全球不透水地表面积扩张带来的大量陆地碳排放
研究背景
直到本世纪末全球城市土地面积在过去三十年中增加了一倍多并将继续扩大，至少再增加一倍。不透水表面积(ISA)由人行道、道路、建筑区域、广场和停车场等组成，地面覆盖沥青、混凝土、沥青或此类材料的混合物，是城市土地的核心特征，可以通过遥感识别。与植被地相比，低海拔地区具有独特的地表特征，其全球扩张具有深远的环境影响，包括热岛的产生，生物多样性的丧失以及碳、氮和水文循环的扰动。用无植物的ISA取代富含碳的生态系统会导致生物量和土壤中的碳损失，但到目前为止，全球碳项目(GCP)对全球碳预算的评估还没有解决这种碳损失问题。在GCP中，土地利用和土地利用变化的碳排放主要使用动态全球植被模型(dgvm)方法进行估算。政府间气候变化专门委员会(IPCC)的第六次评估报告(AR6)进一步采用了GCP碳预算评估中使用的三种模型，其中任何一种都不包括从植被地到ISA的过渡。
尽管一些研究量化了全球ISA或城市扩张造成的陆地净生态系统生产力(NEP)或净初级生产力(NPP)的损失，但NEP或净初级生产力的损失代表了未实现的碳吸收率，而这并未向大气中增加有形的二氧化碳。历史上ISA扩张造成的陆地碳损失是人为碳排放的一个潜在重要组成部分，对大气CO2增长有贡献，但在很大程度上仍被全球碳循环科学界所忽视。
SPRIAL DAY
数据与研究方法
*不负美好春光
数据来源
本研究使用了三个30米分辨率的产品（GAUD1，GAIA6和GISA）以及300米分辨率的ESA CCI产品，尽管ESA CCI产品的分辨率较低，但研究还是将其包括在内，文章给出两点原因：（1）ESA CCI提供的ISA扩展量和空间模式与其他三个高分辨率产品相似；（2）ESA CCI产品在之前的研究中常被用来识别ISA（或城市）扩展的来源土地覆盖。
研究方法
假设所有四种产品映射的ISA像素的ISA覆盖率为100%。因此任何潜在的亚像素绿色区域（如街道树木、住宅花园）都被忽略了。这种方法与土地覆盖分类及其后续空间映射的景观均质性假设一致。相同的方法已被采用在之前研究全球和区域ISA扩展及其对土地碳循环的影响中。
各个ISA产品被用来推导年度全球ISA扩展，ISA来源土地覆盖从ESA CCI土地覆盖产品中获得。对于ISA建立后土壤有机碳（SOC）的损失，研究使用了两种替代损失比率：IPCC默认值（下限）和本研究文献综述中得出的值（上限）。通过叠加ISA扩展的空间地图、来源土地覆盖以及地上和地下活生物质、地表枯落物、枯木和SOC的碳储量地图，量化了从植被土地到ISA转变导致的碳损失。生物量损失仅限于森林、灌丛地、湿地、农田和草地的来源土地覆盖，而SOC损失假设适用于所有来源土地覆盖。量化的损失代表了承诺的排放，因为碳被假定在转变为ISA时立即丧失：这在基于遥感评估土地利用碳排放时是一种常见做法。推导出的ISA驱动碳排放与AI国家NGHGIs报告的定居点扩展导致的碳排放进行了比较。
最后研究采用了结构分解框架，并将1993-2018年的排放动态归因于不同的社会经济和城市动态因素。这一归因分析是针对整个地球进行的，然后分别针对AI和非附件一（NAI）国家组进行。
ISA驱动识别方法：将年碳排放(E)表示为总人口(P)、城市化率(u，城市人口比率(Pu)与P)、居民安居工程强度(r，现有安居工程面积与Pu之比)、安居工程扩张加速因子(s，每年扩建安居工程面积(ΔISA)与ISA之比)与碳排放强度(E, E与ΔISA之比)的乘积，如下所示:
定义各变量X(t) (X指E、P、u、r、s、E)的相对比例变化率为r(X)=(dX/dt)/X。对上式两边进行自然对数变换，对每一项求微分，得到(dE/dt)/E = (dP/dt)/P + (du/dt)/ u + (dr/dt)/r + (ds/dt)/s + (dE/dt)/E，即E的相对变化率可以表示为所有驱动因素的相对变化率之和：
重要图表
重要结论
1993-2018年全球不透水表面积（ISA）的扩展及其相关碳损失
碳排放的空间分布大体上与ISA扩展的分布一致，显示出不同国家城市群发展的明显模式。例如，中国的排放热点位于北方的华北平原，包括京津冀城市群、长三角城市群、珠三角城市群以及以西安和成渝为中心的两个内陆城市群。在印度，德里、勒克瑙、巴特那和加尔各答组成的城市带显示出显著的排放。在俄罗斯及中欧和北欧，ISA驱动的碳排放比ISA扩展更明显，主要是由于SOC排放更高。
与AI国家人类住区扩张导致的碳排放对比
NGHGI报告的1993-2018年间的年度碳损失（37.8 ± 2.9 Tg C/年）高于下限估算（24.9 ± 5.3 Tg C/年），但接近上限估算（38.3 ± 8.2 Tg C/年），尽管报告的住区转换面积较大。值得注意的是，美国是发达国家中住区面积增长最多的国家，占该组总增长的90.4%，但仅贡献了该组碳排放量的一半左右。排除美国后，研究量化的ISA扩展和相关排放更接近NGHGI的结果，其中ΔISA面积为3776 ± 1071 km²/年，住区扩展面积为7895 ± 1150 km2/年。上下限的碳排放分别为13.5 ± 3.7 Tg C/年到22.3 ± 6.0 Tg C/年，而NGHGI的碳排放为17.2 ± 3.0 Tg C/年。
ISA驱动碳排放的社会经济驱动因素
结果证实了假设模式，揭示了排放动态及其驱动因素与GDPcap的一致依赖关系。不同国家组的碳排放相对变化率随着log10(GDPcap)显著下降，E的高增长率出现在GDPcap较低的国家，而GDPcap较高的国家增长率较低，直到E在GDPcap超过约10000美元（2022年价格）的国家开始下降。总人口（P）的相对变化率、城市化率（u）和ISA扩展速度因子（s）都随着log10(GDPcap)显著下降，但居住ISA强度（r）的相对变化率随着log10(GDPcap)增加。排放强度（e）的相对变化率与log10(GDPcap)无显著关系，这可能是因为排放强度主要依赖于ISA来源土地覆盖的碳储量密度，而这进一步依赖于不同国家的自然条件，而不是它们的经济发展状态。
小编说
该文题目为“Substantial terrestrial carbon emissions from global expansion of impervious surface area”，于2024年发表在《Nature Communications 》期刊(IF=14.7)。
本研究对1993-2018年全球 ISA 扩张的直接土地利用效应造成的陆地碳损失进行估算。揭示了 ISA 驱动的排放动态随经济发展的清晰模式，为经济和社会发展驱动的未来排放建立了一个预测框架。研究表明通过可持续的城市规划来减少陆地碳损失仍然是一个巨大的挑战，值得公众、城市规划者、决策者和城市利益攸关方的关注。
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本期文案：刘辰骁
本期编辑：刘辰骁
