[论文解读] Humans: the hyper-dense species

Joseph R. Burger, Vanessa P. Weinberger+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2016

Global Energy and Sustainability ResearchEnergy参考文献 9被引用 18

一句话总结

本文表明，现代人类通过化石燃料带来的巨大能量流，生活在超密集的人口水平上——密度比狩猎采集者高出多达10,000倍，超过当地净初级生产力。利用代谢尺度理论，揭示了城市人类种群的人均能耗远超其他任何陆生哺乳动物，与自然之间形成代谢断裂，对地球可持续性构成挑战。

ABSTRACT

Humans, like all organisms, are subject to fundamental biophysical laws. Van Valen predicted that, because of zero-sum dynamics, all populations of all species in a given environment flux the same amount of energy on average. Damuth's 'energetic equivalence rule' supported Van Valen's conjecture by showing a trade off between few big animals per area with high individual metabolic rates compared to abundant small species with low energy requirements. We use established metabolic scaling theory to compare variation in densities and individual energy use in human societies to other land mammals. We show that hunter-gatherers occurred at lower densities than a mammal of our size. Most modern humans, in contrast, concentrate in large cities at densities that are up to four orders of magnitude greater than hunter-gatherers yet cities consume up to two orders of magnitude greater energy per capita. Today, cities across the globe flux greater energy than net primary productivity on a per area basis. This is possible through enormous fluxes of energy and materials across urban boundaries to sustain hyper-dense, modern humans. The metabolic rift with nature created by hyper-dense cities supported by fossil fuel energy poses formidable challenges for establishing a sustainable relationship on a rapidly urbanizing, yet finite planet.

研究动机与目标

• 使用代谢尺度理论量化人类种群密度相对于其他陆生哺乳动物的水平。
• 比较现代城市社会与狩猎采集者及其他哺乳动物的人均能耗。
• 评估城市人类种群在能量通量上是否超过当地的净初级生产力。
• 评估由外部能量输入驱动的人类超密集化对可持续性的影响。
• 将人类城市化视为与自然之间的代谢断裂，挑战生态极限。

提出的方法

• 应用代谢尺度理论估算陆生哺乳动物个体代谢率及种群密度。
• 使用异速生长定律（如克莱伯定律）将体型与代谢率关联，并推断种群密度。
• 将现代城市中观察到的人类种群密度与同体型哺乳动物的理论预测进行比较。
• 量化城市中心的人均能耗，并与单位面积的净初级生产力（NPP）进行比较。
• 分析城市边界的能量通量，评估对外部能源来源的依赖程度。
• 评估城市单位面积累积能量通量相对于自然生态系统的水平。

实验结果

研究问题

• RQ1 现代城市中人类种群密度与同体型典型哺乳动物相比如何？
• RQ2 城市人类种群在能量通量上超出当地净初级生产力的程度有多大？
• RQ3 现代城市中的人均能耗与狩猎采集社会相比如何？
• RQ4 维持超密集人类种群所需的能量与物质通量规模有多大？
• RQ5 城市中的代谢能量通量与自然生态系统相比如何？

主要发现

• 现代城市中的人类种群密度比同体型的狩猎采集者高出多达四个数量级。
• 城市人类种群的人均能耗比狩猎采集者高出多达两个数量级。
• 城市单位面积的能量通量超过当地净初级生产力，表明其依赖外部能量来源。
• 城市中的能量通量超过自然生态系统的水平，表明与自然之间存在代谢断裂。
• 人类超密集化依赖于通过城市边界持续输入的大量化石燃料能量。
• 城市中观察到的能量通量与自然生态能量预算不一致，凸显不可持续的模式。