第二章 城市环境与生态因子 城市是人类聚居、活动的中心，城市环境(urban environment)是指影响城市人类活动的各种自然的或人工的外部条件的总和。城市环境由城市环境因子所组成，包括城市能量环境、物质环境和人文环境。第一节城市环境 一、环境 (一)环境的概念 环境(envlronment)，顾名思义是针对某一主体而言的，是作为某一主体的对立面和依存面而存在的，离开了这个主体或中心也就无所谓环境，因此环境只具有相对的意义。与某一特定主体有关的周围一切事物的总和，就是这个主体的环境。所指主体的不同，环境的内涵意义各异。 在生物科学中，以生物为主体，环境是指生物个体或群体以外的一切因素的总和，包括生物存在的空间及维持其生命活动的物质和能量。构成环境的各个因素称为环境因子(environmental factor)，包括需要的、不需要的或者是有害的因子。在环境因子中，能对生物的生长、发育和分布产生直接或间接影响作用的因子称为生态因子(ecological factor，)，如温度、水、二氧化碳、氧气等直接起作用的因子以及地形起伏、坡向、海拔高度等间接起作用的因子。生态因子中生物生存所不：缺少的环境条件，也称为生存条件。所有生态因子构成生物的生态环境(ecological environment)。 在环境科学中，一般以人类为主体，环境是指围绕着人群的空间以及各种外部条件或因素。现代园林生态建设的一个重要目标就是改善城市环境条件，创造一个良好的人居环境。 所指主体的不同或不明确，往往是造成对环境分类及环境因素分类不同的一个重要原因。远在地球上出现生命之前，尽管已存在着空气、水、岩石等物质和各种形式的能量，但很难说它们是生物的环境，因为那时还没有生物。因此只有地球上演化出现了生物有机体，同时也形成了生物的环境。森林出现之后才能构成了森林环境。森林环境(forestenvironment)是指森林生活空间(包括地上空间和地下空间)外界自然条件的总和。包括对森林有影响的种种自然环境条件以及生物有机体之间的相互作用和影响。某一区域出现人类，同时也形成了人类环境。城市化的结果形成城市环境。 (二)环境的类型 环境是一个非常复杂的体系，至今尚未形成统一的分类系统。一般可按环境尺度范围、环境的主体、环境的性质等进行分类。 1．根据环境的尺度范围，可将自然环境分为宇宙环境、地球环境、区域环境、生境、微环境和体内环境 (1)宇宙环境(space environment) 宇宙环境是指大气层以外的宇宙空间。也有人称之为星际环境或空间环境。它是由广阔的宇宙空间和存在其中的各种天体及弥漫物质组成，它对地球环境产生了深刻的影响。太阳辐射是地球的主要光源和热源，也是地球上一切能量的源泉，为地球生物有机体带来了生机，推动了生物圈这个最大生态系统的正常运转。太阳辐射能的变化影响着地球环境的波动。如太阳黑子出现的数量同地球上降雨量有明显的相关关系，月球和太阳对地球的引力作用产生潮汐现象，并引起风暴、海啸等自然灾害，直接影响着生物活动。 (2)地球环境(globalenvironment) 地球环境是指大气圈中的对流层；水圈、土壤圈、岩石圈和生物圈，又称为全球环境。当地球表面上第一批生物诞生时，遇到了空气、水和地表岩石的风化壳，在生物的活动下，岩石圈的表层形成了土壤圈。大气圈的对流层、水圈、岩石圈、土壤圈和生物圈共同组成了地球的生物圈的环境。 大气圈(atmosphere)是指地球表面的大气层。它是由包围地球的空气组成的，从下往上根据物理性质的不同可依次分为对流层、平流层、中间层、电离层和逸散层(外层)等五个分层。大气圈的厚度虽然有 lOOOkm 以上，但直接构成植物气体环境的对流层厚度只有约 16km。对流层的下界是地面，上界因纬度和季节而不同，大气中含有植物生活所必需的物质如 C02、02 等。对流层还含有水汽、粉尘等，在气温作用下，形成风、雨、霜、雪、露、雾、冰雹等，调节着地球环境的水分平衡，影响着植物的生长发育，有时还会给植物带来破坏和损害。大气污染也主要发生在这里，所以对流层对人类生活和生物有很大影响。 水圈(hydrosphere)是指地球表面的海洋、内陆淡水水域及地下水等。水体中溶有各种化学物质、溶盐、矿质营养、有机营养物质；各个地区的水质、水量不同，便带来了植物环境的生态差异。液态水通付蒸发、蒸腾，转为大气圈中的水汽、再转变为降水回到地表，构成物盾循环的一个方面。 岩石圈(1ithosphere)是指地球表面 30—40kin 厚的地壳。它是水圈和土壤圈最牢固的基础。岩石圈是植物所需矿质营养的贮藏库。由于各种岩石组成成分不同，风化后形成不同的土壤类型。 土壤圈(pedosphere)是指岩石圈表面风化壳上发育的土壤。它是一种介于无机物和生物之间的物质，有自己特有的结构和性质。它提供了植物生活所必需的矿质营养、水分、有机质、生物等，是植物生长发育的基地。 生物圈(biosphere)是指地球上生活物质及其生命活动产物所集中的部位。包括整个水圈、土壤圈、岩石圈上层(风化层)及大气圈下层(对流层)。根据生物分布的幅度，生物圈的上限可达海平面以上 lOkm 的高度，下限可达海平面以下 12km 的深处。在这一广阔范围内，最活跃的是生物，其中绿色植物摄取太阳能，吸收土壤中水分养分和大气中的 CO2 和 02 等，使地球的自然圈之间发生物质和能量的相互渗透，形成整个地球表面的能量转化和物质循环。在生物圈中，生物间、生物与环境间不断进行能量、物质转化，构成一个相互制约、相互依存的矛盾统一体，即生态系统。生物圈是地球上最大的生态系统。生物圈中的植物层称为植被。植被占地球上总生物生产量的 99％，所以植被在地球上能量、物质转化过程中是一个十分重要的因素。生物圈中的生物把地球上各个圈层密切联系在一起，推动了各种物质循环和能量转换。地球环境与人类及生物的关系十分密切。当 前，臭氧层破坏、温室效应和酸雨等全球性环境问题都不可避免地直接或间接影响到人类生活与生物的生长发育、遗传变异或地理分布。 (3)区域环境(regional environment) 区域环境是指占有某一特定地域空间的自然环境。由于地球表面不同地区的自然圈配合的差异，形成不同的地区环境特点(如江河、湖泊、高山、高原、平原、丘陵，热带、亚热带、温带和寒温带)，出现不同的植被类型(如森林、草原、稀树草原、荒漠、沼泽、水生植被以及农作物等)。群落类型是构成植被类型的基础。群落的一切特征都与区域环境密切相关，简单的、复杂的、初级的和高级的群落单位，都由其所处的地域环境特点所决定，同时群落又对其所处环境进行改造。 (4)生境(habitat) 生境是指植物或群落生长的具体地段的环境因子的综合。在生态学中，经常使用“生境”这个名词表示包括生物因子在内的环境。什么样的生境条件决定生长什么样的植物种或植物群落，如沙丘生境、松树生境、林下生境、沼泽生境。可见，生境与环境在本质上是一致的，区别在于它较之一般“环境”具有更具体的意义。各种植物的生境质量有高有低，如云杉，冷杉在阴坡生长较好，而在阳坡不能生长或生长不良。各种植物的生境，可以是重叠、连续或交叉的或为分离的。例如不同山体的阴坡或阳坡，都可为不相连接的，但都是相同的阳坡生境和阴坡生境。 (5)微环境和体内环境(micro environment and inner environment) 微环境是指接近植物个体表面，或个体表面不同部位的环境。例如植物根系附近的土壤环境，叶片表面附近的大气环境，由温度、湿度、气流变化所形成的微气候，对树冠的影响都可产生局部生境条件的变化。植物体内环境指生物体内组织或细胞间的环境。例如叶片内部，直接与叶肉细胞接触的气腔、气室、通气系统，都是形成体内环境的场所。体内环境的形成受气孔的调控。叶肉细胞都是在体内环境中完成其生理反应的(光合作用、呼吸作用等)。体内环境中的温度、湿度、C02 和 O2 的供应状况直接影响细胞的功能，体内环境的特点为植物本身所创造，是外部环境所不可代替的。 不同环境尺度对生物起着不同的影响作用。一般而言，中小尺度环境直接影响生物的生活，大尺度范围的环境变化(区域环境、地球环境和宇宙环境)不仅直接影响着中小尺度环境，而且对生物也有着直接或间接影响。 2、根据环境的性质分自然环境与人工环境 自然环境(natural environment)是指一切可以直接或间接影响生物生存的自然界中的物质和能量的总体，主要包括空气、水、土壤、岩石矿物、太阳辐射等。 人工环境(arti$cial environment)是指人类在开发利用、干预改造自然环境的过程中构造出来的有别于原有自然环境的新环境，或称次生环境，也称半自然环境。广义地讲包括所有的栽培植物，引种驯化及农作物所需环境和人工经营森林、草地、绿化造林，甚至自然保护区内一些控制、防治等措施。此外环境污染、干扰、破坏植物资源都使自然环境受到人类程度不同的影响，降低了自然环境的质量。狭义地讲，人工环境指在人为控制下的环境，例如利用薄膜育苗、温室、建筑人工环境等。 此外，根据生境的性质可分为城市环境、农村环境、矿区环境、森林环境、草原环境、荒漠环境等。城市建设对城市环境产生重大的影响。园林植物主要栽植在城市环境中。 二、城市环境 (一)城市环境的组成 这里的城市环境主要是指城市的物理环境，其组成可分为自然环境和人工环境两个部分。 城市自然环境包括地形、地质、土壤、水文、气候、植被、动物、微生物等因素，它们是城市环境的基础，城市环境的形成在许多方面受到自然环境的影响和作用，同时城市自然环境的性质和状况也因人类活动而发生很大的变化。城市人工环境包括房屋、道路、管线、基础设施、不同用途的土地、废气、废水、废渣、噪声等因素，它们是人类对自然环境加以改造后形成的结果。 城市生态环境也可分为生物环境和非生物环境两部分。生物环境包括城市中的植物、动物和微生物；非生物环境则包括城市的气候、水文、土壤、建筑和基础建设等。 (二)城市环境的特征 1．城市环境的高度人工化特征 由于城市是人口最集中、社会经济活动最频繁的地方，所以也是人类对自然环境影响作用最强烈、自然环境变化最大的地方。除了大气环流、大的地貌类型基本保持原来的自然特征外，其余的自然因素，如地貌、土壤、气候、水文、植被、动物等都发生了不同程度的变化，而且这种变化通常是不可逆的。 人类创造的城市建筑景观使城市气候的某些方面，如风向、风速局地气流、日照、温度等有别于郊区。密集的城市建筑物使城市的粗糙度加大，空气经过城市要比经过开阔平坦的郊区更易产生湍流。但在一般情况下，城市的风速比郊区的风速小。由于生产、生活的燃料释放出大量的热，据估计这部分能量在市中心甚至可达到与来自太阳辐射的热量 Q6 同量级；另一方面城市中相当大的面积为建筑物及路面覆盖，蒸发比郊区少，因而地面相对耗散少，大部分以湍流热传给大气，使气温增高：此外城市夜间因空气污染物大量存在，它对地面长波辐射的较强吸收，也造成了城市温度高于郊区。由此而形成的“热岛”和城市环流是城市气候的一个重要特征。空气中存在的大量污染物使得空气能见度大为降低，也使城市日照时数及太阳辐射强度比周围地区约减少 20％。细小的尘埃也是水汽的凝结核，故使城市的雨量多于郊区。 2．城市环境的空间特征 城市环境呈现出一定的平面和立面特征，这是城市环境各组成要素在城市平面和高度上有形的表现。城市环境在高度上出现的变化在城市景观、城市地貌中讨论的比较多，诸如城市轮廓、城市人造地貌描述。 城市环境的平面形态通常是指城市用地在平面空间上呈现出的几何形状，即城市用地形态。通常可用三个要素来描述：（1)位置，即城市在地理空间中与其他事物的空间关系，通常用地球表面的经纬网来确定，；也可用与周围的陆地、山川等自然地理要素之间的空间关系或与具有经济意义的其他事物之间的空间关系来描述；(2)距离，即城市用地边缘到城市中心的距离，通常用最大、最小和平均距离来描述；(3)方向，即城市用地扩展或城市环境建设发展的方向。常见的城市平面形态可概括为方形、圆形、星形和长条形等。 城市环境的空间形态，特别是城市的平面形态是城市的自然环境因素(如地面坡度、水体、水系、地质构造等)和人工环境因素(如人工建筑物的配置形式、道路网的形状、大型工厂和飞机场的位置等)综合作用的结果。城市环境具有一定的空间结构，这主要是指城市中各物质要素的空间位置关系特点，或者说城市环境中各物质要素在地理空间分布中所呈现出的地域分异特点，即城市环境的地域结构。在城市发展过程中，在各种因素的综合作用下，城市环境必然产生地域分异而形成各自的社会经济特色，如呈现出城市环境的用地空间结构、城市环境的绿化空间结构和城市环境的社会空间结构等。 3．城市环境的地域层次特征城市环境是一个地域综合体，根据其呈现出的以不同活动为中心事物的物质环境的地域分异，可划分出与一定活动相联系的地域子环境，如居住环境；(区)、工业环境(区)和商业环境(区)等，其下还可细分出具体的用地，充分体现出城市环境的地域层次性。城市环境的这种—地域子环境之间存在着复杂的有机联系，共同构成城市环境整体。 由于城市环境人工化程度的不同，使得城市环境中各物质要素在地理空间分布中呈现出一种典型的地域分异，一般可区分出三个典型的特征空间，建筑空间、道路广场空间和绿地空地空间，后两者在西方又称为开敞空间(open space)。 随着人类社会的不断发展，城市环境内部结构也日趋复杂，这不仅表现在城市功能越来越复杂，也表现在为满足人类不断增长的各种活动 需求而建造的环境越来越复杂，同时还表现在各种功能和环境之间的有机联系越来越复杂。 4．城市环境污染特征 较之自然环境,城市环境在组成及结构和影响因素上发生了很大的变化，如城市“热岛”的产生、地形的变迁、人工地面改变了自然土壤的结构与性能，不透水地面的增加、生物多样性的减少，在不大的空间里建立了大量的人类技术物质(建筑物、桥梁和其他设施等)，集中了大量的人口、物质和能源，并产生了大量的污染物质等，所有这些使得城市环境的自我调节净化能力下降，容易出现环境污染，给城市居民的生活和健康带来危害。 (三)城市环境容量 1．环境容量与环境污染 环境容量(environmental capacity)是指某一环境在自然生态结构和正常功能不受损害、人类生存环境质量不下降的前提下，能容纳的污染物的最大负荷量。它既包括环境本身的自净能力，也包括环境设施对污染物的处理能力(如污水处理厂、废气回收设施等)。环境自净能力和人工环保设施处理能力越强，承污能力就越强，环境容纳量也越大。 当污染物进入环境中的量超过环境对污染物的承受能力环境容量时，环境就会恶化，对人体健康、动植物正常生长发育产生危害，该现象即为环境污染(environmental po1lution)。概括地讲，环境污染主要取决于环境自净能力、人工环保设施的处理能力及污染物的种类和浓度三方面的因素。 2、城市环境容量 城市环境容量是指环境对于城市规模及人的活动提出的限度，即城市所在地域的环境，在一定的时间、空间范围内，在一定的经济水平和安全卫生要求下，在满足城市生产、生活等各种活动正常进行的前提下，通过城市的自然条件、经济条件、社会文化历史条件等共同作用，对城市建设发展规模以及人们在城市中各项活动的强度提出的容许限度。 城市环境容量是一个非常复杂的环境现象，影响因素有如下几项。 (1)城市自然环境因素 自然环境因素是城市环境容量中最基本的，最重要的因素。它包括地质、地形、气候、矿藏、动植物等因素的状况及特征。由于现代科学技术的高度发展，人们改造自然的能力越来越强，人们常常轻视自然因素在城市环境容量中的地位和作用，这是造成环境问题的主因。(2)城市物质因素 城市的各项物质因素的现有构成状况对城市建设与发展以及人们的活动都有一定的容许限度。这里的城市物质因素主要指工业、仓库、居住建筑、公共建筑、城市基础设施、物资供应等。(3)经济技术因素 城市现有的经济技术实力对城市发展规模也提出了容许限度。一个城市的经济技术条件越雄厚，则它所具有的改造城市环境的能力也越大，城市环境容量也越有可能提高。3．城市环境容量的几种常见类型 (1)大气环境容量 大气环境容量指在满足大气环境目标值的条件下，某区域大气环境所能承纳污染物的最大能力，或所能排放的污染物的总量。大气环境目标值指能维持生态平衡及不超过人体健康阈值，常被称做自净介质对污染物的同化容量。而大气环境所能承纳污染物的最大能力或能排放的污染物总量也被称为大气环境目标值与本底值之间的差值容量，其大小取决于该区域内大气环境的自净能力以及自净介质的总量。超过了容量的阈值，大气环境就不能发挥其正常的功能，生态的良性循环、人群健康及物质财产将受到损害。研究大气环境容量可以为制定区域大气环境标准、控制和治理大气污染提供重要依据。 (2)水环境容量 水环境容量指在满足城市居民安全卫生使用城市水资源的前提下，城市区域水环境所能承纳的最大的污染物质负荷量。水环境容量与水体的自净能力和水质标准有密切关系，当然也与城市水资源的量有关，水体量越小，水环境容量就越小。一般来说水环境容量取决于三个因素，即水环境的量及状态、该污染物的地球化学特性、人及生物机体对该污染物的忍受能力。 环境容量计算通常用下面公式： w：＝CoiQK式中，W‘为第 i 种污染物的环境容量；Co／为第 i 种污染物的环境标准；Q 为环境单元的体积；K 为第 i 种污染物在环境单元中的自净系数。 (3)土壤环境容量 土壤环境容量指土壤对污染物质的承受能力或负荷量。当进入土壤中的污染物质低于土壤容量时，土壤的净化过程成为主导方面，土壤质量能够得到保证；当进入土壤的污染物超过土壤容量时，污染过程将成为主导方面，土壤受到污染。土壤环境容量取决于污染物的性质和土壤净化能力的大小。 在作物不致受害或过量积累污染物的前提下，土壤所能容纳污染物的最大负荷量。一般的污染物质在土壤中的含量，未超过一定浓度之前，不会在作物体内产生明显的积累或危害作物，只有超过一定浓度之后，才有可能生产出超标的作物产品，或使作物减产。土壤容量包括绝对容量和年容量两方面。　　绝对容量（Q）是指土壤所能容纳污染物的最大负荷量。它是由土壤环境标准定值（CK）和土壤环境背景值（B）来决定的，以重量单位表示的数学表达式是：Q=(CK-B)×2250，式中 2250 为毫克/公斤换算成克/公顷的换算系数。在一定的区域、土壤特性和环境条件下，B 值是一定的，土壤标准值(CK)越大，土壤环境容量越大。因此制定准确的区域性土壤环境标准极为重要。年容量（QA）是土壤在污染物的积累浓度不超过土壤环境标准规定的最大容许值情况下，每年所能容纳污染物的最大负荷量，与绝对容量的关系为：QA=K×Q，式中 K 为某污染物在某土壤中的年净化率。土壤环境容量主要应用于土壤环境质量控制，并作为工农业规划的依据。污染物的排放必须与土壤环境容量相适应。非积累性污染物在土壤中停留时间很短，可以依据绝对容量参数控制。积累性污染物在土壤中产生长期毒性效应，可根据年容量控制，使污染物的排放与土壤净化率保持平衡。总之，污染物排放必须控制在土壤绝对容量或年容量之内，才能有效减少污染危害。补充：土壤环境容量（或称土壤负载容量）是指—定环境单元，—定时限内遵循环境质量标准，即保证农产品质量与生物学质量，同时也不使环境污染时，土壤能容纳污染物的最大负荷量。不同土壤其环境容量是不同的，同—土壤对不同污染物的容量也是不同的，这涉及到土壤的净化能力。 1）土壤是—个多相的疏松多孔体系。污染物质在土壤中可进行挥发、稀释、扩散与浓集以至移出土体之外。这—过程是与土壤温度与含水量的变化，土壤质地与结构，以及层次构型相关的。 2）土壤是—个胶体体系。对于某些可呈离子态的污染物质，如重金属、化学农药进入土壤后，土壤胶体的吸附作用可以大大改变其有效含量，成为土壤污染物，特别是重金属自净与富集的关键因子。 3）土壤是—个络合－螯合体系。土壤中有许多天然的有机与无机配位体，也有人工合成的污染物的有机配位体。而天然环境中几乎所有的金属离子都有形成络合物与螯合物的能力。因而，天然环境中络合－螯合过程的存在，也显著影响污染物质在天然环境中的迁移、转化及其环境效应。 4）土壤是—个氧化还原体系。其氧化还原作用影响有机物质分解的速度与强度，也影响有机物质存在的状态（可溶性与不溶性），从而影响到它们的迁移转化。这也是关系到土壤污染物质迁移转化的重要的土壤环境条件。特别是对某些变价元素，如铁、硫、砷、汞、铬等尤为重要。 5）土壤是—个化学体系。土壤中的化合物或进入土壤的污染物质，还直接受到土壤总化学平衡（溶解与沉淀）过程的控制，在重金属与磷迁移转化中，化学平衡过程扮演着重要角色。 6）土壤是—个生物体系。土壤微生物是土壤生物的主体。土壤微生物在土壤有机质的转化过程（有机质的分解与合成）中起着巨大作用。土壤对有机污染物质之所以具有强大的自净能力，即生物降解作用，也主要是因为种类繁多、数量巨大的土壤微生物存在。土壤微生物除参与有机质的转化外，还积极参与其它土壤过程。此外，土壤动物在有机污染物的分解转化中也起着—定作用。 上述过程，无论是个别或是彼此联系地、同时地、相继地、或是相互交迭地发生，也还没完全概括复杂的土壤污染物的迁移、转化以及净化机制。但是，进入土壤的各种污染物质，—方面受上述土壤过程的控制与影响，会缓冲土壤污染的发生；另—方面。随着它们进入土壤数量的增加，完全可能改变上述过程的方向、性质与速度，即土壤发生污染。 (四)城市的环境问题 城市是工业化和经济社会发展的产物，人类社会进步的标志。然而在城市化进程中，特别是城市向现代化迈进的历程中，不少城市遇到了诸如人口膨胀、交通拥挤、住房紧张、能源短缺、供水不足、生物多样性减少、环境污染严重等城市环境问题。其中，城市环境污染是最严刮的问题，它已成为制约城市发展的一个重要障碍。如据美国 85 个城市的调查，每年因大气污染侵蚀城市建筑物、住宅而带来的损失就达 6 亿美元。在我国，许多城市的环境污染已相当严重，如太原、沈阳、西安和北京等城 市曾被列入全球大气污染严重的城市。如何更有效地控制我国城市环境污染，改善城市环境质量，使城市社会经济得以持续、稳定和协调发展，已成为一个迫在眉睫的问题。 城市是人类同自然环境相互作用最为强烈的地方，城市环境是人类利用、改造自然环境的产物。城市环境受自然因素与社会因素的双重作用，有着自身的发展规律。或者说，城市是一个复杂的、受多种因素制约、具有多功能的有机综合载体，只有实现城市经济、社会、环境的协调发展，才能发挥其政治、经济、．文化等的中心作用，并得以健康和持续发展。 关于城市环境污染同园林植物的关系及影响可见第四章的相关内容。