基于高精度地表覆被类型数据的市域尺度碳收支核算

基于高精度地表覆被类型数据的市域尺度碳收支核算

 

摘要：【目的】城市的市域范围是碳排放的主要载体，占中国国土面积1.2%的城镇市域空间，贡献了接近总量80%的碳排放量。对此，预期通过厘清市域范围内不同土地覆盖类型所具有的碳排与碳汇能力之间的循环代谢关系，对市域总体碳收支情况进行核算，为市域尺度减碳、控碳提供基础支撑。

 

【方法】从市域尺度出发，基于GlobeLand30地表覆被数据，关联不同地表覆被类型的碳排放与碳汇系数，对市域地表覆被基础碳收支情况进行核算。在此基础上，进一步增加电力能源消耗数据和工业能源消费数据，对非自然生态类市域建设用地的间接碳排放核算进行补充，并选择南京作为案例进行了方法实证。

 

【结果】建构了中观市域尺度的碳收支理论模型，并以市域地表覆被作为碳排放核算的基础因素，提出了市域尺度碳收支核算方法，通过总体碳收支核算得到南京市域净碳排放总量。

 

【结论】建构出的市域碳收支理论模型以及相关核算方法，一方面基于不同市域地表覆被类型所具有的碳排与碳汇特征，从理论层面解释了市域内部整体碳收支的循环转化机理。另一方面，从中观市域尺度进行了以基础地表覆被数据和间接能耗数据为支撑的总体碳收支核算，在一定程度上完善了既有以区域宏观尺度和建筑单体微观尺度为主的碳收支核算方法。

 

市域空间是碳排放的主要载体，仅占全球陆地面积2%~3%的市域土地范围，在产出全球约70%GDP总量的同时，也消耗了60%~80%的化石等各类能源，产生了超过75%的碳排放和70%以上的固废垃圾[1-3]。

从国内整体态势来看，伴随着中国快速城镇化的发展历程，中国城镇化率已经从17.9%上升至64.72%，城市数量也从193个上升至2021年底的685个[4]。中国城镇市域建设面积仅占全国国土面积约1.2%，相当于全部建设用地的28%。但是，其碳排放量却占中国总碳排放量的近80%[5]。由此可见，中国大多数城市正处于“高碳城市”的发展阶段[6]。



根据住建部发布的《城乡建设领域碳达峰实施方案》中所指出的“2030年前，城乡建设领域碳排放达到峰值；力争到2060年城乡建设方式全面实现绿色低碳转型”的总体要求，城市低碳发展转型正在面临“大量建设、大量消耗、大量排放”的挑战，以及“2030年、2060年”2个时间节点的约束。其中，对市域内部的总体碳收支情况进行精确核算，是进行低碳城市建设的前提与基础工作，精准的碳收支核算结果及城市碳源空间的分布特征也可为规划设计的介入提供科学支撑。

 

然而，当前对于市域空间范围内碳收支的核算存在2个现实问题。首先，在核算尺度方面，既有研究大多从国家、区域、省域、流域等宏观尺度[7-8]，或者建筑单体微观尺度展开研究[9-10]，缺乏对中观市域尺度内部碳收支情况的核算。事实上，市域范围内所包含的多类高密度建设空间（碳源）、自然生态空间（碳汇）等，使得碳收支在市域尺度中就构成了一个具有循环转化效能的系统[11]。

因此，通过对市域尺度碳源空间和碳汇空间的解析，进行市域碳收支的核算，对于完善碳收支核算方法所涵盖的空间尺度范围、指导低碳城市规划具有重要的现实意义。

 

另外，在碳收支核算方法方面，既有研究主要采取清查实测法、涡度相关法、生态系统过程模拟法和排放因子核算法等。其中，生态系统过程模拟法更多考量的是区域尺度下的大气循环过程及自然生态要素的碳排放及碳固汇的效能，并不能较好地反映市域总体碳排-碳汇情况[12]。清查实测法和涡度相关法较为准确，但工作量大，装置设备成本高，在市域尺度碳收支核算的适用性较差[13]。

排放因子法是联合国政府间气候变化专门委员会碳排放核算模型、世界资源研究所（TheWorldResourcesInstitute,WRI）碳排放核算模型等国际主流碳核算模型普遍采用的方法，即排放量等于活动水平乘以排放因子，该方法通过活动水平量化了城市碳排放的活动。但是，该方法的局限性在于并没有考虑市域内的碳汇因素，难以反映市域总体“碳排-碳汇”情况[12]。

 

因此，当前在市域尺度上仍然缺乏一种考虑碳源、碳汇因素的综合碳收支核算方法。对此，土地覆盖类型作为市域建设和发展的基本空间载体，不同地表覆被类型是直接影响碳源、碳汇的重要因素[13]。同时，根据全球碳项目（globalcarbonproject,GCP）研究数据，全球范围内约400亿t的CO2排放量中的14%来自不同的地表覆被类型，而地表覆被变化引起的碳排放占全部温室气体排放的近1/3[14]。另外，Campbell等的研究也表明，市域内的林地、水体等地表覆被类型所具有的碳汇能力，使得其构成了市域碳收支系统中的重要组成部分[15]。

 

综上所述，本研究从市域尺度出发，首先通过梳理地表覆被类型及其碳排放与碳汇的效能，建构市域碳收支理论模型。进而，以此为基础选择GlobeLand30地表覆被的30m精度遥感数据，结合电力能耗和工业能耗数据，对市域的碳收支情况进行核算。进而，选择南京为案例对本研究所提出的碳收支核算方法进行实证，并通过空间坐标映射分析市域尺度下碳源与碳汇的空间分布特征。