城鄉(xiāng)復合系統(tǒng)生物地球化學代謝的系統(tǒng)生態(tài)學分析.pdf

1、在全球日益城市化的今天，人類對生態(tài)系統(tǒng)的影響已經(jīng)從修飾上升為主導。人類對生態(tài)系統(tǒng)的改變極大地改善了人類的福祉，但同時也產(chǎn)生一系列環(huán)境問題，威脅人類健康和生態(tài)系統(tǒng)的健康。目前，全球已有超過半數(shù)人口居住在城市中，預計這個比例在2050年之前將達到70％，城市地區(qū)生物地球化學代謝與人類福祉的關系也將變得更加密切。城市綠地是與人類日常生活關系最密切的系統(tǒng)。它既可為人類提供生態(tài)服務，但同時也存在負面影響，例如排放生物源揮發(fā)性有機化合物(BVOC)

2、，可導致城市地區(qū)霧霾天氣和臭氧污染。城市化地區(qū)與人類福祉關系密切的另一個組分是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)。作物種植和牲畜養(yǎng)殖在為人類提供食物的同時，也是大氣氨和溫室氣體的主要排放源，既可導致區(qū)域性的大氣霧霾，又能在全球水平影響氣候變化。
　　城市建成區(qū)及其毗鄰的野外構成的城鄉(xiāng)復合系統(tǒng)(urban-rural complex)的生物地球化學過程同時受到社會經(jīng)濟因素和自然環(huán)境因素的雙重控制。只有采用系統(tǒng)生態(tài)學方法才能揭示這個復雜代謝系統(tǒng)的特征。然而

3、，現(xiàn)有系統(tǒng)生態(tài)學模型在應用于城市研究時存在不足:一方面，現(xiàn)有模型多數(shù)基于對自然系統(tǒng)的研究，在進行系統(tǒng)分析時缺乏對人類因素的整合;另一方面，現(xiàn)有生物地球化學循環(huán)研究主要基于單一元素的質量平衡模型，因而無法刻畫不同元素循環(huán)間存在的相互耦合。上述兩方面的不足制約了人們對城鄉(xiāng)復合系統(tǒng)的代謝開展綜合分析與調控。
　　本論文構建了系統(tǒng)生態(tài)學模型，該模型主要包含整合人類和自然因素的系統(tǒng)動力學子模型和可進行多元素協(xié)同分析的流平衡分析子模型。分別選

4、擇城市綠地和種植-養(yǎng)殖系統(tǒng)作為案例來進行系統(tǒng)生態(tài)學分析與調控。主要研究內容包括:在實驗（城市植被調查和樣品測定、排放速率測定等）的基礎上，應用BVOC排放的系統(tǒng)動力學模型分析了杭州城市綠地BVOC排放的時空格局并探討了人類和自然因素在決定BVOC排放中所扮演的角色;借鑒細胞代謝的系統(tǒng)生物學分析方法，對牛奶生產(chǎn)系統(tǒng)進行了碳、氫、氧、氮和磷五種元素的生物地球化學代謝網(wǎng)絡重構，進而應用流平衡分析模型(FBA)對上海地區(qū)牛奶生產(chǎn)系統(tǒng)的代謝進行了

5、多元素協(xié)同分析與優(yōu)化。主要結論如下:
　　(1)2010年，杭州城市綠地的BVOC排放總量為0.47 Gg C（95％置信區(qū)間為0.31-0.67 Gg C）。其中異戊二烯、單萜和其他種類VOC(OVOC)分別貢獻了71.5％、20.2％和8.3％。城市綠地單位土地面積的BVOC排放強度(3.1Mg C km-2yr-1)高于該地區(qū)的野外森林(2.7 Mg C km-2yr-1)。更大的平均樹齡和更高的喬木密度使塊狀綠地排放強度（

6、3.9 Mg C km-2yr-1）高于帶狀綠地(2.6 Mg Ckm-2yr-1)。與中國東部沿海的另外兩個地區(qū)北京和香港作比較可發(fā)現(xiàn)，BVOC的排放強度呈現(xiàn)出隨緯度降低而增加的規(guī)律。
　　(2)杭州主要樹種中單株排放潛力最高的為垂柳(1.21 kg C tree-1yr-1)、楓香（0.80 kg C tree-1yr-1）、合歡（0.45 kg C tree-1yr-1）和懸鈴木（0.35 kgC tree-1yr-1）。杭

7、州本地種和外來種的BVOC排放潛力間沒有顯著差異，這更新了之前外來樹種排放高于本地種的結論。原因可能是由于以往的結果是在溫帶地區(qū)得到的，本研究是位于亞熱帶的杭州，其引入的外來觀賞樹種同樣起源于其他亞熱帶地區(qū)，分類學關系上較為接近。在綠地中，人類對景觀植物的偏好造成樹種構成相對單一（物種多樣性低），加之各樹種間的BVOC排放潛力差異巨大，使得僅香樟、懸鈴木、垂柳和楓香四個樹種就貢獻了杭州城市綠地BVOC總排放的75％以上。
　　(3

8、)模擬結果表明，杭州城市綠地BVOC排放具有明顯的日變化。異戊二烯的排放主要發(fā)生在白天，峰值出現(xiàn)在午后14時;單萜和OVOC日夜均有排放，日變化相對較小。BVOC排放的季節(jié)差異明顯，夏季的排放最大，占到全年總排放的67％，冬季排放最少，僅占不到全年的2％。人類因素對BVOC排放的日動態(tài)和季節(jié)動態(tài)的影響較小，其動態(tài)主要受長期（物候）和短期（溫度、光照強度、CO2濃度）的自然環(huán)境因素的控制。
　　(4)在所有環(huán)境變化（全球變暖、熱島效

9、應、PAR改變、CO2濃度升高）和人類管理情景下（綠地面積擴張、調節(jié)新栽和已有樹木的樹種比例、改變喬木密度），城市綠地總BVOC排放都表現(xiàn)出快速增長的趨勢，從2010年0.47 Gg C增長到2050年的1.2-3.2 Gg C，增幅為155％-580％，遠高于野外森林排放的增長速度。這意味著城市綠地已成為重要的VOC排放源，對區(qū)域空氣質量的影響也將越來越大。與基線情景相比（只考慮樹木生長），管理因素對未來BVOC排放的改變幅度(-32

10、％-70％)大于環(huán)境因素（-12％-30％），表明人類因素在決定未來城市BVOC排放時扮演了更為重要的角色，也凸顯出將人類因素納入模型的重要性。管理策略對BVOC排放的影響具有時滯效應，不同策略下的BVOC排放在最開始幾年可能差異很小，但隨著時間的推移差異越來越大，這要求管理者在制定策略時要更具前瞻性。
　　(5)本論文提出用葉生物量/BVOC排放的比值作為衡量綠地生態(tài)系統(tǒng)服務價值高低的標準。模型分析的結果表明:通過積極應對環(huán)境變

11、化并采用前瞻性的城市管理策略（即適度增加喬木密度、限制綠地面積的擴張以及優(yōu)化已有樹木和新栽種樹木的樹種組成）可以在未來(2050年)獲得最高的生態(tài)系統(tǒng)服務價值（葉生物量/BVOC比值為39.9）;消極應對環(huán)境改變以及盲目的發(fā)展（城市綠地的無序擴張、不適宜的樹種選擇）將極大限制綠地所提供的生態(tài)服務價值(葉生物量/BVOC比值為20.8)。城市管理中應給予BVOC排放足夠的重視，充分考慮城市綠地正負服務之間的權衡。
　　(6)通過生態(tài)

12、系統(tǒng)代謝重構，整個牛奶生產(chǎn)系統(tǒng)的生物地球化學代謝可用191個代謝物參與的277個代謝方程式表達，例如將大豆籽粒加工的過程表達為100大豆籽粒-＞85豆餅+10豆油+5大豆加工損失。把代謝物和反應控制器作為節(jié)點，并根據(jù)節(jié)點的相互轉化關系用邊進行連接可進一步得到整個牛奶生產(chǎn)系統(tǒng)的代謝網(wǎng)絡。代謝網(wǎng)絡包含468個節(jié)點(191個代謝物和277個反應控制器)和1165條邊。節(jié)點的平均度數(shù)為4.98。節(jié)點的度數(shù)分布符合冪律分布，因此這個網(wǎng)絡與因特網(wǎng)、

13、社會網(wǎng)絡一樣，也是無標度(scale-free)網(wǎng)絡。牛奶生產(chǎn)系統(tǒng)代謝網(wǎng)絡的直徑為16，平均最短路徑長度為5.8，具有“小世界”的特征。
　　(7)上海地區(qū)牛奶生產(chǎn)系統(tǒng)在滿足人類營養(yǎng)需求的同時對環(huán)境健康和人類健康均造成了損害。根據(jù)重構代謝網(wǎng)絡的流分布結合生命周期環(huán)境影響評估，2010年上海每生產(chǎn)1噸牛奶共向大氣排放了629.5 kg的CO2、43.7 kg CH4、15.7 kgCO、4.1 kg NOx、1.8 kgN2O、1.

14、0 kg NH3、3.3 kg PM和0.6 kg NMVOC;向水體排放了16.0 kg氮和2.0 kg的磷;同時消耗了47.6噸水、106.0 kg初級能源（以標準煤計）和0.7 kg的礦物磷（以P計）。將這些資源和環(huán)境影響貨幣化后，相當于造成了環(huán)境損害成本3500元ton-1 milk，其中對人類健康損害占45％，對生態(tài)系統(tǒng)健康的損害占52％，對資源的損害占3％。
　　(8)在牛奶生產(chǎn)系統(tǒng)中，對碳循環(huán)的優(yōu)化和對氮、磷循環(huán)的優(yōu)

15、化之間均存在權衡關系，而氮循環(huán)的優(yōu)化與磷循環(huán)的優(yōu)化之間存在協(xié)同關系。當以碳元素為優(yōu)化目標時，與碳相關的環(huán)境影響下降了23.2％，然而此時，與氮循環(huán)和磷循環(huán)相關的環(huán)境影響卻惡化了，氮和磷的環(huán)境損害成本分別增加了12.3％和13.9％;當以氮元素為優(yōu)化目標時，氮相關的環(huán)境影響下降了25.8％，與此同時與磷循環(huán)相關的環(huán)境影響同步改善了18.2％，與碳循環(huán)相關的環(huán)境影響卻惡化了，其環(huán)境成本增加了19.2％。碳、氮元素的優(yōu)化之間存在權衡的原因是很

16、多減少氮素向水體和大氣排放的措施（例如農(nóng)田施用緩釋、控釋氮肥，提高糞便處理率等）都要消耗大量的化石能源，而化石燃料的使用增加了CO2、 CO、VOC等碳相關氣體的排放。而減少氮向水體排放的措施同時也可以減少磷向水體的排放，這造成了N、P之間的協(xié)同。
　　(9)對任意兩個環(huán)境排放或資源消耗類別進行兩兩相關分析得到的78對環(huán)境影響中，33對顯著相關(p＜0.05)。其中，權衡強度最大的為磷向水體的排放和VOC排放、氮向水體的排放和VO

17、C排放，權衡強度均為-0.81(線性回歸的R值);CO2排放和VOC排放具有最強的協(xié)同，協(xié)同系數(shù)為0.97。
　　(10)通過系統(tǒng)生態(tài)學可實現(xiàn)多元素協(xié)同分析與優(yōu)化，在很大程上減弱權衡，利用協(xié)同，實現(xiàn)更為綜合的管理和優(yōu)化。當綜合考慮各項環(huán)境影響并以減少系統(tǒng)總的環(huán)境損害成本作為優(yōu)化目標時，牛奶生產(chǎn)系統(tǒng)的總環(huán)境成本比基線情景(2012年上海生產(chǎn)實踐)下降了22.4％，各項環(huán)境影響均得到了不同程度的改善。而以單元素作為優(yōu)化目標時，環(huán)境成本