【《济南市土地利用碳排放时空演化计算分析案例》5200字】

III济南市土地利用碳排放时空演化计算分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u25254济南市土地利用碳排放时空演化计算分析案例 1138241.1土地利用碳排放测算方法 182741.1.1土地直接利用碳排放测算 2107271.1.2土地间接利用碳排放测算 347291.1.3土地利用碳排放总量测算 5276521.2土地利用碳排放与土地利用结构相关性分析 5317561.2.1灰色关联法模型的建立及相关性分析 512972单位：万吨 6257431.2.2土地利用碳排放与土地利用结构关联度 7286231.3土地利用碳排放与土地利用结构的预测 8176081.3.1灰色预测GM(1,1)模型的建立 854741.3.2土地利用结构的预测 9230301.3.3地区生产总值的预测 101.1土地利用碳排放测算方法以济南市10个区县为研究单元，根据济南市不同的土地利用类型，建立直接和间接的碳排放模型，计算济南市2011-2019年碳排放量，并根据其9年间土地利用类型的变化，探寻二氧化碳排放量的变化。本文以直接测算和间接测算两种方法测算土地利用碳排放。土地利用直接碳排放是人类在耕作过程中使用生产工具，消耗石油、电力等能源和化肥、农药等资源而产生二氧化碳排放。土地利用间接碳排放是人在建设用地上，为自身生存发展生产物资资料造成的碳排放，造成这种碳排放的主要原因是化石能源的消耗，包括工厂消耗能源进行生产、利用能源供暖和城市建设等。此文中以交通运输用地、城镇村及工矿用地、耕地为碳源。林地、园地、草地、水域及水利设施用地和未利用土地为碳汇进行测算。1.1.1土地直接利用碳排放测算土地利用直接碳排放主要是非建设用地利用过程中产生的碳排放。本文选取济南市土地利用类型中的耕地、林地、园地、草地、水域及水利设施用地和未利用土地共6种土地利用类型。对以上土地通过碳排放转换系数，根据各个地类面积测算碳排放。本文中碳排放系数主要参考已有的相关研究进行定值[16]。表1.1济南市土地利用碳排放系数参照表单位：t/hm2名称参考值耕地0.425林地-0.631园地-0.731草地-0.200水域及水利设施用地-0.246未利用土地-0.005碳排放计算公式如下： （1.1）式中：是第种土地利用方式产生的碳排放；是土地利用直接碳排放；是第种土地利用类型面积；是第种土地利用类型碳排放系数，排放为正数，吸收为负数。其中的碳排放（吸收）系数根据济南市各个区县实际情况，根据以上提到的学者的研究情况进行确定的。（1）耕地。耕地是人类赖以生存的最基本的资源，人类在耕种的生产过程中，会因为使用大型农业机械消耗电力和燃料、使用化肥和农药以及农作物自身生长过程中的呼吸作用产生大量的二氧化碳，此部分即为碳排放；另一方面，又会因为农作物的光合作用固定一部分二氧化碳等温室气体此部分即为碳汇。它们两者的差值，即为耕地的碳排放系数。济南市地处华东地区，是中纬度地带，有利于农作物进行光合作用吸收二氧化碳，据此采用较小的碳排放系数较为合理。参考现有研究，结合济南市自然状况，本文采用0.425t/hm2为耕地的碳排放系数[16]。（2）林地。林地吸收二氧化碳的能力较强，济南市的林地多为温带阔叶林，有南部山区等面积较大的林地，有较强的吸收二氧化碳的能力。但由于地处发达东部地区，城市化程度较高，在一定程度上限制了二氧化碳的吸收。从目前的研究来看，林地的碳排放系数在-0.581t/hm2到-0.644t/hm2之间[16]，结合济南市自然状况，本文采用-0.631t/hm2为林地的碳排放系数。（3）园地。园地中的植物以光合作用来吸收二氧化碳，其吸收二氧化碳的能力较强，但由于济南市园地多为人工修建，园地种类多种多样，标准参差不齐，对其园地的碳排放系数确定较为困难。济南市位于东部沿海地区，园地较为稀疏，因此在本文中采用了较小的碳排放系数，目前研究中的园地碳排放系数为-0.730t/hm2到-5.770t/hm2之间，结合济南市实际状况，本文采用-0.731t/hm2为林地的碳排放系数。（4）草地。济南市草地面积较少，草地自身固定二氧化碳的能力也有限，其固定二氧化碳主要是靠植物光合作用吸收二氧化碳。济南市的草地多为灌丛草地和疏林草地，固定二氧化碳的能力较弱，现有研究中，草地的排放系数主要在-0.220t/hm2左右，结合济南市实际状况，本文采用-0.200t/hm2为草地的碳排放系数。（5）水域及水利设施用地。济南市位于黄河沿岸，被称为“泉城”，水系较多，还有大明湖等风景名胜，有一定的固定二氧化碳的能力，但是，水域其固定二氧化碳的能力相对较弱，结合济南市实际状况，本文采用-0.246t/hm2为水域及水利设施用地的碳排放系数。（6）未利用土地。济南市未利用土地主要有滩涂等，还包括山区、丘陵等难以利用的土地。这类土地生态系统较好，有一定的吸收二氧化碳的能力，但是由于植被稀少等原因，此类土地吸收二氧化碳的能力较弱。结合济南市实际状况，本文采用-0.005t/hm2为未利用土地的碳排放系数。1.1.2土地间接利用碳排放测算建设用地不同利用类型的土地会造成不同的碳排放，此文中建设用地包括交通运输用地和城镇村及工矿用地，但因为建设用地上承载利用方式相当复杂，不同类型的住宅用地因建材和布置方式会造成不同的碳排放，不同的企业因消耗不同能源也会造成不同的碳排放量。受限于本文作者能力与所掌握资料，在此采用较为简便的方法对建设用地的碳排放进行间接测算。建设用地中产生碳排放及碳排放多样性的原因有：（1）工矿企业用地进行物资资料的生产活动，不同行业间或同行业内不同企业生产经营模式不同，对各种化石能源的消耗。（2）住宅用地之间不同的生活方式及规模布局不同，从而造成对化石能源消费不同。（3）交通运输用地受利用类型、地域差异等因素的影响，也产生一定数量的碳排放并造成在能源消耗上的差异。通过研究得出，化石能源的消耗是建设用地产生碳排放的主要原因。本文以石能源消耗量这对建设用地碳排放进行测算。相关参考文献中对建设用地二氧化碳的排放是通过对各种化石能源的消耗总量和不同化石能源的碳排放系数进行间接测算的。本文第一次测算使用这种方法，受制于数据方面的问题，所得结果与实际不符。考虑数据可得问题，本文采用另外一种测算方法，即通过地区生产总值进行二氧化碳排放量的测算。本文采用济南地区生产总值来测算二氧化碳排放量，其主要原因为第一产业主要为农业生产农产品的生产总值，如果对第一产业也进行测算，将会与上述对耕地的二氧化碳排放的测算造成重复，而第二产业和第三产业主要是工业和服务业贡献的产值，这些活动主要是在建设用地上进行的，以消耗化石能源为代价，将第二、三产业生产产生的二氧化碳算入建设用地二氧化碳的排放更为合理。从《济南市统计年鉴》可以获得济南市地区2011-2019年间第二产业和第三产业的生产总值，借鉴其他学者的研究和参考的相关文献，采用第二产业和第三产业产值之和来计算土地利用间接碳排放量的公式如下： （1.2） （1.3）公式中：为建设用地的碳排放量；为第年建设用地碳排放量；第年为第二产业（GDP2）生产总值和第三产业（GDP3）生产总值之和；为国内万元GDP能耗，单位为吨标准煤/万元；为煤炭消耗的碳排放系数，根据《IPCC2006年国家温室气体清单指南》上的数据，取其值为0.7329，单位是t(C)/t。2011-2019年济南市第二、第三产业生产总值以及国内万元GDP耗能见表1.2。表1.2济南市第二、三产业生产总值和国内万元GDP耗能年份GDP2（万元）GDP3（万元）万元GDP能耗（吨标准煤/万元）201118289700233946160.79201219381399261261360.77201320532400289224600.80201422616579321864930.76201523070000348784040.62201623689000384990520.59201725692200431533840.57201828293100475483000.56201932652200583509000.551.1.3土地利用碳排放总量测算济南市土地利用碳排放总量为土地直接利用碳排放量与土地间接利用碳排量之和。计算公式为： （1.4）式中：是土地利用碳排放总量；是土地直接利用碳排放量；是土地间接利用碳排放量。根据济南市统计年鉴各类土地利用类型面积和化石能源的消耗数据，测算得到2010-2019年济南市碳排放总量,见表1.3。1.2土地利用碳排放与土地利用结构相关性分析使用灰色关联法，通过比较碳排放量与不同土地利用类型之间关联度的大小，并根据其关联度的大小为下一步的济南市土地利用结构优化提供参考依据。1.2.1灰色关联法模型的建立及相关性分析（1）土地利用碳排放量为确定反映系统行为特征的参考数列，设土地利用碳排放量数据为灰色关联度分析的母序列，即。设各类土地利用类型的面积为灰色关联度分析的子序列，即，其中。（2）对灰色关联度分析中的土地利用碳排放量数据母序列既参考数列和各种土地利用类型的土地利用面积子序列即特征数列进行无量纲化处理，此处采用初值法对数PAGE6-表1.32011-2019年济南市土地利用碳排放量单位：万吨年份碳排放总量碳吸收总量净碳排放耕地建设用地合计园地林地草地水域及水利设施用地未利用土地合计201115.3532413.4842428.838-1.947-5.431-1.168-1.263-0.025-9.8342419.004201215.3462568.1402583.486-1.943-5.412-1.166-1.262-0.025-9.8092573.677201315.3432899.6372911.980-1.918-5.370-1.150-1.258-0.025-9.7212905.259201415.3103052.5533067.863-1.914-5.361-1.149-1.256-0.025-9.7043058.159201515.2392633.1642648.403-1.905-5.343-1.145-1.254-0.025-9.6712638.732201615.1982689.0802701.278-1.897-5.331-1.143-1.252-0.025-9.6482691.630201715.1162876.0452891.160-1.886-5.311-1.140-1.247-0.025-9.6102881.550201815.0303112.7133127.743-1.877-5.297-1.138-1.243-0.025-9.5803118.164201915.0303668.2893683.320-1.877-5.297-1.138-1.243-0.025-9.5803673.740据进行处理，这样可以确保把所有数据控制在灰色关联度分析的范围内，方便进行比较，以得到正确结论。公式为: （1.5）式中：为第组特征数列中的第一个数据。（3）计算参考数列与特征数列的之间的关联系数。记经过初值法处理的参考数列为，记经过初值法处理得特征数列为，年份为时参考数列和特征数列的关联系数可以求得。公式为： （1.6）式中：为每组特征数列中绝对差的最小值，为每组特征数列中绝对差的最大值，是在年份为时两数列的绝对差，为，是分辨系数。根据现有资料当分辨最为显著。本文为了使分辨较为明显，取分辨系数。（4）求关联系数，公式为： （1.7）式中：是土地利用碳排放量与土地利用结构中各个地类面积的关联度，与1越相接近，则其相关性越好。1.2.2土地利用碳排放与土地利用结构关联度将济南市2011-2019年间土地利用碳排放与土地利用结构数据代入灰色关联度模型进行分析，不同土地利用类型关联度见表1.4。城镇村及工矿用地与土地利用碳排放关联度最大，排第1位为0.699。排在第2，第3位分别的是交通运输用地和未利用土地，其与土地利用碳排放的关联度分别为0.679和0.638，这表明建设用地是最大的碳源，二氧化碳的排放量大都是由建设用地利用过程中产生的。济南市自2011-2019年间二氧化碳排放量总体呈上升趋势，其建设用地面积的逐年增长是主要原因。表1.4济南市土地利用碳排放与土地利用类型关联度土地利用结构耕地园地林地草地城镇村及工矿用地交通运输用地水域及水利设施用地未利用土地关联度0.6350.6210.6270.6250.6990.6790.6360.638排名58671243与土地利用碳排放关联度最小的为园地、草地和林地，其关联度分别为0.621、0.625和0.627，这项数据与实际是相符合的，它们对二氧化碳排放的影响较小，园地、草地和林地可视为碳汇土地，其吸收二氧化碳的能力有限。济南市园地、草地和林地面积在9年间呈逐年递减趋势，吸收二氧化碳的能力逐年减弱。耕地和水域及水利设施用地与土地利用碳排放的关联度排名居中，其原因是耕地和水域及水利设施用地即是碳源也是碳汇，耕地上的农作物和水域对二氧化碳有一定的吸收能力，但这项能力非常有限。人类在耕地和水域及水利设施上从事生产物资资料的劳动时，利用生产设备，消耗化石能源，反而会造成一定数量二氧化碳的排放，这项数据也是与实际相符合的。综上所述，建设用地与碳排放量的关联度最高。林地、园地和草地与碳排放的关联度最低。未来，济南市可以通过优化土地利用结构，合理控制城镇村及工矿用地和交通运输用地等建设用地面积的增长，适度规划面积合理的林地、园地和草地，来实现城市的低碳排放。1.3土地利用碳排放与土地利用结构的预测1.3.1灰色预测GM(1,1)模型的建立灰色预测GM(1,1)模型可以预测的数量比较少，数据完整性及可靠性较低的数据序列进行预测。其预测的精度比较高，程序也较为简易，好检验。灰色预测GM(1,1)模型比较适用于时间较短，指数增长的预测，可对土地利用碳排放量与土地利用结构一定时间发展做出的预测性的描述；从而为优化土地利用结构，合理规划未来土地利用类型提供决策依据。根据现有研究数据，可得以下建模公式。（1）为减弱原始数据随机性，建立灰色预测GM(1,1)模型前，需要对原始数据进行处理，设序列为所要预测的土地利用碳排放原始数据，然后再对数据的级比进行计算。公式为： （1.8）若大多数级比落在可覆盖的区间内，则满足建立则灰色预测GM(1,1)模型的要求。（2）对进行一次累加，得到的累加序列，公式中。（3）记参数序列为，，再用对求解，其中是累加矩阵数据阵，为常数向量数据列，公式为： （1.9） （1.10