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(lèi)活動(dòng)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(fèi)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(guò)程對(duì)全球和區(qū)域氣候變化的影響日益增強(qiáng)。但一段時(shí)期以來(lái)，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(duì)森林、農(nóng)田、草地、土壤等自然碳循環(huán)過(guò)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(kāi)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(lái)說(shuō)，開(kāi)展城市系統(tǒng)碳循環(huán)的定量研究，可以彌補(bǔ)過(guò)去研究?jī)H關(guān)注自然碳循環(huán)的不足，為研究人為因素對(duì)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(guò)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(shí)踐的角度來(lái)看，中國(guó)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(kāi)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(kāi)展不同類(lèi)型城市碳循環(huán)過(guò)程的對(duì)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(guó)家的城市發(fā)展模式的思考和再評(píng)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(huì)”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(chǔ)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(huì)”二元碳循環(huán)

作為“自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)”復(fù)合系統(tǒng)，城市系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程與自然生態(tài)系統(tǒng)明顯不同，由于受人為活動(dòng)的影響，城市系統(tǒng)具有明顯的“自然-社會(huì)(經(jīng)濟(jì))”二元碳循環(huán)特征(圖1，其中“社會(huì)”碳循環(huán)部分實(shí)際上也包括了經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的碳過(guò)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(lái)研究城市系統(tǒng)的自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)過(guò)程及其相互作用［3-4］，了解城市系統(tǒng)內(nèi)部自然和社會(huì)過(guò)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(gè)包括自然和人工過(guò)程、水平和垂直過(guò)程、地表和地下過(guò)程、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)過(guò)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(guò)程是“自然-社會(huì)”二元碳循環(huán)，能源、原料和各種含碳產(chǎn)品的流通和消費(fèi)帶來(lái)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(yùn)輸方式;(3)城市系統(tǒng)碳循環(huán)包括水平和垂直碳通量?jī)刹糠?，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(guò)程(化石燃料燃燒等)，也有自然過(guò)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(lèi)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(dòng)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(guò)程存在于城市蔓延區(qū)與足跡區(qū)之間，且單向流動(dòng)。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(kù)，如植被、土壤、建筑物、家具和圖書(shū)等的碳存儲(chǔ);(8)城市是一個(gè)動(dòng)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(huì)”二元碳循環(huán)過(guò)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(yùn)行規(guī)律，首要的問(wèn)題是了解城市系統(tǒng)碳儲(chǔ)存和碳流通的主要途徑和方式，區(qū)分城市系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和碳通量的自然和人為過(guò)程，并深入分析城市系統(tǒng)主要碳儲(chǔ)存和碳流通過(guò)程的生命周期和類(lèi)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(chǔ)量

城市系統(tǒng)具有較強(qiáng)的碳蓄積能力，其主要碳庫(kù)包括:(1)城市土壤碳庫(kù)。是城市最大的有機(jī)碳庫(kù)，總體而言，城市土壤碳庫(kù)比較穩(wěn)定，受人類(lèi)影響不大;(2)城市植被碳庫(kù)。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(shù)、草地等植被碳庫(kù)。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(kù)。建筑物碳庫(kù)分有機(jī)碳和無(wú)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(wú)機(jī)碳是指碳酸鹽石材及水泥等(主要成分為碳酸鈣)，即無(wú)機(jī)形態(tài)的碳;(4)家具和圖書(shū)碳庫(kù)。家具和圖書(shū)(含報(bào)紙等)以木材和農(nóng)作物秸稈為主要原料，經(jīng)過(guò)工業(yè)加工之后，通過(guò)市場(chǎng)流通進(jìn)入居民家庭或公共建筑，成為穩(wěn)定的城市碳庫(kù);(5)人體和動(dòng)物碳庫(kù)。是指人體和動(dòng)物體內(nèi)的有機(jī)碳，其實(shí)質(zhì)是來(lái)源于食物消費(fèi)積累的有機(jī)碳，該碳庫(kù)總量不大，但十分穩(wěn)定;(6)城市水域碳庫(kù)。一方面，城市水體自身會(huì)溶解一部分碳，另外，水體藻類(lèi)和水生動(dòng)物體內(nèi)含有一定的有機(jī)碳，同時(shí)，水域底泥中也沉積了大量有機(jī)或無(wú)機(jī)碳;(7)城市垃圾碳庫(kù)。城市垃圾作為人類(lèi)工業(yè)和生活的廢棄物，含有大量的有機(jī)和無(wú)機(jī)碳，其中一部分經(jīng)過(guò)燃燒和分解之后重歸到大氣中，另一部分堆積在城區(qū)周?chē)蔀檩^為穩(wěn)定的碳庫(kù)。

總體而言，城市碳庫(kù)可分為自然碳庫(kù)和人為碳庫(kù)。其中，人體、動(dòng)物、建筑物、圖書(shū)、家具、綠化植被和城市垃圾碳庫(kù)屬于人為碳庫(kù)，其余屬于自然碳庫(kù)。

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(shí)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(lái)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(guò)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(wú)機(jī)碳。如碳酸鹽類(lèi)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(kù)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(guò)消費(fèi)會(huì)很快釋放到大氣中;(5)其他含碳產(chǎn)品的輸入。如家具、圖書(shū)、報(bào)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?kù)的一部分;(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(huì)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(guò)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(guò)地下輸水管網(wǎng)系統(tǒng)輸入到城市水廠(chǎng)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(guò)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(shí)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。總結(jié)起來(lái)，主要有:(1)植物與土壤呼吸作用。這是自然過(guò)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(lèi)型，同時(shí)也在在一定程度上受人類(lèi)活動(dòng)干擾的影響;(2)人類(lèi)(動(dòng)物)呼吸作用。這部分碳來(lái)自于食物碳消費(fèi)，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(fèi)中化石燃料燃燒帶來(lái)的碳排放是城市最主要的垂直碳輸出通量類(lèi)型;(4)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程。如水泥、石灰、玻璃、鋼鐵等的生產(chǎn)過(guò)程會(huì)釋放大量的碳;(5)農(nóng)業(yè)過(guò)程碳釋放。主要包括稻田甲烷釋放、畜牧業(yè)反芻動(dòng)物的甲烷釋放、農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能源消費(fèi)和秸稈焚燒帶來(lái)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(lái)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(shù)的落葉)并沒(méi)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(diǎn)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?jī)煞N。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(lèi)和動(dòng)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(dòng)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(yùn)移等。

2．4 城市系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程的生命周期分析

城市系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程的不同環(huán)節(jié)具有不同的生命周期，主要?dú)w因于各種形式的碳在城市系統(tǒng)中流通、存儲(chǔ)的時(shí)間和過(guò)程不同，這對(duì)于城市碳循環(huán)過(guò)程及其效率會(huì)產(chǎn)生不同的影響。

2．4．1 城市系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和碳通量的生命周期分析

各種碳儲(chǔ)存方式的周期不同。儲(chǔ)存周期最長(zhǎng)的是水體的碳儲(chǔ)存，比如藻類(lèi)和水生生物死亡之后沉積進(jìn)入底泥，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉浅７€(wěn)定的碳庫(kù)，只有經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)間或地殼變動(dòng)才會(huì)被重新釋放出來(lái);土壤碳庫(kù)一般也相對(duì)穩(wěn)定，土壤呼吸作用會(huì)釋放一部分碳，但地表的枯枝落葉也會(huì)不斷補(bǔ)充土壤碳庫(kù)，使其總體上保持在一定水平;相對(duì)而言，城市植被的碳儲(chǔ)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(chǔ)周期跟建筑物的使用壽命有關(guān)，一般也是幾十年時(shí)間，甚至更短;家具和圖書(shū)的碳儲(chǔ)存周期則相對(duì)更短，主要取決于家具和圖書(shū)的使用年限。人體碳庫(kù)比較穩(wěn)定，具有較長(zhǎng)的存儲(chǔ)時(shí)間，但動(dòng)物體碳庫(kù)存儲(chǔ)時(shí)間較短，一般為幾個(gè)月到幾年不等，便會(huì)被消費(fèi)重新釋放出去。總體來(lái)說(shuō)，城市人為碳庫(kù)如建筑木材、圖書(shū)和家具等在一定程度影響了城市尺度的碳循環(huán)過(guò)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(lèi):(1)食物消費(fèi)型。主要是指各種食物及食物原料，輸入城市后很快被消費(fèi)而重新釋放出去，由于食物一般具有保鮮期，一般很難長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)，周轉(zhuǎn)過(guò)程最快。(2)碳儲(chǔ)存型。比如自然過(guò)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(kù)而固定下來(lái);(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(chǔ)時(shí)間較短，一般不超過(guò)1年，一部分直接用于生產(chǎn)、交通和生活能源消費(fèi)，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?kù)的一部分。(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(duì)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(lái)考慮，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)與控制碳存儲(chǔ)時(shí)間較短、周轉(zhuǎn)快的碳通量過(guò)程，比如工業(yè)生產(chǎn)型和食物消費(fèi)型的碳排放等，以提高城市碳循環(huán)效率。同時(shí)盡可能促進(jìn)自然及人為城市碳儲(chǔ)存，在一定程度上增強(qiáng)城市應(yīng)對(duì)全球變化的能力。

圖3 城市系統(tǒng)碳儲(chǔ)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(guò)程的生命周期分析

對(duì)城市系統(tǒng)而言，自然碳循環(huán)過(guò)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(guò)程實(shí)質(zhì)上是主要含碳產(chǎn)品從“原料—產(chǎn)品—廢物”的代謝過(guò)程，主要包括能源、食物和木材等三類(lèi)含碳產(chǎn)品(無(wú)機(jī)碳除外)，這幾類(lèi)含碳產(chǎn)品的流通和代謝過(guò)程和周期明顯不同。(1)能源類(lèi)含碳產(chǎn)品。該類(lèi)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(lái)自于城市系統(tǒng)內(nèi)部的開(kāi)采或收獲)，大部分通過(guò)工業(yè)生產(chǎn)、生活消費(fèi)和交通消費(fèi)轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2釋放到大氣中，也有一部分經(jīng)過(guò)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(lèi)含碳產(chǎn)品。這類(lèi)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(lái)自于城市外部系統(tǒng)的輸入，最終通過(guò)食物消費(fèi)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(lèi)含碳產(chǎn)品。木材類(lèi)含碳產(chǎn)品來(lái)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(guò)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(kù)的重要部分，最后經(jīng)過(guò)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(lèi)含碳產(chǎn)品中，食物的代謝速率最快，其次是能源類(lèi)產(chǎn)品，而木材類(lèi)產(chǎn)品的流通周期最長(zhǎng)。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(guò)以上分析，得出如下結(jié)論:對(duì)于主要含碳產(chǎn)品(如木材、能源、食物等)和碳消耗過(guò)程(如工業(yè)加工、產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)?，可以引入生命周期評(píng)價(jià)的方法開(kāi)展全生命周期過(guò)程的碳排放分析。從各種產(chǎn)品的原材料開(kāi)采、運(yùn)輸、加工、銷(xiāo)售、存儲(chǔ)和消費(fèi)及廢棄物處置等一系列過(guò)程開(kāi)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€(gè)環(huán)節(jié)的碳儲(chǔ)存量、碳排放量和碳流通量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)含碳產(chǎn)品不同環(huán)節(jié)的碳排放和碳流通量的監(jiān)測(cè)和精確核算。

2．5 城市系統(tǒng)碳輸入/輸出的類(lèi)型劃分

2．5．1 城市系統(tǒng)碳輸出的類(lèi)型劃分

根據(jù)城市生產(chǎn)和消費(fèi)的組合關(guān)系，可以將城市碳排放分為4種類(lèi)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(gè)大都市區(qū)內(nèi)生產(chǎn)并且消費(fèi)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(shí)在本地消費(fèi);責(zé)任碳排放是指在一個(gè)城市生產(chǎn)但在城市外消費(fèi)帶來(lái)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(fèi);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(fèi)帶來(lái)的間接的碳排放，比如電力生產(chǎn)，發(fā)電過(guò)程燃煤碳排放在城市外部，而電力消費(fèi)是在城市內(nèi)部，其他因城市消費(fèi)引起的外部產(chǎn)品的輸入也屬于這種類(lèi)型;物流碳排放是指不在都市內(nèi)生產(chǎn)和消費(fèi)的貨物和服務(wù)，但是由通過(guò)城市帶來(lái)的碳排放。如過(guò)境的客貨運(yùn)服務(wù)會(huì)帶來(lái)一定的碳排放，雖然在本地排放，但并不是本地消費(fèi)引起的，只是過(guò)境交通引起的［7］。實(shí)質(zhì)上，確定城市碳排放源的簡(jiǎn)單方法是想象有一個(gè)大的氣泡置于城市周?chē)?，氣泡?nèi)所有生產(chǎn)(工業(yè)產(chǎn)品和服務(wù))和消費(fèi)(電力、燃料和食物等)帶來(lái)的碳排放都應(yīng)該考慮在內(nèi)［7］。

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

從以上分析來(lái)看，基于消費(fèi)端來(lái)核算城市系統(tǒng)的碳排放最符合城市的實(shí)際情況，也可避免碳排放核算項(xiàng)目的重復(fù)或缺失。因此，城市碳排放測(cè)算主要應(yīng)該包括3部分:(1)城市內(nèi)部消費(fèi)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(guò)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(fèi)帶來(lái)的間接碳排放。

2．5．2 城市系統(tǒng)碳輸入的類(lèi)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(lèi)活動(dòng)影響可分為自然碳輸入和人為碳輸入兩種類(lèi)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(lái)的碳。作為一個(gè)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(fèi)性碳輸入和累積性碳輸入兩種類(lèi)型［8］。對(duì)人為碳輸入來(lái)說(shuō)，化石能源和食物都屬于消費(fèi)性水平碳輸入，也即碳輸入系統(tǒng)之后通過(guò)消費(fèi)會(huì)迅速釋放到大氣中，并不能直接增加城市的碳儲(chǔ)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(kù)，起到固碳效果。對(duì)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(kù)，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(fèi)(轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2釋放到大氣中)，則屬于消費(fèi)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(chǔ)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(gè)子系統(tǒng)，兩者的碳儲(chǔ)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(lèi)型。其碳庫(kù)主要包括植被、土壤和水體碳庫(kù)3部分。對(duì)于城市來(lái)講，由于地面硬化，因此土壤系統(tǒng)相對(duì)封閉，土壤碳庫(kù)的穩(wěn)定性較強(qiáng)。城市自然系統(tǒng)是城市運(yùn)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(yùn)行機(jī)制，其碳循環(huán)過(guò)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(diǎn)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(dòng)影響下，城市自然系統(tǒng)的碳循環(huán)過(guò)程會(huì)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(lái)自工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的碳輸入，同時(shí)也有來(lái)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(huì)輸入到城市經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中。同時(shí)，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(kù)包括城市建筑物、人體和動(dòng)物、圖書(shū)和家具等?？梢苑譃楣I(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)、交通運(yùn)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(lái)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(lái)自自然系統(tǒng)含碳產(chǎn)品的輸入，同時(shí)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(guò)程。其中，工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)和交通運(yùn)輸系統(tǒng)主要承擔(dān)城市系統(tǒng)內(nèi)部消費(fèi)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(fèi)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(guò)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(fèi)、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(shū)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(lái)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(lái)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(duì)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(kāi)展城市系統(tǒng)碳循環(huán)的模擬研究［8］。另外，對(duì)于不同子系統(tǒng)而言，也可以從用地的角度來(lái)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(duì)應(yīng)起來(lái)，分析不同地類(lèi)或生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的碳儲(chǔ)量和碳通量狀況(圖5)，這也是開(kāi)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(huì)”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(lái)講，城市系統(tǒng)碳循環(huán)研究還處于起步階段，未來(lái)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(guò)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(diǎn)從社會(huì)碳循環(huán)入手，分析碳循環(huán)的過(guò)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(kù)。結(jié)合我國(guó)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(guò)程特點(diǎn)、能源結(jié)構(gòu)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平等元素，以我國(guó)城市統(tǒng)計(jì)調(diào)查體系為基礎(chǔ)，構(gòu)建符合我國(guó)城市特色的碳排放核算體系和因子數(shù)據(jù)庫(kù)。

(3)開(kāi)展對(duì)不同類(lèi)型和發(fā)展水平下城市碳流通和碳代謝模式的對(duì)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(kāi)展對(duì)不同城市碳流通和碳代謝的對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系，以及城市不同發(fā)展階段和城市化模式對(duì)區(qū)域碳循環(huán)的影響。

(4)加強(qiáng)對(duì)于碳循環(huán)關(guān)鍵過(guò)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(guò)程控制的三個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)，并確定城市碳循環(huán)過(guò)程的若干重要的干預(yù)點(diǎn)(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(shí)現(xiàn)對(duì)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(huì)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(guó)科學(xué)院南京土壤研究所孫波研究員對(duì)論文提出了寶貴的意見(jiàn)，在此表示衷心感謝。

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