深圳市快速城市化對城市生態系統碳動態的影響研究

閆涓濤，王鈞*，魯順子，曾輝,

1. 北京大學深圳研究生院，廣東 深圳 518055；2. 北京大學城市與環境學院，北京 100871

深圳市快速城市化對城市生態系統碳動態的影響研究

閆涓濤1，王鈞1*，魯順子1，曾輝1,2

1. 北京大學深圳研究生院，廣東 深圳 518055；2. 北京大學城市與環境學院，北京 100871

城市化已成為全球土地覆被變化的主要驅動因素之一。城市化及其引起的土地覆被變化對城市生態系統碳動態具有重要的影響。以快速城市化的典型區域——深圳市為例，采用遙感影像解譯與實地生態調查相結合的方法，研究了1986—2015年間城市化引起的土地覆被變化對城市生態系統碳密度和碳儲量的影響，旨在加深對城市生態系統碳循環的認知，為城市生態系統碳管理提供科學依據。研究結果顯示，（1）研究區城市化過程中土地覆被變化的主要特征是建設用地的急劇擴張。林地、耕地、園地等在面積減少的同時，景觀趨于破碎化。（2）研究區植被和土壤的碳密度呈現出明顯的空間異質性。研究時段內，植被和土壤的平均碳密度分別減少了約5.1 t?hm-2、11.8 t?hm-2。（3）研究區城市生態系統碳儲量的變化大致經歷了3個階段：城市化“初始期”以自然植被和農業用地為主的高碳儲量期；城市化“加速期”建設用地快速擴張帶來的城市生態系統碳儲量急劇下降；城市化“穩定期”城市生態系統碳儲量逐漸恢復。（4）研究時段內土地覆被變化造成研究區城市生態系統約16.8 t?hm-2的碳損失，占城市生態系統碳儲量的37.7%。雖然城市化總體上導致了城市生態系統碳密度和碳儲量的減少，但通過適當的城市植被與土壤的碳管理措施可以使城市生態系統碳庫逐漸得到恢復。

城市化；土地覆被變化；城市生態系統碳動態；深圳市

世界城市人口已從1900年的2.24億上升到2000年的29億。2011年有超過50%的世界人口生活在城市，到2050年該比例預計達到70%（UNFPA，2009）。城市化改變了城市生態系統的結構與功能，也改變了城市及其周圍地區的土地覆被類型（Raciti et al.，2014）。到2030年，全球城市建設用地面積將是2000年的3倍左右（Seto et al.，2012）。雖然城市地區僅占地球表面的很小一部分（約0.2%~3.0%）（Schneider et al.，2010），但城市化已成為全球環境變化的主導因素之一（Grimm et al.，2008；Imhoff et al.，2004）。已有研究表明，城市化及其引起的土地覆被變化會影響城市生態系統碳儲量變化（Hutyra et al.，2011），改變區域生物地球化學循環（Pataki et al.，2006），并影響微氣象和區域氣候（Zhou et al.，2011）。

城市化引起的環境因素的變化（例如建設用地的擴張、CO2濃度上升、氮沉降、熱島效應、人工植被管理等）顯著地改變了城市生態系統的碳庫（Daniel et al.，2013）。其中，建設用地擴張和熱島效應會導致城市碳儲量下降（Pouyat et al.，2003；Pouyat et al.，2006）。CO2濃度上升、氮沉降和人工植被管理都將提高植被碳固定速率從而導致碳儲量增加（Daniel et al.，2013；Nowak et al.，2002；Zhang et al.，2014）。但城市化引起的環境變化中土地覆被變化對城市生態系統碳庫的影響最為顯著（Zhang et al.，2014）。盡管城市化引起的環境因素的變化對城市生態系統碳動態影響較為顯著，但是由于城市景觀類型與空間組成較為復雜，城市生態系統碳動態研究面臨著很大的挑戰。例如，城市不同土地覆被類型碳密度隨時間變化動態的實測數據缺乏（Daniel et al.，2013）；影響城市生態系統碳動態的眾多因素及其相互作用難以量化（Zhang et al.，2014）；該方面的研究方法（包括模型測算、遙感估算和實地采樣等）也存在較大不確定性（Yan et al.，2015；Zhang et al.，2012）。

本文以中國快速城市化的典型區域——深圳市為例，首先通過解譯歷史時期的遙感影像，研究過去30年（1986—2015）深圳市城市化過程中土地覆被與景觀格局的時空變化特征；其次，通過野外生態調查與文獻調研的方法建立了深圳市主要土地覆被類型的植被與土壤碳密度數據庫，并在此基礎上分析了土地覆被變化對城市生態系統碳動態的影響；最后，討論了深圳市城市生態系統碳庫管理的有效措施。

1 研究區概況

深圳市屬南亞熱帶海洋性季風氣候，年平均溫度為22.4 ℃，年均降雨量1948 mm，代表性植被類型為熱帶常綠季雨林和南亞熱帶常綠闊葉林，典型的土壤類型為赤紅壤。深圳市在過去30年間經歷了從以農業景觀和自然植被為主到以建設用地和人工生態用地為主的城市化過程。因而，該地區是研究城市化對城市生態系統碳動態影響的典型區域。

2 研究方法

2.1 土地覆被類型遙感解譯

本文采用美國地質調查局提供的30 m分辨率的陸地衛星遙感影像數據（https://earthexplorer. usgs.gov/），其中包括6期Landsat TM5數據（1986年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年）和1期Landsat 8數據（2015年）。根據對研究區植被與土壤碳密度的初步分析，本研究設定的遙感圖像的分類體系為林地、園地、耕地、城市綠地、水體、灘涂、建設用地、未利用地8種。采用高空間分辨率遙感數據結合實地調查的方法，對7個時間點的遙感影像逐期進行了解譯與結果驗證。分類結果表明所有時期的分類精度均高于85%，處于可接受的水平。

2.2 植被與土壤碳密度值確定

本研究中植被碳密度值主要來自文獻調研與實地補充測量。其中，自然植被（包括林地、園地、耕地）的碳密度主要采用了深圳市森林資源二類調查資料計算所得數據（劉偉玲等，2012），城市綠地的碳密度主要采用了廣州建成區綠地平均碳密度值（史琰，2013），耕地的碳密度主要采用了珠江三角洲地區農田平均碳密度值（朱苑維等，2013）。在文獻調研的基礎上，選擇有代表性的樣地進行實地測量并計算了不同土地覆被類型的碳密度，計算結果與文獻相近。

土壤碳密度值主要來自實地采樣與文獻調研。土壤樣品采集主要在2016年4—5月間進行，覆蓋了除水體外的所有土地覆被類型。每個類型各選取10個樣地（2 m×2 m），在每個樣地內采用梅花布點法（選擇5個樣點）用土鉆在每點按0~10、10~20、 20~30 cm分層采集表層土壤樣品。將樣品分層混合，經風干、去根、研磨等處理后，用TOC測定儀（multi N/C 3100 TOC，德國耶拿公司）測定其碳含量。土壤容重用環刀（100 cm3）測定。在此基礎上，用式（1）計算各層土壤碳密度，土壤表層總碳密度為各層碳密度的加和。

式中，D為有機碳密度（kg?m-2）；C為有機碳含量（g?kg-1）；β為土壤密度（g?cm-3）；H為土層厚度（cm）。

2.3 景觀格局動態的量算

基于研究區7個時期土地覆被遙感解譯的結果，本研究選取斑塊數量（NP）、最大斑塊指數（LPI）、景觀形狀指數（LSI）、蔓延度指數（CONTAG）和多樣性指數（SHDI）5個指標進一步量化土地覆被變化的空間特性。由于這些指標都是常用的景觀格局指數，故其計算公式不再詳述。研究區景觀格局的計算運用Fragstats 4.2軟件。

3 結果與分析

3.1 城市化過程中土地覆被與景觀格局的變化

3.1.1 土地覆被變化特征

研究時段內深圳市建設用地與城市綠地面積顯著增加（建設用地t=15.994，P=0.000；城市綠地t=16.127，P=0.000）（圖1a）。其他土地覆被類型的面積整體呈下降趨勢（圖1b）。研究時段內，城市建設用地面積占比從1986年的2.1%上升到2015年的46.9%；城市綠地面積占比從0.2%上升至8.9%；耕地、林地、園地、灘涂、水體和未利用地面積占比分別下降了29.8%、14.2%、4.9%、2.1%、1.7%和0.9%。

1986—1990年，深圳市處于城市化“初始期”，除耕地和水體外，其他土地覆被類型面積均有小幅增加，土地覆被以林地、園地和耕地為主（占總面積80.5%~87.5%）；1990—2005年，深圳市在全市內進行大規模開發，屬于城市化“加速期”，建設用地和城市綠地面積急速擴張，大規模占用林地、耕地、灘涂和水體，未利用地面積占比也大幅上升，土地覆被以建設用地、林地、園地及未利用地為主（占總面積82.9%~87.7%）；2005年之后，深圳市城市整體格局基本定型，建設用地擴張逐步放緩，總體呈現出建成區密度上升且集中連片分布的特征，同時城市綠地的保護和建設也有所加強，城市化發展進入“穩定期”。該時期土地覆被以建設用地、林地、園地及城市綠地為主（占總面積91.9%~94.3%）?？傮w來看，深圳市土地覆被格局經歷了從以農林景觀為主向以城市景觀為主的變化過程。從空間上看，深圳市的建設用地從羅湖區開始向周邊急劇擴張，大面積替換原始土地覆被類型（圖2）。到2015年，僅南山區中北部、福田區北部、鹽田區和大鵬新區等地因山地條件所限保留穩定的自然植被覆蓋，其余大部分地區均已轉化為城市建設用地。

圖1 深圳市1986—2015年各土地類型面積變化過程（以1986年為參照求算比例制圖）Fig. 1 The change of land area from 1986 to 2015 in Shenzhen (vertical coordinates for the current area/1986 area)

3.1.2 土地覆被的景觀格局變化

在本研究時段內深圳市城市景觀格局整體上呈破碎化趨勢（圖3a）。與1986年相比，2015年研究區景觀斑塊數量、最大斑塊指數、景觀形狀指數分別增加了23.5%、23.9%和24.4%。景觀的破碎化程度及形狀的復雜程度增大。蔓延度指數和多樣性指數變化不大，景觀的豐富度及優勢斑塊類型的連接性基本穩定。

研究時段內建設用地和城市綠地的斑塊數量、最大斑塊指數均上升，斑塊的連通性增大。林地的斑塊數量雖略有上升，但其斑塊大小急劇下降。2015年林地的最大斑塊指數不到1986年的30%，破碎化程度較高。同時，耕地、園地、灘涂和水體的斑塊數量和斑塊大小也明顯下降，呈現出不同程度的景觀破碎化（圖3b、c）。此外，除耕地和灘涂外，其他所有土地覆被類型的形狀復雜程度均增大（圖3d）?？傮w來看，深圳市建設用地、城市綠地的斑塊連接性和形狀復雜程度增大；耕地和灘涂的破碎化程度增大，但形狀復雜程度降低；林地、園地、水體的破碎化程度及形狀復雜程度均增大。

圖2 深圳市1986—2015年土地覆被變化圖（去除水體）Fig. 2 The change of land covers from 1986 to 2015 in Shenzhen (except water)

圖3 典型景觀格局指數變化圖：（a）城市總體的景觀格局指數變化，包括斑塊數量（NP）、最大斑塊指數（LPI）、景觀形狀指數（LSI）、蔓延度指數（CONTAG）和多樣性指數（SHDI）；（b）不同土地覆被類型的斑塊數量（NP）變化；（c）不同土地覆被類型的最大斑塊指數（LPI）變化；（d）不同土地覆被類型的景觀形狀指數（LSI）變化Fig. 3 Change of number of patch (NP), largest patch index (LPI), landscape shape index (LSI), contagion index (CONTAG) and Shannon diversity index (SHDI) values of all land cover types (a); and NP (b), LPI (c), LSI (d) of each land cover types in Shenzhen from 1986 to 2015

3.2 城市生態系統碳密度和碳儲量及其空間分布格局的變化特征

3.2.1 不同土地覆被類型的碳密度

深圳市各土地覆被類型的植被碳密度由大到小的順序為林地、城市綠地、園地、灘涂和耕地；土壤碳密度由大到小的順序為灘涂、林地、城市綠地、園地、耕地、建設用地和未利用地；城市生態系統總碳密度由大到小的順序為林地、灘涂、城市綠地、園地、耕地、建設用地和未利用地。詳見表1。

3.2.2 植被和土壤的碳密度和碳儲量及其空間分布格局

（1）碳密度及其空間分布格局的變化特征

研究期內深圳市植被和土壤碳密度均發生了顯著的改變，而且呈現出明顯的空間異質性（圖4、圖5）。單位面積植被和土壤平均碳密度分別損失約5.1 t?hm-2、11.8 t?hm-2。其中，2000—2005年植被和土壤的碳密度損失幅度最大，分別占總損失量的89.6%和67.0%。從空間格局來看，城市化初始期（1986—1990年）植被和土壤碳密度空間格局基本保持穩定；1990—2005年，植被和土壤的高、中碳密度區均大幅減少，而以建設用地為主的低碳密度區增加明顯，其中西部和北部地區變化最為劇烈；2005—2015年，深圳市整體格局基本定型，僅鹽田區和大鵬新區的植被和土壤高碳密度區降幅較為明顯。

表1 深圳市植被和土壤碳密度參數表Table 1 Carbon density of vegetation and soil in Shenzhen

圖4 深圳市1986—2015年植被碳密度時空分布動態圖Fig. 4 Temporal and Spatial Dynamics of vegetation carbon density from 1986 to 2015 in Shenzhen

圖5 深圳市1986—2015年土壤碳密度時空分布動態圖Fig. 5 Temporal and Spatial Dynamics of soil carbon density from 1986 to 2015 in Shenzhen

（2）研究區域植被和土壤總碳儲量的變化過程

1986—2015年間，深圳市植被和土壤碳儲量均經歷了先少量上升，再大幅下降，最后趨于平穩的3個階段（圖6）。研究發現深圳市總碳儲量中植被與土壤碳儲量約分別占據30%和70%，并且這一比重在城市化過程中基本保持平穩。

圖6 深圳市1986—2015年主要土地覆被類型的植被和土壤碳儲量動態圖：（a）植被碳儲量變化；（b）土壤碳儲量變化Fig. 6 Dynamics of vegetation (a) and soil (b) carbon storage for each land cover types from 1986 to 2015 in Shenzhen

（3）研究區各土地覆被類型植被和土壤碳儲量變化過程

從植被碳儲量變化過程來看，1986—1990年，耕地植被碳儲量減少14.5×104t，林地、灘涂、城市綠地、園地分別增加34.7×104、4.2×104、3.7×104、2.7×104t，植被碳儲量總體上升。主要原因是部分低碳密度的耕地轉換為高碳密度的林地。1990—2005年，減少的植被碳儲量中林地占85.8%、耕地占11.1%、灘涂占3.1%，增加的植被碳儲量中城市綠地占89.4%、園地占10.6%。減少的碳儲量（149.2×104t）是增加的（24.3×104t）6倍，因此導致植被碳儲量出現明顯下降。主要原因是低碳密度的建設用地占用了耕地和林地，植被的碳增長速度遠小于碳損失速度。2005—2015年，城市綠地的植被碳儲量增加約20.1×104t，其余土地類型的植被碳儲量共減少26.9×104t，因此植被碳儲量總體下降，但下降幅度較小。主要原因是城市綠地的高固碳作用有效補償了碳損失，使得城市植被碳儲量逐漸趨于穩定。

從土壤碳儲量變化過程來看，城市化初始期（1986—1990年）和加速期（1990—2005年）的土壤碳儲量變化過程及其主要原因均與植被碳儲量一致。2005—2015年，減少的土壤碳儲量中園地占49.2%，灘涂占24.3%，林地占17.6%，耕地占5.1%，未利用地占3.9%，增加的土壤碳儲量中建設用地占62.0%，城市綠地占38.0%。減少的碳儲量（104.7×104t）高于增加的碳儲量（66.2×104t），因此土壤碳儲量總體減少，但減少幅度較小。主要原因是城市化后仍有一部分碳保存于建設用地土壤中。2015年，深圳市建設用地的土壤碳儲量高于除林地外其他土地類型。

3.2.3 城市生態系統總碳動態

研究期內，深圳市生態系統總碳儲量的變化模式與植被和土壤碳儲量一致。1986—1990年，城市生態系統總碳儲量由1175.5×104t增至1272.6×104t。高碳密度區（65~102 t?hm-2）多分布在山地森林及灘涂地區；中碳密度區（15~65 t?hm-2）廣泛分布于南山、寶安、光明、龍崗等農業地區；低碳密度區（1~15 t C?hm-2）分布在建設最早的羅湖、福田兩區。1990—2005年，總碳儲量急速降至893.2×104t。高碳密度區面積大量減少，僅大鵬和鹽田兩地保存較完好；中碳密度區面積也急劇減少；低碳密度區面積隨著城市開發大規模增加，廣泛分布在深圳市西部和東北部各地區。2005—2015年，總碳儲量緩慢降至847.8×104t，高碳密度區面積進一步減少，中碳密度區面積隨城市綠化建設略有上升，低碳密度區連片集中。

4 討論

4.1 城市化引起的土地覆被變化和景觀格局變化對碳動態的影響

城市生態系統碳動態受城市化前、后的土地覆被類型和景觀格局影響較大。深圳市過去30年間城市化引起的土地覆被變化造成了約1.7 kg?m-2的碳損失，小于美國南部（2.6 kg?m-2）（Zhang et al.，2012）、英國和北愛爾蘭（8±4 kg?m-2）（Cannell et al.，1999）的碳損失。這可能是由于地方政府在城市化快速發展時期，大力加強城市綠地建設和自然植被保護，有效補償了土地覆被變化造成的碳損失。已有研究表明，城市化對生態系統碳動態的總體影響是由土地覆被變化過程中的碳損失與城市化后的碳累積的相對值大小所決定的（Zhang et al.，2012）。城市化后的生態系統碳儲量可通過緩慢累積恢復至原有水平。不同城市受不同的氣候條件、植被類型等影響，其碳儲量恢復所用的時間不同。目前，深圳市城市化已步入“穩定期”。隨著人工管理和環境變化的逐步推進，城市生態系統碳庫將開始逐漸恢復。但由于各地區的城市化速度不同，碳恢復存在明顯的空間差異性。部分老城區率先進入碳增長階段。

城市化過程中，不僅土地覆被類型會發生改變，城市景觀格局也會發生顯著變化，從而對城市生態系統碳動態產生影響。深圳市在1986—2015年間，建設用地的斑塊數量和最大斑塊指數增大，呈現出集中連片的特征；林地、耕地、園地、灘涂等透水面均呈現出明顯的景觀破碎化，城市中的自然生態系統受人為干擾更顯著。Robinson et al.（2009）的研究表明，隨著景觀從單個大斑塊逐漸破碎化，碳儲量以近似對數函數的形式增加。由此可見，破碎化的城市景觀將受到更大的干擾（如溫度、光照、風速等環境因素的改變），從而提高植被碳固定速率，并對城市生態系統碳累積產生正向影響。

4.2 不確定性

本研究結果的不確定性來源于實測數據的缺乏。通常生態系統中植被和土壤的碳密度隨著時間推延呈累積的趨勢。由于缺乏碳密度連續觀測數據，本文采用單一時點觀測的植被和土壤的碳密度數據分析土地覆被變化對城市生態系統碳動態的影響。類似的問題在其他研究中也存在（Yan et al.，2015）。為了分析該限制性因素對研究結果造成的影響，通過搜集深圳市不同時期的土壤生態采樣數據（胡文君，2008；韓宙等，2013；梁敏國等，2008），最終匯總出10個建設年齡為1~25年（以采樣時間算）的城市綠地的土壤碳密度數據（東湖公園、荔枝公園、洪湖公園、仙湖植物園、蓮花山公園、皇崗公園、中心公園、筆架山公園、市民廣場、兒童樂園）。經測算，深圳市城市綠地的土壤碳累積速率約為0.8 t?hm-2?y-1，故本研究對城市綠地土壤的碳補償的估算約低了0.8×104t（1.3%）。

5 結論

城市化及其引起的土地覆被和景觀格局變化對城市生態系統碳動態具有顯著影響。本研究探討了1986—2015年間，中國典型快速城市化區域（即深圳市）的碳儲量和碳密度隨土地覆被變化而變化的具體情況和模式。深圳市在過去30年間，經歷了從以農業景觀和自然植被為主的土地覆被類型逐漸破碎化、被建設用地占用到城市綠地逐漸恢復的完整過程。其城市生態系統碳動態包括城市化“初始期”碳儲量少量上升、“加速期”碳儲量急劇下降、“穩定期”碳儲量趨于平穩且部分地區逐漸恢復3個階段。研究期內深圳市單位面積植被和土壤平均碳密度分別損失約5.1 t?hm-2和11.8 t?hm-2，城市生態系統碳儲量總體損失約37.7%。

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YAN Juantao, WANG Jun, LU Shunzi, ZENG Hui. 2017.

Impacts of Rapid Urbanization on Carbon Dynamics of Urban Ecosystems in Shenzhen

YAN Juantao1, WANG Jun1*, LU Shunzi1, ZENG Hui1,2
1. Peking University Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055, China; 2. College of Urban and Environment Sciences, Peking University, Beijing 100871, China

Urbanization has become one of the major drivers of the global land cover change. Urbanization and associated land cover change have significant impacts on carbon dynamics of urban ecosystems. In this study, we took the case of rapid urbanizing region-Shenzhen as the case study area to study the impacts of urbanization and associated land cover change on carbon dynamics of urban ecosystems from 1986 to 2015. The research was carried out based on interpretations of historical remote sensing images and field samples of urban vegetation and soils. The primary objective of this work is to improve understanding of the impacts of urbanization on carbon dynamics of urban ecosystem and providing scientific basis for carbon management of urban ecosystems. The results show that: (1) rapid expansion of urban impervious surface is the main feature of land cover change associated with population urbanization. The areas of forests, cropland, and garden land decreased significantly over the study period, and the patches of them tend to become fragmented; (2) the carbon densities of urban vegetation and soil have complex spatial patterns, and the average values of them decreased about 5.1 t?hm-2and 11.8 t?hm-2, respectively; (3) the change of carbon storage of urban ecosystem in the study area has experienced three stages: in the early period of urbanization, natural vegetation and cropland had the dominant carbon storage; in the middle period of urbanization, the rapid increase of built-up land drove the decrease of carbon storage of urban ecosystems; in the late stage of urbanization, carbon storage of urban ecosystem has been gradually recovering; (4) land cover change had caused the loss about 16.8 t?hm-2, which approximately accounts for 37.7% of the total carbon storage of urban ecosystems in the study area. Although urbanization causes the decreases in carbon density and carbon storage of urban ecosystems, we can take steps in urban vegetation and soil management to recovering the carbon pool of urban ecosystems.

urbanization; land cover change; carbon dynamics of urban ecosystem; Shenzhen

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.04.002

X144; X171.1

A

1674-5906（2017）04-0553-08

閆涓濤, 王鈞, 魯順子, 曾輝. 2017. 深圳市快速城市化對城市生態系統碳動態的影響研究[J]. 生態環境學報, 26(4): 553-560.

國家自然科學基金青年基金項目（41401215）；深圳市孔雀計劃海外高層次人才技術創新項目（KQCX20140521145956269）

閆涓濤（1993年生），女，碩士研究生，研究方向為城市生態。E-mail: juantao_yan@126.com

*通信作者。王鈞，E-mail: wangjun@pkusz.edu.cn

2017-02-26