鐘　偉　丁永波　金鳳花

1(吉林財經(jīng)大學，長春　130117)　2(吉林大學，長春　130025)3(上海電機學院，上?！?01306)

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城市交通低碳發(fā)展策略的系統(tǒng)動力學分析
——基于土地利用視角

鐘偉1，2丁永波1金鳳花3

1(吉林財經(jīng)大學，長春130117)2(吉林大學，長春130025)3(上海電機學院，上海201306)

〔摘要〕隨著城市環(huán)境的惡化，城市低碳交通建設迫在眉睫。本文從土地利用角度構建城市交通碳排放與土地利用的系統(tǒng)動力學模型，得出城市交通低碳發(fā)展的兩種策略，并以長春市為例，對兩種策略方案進行了仿真分析。結果表明，提高土地利用強度和增大土地混合利用程度均能使交通碳排放減少，而且增加土地多樣性程度的實施效果要優(yōu)于土地利用強度的提高。

〔關鍵詞〕低碳交通土地利用土地利用強度土地多樣性程度系統(tǒng)動力學

城市交通是城市經(jīng)濟發(fā)展的基礎，它在給人和物流動提供載體、推動城市進步的同時，也引發(fā)了大氣污染、交通擁堵等負面影響。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告，全球溫室氣體排放中，城市交通占14%，是僅次于能源供應、工業(yè)生產(chǎn)和土地利用的排放部門[1]。因此，減少城市交通能源排放，探索城市低碳交通策略，是低碳城市實現(xiàn)的必然選擇。

低碳交通是一種新的交通發(fā)展理念，許多學者對其作了概念的界定，其中尤以宿鳳鳴[2]的定義更全面，他認為低碳交通是以運輸效率的提升、運輸結構的優(yōu)化、運輸組織的創(chuàng)新、交通需求的調(diào)控等為目標，實現(xiàn)資源節(jié)約、碳排放的減少以及交通領域的全周期全產(chǎn)業(yè)鏈的低碳發(fā)展。從國內(nèi)外發(fā)展來看，低碳城市交通的實現(xiàn)可以通過合理規(guī)劃城市交通與土地利用，從源頭上控制交通需求；可以通過使用新能源、新技術，減少交通碳排放；可以通過消費引導，使旅客和貨物由高碳排放交通方式向低碳排放交通方式轉(zhuǎn)移；也可以通過政策和制度的制定，規(guī)范碳排放標準，使減碳“由軟變硬”[3]。其中，土地利用結構是影響城市低碳交通發(fā)展的重要因素[4]，所以論文以此為切入點，研究低碳交通結構性減碳的具體實施措施。

從土地利用角度探討減少交通碳排放的研究國內(nèi)外都很少。Poudenx(2008)研究通過控制土地使用的發(fā)展減少碳排放[5]；Taniguchi(2010)則主張從交通規(guī)劃、城市設計和地理環(huán)境一體化角度進行低碳社會的構建[6]；Nakamura和Hayashi(2013)則把控制土地使用，構建緊湊城市作為減少碳排放的一個措施[7]；Golob(2009)的研究表明居民居住密度和車輛能源消耗成反方向變化[8]；Glaeser和Kahn(2010)則證明了人口密度比較大的城市碳排放越少[9]。國外的研究更多是把土地使用作為碳排放減少的一個手段，而且是從定性角度提出的，對土地利用和碳排放的關系雖然有定量的研究，卻沒有專門針對交通碳排放的探討。而國內(nèi)學者大多是將城市土地的合理規(guī)劃和利用作為實現(xiàn)低碳交通的一個途徑，定性的提出相關對策建議，專門針對土地利用與交通碳排放的研究很少。因此，論文從量著手，運用系統(tǒng)動力學方法探討土地利用對交通碳排放的影響，并以長春市為例，從土地利用角度分析交通碳排放減少的發(fā)展策略。

1系統(tǒng)動力學模型構建

系統(tǒng)動力學是融控制理論、系統(tǒng)理論、信息理論和計算機仿真技術于一體的交叉新學科[10]。1956年，美國麻省理工學院的福雷斯特(Jay W.Forrester)教授推出系統(tǒng)動力學之后，隨著其研究范圍的不斷擴大，系統(tǒng)動力學在很多領域得到了應用，尤其在分析解決社會、經(jīng)濟和生態(tài)等一類非線性復雜大系統(tǒng)的問題時突顯出更大的優(yōu)越性。

系統(tǒng)動力學是從系統(tǒng)內(nèi)部的微觀結構出發(fā)，在把握系統(tǒng)內(nèi)部結構、參數(shù)及總體功能的前提下，分析系統(tǒng)的特征與行為[11]。它是用回路描述系統(tǒng)結構框架，用因果關系圖和流圖描述系統(tǒng)要素之間的邏輯關系，用方程描述系統(tǒng)要素之間的數(shù)量關系，用專門的仿真軟件進行模擬分析[12，13]。

1.1系統(tǒng)因果關系分析

城市交通碳排放與土地利用之間有著復雜的因果反饋關系，如圖1所示。在城市交通碳排放與土地利用的因果關系圖中，城市人口數(shù)的增長，帶來居民出行總量的增加，繼而產(chǎn)生大量交通碳排放，導致環(huán)境污染加重，倡導低碳出行、減少碳排放的要求迫切。因此，一方面通過提高土地利用的多樣性，減小出行距離，以減少小汽車出行量，降低碳排放，構成一個負因果回路；另一方面，加大土地利用強度，提高公共交通出行比例，增加公交出行量，減少小汽車出行，從而降低碳排放，構成一個負因果回路。

1.2系統(tǒng)關系流圖

根據(jù)城市交通碳排放與土地利用的因果關系圖，用vensim軟件得到系統(tǒng)各變量之間的流圖，如圖2所示。在系統(tǒng)關系流圖中，城市總?cè)丝?、常?guī)公交客運總量、軌道交通客運總量和小汽車客運總量為狀態(tài)變量。城市總?cè)丝谑艿竭w入速率、遷出速率和自然增長率的影響；而遷入速率受到城市人均收入的影響，遷出速率受到交通碳排放的影響。常規(guī)公交客運總量和軌道交通客運總量均受到土地利用強度的影響，小汽車擁有量受到居民出行總量和人均收入的影響；而居民出行總量受到城市總?cè)丝诤腿司鲂写螖?shù)的影響。土地多樣性程度影響小汽車出行距離，從而影響小汽車碳排放。為了減少城市交通碳排放，各個國家和地區(qū)都采取了一些措施，如前所述，結構性減碳就是其中對策之一。通過提高土地利用強度和土地混合布局來增加公共交通出行量，減少小汽車出行量，從而減少交通碳排放。

圖1　城市交通碳排放與土地利用的因果關系圖

1.3系統(tǒng)動力學方程及參數(shù)的確定

為了驗證構建模型的有效性并進行仿真，需要對模型中的狀態(tài)變量方程、參數(shù)、表函數(shù)等進行初始值賦值。根據(jù)因果關系圖、系統(tǒng)關系流圖，通過趨勢外推法、回歸分析法等確定模型的一些方程和參數(shù)如下：

城市總?cè)丝?INTEG(遷入速率+自然增長速率-遷出速率，人口初始量)，萬人

遷入速率=-1.448×人均收入+8.861

遷出速率=0.079×交通碳排放-8.062

自然增長速率用表函數(shù)表示：

[(2009，-1)-(2020，5)]，(2009，1.9383)，(2010，2.975)，(2011，1.5395)，(2012，-0.7768)，(2013，1.8554)，(2015，2.2536)，(2020，3.6642)

居民出行總量=城市總?cè)丝凇寥司鲂写螖?shù)，萬人次

常規(guī)公交客運總量=INTEG(常規(guī)公交客運量增加速率，常規(guī)公交客運量初始量)，萬人次

圖2　城市交通碳排放與土地利用的系統(tǒng)關系流圖

常規(guī)公交客運量增加速率用表函數(shù)表示：

[(0.2，-15000)-(1，15000)]，(0.97863，-5274)，(0.92149，9103)，(0.89601，-6358)，(0.88124，9117)，(0.85701，2286)，(0.79348，3277.89)，(0.65174，90.8851)

軌道交通客運量增加速率用表函數(shù)表示：

[(0.2，-100)-(1，1500)]，(0.97863，279)，(0.92149，682)，(0.89601，942)，(0.88124，1058.4)，(0.85701，1031)，(0.79348，920.184)，(0.65174，113.559)

小汽車增加速率=0.254×居民出行總量-530.427×人均收入-76221.6

常規(guī)公交碳排放量=常規(guī)公交客運總量×常規(guī)公交碳排放折算系數(shù)×常規(guī)公交平均出行距離，萬噸

軌道交通碳排放量=軌道交通客運總量×軌道交通碳排放折算系數(shù)×軌道交通平均出行距離，萬噸

小汽車碳排放量=小汽車客運總量×小汽車碳排放折算系數(shù)×小汽車平均出行距離，萬噸

交通碳排放量=常規(guī)公交碳排放量+軌道交通碳排放量+小汽車碳排放量

土地利用強度用土地利用人口密度表示，它與城市總?cè)丝诤徒ㄔO用地面積有關，依據(jù)文獻[14]，根據(jù)歷年數(shù)據(jù)確定土地利用強度的值。

土地多樣性程度用土地多樣性指數(shù)表示，土地多樣性指數(shù)與各種性質(zhì)土地用地面積有關，依據(jù)文獻[14]，根據(jù)歷年的情況確定土地多樣性指數(shù)的值。

人均收入、土地利用強度和土地多樣性指數(shù)用趨勢外推法獲得；人均出行次數(shù)、各種方式的平均出行距離根據(jù)長春市居民出行調(diào)查獲得；各種方式的碳排放折算系數(shù)依據(jù)文獻[1]和實際情況獲得。

2模型仿真和實證分析——以長春市為例

近幾年，隨著城市化和機動化進程的加快，長春市機動車保有量迅速增長，尤其是私人小汽車擁有量更是以年均24.2%的速度增加，這使得城市道路擁堵嚴重，城市環(huán)境不斷惡化。為此，長春市采取了新建交通設施、道路限行、開通公交專用車道等措施以緩解問題惡化，但效果不明顯。從合理規(guī)劃土地用地，使交通與土地利用相協(xié)調(diào)，以減少小汽車出行量、增加公共交通出行量、減小居民出行距離才是解決問題的根本措施。

2.1數(shù)據(jù)來源和模型檢驗

數(shù)據(jù)主要來源于《長春統(tǒng)計年鑒》、《中國城市統(tǒng)計年鑒》、《吉林統(tǒng)計年鑒》、長春市居民出行實地調(diào)查等。

選取2009～2013年數(shù)據(jù)進行歷史檢驗，以城市總?cè)丝?、常?guī)公交客運量和小汽車客運量作為檢驗變量，比較模型運行得到的仿真值和實際數(shù)據(jù)，如表1所示。從表1看出，除2010年常規(guī)公交客運量的誤差較大以外，其它各仿真值的相對誤差均在10%范圍內(nèi)，說明模型的擬合程度較高，能較真實反映土地利用和城市交通碳排放之間的關系，可以用于模擬和預測。

表1　部分狀態(tài)變量的仿真值和實際值對比

2.2模型仿真運行：策略分析

結合圖1可以看出從土地利用角度減少交通碳排放的策略主要有兩個：一個是提高土地利用強度，一個是增大土地混合利用程度。為此，論文擬設計兩種降低交通碳排放的策略。以2009年的數(shù)據(jù)作為狀態(tài)變量初始值，模型的仿真時間為2009～2020年，時間間隔DT=1。

2.2.1策略一：提高土地利用強度

土地利用強度用單位面積上的人口數(shù)反映，土地利用強度大，說明人口比較集中，有利于公共交通的發(fā)展。公共交通發(fā)展得快，對人們出行吸引力就更強，小汽車出行量就會減少，交通碳排放也相應會減少。因此，降低交通碳排放的策略之一就是盡可能增大區(qū)域人口密度，提高土地利用強度。假設土地利用強度提高5%，土地多樣性程度不變，交通碳排放的變化情況如圖3和表2所示。圖4表示土地利用強度與常規(guī)公交碳排放和軌道交通碳排放的關系。

圖3　土地利用強度提高前后總交通碳排放對比

萬噸

圖4　土地利用強度與常規(guī)公交碳排放、軌道交通碳排放的關系

從模型運行結果圖3和表2來看，土地利用強度的增加使交通碳排放有一定程度的減少，雖然降低幅度并不大，大約在-0.25%左右，但是可以看出土地利用強度對交通碳排放會產(chǎn)生一定影響。同時，圖4顯示，長春市土地利用強度呈現(xiàn)減小的趨勢，這會對公共交通的發(fā)展產(chǎn)生一定的阻礙。因此，常規(guī)公交和軌道交通的碳排放量雖然在增長，但增長速度很緩慢，明顯緩于土地利用強度減少的趨勢。綜合分析，可以適當提高城市土地利用強度，以增加公共交通的運輸量，降低交通碳排放。

目前，長春市已經(jīng)將政府、大部分辦公部門遷移到三環(huán)以外，但隨之而來的就是大規(guī)模、長距離的小汽車出行，而且郊區(qū)化居住區(qū)的形成更加重了碳排放。因此，根據(jù)模型分析，應適當增加新建中心區(qū)的人口密度，構建功能高度集中的城市中心，以減少對小汽車的依賴，轉(zhuǎn)向公共交通，減少交通碳排放。

2.2.2策略二：增大土地混合利用程度

土地多樣性程度用土地多樣性指數(shù)表示，土地多樣性指數(shù)大，說明各種類型土地混合利用程度高，有利于減少人們出行距離，特別是小汽車的長距離出行，同時也減少了對小汽車的依賴，相應地，交通碳排放也得到了降低。因此，降低交通碳排放的策略之二就是盡可能集約利用土地，減小出行距離。假設土地多樣性指數(shù)增加5%，土地利用強度不變，交通碳排放的變化情況如圖5和表3所示。圖6表示土地多樣性程度和小汽車碳排放的關系。

圖5　土地多樣性程度提高前后總交通碳排放對比

萬噸

圖6　土地多樣性程度與小汽車碳排放的關系

從模型運行結果圖5來看，土地多樣性程度增加，交通碳排放減少，而且減少幅度很大，如表3，說明土地混合利用程度對交通碳排放影響較大，通過增加土地多樣性降低碳排放要比增加土地利用強度降低碳排放更有效。而且，圖6顯示，長春市土地混合利用程度先高后低，使得人們出行距離先減小后增加，從而帶來小汽車碳排放量的先減少再增多。因此，綜合分析，可以加大城市土地混合利用程度，構建集約式社區(qū)，在居住用地周圍配套建設工作、購物、娛樂、醫(yī)療、學校等設施，使居民出行距離控制在自行車或步行可達范圍內(nèi)，即使選擇小汽車出行，距離也相對較短[15]，以此減小出行距離，減少小汽車碳排放量，從而控制交通碳排放。

3結論

城市交通低碳發(fā)展可以從多方面、多角度實現(xiàn)，從土地利用角度減少交通碳排放是有效措施之一。論文通過構建土地利用與交通碳排放的系統(tǒng)動力學模型，對降低交通碳排放的兩個策略進行了仿真分析。從運行結果可以看出，增大土地混合利用程度的效果要優(yōu)于提高土地利用強度，主要是因為過多增加土地利用強度會使人口過分密集，帶來城市擁堵，加大交通碳排放，所以應偏重提高土地多樣性程度，適當增加土地利用強度。土地利用包含諸多因素，從更多土地利用因素探討減少交通碳排放的策略是今后要進一步研究的內(nèi)容。

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(責任編輯：王平)

Analysis on Low-Carbon Development Strategies of Urban Transport with System Dynamics——Based on Land Use

Zhong Wei1，2Ding Yongbo1Jin Fenghua3

(1．Jilin University of Finance and Economics，Changchun 130117，China； 2．Jilin University，Changchun 130025，China；3．Shanghai Dianji University，Shanghai 201306，China)

〔Abstract〕With the deterioration of urban environment,construction of urban low-carbon transportation is imminent.From the perspective of land use,a system dynamics model of carbon emissions and land use is proposed,and two development strategies of urban low-carbon transportation are obtained.Taking Changchun as an example,simulation is made on the two strategies.Results indicate that increase of land-use diversity and increase of land-use intensity are advantageous to the reduction of carbon emission.Furthermore,the effect of the former is superior to the latter.

〔Key words〕low-carbon transport;land-use;intensity of land-use;diversity of land-use;system dynamics

收稿日期：2015—12—19

基金項目：吉林省教育廳社科規(guī)劃項目“低碳型城市交通與土地利用的耦合發(fā)展模式研究——以長春市為例”(項目編號：2014154)。

作者簡介：鐘偉，吉林財經(jīng)大學亞泰工商管理學院講師，吉林大學交通學院在讀博士研究生。研究方向：運輸規(guī)劃與管理、物流系統(tǒng)規(guī)劃與設計。丁永波，吉林財經(jīng)大學亞泰工商管理學院教授，碩士生導師。研究方向：區(qū)域創(chuàng)新管理。金鳳花，上海電機學院商學院副教授，博士。研究方向：區(qū)域發(fā)展管理、物流與供應鏈管理。

DOI：10．3969/j．issn．1004-910X．2016．06．016

〔中圖分類號〕F294.3

〔文獻標識碼〕A