生態(tài)脆弱區(qū)城市生態(tài)用地碳效應(yīng)時(shí)空演變研究

紀(jì)欣卓 藺康莉 張 宇

（1.長安大學(xué)土地工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安 710054）

0 引言

近年來，碳平衡、碳中和問題日益成為全球變化科學(xué)研究中的熱點(diǎn)問題［1］。隨著我國城鎮(zhèn)化和工業(yè)化水平的不斷提高，大量的林地、耕地及水域等被開發(fā)為建設(shè)用地，碳匯功能退化，導(dǎo)致碳排放總量和速度不斷攀升［2］。生態(tài)用地能夠反映一個(gè)地區(qū)生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量，具有防風(fēng)固沙、調(diào)節(jié)局部氣候、保護(hù)生物多樣性等功能［3］。隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，土地利用強(qiáng)度不斷加大，在建設(shè)用地?cái)D占生態(tài)用地的壓力下，大量重要生態(tài)用地被開發(fā)占用，占國土面積60%的生態(tài)脆弱區(qū)的生態(tài)用地現(xiàn)狀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征已成為社會(huì)各界關(guān)注的焦點(diǎn)［4］。如何保障生態(tài)脆弱區(qū)城市生態(tài)用地的合理配置及其碳匯能力的發(fā)揮成為當(dāng)前亟待解決的問題。

研究不同區(qū)域范圍內(nèi)土地利用變化和碳排放之間的關(guān)系，已成為國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者研究的熱點(diǎn)［5～7］。Koerner［8］等以美國鳳凰城為研究區(qū)，對干旱城市環(huán)境下CO2人為排放源和自然源展開了研究；Ali［9］等以巴基斯坦拉合爾都市區(qū)為例，評估了碳排放、能源利用及土地利用變化三者之間的內(nèi)在關(guān)系。我國關(guān)于土地利用變化的碳效應(yīng)研究重點(diǎn)多集中于土地利用碳排放強(qiáng)度時(shí)空變化、影響因素及效率等方面［10～12］。綜觀已有研究成果，國內(nèi)外有關(guān)研究大多側(cè)重于不同土地利用類型的碳排放量測算及分析其時(shí)序變化，對生態(tài)脆弱區(qū)的城市生態(tài)用地碳排放效應(yīng)的時(shí)空變化研究相對較少，且從生態(tài)脆弱區(qū)典型縣域尺度對生態(tài)用地演變及其碳匯效應(yīng)進(jìn)行深入探討的研究并不多見。

本研究以榆林市為例，研究其2000—2020 年該區(qū)域生態(tài)用地的變化趨勢及其碳匯效應(yīng)的時(shí)空變化特征，以期為當(dāng)?shù)卣块T制定生態(tài)安全條件下的土地利用規(guī)劃提供科學(xué)參考，為生態(tài)用地的保護(hù)和利用提供研究思路。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

榆林市位于陜西省最北部，地處黃土高原和毛烏素沙地過渡帶，是全國生態(tài)環(huán)境建設(shè)和國家退耕還林還草重點(diǎn)地區(qū)，下轄2個(gè)市轄區(qū)、9個(gè)縣，代管1個(gè)縣級市。地貌大體以長城為界，北部為風(fēng)沙草灘區(qū)，占全市總面積的42%，該區(qū)地勢較為平坦，海拔較高，地表多為流動(dòng)和半固定沙地；南部為黃土丘陵溝壑區(qū)，占全市總面積的58%，該區(qū)相對高差較大，山大溝深，石多土薄，水土流失嚴(yán)重，榆林市位置如圖1所示。作為典型的農(nóng)牧業(yè)交錯(cuò)帶，加之區(qū)域內(nèi)大規(guī)模地開采煤炭和天然氣，使其成為農(nóng)牧和工礦區(qū)的過渡地帶。多重特性的綜合作用，使得榆林市的生態(tài)環(huán)境具有波動(dòng)性、多樣性和脆弱性。生態(tài)用地的變化直接影響著當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性和碳循環(huán)。

圖1 榆林市位置示意

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究數(shù)據(jù)來源包括土地利用數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)兩類，分別通過以下方式獲得：榆林市2000、2005、2010、2015、2020年的土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn）；社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)主要來自《陜西省統(tǒng)計(jì)年鑒（2000—2018）》《榆林市統(tǒng)計(jì)年鑒（2000—2018）》及歷屆國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)、政府工作報(bào)告等相關(guān)資料。

2 研究方法

2.1 碳排放模型

本研究通過分析生態(tài)用地的碳排放效應(yīng)，涉及耕地、林地、草地、水域和未利用地的碳排放與碳吸收，計(jì)算不同生態(tài)用地的碳排放量。包括耕地為主要碳源用地，產(chǎn)生碳排放；林地、草地、水域和未利用地為碳匯用地，產(chǎn)生碳吸收。借鑒已有研究成果，本研究選取直接碳排放模型對生態(tài)用地碳排放進(jìn)行測算。其計(jì)算公式為式（1）。

式中：Ec為碳匯量，ei為第i種土地利用類型產(chǎn)生的碳匯量；Ci為第i種生態(tài)用地類型（耕地、林地、草地、水域、未利用地）面積，δi為第i種土地利用類型的碳匯系數(shù)。其中直接碳排放系數(shù)見表1。

表1 榆林市不同類型生態(tài)用地碳排放系數(shù)

2.2 碳足跡壓力指數(shù)

本研究通過碳足跡壓力指數(shù)來間接反映人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的影響，主要表示為生態(tài)用地碳源與碳匯之比。其計(jì)算公式為式（2）。

式中：Cp為碳足跡壓力指數(shù)；Eout為不同生態(tài)用地類型產(chǎn)生的碳源，Ein為不同生態(tài)用地類型產(chǎn)生的碳匯。

2.3 碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

為更清楚地剖析生態(tài)用地變化產(chǎn)生的碳排放風(fēng)險(xiǎn)，本研究以碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為測度方法進(jìn)行量化。其計(jì)算公式為式（3）。

式中：Rc表示碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，Ci表示第i種生態(tài)用地類型面積，C表示區(qū)域土地總面積，δi表示第i種生態(tài)用地類型碳排放系數(shù)。

2.4 熱點(diǎn)分析指數(shù)

本研究引入指數(shù)用于識別和測度不同空間區(qū)域的熱點(diǎn)區(qū)及冷點(diǎn)區(qū)的分布，以揭示要素空間分布的異質(zhì)性特征。計(jì)算公式為式（4）。

式中：Xi、Xj分別為評價(jià)區(qū)域i和j的屬性值；Wij為空間權(quán)重矩陣（相鄰為1，不相鄰為0）。若顯著為正，即表明i周圍值高于均值，為熱點(diǎn)區(qū)；反之為冷點(diǎn)區(qū)。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)用地碳排放效應(yīng)時(shí)間變化分析

通過對榆林市各年份耕地的碳排放量及林地、草地、水域和未利用地等地類的碳吸收量進(jìn)行估算，匯總2000—2020 年榆林市土地利用凈碳排放量（見表2）。榆林市生態(tài)用地凈碳排放總體呈下降趨勢，由2000 年的637 028 t 減少到2020 年的572 875 t，其中碳源減少了41 899 t，年均減少2 094.95 t，碳匯增加了22 254 t。耕地對碳源減少的貢獻(xiàn)最大，林地對碳匯的增加貢獻(xiàn)最大，其次是草地，水域最小。20 年間，林地碳匯歷年占比均在總碳匯的60%以上。2000—2020 年，榆林市生態(tài)用地凈碳排放量及碳源總量不斷減少，碳匯能力逐漸增加，促使榆林市碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和碳足跡壓力指數(shù)同時(shí)呈下降趨勢。碳足跡壓力指數(shù)從2000年的4.310 2 下降到2020 年的3.668 3；碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)由2000 年的0.149 1 下降到2020 年的0.137 1，榆林市生態(tài)用地整體碳排放量大于碳匯量，處于不平衡狀態(tài)，2000—2010年碳足跡壓力指數(shù)和碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均有所下降，2010—2020年碳足跡壓力指數(shù)和碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)上升，這表明2010 年后榆林市生態(tài)用地變化劇烈，碳匯用地縮小，碳凈排放量不斷增加，面臨的生態(tài)壓力挑戰(zhàn)形勢嚴(yán)峻。

表2 榆林市2000—2020年不同生態(tài)用地碳排放效應(yīng)單位：t/t

3.2 生態(tài)用地碳排放效應(yīng)空間變化分析

3.2.1 空間總體格局分析。從榆林市碳排放強(qiáng)度空間分布變化來看（見圖2），2000—2020 年，榆林市生態(tài)用地的碳排放強(qiáng)度呈現(xiàn)差異化分布的空間格局。榆林市鎮(zhèn)域生態(tài)用地碳源大致呈現(xiàn)“南高北低”格局，碳源高值區(qū)域主要集中于榆林市的黃土丘陵溝壑區(qū)，而碳匯高值區(qū)域主要集中在長城以北的風(fēng)沙草灘區(qū)，定邊縣和靖邊縣的碳源和碳匯高值與低值區(qū)域相間分布。

圖2 榆林市2000—2020年碳排放強(qiáng)度分布

整體上看，以古長城為界，將榆林市分成風(fēng)沙草灘區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)兩部分，可以發(fā)現(xiàn)2000—2020年風(fēng)沙草灘區(qū)的碳匯用地呈擴(kuò)張趨勢，而黃土丘陵溝壑區(qū)的碳源用地則呈萎縮趨勢。以神木市、榆陽區(qū)為主的北部地市生態(tài)用地碳匯強(qiáng)度變化普遍高于南部區(qū)縣，原因是榆林市北部生態(tài)用地變化主要集中在林地和草地，且具有較為集中的特點(diǎn)，其較強(qiáng)碳匯能力在碳排放強(qiáng)度變化中呈現(xiàn)一定的優(yōu)勢。以米脂縣、佳縣、綏德縣、子洲縣等為主的黃土丘陵溝壑區(qū)具有較高的碳排放強(qiáng)度，原因是南部的耕地具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，變化程度較低。

3.2.2 空間分異特征分析。從標(biāo)準(zhǔn)差橢圓方法揭示的空間分異格局來看（見圖3），榆林市碳源和碳匯整體以西南-東北的方向?yàn)橹鲗?dǎo)，空間分布中心整體向西南移動(dòng)。

圖3 榆林市2000—2020年碳排放強(qiáng)度變化離散趨勢

在分異形狀上，2000—2020年空間分布標(biāo)準(zhǔn)差橢圓總體呈現(xiàn)出兩階段的規(guī)律，2000—2010 年，碳源空間分布標(biāo)準(zhǔn)差橢圓短軸與長軸的比重呈現(xiàn)出減小的趨勢，碳匯空間分布標(biāo)準(zhǔn)差橢圓短軸與長軸的比重呈現(xiàn)出增長的趨勢；2010—2020 年，碳源和碳匯均基本上保持不變。總體來看，西南部地區(qū)對榆林市碳源空間格局的影響作用加強(qiáng)，東北部地區(qū)對榆林市碳匯空間格局的影響作用加強(qiáng)。

3.2.3 空間聚集分析

通過對2000—2020 年榆林市生態(tài)用地碳排放變化進(jìn)行熱點(diǎn)分析（見圖4），可以發(fā)現(xiàn)榆林市生態(tài)用地碳排放變化具有較強(qiáng)的地域差異性，神木市是變化的最大熱點(diǎn)區(qū)，碳源和碳匯強(qiáng)度都發(fā)生劇烈變化，除此之外，橫山區(qū)和定邊縣的部分地區(qū)也都是碳源強(qiáng)度變化的熱點(diǎn)地區(qū)，而佳縣、榆陽區(qū)和綏德縣的部分地區(qū)也都是碳匯強(qiáng)度變化的熱點(diǎn)地區(qū)；子洲縣、清澗縣和靖邊縣的部分地區(qū)為碳源強(qiáng)度變化的冷點(diǎn)區(qū)域，而府谷縣、定邊縣和靖邊縣的部分地區(qū)為碳匯強(qiáng)度變化的冷點(diǎn)區(qū)域。從冷熱點(diǎn)的空間分布變化看，榆林市縣域碳排放變化的冷熱點(diǎn)空間分布集聚程度呈現(xiàn)波動(dòng)穩(wěn)定的特征。熱點(diǎn)區(qū)域生態(tài)用地碳排放強(qiáng)度變化的圖斑較為集中，而冷點(diǎn)地區(qū)變化的圖斑相對分散。其原因在于，相較于北部區(qū)縣，榆林市南部自然地貌以山地、丘陵為主，因此其建設(shè)用地?cái)U(kuò)張呈現(xiàn)分散態(tài)勢，在生態(tài)用地變化過程中，進(jìn)一步影響林地、草地等碳匯用地的分布，碳匯用地呈現(xiàn)分散狀態(tài)。

圖4 榆林市2000—2020年碳排放變化冷熱點(diǎn)分布

4 結(jié)論

本研究旨在探討2000—2020 年榆林市由于生態(tài)用地變化引起的碳排放效應(yīng)，通過碳排放模型、碳足跡壓力指數(shù)、碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等多個(gè)角度進(jìn)行分析，結(jié)論如下。

①榆林市生態(tài)用地凈碳排放總體趨勢呈下降狀態(tài)，由2000年的637 028 t減少到2020年的572 875 t，其中碳源減少了41 899 t，碳匯增加了22 254 t。2000—2020 年碳足跡壓力指數(shù)由4.310 2 下降至3.668 3；碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)由0.149 1下降到0.137 1。

②在榆林市20 年生態(tài)用地的變化期間，碳排放強(qiáng)度呈現(xiàn)出明顯的空間變異性。整體碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和碳足跡壓力指數(shù)同時(shí)呈下降趨勢，各區(qū)縣碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和碳足跡壓力指數(shù)因經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展條件不同而存在一定的差異性。從空間尺度上看，榆林市的碳源和碳匯分布格局具有南部強(qiáng)碳源和北部強(qiáng)碳匯的特征，空間分布與碳凈排放量一致。

③從2000—2020 年榆林市生態(tài)用地碳排放強(qiáng)度變化的空間分異和空間聚集格局來看，碳匯用地分布中心整體向東南移動(dòng)，碳源用地分布中心整體向西北移動(dòng)，榆林市縣域碳源碳匯變化熱點(diǎn)區(qū)域的圖斑較為集中，而冷點(diǎn)地區(qū)變化的圖斑相對分散。