城市系统碳循环研究

7．4．2　城市系统碳循环研究

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展了相关研究。

1）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⁽⁶⁰⁾。大部分高碳排放的亚洲国家的CO₂排放量与能源消费量的增加趋势几乎一致⁽⁶¹⁾。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的主要排放源头，因此对能源使用的碳排放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⁽⁶²⁾的研究，城市能源使用碳排放主要来源于以下方面：①工业生产、电力生产中的化石燃料燃烧；②燃料加工、运输以及工业使用过程中的泄漏和挥发；③交通工具带来的碳排放；④居民独立采暖和生活炉灶中化石燃料的使用⁽⁶³⁾。研究发现，在城市能源消耗中，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%⁽⁶⁴⁾。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⁽⁶⁵⁾。Jose M．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%⁽⁶⁶⁾。梅建屏等⁽⁶⁷⁾通过城市微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。其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减少碳排放是当前研究的重点之一⁽⁶⁸⁾。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⁽⁶⁹⁾，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，这进一步影响了城市碳过程。

2）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改变土壤碳库和碳通量⁽⁷⁰⁾。

美国学者David等⁽⁷¹⁾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碳汇作用更为显著，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⁽⁷²⁾在研究广州城市绿地植物生物量和净第一性生产量的基础上，通过对城市绿地中碳的贮存、分布和绿地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。植物光合作用的固碳和放氧量分别相当于人口呼吸释放碳和消耗氧的1．7和1．9倍，但远小于化石燃料燃烧释放的碳和消耗的氧。

与自然土壤相比，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⁽⁷³⁾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0～10cm土层有机碳均值比人工管理绿地有机碳均值低。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^(74)(75)。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⁽⁷⁶⁾。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系统的一部分，其碳过程除受人类管理措施影响外，仍以自然过程为主，其研究方法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。

3）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排放（地类转化带来的碳排放），比如当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⁽⁷⁷⁾。

城市建设用地是重要的碳排放源。李颖等⁽⁷⁸⁾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。

Svirejeva－Hopkins等⁽⁷⁹⁾针对1980～2050年间世界的八个地区，用基于人口密度空间分布的双参数“Γ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1．25GtC，之后有所下降。城市碳排放具有明显的区域差异，中国和亚太地区城市是碳源；而其他区域正在由碳源变为碳汇，或处于中立状态。但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⁽⁸⁰⁾，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，这些地区的城市化可能造成大量的碳排放⁽⁸¹⁾。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。

4）城市代谢与碳过程研究

城市物质代谢的概念是由Wolman⁽⁸²⁾于1965年提出的，他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，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。城市代谢研究的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及其对生态环境产生的影响⁽⁸³⁾。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地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对世界五大洲八个都市区的城市代谢过程进行了宏观研究，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⁽⁸⁴⁾，这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⁽⁸⁵⁾。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，增加更多的交通和污染⁽⁸⁶⁾。城市代谢方法为认识城市系统的碳过程提供了较好的思路，但其未考虑城市蔓延区和足迹区的植被及土壤的垂直碳通量⁽⁸⁷⁾；即代谢方法只考虑了人类经济生活部分，而未涉及自然碳过程。

城市代谢也可以从微观的家庭代谢层面展开⁽⁸⁸⁾，即主要从家庭层面研究自然资源的流入与流出通量⁽⁸⁹⁾。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，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⁽⁹⁰⁾。罗婷文等⁽⁹¹⁾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入、年龄结构和教育水平等有一定的关系⁽⁹²⁾。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。

5）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⁽⁹³⁾。而目前对城市系统碳过程进行整体模拟的模型还很少。Svirejeva－Hopkin等于2006年对城市土地利用变化的碳动态过程进行了模拟，其将城市土地分为三部分：

式（1）中，S为城区总面积，Sg、Sf、Sb分别为为绿地、贫民区和建成区面积（见图7．11）。⁽⁹⁴⁾

图7．11　城市化生态系统的碳过程^②

（注：Sg、Sf、Sb和dS分别为为绿地、贫民区、建成区和城市年增加面积）

则城市生态系统碳的流动包括以下几部分：

式（2）～式（5）中，NPP、B＊和D＊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碳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碳过程的影响。

2008年，Svirejeva－Hopkin⁽⁹⁵⁾又提出了一个基于人口密度空间分布的双参数“Γ分布”模型，该模型基于区域和世界碳排放及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，“Γ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⁽⁹⁶⁾：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量（见图7．12）。对城市碳循环进行模拟，需要对生物物理通量和与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方面的跨学科研究。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。⁽⁹⁷⁾

图7．12　城市生态系统的碳输入、碳库和碳输出^①

城市碳循环研究的目的是通过了解城市碳通量的方向和规模及其影响机制，从而进一步为节约能源，减少碳排放，促进碳的循环利用，并采取切实有效的碳管理措施，实现低碳城市甚至无碳城市的目标，减缓全球变暖。