城市化过程中土地利用变化对城市化地区生态系统碳循环的影响研究-以深圳市为例

Dramatic land use/cover change driven by rapid urbanization in China has caused significant impact on carbon balance of terrestrial ecosystem in urbanized areas. Studies on this topic can not only help to enrich our understanding about carbon cycle of terrestrial ecosystems in urbanized areas but also help to inform the national strategy of building low-carbon cities. Within this context, we study land use change in urbanized areas and its impact on carbon balance of terrestrial ecosystems from the perspective of urban social-ecological systems, we will do integrated analysis and modeling of the socioeconomic processes and ecological processes and their interactions, which are related to carbon balance of terrestrial ecosystems. We focus on both theoretical research and case studies. First, using Shenzhen as a case study, we will first model the impact of land use change on carbon balance of terrestrial ecosystems based on historical land use/cover data interpreted from remote sensing images. Second, we will focus on the change of urban residential space in Shenzhen and its driving forces. Using the Nanshan District of Shenzhen as a study site, we will build agent-based models of residential growth based on social surveys and other empirical data. Finally, we will couple the agent-based model of residential growth and the ecological model of carbon cycle to model urban residential growth and its impact on carbon balance of terrestrial ecosystems in urbanized areas under different policy scenarios.

我国快速城市化引起的大规模土地利用/覆被变化对城市化地区生态系统的碳循环产生了强烈的影响。对该问题的研究既可以增进对城市化地区生态系统碳循环的理解，也可以为国家低碳城市建设提供理论基础。本研究从城市社会－生态耦合系统的角度来研究土地利用变化对生态系统碳平衡的影响，将对影响城市化地区生态系统碳平衡的社会经济过程、生态过程及其相互作用做综合的分析与模拟。理论研究与实证研究并重。首先，以深圳市为例，基于遥感解译的土地利用/覆被数据等，通过参数校正后的生态模型模拟深圳市宏观土地利用变化对生态系统碳平衡的影响。其次，重点分析深圳市城市居住用地演变的时空特征和宏观驱动因素；以深圳市南山区为例，基于社会调查等经验数据，建立城市居住用地演变微观过程的智能体模型。最后，构建模拟居住用地演变的智能体模型与模拟碳循环的生态模型的耦合模型，分析不同政策情境下居住用地演变的特征及其对城市化地区生态系统碳平衡的影响。

随着全球城市化的演进，城市在全球碳循环中的作用不可忽视。我国快速城市化引起的土地利用变化对城市生态系统碳循环产生了强烈地影响。目前国际上关于城市化背景下城市生态系统碳循环的研究刚起步，对城市生态系统碳循环的观测与模拟的工作需要深入开展。本研究从城市“社会-经济-自然”复合生态系统的角度来研究我国快速城市化的典型城市-深圳市过去三十年城市化引起的环境变化对城市生态系统碳循环的影响。首先，通过解译历史时期的遥感图像得到的土地利用图、植被和土壤生态采样和生态模型建模，研究了深圳市快速城市化引起的土地利用变化对城市生态系统碳循环的影响；其次，通过收集宏观的社会经济数据和社会调查访谈，以及建立统计模型和智能体模型，研究了深圳市土地利用变化的宏观驱动因素与微观社会经济机制；最后，通过建立智能体模型与生态模型的耦合模型，动态模拟了不同情景下研究区城市化过程引起的土地利用变化对城市生态系统碳循环的影响。本研究建立了深圳市从1986年到2015年7个时期的土地利用数据库，并且结合植被和土壤碳密度野外调查和文献调研，建立了这个7个时期的深圳市植被和土壤的碳密度数据库。本研究的主要结论如下：（1）1986-2015年间，深圳市城市化引起的生态系统碳储量的变化大致经历了三个阶段，即生态系统碳储量的缓慢减少期、快速减少期和缓慢恢复期；（2）研究区城市化引起的土地利用变化对生态系统碳动态的影响是其它因素的组合效果的2倍以上；（3）研究区城市生态系统碳储量恢复到城市化之初的状况需要经历60-80年的时间；（4）城市化过程中地方政府的生态保护策略、土地市场的价格机制以及城市植被的管理行为在减少城市化对城市生态系统碳循环的负面影响以及恢复增加生态系统碳储量方面具有重要的作用。以上对城市复合生态系统碳循环相关科学问题的研究可以增进对城市在全球碳循环中作用的理解，也可以为国家低碳城市建设提供科学依据。