城市土地利用碳排放系統動力學仿真研究
——以武漢市為例

吳 萌，任 立，陳銀蓉

（華中農業大學公共管理學院，湖北 武漢 430070）

城市土地利用碳排放系統動力學仿真研究
——以武漢市為例

吳 萌，任 立，陳銀蓉

（華中農業大學公共管理學院，湖北 武漢 430070）

研究目的：從系統角度分析土地、人口、社會、經濟、能源對碳排放的影響作用，并對武漢市2017—2030年不同政策情景下的土地利用碳排放進行模擬，為其低碳發展戰略和低碳土地利用規劃提供決策依據。研究方法：系統動力學方法。研究結果：（1）建立的城市土地利用碳排放系統動力學模型是有效的；（2）按照目前的發展趨勢，武漢市的碳排放總量將保持逐年攀升的趨勢；（3）經濟的快速發展對武漢市土地利用碳排放量的增加具有顯著的影響作用；（4）調整土地利用結構、調整產業結構以及提高能源利用效率都能夠有效的減少武漢市土地利用碳排放量，其中調整土地利用結構和調整產業結構的作用效果相對來說更加明顯。研究結論：轉變經濟增長方式、升級產業結構、調整土地利用結構和積極研發先進的低碳科學技術是武漢市低碳發展的重要途徑。

土地利用；碳排放；系統動力學；仿真；低碳

1 引言

在全球氣候變化的背景下，氣候變暖已成為人類社會經濟可持續發展面臨的重大挑戰。土地作為人類活動的空間載體，城市擴張、產業布局、能源消耗等人類活動都與土地利用密切相關，土地利用變化直接改變區域自然碳循環過程，并間接改變區域人為碳排放水平。因此, 從系統角度分析城市人口、資本、土地、能源等投入，工業品、 GDP、碳排放等產出之間的關系，有助于深入研究城市經濟、土地利用與碳排放系統之間的聯系以及運行機理，對于發展低碳經濟、實現土地的低碳利用以及建設“兩型社會”具有現實意義。

土地利用變化作為僅次于化石能源燃燒的第二大溫室氣體排放源[1]引起了各界的普遍關注。賴力[4]將土地上自然源和人為源碳排放綜合起來提出中國土地利用的綜合碳排放清單；揣小偉[5]、葉浩[6]測算了不同土地利用類型的土壤碳儲量和植被碳儲量；盧娜[7]、程子騰[8]分別運用了對數均值指數分解法與TAPIO脫鉤模型分析了經濟發展與土地利用碳排放的關系；李春麗[9]、汪晗[10]、俞超[11]分析了不同土地利用方式和土地利用強度的碳排放效應；張苗[12]、許恒周[13]從土地集約利用與土地利用碳排放關系入手，分析了土地集約利用水平與碳排放之間的作用關系；路昌[14]、游和遠[15]的研究說明土地利用結構優化，能源結構調整與效率的提高可以促進城市降低碳排放。

現有的研究主要以“機理—測算—影響因素—減碳措施”為研究脈絡，即：從碳排放的影響機理出發，測算自然源和人為源碳排放量，分析其變化的影響因素，由此提出可以降低碳排放的對策[2-17]。但是對于城市社會經濟與碳排放的系統分析，各因子間相互作用機理的研究，以及由此按照可持續發展要求，探討可控變量（包括政策與經濟增長目標等）對城市系統的作用關注不夠。因此，本文基于系統學理論和可持續發展理論，采用計算機仿真技術，將土地、人口、社會、經濟、能源對碳排放的交互作用融入系統動力學模型，建立城市土地利用碳排放仿真模擬模型，模擬分析城市系統的變化和可能的調控，并以武漢市為研究區域，對其土地利用碳排放狀況進行模擬仿真，為其低碳發展戰略和低碳土地利用規劃提供決策依據。

2 研究區域與數據

2.1 研究區域

武漢市位于江漢平原東部，是中國中部地區的中心城市，全國重要的工業基地、科教基地以及綜合交通樞紐。武漢市現有13個城區，3個國家級開發區，面積8567 km2。隨著國家“中部崛起”、“兩型社會建設綜合配套改革試驗區”和“低碳試點省”戰略的實施，武漢市作為中心城市，對其改革與發展提供了機遇也提出了要求，作為城市發展載體的土地更要發揮其參與科學發展的基礎性作用，建立以低碳利用為基本理念的城市土地利用格局，推動經濟社會發展方式的低碳化轉變，肩負起社會經濟協調發展和生態環境可持續發展的雙重重擔。為了更好的以低碳經濟理念指導區域土地利用，需要對武漢市土地利用碳排放系統進行仿真測算以及政策模擬，從而為進一步的研究提供一定的基礎資料。

2.2 數據來源

本文建立的城市土地利用碳排放系統動力學模型涉及耕地、林地、園地、草地、其他農用地、居住用地、工礦倉儲用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地、特殊用地、其他用地11種用地類型。其數據來源于武漢市1996—2015年土地利用變更調查數據。

文中采用的總人口、就業人口、GDP、固定資產投資、全社會研究與試驗發展經費（R&D經費）、各能源消費總量、生活垃圾處理量、公共汽車總量等數據，來源于《武漢市統計年鑒》和有關社會經濟資料。

3 研究方法

系統動力學是1958年J·W·Forrester教授為研究生產以及庫存管理等企業問題而提出的系統仿真方法。它不僅是一門分析研究信息反饋系統的學科，也是一門認識并解決系統問題的交叉綜合學科。系統動力學對研究對象的理解，來源于系統行為與內在機制之間的密切關系，并通過數學模型的建立以及操作逐步挖掘出發生變化形態的因果關系[18-19]。

系統動力學模型作為一種綜合的仿真模型，已普遍運用于國家、地區以及行業等不同尺度下能源消耗、產業結構調整、溫室氣體排放的研究以及管理中。王喜平[20]、胡玥昕[21]、李國柱[22]、唐韜[23]分別運用系統動力學模型對電力行業、工業產業以及坑口電廠的碳排放系統進行了分析與模擬；張俊榮通過構建京津冀碳排放交易系統動力學仿真模型,模擬不同的碳交易機制對京津冀地區經濟和環境的影響[24]；范太勝[25]、張仁壽[26]、劉永紅[27]對不同省市的低碳經濟發展模式進行系統動力學仿真預測，以探尋經濟增長與碳排放協調發展的低碳發展模式。

現有研究主要從兩個方向進行：（1）對某一個具體行業或者產業（如工業、電力等）的碳排放系統進行模擬仿真；（2）對某個地區城市經濟—碳排放系統進行仿真模擬，分析社會經濟發展和碳排放的影響關系，探尋適宜研究區域的低碳經濟發展模式。目前對于土地利用碳排放系統研究較少，很少有文章將土地利用因素納入碳排放系統，然而土地利用變化作為僅次于化石能源燃燒的第二大溫室氣體排放源[1]，對社會經濟以及碳排放都有著重要的影響，因此從系統角度分析城市人口、經濟、土地、能源、碳排放之間相互作用的反饋機制，模擬分析城市系統的變化和可能的調控，有助于彌補現有研究的缺陷，改變現有研究較多關注城市系統局部減碳研究的狀況。基于此，本文利用SD方法，建立武漢市土地利用碳排放SD仿真模型，對不同情景下的土地利用碳排放進行模擬預測，探尋土地低碳利用的方向以及模式。

3.1 模型構建思路

3.1.1 建模目的 建立城市土地利用碳排放系統動力學模型，目的是采用動態的系統模型定量地分析與土地利用碳排放有密切關系的各因素之間的反饋結構和因果關系，有利于更為全面地掌握相關變量的變化趨勢。

模型的空間邊界為武漢市，時間邊界為：1996—2030年，模擬基期年為1996年，主要歷史數據時段為1996—2014年。為減少預測中時段變化所帶來的誤差，時間步長定為1年。系統內容主要包括影響土地利用碳排放的土地、人口、經濟、環境、能源等眾多因素。根據武漢市歷史統計數據以及未來發展方向，確定模型的參數，并運用Vensim軟件進行以下仿真：（1）模擬武漢市1996—2030年土地利用碳排放系統主要變量動態變化趨勢；（2）調節模型的決策變量，進行政策模擬，預計不同政策情景對土地利用碳排放的影響。

3.1.2 系統結構分析 城市土地利用碳排放系統主要由碳排放能源子系統、碳排放經濟子系統、碳排放人口子系統、碳排放環境子系統以及碳排放土地子系統組成。各子系統之間以及子系統內部要素之間存在相互聯系，城市土地利用碳排放系統的構成以及主要反饋機制如圖1所示。

3.1.3 模型建立與模擬 本文根據系統結構、反饋機制以及反饋回路，構建描述城市土地利用碳排放系統的相關方程，采用表函數法、邏輯函數、經驗公式法、線性回歸法等確定模型參數值，并建立系統流程圖。運用Vensim軟件，不斷調整修正城市土地利用碳排放系統動力學模型，使模擬結果逼近武漢市的社會經濟現狀。之后，通過檢驗后的模型對武漢市土地利用碳排放系統進行政策情景仿真模擬。

圖1 城市土地利用碳排放系統框架圖Fig.1 Structural relationship among subsystem of the urban land use carbon emission system

3.2 城市土地利用碳排放系統動力學模型

城市土地利用碳排放系統通過信息、物質、能量的交換把系統內不同因素整合為一個有機的整體。能源、經濟、人口、環境、土地5個子系統互為環境，構成城市土地利用碳排放系統。通過對城市土地利用碳排放系統邊界的分析，結合5個子系統之間的相互聯系以及各變量間的反饋關系，利用Vensim軟件建立城市土地利用碳排放系統動力學模型。該模型實際上是對5個子系統的整合，其中GDP、能源消費總量、總人口、各類土地面積、碳排放量將5個子系統有機的結合在一起。該模型系統因果關系如圖2所示。

圖2 城市土地利用碳排放系統因果關系圖Fig.2 Illustration of the causal relationship of the urban land use carbon emission system

系統動力學模型的存量流量圖通過數學方程將各個子系統以及子系統內部因素有機結合起來，將研究對象置于系統之中，使得研究結果準確率更高。本文通過對因果關系圖的適當拓展與延伸，得到了圖3所示的城市土地利用碳排放系統的存量流量圖。限于篇幅，列出部分主要模型系統方程：

（1）總人口=人口凈密度×居住用地 單位：104人

（2）社會固定資產投資= INTEG（+社會固定資產投資增加額，3.87026e + 006） 單位：104元

（3）第二產業GDP=建設用地地均第二產業GDP×建設用地/10000 單位：108元

（4）第二產業投資額=第二產業投資比例×社會固定資產投資/100 單位：104元

（5）科技創新投入=科技創新投入比例×第三產業投資額/100 單位：104元

（6）煤炭消費總量=單位GDP煤炭消費量×GDP/10000+人均煤炭消費量×總人口×10 單位：t

（7）耕地= INTEG（+耕地增加量-耕地減少量，403051） 單位：hm2

（8）建設用地增長量=工礦倉儲用地增長量+交通運輸用地增長量+水域及水利設施用地增長量+居住用地增長量+特殊用地增長量 單位：hm2

（9）交通運輸用地增長量=IF THEN ELSE（127184＜=其他用地：AND：其他用地＜=149982，人均交通用地增長量×總人口，0） 單位：hm2

（10）碳排放量=A FUNCTION OF（碳排放減少量，碳排放增加量） 碳排放量=INTEG（-碳排放減少量+碳排放增加量，1913.66） 單位：104t

圖3 城市土地利用碳排放系統存量流量圖Fig.3 The stock and fow diagram of the urban land use carbon emission system

4 模型檢驗以及模擬分析

4.1 模型檢驗結果分析

系統動力學模型建立后，需要對模型進行檢驗用來判斷模型和現實情況的相符程度，以保證模型的真實性以及有效性。常用的系統動力學模型檢驗方法包括直觀與運行檢驗、歷史檢驗和靈敏度分析[19]。

4.1.1 直觀與運行檢驗 通過Vensim軟件自帶的方程檢驗以及量綱檢驗功能對模型合理性進行檢驗。測試結果顯示：該方程等式兩邊量綱一致，模型試運行未產生病態結果。因此，本文所構建的仿真模擬模型是合理的。

4.1.2 歷史檢驗 將1996—2014年的歷史數據代入模型進行模擬驗證，本文從系統中選取GDP、人口、農用地面積、建設用地面積、煤炭消費量和碳排放量為檢驗變量，將模型測算出的模擬值與歷史數據相比較，進行模型歷史仿真檢驗即一致性檢驗。其中GDP、人口、農用地面積、建設用地面積以及煤炭消費量的歷史數據是通過統計年鑒等查詢得到。碳排放量的歷史數值是通過黎孔清提出的區域土地利用綜合碳排放清單和測算方法，對武漢市土地利用碳排放量進行測算得到[28]。

模擬結果表明：該系統模型相對誤差率不超過10%（表1），在誤差允許范圍內[19]。這說明城市土地利用碳排放系統動力學模型的模擬結果可靠，符合建模要求，可以用來模擬武漢市土地利用碳排放的狀態以及變化趨勢，能夠通過調節關鍵參數進行仿真模擬實驗。

表1 模擬相對誤差 單位：%Tab.1 Relative errors of simulation unit: %

4.1.3 靈敏度分析 對模型進行靈敏度分析，挑選9個輸出變量對14個參數變化的靈敏度進行分析，分析這些參數的變化對系統的影響。每個參數年取值變化15%，分析其對9個輸出變量的影響。9個靈敏度值的平均值可以表示某一特定參數的靈敏度，通過計算得出14個變量的平均靈敏度（圖4）。可以看出：人口凈密度、建設用地地均第二產業GDP和建設用地地均第三產業GDP的靈敏度較高，分別為16.3%、18.32%和19.43%，大于15%，表明這三個參數為系統的重要因素。此外，科技創新投入比例、居住用地增長率的靈敏度大于10%，其他參數靈敏度較低，表明系統對大多數參數變化是不敏感的，模型具有很好的穩定性以及強壯性，可以用來模擬實際系統。

圖4 武漢市土地利用碳排放系統動力學模型參數靈敏性分析Fig.4 Sensitive analysis of the urban land use carbon emission system dynamic model in Wuhan注：1：人口凈密度；2：第一產業投資比例；3：第二產業投資比例；4：第三產業投資比例；5：科技創新投入比例；6：農用地地均第一產業GDP；7：建設用地地均第二產業GDP；8：建設用地地均第三產業GDP；9：單位GDP煤炭消費量；10：人均煤炭消費量；11：單位GDP電力消費量；12：人均電力消費量；13：人均交通用地增長量；14：居住用地增長率。

4.2 武漢市土地利用碳排放仿真模擬與預測

通過對武漢市土地利用碳排放系統的仿真，得到武漢市1996—2030年土地利用碳排放量的模擬數據以及變化趨勢（表2，圖5）。模擬結果表明：隨著社會經濟、城市人口等的進一步發展，武漢市土地利用碳排放總量將保持逐年攀升的趨勢。2015年9月武漢市在首屆中美氣候領袖峰會做出碳減排承諾：力爭2022年完成全市碳排放達峰目標。然而根據模型測算結果表明，按照目前的發展趨勢，2022年及以后幾年內武漢市都未能達到碳排放峰值，這明顯和武漢市碳減排承諾相違背，因此武漢市應加快制定低碳發展戰略和低碳土地利用規劃，早日實現土地的低碳利用。

表2 武漢市1996—2030年土地利用碳排放量 單位：104tTab.2 The total carbon emission of land use in Wuhan from 1996 to 2030 unit: 104t

4.3 政策模擬及分析

政策模擬是指通過改變系統動力學模型里部分政策變量來研究該政策的改變對整個系統最終結果的影響，它既是系統動力學分析的必備功能，也是本文尋求低碳調控途徑的方法。

城市土地利用碳排放與土地利用變化、經濟水平、經濟結構、能源效率等有關[29]。因此，本研究主要對經濟高速增長、技術進步、產業結構調整、土地利用結構調整4種政策進行了情景模擬（表3）。

圖5 1996—2030年武漢市土地利用碳排放變化趨勢圖Fig.5 The total carbon emission change of land use in Wuhan from 1996 to 2030

表3 政策模擬方案Tab.3 Policy simulation program

表4 各方案的碳排放量模擬結果 單位：104tTab.4 The total carbon emission change under different policy simulation program unit: 104t

按照以上設定的4種政策情景，分別得到武漢市2017—2030年的土地利用碳排放量（表4、圖6），根據測算結果可以發現：

（1）經濟增長是促進武漢市土地利用碳排放總量增長的重要因素，未來碳減排任務艱巨。數據表明，社會經濟發展與土地利用碳排放顯著正相關，經濟增長是促進土地利用碳排放總量增長的重要因素。然而，中國目前仍處于發展階段，在未來很長一段時間里，保持國民經濟的快速增長以及人民生活水平的穩健提升仍將是中國的發展重心，經濟的飛速增長勢必帶動碳排放量的快速增長，未來碳減排任務將更加艱巨。

圖6 各方案碳排放量與原預測值對比圖Fig.6 Comparison of carbon emission between policy simulation programs and original predictive value

（2）調整土地利用結構，控制農用地向建設用地轉變是抑制武漢市土地利用碳排放量的主要途徑。城市土地的合理布局與結構優化可以改善不同產業用地的配置格局，從而減弱經濟發展對產業用地的需求，減少碳匯用地向碳源用地的轉變，最終抑制了碳的排放。

（3）產業結構調整對減少土地利用碳排放有著重要作用。第二產業對焦炭、石油等化石能源的需求量比第三產業更多，能源消費量更大，從而碳排放量也更大。因此，應當調整產業結構，逐步減少第二產業的比重，重點支持能源消費較少的第三產業的發展[7]。

（4）能源效率提高對減少土地利用碳排放有一定的作用，但效果明顯弱于土地利用結構調整與產業結構調整。數據表明，能源效率的提高能夠促進土地利用碳減排，但其效果有限，這也從側面表明能源效率因素相對于土地因素以及經濟因素而言對土地利用碳排放系統的影響較小；因此，合理利用土地、轉變經濟發展模式將是今后實現土地利用碳減排的主要途徑。

5 結論與建議

5.1 結論

本文基于系統動力學模型，對武漢市土地利用碳排放系統進行了模擬與仿真，同時利用Vensim軟件動態模擬了武漢市土地利用碳排放的發展趨勢。通過模型的仿真與模擬，主要得到以下結論：

（1）系統動力學模型的運行結果表明，運用該模型預測武漢市土地利用碳排放量以及進行相對應的政策模擬是可行的，這一模型也將適用于其他地區類似問題的分析研究。

（2）若系統環境按照目前的趨勢發展，外在條件不發生明顯變化，武漢市碳排放總量將保持逐年上升的趨勢。因此，應加快制定低碳發展戰略和低碳土地利用規劃，早日實現土地的低碳利用。

（3）政策模擬結果表明，經濟的高速發展對土地利用碳排放量的增加具有顯著的影響作用。因此，應改變傳統的以資源高消耗與環境惡化為代價的經濟發展方式，全面推廣低碳經濟，使經濟發展保持高效、可持續。

（4）調整土地利用結構與產業結構以及提高能源效率都能夠有效減少武漢市土地利用碳排放，其中，調整土地利用結構與產業結構的作用效果相對更加顯著。

（5）本文對武漢市土地利用碳排放系統進行了仿真測算以及政策模擬，有助于定量地解釋武漢市發展中存在的問題以及探尋土地低碳利用的方向以及模式。但是由于系統動力學模型在一些因素的選取以及相關關系的描述帶有一定的主觀性,如何結合其它方法客觀優化模型,更好地模擬城市土地利用碳排放系統還有待進一步深入研究。

5.2 政策建議

基于以上分析，提出以下建議，以期改善未來武漢市土地利用碳排放的嚴峻形勢。

（1）改變經濟發展模式，全面推廣低碳經濟和循環經濟。武漢市高能耗、高污染的經濟發展方式是造成土地利用碳排放量增長的重要原因。因此，應當改變經濟發展模式，將“節約資源和保護環境”作為發展目標，探尋低能耗、低污染、高科技的低碳經濟和循環經濟發展方式。

（2）升級產業結構，將經濟升級到一個高效率、低能耗、低污染的產業結構狀態。目前武漢市還是將第二產業作為經濟發展的重心，對于焦炭、石油等化石能源的需求仍然很大，帶來的碳排放量也很大。因此，武漢市應加快推進第三產業的發展，提高第三產業對經濟發展的貢獻率，在保證經濟高速發展的同時減少能源消耗，減輕環境污染。從能源消費結構來看，重工業比輕工業的能源消耗強度更大，提高輕工業的比重也是提高低碳發展水平的一個重要途徑。

（3）調整土地利用結構，促進土地集約利用，最大限度降低碳排放。一方面，隨著經濟與城鎮化的不斷發展，農用地非農化現象也越來越嚴重，政府應當對建設用地規模進行嚴格控制，嚴禁無節制犧牲農用地以擴張建設用地的行為。同時，還應當堅守耕地保護紅線，推廣植樹造林活動以提高森林覆蓋率、擴大公共綠地面積以改善城市生態功能，通過增加碳匯以降低碳排放。

另一方面，政府在采取“退二進三”模式調整產業結構以降低碳排放的同時，還應減少建設用地的碳強度，特別是工業用地的碳強度。應當通過合理布局，不斷挖掘建設用地的內部潛力，實現集約化利用；同時全面推廣節能減排技術，大力打造以低碳環保為發展重點的高新工業園區，對占地少、效益高、污染少的高新技術產業給予政策、資金上的鼓勵與支持。

（4）科學技術是低碳經濟發展的動力，積極開發先進的低碳發展技術是實現土地低碳利用的重要手段。政府應借助產業結構調整轉變經濟發展方式的契機，進一步提升能源密集產業的能源利用效率，降低單位GDP能耗。其次，政府應當大力扶持環保新能源開發項目，大力推廣先進的用能技術，加大節能政策宣傳力度，完善節能政策獎勵機制，擴大使用可再生能源，降低對化石能源的依賴程度，從而根源上減少碳排放。

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（本文責編：王慶日）

Simulation of Urban Land Use Carbon Emission System based on a System Dynamic Model: Take Wuhan as an Example

WU Meng, REN Li, CHEN Yin-rong
（College of Public Administration, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070，China）

The purpose of this paper is to analyze the impacts of land, population, society, economy and energy on carbon emission from the perspective of system, to simulate the land use carbon emission system of Wuhan city from 2017 to 2030 with different policies situations, and to provide reference for the low-carbon development strategy and the lowcarbon land-use planning. The method is system dynamics. The result shows that the model is valid. If the current trend continues, the carbon emissions will increase year by year in Wuhan. The rapid economic development has a significant effect on urban land use carbon emissions in Wuhan. Adjusting land use structure and industrial structure and improving energy efficiency can effectively reduce urban land use carbon emissions in Wuhan. In particular, adjusting land use structure and industrial structure has a more obvious effect. It is concluded that transforming the economic growth mode, upgrading the industrial structure, adjusting land use structure, and developing the advanced low carbon technology arethe important ways to achieve low-carbon development in Wuhan.

land use; carbon emissions; system dynamics; simulation; low-carbon

F301.24

A

1001-8158（2017）02-0029-11

10.11994/zgtdkx.20170215.095601

2016-10-09；

2016-12-09

國家社科基金項目“基于系統仿真的城市土地利用碳排放分析與低碳利用調控研究”（14BGL218）。

吳萌（1989-），女，湖北武漢人，博士研究生。主要研究方向為土地經濟與管理。E-mail: 147543150@qq.com

陳銀蓉（1963-），女，湖南長沙人，教授，博士生導師。主要研究方向為土地經濟與管理。E-mail: chyinrong@126.com