LA专题 | 郑屹 吴玥玥 杨俊宴 | 基于高精度地表覆被类型数据的市域尺度碳收支核算

全文刊登于《风景园林》2023年第9期 P37-44

郑屹，吴玥玥，杨俊宴.基于高精度地表覆被类型数据的市域尺度碳收支核算[J].风景园林，2023，30（9）：37-44．

基于高精度地表覆被类型数据的市域尺度碳收支核算

郑屹

男 / 博士 / 东南大学建筑学院讲师、硕士生导师 / 东南大学中华民族视觉形象研究基地讲师 / 研究方向为绿色城市设计理论与技术及城市智能感知

吴玥玥

女 / 东南大学建筑学院在读硕士研究生 / 研究方向为碳中和导向的城市规划与设计、人工智能城市设计

杨俊宴

男 / 博士 / 东南大学建筑学院教授、博士生导师 / 东南大学智慧城市研究院副院长 / 研究方向为城市设计前沿理论与技术、人工智能城市设计与实践

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。

关键词

碳收支；地表覆被；能源消耗；低碳城市规划；南京

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。中国大多数城市正处于“高碳城市”的发展阶段。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。

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30 m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。最后，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。

1 市域碳收支理论模型建构

1.1 市域地表覆被类型构成

明确碳收支的核算边界以及其中碳源与碳汇要素构成，是进行总体碳收支核算的基础工作。根据既有相关研究的核算内容，可以将碳源与碳汇的构成大致划分为宏观、中观、微观和渺观4个研究尺度。中观尺度主要包含市域、特定地区等层级。该尺度的碳收支核算主要对市域范围内的建筑、工业、自然山体、水体、林地、绿地等多个要素类型的整体碳收支情况进行综合核算。

市域尺度包括城市建成区、分散在近郊区的乡村建设用地以及非建设的生态用地等多种地表覆被类型。碳源属性的地表覆被类型主要包括由工业用地、非工业用地所共同构成的城市建设用地类型，以及承载农业生产功能的耕地。碳汇属性的地表覆被类型主要包括林地、草地以及自然水体3种类型。

1.2 市域碳收支理论模型

在市域尺度地表覆被类型的基础上，建构基于地表覆被碳源和碳汇要素转化抵消机理的市域碳收支理论模型（图1）。其中，市域内的耕地、工业用地和非工业用地覆被类型构成了模型中的碳源端，即碳收支系统中的碳增量部分；林地、草地、水体3类地表覆被类型则构成了模型中的碳汇端，即市域碳收支系统中的固汇量部分。在市域碳收支理论模型中，可以将上述6类地表覆被类型进一步按照碳排与碳汇特征划分为直接碳排、间接碳排和直接碳汇3种作用方式。

1 基于地表覆被类型的市域碳收支理论模型

2 市域碳收支核算方法

2.1  市域碳收支核算方法框架

基于市域碳收支理论模型，以及其中所含的各类地表覆被类型在碳源、碳汇循环过程中的作用关系，构建市域总体碳收支核算方法框架（图2）。1）分别采集反映市域碳源情况的地表覆被、电力能耗和工业用地所涉及的化石能源消费数据。2）叠加反映生态碳汇情况的地表覆被数据，构成以地表覆被类型为基础，关联直接、间接能源消耗数据的市域碳收支核算依据，并分别明确市域碳收支系统所含要素各自的碳排放与碳汇系数。3）针对市域碳收支过程中的直接碳排放、间接碳排放和碳汇作用机制，分别采用地表覆被类型碳排放系数法、直接碳排放系数法和间接碳排放系数法，对各类地表覆被类型的碳汇量和市域碳汇总量，碳源端的直接、间接碳排放量和市域碳排放总量进行相应的测算，并通过相互之间的抵消转换关系得到市域总体碳收支的核算结果。4）通过将碳排放核算结果与相应的城市地理位置进行关联，分析市域尺度上碳源与碳汇的空间分布情况，作为后续低碳导向城市规划的参考依据。

2 市域总体碳收支核算方法框架

2.2 数据选择与数据属性

构建地表覆被与能源消耗相结合的计算数据，是开展市域总体碳收支核算的基础。本研究共获取了地表覆被类型数据、电力能源消费数据和工业活动能源消费数据3类计算数据集。

2.3 市域碳收支计算模型

当前国内、国际上对于碳排放的计算存在多种应用模型。本研究采用IPCC模型作为进行市域碳收支核算的基础参照。针对不同地表覆被类型的碳排放和碳汇特征，在市域碳排放和碳汇计算时主要使用3种不同的计算方法。

3 市域碳收支核算实证研究

3.1  研究案例选择

综合考量市域地表覆被类型、工业类型、建筑用地规模及密度等因素，本研究选择江苏省南京市作为案例，对市域总体碳收支的核算方法进行实证研究。

从南京市域整体地表覆被情况来看，根据2021年数据，南京市域范围内的地表覆被类型以耕地和人造地表为主，林地、水体次之，其余零星分布有未利用的裸露地表（图3）。由此可见，南京市域范围内碳源端的直接和间接碳排放来源承载用地规模占南京市总面积的81.39%，而作为市域碳汇端的生态系统地表类型仅占约18.61%，市域整体碳收支中的碳源增量远高于碳汇效能。

3 南京市域范围区划（左）及地表覆被类型（右）

3.2  南京市域碳收支核算实证

3.2.1  南京市域碳源端核算

基于南京市域范围内碳源端的各类型地表覆被碳排放计算，测算出市域范围内最高的碳排放类型为工业用地碳排放，碳排放量为25 273.81万t CO₂；非工业建筑用地的碳排放量约为3 091.84万t CO₂；耕地的碳排放量则为16.04万t CO₂。

在空间分布方面，南京市域范围内的碳排放主要分布于以非工业建筑用地主导的中心城区和工业用地主导的产业园区（图4）。其中，非工业建筑用地的高碳排放区域主要分布在夫子庙、新街口等商业商务业态高度集聚的城市中心区以及金港科技创业中心、江苏省生命科技创新园、南京紫东国际创业园等创新创业园区及商务区，并在整体空间分布层面呈现由内向外圈层递减的趋势。

4 南京市域碳排放空间分布

3.2.2  南京市域碳汇端核算

基于碳源端各地表覆被类型的碳汇系数，对南京市域范围内碳源端所含水体、林地和草地的碳汇量进行计算，并对计算结果进行归一化处理和空间分析。南京市域范围生态系统的碳汇能力分别为水体碳汇量12.79万t CO₂、林地碳汇量4.33万t CO₂、草地碳汇量0.086万t CO₂。可见，水体是南京市域范围内碳汇的首要载体。与南京市域地表覆被类型进行比对，发现水体在市域碳汇中占首要地位的主要原因为横贯南京的长江、中心市区内的内外秦淮河及其附属水系，以及散布的石臼湖、固城湖等湖泊及坑塘等空间要素的占比大（图 5）。

5 南京市域碳汇空间分布

3.2.3  南京市域总体碳收支情况核算

在对南京市域碳源端和碳汇端分别进行测算的基础上，考虑在市域范围内碳源端和碳汇端之间所存在的转换抵消机制，对南京市域总体碳收支情况进行初步的核算。

根据计算所采用的2021年数据，南京市域范围内碳汇总量约为17.21万t CO₂，市域碳排放总量为28 381.69万t CO₂，南京市域总体净碳排放总量约为28 364.48万t CO₂。在南京市域范围内，总体碳收支存在较大缺口，对于在规划过程中推动低碳发展转型以及实现碳达峰构成较大挑战。对此，考虑市域尺度下的城市建成环境及基础地表覆被的类型特征，在城市规划、建设过程中，可将蓝绿体系作为基础性的碳源载体，合理规划城市蓝绿格局并布局生态廊道。在此基础上，结合城市所处气候区及自然基础条件，对市域内的植物类型进行优化调整。

4 结论

在国家“2030碳达峰，2060碳中和”战略目标的总体时间节点约束下，城乡规划建设领域如何基于自身学科内涵开展“双碳”研究，进而平衡人类生产生活与自然环境的关系成为当前亟待解决的学科问题。其中，对碳排放进行科学、客观的测算是支撑低碳城市规划的基础性工作。本研究从中观市域尺度进行了以基础地表覆被类型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体系。在城市规划及景观设计实践过程中可以作为基础性工作，为城市绿地布置、城市蓝绿体系规划等提供参考和支撑。

图表来源：

图1~5 均由作者绘制，其中图 3~5 底图来自江苏省自然资源厅网站（zrzy.jiangsu.gov.cn/jsbzdt/index.html），审图号为苏S（2021）024 号；表 1~4 均由作者编制。

为了微信阅读体验，文中参考文献标注进行了删减，详见杂志。

参考文献

[1] IPCC. Climate Change 2021: The Physical Science Basis: Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M/OL]. Cambridge: Cambridge University Press, （2023-06）[2023-07-15]. 

https://doi.org/10.1017/9781009157896.       

[2] 柯楠，卢新海，匡兵.中国城市土地绿色低碳利用时空演化及影响因素：基于碳中和目标的实证研究[J].城市问题，2021（7）：33-40.

KE N, LU X H, KUANG B. Spatio-Temporal Evolution and Influencing Factors of Urban Land Green and Low-Carbon Utilization Under the Goal of Carbon Neutrality in China[J]. Urban Problems, 2021 （7）: 33-40.

[3] MI Z F, GUAN D B, LIU Z, et al. Cities: The Core of Climate Change Mitigation[J]. Journal of Cleaner Production, 2019, 207: 582-589.       

[4] 《中国城市发展报告》编委会.中国城市发展报告（2020/2021）[R].北京：中国城市出版社， 2021.

Editorial Committee of China Urban Development Report. China Urban Development Report （2020/2021）[R]. Beijing: China City Press, 2021.

[5] 中国建筑节能协会.2022中国城乡建设领域碳排放系列研究报告[R/OL].（2023-01-04）[2023-04-01]. https：//www.cabee.org/site/content/24420.html.        China Building Energy Conservation Association. 2022 Series Research Report on Carbon Emissions in Urban and Rural Construction in China[R/OL]. （2023-01-04）[2023-04-01]. 

https://www.cabee.org/site/content/24420.html.

[6] 王建国，王兴平.绿色城市设计与低碳城市规划：新型城市化下的趋势[J].城市规划，2011，35（2）：20-21.

WANG J G, WANG X P. Green Urban Design and Low-Carbon Urban Planning: Under the Trend of New-Type Urbanization[J]. City Planning Review, 2011, 35 （2）: 20-21.

[7] 郑德高，吴浩，林辰辉，等.基于碳核算的城市减碳单元构建与规划技术集成研究[J].城市规划学刊，2021（4）：43-50.

ZHENG D G, WU H, LIN C H, et al. The Formulation of Urban Carbon Reduction Unit and Integrated Planning Methodology Based on Carbon Accounting[J]. Urban Planning Forum, 2021 （4）: 43-50.

[8] ZHANG Y, YU Z, ZHANG J. Research on Carbon Emission Differences Decomposition and Spatial Heterogeneity Pattern of China’s Eight Economic Regions[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2022, 29: 29976-29992.       

[9] 张秀敏，吴朝晖.建筑物碳排放核算方法探析[J].工业技术经济，2019，38（10）：31-40.

ZHANG X M, WU Z H. A Study of Carbon Emission Accounting Method of Buildings[J]. Journal of Industrial Technological Economics, 2019, 38 （10）: 31-40.

[10] 蔡伟光，庞天娇，郎宁宁，等.我国各省建筑能耗测算与分析[J].暖通空调，2020，50（2）：66-71.

CAI W G, PANG T J, LANG N N, et al. Calculation and Analysis of Provincial Building Energy Consumption in China[J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 2020, 50 （2）: 66-71.

[11] 周干峙.城市及其区域：一个典型的开放的复杂巨系统[J].城市规划，2002（2）：7-8.

ZHOU G Z. City and Its Region: A Typical Open Complex Huge System[J]. City Planning Review, 2002 （2）: 7-8.

[12] 景侨楠，侯慧敏，白宏涛，等.自上而下的城市能源消耗碳排放估算方法[J].中国环境科学，2019，39（1）：420-427.

JING Q N, HOU H M, BAI H T, et al. A Top-Down Estimation Method for City-Level Energy-Related CO2 Emissions[J]. China Environmental Science, 2019, 39 （1）: 420-427.

[13] 周嘉，王钰萱，刘学荣，等.基于土地利用变化的中国省域碳排放时空差异及碳补偿研究[J].地理科学，2019，39（12）：1955-1961.

ZHOU J, WANG Y X, LIU X R, et al. Spatial Temporal Differences of Carbon Emissions and Carbon Compensation in China Based on Land Use Change[J]. Scientia Geographica Sinica, 2019, 39 （12）: 1955-1961.

[14] MEYFROIDT P, LAMBIN E F, ERB K-H, et al. Globalization of Land Use: Distant Drivers of Land Change and Geographic Displacement of Land Use[J]. Current Opinion in Environmental Sustainability, 2013, 5 （5）: 438-444.       

[15] CAMPBELL C A, ZENTNER R P, et al. Organic C Accumulation in Soil over 30 Years in Semiarid Southwestern Saskatchewan-Effect of Crop Rotation and Feryilizer[J]. Canadian Journal of Soil Science, 2000, 80: 179-192.       

[16] 丁仲礼， 张涛， 等.碳中和：逻辑体系与技术需求[M].北京：科学出版社， 2022.

DING Z L, ZHANG T, et al. Carbon Neutrality: Logical System and Technical Requirements[M]. Beijing: Science Press, 2022.

[17] 杨柏，秦广鹏，邬钦.“双碳”目标下中国省域碳排放核算分析[J].环境科学，2022，43（12）：5840-5849.

YANG B, QIN G P, WU Q. Analysis of Provincial CO2 Emission Accounting in China Under the Carbon Peaking and Carbon Neutrality Goals[J]. Environmental Science, 2022, 43 （12）: 5840-5849.

[18] 石铁矛，李沛颖，汤煜.碳中和背景下城市碳汇功能及提升策略：以沈阳核心区为例[J].中国园林，2022，38（3）：78-83.

SHI T M, LI P Y, TANG Y. Urban Carbon Sink Function and Promotion Strategy Under the Background of Carbon Neutrality: A Case Study of Shenyang Core Area[J]. Chinese Landscape Architecture, 2022, 38 （3）: 78-83.

[19] 黎孔清，马豆豆，李义猛.基于STIRPAT模型的南京市农业碳排放驱动因素分析及趋势预测[J].科技管理研究，2018，38（8）：238-245.

LI K Q, MA D D, LI Y M. Driving Factors and Trends Prediction of Urban Agricultural Carbon Emissions in Nanjing Based on STIRPAT[J]. Science and Technology Management Research, 2018, 38 （8）: 238-245.

[20] 姚程，王谦，姜霞，等.湖泊生态系统碳汇特征及其潜在碳中和价值研究[J].生态学报，2023，43（3）：893-909.

YAO C, WANG Q, JIANG X, et al. Review of Lake Ecosystem’s Characteristics of Carbon Sink and Potential Value on Carbon Neutrality[J]. Acta Ecologica Sinica, 2023, 43 （3）: 893-909.

[21] CHEN J, GAO M, CHENG S, et al. Global 1 km× 1 km Gridded Revised Real Gross Domestic Product and Electricity Consumption During 1992−2019 Based on Calibrated Nighttime Light Data[J]. Scientific Data, 2022, 9 （1）: 202.       

[22] 范建双，虞晓芬，周琳.南京市土地利用结构碳排放效率增长及其空间相关性[J].地理研究，2018，37（11）：2177-2192.

FAN J S, YU X F, ZHOU L. Carbon Emission Efficiency Growth of Land Use Structure and Its Spatial Correlation: A Case Study of Nanjing City[J]. Geographical Research, 2018, 37 （11）: 2177-2192.

[23] 方精云，郭兆迪，朴世龙.1981—2000年中国陆地植被碳汇的估算[J].中国科学（D辑：地球科学），2007，37（6）：804-812.

FANG J Y, GUO Z D, PIAO S L. Estimation of Terrestrial Vegetation Carbon Sinks in China from 1981 to 2000[J]. Scientia Sinica （Terrae）, 2007, 37 （6）: 804-812.

[24] 张玥，代亚强，陈媛媛，等.土地利用隐性转型与土地利用碳排放空间关联研究[J].中国土地科学，2022，36（6）：100-112.

ZHANG Y, DAI Y Q, CHEN Y Y, et al. The Study on Spatial Correlation of Recessive Land Use Transformation and Land Use Carbon Emission[J]. China Land Science, 2022, 36 （6）: 100-112.

[25] 杨皓然，吴群.不同政策方案下的南京市土地利用碳排放动态模拟[J].地域研究与开发，2021，40（3）：121-126.

YANG H E, WU Q. Dynamic Simulation of Carbon Emissions from Land Use in Nanjing City under Different Policy Scenarios[J]. Areal Research and Development, 2021, 40 （3）: 121-126.

[26] 张秀梅，李升峰，黄贤金，等.江苏省1996年至2007年碳排放效应及时空格局分析[J].资源科学，2010，32（4）：768-775.

ZHANG X M, LI S F, HUANG X J, et al. Effects of Carbon Emissions and Their Spatio-Temporal Patterns in Jiangsu Province from 1996 to 2007[J]. Resources Science, 2010, 32 （4）: 768-775.

[27] 张赫，彭千芮，王睿，等.中国县域碳汇时空格局及影响因素[J].生态学报，2020，40（24）：8988-8998.

ZHANG H, PENG Q R, WANG R, et al. Spatiotemporal Patterns and Factors Influencing County Carbon Sinks in China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2020, 40 （24）: 8988-8998.

[28] 张润森，濮励杰，文继群，等.建设用地扩张与碳排放效应的库兹涅茨曲线假说及验证[J].自然资源学报，2012，27（5）：723-733.

ZHANG R S, PU L J, WEN J Q, et al. Hypothesis and Validation on the Kuznets Curve of Construction Land Expansion and Carbon Emission Effect[J]. Journal of Natural Resources, 2012, 27 （5）: 723-733.

[29] 陈可欣，陶韦华，方晓丽，等.国土空间规划中碳中和评估及规划应用路径研究[J].规划师，2022，38（5）：134-141.

CHEN K X, TAO W H, FANG X L, et al. Carbon Neutrality Assessment and Planning Application Path in Territorial Spatial Planning[J]. Planners, 2022, 38 （5）: 134-141.

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文章编辑  王一兰

微信编辑  刘芝若

微信校对  王一兰

审核 曹娟

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