城市化与生态系统服务的双向影响综述

杜乐山, 刘海燕, 徐靖, 张风春, 李俊生



城市化与生态系统服务的双向影响综述

杜乐山, 刘海燕, 徐靖, 张风春, 李俊生*

中国环境科学研究院, 北京 100012

城市化和生态系统服务均是当前国际研究的热点。在概述城市化与生态系统服务相互影响机制和量化研究的基础上, 总结了两者的双向影响关系, 即合理城市化提高生态系统服务, 反之会降低生态系统服务; 生态系统服务可支撑, 也可制约城市化发展。未来应强化基础研究、理清相互作用机理、构建合理的方法体系, 并推动将理论研究应用到政策决策。最后提出有关城市化与生态系统服务协同发展的一些措施, 以期实现双赢的目的。

生态系统服务; 城市化; 双向影响

1 前言

城市化和生态系统服务均是当前国际研究的前沿和热点问题。城市化程度是衡量一个国家或地区经济、社会、文化、科技发展水平的重要标志, 在促进社会经济发展、提高人类生活质量方面具有重要意义, 对生态系统的结构、功能及空间演变也有着广泛而深远的影响[1]; 生态系统服务是指生态系统形成和维持的人类赖以生存和发展的环境条件与效用[2], 是人类生存与经济社会可持续发展的物质基础[3]; 两者密不可分且相互影响。随着城市化进程的加快和人类对生态福祉要求的提高, 生态系统服务越来越受到公众的关注, 国内外学者开展了大量研究试图揭示城市化与生态系统服务的互相影响机制及量化关系[4––9]。本文在回顾国内外生态系统服务与城市化关系研究的基础上, 概述了城市化和生态系统服务的相互影响机制和量化研究, 列举了两者双向影响关系, 提出了存在的问题及今后研究的重点, 并从政策、规划、经济及利益相关方等方面提出了城市化如何保护生态环境、如何利用生态系统服务缓解城市问题的相关建议, 以期为后续科学研究及政策决策提供参考。

2 城市化与生态系统服务相互影响机制

城市化与生态系统服务相互影响机制错综复杂, 一方面, 城市通过发挥规模效应、优化产业结构、提高城市人口素质和城市管理水平等途径, 优化生态环境并提高生态系统服务[10, 11]; 但城市化过程中的人口增长、经济发展、资源消耗、地域扩张及生活方式的改变等使得生态环境恶化[12], 进而影响生态系统的过程、结构和功能[13], 甚至引发生物多样性减少、生态系统退化、土壤侵蚀和荒漠化、生物入侵等全球性生态环境危机[14]。例如在人口城市化过程中, 自然资源的大量消耗和环境废弃物的过度排放[1], 使得城市湿地、森林、农田等生态系统遭到破坏, 改变了原有的生态平衡, 影响生态系统服务与功能; 空间城市化过程中, 农田、森林、草地等土地被大量占用, 土地作为生态系统服务的载体, 其利用类型的改变必然影响生态系统服务[15]; 另外, 经济城市化和社会城市化大多伴随着第一产业的下降与第三产业的崛起, 导致生态系统的供给服务降低(如粮食、蔬菜、水果等产量减少)。

另一方面, 良好的生态系统可以提供土地、水、新鲜的空气等必要的物质条件, 提升城市生态竞争力和居民的生活质量, 从而支撑城市的可持续发展[16]; 但生态系统恶化则会导致城市居住环境质量的降低、区域投资环境竞争力下降、生态环境要素支撑能力低下、灾害事件频发, 减缓或抑制城市化进程[17–19]。生态系统服务主要通过供给服务、调节服务、文化服务和支持服务约束城市化人口、经济和社会发展。如供给服务为人们日常生活提供必需品, 其下降会增加城市居民的生活和生产成本, 大大降低城市居民生活质量; 调节服务能够净化城市污染, 防止水土流失等, 其退化将严重威胁城市安全和人类健康; 文化服务的缺失将会大大降低城市居民的归属感和幸福指数; 支持服务提供生物生境、提高生物多样性、支持生物地球化学循环及传粉与能量传播, 是其它三项服务的基础与源泉[20]。城市化和生态系统服务既相互依存又相互制约, 两者通过法律政策的干预、市场机制调节以及居民意识的提升等手段, 从初级阶段的胁迫与制约逐步向高级阶段的保护与支撑过渡(图1)。

3 城市化和生态系统服务的量化研究

生态系统服务主要包括供给服务、调节服务、文化服务和支持服务四大类, 其价值分为使用价值(包括直接使用价值、间接使用价值和选择价值)和非使用价值(包括遗产价值和存在价值)[21]。目前国际上主要通过供给模型(包括野外调查、查表法、专家打分法、相关关系法和回归模型法)、需求模型(包括社会经济统计、问卷调查、生物物理模型)和价值模拟(包括直接市场价值法、替代市场法、模拟市场法)等方法及其综合运用, 对区域生态系统服务进行定量评估[22]。但由于指标选取受研究者教育背景及主观意识影响较大, 加之研究方法不统一, 非市场价值部分具有较大的不确定性[23], 不同部门间数据不共享及部分数据难以测量等原因[24], 使得不同学者的研究结果差异较大, 导致研究结果在时间和空间上不具有可比性。

城市化水平的测定主要有主要指标法和综合指标法。主要指标法是用城市人口占总人口的比重来测度城市化水平, 该方法具有简单易操作的特点, 但由于城镇人口的范围难以准确的界定, 且不同时期人口统计口径的改变, 导致该方法具有一定的局限性[25]。目前, 城市化水平的测度大多采用综合指标法, 即选取人口城市化、经济城市化、社会城市化、空间城市化4大类指标体系[26], 通过熵值法确定权重, 以消除多指标变量间信息的重叠和人为确定权重的主观化[27]。此方法具有较高的可信度, 但指标的权重受地域影响较大, 通用性较差, 不同地域的可比性不强[25]。

图1 城市化与生态系统服务的双向影响机制

量化分析城市化与城市生态系统服务的关系, 对生态系统保护和城市生态安全有重要意义。早在20世纪80年代, Rapport等[28]提出了著名的PSR(压力、状态、响应)模型, Grossman和Krueger[29]提出了生态环境的倒“U”型库兹尼茨曲线假设, 为城市化和生态环境关系的探讨奠定了理论基础。Odum等[30]采用系统动力学与灵敏度模型, 对城市发展及环境演变的影响进行了分析, 揭示了两者之间的交互作用机理; Estoque等[4]通过研究发现在1988—2009年间, 城市化导致生态系统服务下降超过60%; Buyantuyev等[5]利用MODIS NDVI数据和NPP模型, 发现城市化有助于干旱地区生态系统功能的提升。我国在此方面也开展了大量研究, 如胡和兵等[6]通过线性模型的方法, 发现城市化水平与流域生态系统服务呈显著负相关; 冯荣光等[7]、杨昆等[31]认为城市化过程中的建筑用地变化与城市生态系统服务存在显著负相关关系; 黄云凤等[32]探讨半城市化地区生态系统服务对土地利用变化的响应过程, 得出生态系统服务总量随着土地利用强度增加呈现波动性变化, 调节和支持服务呈现显著的负相关; 蔡邦成等[8]通过耦合分析发现, 昆山生态系统服务与城市化水平呈现不规则“U”型耦合状态; 王莉雁等[9]运用冗余度分析方法(RDA)发现城市化对生态系统服务存在双向影响, 一方面防风固沙功能、土壤保持功能均与常住人口城市化率呈显著正相关; 另一方面, 防风固沙功能与建设用地指数呈极显著负相关。

4 城市化对生态系统服务的影响

4.1 城市化的正面效应

缓解生态脆弱区的压力。生态脆弱性已成为影响全球化和可持续发展的关键问题。目前解决生态脆弱区的主要方法是将超负载的人口有组织、有计划地迁移出去。城市化过程可以吸纳生态脆弱区的人口, 有效的减缓生态脆弱区的人为活动压力[33], 如Portnov等[34]通过对巴勒斯坦南部的内盖夫地区城市化进程的研究, 认为城市化可以更有效地缓解生态环境压力。

集约利用土地资源。土地是城市空间扩张的主要载体, 合理规划城市发展, 加强土地多维空间的使用, 可以有效地缓解土地供需矛盾, 为城市生态系统服务提供更多的空间。如上海市改变传统的土地粗放利用模式, 节约集约利用现有的土地, 提高土地资源的利用效率[35]对水源地、湿地、农林用地等资源实行战略性安全储备, 为城市的生态安全奠定了基础。城市化进程也会推动现代农业的发展, 提高农业劳动生产率、土地生产率和农产品商品率, 推动形成良好、高效能的农田生态系统。

增加生物多样性。生物多样性是重要自然资源, 也是生态系统服务的基础。合理的城市化可以有效地增加生物多样性[36], 如通过修建水利设施、污水处理等集约化管理措施, 可以有效地改善城市湿地和河流湖泊等的水质, 增加生物多样性; 绿色空间廊道、生物通道等绿色设施的建设, 为动物迁徙提供通道, 有效的增加城市动物种类和数量[37]; 城市森林公园、动物园、植物园、自然保护区等的建立, 也为重要物种和遗传资源的保育提供了基础条件, 增加城市生物多样性, 进而提高生态系统服务与功能。

优化产业结构和消费理念升级。城市化是产业结构和就业结构的重要影响因素, 它能够促进产业结构从第一、二产业向第三产业转移, 发展高科技的低碳经济和循环经济, 减少对自然资源的过度依赖; 居民融入城市的过程中, 改变了传统“靠山吃山, 靠水吃水”的观念, 更倾向于选择环保低碳的物质资料和生活方式, 减少了对野生动植物和自然生态系统的破坏。

4.2 不合理城市化的负面影响

导致供给能力不足。不合理城市化带来了大量的人口, 需要更多的粮食、蔬菜和水资源等, 导致城市供给服务匮乏。据统计, 在中国669个人口超过10万的城市中, 有60%缺乏足够的水资源, 大城市周边90%的河流受到严重污染[38], 无法保证居民的用水需求和工业生产需要。另外, 大量农田和林地被侵占带来的生态系统服务走低[39, 40], 进一步加剧了粮食、蔬菜、水果的匮乏, 容易引发一系列社会与环境问题。

导致调节服务下降。不合理城市化削弱了城市生态系统的净化能力, 引发雾霾、水质下降、土壤污染等环境问题; 影响了生态系统的气候调节能力, 引发温室效应、城市热岛效应及局地环流等气候效应[41]; 增大了自然灾害发生的频率, 甚至引发山体滑坡、城市内涝等重大自然灾害[42], 导致城市生态系统服务中的调节服务明显下降。

导致文化服务下降。城市大量的绿地、公园、动物园、种子库以及古树名木等是生态系统文化服务的载体, 承载了人类传统文化情感、灵感激发和观光旅游活动[43, 44], 在生态设计、仿生建筑等城市规划过程中也发挥了重要作用。但盲目追求城市扩张与设施建设, 将对城市生态系统的文化服务造成严重影响, 降低城市的文化服务功能; 由于文化服务的特殊属性, 很大程度上无法被人工劳动与物质产品替代, 一旦出现退化, 很难通过技术或其它方法进行修复, 甚至造成永久性的破坏。

导致生物多样性被破坏。在城市化过程中, 对森林、水域等的不合理开发利用, 极易干扰生态系统的完整性, 造成栖息地破碎化和景观板块化[45], 引发地理隔离, 降低生物多样性的自我维持能力。人类过度干预也极易造成生态破坏, 引发外来物种入侵[46], 威胁当地的生物多样性, 甚至会引发当地物种灭绝[47]。城市过度集中的农药化肥滥用、化石燃料燃烧等, 也可能改变物质循环和能量流动, 影响生物地球化学循环, 危及地球生物多样性[48]。

5 生态系统服务对城市化发展的支撑和制约

5.1 生态系统服务支撑城市发展

改善城市环境质量。生态系统是人类生存繁衍的必要条件, 是城市健康可持续发展的物质基础, 良好的生态系统可改善城市的环境质量, 提高城市环境舒适度[49], 保障城市居民的身心健康。如植被能显著地影响城市的风力、湿度、降水和温度, 降低热岛效应等对居民健康的影响[50, 51]; 能净化污染、固碳释氧、杀死细菌、阻滞尘土等, 从而有效改善城市居民的生活环境[52], 降低由污染引起的呼吸道与心血管疾病发生的概率; 能抑制城市噪音, 有效降低其对居民生理及心理的危害等。

缓解城市能源与资源压力。良好的生态系统能够有效地缓解城市能源与资源压力[57], 提高城市的可持续性。如城市林木的蒸腾作用显著降低了城市温度, 减少城市空调的使用, 降低城市用电需求[53, 54]; 城市周边农田、森林生态系统为居民提供粮食、蔬菜、水果等, 减少了食物运输过程中的人力成本与能源消耗; 另外, 对水资源的储存和净化可以缓解城市缺水压力, 提高城市淡水的利用效率[50], 减少水资源时空转运的能源投入。

推动城市绿色经济发展。生态系统服务也能影响到人们的支付意愿, 拉动城市的绿色发展。如Tyrväinen等[55, 56]和包英爽[57]通过研究发现, 城市森林能够显著提高了生态房地产的价值; 良好的生态系统也为城市“碳交易”和“湿地银行”等提供了基础, 推动绿色经济、循环经济等低碳环保产业的发展, 提升城市活力与竞争力。

提高居民心理健康。城市生态系统具有社会归属感、群体认同感、社会凝聚力及环境教育等重要价值, 对提高城市居民的心理健康有重要作用[58, 59]。良好的自然环境不仅可以激发积极的态度与高效的行为(如乐观、自信、自尊、助人为乐、克服困难等), 增加社会归属感, 营造良好的社会关系, 而且可以抑制消极或暴躁等负面的心理与行为[60, 61]。研究发现, 病房外为公园的病人, 比病房外为墙的病人身体恢复得更快[62], 绿色植被也能降低城市居民的工作压力[63], 提高居民的幸福指数。

5.2 生态系统服务下降制约城市化发展

生态经济成本增加。生态系统服务下降, 将加大城市生态经济成本的投入, 阻碍和制约城市社会经济发展速度和规模, 影响城市的发展方向[64]。如城市森林生态系统被破坏, 将导致城市水果、木材等供给服务不足, 引起原材料价格上涨; 可能引发水土流失、山体滑坡等自然灾害, 造成直接经济损失; 也会严重影响到后人对资源的利用, 违背可持续发展原则。

资源能源约束趋紧。生态系统服务不足以支撑城市发展, 将会使资源能源需求与供给之间的矛盾日益突出, 严重制约城市社会、经济和环境的协调发展, 产生约束效应。如Jurdi等[65]、Checkley等[66]通过研究发现水资源缺乏制约城市发展; 传统能源和新兴能源也会随城市快速扩张出现供给不足, 进一步加剧能源紧张对城市发展的胁迫效应, 出现很多发展瓶颈。

生态承载力不足。生态承载力是指生态系统的自我维持、自我调节能力[67], 生态系统服务的下降会导致城市生态承载力不足。如北京市人均生态足迹远远超过其生态系统承受能力, 生态发展处于不可持续状态, 进而制约城市发展[68]; 上海市人均生态足迹为2.64 hm2, 生态承载力为0.26 hm2, 生态赤字高达2.38 hm2, 属于人均水平亏缺较高的区域[69], 城市扩张也受到生态承载力的限制。

影响人类福祉。生态系统服务下降, 将直接影响到人类的身心健康。如生态系统调节功能下降和城市人口的增加, 导致了水、气、土等环境污染问题得不到改善并日益加重, 城市居民健康容易受到威胁。另外, 城市扩张占用了农田生态系统, 导致农民劳动机会减少、工作预期降低和失业恐慌增加, 降低这部分人群的福祉感受[70]。

6 结论与展望

国内外针对城市化与生态系统服务开展了大量富有创新的研究, 但仍存在争议, 具体原因归结如下: 1)互相影响机制的复杂性。城市化是人口、经济、社会等的综合体, 生态系统服务包含供给、调节、文化、支持等多项服务, 两者包含的要素众多, 且各要素在内部和外部间均随着时间和空间变化, 造就了复杂的相互作用机制; 2)定量研究方法的多样性。城市化与生态系统服务两者测算方法不尽相同, 如生态系统服务常用的价值评估方法包括市场价格法, 替代市场法、模拟市场法等, 不同学者使用的方法很难统一, 导致了两者定量研究方法的多样性; 3)影响结果认识的片面性。城市化与生态系统服务之间的相互影响具有广泛性、系统性和长期性, 当前相关学者从不同角度分析了两者的相互影响, 但总体来说, 对两者相互影响的认识具有较大的片面性, 没有从正反两方面辩证看待两者之间的关系。

基于上述, 笔者认为应加强基础研究, 在厘清两者的相互作用机理的基础上, 构建更加合理的方法体系; 研究两者的定量关系以及随时间、空间尺度的变化规律, 找出城市发展与生态系统保护的平衡点。另外, 目前研究多集中于人口密集、生态环境较差的大城市, 对生态压力较小的中小城市研究不多, 应予以重视, 避免走先破坏后治理的老路; 重视理论研究与实践应用的结合, 推动将研究结果纳入国家政策决策中去。最后, 针对城市发展和生态保护提出以下建议:

1)城市化过程中保护生态环境。首先, 将生物多样性和生态系统服务纳入各级法律法规或地方政策, 如“环境保护法”、“十三五规划”、“生态文明规划”等, 将保护城市生物多样性上升到国家经济发展战略和城市未来发展战略的高度; 其次, 在城市规划过程中, 结合城市化与生态系统服务关系的量化结果, 运用集约发展和绿色低碳循环的理念进行规划, 严格遵守“生态红线”, 设置生物多样性严格保护区, 拒绝以往“摊大饼”式城市扩张; 再次, 逐步引入绿色评估体系和政绩考核体系, 如利用生态系统与生物多样性经济学(TEEB)、绿色GDP等对地方进行考核, 并推动将生物多样性纳入干部政绩考核体系; 最后, 鼓励利益相关方参与并分享生态红利, 如赋予公众知情权、参与权和监督管理权等, 建立公平合理的区域生态补偿机制, 为绿色环保企业提供便利等。

2)用生态系统服务缓解城市问题。总结国内外城市建设的先进理念, 如生态城市、绿色城市、山水城市、花园城市、海绵城市等, 结合我国具体国情, 利用生态系统服务缓解城市问题; 其次, 通过推广都市农业, 填补城市的供给缺口, 缓解城市环境问题, 为城市居民提供工作机会; 再次, 提倡生物质能源及其它清洁能源的使用, 发挥生态系统服务的优势缓解城市资源压力和环境污染; 最后, 加强绿色基础设施建设, 缓解热岛效应、空气污染、水污染等“城市病”问题, 也为人们观光旅游、文体娱乐活动等提供场所。上述理念方法均有其适应性与局限性, 在城市规划建设过程中, 必须因地制宜, 多层次、多角度综合考虑, 合理运用这些新兴概念支撑城市健康可持续发展。

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Review of bidirectional effects of urbanization and ecosystem services

DU Leshan, LIU Haiyan, XU Jing, ZHANG Fengchun, LI Junsheng*

Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijng 100012, China

Urbanization and ecosystem services are the focuses of the current international research. On the basis of summarizing the interaction mechanism between urbanization and ecosystem services and quantification of the interactive intervention, this paper sums up their bidirectional effects relationship, that is, rational urbanization improves ecosystem services, but irrational urbanization reduces ecosystem services. In a word, the development of urbanization can be either supported or restricted by ecosystem services. It is suggested that we should put more efforts in basic research, clarification of the mechanism of interaction, establishment of a scientific method system, and promotion of integrating theoretical research to policy decision-making in the future. Finally, the paper puts forward some measures for the coordinated development of urbanization and ecosystem services, in order to achieve the goal of mutual benefit.

ecosystem services; urbanization; bidirectional effects

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.06.031

X171

A

1008-8873(2017)06-233-08

2017-04-25;

2017-06-27

环境保护部生物多样性保护专项(2096001006)

杜乐山(1988—), 男, 山东高密人, 硕士, 助理研究员, 主要从事生物多样性保护与价值评估研究, E-mail: duleshan@yeah.net

李俊生, 男, 博士, 研究员, 博导, 主要从事生物多样性保护研究, E-mail: lijsh@craes.org.cn