周偉婷

（河海大學(xué)公共管理學(xué)院，南京 211100）

土地利用變化是影響碳排放和碳儲存的重要因素之一［1］，間接對全球氣候變化和區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。中國十分重視碳排放問題，2020 年9 月習近平總書記在第75 屆聯(lián)合國大會上正式提出2030年實現(xiàn)碳達峰與2060 年實現(xiàn)碳中和的目標，黨的二十大報告中再次強調(diào)了中國的“雙碳”目標?；谕恋乩妙愋妥兓治鰠^(qū)域碳排放時空演變特征，有利于優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)進而實現(xiàn)土地可持續(xù)利用，對推動區(qū)域節(jié)能減排具有現(xiàn)實參考價值。早在20世紀90 年代國外學(xué)者已經(jīng)開始對土地利用變化與碳排放之間的關(guān)系進行研究［2］，21 世紀初以來國內(nèi)學(xué)者對碳排放相關(guān)問題展開豐富研究并取得了一定成果。張玥等［3］從國家層面省域尺度創(chuàng)新性結(jié)合土地利用隱性形態(tài)評價模型探索碳排放與其在1990—2018 年的空間關(guān)系；張余等［4］運用ESDA 和GWR模型對東北三省18 年期間地類和土地利用碳排放時空變化特征及空間關(guān)聯(lián)進行研究；苑韶峰等［5］采用碳排放模型分析長江經(jīng)濟帶15 年期間碳排放時空差異，并結(jié)合生態(tài)和經(jīng)濟雙重角度分析其空間異質(zhì)性；楊靜媛等［6］采用碳排放計算模型探明江西省18 年期間的碳排放空間格局，運用基尼系數(shù)等方法剖析碳排放區(qū)域空間差別。當前，國內(nèi)相關(guān)文獻在研究尺度上主要集中于國家、地方和省級宏觀層面，而市級和縣域微觀層面研究相對缺乏；研究區(qū)域上主要圍繞經(jīng)濟發(fā)達和能源消費量大的華東、華北和東北地區(qū)，而對于自然條件優(yōu)越的西南地區(qū)研究有待深入。因此，本研究選取具有代表性的貴陽市作為研究區(qū)以彌補土地利用碳排放領(lǐng)域的研究空缺。本研究分析了貴陽市2000—2020 年不同土地利用類型變化下碳排放的時空特征及空間關(guān)聯(lián)，以期為區(qū)域“雙碳”目標的實現(xiàn)以及制定有針對性的區(qū)域碳減排政策提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

貴陽市位于貴州省中部，地處東經(jīng)106°07′—107°17′、北緯26°11′—26°55′，是中國西南地區(qū)重要的中心城市之一，也是貴州省政治和經(jīng)濟中心。轄區(qū)范圍包括南明區(qū)、花溪區(qū)、云巖區(qū)、烏當區(qū)、白云區(qū)、觀山湖區(qū)6 區(qū)和開陽縣、息烽縣、修文縣3 縣以及清鎮(zhèn)市1 市，土地總面積為8 043.37 km2。貴陽市位于長江與珠江兩大流域分水嶺地帶，地貌上屬黔中丘陵盆地區(qū)，山地、丘陵面積占總面積的84.61%。

1.2 數(shù)據(jù)來源

貴陽市2000—2020 年30 m 地表覆蓋遙感數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所；能源消費量和年末戶籍人口等統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于2000—2020 年的《中國能源統(tǒng)計年鑒》和《貴陽統(tǒng)計年鑒》。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣是通過創(chuàng)建二維矩陣的方法定量表達各地塊土地使用類型的流入和流出狀況。其公式如下。

式中，Sij為2000—2020 年貴陽市土地類型產(chǎn)生變化的總面積；i、j分別代表不同地類；n代表土地利用的類型數(shù)［7］。

1.3.2 碳排放計算 土地利用碳排放可分為直接碳排放和間接碳排放。耕地、林地、草地、水域及未利用地碳排放按照直接碳排放系數(shù)法來估算，計算公式如下。

式中，Ex為各地類碳排放總量；Xi為各地類面積；αi為各地類碳排放系數(shù)，正值表示碳源，負值表示碳匯。參照目前已有相關(guān)文獻，結(jié)合貴陽市實際情況來確定各地類的碳排放系數(shù)（表1）。

表1 土地利用碳排放系數(shù)

建設(shè)用地碳排放按照間接碳排放系數(shù)法來估算。本研究所涉及的能源類型如表2 所示，計算公式如下。

表2 各類能源碳排放系數(shù)

式中，Ey為建設(shè)用地碳排放總量；Yi為各類能源消耗量；βi為各類能源標準煤折算系數(shù)；εi為各類能源碳排放系數(shù)。各類能源標準煤折算系數(shù)和碳排放系數(shù)［10］見表2。

1.3.3 空間自相關(guān) 空間自相關(guān)主要探索某地理空間范圍內(nèi)一組變量與其他觀測變量之間潛在的相互依賴性［11］。以全局Moran’sI來衡量農(nóng)業(yè)機械裝備產(chǎn)業(yè)鏈的空間分布模式，計算公式如下［12］。

式中，n為貴陽市10 個行政區(qū)；xi、xj為行政區(qū)i和j的土地利用碳排放量；xˉ為全部變量的平均值，wij為行政區(qū)i與j之間的空間權(quán)重［13］。

局部空間自相關(guān)（Ii）能夠更詳細地表征各區(qū)縣空間差異，計算公式如下［14］。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用碳排放時空特征

2.1.1 時間變化特征 由圖1 可知，貴陽市林地面積占比最高，在各年度均占區(qū)域土地總面積的50%左右，耕地和草地面積次之。2000—2020 年貴陽市林地面積前期緩慢增加后期有所減少，耕地和草地面積總體上都在緩慢下降，建設(shè)用地面積增加幅度較大且在2015—2020 年增長速率最高，水域和未利用地面積僅有輕微波動。2000—2020 年建設(shè)用地面積增加了367.904 km2，增長率最高，達210.542%，其次是水域面積，增加了46.029 km2，增長率為50.784%；面積減少最多的為草地和耕地，其中草地面積下降189.010 km2，降幅為12.342%，耕地面積下降188.692 km2，降幅為8.181%。

圖1 2000—2020 年貴陽市土地利用類型面積變化

由表3 可知，2000—2020 年貴陽市碳源和碳排放總量整體上均呈增長趨勢，碳匯僅有輕微波動。研究期間碳排放總量上升了1 279.888 萬t，年均增幅為7.51%，其中2005—2010 年增幅最高，達124.90%，與貴陽市中心城區(qū)建設(shè)用地擴張和經(jīng)濟高速發(fā)展有緊密關(guān)聯(lián)。碳源兩大組成中建設(shè)用地碳排放量占絕大部分，近21 年建設(shè)用地碳排放量占比持續(xù)上升，占比最高在2020 年，達99.38%；耕地碳排放量2000 年占比為2.75%，2020 年占比為0.62%，整體上減少了0.938 萬t。2000—2020 年碳匯總體上升了0.126 萬t，其中林地占絕大部分，2020 年占比達97.30%；草地、水域和未利用地這類生態(tài)涵養(yǎng)用地占比均較低且近21 年變化起伏較小。

2.1.2 空間變化特征 由表4可知，2000—2020年貴陽市土地利用類型產(chǎn)生轉(zhuǎn)移的面積為1 058.016 km2，占貴陽市土地總面積的13.16%?？傮w來看，轉(zhuǎn)出較多的地類有耕地、草地和林地，分別為380.181、349.356、309.279 km2；轉(zhuǎn)入最多的地類為建設(shè)用地，面積為375.434 km2；水域和未利用地轉(zhuǎn)入及轉(zhuǎn)出占比均較低。

表4 2000—2020 年貴陽市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（單位：km2）

從圖2 可以看出，2000—2020 年貴陽市土地利用類型空間轉(zhuǎn)移主要集中在貴陽市西部和南部地區(qū)，南部地區(qū)主要為建設(shè)用地轉(zhuǎn)入，西部地區(qū)大部分是林地和草地轉(zhuǎn)入，東部及北部則較多為耕地轉(zhuǎn)入。其中碳源組成中的建設(shè)用地流入?yún)^(qū)面積最大，主要分布在白云區(qū)、觀山湖區(qū)東南側(cè)、云巖區(qū)東側(cè)、南明區(qū)東側(cè)和花溪區(qū)中心地帶等城鎮(zhèn)化進程較快的地區(qū)；碳匯組成中的林地和草地流入面積次之，主要分布在清鎮(zhèn)市；耕地流入面積較大且在各區(qū)縣空間分布相對零散，主要分布在烏當區(qū)、開陽縣及息烽縣；水域流入主要集中在開陽縣東部；未利用地流入面積最小。

圖2 2000—2020 年貴陽市土地利用轉(zhuǎn)移空間分布

為了能夠更加直觀清楚地看出貴陽市2000—2020 年土地利用碳排放量空間演變過程，對其進行數(shù)據(jù)標準化處理后將其分為輕微、輕度、中度和重度4 個碳排放等級。從圖3 可以看出，貴陽市不同時期土地利用碳排放空間差異明顯，且2000—2020 年重度碳排放區(qū)有向西擴張的趨勢。

圖3 2000—2020 年貴陽市土地利用碳排放空間變化

重度碳排放區(qū)主要分布在云巖區(qū)、南明區(qū)等城市化和產(chǎn)業(yè)化水平較高的主城區(qū)，這些區(qū)域具有優(yōu)渥的經(jīng)濟發(fā)展基礎(chǔ)和獨特的地理優(yōu)勢，因此城鎮(zhèn)建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展較快，碳排放量也隨之不斷增加。2015年后重度碳排放區(qū)擴張至清鎮(zhèn)市，2000—2015 年貴陽市碳排放總量由392.846萬t上升至1 715.345萬t，各行政區(qū)碳排放量在此期間均持續(xù)增長且2005—2010 年增長速率最高；2015—2020 年貴陽市碳排放總量下降至1 672.734 萬t，而在此期間清鎮(zhèn)市碳排放量呈上升趨勢，這與清鎮(zhèn)市城鎮(zhèn)化發(fā)展進程加快以及貴州省相關(guān)政策和規(guī)劃要求有關(guān)。

中度碳排放區(qū)主要集中于貴陽市行政區(qū)西南和東北“兩翼”，包括清鎮(zhèn)市、花溪區(qū)、開陽縣和息烽縣，整體呈向東北轉(zhuǎn)移的趨勢。2000 年清鎮(zhèn)市和花溪區(qū)碳排放量為100.903 萬t，占貴陽市碳排放總量的25.69%；2020 年開陽縣和息烽縣碳排放量為375.286 萬t，占貴陽市碳排放總量的22.44%。開陽縣由2000 年的輕度碳排放轉(zhuǎn)變?yōu)?005 年的中度碳排放，息烽縣由2000 年的輕微碳排放發(fā)展至2005 年的輕度碳排放，再到2015 年轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸忍寂欧牛ㄏ獏^(qū)在輕度和中度碳排放之間發(fā)生輕微波動，這些區(qū)縣具有旅游發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等屬性，因此碳排放量會伴隨產(chǎn)業(yè)發(fā)展而上升。

輕度及輕微碳排放區(qū)主要集中在白云區(qū)、烏當區(qū)和觀山湖區(qū)等。2000 年輕微碳排放區(qū)息烽縣、白云區(qū)和烏當區(qū)碳排放量為66.120 萬t，占貴陽市碳排放總量的16.83%；2020 年觀山湖區(qū)和白云區(qū)碳排放量為124.710 萬t，占貴陽市碳排放總量的7.46%。修文縣一直處于輕度碳排放狀態(tài)，該區(qū)為著名生態(tài)風景旅游區(qū)。此外，以上這些區(qū)域主要地類為林地且生態(tài)環(huán)境較好，故碳排放量相對較低。

2.2 土地利用碳排放空間關(guān)聯(lián)

由表5 可知，貴陽市土地利用碳排放全局空間自相關(guān)Moran’sI值2000 年為正值，2005—2020 年為負值，說明在絕大部分時間里呈空間負相關(guān)。2005—2020 年Moran’sI絕對值總體呈上升趨勢，表明在此期間土地利用碳排放量在各行政區(qū)的空間異質(zhì)性越來越強。

表5 2000—2020 年貴陽市土地利用碳排放全局自相關(guān)Moran’s I

圖4 顯示了2000—2020 年貴陽市10 個行政區(qū)土地利用碳排放空間關(guān)聯(lián)情況，可以更加直觀地看出貴陽市在此期間土地利用碳排放局部空間自相關(guān)的時空演變。高-高關(guān)聯(lián)類型主要分布在花溪區(qū)且存在于2000 年和2005 年，該區(qū)早期工業(yè)化水平較高且受到周邊城市發(fā)展的影響推動了碳排放量增加；低-低關(guān)聯(lián)類型主要在2000 年分布于修文縣和開陽縣，這些地區(qū)在早期林地、草地和水域等具有碳匯作用的生態(tài)用地占比較高，并且作為縣城其工業(yè)發(fā)展水平和城鎮(zhèn)化進程相對主城區(qū)要低；低-高關(guān)聯(lián)類型在2010 年分布在花溪區(qū)，說明此時花溪區(qū)碳排放量較低而其周邊地區(qū)碳排放量卻相對較高；高-低關(guān)聯(lián)類型在2010—2020 年分布在清鎮(zhèn)市，表示在此期間清鎮(zhèn)市碳排放量均高于周邊城市。

圖4 2000—2020 年貴陽市土地利用碳排放量LISA 聚類

3 討論

土地利用是碳排放的重要來源，碳排放會隨著土地這一自然載體上的社會經(jīng)濟活動強度的增加而持續(xù)上升［3］。目前，對西南地區(qū)從區(qū)縣尺度分析市級土地利用碳排放時空演變的研究較少。前人主要采用運用較為廣泛的碳排放系數(shù)計算模型對國家和省級層面碳排放進行研究，反映宏觀區(qū)域土地利用碳排放時空特征［1，8，9］；除此之外，現(xiàn)有研究還運用模型驗證法結(jié)合定性數(shù)據(jù)估算自然生態(tài)系統(tǒng)碳排放［15］；也有不少學(xué)者分別基于DMSP-OLS 和NPPVIIRS 兩種不同夜間燈光數(shù)據(jù)探索碳排放時空格局［16-18］。本研究以貴陽市為研究區(qū)域，基于2000—2020 年30 m 地表覆蓋遙感數(shù)據(jù)，利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、碳排放計算模型探析該地區(qū)土地利用類型和碳排放時空演變特征，采用空間自相關(guān)法對碳排放總量空間關(guān)聯(lián)可視化表達。結(jié)果表明，貴陽市土地利用碳排放中碳源呈增長趨勢且主要構(gòu)成為建設(shè)用地，碳匯僅有輕微波動且主要構(gòu)成為林地，盡管貴陽市具有優(yōu)越的自然生態(tài)環(huán)境，林地面積占比50%左右，然而相對于建設(shè)用地不斷擴張帶來的碳排放量持續(xù)上升，林地碳匯作用難以與之抵消，與李彥旻等［19］的研究結(jié)果相似。因此，貴陽市未來減少碳排放應(yīng)在保護原有生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上控制建設(shè)用地數(shù)量的增加并減少該土地利用類型所產(chǎn)生的經(jīng)濟活動產(chǎn)生的能源消耗。

4 小結(jié)

2000—2020 年貴陽市土地利用碳排放年均增長率為7.51%，整體上增速較快。碳源呈增長趨勢，碳匯僅有輕微波動，碳源組成中建設(shè)用地占絕大部分，碳匯組成中林地占比較高。2000—2020 年碳排放空間差異上，重度碳排放區(qū)主要集中在云巖區(qū)和南明區(qū)且有向西擴張的趨勢，中度碳排放區(qū)主要集中于貴陽市西南和東北“兩翼”且呈向東北轉(zhuǎn)移的趨勢，輕度以上碳排放區(qū)占比較高，貴陽市土地利用結(jié)構(gòu)有待調(diào)整，節(jié)能減排和低碳優(yōu)化政策亟待落實。空間關(guān)聯(lián)上，貴陽市土地利用碳排放在2000 年呈空間正相關(guān)，在2005 年、2010 年、2015 年和2020 年呈空間負相關(guān)且相關(guān)性不斷上升。研究結(jié)果反映了貴陽市土地利用碳排放格局不容樂觀，土地利用結(jié)構(gòu)和強度亟待調(diào)整，應(yīng)結(jié)合貴陽市實際情況制定切實可行的低碳減排政策，促進區(qū)域土地資源低碳高效可持續(xù)利用。