济南市中心城区绿地固碳释氧能力研究

鲁敏，高鑫，纪园园，崔琰，秦碧莲

（1.山东建筑大学 学报编辑部，山东 济南250101；2.山东建筑大学 艺术学院，山东济南250101；3.山东建筑大学建筑城规学院，山东济南250101；4.山东中天建设有限公司，山东济南250000）

0 引言

随着经济发展，城市化步伐加快，城市地块的使用密度以及使用强度不断提升，生态绿地被城市硬质景观所取代，而城市绿地面积减少，景观破碎化程度加大。CO2等温室气体不断排出，城市温室效应加剧，城市生态环境问题日益严重［1］。城市温室效应、热岛效应的加剧破坏生态平衡，全球气候变暖不断威胁着人类、动植物的生存以及发展。1968年，寇耳提出了全球O2量减少的问题，专家学者相应证实了这一问题，并提出全球氧气含量的不断减少甚至消失必将带来更加严重的后果［2－4］。全球碳氧失衡现象逐渐引起各国的关注。在生态破坏如此严峻的情况下，专家学者提出了低碳城市的理念。低碳城市的研究在各学科的城市生态环境保护研究中都占有重要地位。低碳城市是指在城市发展过程中始终坚持低碳理念，在保证经济正常发展的前提下，运用多种手段和方法降低碳排放，减少能源损耗，大力开发新能源，城市规划设计以打造低碳城市作为蓝本［5］。

低碳理念大多运用于新能源的开发利用以及清洁生产方面，而对城市碳氧平衡的相关分析较少。城市碳氧失衡的现象依然没有得到解决，城市的生态问题仍存在巨大隐患［6］。城市生态绿地系统规划是低碳城市建设的重要内容，是城市生态发展可以形成良性循环的必然策略。城市绿地固碳释氧能力的研究是对城市绿地进行科学合理规划的基础和前提，城市生态绿地面积正在逐渐成为衡量城市宜居性的重要标准之一［7］。

研究利用济南市中心城区的SPOT影像提取济南市中心城区的绿地信息，运用相关的计算软件以及模型对其进行分析，并使用生物量法对城市绿地系统固碳、释氧能力进行计算。分析总结济南市中心城区的碳氧平衡的现状，根据计算结果对济南市中心城区碳氧平衡进行评价与分析，为济南市中心城区的生态绿地网络系统科学合理的规划提供理论依据。

1 研究区域概况

济南市位于山东省中部，介于北纬36°01′至37°32′、东经 116°11′至 117°44′之间，地处鲁中南低山丘陵与鲁西北冲积平原的交接带上，南部为泰山山地，北部为黄河冲积平原［8］。地势南高北低，地形复杂多样。研究范围为济南市中心城区，即为济南市二环路以内的区域，面积为15166.77 hm2。

文章的研究对象为济南市二环以内的区域，即为济南市的中心城区。其中主要包括槐荫区、天桥区、历下区、历城区、市中区等5个区域。中心城区是济南市的教育、文化、政治、经济中心，是城市绿地系统规划的重要研究区城［9］。至2013年，济南市建成区面积达470.6 hm2，同比去年增加了12.6 hm2；济南市中心城区绿地面积为3340.13 hm2，绿地覆盖率为22.02%；全年房地产开发房屋施工面积4807.0 hm2，增长 26.0%；同时，高耗能行业比重上升，6大高耗能行业实现工业增加值占全部规模以上工业增加值的比重为28.1%；年末公路通车里程为12696.7 km，增长3.3%；年末拥有民用机动车为141.9万辆，增长1.7%，其中民用汽车为121.4万辆，增长 14.6%。

济南市CO2等温室气体的排出量呈现缓慢增长的态势，城市空气质量尚未达到良好的标准，城市土地利用密度以及城市利用强度增加，城市硬质面积增加，城市生态绿地面积尚未满足人均需要，济南市城市生态环境质量有待提高。

2 研究方法

2.1 城市绿地数据库构建

2.1.1 数据来源及处理

高分辨率可见光扫描仪的图像耐处理能力高于多光谱扫描仪MSS以及专题制图仪器TM的图像处理能力［10］，因此，研究区域的的主要数据源为SPOT5卫星遥感影像的解译结果。为了提高解译的精准性及满足分析的需要，校正并采用了约为2.5 m的分辨率影像，通过人工交互式目视解译法得到研究区的城市绿地分布状况、城市绿地类型以及城市绿地的面积等数据，根据数据建立墨卡托坐标系，根据得到的信息，建立信息数据库。运用EDRAS9.2和PCI软件对所获取的遥感影像进行校正处理并裁剪、拼接图像，遥感图像进行校正并完成图像拼接之后，进行图像分类，在建立的坐标系的基础上形成数字正射影像图［11］。

2.1.2 城市绿地信息分类提取

以济南市中心城区遥感影像的光谱识别特征为基础，与济南市中心城区的城市绿地空间分布特点以及分布现状相结合，依照城市绿地的分类方式，将研究区域的城市绿地划分为林地、疏林地、耕地和湿地4大类型的绿地。城市绿地综合信息的提取主要是将野外调研得到的数据信息输入ArcGIS10.01的数据库，并利用ArcGIS10.01中的Clip功能在所获取的遥感图像中划分出需要进行解译的研究区域，通过数据库中的矢量数据对需要解译的区域进行目视解译，即对遥感图像中的物质要素进行目视辨认。通常情况下，图像中形状是规整的矩形、灰色色调、阴影清晰的图像为建筑物，色调偏绿色的图像为乔木、灌木、水体、草地等。其中，形状呈现不规则图形且表面肌理较为粗糙的图像一般为乔木和灌木，草地的影像比乔木和灌木肌理更为细腻，影像形状为自然流畅的线性［14］。以目视判读标志为基础，与野外实地调研所获得的相关数据以及济南市中心城区的地形图相结合，从中提取济南市城市绿地综合信息，如绿地面积、绿地名称、周边交通等。

通过对济南市中心城区的遥感图像进行目视解译、实地调研济南市中心城区的具体信息、查阅济南市中心城区实地地形图等方法提取济南市中心城区绿地的具体信息。将获取的具体信息按照同类型相元归类在一起的方法进行归类，其中若某相元符合某种特定种类的特点，则将相元赋予种类的属性，并将相元划分到此种类中［15］。

2.1.3 建立城市绿地信息库

将济南市中心城区进行目视解译获得的量化数据以及各类型绿地的属性数据输入后，进行相应的编辑、分类等，最终形成研究区域的城市绿地图形数据库及属性数据库［16］。

为完成研究区域城市绿地信息的量化，需将研究区解译后的矢量图转换为5 m×5 m相元大小的栅格数据图，使用Fragstats 9.2软件对栅格数据图进行景观指数计算。根据所获得的研究区域的具体量化数据，绘制济南市中心城区的绿地数据表，见表1，济南市城市绿地分类示意图以及城市绿地分布示意图，如图1所示。

表1 济南市城市绿地统计表

3 济南市中心城区绿地固碳释氧及释碳耗氧量计算

3.1 济南市中心城区固碳释氧量计算

3.1.1 城市绿地固碳释氧量计算方法

城市绿地系统固碳释氧的功能对于生态城市的建设具有非常重要的作用，作为城市最为重要的碳汇系统，科学合理地规划城市绿地系统有助于城市绿地系统固碳释氧能力的充分发挥［17］。生物量法能够对城市绿地系统固碳、释氧能力进行计算［18］。其中，城市绿地的碳固定量为植物生物量与植物含碳量的乘积，氧释放量可以根据CO2＋H2O＝CH2O＋O2的方程计算得出［19］。城市绿地的固碳量（Cs）和释氧量（Oe）由式（1）、（2）表示为

式中：Cs为城市绿地的固碳量，t；Oe为城市绿地的释氧量，t；i为土地类型；Ai为土地类型i的面积，hm2；Bi为土地类型i的单位面积生物量，t／hm2；α为单位生物量固碳系数；β为单位生物量释氧系数。

3.1.2 济南市中心城区城市绿地固碳释氧量计算

根据对济南市中心城区遥感解译的量化数据，利用上述城市绿地固碳释氧量的计算式计算济南市中心城区的城市绿地固碳释氧量，见表2。

表2 2014年济南市固碳释氧量

图1 城市绿地分类示意图

通过表2对济南市中心城区的固碳释氧的计算得出：济南市中心城区绿地年固碳量为9.60万t，年释氧量为7.62万t，其中，济南市中心城区固碳释氧最主要的绿地类型为林地，其量均高于其他绿地类型，而耕地的固碳量、释氧量最低。

3.2 济南市中心城区释碳耗氧量计算

3.2.1 城市绿地释碳耗氧量计算方法

原煤、汽油等燃料的燃烧，人口的增加以及经济的增长都是增加碳排放量的原因［20］，城市碳排放量由式（3）表示为

式中：Ce为年直接碳排放量，t；Ci为能源i的年消费量，t；Ri为能源i的碳排放系数，其大小按《IPCC温室气体排放清单指南》规定执行。

城市中O2的消耗一般来源于原煤、液化石油气等燃料的燃烧，以及人类和动物的呼吸需要等，城市耗氧量的由式（4）表示为

式中：Oc为年燃烧物的耗氧量，t；Pi为能源i的耗氧系数。其中，煤炭类（设1 kg煤炭平均含碳量为0.8 kg，不考虑其他成分的氧化量）、石油类（石油成分为C3H2N，不考虑S、N及其他成分）以及液化石油气（主要成分为C3H8）燃烧的耗氧系数使用王永安等的研究成果［21］，见表 3。

表3 能源燃烧耗氧系数

3.2.2 济南市中心城区释碳耗氧量计算

利用式（3）、（4）计算济南市中心城区的碳排放量以及耗氧量，见表4。

由于城市中CO2具有循环的特性，因此采用面积均分法来计算济南市中心城区的CO2排放量［22］。由计算可知，济南市中心城区CO2的总排放量为66.86万t，济南市中心城区O2的消耗量为49.35万t。

分析济南市中心城区的耗氧量以及碳排放量的计算结果得出：原煤燃烧所释放的CO2量比例大，燃料油燃烧释放的量次之，其余燃料释放的量较少；O2消耗量最大的是原煤的燃烧，其次是燃料油，其余燃料的较低。

表4 2013年济南市释碳耗氧量

3.3 济南市中心城区碳氧平衡评价

3.3.1 济南市中心城区碳氧平衡评价方法

为研究城市的释氧量是否能够维持城市的可持续发展和人类的需求，可将城市的释碳耗氧量与城市自然生态系统的固碳释氧量进行比对，由此得出城市的碳排放量与生态系统的释氧量是否处于平衡状态［23］。用来测定城市生态系统是否处于碳氧平衡状态下的式（5）、（6）表示为

式中：BCc为碳平衡系数；BCo为氧平衡系数；Cs为城市绿地固碳量，t；Oc为年燃烧物耗氧量，t。

3.3.2 济南市中心城区碳氧平衡状况分析

通过式（5）、（6）的计算结果显示，2013年济南市中心城区碳平衡系数为6.96，即济南市中心城区生产生活所排放的CO2量超出城市绿地固碳量，是城市绿地固碳量的6.96倍；济南市中心城区的氧平衡系数为6.48，即济南市中心城区城市绿地提供的O2量不能满足人们的需求，O2消耗量是城市绿地提供量的6.48倍。济南市中心城区若将超出的碳排放量全部吸收，则需要增加17788.20 hm2面积的林地；将消耗的O2量补充至平衡状态，需要增加16321.77 hm2面积的林地，才能形成碳氧平衡的状态，则所需的绿地面积超出城市的用地面积。

研究结果表明：仅增加济南市中心城区的绿地面积不能满足城市固碳释氧的需求，应该在增加城市绿地面积、改善城市绿地空间规划结构的基础上，调整城市产业结构，提高城市居民的低碳意识等，以达到改善济南市中心城区碳氧平衡失调的目的［24］。

4 结论

在对济南市中心城区的SPOT影响进行遥感解译之后，利用遥感解译得到的定量数据，对济南市中心城区的固碳释氧能力进行计算，研究结果显示：

（1）城市绿地破碎度高，结构规划不合理

从遥感解译图像的目视解译过程中可以看出，济南市中心城区的绿地斑块数量多，面积大小不一，分布广泛，破碎度较高。大量实验研究表明，面积较大且结构合理的城市绿地的固碳释氧能力要高于面积较小且破碎化程度较高的城市绿地。

（2）城市绿地率低，固碳释氧能力不足

济南市中心城区城市绿地面积小，绿地率仅为22.02%。城市发展过程中，土地利用强度以及土地利用密度大幅度提高，房屋建设用地以及城市硬质的面积不断增加、大量违规建筑的增建，占据了城市绿地的土地面积，导致城市绿地面积不断缩小，城市绿地率不足，不能满足人们生活所需。

济南市中心城区城市绿地的固碳量为9.60万t，释氧量为 7.62万 t。其数量远低于济南市中心城区的，研究区绿地固碳释氧能力不足。

（3）研究区释碳耗氧量巨大

济南市中心城区2013年CO2释放量达到66.86万 t，氧气消耗量达到 49.35万 t。其中，原煤燃烧释放的CO2量在燃料燃烧释放的CO2量中占到96.86%，为释放量最高、使用率最大的燃料；在氧气消耗量的计算中，原煤燃烧时消耗氧气最高的燃料，其余依次是燃料油、液化石油气、柴油和汽油。

（4）济南市中心城区碳氧平衡失衡

2013年济南市中心城区碳平衡系数为6.96，即济南市中心城区生产生活所排放的CO2量超出城市绿地固碳量，是城市绿地固碳量的6.96倍；济南市中心城区的氧平衡系数为6.48，即O2消耗量是城市绿地提供量的6.48倍，济南市中心城区城市绿地提供的O2量不能满足人们的需求。研究区城市绿地的固碳释氧能力达不到城市碳氧平衡的需求。

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