论文部分内容阅读
摘要
综述了城镇密集区典型景观变化类型所造成的碳排放/吸收特征，并从数量特征和空间特征两个方面结合典型案例进行比较分析，以期为合理调控城镇密集区的景观格局，以增强城镇密集区域的碳汇功能，以及碳减排政策的制定提供参考依据。
关键词城镇密集区；景观变化；土地利用变化；碳排放；碳源/汇
中图分类号X24；X321文献标识码A文章编号0517-6611（2015）24-144-02
全球气候变暖是当今人类面临的一个严峻挑战。土地利用变化对全球大气CO2含量增加起着重要的作用，其作用仅次于化石燃料的燃烧[1]。据估算，1850～1998年景观变化及其引起的碳排放是人类活动影响造成碳排放总量的1/3[2]。持续的城市增长等景观变化活动所引起的碳排放，对全球气候变化的影响日益凸显。在持续的城市化进程中，城市群已成为世界城市化发展的新特点。特别是城镇密集区是受人类活动影响最为强烈的区域，此类区域交通发达，城市增长和人类活动密集，受政策的影响敏感。科学合理的土地利用可以减缓气候变化。
1 城镇密集区景观类型碳库
城市发展驱动了剧烈的景观变化，景观变化的过程伴随着碳的排放。大多数研究均涉及《2006 年 IPCC 指南》中的6种景观类型：林地、农田、草地、湿地、聚居地和其他土地[3]，而IPCC（政府间气候变化专门委员会）忽略了城市绿地作用。在每种景观类型中，碳效应涉及5 种碳库：地上部生物量、地下部生物量、死木、枯枝落叶和土壤。
通常森林的碳储量高于农田和草地[4]。森林演替为成熟林的阶段起碳汇作用，成熟林可能转变为碳源。天然次生林的土壤是强汇，人工林的土壤是弱汇[5]。农田的植被和土壤碳储量取决于作物类型、管理做法，以及土壤和气候类型。长期大规模翻耕和秸秆燃烧造成土壤的碳排放。草地地下碳含量较高，主要集中在根部和土壤有机质。湿地碳储量约占全球陆地生态系统碳库的10%[6]，但有研究认为，湿地对CH4的释放量不足以抵消其对CO2的吸收量而发挥碳汇功能[7]。
由于生物物理环境的局限和人为干扰，在城镇占很大土地比例和快速城镇化地区的绿地植被和土壤碳库常不及天然林。城市土壤碳储量一般高出植被碳储量数倍[8]。城镇密集区景观变化对碳排放/吸收的影响机制归纳为表1。
2 城镇密集区景观变化碳排放格局与过程
表2为我国城镇密集区碳排放的典型案例，通过对典型案例的比较分析，明确了城镇密集区景观变化碳排放的以下特征。
2.1 城镇密集区景观变化碳排放的数量特征
通过对比研究发现，上述诸位学者的研究结果与表1中景观变化对碳排放影响趋势基本一致，只是在数量特征上因方法、模型、研究区域的选取不同而有差异。
耕地和建设用地是城镇密集区主要的碳源，其中，建设用地的碳排放能力最强。在快速城镇化的鄱阳湖区（2000～2010年），每增加1 hm2耕地，仅增加碳排放量约0.497 t，每增加1 hm2建设用地会增加碳排放量约160.42 t，是耕地的320倍[20]。
城镇密集区的耕地大量地转化为建设用地，造成了显著的碳排放。中原城市群（2000～2010年）城市边缘的耕地大量转变为建设用地，建设用地比例由17.6%增加到22%，建设用地碳排放几乎增加了2倍[18]。
未利用地和水域转化为耕地导致碳排放。上海（1994～2006年）水域、未利用地向农田转化，导致22.48×104 t土壤有机碳释放[16]。与此相反，黄淮海平原（1988～2000年）未利用地、草地和水域向耕地转移，使植被碳储量增加了0.43×103 t。
林地的碳汇作用最大，但通常不足以抵消建设用地增加
4土壤有机碳SOC
的碳排放量。农田和城市绿地的土壤有机碳汇对城镇密集区的碳汇贡献显著。鄱阳湖地区（2000～2010年）每增加1 hm2林地，碳吸收量增加约0.581 t，却仅为1 hm2建设用地增加碳排放量的0.36%[20]。环太湖地区（1980～1990年）耕地转移为林地使得碳储量增加了113 261.43 Mg。
2.2 城镇密集区景观变化碳排放的空间特征
城市群或城镇密集区景观变化的剧烈程度存在明显的区域差异。核心城市的碳排放强度一般高于其他城市。这种现象与各分区的地理状况、经济状况以及政策等因素密切相关。如上海市土地利用变化的碳排放量表现为由市区中心-近郊-远郊递减的趋势[22]。黄淮海平原耕地转移导致植被碳储量减少为：黄海平原>京津唐平原>太行山麓平原>胶西黄泛平原。鄱阳湖区各县（市区）年均碳排放强度分为显著的3个等级[20]。
建设用地的变化与各个地市的经济发展水平密切相关，同时也受资源和政策的影响。例如在中原城市群，焦作市景观变化碳排放不显著，是由于焦作市在区域内的功能定位由一个资源型城市向旅游城市转型。
我国各城镇密集区的碳排放强度与其剧烈的景观变化有很强的关联特征。长三角城市群、珠三角城市群、京津唐城市群和辽中南城市群四大城市群以及一些新兴城市群的高强度碳排放与其占国土面积的比例不协调。
3 城镇密集区景观变化碳排放的驱动力
探讨景观变化过程中造成的碳排放驱动力，本质上在于追究景观变化的驱动力。对于城镇密集区景观变化碳排放的驱动机制探讨，社会经济类的驱动因素是研究的热点。
驱动因子在驱动力系统中的状态与功能因研究尺度的不同而表现出复杂的变异。景观变化碳排放背后的潜在驱动因素必须在特定时空框架下加以辨析，不存在可同时适用于分析不同尺度的土地利用驱动因子[23]。
在短时间尺度上，受制度、技术和经济因素决定的人类活动是最主要的驱动因素；在较长时间尺度上，自然生物因素起着主要作用。另外，驱动力系统内诸多因素之间存在相互“驱动”关系。 4 研究不足与展望
国内外对于历史时期景观变化的碳排放研究较多，对于未来景观变化潜在碳排放的预测研究较少[24]。需要进一步建立和完善城镇密集区域尺度景观变化的温室气体清单编制方法。我国区域尺度上的景观变化的温室气体清单研究较少，IPCC温室气体清单编制方法有其局限性。探讨城镇密集区景观变化碳排放特征和驱动机制，是明晰低碳景观变化的调控机制的前提和基础。
参考文献
[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.城市典型绿色覆被温室气体排放清单构建与空间映射[D].天津：天津大学，2012.
[5] 沈文清，马钦彦，刘允芬.森林生态系统碳收支状况研究进展[J].江西农业大学学报，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] 钟华平，樊江文，于贵瑞，等.草地生态系统碳循环研究进展[C]//中国草学会.中国草学会草地资源与管理第四次学术交流会论文集.北京：中国草学会，2003：7.
[8] 高述超.长沙城市森生态系统养分循环与碳平衡研究[D].长沙：中南林业科技大学，2010.
[9] 王绍强，许珺，周成虎.土地覆被变化对陆地碳循环的影响——以黄河三角洲河口地区为例[J].遥感学报，2001（2）：142-148，162.
[10] 刘国华，傅伯杰，方精云.中国森林碳动态及其对全球碳平衡的贡献[J].生态学报，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，胡亚林，曾德慧，等.半干旱沙区退耕还林对碳储量和分配格局的影响[J].生态学杂志，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] 姜群鸥，邓祥征，战金艳，等.黄淮海平原耕地转移对植被碳储量的影响[J].地理研究，2008（4）：839-846，975.
[17] 郝庆菊.三江平原沼泽土地利用变化对温室气体排放影响的研究[D].北京：中国科学院研究生院，2005.
[18] 赵留峰.基于遥感的中原城市群碳源 /碳汇时空变化研究[D].开封：河南大学，2013.
[19] 张兴榆，黄贤金，赵小风，等.环太湖地区土地利用变化对植被碳储量的影响[J].自然资源学报，2009，24（8）：1343-1354.
[20] 罗志军，史想松，韩林婕，等.鄱阳湖区土地利用变化的碳排放效应研究[J].江西农业大学学报，2013（5）：1074-1081.
[21] 史利江.基于遥感和GIS的上海土地利用变化与土壤碳库研究[D].上海：华东师范大学，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，李阳兵，魏朝富，等.区域土地利用变化驱动力研究前景展望[J].地球科学进展，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.
综述了城镇密集区典型景观变化类型所造成的碳排放/吸收特征，并从数量特征和空间特征两个方面结合典型案例进行比较分析，以期为合理调控城镇密集区的景观格局，以增强城镇密集区域的碳汇功能，以及碳减排政策的制定提供参考依据。
关键词城镇密集区；景观变化；土地利用变化；碳排放；碳源/汇
中图分类号X24；X321文献标识码A文章编号0517-6611（2015）24-144-02
全球气候变暖是当今人类面临的一个严峻挑战。土地利用变化对全球大气CO2含量增加起着重要的作用，其作用仅次于化石燃料的燃烧[1]。据估算，1850～1998年景观变化及其引起的碳排放是人类活动影响造成碳排放总量的1/3[2]。持续的城市增长等景观变化活动所引起的碳排放，对全球气候变化的影响日益凸显。在持续的城市化进程中，城市群已成为世界城市化发展的新特点。特别是城镇密集区是受人类活动影响最为强烈的区域，此类区域交通发达，城市增长和人类活动密集，受政策的影响敏感。科学合理的土地利用可以减缓气候变化。
1 城镇密集区景观类型碳库
城市发展驱动了剧烈的景观变化，景观变化的过程伴随着碳的排放。大多数研究均涉及《2006 年 IPCC 指南》中的6种景观类型：林地、农田、草地、湿地、聚居地和其他土地[3]，而IPCC（政府间气候变化专门委员会）忽略了城市绿地作用。在每种景观类型中，碳效应涉及5 种碳库：地上部生物量、地下部生物量、死木、枯枝落叶和土壤。
通常森林的碳储量高于农田和草地[4]。森林演替为成熟林的阶段起碳汇作用，成熟林可能转变为碳源。天然次生林的土壤是强汇，人工林的土壤是弱汇[5]。农田的植被和土壤碳储量取决于作物类型、管理做法，以及土壤和气候类型。长期大规模翻耕和秸秆燃烧造成土壤的碳排放。草地地下碳含量较高，主要集中在根部和土壤有机质。湿地碳储量约占全球陆地生态系统碳库的10%[6]，但有研究认为，湿地对CH4的释放量不足以抵消其对CO2的吸收量而发挥碳汇功能[7]。
由于生物物理环境的局限和人为干扰，在城镇占很大土地比例和快速城镇化地区的绿地植被和土壤碳库常不及天然林。城市土壤碳储量一般高出植被碳储量数倍[8]。城镇密集区景观变化对碳排放/吸收的影响机制归纳为表1。
2 城镇密集区景观变化碳排放格局与过程
表2为我国城镇密集区碳排放的典型案例，通过对典型案例的比较分析，明确了城镇密集区景观变化碳排放的以下特征。
2.1 城镇密集区景观变化碳排放的数量特征
通过对比研究发现，上述诸位学者的研究结果与表1中景观变化对碳排放影响趋势基本一致，只是在数量特征上因方法、模型、研究区域的选取不同而有差异。
耕地和建设用地是城镇密集区主要的碳源，其中，建设用地的碳排放能力最强。在快速城镇化的鄱阳湖区（2000～2010年），每增加1 hm2耕地，仅增加碳排放量约0.497 t，每增加1 hm2建设用地会增加碳排放量约160.42 t，是耕地的320倍[20]。
城镇密集区的耕地大量地转化为建设用地，造成了显著的碳排放。中原城市群（2000～2010年）城市边缘的耕地大量转变为建设用地，建设用地比例由17.6%增加到22%，建设用地碳排放几乎增加了2倍[18]。
未利用地和水域转化为耕地导致碳排放。上海（1994～2006年）水域、未利用地向农田转化，导致22.48×104 t土壤有机碳释放[16]。与此相反，黄淮海平原（1988～2000年）未利用地、草地和水域向耕地转移，使植被碳储量增加了0.43×103 t。
林地的碳汇作用最大，但通常不足以抵消建设用地增加
4土壤有机碳SOC
的碳排放量。农田和城市绿地的土壤有机碳汇对城镇密集区的碳汇贡献显著。鄱阳湖地区（2000～2010年）每增加1 hm2林地，碳吸收量增加约0.581 t，却仅为1 hm2建设用地增加碳排放量的0.36%[20]。环太湖地区（1980～1990年）耕地转移为林地使得碳储量增加了113 261.43 Mg。
2.2 城镇密集区景观变化碳排放的空间特征
城市群或城镇密集区景观变化的剧烈程度存在明显的区域差异。核心城市的碳排放强度一般高于其他城市。这种现象与各分区的地理状况、经济状况以及政策等因素密切相关。如上海市土地利用变化的碳排放量表现为由市区中心-近郊-远郊递减的趋势[22]。黄淮海平原耕地转移导致植被碳储量减少为：黄海平原>京津唐平原>太行山麓平原>胶西黄泛平原。鄱阳湖区各县（市区）年均碳排放强度分为显著的3个等级[20]。
建设用地的变化与各个地市的经济发展水平密切相关，同时也受资源和政策的影响。例如在中原城市群，焦作市景观变化碳排放不显著，是由于焦作市在区域内的功能定位由一个资源型城市向旅游城市转型。
我国各城镇密集区的碳排放强度与其剧烈的景观变化有很强的关联特征。长三角城市群、珠三角城市群、京津唐城市群和辽中南城市群四大城市群以及一些新兴城市群的高强度碳排放与其占国土面积的比例不协调。
3 城镇密集区景观变化碳排放的驱动力
探讨景观变化过程中造成的碳排放驱动力，本质上在于追究景观变化的驱动力。对于城镇密集区景观变化碳排放的驱动机制探讨，社会经济类的驱动因素是研究的热点。
驱动因子在驱动力系统中的状态与功能因研究尺度的不同而表现出复杂的变异。景观变化碳排放背后的潜在驱动因素必须在特定时空框架下加以辨析，不存在可同时适用于分析不同尺度的土地利用驱动因子[23]。
在短时间尺度上，受制度、技术和经济因素决定的人类活动是最主要的驱动因素；在较长时间尺度上，自然生物因素起着主要作用。另外，驱动力系统内诸多因素之间存在相互“驱动”关系。 4 研究不足与展望
国内外对于历史时期景观变化的碳排放研究较多，对于未来景观变化潜在碳排放的预测研究较少[24]。需要进一步建立和完善城镇密集区域尺度景观变化的温室气体清单编制方法。我国区域尺度上的景观变化的温室气体清单研究较少，IPCC温室气体清单编制方法有其局限性。探讨城镇密集区景观变化碳排放特征和驱动机制，是明晰低碳景观变化的调控机制的前提和基础。
参考文献
[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.城市典型绿色覆被温室气体排放清单构建与空间映射[D].天津：天津大学，2012.
[5] 沈文清，马钦彦，刘允芬.森林生态系统碳收支状况研究进展[J].江西农业大学学报，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] 钟华平，樊江文，于贵瑞，等.草地生态系统碳循环研究进展[C]//中国草学会.中国草学会草地资源与管理第四次学术交流会论文集.北京：中国草学会，2003：7.
[8] 高述超.长沙城市森生态系统养分循环与碳平衡研究[D].长沙：中南林业科技大学，2010.
[9] 王绍强，许珺，周成虎.土地覆被变化对陆地碳循环的影响——以黄河三角洲河口地区为例[J].遥感学报，2001（2）：142-148，162.
[10] 刘国华，傅伯杰，方精云.中国森林碳动态及其对全球碳平衡的贡献[J].生态学报，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，胡亚林，曾德慧，等.半干旱沙区退耕还林对碳储量和分配格局的影响[J].生态学杂志，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] 姜群鸥，邓祥征，战金艳，等.黄淮海平原耕地转移对植被碳储量的影响[J].地理研究，2008（4）：839-846，975.
[17] 郝庆菊.三江平原沼泽土地利用变化对温室气体排放影响的研究[D].北京：中国科学院研究生院，2005.
[18] 赵留峰.基于遥感的中原城市群碳源 /碳汇时空变化研究[D].开封：河南大学，2013.
[19] 张兴榆，黄贤金，赵小风，等.环太湖地区土地利用变化对植被碳储量的影响[J].自然资源学报，2009，24（8）：1343-1354.
[20] 罗志军，史想松，韩林婕，等.鄱阳湖区土地利用变化的碳排放效应研究[J].江西农业大学学报，2013（5）：1074-1081.
[21] 史利江.基于遥感和GIS的上海土地利用变化与土壤碳库研究[D].上海：华东师范大学，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，李阳兵，魏朝富，等.区域土地利用变化驱动力研究前景展望[J].地球科学进展，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.