我國城鎮(zhèn)密集區(qū)景觀變化碳排放研究綜述

梁文涓，劉 歡

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧沈陽 110168)

全球氣候變暖是當(dāng)今人類面臨的一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。土地利用變化對全球大氣CO2含量增加起著重要的作用，其作用僅次于化石燃料的燃燒［1］。據(jù)估算，1850～1998年景觀變化及其引起的碳排放是人類活動影響造成碳排放總量的1/3［2］。持續(xù)的城市增長等景觀變化活動所引起的碳排放，對全球氣候變化的影響日益凸顯。在持續(xù)的城市化進(jìn)程中，城市群已成為世界城市化發(fā)展的新特點。特別是城鎮(zhèn)密集區(qū)是受人類活動影響最為強(qiáng)烈的區(qū)域，此類區(qū)域交通發(fā)達(dá)，城市增長和人類活動密集，受政策的影響敏感?？茖W(xué)合理的土地利用可以減緩氣候變化。

1 城鎮(zhèn)密集區(qū)景觀類型碳庫

城市發(fā)展驅(qū)動了劇烈的景觀變化，景觀變化的過程伴隨著碳的排放。大多數(shù)研究均涉及《2006年IPCC指南》中的6種景觀類型:林地、農(nóng)田、草地、濕地、聚居地和其他土地［3］，而IPCC(政府間氣候變化專門委員會)忽略了城市綠地作用。在每種景觀類型中，碳效應(yīng)涉及5種碳庫:地上部生物量、地下部生物量、死木、枯枝落葉和土壤。

通常森林的碳儲量高于農(nóng)田和草地［4］。森林演替為成熟林的階段起碳匯作用，成熟林可能轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚?。天然次生林的土壤是?qiáng)匯，人工林的土壤是弱匯［5］。農(nóng)田的植被和土壤碳儲量取決于作物類型、管理做法，以及土壤和氣候類型。長期大規(guī)模翻耕和秸稈燃燒造成土壤的碳排放。草地地下碳含量較高，主要集中在根部和土壤有機(jī)質(zhì)。濕地碳儲量約占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的10%［6］，但有研究認(rèn)為，濕地對CH4的釋放量不足以抵消其對CO2的吸收量而發(fā)揮碳匯功能［7］。

由于生物物理環(huán)境的局限和人為干擾，在城鎮(zhèn)占很大土地比例和快速城鎮(zhèn)化地區(qū)的綠地植被和土壤碳庫常不及天然林。城市土壤碳儲量一般高出植被碳儲量數(shù)倍［8］。城鎮(zhèn)密集區(qū)景觀變化對碳排放/吸收的影響機(jī)制歸納為表1。

表1 城鎮(zhèn)密集區(qū)景觀變化對碳排放的影響

2 城鎮(zhèn)密集區(qū)景觀變化碳排放格局與過程

表2為我國城鎮(zhèn)密集區(qū)碳排放的典型案例，通過對典型案例的比較分析，明確了城鎮(zhèn)密集區(qū)景觀變化碳排放的以下特征。

2.1 城鎮(zhèn)密集區(qū)景觀變化碳排放的數(shù)量特征 通過對比研究發(fā)現(xiàn)，上述諸位學(xué)者的研究結(jié)果與表1中景觀變化對碳排放影響趨勢基本一致，只是在數(shù)量特征上因方法、模型、研究區(qū)域的選取不同而有差異。

耕地和建設(shè)用地是城鎮(zhèn)密集區(qū)主要的碳源，其中，建設(shè)用地的碳排放能力最強(qiáng)。在快速城鎮(zhèn)化的鄱陽湖區(qū)(2000～2010年)，每增加1 hm2耕地，僅增加碳排放量約0.497 t，每增加1 hm2建設(shè)用地會增加碳排放量約160.42 t，是耕地的320 倍［20］。

城鎮(zhèn)密集區(qū)的耕地大量地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，造成了顯著的碳排放。中原城市群(2000～2010年)城市邊緣的耕地大量轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，建設(shè)用地比例由17.6%增加到22%，建設(shè)用地碳排放幾乎增加了2倍［18］。

未利用地和水域轉(zhuǎn)化為耕地導(dǎo)致碳排放。上海(1994～2006年)水域、未利用地向農(nóng)田轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致22.48×104t土壤有機(jī)碳釋放［16］。與此相反，黃淮海平原(1988～2000年)未利用地、草地和水域向耕地轉(zhuǎn)移，使植被碳儲量增加了0.43×103t。

林地的碳匯作用最大，但通常不足以抵消建設(shè)用地增加的碳排放量。農(nóng)田和城市綠地的土壤有機(jī)碳匯對城鎮(zhèn)密集區(qū)的碳匯貢獻(xiàn)顯著。鄱陽湖地區(qū)(2000～2010年)每增加1 hm2林地，碳吸收量增加約0.581 t，卻僅為1 hm2建設(shè)用地增加碳排放量的0.36%［20］。環(huán)太湖地區(qū)(1980～1990年)耕地轉(zhuǎn)移為林地使得碳儲量增加了113 261.43 Mg。

表2 城鎮(zhèn)密集區(qū)主要景觀變化類型的碳排放特征

2.2 城鎮(zhèn)密集區(qū)景觀變化碳排放的空間特征 城市群或城鎮(zhèn)密集區(qū)景觀變化的劇烈程度存在明顯的區(qū)域差異。核心城市的碳排放強(qiáng)度一般高于其他城市。這種現(xiàn)象與各分區(qū)的地理狀況、經(jīng)濟(jì)狀況以及政策等因素密切相關(guān)。如上海市土地利用變化的碳排放量表現(xiàn)為由市區(qū)中心－近郊－遠(yuǎn)郊遞減的趨勢［22］。黃淮海平原耕地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被碳儲量減少為:黃海平原＞京津唐平原＞太行山麓平原＞膠西黃泛平原。鄱陽湖區(qū)各縣(市區(qū))年均碳排放強(qiáng)度分為顯著的3個等級［20］。

建設(shè)用地的變化與各個地市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平密切相關(guān)，同時也受資源和政策的影響。例如在中原城市群，焦作市景觀變化碳排放不顯著，是由于焦作市在區(qū)域內(nèi)的功能定位由一個資源型城市向旅游城市轉(zhuǎn)型。

我國各城鎮(zhèn)密集區(qū)的碳排放強(qiáng)度與其劇烈的景觀變化有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)特征。長三角城市群、珠三角城市群、京津唐城市群和遼中南城市群四大城市群以及一些新興城市群的高強(qiáng)度碳排放與其占國土面積的比例不協(xié)調(diào)。

3 城鎮(zhèn)密集區(qū)景觀變化碳排放的驅(qū)動力

探討景觀變化過程中造成的碳排放驅(qū)動力，本質(zhì)上在于追究景觀變化的驅(qū)動力。對于城鎮(zhèn)密集區(qū)景觀變化碳排放的驅(qū)動機(jī)制探討，社會經(jīng)濟(jì)類的驅(qū)動因素是研究的熱點。

驅(qū)動因子在驅(qū)動力系統(tǒng)中的狀態(tài)與功能因研究尺度的不同而表現(xiàn)出復(fù)雜的變異。景觀變化碳排放背后的潛在驅(qū)動因素必須在特定時空框架下加以辨析，不存在可同時適用于分析不同尺度的土地利用驅(qū)動因子［23］。

在短時間尺度上，受制度、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素決定的人類活動是最主要的驅(qū)動因素;在較長時間尺度上，自然生物因素起著主要作用。另外，驅(qū)動力系統(tǒng)內(nèi)諸多因素之間存在相互“驅(qū)動”關(guān)系。

4 研究不足與展望

國內(nèi)外對于歷史時期景觀變化的碳排放研究較多，對于未來景觀變化潛在碳排放的預(yù)測研究較少［24］。需要進(jìn)一步建立和完善城鎮(zhèn)密集區(qū)域尺度景觀變化的溫室氣體清單編制方法。我國區(qū)域尺度上的景觀變化的溫室氣體清單研究較少，IPCC溫室氣體清單編制方法有其局限性。探討城鎮(zhèn)密集區(qū)景觀變化碳排放特征和驅(qū)動機(jī)制，是明晰低碳景觀變化的調(diào)控機(jī)制的前提和基礎(chǔ)。

［1］STUIVER M.Atmospheric carbon dioxide and carbon reservoir change［J］.Science，1978，199(4326):253 －258.

［2］IPCC.Climate change 2000:land use，land use change，and forestry，A special report of the IPCC［R］.Cambridge:Cambridge University Press，2000.

［3］EGGLESTON H S，BUENDIA L，MIWA K，et al.2006 IPCC guideline s for national greenhouse gas inventories［M］.Prepared by the National Greenhouse Gas Inventories Programme，IGES，Japan，2006.

［4］魏霖霖.城市典型綠色覆被溫室氣體排放清單構(gòu)建與空間映射［D］.天津:天津大學(xué)，2012.

［5］沈文清，馬欽彥，劉允芬.森林生態(tài)系統(tǒng)碳收支狀況研究進(jìn)展［J］.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006(2):312－317.

［6］IPCC.A Special Report of IPCC Working Group Ⅲ:Summary for Policymakers，Emission Scenarios［R］.Cambridge:Cambridge University Press，2001.

［7］鐘華平，樊江文，于貴瑞，等.草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究進(jìn)展［C］//中國草學(xué)會.中國草學(xué)會草地資源與管理第四次學(xué)術(shù)交流會論文集.北京:中國草學(xué)會，2003:7.

［8］高述超.長沙城市森生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)與碳平衡研究［D］.長沙:中南林業(yè)科技大學(xué)，2010.

［9］王紹強(qiáng)，許珺，周成虎.土地覆被變化對陸地碳循環(huán)的影響——以黃河三角洲河口地區(qū)為例［J］.遙感學(xué)報，2001(2):142 －148，162.

［10］劉國華，傅伯杰，方精云.中國森林碳動態(tài)及其對全球碳平衡的貢獻(xiàn)［J］.生態(tài)學(xué)報，2000，20(5):733 －740.

［11］GUO L B，GIFFORD R M.Soil carbon stocks and land use change:A meta analysis［J］.Global Change Biology，2002，8(4):345 －360.

［12］ANDERSON D W，COLEMAN D C.The dynamics of organic matter in grassland soils［J］.Journal of Soil and Water Conservation，1985，40:211－216.

［13］POLGLASE P J，PAUL K I，KHANNA P K，et al.Change in soil carbon following afforestation or reforestation:Review of experimental evidence and development of a conceptual framework［R］.National Carbon Accounting System Technical Report，NO.20.Canberra，2000.

［14］白雪爽，胡亞林，曾德慧，等.半干旱沙區(qū)退耕還林對碳儲量和分配格局的影響［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2008(10):1647 －1652.

［15］GEBHART D L，JOHNSON H B，MAYEUX H S，et al.The CRP Increases in soil organic carbon［J］.Journal of Soil and Water Convertion，1994，49(5):488－492.

［16］姜群鷗，鄧祥征，戰(zhàn)金艷，等.黃淮海平原耕地轉(zhuǎn)移對植被碳儲量的影響［J］.地理研究，2008(4):839 －846，975.

［17］郝慶菊.三江平原沼澤土地利用變化對溫室氣體排放影響的研究［D］.北京:中國科學(xué)院研究生院，2005.

［18］趙留峰.基于遙感的中原城市群碳源 /碳匯時空變化研究［D］.開封:河南大學(xué)，2013.

［19］張興榆，黃賢金，趙小風(fēng)，等.環(huán)太湖地區(qū)土地利用變化對植被碳儲量的影響［J］.自然資源學(xué)報，2009，24(8):1343 －1354.

［20］羅志軍，史想松，韓林婕，等.鄱陽湖區(qū)土地利用變化的碳排放效應(yīng)研究［J］.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013(5):1074－1081.

［21］史利江.基于遙感和GIS的上海土地利用變化與土壤碳庫研究［D］.上海:華東師范大學(xué)，2009.

［22］MA X Z，WANG Y F，WANG S P，et al.Impacts of grazing on soil carbon fractions in the grasslands of Xilin River Basin，Inner Mongolia［J］.Acta Phytoecologica Sinica，2005，29(4):569 －576.

［23］邵景安，李陽兵，魏朝富，等.區(qū)域土地利用變化驅(qū)動力研究前景展望［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2007(8):798 －809.

［24］SCHULP C J E，NABUURS G J，VERBURG P H.Future carbon sequestration in Europe － Effects of land use change［J］.Agriculture，Ecosystems ＆ Environment，2008，127:251 －264.