1990年至2100年在中国不同社会发展路径（SSP）情景下，城市化对陆地生态系统碳储量的历史及未来影响

《Environmental Technology & Innovation》：Historical and Future Losses of Terrestrial Ecosystem Carbon Stocks Induced by Urbanization in China from 1990 to 2100 under SSP Scenarios

城市化扩张导致中国陆地碳储量显著减少，1990-2020年累计损失566.65 Tg，碳损失增速超过城市化本身。空间上碳损失中心从东南向西北迁移，政策驱动（如西部大开发）是主因。未来至2100年，SSP情景下碳损失量在84.42-153.86 Tg，稳定时间多在2075-2100年，农田和森林转为城市是主要贡献者，其中土壤碳占损失总量的82.99%-86.07%。建议优化城市扩张模式，加强高碳土地保护，制定差异化政策应对不同SSP情景。

　　中国在快速城市化过程中，对陆地碳储量产生了显著影响。这一现象成为实现碳中和与可持续发展的关键挑战之一。研究城市扩张对陆地碳储量损失的影响，有助于理解城市化进程对生态环境的长期影响，并为制定有效的城市规划和碳减排政策提供科学依据。本文通过引入高分辨率的土地覆盖数据和碳密度调查数据，结合共享社会经济路径（SSP）框架，对1990年至2020年的城市扩张对陆地碳储量的影响进行了系统评估，并对2021年至2100年的未来情景进行了预测。

在过去的三十年里，中国的城市扩张速度明显加快，导致陆地碳储量的持续损失。从1990年到2020年，城市扩张引起的陆地碳储量损失总量达到了566.65太格（Tg），而城市扩张的速度并未与碳储量损失速度同步。具体而言，2010年至2020年间的碳储量损失量为236.48 Tg，比1990年至2000年间的121.70 Tg高出近两倍。这种碳储量损失的加速趋势表明，城市扩张对陆地生态系统的影响具有显著的累积效应，且其影响范围正在向西北方向扩展。这种空间转移趋势与政策导向的城市扩张模式密切相关，尤其是在中国西部地区，由于政策支持和经济发展的推动，城市扩张速率显著提升，从而导致碳储量损失的集中。

在2021年至2100年期间，不同SSP情景下的陆地碳储量损失预计在84.42至153.86 Tg C之间波动。在SSP1（可持续发展）情景下，碳储量损失预计在2075年趋于稳定；而在SSP3（区域竞争）情景下，碳储量损失则预计在2100年才趋于稳定。这一趋势表明，城市扩张的速率和碳储量损失的速率之间存在一定的差异，且这种差异在不同情景下表现不一。此外，不同地区的碳储量损失强度也有所不同，西南和东北地区的损失强度相对较高，而西北和华北地区的损失强度较低。这一现象可能与这些地区原有的生态系统类型及其碳密度有关。

在所有SSP情景中，耕地和森林的转化是陆地碳储量损失的主要来源。耕地转化贡献了47.42%至58.82%的总损失，而森林转化贡献了19.87%至30.30%的总损失。这两个过程合计贡献了67.29%至89.12%的碳储量损失。此外，耕地和森林的碳密度差异也对损失强度产生影响。耕地虽然在碳储量方面具有一定的储存能力，但其损失强度高于森林。这可能是因为耕地在城市扩张过程中更容易被转化，而森林的转化则受到更多政策和生态限制。

值得注意的是，新兴城市集群相较于成熟城市集群，在城市扩张过程中对碳储量损失的贡献更为显著且持久。例如，在SSP3和SSP5情景下，新兴城市集群的碳储量损失强度普遍高于成熟城市集群。这种差异主要源于新兴城市集群的扩张模式，通常表现为边缘扩张和外延发展，导致其侵占更多高碳密度的生态系统，如森林、灌木林和草地。相比之下，成熟城市集群的扩张更倾向于向内部填充，因此其对碳储量的损失相对较轻。这一发现对未来的城市规划具有重要启示，表明政策干预和城市扩张模式的选择对碳储量损失具有显著影响。

在城市扩张过程中，碳储量损失的强度与土地类型密切相关。土壤碳储量损失是主要的碳损失来源，占总损失的79.56%至92.16%。这主要是因为土壤碳储量在城市扩张过程中受到的扰动最为显著，尤其是在耕地和森林的转化过程中。而生物量碳储量和枯枝落叶碳储量的损失比例相对较小，分别占总损失的8.55%至11.59%和4.39%至4.68%。这表明，尽管这些碳储量类型在生态系统中扮演重要角色，但其对城市扩张的响应相对有限。

从历史趋势来看，碳储量损失的重心从东南沿海地区逐渐向西北方向转移。这一变化与国家政策的导向密切相关，如西部大开发战略的实施，促进了西部地区的资源投入和城市化进程，从而加剧了该地区的碳储量损失。在未来的SSP情景中，这一趋势预计会持续，但其具体表现取决于不同情景下的城市扩张模式和政策干预力度。例如，在SSP3情景下，由于区域竞争和分散的城市扩张模式，碳储量损失的持续时间较长，而在SSP5情景下，由于城市扩张的快速推进和土地利用的高效性，碳储量损失可能更早趋于稳定。

研究还发现，城市扩张对碳储量的影响在不同区域和不同土地类型中存在显著差异。在东部地区，由于城市扩张主要集中在耕地和低碳密度的生态系统，其碳储量损失强度相对较低。而在西部地区，由于城市扩张涉及更多的高碳密度生态系统，如森林和草地，其碳储量损失强度较高。此外，不同城市集群的扩张模式和扩张速度也对碳储量损失产生重要影响。例如，一些新兴城市集群在SSP3情景下表现出更为持久的碳储量损失，而一些成熟城市集群则可能在更短时间内趋于稳定。

从政策角度出发，本文提出了针对不同情景的碳储量损失管理建议。在SSP1情景下，由于城市扩张较为紧凑，耕地的碳储量损失最为显著，因此应优先考虑耕地保护和土壤碳储量的维持。而在SSP3情景下，由于城市扩张较为分散且持续时间较长，应加强碳税政策和城市扩张边界控制，以防止无序扩张对碳储量造成更大影响。此外，本文还指出，城市扩张的形态和方式对碳储量损失具有重要影响，因此应优先考虑紧凑型城市发展模式，以减少对高碳密度生态系统的侵占。

然而，本文的研究也存在一定的局限性。首先，土地覆盖分类的误差可能会影响碳储量损失的估算结果。尽管GLC_FCS30数据集具有较高的分类精度，但其整体准确率仍存在一定的不确定性。其次，不同数据集的空间分辨率差异可能导致估算结果的偏差。例如，GLC_FCS30数据集的空间分辨率为30米，而城市扩张预测数据集的空间分辨率为1公里，这种差异可能会影响对城市扩张过程的精确模拟。此外，由于缺乏全国范围内的动态碳密度数据，本文假设碳密度在时间上保持不变，这种简化可能会影响对长期碳储量变化的准确估算。

综上所述，本文通过结合高分辨率土地覆盖数据和碳密度调查数据，系统评估了中国城市扩张对陆地碳储量的影响，并基于SSP情景对未来的碳储量损失进行了预测。研究结果表明，城市扩张导致的碳储量损失具有显著的时空异质性，且其损失强度与扩张模式、土地类型和区域生态背景密切相关。这些发现为未来城市规划和碳减排政策的制定提供了重要的科学依据，同时也揭示了城市扩张对陆地生态系统碳储量的深远影响。然而，研究结果仍需进一步验证，尤其是在高分辨率土地覆盖数据和动态碳密度数据的获取方面，以提高估算的准确性和可靠性。