全球变化与城市生态

全球变化与城市生态摘要：城市地区是推动多尺度环境变化的热点。物质生产和人类消费的需求改变着从城市本身到地域性的土地利用与覆盖，生物多样性和水循环系统，同时城市垃圾排放影响着城市本身到全球性区域多个尺度的生物地球化学循环与气候。而对于城市本身而言，全球环境变化已被当地显著的环境变化所掩盖。城市生态学集自然科学和社会科学，研究如何根本性地改变当地环境及其对区域和全球影响等此些问题。现今城市可持续发展的问题和解决方案均面临着全球城市化不断发展的挑战。人类现在正在经历一场引人注目的城市生活转移，然而1900年只有10%的全球人口是城市居民，现在这一比例超过50%，且在未来50年将增加更多(图1)。95%以上的全球净增长人口将在发展中国家的城市,这将接近今天大多数工业化国家80%的城市化水平。此外，个别城市发展到前所未有的规模，几乎所有新的大城市(>1000万，按照惯例)均出现在发展中国家(图1)。城市人口的增长伴随着经济增长和人口结构的变化，尤其是在人口众多的中国和印度。更多的生产需求需要附近和遥远的生态系统提供服务。在20世纪的大部分时间里生态学家们避开城市地区，其结果是导致生态知识对解决城市环境问题作出的贡献甚微。然而,最近越来越多的生态学家与其他科学家、规划师和工程师合作，旨在了解并进一步形成此些优越的生态系统。随着在10年前建立在国家科学基金会资助的美国城市研究项目和其不同于之前的努力(见第1部分引用的可支持在线材料)，城市生态学也已经开始改变生态学这门学科。城市生态学集成了自然科学和社会科学的理论和方法研究城市生态系统的模式和流程。城市生态进化的概念框架视城市为具有异质性和动态的景观与复杂、自适应性的社会生态系统。在该生态系统中，提供生态系统服务需链接多尺度下的社会和生态系统。城市生态学家们寻求城市生态系统中的共性，认识城市生态系统内的社会生态是如何相互作用的，以及他们扮演着环境变化的驱动者和响应者。在此，我们专注于五大类型的全球环境变化与城市生态系统的相互影响(图2)：即土地利用和覆盖变化，生物地球化学循环、气候、水循环系统和生物多样性。我们认为城市本身为许多全球性变化的缩影，这些信息测试案例用于解释社会生态系统的动力学和响应变化。城市化对土地利用和覆盖变化的影响在过去的一个世纪前所未有的城市人口增长率发生在小于3%的全球陆地表面，但其影响是全球性的，有78%的碳排放，60%的居民用水，和76%的木材用于工业用途，这些都归因于城市(6)。土地变化用于建设城市和支持城市人口本身的需求，并驱动其他类型的环境变化(图2)。城市居民依赖于生态系统的生产力和同化能力远远超出他们的城市边界--"生态足迹"一个城市成千上百次占领其所在区域--用于产生能量流动，物质和非物质的服务(包括废物吸收)，维持人类健康和生活质量(7、8)。同时，大城市群是人类聪明才智的标志，在人均基础上比小城市和乡镇或农村可能需要更少的资源(9)(见第2节中引用的支持在线材料；图S1和S2和表S1)。甚至在古代，一个高度分层的精英城市过度的需求将导致生产性景观的退化，最终导致成功社会的崩溃(例如公元前3年美索不达米亚的盐渍化)(10)。虽然最近全球化趋势不断加剧，几个世纪前欧洲消费者的需求导致殖民土地的森林砍伐，最近西半球国家对牛肉的需求改变了新的世界，使得许多热带雨林转变为牧场。同时在区域范围内，由人口流动带来的土地利用变化最明显。感知机会在城市中心日益和经济市场的需要。人类水文系统的修改纵观历史，因为可利用的水，城市如雨后春笋般沿着河流和三角洲拔地而起。这些水道离不开修改。在城市,水是丝丝缕缕的，不仅供家庭使用，而且用于工业过程，充足的卫生设施，防止自然灾害(洪水、飓风和海啸)。因此，人类已经修改水道系统来满足大量常常存在相互矛盾的目标。设计或改变溪流、河流、洪水通道、运河和其他水道系统服务城市地区，不仅复制取代了水生生态系统，而且保护生态系统服务的流失（除了他们设计的像水运和送水服务）。因此，很少有模型系统用来比较此些高度改变环境。一些人呼吁恢复在城市地区的溪流(45)，而另一些人则主张研究和管理这些独特的设计生态系统，以优化城市人口的服务。在这些服务中，将包括防洪、多样的水生生物栖息地，营养的保留和地方感。在城市地区对水道系统最重要的修改为在城市地区不透水覆盖增加对溪流的影响，从而改变水文和从建筑,道路,停车场漏斗式累积污染物进入河流。在美国点源污染已经被规定，且大幅度减少，但在许多发展中国家仍然是一个严重的问题(47)。工业排放污水，污染河流和湖泊。在新的城市雨水基础设施系统和废水排放是分开的，但是在欧洲和美国的一些老城市这两个流是混合的，造成了严重污染事件。从城市排放的风暴和枯水导致当地或甚至区域性下游污染，特别是杀虫剂和持久性有机污染物。化学环境的变化，暴露的污染物，简化的地貌结构，和改变城市溪流的水文结合起来创造一个生物多样性低、高营养浓度，减少营养保留效率，并且经常提高初级生产的城市流成因"综合症"。其它生态系统功能属性对城市化作出的反应不一致，也许是因为城区之间水文变化的程度和形式差异非常大。应对城市流综合症可能需要放弃"恢复"流的想法，赞成设计性生态系统。.基于生态设计一个新颖的水生生态城市变得越来越普遍，其成功之处在于例证其保护河流泛滥平原、改造小区雨水流道，并使用捕获低强度雨水/水系统作为解决城市雨水管理的创作性方案。城市生态多样性的改变在城市，城市化和郊区化通常减少了大多数生物群落物种丰富度和均匀度(如。(48,50)],尽管增加鸟类(51)和节肢动物的丰度和生物量(52)。因为城市足迹远远超过城市边界,城市化在区域和全球尺度上也可减少本地物种多样性(图2)。举例来说，南半球出现在一些候鸟丰度下降与北半球出现城市扩张有关(53)。这种模式有两个例外值得注意:(i)相对于荒地城市植物物种丰富度和均匀度都经常增加(54-56),可能由于高度异构的栖息地,加上人类引入外来物种和首选物种在景观码中很少有个人的偏好。(ii)城市化后的鸟类物种丰富度可以达到中级水平,因为增加边缘生境的异质性(57).人类常常直接控制植物丰富度、均匀度和密度。个别的人类和机构不直接控制其他大部分物种功能团（食草动物,食肉动物,寄生虫,杂食动物,腐食者），或它们营养相互作用，除了选择害虫物种和有意引入，驯化食草动物和食肉动物(如猫)。人类决定城市植物群落，通常基于社会经济地位，形成这些其他功能团物种的模板。提出丰富度和均匀度变化的机制包括提高速度和生产力的季节性变化，放松对主要物种的捕食，增加一些城市物种的竞争能力，或者增加那些不太成功城市物种的寄生虫压力。这些假设并不是相互排斥的。城市竞争对手导致某些物种可能变得更好，因为它们释放天敌。城市化进展也改变了物种群落的组成。在城市中，当城市物种重新组合成为新的物种时，生物群落往往不同于周围其他物种。例如,在种食虫物种鸟类中常转向更多为食种子的物(51)，节肢动物群落可能从更专业转向大众化的物种(62)。在农村和城市河岸土壤中的线虫多样性并不改变，但功能成分变化使得城市土壤中食肉和杂食性物种比在农村土壤少(63)。全球范围内的多样性,麦金尼(64)认为城市是伟大的均质化部队,一些"适应城市"的物种在全球的城市中变的更普遍了，并成为本地种的一部分，通常物种适应边缘成为当地和地区性丰富的物种往往以牺牲本地种为代价。这种均质化的陆生、水生群落通过城市化以不同的速率在不同的地理区域获得收益取决于人口增长和物种组成。城市环境是一个强大的选择性力量，改变行为，酶活性以及这些城市中的生物形态。人为的改变同时具有直接的（如建筑结构、生活环境的变化和破碎的班块，野生动物的饲养）还有间接的（如改变温度、生产力和光照，噪音和空气污染）都可能会导致短期的城市生物体表型的变化。从长远来看,城市环境在群体遗传学和城市物种的生活史特征中作为一个强大的进化力量(68)。人类生物体对选择城市环境的行为没有免疫。社会结构和交换作用，生理和健康，形态（如肥胖）甚至长期变化使得人类城市居民的基因可能与城市生活有关。鉴于城市土地使用和它的足迹将继续扩大在世界范围内,对维持生物多样性和功能和其相关的在城市内或城市附件生态服务的预知似乎是很可怕然而,加强保护措施保护现有的自然或半自然栖息地或重建城市内或附近的的栖息地可能改善这些生理变化(69)。引入外来物种结合一些城市的热岛效应实际上可能提高生态系统服务，例如土壤矿化。此外，和谐生态学下的栖息地极大地改变了人类使用设计,空间安排,和管理最大的生物多样性，同时提供经济效应和生态服务，提供了巨大的希望，生态学家将越来越多的要求帮助帮助设计和管理新的城市和重建旧的城市。城市给生态学家提供了一个真实的世界实验室用于了解这些基本模式和流程，并服务于城市规划师、工程师和建筑师，用于实现最大化的维持生物多样性和生态系统功能的政策。随着在城市或附近的人类生活不断的增加，这些都是人类生物群体所经历的，人类联系和接触城市性质取代了自然生物多样性的经历。矛盾的是，这些人类非本地的，全球"均质器"的经验，如鸽子，对于人造环境而言，复杂的保护全球生物多样性可能是必要的。前景城市是集中生产、消费和废物处理的中，驱动着土地变化，也使其成为全球环境问题的热点。在某些地方，他心们代表了全球环境变化的缩影,并为丰富生态和全球变化科学