城市与区域生态关联研究进展

周伟奇,王 坤,虞文娟,李伟峰,韩立建,钱雨果

1 中国科学院生态环境研究中心,城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085 2 中国科学院大学,北京 100049

城市与区域生态关联研究进展

周伟奇1,2,*,王 坤1,2,虞文娟1,2,李伟峰1,韩立建1,钱雨果1

1 中国科学院生态环境研究中心,城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085 2 中国科学院大学,北京 100049

城市及其周边区域正在面临日益严峻的环境污染、生态恶化、资源短缺等问题。这些问题的出现,与长期以来城市发展过程中忽视城市与区域的生态关联密切相关。研究城市与区域的生态关联,对于解决城市与区域的生态环境问题、指导新型城镇化建设具有重要的理论意义与实践价值。主要从以下3个方面系统总结了城市与区域生态关联的研究进展：(1)城市发展对周边区域的生态环境影响,包括直接的胁迫和间接的影响；(2)区域对城市发展的生态支撑；(3)城市与周边区域社会、经济、生态关联的相互作用机制。指出了当前城市与区域生态关联研究中存在的问题和不足：1)城市对周边区域生态环境直接影响的研究较多,且多侧重城市对周边区域的负面影响,对其间接影响的研究较为缺乏；2)周边区域对城市发展生态支撑作用的研究相对缺乏、认识不够深入；3)对城市与周边区域生态关联作用机制的研究较为缺乏。未来的研究要将城市和区域作为统一整体,进一步完善城市与区域生态关联的理论框架,耦合社会经济的相互作用,定量解析城市与区域的生态关联,为城市与区域的可持续发展提供科学依据。

城市化；城市区域；生态关联；复合生态系统；城市群；城乡一体化；城市与区域协同发展

快速、大规模的城市化进程极大地促进了我国社会经济的发展,但是给城市及其周边区域也带来了环境污染、生态恶化、资源短缺等一系列的生态环境问题,进而又严重制约了城市与区域的可持续发展[1]。这些问题的出现,与长期以来城市化过程中只注重城市发展,而忽视城市与区域的生态关联密切相关。实际上,城市通过物流、能流、信息流、货币流及人流与其周边区域紧密联系[2]。部分研究尝试从某些特定的角度,如产品流通、消费过程等分析城市与周边区域的生态关联[3],但缺乏对城市与区域生态关联系统全面的认识。随着城市化的进一步发展,城市与其周边区域的交互作用将更加广泛,因此,有必要对城市与周边区域的生态关联及其相互作用机制进行系统深入的研究。

城市及其周边区域是一个社会、经济和自然紧密联系的复合生态系统,它们相互依存、互相制约[4- 5],形成一个有机的整体[6- 7]。因此,城市与周边区域生态关联是指城市与其周围区域之间的生态环境相互影响及其作用机理,包括城市发展对周边区域生态环境和资源利用的影响,周边区域对城市发展的生态支撑,以及城市与周边区域生态系统的交互作用(图1)。按照城市与其周边区域生态关联的理论框架对相关研究进行系统的梳理,有利于揭示城市与区域生态环境问题的形成机理,对于指导解决城市与区域面临的生态环境问题、促进城市与区域生态环境的一体化管理,具有重要的理论意义与实践价值[8- 10]。

图1 城市与区域生态关联Fig.1 Ecological connections between urban and its surrounding area

1 国内外研究现状

城市与区域的社会、经济和生态关联一直是国内外研究的热点和前沿。目前,众多学者从不同角度开展的大量研究涉及诸多方面,其中与生态环境密切相关的研究概括起来,主要集中在以下3个方面：(1)城市发展对周边区域的生态环境影响；(2)周边区域对城市发展的生态支撑作用；(3)城市与周边区域社会、经济、生态关联的相互作用机制。

1.1 城市化对城市周边区域生态环境的影响

城市是人类社会经济活动最集中、对自然生态系统压力最强烈的区域[11]。社会经济活动的快速发展、城市下垫面组成和空间格局的剧烈变化,在城市内部产生了热岛效应、城市内涝、大气污染和水体污染等一系列的生态环境问题[8,12- 13]。实际上,城市化带来的诸多生态环境问题不仅影响城市本身,而且远远超出城市的边界范围,逐步演变为区域性的生态环境问题,例如水资源短缺、湿地萎缩、水体污染、大气污染、生态系统功能退化等已呈现出明显的区域性特征[8- 9]。城市发展对周边区域生态环境和资源的影响,既包括直接的胁迫效应[14- 15],也包括通过改变周边区域的社会经济结构和生产生活方式所带来的间接影响[16- 17]。

城市发展对周边区域生态环境和资源的直接胁迫效应,集中体现在以下3个方面：(1)城市扩张对自然生态空间的大量侵占和水土资源等的过度消耗。由于城市快速扩张,大量的生态用地被城市建设用地挤占,导致农业用地、林地和湿地等自然生态系统面积锐减,加剧了自然景观的破碎化程度[18- 20],进而导致生物多样性下降[21]、热岛效应加剧[22]和生态系统服务功能降低[23]等问题。此外,城市的维系需要消耗周边区域或者更大空间范围的自然资源。例如,城市发展消耗了区域大量的水资源,影响了区域的生态用水平衡,并导致区域湿地萎缩和地下水位下降[8,14]。(2)城市排放的污染物对周边区域生态环境的影响。这方面的研究主要关注城市发展过程中,人类生产生活所排放的污染物对周边区域土壤、水和大气等人类赖以生存的环境要素的影响。例如,城市发展导致水体污染对下游河流水环境、水生生物产生了负面影响[24]；城市排放的大气污染物会显著降低区域的空气质量[25]。(3)城市发展对城市及其周边区域气象气候的影响。城市化会改变城市内部及区域的气候特征[26],导致温度、降雨和湿度发生变化,进而显著影响周边区域的生态系统稳定,如导致植物物候期提前[27]和植被净第一性生产力变化[28]。

除了直接的胁迫效应,城市发展通过影响区域的社会经济结构和生活生产方式,进一步影响周边区域的生态环境质量。城市发展显著影响周边区域的经济发展、产业结构[29]、人口流动和当地居民的生产生活方式等方面[30- 31]。这些社会经济变化进一步影响周边区域的生态系统和自然环境,既有正面的效应,也有负面的影响[14,16,32]。现有的研究主要集中在以下3个方面：(1)通过分析城市发展对城市周边地区人口数量和结构的影响,进而分析人类活动变化对自然环境的干扰[33- 34]。城市化过程显著改变了城市周边区域的人口数量和结构,特别是发展中国家,大量青壮年人口进城务工,农村劳动力减少,人类活动对当地植被的干扰和胁迫减少,大片耕地撂荒、道路庭院植被恢复,促进了当地自然生态系统的恢复[35- 36]。(2)生产方式变化对生态环境的影响。国内外对产业结构变化的生态环境影响研究已经有很多。例如,城市发展一定程度上改变了农业耕作方式,提高了农业的机械化程度和自动化程度[37- 38],增大了农药和化肥的使用量,进而导致土壤污染、水质污染、农药富集和生物多样性减少等问题[39- 40]；传统农业向绿色农业、观光农业、休闲农业等转变减少了农业污染,但是游客增多也产生大量的污水和垃圾等生活污染[41- 42];现代工业向城市周边区域转移,工业园区建设占用大量的耕地和生态用地,加剧自然景观的破碎化程度[43],排放大量的工业污水和工业废气,严重破坏当地的生态环境。(3)生活方式变化对生态环境的影响。城市发展改变周边区域的生活方式,产生了正、负两方面的生态影响。随着农村生活方式向城市生活方式转变,煤、电、燃气和太阳能等清洁能源取代大量生物能源的使用[32,44],显著减少做饭取暖对柴草等植被的干扰和破坏,促进了当地自然生态系统的恢复[32,45]。另一方面,饮食结构和消费方式的变化,促使人均生活污水、人均生活垃圾、人均能耗和人均水资源使用量普遍提高,对土壤环境、水环境以及大气环境的胁迫增加[46- 47]。

1.2 周边区域对城市发展的生态支撑作用

城市的发展离不开区域的生态支撑,包括提供空间载体、提供资源支撑、容纳废弃物等方面[48- 50]。随着全球城市化影响的加剧,优化区域的生态系统服务功能日益受到关注[51],尤其是与城市发展密切相关的、支撑城市发展的区域生态系统服务功能。近年来,从生态系统服务功能的角度,来探讨周边区域对城市发展的生态支撑作用,已经成为国内外研究的热点和前沿[51- 52]。

生态系统服务功能是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件和效用,是社会经济可持续发展的基础[53- 54]。城市作为人口高度密集的地区,其运行与发展严重依赖周边区域的生态系统服务功能。一般认为,区域对城市的生态系统服务功能包括食品与水资源供给、气候调节、防风固沙、空气净化、水源涵养、水质净化和文化娱乐等服务功能[27,55]。研究显示,郊区温度通常低于城区[56],城市周边区域可以为城市“降温”,具有减缓城市热岛效应的服务功能[27,48]。对1999—2011年中国350个城市的分析发现,城市周边区域的PM2.5浓度低于城市内部,对疏散和缓解城市空气污染有积极作用[57]。另外,城市周边区域的森林、草地、农田等植被可以通过滞留、吸收大气中的氮氧化物、SO2、烟粉尘和沙尘等污染物,起到净化空气和防风固沙的作用[58]。河流、湖泊和湿地等为城市生活生产提供了水源供给、产品输送、水土保持、水体净化、休憩娱乐等功能,对维持和改善城市生态系统质量至关重要[59]。

1.3 城市与周边区域的社会、经济、生态关联的相互作用机制

城市与区域通过人流、物流、能量流和信息流等相互作用,成为一个社会、经济和生态紧密关联的有机整体[48- 49]。长期以来,城市与周边区域的相互作用机制是区域科学、经济地理学和管理学等多门学科共同关注的研究重点和经典议题[60],近年来也逐渐成为城市生态学、区域生态学的研究热点[16,44]。

已有的大量研究主要侧重社会经济联系及其相互作用,主要包括：(1)基于产业结构与空间布局、人口流动以及技术进步等社会经济要素,研究城市与周边区域的相互作用机制[61]。(2)基于空间相互作用理论[62],采用引力和潜力模型[63],探讨城市与周边区域在物质、能量、人口、信息交换等方面的相互作用,及其强度与距离增加而衰减的关系[64]。(3)对城乡统筹理论与模式的探索。基于中国“城-乡”分割的基本特征,探索通过区域统筹管理(如城乡一体化等政策)减少或消除城乡二元结构产生的社会经济差异[65- 66]。

城市与周边区域生态关联是最近几年发展起来的全新概念。在大量的城乡梯度(urban-rural gradient)等相关研究的基础上[67- 68],最近有学者提出了城乡连续体(Continuum of Urbanity)的概念和理论框架,来研究城市与周边区域的社会、经济和生态关联,该理论框架包括生产方式(livelihood)、生活方式(lifestyle)、相互联系(connectivity)和位置(place)4个维度及其相互关系[16,44]。其中,生产方式是指人们采用技能、资本、资源等来维持生计和参与市场经济活动。生活方式是指人们通过职业身份、消费方式、行为方式、娱乐方式等来区分社会身份和行为方式；相关联系包括城市与周边区域的基础设施、人、物、能量、资金和信息等多种联系；位置包括生态资源、环境约束条件、地理气候特征、风险和易损性等自然特征和历史传统、风俗文化等社会特征[16,44]。以下是一个城乡连续体框架中社会、经济和生态关联的相互作用的有趣例子：①东南亚人民生活水平的提高增加了肉食摄入,②澳大利亚为了增加肉类供应和动物养殖,大量砍伐森田开垦农田,破坏了果蝠的栖息地,③果蝠携带大量病菌迁移到城市,威胁城市居民的身体健康[44]。此外,还有学者提出了遥相关(Teleconnection)和远程耦合(Telecoupling)的概念和理论框架[69- 71]。研究指出,局部国家或地区的土地利用受国际物资供求市场的影响,如美国33%、欧洲50%和日本92%的土地需求均依靠其他国家[72]；东南亚和巴西热带雨林地区森林的减少受到远距离地区增加棕油、大豆和肉类需求的影响[73]；区域之间的资源流动还可能进一步产生新的生态环境问题,如中国的南水北调可能与北京密云水库浮游植物种类和数量增加有关[74]。上述这些新的概念和理论框架都不约而同地强调系统之间的相互联系,为研究城市与其周边区域的生态关联提供了新的研究思路。

2 现有研究存在的问题与不足

综上所述,当前关于城市与区域生态关联的研究,主要关注城市空间扩张和污染物排放对周边区域的单一、直接影响,缺乏将城市与周边区域视为一个相互支撑、相互关联的整体,更缺少对城市与区域生态关联及其响应反馈机制的研究。具体来说,还存在以下几个方面的不足和挑战,需要加强研究。

2.1 城市对周边区域生态环境的直接影响研究较多,对间接影响的研究较为缺乏

城市发展对周边区域生态环境的影响已引起广泛关注,但是大多研究主要关注城市扩张和污染物排放对城市近郊区域水、土、气等生态环境的直接影响[4- 6],对远郊、邻近城市以及城市群等较远区域生态环境影响关注较少。另一方面,关于城市化带动周边区域人类生产生活方式变化进而对生态环境的间接影响研究相对较少[9- 10]。而且,目前已有研究大多侧重社会经济要素和生态环境要素之间的统计分析,缺乏对生态过程和影响机制的深入探讨。如何综合评价社会经济活动的生态影响,科学地量化城市对周边区域生态系统的结构、格局、功能和资源利用的直接和间接影响,仍缺乏深入系统的研究。

2.2 周边区域对城市的生态支撑研究不够深入

城市与周边区域是一个相互支撑、相互关联的有机整体[55]。现有大多研究仅关注城市对区域的单一影响,即城市对周边区域生态环境的胁迫作用[55],相比之下,周边区域对城市发展生态支撑作用的定量研究相对缺乏。尽管目前关于区域的生态系统服务功能已经开展了许多研究,但对其生态过程和作用机制的认识还不够深入系统,比如在生态系统服务功能的类型划分、模型开发、驱动力分析、方法标准化等方面都存在较大的不确定性[75],导致无法给出普遍认可的定量结论,使得现有研究难以直接指导实际应用。另外,城市发展导致区域生态系统的结构功能、环境质量和资源利用发生变化后,区域生态系统对城市的生态支撑作用怎样变化,目前仍缺乏进一步的认识和了解。

2.3 城市与周边区域相互作用机制研究较为缺乏

城市与区域的社会、经济和生态关联已经引起了研究者们的广泛关注[76],将城市与周边区域视为一个相互支撑、相互关联的整体,促进城市与周边区域的协调发展已经成为国家发展的迫切需求。然而大多研究只侧重“城-乡”社会经济要素的协同关系[50],长期忽略生态环境要素之间以及社会经济要素与生态环境要素之间的关联。最近学者们提出的城乡连续体、遥相关和远程耦合等理论概念和研究框架[44,71],为探讨城市与区域的社会、经济和生态关联及其响应反馈机制提供了新的研究思路。但是,目前这些研究还处于构建理论框架和定性描述现象的阶段[76],进一步的理论梳理和研究论证亟待完善和补充。

3 研究展望

未来20年,中国还将继续人类历史上最大规模的城市化进程。随之而来日益凸显的生态环境问题是实现城市与区域可持续发展的重大挑战。研究城市与区域的生态关联,探讨城市与区域生态环境一体化管理的方法和模式,无疑是解决我国城市与区域生态环境问题、构建区域生态安全格局、促进城市与区域可持续发展的基础,尤其是以下三个方面：

(1)城市化对周边区域生态环境间接影响的定量化研究。城市与周边区域是一个有机的整体,是一个自然-社会-经济复合生态系统[77],城市化对周边区域生态环境,既有直接的作用,也有间接的影响,仅仅研究城市发展对周边区域的直接影响已不能满足当前的研究需求[27,44,69]。深入分析城市和城市群的发展模式、空间格局和联系程度对城市周边区域社会经济结构、生产生活方式变化的影响,研究这些变化对区域生态系统的结构功能、环境质量和资源利用的进一步影响,揭示城市对周边区域生态环境影响的生态学机制,将是今后研究的重要方向。

(2)周边区域对城市发展生态支撑作用的深入研究。城市的发展高度依赖于周边区域的生态系统服务功能[78]。为了实现城市和周边区域的可持续发展,必须深入探讨生态系统服务功能的生态学机制、揭示城市与区域生态关联的关键组分、辨识各项生态系统服务功能之间的交互关系。这不仅包括城市周边区域对城市发展的生态支撑作用,还包括城市对区域生态环境特征和生态系统服务功能的影响和变化,以及城市对这些变化的反馈响应。例如,城市生活生产用水增多,大量消耗周边区域的水资源,导致区域的水资源减少,影响区域对城市的水源供给,进而影响城市的生产、生活用水和景观用水等；城市采取限量用水、鼓励节约用水和使用再生水等措施减少用水,进而对城市的生活、生产、绿化等社会经济自然各个方面造成影响。因此,基于多数据源、多维度的观测评价手段,定量辨识城市与周边区域社会经济自然因素的影响反馈机制、构建周边区域对城市发展的生态支撑模型、探索城市与周边区域生态环境质量的优化模式等是下一步研究的重点和难点。

(3)发展城市与周边区域相互作用机制的理论框架和技术方法。综合多学科的知识方法,发展城市与区域生态关联的理论框架,耦合社会经济的相互作用机制,定量解析城市与区域的生态关联,是促进城市与区域健康发展、构建区域生态安全格局的理论基础[10,78]。由于城市与周边区域是一个社会-经济-自然复合生态系统,因此,综合经济地理学、城市地理学和城市生态学等多学科的理论和方法[79],如中心地理论、城市腹地、等级理论和物质流等[80-81],定量表征城市与周边区域在社会、经济和生态三方面的相互作用机制,是未来研究的重要方向。城乡连续体 (continuum of urbanity)、遥相关 (tele-connection)、远程耦合(telecoupling)、城市集群(metacity)等理论概念和研究框架,能够丰富城市与周边区域生态关联的研究思路[71,82-83],与其相关的理论框架、技术方法和实证研究均是未来的研究热点。

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Understandingthesocialandecologicalconnectionsbetweencitiesandsurroundingregionsforurbanandregionalsustainability

ZHOU Weiqi1,2,*, WANG Kun1,2, YU Wenjuan1,2, LI Weifeng1, HAN Lijian1, QIAN Yuguo1

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

With the expansion of major cities and development of small towns (i.e., regional urbanization), cities and their surrounding regions are increasingly facing serious problems, such as environmental pollution, ecological degradation, and resource shortages. This is particularly true in rapidly developing countries such as China. To solve these problems, it is crucially important to better understand the social and ecological connections between cities and their surrounding regions. This is because cities and their surrounding regions are integrated, socially and ecologically. On the one hand, urban sustainability can only be achieved with the support of the surrounding region. Conversely, urban sustainability plays a key role in region sustainability. This paper presents a comprehensive review on the social and ecological connections between cities and surrounding regions, with the goal of enhancing our understanding of the social and ecological linkages between cities and their surrounding regions. We reviewed literature, and loosely grouped studies into three categories: 1) direct and indirect (e.g., through social processes) effects of urban development on ecosystems and environments at urban and regional scales; 2) ecosystem services provided by surrounding regions that support the development of cities; and 3) the social, economic, and ecological teleconnections and interactions between the city and its surrounding region. We further summarized and highlighted a few future directions that should be focused on to advance our understanding of the social and ecological connections between cities and regions: 1) Most of the studies focused on the (adverse) impacts of urbanization (particularly urban land expansion) on surrounding regions. Few studies have considered the city and its surrounding regions as a coupled system and taken a holistic approach to examine their mutually supportive and interactive connections. Developing a holistic approach that considers the city and its surrounding regions as a coupled socio-ecological system will greatly enhance our understanding of the social and ecological connections between the two areas. 2) Most of the previous studies focused on the social and economic linkages between cities and their surrounding regions, but ignored the ecological connections. Future research on the ecological linkages between cities and surrounding regions, and how the ecological linkages contribute to urban and regional sustainability is highly desirable. 3) Currently, there are many new frameworks emerging that are potentially useful to understanding the linkages between cities and surrounding regions, such as the teleconnection/tele-coupling framework and the urban-rural continuum framework. However, quantitative approaches and models, as well as experimental case studies, are largely lacking, which warrants future research.

urbanization; surrounding regions; social and ecological connections; social-economic-natural complex ecosystem; urban agglomeration; urban-rural integration; coordinated development of urban and rural areas

国家自然科学基金重大项目课题(41590841);中国科学院前沿科学重点研究项目(QYZDB-SSW-DQC034);国家自然科学基金面上项目(41371197)；国家自然科学基金优秀青年基金项目(41422104)

2016- 05- 06; < class="emphasis_bold">网络出版日期

日期:2017- 03- 22

10.5846/stxb201605060874

*通讯作者Corresponding author.E-mail: wzhou@rcees.ac.cn

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Zhou W Q, Wang K, Yu W J, Li W F, Han L J, Qian Y G.Understanding the social and ecological connections between cities and surrounding regions for urban and regional sustainability.Acta Ecologica Sinica,2017,37(15):5238- 5245.