7．4．1 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(48)，其碳过程与自然生态系明显不同。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(49)，并从不同尺度研究城市系统的生物物理过程、社会经济过程及其相互作用(50)(51)。
1）城市系统的特征及范围
城市系统是一个多要素、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：
（1）是一个纯粹的人工生态系统，具有社会和经济属性；
（2）主要依赖燃料供能来维持自身的生存和发展；
（3）具有整体性、复杂性和层次性(52)，且具有高度的不确定性和异质性；
（4）具有动态扩展性（人口、经济要素和面积等的扩展）；
（5）由于城市的高度开放性，其环境的影响范围要远远大于城市边界(53)。
根据城市的空间影响范围，城市系统可分为城市蔓延区（Urban Sprawl）和城市足迹区（Urban Footprint）。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，即城市足迹区(54)。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(55)。
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（见表7．22）。
表7．22 城市系统的空间范围及碳循环过程
注：根据文献(56)补充整理得到
2）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。
（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（见表7．22）。
（3）城市系统碳循环包括水平和垂直碳通量两部分（见表7．22）。其中，水平碳通量以人为过程（含碳物质产品的水平传输）为主，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(57)，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；而它们之间的关系也受到城市格局和作用的影响（见图7．10）。而城市功能、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(58)。
从以上分析可知，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。(59)
图7．10 城市系统的功能、格局和作用与碳排放的耦合作用关系②
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