Modelo de previsão e demonstração de emissões regionais de carbono agrícola com base no Isomap

Jul 15, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12688 (2023) Citar este artigo

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A análise científica dos modelos regionais de previsão das emissões de carbono agrícolas e os estudos empíricos são de grande importância prática para a realização de uma agricultura de baixo carbono, que pode ajudar a revitalizar e construir paisagens ecológicas e bonitas na China. Este artigo toma a agricultura na província de Guangdong, China, como objeto de pesquisa, e utiliza o modelo STIPAT estendido para construir um sistema de indicadores para os fatores que influenciam as emissões de carbono agrícolas em Guangdong. Com base neste sistema, um modelo de previsão combinado Isomap – ACO – ET combinando o algoritmo de mapeamento isométrico (Isomap), o algoritmo de colônia de formigas (ACO) e o algoritmo de árvore aleatória extrema (ET) foi usado para prever as emissões de carbono da agricultura na província de Guangdong em cinco cenários . Previsões eficazes podem ser feitas para as emissões de carbono agrícola na província de Guangdong, que deverão flutuar entre 11.142.200 toneladas e 11.386.000 toneladas em 2030. E em comparação com outros modelos de aprendizado de máquina e redes neurais, o modelo Isomap – ACO – ET tem um melhor desempenho de previsão com um MSE de 0,00018 e uma precisão de 98,7%. Para desenvolver uma agricultura de baixo carbono na província de Guangdong, devemos melhorar os métodos agrícolas, reduzir a intensidade da aplicação de agroquímicos, reforçar o desenvolvimento e a promoção de tecnologias agrícolas de poupança de energia e de redução de emissões e de fontes de energia de baixo carbono, reduzir a intensidade das emissões de carbono. do consumo de energia agrícola, otimizar a estrutura de plantio agrícola e desenvolver produtos agrícolas verdes e turismo agroecológico de acordo com as condições locais. Isto promoverá o desenvolvimento da agricultura na província de Guangdong numa direcção verde e sustentável.

Os dados mostram que as atividades humanas causaram um aumento nas emissões globais de gases com efeito de estufa desde a era industrial, com um aumento de 70 por cento entre 1970 e 20211,2. O dióxido de carbono, por outro lado, é o gás antropogénico com efeito de estufa mais importante, com as emissões a aumentarem cerca de 80 por cento entre 1970 e 20213,4. O boletim divulgado pela Organização Meteorológica Mundial mostra que a temperatura média anual global aumentou 0,7 °C durante o período de 100 anos, entre o final do século XIX e o final do século XX, e as alterações climáticas causadas pelos gases com efeito de estufa aumentaram. tornar-se um sério desafio partilhado por toda a humanidade no século XXI5,6. O estudo do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas das Nações Unidas (IPCC) mostra que os gases de efeito estufa gerados pelas atividades agrícolas respondem por 13,5% do total das emissões globais de gases de efeito estufa7,8. E de acordo com a Organização das Nações Unidas para a Alimentação e a Agricultura (FAO), “a agricultura, a silvicultura e a alteração do uso do solo são responsáveis ​​por cerca de 20% das emissões globais de gases com efeito de estufa”9,10. A partir destes dados, fica claro que a agricultura é uma fonte importante de emissões de GEE. O aumento das emissões de carbono tem um impacto extremamente significativo nas alterações climáticas globais, e o aumento das emissões de carbono devido ao comportamento humano é uma das principais causas do aquecimento global11,12. A China também desempenhou um papel importante no combate às alterações climáticas globais e comprometeu-se, na Conferência de Copenhaga, a reduzir as suas emissões de dióxido de carbono por unidade do PIB em 60-65 por cento em 2030, em comparação com 200513,14.

Um número crescente de académicos nacionais e estrangeiros tem conduzido muitos estudos sobre as emissões de carbono agrícolas, centrando-se principalmente em seis aspectos. Em primeiro lugar, a medição das emissões de carbono agrícolas. Por exemplo, Wang et al.15 mediram a quantidade total e a intensidade das emissões de carbono agrícola da China entre 2000 e 2016 e compararam as diferenças regionais nas emissões de carbono agrícola da China. Chen et al.16 reavaliaram as emissões de carbono agrícolas na província de Fujian, China, de 2008 a 2017, com base em cinco principais fontes de emissões de carbono provenientes da agricultura. Em segundo lugar, a exploração dos impulsionadores das emissões de carbono agrícolas. Por exemplo, Xiong et al.17 utilizaram o modelo STIRPAT para identificar os factores que influenciam as emissões de carbono agrícolas na província de Jiangsu, China, e concluíram que os factores que influenciam foram: eficiência da produção agrícola, estrutura agrícola, nível de desenvolvimento económico agrícola, tamanho da população agrícola, urbanização, mecanização e grau de desastres naturais. Yang et al.18 estudaram os impulsionadores do crescimento da eficiência agroecológica a nível provincial na China e concluíram que os impulsionadores eram: progresso tecnológico, infra-estruturas agrícolas, melhorias no capital humano e investimento público. Terceiro, análise das características espaciais e temporais das emissões de carbono agrícola. Por exemplo, Hu et al.19 mediram e analisaram as características espaciais e temporais das emissões de carbono agrícola na província de Jiangsu, China, a partir de três fontes de carbono: uso de terras agrícolas, cultivo de arroz e pecuária. Zhou et al.20 calcularam as emissões agrícolas de carbono na região “Belt and Road” da China de 2003 a 2018 e analisaram suas características espaciais e temporais. Em quarto lugar, estudo da interacção entre as emissões de carbono agrícolas e o desenvolvimento económico. Por exemplo, Zang et al.21 conduziram um estudo sobre a relação entre a intensidade das emissões de carbono agrícola, o desenvolvimento económico agrícola e o comércio agrícola na China de 2002 a 2020. Shu-jie et al.22 analisaram a relação de dissociação entre as emissões de carbono agrícolas e as emissões económicas. crescimento na província de Jilin, China, de 1999 a 2014. Em quinto lugar, medidas de eficiência das emissões de carbono agrícolas. Por exemplo, Wang e Feng23 avaliaram a eficiência das emissões de carbono agrícola da China a partir de perspectivas estáticas e dinâmicas com base nos modelos DEA e Theil. Zhang et al.24 utilizaram o modelo SBM-DEA para medir a eficiência económica da agricultura interprovincial na China para os anos 2000–2019. Em sexto lugar, estudo de medidas de redução de carbono na agricultura. Por exemplo, Panchasara et al.25 exploraram as principais fontes de emissões de carbono do sector agrícola na Austrália e analisaram formas eficazes de reduzir as emissões de gases com efeito de estufa através de tecnologias agrícolas inteligentes. Cui et al.26 estudaram dados de painéis agrícolas de 31 províncias em meados de 1997–2017 e sugeriram políticas diferenciadas de redução de carbono com base em diferenças regionais e temporais, bem como um mecanismo de negociação no mercado de redução de carbono e políticas de compensação. Em resumo, pode-se verificar que os académicos nacionais e estrangeiros obtiveram resultados frutíferos na investigação das emissões de carbono agrícola, mas há menos estudos relacionados com a previsão e evidência empírica das emissões regionais de carbono agrícola, e a exploração ainda é insuficiente.