【摘要】：人類進(jìn)入農(nóng)業(yè)文明特別是工業(yè)文明以來(lái),對(duì)自然的開(kāi)發(fā)利用逐漸打破自然生態(tài)系統(tǒng)原有的對(duì)稱狀態(tài)、使其結(jié)構(gòu)破缺。破缺就是減弱或消除原生態(tài)系統(tǒng)不符合人類要求的結(jié)構(gòu)并強(qiáng)化人類需要的結(jié)構(gòu),最終形成為人類需求服務(wù)的功能單元,如農(nóng)田、牧場(chǎng)、種植園、城市、污水處理廠和垃圾處理廠等。近一百多年來(lái),隨著城市化增強(qiáng),這些在結(jié)構(gòu)上破缺的單元相互耦合,自組織形成更大尺度的以城市為中心的新系統(tǒng)——人類-自然耦合系統(tǒng)(Coupled human and natural systems, CHANS).新形成的CHANS極大地提高了生產(chǎn)力,加速了能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán),加強(qiáng)了從城市到地區(qū)和國(guó)家、甚至全球多重尺度的調(diào)控,使得世界上一半以上的人口終于不再為食物、居住問(wèn)題擔(dān)憂并且擁有超出其基本生存所需的物質(zhì)享受。在CHANS中,兩個(gè)最基本的生態(tài)過(guò)程——生產(chǎn)和分解與自然生態(tài)系統(tǒng)大致相同,但不同點(diǎn)是：自然生態(tài)系統(tǒng)中個(gè)體和種群構(gòu)成的生產(chǎn)者和分解者在CHANS中上升到了人類組織的具有多組分復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能單元——“生態(tài)器”(如農(nóng)田和污水處理廠),它們擁有比自然生態(tài)系統(tǒng)更高效的單一目標(biāo)的功能。目前,CHANS的結(jié)構(gòu)還剛剛形成,功能還不完善,甚至存在著很大問(wèn)題。一方面,生產(chǎn)的不足使世界上約12億人口還處在饑餓貧困狀態(tài)。另一方面,分解不足甚至比生產(chǎn)不足更加嚴(yán)重,因?yàn)榉纸馍鷳B(tài)器的規(guī)模遠(yuǎn)小于生產(chǎn)生態(tài)器,造成廢棄物積累,使生命支持系統(tǒng)(如水體、土壤、大氣等)受到污染。 本文選擇CHANS的生產(chǎn)器、分解器為對(duì)象,研究如何強(qiáng)化其效率進(jìn)而強(qiáng)化整個(gè)CHANS功能；具體研究以中國(guó)作為主要研究區(qū)域,同時(shí)輔以國(guó)際上其他國(guó)家的數(shù)據(jù)作為參照；選擇退化問(wèn)題日益突出但以往人們關(guān)注不足的草地為案例研究如何通過(guò)人工草地生產(chǎn)器加強(qiáng)其生產(chǎn)功能；以新興的人工濕地作為分解器的案例,并與污水處理廠作參照對(duì)比探討強(qiáng)化CHANS的分解效率。本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)收集相結(jié)合編譯了數(shù)據(jù)集。利用物質(zhì)平衡法、生命周期法、情景分析法研究了如何強(qiáng)化兩類生態(tài)器功能以滿足人類的需求。內(nèi)容包括：中國(guó)人民對(duì)草食畜產(chǎn)品需求的快速增長(zhǎng)進(jìn)而造成的對(duì)草料的巨大需求；天然草地和人工草地生產(chǎn)現(xiàn)狀及強(qiáng)化潛力分析；中國(guó)的污水產(chǎn)量、污水處理廠及人工濕地的污水去除效率的優(yōu)化；通過(guò)人工濕地利用廢氮(N)生產(chǎn)生物質(zhì)能源的潛力。本文還評(píng)估了人工草地和人工濕地生態(tài)系統(tǒng)碳(c)、N流,以及C、N耦合下系統(tǒng)的功能強(qiáng)化,探討了通過(guò)人工構(gòu)建生態(tài)器功能單元從而提高CHANS生產(chǎn)力的途徑,并建立與生產(chǎn)力相平衡的分解器。本文主要結(jié)論有以下6點(diǎn)： 1)在過(guò)去的60年里中國(guó)的總?cè)丝谠鲩L(zhǎng)了1.4倍。隨著人口和人均消費(fèi)水平的提高,人均牛羊肉、奶類的消費(fèi)水平也提高了3倍和6倍。其中城鎮(zhèn)人口增長(zhǎng)了10倍,城鎮(zhèn)人均牛羊肉、奶類的消費(fèi)增長(zhǎng)了3-36倍。按照中國(guó)人口、城鎮(zhèn)化以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度預(yù)計(jì),未來(lái)草食畜產(chǎn)品的消費(fèi)需求還將迅速增加。畜產(chǎn)品需求的增長(zhǎng)對(duì)草料需求量已遠(yuǎn)超過(guò)天然草地產(chǎn)草量,使過(guò)去50年已因過(guò)度利用而退化的草地的產(chǎn)草量(平均911kg ha-1,低值122kg ha-1)進(jìn)一步降低。即便考慮到通過(guò)恢復(fù)天然草地,并利用冬、夏閑田(1560萬(wàn)ha,可產(chǎn)草23400萬(wàn)噸)和秸稈(29.1萬(wàn)噸),到2050年全國(guó)草料缺口仍然高達(dá)1595.5Tg。 2)人工草地是緩解草料缺口的重要途徑。中國(guó)各區(qū)人工草地產(chǎn)草量平均為17275kgha-。,最高可達(dá)45000kg ha-1,是天然草地的5-32倍。但是,中國(guó)目前人工草地面積僅占全國(guó)草地總面積的2%,如果在2030年達(dá)到國(guó)家規(guī)劃目標(biāo),即人工草地面積占天然草地面積10%(40M ha),同時(shí)飼草轉(zhuǎn)化率達(dá)到世界平均水平,則僅再需使用27%的全國(guó)草地面積用做天然牧場(chǎng),在考慮未來(lái)對(duì)畜產(chǎn)品高需求的情況下全國(guó)草料的供。需總量也能夠達(dá)到平衡。這樣一來(lái),其余63%面積的位于生態(tài)脆弱地帶的草地可基本以保護(hù)為主。不僅保護(hù)了生物多樣性,而且還可以減少沙塵暴的發(fā)生,改善區(qū)域乃至全球環(huán)境。 3)雖然人工草地的生物多樣性低于天然草地,并且人工草地施肥還會(huì)引起水體污染,但是人工草地還可以提供更多的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。我們計(jì)算出,中國(guó)人工草地每年可提供凈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)3327億元。而優(yōu)化利用后全國(guó)除人工草地以外的天然草地每年可提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)8322.79億元。綜合地,中國(guó)全部草地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值將高達(dá)每年1.16萬(wàn)億元,略低于全國(guó)森林的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值(每年1.40萬(wàn)億元)。 4)作為CNANS中主要的分解生態(tài)器,中國(guó)的污水處理廠的數(shù)量由80年代的266座發(fā)展到2008年的937座,污水日處理能力增長(zhǎng)了5倍多,污水處理率由80年代的僅10-3%提高到2008年的57.4%。但是仍低于發(fā)達(dá)國(guó)家水平(90%以上),特別是對(duì)N、P的去除遠(yuǎn)未達(dá)到使地表水健康的標(biāo)準(zhǔn)。其中很重要的原因就是污水處理廠的建造和運(yùn)行費(fèi)用高：每去除1kg N建造花費(fèi)37.5-135元,運(yùn)行管理花費(fèi)13.8-37.5元,這在中國(guó)目前的經(jīng)濟(jì)狀況下不可行。 5)人工濕地作為新的CHANS的污水處理器,較污水處理廠有明顯優(yōu)勢(shì)。對(duì)于銨態(tài)氮(NH4+-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)、生物需氧量(BOD5)中國(guó)的人工濕地平均去除率分別為59.8%,44.3%,62.1%,73.4%和81.8%。此外,人工濕地的溫室氣體(GHG)的凈排放量是每處理立方米污水排放18.5g C02當(dāng)量,僅為污水處理廠的0.1%。去除1kgN人工濕地的建造運(yùn)行費(fèi)用13.6-70元,僅是污水處理廠的1/3。1/2,運(yùn)行費(fèi)用0.5-5元,僅是污水處理廠的1/7-1/27。然而,人工濕地也有占地面積大的劣勢(shì)：去除同樣質(zhì)量的污水,人工濕地占地面積是污水處理廠的5-10倍。人工濕地的污水去除率依據(jù)流型不同而有差異：對(duì)于NH4+-N、TN、TP、COD,垂直流人工濕地處理效果高于表面流、水平流人工濕地；對(duì)于BOD5,水平流的處理效果高于垂直流和表面流人工濕地。復(fù)合垂直潛流人工濕地,主要是基于垂直潛流和水平潛流的結(jié)構(gòu),其結(jié)合了垂直潛流型里促進(jìn)了硝化作用的需氧過(guò)程以及水平潛流中提高反硝化厭氧過(guò)程這兩者的優(yōu)勢(shì),是所有類型中效率最高的。 6)人工濕地在處理污水之外還可提供其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。包括C02固定、釋放02、水量調(diào)節(jié)、生物多樣性保護(hù)、提供潔凈水源、美學(xué)、科普、教育、娛樂(lè)及生態(tài)旅游價(jià)值等。此外,通過(guò)人工濕地還可利用廢N生產(chǎn)生物能源,從而再加強(qiáng)其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。根據(jù)物質(zhì)平衡法和生命周期法計(jì)算,人工濕地生物能源生產(chǎn)系統(tǒng)的能量產(chǎn)出、凈能量平衡(NEB)是分別是182.3,105.4GJ ha-1year-1。人工濕地單位面積生物能源能量的產(chǎn)出是目前世界上4個(gè)主要的生物能源生產(chǎn)體系系統(tǒng)(玉米、大豆、柳枝稷、LIHD草地)的2-8倍。計(jì)算以上各項(xiàng)服務(wù),本文以浙江省為例,得出人工濕地凈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為7840667.3元ha。yr-1,高于本地區(qū)森林的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(59178元ha-1yr-1) 綜上,在CHANS中,利用人工草地使中國(guó)草地生產(chǎn)功能提高1倍；利用人工濕地處理污水比起傳統(tǒng)的污水處理廠的NH4+-N去除率提高1倍,TN和TP提高了50%左右。這意味著生產(chǎn)器和分解器的強(qiáng)化可強(qiáng)化CHANS的生態(tài)功能。生產(chǎn)器和分解器強(qiáng)化功能的同時(shí),還可改善生命支持組分的狀態(tài)：63%的天然草地可得到恢復(fù)保護(hù),90%以上的廢水得到徹底治理,從而提高整個(gè)CHANS的生物多樣性、美學(xué)、教育、娛樂(lè)價(jià)值。本研究通過(guò)人工濕地和人工草地提高生產(chǎn)器和分解器功能的范式還可以推廣至其他生態(tài)器,直至使所有生態(tài)器的功能都得到強(qiáng)化從而優(yōu)化整個(gè)CHANS的結(jié)構(gòu)和功能,達(dá)到經(jīng)濟(jì)-生態(tài)-社會(huì)三贏的可持續(xù)發(fā)展模式。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：X703

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2624614