城乡耦合系统人类主导的碳循环及生态服务

摘要

人类活动已强烈修饰（干扰）甚至主导陆地生态系统碳的生物地球化学循环，在满足人类食物和居住等基本需求的同时，也产生严重的环境和健康问题。自工业革命以来，人类对原生态系统干扰使其发生结构破缺和功能分化，形成为人类需求服务的单一目标功能单元（如农田、城市、污水处理厂等）。这些单元再通过耦合与自组织升级形成现实物理空间中以城市为核心的新系统——城乡耦合系统(UrbanandRuralCouplingSystems，URCS)。尽管URCS的结构与功能日益完备，其碳生物地球化学循环过程以及所提供的生态服务仍不清楚。为明确URCS中不同功能子系统的碳循环特征及生态服务，本研究尝试构建URCS中人类主导的碳循环框架，阐明其中典型过程的碳平衡和生态服务变化，并探讨其自然-社会-经济影响因素。
　　 本文将URCS分为生产、分解、人居和生命支持四个功能子系统，以其中典型人工系统为例打开URCS中人类主导下碳循环黑箱，基于质量平衡法构建生产-分解-人居-生命支持功能子系统之间的碳循环框架。同时，通过温室农业、人工湿地和城市等案例来研究URCS中典型的人类活动影响碳平衡和生态服务的过程，并探究其中的自然-社会-经济影响因素。本文采取实验测定和文献数据收集相结合的整合分析法来编译相关碳循环的数据集，并以质量平衡和生命周期法来量化相应过程的碳平衡及生态服务，再通过回归和差异显著性分析来阐明相关的影响因素。以下是主要结论:
　　 1)人类主导作用增加URCS各功能子系统之间的碳流路径和碳库种类，并增加碳积累。其中，农田子系统2009年光合碳输入(623.1TgCyr-1)约有88％的光合碳输入由于人类利用而进入工业、人居、畜牧水产等子系统，其碳输出路径多于分解和人居子系统;分解子系统向生命支持子系统的碳输出小于农田和人居子系统，能处理约79％的人居子系统废物碳输出;人居子系统2009年碳积累分别相当于农田和分解子系统的1.9和3.2倍，其中无机碳固持和农田相当，揭示出入类的居住和生活需求倾向于在人居子系统中积累碳。2009年农田和人居子系统的生命周期碳平衡为净碳源，分解子系统为净碳汇。但分解子系统仍是一个净温室气体的排放源（12.8-69.1TgCO2-eq），并不能缓解温室效应。
　　 2)在URCS中，从传统农业转变为塑料温室农业的食物生产集约化过程在中国五个气候区（寒温带区、中温带区、北亚热带区、南亚热带区和青藏高原区）中均可减少生命周期碳排放，平均为1.51tChm-2yr-1。若考虑N2O排放，生命周期温室气体减排平均约为5.42tCO2-eqhm-2yr-1。这是主要是由于转变为塑料温室后净初级生产力和土壤碳固持的增加抵消外部有机肥碳输入和化石燃料碳排放的增加。该集约化过程还增强作为生产子系统目标功能——食物供给并伴随着多重生态服务和负服务的增加。塑料温室农业供给服务的经济价值占全部服务经济总价值的84％。在中国五个气候区中，从传统农业转变为塑料温室农业既增加生态服务（如蔬菜供给、碳固定、节水和减缓沙尘暴等）又增加负服务（如土壤盐渍化和酸化、温室气体排放等），但其生态系统服务净经济价值均为正。
　　 3)人工湿地作为传统人工分解系统替代的典型案例，增强URCS的污水处理能力，是污水处理厂的重要补充途径之一。它在处理污水的同时可利用废N生产生物能源。人工湿地的生命周期碳排放比污水处理厂减少14tCt-1N去除，生命周期温室气体排放减少575tCO2-eqt-1N去除。主要是由于其较低的建造和运行成本使得物质和能量消耗较少。无论作为污水处理还是能源生产系统，人工湿地污水处理（或提供清洁水）的经济价值占生态服务总经济价值的97％。作为污水处理系统，人工湿地供给服务和调节服务经济价值分别是污水处理厂9.5和10.4倍，其负服务经济价值仅为污水处理厂的0.09％;作为能源生产系统，人工湿地生态服务总价值略高于微藻系统，是其他能源系统（如柳枝稷和大豆）的153-602倍。
　　 4)城市生态系统作为URCS的调控中心，包括城市绿地系统和人居系统。尽管城市是一个巨大的碳源，但城市化过程增加碳密度。中国16个城市建成区人居系统平均碳密度(177.8tChm2)高于城市绿地系统（120.1tChm-2）和同区域自然生态系统(109.8tChm-2)。若考虑城市生态系统作为URCS物理空间上的一个结构功能单元，中国16个城市生态系统平均碳密度可达297.9tChm-2，高于中国森林生态系统的平均碳密度(208.5tChm-2)和热带雨林（40-250tChm-2）的碳密度。这主要是由于绿地土壤碳密度的增高和人居系统碳库种类的增加。城市绿地系统作为生命支持系统之一，为人居系统提供景观美学、气候调节、空气净化等服务，改善城市的环境。其中文化服务（景观美学）经济价值平均为总服务经济价值的84％。同时，中国16个城市建成区绿地系统在人类管理下仍可带来生命周期净碳减排达，其负服务相对较小。
　　 5)在URCS中生产、分解和城市生态系统碳平衡仍受到自然因素的直接或间接影响，并均为温度。如传统农业转变为塑料温室过程中积温增高可延长蔬菜生长季，提高系统的净初级生产力进而增加土壤碳固持;温度影响人工湿地的微生物过程从而改变CH4和N2O的排放;绿地碳密度随年均温增高而显著降低，可能由于高温增加土壤碳呼吸，而城市人居碳密度则与城市年均温呈显著的二次关系并在年均温居中的城市里最高，这可能是由于人们倾向于居住在温度适中的地方。社会经济对碳平衡的影响因素却比较多样化。如塑料温室农业在寒冷地区转变收益高于温暖地区，从而农户更愿意输入更多有机肥，从而增加净初级生产力和土壤碳固持;人工湿地中通过采取合理的N利用技术，使用垂直流人工湿地以及选取芦竹、芦苇等生产力较高的物种等易行手段可提高净初级生产力;城市绿地碳密度与单位面积能耗呈显著的二次关系并在单位面积能耗适中的城市里最低。城市人居系统碳密度同时随着单位面积家庭数和能耗的增加而线性增高，与城市人均GDP呈显著线性负相关。
　　 综上，本研究揭示URCS中不同功能（生产、分解和人居）子系统的碳循环过程，补充碳的生物地球化学循环理论中人类主导影响下的碳循环部分。同时，通过食物生产集约化、传统人工分解系统替代和城市化过程理解人类主导下碳平衡与生态服务，以及自然-社会-经济影响因素，将为未来制定经济-生态-社会三赢的可持续发展模式提供科学理论依据。

目录

声明

致谢

摘要

表目录

图目录

术语表

1 绪论

1．1 生态系统学的发展和理论突破

1．1．1 传统“生态系统”概念的理论分析

1．1．2 新生态系统理论

1．2 从传统生态系统学到新生态系统学——先驱们的贡献

1．2．1 新生态系统思想的经济学来源

1．2．2 新生态系统思想的地理学来源

1．2．3 新生态系统思想的景观生态学来源

1．2．4 新生态系统思想的人类生态学来源

1．3 城乡耦合系统

1．3．1 生态核

1．3．2 生态器

1．3．3 生态质

1．4 城乡耦合系统碳循环——人类修饰到主导

1．4．1 全球陆地自然生态系统碳循环的人源改变

1．4．2 碳排放的生命周期评估

1．4．3 城市系统碳流和碳库特征

1．5 城乡耦合系统碳相关生态服务研究

1．6 本研究的科学问题、目的和意义

2 研究方法

2．1 方法论

2．1．1 城乡耦合系统的物理边界

2．1．2 城乡耦合系统结构

2．1．3 源-库-流理论和质量平衡法

2．1．4 生命周期评估法

2．1．5 整合分析法

2．2 研究方法概述

2．2．1 野外调查和采样

2．2．2 实验测定

2．2．3 年鉴文献数据搜集

2．2．4 统计分析

3 城乡耦合系统碳循环：中国案例

3．1 引言

3．2 城乡耦合系统碳循环计算方法

3．2．1 生产子系统碳平衡计算：以农田为例

3．2．2 分解子系统碳平衡计算：以污水处理厂和垃圾填埋场为例

3．2．3 人居子系统碳平衡计算

3．3 农田子系统碳循环

3．3．1 农田子系统碳通量和积累

3．3．2 农田子系统化石能源消耗与生命周期碳平衡

3．4 分解子系统碳循环

3．4．1 污水处理厂碳通量

3．4．2 垃圾填埋场碳通量和积累

3．3．3 分解子系统化石能源消耗与生命周期碳平衡

3．5 人居子系统碳循环

3．5．1 人居子系统碳通量和积累

3．5．2 人居子系统化石能源消耗与生命周期碳平衡

3．6 本章小结

4 食物生产系统的集约化转变：碳循环及生态服务

4．1 引言

4．2 研究方法

4．2．1 研究区域概况

4．2．2 系统边界和碳平衡计算

4．2．3 数据搜集和计算

4．2．4 塑料温室农业生态系统服务评估框架和计算

4．3 塑料温室农业的碳循环

4．3．1 碳输入和净生产力

4．3．2 土壤碳

4．3．3 农业生产过程碳排放

4．3．4 生命周期净碳流

4．4 温室农业碳循环的影响因素分析

4．4．1 自然因素

4．4．2 社会经济因素

4．5 塑料温室农业扩张的生态-社会-经济贡献

4．5．1 温室农业扩张对碳循环贡献

4．5．3 塑料温室农业生态系统服务

4．5．4 塑料温室农业社会经济效益

4．5．5 塑料温室农业的发展机制

4．6 本章小结

5 人工分解系统：碳循环及生态服务

5．1 引言

5．2 研究方法

5．2．1 研究样地及人工湿地信息

5．2．2 系统边界和碳平衡计算

5．2．3 数据搜集和计算

5．2．4 人工湿地生态系统服务评估框架和计算

5．3 人工湿地碳循环

5．3．1 净生产力

5．3．2 土壤碳

5．3．3 建设与运行过程温室气体排放

5．3．4 人工湿地生命周期碳平衡

5．4 人工湿地碳平衡的影响因素分析

5．4．1 人工湿地污水氮输入

5．4．2 人工湿地结构

5．4．3 人工湿地物种配置

5．5 人工湿地的生态-社会-经济贡献

5．5．1 人工湿地能源生产与其他生物能源生产体系比较

5．5．2 人工湿地利用废氮生产生物能源对碳循环贡献

5．5．4 人工湿地生态系统服务

5．5．5 人工湿地社会经济可行性

5．6 本章小结

6 城市生态系统：碳循环和生态服务

6．1 引言

6．2 研究方法

6．2．1 城市边界定义和样本城市选取

6．2．2 城市碳库分类和影响因子选择

6．2．3 数据采集和计算方法

6．2．4 城市绿地生态系统服务评估框架和计算

6．3 城市绿地系统碳循环

6．3．1 城市绿地碳固定

6．3．2 城市绿地管理过程化石能源碳排放

6．3．3 城市绿地废弃物生产生物能源碳减排

6．3．4 城市绿地生命周期碳平衡

6．3．5 城市绿地碳密度

6．4 城市人居系统碳密度

6．5 城市碳密度的影响因素分析

6．5．1 自然因素

6．5．2 社会经济因素

6．6 城市绿地生态系统服务

6．7 本章小结

7 结论与展望

7．1 主要结论

7．1．1 城乡耦合系统碳流和碳积累

7．1．2 城乡耦合系统中食物生产系统集约化过程的碳平衡和生态服务

7．1．3 城乡耦合系统中传统人工分解系统替代过程的碳平衡和生态服务

7．1．4 城乡耦合系统中城市化过程的碳平衡和生态服务

7．1．5 城乡耦合系统人类主导碳循环的自然-社会-经济影响因素

7．2 未来研究展望

参考文献

攻读博士期间的科研成果