碳排放視角下武漢市土地生態(tài)風(fēng)險時空格局演變

韓雨非,劉艷中,陳勇,汪櫻,張祚,陳弘昳,譚玉川

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,武漢 430081;2.中國地質(zhì)大學(xué)公共管理學(xué)院,武漢 430074;3.華中師范大學(xué)公共管理學(xué)院,武漢 430079)

國際能源局(IEA)[1]報告顯示,到2030年全球溫室氣體排放量將增加57%,會導(dǎo)致地表溫度升高3℃。過高的碳排放會導(dǎo)致極端天氣、干旱、海平面上升、空氣污染及饑荒等災(zāi)害,對人們的生產(chǎn)生活造成極大危害,是影響土地生態(tài)安全的重要因素。1850年以來,土地利用變化產(chǎn)生的直接碳排放約占同期碳排放總量的1/3,成為僅次于化石能源消耗的第二大碳排放源[2],由此引發(fā)的土地生態(tài)風(fēng)險問題越來越得到重視。為適應(yīng)國際發(fā)展新形勢,我國提出“雙碳”戰(zhàn)略,承諾二氧化碳排放2030年左右達到峰值。因此,考慮土地利用碳排放對土地生態(tài)安全產(chǎn)生的影響,將碳足跡壓力指數(shù)引入土地生態(tài)風(fēng)險評價中具有現(xiàn)實意義。

1992年,美國環(huán)境保護署[3](USEPA)提出了生態(tài)風(fēng)險評價的概念,即評估生態(tài)系統(tǒng)受一個或多個脅迫因素影響后,可能導(dǎo)致不利生態(tài)后果的可能性。21世紀(jì)以來,隨著生態(tài)安全研究的拓展深入,土地生態(tài)風(fēng)險評價逐漸興起并快速發(fā)展,形成了3個方面的研究。一是基于土地利用變化對土地生態(tài)風(fēng)險進行分析研究,如Omar等[4]基于土地利用變化評估了桑給巴爾的生態(tài)風(fēng)險指數(shù),并模擬不同情景下2027年的土地利用變化情況。Mao等[5]建立單元網(wǎng)格計算綜合生態(tài)風(fēng)險指數(shù),并揭示金石市土地生態(tài)風(fēng)險的空間分異特征和成因。二是從風(fēng)險形成機制出發(fā)的土地生態(tài)風(fēng)險評價,如Kayumba等[6]采用CA-Markov模型模擬景觀變化,并利用遙感數(shù)據(jù)建立易感性-災(zāi)害指數(shù)關(guān)系的生態(tài)風(fēng)險評價模型,評估了巴音布魯克濕地的生態(tài)風(fēng)險。虞燕娜等[7]基于多源風(fēng)險的發(fā)生概率、風(fēng)險受體的抵御和自我恢復(fù)能力,建立了土地生態(tài)風(fēng)險評價模型。三是基于景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)的土地生態(tài)風(fēng)險研究,如Yao等[8]基于生態(tài)系統(tǒng)脆弱性和對生態(tài)系統(tǒng)的干擾,評估了陸地生態(tài)系統(tǒng)提供的生境服務(wù)因景觀格局變化而退化的風(fēng)險。郝守寧等[9]以尼洋河流域為研究對象,評價分析了景觀生態(tài)風(fēng)險的時空動態(tài)演變特征。土地利用碳排放的研究則在1992年《聯(lián)合國氣候變化框架公約》通過后展開。迄今為止,土地利用碳排放的研究主要集中在碳排放核算、影響因素與驅(qū)動機制及碳排放量趨勢預(yù)測[10]這3個方面。除此之外,徐澤等[11]利用信息熵和Tapio模型揭示了呼包鄂榆城市群土地利用混合度和碳排放的時空演變情況。檀斯園[12]劃分網(wǎng)格單元分析土地利用碳排放風(fēng)險的時空變化,拓寬了土地利用碳排放的研究范圍。上述研究從不同角度出發(fā),對土地生態(tài)風(fēng)險、土地利用碳排放進行了綜合全面的評估研究,為土地生態(tài)安全研究提供了重要參考和借鑒。然而,目前國內(nèi)外土地生態(tài)風(fēng)險評價忽視了土地利用碳排放對土地生態(tài)安全產(chǎn)生的影響,導(dǎo)致土地生態(tài)風(fēng)險評價體系構(gòu)建不完善,評價結(jié)果理想化的問題。因此,開展考慮碳排放因素的土地生態(tài)風(fēng)險評價,對評估區(qū)域土地生態(tài)安全狀況至關(guān)重要,有利于掌握土地利用碳排放量、控制土地生態(tài)風(fēng)險,為制定科學(xué)的土地生態(tài)保護政策提供參考,為實現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)和碳中和目標(biāo)提供科學(xué)依據(jù)。

武漢市作為長江流域生態(tài)保護和經(jīng)濟發(fā)展的中心城市,經(jīng)濟發(fā)展迅猛,人口總數(shù)增速較快,建設(shè)用地擴張迅速,城市化水平提高的同時,人類對土地生態(tài)系統(tǒng)的干預(yù)愈發(fā)頻繁,造成土地資源稀缺、土地利用不合理、碳排放量激增、生態(tài)風(fēng)險上升等一系列環(huán)境問題。2017年,武漢市人民政府為加快推進城市綠色低碳發(fā)展,實現(xiàn)碳達峰,制定碳排放達峰行動計劃。2018年,針對長江經(jīng)濟帶生態(tài)環(huán)境保護問題,政府出臺《長江經(jīng)濟帶生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》。因此,在生態(tài)環(huán)境保護建設(shè)及碳達峰、碳中和背景下,將土地利用碳排放引入武漢市土地生態(tài)風(fēng)險評價尤為重要。

1 研究區(qū)概況

武漢市位于湖北省東部、長江與漢水交匯處,是長江經(jīng)濟帶核心城市,是我國著名的兩型社會建設(shè)試驗區(qū)的中心。地理位置為北緯29°58′—31°22′,東經(jīng)113°41′—115°05′。全市下轄13 個行政區(qū),總面積8 569.15 km2。該市屬于北亞熱帶季風(fēng)性氣候,年均溫度為17.1℃,年降水量大約1 300 mm。武漢市地形地貌以丘陵為主,中間低平,北部低山林立,平均海拔約為16 m。區(qū)內(nèi)植被種類豐富多樣,且兼具南北方植物種類。2010—2020年,耕地面積減少88 340 hm2,建成區(qū)面積增加385.11 km2,常住人口增加266.23萬人,地區(qū)生產(chǎn)總值增加10 050.13億元。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究中涉及的人口、能源消耗數(shù)據(jù)來源于《武漢統(tǒng)計年鑒》(2010—2020 年)。土地利用數(shù)據(jù)來自O(shè)pen AIRE和CERN 創(chuàng)建的數(shù)據(jù)知識庫Zenodo(https:∥zenodo.org/)。植被覆蓋度(vegetation fraction coverage,VFC)數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)。氣象數(shù)據(jù)來自國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.geodata.cn/)。數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)來自ASTER GDEM數(shù)據(jù)(https:∥www.nasa.gov/)。土壤數(shù)據(jù)來自世界土壤數(shù)據(jù)庫的中國土壤數(shù)據(jù)集。能源碳排放系數(shù)來源于《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》。

2.2 土地生態(tài)風(fēng)險指數(shù)測算與分級

參考韌性城市理念,從土地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、脆弱性、恢復(fù)性特征出發(fā),考慮武漢市生態(tài)基礎(chǔ)、氣候條件、土地結(jié)構(gòu)、人類活動的影響,選取植被覆蓋度指數(shù)(VFC)表征土地生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)風(fēng)險;使用土壤侵蝕程度指數(shù)(A)、降水距平百分比指數(shù)(Si)來表征土地生態(tài)系統(tǒng)的災(zāi)害風(fēng)險;選取土地利用混合度(Th)、碳足跡壓力指數(shù)(Cp)表征土地生態(tài)系統(tǒng)的人類活動干擾風(fēng)險。最終,以上述風(fēng)險指標(biāo)構(gòu)建土地生態(tài)風(fēng)險評價模型[13],即

式中:ERA為土地生態(tài)風(fēng)險指數(shù),取值范圍為[0,1];Wi為第i類指標(biāo)風(fēng)險權(quán)重,借助SPSS軟件,采用熵權(quán)法(the entropy weight method,EWM),計算得到植被覆蓋度、降水距平百分比指數(shù)、土地利用混合度、土壤侵蝕程度及碳足跡壓力指數(shù)因子權(quán)重分別為0.162,0.098,0.185,0.127,0.428;Pi為第i類單項生態(tài)風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)化值,運用極值標(biāo)準(zhǔn)化方法進行標(biāo)準(zhǔn)化處理,其值介于[0,1]。風(fēng)險評價指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)值獲取方法見表1。

表1 風(fēng)險評價指標(biāo)的選擇及標(biāo)準(zhǔn)化方法Table 1 Selection of risk evaluation indicators and standardization methods

為確定武漢市的土地生態(tài)風(fēng)險等級和狀態(tài),根據(jù)武漢市生態(tài)環(huán)境特點,使用自然斷點法并參考環(huán)境、國土、氣象等相關(guān)部門的綜合評價方法,同時結(jié)合已有研究[13],將土地生態(tài)風(fēng)險劃分為5個等級,見表2。

表2 土地生態(tài)風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Land ecological risk classification criteria

2.3 碳排放量計算

由于耕地、園地、林地、草地、水域和未利用地5種用地類型的固碳能力相對比較穩(wěn)定,通過碳排放系數(shù)直接估算碳排放量,而建設(shè)用地碳排放受多種因素影響,間接計算得到碳排放量。

2.3.1 直接碳排放計算 本文采用直接碳排放系數(shù)法進行估算,計算公式[18]如下:

式中:Cn為n種土地利用類型的年均碳排放量;Sn為第n種土地利用類型當(dāng)年的面積;fn為第n種土地利用類型的年均碳排放系數(shù)。根據(jù)孫赫[19]、方精云[20]、石洪昕[21]等的研究成果,確定耕地、林地、草地、水域、未利用地的碳排放系數(shù)分別為0.042 2,-0.644,-0.002 1,-0.025 3,-0.000 5 t/hm2。

2.3.2 間接碳排放計算 由于建設(shè)用地內(nèi)包含大量住宅區(qū),因此建設(shè)用地碳排放量的計算中應(yīng)包括能源消費和人類呼吸產(chǎn)生的碳排放[22]。考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性和能源消耗量等因素,選取表3中列舉的能源類型,各區(qū)的能源消費量數(shù)據(jù)采用該區(qū)第二產(chǎn)業(yè)GDP與武漢市第二產(chǎn)業(yè)GDP 比值來間接測算。計算公式[22]如下:

表3 能源碳排放系數(shù)Table 3 Energy carbon emission factor table

式中:Ct為建設(shè)用地碳排放量;λ為個體平均的碳排放系數(shù),取0.079 t/a[23];P為研究區(qū)常住人口數(shù)量;Ei為第i種能源消費的標(biāo)準(zhǔn)煤折算量;ei為第i種能源的碳排放系數(shù)。能源碳排放系數(shù)見表3。

2.4 全局空間自相關(guān)

2.4.1 全局空間自相關(guān) 空間自相關(guān)是一種反映區(qū)域中某現(xiàn)象與鄰近區(qū)域單元同一現(xiàn)象的相關(guān)程度的空間分析工具[24],可分為全局自相關(guān)和局部自相關(guān)兩個方面。全局Moran指數(shù)(Global Moran′sI)可從整體上揭示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間布局的集聚情況,公式如下[25]:

式中:n為樣本數(shù)量;xi與xj為屬性x在空間位置i和j的觀測值;為屬性xi的平均值;Wij為空間權(quán)重矩陣。本文采用鄰接性的權(quán)重矩陣,若第i個地區(qū)和第j個地區(qū)相鄰,則Wij取1,否則為0。

本文使用ArcGIS 軟件中的Global Moran′sI探索土地綜合生態(tài)風(fēng)險格網(wǎng)尺度上的整體分布狀況,判斷其是否存在空間集聚性。空間關(guān)系選擇反距離插值,距離方法選擇歐幾里得距離。Moran′sI指數(shù)取值范圍為[-1,1],正值表示要素集聚,負(fù)值表示要素離散;數(shù)值為0無空間相關(guān)性,隨機分布[26]。

2.4.2 冷熱點分析 熱點分析作為一種常見的空間聚集特征分析方法,可以有效識別出在不同置信區(qū)間內(nèi)統(tǒng)計特征顯著的空間集聚區(qū),高值區(qū)與低值區(qū)分別表現(xiàn)為空間集聚程度的熱點和冷點[27]。本文運用ArcGIS 10.2中的熱點分析工具,分析武漢市土地生態(tài)風(fēng)險的分布特點,用以表征土地生態(tài)安全提升或降低的集中區(qū)域,并采用Standard Deviation法進行分類。具體計算公式如下[28]:

式中:G*i(d)為具有顯著統(tǒng)計意義的Z得分;Wij(d)為空間權(quán)重,相鄰為1,不相鄰為0;Xij為對應(yīng)i行j列空間位置上的要素值;n為要素總數(shù);Z(G*i)為對G*i值的統(tǒng)計檢驗值;E(G*i)和var(G*i)分別為空間不集聚的原假設(shè)下的期望值和方差。

3 結(jié)果與分析

3.1 單因子風(fēng)險評價

3.1.1 植被覆蓋度 根據(jù)2010—2020年植被覆蓋數(shù)據(jù),使用自然斷點法將其分為低[0～0.1]、較低(0.1～0.3]、中(0.3～0.5]、較高(0.5～0.7]、高(0.7～1]5個等級,見圖1。武漢市的平均植被覆蓋度相對較高,在過去10 a間整體呈現(xiàn)下降趨勢,但降幅并不明顯,中值區(qū)由中心向四周不斷擴張。2010—2015 年,武漢市植被覆蓋度總體變化較小,但中心城區(qū)尤其是江岸區(qū)和江漢區(qū)植被覆蓋狀況有明顯改善。環(huán)境保護建設(shè)初見成效,低植被覆蓋度區(qū)域面積縮小29.14%,較高植被覆蓋度區(qū)域面積擴張29.01%,建成區(qū)綠化覆蓋率由37.48%提升至39.65%,森林覆蓋率由26.63%提升至28.01%。2015—2020年,植被覆蓋度總體略微下降,中值區(qū)持續(xù)由中心城區(qū)向四周擴展,除北部黃陂區(qū)和新洲區(qū)植被覆蓋度略有提高外,其他區(qū)縣無明顯改善。截至2020年底,全市建成區(qū)綠化覆蓋率42.07%,森林面積達到11.947萬hm2。

圖1 不同時期植被覆蓋度空間分布Fig.1 Spatial distribution of vegetation cover in different periods

3.1.2 降水距平百分比指數(shù) 如圖2所示,2010年、2015年、2020年均為豐年,空間上高值區(qū)由東南部逐漸向東北部轉(zhuǎn)移,且降水量逐年攀升,年降水總量在2020年達近30 a 峰值。2010 年全市年均降水量1 494.8 mm,相比上年增加33.2%,高于多年平均值17.8%。降水距平百分比指數(shù)空間上呈東南高西北低的特征,降水分布不均衡。2015年全市年均降水量1 401.2 mm,較2010年降低6.26%,降水距平百分比指數(shù)空間上呈東高西低的特征,高值區(qū)范圍有所縮小。2020 年全市年均降水量1 928.3 mm,相比2015年增加37.62%,比多年平均值偏多52.0%,降水距平百分比指數(shù)空間上呈東北高西南低的特征,全市區(qū)域年降水量均大于多年平均降水量。

圖2 不同時期降水距平百分比指數(shù)空間分布Fig.2 Spatial distribution of precipitation distance level percentages in different periods

3.1.3 土壤侵蝕程度指數(shù) 由圖3可知,2010—2020年武漢市土壤侵蝕程度指數(shù)高值區(qū)由東南部向北部轉(zhuǎn)移,且總體呈先增加后降低的趨勢。2010年武漢市平均土壤侵蝕程度指數(shù)為2.66 t/hm2,東南部土壤侵蝕較嚴(yán)重。其中青山區(qū)平均土壤侵蝕程度指數(shù)最高為2.87 t/hm2,東西湖區(qū)平均土壤侵蝕程度指數(shù)最低為2.48 t/hm2。2015年武漢市平均土壤侵蝕程度指數(shù)為2.62 t/hm2,較2010年略有下降,但最高侵蝕指數(shù)略微上漲。東北部和中部地區(qū)土壤侵蝕程度加劇,青山區(qū)、新洲區(qū)土壤侵蝕程度較嚴(yán)重,其中新洲區(qū)平均土壤侵蝕程度指數(shù)增長0.10 t/hm2。2020年武漢市平均土壤侵蝕程度指數(shù)為2.38 t/hm2,較2015年土壤侵蝕程度指數(shù)整體降低,空間上土壤侵蝕程度高值區(qū)向北方轉(zhuǎn)移。各區(qū)土壤侵蝕程度好轉(zhuǎn),其中江漢區(qū)和青山區(qū)平均土壤侵蝕程度指數(shù)分別降低0.56,0.58 t/hm2。

圖3 不同時期土壤侵蝕程度指數(shù)空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil erosion degree index in different periods

3.1.4 土地利用混合度 2010—2020年,武漢市土地利用混合度呈現(xiàn)緩慢上升趨勢,但多數(shù)行政區(qū)的土地利用混合度有所下降,見表4。2010—2015年,武漢市土地利用混合度為1.145,除漢陽區(qū)、東西湖區(qū)、漢南區(qū)和新洲區(qū)升高,其余9個行政區(qū)土地利用混合度下降,其中江漢區(qū)下降幅度最大,下降0.431,可能原因是轄區(qū)面積小,土地資源有限,綠化面積小,土地類型以建設(shè)用地為主;漢陽區(qū)增幅最大,上升0.064。2015—2020年,武漢市土地利用混合度為1.151,除東西湖區(qū)、漢南區(qū)、蔡甸區(qū)、江夏區(qū)、黃陂區(qū)和新洲區(qū)升高,其余7個區(qū)行政區(qū)土地利用混合度下降,硚口區(qū)由于大量耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地降幅最大,下降0.098,漢南區(qū)因用地效率提升,土地利用混合度上升0.114。

表4 不同時期土地利用混合度及其變化Table 4 Land use mix and its changes in different periods

3.1.5 碳足跡壓力指數(shù) 2010—2020年,武漢市碳足跡壓力指數(shù)呈先升后降的趨勢,各行政區(qū)碳足跡壓力指數(shù)以上升趨勢為主,見表5。2010年武漢市碳足跡壓力指數(shù)為4.83,各行政區(qū)差異較大。江漢區(qū)碳足跡壓力指數(shù)最大,達到525.31,黃陂區(qū)碳足跡壓力指數(shù)最小,僅0.58。2015年武漢市碳足跡壓力指數(shù)為5.20,除漢南區(qū)和新洲區(qū)以外,其余行政區(qū)的碳足跡壓力指數(shù)均有所上漲,其中江漢區(qū)碳足跡壓力指數(shù)較2010年上漲71.77%,達到902.31。2020年由于新冠疫情的影響,武漢市碳足跡壓力指數(shù)降至4.51,較2010年、2015年分別下降0.32,0.69;江漢區(qū)碳足跡壓力指數(shù)相較于2015年有所降低,但仍為全市最高,黃陂區(qū)碳足跡壓力指數(shù)未發(fā)生明顯變化,仍是全市最低值。

表5 不同時期碳足跡壓力指數(shù)及其變化Table 5 Carbon footprint pressure index and its changes in different periods

除江漢區(qū)之外,2010—2020 年硚口區(qū)、漢陽區(qū)、漢南區(qū)碳足跡壓力指數(shù)變化較大,其中硚口區(qū)碳足跡壓力指數(shù)在10年間不斷增加,且增長趨勢加快;漢陽區(qū)則是在高碳排放壓力下銳減;由于2020年武漢市統(tǒng)計年鑒中沒有漢南區(qū)的能源消耗量,因此使用武漢經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)的能源消耗量來代替,從而導(dǎo)致2020年漢南區(qū)碳足跡壓力指數(shù)激增。

3.2 土地生態(tài)綜合風(fēng)險評價

3.2.1 土地生態(tài)風(fēng)險評價 如圖4 所示,2010—2020年武漢市土地生態(tài)狀況整體較好,土地生態(tài)風(fēng)險較低,且呈現(xiàn)出逐漸下降的演變趨勢。Ⅰ級風(fēng)險區(qū)向北擴展明顯,Ⅱ級風(fēng)險區(qū)主要分布在西部及西南部并逐漸向Ⅰ級風(fēng)險區(qū)轉(zhuǎn)變,Ⅲ級風(fēng)險區(qū)在中部逐步縮小,Ⅳ級和Ⅴ級風(fēng)險區(qū)整體變化不大。2010年,武漢市土地生態(tài)風(fēng)險指數(shù)為0.199,以Ⅰ級和Ⅱ級風(fēng)險為主,二者占區(qū)域總面積的96.07%;2015年,武漢市土地生態(tài)風(fēng)險指數(shù)為0.176,46.20%的Ⅱ級風(fēng)險區(qū)下降為Ⅰ級風(fēng)險區(qū),Ⅰ級風(fēng)險區(qū)面積由3 752.28 km2增至5 429.11 km2,Ⅳ級風(fēng)險區(qū)面積增加14.52 km2,Ⅲ級風(fēng)險區(qū)和Ⅴ級風(fēng)險區(qū)范圍均有所減小,其中Ⅴ級風(fēng)險區(qū)降至44.38 km2;2020年,武漢市土地生態(tài)風(fēng)險指數(shù)為0.172,仍以Ⅰ級和Ⅱ級風(fēng)險為主,Ⅲ級風(fēng)險區(qū)面積減少50.83 km2,Ⅳ級風(fēng)險區(qū)面積逐年上升并達到75.05 km2,Ⅴ級風(fēng)險區(qū)無明顯改變。

圖4 不同時期土地生態(tài)風(fēng)險等級空間分布Fig.4 Spatial distribution of land ecological risk levels in different periods

對武漢市各區(qū)進行土地生態(tài)風(fēng)險指數(shù)及等級統(tǒng)計,見表6。結(jié)果表明,武漢市各區(qū)生態(tài)風(fēng)險等級跨度大,中心城區(qū)土地生態(tài)風(fēng)險高,周邊區(qū)域土地生態(tài)安全狀況良好。2010—2015年,武漢市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不斷優(yōu)化,東西湖區(qū)、新洲區(qū)生態(tài)風(fēng)險等級由Ⅱ級降為Ⅰ級,漢陽區(qū)生態(tài)風(fēng)險等級由Ⅲ級降為Ⅱ級,青山區(qū)由Ⅴ級降為Ⅳ級,但江漢區(qū)土地生態(tài)風(fēng)險等級為Ⅴ級且風(fēng)險指數(shù)有所升高,需要重點關(guān)注。2015—2020年,武漢市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量維持較好,江岸區(qū)、武昌區(qū)生態(tài)風(fēng)險等級由Ⅲ級降為Ⅱ級,江漢區(qū)生態(tài)風(fēng)險等級未變但生態(tài)風(fēng)險指數(shù)略微下降,生態(tài)安全狀況有所緩解,硚口區(qū)和青山區(qū)生態(tài)風(fēng)險指數(shù)略微上升,其中青山區(qū)生態(tài)風(fēng)險等級由Ⅳ級升為Ⅴ級。由此可見,中心城區(qū)生態(tài)狀況依然嚴(yán)峻,仍需穩(wěn)步推進碳減排等各項生態(tài)治理措施。

表6 各區(qū)土地生態(tài)風(fēng)險指數(shù)及等級Table 6 Land ecological risk index and grade by district

3.2.2 土地生態(tài)風(fēng)險等級對比 在同一土地生態(tài)風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)下,引入碳足跡壓力指數(shù)對各行政區(qū)的風(fēng)險等級結(jié)果影響較大,結(jié)果見圖5。引入碳足跡壓力指數(shù)之前,各區(qū)土地生態(tài)風(fēng)險等級均呈現(xiàn)出由高風(fēng)險等級向低風(fēng)險等級過渡的態(tài)勢;而引入碳足跡壓力指數(shù)后,各區(qū)土地生態(tài)風(fēng)險等級明顯上升,且呈現(xiàn)出區(qū)域性變化趨勢,可分為3種變化形式:保持不變、好轉(zhuǎn)、先好轉(zhuǎn)后惡化。江漢區(qū)、硚口區(qū)、洪山區(qū)、漢南區(qū)、蔡甸區(qū)、江夏區(qū)、黃陂區(qū)三期土地生態(tài)風(fēng)險等級保持不變,其中江漢區(qū)、硚口區(qū)生態(tài)風(fēng)險較大,且2020年土地生態(tài)風(fēng)險等級高于未引入碳足跡壓力指數(shù)的土地生態(tài)風(fēng)險等級,原因在于這兩個區(qū)經(jīng)濟增速較快,建設(shè)用地碳排放量大,碳排放壓力大,碳足跡壓力指數(shù)的引入對土地生態(tài)風(fēng)險等級影響很大。江岸區(qū)、漢陽區(qū)、武昌區(qū)、新洲區(qū)三期土地生態(tài)風(fēng)險等級降低,且低于未引入碳足跡壓力指數(shù)的土地生態(tài)風(fēng)險等級,原因在于碳足跡壓力指數(shù)的引入中和了其他4項指標(biāo)對土地生態(tài)風(fēng)險評價的影響。青山區(qū)、東西湖區(qū)三期土地生態(tài)風(fēng)險等級則呈現(xiàn)出先好轉(zhuǎn)后惡化的趨勢但變化幅度較小,與未引入碳足跡壓力指數(shù)的土地生態(tài)風(fēng)險等級差異較小。由此可見,在土地生態(tài)風(fēng)險評價中引入碳足跡壓力指數(shù)對土地生態(tài)風(fēng)險等級影響較大,且對于不同行政區(qū)的影響力不同。因此,應(yīng)當(dāng)在土地生態(tài)風(fēng)險評價中引入能表征土地利用碳排放風(fēng)險的指數(shù),才能全面反映土地生態(tài)風(fēng)險來源,為制定土地生態(tài)保護和碳達峰計劃提供科學(xué)依據(jù)。

圖5 是否引入碳足跡壓力指數(shù)的土地生態(tài)風(fēng)險等級對比Fig.5 Comparison of ecological risk levels of land with and without the introduction of carbon footprint pressure index

3.3 綜合風(fēng)險時空格局演變

3.3.1 全局空間自相關(guān)分析 2010—2020年武漢市土地綜合生態(tài)風(fēng)險的空間集聚狀態(tài)較集中,具有明確的全局空間正相關(guān)特征。2010年、2015年和2020年全局Moran′sI指數(shù)分別為0.787 3,0.777 2,0.777 5,可以得出2010—2020年武漢市土地綜合生態(tài)風(fēng)險集聚狀態(tài)呈先減弱后增強的態(tài)勢,且變化幅度較小。

3.3.2 冷熱點分析 由圖6 分析可知,2010—2020年,武漢市土地綜合生態(tài)風(fēng)險熱點集聚程度呈先降后升的趨勢,冷點集聚程度逐年降低,次冷點區(qū)與臨界冷點區(qū)面積增長較快。2010年熱點區(qū)主要集中分布在武漢中心城區(qū)以及東西湖區(qū)和漢南區(qū),中心熱點區(qū)由于植被覆蓋度低,土地利用混合度低,建設(shè)用地占比高,土地綜合生態(tài)風(fēng)險較大而形成熱點區(qū),西南部熱點區(qū)由于包含武漢臨空港經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)和武漢經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū),第二產(chǎn)業(yè)增速快,碳排放壓力大,導(dǎo)致土地綜合生態(tài)風(fēng)險較大。冷點區(qū)分布在蔡甸區(qū)、江夏區(qū)以及洪山區(qū),上述區(qū)域地表水資源豐富,大小湖泊共207座,森林覆蓋率高,從而形成冷點區(qū)。次熱點和臨界熱點較少,均分布在熱點區(qū)周圍。次冷點區(qū)和臨界冷點區(qū)主集中在蔡甸區(qū)。

圖6 不同時期土地綜合生態(tài)風(fēng)險冷熱點空間分布Fig.6 Spatial distribution of cold hot spots of integrated land ecological risk in different periods

與2010年相比,2015年西部熱點區(qū)、次熱點區(qū)范圍明顯縮小,面積共縮減38.80%,主要體現(xiàn)在東西湖區(qū)和漢南區(qū)的熱點及次熱點區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榕R界熱點區(qū)與不顯著區(qū)。冷點區(qū)范圍縮小37.26%,蔡甸區(qū)內(nèi)大部分的次冷點區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著區(qū),洪山區(qū)部分冷點區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榇卫潼c區(qū)或不顯著區(qū),并且在新洲區(qū)與黃陂區(qū)內(nèi)出現(xiàn)小范圍的次冷點區(qū)與臨界冷點區(qū),致使次冷點區(qū)、臨界冷點區(qū)面積分別上漲11.37%,31.00%。說明這5年間通過實施雙碳政策以及退耕還林、封山育林工程,生態(tài)狀況好轉(zhuǎn),土地利用混合度升高,土地生態(tài)風(fēng)險程度降低。

相較于2015年,2020年熱點區(qū)總面積上漲37.91%,15.87%的臨界熱點區(qū)及0.71%的次熱點區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)闊狳c區(qū)。除建設(shè)用地擴張和植被覆蓋度降低之外,還與洪澇災(zāi)害所造成的水土流失有關(guān),土地綜合生態(tài)風(fēng)險集聚程度明顯上升,主要體現(xiàn)在東西湖區(qū)的熱點范圍擴張;而漢南區(qū)熱點范圍擴張主要受經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)工業(yè)發(fā)展以及碳排放量增加的雙重影響。冷點區(qū)范圍變化較小,臨界冷點區(qū)范圍擴張明顯,面積較2015年上漲65.43%。受生態(tài)環(huán)境保護政策影響,新洲區(qū)中部與黃陂區(qū)東北部植被覆蓋度升高,土地利用混合度上升,冷點區(qū)面積增幅明顯。

4 討論

武漢市2010—2020年各風(fēng)險指標(biāo)總體呈區(qū)域性分布。植被覆蓋度均值先升高后降低,空間上呈現(xiàn)由中心向四周遞增的趨勢,其低值區(qū)集中在中心城區(qū),應(yīng)增加綠地面積,限制建設(shè)用地擴張,高值區(qū)與低值區(qū)植被覆蓋程度差距較大;土壤侵蝕程度指數(shù)均值逐年降低,主要以土壤水力侵蝕為主,高值區(qū)由東南部向北部轉(zhuǎn)移,應(yīng)注意北部林地的水土流失情況,加強水土保持監(jiān)督管理;土地利用混合度總體呈現(xiàn)出低值區(qū)不斷降低高值區(qū)不斷升高的態(tài)勢,應(yīng)注意低值區(qū)土地利用情況,合理分配土地資源;碳足跡壓力指數(shù)各區(qū)差值較大,以江漢區(qū)為代表的高碳排放壓力區(qū)指數(shù)波動較大,以黃陂區(qū)為主的低碳排放壓力區(qū)指數(shù)浮動較小,高碳排放壓力地區(qū)主要集中在經(jīng)濟增長快和以第二產(chǎn)業(yè)為主的行政區(qū)。因此,應(yīng)對不同地區(qū)應(yīng)提出不同的環(huán)境保護方案,以青山區(qū)為例,不僅要調(diào)整第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展方式與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),還要加強清潔能源和可再生能源的使用。

武漢市土地綜合生態(tài)風(fēng)險整體處于較低風(fēng)險等級并逐步優(yōu)化,但區(qū)域差異明顯。北部生態(tài)狀況明顯優(yōu)化,Ⅰ級風(fēng)險區(qū)面積快速增長,但Ⅳ級和Ⅴ級風(fēng)險區(qū)生態(tài)狀況無明顯改善。由于低植被覆蓋度、土地利用混合度低以及碳排放壓力較大等原因,高風(fēng)險區(qū)主要集中在中心商業(yè)區(qū)及工業(yè)區(qū),江漢區(qū)情況最為明顯,因此需要加快建設(shè)綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟,加強土地生態(tài)保護,促進經(jīng)濟與環(huán)境保護協(xié)調(diào)發(fā)展。

武漢市土地生態(tài)風(fēng)險呈現(xiàn)全局正相關(guān)特性,空間集聚程度較強且變化幅度小。冷熱點區(qū)范圍變動較明顯,熱點區(qū)域面積先縮小后擴大,主要分布在中心城區(qū)及漢南區(qū)內(nèi),冷點區(qū)域面積逐漸縮小,集中分布在生態(tài)環(huán)境良好的蔡甸區(qū)、洪山區(qū)、江夏區(qū)境內(nèi)。應(yīng)注意漢南區(qū)熱點區(qū)面積擴張較快,要及時調(diào)整各區(qū)生態(tài)安全建設(shè)工作的重點。同時,次冷點區(qū)在新洲中部及黃陂東北部逐漸顯現(xiàn),說明生態(tài)建設(shè)取得了良好成效。

武漢是長江經(jīng)濟帶的核心城市,地區(qū)生產(chǎn)總值增速快,發(fā)展迅速,建設(shè)用地擴張明顯,碳排放量顯著上升,土地生態(tài)風(fēng)險狀況需持續(xù)關(guān)注。在雙碳政策背景下,本文從生態(tài)基礎(chǔ)、自然條件、土地結(jié)構(gòu)、人類活動出發(fā),結(jié)合碳足跡壓力指數(shù),構(gòu)建基于碳排放量的土地生態(tài)風(fēng)險評價模型,對土地生態(tài)風(fēng)險進行多因子多尺度綜合評價,在一定程度上拓寬了影響土地生態(tài)安全的風(fēng)險來源和土地生態(tài)風(fēng)險評價體系。但土地利用碳排放的研究方法和模型仍然存在著不確定性,比如在計算各區(qū)建設(shè)用地碳源時,由于數(shù)據(jù)限制,未考慮由交通運輸產(chǎn)生的碳排放;其次獲取的土地利用數(shù)據(jù)精度較低,并且利用柵格計算器進行土地綜合生態(tài)風(fēng)險指數(shù)計算時,指標(biāo)像元尺度不同,對評價結(jié)果產(chǎn)生一定影響。后續(xù)研究將以此為出發(fā)點,完善土地利用碳排放量的計算模型,并細(xì)化指標(biāo)數(shù)據(jù)尺度,從而提高土地生態(tài)風(fēng)險評價的精確性與科學(xué)性,為土地生態(tài)環(huán)境保護、土地資源管理規(guī)劃和降低土地利用碳排放提供參考依據(jù)。

5 結(jié)論

(1)武漢市各風(fēng)險指標(biāo)時空差異較大且變化明顯。植被覆蓋度空間上呈現(xiàn)由中心向四周遞增的趨勢,低值區(qū)集中在中心城區(qū),高值區(qū)與低值區(qū)植被覆蓋程度差距較大;土壤侵蝕程度指數(shù)均值逐年降低,主要以土壤水力侵蝕為主,高值區(qū)由東南部向北部轉(zhuǎn)移;土地利用混合度總體呈現(xiàn)出低值區(qū)不斷降低高值區(qū)不斷升高的態(tài)勢;碳足跡壓力指數(shù)各區(qū)差值較大,高碳排放壓力地區(qū)主要集中在經(jīng)濟增長快和以第二產(chǎn)業(yè)為主的行政區(qū)。

(2)武漢市土地綜合生態(tài)風(fēng)險指數(shù)由0.199 降至0.172,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體向好,中心商業(yè)區(qū)及工業(yè)區(qū)土地生態(tài)狀況堪憂。Ⅰ級風(fēng)險區(qū)面積快速增長,但Ⅳ級和Ⅴ級風(fēng)險區(qū)生態(tài)狀況無明顯改善。中心城區(qū)植被覆蓋度低、土地利用混合度低、碳排放壓力大,但水土流失情況較弱且無洪澇災(zāi)害風(fēng)險。北部及南部地區(qū)水土流失面積較大,并存在洪澇災(zāi)害風(fēng)險,但植被覆蓋度高、土地利用混合度高、碳排放壓力小。

(3)武漢市三期全局Moran′sI指數(shù)均較高,空間集聚程度較強且變化幅度小,表明土地生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的空間分布呈現(xiàn)全局正相關(guān)特性。以不顯著區(qū)分布為主,熱點區(qū)和冷點區(qū)較為集中,而次冷熱點和臨界冷熱點分布較少且比較分散。冷熱點區(qū)范圍變動較明顯,熱點區(qū)域面積先縮小后擴大,冷點區(qū)域面積逐漸縮小。

(4)在土地生態(tài)風(fēng)險評價模型中引入碳足跡壓力指數(shù)后,擴充了土地生態(tài)安全的影響因子,對土地生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果影響較大,江岸區(qū)、江漢區(qū)、硚口區(qū)、漢陽區(qū)、青山區(qū)土地生態(tài)風(fēng)險等級明顯上升,不同區(qū)域土地生態(tài)風(fēng)險等級呈現(xiàn)不同的變化趨勢,為降低土地利用碳排放、提升土地生態(tài)安全提供理論依據(jù)。