2000—2018年長三角中心區(qū)土地利用碳排放強度的時空特征

秦巖， 於冉， 於忠祥， 陸盼盼， 李蘭蘭， 桂政， 宋中俊

(安徽農(nóng)業(yè)大學經(jīng)濟管理學院，安徽 合肥 230036)

碳排放已成為引起社會、經(jīng)濟、生態(tài)問題的重要因素[1]，所以，如何減少和有效控制二氧化碳排放已經(jīng)成為世界各國制定環(huán)境政策問題的重要導向?！陡绫竟鶇f(xié)定》《京都議定書》《巴黎協(xié)定》等一系列國際氣候治理文件中，反復強調(diào)了低碳排放的發(fā)展戰(zhàn)略對可持續(xù)發(fā)展的重要性。中國在積極參與全球氣候治理的過程中，逐步確立了“習近平生態(tài)文明思想”，2019年12月，中共中央、國務院印發(fā)了《長江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》中，要求形成綠色低碳的生產(chǎn)生活方式，探索經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護相輔相成、相得益彰的新路子。因此，在長三角區(qū)域一體化進程中，既要實現(xiàn)土地集約節(jié)約利用，又要保證區(qū)域內(nèi)低碳綠色發(fā)展，是當前亟待解決的重要問題。

目前，國內(nèi)外諸多學者從不同角度對相關領域進行了研究，其基礎為土地利用變化會積累大量的碳排放[2]，研究重點多集中于土地利用碳排放強度時空變化[3-9]、影響因素[10-20]及效率[21-25]等。張梅等[7]將全國分為六大區(qū)域，利用RS、GIS技術測算各土地利用類型碳排放變化的時空變化，認為土地類型轉(zhuǎn)變過程中表現(xiàn)碳源和碳匯兩種情況，并具有明顯空間差異。孫赫等[8]利用空間自相關方法，探討了全國省級尺度土地利用碳排放強度的空間關聯(lián)特征，發(fā)現(xiàn)碳排放強度高值集聚區(qū)向沿海集中，低值集聚區(qū)向內(nèi)陸遷移。但是，當前學者主要針對于較大范圍的土地利用碳排放強度空間分布及差異影響，忽略了省內(nèi)差異及城市群功能格局對土地利用變化中碳排放強度變化的影響。研究碳排放強度的時空特征變化，對于全面把握土地利用轉(zhuǎn)移中碳排放強度變化趨勢、區(qū)域內(nèi)城市間土地利用調(diào)整具有一定的意義。因此，本研究通過獲取5期土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用GIS技術，采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、空間趨勢分析、點密度及熱點分析等方法，研究2000—2018年長三角地區(qū)中心區(qū)的土地利用轉(zhuǎn)移的碳排放強度及其空間特征，為豐富土地利用碳排放強度研究及區(qū)域功能分區(qū)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

長三角中心區(qū)地區(qū)作為長三角一體化發(fā)展中具有輻射帶動作用的高質(zhì)量發(fā)展區(qū)域，包含上海市、江蘇省(南京、無錫、常州、蘇州、南通、揚州、鎮(zhèn)江、鹽城、泰州)、浙江省(杭州、寧波、溫州、湖州、嘉興、紹興、金華、舟山、臺州)及安徽省(合肥、蕪湖、馬鞍山、銅陵、安慶、滁州、池州、宣城)等27個城市，面積為225 000 km2。其位于長江的下游地區(qū)，東部瀕臨黃海與東海，是長江入海之前形成的沖積平原；氣候類型主要屬于亞熱帶季風氣候，季風顯著，全年雨熱同期；直至2018年底，土地利用結(jié)構(gòu)中，建設用地、耕地、林地、草地、水域、未利用地分別占12.36%、46.25%、30.2%、3.28%、7.82%、0.09%。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣主要通過建立二維矩陣的形式，能夠清晰地反映各土地利用類型轉(zhuǎn)移情況。其公式為：

(1)

式中:Sij為土地面積，n為土地利用的類型數(shù)，i、j分別為研究期初與研究期末的土地利用類型序號。

1.2.2 土地利用變化碳排放強度核算 各土地利用類型的碳排放強度(單位面積碳排放)能反映土地利用碳排放情況及相關關系[26]。計算公式如下：

(2)

式中：Cp為土地利用碳排放強度(t·hm-2)；Cti為各土地利用變化碳排放量(t)；Si為相應的土地利用變化面積(hm2)

式(2)中，土地利用變化碳排放量Cti測算公式如下:

(3)

式中：Cti為土地利用變化碳排放量；Ai為第i種土地利用類型面積，αi為第i種土地利用類型的碳排放系數(shù)，如表1所示(注：負值表示碳吸收系數(shù))。

表1 用地類型碳排放系數(shù)Table 1 Carbon emission coefficient of land use type

具有碳排放功能的土地利用類型建設用地[13]。建設用地碳排放一般是通過其利用過程中的各項能源消耗的碳排放系數(shù)(表2)來間接估算，其公式為：

Eci=∑eci=∑Eniσiφi

(4)

式中：Eci為建設用地碳排放總量；eci為各種能源消耗產(chǎn)生的碳排放量；Eni為各種能源消耗量；σi為各種能源消耗量轉(zhuǎn)換為標準煤的系數(shù)，φi為各種能源的碳排放系數(shù)，如表2所示。

表2 碳排放轉(zhuǎn)換系數(shù)表Table 2 Carbon emission conversion coefficient Tab.

1.2.3 空間變化分析

1) 標準差橢圓

標準差橢圓是用于探查樣本數(shù)據(jù)的分布方式和發(fā)展的空間統(tǒng)計方法，通過對長三角中心區(qū)2000—2018年土地利用碳排放強度變化的地類圖斑進行分析，能夠反映研究區(qū)內(nèi)土地利用轉(zhuǎn)變過程中碳排放強度變化發(fā)展方向的轉(zhuǎn)變和分布趨勢空間特征。計算公式為：

(5)

(2) 點密度分析及熱點分析

(6)

式中：xj是要素j的屬性值；wi,j是要素i和j之間的空間權重；n為要素總數(shù)。并且

(7)

1.3 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所采用的行政邊界及2000年、2005年、2010年、2015年及2018年5期土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(http://www.resdc.cn/Default.aspx)，柵格數(shù)據(jù)精度為1km。依據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010—2017)及研究區(qū)實際情況，利用ArcGIS10.2重分類工具將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6個大類，并利用矢量數(shù)據(jù)進行裁剪處理獲得研究區(qū)數(shù)據(jù)。

各地市2000—2018年能源消耗數(shù)據(jù)來源于《上海統(tǒng)計年鑒》《江蘇統(tǒng)計年鑒》《浙江統(tǒng)計年鑒》《安徽統(tǒng)計年鑒》及各地市統(tǒng)計年鑒，并根據(jù)2020年各地市行政區(qū)劃情況(如安徽省在2011年、2016年行政區(qū)劃調(diào)整，巢湖市管轄的廬江縣、居巢區(qū)劃歸合肥市管轄，無為縣劃歸蕪湖市管轄，含山縣、和縣劃歸馬鞍山市管轄，安慶的樅陽縣劃給銅陵市)，將相關數(shù)據(jù)進行調(diào)整，以避免土地利用碳排放強度變化中的時序性及空間差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化分析

通過GIS10.2中空間疊加及土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，得到長三角中心區(qū)土地利用變化結(jié)果，如表3、圖1所示，其中，由于篇幅所限，表3、圖1直接列出2000—2018年計算結(jié)果及圖例。

表3 長三角土地利用轉(zhuǎn)移情況 Table 3 Land use transfer in the Yangtze River Delta hm2

如表3所示，2000—2018年長三角地區(qū)各土地利用類型均發(fā)生了轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移用地類型總面積為6 185 913.24hm2，占研究區(qū)域總面積的27.49%。建設用地轉(zhuǎn)出面積最多，為2 050 799.82 hm2，其中，1 764 143.28 hm2轉(zhuǎn)為耕地，占比86.02%。耕地是轉(zhuǎn)入最多的土地類型，轉(zhuǎn)入3 231 645.18 hm2，建設用地轉(zhuǎn)入1 313 425.21 hm2，面積有所減少。草地、林地、水域等用地類型轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出量相當，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)出量大于轉(zhuǎn)入量。

圖1 2000—2018年長三角土地利用轉(zhuǎn)移空間分布

如圖1所示，長三角土地利用轉(zhuǎn)移空間上具有以下特征：(1)長三角北部及沿海地區(qū)土地利用類型變化以建設用地轉(zhuǎn)入為主，西南部以林地、草地轉(zhuǎn)入為主，耕地轉(zhuǎn)入量主要集中在合肥市、蕪湖市、馬鞍山市；(2)長三角土地利用類型的原地保持率逐漸變低，土地利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移由耕地、建設用地為主轉(zhuǎn)向林地、草地為主。長三角土地轉(zhuǎn)移由單一為主轉(zhuǎn)移變?yōu)槎喾N土地類型同時發(fā)生轉(zhuǎn)移，且具有碳匯功能的土地類型逐漸呈現(xiàn)向南部轉(zhuǎn)移的狀態(tài)。

2.2 土地利用碳強度分析

2.2.1 土地利用碳排放核算 通過對各年份建設用地、耕地的碳排放量和林地、草地、水域和未利用地等地類的碳吸收量進行估算，匯總2000—2018年長三角土地利用凈碳排放量(表4)。

表4 長三角土地利用碳排放量核算結(jié)果 Table 4 Calculation results of carbon emissions from land use in the Yangtze River Delta 萬t

從碳排放/碳吸收構(gòu)成分析，碳排放方面，建設用地上人類活動造成的碳排放是最主要碳源，占總碳源的76.82%～90.01%，并呈現(xiàn)增長態(tài)勢；碳吸收方面，林地對碳吸收的貢獻率最大，占總碳匯的99.00%以上，林地具有重要的碳匯能力，而長三角地區(qū)林地占總面積的30.29%，使其碳吸收作用非常明顯；草地、水域、未利用地碳吸收量較小，三者總和占比僅為23.52%。

從碳排放/碳吸收變化分析，2000—2018年，長三角地區(qū)土地利用碳排放量呈增長態(tài)勢，由18 409.03萬t增長至47 750.33萬t，年增長率為8.85%。其中，建設用地碳排放迅速增長，從2000年的17 439.59萬t增長至2018年的47 411.48萬t，但增長速度具有“先快速，后放緩”的特點，從2000—2010年的12.04%降低至2010—2018年的2.92%，耕地碳排放量呈現(xiàn)緩速下降的趨勢，由2000年的5 262.43萬t下降至2018年的4 646.00萬t，年下降率為0.65%。碳吸收總量在19年間呈緩慢上升態(tài)勢，僅增加14.16萬t。其中，林地碳吸收量變化最為明顯，草地、水域、未利用地基本保持不變。

2.2.2 土地利用變化碳排放強度分析 通過ArcGIS10.2疊加分析，得到長三角地區(qū)2000—2018年各土地利用類型碳排放強度測算結(jié)果(表5)。

表5 長三角土地利用碳排放強度轉(zhuǎn)移情況 Table 5 Land use carbon emission intensity transfer in the Yangtze River Delta t·hm-2

碳源用地中，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌玫仡愋途憩F(xiàn)為碳匯，其中，以向林地轉(zhuǎn)變的數(shù)值最大，為-11.04 t·hm-2，其原因為，土地利用類型由碳源轉(zhuǎn)向碳匯，其固碳能力顯著增強，使其變化過程中碳排放強度數(shù)值變化明顯。建設用地出現(xiàn)耕地轉(zhuǎn)變表現(xiàn)為碳源外，向其他用地類型轉(zhuǎn)變表現(xiàn)為碳匯。其原因為，長三角地區(qū)建設用地碳排放密度低于耕地碳排放密度，導致轉(zhuǎn)變過程中，耕地呈現(xiàn)碳排放強度增加的態(tài)勢。

碳匯用地中，草地向林地、水域轉(zhuǎn)變?nèi)勘憩F(xiàn)為碳匯外，向其他土地類型的轉(zhuǎn)變表現(xiàn)為碳源，其中轉(zhuǎn)變碳匯過程中向林地轉(zhuǎn)變的數(shù)值最大，為-6.42 t·hm-2；轉(zhuǎn)變碳源過程中向耕地轉(zhuǎn)化數(shù)值最大，為4.62 t·hm-2。林地向其他用地類型轉(zhuǎn)變均表現(xiàn)為碳排放，其中，以向耕地轉(zhuǎn)變的數(shù)值最大，為11.04 t·hm-2，這說明，2000—2018年間，長三角地區(qū)耕地具有較強的碳源能力，林地具有較強的碳匯能力。水域、未利用地向其他用地類型轉(zhuǎn)變的過程中，以轉(zhuǎn)向林地的碳匯功能最為明顯，其原因為，林地相較于水域、未利用地，具有更強的碳匯能力。

2.3 碳排放強度變化空間特征

2.3.1 空間方向特征 通過ArcGIS10.2空間分析工具，利用標準差橢圓法定量分析4個時間階段土地利用過程中碳排放強度空間數(shù)據(jù)進行計算，刻畫不同時期碳排放強度在空間分布方向上的離散程度差異，進一步揭示長三角中心區(qū)土地利用碳排放強度分布方向上的時空演變規(guī)律，參數(shù)結(jié)果如表6所示，地圖可視化結(jié)果如圖2所示。

表6 2000—2018年土地利用碳排放強度變化標準差橢圓參數(shù)Table 6 Standard deviation ellipse parameters of land use carbon emission intensity changes from 2000—2018

圖2 2000—2018年長三角中心區(qū)土地利用碳排放強度變化離散趨勢Fig.2 Discrete trend of changes in land use carbon emission intensity in the central area of the Yangtze River Delta from 2000 to 2018

以2000—2005年為基準，2005—2010年標準差橢圓中心向西旋轉(zhuǎn)約1.7°，橢圓總體范圍減小，長軸減小，短軸增加。表明東部土地利用過程中碳排放強度增加顯著。因2010年以前，國家社會經(jīng)濟政策調(diào)整過程中，長江三角洲地區(qū)城市功能逐漸趨同，而以上海市、南京市為主的發(fā)展較快地區(qū)建設用地擴張速度遠高于其他地區(qū)，致使大量碳匯用地被占用，故而表現(xiàn)為標準差橢圓向西北旋轉(zhuǎn)，“東—西”方向擴張強度大于“南—北”方向。

2010—2015年間，標準差橢圓中心向東偏南轉(zhuǎn)移約5.46°，橢圓總體范圍繼續(xù)減小，長軸增加，短軸減小，表明土地利用碳排放強度變化在“東—西”方向縮減強度大于“南—北”方向，且主趨勢方向上分布的離散程度在減小。在2010年后，國家相繼發(fā)布《長江三角洲地區(qū)區(qū)域規(guī)劃》《國務院關于依托黃金水道推動長江經(jīng)濟帶發(fā)展的指導意見》等一系列指導文件，明確長三角地區(qū)的戰(zhàn)略定位，導致建設重心集中在建設潛力較大的沿海地區(qū)，表現(xiàn)為碳排放強度呈現(xiàn)空間分散狀態(tài)。

2015—2018年間，標準差橢圓中心向西北轉(zhuǎn)移，橢圓范圍呈現(xiàn)擴大態(tài)勢，長軸減小，短軸增加，離散程度逐步擴大。其原因為，2016年，《長江三角洲城市群發(fā)展規(guī)劃》中首次將安徽8市列入長三角地區(qū)戰(zhàn)略規(guī)劃，使得合肥都市圈迅速發(fā)展，建設用地擴張逐漸增加。而在2014—2016年，中國承諾并屢次強調(diào)在2030年CO2排放總量的峰值的承諾，并因“退田還湖”“退耕還林”等政策影響，南部地區(qū)碳匯用地大量增加，碳排放強度遠低于北部，導致土地利用碳排放強度變化呈現(xiàn)“東—西”方向擴張強度大于“南—北”方向的狀態(tài)。

2.3.2 空間分布特征 通過ArcGIS10.2測算2000—2018年長三角土地利用碳排放強度變化圖斑點密度分析，結(jié)果如圖3所示。長三角地區(qū)土地利用碳排放強度變化具有較強的地域差異性，其空間變化具有以下兩個特點：

圖3 點密度分析結(jié)果Fig.3 Point density analysis results

(1)南高北低性。整體來看，以上海市與嘉興市為中線，將長三角地區(qū)分成南北兩部分，可以發(fā)現(xiàn)，以寧波市、臺州市、池州市為主的南部地市土地利用碳排放強度變化集中性普遍高于北部地市，其原因為，長三角地區(qū)南部土地利用變化主要集中在林地，并具有較為集中的特點，其較強碳匯能力在土地利用碳排放強度變化中呈現(xiàn)一定的優(yōu)勢。以南京市、常州市、泰州市、宿州市為主的沿江、沿湖地市具有較低的集中性，其原因為，水域用地具有較強的穩(wěn)定性，其變化程度較低，致使其點密度低于其他土地利用變化碳排放強度。

(2)南部分散性。西部以池州市、銅陵市、宣城市為主，東部以寧波市、紹興市、臺州市、溫州市為主，可以發(fā)現(xiàn)，長三角南部地市土地利用變化碳排放強度具有較強的離散性。其原因為，相較于長三角地區(qū)北部地市，南部自然地貌以山地、丘陵為主，致使其建設用地擴張呈現(xiàn)分散態(tài)勢，在土地利用變化過程中，進一步影響林地、草地等碳匯用地的分布，使其點密度呈現(xiàn)分散狀態(tài)。

圖4 熱點分析結(jié)果Fig.4 Hot spot analysis results

通過ArcGIS10.2計算2000—2018年長三角土地利用碳排放強度變化圖斑熱點分析，結(jié)果如圖4所示。紹興市是變化的最大熱點區(qū)，除此之外，池州市、銅陵市、杭州市、金華市、臺州市及溫州市的部分地區(qū)也都是土地利用碳排放強度變化的特點地區(qū)；而鹽城市、泰州市、常州市及舟山市、溫州市的部分地區(qū)為土地利用碳排放強度變化的冷點區(qū)域。熱點區(qū)域土地利用碳排放強度變化的圖斑較為分散，而冷點地區(qū)變化的圖斑相對集中。

將以上兩種分析方法的結(jié)果相互比較，可以發(fā)現(xiàn)，2000—2018年長三角地區(qū)土地利用碳排放強度變化主要集中在長三角南部地市，特別以寧波市土地利用碳排放強度變化最為強烈，變化的圖斑不僅具有較強的集中性，而且具有較大的面積；而長三角南部地市土地利用碳排放強度變化較為分散，且具有較小的面積；長三角北部沿海地市土地利用碳排放強度相對較為連續(xù)，并具有集中性。

3 結(jié)論與討論

(1)2000—2018年長三角土地利用轉(zhuǎn)移空間上，北部及沿海地區(qū)變化以建設用地轉(zhuǎn)入為主，西南部以林地、草地轉(zhuǎn)入為主，耕地轉(zhuǎn)入量集中在西北地區(qū)；且原地保持率逐漸變低，呈現(xiàn)由單一為主轉(zhuǎn)移變?yōu)槎喾N土地類型同時發(fā)生轉(zhuǎn)移，且具有碳匯功能的土地類型逐漸呈現(xiàn)向南部轉(zhuǎn)移的狀態(tài)。

(2)19年間長三角中心區(qū)土地利用變化過程中，碳排放強度具有明顯的差異性。其中，耕地具有較高的碳排放強度，林地具有較強的碳吸收強度。土地城鎮(zhèn)化逐漸放緩，實現(xiàn)建設用地面積由無序增加轉(zhuǎn)向質(zhì)量提升，導致能源消耗利用率提高；以及“退耕還林”“生態(tài)紅線”等政策的影響，土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，致使耕地轉(zhuǎn)化為碳匯用地的數(shù)量增加，是影響碳排放強度變化的主要原因。

(3)2000—2018年長三角中心區(qū)土地利用碳排放強度分布方向具有集聚向內(nèi)陸轉(zhuǎn)移，空間發(fā)展“東—西”方向擴張強度大于“南—北”的特征；空間分布具有“南高北低性”“南部分散性”兩個時空特征。碳匯用地與碳源用的集中情況、用地類型的碳排放強度水平是影響其呈現(xiàn)時空特征的主要因素。

本研究對19 a長三角中心區(qū)的土地利用碳排放強度的時空變化特征進行判斷，根據(jù)土地利用轉(zhuǎn)移時空分布情況，可以發(fā)現(xiàn)凈碳排放量仍處于增長態(tài)勢，但其增長速度有所放緩；碳排放強度在趨勢上向內(nèi)陸轉(zhuǎn)移，且范圍逐漸擴大，所以，土地利用對碳排放變化具有明顯的作用，碳匯與碳源用地的結(jié)構(gòu)調(diào)整，是實現(xiàn)碳平衡及碳峰值的有效手段。依據(jù)點密度及熱點分析情況，能夠發(fā)現(xiàn)城市發(fā)展水平與碳排放強度的集中度有一定的相關性，經(jīng)濟發(fā)展較為集中的城市點密度較低，熱點分析中呈現(xiàn)冷點情況，基于土地利用視角，集約節(jié)約利用水平是影響其變化的關鍵。因此以上海市、南京市、杭州市為主的經(jīng)濟較為發(fā)達的城市，應保持較高的土地集約節(jié)約利用，以降低碳排放強度集中度；以合肥市、紹興市、嘉興市等受輻射較為明顯的地區(qū)，應控制新增碳源用地，挖掘潛在碳匯用地，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的碳平衡；以安慶市、池州市、宣城市為主的生態(tài)資源良好、碳匯用地規(guī)模較大的地區(qū)，應優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)布局，在保證碳匯功能的基礎上實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。