课题简报2007]01 号

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1、课题简报200701 号 国家重点基础研究发展规划 （973 计划） “城市生命体生态特征及演变机理研究”课题 （课题编号：2005CB724204） 简 报 课题办发 2006 04 号 （2007 年1 月 1 日） 课题四 2006 年度总结 课题四 2006 年度总结 一、 年度计划执行情况 一、 年度计划执行情况 1. 年度计划完成情况； 研究工作进展顺利，圆满地完成了项目计划任务书确定的年度计划，取得 了丰硕的阶段性成果，并提前进入下一阶段的研究。已完成的主要工作如下。 （1） 建立了基于多尺度火用值理论的城市系统生态学理论和方法框架， 构建了城 市生命体生态特征的基本判据及演化模

2、型， 以客观统一参数衡量案例城市 生态流变过程，基本上实现了城市的动力学模拟； （2） 收集和监测了全国几十个典型城市 （如北京和深圳等） 多年的地理、 气候、 人口、经济、环境、社会等数据以及城市土地开发利用、规划等的 RS/GIS 数据资料，并从中筛选出影响城市生命体健康的关键生态因子； （3） 构建了城市生态系统健康评价指标体系， 在分析比较城市生态系统健康评 价常用数学方法的基础上， 选用模糊评价方法对城市生态系统进行健康评 价； （4） 修正完善了城市生态承载力理论模型， 提出一种承载力约束下的适度人口 规模计算方法，并在北京市通州区进行了应用研究； （5） 对城市生态系统中存在的各

3、类生态风险进行分类，并分析了其表现形式； （6） 对区域城市化与其环境资源约束条件的关系进行辨识， 并对区域的环境资 源输出进行核算； （7） 分析了典型城市城镇化过程的时空格局， 分析了不同尺度下城镇化过程景 观组分时空变化模式； （8） 完成了城市产业生态学基础理论的研究， 特别是城市基本物质的流动规律 的研究，以及产业系统对资源环境系统的影响； （9） 提出了采用指标信息熵评价系统的发展度和协调度的方法； （10）构建了基于城市复合生态系统原理和城市代谢功能的城市系统互动分析 指标体系， 对案例城市复合生态系统中的不同变量之间的相关性和协调性 进行了度量。 目前已经在国内外刊物上发表或接

4、受多篇论文，其中 SCI 和 SSCI 论文 20 篇。 此外， 还有多篇论文已经投出或正在处理中。 在研究生培养方面， 共有 20 余 名博士生和硕士生加入到该课题的研究行列中，其中 3 名博士后，2 名博士生和 1 名硕士生已于 2006 年出站或毕业。 2. 研究工作的主要进展； （1）城市生命体的生物物理系统生态学理论基础理论的研究和方法的构建 以解决现代城市“病”这个科学问题为目标， 基于现代系统生态学和非平衡 热力学的最新发展，提出了多尺度物质、能量与信息一般转换的开放生态系统理 论，并以体现火用（Embodied Exergy）理论统摄和提升系统生态学中最有代表性 的 Odum

5、能值 （Emergy） 理论、 Costanza 体现能 （Embodied Energy） 理论和 Szargut 积累火用（Cumulative Exergy）理论等诸种生物物理理论，以客观统一参数衡量 一般城市生态演变过程， 构建出城市生命体生态特征的基本判据及相关演变机理 模型。 （2）城市生态统一核算和评价 主要研究工作包括： 能值 （Emergy） 核算、 生态足迹 （ecological footprint） 核算、虚拟水(Virtue Water)及其它虚拟资源核算等。具体工作涉及到：能值核 算方法在全国尺度、农业部门尺度以及以北京市为例的城市尺度的应用；基于能 值分析的生态足

6、迹方法的改进， 以及改进的生态方法在北京市生态统一核算的应 用；城市“虚拟水”的研究等。 （3）城市火用转换和火用结构分析 以分析城市各功能单位间的火用流转换为出发点，对中国进行社会火用分析 （2003）和能值分析（1978-2004） ，揭示中国社会各个经济子系统之间的生态流 动趋势与规律。这项工作首先以中国整个自然经济系统为研究对象，构建了一套 理论方法指标体系，现已经逐步推演到城市生态经济复合系统的研究中。此研究 也有助于构建基于多主体（如城市、区域、国家和全球）的多指标绿色评价方法 体系。 （4）城市的能量学与动力学研究 以系统生态学为出发点、能值概念为基础，融合城市生命体的特征辨识、

7、健 康评价、生态统一核算等内容，对不同功能城市（大都会、工业型城市、物流型 城市、市场型城市和农村居民点）进行系统生态学建模，建立动力学模拟方程并 分析特征指数，完善以能值概念为基础的城市系统生态学理论；并在原有能值概 念的基础上，进一步拓展生态热力学基础理论，完善体现火用理论框架；根据相应 物质平衡方程、能量平衡方程、火用平衡方程和体现火用平衡方程建立城市生态系统 各功能子系统输入输出体现火用模型； 对各子系统的输入输出火用流进行动态模拟和 特征辨识，探讨子系统输入输出火用流演化规律和模式，计算火用流强度，并进行模 拟和优化。对整个城市生态系统，则在考虑废物排放的前提下，根据不同目标函 数，

8、根据动态仿真结果对可再生资源、不可再生资源、人力资源、信息资源和货 币资本的结构性分配提供情景分析和优化方案。该项研究已经在北京、深圳、上 海等典型城市开展。 （5）城市城镇化过程的时空模式、景观格局变化及驱动机制 利用梯度(gradient)分析、景观格局指数(受保护地表的面积和百分比、土 地覆盖斑块的数量和大小、绿地的面积和连接度、景观结构的复杂性、道路密度 等)及尺度变化(孔隙度指数)研究中国典型城市城镇化过程的城镇空间结构动态 变化、生态过程。将梯度分析与景观格局指数相结合，分析典型城市城镇化过程 的景观格局变化。主要工作涉及：中国典型城市 1975-2005 年城镇化过程中景观 格局

9、动态变化；随着城市中心的距离的变化景观格局变化模式；在城市-农村过 渡带不同景观成分空间格局变化；利用景观格局分析城镇化的梯度；不同尺度下 各种景观组分的空间模式；城镇化过程引起的主导景观模式变化的异同。 （6）核心城市与区域之间环境资源的流动核算 核心城市规模的过度扩展，导致了区域内环境资源的大量消耗，在核心城 市与区域之间形成激烈的资源竞争关系。分析核心城市与所在区域之间的资源、 环境相互作用规律；揭示核心城市的过度发展，对区域生态环境与社会经济发展 产生的不利影响，明确核心城市与区域激烈竞争的具有强烈约束性的限制条件。 从可持续发展观出发， 对核心城市与区域城市体系之间的资源环境分配与利

10、用进 行估算和模拟， 估算资源过度流向核心城市对区域其它经济体所带来的机会成本 或环境损失。 （7）区域环境资源输出对其城市化进程的影响研究 区域的环境资源输出，必然导致区域城市化进程的减缓，并且限制核心城市 外围的城市群的发展规模，阻碍区域的农村人口向非农业人口转移，使得区域的 工业化进程变慢。采用引入环境资源的社会生产函数，研究其环境资源输出对其 城市化的约束。 （8）基于模糊综合评判法和 GIS 的城市生态系统健康评价 以北京市通州区为例，收集与城市生态环境相关的自然、社会、经济等方面 的历史数据、遥感资料以及现场调查资料，对资料和数据进行整理和综合分析， 筛选出对城市生态系统健康起主导

11、作用的评价因子。选择活力、组织结构、恢复 力、生态系统功能的维持、人群健康状况作为城市生态系统健康评价的 5 个评价 准则，针对每个要素所涵盖的内涵提出具体评价指标，大致分为两个指标层（评 价要素层和具体指标层）进行研究，构建城市生态系统健康评价指标体系。考虑 城市生态系统内在状态的随机性和模糊性、 城市生态系统健康概念和标准外延的 模糊性和不确定性、以及评价因子的定量和定性不统一性，选择模糊综合评判法 作为本研究的数学方法，对城市生态系统健康进行综合评判。考虑到传统的模糊 多级评判数据量大、分析过程繁难复杂、结果不直观，而 GIS、数据库等技术可 以将数据计算与图形处理相结合，直观高效地实现

12、生态分析，全面准确地反映客 观事实， 运用模糊集合理论， 结合 GIS 的空间叠加分析功能， 研究空间模糊叠加， 根据各要素权重和单要素综合评判结果，在 GIS 中实现多级模糊综合评判，从而 对城市生态系统健康进行全面、实时、直观的评价。构建基于模糊综合评判法和 GIS技术的城市生态系统健康评价模型， 对研究城市的生态系统健康等进行评价， 得出综合评价结果。在此基础上，横向比较各个子区域生态健康状况，纵向研究 整个区域生态健康变化情况，提出相应的预警和调控措施。 （9）城市生态风险辨识与承载力评价研究 在城市生命体生态特征研究的基础上， 通过对城市生态系统承载力和城市生 态风险等方面的研究，揭

13、示城市生命体的生态弹性、资源环境的供容能力以及系 统供养人口数量等三个方面的关系，并探究城市生命体在发生局部或整体“病 变”时的生态风险及自身抵御能力、修复能力等方面的内容，并对生态风险预警 进行分析探讨。通过这两个方面的研究，为最终建立城市生命体生态特征综合诊 断、评价、规划及管理决策系统提供依据。这项工作以北京市为案例,完善城市 生态系统承载力的理论模型， 并开展基于生态承载力理论的城市生态风险理论研 究。具体工作包括：对城市生态承载力理论模型进行修正完善，并应用于北京市 通州区。通过问卷调查与部门调查等方式收集基础数据，计算了 2000 年到 2004 年北京市通州区生态承载力与生态足迹

14、； 提出一种承载力约束下的适度人口规模 计算方法，并在北京市通州区进行了应用；对城市生态系统的主要生态因子和间 接生态因子进行分析，利用层次分析法确定不同因子之间的权重，并确定相互之 间的作用关系，最后利用费用支出法、市场价值法和旅行费用法等方法计算各因 子对整个城市生态系统的影响，从而计算出城市生态系统服务功能的价值；整理 区域生态风险评价研究进展， 研究认为环境风险评价的进展可分为环境污染的健 康风险评价、 环境污染的事故风险评价以及综合性的环境风险评价等三个主要阶 段，通过分析提出未来环境风险的研究重点，并以广州市为例提出并应用一种基 于信息扩散的区域生态风险评价方法。 （10）城市复合

15、生态系统的互动量化模型的建立 基于城市复合生态系统原理和城市代谢功能， 构建了城市系统互动分析指标 体系。应用因子分析法、层次分析法及所建立的量化模型，对城市复合生态系统 中的不同变量之间的相关性和协调性进行了度量。 并以北京、 上海、 广州、 天津、 重庆和深圳等六大城市为例，对其可持续发展进程进行了横向比较。结果表明， 建设和实现可持续发展城市的先后顺序大致为：上海、深圳、广州、重庆、天津、 北京。并说明城市可持续发展的关键取决于社会经济活动压力源的削减、自然生 态环境的保育以及城市代谢功能的增强。 （11）城市开发强度评估研究 城市的拓展始于物理性开发（如地表硬化、房屋建设、基础设施建设

16、等） ， 物理性开发直接导致了城市水文循环、城市低空风场、地表热力场的变化，对城 市总体生态状况产生影响，物理性开发又会引起城市人口的定居、社会经济的布 局与城市社会经济活动的开展，带来水、大气、声、固体废物排放等各类污染及 城市生态破坏等一系列城市生态问题。 而以往的对城市开发状况的评估局限于对 物理性开发方面，多采用土地规划学或建筑学指标，如地表硬化率、绿地率、建 筑密度与建筑容积率来表达城市的总体开发状况，具有其片面性，不足以反映城 市总体开发强度水平，城市的总体开发强度应考虑物理性开发、社会经济活动及 其副产物等各类因素。基于以上理解，这项工作在城市开发及其生态响应分析的 基础上，综合考虑物理性建设、人口总量及空间分布、社会经济活动强度及其衍 生的各类生态响应指标，建立综合的城市开发强度评价指标体系，参照相关研究 成果与标准，考虑城市所处区域自然地理特点，对城市开发强度进行等级划分， 并选择适宜的综合评价方法，建立城市开发强度评价模型，选取国内典型城市， 对城市开发强度进行对比性评估，建立城市开发强度调控的基本框架，为城市开 发的合理规模、布局与开发方向