呼包鄂榆城市群耦合空間碳排放生態網絡構建

耿瑜爽,李 巍,樂榮武

北京師范大學環境學院環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室,北京 100875

我國陸地生態系統具有巨大碳匯,在“碳中和”目標的實現中將發揮巨大作用[1]。然而近年來,城市化地區高強度的開發導致生態空間破碎化、孤島化,阻礙了生態流的擴散,削弱了生態系統服務能力,生態系統碳匯功能受到嚴重威脅[2]。生態網絡能夠促進生態系統物質、能量流動[3],減少景觀破碎化的負面影響,保障生態系統服務供給[4]。因此構建生態網絡已成為維持景觀連通性、提升包括固碳在內的生態系統服務功能的重要手段。

有關生態網絡的研究在生態系統服務功能維持[5]、生物多樣性保護[6]、游憩環境改善和綠色基礎設施建設[7]、生態空間管控[8]、生態修復優先區診斷[9]、生態安全格局[10]、國土空間治理[11]等方面已取得較多進展,并形成“生態源地識別-生態阻力面構建-生態廊道提取”的基本范式[12]。生態源地識別通常選取自然保護區、生態保護紅線等自然斑塊[13]或利用生態系統服務[14]、生態敏感性[15]、生境質量[16]、形態學空間格局分析[17]等方法進行提取。生態阻力面構建多基于土地利用類型賦值[18—19],但是該方法易忽略同種土地利用類型間的內部差異[20],因此有學者引入夜間燈光數據[21]、地形因素[22]、連通性指數[23]等指標進行修正。生態廊道的提取方法包括最小累積阻力模型(MCR)[17]、電路理論[24]、重力模型[16]等。總體來看,生態網絡構建的研究已日趨成熟,在各領域應用研究不斷積累。但在全球氣候變化的大背景以及我國碳達峰碳中和(“雙碳”)的政策要求下,學者們有必要關注如何在生態網絡構建分析框架中耦合碳排放因素,以提高生態網絡的多功能性和穩定性,并促進以固碳增匯為目標的生態保護與修復。目前已有研究將產業格局納入生態網絡構建中[16,25],設置生態-經濟戰略節點,為本研究提供了實踐和理論依據。呼包鄂榆城市群是我國典型的快速城市化地區,引領我國中西部經濟發展[26]。城市群礦產資源富集,以工業化帶動經濟發展的特征明顯,尤其以煤電、煤化工、鋼鐵等能源開采和高耗能高排放(“兩高”)行業為主導,是碳排放的高強度地區,減排任務迫在眉睫[27]。同時,呼包鄂榆城市群地處農牧交錯帶,生態本底脆弱[28],資源開采、城市用地擴張等導致生態用地破碎化,加劇了區域內防風固沙和碳儲存等生態系統服務功能的下降[29],引發了生境破壞、污染加劇等一系列生態問題。在《黃河流域生態保護與高質量發展規劃綱要》(2021年10月8日)的政策引領下,呼包鄂榆城市群是當前生態系統保護修復的熱點區,對其進行耦合空間碳排放的生態網絡構建的研究極具重要性和緊迫性。

綜上,本研究以呼包鄂榆城市群為研究區,基于生態系統服務和連通性評價識別生態源地,利用空間主成分分析確定研究區生態阻力面,采用電路理論和重力模型提取生態廊道,得到區域景觀生態格局;通過獲取夜間燈光數據模擬得到城市群柵格尺度碳排放空間格局,并與景觀生態格局進行空間疊加,以此補充“生態-碳排”耦合節點和規劃廊道,進而構建考慮區域碳排放空間格局的城市群生態網絡,以期為城市群固碳增匯的生態保護修復提供技術支撐。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

呼包鄂榆城市群包括內蒙古自治呼和浩特市、包頭市、鄂爾多斯市和陜西省榆林市(圖1),空間范圍為106°28′E—122°18′E,36°48′N—42°44′N,總面積17.5萬km2。研究區屬溫帶大陸性季風氣候,地跨我國干旱半干旱生態脆弱區,土地利用類型以草地為主,約占總面積的54.5%,耕地次之,占總面積的17.9%。經濟發展方面,城市群擁有兩個國家級千萬千瓦級煤電基地和兩個國家級現代煤化工產業示范區,以工業帶動經濟發展的特征突出。

圖1 研究區土地利用類型Fig.1 Land use type of the study area

1.2 數據來源

采用的數據包括2020年土地利用類型數據、DEM數據、歸一化植被指數、夜間燈光數據、GDP數據等。其中土地利用數據、歸一化植被指數和GDP數據來源于中國科學院資源與環境科學數據中心(https://www.resdc.cn/),DEM數據來源于中國科學院地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/),夜間燈光數據來源于全球NPP-VIIRS合成數據集(https://doi.org/10.7910/DVN/YGIVCD),空間分辨率均為1km×1km;各縣區(旗)能源消費數據來源于《呼和浩特統計年鑒》(2017—2021)、《包頭統計年鑒》(2017—2021)、《鄂爾多斯統計年鑒》(2017—2021)、《榆林統計年鑒》(2017—2021)等。

針對研究區本底狀況,選取5種生態系統服務,包括水源涵養、碳儲存、土壤保持、防風固沙和生境質量服務,各服務的計算方法及數據來源如表1所示,其中氣象數據均采用2015—2020年的5年平均值。

表1 生態系統服務計算方法及數據來源Table 1 Calculation methods and data sources of ecosystem services

2 研究方法

旨在“雙碳”背景下,面向固碳增匯目標,通過耦合空間碳排放因素改進生態網絡構建方法,分為3個步驟(圖2)。首先是按照“生態源地識別-生態阻力面構建-生態廊道提取”的基本范式構建區域景觀生態格局;其次基于碳排放量核算結果,通過夜間燈光數據模擬得到柵格尺度碳排放空間格局;最后對前2步所生成的景觀生態格局和碳排放空間格局進行疊加分析,在二者的空間沖突處設置“生態-碳排”耦合節點,并依據現有生態源地、生態廊道和“生態-碳排”耦合節點補充規劃廊道,以此構建耦合空間碳排放的生態網絡。

圖2 生態網絡構建框架Fig.2 The analytical framework of ecological network construction

2.1 基于生態系統服務的景觀生態格局構建

2.1.1生態源地識別

2.1.2生態阻力面構建

阻力面的設置是生態廊道準確提取的關鍵[35]。在自然阻力指標、人類干擾指標等常用的阻力指標的基礎上,納入生態系統服務指標(表2),各個阻力因子指標對景觀格局的影響由小到大分為5級,分別賦值為1、3、5、7、9(圖3)。利用ArcGIS中的空間主成分分析方法,不僅能夠對生態阻力面構建的阻力指標進行降維處理,還可以將每個主成分所對應的方差貢獻率作為其權重[36],從而得到生態阻力綜合指數,公式為:

表2 生態阻力指標評價體系Table 2 Ecological resistance index evaluation system

圖3 生態阻力單要素評價結果Fig.3 Evaluation results from single factor of ecological resistance

(1)

式中,ERI為第i個柵格的生態阻力綜合指數,Pij為第i個柵格的第j個阻力指標,wj為各指標的權重,m為通過主成分分析選中的指標個數。

最后利用ArcGIS中的重分類工具將生態阻力綜合指數按自然斷點法進行等級劃分,劃為5個等級:低阻力、較低阻力、中等阻力、較高阻力、高阻力。

2.1.3生態廊道提取

生態廊道用于連通破碎的生態斑塊,增加生態系統中物種及能量的流通[37]。基于電路理論,采用ArcGIS工具Linkage Pathways Tool模塊提取生態廊道,首先將生態源地兩兩配對,基于最小累積阻力模型識別每對生態源地間的最小成本路徑,最后將經過其他生態源地的最小成本路徑剔除,最終生成研究區潛在生態廊道。并通過重力模型定量評價生態源地間的相互作用強度,根據相互作用力大小來判定廊道的重要性,將相互作用力大于10的生態廊道作為重要生態廊道。

2.2 碳排放核算

呼包鄂榆城市群的碳排放主要來源于能源的使用,同時大部分的學者也將能源消費碳排放作為區域實際碳排放加以研究[38]。因此本研究將能源消費產生的碳排放視作區域實際碳排放量。在IPCC提供的計算國家溫室氣體排放量指南的基礎上,結合城市群各市統計年鑒所統計的能源類型,選取原煤、焦炭、汽油和柴油4種能源對呼包鄂榆城市群各區縣(旗)能源消費產生碳排放量進行核算(表3),公式如下:

表3 各種能源碳排放參考系數Table 3 Reference coefficients of various energy carbon emissions

(2)

式中,C為各縣區(旗)碳排放量,Ei為第i類能源的消費量,εi為第i類能源的標準煤換算系數,ki為第i類能源的碳排放系數。

標準煤換算系數源自《綜合能耗計算通則》(GB/T 2589—2008);碳排放系數源自《IPCC國家溫室氣體清單指南》和《省級溫室氣體清單編制指南》

相關研究結果表明,同一區域碳排放量與夜間燈光指數呈現正相關的關系[39—40]。以呼包鄂榆城市群各縣區(旗)的能源碳排放為基礎,通過夜間燈光數據將各縣區(旗)碳排放總量展布到各柵格,公式如下:

(3)

式中,Cr、DNr分別為柵格尺度碳排放、夜間燈光指數,DNc、Cc分別為該柵格所處縣區(旗)夜間燈光指數、碳排放之和。

2.3 生態網絡構建

在景觀生態格局和碳排放空間格局的疊加分析基礎上,設置“生態-碳排”耦合節點:(1)在碳排放高值區與最小成本路徑存在空間沖突處(相交或相切);(2)最小成本路徑交匯處;(3)碳排放高值區聚集區周圍。并設計現有生態源地、生態廊道和“生態-碳排”耦合節點間的規劃廊道,以促進物質、能量、信息的流動,提高社會-經濟-自然復合生態系統的韌性。

3 結果與分析

3.1 景觀生態格局分析

3.1.1生態源地識別

通過InVEST模型等方法定量評價生態系統服務,得到呼包鄂榆城市群生態系統服務空間格局(圖4)。水源涵養服務主要受降水量的影響,呼包鄂榆城市群的東南部降水偏多,因此高值區位于呼包鄂榆城市群的東南部,主要集中于榆林市東南部各縣區,低值區位于達爾罕茂明安聯合旗、杭錦旗、鄂托克旗等西北部地區。防風固沙服務受風速等氣候因素和植被覆蓋的多重影響,高值區較為分散,分布在呼和浩特市中北部,榆林市東部及南部各區域。生境質量較高的區域位于城市群北部及西部。土壤保持與氣候、土壤和植被等因素有關,并且與地理高程密切相關,高值區主要分布于呼和浩特市和包頭市,多集中在和林格爾縣、清水河縣、石拐區、新城區北部、回民區北部等,西南部土壤侵蝕強度較高。碳儲存服務高值區分布于呼包鄂榆城市群東部和北部,土地利用類型是影響碳儲存服務的主導因素。

圖4 生態系統服務空間格局Fig.4 Spatial pattern of ecosystem services

基于生態系統服務的評價結果,共識別出52個生態源地,面積共計7303km2,占呼包鄂榆城市群土地總面積的4.17%(圖5)。其中,呼和浩特市生態源地分布面積最大,占研究區生態源地面積的46.27%,且重要生態源地多集中于此;而鄂爾多斯市少有生態源地分布,占比5.52%,面臨較高的生態風險。生態源地土地利用類型以林地和草地為主,其中林地面積3811km2、草地面積2523km2,分別占生態源地總面積的52.18%和34.55%,其余地類為耕地和水域。

圖5 呼包鄂榆城市群生態源地Fig.5 The ecological sources of the study area

3.1.2生態阻力面構建

經過主成分變換后,呼包鄂榆城市群生態阻力的每1個主成分包含原8個變量的信息載荷。從表4可以看出,前5個主成分因子的累計貢獻率達到了92.70%,因此前5項主成分已經能夠較為全面的表征研究區生態阻力面的組成。

表4 主成分的特征值及其貢獻率Table 4 Eigenvalues of the principal components and their contribution rates

進一步分析各主成分在原始指標上的載荷(表5),發現第1主成分在生境質量、水源涵養、土地利用類型上的載荷較大,第2主成分在水源涵養上的載荷較大,第3主成分在土地利用類型和生境質量上的載荷較大,第4主成分在碳儲存、歸一化植被指數和土地利用類型上的載荷較大,第5主成分在碳儲存和防風固沙上的載荷較大。綜合考慮主成分載荷矩陣分析結果,生境因子、水資源因子、土地利用因子和碳儲存因子是影響研究區生態安全的主要因素,符合研究區實際情況。

表5 主成分載荷矩陣Table 5 Principal component load matrix

人類對于資源的不合理利用給生態環境帶來了極大的破壞,距離居民點、道路、工業用地越近,受到人類活動的壓力影響越大,生境破碎化越嚴重;對于地處干旱半干旱地區的區域而言,水資源無疑是影響生態環境的主要因素,研究區氣候干燥,水資源稀缺,加之地處農牧交錯帶以及人類不合理灌溉,使得生態環境敏感脆弱;工業化帶動城市化的發展,導致建設用地不斷擴張,占用生態用地,從而破壞了生態環境;最后,碳儲存因子也是影響資源型城市群的重要因素,呼包鄂榆城市群資源稟賦極高,能源開采行業和“兩高”行業拉動經濟快速發展,導致碳排放居高不下,給生態環境帶來了較大的壓力。

SPCA分析得到的各因子的方差貢獻率作為權重,采用式(1)對前5個主成分進行加權求和,從而獲得呼包鄂榆城市群生態阻力綜合指數及其空間分布。利用ArcGIS重分類工具,將研究區生態阻力分為5個等級(圖6),高阻力的區域面積為3.40萬km2,占區域總面積的19.44%;較高阻力的區域面積為7.36萬km2,占區域總面積的42.04%,呼包鄂榆城市群總體生態阻力水平較高。

圖6 呼包鄂榆城市群生態阻力等級劃分Fig.6 Division of ecological resistance level

3.1.3生態廊道提取

基于生態源地和生態阻力面的構建,結合電路理論和重力模型,共提取生態廊道76條,全長4115.94km。其中,重要生態廊道20條,長度共1034.89km,可分為兩部分,一部分貫穿呼和浩特市東部,另一部分從包頭市達爾罕茂明安聯合旗沿城市群西部生態源地一直連通到榆林市定邊縣和靖邊縣;一般生態廊道56條,長度共3081.05km,與重要生態廊道類似,一般生態廊道同樣呈現南北貫通的特點,北連達爾罕茂明安聯合旗,南至榆林市清澗縣(圖7)。

圖7 呼包鄂榆城市群基礎生態廊道Fig.7 Basic ecological corridors in the study area

從目前生態廊道的分布情況來看,呼包鄂榆城市群的景觀生態格局呈現出非對稱且不穩定的結構。現有廊道主要從最北端生態源地分別沿著東西兩側生態源地向南延展,但是在中部地區發生了阻斷。此外,由于中部地區生態源地分布較為稀疏、間隔較遠,未能形成連通的廊道。所以,呼包鄂榆城市群的景觀生態格局呈“中間阻斷型”分布,存在非對稱、中部生態源地稀疏、連通性弱的問題。

3.2 碳排放空間格局分析

呼包鄂榆城市群作為我國能源供應基地,能源在開采及使用過程中的碳排放量巨大,該地區也成為我國重點減排區域。就4個城市而言,碳排放量最大的是鄂爾多斯市,其次是榆林市,最后是包頭市和呼和浩特市,且二者碳排放總量相差不大。從縣域尺度來看,準格爾旗碳排放量最大,達2367.88萬t,其次是東勝區(2033.17萬t),接下來依次為榆陽區(1854.14萬t)、伊金霍洛旗(1621.38萬t)和神木市(1464.21萬t)等(圖8)。碳排放總量達千萬噸級的縣域主要集中于城市群東中部,以及鄂爾多斯市鄂托克旗和榆林市定邊縣。榆林市東南部各縣區碳排放量較低,是由于這些縣區經濟較為落后導致碳排放較少。

圖8 碳排放空間格局Fig.8 Spatial pattern of carbon emissions

呼包鄂榆城市群碳排放存在顯著的空間差異,高值區較為突出,出現在人為生態擾動顯著的中部礦產資源開發區和主要城鎮地區。集聚范圍較大的高值區位于呼和浩特市4大市區(新城區、回民區、玉泉區和賽罕區)以及包頭市4大市區(東河區、昆都侖區、九原區和青山區)交界區域、鄂爾多斯市東部及榆林市西北部。

3.3 生態網絡構建

在獲得景觀生態格局和碳排放空間格局后,建立“生態-碳排”耦合節點,剔除距離相近的節點后,最終設置23個(圖9)。基于最小累計阻力模型,在生態源地、生態廊道和“生態-碳排”耦合節點之間補充規劃廊道,共67條,總長3732.63km。規劃廊道主要分布在碳排放較高的中部地區,如準格爾旗、東勝區、神木市、榆陽區等;規劃廊道大致沿東西方向延展,可以有效地將兩側提供重要生態功能的生態源地連通。增加碳排放緩沖區及生態安全區之間的連通性,可以在降低生態阻力的同時實現經濟發展和生態保護的協調發展。

圖9 呼包鄂榆城市群生態網絡格局Fig.9 Ecological network pattern of the study area

對比布局戰略節點前后,呼包鄂榆城市群生態網絡閉合度、線點率和連接度較原有的生態網絡都得到了較大程度的提升(表6),規劃后的生態網絡中節點的連線數和網絡回路數量均大幅增加,網絡結構由樹狀轉變為蜂巢狀。可見,戰略節點和規劃廊道的增設有效補充了原有生態網絡,保證了城市群東西兩側生態要素流的連通,景觀生態格局得到了完善。

表6 戰略節點布局前后網絡指數Table 6 Network index comparison after the establishment of strategic nodes

4 討論

在我國提出的“雙碳”目標背景下,固碳增匯成為生態空間統籌規劃的重要部分,本研究提出將碳排放因素納入生態網絡的構建,以提升生態系統服務功能,尤其是固碳能力。現有研究還未對碳排放因素和生態網絡進行綜合考量,但是已有研究將產業格局和生態網絡進行了疊加分析,為構建耦合其他因素的生態網絡提供了方法支撐,即通過2種空間格局的疊加分析設置戰略節點。因此本研究利用夜間燈光數據將縣級碳排放量柵格化并得到碳排放空間格局,將其與景觀生態格局進行疊加分析,增設“生態-碳排”耦合節點與規劃廊道,由此構建區域生態網絡,在促進生態保護的同時推動碳減排工作的開展。在此基礎上,可進一步對生態系統碳源碳匯平衡加以研究,構建基于碳流的生態網絡格局。

呼包鄂榆城市群景觀生態格局顯示,生態源地主要聚集于南北兩側,在中部地區呈零散分布;生態廊道呈現南北貫通的趨勢連接生態源地,但中部連通性差,表明中部地區生態系統服務功能差,能量流、物質流等生態過程受到抑制。同時,碳排放空間格局顯示,中部地區正是碳排放高值區顯著集聚的區域,可以判定該地區經濟生產活動阻斷了生態要素流通。因此,通過規劃戰略節點和規劃廊道可以降低生態阻力,提升生態網絡連通性,從而保障固碳等生態系統服務,為生態服務功能供給和經濟活動價值生產的融合共生創造空間,促進生態和經濟的長期協同發展。

在黃河流域生態保護和高質量發展戰略的統領下,呼包鄂榆城市群要加大對生態環境的保護修復力度。根據生態網絡構建結果,現有生態源地和生態廊道應當加以重點保護并分級管控,增設的“生態-碳排”耦合節點和規劃廊道應以提升生態質量和修復生態環境為目標,并通過建設綠色基礎設施來落實。建立集中綠地或水面等節點,如濕地公園、森林公園等,由于所識別出的大部分節點位于碳排放高值區附近,被建設用地或是工業用地包圍,脆弱的節點又不利于生態網絡的穩定性,因此應劃定開發紅線,擴大緩沖區范圍,避免經濟活動對其的干擾與破壞。在此基礎上,建立節點間的以防護林、帶狀公園、道路附屬綠地為主的多種規劃廊道,提升景觀連通性,保護生物多樣性,增強城市群生態韌性。

5 結論

隨著“雙碳”目標的提出,如何將碳排放因素納入生態網絡的構建成為亟待深入研究的問題。針對固碳增匯目標,提出耦合空間碳排放構建生態網絡的方法,將景觀生態格局和碳排放空間格局進行空間疊加,補充“生態-碳排”耦合節點和規劃廊道,拓展生態網絡的構建框架,更好地提升生態系統的固碳功能從而響應固碳增匯的目標,指導地區生態保護與修復工作的開展。以呼包鄂榆城市群為研究區構建耦合空間碳排放的生態網絡,結論如下:1)呼包鄂榆城市群生態源地分布不均衡,中部分布稀疏且間隔較遠,生態廊道呈“南北貫通”分布,在中部連通性差,出現了“中部阻斷型”生態格局,存在非對稱、中部生態源地稀疏、連通性弱的問題。2)區域碳排放存在明顯空間特征,高值區出現在人為生態擾動顯著的中部礦產資源開發區和主要城鎮地區。呼包鄂榆城市群碳排放存在顯著的空間差異,高密度集聚區較為顯著。3)根據生態景觀格局和碳排放空間格局的空間沖突結果,補充了23個“生態-碳排”耦合節點及67條規劃廊道,網絡結構由樹狀轉變為蜂巢狀,且規劃后的網絡閉合度、線點率和連接度較原有的生態網絡均有了大幅提升。表明戰略節點和規劃廊道的增設有效補充了原有生態網絡,保證了城市群生態要素流的連通,增強了景觀多功能性和生態網絡的穩定性。