城乡交错带的生态控制论分析──天津实例研究

本文应用人类生态学原理和复合生态系统理论,选择城市系统和乡村系统的交错过渡地域－城乡交错带为研究对象,对城乡交错带的概念内涵作了生态学分析。借助生态控制论原理和灵敏度模型方法,以天津城乡交错带为实例,探讨了一个具有典型社会、经济、自然复合生态边缘效应特征的人类生态系统的重庆控制论行为与机制。     

城市生态系统的动力学演化模型研究进展

从系统分析出发,对城市生态系统的动力学演化模型的发展历程、建模的方法和步骤过程、软件开发方法和目前的模型软件等进行了总结。归纳了城市生态系统的动力学演化建模的方法,主要包括模型定义、模拟、实现、验证、分析和应用等六大步骤。目前国内外用于城市生态系统动力学演化模型的主要方法有：基于数理模型的方法、生态控制论和灵敏度模型、系统动力学模型、多目标规划法等。已经开发的用于城市生态系统的动力学模拟的软件可以划分为两类：基于土地利用和交通规划的专业模型和基于系统动力学和灵敏度模型的一般软件。总结了常用的城市演化模型软件,讨论了模型的研究对象和应用范围。分析了城市生态系统的动力学演化模型建模的不确定性的来源,并指出：向宏观和微观两极化发展是城市生态系统动力学演化模型的发展趋势之一,而与人工智能和地理信息系统等新方法的集成是发展的另一趋势。城市生态系统动力学演化模型的开发前景在于对不确定性问题的定性、定量分析,而多模型的耦合和集成是发展的必然趋势。     

城市生态系统灵敏度模型评述

系统复杂性是困扰城市生态系统研究和管理的因素之一,成熟的系统分析模型可以帮助研究者及管理者应对这种挑战。德国系统思想大师Vester教授开发的灵敏度模型就是致力于解决城市规划管理中的复杂性问题,并在一系列的实践应用中取得了显著成效。网状思维(Networked Thinking)与生物控制论观点是Vester教授的核心思想,也是灵敏度模型的思想基础。模型主要分为三大层次:最底层是以数据的收集与筛选过程为代表的信息组织层次;随后是系统解释层次,主要是对系统关系网进行控制论解释;最后是系统综合评价层次,采用生物控制论观点对系统结构、行为等进行检验与评价。为方便用户使用,模型被分解为9个标准步骤,每一部分都包含数个实用的数学分析工具。模型还明确提出了4个等级的系统控制论指标(或特征)体系,以帮助使用者更好地进行系统思考。灵敏度模型本身具有众多的原创性贡献,但同时也有一定的局限性。这些经验与教训为未来的城市生态系统建模工作提供了宝贵启示。     

城市生态安全及其动态评价方法

城市生态安全是人类生存和发展的一个重大课题。当前,城市生态安全正严重威胁着城市的可持续发展。全面了解城市生态安全状况是维护城市持续发展的基础。而城市生态安全的研究仍处于起步阶段,在吸取现有的国内外相关研究成果的基础上,探讨了城市生态安全的内涵和动态特征,分析了城市生态安全问题。对城市生态安全的评价方法进行了研究,提出了城市生态安全状态评价的指标体系和评价模型,趋势分析模型,以及基于状态评价与趋势分析的城市生态安全动态评价方法。     

河西走廊绿洲生态系统的动态模拟研究

在对绿洲生态系统特殊性分析的基础上,运用灰色计量模型对２０００年河西走廊绿洲生态系统做了现状动态模拟和前景预测分析,提出了河西走廊绿洲生态环境质量改善的几种不同对策方案,认为以适度投入与适度产出为主要内容的可持续发展对策方案是保证河西走廊经济持续发展与生态环境永续良化的最佳对策方案。     

河西走廓绿洲生态系统的动态模拟研究

在对绿洲生态系统特殊性分析的基础上,运用灰色计量模型对２０００年河西走廓绿洲生态做了现状动态模拟和前景预测分析,提出了河西走廓绿洲生态环境质量改善的几种不同对策方案,认为以适度投入与适度产出为主要内容的可持续发展对策方案是保证河西走廓经济持续发展与生态环境永续良化的最佳对策方案。     

城市生态风险评价研究进展

随着城市化发展和城市人居环境的恶化,城市生态风险越来越受到关注,但尚缺乏有关城市生态风险评价的深入系统研究.本文依据城市生态学原理及生态风险评价框架从驱动力、风险源、风险受体与评价终点,以及生态风险综合评价方法等方面对城市生态风险评价研究进行综述.指出城市经济社会活动类型与程度是城市生态风险产生的主要驱动力;城市生态系统不同等级功能实体和城市整体是城市生态风险评价中的风险受体;城市生态风险评价终点包括城市生态系统结构、过程、功能要素,以及城市整体水平的性质和功能变化;耦合了社会经济需求的生态系统模型是城市生态风险评价方法的发展方向.未来城市生态风险评价研究应明确生态风险管理具体目标,确定综合性评价终点,建立多指标评价体系和综合评价方法.     

哈尔滨市生态系统供需水平和发展能力动态

衡量城市生态系统供需水平及定量测度其发展能力是确保城市持续发展的重要途径.基于生态足迹分析模型和修正的城市生态承载力模型,对1998—2005年哈尔滨市自然资源的利用程度及其供给水平进行了定量研究,综合量度了城市生态系统的供需状况,并对哈尔滨城市发展能力进行了分析.结果表明,研究期间,哈尔滨市生态系统的需求大于供给,虽然研究区的生态赤字呈减小趋势,年降幅为2.45%,但生态系统供需矛盾仍较突出.生态足迹多样性指数与发展能力总体均呈上升趋势,后者的升幅远大于前者,说明研究区发展能力的提高是以消耗生态资源为基础的,城市发展处于不可持续状态.应从社会、经济等方面采取措施来调和生态系统供需矛盾,以实现哈尔滨市的可持续发展.     

基于土地利用变化和生态系统服务的海岸带生态安全综合评价——以胶州湾为例

以土地利用为主的陆域开发活动能改变近海环境质量,并影响和改变原有海岸带生态系统服务功能的供给模式,对海岸带生态安全产生一定的负面影响.目前在海岸带生态系统研究领域较多采用陆地生态系统研究模式,未能真正体现海岸带作为海陆结合的独立的环境体系的特点,并缺乏对陆域活动驱动与生态系统服务功能响应和生态安全实现之间复杂关系的科学解释.本研究基于海岸带生态系统服务的空间异质性和流动性特点,以“土地利用变化(LUCC)-生态系统服务(ES)-生态系统安全”为研究主线,构建海岸带生态安全评价模型,探讨以土地覆被变化为主的陆域活动对海岸带生态系统服务功能和区域生态安全的影响机理及其时空变异规律.从模型的评价结果上看,作为生态安全系统中主要压力表征的胶州湾陆域土地利用变化,与相应海域内的生态系统服务状况和生态安全状态呈现出一定的相关性和趋势性.随着环胶州湾地区城市化进程中大量用地流转为城乡建设用地,胶州湾中相应海域的生态系统服务状态下降,进而带来该海域生态安全状态恶化.本文所提出的基于压力-状态-响应(PSR)框架的海陆结合的生态安全评价模型,以探讨陆域活动对海岸带生态系统服务功能和区域生态安全的影响及其时空变异规律为目的,可以克服目前研究中只关注陆域部分而忽视陆域活动与海域部分之间的联系和相互影响的缺陷,对海岸带生态安全评价研究具有一定的改进作用.     

典型资源型城市生态承载力评价——以唐山市为例

资源型城市生态承载力评价研究的开展对促进资源型城市自然-经济-社会复合生态系统健康可持续发展具有指导意义。以唐山市作为案例城市,基于资源型城市独特的生态系统特点,从生态弹性力、承载媒体的支撑力、承载对象的压力三方面提出对生态承载力进行量化的研究方法,构建了较完整的生态承载力综合评价指标体系,利用主客观相结合的赋权方法,对唐山市生态承载力状况进行评价,探讨了2001—2010年10年间唐山市生态承载力变化趋势。结果表明:唐山市在研究时段内,生态弹性力指数波动强烈,表明生态系统的稳定性较差;承载媒体的支撑力指数逐渐增大,指数由0.111上升至0.898,显示系统的承载指数越来越高;承载对象的压力变化较为复杂,呈现先降后升,近几年又略有下降的趋势;系统的生态承载力整体上呈现波动性上升趋势,综合指数由0.345上升至0.720,说明唐山市生态系统的承载能力不断提高,但资源依赖型发展模式带来的资源短缺、环境污染和生态破坏等问题仍是制约生态承载力进一步提高的主要因素。研究成果客观地反映了唐山市生态承载力状况,对于唐山市未来的发展提出了合理的对策和建议,可为其他地区生态承载力研究提供一定借鉴。     

城市可持续发展新型定量研究方法进展

城市体现了集约化的发展方式,以仅占陆地3%的面积承载了世界一多半的人口,因此城市是人类社会可持续发展的主阵地,城市可持续发展是区域可持续发展的重要实践。研究试图从可持续发展的基本内涵着手,聚焦于城市尺度的研究,梳理了相关理论和概念演变历程,着重对新型定量方法——评价指标体系法、复杂系统建模、资源环境可持续性探索等进行综述。研究发现指标体系法常用于传统的城市可持续发展评估,大多是针对表象的分析,隔离了系统内部的组织关联,对系统机理探索不够。资源环境对人类社会的发展起到基础支撑作用,从资源环境可持续性出发研究可持续发展诞生了一些较为创新的方法,但研究集中在描述人类对自然的压力和影响,而对于自然对人类的反馈以及人对自然的积极改造探索不足,也很难直接表达系统整体的可持续性。弹性思维和复杂系统科学近年来被多次用于解释城市运行的灰箱模型,但研究稍浅。研究提出可将弹性思维和复杂系统科学结合起来,借助数据科学和计算科学的新兴方法,分析城市的可持续发展,深入探索可持续性的科学表达和深层机理,为解决复杂的城市问题提供科学指导,为城市可持续发展提供理论依据。     

一种城市生态系统现状评价方法及其应用

生态城市建设是未来城市发展的最终趋势。从结构、功能、活动、发展演化规律等方面来看,城市生态系统都可以被看作一个动态变化的系统。将可持续发展理论引入到城市生态系统现状评价中,提出和解释了城市生态系统可持续发展概念;从可持续发展的角度,评价城市生态系统的现状,建立城市生态系统可持续发展评价指标体系。在此基础上,利用集对分析方法,将评价城市生态系统可持续发展水平的多个指标系统合成一个与最优评价集的相对贴近度,用来描述城市生态系统可持续发展水平,并将该方法应用于兰州市城市生态系统现状评价。结果表明,在2004—2010年间,兰州市城市生态系统可持续发展水平呈现折线型关系,而且有明显的陡降现象。具体变化趋势是从2004年的0.5081平缓上升到2005年的0.5581、然后陡降到2006年的0.4073、接着平缓上升直到2009年的0.5010、最后平缓下降到2010年的0.4706。尽管不同时期城市生态系统可持续发展水平有所变化,但是总体来说,一直处在基本可持续发展的水平,协调程度一般;该评价方法能够很好的反映城市生态系统的发展现状,为建设生态城市提供科学依据。     

可持续生态学

可持续生态学系用生态学原理和方法解决自然与社会经济协调发展问题,或者说生态学不断将人类及其社会经济活动纳入研究范畴而形成的自然科学与社会科学的交叉学科。40年来,我国在可持续生态学研究和实践领域取得了丰硕的成果,一是提出了"社会-经济-自然"复合生态系统理论;二是构建了适应中国国情的可持续发展评价指标体系;三是推进实施了国家可持续发展战略,并在不同时空尺度进行了试点示范;四是将可持续发展的区域生态安全格局和生态风险管理理论与方法应用于城市与区域发展规划中,并利用生态补偿机制推进跨域的生态安全格局建设;五是为国家生态文明建设规划纲要的出台提供了重要的科学支撑,有力地推进了生态文明建设战略的实施;六是系统地研究了全球气候变化对中国生态系统的影响,科学评估了气候变化的现状、趋势及其影响,提出了气候变化的生态适应对策;七是不断推进国家和地方层面的生态省、生态市、生态县建设,创建了不同层次和规模的可持续发展实验区、国家可持续发展议程创新示范区、生态农业试点示范县、生态工业示范园区等。本文从宏观生态学与可持续发展、生态城市与可持续发展、生态产业与可持续发展三个方面评述可持续性生态学的研究进展。可持续生态学的重点研究内容随着时代发展而不断更新,生态文明建设、生态安全格局构建、落实联合国2030可持续发展目标、应对全球环境变化、新型城市化和工业化对生态系统的影响等是当前和未来一段时间的研究热点。     

实现城市可持续发展的系统转型

城市在为人类提供各种生态系统服务的同时,其发展中的各类问题限制着城市生态系统本身的可持续发展。首先概述了城市发展过程中面临的挑战,主要包括城市化过程中人与自然的关系问题及社会生态问题等;其次从可持续发展的内涵、社会-经济-自然复合生态系统和驱动力-压力-状态-影响-响应(DPSIR)的理论出发,分别从城市水供给和污水处置系统、消减城市废弃物排放、城市交通和区域规划、城市发展与粮食系统供求关系、城市清洁能源系统等5个方面对如何实现城市的转型进行了系统的论述。结合我国城市可持续发展的研究进展,指出城市的可持续发展问题不仅是城市自身的问题,也是城市与周边区域的协调发展问题。为此,文章提出必须基于五个"转向"来研究和建立城市化与区域生态的耦合和协调机制。     

基于能值分析的福州与厦门城市生态系统比较研究

能值分析方法(Emergy Analysis)为综合评价城市复合生态系统提供了新的手段和方法。以福州和厦门为研究对象,对其城市各种生态流进行计算和归类,建立了相应的城市复合生态系统与可持续发展能值指标,并对两城市复合生态系统中自然、经济、社会三大子系统进行了综合评价与对比分析。结果表明:厦门在经济发展水平和社会人均福利方面优于福州,在生态安全和可持续发展能力方面落后于福州。从能值角度出发,福州应加快城市基础设施建设,加强城郊地区能值反馈,科学引导人口转移;厦门应积极发展绿色产业,降低生产能耗物耗,提高废弃物循环利用率;两城市应加强区际资源互补和消除技术壁垒,促成两城市互补、互利、可持续发展。     

Global Scenarios: Background Review for the Millennium Ecosystem Assessment

The long-range outlook for the world’s ecosystems depends on the course taken by global development in the coming decades. Current global trends and ecological dynamics are consistent with very different outcomes, defined by alternative assumptions about the technological, economic, demographic, geopolitical, and social aspects of development and the ways in which institutions, personal and public values, and natural systems may be expected to respond to historically novel stressors. Recent advances in scenario analysis have addressed the dual methodological challenge of exploring these uncertainties in an organized way and determining what would be needed to make the transition to sustainability. This paper reviews global scenario research, setting current efforts in a historical context. It focuses on seven recent studies that are comprehensive, regionally disaggregated, and narratively rich—and thus of greatest relevance to the Millennium Ecosystem Assessment (MA). It summarizes their social visions and the level of quantitative detail used in these exercises. Taken together, this suite of global scenario studies provides a useful platform for the MA by offering insight into the complex factors that drive ecosystem change, estimating the magnitude of regional pressures on ecosystems, sounding the alert on critical uncertainties that could undermine sustainable development, and understanding the importance of institutions and values. But these studies are only a point of departure. The integration of changing ecosystem conditions into global development scenarios, as both effects and causes, is at the cutting edge of scenario analysis. The paper concludes by identifying directions for this research program and suggesting ways that the MA can contribute to this effort.     

城市绿地生态评价研究进展

城市绿地的科学评价为绿地的规划和管理提供了参考,对人们正确认识和改造绿地建设起着重要的作用,为城市绿地生态功能的发挥提供了重要的依据和保障。以绿地结构的评价为基础,总结了城市绿地生态功能、服务评价、健康评价的方法和研究进展;提出了城市绿地生态风险评价的基本方法并概括了城市绿地可持续评价的研究方向。结果显示:当前城市绿地的生态评价在范围上逐渐从微观尺度发展到宏观尺度,日益强调绿地的生态服务功能,重点关注于绿地的碳储量与降温增湿功能与效益评价以及价值化研究;城市绿地的健康评价和可持续性评价均尚处于初级的探索阶段。指出了城市绿地生态评价的关键在于评价结果在管理和规划中的应用,在评价内容上必须关注各部分的结合,在评价方法上应该借助基础研究的长期监测、评价的量化以及多学科交叉的渗透。     

Sustainable ecosystem management using optimal control theory: part 1 (deterministic systems)

The concept of sustainability, an abstract one by its nature, has been given a mathematical representation through the use of Fisher information as a measure. It is used to propose the sustainability hypotheses for dynamical systems, which has paved the way to achieve sustainable development through externally enforced control schemes. For natural systems, this refers to the task of ecosystem management, which is complicated due the lack of clear objectives. This work attempts to incorporate the idea of sustainability in ecosystem management. The natural regulation of ecosystems suggests two possible control options, top-down control and bottom-up control. A comparison of these two control philosophies is made on generic food chain models using the objectives derived from the sustainability hypotheses. Optimal control theory is used to derive the control profiles to handle the complex nature of the models and the objectives. The results indicate a strong relationship between the hypotheses and the dynamic behavior of the models, supporting the use of Fisher information as a measure. As regards to ecosystem management, it has been observed that top-down control is more aggressive but can result in instability, while bottom-up control is guaranteed to give a stable and improved dynamic response. The results also indicate that bottom-up control is a better option to affect shifts in the dynamic regimes of a system, which may be required to recover the system from a natural disaster like the hurricane Katrina.     

从演化的角度评价北京市经济系统可持续发展趋势

评价系统可持续性是可持续相关学科讨论的热点问题。从演化的角度评价系统可持续发展趋势是可持续评价的新视角。以热力学、信息论和网络分析等为基础解析系统结构,发现系统演化的能力由两个因素组成：上升性和恢复力。上升性或恢复力过高的系统都不可持续,只有当上升性和恢复力达到一定的平衡状态,系统才能实现可持续发展。利用该演化模型,评价了北京市经济系统1985—2005年可持续发展趋势。结果表明：1985—1987,1993—2002年间系统向最优可持续点靠近;1988—1992,2003—2005年间系统远离最优可持续点。通过分析北京市2005年一阶路径对上升性的边际贡献,得出使系统更可持续的途径是强化对上升性边际贡献大的路径。