Urban ecology - The city as an ecosystem

In its most elemental nature, a city with its intense concentration of structures, materials and people can be considered to be an intentional modification of the unbuilt landscape (that which is “given” at a certain place) to support human existence and life. It is a constructed habitat, an accumulation of the many smaller habitats that exist in individual houses and gardens that constitute the city. From such a perspective a city is a natural phenomenon, a part of human nature - there is little difference between a human-built city and an anthill, a beaver dam or a bird’s nest.

The urban environment is the the area of the landscape where most people live and spend the majority of their time, and it follows that the design of the spaces within it has a significant impact on the experience of life that is possible there. It is therefore quite comical to regard typical modern cities with their extensive asphalt-covered surfaces, synthetic materials, meagre vegetation, noise, and pollution and realise how poor of a habitat these environments actually are, both for people and other forms of life. The city represents in many cases such a strong deviation in character from the surrounding landscape that we have become accustomed to conceiving of nature as something «out there», while the places where most people live and experience everyday life remain grey and barren and are thought to exist somewhere else. If the urban environment is to support psychological and physical health, it is imperative that it be designed as a regenerative environment that serves to connect inhabitants experientially to the natural world rather than separate them from it.

The character of the city is not only a matter of aesthetics, but also ecological function. Ecological knowledge has long been used to study the habitats and biomes that exist outside of human settlements, but its application to those places in the landscape which are most affected by human activity is surprisingly new. Ecological science can be used both to analyse and improve existing settlements, as well as to inform the design of new environments.

Central to the science of ecology and ecological design is the concept of the ecosystem. An ecosystem can be defined simply as a specific place on the earth together with all of the organisms that inhabit it and the accompanying flows of nutrients and energy. An urban ecosystem is then any ecological system that is found within a city, town or other settlement, or the larger ecological system that constitutes an entire urban area. It is important to understand that the ecosystem is a human concept, a way of seeing which simplifies reality. The boundaries around any ecosystem are difficult to comprehensively define, and they will always be arbitrary in relation to the intention of the analysis. From this point of departure, urban ecology can then be described as the study of the interactions between organisms, buildings and the physical environment where humans are concentrated.

The intense concentration of human activity in cities gives rise to novel ecological conditions which are often not found outside of them in the unbuilt landscape. Urban nature tends to be characterized by frequent disturbances and random and more intense flows of water and nutrients from runoff and imported materials. Soil is often compacted, polluted and deficient in nutrients. There tends to be abrupt transitions between vegetated areas, bare soil and soil covered by impermeable surfaces or under buildings. Due to the well documented “urban heat island”, temperatures within the city tend to be slightly higher in comparison to the surrounding landscape. A diversity of constructed surfaces creates complex mosaics of beneficial sheltered microclimates and shadow. Water bodies tend to have heavily modified edges and often lack edge vegetation. Habitat diversity as a whole can be surprisingly high. There are often sharp contrasts over small distances in habitat conditions, for example where barren parking lots suddenly give way to a planted border. Imported plants and other organisms make it possible for novel combinations of species to arise which are not found in the local ecosystems that existed before they were modified by the architecture and activity of the city.

These unique ecological conditions are always going to be present to some extent in the city, and therefore the designed urban ecosystem can never replicate within the city the same conditions that exist outside it regardless of human activity. The intention is not necessarily to re-create unbuilt ecosystems, such that the city becomes somehow ecologically «invisible» within a previously existing environment. It is rather to become aware of the ecological conditions that exist within the city both positive and negative, and make a conscious attempt through design to create as many beneficial conditions for ecological health as possible while mitigating the negative consequences and maintaining functional connections to other ecosystems in the wider context. From this perspective, the construction of cities needs not be considered something that is inherently negative, as is often claimed in modern environmental discourse. «Urban nature» becomes a consciously constructed ecosystem which can create a beneficial habitat for both humans and other forms of life.

Urban ecology is first and foremost a study of the spaces in the city and their elements. Spatial patterns strengthen ecosystem processes at all scales. The basic unit of analysis is the «patch», an arbitrarily defined boundary around an area that has characteristics that differ from its surroundings. A larger, identifiable background ecosystem which contains the patches is the «matrix» which influences the ecological dynamics and connectivity between different habitat patches. Interactions between patches affect in turn the function of individual patches and the landscape as a whole. The structure of patches in a landscape affects the flows of water, energy, nutrients and organisms between the patches. The intention behind regenerative urban design is to attempt to establish productive patches amongst the houses and then to organize the environment as a whole such that beneficial functions and interactions are maximized. 

It is immediately apparent that the solution to the majority of the ecological problems in modern cities lies in establishing viable plant systems. Plant societies are the basis of ecological health in any terrestrial ecosystem, and therefore it is just as important to consider plant life as human life between the houses. Plant systems create soil and establish and maintain cycles of nutrients and water. They purify air and water, and sequester carbon and nitrogen. They create habitats for a variety of beneficial organisms, and they can also create beneficial microclimates. A single tree performs an immense variety of ecological functions. The provision and design of green spaces amongst the houses is therefore the basis for an ecologically healthy urban environment.

A useful overarching vision for an ecologically integrated city is a productive landscape mosaic. Such an environment would be characterised by a high level of habitat diversity as arises in the immense variety of constructed places and microclimates amongst the houses, which can support productive (especially edible) plant systems that are consciously composed to suit these conditions. A general strategy is to take as a point of departure the structure of the original landscape (a so-called habitat analogue) and attempt to integrate into it new buildings, gardens and corridors, both within the boundaries of a given site and in a wider context.

Patches of vegetation that lie within a matrix can be artfully and functionally combined in a network of blue-green spaces which can form the basic organizational principle behind an individual site, a group of sites or a larger city district. Within the city there should be established a coherent green infrastructure, where a network of paths connects various habitat patches of different sizes and character across residential areas and city districts. From an ecological perspective, the most beneficial form of a city is one in which there is secured possible resource flows all the way in to and through the city centre, with accessibility for plant and animal life to move in and through the city. A useful principle is to establish a network of corridors for efficient movement across an urban area which are connected to larger protected habitats outside of the city. It is important to consider the size of these corridors and the individual patches that are created within the green infrastructure. Large city parks can serve as habitat reserves for certain species, while smaller neighbourhood parks dispersed throughout residential and commercial districts can become smaller habitats that ensure sufficient connectivity between larger patches. Within these patches themselves, patterns of use should be planned to create a variety of disturbance regimes. An excellent example of this principle is the city forest in Uppsala, Sweden, where half of the forest is actively managed and half is left to follow natural patterns of succession.

Urban ecology can be applied at all scales, and it is just as important on the scale of an individual site as it is on the scale of a city as a whole. The vegetated area of a site is the most important indicator of negative or positive ecological consequences. On every site within a city, at least a small area should be reserved for plants and uncovered soil. While vegetation will almost always be more beneficial than the absence of it, it is important also to consider ecological function when choosing plants in addition to simple aesthetic and experiential value. 

In northern landscapes, the microclimates created by human-built structures can be especially beneficial and make it possible to establish new productive biotopes which could not exist in the environments outside them. An example is the city of Reykjavik, Iceland, where the area within the city limits is the largest forest on the island. In residential areas with well established gardens, productivity and habitat and species diversity (especially population sizes of pollinators) can often be much higher than in unbuilt biotopes, primarily due to the intense diversity of plants that humans import to their gardens and the variety of elements that they include.

It is also important to consider how individual buildings (especially housing) can be integrated with functional plant systems. Housing typologies must create spaces for productive gardens. Conventional apartment buildings (often hailed as «environmentally friendly» solely because of the population density they support) tend only to support a few species of plants and animals, especially when parking garages are built underneath the only uncovered parts of a site and soil depths are limited. The intention should always be to establish self-supporting ecosystems in the city which are not dependent upon constant maintenance for their presence.

An ecologically integrated city will consist of a diversity of productive habitats that can support both human life and other forms of life. There will be a garden for everyone, and the spaces between the houses will be characterised by light, plants and water. The city environment will become a regenerative place in which daily life can unfold.

Byøkologi - Byen som et økosystem

I sin mest grunnleggende natur kan byen med sin intensive konsentrasjon av konstruksjoner, materialer og mennesker bli betraktet som en bevisst endring på det ubebygde landskapet (det som er «gitt» på et sted) for å støtte menneskets tilværelse. Den er et konstruert leveområde, en oppsamling av de mange mindre habitatene som eksisterer i enkelte hus og hager som utgjør byen. I et slikt perspektiv er byen et naturlig fenomen, en del av menneskets natur - det er ikke noen forskjell på en menneskebygd by og en maurtue, en beverdam eller et fuglerede. 

Bymiljøet er det område i landskapet der flest mennesker bor og tilbringer mesteparten av tiden sin, og det følger som konsekvens at utforming av rommene i det har en vesentlig påvirkning på livsopplevelsen som er mulig der. Det er derfor ganske komisk å betrakte typiske moderne byer med sine utbredte asfaltdekkete arealer, syntetiske materialer, magre vegetasjon, støy og forurensning og innse hvilket dårlig habitat disse miljøene faktisk er, både for mennesker og andre livsformer. Byen utgjør i mange tilfeller et såpass sterkt avvik på karakter fra det omgivende landskapet at vi er blitt vant til å tenke på naturen som noe «der ute», mens stedene der de fleste bor og opplever hverdagen forblir gråe og øde og antas å eksistere et annet sted. Hvis bymiljøet skal understøtte psykologisk og fysisk helse, er det nødvendig å utforme det som et regenerativt miljø som kobler beboere opplevelsesmessig til naturgrunnlaget heller enn å adskille dem fra det. 

Byens karakter er ikke bare et spørsmål om estetikk, men også om økologisk funksjon. Økologisk kunnskap har lenge blitt brukt til å forske på habitatene og biotopene som eksisterer utenfor bygdene, men det er overraskende nytt å bruke det til å forstå stedene i landskapet som er blitt påvirket mest av menneskelig aktivitet. Økologisk vitenskap kan bli brukt både til å analysere og forstå eksisterende byer, samt å opplyse utformingen av nye miljøer.

Sentralt i økologisk vitenskap og økologisk design er begrepet om økosystemet. Et økosystem kan defineres på en enkel måte som et spesifikt sted på jorda sammen med alle organismene som bor der og de tilhørende flytene av næringsstoffer og energi. Et urbant økosystem er da noe økologisk system som finnes i en by, landsby eller annen bygd, eller hele det større økologiske systemet som utgjør et byområde i sin helhet. Det er viktig å huske at økosystemet er et menneskelig begrep, en måte å betrakte verden på som forenkler virkeligheten. Det er vanskelig å definere grensene rundt et gitt økosystem på en omfattende måte, og de kommer alltid til å være vilkårlige i forbindelse med intensjonen bak en spesifikk analyse. Med dette utgangspunktet kan byøkologi da bli beskrevet som studien av interaksjonene mellom organismer, bygninger og det fysiske miljøet der mennesker er konsentrert. 

Den intensive konsentrasjonen av menneskelig aktivitet i byer gir opphav til nye økologiske forhold som gjerne ikke finnes utenfor dem i det ubebygde landskapet. Bynatur har en tendens til å bli karakterisert av hyppige forstyrrelser og tilfeldige og mer intensive strømninger av vann og næringsstoffer som en følge av overvann og innflyttede materialer. Jorda er gjerne komprimert, forurenset og næringsfattig. Det er ofte bråe overganger mellom beplantede arealer, eksponert jord og jord som er dekket av ugjennomtrengelige overflater eller under bygninger. På grunn av den godt dokumenterte «urbane varmeøya», er temperaturen innenfor bykjernen gjerne litt høyere sammenliknet med det omgivende landskapet. Et mangfold av konstruerte overflater etablerer komplekse sammensetninger av fordelaktige beskyttede mikroklimaområder og skygge. Vassdrag har en tendens til å ha kraftig modifiserte kanter, og mangler ofte kantvegetasjon. Leveområdemangfold i sin helhet kan være på et overraskende høyt nivå. Det er gjerne skarpe kontraster over korte avstander i leveområdeforhold, for eksempel der øde parkeringsplasser viker plutselig for en beplantet kant. Innflyttede planter og organismer gjør det mulig for nye sammensetninger av arter å oppstå som ikke finnes i de lokale økosystemene som var til stede før de ble endret av byens arkitektur og aktivitet.

Disse unike økologiske forholdene kommer alltid til å være til stede i noen grad i byen, og derfor kan det utformede urbane økosystemet aldri gjenskape innenfor byen de samme forholdene som eksisterer utenfor den bortsett fra den menneskelige aktiviteten. Intensjonen er ikke nødvendigvis å gjenopprette ubebygde økosystemer, slik at byen hadde på noen måte blitt «usynlig» innenfor et eksisterende miljø. Målsettingen er heller å bli bevisst på de økologiske forholdene som eksisterer i byen både positive og negative, og å gjøre et bevisst forsøk gjennom design til å skape så mange fordelaktige forhold som mulig for økologisk helse samtidig som negative konsekvenser reduseres og funksjonelle koblinger til andre økosystem i en større sammenheng opprettholdes. I dette perspektivet må ikke bygging av byer være noe som er ensidig negativt, slik som gjerne blir underforstått i mange diskusjoner om miljøpåvirkning. «Bynatur» blir dermed et bevisst utformet økosystem som kan skape et fordelaktig habitat for både mennesker og andre livsformer. 

Byøkologi er først og fremst en studie av rommene i byen og deres element. Romlige mønster forsterker økosystemprosesser i alle skalaer. Den grunnleggende analyseenheten er «lappen», en vilkårlig definert grense rundt et område som har egenskaper som er merkbart forskjellige fra omgivelsene. Et større, identifiserbart økosystem i bakgrunnen som inneholder lappene utgjør «matriksen» som påvirker økologisk dynamikk og konnektivitet mellom ulike habitatlapper. Interaksjoner mellom lapper påvirker i sin tur funksjonen til individuelle lapper og landskapet i sin helhet. Lappenes struktur i landskapet bestemmer flyter av vann, energi, næringsstoffer og organismer mellom lappene. Intensjonen bak regenerativ byforming er da å etablere produktive lapper blant husene og å organisere miljøet i sin helhet deretter slik at fordelaktige funksjoner og interaksjoner maksimeres. 

Det blir åpenbart at løsningen på de fleste økologiske problemene i moderne byer ligger i å etablere livskraftige plantesystemer. Plantesamfunn er grunnlaget for økologisk helse i alle økosystemer på land, og derfor er det like viktig å tenke på plantelivet som menneskelivet mellom husene. Plantesystemer danner jord og etablerer og opprettholder vann- og næringskretsløp. De renser luft og vann, og binder karbon og nitrogen. De danner leveområder til en rekke fordelaktige organismer, og de kan også skape et gunstig mikroklima. Et eneste tre utfører et utrolig mangfold økologiske funksjoner. Det å skape og utforme grønne områder mellom husene blir derfor grunnlaget for et økologisk sunt bymiljø.

Et nyttig overordnet framtidssyn for en økologisk integrert by er en produktiv landskapsmosaikk. Et slikt miljø skulle karakteriseres av et høyt nivå av habitatmangfold slik som oppstår i den enorme variasjonen av bygde steder og mikroklimaområder mellom husene, som kan understøtte produktive (særlige spiselige) plantesamfunn som er bevisst satt sammen for å tilpasse seg disse forholdene. En generell strategi er å ta utgangspunkt i det opprinnelige landskapets struktur (en såkalt leveområdeanalog), og forsøke å samordne den med nye bygninger, hager og korridorer, både innenfor grensene til en gitt tomt og i en større sammenheng.

Vegetasjonslapper som ligger innenfor en matriks kan bli kunstferdig og funksjonelt satt sammen i et nettverk av blågrønne rom som kan danne det førende ordensprinsipp bak en enkelt tomt, en gruppe tomter eller en større bydel. I byen skal det etableres en sammenhengende grønnstruktur, der et stinett forbinder forskjellige leveområdelapper av ulik størrelse og karakter på tvers av boligområder og bydeler. I et økologisk perspektiv er den gunstigste byformen den som muliggjør ressursstrømninger helt inntil og gjennom bysenteret, og som sikrer muligheter for plante- og dyreliv å bevege seg inn i og på tvers av byen. Et nyttig prinsipp er å etablere et nettverk av grønne korridorer som sikrer effektiv bevegelse på tvers av et byområde som er koblet til større beskyttede leveområder utenfor byen. Det er viktig å vurdere størrelsen på både korridorene og de enkelte lappene som skapes innenfor den helhetlige grønnstrukturen. Store byparker kan fungere som habitatreservater til visse arter, mens mindre bydels- og grendeparker spredt på tvers av bolig- og næringsområder kan danne mindre relativt uberørte leveområder som sikrer tilstrekkelig konnektivitet mellom større lapper. Inne i disse lappene bør bruksmønster planlegges for å skape varierte forstyrrelsesmønster. Et utmerket eksempel på dette prinsippet er byskogen i Uppsala, Sverige, der halvparten av skogen blir aktivt forvaltet og halvparten blir overlatt til å følge naturlige suksesjonsmønster.

Byøkologi kan bli brukt i alle skalaer, og den har like mye relevans for enkelte tomter i byen som for større bydeler. Det beplantede arealet på en tomt er den viktigste indikatoren av negative eller positive økologiske konsekvenser. På hver tomt i byen bør i det minste et lite areal bli avsatt til beplantning og utildekket jord. Tilstedeværelse av vegetasjon kommer nesten alltid til å være gunstigere sammenliknet med en situasjon der beplantning mangles, men det er også viktig å vurdere økologisk funksjon når planter velges i tillegg til deres estetiske og opplevelsesmessig verdi. 

I nordlige strøk kan mikroklimaet som etableres av menneskeskapte konstruksjoner bli særlig nyttig og gjøre det mulig å etablere nye produktive biotoper som ikke kunne eksistere i miljøet utenfor byen. Et eksempel er å finne i Reykjavík på Island, der området innenfor bygrensen utgjør den største skogen på øya. I boligområder med godt etablerte hager, er samlet produktivitet og leveområde- og artsmangfold gjerne mye høyere enn i ubebygde biotoper (særlig populasjoner av pollinatorer), hovedsakelig på grunn av den store variasjonen i planter som mennesker flytter inn i hagene sine og de mange ulike formene som hagene får.

Det er også viktig å vurdere hvordan enkelte bygninger (særlig boliger) kan bli integrert med funksjonelle plantesamfunn. Boligtypologier må ha rom til produktive hager. Sedvanlige boligblokker (som telles gjerne som «miljøvennlige» ensidig på grunn av boligtettheten som de støtter) har en tendens til å støtte kun et par plante- og dyrearter, særlig når parkeringskjellere bygges under de eneste ubebygde delene av en tomt og jorddybder begrenses. Intensjonen burde alltid være å etablere selvbærende økosystem i byen som ikke er avhengig av kontinuerlig vedlikehold for å overleve.

En økologisk integrert by består av et mangfold av produktive leveområder som kan støtte både menneskeliv og alle andre livsformer. Den gir en hage til alle, og rommene mellom husene blir karakterisert av lys, planter og vann. Bymiljøet blir et fornyende sted som hverdagen kan utfolde seg i.