城市與區域生態關聯研究進展

周偉奇,王 坤,虞文娟,李偉峰,韓立建,錢雨果

1 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049

城市與區域生態關聯研究進展

周偉奇1,2,*,王 坤1,2,虞文娟1,2,李偉峰1,韓立建1,錢雨果1

1 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049

城市及其周邊區域正在面臨日益嚴峻的環境污染、生態惡化、資源短缺等問題。這些問題的出現,與長期以來城市發展過程中忽視城市與區域的生態關聯密切相關。研究城市與區域的生態關聯,對于解決城市與區域的生態環境問題、指導新型城鎮化建設具有重要的理論意義與實踐價值。主要從以下3個方面系統總結了城市與區域生態關聯的研究進展：(1)城市發展對周邊區域的生態環境影響,包括直接的脅迫和間接的影響；(2)區域對城市發展的生態支撐；(3)城市與周邊區域社會、經濟、生態關聯的相互作用機制。指出了當前城市與區域生態關聯研究中存在的問題和不足：1)城市對周邊區域生態環境直接影響的研究較多,且多側重城市對周邊區域的負面影響,對其間接影響的研究較為缺乏；2)周邊區域對城市發展生態支撐作用的研究相對缺乏、認識不夠深入；3)對城市與周邊區域生態關聯作用機制的研究較為缺乏。未來的研究要將城市和區域作為統一整體,進一步完善城市與區域生態關聯的理論框架,耦合社會經濟的相互作用,定量解析城市與區域的生態關聯,為城市與區域的可持續發展提供科學依據。

城市化；城市區域；生態關聯；復合生態系統；城市群；城鄉一體化；城市與區域協同發展

快速、大規模的城市化進程極大地促進了我國社會經濟的發展,但是給城市及其周邊區域也帶來了環境污染、生態惡化、資源短缺等一系列的生態環境問題,進而又嚴重制約了城市與區域的可持續發展[1]。這些問題的出現,與長期以來城市化過程中只注重城市發展,而忽視城市與區域的生態關聯密切相關。實際上,城市通過物流、能流、信息流、貨幣流及人流與其周邊區域緊密聯系[2]。部分研究嘗試從某些特定的角度,如產品流通、消費過程等分析城市與周邊區域的生態關聯[3],但缺乏對城市與區域生態關聯系統全面的認識。隨著城市化的進一步發展,城市與其周邊區域的交互作用將更加廣泛,因此,有必要對城市與周邊區域的生態關聯及其相互作用機制進行系統深入的研究。

城市及其周邊區域是一個社會、經濟和自然緊密聯系的復合生態系統,它們相互依存、互相制約[4- 5],形成一個有機的整體[6- 7]。因此,城市與周邊區域生態關聯是指城市與其周圍區域之間的生態環境相互影響及其作用機理,包括城市發展對周邊區域生態環境和資源利用的影響,周邊區域對城市發展的生態支撐,以及城市與周邊區域生態系統的交互作用(圖1)。按照城市與其周邊區域生態關聯的理論框架對相關研究進行系統的梳理,有利于揭示城市與區域生態環境問題的形成機理,對于指導解決城市與區域面臨的生態環境問題、促進城市與區域生態環境的一體化管理,具有重要的理論意義與實踐價值[8- 10]。

圖1 城市與區域生態關聯Fig.1 Ecological connections between urban and its surrounding area

1 國內外研究現狀

城市與區域的社會、經濟和生態關聯一直是國內外研究的熱點和前沿。目前,眾多學者從不同角度開展的大量研究涉及諸多方面,其中與生態環境密切相關的研究概括起來,主要集中在以下3個方面：(1)城市發展對周邊區域的生態環境影響；(2)周邊區域對城市發展的生態支撐作用；(3)城市與周邊區域社會、經濟、生態關聯的相互作用機制。

1.1 城市化對城市周邊區域生態環境的影響

城市是人類社會經濟活動最集中、對自然生態系統壓力最強烈的區域[11]。社會經濟活動的快速發展、城市下墊面組成和空間格局的劇烈變化,在城市內部產生了熱島效應、城市內澇、大氣污染和水體污染等一系列的生態環境問題[8,12- 13]。實際上,城市化帶來的諸多生態環境問題不僅影響城市本身,而且遠遠超出城市的邊界范圍,逐步演變為區域性的生態環境問題,例如水資源短缺、濕地萎縮、水體污染、大氣污染、生態系統功能退化等已呈現出明顯的區域性特征[8- 9]。城市發展對周邊區域生態環境和資源的影響,既包括直接的脅迫效應[14- 15],也包括通過改變周邊區域的社會經濟結構和生產生活方式所帶來的間接影響[16- 17]。

城市發展對周邊區域生態環境和資源的直接脅迫效應,集中體現在以下3個方面：(1)城市擴張對自然生態空間的大量侵占和水土資源等的過度消耗。由于城市快速擴張,大量的生態用地被城市建設用地擠占,導致農業用地、林地和濕地等自然生態系統面積銳減,加劇了自然景觀的破碎化程度[18- 20],進而導致生物多樣性下降[21]、熱島效應加劇[22]和生態系統服務功能降低[23]等問題。此外,城市的維系需要消耗周邊區域或者更大空間范圍的自然資源。例如,城市發展消耗了區域大量的水資源,影響了區域的生態用水平衡,并導致區域濕地萎縮和地下水位下降[8,14]。(2)城市排放的污染物對周邊區域生態環境的影響。這方面的研究主要關注城市發展過程中,人類生產生活所排放的污染物對周邊區域土壤、水和大氣等人類賴以生存的環境要素的影響。例如,城市發展導致水體污染對下游河流水環境、水生生物產生了負面影響[24]；城市排放的大氣污染物會顯著降低區域的空氣質量[25]。(3)城市發展對城市及其周邊區域氣象氣候的影響。城市化會改變城市內部及區域的氣候特征[26],導致溫度、降雨和濕度發生變化,進而顯著影響周邊區域的生態系統穩定,如導致植物物候期提前[27]和植被凈第一性生產力變化[28]。

除了直接的脅迫效應,城市發展通過影響區域的社會經濟結構和生活生產方式,進一步影響周邊區域的生態環境質量。城市發展顯著影響周邊區域的經濟發展、產業結構[29]、人口流動和當地居民的生產生活方式等方面[30- 31]。這些社會經濟變化進一步影響周邊區域的生態系統和自然環境,既有正面的效應,也有負面的影響[14,16,32]。現有的研究主要集中在以下3個方面：(1)通過分析城市發展對城市周邊地區人口數量和結構的影響,進而分析人類活動變化對自然環境的干擾[33- 34]。城市化過程顯著改變了城市周邊區域的人口數量和結構,特別是發展中國家,大量青壯年人口進城務工,農村勞動力減少,人類活動對當地植被的干擾和脅迫減少,大片耕地撂荒、道路庭院植被恢復,促進了當地自然生態系統的恢復[35- 36]。(2)生產方式變化對生態環境的影響。國內外對產業結構變化的生態環境影響研究已經有很多。例如,城市發展一定程度上改變了農業耕作方式,提高了農業的機械化程度和自動化程度[37- 38],增大了農藥和化肥的使用量,進而導致土壤污染、水質污染、農藥富集和生物多樣性減少等問題[39- 40]；傳統農業向綠色農業、觀光農業、休閑農業等轉變減少了農業污染,但是游客增多也產生大量的污水和垃圾等生活污染[41- 42];現代工業向城市周邊區域轉移,工業園區建設占用大量的耕地和生態用地,加劇自然景觀的破碎化程度[43],排放大量的工業污水和工業廢氣,嚴重破壞當地的生態環境。(3)生活方式變化對生態環境的影響。城市發展改變周邊區域的生活方式,產生了正、負兩方面的生態影響。隨著農村生活方式向城市生活方式轉變,煤、電、燃氣和太陽能等清潔能源取代大量生物能源的使用[32,44],顯著減少做飯取暖對柴草等植被的干擾和破壞,促進了當地自然生態系統的恢復[32,45]。另一方面,飲食結構和消費方式的變化,促使人均生活污水、人均生活垃圾、人均能耗和人均水資源使用量普遍提高,對土壤環境、水環境以及大氣環境的脅迫增加[46- 47]。

1.2 周邊區域對城市發展的生態支撐作用

城市的發展離不開區域的生態支撐,包括提供空間載體、提供資源支撐、容納廢棄物等方面[48- 50]。隨著全球城市化影響的加劇,優化區域的生態系統服務功能日益受到關注[51],尤其是與城市發展密切相關的、支撐城市發展的區域生態系統服務功能。近年來,從生態系統服務功能的角度,來探討周邊區域對城市發展的生態支撐作用,已經成為國內外研究的熱點和前沿[51- 52]。

生態系統服務功能是指生態系統與生態過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環境條件和效用,是社會經濟可持續發展的基礎[53- 54]。城市作為人口高度密集的地區,其運行與發展嚴重依賴周邊區域的生態系統服務功能。一般認為,區域對城市的生態系統服務功能包括食品與水資源供給、氣候調節、防風固沙、空氣凈化、水源涵養、水質凈化和文化娛樂等服務功能[27,55]。研究顯示,郊區溫度通常低于城區[56],城市周邊區域可以為城市“降溫”,具有減緩城市熱島效應的服務功能[27,48]。對1999—2011年中國350個城市的分析發現,城市周邊區域的PM2.5濃度低于城市內部,對疏散和緩解城市空氣污染有積極作用[57]。另外,城市周邊區域的森林、草地、農田等植被可以通過滯留、吸收大氣中的氮氧化物、SO2、煙粉塵和沙塵等污染物,起到凈化空氣和防風固沙的作用[58]。河流、湖泊和濕地等為城市生活生產提供了水源供給、產品輸送、水土保持、水體凈化、休憩娛樂等功能,對維持和改善城市生態系統質量至關重要[59]。

1.3 城市與周邊區域的社會、經濟、生態關聯的相互作用機制

城市與區域通過人流、物流、能量流和信息流等相互作用,成為一個社會、經濟和生態緊密關聯的有機整體[48- 49]。長期以來,城市與周邊區域的相互作用機制是區域科學、經濟地理學和管理學等多門學科共同關注的研究重點和經典議題[60],近年來也逐漸成為城市生態學、區域生態學的研究熱點[16,44]。

已有的大量研究主要側重社會經濟聯系及其相互作用,主要包括：(1)基于產業結構與空間布局、人口流動以及技術進步等社會經濟要素,研究城市與周邊區域的相互作用機制[61]。(2)基于空間相互作用理論[62],采用引力和潛力模型[63],探討城市與周邊區域在物質、能量、人口、信息交換等方面的相互作用,及其強度與距離增加而衰減的關系[64]。(3)對城鄉統籌理論與模式的探索。基于中國“城-鄉”分割的基本特征,探索通過區域統籌管理(如城鄉一體化等政策)減少或消除城鄉二元結構產生的社會經濟差異[65- 66]。

城市與周邊區域生態關聯是最近幾年發展起來的全新概念。在大量的城鄉梯度(urban-rural gradient)等相關研究的基礎上[67- 68],最近有學者提出了城鄉連續體(Continuum of Urbanity)的概念和理論框架,來研究城市與周邊區域的社會、經濟和生態關聯,該理論框架包括生產方式(livelihood)、生活方式(lifestyle)、相互聯系(connectivity)和位置(place)4個維度及其相互關系[16,44]。其中,生產方式是指人們采用技能、資本、資源等來維持生計和參與市場經濟活動。生活方式是指人們通過職業身份、消費方式、行為方式、娛樂方式等來區分社會身份和行為方式；相關聯系包括城市與周邊區域的基礎設施、人、物、能量、資金和信息等多種聯系；位置包括生態資源、環境約束條件、地理氣候特征、風險和易損性等自然特征和歷史傳統、風俗文化等社會特征[16,44]。以下是一個城鄉連續體框架中社會、經濟和生態關聯的相互作用的有趣例子：①東南亞人民生活水平的提高增加了肉食攝入,②澳大利亞為了增加肉類供應和動物養殖,大量砍伐森田開墾農田,破壞了果蝠的棲息地,③果蝠攜帶大量病菌遷移到城市,威脅城市居民的身體健康[44]。此外,還有學者提出了遙相關(Teleconnection)和遠程耦合(Telecoupling)的概念和理論框架[69- 71]。研究指出,局部國家或地區的土地利用受國際物資供求市場的影響,如美國33%、歐洲50%和日本92%的土地需求均依靠其他國家[72]；東南亞和巴西熱帶雨林地區森林的減少受到遠距離地區增加棕油、大豆和肉類需求的影響[73]；區域之間的資源流動還可能進一步產生新的生態環境問題,如中國的南水北調可能與北京密云水庫浮游植物種類和數量增加有關[74]。上述這些新的概念和理論框架都不約而同地強調系統之間的相互聯系,為研究城市與其周邊區域的生態關聯提供了新的研究思路。

2 現有研究存在的問題與不足

綜上所述,當前關于城市與區域生態關聯的研究,主要關注城市空間擴張和污染物排放對周邊區域的單一、直接影響,缺乏將城市與周邊區域視為一個相互支撐、相互關聯的整體,更缺少對城市與區域生態關聯及其響應反饋機制的研究。具體來說,還存在以下幾個方面的不足和挑戰,需要加強研究。

2.1 城市對周邊區域生態環境的直接影響研究較多,對間接影響的研究較為缺乏

城市發展對周邊區域生態環境的影響已引起廣泛關注,但是大多研究主要關注城市擴張和污染物排放對城市近郊區域水、土、氣等生態環境的直接影響[4- 6],對遠郊、鄰近城市以及城市群等較遠區域生態環境影響關注較少。另一方面,關于城市化帶動周邊區域人類生產生活方式變化進而對生態環境的間接影響研究相對較少[9- 10]。而且,目前已有研究大多側重社會經濟要素和生態環境要素之間的統計分析,缺乏對生態過程和影響機制的深入探討。如何綜合評價社會經濟活動的生態影響,科學地量化城市對周邊區域生態系統的結構、格局、功能和資源利用的直接和間接影響,仍缺乏深入系統的研究。

2.2 周邊區域對城市的生態支撐研究不夠深入

城市與周邊區域是一個相互支撐、相互關聯的有機整體[55]。現有大多研究僅關注城市對區域的單一影響,即城市對周邊區域生態環境的脅迫作用[55],相比之下,周邊區域對城市發展生態支撐作用的定量研究相對缺乏。盡管目前關于區域的生態系統服務功能已經開展了許多研究,但對其生態過程和作用機制的認識還不夠深入系統,比如在生態系統服務功能的類型劃分、模型開發、驅動力分析、方法標準化等方面都存在較大的不確定性[75],導致無法給出普遍認可的定量結論,使得現有研究難以直接指導實際應用。另外,城市發展導致區域生態系統的結構功能、環境質量和資源利用發生變化后,區域生態系統對城市的生態支撐作用怎樣變化,目前仍缺乏進一步的認識和了解。

2.3 城市與周邊區域相互作用機制研究較為缺乏

城市與區域的社會、經濟和生態關聯已經引起了研究者們的廣泛關注[76],將城市與周邊區域視為一個相互支撐、相互關聯的整體,促進城市與周邊區域的協調發展已經成為國家發展的迫切需求。然而大多研究只側重“城-鄉”社會經濟要素的協同關系[50],長期忽略生態環境要素之間以及社會經濟要素與生態環境要素之間的關聯。最近學者們提出的城鄉連續體、遙相關和遠程耦合等理論概念和研究框架[44,71],為探討城市與區域的社會、經濟和生態關聯及其響應反饋機制提供了新的研究思路。但是,目前這些研究還處于構建理論框架和定性描述現象的階段[76],進一步的理論梳理和研究論證亟待完善和補充。

3 研究展望

未來20年,中國還將繼續人類歷史上最大規模的城市化進程。隨之而來日益凸顯的生態環境問題是實現城市與區域可持續發展的重大挑戰。研究城市與區域的生態關聯,探討城市與區域生態環境一體化管理的方法和模式,無疑是解決我國城市與區域生態環境問題、構建區域生態安全格局、促進城市與區域可持續發展的基礎,尤其是以下三個方面：

(1)城市化對周邊區域生態環境間接影響的定量化研究。城市與周邊區域是一個有機的整體,是一個自然-社會-經濟復合生態系統[77],城市化對周邊區域生態環境,既有直接的作用,也有間接的影響,僅僅研究城市發展對周邊區域的直接影響已不能滿足當前的研究需求[27,44,69]。深入分析城市和城市群的發展模式、空間格局和聯系程度對城市周邊區域社會經濟結構、生產生活方式變化的影響,研究這些變化對區域生態系統的結構功能、環境質量和資源利用的進一步影響,揭示城市對周邊區域生態環境影響的生態學機制,將是今后研究的重要方向。

(2)周邊區域對城市發展生態支撐作用的深入研究。城市的發展高度依賴于周邊區域的生態系統服務功能[78]。為了實現城市和周邊區域的可持續發展,必須深入探討生態系統服務功能的生態學機制、揭示城市與區域生態關聯的關鍵組分、辨識各項生態系統服務功能之間的交互關系。這不僅包括城市周邊區域對城市發展的生態支撐作用,還包括城市對區域生態環境特征和生態系統服務功能的影響和變化,以及城市對這些變化的反饋響應。例如,城市生活生產用水增多,大量消耗周邊區域的水資源,導致區域的水資源減少,影響區域對城市的水源供給,進而影響城市的生產、生活用水和景觀用水等；城市采取限量用水、鼓勵節約用水和使用再生水等措施減少用水,進而對城市的生活、生產、綠化等社會經濟自然各個方面造成影響。因此,基于多數據源、多維度的觀測評價手段,定量辨識城市與周邊區域社會經濟自然因素的影響反饋機制、構建周邊區域對城市發展的生態支撐模型、探索城市與周邊區域生態環境質量的優化模式等是下一步研究的重點和難點。

(3)發展城市與周邊區域相互作用機制的理論框架和技術方法。綜合多學科的知識方法,發展城市與區域生態關聯的理論框架,耦合社會經濟的相互作用機制,定量解析城市與區域的生態關聯,是促進城市與區域健康發展、構建區域生態安全格局的理論基礎[10,78]。由于城市與周邊區域是一個社會-經濟-自然復合生態系統,因此,綜合經濟地理學、城市地理學和城市生態學等多學科的理論和方法[79],如中心地理論、城市腹地、等級理論和物質流等[80-81],定量表征城市與周邊區域在社會、經濟和生態三方面的相互作用機制,是未來研究的重要方向。城鄉連續體 (continuum of urbanity)、遙相關 (tele-connection)、遠程耦合(telecoupling)、城市集群(metacity)等理論概念和研究框架,能夠豐富城市與周邊區域生態關聯的研究思路[71,82-83],與其相關的理論框架、技術方法和實證研究均是未來的研究熱點。

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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

國家自然科學基金重大項目課題(41590841);中國科學院前沿科學重點研究項目(QYZDB-SSW-DQC034);國家自然科學基金面上項目(41371197)；國家自然科學基金優秀青年基金項目(41422104)

2016- 05- 06; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 03- 22

10.5846/stxb201605060874

*通訊作者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.