Đầu vào và đầu ra của hệ sinh thái đô thị

Chúng tôi xin được xem xét một cách nhanh chóng về hai trong nhiều khía cạnh của hệ sinh thái mà chúng tôi cho là khá quan trọng. Đó là nguyên liệu và năng lượng. Hệ sinh thái đô thị được xem là một trong hai hệ sinh thái nhân tạo quan trọng và lớn nhất trên Trái đất ( hệ sinh thái đô thị và hệ sinh thái nông nghiệp). Bảng so sánh sau đã nêu ra điểm cốt yếu nhất về đặc tính của hệ sinh thái đô thị, bên cạnh hệ sinh thái nông nghiệp.

Hệ sinh thái	Năng lượng đầu vào	Vật chất tái sinh
Tự nhiên	Năng lượng ánh sáng mặt trời.	Chu trình vật chất tài sinh tự nhiên diễn ra từ từ, phân hủy mùn bã trả lại các chất khoáng trong đất.
Nông nghiệp	Năng lượng mặt trời và năng lượng bổ sung từ nguồn khác.	Một phần sản phầm được thu hoạch (đưa ra khỏi hệ sinh thái nông nghiệp).
Đô thị	Năng lượng được cung cấp như điện than, dầu mỏ, thực phẩm.	Vật chất tái sinh ít, phần lớn sau sử dụng được chôn lấp hoặc chuyển sang hệ sinh thái khác.

Nguyên liệu vật chất và năng lượng của hệ sinh thái đô thị được tổ chức vào thành phần tự nhiên và thành phần nhân tạo. Thành phần nhân tạo trong hệ sinh thái đô thị chiếm ưu thế, do con người tạo nên, làm gia tăng entropy các tiểu phần. Trong khi đó thành phần tự nhiên bao gồm các sinh vật tự phát tán, sinh trưởng và phát triển, thể hiện tính chất tự tổ chức và tự duy trì của hệ sinh thái tự nhiên làm giảm entropy trong hệ thống.

Cũng có thể phân chia các thành phần trong hệ sinh thái đô thị theo cách sau: (1) thành phần hữu sinh: con người và các loài sinh vật trong đô thị; (2) thành phần vô sinh: hệ thống các yếu tố vật lí, chế độ khí hậu; (3) thành phần công nghệ: nhà máy, cơ quan, xí nghiệp, trường học… Nhưng chúng tôi không cho rằng đây là sự phân chia đầy hợp lý vì hệ thống thành phần vô sinh cũng có thể bao gồm các công trình xây dựng gây biến đổi địa hình và khí hậu…

Những so sánh phía trên về năng lượng và nguyên liệu giữa các hệ sinh thái nhân tạo đã làm lộ diện ý niệm về sự bổ sung. Điều đó có nghĩa là đầu vào và đầu ra của hệ sinh thái nhân tạo mang một ý nghĩa lớn hơn hệ sinh thái tự nhiên. Hai mô hình sau rất có ích trong việc nhận diện hệ sinh thái nông nghiệp và hệ sinh thái đô thị.

Số lượng nguyên liệu vật chất và năng lượng trong đầu vào đô thị lớn hơn nhiều so với đầu vào nông nghiệp. Điều đó có nghĩa là hệ sinh thái đô thị nằm ở trạng thái khác biệt so với tự nhiên nhiều hơn hệ sinh thái nông nghiệp. Khối lượng trong đầu ra của hai hệ sinh thái nhân tạo này cũng không giống nhau thể hiện hiệu suất của từng hệ sinh thái. Hệ sinh thái đô thị như vậy tỏ ra là một hệ sinh thái tiêu tốn nhiều thành phần nhân tạo hơn trong khi đó hiệu suất của nó lại thấp hơn hệ sinh thái nông nghiệp. Sự khác biệt giữa đầu vào, đầu ra giữa hai hệ sinh thái trên còn do tính quay vòng vật chất, thông tin trong mỗi hệ sinh thái không giống nhau. Lí giải bằng sơ đồ, các nhà khoa học đã phân tích được đầu vào và đầu ra của hệ sinh thái đô thị như hình sau.

Ethan H. Decker, Scott Elliott, Felisa A. Smith, Donald R. Blake, và F. Sherwood Rowland đã có nghiên cứu kĩ lưỡng. Một cách phân loại mang tính thiết thực hơn cho việc giáo dục đối với các dạng nguyên liệu vật chất đầu vào và đầu ra trong hệ sinh thái đô thị đã được thiết lập. Sự phân loại này không tự nhiên như khi xem xét trên chu trình vật chất phổ biến, nhưng nó gây chú ý đối với cách con người tác động đến hệ sinh thái đô thị.

      Theo đó thì  đầu vào gồm 3 loại:

a.      Đầu vào của các nguyên liệu lưu trữ: các loại vật chất trong quá trình xây dựng, kiến tạo đô thị như gạch, đá, gỗ, thủy tinh, kim loại, xi măng, chất dẻo… Những loại này trở thành một phần cấu trúc. Chi phí xã hội và chi phí môi trường của một cao ốc nhân tạo có thể so sánh với sự duy trì và xoay vòng (turnover) bình thường trong hệ sinh thái tự nhiên.

Một thành phố lớn điển hình  tiêu thụ từ 100-1000 petajoules năng lượng hằng năm để điều khiển sự vận tải, điện lực, thiết bị điều khiển khí hậu của nó. Từ quan điểm về sự thay đổi khí hậu toàn cầu, năng lượng đó rốt cuộc sẽ chuyển sang một sự bức xạ và tích lũy carbonic khí quyển và sự xả thải nhiều dạng khí gas, bụi hạt và chất ô nhiễm nước. Một vài vật liệu xây dựng, cũng như phần còn lại của thức ăn và nguyên liệu dệt, cuối cùng sẽ kết thúc ở dạng lưu trữ ở các hố chôn rác hoặc bị thiêu. Vật rắn và lỏng như đồ thải bỏ để thiêu bao gồm, đó là gỗ (giấy), thủy tinh, kim loại, đồ ăn thừa và nhựa. Ở Mexico City, 43% vật thải rắn là thức ăn thừa, phần lớn còn lại là sản phẩm giấy, thủy tinh và tã lót. Các điểm đến của chất thải cũng trực tiếp ảnh hưởng đến kết quả của tốc độ thất thoát cho những chất gây ô nhiễm đa dạng. Những chất hóa học hữu cơ không bền lọc qua đất hoặc bề mặt nước hoặc vào khí quyển. Một cách toàn cầu, các hố rác là nguồn chính của  khí  metan “greenhouse gas”. Khí etan và những hydrocarbon khác cũng dc tạo ra và khí quyển oxi hóa của chúng biến đổi phổ quang hóa của hành tinh.

b.      Đầu vào chuyển đổi: là những vật chất quan trọng nhất xâm nhập vào thành phố. Sự chuyển đổi của thức ăn qua các thành phố tác động tới chu trình của nitrogen. Nhiên liệu được sử dụng tác động tới sự chuyển dạng chu trình carbon. Hai nguyên tố carbon và nitrogen cung cấp sinh khối hay/và năng lượng cần thiết cho con người hay công cụ của họ để thực hiện các chức năng, và nó phải được cung cấp một cách hằng định. Sự huy động của con người về lượng carbon và nitrogen là rất lớn và về bản chất gắn với sản phẩm, tổng lượng thức ăn và nhiên liệu, phải được tính trong hệ thống chuẩn để hiểu một cách đầy đủ về chu trình carbon và nitrogen một cách địa phương, vùng miền và toàn cầu.

(1) Thức ăn:  Quá trình đánh giá về sự nhập vào của thức ăn vào các thành phố lớn thường khó khăn bởi sự sản xuất và vận chuyển rất tràn lan. Không có một báo cáo rõ ràng nào của các thành phố lớn về sự sản xuất và tiêu thụ. Số liệu về sự sản xuất thức ăn được tổng kết tại mức quốc gia (country level) có thể phản ánh  rằng những quốc gia giàu hơn sản xuất nhiều thức ăn trên đầu người (food per capita) hơn. Một vài bằng chứng khác cho thấy, các cư dân thành thị ăn nhiều và dinh dưỡng hơn. Trong trường hợp đó sự tiêu thụ thức ăn thành phố có thể cao hơn trung bình quốc gia, và kết quả sau cùng của thực phẩm là chấm dứt ở các hố rác lớn hơn.

(2) Năng lượng: Không một tổ chức quốc tế chính thức nào hiện nay thống kê được năng lượng tiêu thụ ở cấp thành phố (city level). Tuy nhiên, các loại nhiên liệu chủ yếu ở các thành phố lớn nhất đều được biết.

Sự tập trung nhiều dầu xảy ra ở các vùng thành thị như Jakarta và Manila. Trong khi đó khí tự nhiên lại ở các thành phố Bangkok, Bombay, London, Mexxico city và Moscow. Than đá là một nguồn nguyên liệu chính ở Bắc Kinh, Thượng Hải, Calcutta và Seoul. Thủy điện là một nguồn lớn nhất ở Sao Paolo và Los Angeles. Tại các nước đang phát triển, gỗ và than dễ tiếp cận hơn với các nhóm thu nhập thấp hơn hơn so với khí thiên nhiên và điện. Việc sử dụng nhiên liệu sinh học càng phổ biến, làm cho dự toán chính xác càng khó khăn hơn. Tại Jakarta, nhiên liệu sinh học chiếm trên 25% đầu vào nhiên liệu. Chúng ta có thể giả sử rằng sự phát triển ở các quốc gia khác sẽ tương tự hướng các siêu đô thị (megacity) lên những “bậc thang năng lượng” (energy ladder) đến các năng lượng sạch hơn, nhiều nhiên liệu vận chuyển (transport fuel) hơn và nhiều sản xuất điện năng hơn.

Nhiên liệu sử dụng được gắn liền với kích thước của các đoàn xe ô tô của thành phố. Con số về ô tô trong các siêu đô thị rất đa dạng, từ 4/1000 dân cư ở Lagos (khoảng 40000 vehicles) đến 645/1000 ở Los Angeles hay khoảng 8 triệu chiếc ô tô. Phương tiện giao thông bản thân chúng phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng của hệ thống giao thông. Tuy nhiên, xe ô tô có chiều hướng thâm nhập vào nền văn hóa mới bởi vì các con đường có thể xây dựng ăn khớp theo chúng. Ví dụ, hơn 30 năm qua, xe máy ở Thượng Hải tăng gấp 13 lần và xe không động cơ (nonmotor) tăng 9 lần, trong khi đường xá chỉ tăng khoảng 50%.

(3) Nước: Mặc dù nước cũng đi vào thành phố một cách thụ động, sự nhập vào chủ động của con người từ tầng nước ngầm và các đường dẫn nước đi xa thường cung cấp số lượng lớn phục vụ nhu cầu tiêu thụ. Không giống như nhiên liệu và thực phẩm, nước có thể được làm sạch và tái sử dụng nhiều lần trước khi nó được xuất khỏi hệ thống đô thị, mặc dù điều này chỉ xảy ra ở các thành phố giàu có và có thể đủ khả năng thiết bị. Các thành phần gây hại trong nước không phải thuộc về bản thân nó mà là chất thải từ thức ăn, nhiên liệu, và tiêu thụ vật chất. Đối với rất nhiều siêu đô thị, các dòng nước (water flux) được đánh giá rất khó khăn bởi vì ko phải tất cả các cư dân đều nhận được nước từ trong hệ thống thành phố hoặc các dịch vụ nước thải ở nhà họ. Sự tiếp cận với nước máy thường giảm đối với các vùng ngoại vi thành phố (siêu độ thị?). Ở Mexico city, một ví dụ, các dịch vụ ống nước suy giảm từ 45% ở trung tâm đến còn 27% ở ngoại thành và giảm còn gần đến 0 ở các vùng định cư bất hợp pháp. Sự vắng mặt của dịch vụ nước toàn diện trong quá trình phát triển nhanh chóng các thành phố đưa đến kết quả là sự thiếu nước để đáp ứng nhu cầu cơ bản của chính phủ và dân cư, quan trọng nhất sau đó là ở vấn đề vệ sinh môi trường. Rò rỉ trong các hệ thống cung cấp nước từ mạng lưới cung ứng vào các kênh bề mặt và nước ngầm có ý nghĩa quan trọng trong thành phố lớn. Thất thoát xảy ra với tỷ lệ 33% ở Bombay, 37% ở Seoul, 49% ở Bangkok, 50% ở Cairo, và 51% trong Manila. Nước là một dòng vật chất riêng rẽ to lớn nhất ở hệ sinh thái thành thị. Các thành phố tiêu thụ trung bình khoảng 1000 kt nước/ngày.

a.      Đầu vào thụ động có nhiều đặc tính của đầu vào tự nhiên, trong khi thành phần chính của loại đầu vào này gồm:

(1) Không khí: Đầu vào thụ động của các chất trong bầu không khí chủ yếu có ni – tơ và ô – xi. Sự gia tăng của khí carbonic đe dọa hiện tượng hiệu ứng nhà kính trên toàn cầu. Nồng độ trung bình CO₂ được bổ sung vào khí quyển do các hoạt động của con người trong thế kỷ qua đo được ở mức 100 ppm (tính bằng mole). Các loại phân tử khác có mặt ở mức ppm hoặc cao hơn, bao gồm hơi nước và khí methane. Cả hai đều có tác động đáng kể đến khí hậu và chu kỳ sinh hóa địa thông qua các nguồn chứa vật chất của môi trường đô thị. Chu trình thuỷ văn toàn cầu xác định khi nào và ở đâu nước hiện có sẵn để sử dụng con người. Thành phần mathane trong không khí được tăng cường tại các thành phố do rò rỉ khí đốt tự nhiên và sản sinh trong môi trường kỵ khí, chủ yếu là bãi rác và cống. Khí methane được coi là một loại khí gây hiệu ứng nhà kính lớn.

      Thông thường, ở độ cao trên 25km thì NO_x làm giảm nồng độ O₃, còn ở độ cao dưới 25km, NO_x có tác dụng bảo vệ O₃ khỏi bị phá hủy. Khí NO_x hoạt động như chất xúc tác trong quá trình phân hủy hydrocarbon, tạo ozone. Trong tầng đối lưu, NO_x là một chất oxi hóa và là khí nhà kính.

Lưu lượng khối của tổng những chất khí và các hạt (chủ yếu bởi ni – tơ và ô xi) khác nhau từ thành phố này so với thành phố khác vì địa hình và đặc điểm khí tượng học. Tọa lạc tại 20 độ vĩ bắc, thung lũng của Mexico đưa ra kinh nghiệm về các hệ thống gió tây vào mùa đông và trở lại của gió mậu dịch trong mùa hè. Dòng thổi chính bị chặn lại bởi một vòng hình chữ U của các rặng núi mở ở phía bắc và tăng từ tầng lưu vực 2.200 m đến khoảng 3000 độ cao. Đối với các khu vực đô thị trong địa hình bằng phẳng, sự lưu thông của khí dễ tính toán hơn. Siêu đô thị ven biển chịu ảnh hưởng của gió biển. Dãy núi ngang có thể ngăn chặn lưu thông và góp phần vào vấn đề ô nhiễm nghiêm trọng của địa phương.

(2) Nước: Đầu vào thụ động của nước vào thành phố bao gồm lượng mưa và dòng chảy trên bề mặt đô thị. Cơ sở hạ tầng đô thị có ảnh hưởng sâu sắc vào chu trình nước. Môi trường xây dựng có thể gia tăng sự bốc hơi và lượng mưa đô thị. Mặt đường và công trình sau xây dựng để lại bề mặt đô thị hầu như không thấm. Điều này làm giảm đáng kể sự xâm nhập của nước vào đất, độ ẩm của đất, dòng chảy ngầm... Ví dụ ở Tokyo, 82% bề mặt được bao phủ bởi các tòa nhà, bê tông, hoặc nhựa đường. Giảm nước ngầm cũng góp phần làm sụt lún ở một số siêu đô thị. Đó là điều đang xảy ra ở trung tâm của thành phố Mexico City: giảm 9 mét do lún, kể từ 1910. Các bộ phận của Bangkok bị chìm 1,6 m giữa năm 1960 và 1988, trung bình 5,7 cm mỗi năm.

Đầu vào thụ động của nước được coi như tài sản lẫn phiền hà. Ở các thành phố đang phát triển, nước mưa từ mái nhà là nguồn nước chính phổ biến ở các vùng ngoại vi đô thị, nơi mà dịch vụ cấp nước hay ngay cả xe tải chở nước có thể không đáng tin cậy. Ở các thành phố phát triển nhất với nguồn cung cấp nước tập trung, nước mưa đô thị được hình thành trong tâm ý nhà quản lí như một mối phiền toái, và nước mưa bị đẩy thông qua hệ thống cống của thành phố. Trong thành phố ôn đới và nhiệt đới, có thể thu được một lượng đáng kể nước. Thành phố New York nhận được khoảng 10.000 kt nước mưa mỗi ngày, vượt dự kiến ​​sử dụng 7.610 kt mỗi ngày 36%. Thu hứng và xử lý nước mưa trên quy mô lớn đòi hỏi phải có những thay đổi đáng kể và tốn kém trong cơ sở hạ tầng, chính phủ và / hoặc khu dân cư, vẫn chưa rõ chính xác khi nào những thay đổi này trở nên hiệu quả về mặt chi phí.

(3) Nhiệt: Các thành phố bị ảnh hưởng bởi bức xạ mặt trời, từ các nguồn do con người gây ra như thiết kế kết cấu. Kết hợp của sự gia tăng nhiệt hấp thụ bề mặt (chẳng hạn như nhựa đường), tăng diện tích bề mặt (do xây dựng công trình), và kết quả nhiệt do sản xuất tăng lên (do ngành công nghiệp, giao thông vận tải và sưởi ấm, nước và không gian) tạo ra một hòn đảo nhiệt đô thị: có nghĩa là tăng nhiệt độ bề mặt và không khí một vài độ C. Tại Mexico City, các tòa nhà và các bề mặt lưu trữ rất nhiều nhiệt trong ngày, làm thành phố duy trì một dòng nhiệt đi lên trong suốt hầu hết các đêm. Tăng nhiệt độ khí quyển có thể thay đổi tỷ lệ phản ứng hóa học khí quyển, thường chúng tăng lên (theo mối quan hệ của nhiệt độ và tốc độ phản ứng). Nhiệt độ tăng lên cũng ảnh hưởng đến lượng mưa, thường dẫn đến tăng lượng mưa ở thành phố so với môi trường xung quanh. Tại Thượng Hải, tăng nhiệt độ trong lõi đô thị lên đến 5 độ C góp phần làm tăng lượng mưa ở mức 100 mm mỗi năm.

Đầu ra:

a.      Đầu ra trong môi trường khí: Các khí được xuất ra khỏi đô thị thường là các khí gây ô nhiễm, độc hại. Ô nhiễm không khí bắt đầu từ trung tâm ô nhiễm của những quốc gia đầu tiên trên thế giới vào thập kỉ 50 thế kỉ 20. Ví dụ về sự xả thải qua dạng khí ở thung lũng Mexico thể hiện qua bảng sau:

      Vật chất trong đầu ra dạng khí của hệ sinh thái đô thị bao gồm hợp chất chứa carbon (các chất khử, chất oxi hóa và hợp chất hữu cơ: CH₄, CO, các hydrocarbon khác methane); các hợp chất chứa ni – tơ (NH₃ và NO_x); khí SO₂; bồ hóng và bụi. Các chất khí này xuất phát từ quá trình hoạt động kị khí của các vi sinh vật (methane), sự đốt cháy không hoàn toàn nhiên liệu dạng lỏng, nhiên liệu ô tô, sự rỏ rỉ và chuyển dạng của nhiên liệu carbon (các alkane, NMHC, bụi và bồ hóng), các quá trình đốt cháy trên toàn cầu (NO_x), từ phân của các sinh vật tự nhiên và trong nhà (NH₃).

      Các khí sau khi thải vào bầu không khí thường xảy ra các phản ứng hóa học tự nhiên, có thể gây nguy hiểm. Nhưng tốc độ các phản ứng thấp hơn nhiều so với tốc tộ thải nên thường gây tích tụ. Khí gây ô nhiễm không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe cư dân và hệ sinh thái ở đô thị mà còn tác động đến các hệ sinh thái chung quanh nó và bầu không khí toàn cầu. Các hạt có chứa axit lưu huỳnh gây ra nhiều ca tử vong ở London trước việc sử dụng than đã được kiểm soát. Ni – tơ từ các siêu đô thị có thể hoạt động như phân bón cho khu vực tự nhiên theo hướng gió, cả mặt đất và biển cả. Sắt từ Trung Quốc sẽ tăng mức độ vi chất dinh dưỡng một phần đối với một số từ xa vùng biển Bắc Thái Bình Dương. Chất oxy hóa được biết là làm giảm năng suất cây trồng trong các lĩnh vực nông nghiệp đông dân cư khu vực Đông Á…

b.      Đầu ra trong môi trường nước và biển: Rất khó để tính được cụ thể hệ thống thoát nước, quá trình tạo ra nước thải và điểm đến của nó trong các thành phố đang phát triển. Ở một số nơi, hệ thống thoát nước bị hạn chế. Lượng nước thải đang ngày một gia tăng dù khả năng xử lí chúng tăng lên cùng với sự phát triển.

Hệ sinh thái đô thị liên hệ với các hệ sinh thái khác bằng dòng vật chất và năng lượng chảy qua nó. Sử dụng nước, thực phẩm và đốt cháy năng lượng là những hoạt động ở cấp độ toàn cầu. Các tác động vào các quá trình sinh thái có thể xảy ra ở một vị trí xa hơn vì có những dòng feedback phức tạp tồn tại giữa đô thị và môi trường.