城市系统碳循环与碳管理研究进展.pdf-道客多多

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1、第 24卷第 10期自然资源学报 Vol124 No110 2009年 10月 JOURNAL OF NATURAL RESOURCES Oct., 2009 收稿日期 : 2009- 03- 28; 修订日期 : 2009- 06- 29。基金项目 : 国土资源部公益性行业科研专项经费项目 “ 土地利用规划的碳减排效应与调控研究 ” (200811033)。第一作者简介 : 赵荣钦 (1978- ) ,男 ,河南孟津人 ,讲师 ,博士研究生 ,研究方向为

2、土地利用与碳循环。 E - mail: zha2orq2341631com3 通信作者 , E2mail: hxj369 nju. edu. cn城市系统碳循环与碳管理研究进展赵荣钦 1, 2 , 黄贤金 13 , 徐慧 13 , 高珊 1(11南京大学地理与海洋科学学院 ,南京 210093; 21华北水利水电学院资源与环境学院 ,郑州 450011)摘要 : 城市化带来的土地利用变化和化石燃料燃烧是引起全球气候变化和

3、温室效应的主要原因之一。了解不同区域城市系统碳循环的过程、途径、方向和机制 ,有助于更好地进行未来大气温室气体的情景预测 ,并提出相应的碳管理措施。论文在国内外城市系统碳循环研究的基础上 ,对城市系统的特征、空间范围和碳过程特征进行了总结和分析 ;从城市能源使用碳排放、城市植被和土壤碳研究、城市扩展对碳排放的影响、

4、城市代谢与碳过程、城市系统碳循环模拟等方面对目前城市系统碳循环的主要研究内容进行了综述 ;结合城市与区域碳管理 (URCM )研究计划 ,对城市碳管理的理论框架、科学问题和主要措施及目标进行了探讨 ;最后提出了该领域未来研究的主要方向和建议。关键词 : 城市系统 ; 碳循环 ; 碳管理 ; 碳通量 ; 模拟 ; 去碳化中图分类号 : Q149 文献标志码

5、 : A 文章编号 : 1000 - 3037 (2009) 10 - 1847 - 13由于国际上对全球变暖的担忧 ,碳循环成为 20世纪 90年代以来全球变化研究的热点领域 1 。研究表明 ,全球碳循环过程与人类活动特别是化石燃料燃烧和土地利用 /土地覆被变化有着密切的关系 223 。 IPCC报告认为 ,化石燃料燃烧和土地利用变化每年排放到大气的 CO2分别为 515 Pg C (1 Pg =

6、1015 g)和 111 Pg C,合计为 616 Pg C 4 ,是大气的主要碳源 5 ,也是引起全球气候变化和温室效应的主要原因。城市是人类活动对地表影响最深刻的区域 ,工业革命以来 ,由于城市化的飞速发展 ,城市及其周边区域不仅地表土地利用 /覆盖变化强烈 ,而且化石燃料燃烧集中 , CO2 排放量的 80%以上来自于城市区域 6 。因此 ,城市化和城市扩展过程必然会

7、对全球碳循环和气候变化产生深远的影响。但由于种种原因 ,一段时期以来 ,城市系统在全球气候变化和碳循环中的作用并未受到充分的重视 ,大部分学者侧重于对森林 728 、农田 9 、草地 10211 、土壤 12213 等自然碳循环过程的研究 ,而较少涉及城市碳循环领域。进入 21世纪以来 ,随着碳循环研究的进一步深入 ,城市碳过程研究开始受到国外学者的

8、关注 ,一些领域的研究也逐渐展开 ,如城市能源碳排放 14 、城市碳循环模拟 15216 、城市扩展及其碳排放 17 、城市碳管理 18219 等方面。全球碳计划 ( GCP)于 2005年发起了城市与区域碳管理 (U rban and Regional Carbon Management, URCM )研究计划 ,其首要目标是支持区域碳管理 ,并实现城市可持续发展 20 ,该计划对城市碳过程的研究起到了重

9、要的推动作用。但总体来说 ,城市碳循环和碳管理研究还处于起步阶段 ,而国内该领域的研究还几乎是空白。这里主要介绍城市系统碳过程特征、目前国内外城市碳循环和碳管理的研究进展 ,并提1848 自然资源学报 24卷出该领域发展的主要问题和未来发展方向。1 城市系统及其碳过程特征城市系统是以人为主体 ,以聚集经济效益和社会效益为目的 ,融

10、合人口、经济、科技、文化、资源、环境等各类要素的空间地域大系统 21 ,其碳过程与自然生态系统明显不同。因此 ,需要从整体上认识城市系统的碳过程特征 ,综合考虑城市化石燃料排放的潜在驱动力以及生物碳源 /汇 22 ,并从不同尺度来研究城市系统的生物物理过程和社会经济过程及其相互作用 23224 。111 城市系统的特征及范围城市系统是一

11、个多要素、多层次的社会、经济复合系统 ,其与自然生态系统相比 ,具有以下重要特征 : 是一个纯粹的人工生态系统 ,具有社会和经济属性 ; 主要依赖燃料供能来维持自身的生存和发展 ; 具有整体性、复杂性和层次性 21 ,且具有高度的不确定性和异质性 ; 动态扩展性 (人口、经济要素和面积等的扩展 ) ; 由于城市的高度开放性 ,其环境的影响范围要远

12、远大于城市边界 6 。根据城市的空间影响范围 ,城市系统可分为城市蔓延区 (U rban Sp rawl)和城市足迹区(U rban Footp rint) 6 。城市蔓延区主要指城市建成区 ,即城市形态集中连片的区域。城市足迹区是指满足城市居民消费和垃圾堆放所需的区域 ,以及被城市污染和气候变化影响的区域。城市使用的大部分碳和能量来自于城市边界之外 ,即城

13、市足迹区 6 。城市足迹区不一定与城市蔓延区毗邻 ,可能位于数百公里之外 25 。另外 ,为方便分析城市系统碳流动的方式和过程 ,根据城市系统水平空间地表覆被的差异 ,可分为人工部分和自然部分。城市蔓延区以人工部分 (建筑物 )为主 ,足迹区以自然和半人工部分 (农作物 )为主 (表 1)。表 1 城市系统的空间范围及碳循环过程Table 1 Spatial extent

14、 and carbon cycle p rocess of urban system类别城市蔓延区城市足迹区人工部分自然部分人工部分自然部分地表特征硬化地面土壤水体硬化地面土壤水体地上特征建筑物、道路、广场绿化植被或裸地水体建筑物、道路农田、自然植被或裸地水体城市碳库建筑物、构筑物、土壤 ,家具 ,图书等土壤和植被碳库溶解碳建筑物、构筑物、土壤 ,家具 ,图书等土壤和

15、植被碳库溶解碳水平碳通量输入食物、纤维、木材或其他含碳产品植物栽种、有机肥输入含碳物质排入部分工业产品、垃圾作物栽种、有机肥输入含碳物质排入输出部分工业产品、垃圾无无食物、纤维、木材或其他含碳产品农产品输出无垂直碳通量输入无植物光合作用输出化石燃料燃烧、废弃物分解及人类呼吸土壤和植物呼吸作用与大气的碳交换城市排放 CO2的吸收植物光合

16、作用少量化石燃料燃烧、废弃物分解及人类呼吸土壤和植物呼吸作用与大气的碳交换注 :根据文献 6 补充整理得到。10期赵荣钦等 :城市系统碳循环与碳管理研究进展 1849 112 城市系统碳循环过程特征作为一个复杂的社会、经济复合系统 ,与自然系统相比 ,城市系统碳循环过程具有较大的复杂性、不确定性和空间异质性特征 ,主要表现在以下方面 :(1) 城市

17、碳循环过程涵盖城市足迹区 ,甚至影响到更大区域的生物地球化学过程 6 ;(2) 城市碳过程包括自然过程和人为过程 ,以人为过程为主 ;城市人工部分的碳过程主要受人为因素的影响 ,而自然部分的碳过程主要受自然过程控制 (表 1) ;(3) 城市系统碳循环包括水平和垂直碳通量两部分 (表 1)。其中 ,水平碳通量以人为过程 (含碳物质产品的水平传输 )为

18、主 ,垂直碳通量既有人为过程 (化石燃料燃烧等 ) ,也有自然过程 (植物和土壤等的呼吸作用 ) ;(4) 城市碳循环具有较大的空间异质性 ,城市碳通量的强度、范围和速率取决于社会发展程度、产业类型、经济结构、能源结构及能源使用效率等社会因素 ;(5) 城市蔓延区的人工化程度较高 ,因此其人为碳通量较大。城市足迹区碳过程主要包括自然碳循

19、环过程和含碳物质产品的传输 ,人为碳通量明显小于城市蔓延区 ;(6) 部分碳过程存在于城市蔓延区和足迹区之间 ,且单向流动。如食物、纤维、木材或其他含碳产品由足迹区输入蔓延区 ,而部分工业产品和垃圾则由蔓延区输入到足迹区 6 ,这说明城市碳足迹大小与城市资源消耗量和产品销售地有关 ;(7) 城市是一个动态扩展的系统 ,随着城市的进

20、一步蔓延、人口的增加或经济结构的改变 ,其足迹区必然会发生变化 ,其碳过程的规模、强度和空间范围也将随之改变。此外 ,从城市社会、经济的角度出发 ,可以将城市看作是一个具有一定功能、格局和作用的复合体。出行、住房、食物和生活方式等是城市系统提供给居民的主要功能 ,这些功能如何提供和发挥与碳排放直接相关 ,它们之间的关系也

21、受到城市格局和作用的影响 (图 1)。城市功能、格局和作用会随着区域需求和经济竞争等因素不断发生变化 ,这会对城市系统的碳排放造成影响 19 。从以上分析可见 ,城市系统碳循环过程是一个包括自然和人工过程、水平和垂直过程、经济和社会过程在内的复杂系统 ,与自然生态系统碳过程有着本质区别。图 1 城市系统的功能、格局和作用与碳排放

22、的耦合作用关系 19 Fig1 1 Relationship between carbon em ission and function, form and role of urban system1850 自然资源学报 24卷2 城市系统碳循环研究进展城市碳循环研究目前尚未形成系统性成果 ,主要在城市能源使用碳排放、城市植被和土壤碳研究、城市扩展对碳排放的影响、城市代谢与碳过程、城市系统碳循环模拟等方面开

23、展了相关研究。211 城市能源使用碳排放研究城市能源消费与碳排放密切相关 ,该方面的研究也更为深入。 20世纪人类社会能源消耗量增加了 16倍 , CO2 的排放量增加了 10倍 26 。大部分高碳排放的亚洲国家 CO2 排放量与能源消费量的增加趋势几乎一致 27 。面对全球气候问题谈判的压力 ,世界各国开展了能源碳排放的研究。由于能源消耗是城市 CO2

24、的主要排放途径 ,因此对能源使用的碳排放途径及其清单的研究对于了解城市碳过程具有重要意义。结合齐玉春等 28 的研究 ,城市能源使用碳排放主要来源于以下方面 : 工业生产、电力生产中的化石燃料燃烧 ; 燃料加工、运输以及工业使用过程中的泄漏和挥发 ; 交通工具带来的碳排放 ; 居民独立采暖和生活炉灶中化石燃料的使用 29 。研究发现 ,在

25、城市能源消耗中 ,很多国家的交通运输能源消耗量约占全部终端能源消费的 1 /4 1 /3,占全部石油制品消耗量的约 90 % 28 。如 , 2000年英国道路交通的 CO2排放量占总排放的 25%左右 ,并超过电力生产带来的碳排放 30 。 Jose M1 Baldasano对巴塞罗那的研究发现 ,主要的 CO2源是私人交通 ,占研究期内排放总量的 35% 31 。梅建屏等 32 通过城市微

26、观主体碳排放评测模型 ,探讨了城市微观主体土地利用模式对碳排放的影响 ,以南京市某单位为例 ,对不同交通方式能源使用碳排放量进行了评测 ,认为私人交通的碳排放量明显大于公共交通。由于能源使用量及其碳排放的不断增加 ,如何通过能源消费结构的改变、能源利用效率的提高、能源利用技术的改进等途径来减少碳排放是当前研究的重点之一

27、 33 。要保持经济发展 ,不能只通过减少能源消费量来实现碳减排 ,而需要提高能源利用率 ,并寻求新型的、低碳能源代替高碳能源 ,即考虑能源结构问题。另外 ,部分学者还对不同经济发展阶段、经济结构及经济发展速度等对碳循环的影响进行过研究 27, 33 ,因为不同的经济结构和经济发展阶段会对能源消费结构和能源转化效率造成影响 ,这进一步

28、影响了城市碳过程。212 城市植被和土壤碳研究受人类活动影响 ,城市植被和土壤的碳过程与自然生态系统存在着差异。城市植被主要以绿化树木、灌木树篱和草地为主 ,其碳过程受人类日常维护措施如施肥、修剪和管理等的影响。城市土壤大部分长期被硬化地面覆盖 ,既不能生长植被 ,也不能接收雨水下渗 ,因此非城市景观向城市景观的转化会强烈

29、改变土壤碳库和碳通量 34 。美国学者 David等 35 从国家、区域和州等不同尺度上对城市树木的碳储量进行了估算 ,研究发现 ,由于生长速度快、高大树木众多 ,城市树木比非城市树木的作用更为显著 ,城市植被在降低大气 CO2浓度方面起着重要作用 ,但城市树木的维护带来的碳排放会部分抵消城市植被系统的碳吸收。管东生等 36 在研究广州城市绿地

30、植物生物量和净第一性生产量的基础上 ,通过对城市绿地碳的贮存、分布和固碳放氧能力的估算 ,探讨城市绿地对城市碳氧平衡的作用 ,结果发现 ,城市绿地系统的环境支持能力在很大程度上决定于它的生物量和生产量。植物的光合作用固碳和放氧量分别相当于人口呼吸释放碳和消耗氧的 117和119倍 ,但远小于化石燃料燃烧释放的碳和消耗的氧量。与

31、自然土壤相比 ,城市生态系统土壤性质发生了显著的变化 ,城市化进程对于城市土壤碳含量产生了较大的影响。董艳等 37 10期赵荣钦等 :城市系统碳循环与碳管理研究进展 1851 研究了福建省福州市自然及人工管理绿地土壤有机碳含量的差异及垂直分布规律 ,发现该市自然绿地景观 0 10 cm土层有机碳均值比人工管理绿地均值有机碳含量均值降低

32、。部分学者还对城市化和城市扩展对土壤碳储量的影响进行了研究 ,结果表明 ,城市土壤碳储量远远大于郊区和乡村 34, 38 。 Mestdagh等还对比利时佛兰德斯市区和边缘区草地的土壤有机碳储量进行了计算 39 。以上这些都为研究城市自然碳过程提供了较好的思路。由于城市植被和土壤属于城市自然部分 ,其碳过程除受人类管理措施影响外 ,仍以自

33、然过程为主 ,其研究也与其他自然系统碳过程的研究方法类似 ,这也是目前城市碳过程研究较容易切入的一个方面。213 城市扩展对碳排放的影响城市扩张是最重要的土地利用 /覆盖变化方式之一 ,其对碳排放的影响主要包括两个方面 :一是城市化带来更多的工业碳排放、产品消耗碳排放及使用建筑材料带来的间接碳排放 ;二是城市化带来的非工业化碳

34、排放 (地类转化带来的碳排放 ) ,比如森林或草地转化为城市用地 ,由于植物地上生物量会以 CO2 的形式释放到大气中 ,这种转化表现为碳源 40 。城市建设用地是重要的碳排放源。李颖等 41 对江苏省不同土地利用方式的碳排放效应的研究发现 ,建设用地产生的碳排放量占总碳排放的一半以上 ,而且随着建设用地的扩展 ,碳排放强度呈逐年增加的态势

35、。Svirejeva2Hopkins等 17 针对 1980 2050年间世界的 8个地区 ,基于人口密度空间分布的双参数分布模型对城市扩展 (自然生态系统或景观转变为城市用地 )及其对碳排放的贡献做了定量的核算 ,结果发现 , 2005年全球城市化造成的碳排放为 1125Gt C,之后有所下降。而且 ,城市碳排放具有明显的区域差异 ,中国和亚太地区是城市碳源 ,而其他区域正在由

36、碳源变为碳汇 ,或处于中立状态。这种观点也存在片面性。刘纪远等的研究表明 ,中国近20年来的城市用地大部分是由农田转化而来的 42 ,由于农田和城市的碳释放量相当 ,因此中国城市化自身造成的土地利用 /覆盖变化对生态系统碳循环的影响并不显著。而美国等一些西方国家 ,由于森林覆盖率很高 ,大量城市用地是由森林转化而来的 ,因此 ,这些

37、地区的城市化可能造成大量的碳排放 40 。由此可见 ,城市扩展对碳排放的影响 ,一方面要考虑其带来的直接和间接的碳排放 ,另外还要考虑土地利用方式转换前后碳储量的变化 ,由于各个国家、地区自然及社会条件的差异 ,城市扩展对碳排放的影响具有较大的不确定。214 城市代谢与碳过程研究城市物质代谢的概念是由 Wolman 43 于 1965年提出的 ,他

38、认为城市代谢就是将物质、能量、食物等输入城市系统 ,并将产品和废物从城市系统中输出的过程。将资源转化为有用产品及废物的过程就像自然生态系统的代谢过程一样 ,城市代谢指明了人类社会物质和能量运动的基本方式和方向。城市物质代谢主要目的是分析和了解与人类有关的物质和能量的流动 ,重点关注进出社会经济系统的物质数量与质量

39、及其对生态环境产生的影响 44 。目前 ,城市代谢的概念多应用到物质、能量、食物、营养物和水等领域 ,而较少涉及到碳过程。由于城市原料和产品的代谢是城市碳通量的载体 ,因此通过城市代谢方法 ,可以更深入了解城市系统的碳循环过程。城市代谢可以从宏观和微观等不同层面展开。Kennedy等对世界五大洲 8个都市区的城市代谢过程进行了宏

40、观研究 ,发现大部分城市人均水、污水、能源和原料等代谢量都呈明显增加的趋势 45 ,城市代谢的增加意味着城市足迹区面临着较大的环境资源负担 ,或足迹区的扩大 6 。因为城市的繁荣依赖于与其腹地的空间关系和全球资源网 ,代谢增加意味着失去更多的农田、森林和生物多样性 ,增加更多1852 自然资源学报 24卷的交通和污染 45 ,这为认识城市系

41、统的碳过程提供了较好的思路。但城市代谢方法未考虑到城市蔓延区和足迹区的植被及土壤的垂直碳通量 6 ,只考虑了人类经济生活部分 ,而未涉及自然碳过程。另外 ,城市代谢也可以从微观的家庭代谢层面展开 46 。家庭代谢主要是从家庭层面研究自然资源的流入与流出通量 44 。对荷兰城市家庭代谢研究发现 :不同家庭生活模式影响着物质吞吐量 ,

42、甚至影响着整个经济系统的运行 ,结果表明荷兰城市家庭代谢状况不利于社会、经济、生态的可持续发展 47 ,罗婷文等 48 2005年对北京市家庭食物碳消费的变化趋势进行了分析 ,发现随着城市化的进程 , 1993年以来 ,家庭食物人均及户均碳消费量均由明显减少趋势转变为明显增加趋势 ,主要原因是食物消费结构的变化 ,另外 ,食物碳消费量还与家庭收

43、入、年龄结构和教育水平等有一定的关系 49 。这种微观层面上的碳过程研究为分析社会、经济因素对碳循环的空间异质性的影响提供了较好的思路 ,并有助于解释不同经济结构和生活方式对碳循环的影响 ,为我们更精确估算城市碳通量奠定了基础。215 城市系统碳循环模拟过去的碳循环模型 (基于过程的 ,生物地球化学的 ,遥感的 )大都是对自然生

44、态系统如植被和土壤的模拟 ,这些模型也同样可以对城市植被和土壤的垂直碳通量进行估算 ,但其没有考虑与人类活动相关的水平和垂直碳通量 6 。而目前对城市系统碳过程进行整体模拟的模型还很少。 Svirejeva2Hopkin等于 2006年对城市土地利用变化的碳动态过程进行了模拟。将城市土地分为三部分 :S = S g + S f + S b (1)式中 , S为城区总面

45、积 , Sg、 Sf、 Sb分别为绿地、贫民区和建成区面积 (图 2)。图 2 城市化生态系统的碳过程 16 Fig12 Carbon cycle p rocess of urbanized ecosystem则城市生态系统碳的流动包括以下几部分 16 :生产的碳 : N = N PP S g (2)分解的碳 : D = (1 - ke) N PP Sg (3)土地变化带来的碳 : dC = (B 3 +D3 ) dS (4)输出的碳 : E = ke N PP Sg (5)式

46、中 , N PP、 B 3 和 D3 分别指 NPP、活生物量和腐殖质数量。系数 ke是指由城市系统区域输出到周边区域的死亡有机质的比例 (为表达清楚 ,本文对原文献中个别数学符号进行了调整 )。该模型主要用来模拟城市土地利用变化对碳通量的影响 ,但这里仅考虑了植被碳吸收和输出及土地利用变化带来的生物碳的变化 ,而未考虑人类工业活动和生活消费对1

47、0期赵荣钦等 :城市系统碳循环与碳管理研究进展 1853 碳过程的影响。2008年 , Svirejeva2Hopkin等 17 又提出了一个基于人口密度空间分布的双参数 “ 分布 ” 模型 ,该模型基于区域和世界碳排放和城市碳输出的动态对城市化进行了情景预测 ,并对城市年碳平衡进行了估算。与前述模型相比 , 分布模型实现了人口密度和城市空间扩展的定量估算和预

48、测 ,为进一步准确估算城市扩展对碳排放的影响打下了基础 ,但仍未建立关于城市碳过程的完整模型。Churkina认为 6 :要构建城市系统碳循环及其影响的综合评价模型 ,不仅要考虑生物和物理特性 ,也要包括城市系统的人文因素 ,从自然和人文两个角度构建城市碳通量的估算模型 ,并从城市碳库、城市输入通量和输出通量等方面来整体考虑城市的碳通

49、量 (图 3)。对城市碳循环进行模拟 ,需要对生物物理通量和人类有关的通量以及两者之间的关系进行调查研究。一方面需要大量能源使用、交通排放、植被和土壤碳通量等方面的数据 ,另一方面也需要开展针对影响城市碳循环的社会经济和生物物理因素的跨学科研究。只有这样 ,才能更好地了解不同区域城市系统碳循环的过程、途径、方向和机制。图 3 城市生态系统的碳输

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