研究，是特别节目的一部分了解热带地区城市社会生态系统的脆弱性和可持续性:圣胡安市的视角

热带城市流域的食物来源、可达性和废物处理模式:对材料和能源流动的影响

• 摘要
• 简介
• 方法
  • 研究地点
  • 抽样设计
• 结果与讨论
  • 食物消费来源
  • 废物处置及循环再造
  • 废水处理
• 结论
• 对本文的回应
• 致谢
• 文献引用

介绍

物质和能量在城市生态系统中的流动主要是通过转化和转移食物、商品、水和能量的人类社会经济活动发生的(Decker等，2000年)。由于城市中的人类-生物物理相互作用是非常动态的，它们是城市生态系统基本功能特性的核心(Pickett等人2001年，Kaye等人2006年)。此外，城市环境中的人类活动大量集中，从而导致转化过程的加剧，包括营养物质的生物地球化学循环(Groffman et al. 2004, Kaye et al. 2006)和废物积累的增加(Kennedy et al. 2007)。城市生态系统还依赖大量物质和能量的流入来维持生产和消费活动的动态(Kennedy et al. 2007)。

了解和量化资源利用产生的物质流入、转化和储存过程是城市生态学的一个重要方面，需要科学关注。这种系统方法被建议作为评估城市可持续性的重要工具(Baker等人2007,Kennedy等人2007,Codoban和Kennedy 2008)。了解材料和能源作为社会经济活动的结果是如何处理的，将有助于制定以教育为基础的战略，促进可持续的生产和消费模式，并在资源使用、减少废物和污染管理方面做出更明智的决策(Baker等人2007年，Codoban和Kennedy 2008年)。

家庭对城市内相当数量的物质和能源流动负有责任(Kaye等人2006,Baker等人2007)。与文化传统、信仰系统、知识和生活方式相关的人类消费行为(图1)可能是决定这些流入的重要驱动因素，以及这些流入在整个城市生态系统中处理和存储的方式。这组行为态度决定了诸如家庭规模、住房选择(包括灰色与绿色面积的比例)、庭院和草坪施肥等管理选择、消费模式、废物处理和回收活动(图1)等决策。在家庭单位中表现出来的人类决策决定了资源获取的模式，即投入模式和处理模式，即产出模式。因此，要从社会生态学的角度理解物质转移过程，需要一种方法，将人类行为结构视为解释质量和能量通量的潜在机制(图1,Chowdhury et al. 2011)。家庭系统(Liu et al. 2003, Grove et al. 2006, Baker et al. 2007)被认为是理解人类行为对城市化生态系统内物质转移的影响的最合适的分析单位。

自20世纪中期以来，圣胡安城区经历了城市化的加速发展(Lugo et al. 2011)，其发展趋势可能会降低居民的生活质量。今天，波多黎各的经济以制造业和服务业为基础，而当地的食品生产大幅减少(López-Marrero和Villanueva-Colón 2006)。食品是城市进口的最重要的物资之一(Decker et al. 2000)，圣胡安也不例外。岛上较低海拔区域的土地开发用于住宅或工业建成区，以高产的农业生产取代了大片肥沃的土壤(López-Marrero和Villanueva-Colón 2006, Martinuzzi et al. 2007)。另一方面，经济趋势，以及2000年在城市地区达到顶峰的人口增长趋势，刺激了前所未有的进口和消费模式(Carro-Figueroa 2002)，这不可避免地导致了高废物产出率(Wolman 1965)。目前，我们有一个宏观层面的理解，为什么在过去为该岛的工业化所采取的政策导致了无与伦比的进口、消费和废物生产模式(Carro-Figueroa 2002)。然而，在家庭单位的微观层面上，还不清楚是什么因素和人类行为促成了这些模式。

在本研究中，我们提出了一个可能影响波多黎各城市Río Piedras流域(RPWS)沿线材料和能源流动的活动的初步家庭层面表征。本研究的长期目的是了解沿着RPWS的家庭系统的动态可能影响物质和能量的流入、转化和储存的机制。然而，在研究的初始阶段，我们打算揭示一些与食物消费和垃圾处理有关的家庭活动的一般模式。这些活动是家庭系统的重要组成部分，我们预计它们可能会对通过分水岭的材料和能量流产生重大影响。在本文中，我们探讨了RPWS中家庭消费和垃圾处理的三个方面:(1)家庭消费的食物来源，(2)回收活动，(3)废水处理的化粪池系统的趋势，这代表了家庭的主要产出。

方法

研究地点

研究区域位于RPWS内，这是一个完全包含在波多黎各圣胡安都市区内的城市分水岭(Lugo et al. 2011)。RPWS包括圣胡安(San Juan)、瓜伊纳波(Guaynabo)和特鲁希略奥拓(Trujillo Alto)等城市的部分地区，覆盖面积为49平方公里(Lugo等人，2011年)。Río Piedras河发源于Cupey地区，海拔约150米，向北流经16000米，直到到达海岸。该盆地位于波多黎各的两个地理区域，沿海低地潮湿的冲积剖面和潮湿的北部山脚丘陵东北白垩纪剖面(Lugo et al. 2011)。大量的人为改造改变了河流的地貌，为城市基础设施建设，河流大段渠化、改道，甚至被埋没(Lugo et al. 2011)。分水岭的年平均降雨量从海岸的1509毫米到高地的1755毫米不等，据报道Río Piedras的年平均温度为25.7°C (Lugo等人，2011年)。根据Holdridge的生活区系统(Holdridge 1967, Ewel and Whitmore 1973)， RPWS的生态系统被划分为亚热带湿润森林带。流域内的地质构造包括人工填充物、红树林和沼泽、冲积层、石灰岩和火山碎屑岩，覆盖面积超过50% (Webb和Gómez-Gómez 1998)。RPWS呈现出从沿海高密度城市建成区(低流域)到上游森林覆盖(高流域;Ramos-González等，2005)。 High resolution analysis of satellite images from 2002 by Ramos-González (2014) revealed that 66% of the north portion of the Municipality of San Juan is covered by impervious surfaces, whereas only 23% of impervious land covers the south portion. In the north portion, green infrastructure is much dispersed and individual residential yards comprise large proportions of it (Melendez-Ackerman et al, 2014, Ramos-González 2014).

该研究在Río Piedras河及其支流主河道沿线的13个永久性研究地块中的6个进行，这些地块被用作圣胡安ULTRA勘探项目的平台(图2;参见Seguinot-Barbosa和Hernández-García 2010)。选址依据的是RPWS地区灰色到绿色区域覆盖的城市梯度的一般表示。总体抽样框架考虑了人口密度(> 100人每平方英里;图2)、收入和河流或支流的可达性(Seguinot-Barbosa和Hernández-García 2010)。对于每个点位，我们生成了一个半径为1公里的圆形缓冲区，并将生成的矢量文件覆盖在圣胡安都市区的航拍照片上(图2)。

在我们的研究地点中，Puerto Nuevo和Avenida Central位于海拔最低(分别为0和3 m.a.s.l)和RPWS(美国人口普查局，2010;图2)。这两个站点的大部分区域都具有较高的居住密度(图2)，通常是低层住宅建在相对较小的地块上，灰色区域覆盖率较高(Ramos-Santiago et al. 2014)。Puerto Nuevo遗址包括一些20世纪中期(到1948年)为中产阶级建造的最古老的城市社区(Sepúlveda-Rivera 2004)。圣帕特里西奥研究地点(7 m.a.s.l)也位于分水岭人口密度最低的部分，同时也是一个拥挤的住宅建成区。

相比之下，圣帕特里西奥的住宅结构主要是混合的，有独栋住宅、联排别墅和高层公寓。尽管独栋住宅通常包括私人绿地，比如在新波多黎各和Avenida Central，但高层共管公寓则汇集了拥有公共服务和空间的家庭，包括通常由房主协会管理的绿地。在我们所有的研究地点中，圣帕特里西奥是唯一一个家庭密度大于总人口密度的地点(图2)。La Sierra位于分水岭的中心区域，约20英里，与Avenida central一起是我们研究中人口密度最高的地点之一(图2)，主要特征是拥有独栋住宅的社区。Chiclana和Cupey站点都位于高地流域(分别为59和157 m.a.s.l)，其主要特征是居民区和人口密度相对较低(图2;美国人口普查局2010年)。在这些社区中，独立式房屋通常建在弯曲狭窄街道的边缘，并包含了更大比例的绿色区域，经常被森林植被隔开。

抽样设计

为了研究的目的，在每个环形缓冲区内，通过随机选择至少包含10栋房屋的12条通路，对住户进行调查。2011年1月至8月，在每户家庭进行了个人对个人的访谈。受访者年龄在21岁或以上，可以是实际居住在单位至少一年或一年以上的任何成员，无论是租户还是业主。居民们通过一份50项的问卷进行了个人采访，其中包括各种形式的开放式和选择性问题。在每条道路内，我们调查了所有可能的住户，每个站点最多调查57户。该抽样方案共采访了440户家庭，包括波多黎各新evo (N = 73)， Avenida Central (N = 81)，圣帕特里西奥(N = 69)， La Sierra (N = 74)， Chiclana (N = 65)， Cupey (N = 78)。

分析中使用的问题包括:食品消费来源的数据，即超市、街角市场、市场广场和住宅庭院;连接城市污水系统或化粪池作为废水处理机制;和回收活动。这四种食物消费来源并不相互排斥。因此，我们无法量化从每个来源获得或购买的食物的数量，但我们的信息提供了食物来源的四种消费设置的总体重要性。废水通常被认为是任何对人类使用产生不利影响的水。为了本研究的目的，我们认为灰水是与房屋清洁、洗衣机、淋浴、洗手盆和其他家庭用途相关的家庭活动产生的废水。化粪池水是指携带人类排泄物的废水，主要是排泄物。

我们还进行了一项分析，以评估研究区域居民对商业食品服务区的可达性。我们通过当地的电话登记处和超市网站寻找研究区域附近的食品供应商的地址(N = 70)。然后对这些地址进行地理编码，以获得其特定的地理位置。利用服务区技术为70个设施分别获得500米和1000米的可步行范围。这些服务区代表了可以通过道路网络步行的覆盖范围，在城市地区，预计将辅以人行道等行人基础设施。将服务区域与美国人口普查数据相交的结果是对商业设施步行距离内人口的估计(Jiao et al. 2012)。由于服务区技术考虑了人们可以通过的路径和街道网络，我们认为这种技术比欧几里得缓冲技术能提供更好的估计。

结果与讨论

食物消费来源

调查结果显示，6个调查区域的家庭在超市购买食品的情况比较普遍(图3)。总的来说，440个调查区域的家庭中有97%的家庭在超市购买食品。街角市场是另一种获取食物的渠道，这些渠道通常是Cupey等社区的居民，或者是位于新波多黎各和Avenida Central等老城市社区的家庭(图3)。由于波多黎各本地食品产量在过去几十年里显著下降(López-Marrero et al. 2001)，我们假设以进口商品为主的超市是家庭食品消费的主要来源。此外，根据美国人口普查局(U.S. Census Bureau) 2011年的报告，波多黎各约76%的食品收购商店被归为超市和杂货店。同样，美国人口普查局(U.S. Census Bureau)同年公布的全职和兼职员工以及年度工资总额中，90%也属于超市和杂货店。虽然美国人口普查局使用的分类与本研究中使用的略有不同，但它们提供了超市作为波多黎各岛食品消费来源的重要性。

居民庭院生产的食物也为RPWS几个部门的居民提供了另一个获取食物的来源。对于Chiclana和Cupey社区的大多数家庭来说，从院子里收集的食物是相对重要的，那里超过60%的居民对我们的调查的这个问题做出了积极的回应(图4)。这些位于分水岭上部的社区(图2)的家庭更有可能拥有拥有可观绿地的院子。几位来自Chiclana和Cupey社区的居民指出，他们现在拥有的土地以前是一个更大的农场的一部分，可能从西班牙殖民时期就开始经营了。然而，随着时间的推移，农场通过出售或授予家庭成员一小块土地而被隔离。事实上，城市化是RPWS上游地区最近才出现的现象(Martinuzzi et al. 2007)，该地区居民从住宅庭院收集食物似乎有着悠久的传统。院子里最常见的食物有香蕉、大蕉、鸽子豌豆、鳄梨、各种柠檬水果、芒果、木瓜和几种山药，这些都是波多黎各传统食物的一部分(图4)。

相比之下，在流域下半部分人口密集的居民区，不透水的灰色表面往往更大，很少有家庭表示他们会消费自家院子里种植的食物。然而，值得注意的是，在Puerto Nuevo、Avenida Central和La Sierra，从院子获得农产品的家庭分别占36%、31%和32%。然而在圣帕特里西奥，只有20%的居民表示会从院子里获取水果和蔬菜。在圣帕特里西奥研究现场，这一较低比例的量化可能部分原因是，居住在共管公寓的总体家庭数量相对较大，共管公寓的公共绿地决定由业主协会进行监管。总的来说，尽管超市代表了一种广泛的食品采购来源，但在RPWS的城市食品系统中也包括了在没有进口赞助的院子中本地生产的食品。

获得商业食品是决定人类消费行为的一个重要因素。例如，沿河流域的超市或便利店的密度随居住密度的梯度变化，在分水岭的下半部分，商业商店的密度更高(图5)。在商业商店的距离上，居民的消费可达性也在各RPWS区域存在差异。相对容易进入的区域位于分水岭较低的东北部，这为像Puerto Nuevo这样的地方提供了一些通往商业食物来源的通道。尽管流域中部地区的商业可达性水平似乎有限，但位于La Sierra的社区是一个例外。La Sierra对获取食物的商业来源的步行可达性水平最高(图6)，大多数研究地点都在1000米可达性范围内。从社会经济角度看，La Sierra的收入水平高于平均水平，同时也享有最好的绿地通道(Santiago等，2014年)。Chiclana采样点也具有很高的商业食物来源可达性，尽管该地点位于RPWS南部人口密度较低的地区(图2)。Chiclana的高可达性可能是因为出现了一个相对较小的封闭社区(Montehiedra社区)，其中包含了具有非常高收入和获取能力的家庭群体。最不适合步行的地点是Cupey，它是收入水平最低的社会经济群体之一(Santiago et al. 2014)。

废物处置及循环再造

在RPWS沿线，家庭回收的平均百分比为65%，标准差为22。这种分布表明，尽管流域内超过一半的家庭似乎在回收利用，但各地点之间的回收活动差异相对较大。事实上，回收活动主要是由圣帕特里西奥、Avenida Central和La Sierra社区的家庭进行的(图7)，这些社区超过78%的居民进行回收。例如，在La Sierra, 93%的受访者表示参与了回收活动(图7)。相比之下，在Chiclana和Cupey，分别只有48%和30%的受访者表示参与了回收活动(图7)。回收需要大量的个人努力，因此，在地方项目使回收更容易的地方，经常鼓励回收行为(Derksen和Gartrell, 1993)。事实上，在圣帕特里西奥、Avenida Central和La Sierra社区，由圣胡安和瓜伊纳波市政府赞助的回收项目鼓励居民进行回收。在没有回收收集项目的流域上游，居民进行回收的比例要低得多(图7)。我们的研究结果与加拿大Derksen和Gartrell(1993)的研究结果一致，表明回收行为的最重要决定因素是获得结构化、制度化的项目，从而方便回收。

废水处理

废水通过城市污水处理系统、化粪池或排放到环境中。在RPWS沿线，通过访谈检查的家庭废水处理揭示了一个明确的模式。在RPWS的高密度、低海拔部分，大多数家庭(约100%)回答说，他们与下水道系统相连(图8)。相比之下，在高海拔流域的社区，只有4 - 17%的受访者(图8)表示，他们与市政污水系统相连，而大多数人表示，由于处理了化粪池水，他们使用了化粪池。实际上，如果我们去掉上面描述的高收入的Montehiedra社区，Chiclana获得的17%还可以降低。在这些地点，被认为是灰水的剩余水中的营养物质和污染物通过不透水结构自由迁移(图9)，从而到达土壤和进入河流。Quiñones(2012)发现，波多黎各水渠和下水道管理局近41.5%的居民客户没有连接到下水道系统，即使他们提供安全饮用水。这些客户的废水或通过化粪池排放，或作为灰水直接排放到环境中(Quiñones 2012)。

根据Quiñones '(2012)的报告，波多黎各大多数化粪池的建造不足，最近在波多黎各以外进行的研究(Harrison等人2012)表明，随着时间的推移，化粪池系统的故障会恶化。对化粪池水处理不当会造成潜在的环境后果，因为这些化粪池系统不是当地河流氮或其他元素的非点源(Harrison等，2012)。例如，Harrison等人(2012)指出，在美国的马里兰州，大约有42万个化粪池系统，他们估计所有的化粪池系统加起来每年向切萨皮克湾排放近160万公斤的氮。在整个波多黎各岛，估计化粪池的数量分别在55万至60万个住宅和20600个、3800个和230个用于商业、政府和工业设施(Quiñones 2012)。RPWS上游化粪池中的氮负荷也可能是影响圣胡安湾河口等下游生态系统的主要污染源(Lugo et al. 2011)。如图10所示，污水系统沿RPWS的总体空间分布显示，流域上部没有污水连接的区域范围很广。访谈结果证实了这一模式，并肯定支持这样一种观点，即没有污水连接可能会对当地水体和下游生态系统的元素流入产生显著影响。

结论

由人类行为驱动的生态系统过程的概念建立了一种机制，通过这种机制可以理解与人类选择有关的物质和能量流动。将家庭作为流域背景下的分析单元，可以对人类与自然系统之间的联系进行评估，而流域方法可以对整个生态系统的投入和产出进行量化评估(Likens 1992, Groffman等人2004,ortizs - zayas等人2006)。解决家庭层面的过程可以为整个流域观察到的一般投入-产出模式提供机械性的理解。在我们对RPWS的初步描述中，我们发现，位于流域高密度城市建成区的家庭与位于上游流域较低居住密度区域的家庭之间，消费模式、废物处理和废水管理呈现出了鲜明的差异。虽然位于RPWS较低区域的研究地点的几乎所有居民都通过城市污水系统排放废水，通常从事回收活动，但他们也更可能有较高的超市进口物品的消费率。来自这些流域较低区域的居民有较大比例的灰色覆盖区域，因此种植可食用植物的绿色区域较少，但更容易进入超市或便利店。另一方面，流域上游地区的居民更有可能消费自家院子里的农产品。然而，上游流域的居民较少从事回收活动，他们的废水被排放到化粪池或直接排放到环境中，在水排放之前没有进行任何处理。废水是家庭系统材料的重要输出(Baker等，2007);因此，了解水处理的途径可以提供有关家庭对水生生态系统的营养负荷方面的机械信息。

除了观察到位于流域上游和下游的家庭之间的对比差异外，本研究还揭示了高层制度决策如何决定人类对环境的态度(图1)。城市规划的实施和固体和液体废物处理基础设施的发展决定了住宅开发可能如何影响RPWS沿线的自然环境。很有可能，如果公共下水道服务延伸到流域的上部区域，它可能会促进高密度城市发展的积极反馈。但是，也可以肯定的是，通过化粪池系统处理水需要适当管理基础设施，以避免各种家庭活动对环境造成不利影响。通过实施更容易回收的项目，高层决策也鼓励了当地的回收行为。尽管如此，这些项目在城市人口密度较高的地区得到了更好的支持，这些城市有更好的经济资源，能够向当地社区提供当地的服务和设施。我们仍然需要更好地了解RPWS沿线个体家庭的食品消费总量模式。然而，流域较低区域的居民种植可食用植物的绿地较少，这意味着这些居民更有可能成为食物净买家。因此，居民区向有大量绿色覆盖区域的分水岭上部蔓延(Ramos-González 2014)，意味着与城市化相关的土地利用变化，从而减少当地粮食生产的潜在来源，从而满足粮食生产能力较低地区的需求。此外，进口来源食物流量的增加可能会影响营养循环，特别是氮磷循环和废物积累。很明显，了解这个热带城市系统的物质和能量的流动对确保自然环境的维护至关重要。

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