濟南市中心城區(qū)綠地固碳釋氧能力研究

魯敏，高鑫，紀園園，崔琰，秦碧蓮

（1.山東建筑大學 學報編輯部，山東 濟南250101；2.山東建筑大學 藝術學院，山東濟南250101；3.山東建筑大學建筑城規(guī)學院，山東濟南250101；4.山東中天建設有限公司，山東濟南250000）

0 引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展，城市化步伐加快，城市地塊的使用密度以及使用強度不斷提升，生態(tài)綠地被城市硬質景觀所取代，而城市綠地面積減少，景觀破碎化程度加大。CO2等溫室氣體不斷排出，城市溫室效應加劇，城市生態(tài)環(huán)境問題日益嚴重［1］。城市溫室效應、熱島效應的加劇破壞生態(tài)平衡，全球氣候變暖不斷威脅著人類、動植物的生存以及發(fā)展。1968年，寇耳提出了全球O2量減少的問題，專家學者相應證實了這一問題，并提出全球氧氣含量的不斷減少甚至消失必將帶來更加嚴重的后果［2－4］。全球碳氧失衡現(xiàn)象逐漸引起各國的關注。在生態(tài)破壞如此嚴峻的情況下，專家學者提出了低碳城市的理念。低碳城市的研究在各學科的城市生態(tài)環(huán)境保護研究中都占有重要地位。低碳城市是指在城市發(fā)展過程中始終堅持低碳理念，在保證經(jīng)濟正常發(fā)展的前提下，運用多種手段和方法降低碳排放，減少能源損耗，大力開發(fā)新能源，城市規(guī)劃設計以打造低碳城市作為藍本［5］。

低碳理念大多運用于新能源的開發(fā)利用以及清潔生產方面，而對城市碳氧平衡的相關分析較少。城市碳氧失衡的現(xiàn)象依然沒有得到解決，城市的生態(tài)問題仍存在巨大隱患［6］。城市生態(tài)綠地系統(tǒng)規(guī)劃是低碳城市建設的重要內容，是城市生態(tài)發(fā)展可以形成良性循環(huán)的必然策略。城市綠地固碳釋氧能力的研究是對城市綠地進行科學合理規(guī)劃的基礎和前提，城市生態(tài)綠地面積正在逐漸成為衡量城市宜居性的重要標準之一［7］。

研究利用濟南市中心城區(qū)的SPOT影像提取濟南市中心城區(qū)的綠地信息，運用相關的計算軟件以及模型對其進行分析，并使用生物量法對城市綠地系統(tǒng)固碳、釋氧能力進行計算。分析總結濟南市中心城區(qū)的碳氧平衡的現(xiàn)狀，根據(jù)計算結果對濟南市中心城區(qū)碳氧平衡進行評價與分析，為濟南市中心城區(qū)的生態(tài)綠地網(wǎng)絡系統(tǒng)科學合理的規(guī)劃提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

濟南市位于山東省中部，介于北緯36°01′至37°32′、東經(jīng) 116°11′至 117°44′之間，地處魯中南低山丘陵與魯西北沖積平原的交接帶上，南部為泰山山地，北部為黃河沖積平原［8］。地勢南高北低，地形復雜多樣。研究范圍為濟南市中心城區(qū)，即為濟南市二環(huán)路以內的區(qū)域，面積為15166.77 hm2。

文章的研究對象為濟南市二環(huán)以內的區(qū)域，即為濟南市的中心城區(qū)。其中主要包括槐蔭區(qū)、天橋區(qū)、歷下區(qū)、歷城區(qū)、市中區(qū)等5個區(qū)域。中心城區(qū)是濟南市的教育、文化、政治、經(jīng)濟中心，是城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃的重要研究區(qū)城［9］。至2013年，濟南市建成區(qū)面積達470.6 hm2，同比去年增加了12.6 hm2；濟南市中心城區(qū)綠地面積為3340.13 hm2，綠地覆蓋率為22.02%；全年房地產開發(fā)房屋施工面積4807.0 hm2，增長 26.0%；同時，高耗能行業(yè)比重上升，6大高耗能行業(yè)實現(xiàn)工業(yè)增加值占全部規(guī)模以上工業(yè)增加值的比重為28.1%；年末公路通車里程為12696.7 km，增長3.3%；年末擁有民用機動車為141.9萬輛，增長1.7%，其中民用汽車為121.4萬輛，增長 14.6%。

濟南市CO2等溫室氣體的排出量呈現(xiàn)緩慢增長的態(tài)勢，城市空氣質量尚未達到良好的標準，城市土地利用密度以及城市利用強度增加，城市硬質面積增加，城市生態(tài)綠地面積尚未滿足人均需要，濟南市城市生態(tài)環(huán)境質量有待提高。

2 研究方法

2.1 城市綠地數(shù)據(jù)庫構建

2.1.1 數(shù)據(jù)來源及處理

高分辨率可見光掃描儀的圖像耐處理能力高于多光譜掃描儀MSS以及專題制圖儀器TM的圖像處理能力［10］，因此，研究區(qū)域的的主要數(shù)據(jù)源為SPOT5衛(wèi)星遙感影像的解譯結果。為了提高解譯的精準性及滿足分析的需要，校正并采用了約為2.5 m的分辨率影像，通過人工交互式目視解譯法得到研究區(qū)的城市綠地分布狀況、城市綠地類型以及城市綠地的面積等數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)建立墨卡托坐標系，根據(jù)得到的信息，建立信息數(shù)據(jù)庫。運用EDRAS9.2和PCI軟件對所獲取的遙感影像進行校正處理并裁剪、拼接圖像，遙感圖像進行校正并完成圖像拼接之后，進行圖像分類，在建立的坐標系的基礎上形成數(shù)字正射影像圖［11］。

2.1.2 城市綠地信息分類提取

以濟南市中心城區(qū)遙感影像的光譜識別特征為基礎，與濟南市中心城區(qū)的城市綠地空間分布特點以及分布現(xiàn)狀相結合，依照城市綠地的分類方式，將研究區(qū)域的城市綠地劃分為林地、疏林地、耕地和濕地4大類型的綠地。城市綠地綜合信息的提取主要是將野外調研得到的數(shù)據(jù)信息輸入ArcGIS10.01的數(shù)據(jù)庫，并利用ArcGIS10.01中的Clip功能在所獲取的遙感圖像中劃分出需要進行解譯的研究區(qū)域，通過數(shù)據(jù)庫中的矢量數(shù)據(jù)對需要解譯的區(qū)域進行目視解譯，即對遙感圖像中的物質要素進行目視辨認。通常情況下，圖像中形狀是規(guī)整的矩形、灰色色調、陰影清晰的圖像為建筑物，色調偏綠色的圖像為喬木、灌木、水體、草地等。其中，形狀呈現(xiàn)不規(guī)則圖形且表面肌理較為粗糙的圖像一般為喬木和灌木，草地的影像比喬木和灌木肌理更為細膩，影像形狀為自然流暢的線性［14］。以目視判讀標志為基礎，與野外實地調研所獲得的相關數(shù)據(jù)以及濟南市中心城區(qū)的地形圖相結合，從中提取濟南市城市綠地綜合信息，如綠地面積、綠地名稱、周邊交通等。

通過對濟南市中心城區(qū)的遙感圖像進行目視解譯、實地調研濟南市中心城區(qū)的具體信息、查閱濟南市中心城區(qū)實地地形圖等方法提取濟南市中心城區(qū)綠地的具體信息。將獲取的具體信息按照同類型相元歸類在一起的方法進行歸類，其中若某相元符合某種特定種類的特點，則將相元賦予種類的屬性，并將相元劃分到此種類中［15］。

2.1.3 建立城市綠地信息庫

將濟南市中心城區(qū)進行目視解譯獲得的量化數(shù)據(jù)以及各類型綠地的屬性數(shù)據(jù)輸入后，進行相應的編輯、分類等，最終形成研究區(qū)域的城市綠地圖形數(shù)據(jù)庫及屬性數(shù)據(jù)庫［16］。

為完成研究區(qū)域城市綠地信息的量化，需將研究區(qū)解譯后的矢量圖轉換為5 m×5 m相元大小的柵格數(shù)據(jù)圖，使用Fragstats 9.2軟件對柵格數(shù)據(jù)圖進行景觀指數(shù)計算。根據(jù)所獲得的研究區(qū)域的具體量化數(shù)據(jù)，繪制濟南市中心城區(qū)的綠地數(shù)據(jù)表，見表1，濟南市城市綠地分類示意圖以及城市綠地分布示意圖，如圖1所示。

表1 濟南市城市綠地統(tǒng)計表

3 濟南市中心城區(qū)綠地固碳釋氧及釋碳耗氧量計算

3.1 濟南市中心城區(qū)固碳釋氧量計算

3.1.1 城市綠地固碳釋氧量計算方法

城市綠地系統(tǒng)固碳釋氧的功能對于生態(tài)城市的建設具有非常重要的作用，作為城市最為重要的碳匯系統(tǒng)，科學合理地規(guī)劃城市綠地系統(tǒng)有助于城市綠地系統(tǒng)固碳釋氧能力的充分發(fā)揮［17］。生物量法能夠對城市綠地系統(tǒng)固碳、釋氧能力進行計算［18］。其中，城市綠地的碳固定量為植物生物量與植物含碳量的乘積，氧釋放量可以根據(jù)CO2＋H2O＝CH2O＋O2的方程計算得出［19］。城市綠地的固碳量（Cs）和釋氧量（Oe）由式（1）、（2）表示為

式中：Cs為城市綠地的固碳量，t；Oe為城市綠地的釋氧量，t；i為土地類型；Ai為土地類型i的面積，hm2；Bi為土地類型i的單位面積生物量，t／hm2；α為單位生物量固碳系數(shù)；β為單位生物量釋氧系數(shù)。

3.1.2 濟南市中心城區(qū)城市綠地固碳釋氧量計算

根據(jù)對濟南市中心城區(qū)遙感解譯的量化數(shù)據(jù)，利用上述城市綠地固碳釋氧量的計算式計算濟南市中心城區(qū)的城市綠地固碳釋氧量，見表2。

表2 2014年濟南市固碳釋氧量

圖1 城市綠地分類示意圖

通過表2對濟南市中心城區(qū)的固碳釋氧的計算得出：濟南市中心城區(qū)綠地年固碳量為9.60萬t，年釋氧量為7.62萬t，其中，濟南市中心城區(qū)固碳釋氧最主要的綠地類型為林地，其量均高于其他綠地類型，而耕地的固碳量、釋氧量最低。

3.2 濟南市中心城區(qū)釋碳耗氧量計算

3.2.1 城市綠地釋碳耗氧量計算方法

原煤、汽油等燃料的燃燒，人口的增加以及經(jīng)濟的增長都是增加碳排放量的原因［20］，城市碳排放量由式（3）表示為

式中：Ce為年直接碳排放量，t；Ci為能源i的年消費量，t；Ri為能源i的碳排放系數(shù)，其大小按《IPCC溫室氣體排放清單指南》規(guī)定執(zhí)行。

城市中O2的消耗一般來源于原煤、液化石油氣等燃料的燃燒，以及人類和動物的呼吸需要等，城市耗氧量的由式（4）表示為

式中：Oc為年燃燒物的耗氧量，t；Pi為能源i的耗氧系數(shù)。其中，煤炭類（設1 kg煤炭平均含碳量為0.8 kg，不考慮其他成分的氧化量）、石油類（石油成分為C3H2N，不考慮S、N及其他成分）以及液化石油氣（主要成分為C3H8）燃燒的耗氧系數(shù)使用王永安等的研究成果［21］，見表 3。

表3 能源燃燒耗氧系數(shù)

3.2.2 濟南市中心城區(qū)釋碳耗氧量計算

利用式（3）、（4）計算濟南市中心城區(qū)的碳排放量以及耗氧量，見表4。

由于城市中CO2具有循環(huán)的特性，因此采用面積均分法來計算濟南市中心城區(qū)的CO2排放量［22］。由計算可知，濟南市中心城區(qū)CO2的總排放量為66.86萬t，濟南市中心城區(qū)O2的消耗量為49.35萬t。

分析濟南市中心城區(qū)的耗氧量以及碳排放量的計算結果得出：原煤燃燒所釋放的CO2量比例大，燃料油燃燒釋放的量次之，其余燃料釋放的量較少；O2消耗量最大的是原煤的燃燒，其次是燃料油，其余燃料的較低。

表4 2013年濟南市釋碳耗氧量

3.3 濟南市中心城區(qū)碳氧平衡評價

3.3.1 濟南市中心城區(qū)碳氧平衡評價方法

為研究城市的釋氧量是否能夠維持城市的可持續(xù)發(fā)展和人類的需求，可將城市的釋碳耗氧量與城市自然生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧量進行比對，由此得出城市的碳排放量與生態(tài)系統(tǒng)的釋氧量是否處于平衡狀態(tài)［23］。用來測定城市生態(tài)系統(tǒng)是否處于碳氧平衡狀態(tài)下的式（5）、（6）表示為

式中：BCc為碳平衡系數(shù)；BCo為氧平衡系數(shù)；Cs為城市綠地固碳量，t；Oc為年燃燒物耗氧量，t。

3.3.2 濟南市中心城區(qū)碳氧平衡狀況分析

通過式（5）、（6）的計算結果顯示，2013年濟南市中心城區(qū)碳平衡系數(shù)為6.96，即濟南市中心城區(qū)生產生活所排放的CO2量超出城市綠地固碳量，是城市綠地固碳量的6.96倍；濟南市中心城區(qū)的氧平衡系數(shù)為6.48，即濟南市中心城區(qū)城市綠地提供的O2量不能滿足人們的需求，O2消耗量是城市綠地提供量的6.48倍。濟南市中心城區(qū)若將超出的碳排放量全部吸收，則需要增加17788.20 hm2面積的林地；將消耗的O2量補充至平衡狀態(tài)，需要增加16321.77 hm2面積的林地，才能形成碳氧平衡的狀態(tài)，則所需的綠地面積超出城市的用地面積。

研究結果表明：僅增加濟南市中心城區(qū)的綠地面積不能滿足城市固碳釋氧的需求，應該在增加城市綠地面積、改善城市綠地空間規(guī)劃結構的基礎上，調整城市產業(yè)結構，提高城市居民的低碳意識等，以達到改善濟南市中心城區(qū)碳氧平衡失調的目的［24］。

4 結論

在對濟南市中心城區(qū)的SPOT影響進行遙感解譯之后，利用遙感解譯得到的定量數(shù)據(jù)，對濟南市中心城區(qū)的固碳釋氧能力進行計算，研究結果顯示：

（1）城市綠地破碎度高，結構規(guī)劃不合理

從遙感解譯圖像的目視解譯過程中可以看出，濟南市中心城區(qū)的綠地斑塊數(shù)量多，面積大小不一，分布廣泛，破碎度較高。大量實驗研究表明，面積較大且結構合理的城市綠地的固碳釋氧能力要高于面積較小且破碎化程度較高的城市綠地。

（2）城市綠地率低，固碳釋氧能力不足

濟南市中心城區(qū)城市綠地面積小，綠地率僅為22.02%。城市發(fā)展過程中，土地利用強度以及土地利用密度大幅度提高，房屋建設用地以及城市硬質的面積不斷增加、大量違規(guī)建筑的增建，占據(jù)了城市綠地的土地面積，導致城市綠地面積不斷縮小，城市綠地率不足，不能滿足人們生活所需。

濟南市中心城區(qū)城市綠地的固碳量為9.60萬t，釋氧量為 7.62萬 t。其數(shù)量遠低于濟南市中心城區(qū)的，研究區(qū)綠地固碳釋氧能力不足。

（3）研究區(qū)釋碳耗氧量巨大

濟南市中心城區(qū)2013年CO2釋放量達到66.86萬 t，氧氣消耗量達到 49.35萬 t。其中，原煤燃燒釋放的CO2量在燃料燃燒釋放的CO2量中占到96.86%，為釋放量最高、使用率最大的燃料；在氧氣消耗量的計算中，原煤燃燒時消耗氧氣最高的燃料，其余依次是燃料油、液化石油氣、柴油和汽油。

（4）濟南市中心城區(qū)碳氧平衡失衡

2013年濟南市中心城區(qū)碳平衡系數(shù)為6.96，即濟南市中心城區(qū)生產生活所排放的CO2量超出城市綠地固碳量，是城市綠地固碳量的6.96倍；濟南市中心城區(qū)的氧平衡系數(shù)為6.48，即O2消耗量是城市綠地提供量的6.48倍，濟南市中心城區(qū)城市綠地提供的O2量不能滿足人們的需求。研究區(qū)城市綠地的固碳釋氧能力達不到城市碳氧平衡的需求。

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