第37卷第12期 生态学报 Vol 37, No 12 2017年6月 ACTA ECOLOGICA SINICA Jun.,2017 DOI:10.5846/stxb201606151160 夏琳琳,张妍,李名镜城市碳代谢过程研究进展.生态学报,2017,37(12):4268-4277 Xia LL, Zhang Y, Li M J. A review of urban carbon metabolism. Acta Ecologica Sinica, 2017, 37(12): 4268-4277 城市碳代谢过程研究进展 夏琳琳·2,张妍·,李名镜 Ⅰ北京师范大学环境学院,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京100875 2暨南大学环境学院,广州市环境暴露与健康重点实验室,广东省环境污染与健康重点实验室,广州510632 摘要:碳代谢过程分析是城市代谢硏究的重要环节,而通过土地利用/覆盖的空间调整优化城市碳代谢过程已成为区域可持续 发展的关键。利用城市代谢思想,本文综述了城市碳代谢过程核算、碳代谢网络模拟、碳代谢过程与土地利用/覆盖变化关系分 析、碳代谢空间格局演替等方面的内容,并指出了当前硏究中存在着空间属性表达缺乏、核算/模拟结果较难直接应用于实践调 控、自然和社会经济代谢过程难以并重考虑等问题。在此基础上,提出了此领域未来发展预期:(1)基于土地流转,将碳排放 碳吸收垂向流映射到碳存量变化的水平流,以“存量”变化推导出网络“流量”分布,实现节点、流互动关系的空间表达,构建时 空维度碳代谢网络模型;(2)强调自然节点在城市碳代谢网络中的重要作用,形成社会经济节点与自然节点并重的生态网络模 型,有效服务于城市规划及设计。 关键词:城市碳代谢;生态网络;土地利用/覆盖变化;空间分析 a review of urban carbon metabolism XIA Linlin", ZHANG Yan, LI Mingjing I State Key Joint Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control, School of Environment, Beiing Normal Unirersity, Beijing 100875, China 2 School of Enrironment, Guangzhou Key Laboratory of Entironmental Exposure and Health, and Guangdong Key Laboratory of Environmental Pollution and Health, Jinan Uninersity, Guangzhou 510632, China Abstract: Carbon metabolism is the key process of the urban metabolic system. The optimization of carbon metabolism through land use /cover change and spatial adjustment has been the focus of sustainable development in urban areas.Under he framework of urban metabolism, this paper includes a comprehensive review of carbon metabolic process accounting ecological network analysis of urban carbon metabolism, the relationship between carbon metabolism and land use/cover change, and the spatial patterns of carbon metabolism. This paper summarizes the insufficiencies of current research including insufficient spatial analysis of the network of carbon metabolism, limitations to practical application of carbon budget and modeling results, and the disparity between natural and social-economic activities in the same system. Finally future needs in research are proposed: 1) A spatially explicit network model of urban carbon metabolism should be built within the perspective of land use/cover change. The model should investigate network flows, using carbon er ion accounting results, which could represented the carbon storage of the biosphere. Then, the flows between any two be deduced by accounting for changes in storage. The spatial expression of the interaction tween any Iwo nodes co explored using the model. 2)The model should also focus on natural activities in the urban 基金项目:国家重点研发计划项目(2016YFC0503005):新世纪优秀人才支持计划“生态模拟”(NCET-12-059);国家自然科学基金创新研究群 体项目“流域水环境、水生态和综合管理"(51421065):国家自然科学基金面上项目“京津冀城市群能源亏染物代谢过程格局杋机理硏究” (41571521);中央高校基本科研业务费专项资金“城市能量代谢过程及其碳足迹分析”(2015KJCA09);中美国际(地区)合作交流项目 收稿日期:2016-06-15;修订日期:2017-02-21 *通讯作者 Corresponding author.E- mail: zhangyanyxy@126.c http://www.ecologica.cn 21994-2017ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
第 37 卷第 12 期 2017 年 6 月 生 态 学 报 ACTA ECOLOGICA SINICA Vol．37，No．12 Jun．，2017 http: / /www．ecologica．cn 基金项目: 国家重点研发计划项目( 2016YFC0503005) ; 新世纪优秀人才支持计划“生态模拟”( NCET-12-0059) ; 国家自然科学基金创新研究群 体项目“流域水环境、水生态和综合管理”( 51421065) ; 国家自然科学基金面上项目“京津冀城市群能源-污染物代谢过程-格局-机理研究” ( 41571521) ; 中央高校基本科研业务费专项资金“城市能量代谢过程及其碳足迹分析”( 2015KJJCA09) ; 中 美 国 际( 地 区) 合 作 交 流 项 目 ( 51661125010) 收稿日期: 2016-06-15; 修订日期: 2017-02-21 * 通讯作者 Corresponding author．E-mail: zhangyanyxy@ 126．com DOI: 10．5846 /stxb201606151160 夏琳琳，张妍，李名镜．城市碳代谢过程研究进展．生态学报，2017，37( 12) : 4268-4277． Xia L L，Zhang Y，Li M J．A review of urban carbon metabolism．Acta Ecologica Sinica，2017，37( 12) : 4268-4277． 城市碳代谢过程研究进展 夏琳琳1，2 ，张 妍1，* ，李名镜1 1 北京师范大学环境学院，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京 100875 2 暨南大学环境学院，广州市环境暴露与健康重点实验室，广东省环境污染与健康重点实验室，广州 510632 摘要: 碳代谢过程分析是城市代谢研究的重要环节，而通过土地利用/覆盖的空间调整优化城市碳代谢过程已成为区域可持续 发展的关键。利用城市代谢思想，本文综述了城市碳代谢过程核算、碳代谢网络模拟、碳代谢过程与土地利用/覆盖变化关系分 析、碳代谢空间格局演替等方面的内容，并指出了当前研究中存在着空间属性表达缺乏、核算/模拟结果较难直接应用于实践调 控、自然和社会经济代谢过程难以并重考虑等问题。在此基础上，提出了此领域未来发展预期: ( 1) 基于土地流转，将碳排放/ 碳吸收垂向流映射到碳存量变化的水平流，以“存量”变化推导出网络“流量”分布，实现节点、流互动关系的空间表达，构建时 空维度碳代谢网络模型; ( 2) 强调自然节点在城市碳代谢网络中的重要作用，形成社会经济节点与自然节点并重的生态网络模 型，有效服务于城市规划及设计。 关键词: 城市碳代谢; 生态网络; 土地利用/覆盖变化; 空间分析 A review of urban carbon metabolism XIA Linlin1，2 ，ZHANG Yan1，* ，LI Mingjing1 1 State Key Joint Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control，School of Environment，Beijing Normal University，Beijing 100875，China 2 School of Environment，Guangzhou Key Laboratory of Environmental Exposure and Health，and Guangdong Key Laboratory of Environmental Pollution and Health，Jinan University，Guangzhou 510632，China Abstract: Carbon metabolism is the key process of the urban metabolic system． The optimization of carbon metabolism through land use / cover change and spatial adjustment has been the focus of sustainable development in urban areas． Under the framework of urban metabolism，this paper includes a comprehensive review of carbon metabolic process accounting， ecological network analysis of urban carbon metabolism，the relationship between carbon metabolism and land use / cover change，and the spatial patterns of carbon metabolism． This paper summarizes the insufficiencies of current research， including insufficient spatial analysis of the network of carbon metabolism，limitations to practical application of carbon budget and modeling results，and the disparity between natural and social-economic activities in the same system． Finally， future needs in research are proposed: 1) A spatially explicit network model of urban carbon metabolism should be built within the perspective of land use / cover change． The model should investigate network flows，using carbon emission and sequestration accounting results，which could represented the carbon storage of the biosphere． Then，the flows between any two nodes of the network could be deduced by accounting for changes in storage． The spatial expression of the interaction between any two nodes could be explored using the model． 2) The model should also focus on natural activities in the urban
期 夏琳琳等:城市碳代谢过程研究进展 4269 etabolic system. The network model should include both natural and socio-economic nodes and should be constructed to support urban planning Key Words: urban carbon metabolism; ecological network; land use and cover change; spatial analysis 类比生物体新陈代谢过程,城市代谢是指城市吞吐、消纳物质和能量的过程,其研究为理解城市可持续发 展提供了有效的工具与手段。自1965年 Wolman首次明确了城市代谢的概念,并开展了假想的百万人口城 市代谢分析之后,一些学者应用城市代谢的思想,开展了单一物质流或元素的代谢过程研究。同时,随着 全球气候变化愈加重要,面对着碳排放量的居高不下,碳作为城市代谢过程的关键要素不断受到人们的关 注。城市碳代谢过程的硏究十分复杂,早期开展的流量核算是研究基础,而从“网络”视角模拟与分析碳 代谢过程,为进一步探求其内在作用机理及运行规律提供了技术方法支撑。在此基础上,开展的土地利用/覆 盖变化与碳代谢过程的关联硏究,可将碳代谢的研究结果落实到土地上,并赋予其空间属性,为低碳城市的规 划与设计、碳减排提供科学支持。本文将从4个方面对碳代谢过程的研究情况进行梳理,即碳代谢过程核算、 碳代谢网络分析与模拟、碳代谢过程与土地利用/覆盖变化的响应关系分析,以及碳代谢过程空间格局硏究 这4个方面的研究进展充分体现了城市碳代谢过程整合社会经济和自然组分、融合时间与空间维度的双重属 性特征。 碳代谢过程核算 碳代谢过程核算以城市代谢为基本框架,追踪碳在整个城市生态系统中的流动过程,其硏究可以很好地 理解城市碳元素的流转过程及其环境影响。早期的碳核算研究可以追溯至1969年,研究者将工业、居民消 费、交通等活动产生的碳排放纳入到美国物质流核算框架体系中,同时还考虑了林业和水域的碳汇。此 后,一系列碳流核算框架不断发展,使得追踪城市碳流动的研究更加有据可循。1993年 ICLEI发起了城市 碳减排计划,重点核算了能源消耗产生的碳排放,开启了城市尺度碳核算的先河;1998年WRI/ WBCSD从 理论上提出了城市外部电力、热力输入以及跨界交通、废弃物处置等活动产生的间接碳排放的核算思路与方 法;2006年lCC也建立了燃料缺省碳排放因子体系,为城市碳核算研究提供了可参考的经验系数。 基于这些研究框架,一些学者针对不同城市、不同社会经济活动开展了碳核算研究,如 Los angeles ouny、 Greater prague等10个城市资源能源消耗、交通电力增加、建成区设计等活动的碳排放向, Barcelona 港口城市交通运输活动的碳排放,以及厦门市居民住宅区能源消耗的碳排放。还有一些研究在考虑社 会经济活动碳排放过程的基础上,分析了从大气圈到生物圈的自然碳吸收过程,如 Baccini除考虑Swis Lowland食品加工、工业贸易、能源转化、居民消耗和废物管理等社会经济活动的碳排放外,还考虑了农业活 动的碳排放,并关注农田和森林的碳吸收过程;Kelt等在核算温哥华建筑和机动车能源消费碳排放的同 时,考虑了植被的碳储量; Zhang等全过程核算了北京自然活动产生的生物代谢流和社会经济活动产生的 技术代谢流。同时,还有学者解析核算了社会经济系统内部商品、服务传递过程中隐含的碳元素流动,但这些 研究仅将自然视为一个组分,没有深入剖析自然环境内部的碳代谢过程 从以上研究不难看岀,目前城市碳代谢核算硏究大多关注局部过程,或集中于碳排放、碳吸收的重要代谢 路径,或集中于社会经济过程弱化自然过程。对于一个完整的城市碳代谢过程而言,不仅应当包括社会经济 组分的碳排放,还应包括自然组分的碳排放与碳吸收,以及社会经济、自然组分内部的碳流转,如图1所示。 只有利用城市代谢方法追踪生态系统的碳流动的全过程,才能有效服务于城市低碳规划及设计 2碳代谢网络分析与模拟 当前,以“网络”视角来分析与模拟碳代谢过程逐渐成为研究主流。城市碳代谢过程涉及到多类型代谢 http://www.ecologica.en 21994-2017ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
http: / /www．ecologica．cn metabolic system． The network model should include both natural and socio-economic nodes and should be constructed to support urban planning． Key Words: urban carbon metabolism; ecological network; land use and cover change; spatial analysis 类比生物体新陈代谢过程，城市代谢是指城市吞吐、消纳物质和能量的过程，其研究为理解城市可持续发 展提供了有效的工具与手段。自 1965 年 Wolman 首次明确了城市代谢的概念，并开展了假想的百万人口城 市代谢分析之后［1］，一些学者应用城市代谢的思想，开展了单一物质流或元素的代谢过程研究。同时，随着 全球气候变化愈加重要，面对着碳排放量的居高不下，碳作为城市代谢过程的关键要素不断受到人们的关 注［2-3］。城市碳代谢过程的研究十分复杂，早期开展的流量核算是研究基础，而从“网络”视角模拟与分析碳 代谢过程，为进一步探求其内在作用机理及运行规律提供了技术方法支撑。在此基础上，开展的土地利用/覆 盖变化与碳代谢过程的关联研究，可将碳代谢的研究结果落实到土地上，并赋予其空间属性，为低碳城市的规 划与设计、碳减排提供科学支持。本文将从 4 个方面对碳代谢过程的研究情况进行梳理，即碳代谢过程核算、 碳代谢网络分析与模拟、碳代谢过程与土地利用/覆盖变化的响应关系分析，以及碳代谢过程空间格局研究， 这 4 个方面的研究进展充分体现了城市碳代谢过程整合社会经济和自然组分、融合时间与空间维度的双重属 性特征。 1 碳代谢过程核算 碳代谢过程核算以城市代谢为基本框架，追踪碳在整个城市生态系统中的流动过程，其研究可以很好地 理解城市碳元素的流转过程及其环境影响［4］。早期的碳核算研究可以追溯至 1969 年，研究者将工业、居民消 费、交通等活动产生的碳排放纳入到美国物质流核算框架体系中，同时还考虑了林业和水域的碳汇［5］。此 后，一系列碳流核算框架不断发展，使得追踪城市碳流动的研究更加有据可循。1993 年 ICLEI ［6］发起了城市 碳减排计划，重点核算了能源消耗产生的碳排放，开启了城市尺度碳核算的先河; 1998 年 WＲI/WBCSD［7］从 理论上提出了城市外部电力、热力输入以及跨界交通、废弃物处置等活动产生的间接碳排放的核算思路与方 法; 2006 年 IPCC［8］也建立了燃料缺省碳排放因子体系，为城市碳核算研究提供了可参考的经验系数。 基于这些研究框架，一些学者针对不同城市、不同社会经济活动开展了碳核算研究，如 Los Angeles County、Greater Prague 等 10 个城市资源能源消耗、交通电力增加、建成区设计等活动的碳排放［9］，Barcelona 港口城市交通运输活动的碳排放［10］，以及厦门市居民住宅区能源消耗的碳排放［11］。还有一些研究在考虑社 会经济活动碳排放过程的基础上，分析了从大气圈到生物圈的自然碳吸收过程，如 Baccini ［12］除考虑 Swiss Lowland 食品加工、工业贸易、能源转化、居民消耗和废物管理等社会经济活动的碳排放外，还考虑了农业活 动的碳排放，并关注农田和森林的碳吸收过程; Kellett 等［13］在核算温哥华建筑和机动车能源消费碳排放的同 时，考虑了植被的碳储量; Zhang 等［14］全过程核算了北京自然活动产生的生物代谢流和社会经济活动产生的 技术代谢流。同时，还有学者解析核算了社会经济系统内部商品、服务传递过程中隐含的碳元素流动，但这些 研究仅将自然视为一个组分，没有深入剖析自然环境内部的碳代谢过程［15-16］。 从以上研究不难看出，目前城市碳代谢核算研究大多关注局部过程，或集中于碳排放、碳吸收的重要代谢 路径，或集中于社会经济过程弱化自然过程。对于一个完整的城市碳代谢过程而言，不仅应当包括社会经济 组分的碳排放，还应包括自然组分的碳排放与碳吸收，以及社会经济、自然组分内部的碳流转，如图 1 所示。 只有利用城市代谢方法追踪生态系统的碳流动的全过程，才能有效服务于城市低碳规划及设计。 2 碳代谢网络分析与模拟 当前，以“网络”视角来分析与模拟碳代谢过程逐渐成为研究主流。城市碳代谢过程涉及到多类型代谢 12 期 夏琳琳 等: 城市碳代谢过程研究进展 4269
生态学报 大气圈 大气圈 大气圈 交通工商业服务业 交通工商业服务业 交通工商业服务业林地草甸牧草 废物建筑业农业 处置 废物建筑业农业境 处置 废物建筑业农业 园林河流湖泊 居民 居民 居民 菜圃稻田湿地 囊括环境的碳代谢 社会经济和自然并重的碳代谢 主要关注社会经济活动 未考虑环境内部不同属性 囊括社会经济与自然之间的碳交换 图1城市碳代谢过程核算的发展1+n Fig.1 The accounting development of urban carbon metabolism 主体、多种传递路径,各主体及路径之间相互影响又形成了复杂的作用关系,这为构建碳代谢网络模型提供了 特征,例如通量协同指数和营养级等,为定量剖析系统结构与功能提供了有效方法等 可能。在采用生态网络方法分析、模拟碳代谢过程中,形成了一系列指标来表征主体、路径、网络整体的生态 初次应用生态网络方法,分析模拟生态系统的结构分布及各营养级之间的相互作用关系以来,该方法在描述 系统内部不同组分间物质和能量流动等方面已愈发成熟92。生态网络分析最早在自然生态系统中得到了 广泛的应用3,2009年 Zhang等将该方法引入到城市水代谢分析中,开启了采用生态网络方法研究社会经 济代谢过程的新方式 当前流量和效用分析在城市代谢中得到了初步应用四。生态网络流量分析方法可以探寻影响城市碳代 谢的关键过程,如 Zhang等识别了工业、交通等28个社会经济部门之间的能源流动过程,构建了北京城市 网络模型,并对其碳足迹进行分析,研究指出社会服务、消费和重工业等部门为关键节点,还有学者基于土地 流转构建碳代谢过程的网络模型,指出交通与农业之间的转化为网络关键路径。一些学者进一步采用综 合流量分析,识别了间接效益对于代谢过程的影响,研究指出间接作用是削减碳足迹的关键。关键节点和 路径的识别可以根据不同部门的排放特征,有针对性地提出碳减排建议。生态网络效用分析则可以定量 模拟代谢主体之间的生态关系,并结合流量分析辨识网络的生态层阶结构。通过这种方式所判定的生态 层阶结构已经成为对城市生态系统的代谢障碍进行诊断的有效途径。就生态关系定量研究而言,一些学者重 点分析了社会经济主体之间的关系构成,如针对香港和维也纳的碳代谢网络模型,分析了工业、交通和农业等 经济部门之间的关系结构,认为环境是被社会经济主体掠夺的主要对象。此外,共生和竞争关系也是社 会经济代谢主体间存在的生态关系类型,前者是可维持代谢过程的共生水平四,后者则可以在一定程度上提 高代谢效率。就碳代谢网络的生态层阶而言,城市很难形成自然生态系统中常见的金字塔结构,系列研究 表明,城市层阶结构可能会出现纺锤型、橄榄型等不同的结构。尽管如此,组织结构合理的社会经济代 谢过程仍有可能形成金字塔结构如Lu等圓针对北京市社区尺度的碳代谢过程构建网络模型,考虑环境和 景观对消费、能源和服务等部门的支撑作用,系统形成了较为规则的金字塔结构。由于城市代谢过程中存量 相对难以估算,这限制了存量分析方法在此领域的应用,但仍有一些学者试图解释城市代谢过程的存量,主要 通过输入与输出总量的差值来间接反映存量变化B,3。生态网络分析的具体方法如图2所示。 目前,碳代谢过程的生态网络分析与模拟硏究中,大多关注于社会经济活动对城市碳代谢过程的影响,较 少考虑自然环境或不同自然主体的属性差异,如在碳代谢网络模型构建中或将环境统归为一个节点的,或将 环境划分为外部和内部环境ˉ,或将环境划分为本地环境和外部景观圓,均忽略了自然环境内部组分的属 性差异。但也有较少研究试图在城市碳代谢过程中区别环境内部的不同属性,如 Zhang等和xia等在 http://www.ecologica.en 21994-2017ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
http: / /www．ecologica．cn 图 1 城市碳代谢过程核算的发展［9，16-17］ Fig．1 The accounting development of urban carbon metabolism 主体、多种传递路径，各主体及路径之间相互影响又形成了复杂的作用关系，这为构建碳代谢网络模型提供了 可能。在采用生态网络方法分析、模拟碳代谢过程中，形成了一系列指标来表征主体、路径、网络整体的生态 特征，例如通量、协同指数和营养级等［16-18］，为定量剖析系统结构与功能提供了有效方法［19-20］。自 Hannon ［21］ 初次应用生态网络方法，分析模拟生态系统的结构分布及各营养级之间的相互作用关系以来，该方法在描述 系统内部不同组分间物质和能量流动等方面已愈发成熟［19，22］。生态网络分析最早在自然生态系统中得到了 广泛的应用［23-24］，2009 年 Zhang 等将该方法引入到城市水代谢分析中，开启了采用生态网络方法研究社会经 济代谢过程的新方式。 当前流量和效用分析在城市代谢中得到了初步应用［25］。生态网络流量分析方法可以探寻影响城市碳代 谢的关键过程，如 Zhang 等［18］识别了工业、交通等 28 个社会经济部门之间的能源流动过程，构建了北京城市 网络模型，并对其碳足迹进行分析，研究指出社会服务、消费和重工业等部门为关键节点，还有学者基于土地 流转构建碳代谢过程的网络模型，指出交通与农业之间的转化为网络关键路径［26］。一些学者进一步采用综 合流量分析，识别了间接效益对于代谢过程的影响，研究指出间接作用是削减碳足迹的关键［18］。关键节点和 路径的识别可以根据不同部门的排放特征，有针对性地提出碳减排建议［27］。生态网络效用分析则可以定量 模拟代谢主体之间的生态关系，并结合流量分析辨识网络的生态层阶结构［28］。通过这种方式所判定的生态 层阶结构已经成为对城市生态系统的代谢障碍进行诊断的有效途径。就生态关系定量研究而言，一些学者重 点分析了社会经济主体之间的关系构成，如针对香港和维也纳的碳代谢网络模型，分析了工业、交通和农业等 经济部门之间的关系结构，认为环境是被社会经济主体掠夺的主要对象［15-16］。此外，共生和竞争关系也是社 会经济代谢主体间存在的生态关系类型，前者是可维持代谢过程的共生水平［29］，后者则可以在一定程度上提 高代谢效率［25］。就碳代谢网络的生态层阶而言，城市很难形成自然生态系统中常见的金字塔结构，系列研究 表明，城市层阶结构可能会出现纺锤型、橄榄型等不同的结构［18，30］。尽管如此，组织结构合理的社会经济代 谢过程仍有可能形成金字塔结构，如 Lu 等［31］针对北京市社区尺度的碳代谢过程构建网络模型，考虑环境和 景观对消费、能源和服务等部门的支撑作用，系统形成了较为规则的金字塔结构。由于城市代谢过程中存量 相对难以估算，这限制了存量分析方法在此领域的应用，但仍有一些学者试图解释城市代谢过程的存量，主要 通过输入与输出总量的差值来间接反映存量变化［23，32］。生态网络分析的具体方法如图 2 所示。 目前，碳代谢过程的生态网络分析与模拟研究中，大多关注于社会经济活动对城市碳代谢过程的影响，较 少考虑自然环境或不同自然主体的属性差异，如在碳代谢网络模型构建中或将环境统归为一个节点［15］，或将 环境划分为外部和内部环境［16］，或将环境划分为本地环境和外部景观［31］，均忽略了自然环境内部组分的属 性差异。但也有较少研究试图在城市碳代谢过程中区别环境内部的不同属性，如 Zhang 等［26］和 Xia 等［17］在 4270 生 态 学 报 37 卷
期 夏琳琳等:城市碳代谢过程研究进展 北京城市碳代谢网络分析与模拟研究中,初次将不同属性的自然代谢主体(林地、草地等)纳入到生态网络模 型中,并指出不同自然代谢主体对流量、关系结构的贡献都存在差异,但目前对自然主体参与碳代谢过程的研 究还相对粗略,同时,由于数据的高度聚合也给不同社会经济活动的空间映射研究带来一定的困难,从而导致 碳代谢过程的空间分析并不充分。 络分析 结构路径分析 城市中存量核算复杂 较难应用 部门1部门2部门3部了 度争 SNITIITITITm )争控制共生制c= a直接流量分 b问接流量分析,识 生态关系分析,识 d等级层阶分析,判 别关键节点 别系统之间接效益 别主导关系 定系统共生结构 图2生态网络分析方法及在城市碳代谢研究中应用 Fig2 Application of ecological analysis in urban carbon metabolism 碳代谢过程与土地利用/覆盖变化响应关系 土地利用/覆盖变化对碳生物地球化学循环过程的影响已成为仅次于化石能源燃烧的第二大因素,通过 土地利用/覆盖变化调整来促进区域低碳发展已成为世界各国研究的重点国。城市作为碳排放的重点地区 约有1/3碳排放来自于土地利用变化,因此,从土地利用/覆盖角度探讨城市碳代谢过程的研究可有效指导 城市规划和设计的实践 国外学术界早在1977年便开始了LUCC与陆地生态系统碳循环的关系研究,得出土地整理是导致大气 CO2含量增加的重要结论。各国学者开展了生物群落层次上的自然生态系统研究,如森林生态系 统和草地生态系统4等,认为“还林还草”活动可以有效增加碳吸收,而森林的“碳失汇”过程 及草地和森林转化为农田等过程也间接增加了碳排放。这些研究识别了不同自然生态系统的属性差异 为城市尺度的硏究奠定了基础。随着硏究技术的发展,城市尺度碳收支的核算从实地调查、资料收集估 算,发展为结合经验数据的模型模拟,以及3S技术遥感估算。为了实现不同的研究目的,研究 者采用多手段多技术结合的方式使城市尺度的碳收支估算更加准确,如模型与遥感结合,实地调查和模 型模拟结合的、实地调查和遥感结合估算碳通量。 从土地利用/覆盖变化角度开展城市碳代谢过程研究需承接城市尺度的碳收支核算工作,如一些学者 采用实地调査和模型结合的方式核算了碳代谢过程,并关注了土地利用/覆盖变化中碳存量增加和减少的过 程。城市碳代谢过程与土地利用/覆被变化的关系研究结合了城市代谢的思想,更加注重诊断“代谢障 碍”,治愈“代谢疾病”,如街区尺度的可持续城市规划设计,以及针对城市扩张的土地利用/覆盖优化布 局等。相对于群落层次的自然生态系统研究,城市碳代谢过程与土地利用/覆盖变化响应关系的研究还需 http://www.ecologica.en 21994-2017ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
http: / /www．ecologica．cn 北京城市碳代谢网络分析与模拟研究中，初次将不同属性的自然代谢主体( 林地、草地等) 纳入到生态网络模 型中，并指出不同自然代谢主体对流量、关系结构的贡献都存在差异，但目前对自然主体参与碳代谢过程的研 究还相对粗略，同时，由于数据的高度聚合也给不同社会经济活动的空间映射研究带来一定的困难，从而导致 碳代谢过程的空间分析并不充分。 图 2 生态网络分析方法及在城市碳代谢研究中应用［18，26，31-32］ Fig．2 Application of ecological analysis in urban carbon metabolism 3 碳代谢过程与土地利用/覆盖变化响应关系 土地利用/覆盖变化对碳生物地球化学循环过程的影响已成为仅次于化石能源燃烧的第二大因素，通过 土地利用/覆盖变化调整来促进区域低碳发展已成为世界各国研究的重点［33］。城市作为碳排放的重点地区， 约有 1 /3 碳排放来自于土地利用变化［8］，因此，从土地利用/覆盖角度探讨城市碳代谢过程的研究可有效指导 城市规划和设计的实践［34］。 国外学术界早在 1977 年便开始了 LUCC 与陆地生态系统碳循环的关系研究，得出土地整理是导致大气 CO2含量增加的重要结论［35］。各国学者开展了生物群落层次上的自然生态系统研究［36-38］，如森林生态系 统［39-40］和草地生态系统［41-42］等，认为“还林还草”活动可以有效增加碳吸收，而森林的“碳失汇”过程［43-44］，以 及草地和森林转化为农田［45］等过程也间接增加了碳排放。这些研究识别了不同自然生态系统的属性差异， 为城市尺度的研究奠定了基础。随着研究技术的发展，城市尺度碳收支的核算从实地调查、资料收集估 算［46-47］，发展为结合经验数据的模型模拟［48-49］，以及 3S 技术遥感估算［50-51］。为了实现不同的研究目的，研究 者采用多手段多技术结合的方式使城市尺度的碳收支估算更加准确，如模型与遥感结合［52-53］，实地调查和模 型模拟结合［54-55］、实地调查和遥感结合［56-57］估算碳通量。 从土地利用/覆盖变化角度开展城市碳代谢过程研究需承接城市尺度的碳收支核算工作［12］，如一些学者 采用实地调查和模型结合的方式核算了碳代谢过程，并关注了土地利用/覆盖变化中碳存量增加和减少的过 程［58］。城市碳代谢过程与土地利用/覆被变化的关系研究结合了城市代谢的思想，更加注重诊断“代谢障 碍”，治愈“代谢疾病”，如街区尺度的可持续城市规划设计［59］，以及针对城市扩张的土地利用/覆盖优化布 局［56］等。相对于群落层次的自然生态系统研究，城市碳代谢过程与土地利用/覆盖变化响应关系的研究还需 12 期 夏琳琳 等: 城市碳代谢过程研究进展 4271
4272 生态学报 考虑到社会经济活动对城市碳代谢过程的影响,包括人工管理活动增加植被碳吸收能力,人类干扰造成自 然组分的减少圓以及自然景观的破碎化6。从土地利用/覆盖变化角度探求碳代谢过程的动态变化规律 的研究示意图见图3,在该理论框架下,分析自然和社会经济代谢活动与土地过程之间的胁迫与响应关系将 是未来研究的重点 草甸 河流 服务业 变化 制造业 t、自然和社会代谢流映射至土地利用/灌盖类型 , 工业 图3城市碳代谢与土地利用/覆盖变化响应关系分析示意图,3 Fig3 The corresponds between urban cabon metabolism and land use/cover change 4碳代谢过程的空间格局 碳代谢过程空间格局的研究现状,应用与发展见图4。随着城市结构在减缓碳排放方面的作用日益重 要,研究者开始进行碳收支的空间分异研究0。城市化导致了土地利用/覆盖变化,进而形成了复杂的城 市空间结构,并通过自然植被的破碎化影响着城市环境,导致了碳收支的空间差异。不同城市之 间,城市内不同区域之间都存在显著的碳收支分布格局差异。不同城市的碳排放贡献定量核算表明,中国和 亚洲等地的城市表现为碳源,而其他区域正在或将由碳源转变为碳汇匈,而不同城市林地的碳汇核算表明碳 吸收空间分布也存在差异,以美国城市为例,其中北部、西北部城市碳汇较大,而西北部城市碳汇则较 小圆。就城市内部而言,研究者根据自然组分的变化确定碳通量差异,将城市不同区域划分为绿地区、贫民 区和建成区。还有学者以城市中心为标尺分析碳排放和碳吸收的空间格局差异,即距离城市中心越近碳 排放越大,碳吸收越小ˉ。在以上研究基础上,有学者从代谢视角展开空间格局研究,发现碳代谢过程的空 间格局呈现出相似的特性,即显著的空间梯级变化特性,如 Helsinki的碳吸收在空间上呈现多中心梯级递 减阅,北京城市碳代谢过程研究同样显示出较为显著的空间梯级变化,碳排放呈现单中心梯级递减,碳吸收 则呈现多中心梯级递减2 碳收支空间格局的硏究通常以碳核算为基础,且基于不同核算方法,碳收支的空间表达方式也存在差异 通过遥感数据反演地表碳排放浓度以及碳存量的空间分布较为常见,该方法依赖于所能获得的遥感数 据精度。而在核算的基础上结合GIS技术对确定边界内碳排放和碳吸收进行赋值的空间表达方法可操 作性较强,但对空间格局的细节特征表征不足。一些学者基于碳收支空间梯度研究,结合决策系统,识别适合 http://www.ecologica.en 21994-2017ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
http: / /www．ecologica．cn 考虑到社会经济活动对城市碳代谢过程的影响，包括人工管理活动增加植被碳吸收能力［60］，人类干扰造成自 然组分的减少［61］以及自然景观的破碎化［4，62］。从土地利用/覆盖变化角度探求碳代谢过程的动态变化规律 的研究示意图见图 3，在该理论框架下，分析自然和社会经济代谢活动与土地过程之间的胁迫与响应关系将 是未来研究的重点。 图 3 城市碳代谢与土地利用/覆盖变化响应关系分析示意图［9，32］ Fig．3 The corresponds between urban cabon metabolism and land use /cover change 4 碳代谢过程的空间格局 碳代谢过程空间格局的研究现状，应用与发展见图 4。随着城市结构在减缓碳排放方面的作用日益重 要，研究者开始进行碳收支的空间分异研究［63-64］。城市化导致了土地利用/覆盖变化，进而形成了复杂的城 市空间结构［65］，并通过自然植被的破碎化影响着城市环境［66］，导致了碳收支的空间差异［67］。不同城市之 间，城市内不同区域之间都存在显著的碳收支分布格局差异。不同城市的碳排放贡献定量核算表明，中国和 亚洲等地的城市表现为碳源，而其他区域正在或将由碳源转变为碳汇［55］，而不同城市林地的碳汇核算表明碳 吸收空间分布也存在差异［64］，以美国城市为例，其中北部、西北部城市碳汇较大，而西北部城市碳汇则较 小［68］。就城市内部而言，研究者根据自然组分的变化确定碳通量差异，将城市不同区域划分为绿地区、贫民 区和建成区［69］。还有学者以城市中心为标尺分析碳排放和碳吸收的空间格局差异，即距离城市中心越近碳 排放越大，碳吸收越小［70］。在以上研究基础上，有学者从代谢视角展开空间格局研究，发现碳代谢过程的空 间格局呈现出相似的特性，即显著的空间梯级变化特性，如 Helsinki 的碳吸收在空间上呈现多中心梯级递 减［56］，北京城市碳代谢过程研究同样显示出较为显著的空间梯级变化，碳排放呈现单中心梯级递减，碳吸收 则呈现多中心梯级递减［32］。 碳收支空间格局的研究通常以碳核算为基础，且基于不同核算方法，碳收支的空间表达方式也存在差异。 通过遥感数据反演地表碳排放浓度［71］以及碳存量的空间分布［72］较为常见，该方法依赖于所能获得的遥感数 据精度。而在核算的基础上结合 GIS 技术对确定边界内碳排放和碳吸收［73-76］进行赋值的空间表达方法可操 作性较强，但对空间格局的细节特征表征不足。一些学者基于碳收支空间梯度研究，结合决策系统，识别适合 4272 生 态 学 报 37 卷
期 夏琳琳等:城市碳代谢过程研究进展 4273 城市发展的最佳策略,如对芬兰首都 Helsinki而言,区域保护主义的发展策略由于建设用地扩张较少,因此 对碳代谢格局的影响最小,而对于英国首都 London而言,区域融合式的高效发展有助于提高区域植被 覆盖 目前,相关硏究成果更加倾向于将碳排放/碳吸收空间分布作为环境表现的指标,评价不同城市发展策略 对碳代谢空间格局的影响,不能很好地服务于政策制定。因此,未来硏究应当更加注重碳代谢主体之间关系、 结构的空间解析,为城市空间调控提供关键信息,支持城市生态空间优化与管理 碳代 2000 时间序列的空间格局演进 碳代 应用 Alterative 2 裔審 分解者 次级消 归趋 直接流量 生态层阶 城市碳代谢系统內部功能和组织结构的空间渢进 图4碳代谢过程空间格局研究的现状、应用与发展 Fig4 Spatial pattern of carbon metabolism: current status, applications and prospects 5未来研究方向 构建和谐有效的城市生态网络已然成为实现碳减排目标、开展城市生态规划与设计的重要任务。当 前城市碳代谢过程研究大多通过不同部门消耗的物质能源量来指导城市设计,而基于网络思维所构建的 城市生态网络着眼于路径中“流”的核算,但还无法实现空间的直观表达,从而不能对城市空间进行方向和幅 度的调整。而景观生态网络硏究虽能够在空间上判定可能路径,但无法确定真正的流量与流向,不能量化描 述城市碳代谢过程网。两类生态网络的研究各有侧重,前者倾向描述社会经济活动,后者则描述自然活动, 结合两者开发城市碳代谢过程空间网络模型将是未来研究的重点。针对当前城市碳代谢过程网络分析强调 社会经济节点的现状,突出自然节点的贡献,将自然和社会经济活动等代谢主体置于网络中同等重要的位置, 充分考虑社会经济活动对自然节点的影响,以及自然节点对社会经济节点的资源供给与废物接纳作用,全面 实现碳代谢过程结构-功能格局的定量模拟与调控。同时,为了赋予网络空间属性,将空间维度信息加入网 络,基于土地流转,将碳排放/碳吸收等垂直流映射到碳存量变化的水平流,以“存量”变化推导出网络“流量” http://www.ecologica.en 21994-2017ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
http: / /www．ecologica．cn 城市发展的最佳策略，如对芬兰首都 Helsinki ［56］而言，区域保护主义的发展策略由于建设用地扩张较少，因此 对碳代谢格局的影响最小，而对于英国首都 London 而言，区域融合式的高效发展有助于提高区域植被 覆盖［57］。 目前，相关研究成果更加倾向于将碳排放/碳吸收空间分布作为环境表现的指标，评价不同城市发展策略 对碳代谢空间格局的影响，不能很好地服务于政策制定。因此，未来研究应当更加注重碳代谢主体之间关系、 结构的空间解析，为城市空间调控提供关键信息，支持城市生态空间优化与管理。 图 4 碳代谢过程空间格局研究的现状、应用与发展［32，56］ Fig．4 Spatial pattern of carbon metabolism: current status，applications and prospects 5 未来研究方向 构建和谐有效的城市生态网络已然成为实现碳减排目标、开展城市生态规划与设计的重要任务［77］。当 前城市碳代谢过程研究大多通过不同部门消耗的物质能源量来指导城市设计［9］，而基于网络思维所构建的 城市生态网络着眼于路径中“流”的核算，但还无法实现空间的直观表达，从而不能对城市空间进行方向和幅 度的调整。而景观生态网络研究虽能够在空间上判定可能路径，但无法确定真正的流量与流向，不能量化描 述城市碳代谢过程［78］。两类生态网络的研究各有侧重，前者倾向描述社会经济活动，后者则描述自然活动， 结合两者开发城市碳代谢过程空间网络模型将是未来研究的重点。针对当前城市碳代谢过程网络分析强调 社会经济节点的现状，突出自然节点的贡献，将自然和社会经济活动等代谢主体置于网络中同等重要的位置， 充分考虑社会经济活动对自然节点的影响，以及自然节点对社会经济节点的资源供给与废物接纳作用，全面 实现碳代谢过程结构-功能-格局的定量模拟与调控。同时，为了赋予网络空间属性，将空间维度信息加入网 络，基于土地流转，将碳排放/碳吸收等垂直流映射到碳存量变化的水平流，以“存量”变化推导出网络“流量” 12 期 夏琳琳 等: 城市碳代谢过程研究进展 4273
分布,实现节点、流互动关系的空间表达,最终构建时空维度碳代谢网络模型。在城市尺度上构建链接人工组 分和自然组分的碳代谢空间网络,通过控制关键代谢过程的空间整合优化城市空间格局网 碳流 V5() V2 vI(I+ G 图5碳代谢过程的空间网络模型 Fig. 5 The conceptual model of a city s spatial carbon metabolism network F1:有林地;r:灌木林地;F3:疏林地;F4:其他林地;Gl:高覆盖草地;G2:中覆盖草地;C3:低覆盖草地;wl:河流;w2:水库;W3:湿地;U:城 镇;R:农村:T交通工矿;B1:沙地;B2:裸地;B3:裸岩石质地;C1:水田:C2:旱地V1-V8为大气圈与生物圈之间的碳交换过程,黄色虚线为 生物圈中碳转移过程 参考文献( References) [1] Wolman A. The metabolism of cities. Scientific American, 1965, 213(3): 179-190 [2] Sovacool B K, Brown M A. Twelve metropolitan carbon footprints: a preliminary comparative global assessment. Energy Policy, 2009, 38(9) [3] Karakiewicz J. Urban metabolism of low carbon cities// The 47th ISOCARP Congress. Intemational Society of City and Regional Planners (ISOCARP)and Urban Planning Society of China(UPSC). Wuhan, China: UPSC, 2011 [4] Pataki D E, Alig R J, Fung N E, Golubiewski N E, Kennedy C A, MePherson E G, Nowak D J, Pouyat R V, Lankao R. Urban ecosystems and the North American carbon cyele Global Change Biology, 2006, 12 (11): 2092-2102 [5] Ayres R U, Kneese A V. Production, consumption and externalities. American Economic Review, 1969, 59(3): 282-297 [6] ICLEL. Cities for Climate Protection. An International Campaign to Reduce Urban Emissions of Greenhouse Gases. Toronto: ICLEl, 1993 [7]Wri/wBcsD.GreenhouseGasProtocol1998.http://www.ghgprotocol.org/about-ghgp/about-wriand-wbesd. [8]IpCc.IpcCGuidelinesfornAtionalGreenhousegaSInventories.2006.http://www.ipccnggip.igesorjp/public/2006gl/. [9] Kennedy C, Steinberger J, Gasson B, Hansen Y, Hillman T, Havrinek M, Pataki D, Phdungsilp A, Ramaswami A, MendezG V. Methodology for inventorying greenhouse gas oicy,2010,38(9):4828-4837 [10] Villalba G, Gemechu E D. Estimating GHG emissions of marine ports he case of Barcelona. Energy Policy, 2011, 39(3):1363-1368 [11] Ye H, Wang K, Zhao X F, Chen F, Li X Q, Pan L Y. Relationship between construction characteristics and carbon emissions from urban household operational energy usage. Energy and Buildings, 2011, 43(1):147-152. [12] Baccini P. Understanding regional metabolism for a sustainable development of urban systems. Environmental Management Strategies, 1996, 3(2) l08-111. [13] Kellett R, Christen A, Coops N C, Van Der Laan M, Crawford B, Tooke T R, Olchowski I. A systems approach to carbon cycling and emissions modeling at an urban neighborhood scale. Landscape and Urban Planning, 2013, 110: 48-58 [14] Zhang Y, Li J, Fath B D, Zheng H M, Xia L L. Analysis of urban carbon metabolic processes and a description of sectoral characteristics: A study of Beijing. Ecological Modelling, 2015, 316: 144-154 [15] Chen S Q, Chen B. Network environ perspective for urban metabolism and carbon emissions: a case study of Vienna, Austria. Environmental Science Technology, 2012, 46(8): 4498-4506 http://www.ecologica.en 21994-2017ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
http: / /www．ecologica．cn 分布，实现节点、流互动关系的空间表达，最终构建时空维度碳代谢网络模型。在城市尺度上构建链接人工组 分和自然组分的碳代谢空间网络，通过控制关键代谢过程的空间整合优化城市空间格局［79］。 图 5 碳代谢过程的空间网络模型 Fig．5 The conceptual model of a city's spatial carbon metabolism network F1: 有林地; F2: 灌木林地; F3: 疏林地; F4: 其他林地; G1: 高覆盖草地; G2: 中覆盖草地; G3: 低覆盖草地; W1: 河流; W2: 水库; W3: 湿地; U: 城 镇; Ｒ: 农村; T 交通工矿; B1: 沙地; B2: 裸地; B3: 裸岩石质地; C1: 水田; C2: 旱地 V1—V8 为大气圈与生物圈之间的碳交换过程，黄色虚线为 生物圈中碳转移过程 参考文献( Ｒeferences) : ［1］ Wolman A． The metabolism of cities． Scientific American，1965，213( 3) : 179-190． ［2］ Sovacool B K，Brown M A． Twelve metropolitan carbon footprints: a preliminary comparative global assessment． Energy Policy，2009，38( 9) : 4856-4869． ［3］ Karakiewicz J． Urban metabolism of low carbon cities/ /The 47th ISOCAＲP Congress． International Society of City and Ｒegional Planners ( ISOCAＲP) and Urban Planning Society of China ( UPSC) ． Wuhan，China: UPSC，2011． ［4］ Pataki D E，Alig Ｒ J，Fung N E，Golubiewski N E，Kennedy C A，McPherson E G，Nowak D J，Pouyat Ｒ V，Lankao Ｒ． Urban ecosystems and the North American carbon cycle． Global Change Biology，2006，12( 11) : 2092-2102． ［5］ Ayres Ｒ U，Kneese A V． Production，consumption and externalities． American Economic Ｒeview，1969，59( 3) : 282-297． ［6］ ICLEI． Cities for Climate Protection． An International Campaign to Ｒeduce Urban Emissions of Greenhouse Gases． Toronto: ICLEI，1993． ［7］ WＲI/WBCSD． Greenhouse Gas Protocol． 1998． http: / /www．ghgprotocol．org /about-ghgp /about-wri-and-wbcsd． ［8］ IPCC． IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories． 2006． http: / /www．ipcc-nggip．iges．or．jp /public /2006gl /． ［9］ Kennedy C，Steinberger J，Gasson B，Hansen Y，Hillman T，Havránek M，Pataki D，Phdungsilp A，Ｒamaswami A，Mendez G V． Methodology for inventorying greenhouse gas emissions from global cities． Energy Policy，2010，38( 9) : 4828-4837． ［10］ Villalba G，Gemechu E D． Estimating GHG emissions of marine ports-the case of Barcelona． Energy Policy，2011，39( 3) : 1363-1368． ［11］ Ye H，Wang K，Zhao X F，Chen F，Li X Q，Pan L Y． Ｒelationship between construction characteristics and carbon emissions from urban household operational energy usage． Energy and Buildings，2011，43( 1) : 147-152． ［12］ Baccini P． Understanding regional metabolism for a sustainable development of urban systems． Environmental Management Strategies，1996，3( 2) : 108-111． ［13］ Kellett Ｒ，Christen A，Coops N C，Van Der Laan M，Crawford B，Tooke T Ｒ，Olchovski I． A systems approach to carbon cycling and emissions modeling at an urban neighborhood scale． Landscape and Urban Planning，2013，110: 48-58． ［14］ Zhang Y，Li J，Fath B D，Zheng H M，Xia L L． Analysis of urban carbon metabolic processes and a description of sectoral characteristics: A case study of Beijing． Ecological Modelling，2015，316: 144-154． ［15］ Chen S Q，Chen B． Network environ perspective for urban metabolism and carbon emissions: a case study of Vienna，Austria． Environmental Science Technology，2012，46( 8) : 4498-4506． 4274 生 态 学 报 37 卷
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