URBAN RESILIENCE
Merging complex systems science and ecology, resilience scientists have broken new ground on understanding--and preserving—natural ecosystems. Now, as more and more people move into urban hubs. this novel science is coming to the city. By Maywa Montenegro
NEARLY FIVE YEARS AGO. Hurricane Katrina plowed into the coast of Louisiana, pummeling New Orleans for eight hours straight with high-speed winds and storm surges reaching 15 feet. Swollen beyond capacity, Lake Pontchartrain spilled into the northern part of the city, and the federal flood protection system, built to protect NOLA from a repeat of Hurricane Andrew, failed in more than 50 places. One day later, near.ly every levee in the metro district had been breached, leaving 80 percent of the city underwater.
In the aftermath. Americans watched in disbelief as thousands of newly homeless poured into the Superdome for shelter and TV cameras captured those left behind clinging to rooftops, wading through the streets, and looting empty storefronts. Scenes of destruction. desperation, and poverty, made only more poignant by the overwhelming evidence of official negligence. New Orleanians themselves, as the New York Times put it, were left “terrified, stunned, gasping, speechless.”
But to some scientists, what happened in New Orleans, although devastating, wasn#39;t very surprising. They see a system that was insufficiently robust to handle the blow it was dealt. They see a highly ordered, complex state--commercial districts and neighborhoods. social networks and infrastructure networks, cycles of water, energy, and food consumption reduced to a state of chaos and disorder. From this perspective, the problem wasn#39;t merely an incompetent leadership and not enough FEMA trailers. It was a fundamental question of resilience.
Resilience theory, first introduced by Canadian ecologist C.S. “Buzz Holling in 1973, begins with two radical premises. The first is that humans and nature are strongly coupled and coevolving and should therefore be conceived of as one “social-ecological' system. The second is that the long-held assumption that systems respond to change in a linear, predictable fashion is simply wrong. According to resilience thinking, systems are in constant
flux; they are highly unpredictable and self-organizing, with feedbacks across time and space. In the jargon of theorists, they are complex adaptive systems.
A key feature of complex adaptive systems is that they can settle into a number of different equilibria. A lake, for example, will stabilize in either an oxygen-rich, clear state or an algae-dominated, murky one. A financial market can float on a housing bubble or settle into a basin of recession. Historically, wersquo;ve tended to view the transition between such states as gradual. But there is increasing evidence that systems often don#39;t respond to change that way: The clear lake seems hardly affected by fertilizer runoff until a critical threshold is passed, at which
point the water abruptly goes turbid.
Resilience science focuses on these sorts of tipping points. It looks at gradual stresses, such as climate change, as well as chance events-things like storms, fires, even stock market crashes——that can tip a system into another equilibrium state from which it is difficult, if not impossible, to recover. How much shock can a system absorb before it transforms into something fundamentally different? That, in a nut-shell. is the essence of resilience。
The concept of resilience upends old ideas about 'sustainability': Instead of embracing stasis, resilience emphasizes volatility, flexibility, and decentralization. Change, from a resilience perspective, has the potential to create opportunity for development, novelty, and innovation. As Holling himself once put it, there is “no sacred balance” in nature. “That is a very dangerous idea.”
Over the past decade. resilience science has expanded beyond the founding group of ecologists to include economists, political scientists, mathematicians, social scientists, and archaeologists, .And they have made remarkable progress in studying how habitats——including coral reefs, lakes, wetlands, forests, and irrigation systems, among others——absorb disturbance while continuing to function。
New Orleans, however, presents an interesting example to resilience scientists. If a lake can shift from clear to murky, could a city shift to a dramatically different stable state too? If biodiversity in ecosystems makes them resilient to disturbance, could diversity in urban systems serve a similar purpose?” Cities arenrsquo;t dominated by nature to the same extend as things like lakes and wetlands and coral reefs,” says Australian ecologist Brian Walker.” But we wondered, could we look at them in the same way?”
Metro Planet
In 2008, a historic milestone was crossed, with more than half of the worldrsquo;s population now living in cities. The United Nations estimates that by 2030, the planetrsquo;s current 2.9 billion urban residents will rise to a staggering 5 billion. By 2050, humanity may well be 80 percent urban.
Urban centers have always been hubs of innovation, creativity, and wealth, but they are also hubs of crime, disease, and environmental pollution. Cities can be models of resource efficiency——the average Manhattanite uses only 29 percent of the energy an average American uses in a year——but they also concentrate the need for huge amounts of power, water, food, and other resources. In the developing world, cities are changing faster than scientists can understand the diverse factors driving those changes, and to complicate matters further, many of those forces operate in contradictory directions and at differing scales.
In short, cities are the quintessential complex adaptive system. Which makes them, in many ways, the perfect place to explore resilience.
Bri
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城市弹性
通过融合复杂的系统科学和生态学,弹性学家在理解和保护自然生态系统方面有了新的突破。如今，随着越来越多的人口涌入市中心，这项新兴学科也来到了这个城市。
——Maywa Montenegro
约五年前，卡特里娜飓风席卷了路易斯安那州海岸, 高速的风暴和高达15英尺的浪潮，对新奥尔良的影响持续了八个小时，庞恰特湖甚至溢出来淹没了城市的北部。为了使新奥尔良不再遭受飓风安德鲁的打击,人们建造了联邦防洪系统，但五十多个地方都没能达到预期效果，一天后, 全城区的堤坝几乎都崩溃了, 使百分之八十的城区淹没在了水中。
灾后，美国人不敢相信自己所看到的，数以千计的人们失去了住所，涌入体育馆避难；不敢相信电视摄像机所拍摄到的，有人被围困在屋顶上, 有人试图涉水穿过街道,还有被洗劫一空的店面。政府失职的铁证使这种种毁灭，绝望，贫困的场景变得更加令人心酸。正如纽约时报所说,新奥尔良人民被 '吓坏了, 惊呆了, 气喘吁吁, 无言以对。
但是对一些科学家来说, 尽管在新奥尔良发生的事情是毁灭性的, 但并不令人感到意外。他们知道这个系统不够强健，无法承受住打击。他们目睹了一个高度有序, 复杂的状态——商业区和邻里社区，社会网络和基础设施网络, 水、能源和食品消费的循环网络——变得混乱而无序。从这个角度来看, 问题的关键不仅仅是领导的无能, 应急设施的缺乏，而是一个基本的弹性问题。
弹性理论, 于1973年, 由加拿大生态学家C.S. Buzz Holling率先提出，发源于两个根本前提。第一个前提是，人和自然高度共生和共同进化, 因此应该被设想成一个 '社会生态学' 系统。第二个前提是, 长期所持的假设——系统是以线性、可预测的方式对变化作出反应的 ——是完全错误的。根据弹性理论, 系统是不断演变的，他们具有不可预知性和自我组织性, 他们能够对时间和空间进行反馈。用理论家的行话来说, 它们是复杂的自适应系统。
复杂自适应系统的一个关键特征是, 它们可以适应多个不同的平衡。例如, 一个湖泊既能在富含氧气、清澈的状态，也能在以藻类为主、浑浊的状态下呈现一种稳态。金融市场既可以漂浮在房地产泡沫之上，也能适应衰退的低谷。历史上, 我们倾向于认为这些状态之间的转变是渐进的。但越来越多的证据表明, 系统往往不会对改变做出反应: 清澈的湖泊似乎很难受到肥料径流的影响, 除非超过一个关键的阈值，此时，水会突然变得混浊起来。
弹性科学致力于研究这些临界点。它既着眼于渐进的影响, 如气候变化, 又着眼于一些偶然事件——如风暴、火灾、甚至股市崩盘等——这些能够将系统引向另一种平衡状态, 这些状态很难或者说几乎不可能恢复。一个系统在转换成另一种完全不同的东西到底能够吸收多少冲击？简而言之，这就是弹性的本质。
弹性概念颠覆了 '可持续性' 的旧观点: 弹性不是拥抱停滞, 而是强调波动、灵活性和分散。从弹性的角度来看, 变化有能力为发展、革新和创新带来机会。正如Holling自己曾经说的那样, 自然界中 '没有神圣的平衡'。'这是一个非常危险的想法.
在过去的十年里. 弹性科学已经扩展到了生态学家的创始小组之外, 涵盖了经济学家、政治学家、数学家、社会学家和考古人员。他们在研究生态栖居地——包括珊瑚礁、湖泊、湿地、森林和灌溉系统等——如何在吸收干扰的同时有效运作方面取得了巨大的进展。
然而, 新奥尔良却给科学家们带来了一个有趣的例子。如果一个湖泊可以从清澈到浑浊, 那么一个城市是否也能转变成一个截然不同的稳定状态呢？如果生态系统中的生物多样性使它们适应扰动, 那么城市系统的多样性是否也有类似的作用呢？澳大利亚生态学家Brian Walker说, “城市不像湖泊、湿地和珊瑚礁那样被大自然主宰。但令我们好奇的是，我们是否能够用相同的方式去研究他们。”
都市星球
在 2008年, 我们跨过了一个历史性的里程碑,如今地球上超过半数的人口生活在城市中。联合国预计到 2030年, 地球上的城市居民将由目前的29亿飙升到50亿。到 2050年, 城市人口将达到80%以上。
城市中心一直是创新、创造力和财富的枢纽, 但它们也是犯罪、疾病和环境污染的中心。城市是资源利用效率的模范——一年里，曼哈顿人均能源消耗量仅有全美国人均消耗量的29%——但他们对电力, 水, 食物和其他资源具有大量的集中需求。在世界的发展过程中, 城市的变化速度总是比科学家理解这些成因（它们推动了这些变化，甚至进一步使问题复杂化，它们运作方式与规模都不尽相同）的速度要快的多。
简而言之, 城市是典型的复杂适应系统。这使得他们在很多方面都是探索弹性的绝佳场所。
布莱恩沃克是上任项目负责人和弹性联盟的主席。弹性联盟是一个松散的国际自然和社会科学家联盟, 用他们自己的话说, 他们在“合作探索社会生态系统的动态”。在 2005年, 认识到城市化的影响越来越大, 联盟举行了一系列的头脑风暴, 为 '城市网络' 打下了基础,。这个网络是由2008年成立于斯德哥尔摩大学的跨学科小组——斯德哥尔摩弹性中心所创始的。
城市网络在12个城市有研究站点: 班加罗尔、新德里、开普敦、约翰内斯堡、芝加哥、纽约市、凤凰城、新奥尔良、堪培拉、赫尔辛基、伊斯坦布尔和斯德哥尔摩。这些城市分布在全球, 在文化、历史和经济发展方面相差甚远。根据城市网络的首席研究员Thomas Elmqvist所述，最终目标是对这些城市进行比较分析。他们在处理发展方面有哪些相似或不同？他们在面对冲击，意外时又有那些相似？
'作为人类, 我们应该尝试了解如何管理系统以避免超过这个阈值，”Elmqvist 说。但在城市语境下，这一点尤其困难, 因为人类已经改变了生态学家所熟知的大部分阈值。当大量的钢筋混凝土建筑取代了以往的树木和溪流, 新的临界点定义的地方“已经倾斜”。
目前,城市网络的12个参与城市中都进行着案例研究。但是, 对于收集什么样的数据, 研究人员不得不问自己: 在弹性视野下，一个城市会是什么样子？
代谢
城市的命脉是源源不断进入它的东西——燃料、消费品、人员和服务。无论是积极地人为产物, 还是被动的——诸如太阳辐射、大气洋流和降水等——自然过程。生态学家经常在投入和产出的流动方面谈论这些资源。他们已经制定了几个预算模型来解释它们, 包括人们熟知的 '生态足迹'。
根据城市网络的堪培拉研究小组的生态学家巴奈特的观点, 弹性研究的重点不在于城市消费的资源,而在于供需链上的相互依存关系。例如,如果依赖单一类型的燃料作为能源, 那么这个系统将会非常脆弱——特别是这种燃料价格波动不定或者供应容易中断的情况下。
不妨回忆下1998年墨尔本发生了什么事。在埃索，澳大利亚天然气厂发生的几起爆炸导致两人丧生, 并使该市的电力供应中断近两周。因此,好几家依靠天然气给巴氏杀菌装置供能的地区乳制品工厂被迫关闭。大约2500万公升生牛奶浪费了。
到底哪里出了问题呢？从弹性的角度来看, 问题的关键大概是效能的动力。如果奶牛场用备用燃料应对风险, 在系统中建立更多的弹性,巴氏杀菌装置不会完全停止。煤气厂的监控人员从四个减少到了一人, 所有的工程师都已搬到了墨尔本总公司, 只剩下一个人在控制处。如果有更多的人，那么这场灾难就可以被化解。
'效率本身不是问题', 巴奈特说。但是效率的构思和追求方式往往过于单一。社会通过试图消除冗余来争取效率, 但在稳定的环境中似乎多余的东西在条件改变时是有价值的。'对效率的追求往往导致系统优化为单一而非多元, 集中而非分散, 所有这些都与弹性思维的基本概念——lsquo;冗余rsquo;、lsquo;多样性rsquo; 和 lsquo;模块化rsquo;——背道而驰”， 巴奈特说。
当然, 按照这种特点去建构系统——与一系列能源供应商签约, 雇佣更多工程师——无论对于前期的资本投资，还是后期的维护费用来说，往往都意味着更多的资金投入。因此，巴奈特说，决策涉及到效率和弹性之间的权衡 , 这是许多城市规划者和决策者公认的原则.
供水是每个城市都不可或缺的资源——因此, 对于没有充足供应的城市管理者来说, 这是一个必须长期关注的问题。获取更多水资源的有效方法是开采地下水;富裕的城市可能可以从远方进口水。Elmqvist 认为, 更具弹性的方法是让城市管理者考虑到更大范围的水域分布状态。他们可以与农村的土地所有者谈判协商, 通过支付他们管理费的方式, 为城市获取一定数量和质量的水.
Elmqvist 说: '在拉丁美洲的许多地方, 我们确实看到了这种情况的发生。城市利用水和能源的税收偿还土地所有者的土地管理费——往往通过对森林的保护来确保城市的清洁用水。”南非开普敦也建立了类似的计划, 该市正在支付土地所有者从分水岭移走外来植物的费用。外来物种消耗大量的水, 因此消灭这些外来植物意味着更多的水能最终汇聚到城市中。
水域分布突显了城市的一个看似简单的关键点: 城市是一个对外界高度依赖的开放系统, 这意味着它们消耗的资源远远大于它们在自身范围内所能提供的量。举例来说,为了供养相当的人口，香港所依赖的土地面积是其实际面积的2200倍——而其中只有30%的土地是中国的。超过95% 的海鲜供应来自于其他国家的海洋水域。换言之, 一个城市的弹性是高度依赖于其他地方的弹性的.
人的维度
在牙买加周围的珊瑚礁上, 多样的鱼种有效的控制了藻类的蔓延。然而，频繁的捕捞使这些食藻类动物数量锐减，长刺海胆接管了这个生态位——由于缺少竞争者，海胆的数量爆炸似的增长。但随后一场一对二的较量中，细菌病原体和飓风摧毁了海胆种群,随之藻类生长激增, 扼杀了珊瑚。一个以珊瑚为主的系统突然转变为以藻类为主的。
丰富的生物多样性是至关重要的, 正如人们所熟知的, 这种多样性意味着能够对生态系统中许多生态位起到一个补充作用。但这也增加了不同物种, 如鱼和海胆, 在同一个生态系统中共享重叠生态位的概率。这种冗余可以帮助系统吸收干扰——否则当它缺失时, 这个系统更容易受到攻击。就牙买加的珊瑚礁而言, 一场容易应对的感染或暴风雨竟然变得致命起来。
当谈到人类族群问题时, 生态学家们对于是否进一步类比往往感到犹豫不决——一个多样的生态系统与多样的人类族群并不相同。(毕竟, Elmqvist说, 一个非常异构的社会也可能意味着很多的冲突。)但另一方面, 他又说, 这个可以与生态系统的冗余相类比。
Elmqvist 说: '重要的是, 社会中的机构和职能也会重叠。如果该系统中的一个成员丢失, 则会有另一个去维护该功能, 因此整个系统的功能保持不变.'
效率和冗余之间的矛盾是 '一个大而复杂的社会问题,' 他说。'一方面, 你需要建立一个非常有效率的社会, 特别是当你在使用纳税人的钱来进行公共管理的建设。另一方面, 我们必须学会不要过度追求效率,最终失去应急能力。
Elmqvist相信, 社会公平和获得资源的机会也将成为弹性的重要组成部分。尽管人类行为是弹性专家的一个新兴研究领域, 但许多社会科学家已经证明, 在社会高度分层的地区, 社会对抗、甚至暴力正在增加。例如, 在2005年巴黎爆发暴乱之后, 一些北非青年从警察那里逃跑，跳过栅栏, 被变压器触电身亡。移民长期以来一直是欧洲的火药桶, 随着人们对国际恐怖主义的担忧日益高涨, 这些紧张局势无疑变得更加严峻。当然, 这类事件并不局限于欧洲——洛杉矶已经出现了自己在种族问题上的骚乱, 孟买的特大城市常年发生宗教和阶级歧视引发的冲突。当某些群体被剥夺教育、投票权、工作和其他基本公民自由时, 社会失调将成为常态。
这些想法看起来似乎很直观, 但许多城市实际上正朝着相反的方向发展: 从凤凰城到达喀尔, 大都市正在不断建设不同价位的住房，这就引发了小范围的极端同质和全城范围的收入不均。
如果极端的不公平, 你将无法获得信息的共享,' Elmqvist 说。在一个更加公平的社会中, 冲突仍将存在, 但人们将更愿意分享信息, 他说，“这是一个社会信任的问题。”
城市生态学
当一个被称作“殖民地崩坏紊乱”的神秘疾病在2007年摧毁了整个美国的蜜蜂种群, 威胁到了140亿美元的水果和坚果产业,这件事令人痛苦的意识到有翅物种的授粉服务是多么宝贵。同样, 热带雨林的大规模破坏也使人们注意到它们对于生活碳排放减量的重要作用。
城市弹性让人们关注城市内部的生态系统服务。自然和人为的，蓝色和绿色空间的混合, 可以使一个城市能够应对变化。诸如城市公园、绿色屋顶、社区花园和沿海湿地等, 都起着很多作用, 能改善城市微气候，净化雨水，防洪。
比如,在过去的60年里, 新奥尔良超过60% 的湿地已经消失, 部分是因为石油和天然气的勘探, 部分是由于堤坝的建设（防止密西西比河淹没城市而修建）。具有讽刺意味的是, 这些湿地的流失直接导致了卡特里娜飓风的灾难性后果。研究人员经过计算发现，每恢复一公里的湿地，将会减少一米的海浪高度,所以现在人们正在努力重建路易斯安那州南部海岸线。
杜兰大学环境工程师和城市网络的新奥尔良研究小组负责人Douglas Meffert表示, 沿海恢复已成为城市和国家级的优先项。Meffert 说: '我们的湿地仍然在减少, 气候变化的威胁日趋增加,这是一个至关重要的问题。我们必须认识到，洪涝和水资源是同时存在的。我们如何按照每日的标准处理水也许就是问题的关键。
与这些环境的增益一样重要的是城市的自然环境所赋予的社会效益——多样的审美、教育、娱乐、心理和健康优势。
例如, 纽约市的“百万树”计划倡议：未来十年里在城市的五个市镇种植100万棵新树。这座城市森林将起到降温、遮光的作用, 还能减少空气污染, 储存成吨的碳排放量—— Elmgvist表示,这些问题已经提上了城市议程, 将来可能会
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