周璟茹,趙華甫,2,吳金華
(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院,北京 100083;2.國(guó)土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100035;3.長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,陜西 西安 710064)
在全球氣候變化的背景下,溫室氣體尤其是CO2的排放對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展造成了一定程度的阻礙。近年來(lái),城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加速使大量農(nóng)用地轉(zhuǎn)化成非農(nóng)用地,這也成為導(dǎo)致碳排放急劇增長(zhǎng)的重要因素之一[1]。土地集約利用作為提高土地利用效率的重要手段,對(duì)優(yōu)化城市土地資源,改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。因此,如何在以集約利用為目標(biāo)的土地利用中降低碳排放已成為當(dāng)前城市土地利用中亟待解決的問(wèn)題,而解決這一問(wèn)題的根本就是要明晰土地集約利用與碳排放之間的關(guān)系。
針對(duì)城市土地集約利用問(wèn)題的研究主要是在明晰理論內(nèi)涵[2]的基礎(chǔ)上提出影響城市土地集約利用的驅(qū)動(dòng)因子[3],并依此建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[4],進(jìn)一步探究土地集約利用的方式途徑,為城市土地資源高效利用提供有效手段。在碳排放研究方面,諸多學(xué)者不僅將社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等問(wèn)題與碳排放相聯(lián)系,同時(shí)也就不同土地利用方式[5]、利用結(jié)構(gòu)[6]及其變化過(guò)程[7]對(duì)碳排放的影響開(kāi)展了研究,依此提出了土地利用低碳優(yōu)化調(diào)控措施[7],并將低碳的思想應(yīng)用于諸多研究方向[6-8]。近年來(lái),相關(guān)學(xué)者也對(duì)土地集約利用與碳排放之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。其中,張苗等認(rèn)為土地集約利用對(duì)碳排放產(chǎn)生同向影響[9],并基于SMB模型對(duì)全國(guó)土地集約利用碳排放效率進(jìn)行研究[10];張俊峰等認(rèn)為土地集約利用與碳排放呈高度正相關(guān)[11];許恒周等對(duì)中國(guó)省際面板數(shù)據(jù)的實(shí)證分析后得出城市土地集約利用水平對(duì)碳排放效應(yīng)有顯著的反向減緩作用[12]。上述研究填補(bǔ)了土地集約利用與碳排放關(guān)系研究的空白,但仍值得進(jìn)一步的研究與討論。本文將在上述研究的基礎(chǔ)上,以關(guān)中城市群為研究對(duì)象,運(yùn)用Tapio脫鉤理論與EKC曲線(xiàn)分析土地集約利用與碳排放間的關(guān)系,為土地的節(jié)能減排與集約利用提供理論基礎(chǔ)。
關(guān)中城市群是指以大西安(含咸陽(yáng))為中心、寶雞為副中心,包括渭南、銅川及楊陵示范區(qū)的城市群,總面積5.5×104km2,總?cè)丝诔^(guò)2400×104人。該區(qū)域?yàn)殛兾魇∪丝谧蠲芗牡貐^(qū),經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),是中國(guó)西部地區(qū)唯一的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)帶和星火科技產(chǎn)業(yè)帶。2015年11月3日,《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃的建議》將關(guān)中城市群列入8大城市群中,這標(biāo)志著在“一帶一路”的戰(zhàn)略背景下,關(guān)中城市群現(xiàn)已成為西部地區(qū)最具影響力的城市群之一。
本文采用的社會(huì)經(jīng)濟(jì)(固定資產(chǎn)投資額、消費(fèi)品零售額、總?cè)丝?、常住人口、各產(chǎn)業(yè)GDP等)及能源(煤炭、石油、天然氣消耗量等)數(shù)據(jù)來(lái)源于2000—2014年《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》、《陜西統(tǒng)計(jì)年鑒》、《西安統(tǒng)計(jì)年鑒》、《寶雞統(tǒng)計(jì)年鑒》、《咸陽(yáng)統(tǒng)計(jì)年鑒》、《渭南統(tǒng)計(jì)年鑒》、《銅川統(tǒng)計(jì)年鑒》以及楊陵區(qū)統(tǒng)計(jì)局的相關(guān)數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于陜西省土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)。
土地集約利用是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程,在一定的時(shí)期內(nèi),通過(guò)增加土地投入[2]、提高土地的利用強(qiáng)度[13]及優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)[3],可以有效的增強(qiáng)土地利用集約度。因此,在對(duì)土地集約利用水平的測(cè)算中應(yīng)考慮這三方面建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并根據(jù)主導(dǎo)因素與因地制宜原則,根據(jù)已有研究成果進(jìn)行指標(biāo)選取。具體指標(biāo)及其測(cè)算方法與權(quán)重見(jiàn)表1。
表1 土地集約利用測(cè)算指標(biāo)及權(quán)重Tab.1 Indexes and weights of intensive land-use
結(jié)合選取指標(biāo)的特性,采用多因素綜合評(píng)價(jià)的方法確定土地利用集約度。設(shè)有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),n個(gè)參評(píng)對(duì)象,土地利用集約度的計(jì)算公式為:式(1)中,Vi為土地利用集約度;Wj為指標(biāo)權(quán)重;Pij為參評(píng)對(duì)象j的第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。
土地利用的碳排放是指由于人類(lèi)利用土地造成的碳排放[5]。本文討論的碳排放是指以耕地和建設(shè)用地為主的碳排放量與以林地和草地為主的碳吸收量計(jì)算得出的碳凈排放量。耕地、林地、草地的碳排放量估算公式為:
式
(2)中,ei為第i種土地類(lèi)型的碳排放量(t),Ti為對(duì)應(yīng)的土地面積(hm2),δi為對(duì)應(yīng)的碳排放系數(shù)(t/hm2)。農(nóng)用地的碳排放系數(shù)由于人類(lèi)活動(dòng)方式單一而相對(duì)穩(wěn)定,其中耕地、林地和草地的碳排放系數(shù)分別為0.422 t/hm2、-0.644 t/hm2、-0.02 t/hm2[14]。
城市建設(shè)用地作為人類(lèi)生產(chǎn)生活的載體,能源消耗是主要的碳排放源,而短時(shí)間內(nèi)建設(shè)用地類(lèi)型變化導(dǎo)致的直接碳排放量并不顯著,故建設(shè)用地的碳排放通過(guò)其利用過(guò)程中化石能源的消耗產(chǎn)生的碳排放間接估算[15],公式為:式(3)中,c為建設(shè)用地的碳排放量;Mj為第j種能源消耗量;δj為對(duì)應(yīng)的碳排放系數(shù)。其中煤炭、石油、天然氣的碳排放系數(shù)分別為0.7476 t/t標(biāo)準(zhǔn)煤,0.5825 t/t標(biāo)準(zhǔn)煤,0.4435 t/t標(biāo)準(zhǔn)煤[16]。
隨后得到碳排放總量,計(jì)算公式為:式(4)中,E為凈碳排放量。
現(xiàn)取碳排放量與土地面積的比值即碳排放強(qiáng)度作為最終測(cè)算值,計(jì)算公式為:
式(5)中,S為土地面積,C為碳排放強(qiáng)度。
脫鉤分析原用于分析兩個(gè)或多個(gè)物理量之間的響應(yīng)關(guān)系,后用于分析經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境壓力或資源消耗之間的關(guān)系。在眾多脫鉤方法中,本文選用基于時(shí)間尺度的彈性分析方法——Tapio脫鉤分析作為研究土地集約利用與碳排放關(guān)系的分析方法。其中,土地集約利用與碳排放的脫鉤是指土地利用集約度的提高不會(huì)導(dǎo)致碳排放增加反而會(huì)促使碳排放降低,在此選用碳排放強(qiáng)度和土地利用集約度分別作為環(huán)境壓力變量和經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)變量,構(gòu)建碳排放強(qiáng)度與土地利用集約度的脫鉤模型:
式
(6)中,DI為脫鉤指數(shù),LC為環(huán)境壓力變量(碳排放強(qiáng)度),IU為經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)變量(土地利用集約度),t0、t1分別為起止年份。Tapio彈性分析法將脫鉤狀態(tài)根據(jù)彈性值分為8種脫鉤狀態(tài)[17](表2)。
表2 Tapio脫鉤狀態(tài)劃分表Tab.2 State of Tapio decoupling
1991年,美國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)家Grossman和 Krueger等用庫(kù)茲涅茨曲線(xiàn)來(lái)定量描述環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系,即環(huán)境庫(kù)茲涅茨曲線(xiàn)(Environmental Kuznets Curve,EKC),該曲線(xiàn)通過(guò)人均收入與環(huán)境污染之間的關(guān)系模型模擬,提出經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境污染程度存在倒U型關(guān)系。近年來(lái),部分學(xué)者將EKC模型引入到土地利用問(wèn)題中,證實(shí)了EKC模型在耕地非農(nóng)化和建設(shè)用地?cái)U(kuò)張等問(wèn)題中的實(shí)用性[18-19]。因此,筆者認(rèn)為EKC曲線(xiàn)也可應(yīng)用于分析土地集約利用與碳排放關(guān)系,發(fā)展初期,隨著土地集約利用程度提高,作為碳源的建設(shè)用地碳排放量效果明顯大于農(nóng)用地等碳匯的碳吸收量效果[9],而后隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,土地集約利用向技術(shù)投入型轉(zhuǎn)變,建設(shè)用地帶來(lái)的碳排放量也將逐步遞減。本文基于EKC曲線(xiàn)的理論研究與相關(guān)領(lǐng)域拓展,應(yīng)用面板數(shù)據(jù)進(jìn)行EKC曲線(xiàn)研究,建立了三次函數(shù)模型:
式(7)中,Y為碳排放強(qiáng)度,X為土地利用集約度,η、α1、α2、α3為常數(shù),其中α的取值對(duì)曲線(xiàn)關(guān)系起主導(dǎo)作用(表3)[20]。
表3 不同類(lèi)型的EKC曲線(xiàn)關(guān)系Tab.3 Different types of EKC curves
4.1.1 土地利用集約度測(cè)算 以2000—2014年各市數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并用對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化法進(jìn)行處理后,得到關(guān)中城市群的土地利用集約度。結(jié)果顯示,2000—2014年關(guān)中城市群整體土地集約利用水平呈上升趨勢(shì),平均年增長(zhǎng)率為2.55%,且各市的土地集約利用水平均呈上升趨勢(shì)。
在空間尺度上,關(guān)中城市群中各市土地利用集約度在增長(zhǎng)的同時(shí)也存在一定差異。以2014年為例,土地集約度最高為西安市,最低為銅川市,差距較為明顯。其中,西安市是關(guān)中城市群乃至陜西省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平最高的城市,土地集約利用水平也較高。相比而言,渭南市與銅川市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以工農(nóng)業(yè)為主,土地集約利用水平較其他城市還存在著一定的差距。2000—2014年,土地利用集約度平均年增長(zhǎng)速度最高的城市為寶雞市,平均年增長(zhǎng)率為3.1%。作為陜西省兩大百萬(wàn)人口城市之一,寶雞市近年來(lái)以“打造西部重要商貿(mào)物流中心”為依托,不斷增強(qiáng)自身經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展實(shí)力,通過(guò)招商引資、調(diào)節(jié)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等方式使土地集約利用水平得到了顯著增強(qiáng)。
4.1.2 碳排放水平測(cè)算 以2000—2014年各市耕地、林地和草地面積和各市煤炭、石油和天然氣消耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算后,得到關(guān)中城市群的碳排放強(qiáng)度。結(jié)果顯示,2000—2014年,關(guān)中城市群整體碳排放強(qiáng)度由0.4617×104t/km2增至0.8047×104t/km2,平均年增長(zhǎng)率為4.05%。自2000年起,在國(guó)務(wù)院發(fā)布有關(guān)退耕還林的政策指導(dǎo)下,關(guān)中地區(qū)的耕地總面積由283×104畝下降至252×104畝,林地與草地面積由3274×104畝增至3680×104畝,但與此同時(shí)關(guān)中地區(qū)城市化和工業(yè)化的不斷加速也使煤、石油和天然氣消耗量不斷增加,導(dǎo)致因林地與草地面積的增加而增大的碳吸收量遠(yuǎn)不及由于建設(shè)用地?cái)U(kuò)張所增大的碳排放量,故2000—2014年,關(guān)中城市群的碳排放水平整體呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)。
在空間尺度上,關(guān)中城市群中各市的碳排放水平存在一定的差異。以2014年為例,碳排放強(qiáng)度最大為西安市,最小為銅川市,相差0.1709×104t/km2。除此之外,各市2000—2014年的碳排放強(qiáng)度增長(zhǎng)率也存在著一定程度的差異,其中增長(zhǎng)最快的為咸陽(yáng)市,平均年增長(zhǎng)率為8.44%,增幅達(dá)0.109×104t/km2;增長(zhǎng)最慢的為渭南市,平均年增長(zhǎng)率為2.19%,增幅為0.046×104t/km2。咸陽(yáng)市東鄰省會(huì)西安市,西接國(guó)家級(jí)楊陵農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū),具有獨(dú)特的地理優(yōu)勢(shì),近年來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,建設(shè)用地?cái)U(kuò)張呈迅猛態(tài)勢(shì),因而碳排放水平增長(zhǎng)迅速;渭南市是中國(guó)重要的商品糧農(nóng)業(yè)基地,并擁有豐富的礦產(chǎn)資源,工業(yè)以冶金、能源化工為支柱,由于其產(chǎn)業(yè)特性,近年來(lái)的城鎮(zhèn)化雖有一定程度的發(fā)展,但發(fā)展速度較緩,因而碳排放強(qiáng)度增長(zhǎng)較緩。
4.1.3 脫鉤分析 以Tapio模型為為基礎(chǔ),以上一年為基準(zhǔn)年,利用2000—2014年關(guān)中城市群土地利用集約度與碳排放強(qiáng)度測(cè)算出二者的脫鉤狀態(tài)(表4)。
由表4可以看出,15年間關(guān)中城市群土地利用集約度與碳排放強(qiáng)度關(guān)系主要呈現(xiàn)出三種狀態(tài),分別為擴(kuò)張負(fù)脫鉤、增長(zhǎng)連結(jié)和弱脫鉤,占比分別為50%、35.7%和14.3%。2014年關(guān)中城市群各市脫鉤狀態(tài)以擴(kuò)張負(fù)脫鉤為主,部分城市出現(xiàn)增長(zhǎng)連結(jié)與弱脫鉤的狀態(tài),說(shuō)明當(dāng)前關(guān)中城市群土地集約利用與碳排放仍未脫鉤。
在空間尺度上,同一時(shí)段、不同城市所呈現(xiàn)出的脫鉤狀態(tài)略有不同,西安市與渭南市的脫鉤狀態(tài)以弱脫鉤狀態(tài)為主,其中西安市由2001年的強(qiáng)負(fù)脫鉤狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樵鲩L(zhǎng)連結(jié)與弱脫鉤為主的脫鉤狀態(tài),說(shuō)明其土地集約利用與碳排放的關(guān)系得到了逐年的改善,在土地利用集約度增長(zhǎng)的同時(shí),碳排放強(qiáng)度的增加量得到了有效地控制;銅川市、咸陽(yáng)市和寶雞市則以擴(kuò)張負(fù)增長(zhǎng)的脫鉤狀態(tài)為主,說(shuō)明其碳排放強(qiáng)度增長(zhǎng)率與土地利用集約度增長(zhǎng)率持平,今后還需更多行之有效的政策與經(jīng)濟(jì)手段控制其碳排放強(qiáng)度的增加;楊陵區(qū)作為重要的農(nóng)業(yè)科教基地和中國(guó)唯一的農(nóng)業(yè)高新技術(shù)示范區(qū)所在地,近年來(lái)保持著較高的土地利用集約度與較低的碳排放強(qiáng)度,處于土地利用集約度與碳排放強(qiáng)度的強(qiáng)脫鉤狀態(tài),證明土地集約利用水平的提高已不再成為碳排放增加的驅(qū)動(dòng)力。
表4 關(guān)中城市群土地利用集約度與碳排放強(qiáng)度脫鉤狀態(tài)Tab.4 Tapio decoupling state between intensive land-use and carbon emission of Guanzhong Urban Agglomeration
4.2.1 回歸模型的建立 在進(jìn)行回歸分析前,為了消除異方差需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行ADF檢驗(yàn),檢驗(yàn)表明,所有變量的一階差分值都在5%的檢驗(yàn)水平上具有顯著性,存在協(xié)整關(guān)系,經(jīng)Hausman檢驗(yàn),接受隨機(jī)效應(yīng)原假設(shè),由此構(gòu)建回歸模型:
圖1 土地利用集約度與碳排放強(qiáng)度EKC曲線(xiàn)擬合圖Fig.1 EKC fitting figure of intensive land-use and carbon emission
4.2.2 回歸分析與峰值預(yù)測(cè) 從回歸模型擬合圖(圖1)可以看出,關(guān)中城市群土地利用集約度與碳排放強(qiáng)度呈現(xiàn)倒N型EKC曲線(xiàn)關(guān)系,且EKC曲線(xiàn)的拐點(diǎn)位于集約度為0.521和0.9129處。說(shuō)明當(dāng)集約度達(dá)到0.521前,碳排放強(qiáng)度會(huì)隨土地利用集約度的增加而遞減,這是由于在土地利用相對(duì)粗放的階段提高土地利用集約度會(huì)在一定程度上減少作為碳源的建設(shè)用地的擴(kuò)張,使碳排放強(qiáng)度減小。當(dāng)集約度在0.521—0.9129這一區(qū)間內(nèi),隨著土地利用集約度的增強(qiáng),碳排放強(qiáng)度也會(huì)隨之增強(qiáng),這是由于因土地集約利用造成的建設(shè)物資和能源的投入增加在一定程度上增加了碳排放,雖然土地利用集約度的增強(qiáng)減少了建設(shè)用地的擴(kuò)張,但因增加建設(shè)用地的投入帶來(lái)的碳排放影響要明顯大于因減少碳匯向碳源轉(zhuǎn)化而增加的碳吸收影響,所以碳排放強(qiáng)度整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)集約度達(dá)到0.9129這一臨界值時(shí),碳排放強(qiáng)度也達(dá)到最大值0.246×104t/km2。當(dāng)超越這一臨界值后,碳排放強(qiáng)度會(huì)隨土地集約利用程度的增加而減少,這是因?yàn)殡S著土地利用集約度的增加土地集約逐漸從資本投入型向技術(shù)投入型轉(zhuǎn)變,建設(shè)用地帶來(lái)的碳排放量逐步遞減,由此促使碳排放強(qiáng)度的遞減趨勢(shì)。
當(dāng)前關(guān)中城市群所處土地利用集約度區(qū)間為0.5210—0.9129,說(shuō)明雖然當(dāng)前因城市發(fā)展建設(shè)造成的碳排放強(qiáng)度仍在不斷遞增,但當(dāng)集約度達(dá)到臨界值后,關(guān)中城市群的碳排放強(qiáng)度將會(huì)逐步遞減。當(dāng)前多數(shù)城市的碳排放強(qiáng)度未達(dá)到這一峰值,說(shuō)明關(guān)中城市群短期內(nèi)碳排放強(qiáng)度還會(huì)不斷遞增,但是當(dāng)超越這一峰值后,隨著土地技術(shù)科技投入不斷加大,土地利用集約度不斷提高,碳排放強(qiáng)度會(huì)逐步遞減,曲線(xiàn)會(huì)趨于平緩。
本文通過(guò)Tapio脫鉤模型與面板數(shù)據(jù)的EKC曲線(xiàn)建立與圖像擬合對(duì)關(guān)中城市群土地集約利用與碳排放的關(guān)系及演化特征進(jìn)行了研究,得到了如下結(jié)論:
(1)2000—2014年關(guān)中城市群整體土地集約利用水平呈上升趨勢(shì),平均年增長(zhǎng)率為2.55%,各市的土地集約利用水平均呈上升趨勢(shì),但內(nèi)部差異明顯,其中土地集約利用程度最高的城市為西安市,銅川市與渭南市土地利用集約度則遠(yuǎn)低于平均值。(2)2000—2014年關(guān)中城市群碳排放強(qiáng)度由0.4617×104t/km2增至0.8047×104t/km2,平均年增長(zhǎng)率為4.05%,呈持續(xù)上升趨勢(shì),各市的碳排放強(qiáng)度也在逐年遞增,但城市間存在明顯差異,其中碳排放強(qiáng)度最大的為西安市,最小為銅川市,其碳排放強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度與增長(zhǎng)速率差異明顯。(3)2001—2014年間關(guān)中城市群土地集約利用與碳排放強(qiáng)度關(guān)系主要呈現(xiàn)出三種狀態(tài),分別為擴(kuò)張負(fù)脫鉤、增長(zhǎng)連結(jié)和弱脫鉤,半數(shù)年期碳排放強(qiáng)度增長(zhǎng)率高于集約利用水平增長(zhǎng)率,土地集約利用與碳排放仍未脫鉤,但部分城市已呈現(xiàn)脫鉤趨勢(shì)。(4)通過(guò)建立EKC回歸模型,證明了關(guān)中城市群土地利用集約度與碳排放強(qiáng)度呈現(xiàn)倒N型EKC曲線(xiàn)關(guān)系。就當(dāng)前關(guān)中城市群的土地利用集約度而言,碳排放強(qiáng)度在近年內(nèi)仍會(huì)增加,但當(dāng)土地利用集約度達(dá)到臨界值后,碳排放強(qiáng)度將會(huì)逐步遞減,并趨于平穩(wěn)。
本文選取了2000—2014年的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和土地利用數(shù)據(jù),時(shí)間尺度較短,不能完整的反映關(guān)中城市群土地集約利用與碳排放的變化趨勢(shì),因而沒(méi)能更好的結(jié)合相關(guān)理論明晰當(dāng)前關(guān)中城市群的發(fā)展階段并預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì),值得進(jìn)一步的研究與思考。
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