城鄉(xiāng)耦合系統(tǒng)人類主導的碳循環(huán)及生態(tài)服務.pdf

1、人類活動已強烈修飾（干擾）甚至主導陸地生態(tài)系統(tǒng)碳的生物地球化學循環(huán)，在滿足人類食物和居住等基本需求的同時，也產(chǎn)生嚴重的環(huán)境和健康問題。自工業(yè)革命以來，人類對原生態(tài)系統(tǒng)干擾使其發(fā)生結構破缺和功能分化，形成為人類需求服務的單一目標功能單元（如農(nóng)田、城市、污水處理廠等）。這些單元再通過耦合與自組織升級形成現(xiàn)實物理空間中以城市為核心的新系統(tǒng)——城鄉(xiāng)耦合系統(tǒng)(UrbanandRuralCouplingSystems，URCS)。盡管URCS的結構

2、與功能日益完備，其碳生物地球化學循環(huán)過程以及所提供的生態(tài)服務仍不清楚。為明確URCS中不同功能子系統(tǒng)的碳循環(huán)特征及生態(tài)服務，本研究嘗試構建URCS中人類主導的碳循環(huán)框架，闡明其中典型過程的碳平衡和生態(tài)服務變化，并探討其自然-社會-經(jīng)濟影響因素。
　　 本文將URCS分為生產(chǎn)、分解、人居和生命支持四個功能子系統(tǒng)，以其中典型人工系統(tǒng)為例打開URCS中人類主導下碳循環(huán)黑箱，基于質量平衡法構建生產(chǎn)-分解-人居-生命支持功能子系統(tǒng)之間的碳

3、循環(huán)框架。同時，通過溫室農(nóng)業(yè)、人工濕地和城市等案例來研究URCS中典型的人類活動影響碳平衡和生態(tài)服務的過程，并探究其中的自然-社會-經(jīng)濟影響因素。本文采取實驗測定和文獻數(shù)據(jù)收集相結合的整合分析法來編譯相關碳循環(huán)的數(shù)據(jù)集，并以質量平衡和生命周期法來量化相應過程的碳平衡及生態(tài)服務，再通過回歸和差異顯著性分析來闡明相關的影響因素。以下是主要結論:
　　 1)人類主導作用增加URCS各功能子系統(tǒng)之間的碳流路徑和碳庫種類，并增加碳積累。其

4、中，農(nóng)田子系統(tǒng)2009年光合碳輸入(623.1TgCyr-1)約有88％的光合碳輸入由于人類利用而進入工業(yè)、人居、畜牧水產(chǎn)等子系統(tǒng)，其碳輸出路徑多于分解和人居子系統(tǒng);分解子系統(tǒng)向生命支持子系統(tǒng)的碳輸出小于農(nóng)田和人居子系統(tǒng)，能處理約79％的人居子系統(tǒng)廢物碳輸出;人居子系統(tǒng)2009年碳積累分別相當于農(nóng)田和分解子系統(tǒng)的1.9和3.2倍，其中無機碳固持和農(nóng)田相當，揭示出入類的居住和生活需求傾向于在人居子系統(tǒng)中積累碳。2009年農(nóng)田和人居子系統(tǒng)的

5、生命周期碳平衡為凈碳源，分解子系統(tǒng)為凈碳匯。但分解子系統(tǒng)仍是一個凈溫室氣體的排放源（12.8-69.1TgCO2-eq），并不能緩解溫室效應。
　　 2)在URCS中，從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉變?yōu)樗芰蠝厥肄r(nóng)業(yè)的食物生產(chǎn)集約化過程在中國五個氣候區(qū)（寒溫帶區(qū)、中溫帶區(qū)、北亞熱帶區(qū)、南亞熱帶區(qū)和青藏高原區(qū)）中均可減少生命周期碳排放，平均為1.51tChm-2yr-1。若考慮N2O排放，生命周期溫室氣體減排平均約為5.42tCO2-eqhm-2yr

6、-1。這是主要是由于轉變?yōu)樗芰蠝厥液髢舫跫壣a(chǎn)力和土壤碳固持的增加抵消外部有機肥碳輸入和化石燃料碳排放的增加。該集約化過程還增強作為生產(chǎn)子系統(tǒng)目標功能——食物供給并伴隨著多重生態(tài)服務和負服務的增加。塑料溫室農(nóng)業(yè)供給服務的經(jīng)濟價值占全部服務經(jīng)濟總價值的84％。在中國五個氣候區(qū)中，從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉變?yōu)樗芰蠝厥肄r(nóng)業(yè)既增加生態(tài)服務（如蔬菜供給、碳固定、節(jié)水和減緩沙塵暴等）又增加負服務（如土壤鹽漬化和酸化、溫室氣體排放等），但其生態(tài)系統(tǒng)服務凈經(jīng)濟價值

7、均為正。
　　 3)人工濕地作為傳統(tǒng)人工分解系統(tǒng)替代的典型案例，增強URCS的污水處理能力，是污水處理廠的重要補充途徑之一。它在處理污水的同時可利用廢N生產(chǎn)生物能源。人工濕地的生命周期碳排放比污水處理廠減少14tCt-1N去除，生命周期溫室氣體排放減少575tCO2-eqt-1N去除。主要是由于其較低的建造和運行成本使得物質和能量消耗較少。無論作為污水處理還是能源生產(chǎn)系統(tǒng)，人工濕地污水處理（或提供清潔水）的經(jīng)濟價值占生態(tài)服務總經(jīng)

8、濟價值的97％。作為污水處理系統(tǒng)，人工濕地供給服務和調節(jié)服務經(jīng)濟價值分別是污水處理廠9.5和10.4倍，其負服務經(jīng)濟價值僅為污水處理廠的0.09％;作為能源生產(chǎn)系統(tǒng)，人工濕地生態(tài)服務總價值略高于微藻系統(tǒng)，是其他能源系統(tǒng)（如柳枝稷和大豆）的153-602倍。
　　 4)城市生態(tài)系統(tǒng)作為URCS的調控中心，包括城市綠地系統(tǒng)和人居系統(tǒng)。盡管城市是一個巨大的碳源，但城市化過程增加碳密度。中國16個城市建成區(qū)人居系統(tǒng)平均碳密度(177.8

9、tChm2)高于城市綠地系統(tǒng)（120.1tChm-2）和同區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)(109.8tChm-2)。若考慮城市生態(tài)系統(tǒng)作為URCS物理空間上的一個結構功能單元，中國16個城市生態(tài)系統(tǒng)平均碳密度可達297.9tChm-2，高于中國森林生態(tài)系統(tǒng)的平均碳密度(208.5tChm-2)和熱帶雨林（40-250tChm-2）的碳密度。這主要是由于綠地土壤碳密度的增高和人居系統(tǒng)碳庫種類的增加。城市綠地系統(tǒng)作為生命支持系統(tǒng)之一，為人居系統(tǒng)提供景觀美

10、學、氣候調節(jié)、空氣凈化等服務，改善城市的環(huán)境。其中文化服務（景觀美學）經(jīng)濟價值平均為總服務經(jīng)濟價值的84％。同時，中國16個城市建成區(qū)綠地系統(tǒng)在人類管理下仍可帶來生命周期凈碳減排達，其負服務相對較小。
　　 5)在URCS中生產(chǎn)、分解和城市生態(tài)系統(tǒng)碳平衡仍受到自然因素的直接或間接影響，并均為溫度。如傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉變?yōu)樗芰蠝厥疫^程中積溫增高可延長蔬菜生長季，提高系統(tǒng)的凈初級生產(chǎn)力進而增加土壤碳固持;溫度影響人工濕地的微生物過程從而改變

11、CH4和N2O的排放;綠地碳密度隨年均溫增高而顯著降低，可能由于高溫增加土壤碳呼吸，而城市人居碳密度則與城市年均溫呈顯著的二次關系并在年均溫居中的城市里最高，這可能是由于人們傾向于居住在溫度適中的地方。社會經(jīng)濟對碳平衡的影響因素卻比較多樣化。如塑料溫室農(nóng)業(yè)在寒冷地區(qū)轉變收益高于溫暖地區(qū)，從而農(nóng)戶更愿意輸入更多有機肥，從而增加凈初級生產(chǎn)力和土壤碳固持;人工濕地中通過采取合理的N利用技術，使用垂直流人工濕地以及選取蘆竹、蘆葦?shù)壬a(chǎn)力較高的物

12、種等易行手段可提高凈初級生產(chǎn)力;城市綠地碳密度與單位面積能耗呈顯著的二次關系并在單位面積能耗適中的城市里最低。城市人居系統(tǒng)碳密度同時隨著單位面積家庭數(shù)和能耗的增加而線性增高，與城市人均GDP呈顯著線性負相關。
　　 綜上，本研究揭示URCS中不同功能（生產(chǎn)、分解和人居）子系統(tǒng)的碳循環(huán)過程，補充碳的生物地球化學循環(huán)理論中人類主導影響下的碳循環(huán)部分。同時，通過食物生產(chǎn)集約化、傳統(tǒng)人工分解系統(tǒng)替代和城市化過程理解人類主導下碳平衡與生態(tài)