CN115130832A - 一种土地利用变化视角下的城市碳代谢演化分析方法 - Google Patents

一种土地利用变化视角下的城市碳代谢演化分析方法 Download PDF

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Abstract

一种土地利用变化视角下的城市碳代谢演化分析方法属于管理科学、生态环境科学与地理信息技术交叉的技术领域。本发明为了解决现有做法存在的问题而提供了一种土地利用变化视角下的城市代谢演化分析方法，旨在针对不同用地类型创建相应碳核算体系，探索与土地利用变化相关的动态城市碳代谢系统，确定与土地利用相关的城市生态系统中各种自然和社会经济成分之间的生态关系，为优化土地利用提供决策参考。

Description

一种土地利用变化视角下的城市碳代谢演化分析方法
技术领域
本方法属于管理科学、生态环境科学与地理信息技术交叉的技术领域。
背景技术
随着中国经济飞速发展，城市化进程极大地改变了土地利用形态，城市碳代谢深受其影响。目前国内在城市碳代谢研究方面已经累积了一定成果，但是不可否认的是这些研究成果仍然需要进一步完善。一方面，目前大部分对城市碳代谢过程的研究仅仅考虑了基于碳核算的收支情况。城市碳汇和碳排放的空间分布是空间化表达城市碳代谢过程的基础。碳排放作为城市碳收支的主导因素，其基于土地利用的核算方法和核算边界的不明确性给碳排放空间化带来了很大的困难。另一方面，当前研究大多通过不同部门消耗的物质能源量来指导城市设计，而基于网络思维所构建的城市生态网络分析的研究相对匮乏，难以探究碳元素流动过程及用地类型生态关系，缺乏具有针对性的土地利用管理的政策建议。并且关于路径中“碳流”的分析研究多集中在具有社会经济属性的用地类型上，忽略了自然生态用地的影响。
发明内容
本发明为了解决现有做法存在的问题而提供了一种土地利用变化视角下的城市代谢演化分析方法，旨在针对不同用地类型创建相应碳核算体系，探索与土地利用变化相关的动态城市碳代谢系统，确定与土地利用相关的城市生态系统中各种自然和社会经济成分之间的生态关系，为优化土地利用提供决策参考。
一种土地利用变化视角下的城市碳代谢演化分析方法，包含以下步骤：
(1)确定研究对象，比如国家/城市群/典型城市或地区，以及时间尺度；
(2)划分用地类型，根据研究范围和目的，将用地类型划分为九种，分别是林地、草地、湿地、河渠、未利用地、耕地、工矿用地、交通用地和居民用地；
(3)提出了基于不同土地类型的碳排放和碳汇核算方法，并对规划区域内不同用地类型的碳代谢水平进行计算；
(4)构建碳失衡指数，用来分析城市碳代谢系统中碳失衡程度及趋势；
(5)通过土地利用变化和碳代谢变化矩阵构建碳流模型；
(6)借助ArcGIS工具，以一定空间分辨率(如1km、3km等)来研究碳排放、碳汇和碳流的空间分布；
(7)应用生态网络的效用分析来判断各用地类型之间的生态关系；
(8)构建互惠指数来评估土地利用变化对整个城市碳代谢系统的综合影响。
与现有技术相比，本发明基于土地利用类型建立了一套碳代谢核算体系，定量地描述了研究区域碳代谢的总体情况和空间分布，研究了土地利用变化引起的碳流，并分析了系统组成部分之间的生态关系，揭示了区域碳代谢失衡的隐藏冲突和潜在风险，为空间碳代谢和土地利用管理提供更多建议。
附图说明
图1区域2015-2019年间用地类型之间的正碳流图
图2区域2015-2019年间用地类型之间的负碳流图
图3区域用地类型之间的生态关系图
具体实施方式
下面以华北地区某城市为案例对本发明做进一步说明，本发明不受实例的限制
步骤一：明确研究地理空间范围与时间尺度，如本案例选取华北地区某城市作为典型案例进行研究，时间尺度为2015-2019年。
步骤二：对土地利用类型进行分类，包括林地、草地、湿地、河渠、未利用地、耕地、工矿用地、交通用地和居民用地。
步骤三：根据土地利用类型制定相应的碳核算方法，并对案例地区进行计算与分析。
1.碳汇评估方法
本发明主要对自然生态系统土地利用类型的碳汇进行评估，包括林地、草地、湿地、河渠、未利用地、耕地。其计算如公式如下：
CS,m＝km·Sm
其中m代表土地利用类型；CS,m为土地利用类型m的碳汇量；Sm为土地利用类型m的面积；km为土地利用类型m的“碳汇”系数。实施例中不同土地利用类型碳汇系数含义如下：
林地碳汇系数定义为单位面积的森林固碳速率，林地碳储量由森林生物量乘以生物量中碳含量百分比计算所得。基于历史数据建立森林生物量与木材蓄积量之间的换算关系，即生物量换算因子。通过换算因子可由木材蓄积量得出森林生物量。
草地碳汇系数定义为单位面积的草地固碳速率，草地碳储量由草地生物量乘以生物量中碳含量百分比计算所得。基于历史数据建立草地生物量与草地蓄积量之间的换算关系，即生物量换算因子。通过换算因子可由草地蓄积量得出草地生物量。
耕地碳汇系数定义为单位面积的耕地固碳速率，耕地碳储量由耕地生物量乘以生物量中碳含量百分比计算所得。农作物生物量由农作物产量的统计数据及各主要作物的相关参数来计算。
湿地碳汇系数定义为单位面积的湿地固碳速率，由土壤容重、土壤碳含量和湿地土壤的沉积速率计算而得。
河渠碳汇系数定义为单位面积的河渠固碳速率，由土壤容重、土壤碳含量和河渠土壤的沉积速率计算而得。
未利用地碳汇系数定义为单位面积的未利用地固碳速率。未利用地包含荒草地、盐碱地、沼泽地、沙地和裸土地等。根据这类土地的碳吸收能力比较弱。未利用地碳储量由未利用地生物量乘以生物量中碳含量百分比计算所得。
本实施例中采集得到林地、草地、湿地、河渠、未利用地和耕地碳汇系数分别为0.486,0.019,0.0567,0.025,0.0005和0.0007kg C m-2yr-1。
2.碳排放评估方法
(1)耕地
耕地碳源(CE,CL)主要来自农业生产投入，包括化肥施用、种植过程、农业机械使用、灌溉过程，其碳排放量计算如下所示：
CE,CL＝kF·F+kM·M+kW·W+kG·G
其中，F为化肥施用量；M为耕地种植面积；W为农业机械总动力；G为灌溉面积；kF,kM,kW,kG分别为每个农业生产过程的碳排系数，实施例中采集得到857.54kg C ton-1,16.47kg C ha-1,0.18kg C kW-1,和266.48kg C ha-1。
(2)工矿用地
工矿用地碳源(CE,IL)主要包括能源消耗、工业生产过程以及垃圾焚烧和工业废水产生的排放量。其计算如下所示：
CE,IL＝∑nQn×EFn,C+∑SQs×PFs,C+Qwaste×Vwaste×Pwaste×CEwaste+QCOD×VCOD×12/16
其中，n是化石能源的种类；Qn为第二产业所消耗能源n的实物量；EFn,C为能源n碳排放因子，根据IPCC可得。Qs为工业产品s的产量；PFs,C为工业产品s生产过程中的单位碳排放因子，主要依据排放因子数据库的给定参数,并按照中国、亚洲、世界平均、其它国家的优先级取值；Qwaste为垃圾焚烧量；Vwaste为垃圾中碳含量，采集得到数值为40％；Pwaste是垃圾中矿物质碳的比例，采集得到数值为40％；CEwaste是焚烧炉的燃烧效率，采集得到数值为95％；QCOD为工业废水中化学需氧量(COD)含量，VCOD为释放甲烷的最大能力，为0.25。
(3)交通用地
交通用地碳源(CE,TL)主要来自交通运输部门的能源消耗以及居民生活中汽油和柴油消耗，其计算如下所示：
CE,TL＝∑nTQn×EFn,C
其中，TQt为交通运输部门所消耗能源种类n的实物量。
(4)河渠
河渠碳源(CE,RI)主要来自水运交通消耗柴油和港口货物吞吐的碳排放，其计算如下所示：
CE,RI＝Vw×WF+Vc×CF
其中，Vw为水运客货周转量；WF为水运碳排系数，即水运客货单位周转量碳排放量，采集得到数值为0.003kg C ton-1km-1；Vc为港口货物吞吐量；CF为单位吞吐量碳排放量，采集得到数值为0.23kg C/ton。
(5)居民用地
居民用地碳源(CE,RL)包括居民生活消费和填埋过程的能源消耗。其计算如下所示：
CE,RL＝∑nRQn×EFn,C+Qwaste-bury×0.167×(1-ξ)×12/16
其中，RQn是居民部门所消耗能源种类n的实物量；Qwaste-bury为垃圾填埋量，0.167为垃圾填埋过程中甲烷排放因子，ξ为被填埋的垃圾含水率,采集得到数值为71.5％。
步骤四：计算碳失衡指数，公式如下所示：
Figure BDA0003680297760000071
其中，∑mCE,m表示在研究地区范围内m种土地利用类型的总碳排放量；∑mCS,m表示在研究地区范围内m种土地利用类型的总碳汇量；λ表示碳失衡指数，用来评估城市碳代谢系统中的失衡程度，该数值越大，表明碳排放和碳汇之间的不平衡程度越剧烈。通过步骤三所提供的碳核算方法，本发明可以得出在案例地区内基于不同用地类型的碳代谢水平，以此来分析碳失衡指数及其演化趋势。
步骤五：建立碳流模型
用地类型单位时间单位面积的碳排放或者碳吸收能力定义为其碳代谢密度W，系统中用地类型j到用地类型i之间的碳流动是由碳代谢密度差异(ΔWij)驱动的。基于用地类型转移面积(ΔSij)和碳代谢差异，建立碳流矩阵(fij)，称为直流矩阵F，公式如下所示：
ΔWij＝Wj-Wi＝(vj/Sj)-(vi/Si)
fij＝ΔWij·ΔSij
其中，fij代表由组分j流向组分i的碳流；v代表碳代谢率；S代表土地利用类型的面积；ΔSij表示由规划期初期用地类型j变到规划期末期用地类型i的面积。通过该步骤可以得出案例地区碳流总水平及基于不同用类型的碳流流向。
步骤六：根据空间网格数据展示碳源、碳汇和碳流的空间分布。
步骤七：判断各用地类型之间的生态关系。
在生态网络中，状态变量xk代表系统中组分k的碳储量变化，其等于流入量减去流出量。组分k可以从外界环境中吸收碳流zk0，并释放碳流y0k到环境中。fkj为组分j流向组分k的碳流，fik为组分k流向组分i的碳流。通量Tk定义为组分k所有的流入量减去状态变量(xk)-(当xk＜0的表达方式)；否则为组分k所有的流出量加上状态变量(xk)+(当xk＞0的表达方式)，具体计算公式如下：
Figure BDA0003680297760000081
Figure BDA0003680297760000082
Figure BDA0003680297760000083
Figure BDA0003680297760000084
基于直接碳流矩阵(F)可以得到一个无量纲的直接效用强度矩阵(D)。在矩阵D中，元素dij由组分j到组分i的净流量的直接效用通量Ti进行归一化处理之后得到，如以下公式：
dij＝(fij-fji)/Ti
根据矩阵D可以计算出无量纲的积分效用强度矩阵U，矩阵U中元素uij表示从组分j到组分i的净流量的整体效用，具体计算公式如下：
U＝(I-D)-1
其中，I代表单位矩阵。
组分之间的生态效用关系可以由矩阵SignU决定，矩阵SignU的元素suij由矩阵U中元素的正负号组成，正号表示从关系中获得的净效用，负号表示净损失。
从理论上讲，成对的组分之间有九种可能的关系(见表1)。然而，在整体效用分析中只有四种关系是常见的，即剥削、控制、互惠共生和竞争关系。(suij,suji)＝(+，-)代表剥削关系，意味着j剥削i；(suij,suji)＝(-，+)代表控制关系,意味着j被i剥削。剥削关系和控制关系实质相同，两者都是表示在系统作用中，一个组分夺取了另一个组分的效用，以至于一个组分受益，而另一个组分受损。(suij,suji)＝(-，-)代表竞争关系，意味着两个组分相互竞争并且都损失了效用。(suij,suji)＝(+，+)代表互惠共生关系，意味着两个组分都从相互作用过程中都得到了效用。
表1生态关系分类
Figure BDA0003680297760000091
步骤八：计算互惠指数
为评价土地利用变化对整个区域系统发展的影响，引入互惠指数H，其计算公式如下：
H＝N+/N-
其中，N+和N-分别是矩阵U中正号和负号的数量。当H大于1时，表明土地利用变化对碳代谢系统的作用是积极的，H越大说明土地利用变化对城市碳代谢积极作用越强烈。
本实施例中，该城市2015-2019年之间正向碳流为974.16万吨，负向碳流为1088.1万吨。互惠指数由5.49变为5.07。
另外，以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种土地利用变化视角下的城市碳代谢演化分析方法，其特征在于包含以下步骤：
(1)确定研究对象；
(2)划分用地类型，根据研究范围和目的，将用地类型划分为九种，分别是林地、草地、湿地、河渠、未利用地、耕地、工矿用地、交通用地和居民用地；
(3)提出了基于不同土地类型的碳排放和碳汇核算方法，并对规划区域内不同用地类型的碳代谢水平进行计算；
(4)构建碳失衡指数，用来分析城市碳代谢系统中碳失衡程度及趋势；
(5)通过土地利用变化和碳代谢变化矩阵构建碳流模型；
(6)借助ArcGIS工具，研究碳排放、碳汇和碳流的空间分布；
(7)应用生态网络的效用分析来判断各用地类型之间的生态关系；
(8)构建互惠指数来评估土地利用变化对整个城市碳代谢系统的综合影响；
具体如下：
1).碳汇评估方法
对自然生态系统土地利用类型的碳汇进行评估，包括林地、草地、湿地、河渠、未利用地、耕地；其计算如公式如下：
CS,m＝km·Sm
其中m代表土地利用类型；CS,m为土地利用类型m的碳汇量；Sm为土地利用类型m的面积；km为土地利用类型m的“碳汇”系数；实施例中不同土地利用类型碳汇系数含义如下：
林地碳汇系数定义为单位面积的森林固碳速率，林地碳储量由森林生物量乘以生物量中碳含量百分比计算所得；基于历史数据建立森林生物量与木材蓄积量之间的换算关系，即生物量换算因子；通过生物量换算因子由木材蓄积量得出森林生物量；
草地碳汇系数定义为单位面积的草地固碳速率，草地碳储量由草地生物量乘以生物量中碳含量百分比计算所得；基于历史数据建立草地生物量与草地蓄积量之间的换算关系，即生物量换算因子；通过换算因子可由草地蓄积量得出草地生物量；
耕地碳汇系数定义为单位面积的耕地固碳速率，耕地碳储量由耕地生物量乘以生物量中碳含量百分比计算所得；农作物生物量由农作物产量的统计数据及各主要作物的相关参数来计算；
湿地碳汇系数定义为单位面积的湿地固碳速率，由土壤容重、土壤碳含量和湿地土壤的沉积速率计算而得；
河渠碳汇系数定义为单位面积的河渠固碳速率，由土壤容重、土壤碳含量和河渠土壤的沉积速率计算而得；
未利用地碳汇系数定义为单位面积的未利用地固碳速率；未利用地包含荒草地、盐碱地、沼泽地、沙地和裸土地等；根据这类土地的碳吸收能力比较弱；未利用地碳储量由未利用地生物量乘以生物量中碳含量百分比计算所得；
2).碳排放评估方法
(1)耕地
耕地碳源CE,CL来自农业生产投入，包括化肥施用、种植过程、农业机械使用、灌溉过程，其碳排放量计算如下所示：
CE,CL＝kF·F+kM·M+kW·W+kG·G
其中，F为化肥施用量；M为耕地种植面积；W为农业机械总动力；G为灌溉面积；kF,kM,kW,kG分别为每个农业生产过程的碳排系数；
(2)工矿用地
工矿用地碳源CE,IL包括能源消耗、工业生产过程以及垃圾焚烧和工业废水产生的排放量；其计算如下所示：
CE,IL＝∑nQn×EFn,C+∑SQs×PFs,C+Qwaste×Vwaste×Pwaste×CEwaste+QCOD×VCOD×12/16
其中，n是化石能源的种类；Qn为第二产业所消耗能源n的实物量；EFn,C为能源n的碳排放因子；Qs为工业产品s的产量；PFs,C为工业产品s生产过程中的单位碳排放因子；Qwaste为垃圾焚烧量；Vwaste为垃圾中碳含量；Pwaste是垃圾中矿物质碳的比例；CEwaste是焚烧炉的燃烧效率；QCOD为工业废水中化学需氧量COD含量，VCOD为释放甲烷的最大能力；
(3)交通用地
交通用地碳源CE,TL来自交通运输部门的能源消耗以及居民生活中汽油和柴油消耗，其计算如下所示：
CE,TL＝∑nTQn×EFn,C
其中，TQt为交通运输部门所消耗能源种类n的实物量。
(4)河渠
河渠碳源CE,RI主要来自水运交通消耗柴油和港口货物吞吐的碳排放，其计算如下所示：
CE,RI＝Vw×WF+Vc×CF
其中，Vw为水运客货周转量；WF为水运碳排系数，即水运客货单位周转量碳排放量；Vc为港口货物吞吐量；CF为单位吞吐量碳排放量；
(5)居民用地
居民用地碳源CE,RL包括居民生活消费和填埋过程的能源消耗；其计算如下所示：
CE,RL＝∑nRQn×EFn,C+Qwaste-bury×0.167×(1-ξ)×12/16
其中，RQn是居民部门所消耗能源种类n的实物量；Qwaste-bury为垃圾填埋量，0.167为垃圾填埋过程中甲烷排放因子，ξ为被填埋的垃圾含水率；
步骤四：计算碳失衡指数，公式如下所示：
Figure FDA0003680297750000041
其中，∑mCE,m表示在研究地区范围内m种土地利用类型的总碳排放量；∑mCS,m表示在研究地区范围内m种土地利用类型的总碳汇量；λ表示碳失衡指数；
步骤五：建立碳流模型
用地类型单位时间单位面积的碳排放或者碳吸收能力定义为其碳代谢密度W，系统中用地类型j到用地类型i之间的碳流动是由碳代谢密度差异ΔWij驱动的；基于用地类型转移面积ΔSij和碳代谢差异，建立碳流矩阵fij，称为直流矩阵F，公式如下所示：
ΔWij＝Wj-Wi＝(vj/Sj)-(vi/Si)
fij＝ΔWij·ΔSij
其中，fij代表由组分j流向组分i的碳流；v代表碳代谢率；S代表土地利用类型的面积；ΔSij表示由规划期初期用地类型j变到规划期末期用地类型i的面积；
步骤六：根据空间网格数据展示碳源、碳汇和碳流的空间分布；
步骤七：判断各用地类型之间的生态关系
在生态网络中，状态变量xk代表系统中组分k的碳储量变化，其等于流入量减去流出量；组分k可以从外界环境中吸收碳流zk0，并释放碳流y0k到环境中；fkj为组分j流向组分k的碳流，fik为组分k流向组分i的碳流；通量Tk定义为组分k所有的流入量减去状态变量(xk)-即当xk＜0的表达方式；否则为组分k所有的流出量加上状态变量(xk)+即当xk＞0的表达方式，具体计算公式如下：
Figure FDA0003680297750000051
Figure FDA0003680297750000052
Figure FDA0003680297750000061
Figure FDA0003680297750000062
基于直接碳流矩阵F得到一个无量纲的直接效用强度矩阵D；在矩阵D中，元素dij由组分j到组分i的净流量的直接效用通量Ti进行归一化处理之后得到，如以下公式：
dij＝(fij-fji)/Ti
根据矩阵D计算出无量纲的积分效用强度矩阵U，矩阵U中元素uij表示从组分j到组分i的净流量的整体效用，具体计算公式如下：
U＝(I-D)-1
其中，I代表单位矩阵；
组分之间的生态效用关系可以由矩阵SignU决定，矩阵SignU的元素suij由矩阵U中元素的正负号组成，正号表示从关系中获得的净效用，负号表示净损失；
步骤八：计算互惠指数
引入互惠指数H，其计算公式如下：
H＝N+/N-
其中，N+和N-分别是矩阵U中正号和负号的数量；当H大于1时，表明土地利用变化对碳代谢系统的作用是积极的，H越大说明土地利用变化对城市碳代谢积极作用越强烈。
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