III濟(jì)南市土地利用碳排放時(shí)空演化計(jì)算分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u25254濟(jì)南市土地利用碳排放時(shí)空演化計(jì)算分析案例 1138241.1土地利用碳排放測(cè)算方法 182741.1.1土地直接利用碳排放測(cè)算 2107271.1.2土地間接利用碳排放測(cè)算 347291.1.3土地利用碳排放總量測(cè)算 5276521.2土地利用碳排放與土地利用結(jié)構(gòu)相關(guān)性分析 5317561.2.1灰色關(guān)聯(lián)法模型的建立及相關(guān)性分析 512972單位：萬(wàn)噸 6257431.2.2土地利用碳排放與土地利用結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)度 7286231.3土地利用碳排放與土地利用結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè) 8176081.3.1灰色預(yù)測(cè)GM(1,1)模型的建立 854741.3.2土地利用結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè) 9230301.3.3地區(qū)生產(chǎn)總值的預(yù)測(cè) 101.1土地利用碳排放測(cè)算方法以濟(jì)南市10個(gè)區(qū)縣為研究單元，根據(jù)濟(jì)南市不同的土地利用類型，建立直接和間接的碳排放模型，計(jì)算濟(jì)南市2011-2019年碳排放量，并根據(jù)其9年間土地利用類型的變化，探尋二氧化碳排放量的變化。本文以直接測(cè)算和間接測(cè)算兩種方法測(cè)算土地利用碳排放。土地利用直接碳排放是人類在耕作過(guò)程中使用生產(chǎn)工具，消耗石油、電力等能源和化肥、農(nóng)藥等資源而產(chǎn)生二氧化碳排放。土地利用間接碳排放是人在建設(shè)用地上，為自身生存發(fā)展生產(chǎn)物資資料造成的碳排放，造成這種碳排放的主要原因是化石能源的消耗，包括工廠消耗能源進(jìn)行生產(chǎn)、利用能源供暖和城市建設(shè)等。此文中以交通運(yùn)輸用地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、耕地為碳源。林地、園地、草地、水域及水利設(shè)施用地和未利用土地為碳匯進(jìn)行測(cè)算。1.1.1土地直接利用碳排放測(cè)算土地利用直接碳排放主要是非建設(shè)用地利用過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放。本文選取濟(jì)南市土地利用類型中的耕地、林地、園地、草地、水域及水利設(shè)施用地和未利用土地共6種土地利用類型。對(duì)以上土地通過(guò)碳排放轉(zhuǎn)換系數(shù)，根據(jù)各個(gè)地類面積測(cè)算碳排放。本文中碳排放系數(shù)主要參考已有的相關(guān)研究進(jìn)行定值[16]。表1.1濟(jì)南市土地利用碳排放系數(shù)參照表單位：t/hm2名稱參考值耕地0.425林地-0.631園地-0.731草地-0.200水域及水利設(shè)施用地-0.246未利用土地-0.005碳排放計(jì)算公式如下： （1.1）式中：是第種土地利用方式產(chǎn)生的碳排放；是土地利用直接碳排放；是第種土地利用類型面積；是第種土地利用類型碳排放系數(shù)，排放為正數(shù)，吸收為負(fù)數(shù)。其中的碳排放（吸收）系數(shù)根據(jù)濟(jì)南市各個(gè)區(qū)縣實(shí)際情況，根據(jù)以上提到的學(xué)者的研究情況進(jìn)行確定的。（1）耕地。耕地是人類賴以生存的最基本的資源，人類在耕種的生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)因?yàn)槭褂么笮娃r(nóng)業(yè)機(jī)械消耗電力和燃料、使用化肥和農(nóng)藥以及農(nóng)作物自身生長(zhǎng)過(guò)程中的呼吸作用產(chǎn)生大量的二氧化碳，此部分即為碳排放；另一方面，又會(huì)因?yàn)檗r(nóng)作物的光合作用固定一部分二氧化碳等溫室氣體此部分即為碳匯。它們兩者的差值，即為耕地的碳排放系數(shù)。濟(jì)南市地處華東地區(qū)，是中緯度地帶，有利于農(nóng)作物進(jìn)行光合作用吸收二氧化碳，據(jù)此采用較小的碳排放系數(shù)較為合理。參考現(xiàn)有研究，結(jié)合濟(jì)南市自然狀況，本文采用0.425t/hm2為耕地的碳排放系數(shù)[16]。（2）林地。林地吸收二氧化碳的能力較強(qiáng)，濟(jì)南市的林地多為溫帶闊葉林，有南部山區(qū)等面積較大的林地，有較強(qiáng)的吸收二氧化碳的能力。但由于地處發(fā)達(dá)東部地區(qū)，城市化程度較高，在一定程度上限制了二氧化碳的吸收。從目前的研究來(lái)看，林地的碳排放系數(shù)在-0.581t/hm2到-0.644t/hm2之間[16]，結(jié)合濟(jì)南市自然狀況，本文采用-0.631t/hm2為林地的碳排放系數(shù)。（3）園地。園地中的植物以光合作用來(lái)吸收二氧化碳，其吸收二氧化碳的能力較強(qiáng)，但由于濟(jì)南市園地多為人工修建，園地種類多種多樣，標(biāo)準(zhǔn)參差不齊，對(duì)其園地的碳排放系數(shù)確定較為困難。濟(jì)南市位于東部沿海地區(qū)，園地較為稀疏，因此在本文中采用了較小的碳排放系數(shù)，目前研究中的園地碳排放系數(shù)為-0.730t/hm2到-5.770t/hm2之間，結(jié)合濟(jì)南市實(shí)際狀況，本文采用-0.731t/hm2為林地的碳排放系數(shù)。（4）草地。濟(jì)南市草地面積較少，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。濟(jì)南市的草地多為灌叢草地和疏林草地，固定二氧化碳的能力較弱，現(xiàn)有研究中，草地的排放系數(shù)主要在-0.220t/hm2左右，結(jié)合濟(jì)南市實(shí)際狀況，本文采用-0.200t/hm2為草地的碳排放系數(shù)。（5）水域及水利設(shè)施用地。濟(jì)南市位于黃河沿岸，被稱為“泉城”，水系較多，還有大明湖等風(fēng)景名勝，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對(duì)較弱，結(jié)合濟(jì)南市實(shí)際狀況，本文采用-0.246t/hm2為水域及水利設(shè)施用地的碳排放系數(shù)。（6）未利用土地。濟(jì)南市未利用土地主要有灘涂等，還包括山區(qū)、丘陵等難以利用的土地。這類土地生態(tài)系統(tǒng)較好，有一定的吸收二氧化碳的能力，但是由于植被稀少等原因，此類土地吸收二氧化碳的能力較弱。結(jié)合濟(jì)南市實(shí)際狀況，本文采用-0.005t/hm2為未利用土地的碳排放系數(shù)。1.1.2土地間接利用碳排放測(cè)算建設(shè)用地不同利用類型的土地會(huì)造成不同的碳排放，此文中建設(shè)用地包括交通運(yùn)輸用地和城鎮(zhèn)村及工礦用地，但因?yàn)榻ㄔO(shè)用地上承載利用方式相當(dāng)復(fù)雜，不同類型的住宅用地因建材和布置方式會(huì)造成不同的碳排放，不同的企業(yè)因消耗不同能源也會(huì)造成不同的碳排放量。受限于本文作者能力與所掌握資料，在此采用較為簡(jiǎn)便的方法對(duì)建設(shè)用地的碳排放進(jìn)行間接測(cè)算。建設(shè)用地中產(chǎn)生碳排放及碳排放多樣性的原因有：（1）工礦企業(yè)用地進(jìn)行物資資料的生產(chǎn)活動(dòng)，不同行業(yè)間或同行業(yè)內(nèi)不同企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式不同，對(duì)各種化石能源的消耗。（2）住宅用地之間不同的生活方式及規(guī)模布局不同，從而造成對(duì)化石能源消費(fèi)不同。（3）交通運(yùn)輸用地受利用類型、地域差異等因素的影響，也產(chǎn)生一定數(shù)量的碳排放并造成在能源消耗上的差異。通過(guò)研究得出，化石能源的消耗是建設(shè)用地產(chǎn)生碳排放的主要原因。本文以石能源消耗量這對(duì)建設(shè)用地碳排放進(jìn)行測(cè)算。相關(guān)參考文獻(xiàn)中對(duì)建設(shè)用地二氧化碳的排放是通過(guò)對(duì)各種化石能源的消耗總量和不同化石能源的碳排放系數(shù)進(jìn)行間接測(cè)算的。本文第一次測(cè)算使用這種方法，受制于數(shù)據(jù)方面的問(wèn)題，所得結(jié)果與實(shí)際不符?？紤]數(shù)據(jù)可得問(wèn)題，本文采用另外一種測(cè)算方法，即通過(guò)地區(qū)生產(chǎn)總值進(jìn)行二氧化碳排放量的測(cè)算。本文采用濟(jì)南地區(qū)生產(chǎn)總值來(lái)測(cè)算二氧化碳排放量，其主要原因?yàn)榈谝划a(chǎn)業(yè)主要為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)總值，如果對(duì)第一產(chǎn)業(yè)也進(jìn)行測(cè)算，將會(huì)與上述對(duì)耕地的二氧化碳排放的測(cè)算造成重復(fù)，而第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)主要是工業(yè)和服務(wù)業(yè)貢獻(xiàn)的產(chǎn)值，這些活動(dòng)主要是在建設(shè)用地上進(jìn)行的，以消耗化石能源為代價(jià)，將第二、三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的二氧化碳算入建設(shè)用地二氧化碳的排放更為合理。從《濟(jì)南市統(tǒng)計(jì)年鑒》可以獲得濟(jì)南市地區(qū)2011-2019年間第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)總值，借鑒其他學(xué)者的研究和參考的相關(guān)文獻(xiàn)，采用第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值之和來(lái)計(jì)算土地利用間接碳排放量的公式如下： （1.2） （1.3）公式中：為建設(shè)用地的碳排放量；為第年建設(shè)用地碳排放量；第年為第二產(chǎn)業(yè)（GDP2）生產(chǎn)總值和第三產(chǎn)業(yè)（GDP3）生產(chǎn)總值之和；為國(guó)內(nèi)萬(wàn)元GDP能耗，單位為噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元；為煤炭消耗的碳排放系數(shù)，根據(jù)《IPCC2006年國(guó)家溫室氣體清單指南》上的數(shù)據(jù)，取其值為0.7329，單位是t(C)/t。2011-2019年濟(jì)南市第二、第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值以及國(guó)內(nèi)萬(wàn)元GDP耗能見(jiàn)表1.2。表1.2濟(jì)南市第二、三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值和國(guó)內(nèi)萬(wàn)元GDP耗能年份GDP2（萬(wàn)元）GDP3（萬(wàn)元）萬(wàn)元GDP能耗（噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元）201118289700233946160.79201219381399261261360.77201320532400289224600.80201422616579321864930.76201523070000348784040.62201623689000384990520.59201725692200431533840.57201828293100475483000.56201932652200583509000.551.1.3土地利用碳排放總量測(cè)算濟(jì)南市土地利用碳排放總量為土地直接利用碳排放量與土地間接利用碳排量之和。計(jì)算公式為： （1.4）式中：是土地利用碳排放總量；是土地直接利用碳排放量；是土地間接利用碳排放量。根據(jù)濟(jì)南市統(tǒng)計(jì)年鑒各類土地利用類型面積和化石能源的消耗數(shù)據(jù)，測(cè)算得到2010-2019年濟(jì)南市碳排放總量,見(jiàn)表1.3。1.2土地利用碳排放與土地利用結(jié)構(gòu)相關(guān)性分析使用灰色關(guān)聯(lián)法，通過(guò)比較碳排放量與不同土地利用類型之間關(guān)聯(lián)度的大小，并根據(jù)其關(guān)聯(lián)度的大小為下一步的濟(jì)南市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù)。1.2.1灰色關(guān)聯(lián)法模型的建立及相關(guān)性分析（1）土地利用碳排放量為確定反映系統(tǒng)行為特征的參考數(shù)列，設(shè)土地利用碳排放量數(shù)據(jù)為灰色關(guān)聯(lián)度分析的母序列，即。設(shè)各類土地利用類型的面積為灰色關(guān)聯(lián)度分析的子序列，即，其中。（2）對(duì)灰色關(guān)聯(lián)度分析中的土地利用碳排放量數(shù)據(jù)母序列既參考數(shù)列和各種土地利用類型的土地利用面積子序列即特征數(shù)列進(jìn)行無(wú)量綱化處理，此處采用初值法對(duì)數(shù)PAGE6-表1.32011-2019年濟(jì)南市土地利用碳排放量單位：萬(wàn)噸年份碳排放總量碳吸收總量?jī)籼寂欧鸥亟ㄔO(shè)用地合計(jì)園地林地草地水域及水利設(shè)施用地未利用土地合計(jì)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據(jù)進(jìn)行處理，這樣可以確保把所有數(shù)據(jù)控制在灰色關(guān)聯(lián)度分析的范圍內(nèi)，方便進(jìn)行比較，以得到正確結(jié)論。公式為: （1.5）式中：為第組特征數(shù)列中的第一個(gè)數(shù)據(jù)。（3）計(jì)算參考數(shù)列與特征數(shù)列的之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)。記經(jīng)過(guò)初值法處理的參考數(shù)列為，記經(jīng)過(guò)初值法處理得特征數(shù)列為，年份為時(shí)參考數(shù)列和特征數(shù)列的關(guān)聯(lián)系數(shù)可以求得。公式為： （1.6）式中：為每組特征數(shù)列中絕對(duì)差的最小值，為每組特征數(shù)列中絕對(duì)差的最大值，是在年份為時(shí)兩數(shù)列的絕對(duì)差，為，是分辨系數(shù)。根據(jù)現(xiàn)有資料當(dāng)分辨最為顯著。本文為了使分辨較為明顯，取分辨系數(shù)。（4）求關(guān)聯(lián)系數(shù)，公式為： （1.7）式中：是土地利用碳排放量與土地利用結(jié)構(gòu)中各個(gè)地類面積的關(guān)聯(lián)度，與1越相接近，則其相關(guān)性越好。1.2.2土地利用碳排放與土地利用結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)度將濟(jì)南市2011-2019年間土地利用碳排放與土地利用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)代入灰色關(guān)聯(lián)度模型進(jìn)行分析，不同土地利用類型關(guān)聯(lián)度見(jiàn)表1.4。城鎮(zhèn)村及工礦用地與土地利用碳排放關(guān)聯(lián)度最大，排第1位為0.699。排在第2，第3位分別的是交通運(yùn)輸用地和未利用土地，其與土地利用碳排放的關(guān)聯(lián)度分別為0.679和0.638，這表明建設(shè)用地是最大的碳源，二氧化碳的排放量大都是由建設(shè)用地利用過(guò)程中產(chǎn)生的。濟(jì)南市自2011-2019年間二氧化碳排放量總體呈上升趨勢(shì)，其建設(shè)用地面積的逐年增長(zhǎng)是主要原因。表1.4濟(jì)南市土地利用碳排放與土地利用類型關(guān)聯(lián)度土地利用結(jié)構(gòu)耕地園地林地草地城鎮(zhèn)村及工礦用地交通運(yùn)輸用地水域及水利設(shè)施用地未利用土地關(guān)聯(lián)度0.6350.6210.6270.6250.6990.6790.6360.638排名58671243與土地利用碳排放關(guān)聯(lián)度最小的為園地、草地和林地，其關(guān)聯(lián)度分別為0.621、0.625和0.627，這項(xiàng)數(shù)據(jù)與實(shí)際是相符合的，它們對(duì)二氧化碳排放的影響較小，園地、草地和林地可視為碳匯土地，其吸收二氧化碳的能力有限。濟(jì)南市園地、草地和林地面積在9年間呈逐年遞減趨勢(shì)，吸收二氧化碳的能力逐年減弱。耕地和水域及水利設(shè)施用地與土地利用碳排放的關(guān)聯(lián)度排名居中，其原因是耕地和水域及水利設(shè)施用地即是碳源也是碳匯，耕地上的農(nóng)作物和水域?qū)Χ趸加幸欢ǖ奈漳芰?，但這項(xiàng)能力非常有限。人類在耕地和水域及水利設(shè)施上從事生產(chǎn)物資資料的勞動(dòng)時(shí)，利用生產(chǎn)設(shè)備，消耗化石能源，反而會(huì)造成一定數(shù)量二氧化碳的排放，這項(xiàng)數(shù)據(jù)也是與實(shí)際相符合的。綜上所述，建設(shè)用地與碳排放量的關(guān)聯(lián)度最高。林地、園地和草地與碳排放的關(guān)聯(lián)度最低。未來(lái)，濟(jì)南市可以通過(guò)優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，合理控制城鎮(zhèn)村及工礦用地和交通運(yùn)輸用地等建設(shè)用地面積的增長(zhǎng)，適度規(guī)劃面積合理的林地、園地和草地，來(lái)實(shí)現(xiàn)城市的低碳排放。1.3土地利用碳排放與土地利用結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)1.3.1灰色預(yù)測(cè)GM(1,1)模型的建立灰色預(yù)測(cè)GM(1,1)模型可以預(yù)測(cè)的數(shù)量比較少，數(shù)據(jù)完整性及可靠性較低的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行預(yù)測(cè)。其預(yù)測(cè)的精度比較高，程序也較為簡(jiǎn)易，好檢驗(yàn)。灰色預(yù)測(cè)GM(1,1)模型比較適用于時(shí)間較短，指數(shù)增長(zhǎng)的預(yù)測(cè)，可對(duì)土地利用碳排放量與土地利用結(jié)構(gòu)一定時(shí)間發(fā)展做出的預(yù)測(cè)性的描述；從而為優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，合理規(guī)劃未來(lái)土地利用類型提供決策依據(jù)。根據(jù)現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)，可得以下建模公式。（1）為減弱原始數(shù)據(jù)隨機(jī)性，建立灰色預(yù)測(cè)GM(1,1)模型前，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，設(shè)序列為所要預(yù)測(cè)的土地利用碳排放原始數(shù)據(jù)，然后再對(duì)數(shù)據(jù)的級(jí)比進(jìn)行計(jì)算。公式為： （1.8）若大多數(shù)級(jí)比落在可覆蓋的區(qū)間內(nèi)，則滿足建立則灰色預(yù)測(cè)GM(1,1)模型的要求。（2）對(duì)進(jìn)行一次累加，得到的累加序列，公式中。（3）記參數(shù)序列為，，再用對(duì)求解，其中是累加矩陣數(shù)據(jù)陣，為常數(shù)向量數(shù)據(jù)列，公式為： （1.9） （1.10