基于遥感的成都市碳氧平衡动态分析

潘文　王皓雪　施瑞

摘 要：本文以四川省成都市为研究区，利用2005年、2015年遥感影像，提取该区两期土地利用/覆被数据，结合该区经济、交通、生产耗能等基础统计数据，对2005年、2015年碳氧收支量进行了研究，从时间和空间两方面对碳-氧平衡状况进行分析评价。结果表明，成都市2000年总体碳平衡系数为-0.029，氧平衡系数为-0.209；2015年碳平衡系数为-0.137，氧平衡系数为-0.208。从2005年到2015年，成都市总体碳氧平衡结果变差；成都市东中西部地区发展差异导致的经济、耗能的不同，以及土地覆被类型分布不均，是成都市19个行政区划的碳氧平衡差异明显的主要原因。最后，基于研究结果，就打造低碳型城市提出了相应建议，为成都市生态文明建设、城市规划提供科学依据。

关键词：碳氧平衡；土地覆被；遥感

城市是人类活动最为集中、最为活跃的区域，因而是排碳和耗氧的集中地 [ 1 ]。随着城市化进程的加快，化石能源的消耗剧增，城市区域植被覆盖度降低，排碳量增加，与此同时氧气的浓度在减少，严重影响了生物圈的碳氧平衡[ 1 ]。

碳氧平衡是人类活动排放的二氧化碳以及消耗的氧气与植被吸收二氧化碳、释放氧气的总量相平衡的理论，即大气中二氧化碳（氧气）排放量（消耗量）与吸收量（释放量）保持在一定的平衡范围，以维持地区的碳氧平衡[ 2 ]。近年来，国内外专家学者对城市碳氧平衡分析做了较多的研究，张颖等[ 3 ]应用碳氧平衡法探讨区域生态用地需求量的测算方法，为编制土地利用总体规划提供科学依据。

本文基于成都市2005年、2015年RapidEye遥感影像，利用 RS和GIS技术获取该区两期土地利用/覆被数据，并结合该区经济、人口、工业生产耗能等基础统计数据，建立碳-氧平衡模型，从时间和空间两方面对成都市的碳-氧平衡状况进行分析评价，在此基础上就打造低碳成都、绿地系统规划和生态空间格局提出了相应建议。

一、研究区概况

成都地处四川省的中部，四川盆地的西部，东接德阳市、资阳市，南面与眉山市毗邻，西靠雅安市、阿坝藏族羌族自治州。距东海1600公里，南海1090公里，属内陆地带。区内地形复杂，地势差异显著，从西到东分为山地、平原、丘陵三个部分。

二、碳氧平衡计算方法

（一）城市排碳、耗氧计算

已有研究表明人类活动中引起释碳耗氧的原因主要是人类呼吸、化石能源的燃烧、城市居民固体废弃物以及主要牲畜呼吸[ 4 ]。本文将成都市的释碳耗氧源分为人类呼吸、燃煤、燃油、燃气、城市居民固体废弃物以及主要牲畜呼吸六类，释碳量（Cz）耗氧量（Oz）分别的计算见表1。

（二）植被固碳、释氧计算

植被能通过光合作用将二氧化碳和水转化成有机物和氧气，是重要的“碳汇”、唯一的“氧源”[ 1-2 ]。本文采用生物量法計算生态用地固碳释氧能力。其中生态用地主要包括耕地、林地、草地、园地和水域。某区域固碳量和释氧量计算如下式所示：

Cg=α∑ni=1bi×Ai Os=β∑ni=1bi×Ai （1）

式中Cz和Oz分别为植物生物量的固碳量和释氧量；i表示土地类型，bi为第i种土地类型的单位面积生物量；α为单位生物量固碳系数。Ai为第i种土地类型面积；β为单位生物量释氧系数。

（三）城市碳氧平衡评价模型

碳氧平衡评价模型可以通过比较人类活动引起的释碳耗氧量与生态用地的固碳释氧量之间的差异， 评估某一区域碳氧平衡状态。引用Kai Yin[ 5 ]等人对城市碳氧平衡分析模型（UCOB）的评价模式，推导出区域碳氧平衡的相对差异公式，如下：

Ca=（Cg-Cz）/Cz Ox=（Os-Oz）/Oz （2）

Ca、Ox代表封闭生态系统内碳、氧的相对差异平衡，正值表示生态系统碳氧平衡区域良好或者有所改善；负值表明生态系统内碳氧不平衡，或者变得更差。

三、成都市碳氧平衡分析

本文收集了成都市2005年、2015年RapidEye遥感影像、成都市行政区划图等资料。将成都市土地利用类型划分为耕地、林地、草地、园地、水域、建筑用地及未利用地7 类。建立研究区图像的土地利用类型解译标志，运用面对对象的分类方法，提取两期土地利用/覆被信息。

根据城市固碳释氧、排碳耗氧计算方法，结合土地利用/覆被数据和统计数据，得出成都市的排碳耗氧、固碳释氧量和碳氧平衡值，具体分析如下：

1）成都市2005年的总固碳量为1244.64万吨，释氧量为2511.90万吨。固碳量最多的是大邑县，而固碳量最少的是武侯区；释氧量最大的是金堂县，释氧量最少的是武侯区。到2015年，成都市总固碳量为1399.69万吨，释氧量为3482.63万吨，相比较于2005年，固碳量释氧量在增加。从数值上看，从2005年到2015年，青羊区、武侯区等中心城区的固碳释氧量下降明显，而都江堰市、邛崃市等边缘地区的固碳量、释氧量都有所提升。

2）成都市2005年的耗氧总量为3174.15万吨，排碳总量为1282.25万吨。其中，成华区、武侯区等中心城区排碳、耗氧总量低于新都区、双流县等中间县区，但其单位面积的排碳、耗氧量最大；而大邑县、邛崃市等边缘县区其排碳、耗氧总量属于中等，但由于面积较大，故单位面积的排碳、耗氧量最低。从2005年到2015年，成都市多数县市区的耗氧量有所增加，大邑县、金堂县以及成华区略微下降。中心城区的增量较大，而蒲江县等边缘行政区划的增幅略小。相应地，成都市多数县市区的排碳量也有所增加。

3）从空间上来看，成都市东、中、西部的固碳、释氧量差异较大。成都市西部都江堰市、邛崃市、蒲江县等行政区域的固碳、释氧量最大，单位面积耗氧、排碳量最少；东部青白江区、龙泉驿区等行政区域固碳、释氧量次之，单位面积耗氧、排碳量中等；中部如双流区以及主城区内的武侯区、金牛区等行政区划固碳、释氧量最少，单位面积排碳量和耗氧量最大。

4）2005年成都市总碳氧平衡值均为负数，总体碳平衡值为-0.029，总体氧平衡值为-0.209，碳氧平衡稍差。到2015年，成都市总碳氧平衡值也为-0.137，总体氧平衡值为-0.208，表明碳氧平衡环境相对于2005年，变得更为恶劣。

四、结论与建议

（一）主要结论

通过对成都市碳氧计算结果分析可知：

1）成都市整体上处于碳氧失衡，在2005年时轻微失衡，到2015年失衡态继续状加重。从2005年到2015年，人口增加，经济持续发展，带来了诸如车辆、用电量、生活垃圾等需要耗氧、排碳源的剧增，另外工业用煤、用油也增加，使碳氧失衡状况恶化。

2）由于土地利用覆被差异以及经济发展程度不同，碳氧失衡表现出空间上的差异，中心城区相对突出，边缘城市失衡不明显或平衡状态良好。

（二）建议

本文基于分析结果，提出以下建议：

1）成都市是西南地区经济发展水平数一数二的城市，化石能源的大量使用成为必然，发展清洁能源，改变以化石能源占绝对主导地位的能源结构，是恢复碳氧平衡的重要手段；

2）合理调整和优化产业布局，优化城市空间结构，优化城市绿地系统，充分发挥其碳氧平衡功能，绿地建设应当在提高绿地面积和单位面积绿地植物的生物量、生产量的基础上，以乔灌草结合为主，适当发展草坪，加强立体绿化、分散綠化。

参考文献：

[1] 林刚，肖劲松，杜鹏飞，陈敏.碳氧平衡理论在生态城市规划中的应用——以贵阳市为例[J].动感（生态城市与绿色建筑），2010，04：63-66.

[2] 牛彦琼，李双江，罗晓，等.基于碳氧平衡法的石家庄生态用地需求研究[J].安徽农业科学，2012（12）：7325-7327.

[3] 张颖，王群，李边疆，王万茂.应用碳氧平衡法测算生态用地需求量实证研究[J].中国土地科学，2007，06：23-28.

[4] 马巾英，尹锴，吝涛.城市复合生态系统碳氧平衡分析——以沿海城市厦门为例[J].环境科学学报，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] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.综合能耗计算通则（GB/T2589-2008）[S].北京：中国标准出版社，2008.

项目来源：

国家级大学生创新创业训练计划项目（编号：201510616046）

作者简介：

潘文，本科，研究方向为遥感技术与运用。