1、Ch08 城市碳循环城市碳循环一、研究碳循环的意义一、研究碳循环的意义二、城市系统及碳过程特征二、城市系统及碳过程特征三、城市系统碳循环研究进展三、城市系统碳循环研究进展四、城市系统碳管理研究进展四、城市系统碳管理研究进展五、中国陆地生态系统碳平衡五、中国陆地生态系统碳平衡 介绍一篇介绍一篇Nature文章文章赵荣钦, 黄贤金， 徐慧，高珊，城市系统碳循环与碳管理研究进展，自然资源学报，2009，24（10），1847-1859一、研究碳循环的意义一、研究碳循环的意义l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温室效应的主要原因之一。l了解不同区域城市系统碳循环的过程、途径、方
2、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。实现城市的可持续发展。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。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。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5.5Pg C( 1 Pg= 1015 g)和1.1Pg C, 合计为6.6 Pg C, 是大气的主要碳源 , 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
3、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。因此, 城市化和城市扩展过程必然会对全球碳循环和气候变化产生深远的影响。二、城市系统及碳过程特征二、城市系统及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, 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, 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。1、城市系统的特征及范围、城市系统的特征及范
4、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: 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, 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远大于城市边界。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
5、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。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。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)。2.城市系统碳循环过程特征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7个方面:( 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
6、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(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
7、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,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
8、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。三、城市系统碳循环研究进展三、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展了相关研究。1、城市能源使用碳排放研究、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
9、 。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。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。城市能源使用碳排放主要来源于以下方面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。梅建屏等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, 以南京市某单位为
10、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。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, 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、城市植被和土
11、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改变土壤碳库和碳通量。美国学者David等从国家、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。 由于城市植被和土壤属
12、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.3、城市扩展对碳排放的影响、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。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
13、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。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。4、城市代谢与碳过程研究、城市代谢与碳过程研究城市物质代谢的概念是由Wolman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。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
14、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。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, 这为认识城市系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, 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。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。对荷兰城市家庭代谢研究
15、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.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。5、城市系统碳循环模拟、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。而目前对城市系统碳过程进行整体模
16、拟的模型还很少。Churkina认为 : 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。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。四、城市系统碳管理研究进展四、城市系
17、统碳管理研究进展全球碳计划( GCP)于2005年发起了城市与区域碳管理( URCM )研究计划, 是科学主题3的首要内容。URCM是基于区域且与政府政策密切相关的科学计划, 其核心是城市和区域水平的能源使用和土地利用变化, 首要目标是支持区域碳管理和城市的可持续发展。URCM 对城市、区域和全球碳足迹、决定因素、发展模式和管理机会等采用比较的和历史的方法来研究区域碳收支。要对城市和区域进行合理的碳管理, 必须要从城市- 区域- 全球的综合视角, 将碳管理和城市发展、城市部门和地方实际结合起来。1、基本理论和框架、基本理论和框架2、主要的科学问题、主要的科学问题城市碳管理要解决的主要科学问题包
18、括:在全球尺度上, 城市化和全球碳循环是如何通过人口、富裕程度、能源及其他生物物理和社会经济机制相互作用的? 如何定量分析当前和过去城市及区域的碳源/汇? 低碳型城市和区域未来发展情景是什么? 不同城市的不同碳模式的基本驱动因子(如地理条件、社会经济因素、历史遗存/模式等)及其潜在结构是什么? 影响城市碳减排的管理策略有那些? 如: 区域高效碳管理中的权衡和协作有哪些? 在城市及区域碳管理中, 碳管理制度和结构的作用是什么?Cananp等认为, 城市化过程对区域碳收支的影响体现两个方面: 直接驱动力直接驱动力, 一方面是城市化带来的土地利用变化, 造成了森林砍伐、农地减少、基础设置扩展、农业扩
19、张和木材加工等, 并带来了碳排放, 另一方面是城市建筑、交通运输、工业等领域的能源使用带来了碳排放; 潜在驱动力潜在驱动力, 包括人口(组成、分布)、组织(团体、组织)、生态环境(生态系统、气候、土地利用/覆被)、技术(能源、交通运输)、制度(经济、政策、健康、教育和宗教)及文化(信仰、价值观、习俗和道德)等6个方面。其中潜在驱动力是认识碳- 气候- 人类系统循环区域差异的关键要素, 因为这6个人类因素及其之间的耦合关系是造成不同城市碳模式差别的主要原因, 也是解决上述碳管理科学问题的关键。因此, 碳管理的关键是从社会和人文的角度入手。3、碳管理措施、碳管理措施城市主要通过功能、格局和作用的相
20、互结合来影响碳排放, 而城市功能的发挥直接决定了碳排放的类型和规模。因此, 城市碳管理可以从改变城市功能发挥的方式来入手, 表3提供了一个城市去碳化发展道路的框架。城市的4项主要功能中,都存在碳排放的负面效应, 如果把加强去碳化管理作为城市战略的话, 对城市功能来说既面临着机遇, 又面临着挑战。城市系统的碳管理是一个不同尺度的多层次体系, 不仅局限于节约能源、提高能源效率和减少排放等方面, 而且涉及到复杂的城市社会和经济的各个方面; 不仅是一个自然和技术问题, 还是一个复杂的社会问题。同时, 碳管理和去碳化不一定阻碍经济发展, 完全可以在提高人们生活水平的同时实现碳减排。展望展望城市碳循环是基
21、于物质流通和生活消费过程的, 包括人工和自然过程、水平和垂直过程、经济和社会过程在内的复杂系统, 受城市功能、格局和作用的交互影响。因此, 了解城市系统碳循环过程的方向、规模、内部机理及其影响因素, 并采取切实有效的碳管理措施, 减少碳排放, 促进碳的循环利用, 对于实现低碳城市目标, 减缓全球变暖具有重要意义。但目前对于城市碳过程的研究还很欠缺, 真正的城市碳循环的系统的整体的模型研究尚未出现, 对于城市碳过程的机理和影响机制还不十分了解。因此, 未来应注意以下方面的研究：( 1) 必须考虑人文要素在城市碳过程中的作用。城市是一个复杂的人类- 社会- 经济巨系统, 城市碳通量过程涉及到人类活
22、动的各个方面, 并且受经济、制度、行为和生活方式等因素的影响, 因此, 应积极开展人为过程的水平碳通量的定量研究。( 2) 构建城市碳循环模型。从城市系统碳通量的角度, 结合自然和人文因素构建城市碳循环模型, 进一步认识和了解城市碳循环的影响机理, 是今后该领域研究的重点。( 3) 揭示城市不同用地类型碳循环特征及地类转换的碳排放效应。城市土地利用变化是碳排放的重要人为因素。城市化过程最终要体现在土地利用及其方式的变化上, 因此分析和研究不同土地利用方式的碳储量及其碳通量, 以及不同地类及其转化的碳排放效应, 对于更大尺度的碳过程研究和区域之间的对比研究具有重要的意义。( 4) 加强城市碳过程
23、的经济及社会驱动机制研究。城市碳过程具有较强的空间异质性, 不同区域的城市、不同城市的不同功能区的碳通量的规模和速率也存在差异。加强不同经济条件的城市、不同城市功能区碳过程的机制研究, 对于研究更大范围内城市碳循环规律至关重要。( 5) 实施切实可行的碳管理措施, 以实现低碳城市的目标。城市碳管理必须基于科学的碳循环过程研究结论的基础上。采取合理措施, 促进城市碳减排, 实现去碳化发展目标和城市的可持续发展是研究的最终目的。五、中国陆地生态系统碳平衡五、中国陆地生态系统碳平衡 介绍一篇介绍一篇Nature文章文章Global terrestrial ecosystems absorbed ca
24、rbon at a rate of1-4 Pg yr -1 during the 1980s and 1990s, offsetting 10-60 per cent of the fossil-fuel emissions. The regional patterns and causes of terrestrial carbon sources and sinks, however, remain uncertain. With increasing scientific and political interest in regional aspects of the global c
25、arbon cycle, there is a strong impetus to better understand the carbon balance of China. This is not only because China is the worlds most populous country and the largestemitter of fossil-fuel CO2 into the atmosphere, but alsobecause it has experienced regionally distinct land-use histories and cli
26、mate trends, which together control the carbon budget of its ecosystems.Here we analyse the current terrestrial carbon balanceof China and its driving mechanisms during the 1980s and 1990s using three different methods: biomass and soil carbon inventories extrapolated by satellite greenness measurem
27、ents, ecosystem models and atmospheric inversions. The three methods produce similar estimates of a net carbon sink in the range of 0.19-0.26 Pg carbon (PgC) per year, which is smaller than that in the conterminous United States but comparable to that in geographic Europe. We find that northeast Chi
28、na is a net source of CO2 to the atmosphere owing to overharvesting and degradation of forests. By contrast, southern China accounts for more than 65 per cent of the carbon sink, which can be attributed to regional climate change, large-scale plantation programmes active since the 1980s and shrub re
29、covery.Shrub recovery is identified as the most uncertainfactor contributing to the carbon sink. Our data and model results together indicate that Chinas terrestrial ecosystems absorbed 2837 per cent of its cumulated fossil carbon emissions during the 1980s and 1990s.The carbon sinks of geographic E
30、urope and the conterminous United States are based on refs 6 and 5, respectively. The error bars for China and geographic Europe are based on the mean atmosphere-based estimate (top) and the mean land-based estimate (bottom), and those for the conterminous United States are based on the upper and lower limits of the carbon sink estimated in ref. 5.The end of CH08
