低碳目標(biāo)下的濱海城市土地利用優(yōu)化配置
——以大連市為例

郭曉榮，李　　穎，林　　霞

（1.遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院 大連市 116029；2.國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 大連市 116023）

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低碳目標(biāo)下的濱海城市土地利用優(yōu)化配置
——以大連市為例

郭曉榮1，李穎1，林霞2

（1.遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院 大連市 116029；2.國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 大連市 116023）

摘要：濱海城市的土地開發(fā)利用及其優(yōu)化配置對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境起重要作用。以大連市為例，依據(jù)2002-2013年能源消費(fèi)和土地利用等數(shù)據(jù)，在遙感和GIS技術(shù)支持下對(duì)其土地利用變化情況進(jìn)行分析，借助碳排放量計(jì)算模型核算其土地利用碳排放量，通過相關(guān)性分析明確碳排放與土地利用類型之間的相關(guān)性，在低碳目標(biāo)下進(jìn)行土地利用類型的優(yōu)化配置，以此保證濱海地區(qū)土地開發(fā)利用的合理性。結(jié)果表明：（1）從2002到2013年，各個(gè)土地類型在利用數(shù)量上發(fā)生明顯變化。其中耕地面積先由2002年的2 500 km2增加到3 950 km2，又減少至2013年的3 291 km2；林地面積減少了1 858 km2；建設(shè)用地面積增加了454 km2；（2）大連市碳排放總量增加1 695.8萬t，各土地利用類型對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)率差異顯著，其中建設(shè)用地碳排放量占總量的98%，耕地碳排放量所占比重不足2%；（3）土地利用類型變化與碳排放量之間的關(guān)聯(lián)程度密切，建設(shè)用地、林地與碳排放量之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.877 4和-0.970 1；（4）線性土地利用優(yōu)化配置下各個(gè)土地利用類型的碳排放量比大連市2020年規(guī)劃下的碳排放總量減少96.79萬t。

關(guān)鍵詞：碳排放；土地利用；優(yōu)化配置；大連市

濱海城市在依托海洋資源的保障下，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城市化進(jìn)程較快。然而現(xiàn)代化的生產(chǎn)生活模式給濱海地區(qū)的環(huán)境及土地資源造成了嚴(yán)重的威脅［1］，濱海城市土地利用變化及土地利用變化對(duì)碳排放的影響是學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問題。一方面，人類在土地上進(jìn)行的活動(dòng)不僅使土地利用類型快速轉(zhuǎn)變，而且使陸地上碳的排放量不斷發(fā)生變化［2-3］；另一方面，對(duì)土地進(jìn)行合理的利用與開發(fā)是控制碳排放的主要手段，是調(diào)控碳排放量的有效工具［4］。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，對(duì)土地的征用力度日漸增加，各種土地類型轉(zhuǎn)變速度加快，碳排放和碳儲(chǔ)量不斷變化［5］，對(duì)環(huán)境造成了較大威脅，因此對(duì)濱海城市的土地利用模式進(jìn)行探討對(duì)可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要作用。

土地資源優(yōu)化配置是在一定科學(xué)技術(shù)手段的基礎(chǔ)上將土地的利用類型和結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，其目的是使土地性能達(dá)到最優(yōu)化的利用［6］。目前，學(xué)者主要從土地利用變化的碳排放效應(yīng)時(shí)空差異、土地利用的碳排放效應(yīng)評(píng)估和土地利用變化對(duì)能源消費(fèi)以及生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響［7-8］等方面進(jìn)行了研究。其中，揣小偉等［9］利用多種方法計(jì)算了土地利用類型的土壤碳儲(chǔ)量和植被碳儲(chǔ)量，并分析其對(duì)土地利用變化的影響；趙軍等［10］從生態(tài)學(xué)角度出發(fā)，根據(jù)黃河三角洲生態(tài)區(qū)劃配置原則，構(gòu)建黃河三角洲的土地資源優(yōu)化配置模型，實(shí)現(xiàn)土地資源優(yōu)化配置；游和遠(yuǎn)等［11］采用灰色關(guān)聯(lián)分析及演繹法測(cè)度土地利用結(jié)構(gòu)與能源消耗碳排放的關(guān)聯(lián)度，利用關(guān)聯(lián)差異尋找可以控制能源消耗碳排放實(shí)現(xiàn)土地低碳利用的路徑；容建波等［12］利用模型測(cè)度分析中國(guó)西部地區(qū)在碳排放約束條件下的環(huán)境效率及其變化趨勢(shì)，并通過分析影響環(huán)境效率的相關(guān)因素，提出可行性建議。大連市作為濱海城市，是遼寧省經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的地區(qū)，其人口密集程度較大，人為因素對(duì)土地產(chǎn)生的影響較大，因此本文綜合前人研究結(jié)果從減少濱海城市碳排放量角度出發(fā)，依靠遙感、GIS技術(shù)和數(shù)學(xué)方法的支持，探討大連市土地利用類型轉(zhuǎn)變與碳排放之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)大連市土地利用現(xiàn)狀對(duì)土地利用進(jìn)行優(yōu)化配置，以期為節(jié)能減排的土地利用研究提供依據(jù)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)化發(fā)展。

1　　數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1數(shù)據(jù)來源

本文的數(shù)據(jù)分為兩部分：土地?cái)?shù)據(jù)和能源消耗數(shù)據(jù)。其中土地?cái)?shù)據(jù)基礎(chǔ)來源于2002、2007和2013年3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的大連市遙感影像；能源消耗數(shù)據(jù)來源于2003-2014年《遼寧省統(tǒng)計(jì)年鑒》和《大連市統(tǒng)計(jì)年鑒》。

1.2研究方法

1.2.1遙感解譯

遙感影像記錄各種地物的電磁波，要使遙感影像中電磁波所表示的各種地物能清晰可見，需要通過計(jì)算機(jī)軟件將圖片進(jìn)行處理，解譯出地理事物?；诖?，本文選取了大連市2002、2007和2013年3期Landsat TM遙感影像，首先利用Envi4.7對(duì)遙感影像進(jìn)行波段融合、圖片鑲嵌和裁剪等預(yù)處理，再對(duì)大連市土地利用類型進(jìn)行分類，并結(jié)合ArcGIS計(jì)算出土地利用數(shù)據(jù)。

1.2.2碳排放（吸收）量測(cè)算法

土地利用碳排放量是各種土地利用類型的碳排放量與碳吸收量的差值［13］。本文所研究的碳排放土地類型包括耕地、林地、水域以及建設(shè)用地4種。參考現(xiàn)有的研究成果，對(duì)于以上4種土地利用類型碳排放量研究分為兩種方式：

耕地、林地和水域的碳排放量計(jì)算采用直接碳排放系數(shù)法［14］，計(jì)算公式如下：

式中：E為碳排放總量；ei為各土地利用類型的碳排放量；si為各土地利用類型的面積；δi為各土地利用類型的單位面積碳排放系數(shù)；i代表各個(gè)土地利用類型。參考文獻(xiàn)可知各個(gè)土地利用類型的單位面積碳排放系數(shù)，其中農(nóng)作物的碳排放系數(shù)［15-16］是0.050 4 kg/m2，農(nóng)作物的碳吸收系數(shù)［17］是0.000 7 kg/m2，因此農(nóng)作物的凈碳排放系數(shù)為0.049 7 kg/m2；林地和水域的碳排放系數(shù)［18-19］分別是-0.058 1 kg/m2和-0.025 3 kg/m2。

建設(shè)用地碳排放：

式中：Ec為建設(shè)用地碳排放；Ei為第i種能源消費(fèi)量（標(biāo)準(zhǔn)煤）；Eci為第i種能源碳排放系數(shù)［20］。其中i代表3種常見的能源，分別為煤、石油、天然氣；煤的碳排放系數(shù)為0.755 9 kJ/kg，石油的碳排放系數(shù)為0.585 7 kJ/kg，天然氣的碳排放系數(shù)為0.448 3 kg/m3。

2　　大連市土地利用及碳排放量變化

2.1研究區(qū)概況

大連市（120°58ˊ-123°31ˊE，38°43ˊ-40°10ˊN）位于遼寧省的南部，三面環(huán)黃渤兩海，北靠營(yíng)口、鞍山市，是我國(guó)遼東半島的最南端（圖1），并分別與韓國(guó)、朝鮮等國(guó)家相毗鄰，其獨(dú)特的地理位置使暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候兼具獨(dú)特的海洋性氣候特點(diǎn)得以明顯體現(xiàn)。大連市土地總面積為12 574 km2，全市平原較少，多丘陵地區(qū)，整體呈現(xiàn)北部地區(qū)高于南部地區(qū)的地形地貌特征。大連市是遼寧省經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的濱海城市，人口密集，人類在土地上的活動(dòng)加劇，能源消耗產(chǎn)生的排放不斷變化，對(duì)土地產(chǎn)生較大影響。由于人類活動(dòng)參與導(dǎo)致土地利用及其碳排放變化顯著，較北京、上海等大城市相比其低碳發(fā)展程度仍相對(duì)較低［21］。

2.2土地利用變化

大連市作為東北地區(qū)乃至全國(guó)重要的港口城市，其城市建設(shè)速度之快更是毋庸置疑，因此其土地利用類型及結(jié)構(gòu)會(huì)隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)生改變，解譯三期遙感影像得出大連市土地利用變化圖（圖2）。

圖1 大連市行政區(qū)劃示意圖

圖2　2002、2007、2013年土地利用類型圖

運(yùn)用Envi和ArcGIS軟件解譯并計(jì)算面積可知，2002-2013年間大連市各個(gè)土地利用類型在數(shù)量上存在一定的變化，其中林地面積隨著人類活動(dòng)影響逐漸向建設(shè)用地等類型轉(zhuǎn)移，由2002年的7 660 km2減少到2013年的5 742 km2，而建設(shè)用地面積有相對(duì)明顯的轉(zhuǎn)變，面積增加454 km2，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及解譯的結(jié)果得出各地類型具體變化情況（表1）。

表1　　大連市2002-2013年土地利用變化情況（km2）

2.3碳排放量變化

由于城市建設(shè)加快，各土地利用類型上均有人類活動(dòng)的加入，致使各土地類型相互轉(zhuǎn)變的同時(shí)各個(gè)土地利用類型上的碳排放量也有相應(yīng)的變化。根據(jù)公式（1）、（2）以及土地利用數(shù)據(jù)和大連市能源消耗數(shù)據(jù)計(jì)算出大連市2002、2007和2013年3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的土地利用碳排放量（表2）。

表2 大連市2002、2007、2013 3三年土地利用碳排放量（萬t）

由表2可知，從2002到2013年，大連市耕地碳排放量先由2002年的12.435萬t增加到2007年的17.942萬t，到2013年又減少到16.356萬t；林地的碳吸收量一直處于減少的狀態(tài)，由2002年的44.428萬t減少2013的31.594萬t；而建設(shè)用地的碳排放量始終處于增加狀態(tài)，2002年的1404.9萬t增加到2013的3100.7萬t。從總體變化趨勢(shì)來看，大連市的總碳排放量處于逐年上升趨勢(shì)，從1403.8萬t增加到3099.8萬t，尤其是在2002-2007年間，碳排放量增長(zhǎng)速度明顯快于2007-2013年，主要是因?yàn)?002-2007年間，大連市城市發(fā)展迅速，城市建設(shè)對(duì)土地的征用面積大，向外擴(kuò)張明顯，因城市建設(shè)引起的碳排放量明顯增加。

2.4土地利用類型變化與碳排放量的相關(guān)性

2002-2013年間，根據(jù)各個(gè)土地利用類型的面積變化情況可知，建設(shè)用地面積遠(yuǎn)小于耕地的種植面積，但是兩者的碳排放量卻相差甚遠(yuǎn)，這說明不同的土地利用類型有不同的利用特征，其對(duì)碳排放量的貢獻(xiàn)率也不相同，通過相關(guān)系數(shù)的計(jì)算方法得出不同土地利用類型與碳排放量的相關(guān)性（表3）。

表3顯示，建設(shè)用地與碳排放量的相關(guān)性為0.877 4，說明建設(shè)用地面積的變化與碳排放量變化相關(guān)性顯著；而林地面積變化與碳排放量相關(guān)系數(shù)為-0.970 1，兩者之間呈較大負(fù)相關(guān)，表明林地面積越大，土地碳排放量越小。因此需要根據(jù)不同的土地利用類型變化特征對(duì)土地利用變化進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，以期達(dá)到減小碳排放量的目的。

表3　　主要土地利用類型與碳排放量的相關(guān)系數(shù)　

3　　基于低碳視角的土地利用優(yōu)化

3.1土地利用優(yōu)化變量設(shè)置及優(yōu)化模型建立

土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置是根據(jù)土地的現(xiàn)狀及其特性，采用一定的科學(xué)技術(shù)手段和管理方法對(duì)現(xiàn)有土地進(jìn)行合理的分配，達(dá)到一定的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)大連市土地利用的可持續(xù)性，發(fā)揮其濱海優(yōu)勢(shì)，從低碳角度出發(fā)，建立大連市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。本模型根據(jù)大連市土地利用現(xiàn)狀并遵從低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展原則，分別選取耕地、林地、水域、建設(shè)用地4個(gè)決策變量（表4）。并根據(jù)碳排放系數(shù)建立碳排放量最小的土地利用優(yōu)化模型［22］，并利用Lingo軟件進(jìn)行模型的求解。

表4　大連市土地利用現(xiàn)狀及決策變量

3.1.1目標(biāo)函數(shù)的建立

在低碳排放量的目標(biāo)下，根據(jù)表4中土地利用類型的碳排放系數(shù)構(gòu)建基于碳排放量最小的目標(biāo)函數(shù)［22］：

Min（C）=0.0497X1-0.0581X2+120.4X3-0.0253X4

3.1.2約束條件

決策變量的設(shè)置在符合土地利用要求及當(dāng)前土地使用情況的基礎(chǔ)上還要有一定的約束性條件限制。約束性條件指標(biāo)的選取依據(jù)土地總體規(guī)劃和區(qū)域土地管理政策，因此本文根據(jù)大連市土地利用總體規(guī)劃（2006-2020年）指定約束條件。

各土地利用類型面積約束：到2013年年底，大連市總耕地面積為3291km2，林地總面積5742km2，建設(shè)用地2 356 km2，而大連市2020年總體規(guī)劃指出：要嚴(yán)格保護(hù)耕地和基本農(nóng)田，發(fā)展都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型城市，保障城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展用地，到規(guī)劃期末，大連市的耕地保有量控制在3 513.00 km2以上，林地面積至少達(dá)到4 051 km2，建設(shè)用地面積控制在2 560 km2以下，水域面積不低于現(xiàn)狀，即X1≥3 513，4 051≤X2≤5 742，2 356≤X3≤2 560，X4≥428。

人均耕地面積約束：2013年大連市總?cè)丝跀?shù)為591.4萬人，人均耕地面積為556.5m2。總體規(guī)劃指出到2020年末，大連市總?cè)丝跀?shù)達(dá)800萬，即429.1＜X1/800＜556.5。

地均GDP約束：2013年年末，大連市地均GDP達(dá)75 511.2萬元，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的增長(zhǎng)，地均GDP增加，到規(guī)劃期末大連市的地均GDP應(yīng)多于現(xiàn)狀，即1.523×1012/（X1+X2+X3+X4）＞75 511.2。

非負(fù)約束Xi＞0（i=1，2，3，4）

3.2土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果分析

在LINGO環(huán)境下，基于碳排放量最小的目標(biāo)函數(shù)得到優(yōu)化后的各土地利用類型的面積，并由此計(jì)算2020年和低碳目標(biāo)下各個(gè)土地利用類型的碳排放量（表5）。

表5　　基于碳排放量最小目標(biāo)函數(shù)下的土地利用結(jié)構(gòu)及其碳排放

由表（5）可知，基于碳排放量最小的目標(biāo)函數(shù)下的土地利用結(jié)構(gòu)碳排放量為2 969.75萬t，比2020年大連市規(guī)劃方案減少96.79萬t。因此，對(duì)土地利用進(jìn)行優(yōu)化配置能夠有效地減少碳排放量，而且此優(yōu)化方案是在現(xiàn)有建設(shè)用地面積的基礎(chǔ)上盡量減少建設(shè)用地、擴(kuò)大林地面積，以此來達(dá)到碳排放量最小的目的。

4結(jié)語

2002-2013年間，大連市的碳排放量逐年增長(zhǎng)，由2002年的1 404.9萬t增長(zhǎng)到2013年的3 100.7萬t。在各土地利用類型中，建設(shè)用地的碳排放量占總碳排放量的大部分，比重高達(dá)98%，其余土地類型所占比重相對(duì)較少。

從2002至2013年大連市的耕地、林地、水域面積均有不同程度的轉(zhuǎn)變，而建設(shè)用地面積增加，主要是因?yàn)槿祟惢顒?dòng)的參與，導(dǎo)致各個(gè)土地利用類型變化較快。通過相關(guān)性計(jì)算可知，建設(shè)用地、林地與碳排放量之間的關(guān)聯(lián)程度密切，相關(guān)系數(shù)分別為0.877 4和-0.970 1。由此，建設(shè)用地和林地面積的變化對(duì)碳排放量的多少起決定作用。

運(yùn)用LINGO軟件結(jié)合經(jīng)濟(jì)因素對(duì)土地利用進(jìn)行優(yōu)化配置，其中耕地面積3 513 km2，林地面積4 130 km2，建設(shè)用地面積2 481 km2，相對(duì)比2020年大連市土地利用總體規(guī)劃布局，林地面積增加，建設(shè)用地面積減少，碳排放量減少96.79萬噸。由此，對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在達(dá)到經(jīng)濟(jì)最大化的同時(shí)可以減少碳排放。

濱海城市臨近海洋，資源豐富程度優(yōu)于內(nèi)陸地區(qū)，其人口密度和經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度都相對(duì)較高，但在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)不可避免的對(duì)環(huán)境造成破壞，對(duì)土地和環(huán)境的壓力相對(duì)較大，因此要對(duì)濱海城市的土地利用進(jìn)行優(yōu)化，減少因發(fā)展所帶來的環(huán)境問題，并發(fā)展其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)。

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收稿日期：2016-01-24