自从产业革命以来，城市便是西方文化中一个奇特的关联到爱与恨的主题。一方面，我们对城市在文明兴起中的重要作用表示敬意；另一方面，我们为城市中连绵的大烟囱、堆积如山的垃圾和漫溢的阴沟而掩住鼻孔，责难它们恰恰是旷野的对立面。美国的哲学家、博物学家亨利 · 大维 · 梭罗写道，大自然“孤独地挥舞着，远离人类居住的城镇。”
但是如果一位外星人来访，它会不会表示异议？它会不会像观察雨林和珊瑚破一样，把城市看作是地球上另一个生态系统？它会不会注意到城市里的所有事物最终受制于同样的生物和物理进程，正是这一进程形成了每一处的自然环境？按照斯图尔德 · 皮盖特的说法，答复是肯定的。不，他不是一个火星人。他是一个生态学家，在纽约州密尔勃罗克的生态系统研究所工作。他主张，是我们的偏见导致我们无视这样的事实；即使在现代化的大都市，大自然仍然主宰着事物的发展进程。
现在他的任务是识别出大自然如何运作。作为巴尔的摩市生态系统研究项目的主任，他要领导大约24名科学家从事美国政府在生态领域的一项最根本的大规模的探索。这一项目现在每年投资达到100万美元，预计将持续几十年。这是首次将整个城市当作一个生态系统。研究的目标是要弄清巴尔的摩的水文状况，它的小气候、营养循环、能量流向，梳理出捕食与被捕食动物的相互关系，以及这一栖息地物种间的竞争。皮盖特说；“我很惊讶地发现大自然如何驾驭着城市的发展进程，而这是我们以前所没有看到的。这是生态学的最后一个前沿阵地。”
使这一研究引人入胜的是，研究者们都同意有某种裸体的类人猿与该生态系统纠缠相关，就像其他任何动植物一样。皮盖特说；“我们在生态学方面遇到的一个最大挑战是要弄清人类及其机构在生态进程中所扮演的角色。”研究者们模拟标准的生态模型，加入建筑物、桥梁、道路以及人类行为的所有方面——从消费习惯到我们的法制、政治、教育机构的决策进程。他们相信这些人为成分将会在生物学和生物化学上形成相互影响，就像在原始森林中组成的相互关系。弄清这种联系，将会使我们迈前一步走进具有环保意识的城市规划新时代——在这一新时代，城市规划者能通过预算保持氦与碳的平衡。
在本世纪的大部分时间内，生态系统方面居支配地位的观点受美国植物生态学家弗里德里希 · 克莱门特的学说影响。他把动植物的栖息地描述成一系列的封闭环，具有自律的系统，很像一个生命的组织。也是克莱门特描述了植物社会如何经过连续的阶段发展起来，最后进入一个相对稳定的时期。从这一概念产生了至今通行的牢固观念，认为自然界倾向于平衡与和谐。
但是，许多生态学家不再这样看了。他们现在认识到在一个生态系统内的相互关系要开放得多。起源于某个栖息地边界之外的许多因素，能够影响区域内土壤、空气、水和生物差异的状况。
况且，单个栖息区本身也并不像克莱门特设想的那么和谐。大自然很少处于均衡状态，因为经常会出现干扰打破平衡。例如，一次草原火灾，一次啮齿动物的侵扰，一次严重的风暴，都会毁坏原来被认为相似的景色，使之变为一系列不同的小块土地。
真实的沙漠
初初一瞥，很难看出怎么能使城市与这个或那个生态模型相配。各个城市都涉及输人与输出的大量不均衡，巨大数量的资源进人和几乎同样巨大数量的污染和垃圾排出。然后那里是一条纯粹的人行道——一片真实的沙漠，如果确曾有过的话。巴尔的摩研究项目的一位土壤科学家里奇 · 波耶特说：“人们同我争论说城市的土地是非正规的，在那里不存在我们通常所想的那种生态系统。我争辩说那是胡扯。我甚至说，如果我们不能使现行的生态模型适应城市的生态系统，我们就应该回去重新评价那些模型。”
城市生态学家承认他们从没有研究过像人那样的—种动物。他们说的是，在城市里，撇开各种表面现象，保留着生物学的关系网，锁定于物理世界的法则。城市也许已经破坏了一度存在于这块地方的许多种相互关系，但在那里仍然有空气化学、水文系统、能量流动和包括人类在内的物种混合体，它们继续相互作用和影响，就像它们在旷野里所做的那样。
巴尔的摩研究项目（在亚利桑那州的菲尼克斯市也有一个类似的项目）的目标是描绘一幅连贯的图画，以表述构成城市生态系统的许多股相互关系。为了做到这点，巴尔的摩研究人员对整个城市作了绘图和编目——从城内被抛荒的场地到延伸的郊区。皮盖特承认：“我们不指望理解每一项关联，但是试图理解某些关键性的事物，从而追踪发现其内部相互作用o”
早年，单个的研究者曾经提出有若干有趣的生物现象尚待揭示。20世纪80年代中叶，生态学家马克 · 麦克唐纳为纽约市的园林部门从事一项研究，他重新审视了50年前对纽约植物园内一片45英亩原始森林所作的调查。当时的调查是大萧条时期创造就业机会努力的一部分，它标明了每棵直径3英寸以上树木的位置和物种。麦克唐纳有兴趣看一下森林变得怎样了，对同一片树木再次作了调查。一些戏剧性的事发生了。原来是一片铁杉林的地方——这一栖息地早在纽约建市以前就存在，现在是一个多物种的混合体，包括挪威槭树、黑樱桃树和装饰用的亚洲栓皮槠。没有任何直接的人类介入，这片森林已经完全改变了。很明显，新的植物的出现，其种子是由风力或野生生物从周边城市传播而来。在那些城市，栓皮槠等树木种植在街道上和花园里。但是，它们如何能在一片既成的铁杉林地域获得立足点？是什么生态因素支持着古老的栖息地容许这堆杂乱的新来者进入？难道能简单地说成是铁杉林不能在现代城市里生存下去？
这些问题迷住了波耶特。他辞去了园林部门的工作，以全部精力从事研究。他先是研究在城市、郊区和农村条件下橡树生长的土壤，发现当你把橡树从乡村搬迁到城市时，许多种参数都逐渐发生变化：铜、铅和镍的水平都上升了；土壤温度升高了2至3摄氏度；土壤里微小的无脊椎动物（如螨、跳虫）减少，真菌的品种减少，食真菌的线状寄生虫也减少了。
但是城市林区的土壤里确实有一些乡村林区所缺少的东西：若干种蚯蚓的数量繁殖增多了。所有这一切加起来的结果是什么呢？当波耶特把同一棵树上的叶子放在不同地点时，他发现城市林区的腐败率最高——这一事实来自对城市林区较薄的落叶层的观察。
波耶特还注意到纽约州福德海姆大学微生物生态学家玛格丽特 · 卡利洛自1996年以来进行的另一项研究。现在他怀疑生活在乡村林区的有机体创造了它们自己模式的土壤。落叶等林区残片中的有机氮渐渐转变为无机的硝酸盐；而乡村林区中同样进程的副产品则往往是氨。所有这些又回过来作用于树木。波耶特说，“我们认为土壤的化学成份的这一根本性变化影响到不同品种树木间的相互竞争。而非本地生长树木获得成功的部分原因可能是它们对硝酸盐更为适合。”
城市森林也经过其它途径变成了它自己独特的世界。1997年，生态系统研究所的植物生态学家加莱 · 洛维特对进入生态系统的一些微粒作了观察。它们从空气来，粘附在树叶上，然后被雨水冲进土壤。洛维特发现了大量的氮，这是不奇怪的，因为硝酸是汽车排气的副产品之一。但他也发现树木经常承受着钙的倾撒。这可能是来自风力对混凝土中碳酸钙的侵蚀，看上去对中和土壤中的硝酸起着重要作用。
现在波耶特和他的巴尔的摩班子试图进一步弄清城市树木与混凝土丛林间的联系。他们注意观察草木、建筑物与开阔地的不同组合如何影响到风速、温度、湿度和其它小气候因素。在芝加哥进行的一项历时3年的研究已经显示出：树木究竟增大还是减少建筑物的能量效益，要看树木种在哪里以及建筑物采用何种材料与设计。物业经营者在景观择定中吸收进这些知识，就能节省能量的耗费，从而影响动力设备的发送。就连择定栽种哪一类型的树木也会带来不同的结果。设在锡拉丘兹的美国林务局的一位城市森林生态学家大维 · 诺瓦克说，“某些树种，例如橡树，散发出易挥发的有机化合物，从而导致臭氧的组成。假如你试图减少臭氧量，你也许就得迁走某些造成臭氧的物种。”
人类行为与其他城市物种间的许多关系并不都是这么简单。举例来说，如果当地或邻近地区的政府官员决定种植街道树，它会影响房地产的价值，进而提高这一地段的社会经济地位，其后果是毗邻的森林地块中啮齿动物的种类减少。玩赏动物也会影响城市环境。它们通常是贪婪的食肉动物，给当地的小动物和鸟类数量造成破坏，反过来又影响到植物。即使是我们城市的形状也会影响到它所包容的野生生物。
建筑物现在已被证明是生态系统中一个很起作用的因素。没有人确切知道一个城市的形状怎样决定了是哪些物种在什么地方存活，但是巴尔的摩项目的研究人员希望能找出来。野生生物生态学家从鸟类着手进行研究——计算出不同物种在若干地点的存活数量，排列出陆上使用的类别表，考察物种的分布与因素排列的连带关系，从建筑物的形状到草木的结构。
水文工作者也对建筑物感兴趣。他们观察由建筑物、道路、公园、草坪所形成的不同地域内水流和营养物流动的不同。他们设立了一些监测站，测算氮、碳、磷通过空气和土壤的出入—部分则是经过地下水和溪流，最终注入邻近的切沙比克海湾。他们希望，有朝一日城市规划人员能够在日常决策中懂得如何吸收新鲜的基础结构设计或新材料来改进本地的水质。
说到人类大规模定居所带来的巨大干扰，巴尔的摩抽取的沉积物岩心样品显示，这个地区的植物从一万年前冰河季结束以来已经有了怎样的变化。它表明*了欧洲人到达以后所发生一些戏剧性的转变，包括一种被称为macrophytes的大型植物的微观形态在过去30年中从当地海湾的消失，而这种衰退据研究是此前2000年所不能相比的。
暗黑的水质
研究人员责怪许多因素造成水质越来越暗黑，这包括砍伐森林造成的愈益增多的沉积和农业上燃烧施肥造成的浮游植物群落。macrophytes是水生贝壳类动物和幼鱼的重要食品，它们的衰退驻至会影响到爱吃海鲜的人类。
研究班子还采用问卷表、人口普查数据、消费习惯基本事实、市场观测等办法，就人类行为对城市生态系统的影响进行更公开的考察。社会生态学家摩根 · 格洛夫说：“我们看你的教育程度、收入、年龄等等，就能对你的消遣行为，你的食品数量与构成以及你所产生的垃圾形成一个清楚的了解。把这些加在一起，我们就会开始产生一些概念，把你作为一个生态因素，如何对能的消耗、水的使用、物资的使用等等施加影响。”这将有助于识别哪些行为（任何一种行为，从把油排至阴沟到家庭主人如何丢弃草坪剪下物）将对大气、水和土壤的质量造成最大的影响。
没有哪座城市是一个孤岛。知道每个城市在地区和全球水平上所具有的影响，将会开启如何安排好城市系统的大门。皮盖特说：“可持续发展的城市和生活的质量是我们所十分关心的。我们希望能够在城市模型上安放联系装置，使计划人员乃至普通市民可以坐在计算机屏幕前发表议论：‘让我们瞧瞧，如果我们把这些废弃的建筑物拆掉，在空地上安置这一种公园，或者那一种草木，或者那种建筑物，什么事情将会发生。那会对我们地区的小气候，对我们的排废和水流管理，造成什么影响？’”
目前还很难设想当代有哪一位像梭罗那样的作家会倾注心血写出充满激情的散文，来描述城市的自然变迁。但是谁知道呢？皮盖特说：“如果我们致力于实现可持续发展，我们就需要了解这并不是人与自然的对抗，而是人与自然的协同。如果我们能使大家懂得城市也是一个复杂的自然系统，我们就会找到在人与自然之间建立起更好联系的途径。”
[New Scientist，1999年3月20日]