（700L）、再次为纽约、大阪（600 L）和巴黎（450L）。1996年，我国城市人均日用水量208L，其中上海287L 北京269L，天津 128L。2006年，中国城镇人均生活用水量为每天12L，而农村居民人均生活用水量仅为每天68升.发达国家城市居民每人每日平均用水量为300500L（包括22水是城市里流量最大流速最快的物流量最大流速最快的物质质，在现代化城市中用水量更高。在人为影响下的城市中的水循环与空旷地有很大不同。.水是城市里流量最大流速最快的物质，在现代化城市中用水量更高。23.24布鲁塞尔：面积1618km2，人口100.75万，水量的主要来源是降水，全年从降水中获得的水量为113X106t，其中71.8渗入地下，28.2左右用于蒸发和蒸腾，城市的用水，包括工业生产用水，每人每天以 156L计，全年约 57.37 X 106t（图 83入这部分水量主要靠径流及地下水供应，最终又以废水排出。.布鲁塞尔：.25香港地区的供水包括淡水和海水两部分。东京23个区的水量输入部分：合计 4032 ta。城市各项用水为3153，其余约14直接进入输出部分，在输出部分中经处理后排放的污水为1095，渗漏地下的为260，蒸腾逸散的为 4.2，合计为 1359.2，其余的部分应有 2 673通过蒸发、地表径流以及未处理的污水流出系统。.香港地区的供水包括淡水和海水两部分。.26上海的水量输入部分为：降水量 76 X 108ta，自黄浦江、长江口取水 26 X 108ta。市区每日用水量约 540 X 104t，其中工业用水占40，生活用水占 60。城市污水处理能力为 190 X 104td。.上海的水量输入部分为：降水量 76 X 108ta，自黄浦27工业水循环利用，可以缓和用水不足，保证居民用水的基本需要。日本工业用水的复用率，1979年已达73.1%。君津钢铁厂每炼一吨钢铁需用水150吨，每日耗水280万吨，相当于东京市区自来水供应量的一半，但该厂回收率达 95，每天仅需补充新水14万吨。全日本已有114个城市建立了“中水道”，专门收集仍可使用的工业废水，供居民洗涤、浇园之用。.工业水循环利用，可以缓和用水不足，保证居民用水的基本需要。.28我国1949年仅72个城市有自来水厂，1982年底增加到226个市，日供水3 425万吨，比1949年增加了13倍，用水人口8 102万人，普及率 84，工业用水复用率不到20%。1996年底，城市用水普及率已达95，用水人口21996万人，日供水12 769万吨。.我国1949年仅72个城市有自来水厂，1982年底增加到2229我国水资源不丰富，中国水资源总量居世界第6，但人均水资源量仅为2220立方米，是世界平均水平的14，列全球第88位，属于缺水国家。中国的淡水资源人均拥有量是美国的四分之一，前苏联的七分之一。660个城市3/4以上城市缺水,水源不足已成为限制城市发展的重要因素。寻找新的水源，提高城市水循环的利用率是当务之急。.我国水资源不丰富，中国水资源总量居世界第6，但人均水资源量仅30城市用水多问题。排放水中含有污染物问题：化学物质、放射性物质、油类等特殊物质，其量虽小，造成的问题却不可忽视。.城市用水多问题。.31污水处理场：污水处理场：混悬物质经沉淀后被排出，溶解在水中的部分有机物，由细菌分解使之无机化，一部分变成二氧化碳排到空气中去，但磷酸盐和含氮化合物仍旧随水流走。在这一处理过程中，沉淀的或由微生物分解的物质成为污泥被排出系统。污泥处理不好，还会被雨水或灌溉水溶解而回到水循环中去。.污水处理场：.32进入河流的物质除随废水而来的以外，有很多是被直接抛入的垃圾，或随大雨一起流进河流的地面砂土及废弃物，还有空气中直接沉降到水中的或随雨落下的物质等等。总之，随水发生的物质移动的途径是极其多种多样的。.进入河流的物质除随废水而来的以外，有很多是被直接抛入的垃圾，33三、城市的氧气代谢城市内主要的氧气消耗如图86所示其中一部分与生物活动有关；另一部分是以各种化合物燃料为主的有机物燃烧时所消耗的氧气由于上述原因以及因氧气同城市气体中的氢气、一氧化碳等发生反应，形成了CO2、Nox、SOx等氧化物或水。.三、城市的氧气代谢城市内主要的氧气消耗如图86所示.34城市呼吸和燃烧，消耗了大量氧气并积累了二氧化碳，在大气交换不充分，造成城市局部地区氧气供应不足，对人体健康带来危害。光合作用：光合作用：城市园林绿地能促进大气中二氧化碳与氧气的平衡。植物固定二氧化碳、释放氧气的速率因植物种类、植物生长状况。叶面积大小、地理纬度以及气象因素等不同而异。.城市呼吸和燃烧，消耗了大量氧气并积累了二氧化碳，在大气交换不35资料说明资料说明通常1万平方米的阔叶林在生长季节一天能消耗1t二氧化碳，释放0.73t氧气。如果成年人每天呼吸需氧量为0.75kg，排出二氧化碳为0.90kg，则每人需有10m2的森林面积，就可消耗其呼吸排出的二氧化碳，并供给其需要的氧气。.资料说明.36由此可以看出，绿色植物，特别是树木能吸收利用大量的二氧化碳并放出氧气，这对城市生态系统的生存与气候稳定有着很大的影响。.由此可以看出，绿色植物，特别是树木能吸收利用大量的二氧化碳并37上海1996年人口为1304万，面积为6340km2仅满足市民呼吸氧气及二氧化碳固定平衡，全市就需有130km2的森林，占上海市土地面积的2.0，如加上城市生产等其他活动的耗氧，上述数值还将大大增加。.上海1996年人口为1304万，面积为6340km2仅满足市38第二节 城市生态系统的能流 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，能量是作功的能力。.第二节 城市生态系统的能流 城市生态系统中的一切活动都要靠消39根据热力学第一定律和第二定律，城市生态系统中的能量可从一种形式转变为另一种形式，但在能量传递过程中，并不能百分之百地转变为潜能，一部分能量在维持系统的活动中被消耗掉；因而，城市生态系统的能量转化的城市生态系统的能量转化的效率是有限的，不可能是很高的。效率是有限的，不可能是很高的。.根据热力学第一定律和第二定律，城市生态系统中的能量可从一种形40一个城市的能流强度，也就是它的能量消费，可以代表这个城市的发展水平，也是衡量切市居民生活水平的主要指标。一般情况下，能量的消费量和国民生产总值的增长量是成正处的。能量不足就会影响城市发展，甚至造成重大损失。.一个城市的能流强度，也就是它的能量消费，可以代表这个城市的发41一、城市能源按来源：自然能源、矿物能源和生物能源。自然能源：太阳能、风能、潮汐能、地热能等；矿物能源：煤、石油、天然气及其制品；生物能源：沼气、秸秆、木材等。.一、城市能源按来源：自然能源、矿物能源和生物能源。.42按能源利用方式可分为一次能源和二次能源。.按能源利用方式可分为一次能源和二次能源。.43.44一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。二次能源是一次能源经过加工，转变成另一种形态的能源，如电力、煤气、柴油等。一次能源和二次能源很难有明确的定义和区分。.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45常规能源：当前被广泛利用的一次能源；新能源：目前尚未被广泛利用而正在积极研究以便推广利用的一次能源，一次能源又可划分为可再生的能源和不可再生的能源。.常规能源：当前被广泛利用的一次能源；.46 可再生的能源是能够不断得到补充以供使用的一次能源，如水力、太阳能。生物能、地热能（也有人把它看作可再生与不可再生之间的能源）等。不可再生的能源是需经一定地质年代（亿万年）才能形成而短期内无法再生的一次能源，如煤、石油、核燃料等，它们使用一点就少一点，总有枯竭的时候，但它们又是人类目前主要利用的能源。.可再生的能源是能够不断得到补充以供使用的一次能源，如水力、47我国能源资源丰富，但人均占有量比较低。我国城市以煤炭为主要能源，越来越多的城市走向利用煤气或电力作为能源。.我国能源资源丰富，但人均占有量比较低。我国城市以煤炭为主要能48下一代能源应具备的基本条件：下一代能源应具备的基本条件：储藏量大，最好是可再生的能源；清洁而安全，对环境影响尽可能小；使用方便且能连续稳定供应；技术经济合理。从现在的观点看，大规模地开发太阳能和核聚变能，以及用太阳能直接分解水蒸气或电解水制氢作为燃料，并综合开发其他能源，是建设未来城市能源体系的重要途径。.下一代能源应具备的基本条件：.49城市根据其矿物能源供应情况可以划分为以下几个类型：（1）富能城市：这类城市本身具有丰富的能源，能够满足城市本身发展的需要，甚至可以输出一部分，如山西大同、阳泉、河南平顶山等。（2）有能城市：这类城市本身具有部分能源，但不能满足需要，还要外部供给部分能源，如南京、西安等。（3）缺能城市：这类城市本身缺乏能源，需依赖外部供应才能发展，如上海、天津等。我国一些富能城市正在转化为又能甚至缺能城市。.城市根据其矿物能源供应情况可以划分为以下几个类型：（1）富能50 二、城市生态系统的能量收支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自然能；另一部分是附加的辅助能，又称体外能，如化石燃料、食品等。.二、城市生态系统的能量收支.51.52城市能量收支平衡方程式可表示为：E=（ElE2E3E4E5）一（Q1Q2Q3）。城市的太阳辐射输入（E1）是城市自然能输入的主要部分，它因城市的地理位置和所处地形部位而不同，一般随纬度增加而减少（表8一12）随海拔上升而增加，同时也受其他气候因素以及大气污染影响。.城市能量收支平衡方程式可表示为：.53其他自然能：如风能、地热、潮汐能以及水力能（E2）等，由于它们的局地性和对技术经济要求较高，目前还只能在少数城市中得到应用。在城市的辅助能量中，电力（E3）以及各种化石燃料燃烧（E4）占有最大的份额，在现代城市中没有电一切活动都难以进行。.其他自然能：如风能、地热、潮汐能以及水力能（E2）等，由于它54在城市的能量收支中还有一个重要部分就是食物中的能量（E5），城市中大量的人口需要食物供应。每个居民每天需由食物中获得的热量，约为 10 46412 557kJ。城市能量输出包括热散失（Ql）以电、声形式的能量输出（Q2）和输出产品中的能量（Q3）。.在城市的能量收支中还有一个重要部分就是食物中的能量（E5），55三、能源与城市的发展 1.城市的能量指标、城市的能量供应、消耗和分配是城市发展水平和发展潜力的标志，（1）人均占有能源量和耗能量。可作为城市国民经济发展的综合指标，人均占有能源量高的城市有利于其发展，表明城市有较大的发展潜力。.三、能源与城市的发展 1.城市的能量指标、.56(2）单位地表每年得到的太阳辐射总量及当地第一性生产者贮存的能量。城市的太阳辐射能除了用于水分蒸发和空气加热外，还有一部分为植物所利用，生产有机物。这部分贮存在植物中的能量对于维持城市生态平衡具有重要的作用，也是许多城市自然能利用状况的重要指标。.(2）单位地表每年得到的太阳辐射总量及当地第一性生产者贮存的57(3）附加能量的利用分配情况。数量及比例反映着城市的性质和经济结构特征。(4）能量利用效率。实际利用能量与投人能量之比即能量利用效率。.(3）附加能量的利用分配情况。数量及比例反映着城市的性质和经58(5）单位产值能耗。我国多用万元产值能耗作指标，这是一个纯经济的标准，有助于衡量能量的经济效益和能量的分配。.(5）单位产值能耗。我国多用万元产值能耗作指标，这是一个纯经59 2城市发展对能源需求的预测 城市的能量需求是一个很复杂的问题，它取决于国民经济结构、经济与人口增长的速度。能源消费构成、能源价格政策以及人民生活水平等多种因素。要对它进行准确的预测并不十分容易，目前还没有预测长期能源需求的可靠方法，通常采用以下两种预测方法：.2城市发展对能源需求的预测.60（1）人均能量消费法。具体做法有两种：按人民生活中衣食住行对能源需求估算。按人均国民生产总值达 1000美元时对能源需求计算。.（1）人均能量消费法。具体做法有两种：.61（2）能源消费弹性系数法。此法较适合于预测长期能源需求量。.（2）能源消费弹性系数法。此法较适合于预测长期能源需求量。.62能源消费弹性系数e等于能源消费年平均增长率与工农业总产值的年平均增长率之比，其关系的数学式如下：dE/E dE Ge=-=-.-dG/G dG E式中，E为能源消费量中为工农业总产值，我国常采用国内生产总值（GDP）,西方国家多采用国民生产总值（GNP）。.能源消费弹性系数e等于能源消费年平均增长率与工农业总产值的年63能源消费弹性系数e虽然受到经济结构不同的影响，但它遵循一个共同规律，即在工业化初期或国民经济高速发展时期，工业生产比重上升，超过农业生产比重，能源消耗的年平均增长速度超过国民生产总值年平均增长速度一倍以上，能源消耗增长系数e一般大于1,甚至超过2。.能源消费弹性系数e虽然受到经济结构不同的影响，但它遵循一个共64随着工业生产的发展和技术水平的提高，石油、天然气的大量应用，燃料利用的热效率不断提高，人口增长率降低，国民经济结构改变，能源消费增长系数e普遍下降，大多数低于l，一般为0.41.l。表819是上海市19861996年期间能源消费弹性系数的变化情况。.随着工业生产的发展和技术水平的提高，石油、天然气的大量应用，653城市能源利用的未来趋势 我国总的能源情况是：能源产量低，人均能量少，分布不均匀，能源构成以煤炭为主，一些城市的能源供应紧张，已经成为经济发展的限制因素。城市能源利用问题十分复杂，从生态学观点看，城市能源利用的未来趋势有以下几方面：.3城市能源利用的未来趋势 我国总的能源情况是：.66（1）充分利用能量资源、减少浪费。（2）发展生物能源、开发垃圾能源，建立合理化的生产一消费体系。.（1）充分利用能量资源、减少浪费。.67（3）开发无污染少污染的新能源。大力开发太阳能。大力开发水力发电。发展核电。等。（4）控制城市人口，加强能量利用与人类生态系统关系的研究。.（3）开发无污染少污染的新能源。.68第三节 城市生态系统的信息流 城市生态系统中的信息传递是一个比较新的研究领域，。信息一词来自拉丁文“information”，信息就是知识，就是消息，指具有新思想、新知识、新技术、新方法的消息。信息与材料、能源共同组成社会物质文明的三大要素。.第三节 城市生态系统的信息流 城市生态系统中的信息传递是一个69一、信息的作用信息具有三个作用：第一是传递知识。第二是传递情报。第三，“时间就是生命，效率就是金钱”，信息出时间，信息出效率。.一、信息的作用信息具有三个作用：.70 二、城市的信息流城市既是现代政治、经济、文化的中心，又是信息的中心，对周围地区具有辐射力与凝聚力。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人才，如包括激光排版在内的印刷技术，包括卫星接收与发射的无线电通讯技术，电报、电话、微电脑、电子计算机、激光全息技术等。.二、城市的信息流城市既是现代政治、经济、文化的中心，又是信71 三、城市信息与城市发展现代化城市显著的特点之一，就是人们逐步地以信息流代替某些物质流，如用电话交谈代替登门拜访，以电视广播进行教学，以信用卡取代汇款等等。这些都是日常生活中可以经常享受到的城市信息服务设施和信息服务。.三、城市信息与城市发展现代化城市显著的特点之一，就是人们逐72 城市信息系统研究是一项方兴未艾、不可限量的重要基础工作，概括地说：（1）城市信息系统是复杂的、多学科的社会性工作。（2）城市信息系统是历史的动态的科学档案。（3）城市信息系统的空间结构是多层次的。（4）城市信息系统需要具有较强的适用性。（5）城市信息系统的建立，必须根据城市特点，针对有限目标，有计划有步骤地分批分期进行。.城市信息系统研究是一项方兴未艾、不可限量的重要基础工作，概73思 考 题 1.试述城市生态系统物质代谢的特征。2比较城市生态系统与自然生态系统食物链的异同点。3试分析城市能源的种类与利弊。4能源与城市发展的关系如何？5试述城市信息系统的特点及作用。.思 考 题 1.试述城市生态系统物质代谢的特征。.74