前沿科学问题|高密度城市环境下生物多样性维持的机制和最优阈值是什么？
题目：高密度城市环境下生物多样性维持的机制和最优阈值是什么？
Title：What are the mechanisms and optimal thresholds for biodiversity maintenance in high-density urban environments?
所属类型：前沿科学问题
关键词：风景园林，城市化进程，生物多样性维持，影响机制，关键阈值
Key Words：Landscape architecture; Urbanization process; Biodiversity persistence; Influence mechanism; Key threshold
推荐单位：北京林业大学
作者信息：郑曦，北京林业大学教授
问题正文：
一、问题描述
生物多样性是生态系统服务的基础，是人类社会赖以生存的保障,生物多样性保护是国际关注的全球环境热点问题之一。随着全球进入城市时代，城市对生物多样性保护同时构成了挑战和机遇。一方面，城市化过程带来了一系列城市人口、资源和生态环境问题，对城市生物多样性造成了巨大的冲击，已严重制约了城市的可持续发展。另一方面，城市土地的有效使用和自然生态系统的管理可以使城市及其周边的居民和生物多样性同时受益，使城市成为遏制全球生物多样性丧失解决方案的重要组成部分。高密度城市环境、人类活动和城市生物多样性之间存在复杂的作用机理与影响机制，栖息地面积、连通性等关键因素的最优阈值直接影响生物多样性维持能力。因此，厘清高密度城市环境下生物多样性维持的机制并探究关键因素的最优阈值，能够有效提升城市环境对于生物多样性保护的效益，对于维护城市生态健康和区域生态安全、促进城市人与自然和谐共生具有重大意义。
二、问题背景
现阶段学术研究已表明高密度城市环境、人类活动对城市生物多样性具有复杂的多重影响。一方面，城市化带来的环境变化对生物多样性构成主要威胁，土地利用变化导致城市栖息地格局破碎化、异质化，人类活动的干扰以及不当的管理措施进一步加剧了城市生物多样性的退化，城市水、土、大气等环境污染以及热岛、干岛等恶劣环境也对城市生物多样性造成了多种不良影响。另一方面，城市环境也蕴含着生物多样性维持的巨大潜力,丰富多样的栖息地和较高的初级生产力为生物多样性的保护创造了有利条件，同时，高度发展的城市地区更有助于生物多样性保护政策的推行。我们需要厘清高密度城市环境与城市生物多样性之间存在复杂的作用机理与影响机制，确立重要影响因素的关键调控阈值，为城市生物多样性的保护规划和政策指定提供科学定量的依据。基于上述的学术研究背景和科技发展需求，提出“高密度城市环境下生物多样性维持的机制和最优阈值是什么”的前沿科学问题。
三、最新进展
（1）城市生物多样性影响机制的研究进展
保护城市生物多样性对维护城市系统生态安全和生态平衡具有重要意义，厘清城市生物多样性影响机制是实现有效保护的关键。诸多研究从关键影响因素与分布格局两方面探索城市化对生物多样性的影响机制。
影响城市生物多样性的因素众多。由于城市的多维度性，其影响因素在不同空间尺度之下存在很大差异。景观尺度下主要受气候条件、城市绿色-灰色空间的平衡、栖息地的连通性与景观多样性等因素的影响。栖息地尺度下则主要受栖息地面积、栖息地质量、植被组成与结构、人为干扰和管理水平等方面的影响。既有研究表明，通过调整未来土地利用类型、建设绿色基础设施、引导改变生产生活方式等举措能够对生物多样性造成正面影响。
研究分布格局对生物多样性的影响是探索城市空间、人类经济社会活动对生物多样性影响机制的重要途径。城市生物多样性并非均匀分布。从城市建成区到近郊区、远郊区，再到荒野地区，城市化程度的差异造就了不同梯度下人类活动、经济社会、生态环境等多方面的梯度变化，并导致不同生态系统之间形成“边缘效应”。研究表明，城乡梯度化是影响城市生物多样性分布的关键，城市生物多样性随着城乡梯度产生有规律的增加或降低，或呈现单峰趋势。
（2）维持城市生物多样性的最优阈值研究进展
探索影响生物多样性关键因素的最优阈值是科学决策的重要前提。目前，研究主要聚焦于以下三个方面。
1）栖息地面积。栖息地面积对物种多样性呈现总体的积极影响，即较大的栖息地可以提供更多样的生态系统和更多的生存资源，从而容纳更多的物种。城市中的大型绿色空间对维持生物多样性起着重要的生态作用。目前，已有研究通过文献综述得出为了防止城市敏感物种的减少，大于50公顷的适宜性生境是必要条件。
2）生境连接度。绿地的相对隔离状态可能导致景观格局变得破碎，阻碍种间信息和物质能量交换，从而威胁物种多样性。而城市建成区中的小型斑块和带状绿地则有利于增加生境连接度，对物种迁移起到“垫脚石”作用。目前，已有学者基于图论的连接度指数研究得出3km为适宜生物迁徙的城市绿地建设最优距离阈值。
3）植物群落。城市植物群落可为野生动物提供直接的食物和庇护所。植被覆盖面积和比例、植被多样性、生物量的改变,以及不同的种类结构与配置方式,会对野生动物觅食、筑巢、栖息等行为的空间生态位产生效应,继而影响物种数量和分布。多数情况下，多层复合植被的生境更加利于鸟类的栖息、觅食和繁殖。
（3）关键难点与挑战
本问题属于新兴研究领域，交叉性强，需要多个学科的参与。目前，城市生物多样性的影响机制研究仍以植物、鸟类等物种为主要研究对象，对生态系统层面的探讨还很少见，是未来的关键难点之一。此外，城市化会引起不同尺度上多个环境要素的改变，而不同的生物类群和生态系统对此类变化的响应存在显著差异，未来需进一步研究结构-过程-功能关系，探讨不同物种对城市化的响应尺度和关键因素的最优调控阈值。
四、重要意义
联合国人居署和地方政府可持续发展委员会等机构2012年联合发布的《城市与生物多样性展望报告》,指出城市化对生物多样性和生态系统服务功能而言既是挑战也是机遇。由此可见,在高密度城市建成环境中如何维护和提升生物多样性,是城市可持续发展面临的关键问题之一。本问题对城市生物多样性影响机制进行系统研究，探讨关键因素的最优阈值，旨在增强我国城市应对全球气候变化和快速城市化挑战的能力，为城市生物栖息地恢复重建、城市生态系统服务管理、城市生态环境保护与修复政策制定提供科学依据。
