基于遙感的成都市碳氧平衡動態(tài)分析

潘文　王皓雪　施瑞

摘 要：本文以四川省成都市為研究區(qū)，利用2005年、2015年遙感影像，提取該區(qū)兩期土地利用/覆被數(shù)據(jù)，結(jié)合該區(qū)經(jīng)濟、交通、生產(chǎn)耗能等基礎統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對2005年、2015年碳氧收支量進行了研究，從時間和空間兩方面對碳-氧平衡狀況進行分析評價。結(jié)果表明，成都市2000年總體碳平衡系數(shù)為-0.029，氧平衡系數(shù)為-0.209；2015年碳平衡系數(shù)為-0.137，氧平衡系數(shù)為-0.208。從2005年到2015年，成都市總體碳氧平衡結(jié)果變差；成都市東中西部地區(qū)發(fā)展差異導致的經(jīng)濟、耗能的不同，以及土地覆被類型分布不均，是成都市19個行政區(qū)劃的碳氧平衡差異明顯的主要原因。最后，基于研究結(jié)果，就打造低碳型城市提出了相應建議，為成都市生態(tài)文明建設、城市規(guī)劃提供科學依據(jù)。

關鍵詞：碳氧平衡；土地覆被；遙感

城市是人類活動最為集中、最為活躍的區(qū)域，因而是排碳和耗氧的集中地 [ 1 ]。隨著城市化進程的加快，化石能源的消耗劇增，城市區(qū)域植被覆蓋度降低，排碳量增加，與此同時氧氣的濃度在減少，嚴重影響了生物圈的碳氧平衡[ 1 ]。

碳氧平衡是人類活動排放的二氧化碳以及消耗的氧氣與植被吸收二氧化碳、釋放氧氣的總量相平衡的理論，即大氣中二氧化碳（氧氣）排放量（消耗量）與吸收量（釋放量）保持在一定的平衡范圍，以維持地區(qū)的碳氧平衡[ 2 ]。近年來，國內(nèi)外專家學者對城市碳氧平衡分析做了較多的研究，張穎等[ 3 ]應用碳氧平衡法探討區(qū)域生態(tài)用地需求量的測算方法，為編制土地利用總體規(guī)劃提供科學依據(jù)。

本文基于成都市2005年、2015年RapidEye遙感影像，利用 RS和GIS技術獲取該區(qū)兩期土地利用/覆被數(shù)據(jù)，并結(jié)合該區(qū)經(jīng)濟、人口、工業(yè)生產(chǎn)耗能等基礎統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建立碳-氧平衡模型，從時間和空間兩方面對成都市的碳-氧平衡狀況進行分析評價，在此基礎上就打造低碳成都、綠地系統(tǒng)規(guī)劃和生態(tài)空間格局提出了相應建議。

一、研究區(qū)概況

成都地處四川省的中部，四川盆地的西部，東接德陽市、資陽市，南面與眉山市毗鄰，西靠雅安市、阿壩藏族羌族自治州。距東海1600公里，南海1090公里，屬內(nèi)陸地帶。區(qū)內(nèi)地形復雜，地勢差異顯著，從西到東分為山地、平原、丘陵三個部分。

二、碳氧平衡計算方法

（一）城市排碳、耗氧計算

已有研究表明人類活動中引起釋碳耗氧的原因主要是人類呼吸、化石能源的燃燒、城市居民固體廢棄物以及主要牲畜呼吸[ 4 ]。本文將成都市的釋碳耗氧源分為人類呼吸、燃煤、燃油、燃氣、城市居民固體廢棄物以及主要牲畜呼吸六類，釋碳量（Cz）耗氧量（Oz）分別的計算見表1。

（二）植被固碳、釋氧計算

植被能通過光合作用將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成有機物和氧氣，是重要的“碳匯”、唯一的“氧源”[ 1-2 ]。本文采用生物量法計算生態(tài)用地固碳釋氧能力。其中生態(tài)用地主要包括耕地、林地、草地、園地和水域。某區(qū)域固碳量和釋氧量計算如下式所示：

Cg=α∑ni=1bi×Ai Os=β∑ni=1bi×Ai （1）

式中Cz和Oz分別為植物生物量的固碳量和釋氧量；i表示土地類型，bi為第i種土地類型的單位面積生物量；α為單位生物量固碳系數(shù)。Ai為第i種土地類型面積；β為單位生物量釋氧系數(shù)。

（三）城市碳氧平衡評價模型

碳氧平衡評價模型可以通過比較人類活動引起的釋碳耗氧量與生態(tài)用地的固碳釋氧量之間的差異， 評估某一區(qū)域碳氧平衡狀態(tài)。引用Kai Yin[ 5 ]等人對城市碳氧平衡分析模型（UCOB）的評價模式，推導出區(qū)域碳氧平衡的相對差異公式，如下：

Ca=（Cg-Cz）/Cz Ox=（Os-Oz）/Oz （2）

Ca、Ox代表封閉生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)碳、氧的相對差異平衡，正值表示生態(tài)系統(tǒng)碳氧平衡區(qū)域良好或者有所改善；負值表明生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)碳氧不平衡，或者變得更差。

三、成都市碳氧平衡分析

本文收集了成都市2005年、2015年RapidEye遙感影像、成都市行政區(qū)劃圖等資料。將成都市土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、園地、水域、建筑用地及未利用地7 類。建立研究區(qū)圖像的土地利用類型解譯標志，運用面對對象的分類方法，提取兩期土地利用/覆被信息。

根據(jù)城市固碳釋氧、排碳耗氧計算方法，結(jié)合土地利用/覆被數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得出成都市的排碳耗氧、固碳釋氧量和碳氧平衡值，具體分析如下：

1）成都市2005年的總固碳量為1244.64萬噸，釋氧量為2511.90萬噸。固碳量最多的是大邑縣，而固碳量最少的是武侯區(qū)；釋氧量最大的是金堂縣，釋氧量最少的是武侯區(qū)。到2015年，成都市總固碳量為1399.69萬噸，釋氧量為3482.63萬噸，相比較于2005年，固碳量釋氧量在增加。從數(shù)值上看，從2005年到2015年，青羊區(qū)、武侯區(qū)等中心城區(qū)的固碳釋氧量下降明顯，而都江堰市、邛崍市等邊緣地區(qū)的固碳量、釋氧量都有所提升。

2）成都市2005年的耗氧總量為3174.15萬噸，排碳總量為1282.25萬噸。其中，成華區(qū)、武侯區(qū)等中心城區(qū)排碳、耗氧總量低于新都區(qū)、雙流縣等中間縣區(qū)，但其單位面積的排碳、耗氧量最大；而大邑縣、邛崍市等邊緣縣區(qū)其排碳、耗氧總量屬于中等，但由于面積較大，故單位面積的排碳、耗氧量最低。從2005年到2015年，成都市多數(shù)縣市區(qū)的耗氧量有所增加，大邑縣、金堂縣以及成華區(qū)略微下降。中心城區(qū)的增量較大，而蒲江縣等邊緣行政區(qū)劃的增幅略小。相應地，成都市多數(shù)縣市區(qū)的排碳量也有所增加。

3）從空間上來看，成都市東、中、西部的固碳、釋氧量差異較大。成都市西部都江堰市、邛崍市、蒲江縣等行政區(qū)域的固碳、釋氧量最大，單位面積耗氧、排碳量最少；東部青白江區(qū)、龍泉驛區(qū)等行政區(qū)域固碳、釋氧量次之，單位面積耗氧、排碳量中等；中部如雙流區(qū)以及主城區(qū)內(nèi)的武侯區(qū)、金牛區(qū)等行政區(qū)劃固碳、釋氧量最少，單位面積排碳量和耗氧量最大。

4）2005年成都市總碳氧平衡值均為負數(shù)，總體碳平衡值為-0.029，總體氧平衡值為-0.209，碳氧平衡稍差。到2015年，成都市總碳氧平衡值也為-0.137，總體氧平衡值為-0.208，表明碳氧平衡環(huán)境相對于2005年，變得更為惡劣。

四、結(jié)論與建議

（一）主要結(jié)論

通過對成都市碳氧計算結(jié)果分析可知：

1）成都市整體上處于碳氧失衡，在2005年時輕微失衡，到2015年失衡態(tài)繼續(xù)狀加重。從2005年到2015年，人口增加，經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，帶來了諸如車輛、用電量、生活垃圾等需要耗氧、排碳源的劇增，另外工業(yè)用煤、用油也增加，使碳氧失衡狀況惡化。

2）由于土地利用覆被差異以及經(jīng)濟發(fā)展程度不同，碳氧失衡表現(xiàn)出空間上的差異，中心城區(qū)相對突出，邊緣城市失衡不明顯或平衡狀態(tài)良好。

（二）建議

本文基于分析結(jié)果，提出以下建議：

1）成都市是西南地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平數(shù)一數(shù)二的城市，化石能源的大量使用成為必然，發(fā)展清潔能源，改變以化石能源占絕對主導地位的能源結(jié)構(gòu)，是恢復碳氧平衡的重要手段；

2）合理調(diào)整和優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)，優(yōu)化城市綠地系統(tǒng)，充分發(fā)揮其碳氧平衡功能，綠地建設應當在提高綠地面積和單位面積綠地植物的生物量、生產(chǎn)量的基礎上，以喬灌草結(jié)合為主，適當發(fā)展草坪，加強立體綠化、分散綠化。

參考文獻：

[1] 林剛，肖勁松，杜鵬飛，陳敏.碳氧平衡理論在生態(tài)城市規(guī)劃中的應用——以貴陽市為例[J].動感（生態(tài)城市與綠色建筑），2010，04：63-66.

[2] 牛彥瓊，李雙江，羅曉，等.基于碳氧平衡法的石家莊生態(tài)用地需求研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2012（12）：7325-7327.

[3] 張穎，王群，李邊疆，王萬茂.應用碳氧平衡法測算生態(tài)用地需求量實證研究[J].中國土地科學，2007，06：23-28.

[4] 馬巾英，尹鍇，吝濤.城市復合生態(tài)系統(tǒng)碳氧平衡分析——以沿海城市廈門為例[J].環(huán)境科學學報，2011（8）.

[5] Yin K， Lu D， Tian Y， et al. Evaluation of Carbon and Oxygen Balances in Urban Ecosystems Using Land Use/Land Cover and Statistical Data[J].Sustainability，2014，7（1）：195-221.

[6] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.綜合能耗計算通則（GB/T2589-2008）[S].北京：中國標準出版社，2008.

項目來源：

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（編號：201510616046）

作者簡介：

潘文，本科，研究方向為遙感技術與運用。