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城市生态环境是在自然环境的基础上，按人的意志，经人类加工改造形成的适于人类生存和发展的人工环境。其既不单纯是自然环境，也不单纯是社会环境。城市生态环境的演化既遵循自然发展规律，也遵循社会发展的规律。为满足人类社会发展的需要，它既执行自然环境的资源、能源等物质来源的功能，维持人类的生存和延续，又执行社会环境的生产、生活、舒适、享受的功能，推动社会的发展。
1.自然生态环境
自然生态环境包括城市气候、城市地质地貌、城市水文、城市生物、城市环境污染等；城市资源包括一切可被人类利用的物质、能量、信息、劳力、资金、设备以及良好的社会环境等。
城市自然环境具有三种功能：一是生产功能，二是生活功能，三是还原再生功能。城市自然环境不仅是城市资源的源泉，而且是人类生活、居住的环境，人类不应只利用城市自然环境，还要尽可能地减轻自然环境的污染，能动地补充城市自然环境所不具备的功能，以补偿由于开发建设而造成的自然资源损失和自然环境的过度利用而受到的损害。
自然界的资源再生功能与环境再生功能，是以生物地球化学大循环来完成的。城市自然生态环境给予人类维持生存的物质条件，并提供了在智力、道德、社会和精神等方面获得发展的机会。所以，提供生物地球化学大循环的稳定条件，是城市生态环境建设的重要任务。而任何城市又首先都是以居民的居住、工作、休息的空间而存在的，人工生态环境的满足和满意程度，又是衡量城市生态环境好坏和是否稳定持续发展的重要准则。
环境是空间实体，它由各种生物因素或称生命系统（包括动物、植物、微生物）、非生物因素或称环境系统（包括光、热、水、大气、风、声、压、土壤、无机物等）共同组成。这些因素不是孤立地存在，而是通过物质循环、能量流动相互作用、互相制约，构成各种有机联系的整体。1935年英国学者坦斯列(A.G.Tansley)首次用“自然生态系统”一词描述自然界中这种普遍存在的客观规律之后，引起广泛的重视。1971年，美国学者奥登(E.P.Odum)将生态系统定义为：“特定地段中全部生物和物理环境的统一体，并且在系统内部因能量流动而形成一定的营养结构”。生态系统中进行物质能量流动的条件（因素），称生态环境。环境对生活在其中的生命有机体总是有直接或间接的作用，生命有机体与其生存环境相互作用所形成的结构和功能关系（即能流、物流、信息流）称生态（周小平，1991），参见图1。
图1 城市生态环境的组成
2.城市生态环境
城市是地球表面物质和能量高度集中和快速运转的地域，是人口、产业最密集的场所，是以人为主体的环境系统。按上述定义，城市居民与其周围环境的相互作用所形成的结构和功能关系，称城市生态。特定城市区域中，城市居民与城市环境的统一体以及这个统一体中进行物质能量流动的因素，称城市生态环境。所以城市生态环境也是空间实体。城市中进行物质能量流动的因素有自然环境因素（又称生命维持系统）和社会经济因素（又称人类活动系统）。所以城市生态环境由自然生态环境和社会经济环境以及沟通自然、社会、经济的各种人工设施和上层建筑（合称人工生态环境）组成。这些组成成分，通过生命代谢作用，投入产出链、生产消费链进行物质交换、能量流动、信息传递而发生相互作用，互相制约，构成具有一定结构和功能的有机联系的整体，称城市生态系统。它是城市居民与其环境相互作用形成的复杂的网络结构，所以城市生态系统是以人为中心的城市环境系统(Miller,1979)，或称城市生态环境系统。可见城市生态环境与城市生态系统没有本质上的区别，只是研究的侧重点有所不同：城市生态系统研究侧重网络结构关系的调控机理；城市生态环境研究侧重环境特征、要素结构功能的变化，以及污染物的环境行为和效应。城市生态环境是城市生态系统的基础和条件，城市生态系统是城市生态环境高一级的综合。
人是城市生态环境的建造者，人也是城市生态环境中的一员。人的生命活动是环境中能流、物流的一部分，参与城市生态环境的物质循环和能量流动，受自然规律的制约。人是城市生态环境的主宰者，支配城市生态环境的发展方向和速度，对城市生态环境起调节控制的作用。但人不能超越一定时期中城市生态环境的容量而无节制地发展，否则将受到环境的报复。人还是城市生态环境中生物系统的主体，是城市物质能量的主要消费者，同时又是生产者，参与生产经营，创造物质财富，参与物质财富的分配、交换与消费。人一方面进行物质的再生产；另一方面也进行自身的再生产，保证社会的延续和发展。
一是城市生态环境具有整体性。城市生态环境由自然、经济、社会三个部分交织而成。组成城市生态环境的各要素、各部分相互联系，互相制约，形成一个不可分割的有机整体。任何一个要素发生变化都会影响整个系统的平衡推动系统的发展，以达到新的平衡。
二是城市生态环境是一个开放性系统。其物质能量的恒定需要与系统以外的环境进行广泛的交换。原材料、燃料要输入，产品、废物要输出，城市生态环境系统的稳定性既取决于环境因素的容量，也取决于与外界进行物质交换和能量流动的水平。
三是城市生态环境具有一定的负荷能力。城市生态环境的负荷能力是有限的，超负荷则生态平衡被破坏，说明城市生态环境的脆弱性、平衡的不稳定性以及在一定限度内的可以自我调节的功能。城市生态环境在长期演变过程中逐步建立起自我调节系统，可在一定限度内维持本身的相对稳定。城市生态环境具有较强的人工调节功能，对来自外界的冲击能够通过人工调节进行补偿和缓冲，从而维持环境系统的稳定性，但这取决于人工调节的合理和适时。环境容量愈大，调节能力愈强，环境系统愈稳定。
3.城市生态环境效应及其生态位
城市生态环境效应是指城市自然过程和人为活动造成的环境污染和破坏，引起城市生态环境结构和功能的变化，以及生态环境变异。
(1)城市生态环境效应
城市生态环境效应一般可分为下面三种：
物理效应 由声、光、热、电、辐射等物理作用引起的生态环境效应，称物理效应。包括：城市工厂、家庭炉灶、车辆行驶大量排放废热，以及城市建筑物街道辐射热量等，产生城市热岛效应；二氧化碳排放量增加，产生温室效应；扬尘、烟灰使大气混浊，产生混浊岛效应；大量开采地下水引起地面沉降，使城市生态环境变异等等。
化学效应 由物质之间化学反应所引起的生态环境称化学效应。由于城市大量消耗矿物燃料，排放二氧化硫，在大气中遇水形成酸雾或酸雨，腐蚀城市物质，降落地面污染水体和土壤，产生城市环境酸化效应。城市工厂排放的氮氧化物和汽车尾气，在气温较高、强太阳辐射的条件下产生光化学反应，形成光化学烟雾，引起水体和土壤中二氧化碳含量增加，导致盐类溶解和代换增加。工厂含酸、碱、盐等多种污染物及重金属元素的废污水大量排放，进入城市水体和渗入地下，长期积累则产生环境的碱化效应和地下水硬化。
生物效应 由环境因素变化导致生物系统变异的效果，称环境的生物效应。产生生物效应的现象很多：如城市开发建设和人类活动砍树填塘，自然生态环境改变，人为的建（构）筑物、柏油马路代替了树林、草地、农田生态系统，破坏了生物的栖息地，野生动物灭绝，生物系统简化。城市水体污染，河湖鱼虾绝迹，使生物种类减少，剩下只有一些家养动物和少数喜欢生活在居住区的受保护的动物和人工绿化植物，栽培欣赏植物。致畸致癌物质污染，引起畸形和癌症患者增多。城市环境的生物效应关系到人和生物的生存和发展。因此人们高度重视这种效应的机理及其反应过程的研究。
(2)城市化环境效应过程
城市化的环境效应过程主要表现在：一是改变能量流。由于建设城市，将原有的地表覆盖加以改造，于是反射率就会相应地变化，从而改变区域的能量收入，此外，工业生产又从区域外部输入化石燃料，或者输入其中已经物化能量的各种产品，它们向大气释放各种物质，阻挡长波辐射的散失，从而改变城市的能量流动。二是改变物质流。城市社会经济系统，从城市外调运入的原材料及产品，向自然环境中排放污水和废气，从而改变城市的物质流。大量利用金属矿产，但利用率不高，大量弃置，使这些金属元素在城市环境中的浓度增加，而这些金属元素不少对人体是有害的。如汞、镉、铅等，它们会通过食物链危害人类。三是打破力的平衡：地球上的一切物体无一例外地要受到地心的引力作用。但城市建设，人类活动将岩石、砂土从一个地方迁移到另一个地方，改变了地表形态和地貌过程，甚至创建新的地貌形态，打破力的平衡，从而引发土壤侵蚀、塌方、滑坡。城市建设时所引起的地表变化，尤其是土壤侵蚀速率的变化十分惊人。据估算：道路建筑，每新建1km长公路其土壤侵蚀量每年为450-500t。
(3)生态位
生态位(niche)一词又称生态龛，最早是J.Grinnel于1917年提出，并定义为生物种群所占据的基本生活单位，主要是指物理空间。1927年Elton定义生态位为有机体在与环境的相互关系中的功能和地位。1957年G.Hutchinson定义其为多维生态因子空间。可见对生态位有多种不同的理解。城市环境给人类活动所提供的多维因子空间称城市环境生态位。它是指所提供给人们的或可被人们利用的各种生态因子（如水、食物、能源、土地、气候、建筑、交通……）和生态关系（如生产力水平、环境容量、生活质量、与外部系统的关系……）的集合（王松，1988）。可见城市生态位不仅包括生活条件，也包括生产条件；不仅有物质能量因素，还有文化信息因素；不仅有空间概念，还有时间概念。它反映了一个城市对人类各种经济活动和生活活动的适宜程度，反映了城市资源、环境的优劣，从而决定了它对不同类型的经济活动以及不同职业年龄人群的吸引力和离心力。
生态位是生物在完成其正常生活周期时所表现的对环境的综合适应特性。每一个环境因子为一个维(X)。城市环境生态位可以用城市广义环境空间E中的一个多维向量X来表示：
X=｛X[,i]┃X[,i]∈E[n],i=1,2,…,n｝
其中X[,i]=X[,i](t)是随时间t变化的随机变量，表示时刻t时第i个生态因子的状况［这里为简便计，我们考虑其为均值函数，即X[,i]=E(X[,i])］；n为与城市人类活动密切相关的那些生态因子或关系的个数。
城市环境生态位大致可分为三类：一是资源利用、生产条件生态位（简称生产位）；二是生活水平生态位（简称生活位）；三是环境质量生态位（简称环境位）。其中生产位包括了城市的经济水平、资源条件、流通能力等因素；生活位包括了公用设施建设、居民的物质及精神生活水平、社会服务能力等因素；环境位包括了资源消耗、城市的污染负荷、环境主要因子的污染状况等因素。
4.城市生态环境容量及其净化过程
(1)生态环境容量
环境容量是指在人类生存和自然生态不致受害的前提下，某一环境所能容纳的污染物的最大负荷量，即环境所能接受的污染物限量或忍耐力的极限。城市环境容量当指城市特定区域环境所能容纳的污染物最大负荷量，即城市自然环境对污染物的净化能力或为保持某种生态环境质量标准所允许的污染物排放总量。城市生态环境容量除考虑上述自然环境对污染物的净化能力之外，还要考虑环境资源对社会经济活动强度的承受能力。如城市的土地资源、水资源、能源等对人口和经济发展的承受能力。所以城市生态环境容量是指在保证城市土地利用适宜、资源开发利用合理、生物受到保护、环境污染得到有效控制的前提下，城市所能容纳的适度人口和一定的经济发展速度。它是城市生态规则的基础，是城市生态规划的一种依据。城市生态环境容量并非是常数或恒定值，它随时间、空间等因素的变化而变化。影响城市生态环境容量的因素主要有：一是城市空间的大小和各环境要素的特征，如地形、地质、水文、气象、土壤等环境系数的条件及其化学、物理的特征；二是植被、野生动物、微生物等生物系统条件及其生物特征；三是人工形成的城市环境系统，如建筑物、桥梁、道路、工厂、矿山、城市基础设施等及其所引起的城市物理环境变化特征；四是污染物的物理化学性质；五是人类生物有机体对某种污染物质或能量的耐受力。
(2)环境自净能力
当污染物质进入城市自然生态系统时，系统可对污染物质进行转化、迁移、降解和扩散，降低其浓度，或使之完全消除，不致造成危害。城市环境的这种自我净化作用称为环境的自净能力。按其发生机理可分为物理净化、化学净化和生物净化三类。
物理净化 城市环境自净的物理作用有稀释、扩散、淋洗、挥发、沉降等。如气流扩散，降水淋洗，重力沉降等作用，可使大气得到净化；水体的物理吸附、沉淀、流水稀释、扩散等作用，使水体自净。土壤中挥发性污染物，如酚、氰、氯等，因挥发作用，其含量渐降。物理净化能力取决于环境物理条件和污染物本身的物理性质，如温度、风速、雨量，污染物本身的比重、形态、粒度等。此外，地形、水文条件对物理净化作用也有重要影响。
化学净化 城市环境自净的化学反应有氧化——还原、化合——分解、吸附、凝聚、络合、交换等等。如某些有机污染物经氧化——还原作用最终生成水和二氧化碳等；水中的铜、铅、锌、镉、汞等重金属离子与硫离子化合，生成难溶的硫化物沉淀；铁、锰、铝的水合物、粘土矿物、腐殖酸等重金属离子的化学吸附和凝聚作用；土壤和沉积物中的代换作用等；均属环境的化学净化作用。影响化学净化的因素有酸碱度、氧化还原电势、温度和化学组成等。污染物本身的形态和化学性质对化学净化也有重要影响。
生物净化 城市生物的吸收、降解作用，可使环境污染物浓度降低或消失。主要是城市绿化植物能吸收土壤中的酚、氰，并在体内转化为酚糖甙和氰糖甙；球衣菌可以把酚、氰分解为二氧化碳和水；绿色植物可以吸收二氧化碳放出氧；凤眼莲可以吸收水中的汞、镉、砷等化学污染物从而净化水体。影响生物净化的因素有生物的科属种、环境的水热条件和供氧状况等。有机污染物质净化主要依靠微生物的降解作用。
城市由于人口高度集中，社会经济活动强度大，对城市的污染往往超过城市环境的自净能力，而且城市的自然净化功能十分脆弱而有限，需要通过人工措施进行净化，才能维持城市生态环境的平衡和稳定，例如城市污水处理，工厂烟囱消烟除尘，垃圾填埋、焚烧，城市绿地规划等等，以加快废物的分解还原过程，进行积极的治理。
5.城市生态环境结构和功能
(1)城市生态环境结构
组成城市生态环境的各部分、各要素在空间上的配置和联系称城市生态环境结构。它是描述城市生态环境有序性和基本格局的宏观概念。城市生态环境内部结构和相互作用直接制约着其功能的发挥。组成城市生态环境各要素之间、各部分之间的有机组合，使城市生态环境通过生物地球化学循环、投入产出的生产代谢，以及物质供需和废物处理，形成一个内在联系的统一整体。一方面，城市自然生态环境以其固有的成分及其物质流和能量流运动着，并控制着人类的社会经济活动；另一方面，人又是城市生态环境的主宰者，人类的社会经济活动又不断地改变着能量的流动与物质的循环过程，人是城市环境资源和物质的主要消费者，又是环境的污染者，对城市生态环境的发展和变化起着支配作用。这两个方面又互相作用、互相制约，组成一个复杂的以人类社会经济活动为中心的城市生态环境系统（参见图2）。这个系统结构复杂，功能多变，层次有序，等级分明，而且具有多向反馈的功能。城市自然生态环境的空间分布，遵循区域自然环境的水平和垂直分布规律；其时间变化，遵循区域自然环境变化的节律性。城市自然生态环境结构具有有限的调节能力，在一定限度内可自行调节，在新的条件下达到平衡。城市社会经济环境结构，具有人工调节功能，靠人的智能和创造力进行调节和控制。在城市人口剧增、社会经济迅速发展、科学技术日新月异的今天，对城市生态环境结构变动的影响，无论在深度、广度还是速度、强度上都是空前的。每一个城市都有其自身的形成发展过程和演变规律，并通过系统本身的自我调节功能（自然生态系统）人为调控过程（社会经济系统）来维持整个系统的相对稳定状态。
图2 城市生态环境结构和功能示意图
(2)城市生态环境系统功能
系统的功能总是与其结构相适应，城市自然生态环境具有资源再生功能和还原净化功能。它不但提供自然物质来源，而且能接纳、吸收、转化人类活动排放到城市环境中的有毒有害物质，在一定限度内达到自然净化的效果。自然环境中以特定方式循环流动着的物质和能量，如碳、氢、氧、氮、磷、硫、太阳辐射等的循环流动，维持着自然生态系统的永续运动。这些物质也是人类生存和繁衍不可缺少的化学元素。城市自然生态环境的水、矿物、生物等其他物质通过生产进入经济系统，参与高一级的物质循环过程。它们都是城市社会经济活动不可缺少的资源和能源。城市生态环境中的自然环境和人工创造的社会环境、经济环境，分别承担着满足城市居民特定需要的功能。其中自然环境是城市产生和发展的物质基础，是人类生存和发展不可缺少的物质因素；社会经济环境具有生产、生活、服务和享受的功能。社会经济环境是在城市形成过程中，人类为了不断提高自己的物质文化生活而创造的。在这种创造过程中，人类既利用、改造了城市自然环境，又损耗和破坏了自己所生存的城市环境，并不断向其生存空间以外发展和开拓。所以城市生态环境随着城市的发展而不断地变化。近几十年来，由于工业化的迅速发展，世界城市人口猛增，城市燃料、原材料和农副产品的消耗量激增，城市废物排放量也迅速增加，造成城市环境被污染，城市绿色植物迅速减少，微生物活动受到抑制，城市自然生态环境功能衰退，城市生态环境质量下降，诸如城市大气污染、水体污染、生物污染及气候变异等。有些地方已到了直接威胁人类的生活空间和生存条件的边缘，因此，尽快加强生态环境特别是城市生态环境建设，为人类自身的“栖居”营造一个无害的空间，已是形势所趋，迫在眉捷。