Carbon Balance and Management, 2006; 1: 8-8 (más artículos en esta revista)

Modelización de la dinámica del carbono del suelo urbano de conversión: fundamentales modelo de ciudad en relación a un local del ciclo del carbono

BioMed Central
Anastasia Svirejeva-Hopkins (svirejeva@siam.fc.ul.pt) [1], Hans-Joachim Schellnhuber (john@pik-potsdam.de) [2]
[1] Universidad de Lisboa, Facultad de Ciencias, IDL, Observatório Astronómico de Lisboa Edifício Leste, Tapada da Ajuda 1349-018 Lisboa, Portugal
[2] Potsdam Institute for Climate Impact Research, POBox 6012, Telegrafenberg D-14412, Alemania

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Resumen
Fondo

La tarea principal es estimar la composición cualitativa y cuantitativa contribución de los territorios urbanos y, precisamente, del proceso de urbanización para el ciclo global del carbono (CCG). Tenga en cuenta que, por el contrario a muchas investigaciones que han examinado directamente las emisiones antropógenas de CO 2 (territorios urbanizados producir ca. 96-98% del mismo), estamos interesados en más sutiles, y hasta el momento actual, más débiles procesos asociados con la conversión de los ecosistemas naturales circundantes y los paisajes en las tierras urbanas. Esa conversión, inevitablemente, tiene lugar cuando las ciudades son extensos y más "naturales" las tierras se están convirtiendo en "urbanizada".

Resultados

Con el fin de cumplir con esta tarea, en primer lugar desarrollar un modelo de espacio urbano, ya que el tipo de cubierta terrestre dentro de una ciudad hace una diferencia de un local del ciclo del carbono. Por lo tanto, es una ciudad sub-dividido por los núcleos, "verde" (parques, etc) y los asentamientos informales (favelas) fracciones. Otro aspecto es una sub-división de las otras dos regiones, lo que hace que el número total llegar a ocho regiones, mientras que la ONU divide al mundo por seis. A continuación, el modelo básico de los locales del ciclo del carbono para los territorios urbanizados se construye. Consideramos que dos procesos: las emisiones de carbono como resultado de la conversión de suelos naturales causados por la urbanización y la transformación de los flujos de carbono "urbanizada" ecosistemas; cuando carbono, acumulado por la vegetación urbana, se exporta a los territorios vecinos. El flujo total de carbono en el modelo depende, en general, a dos grupos de parámetros. La primera incluye las centrales nucleares, y la suma de biomasa viva y la materia orgánica muerta de los ecosistemas involucrados en el proceso de urbanización, es decir, ellos y nosotros aquí calcular, utilizando un nuevo enfoque más realista y teniendo en cuenta las diferencias regionales en las ciudades evolución.

Conclusión

También existe otro grupo de parámetros, que se refiere a las zonas de los territorios urbanos, y sus incrementos anuales. Un método dinámico de previsión de estos parámetros, sobre la base del modelo de regresión estadística, ya se sugirió, sin embargo vamos a seguir desarrollando una nueva técnica basada en una idea de utilizar la distribución gamma. Esto nos permitirá calcular el total del balance de carbono y para mostrar cómo los cambios que la urbanización.

Fondo

Este artículo representa una de las publicaciones dedicadas consecutivos para el siguiente problema: ¿Cuánto cuesta el proceso de urbanización influir en el ciclo global del carbono (CCG), que fue iniciado por el trabajo [1]. En la actualidad hay una gran cantidad de diferentes modelos, que describen diversos aspectos del CCG, así como las estimaciones de los valores de las emisiones de carbono antropogénico y la absorción terrestre [2, 3]. Dado que el funcionamiento del CCG consiste en la gran variedad de mecanismos de retroalimentación y respuestas, existe una creciente necesidad de centrarse no sólo en la simple atmósfera de las emisiones de relación, sino también a tener en cuenta los demás aspectos del ciclo del carbono, sutiles procesos locales, las reacciones y no linearities [4].

Tenga en cuenta que en comparación con la mayoría de las investigaciones relativas a emisiones antropógenas de CO 2, en este documento no consideramos la emisiones directas, si bien es sabido que los territorios urbanizados producen aproximadamente 96-98% de ellos [5]. Nos gustaría centrarse más bien en sutiles y, hasta el momento actual, los procesos más débiles, causados por la conversión de la tierra de los ecosistemas naturales y los paisajes. Esa conversión, inevitablemente, tiene lugar cuando las ciudades son extensos, con más "natural" tierras convertirse en "urbanizada". Ciertamente, a causa de su tamaño relativamente pequeño (algunos autores han calculado la superficie total del territorio urbanizado en la década de 1980 como de ocupación sólo 1-2% de la superficie total [6, 7], su papel también puede presumir pequeñas y su impacto en los países del CCG insignificante. Un argumento es que la zona urbanizada de territorios es relativamente insignificante si se compara con el total del territorio que participan en el CCG. Sin embargo, el crecimiento de la población mundial, el consumo de energía mundial y el crecimiento de las poblaciones urbanas se caracterizan por una exponencial e incluso el crecimiento hiperbólico (especialmente para un determinado periodos de tiempo finito), cuando el factor está significativamente reducido en la actualidad podría llegar a ser significativamente importante en un futuro próximo. Por lo tanto, hay que tener en cuenta la dinámica de la urbanización con el fin de evaluar su influencia en los países del CCG.

En relación con el local del ciclo del carbono, el total de la ciudad de la zona no puede considerarse como homogénea. Por ejemplo, mientras que un "creado" la zona está desconectado de el ciclo del carbono, otro, los llamados "verdes" zona (espacio abierto, cubierto de parques y recreación territorios) [8] sigue participando en los procesos de carbono acumulación y el intercambio (aunque, probablemente, con características alteradas). Al parecer, es posible describir la alteración del uso de la tierra urbana en el territorio por el cambio de la relación entre estos dos ámbitos. De este modo, la expresión "territorio urbanizado" no implica automáticamente que toda la superficie verde de un territorio natural de los biomas que rodea se transforma en una, totalmente cubierto de edificios, carreteras, etc; alguna parte sigue siendo "verde" y sigue funcionando como un ecosistema. Sus características y tipos de funcionamiento, sin embargo, llegar a ser muy diferentes, es decir, ahora es un "ecosistema urbanizada". En particular, no sólo las cantidades, sino también las cualidades de los flujos de carbono cambio significativo en este ecosistema.

Naturalmente, la estimación cuantitativa de los "verdes" zona depende en gran medida el tipo de urbanización, lo que ha ocurrido, por ejemplo, el plan (o falta de) para el crecimiento de la ciudad, los reglamentos y las leyes, el atractivo de una ciudad para una población rural y "favelisation" favelisation ", es decir, el crecimiento de los asentamientos [9]. En cuanto al funcionamiento del territorio urbano local en el ciclo del carbono entonces, en general, podemos considerarlo como una superficie con tasas específicas de CO 2 - absorción y emisión, lo que a su vez dependen de la estructura de la ciudad. En otras palabras, "difundir" los diferentes tipos de superficies de la ciudad durante todo el área de la ciudad, de tal forma que cualquier unidad de superficie posee todas las propiedades de estas superficies ( "construido", "verde", "favelas" favelas " ;).

Como resultado de ello, vamos a desarrollar un modelo espacial de la organización de la ciudad de la zona: "fundamental modelo de ciudad", y calcular con la ayuda de la regional que los valores de la ciudad sub-áreas, con una media de los valores regionales de la CN; biomasa y los muertos la materia orgánica para los territorios urbanizados del mundo.

Resultados
Estructura de la ciudad de la zona

Naturalmente, edificios, carreteras, hormigón y asfalto no cubren toda la superficie urbana; también hay comparativamente grandes segmentos de tierras cubiertas por árboles, arbustos y hierba en forma de parques, jardines, césped, etc Todos estos son llamados los "área de la ciudad verde" o la "ciudad libre el espacio". La zona verde es un mosaico de muchos cuasi-natural micro-ecosistemas y desempeña el papel principal en la parte biológica de los locales del ciclo del carbono del ecosistema "ciudad".

En el decenio de 1970, el concepto de "ciudad abierta plan espacial" se introdujo [8]. De acuerdo con este concepto, todo el área de la ciudad se divide en dos fracciones p 1 y p 2 (p 1 + p 2 = 1): (1) desarrollado o "núcleos" zona (residencial, comercial, industrial, institucional , Y las carreteras), es decir, un ámbito cubierto por superficies artificiales sin vegetación, (2) área o "espacio libre" (la eliminación de residuos y parques recreativos), parcialmente cubierto por la vegetación. Es natural que una relación cuantitativa entre estas fracciones es diferente para diferentes regiones del mundo. Usamos el estándar de subdivisión regionales de las Naciones Unidas [9], modificado en [1], (véase el cuadro 1]. E. Odum demostró que para una típica ciudad americana, el espacio libre fue del 71% en el decenio de 1970. Si no la planificación urbana se aplica, entonces el espacio libre se reducirá al 16% para el año 2000. Juiciosa planificación de viviendas y otras actividades de desarrollo puede conservar un tercio de la zona como espacio libre, entre ellos espacio suficiente para una eficiente semi-naturales de tratamiento terciario de la industria farmacéutica y los desechos domésticos en charcas y bien planificada vertederos situados en los grandes parques de eliminación de residuos.

Por lo tanto, damos por sentado que la relativa "verde", p g, para la UCA región es del 33% (p = 0,33 g). Para Alemania, por otra parte, el espacio libre en una ciudad se estima en 18,2%. Se trata de un valor medio calculado para 116 ciudades alemanas [10, 11], pero esto no tiene en cuenta la vegetación de residencia trimestres. Para las ciudades europeas en general, el 5% de los cuartos de residencia 'zona está cubierta por bosques, y el 25% de hierba [12]. Desde la residencia cuartas partes comprenden el 38% de un total de la ciudad el espacio, obtenemos un valor de (18,2 + 38 (0,05 + 25))% ≈ 30% (p = 0,3 g) para la zona verde de ciudades alemanas en el decenio de 1990. Se asume que este valor puede tomarse como una estimación relativa ciudad de zonas verdes para la UCA HI y regiones (Ficha 1].

También suponemos que el valor de p 1 debe ser el mismo para las ciudades de las ocho regiones. El siguiente concepto justifica esta suposición. Cualquier ciudad es un complejo sistema social, y su estructura espacial se ajusta para el funcionamiento normal de una ciudad. Por lo tanto, integrante características estructurales tales como el área relativa ocupada por varios subsistemas que ofrecen el funcionamiento normal de una ciudad (industria, servicios, instituciones municipales, carreteras, etc) debe ser sistema general invariante. No depende ni (o, depende sólo débilmente) a la situación económica de la región, ni a sus específicas características culturales. Además, desde ya hemos supone que una ciudad crece de manera similar, entonces el invariante no depende de tiempo tampoco.

Por lo tanto, mientras que la parte relativa de los "núcleos" zona sigue siendo constante, el "espacio libre" puede ser redistribuido entre los "verdes" y la zona ocupada por los denominados "informales" asentamientos de bajos ingresos , Abundante en el mundo en desarrollo. Hoy en día, los asentamientos informales son los fenómenos ordinarios de la urbanización en muchas regiones del mundo. Estos asentamientos, como centro de la ciudad los barrios de tugurios, se llaman favelas o tugurios en América Latina, chawls en la India y tienda-casa tenements en el sudeste de Asia. A partir de ahora, vamos a utilizar la palabra común favelas. En cuanto a su papel en el ciclo del carbono, por una parte, favelas no tienen las plantas verdes en su territorio, mientras que en el otro, tienden a producir una disminución de las emisiones, y tienen una estructura más compacta que los convencionales de las aglomeraciones.

Nosotros presupone que el territorio de los asentamientos no puede ampliar sólo a expensas de los territorios verdes. Esto se explica por el hecho de que los parques y otras áreas recreativas urbanas por lo general pertenecen a los municipios, donde los derechos de propiedad parecen no ser tan estrictos en comparación con la propiedad privada.

El espacio libre zona de la ciudad, p 2, hacerse representar en calidad de:

p 2 p = p + f g fp = 2 + (1 - f) p 2 (1)

donde p = f 2 fp es la fracción de área de la ciudad ocupadas por los asentamientos informales y p = g (1 - f) 2 p es la fracción de verde (cubiertos por la vegetación). Como se mencionó anteriormente, p 2 = 0,3, mientras que f es el coeficiente de "favelisation" favelisation "(0 <f <1). Evidentemente, para la UCA HI y regiones, f = 0.

Es bastante difícil tarea de recopilar estadísticas fiables sobre favelas'. Las fuentes existentes son muy escasos (por ejemplo, [9]], por lo tanto, tuvimos que hacer varios supuestos adicionales. Como resultado, las siguientes estimaciones promedio de los porcentajes de favelas' y f zonas (coeficiente de favelisation) se presentan en la Tab. 2. En este momento, no podemos proporcionar un pronóstico detallado de las favelas "dinámica, por lo que la hipótesis es que los valores de f son constantes.

Por último, para cada región j (j = 1,2, ... 8) la zona de un territorio urbanizado S j puede ser presentada como una suma de tres puntos:

S j = S b j MathType MTEF @ @ @ 5 + 5 = @ feaafiart1ev1aaatCvAUfKttLearuWrP9MDH5MBPbIqV92AaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8akY = wiFfYdH8Gipec8Eeeu0xXdbba9frFj0 = OqFfea0dXdd9vqai = hGuQ8kuc9pgc9s8qqaq = dirpe0xb9q8qiLsFr0 = vr0 = vr0dc8meaabaqaciaacaGaaeqabaqabeGadaaakeaacqWGtbWudaqhaaWcbaGaemOyaigabaGaemOAaOgaaaaa @ @ 30B2 + S g j MathType MTEF @ @ @ 5 + 5 = @ feaafiart1ev1aaatCvAUfKttLearuWrP9MDH5MBPbIqV92AaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8akY = wiFfYdH8Gipec8Eeeu0xXdbba9frFj0 = OqFfea0dXdd9vqai = hGuQ8kuc9pgc9s8qqaq = dirpe0xb9q8qiLsFr0 = vr0 = vr0dc8meaabaqaciaacaGaaeqabaqabeGadaaakeaacqWGtbWudaqhaaWcbaGaem4zaCgabaGaemOAaOgaaaaa @ @ 30BC + S f j MathType MTEF @ @ @ 5 + 5 = @ feaafiart1ev1aaatCvAUfKttLearuWrP9MDH5MBPbIqV92AaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8akY = wiFfYdH8Gipec8Eeeu0xXdbba9frFj0 = OqFfea0dXdd9vqai = hGuQ8kuc9pgc9s8qqaq = dirpe0xb9q8qiLsFr0 = vr0 = vr0dc8meaabaqaciaacaGaaeqabaqabeGadaaakeaacqWGtbWudaqhaaWcbaGaemOzaygabaGaemOAaOgaaaaa @ @ 30BA , (2)

dónde S b j MathType MTEF @ @ @ 5 + 5 = @ feaafiart1ev1aaatCvAUfKttLearuWrP9MDH5MBPbIqV92AaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8akY = wiFfYdH8Gipec8Eeeu0xXdbba9frFj0 = OqFfea0dXdd9vqai = hGuQ8kuc9pgc9s8qqaq = dirpe0xb9q8qiLsFr0 = vr0 = vr0dc8meaabaqaciaacaGaaeqabaqabeGadaaakeaacqWGtbWudaqhaaWcbaGaemOyaigabaGaemOAaOgaaaaa @ @ 30B2 = (1 - p 2) S j = j 0.7S 0.7S es la superficie construida, S g j MathType MTEF @ @ @ 5 + 5 = @ feaafiart1ev1aaatCvAUfKttLearuWrP9MDH5MBPbIqV92AaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8akY = wiFfYdH8Gipec8Eeeu0xXdbba9frFj0 = OqFfea0dXdd9vqai = hGuQ8kuc9pgc9s8qqaq = dirpe0xb9q8qiLsFr0 = vr0 = vr0dc8meaabaqaciaacaGaaeqabaqabeGadaaakeaacqWGtbWudaqhaaWcbaGaem4zaCgabaGaemOAaOgaaaaa @ @ 30BC P = 2 (1 - f j) S j = 0,3 (1 - f j) S j es el área verde y S f j MathType MTEF @ @ @ 5 + 5 = @ feaafiart1ev1aaatCvAUfKttLearuWrP9MDH5MBPbIqV92AaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8akY = wiFfYdH8Gipec8Eeeu0xXdbba9frFj0 = OqFfea0dXdd9vqai = hGuQ8kuc9pgc9s8qqaq = dirpe0xb9q8qiLsFr0 = vr0 = vr0dc8meaabaqaciaacaGaaeqabaqabeGadaaakeaacqWGtbWudaqhaaWcbaGaemOzaygabaGaemOAaOgaaaaa @ @ 30BA P = f 2 j S j = j 0.3f 0.3f S j es la zona ocupada por las favelas.

El uso de la tierra modelo
Discusión

Si comparamos los datos de estos cuadros, podemos ver que para casi todas las regiones (excepto Cn y ET) los valores de CN * y * B + D *, que se estimaron utilizando ambos modelos, no difieren significativamente de unos a otros , Aunque en esas "tropical" como las regiones Afr, ASP y América Latina y el Caribe, existe una tendencia hacia la atracción de más "moderado" lugares que se manifiesta en una disminución de los valores centrales nucleares. Pero si abandono este cambio, podemos decir que en todas estas regiones, las ciudades son distribuidos a través de sus territorios casi al azar.

En cuanto a la región de Cuneo, entonces la desviación significativa de la modelo al azar puede explicarse por el hecho de que 4 / 5 del territorio de China está despoblada y semi-pleno desierto, por lo tanto, es natural que las ciudades chinas son "atraídos" a más productivo territorios. El ET región se caracteriza por un cambio significativo de la biomasa viva y humus de almacenamiento en la dirección de sus mayores valores. Si tenemos en cuenta que el ET región representada principalmente por el territorio de la antigua Unión Soviética, entonces la explicación histórica podría llegar a ser relevantes en este punto. [15]. Históricamente, debido a las grandes distancias y el escaso desarrollo de red de transporte, cada ciudad rusa necesita su propio suministro de alimentos, por lo tanto, sería rodeado de un "anillo" de las tierras agrícolas. Agricultura productiva, a su vez, requiere suelo fértil. Este último se caracteriza por un alto valor de humus, mantenido por la abundancia de biomasa viva (por ejemplo, el famoso chernozem cinturón de Rusia).

Conclusión

Como resultado, hemos construido el modelo básico para las ciudades' estructura en relación con su papel en el local del ciclo del carbono y también se calculó el medio regional ponderado de la productividad, la biomasa viva y la materia orgánica muerta para los territorios urbanizados. En el marco de las actuales políticas sobre el clima, cada vez es más importante ser capaz de prever estos parámetros, así como la dinámica regional de las zonas urbanas. Aunque un método dinámico de previsión de estos parámetros, sobre la base del modelo de regresión estadística, ya se sugirió [1], sin embargo, vamos a seguir desarrollando una nueva técnica basada en Sir R. Fisher 's idea de utilizar la distribución gamma. Esto nos permitirá calcular el total del balance de carbono, muestra cómo la urbanización y los cambios que ver si las regiones van a actuar como fuentes o sumideros de carbono antropogénico en el transcurso de los próximos 100 años.

Métodos

Con el fin de estimar los valores de CN * y (B * + D *), usamos Bazilevich global del conjunto de datos [16], aplicando la suavización y la corrección en el procedimiento [17]. La unidad elemental de la base de datos es un bioma. Una lista de todos los principales biomas se presenta en Tab. 5.

Además, los datos de centrales nucleares y las densidades de biomasa viva y muerta de materia orgánica (humus) para los principales biomas se presenta en Tab. 6. Una explicación geográfica de estos biomas (Bazilevich mapa de biomas) se muestra en la Fig. 2. Las fronteras regionales y los dominios con la población urbanizada (marcados por los puntos rojos) también se presentan en esta cifra. Es evidente que las fronteras de los biomas no coinciden con las fronteras de los estados, las Naciones Unidas regiones urbanizadas o territorios.

Si queremos superponer la malla lo suficientemente fino (de modo que cada célula contiene no más de un solo punto rojo) en los biomas de ruta, entonces podemos construir los llamados "bioma retrato" de un territorio urbano regional. Para ello tenemos que calcular el porcentaje de área urbana que está ocupada por cada bioma, ( π u ) k j ( Σ 1 30 ( π u ) k j = 1 ) MathType MTEF @ @ @ 5 + 5 = @ feaafiart1ev1aaatCvAUfKttLearuWrP9MDH5MBPbIqV92AaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8akY = wiFfYdH8Gipec8Eeeu0xXdbba9frFj0 = OqFfea0dXdd9vqai = hGuQ8kuc9pgc9s8qqaq = dirpe0xb9q8qiLsFr0 = vr0 = vr0dc8meaabaqaciaacaGaaeqabaqabeGadaaakeaacqGGOaakcqaHapaCdaWgaaWcbaGaemyDauhabeaakiabcMcaPmaaDaaaleaacqWGRbWAaeaacqWGQbGAaaGcdaqadiqaamaaqadabaGaeiikaGIaeqiWda3aaSbaaSqaaiabdwha1bqabaGccqGGPaqkdaqhaaWcbaGaem4AaSgabaGaemOAaOgaaOGaeyypa0JaeGymaedaleaacqaIXaqmaeaacqaIZaWmcqaIWaama0GaeyyeIuoaaOGaayjkaiaawMcaaaaa @ @ 4521 . Estos retratos de cada una de las ocho regiones están representadas en Tab. 7. Tenga en cuenta que el número de células que cubren cada región es suficiente y más bien alto: por ejemplo, Afr la región está cubierta por 155 células, la UCA de 340 células, e incluso una relativamente pequeña región, como el HI contiene 62 celdas.

Después de haber construido el bioma regional retratos de los territorios urbanizados, podemos calcular la siguiente ponderación de los medios regionales de productividad, la biomasa viva y la materia orgánica muerta para cada j ª región

( N P P u * ) j = Σ k = 1 30 ( π u ) k j ( N P P * ) k , ( B u * ) j = Σ k = 1 30 ( π u ) k j ( B * ) k , ( D u * ) j = Σ k = 1 30 ( π u ) k j ( D * ) k , ( 6 ) MathType MTEF @ @ @ 5 + 5 = @ feaafiart1ev1aaatCvAUfKttLearuWrP9MDH5MBPbIqV92AaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8akY = wiFfYdH8Gipec8Eeeu0xXdbba9frFj0 = OqFfea0dXdd9vqai = hGuQ8kuc9pgc9s8qqaq = dirpe0xb9q8qiLsFr0 = = vr0 vr 8F17 @ @

donde los valores de CN *, B * D * y se toman de Tab. 6.

Si queremos emplear el concepto de uniforme, homogénea distribución espacial de las ciudades en todo el territorio de una región determinada, entonces tenemos que construir el retrato bioma regional, como en [1]. Sin embargo, aquí suponemos que en el proceso de urbanización, los seres humanos prefieren maestro (con algunas regionales coeficientes de preferencia), sólo los dominios que son similares (en lo que respecta a un bioma del retrato) a los sectores que ya se han dominado en el pasado.

Conflicto de intereses

Los autores declaran que no tienen intereses en conflicto.

Autores de las contribuciones

ASH concibió el concepto, llevado a cabo los estudios, escribió el manuscrito.

HJS participó en la coordinación, análisis conceptual y edición del manuscrito.

Todos los autores leído y aprobado el manuscrito final.

Agradecimientos

Reconocemos Prof FD Santos (ILD, de la Universidad de Lisboa) para la valiosa contribución a los debates, la supervisión y apoyo financiero. Reconocemos el profesor Y. Yamagata (NIES, Japón) para simular los debates y el apoyo financiero durante NIES visitar durante un mes de este año. Damos las gracias a la manipulación editor y tres revisores anónimos por sus valiosos comentarios. Los fondos para la investigación fueron los de Potsdam Institute for Climate Impact Research (Potsdam, Alemania) y la fundación FCU (Universidad de Lisboa, Portugal).