摘要

城市生態(tài)系統(tǒng)如何隨城市規(guī)模變化并遵循何種發(fā)展規(guī)律？本研究打破了城市規(guī)模法則研究局限于社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的傳統(tǒng)視角，創(chuàng)新性地將熱力學(xué)原理與城市代謝理論結(jié)合，提出城市生態(tài)系統(tǒng)規(guī)模法則假設(shè)。該理論揭示了城市生態(tài)系統(tǒng)的多穩(wěn)態(tài)共存特性及其與社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的權(quán)衡關(guān)系，通過能量流動(dòng)視角統(tǒng)一解釋城市生態(tài)過程，為識別生態(tài)安全臨界點(diǎn)提供理論基礎(chǔ)，對指導(dǎo)城市生態(tài)規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

研究領(lǐng)域：城市代謝，規(guī)模法則，生態(tài)熱力學(xué)，多穩(wěn)態(tài)共存，能量流動(dòng)，冪律關(guān)系，城市可持續(xù)性

陶如意| 作者

過去的研究表明，城市經(jīng)濟(jì)和社會系統(tǒng)在實(shí)證上遵循規(guī)模法則 （Scaling Law） 。不僅如此，大量證據(jù)顯示，城市生態(tài)系統(tǒng)在自組織作用下，其能量代謝在多個(gè)層級上都表現(xiàn)出規(guī)模法則的特征，且?guī)в酗@著人類活動(dòng)印記，如能量代謝的無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò) （Scale-free network） 、物種和種群的異速生長模式 （Allometric Scaling） ，以及生物圈系統(tǒng)中不同層級的能值 （Exergy） 與轉(zhuǎn)換率 （Transformity） 之間的冪律關(guān)系。本研究綜合這些發(fā)現(xiàn)，提出了理論假設(shè)：在城市代謝框架內(nèi)，城市生態(tài)組件也滿足系統(tǒng)層級上的規(guī)模理論。具體包括：1）存在多穩(wěn)態(tài)共存 （Multistable Coexistence） 和相互轉(zhuǎn)化 （Mutual Transformation） 現(xiàn)象，反映了規(guī)模法則的動(dòng)力學(xué)特性；2）生態(tài)系統(tǒng)與社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間存在微妙的平衡，尤其在空間競爭和產(chǎn)出效率方面。這些城市代謝過程中的生態(tài)系統(tǒng)規(guī)模理論假設(shè)，為識別生態(tài)安全臨界點(diǎn)提供了理論基礎(chǔ)，對未來生態(tài)規(guī)劃和管理的戰(zhàn)略決策至關(guān)重要。

在全球城市化加速的進(jìn)程中，城市作為復(fù)雜的復(fù)合系統(tǒng)，其內(nèi)部各要素的相互關(guān)系和發(fā)展規(guī)律備受關(guān)注。本文創(chuàng)新性地將城市社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的規(guī)模理論與城市代謝的熱力學(xué)原理相結(jié)合，為城市生態(tài)系統(tǒng)研究開辟了新路徑。

城市的規(guī)模法則涵蓋了城市多個(gè)指標(biāo)和城市人口的規(guī)模關(guān)系，包括對環(huán)境的影響、社會經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出和基礎(chǔ)設(shè)施成本等。規(guī)模法則是指這些指標(biāo)之間在對數(shù)坐標(biāo)下呈現(xiàn)線性關(guān)系，反映了城市屬性的非線性變化。根據(jù)冪指數(shù)是否超過1或者小于1，展示了城市屬性隨著城市人口超線性或者亞線性變化的特征。當(dāng)特定指標(biāo)的增長速度超過人口增長速度時(shí)，就會出現(xiàn)超線性規(guī)模，這意味著信息創(chuàng)新、財(cái)富和資源等要素所獲得的收益增長比例超過了人口規(guī)模的增長。相反，當(dāng)指標(biāo)的增長速度低于人口增長速度時(shí)，則觀察到亞線性規(guī)模，這通常反映了隨著人口增長而采取的內(nèi)部優(yōu)化和提高效率的策略。

Bettencourt （2013） [1] 開發(fā)了一系列解釋城市規(guī)模法則起源的模型，用于預(yù)測城市土地利用、基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)演變、人類互動(dòng)強(qiáng)度、能源消耗等城市關(guān)鍵指標(biāo)。通過對數(shù)千個(gè)城市的數(shù)據(jù)研究，這些模型證實(shí)了這些機(jī)制在城市系統(tǒng)中的普適性。城市規(guī)模法則在預(yù)測社會進(jìn)步和挑戰(zhàn)方面發(fā)揮了重要作用，涵蓋教育、就業(yè)、創(chuàng)新、健康和犯罪等領(lǐng)域 （表1所示） 。不過，關(guān)于規(guī)模法則在城市中的應(yīng)用，以往的研究主要集中在經(jīng)濟(jì)和社會系統(tǒng)的規(guī)模法則上，對城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施（urban ecological infrastructure）的標(biāo)度屬性關(guān)注較少。城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的定義和量化在理論上和方法上也并不統(tǒng)一，這為探索城市生態(tài)系統(tǒng)的標(biāo)度律現(xiàn)象提出了挑戰(zhàn)。本文從生態(tài)學(xué)理論和城市代謝理論出發(fā)，根據(jù)已有研究提出了城市生態(tài)規(guī)模法則理論，揭示了城市空間多穩(wěn)態(tài)共存和穩(wěn)態(tài)互相轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。

[1] Bettencourt, L. M. A. (2013). The origins of scaling in cities. Science, 340(6139), 1438–1441. https://doi.org/10.1126/science.1235823

表1. 城市系統(tǒng)中元素的冪律系數(shù)

1. 熱力學(xué)視角下的規(guī)模理論新見解

1.1 生態(tài)系統(tǒng)能量代謝的規(guī)模理論

生態(tài)熱力學(xué) （Ecological Thermodynamics） 聚焦于生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換和營養(yǎng)循環(huán)，運(yùn)用熱力學(xué)原理剖析生態(tài)系統(tǒng)各層級的功能過程。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的無標(biāo)度性決定了生態(tài)系統(tǒng)在能量和物質(zhì)流動(dòng)上遵循規(guī)模法則。

在物種層面，生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)經(jīng)典異速生長規(guī)模特征。例如，種群密度與個(gè)體生物體型呈負(fù)線性關(guān)系，生物體型越大，種群密度越低，且不同層級和體型的生物，能量消耗速率各異?？鐚蛹壞芰哭D(zhuǎn)移存在冪律相關(guān)性，反映出生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜性在不同層級的規(guī)律。在生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，物種豐度（species richness）、生物關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性都和物種分布的面積存在亞線性冪律關(guān)系。雖不同空間尺度冪律變異性有差異，但生態(tài)系統(tǒng)垂直多樣性 （不同營養(yǎng)級物種比例） 相對穩(wěn)定，展現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)的自適應(yīng)和自組織能力[2]。

[2] Galiana N, Lurgi M, Bastazini V A, Bosch J, Cagnolo L, Cazelles K, Claramunt-López B, Emer C, Fortin M, Grass I, et al. (2022). Ecological network complexity scales with area. Nature Ecology & Evolution, 6(3): 307–314

從生態(tài)熱力學(xué)角度，城市發(fā)展和內(nèi)部運(yùn)作類似生態(tài)系統(tǒng)代謝過程。城市代謝視角將城市視為 “超級生物體”，其資源與能量的傳輸、消耗及廢棄物處理，反映了生態(tài)系統(tǒng)演化的代謝特征，伴隨熵變和能量效率改變。

在城市系統(tǒng)中，規(guī)模法則表現(xiàn)多樣。從個(gè)體到物種層面，規(guī)模法則從反比例向亞線性再到線性變化，而整個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)超線性特征。隨著城市從微觀到宏觀尺度演化，規(guī)模法則相應(yīng)轉(zhuǎn)變，這表明個(gè)體間合作提升了系統(tǒng)差異化和整體效率，體現(xiàn)城市系統(tǒng)對能量利用效率的追求。

城市系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)雖能量代謝形式不同，但熱力學(xué)機(jī)制非常類似。城市利用生態(tài)資本，通過能量轉(zhuǎn)化和耗散建立能量梯度。城市擴(kuò)張與總能源消耗相關(guān)，城市增長的復(fù)合價(jià)值使部分指標(biāo)呈現(xiàn)超線性規(guī)模特征，如居民收入、專利創(chuàng)造和犯罪率等。

表2. 城市復(fù)雜系統(tǒng)中的規(guī)模法則類型總結(jié)

1.3 城市生態(tài)要素與規(guī)模法則的關(guān)系

規(guī)模法則的本質(zhì)是系統(tǒng)元素隨規(guī)模變化按比例改變。在城市生態(tài)系統(tǒng)中，生態(tài)組件通過能量轉(zhuǎn)化形成生態(tài)系統(tǒng)，其過程遵循一定的規(guī)律。城市生態(tài)組件將一次能源轉(zhuǎn)化為二次能源，經(jīng)過多次能量轉(zhuǎn)化后形成特定的生態(tài)系統(tǒng)。

城市生態(tài)系統(tǒng)受內(nèi)部和外部因素影響而遵循規(guī)模法則。內(nèi)部因素方面，生物體的代謝由熱力學(xué)能量流驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)的自適應(yīng)和自組織能力在不同生態(tài)層級發(fā)揮作用，促進(jìn)了層級內(nèi)和層級間的相互作用，進(jìn)而建立起生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律。外部因素方面，城市化進(jìn)程中的多種因素，如政策導(dǎo)向、交通規(guī)劃、地貌特征和氣候變化等，都會對城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生影響。這些因素的綜合作用使得城市生態(tài)系統(tǒng)在一定程度上遵循規(guī)模法則，但目前對其復(fù)雜性和多尺度動(dòng)態(tài)的研究還相對不足。

3. 城市系統(tǒng)中生態(tài)元素規(guī)模法則理論的提出

3.1 城市代謝中的多穩(wěn)態(tài)共存與規(guī)模法則

城市生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)變化具有多穩(wěn)態(tài) （multistable） 特征，即系統(tǒng)存在多種穩(wěn)定狀態(tài)，并且可以在這些狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。這是由于城市自然資源分布的空間差異，導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)空間不均衡，多種狀態(tài)在合理范圍內(nèi)與人類活動(dòng)共存并相互競爭。

以非洲草原為例，不同的降水水平形成了從草原到沙漠的多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，類似地，城市生態(tài)系統(tǒng)中也存在因資源差異而產(chǎn)生的多種生態(tài)狀態(tài)。在城市發(fā)展過程中，從高生態(tài)資源稟賦區(qū)域到低生態(tài)資源稟賦區(qū)域，人口密度、活動(dòng)強(qiáng)度和內(nèi)容都會有所不同，生態(tài)系統(tǒng)可能處于多種動(dòng)態(tài)變化的分布狀態(tài)。城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和保護(hù)與社會經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施相互作用，在數(shù)量、質(zhì)量和結(jié)構(gòu)等維度上體現(xiàn)出規(guī)模法則特征。同時(shí)，規(guī)模法則的變化還能為生態(tài)系統(tǒng)崩潰提供預(yù)警信號，當(dāng)環(huán)境壓力超過生態(tài)系統(tǒng)的承受能力時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)可能發(fā)生不可逆的轉(zhuǎn)變。

3.2 社會經(jīng)濟(jì)擾動(dòng)下的生態(tài)權(quán)衡和閾值效應(yīng)假設(shè)

城市生態(tài)系統(tǒng)頻繁受到經(jīng)濟(jì)和社會因素的干擾，當(dāng)經(jīng)濟(jì)、社會系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)位相交時(shí)，各子系統(tǒng)之間會競爭空間和能量。在這種情況下，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的元素會通過自組織調(diào)整能量代謝，形成新的生態(tài)位，進(jìn)而產(chǎn)生空間和能量競爭等權(quán)衡關(guān)系。

在城市群中，每個(gè)城市都有獨(dú)特的生態(tài)位，城市內(nèi)部各系統(tǒng)元素也相互影響。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系具有尺度依賴性，不同尺度下權(quán)衡的強(qiáng)度和內(nèi)容會有所不同。城市綠地在面臨開發(fā)壓力時(shí)，其生態(tài)服務(wù)功能與經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求之間的權(quán)衡體現(xiàn)了這種復(fù)雜關(guān)系。理解這些權(quán)衡關(guān)系和狀態(tài)變化的閾值，對于提升城市生態(tài)彈性、制定合理的城市發(fā)展戰(zhàn)略和政策至關(guān)重要。

圖1. 能量層級示意圖和城市生態(tài)的多層級轉(zhuǎn)化符合規(guī)模法則

3. 總結(jié)

本文創(chuàng)新性地提出城市生態(tài)系統(tǒng)部分組件存在類似社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的規(guī)模法則。從熱力學(xué)視角剖析城市生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)和物質(zhì)轉(zhuǎn)化，有助于統(tǒng)一理解城市生態(tài)原理。城市生態(tài)系統(tǒng)不同層級的生態(tài)元素能量流動(dòng)遵循特定規(guī)模法則，系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變會改變冪指數(shù)的大小，反映能量和物質(zhì)流動(dòng)不平衡引發(fā)的質(zhì)量梯度 （mass gradient） 變化。這種不平衡是多種生態(tài)狀態(tài)共存和穩(wěn)定的基礎(chǔ)，也導(dǎo)致了與社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的空間和效率權(quán)衡。

未來研究應(yīng)將城市生態(tài)系統(tǒng)規(guī)模法則假設(shè)融入城市生態(tài)演化和城市化影響研究，完善統(tǒng)一理論框架。方法上，利用規(guī)模法則描述城市生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變的非線性動(dòng)力學(xué)，構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型量化演化相互作用。案例研究重點(diǎn)關(guān)注規(guī)模法則和潛在的規(guī)模不匹配，因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)偏離規(guī)模法則可能預(yù)示生態(tài)狀態(tài)變化。這些研究將為識別生態(tài)安全臨界點(diǎn)提供理論依據(jù)，助力城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施決策和規(guī)劃，推動(dòng)城市可持續(xù)發(fā)展。

城市科學(xué)讀書會

隨著工業(yè)化和現(xiàn)代化的發(fā)展，世界范圍內(nèi)的城市化率不斷提高，越來越多的人口聚集在城市，使得交通擁堵、環(huán)境污染、資源短缺等城市問題日益嚴(yán)峻。 我們迫切需要對城市的基本運(yùn)行規(guī)律有科學(xué)的認(rèn)知。 近十幾年來，智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星遙感可以幫助獲取高精度的城市數(shù)據(jù)； 機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能的發(fā)展，為處理大規(guī)模多源異構(gòu)數(shù)據(jù)提供了技術(shù)手段。 此外，復(fù)雜科學(xué)從演生視角，在不同時(shí)空尺度上研究城市現(xiàn)象的基礎(chǔ)規(guī)律，豐富了城市科學(xué)的理論框架； 基于復(fù)雜系統(tǒng)的模擬方法也在實(shí)踐中有廣闊的應(yīng)用前景。

在這個(gè)大背景下，集智俱樂部由北京大學(xué)助理教授董磊聯(lián)合明尼蘇達(dá)大學(xué)助理教授朱遞、中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院教授李海峰、北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院博士寄家豪共同發(fā)起，分享、討論和梳理“城市作為復(fù)雜系統(tǒng)”的理論、研究方法及應(yīng)用，希望促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的交流，推動(dòng)交叉學(xué)科間的合作，促進(jìn)城市科學(xué)的發(fā)展和研究。讀書會已完結(jié)，現(xiàn)在報(bào)名可加入社群并解鎖回放視頻權(quán)限。

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