城市系統(tǒng)碳循環(huán):特征、機(jī)理與理論框架

趙榮欽，黃賢金

(1．華北水利水電學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450011;2．南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京 210093)

城市系統(tǒng)是地表受人類活動影響最深刻的區(qū)域，不僅土地利用/覆被變化強(qiáng)烈，也是能源消費和化石燃料燃燒的集中地［1］。隨著城市化進(jìn)程的加快、城市碳循環(huán)過程對全球和區(qū)域氣候變化的影響日益增強(qiáng)。但一段時期以來，城市在全球碳循環(huán)中的作用并未受到充分的重視，大多學(xué)者側(cè)重于對森林、農(nóng)田、草地、土壤等自然碳循環(huán)過程的研究，而較少涉及城市碳循環(huán)領(lǐng)域［2］。正是在這種背景下，開展城市系統(tǒng)層面碳循環(huán)機(jī)理和模擬研究顯得十分迫切和重要。從理論層面上來說，開展城市系統(tǒng)碳循環(huán)的定量研究，可以彌補(bǔ)過去研究僅關(guān)注自然碳循環(huán)的不足，為研究人為因素對碳循環(huán)的影響提供了新的思路，一方面有助于建立城市碳排放的清單核算標(biāo)準(zhǔn)，另一方面便于深入了解城市碳循環(huán)在區(qū)域碳過程中的地位和作用，為低碳城市策略的制定提供重要的理論基礎(chǔ)和前提。從實踐的角度來看，中國當(dāng)前大規(guī)模城市化進(jìn)程及其不同發(fā)展模式和階段，為開展城市系統(tǒng)碳循環(huán)研究提供了較為廣闊的空間和案例，并便于開展不同類型城市碳循環(huán)過程的對比研究。因此，構(gòu)建城市系統(tǒng)碳循環(huán)研究的理論和方法不僅有助于指導(dǎo)城市碳收支核算和低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展策略的制定，并且為氣候變化背景下世界廣大發(fā)展中國家的城市發(fā)展模式的思考和再評估提供新的理論和方法。

基于以上研究背景，本文從城市系統(tǒng)“自然-社會”二元碳循環(huán)概念入手，探討了城市碳循環(huán)的一般特征，從城市碳儲量和碳通量的角度，分析了城市系統(tǒng)碳循環(huán)的內(nèi)部機(jī)理，并提出了城市系統(tǒng)碳循環(huán)研究的思路和理論框架。

1 城市系統(tǒng)碳循環(huán):“自然-社會”二元碳循環(huán)

作為“自然-經(jīng)濟(jì)-社會”復(fù)合系統(tǒng)，城市系統(tǒng)碳循環(huán)過程與自然生態(tài)系統(tǒng)明顯不同，由于受人為活動的影響，城市系統(tǒng)具有明顯的“自然-社會(經(jīng)濟(jì))”二元碳循環(huán)特征(圖1，其中“社會”碳循環(huán)部分實際上也包括了經(jīng)濟(jì)活動的碳過程)，且具有較大的復(fù)雜性、不確定性和空間異質(zhì)性。因此，需要從整體上來研究城市系統(tǒng)的自然和社會經(jīng)濟(jì)過程及其相互作用［3-4］，了解城市系統(tǒng)內(nèi)部自然和社會過程碳循環(huán)的主要環(huán)節(jié)、方向和規(guī)模以及兩者之間的耦合關(guān)系?？傮w而言，城市系統(tǒng)碳循環(huán)是一個包括自然和人工過程、水平和垂直過程、地表和地下過程、經(jīng)濟(jì)和社會過程在內(nèi)的復(fù)雜系統(tǒng)，其主要特征如下［1-2］:

(1)城市系統(tǒng)碳循環(huán)過程是“自然-社會”二元碳循環(huán)，能源、原料和各種含碳產(chǎn)品的流通和消費帶來的碳排放構(gòu)成了城市系統(tǒng)碳循環(huán)的主體;(2)城市系統(tǒng)與外界有著巨大的碳交換，其空間范圍主要取決于城市碳代謝通量的大小和交通運輸方式;(3)城市系統(tǒng)碳循環(huán)包括水平和垂直碳通量兩部分，水平碳通量以能源、含碳產(chǎn)品、廢棄物和地下管網(wǎng)的溶解碳的輸送為主，垂直碳通量既有人為過程(化石燃料燃燒等)，也有自然過程(植物和土壤等的呼吸作用);(4)城市系統(tǒng)碳循環(huán)具有較大的空間異質(zhì)性，城市碳通量的強(qiáng)度、范圍和速率取決于城市發(fā)展模式、城市功能、產(chǎn)業(yè)類型、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)及其使用效率等;(5)移動源(交通)碳排放是城市系統(tǒng)人為碳排放的重要部分，主要表現(xiàn)為各種人流和物流等交通工具的碳排放;(6)部分碳過程存在于城市蔓延區(qū)與足跡區(qū)之間，且單向流動。如能源、食物、纖維、木材或其他含碳產(chǎn)品由足跡區(qū)輸入蔓延區(qū)，而部分工業(yè)產(chǎn)品和垃圾則由城市蔓延區(qū)輸出到足跡區(qū);(7)城市系統(tǒng)具有一定的人為碳庫，如植被、土壤、建筑物、家具和圖書等的碳存儲;(8)城市是一個動態(tài)擴(kuò)展的系統(tǒng)，隨著城市擴(kuò)展及經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市系統(tǒng)碳循環(huán)的規(guī)模、強(qiáng)度和空間范圍也將隨之改變。

圖1 “自然-社會”二元碳循環(huán)過程Fig．1 Natural-social dualistic carbon cycle process

2 城市系統(tǒng)碳循環(huán)的機(jī)理分析

要探討城市系統(tǒng)碳循環(huán)的機(jī)理和運行規(guī)律，首要的問題是了解城市系統(tǒng)碳儲存和碳流通的主要途徑和方式，區(qū)分城市系統(tǒng)碳儲量和碳通量的自然和人為過程，并深入分析城市系統(tǒng)主要碳儲存和碳流通過程的生命周期和類型，以便從整體上構(gòu)建城市系統(tǒng)碳循環(huán)的機(jī)理模型。

2．1 城市系統(tǒng)碳儲量

城市系統(tǒng)具有較強(qiáng)的碳蓄積能力，其主要碳庫包括:(1)城市土壤碳庫。是城市最大的有機(jī)碳庫，總體而言，城市土壤碳庫比較穩(wěn)定，受人類影響不大;(2)城市植被碳庫。主要包括城市森林、草地，以及城市建成區(qū)內(nèi)部的公園、林木、行道樹、草地等植被碳庫。郊區(qū)以自然植被和農(nóng)業(yè)植被為主，而市區(qū)以綠化植被為主;(3)建筑物碳庫。建筑物碳庫分有機(jī)碳和無機(jī)碳兩種，有機(jī)碳主要是指存在于建筑物結(jié)構(gòu)中的木質(zhì)構(gòu)件，無機(jī)碳是指碳酸鹽石材及水泥等(主要成分為碳酸鈣)，即無機(jī)形態(tài)的碳;(4)家具和圖書碳庫。家具和圖書(含報紙等)以木材和農(nóng)作物秸稈為主要原料，經(jīng)過工業(yè)加工之后，通過市場流通進(jìn)入居民家庭或公共建筑，成為穩(wěn)定的城市碳庫;(5)人體和動物碳庫。是指人體和動物體內(nèi)的有機(jī)碳，其實質(zhì)是來源于食物消費積累的有機(jī)碳，該碳庫總量不大，但十分穩(wěn)定;(6)城市水域碳庫。一方面，城市水體自身會溶解一部分碳，另外，水體藻類和水生動物體內(nèi)含有一定的有機(jī)碳，同時，水域底泥中也沉積了大量有機(jī)或無機(jī)碳;(7)城市垃圾碳庫。城市垃圾作為人類工業(yè)和生活的廢棄物，含有大量的有機(jī)和無機(jī)碳，其中一部分經(jīng)過燃燒和分解之后重歸到大氣中，另一部分堆積在城區(qū)周圍成為較為穩(wěn)定的碳庫。

總體而言，城市碳庫可分為自然碳庫和人為碳庫。其中，人體、動物、建筑物、圖書、家具、綠化植被和城市垃圾碳庫屬于人為碳庫，其余屬于自然碳庫。

2．2 城市系統(tǒng)碳輸入通量

城市系統(tǒng)碳通量是指在一定時間內(nèi)(比如1年)城市系統(tǒng)的碳輸入和輸出量。碳通量包括碳輸入通量和輸出通量，兩者又可以再分為水平通量和垂直通量。圖2代表了城市系統(tǒng)(社區(qū)層面)的碳通量框架［5］，可以看出，水平碳通量和垂直碳通量方向和載體不同，前者主要以碳水化合物形式進(jìn)行流通的，后者則是以氣態(tài)形式(CO2和CH4)進(jìn)行流通的。

城市系統(tǒng)碳輸入通量主要包括:(1)煤、石油和天然氣等化石能源。這是目前城市的主要能量來源，也是最主要的城市輸入碳通量;(2)工業(yè)及建筑木材。主要是指用于建筑過程及建筑構(gòu)件的木材消耗和工業(yè)木質(zhì)產(chǎn)品的生產(chǎn);(3)建筑材料無機(jī)碳。如碳酸鹽類巖石、水泥等建筑材料的輸入，這部分碳一旦進(jìn)入城市系統(tǒng)，大部分轉(zhuǎn)化為建筑物碳庫的一部分;(4)食物碳。包括各種食物及食物原料的輸入，這部分碳較為活躍、循環(huán)速度快，通過消費會很快釋放到大氣中;(5)其他含碳產(chǎn)品的輸入。如家具、圖書、報紙、纖維、橡膠、衣物等含碳產(chǎn)品;(6)有機(jī)肥投入。主要包括用于城郊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市綠地維護(hù)的人工肥料的投入，如綠肥或其他含碳肥料等，這部分碳施用后，一部分分解變?yōu)镃O2，另一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥捞紟斓囊徊糠?(7)植物光合作用。城市中的林木、農(nóng)田、草地、綠化植被等生育期內(nèi)會吸收一定的碳;(8)水域碳吸收。主要包括水體光合作用、水體底泥有機(jī)物的沉積、降水的碳沉降等;(9)河流(或地下輸水管網(wǎng))的碳輸入。該部分碳可以通過地表水的輸送將溶解有機(jī)碳輸入到城市系統(tǒng)內(nèi)部，也可以通過地下輸水管網(wǎng)系統(tǒng)輸入到城市水廠及居民家庭，構(gòu)成城市水平碳輸入的重要方式。

可以看出，城市碳輸入包括垂直碳輸入和水平碳輸入兩種，垂直碳輸入包括植被光合作用的碳吸收、水體的碳沉降(碳固定)，其他過程均屬于水平碳輸入。

圖2 城市碳通量的概念框架［5］Fig．2 Conceptual framework of urban carbon flux

2．3 城市系統(tǒng)碳輸出通量

城市系統(tǒng)碳輸出通量主要是指各種途徑的碳排放，同時也包括以工業(yè)產(chǎn)品、能源制成品和廢棄物等為載體的碳輸出?？偨Y(jié)起來，主要有:(1)植物與土壤呼吸作用。這是自然過程的碳輸出途徑，碳輸出強(qiáng)度主要取決于植被生產(chǎn)力的大小和土壤類型，同時也在在一定程度上受人類活動干擾的影響;(2)人類(動物)呼吸作用。這部分碳來自于食物碳消費，最終以CO2的形式排放到大氣中;(3)化石燃料燃燒。作為化石燃料的集中地，城市工業(yè)、交通和生活消費中化石燃料燃燒帶來的碳排放是城市最主要的垂直碳輸出通量類型;(4)工業(yè)生產(chǎn)過程。如水泥、石灰、玻璃、鋼鐵等的生產(chǎn)過程會釋放大量的碳;(5)農(nóng)業(yè)過程碳釋放。主要包括稻田甲烷釋放、畜牧業(yè)反芻動物的甲烷釋放、農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能源消費和秸稈焚燒帶來的碳釋放等;(6)廢棄物碳釋放。包括糞便、生活垃圾、工業(yè)廢棄物和廢水等，其中一部分分解釋放出CO2或CH4，另一部分作為城市代謝的廢物輸出到系統(tǒng)之外;(7)含碳產(chǎn)品的輸出。主要包括食物、家具、工業(yè)產(chǎn)品、能源制成品等一系列含碳產(chǎn)品的輸出;(8)水域碳釋放。主要是指水域(河流、湖泊)的揮發(fā)帶來的碳輸出;(9)植物凋落物碳輸出。城市里大部分植被凋落物(如行道樹的落葉)并沒有增加土壤的碳含量，一部分就地燃燒，另外一部分以城市垃圾的形式輸出到系統(tǒng)之外;(10)城市地下管網(wǎng)的碳輸出。城市系統(tǒng)區(qū)別于自然生態(tài)系統(tǒng)的最大特點之一，是人工修筑了路網(wǎng)和地下水網(wǎng)，這促進(jìn)了水平碳輸出，在城市碳循環(huán)中占有重要地位。城市地下水網(wǎng)的存在使得城市系統(tǒng)地表物質(zhì)被人為地引入地下，促使了地下水平碳交換，使大量的含碳物質(zhì)(如可溶性有機(jī)碳等)隨排水管網(wǎng)進(jìn)行輸送，這構(gòu)成了城市水平碳通量的重要組成部分。

可以看出，城市系統(tǒng)碳輸出通量也可以分為垂直和水平碳輸出通量兩種。垂直碳輸出通量又可以分為兩種:自然垂直碳輸出(包括植被呼吸、土壤呼吸、人類和動物呼吸作用及水域碳揮發(fā)等)和人為垂直碳輸出(包括化石燃料燃燒、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)活動等的碳釋放);水平碳輸出以有機(jī)碳的流通為主，主要是指能源制品、含碳產(chǎn)品和廢棄物的輸出、地下排水管網(wǎng)的碳輸出和運移等。

2．4 城市系統(tǒng)碳循環(huán)過程的生命周期分析

城市系統(tǒng)碳循環(huán)過程的不同環(huán)節(jié)具有不同的生命周期，主要歸因于各種形式的碳在城市系統(tǒng)中流通、存儲的時間和過程不同，這對于城市碳循環(huán)過程及其效率會產(chǎn)生不同的影響。

2．4．1 城市系統(tǒng)碳儲量和碳通量的生命周期分析

各種碳儲存方式的周期不同。儲存周期最長的是水體的碳儲存，比如藻類和水生生物死亡之后沉積進(jìn)入底泥，會轉(zhuǎn)變?yōu)榉浅７€(wěn)定的碳庫，只有經(jīng)過漫長的地質(zhì)時間或地殼變動才會被重新釋放出來;土壤碳庫一般也相對穩(wěn)定，土壤呼吸作用會釋放一部分碳，但地表的枯枝落葉也會不斷補(bǔ)充土壤碳庫，使其總體上保持在一定水平;相對而言，城市植被的碳儲存周期一般為幾十年，這跟林木的砍伐更新周期有關(guān);建筑物木材的存儲周期跟建筑物的使用壽命有關(guān)，一般也是幾十年時間，甚至更短;家具和圖書的碳儲存周期則相對更短，主要取決于家具和圖書的使用年限。人體碳庫比較穩(wěn)定，具有較長的存儲時間，但動物體碳庫存儲時間較短，一般為幾個月到幾年不等，便會被消費重新釋放出去?？傮w來說，城市人為碳庫如建筑木材、圖書和家具等在一定程度影響了城市尺度的碳循環(huán)過程(圖3)。

各種途徑碳通量的生命周期也不同，大體上可分為幾類:(1)食物消費型。主要是指各種食物及食物原料，輸入城市后很快被消費而重新釋放出去，由于食物一般具有保鮮期，一般很難長時間存儲，周轉(zhuǎn)過程最快。(2)碳儲存型。比如自然過程的垂直碳輸入，如植被光合作用和水域碳吸收，這部分碳輸入系統(tǒng)之后，便轉(zhuǎn)化為自然碳庫而固定下來;(3)工業(yè)生產(chǎn)型。主要是指用于工業(yè)生產(chǎn)的各種原料和能源，這部分碳存儲時間較短，一般不超過1年，一部分直接用于生產(chǎn)、交通和生活能源消費，另一部分加工成能源產(chǎn)品輸出到系統(tǒng)之外;(4)建筑材料型。主要指水泥、建筑木材等，輸入城市之后，轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖ锾紟斓囊徊糠帧?5)廢棄物排放型。主要是以工業(yè)和生活垃圾、廢水等形式以燃燒、交通工具輸送或地下管網(wǎng)輸送等方式輸出到系統(tǒng)之外。綜合以上分析，對城市碳管理而言，應(yīng)結(jié)合各種碳通量的生命周期和周轉(zhuǎn)速率來考慮，重點監(jiān)測與控制碳存儲時間較短、周轉(zhuǎn)快的碳通量過程，比如工業(yè)生產(chǎn)型和食物消費型的碳排放等，以提高城市碳循環(huán)效率。同時盡可能促進(jìn)自然及人為城市碳儲存，在一定程度上增強(qiáng)城市應(yīng)對全球變化的能力。

圖3 城市系統(tǒng)碳儲量和碳通量的生命周期分析Fig．3 life cycle analysis of carbon pool and carbon flux of urban system

2．4．2 城市系統(tǒng)碳流通和碳代謝過程的生命周期分析

對城市系統(tǒng)而言，自然碳循環(huán)過程主要是指植被、土壤和水體的吸收和釋放，這里不再贅述。而人為碳流通過程實質(zhì)上是主要含碳產(chǎn)品從“原料—產(chǎn)品—廢物”的代謝過程，主要包括能源、食物和木材等三類含碳產(chǎn)品(無機(jī)碳除外)，這幾類含碳產(chǎn)品的流通和代謝過程和周期明顯不同。(1)能源類含碳產(chǎn)品。該類產(chǎn)品主要以化石能源、生物能源的形式輸入到城市系統(tǒng)內(nèi)部(也有部分來自于城市系統(tǒng)內(nèi)部的開采或收獲)，大部分通過工業(yè)生產(chǎn)、生活消費和交通消費轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2釋放到大氣中，也有一部分經(jīng)過工業(yè)生產(chǎn)加工為能源制品輸入到城市系統(tǒng)之外。(2)食物類含碳產(chǎn)品。這類產(chǎn)品以食物或食物原料的形式在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)和生活系統(tǒng)之間流通，也有一部分來自于城市外部系統(tǒng)的輸入，最終通過食物消費以CO2的形式釋放，或以廢棄物的形式燃燒分解、進(jìn)入地下管網(wǎng)或輸出到系統(tǒng)之外。(3)木材類含碳產(chǎn)品。木材類含碳產(chǎn)品來源于城市林木的砍伐以及外部木材產(chǎn)品的輸入，最終經(jīng)過工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)化為木制品(如家具等)，或成為木質(zhì)建筑材料，成為城市建筑物碳庫的重要部分，最后經(jīng)過建筑物的拆除和家具等的廢棄分解或被重新利用。以上三類含碳產(chǎn)品中，食物的代謝速率最快，其次是能源類產(chǎn)品，而木材類產(chǎn)品的流通周期最長。除此之外，城市中還有其他含碳產(chǎn)品，但總體碳含量較少。

通過以上分析，得出如下結(jié)論:對于主要含碳產(chǎn)品(如木材、能源、食物等)和碳消耗過程(如工業(yè)加工、產(chǎn)品運輸?shù)?，可以引入生命周期評價的方法開展全生命周期過程的碳排放分析。從各種產(chǎn)品的原材料開采、運輸、加工、銷售、存儲和消費及廢棄物處置等一系列過程開展碳排放的調(diào)查和分析，深入探討和分析城市主要含碳物質(zhì)產(chǎn)品“從搖籃到墳?zāi)埂钡母鱾€環(huán)節(jié)的碳儲存量、碳排放量和碳流通量，從而實現(xiàn)對含碳產(chǎn)品不同環(huán)節(jié)的碳排放和碳流通量的監(jiān)測和精確核算。

2．5 城市系統(tǒng)碳輸入/輸出的類型劃分

2．5．1 城市系統(tǒng)碳輸出的類型劃分

根據(jù)城市生產(chǎn)和消費的組合關(guān)系，可以將城市碳排放分為4種類型:直接碳排放，責(zé)任碳排放、間接碳排放和物流碳排放(圖 4)［6］。

直接碳排放是指在一個大都市區(qū)內(nèi)生產(chǎn)并且消費而產(chǎn)生的碳排放，如家庭，商業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)的大部分產(chǎn)品在本地生產(chǎn)同時在本地消費;責(zé)任碳排放是指在一個城市生產(chǎn)但在城市外消費帶來的碳排放，如能源制品和各種工業(yè)產(chǎn)品在城市生產(chǎn)但是輸出到城市之外消費;間接碳排放是指輸入到城市內(nèi)部的產(chǎn)品或商品的消費帶來的間接的碳排放，比如電力生產(chǎn)，發(fā)電過程燃煤碳排放在城市外部，而電力消費是在城市內(nèi)部，其他因城市消費引起的外部產(chǎn)品的輸入也屬于這種類型;物流碳排放是指不在都市內(nèi)生產(chǎn)和消費的貨物和服務(wù)，但是由通過城市帶來的碳排放。如過境的客貨運服務(wù)會帶來一定的碳排放，雖然在本地排放，但并不是本地消費引起的，只是過境交通引起的［7］。實質(zhì)上，確定城市碳排放源的簡單方法是想象有一個大的氣泡置于城市周圍，氣泡內(nèi)所有生產(chǎn)(工業(yè)產(chǎn)品和服務(wù))和消費(電力、燃料和食物等)帶來的碳排放都應(yīng)該考慮在內(nèi)［7］。

圖4 城市碳排放類型劃分［6］Fig．4 Carbon emission types of urban system

從以上分析來看，基于消費端來核算城市系統(tǒng)的碳排放最符合城市的實際情況，也可避免碳排放核算項目的重復(fù)或缺失。因此，城市碳排放測算主要應(yīng)該包括3部分:(1)城市內(nèi)部消費的直接碳排放。包括工業(yè)、交通和家庭能耗的碳排放等;(2)城市生產(chǎn)碳排放。主要包括工業(yè)生產(chǎn)過程中釋放的碳，這里包括了輸出到城市外部的產(chǎn)品生產(chǎn)所引起的碳排放;(3)間接碳排放。比如城市生產(chǎn)和生活電力消費帶來的間接碳排放。

2．5．2 城市系統(tǒng)碳輸入的類型劃分

城市系統(tǒng)碳輸入有兩種劃分方法:(1)根據(jù)是否受人類活動影響可分為自然碳輸入和人為碳輸入兩種類型。自然碳輸入主要是指植物光合作用的碳吸收和水體的碳沉降(碳固定);人為碳輸入是指各種形式的能源、產(chǎn)品、原料、食物和木材等輸入帶來的碳。作為一個人工生態(tài)系統(tǒng)，城市的人為碳輸入要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自然碳輸入［8］;(2)按照輸入碳的周轉(zhuǎn)性質(zhì)可分為消費性碳輸入和累積性碳輸入兩種類型［8］。對人為碳輸入來說，化石能源和食物都屬于消費性水平碳輸入，也即碳輸入系統(tǒng)之后通過消費會迅速釋放到大氣中，并不能直接增加城市的碳儲量;而木材和建筑材料等含碳產(chǎn)品是累積性碳輸入，能增加城市碳庫，起到固碳效果。對自然碳輸入而言，自然植被和城市綠地的碳吸收能夠增加城市碳庫，屬于累積性垂直碳輸入，而農(nóng)作物光合作用形成的產(chǎn)品(糧食、蔬菜等)由于年內(nèi)很快被消費(轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2釋放到大氣中)，則屬于消費性垂直碳輸入。

3 城市系統(tǒng)碳循環(huán)的理論框架

結(jié)合城市系統(tǒng)碳儲量和碳通量的主要途徑和機(jī)制，這里從系統(tǒng)的層次性特征出發(fā)，可以將城市系統(tǒng)分為城市自然系統(tǒng)和城市經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)，兩者的碳儲量及碳通量的構(gòu)成以及碳流通途徑都存在明顯的區(qū)別(圖5)。

(1)城市自然系統(tǒng)

該系統(tǒng)可以細(xì)分為水體、農(nóng)田、林地、草地和城市綠地等子系統(tǒng)類型。其碳庫主要包括植被、土壤和水體碳庫3部分。對于城市來講，由于地面硬化，因此土壤系統(tǒng)相對封閉，土壤碳庫的穩(wěn)定性較強(qiáng)。城市自然系統(tǒng)是城市運行的基礎(chǔ)和前提，在未受人為干擾影響的前提下，城市自然系統(tǒng)具有自身的規(guī)律和運行機(jī)制，其碳循環(huán)過程主要服從自然界的生物地球化學(xué)循環(huán)的規(guī)律，其碳循環(huán)的特點主要受制于城市所在地的自然環(huán)境的特征。但在人為活動影響下，城市自然系統(tǒng)的碳循環(huán)過程會受到一定的干擾，各自然子系統(tǒng)除了生物地球化學(xué)循環(huán)之外，一方面接受到外部系統(tǒng)的能源的碳輸入，另一方面也接受到來自工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的碳輸入，同時也有來自經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的廢棄物的碳輸入。另外，城市自然系統(tǒng)的部分含碳產(chǎn)品如農(nóng)產(chǎn)品、林業(yè)產(chǎn)品和水產(chǎn)品等也會輸入到城市經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中。同時，城市自然系統(tǒng)也具有較大的垂直碳輸入和輸出通量，表現(xiàn)為城市植被、土壤、水域等的光合作用的碳吸收或呼吸作用的碳釋放。

(2)城市經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)

其碳庫包括城市建筑物、人體和動物、圖書和家具等?？梢苑譃楣I(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)、交通運輸系統(tǒng)、居住系統(tǒng)、商業(yè)系統(tǒng)和辦公系統(tǒng)等，一方面接受來自外部系統(tǒng)的大量的能源、食物、原料和木材等含碳物質(zhì)的輸入，另一方面接受來自自然系統(tǒng)含碳產(chǎn)品的輸入，同時也有部分含碳產(chǎn)品輸出到系統(tǒng)之外。另外，城市經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)也具有較大的垂直碳輸出，主要表現(xiàn)為各種途徑的人為碳排放，但城市經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)不存在人為垂直碳輸入過程。其中，工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)和交通運輸系統(tǒng)主要承擔(dān)城市系統(tǒng)內(nèi)部消費產(chǎn)品和輸出產(chǎn)品的生產(chǎn)。因此，主要的碳輸入即能源和原材料，主要的碳輸出為各種工業(yè)產(chǎn)品、廢棄物和化石燃料燃燒。另外，有很大一部分碳輸送到其他消費子系統(tǒng)，如食物、含碳產(chǎn)品等。該模塊是城市系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)流通規(guī)模最大的子系統(tǒng)，是城市系統(tǒng)碳循環(huán)過程的主導(dǎo)環(huán)節(jié)。商業(yè)、居住和辦公子系統(tǒng)的主要功能是消費、居住等，碳輸入是以生活能源、食物和含碳產(chǎn)品(如木材、家具和圖書等)為主，碳輸出以含碳產(chǎn)品、CO2排放、廢棄物、地下排水系統(tǒng)的溶解碳的形式為主。該模塊的碳輸入中一部分來源于城市系統(tǒng)外部，如食物和部分能源的輸入，另一部分來自于生產(chǎn)模塊，如工業(yè)產(chǎn)品和能源制成品、家具等的輸入。

根據(jù)該理論框架，可以對城市系統(tǒng)的不同層次和模塊進(jìn)行碳輸入輸出的分析，確定城市系統(tǒng)碳循環(huán)的研究范圍和途徑，并進(jìn)而開展城市系統(tǒng)碳循環(huán)的模擬研究［8］。另外，對于不同子系統(tǒng)而言，也可以從用地的角度來分析城市系統(tǒng)的碳循環(huán)狀況，將城市各子系統(tǒng)與城市用地對應(yīng)起來，分析不同地類或生態(tài)系統(tǒng)類型的碳儲量和碳通量狀況(圖5)，這也是開展城市系統(tǒng)碳循環(huán)研究的思路之一。

4 研究展望

本文提出了城市“自然-社會”二元碳循環(huán)的概念，探討了城市碳循環(huán)的一般特征，深入分析了城市碳循環(huán)的內(nèi)部機(jī)理，并提出了城市系統(tǒng)碳循環(huán)研究的理論框架。但總體來講，城市系統(tǒng)碳循環(huán)研究還處于起步階段，未來應(yīng)在以下方面進(jìn)一步加強(qiáng):

(1)構(gòu)建城市系統(tǒng)整體的碳循環(huán)模擬模型，深入分析城市碳循環(huán)和碳流通的機(jī)制。城市系統(tǒng)碳循環(huán)過程受城市規(guī)模、功能、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、發(fā)展模式等的影響，具有較大的空間異質(zhì)性和不確定性。因此，應(yīng)從系統(tǒng)整體性和層次性出發(fā)，建立城市系統(tǒng)碳循環(huán)模擬模型，重點從社會碳循環(huán)入手，分析碳循環(huán)的過程、機(jī)理和流通效率。

(2)建立城市碳排放核算標(biāo)準(zhǔn)和碳排放因子數(shù)據(jù)庫。結(jié)合我國城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特征、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、生產(chǎn)過程特點、能源結(jié)構(gòu)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平等元素，以我國城市統(tǒng)計調(diào)查體系為基礎(chǔ)，構(gòu)建符合我國城市特色的碳排放核算體系和因子數(shù)據(jù)庫。

(3)開展對不同類型和發(fā)展水平下城市碳流通和碳代謝模式的對比研究。不同功能、發(fā)展階段和模式的城市，其碳排放特征和碳流通效率存在較大差異。因此，應(yīng)開展對不同城市碳流通和碳代謝的對比研究，分析城市功能和模式與碳排放及其強(qiáng)度之間的對應(yīng)關(guān)系，以及城市不同發(fā)展階段和城市化模式對區(qū)域碳循環(huán)的影響。

(4)加強(qiáng)對于碳循環(huán)關(guān)鍵過程的控制和管理，提高城市碳循環(huán)效率。將減排、增匯和提高碳的利用率作為碳管理過程控制的三個關(guān)鍵目標(biāo)，并確定城市碳循環(huán)過程的若干重要的干預(yù)點(如工業(yè)能源加工和轉(zhuǎn)換，資源循環(huán)再生利用、碳匯工程等)，一方面實現(xiàn)對碳排放的總量控制，另一方面盡可能提高城市碳循環(huán)效率，促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)社會的低碳轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展。

致謝:南京大學(xué)彭補(bǔ)拙教授和中國科學(xué)院南京土壤研究所孫波研究員對論文提出了寶貴的意見，在此表示衷心感謝。

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