基于RS和GIS的深圳市土地利用/覆被變化及碳效應(yīng)分析

裴 杰, 王 力, 柴子為, 扶卿華, 牛 錚

(1.中國科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所 遙感科學(xué)國家重點實驗室, 北京 100101; 2.中國科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049; 3.廣東省環(huán)境監(jiān)測中心, 廣州 510308; 4.珠江水利委員會 珠江水利科學(xué)研究院, 廣州 510611)

基于RS和GIS的深圳市土地利用/覆被變化及碳效應(yīng)分析

裴 杰1,2, 王 力1, 柴子為3, 扶卿華4, 牛 錚1

(1.中國科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所 遙感科學(xué)國家重點實驗室, 北京 100101; 2.中國科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049; 3.廣東省環(huán)境監(jiān)測中心, 廣州 510308; 4.珠江水利委員會 珠江水利科學(xué)研究院, 廣州 510611)

基于多時相遙感影像數(shù)據(jù)，結(jié)合能源消費數(shù)據(jù)和相關(guān)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，利用RS和GIS技術(shù)分析了2005—2013年廣東省深圳市土地利用/覆被變化情況及其導(dǎo)致的碳效應(yīng)變化。結(jié)果表明：近9 a來深圳市土地利用變化十分顯著，作為區(qū)域內(nèi)最大碳匯的林地面積下降14.96%，凈減少量為11 524.32 hm2，而最大碳源的建設(shè)用地面積上升23.26%，凈增加量高達18 565.39 hm2，其他用地類型如耕地、草地、水域面積分別減少37.17%，31.98%，11.56%，未利用地面積增加713.28%；從方向性來看，9 a內(nèi)研究區(qū)土地轉(zhuǎn)移過程中既有生態(tài)正向演變，也同時存在生態(tài)逆向演變過程。既有耕地的非農(nóng)化，也包括建設(shè)用地的復(fù)墾退出，整體呈現(xiàn)非單向性的復(fù)雜特征；從數(shù)量特征來看，林地是最大的轉(zhuǎn)出者，耕地次之，而建設(shè)用地是最大的接收者；基于碳效應(yīng)測算模型，計算得出研究區(qū)近9 a來土地利用/覆被變化造成的碳排放增量超過碳吸收增量高達85.41萬t，說明人為活動和自然因素共同作用下的土地利用格局變化直接影響著區(qū)域碳循環(huán)過程，深圳市低碳城市建設(shè)目標(biāo)面臨嚴峻挑戰(zhàn)。

土地利用變化; 遙感; GIS; 碳排放; 深圳市

由大氣中CO2濃度增加所導(dǎo)致的全球氣候變暖加劇，已引起世界各國政府和科研工作者的高度關(guān)注。有資料測算到2011年，大氣CO2含量已經(jīng)高達391 mg/kg，為第一次工業(yè)革命即1750年以前的1.4倍[1]。已有研究表明，土地利用/覆被變化在1850—1990年所造成的碳排放占據(jù)人類活動總影響的1/3，僅次于化石能源燃燒[2]。與此同時，中國在過去的50多年里，由土地利用變化所導(dǎo)致的碳排放高達1.06×1010t，為同期人為影響下碳排放總量的30%，占據(jù)世界各國土地利用/覆被變化導(dǎo)致的碳排放總量的12%[3]。研究區(qū)域范圍內(nèi)土地利用/覆被變化和碳排放之間的耦合關(guān)系，已經(jīng)成為眾多相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者研究的熱點問題。國外學(xué)者早在20世紀80年代，就已經(jīng)開展土地利用結(jié)構(gòu)變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)方面影響的研究工作。例如，Houghton[4]展開了過去135年間陸地碳庫的變化研究；Koerner等[5]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(主要是土地利用變化)和自然源展開了研究；Ali等[6]以巴基斯坦拉合爾都市區(qū)為例，評估了碳排放、能源利用以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)研究晚于西方國家，但近些年也取得了豐碩的研究成果。這些研究主要集中于農(nóng)田[7]、森林[8]、草地[9]等典型陸地生態(tài)系統(tǒng)碳效應(yīng)研究，以及不同空間尺度上的碳效應(yīng)研究，包括全國尺度[10]、省域尺度[11-16]、市縣尺度[17-20]等。

根據(jù)國際能源署的測算資料，2007年中國能源燃燒導(dǎo)致的溫室氣體排放占據(jù)同期全球總量的1/5，超過美國，成為第一大溫室氣體排放國。面對國際社會與日俱增的碳減排壓力，中國國家發(fā)改委于2010年下發(fā)了《關(guān)于開展低碳省區(qū)和低碳城市試點工作的通知》，廣東省被列為首批國家低碳試點區(qū)域之一[21]。次年，中國啟動碳交易試點，深圳市成為7個試點城市之一。為了進一步轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式，堅持優(yōu)先發(fā)展低碳經(jīng)濟，深圳市于2012年出臺了《深圳經(jīng)濟特區(qū)碳排放管理若干規(guī)定》。作為廣東省改革開放之后最先發(fā)展起來的新型城市，深圳市地處珠江三角洲核心經(jīng)濟圈，近年來人為活動影響下的土地利用變化顯著，由此帶來的碳減排任務(wù)相當(dāng)嚴峻。現(xiàn)有研究所采用的土地利用/覆被數(shù)據(jù)大多來源于地方統(tǒng)計資料，而這些資料往往不能及時更新，應(yīng)用性有待進一步提高。遙感技術(shù)以其宏觀性、實時性的優(yōu)勢，可以用來研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)及其變化。本文以廣東省深圳市為研究區(qū)，借助衛(wèi)星遙感影像解譯得到的土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS技術(shù)對2005—2013年近9 a來土地利用變化格局，以及由此引起的碳排放效應(yīng)進行研究，以期為深圳市土地利用結(jié)構(gòu)合理配置和低碳城市建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

深圳市地處中國東南沿海，毗鄰香港，位于珠江口東岸，地理坐標(biāo)介于東經(jīng)113°46′—114°37′，北緯22°27′—22°52′。深圳屬亞熱帶海洋性氣候，溫潤宜人，降水量充沛。境內(nèi)擁有多條水系，海洋資源非常豐富，常年平均氣溫為22.4℃，平均年降雨量達1 933.3 mm。全市土地總面積為1 991.64 km2，僅占廣東全省面積的1%。全市現(xiàn)下轄6個行政區(qū)與4個新區(qū)，分別為鹽田區(qū)、龍崗區(qū)、羅湖區(qū)、福田區(qū)、南山區(qū)、寶安區(qū)、光明新區(qū)、龍華新區(qū)、坪山新區(qū)、大鵬新區(qū)。深圳自2010年7月1日起，將經(jīng)濟特區(qū)范圍延伸到全市。截至2013年末，全市常住人口1 062.89萬人，其中戶籍人口僅310.47萬人。作為珠江三角洲經(jīng)濟圈的核心城市之一，深圳市經(jīng)濟發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)化率高達100%。2013年，深圳市國內(nèi)生產(chǎn)總值達到14 500.23億元，僅次于省會廣州市，人均GDP更是位居全省第一。然而，近年來區(qū)域內(nèi)城市建設(shè)用地占用農(nóng)用地現(xiàn)象比較突出，經(jīng)濟發(fā)展所帶來的土地利用類型轉(zhuǎn)變及其環(huán)境效應(yīng)十分顯著。因此，開展土地利用變化及碳排放效應(yīng)研究具有一定的現(xiàn)實迫切性，有助于探索實現(xiàn)深圳市低碳化城市建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展模式，同時可為其他同類城市提供一定的借鑒意義。

1.2 數(shù)據(jù)來源及影像解譯

本文選取多時相遙感影像數(shù)據(jù)，作為研究深圳市土地利用/覆被變化的主要數(shù)據(jù)來源，遙感數(shù)據(jù)分別為2005年中巴地球資源衛(wèi)星02星(CBERS-02)CCD數(shù)據(jù)和2013年美國陸地衛(wèi)星Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)。其中，CBERS-02 CCD多光譜相機包含5個波段，分別為B1(0.45～0.52 μm)，B2(0.52～0.59 μm)，B3(0.63～0.69 μm)，B4(0.77～0.89 μm)，B5(0.51～0.73 μm)，空間分辨率達到19.6 m，幅寬113 km，重復(fù)觀測周期為26 d[22]，此數(shù)據(jù)由衛(wèi)星地面接收站購買所得。Landsat 8陸地成像儀OLI包括8個空間分辨率為30 m的多光譜數(shù)據(jù)和1個分辨率為15 m的全色波段，成像幅寬185 km，重返周期為16 d[23]，此數(shù)據(jù)從美國地質(zhì)勘探局USGS官方網(wǎng)站(http:∥glovis.usgs.gov/)免費下載得到。

根據(jù)解譯需要，對獲取的衛(wèi)星遙感影像用ENVI 4.8軟件進行輻射定標(biāo)、幾何校正、大氣糾正、波段合成、圖像鑲嵌等預(yù)處理工作。由于Landsat 8 OLI發(fā)布的數(shù)據(jù)產(chǎn)品已經(jīng)進行了幾何校正，無需重復(fù)操作。

具體影像解譯過程如下：由于同一類型地物的影像特征在不同地域不同時間是不同的，為保證解譯工作的精度，必須首先建立不同時相的遙感影像資料土地利用類型解譯標(biāo)志數(shù)據(jù)庫。利用ArcGIS 9.3軟件進行目視解譯，對照土地利用類型遙感解譯標(biāo)志庫，對遙感影像上的各種地物進行判讀與勾畫，最終得到兩時相土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)，可以作為土地利用/覆被變化定量計算的依據(jù)。同時，室內(nèi)解譯成果需進行野外核查。具體過程為：抽取不同地物類型的樣本，以及勾畫地物邊界到實地進行驗證，對錯判誤判的斑塊進行修正，并對室內(nèi)判讀困難的地塊進行實地考察，標(biāo)注類型，同時完善補充土地利用類型遙感解譯標(biāo)志數(shù)據(jù)庫，提高室內(nèi)判讀精度。根據(jù)野外核查結(jié)果統(tǒng)計所得，研究區(qū)土地利用/覆蓋的解譯總體精度可達85%以上的區(qū)域占全市陸地面積的90%。其中一級分類解譯精度較高，二級分類解譯精度稍低。

本研究中，土地利用/覆被數(shù)據(jù)采用全國土地二級分類系統(tǒng)[22]進行分類：一級分為6類，包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地(即城鄉(xiāng)、工礦、居民用地)及未利用土地；二級分為26個子類型。出于研究的需要，本文直接采用一級分類，深圳市2005年和2013年的土地利用/覆被類型矢量圖。另外，深圳市耕地、林地和草地的碳效應(yīng)系數(shù)來源于已公開發(fā)表的文獻資料，而用于計算建設(shè)用地碳排放系數(shù)的能源消費數(shù)據(jù)來源于《深圳市統(tǒng)計年鑒2014》。

2 研究方法

2.1 土地利用變化

在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上，本文嘗試采用多參數(shù)綜合評價的方法，定量化描述深圳市近9 a來土地利用變化的數(shù)量和方向，為碳效應(yīng)的測算做好準(zhǔn)備工作。

2.1.1 土地利用動態(tài)度指數(shù) 土地利用動態(tài)度指數(shù)主要用于計算某土地利用類型變化的數(shù)量值，同時也可用來估計未來若干年內(nèi)土地利用變化趨勢[24]。其計算公式如下：

(1)

式中：K為研究區(qū)一定時間范圍內(nèi)的土地利用動態(tài)度指數(shù)，取值[-1,1]，百分數(shù)表示；Ub，Ua分別為某種土地利用類型在研究時段結(jié)束和開始時的面積；T為研究年數(shù)。

2.1.2 土地利用變化重要性指數(shù) 土地利用變化重要性指數(shù)主要用于篩選出研究區(qū)主要的土地利用變化類型，該指標(biāo)值越大，則對應(yīng)的土地利用類型越占主導(dǎo)地位[25]。該指標(biāo)計算公式如下：

(2)

(3)

式中：Di為第i種土地利用/覆被類型的土地利用變化重要性指數(shù)，其值為0～1；Ai為第i類土地利用/覆被變化面積；A為研究區(qū)一定時間段內(nèi)的所有土地利用變化面積總和。

2.1.3 土地利用程度綜合指數(shù) 土地利用程度綜合指數(shù)主要用來定量測算研究區(qū)在特定時期內(nèi)的土地利用綜合程度，不同時段該指數(shù)的變化可以反映研究區(qū)土地利用綜合程度的變化趨勢[26]。該指標(biāo)的計算公式如下所示：

(4)

式中：Mcontent[100,400]；Bj為研究區(qū)內(nèi)第j級土地利用程度分級指數(shù)；Pj為研究區(qū)內(nèi)第j級土地利用程度分級面積百分比；n為土地利用程度分級數(shù)，見表1。

表1土地利用程度分級指數(shù)[26]

土地利用/覆被類型分級指數(shù)未利用土地1草地、水域2林地、耕地3建設(shè)用地4

2.1.4 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣主要通過建立二維矩陣的形式，分析研究時段內(nèi)研究區(qū)各土地利用/覆被類型轉(zhuǎn)變的方向。具體操作為：采用ArcGIS 10.0軟件對2005年、2013年兩個時段的土地利用/覆被類型數(shù)據(jù)進行交叉分析(ArcToolbox->Analysis Tools->Overlay->Intersect)，接著運用Excel作數(shù)據(jù)透視表處理，得到2005—2013年深圳市土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣。

2.2 碳效應(yīng)測算模型

本文在參考前人研究[27]的基礎(chǔ)上，通過建立碳效應(yīng)測算模型來定量地計算深圳市2005—2013年土地利用/覆被變化導(dǎo)致的碳效應(yīng)變化值。需要明確的是，這里的碳效應(yīng)變化值僅指轉(zhuǎn)換型[28]的土地利用/覆被變化導(dǎo)致的碳效應(yīng)，即由土地利用/覆被變化導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)類型更替所帶來的碳排放或吸收。對于漸變型的土地利用/覆被變化(如森林、草地退化等)，因相關(guān)研究數(shù)據(jù)的不足，本文沒有考慮在內(nèi)。深圳市碳效應(yīng)測算模型的計算公式如下：

C=∑Si,j×Ti,j

(5)

式中：C為深圳市2005—2013年土地利用/覆被變化總碳效應(yīng)(萬t)；Si,j為第i種土地利用類型轉(zhuǎn)換為第j種土地類型的面積(hm2)；Ti,j為第i種土地利用類型轉(zhuǎn)換為第j種土地類型時碳效應(yīng)系數(shù)的變化值。

2.3 碳效應(yīng)系數(shù)的確定

根據(jù)方精云等[29]的解釋，碳匯為固定碳量大于排放碳量的生態(tài)系統(tǒng)，反之則該生態(tài)系統(tǒng)為碳源。本文據(jù)此將深圳市土地利用/覆被類型分為碳源和碳匯兩種。建設(shè)用地(即城鄉(xiāng)、工礦、居民用地)因城鎮(zhèn)聚居區(qū)取暖、工礦用地的工藝排放等過程存在大量的能源消費，屬于土地利用的間接碳排放[17],因此歸為碳源。盡管耕地上的作物在生育期期間會通過光合作用固定一定的碳，但是在短期內(nèi)又會釋放到大氣中，因此不考慮其碳匯功能。有研究[7]將農(nóng)業(yè)化肥、農(nóng)業(yè)機械使用和灌溉等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的投入所排放的碳視為耕地主要碳排放途徑，本文采用同樣的處理，因而耕地也屬于碳源。根據(jù)當(dāng)前的研究，林地和草地一致地被視為典型的碳匯。水域和未利用地因其所占面積很小，碳匯能力很弱，故本文不作研究。

2.3.1 碳匯系數(shù)的確定 林地和草地作為深圳市主要的碳匯類型，對于區(qū)域碳平衡起著至關(guān)重要的作用。但由于缺少相關(guān)試驗數(shù)據(jù)的支持，本文采用和大多數(shù)研究相同的處理，即根據(jù)方精云等[29]所測得的中國區(qū)域內(nèi)森林和草地植被碳匯值，作為深圳市林地和草地碳匯系數(shù)的參考。林地碳匯系數(shù)為-0.57 t/hm2，草地碳匯系數(shù)為-0.021 t/hm2(負號表示碳吸收)。

2.3.2 碳源系數(shù)的確定 根據(jù)高奇等[30]在前人研究的基礎(chǔ)上，對全國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放系數(shù)進行科學(xué)合理的修正得到深圳市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放系數(shù)0.079 t/hm2(正號表示碳排放)，本文也將耕地的碳源系數(shù)設(shè)為該值。由于當(dāng)前我國尚且缺乏碳排放量的直接監(jiān)測數(shù)據(jù)，絕大多數(shù)的相關(guān)研究都是采用間接估算法，即利用生產(chǎn)生活中各種化石能源的消費量、各種化石能源轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤的轉(zhuǎn)換系數(shù)和對應(yīng)的碳排放系數(shù)間接估算建設(shè)用地碳排放量[13-14]。本文借鑒間接估算法，計算深圳市建設(shè)用地碳排放總量，這里的化石能源是指原油、原煤、汽油、柴油、煤油、燃料油、天然氣和液化石油氣等深圳市主要的8種生產(chǎn)生活所需能源。具體計算公式如下：

Ec=∑ei=∑αi×δi×θi

(6)

式中：Ec為深圳市建設(shè)用地總碳排放量；ei為第i種化石能源碳排放量；αi，δi，θi分別為第i種化石能源年消耗量(以2013年數(shù)據(jù)為準(zhǔn))、第i種化石能源轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤的轉(zhuǎn)換系數(shù)以及對應(yīng)的碳排放系數(shù)。其中，各種化石能源標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)換系數(shù)和對應(yīng)的碳排放系數(shù)分別參考《中國能源統(tǒng)計年鑒》、IPCC《國家溫室氣體排放清單指南》(2006年)，詳見表2。

表2 深圳市主要化石能源消耗量、標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)換系數(shù)和碳排放系數(shù)

由公式(6)和表2的相關(guān)數(shù)據(jù)計算得出，2013年深圳市建設(shè)用地碳排放總量為4 092 917.85 t,該值除以深圳市2013年建設(shè)用地面積(98 369.46 hm2)，即得出深圳市建設(shè)用地碳源系數(shù)為41.61 t/hm2。通過以上分析和計算，確定了深圳市不同土地利用/覆被類型碳效應(yīng)系數(shù)，見表3。

表3 深圳市主要土地利用/覆被類型碳效應(yīng)系數(shù)

注：負號表示碳吸收，—表示不考慮。

3 結(jié)果與分析

3.1 深圳市近9 a土地利用/覆被變化分析

3.1.1 變化幅度分析 為定量分析深圳市近9 a來土地利用/覆被變化情況，本文對每種土地利用類型的面積及比例變化，以及土地利用動態(tài)度指數(shù)、土地利用變化重要性指數(shù)、土地利用程度綜合指數(shù)進行科學(xué)計算，結(jié)果見表4。

表4 2005-2013年深圳市土地利用/覆被變化

2005—2013年深圳市土地利用類型整體呈現(xiàn)“4減2增”的特點，即耕地、林地、草地、水域面積減少，建設(shè)用地和未利用地面積增加。與2005年相比，2013年深圳市耕地面積凈減少6 296.39 hm2，減少幅度達37.17%；林地面積凈減少11 524.32 hm2，減少幅度為14.96%；草地面積凈減少1 706.63 hm2，減少幅度達31.98%；水域面積凈減少685.80 hm2，減少幅度為11.56%；建設(shè)用地面積凈增加18 565.39 hm2，增加幅度僅為23.26%；未利用地的凈增加量僅為63.87 hm2，但增加幅度超過700%。各類土地利用指數(shù)計算結(jié)果顯示，未利用地的動態(tài)度高達89.16%，而其土地利用變化重要性指數(shù)僅為0.16%，表明盡管絕對增幅最大，但未利用地并不是該區(qū)域土地利用變化中主要的土地類型。相反地，建設(shè)用地動態(tài)度僅為2.91%，但其重要性指數(shù)達到47.80%，表明建設(shè)用地是深圳市土地利用變化中最重要的土地類型。根據(jù)土地利用程度綜合指數(shù)計算結(jié)果，2013年綜合指數(shù)值(348.69)高于2005年(337.02)，表明深圳市9 a來土地利用綜合水平得到一定程度的提升。

3.1.2 變化方向和強度分析 為了進一步研究深圳市2005—2013年土地利用類型變化方向，利用ArcGIS 10.0和Excel軟件制作了2005—2013年深圳市土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣(表5)。

表5 深圳市2005-2013年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣分析 hm2

由表5可以看出，深圳市2005—2013年土地利用變化整體呈現(xiàn)一種土地類型向多種其他類型轉(zhuǎn)變的特征。具體分析如下：

(1) 耕地向林地、草地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)換是其面積減少的主要原因，分別占據(jù)耕地變化面積的4.07%，3.16%，89.47%，耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換面積(5 913.04 hm2)占建設(shè)用地增加面積(18 565.39 hm2)31.85%，建設(shè)用地侵占農(nóng)田現(xiàn)象比較突出，區(qū)域城鎮(zhèn)化過程加快。耕地向林/草地的轉(zhuǎn)變是生態(tài)正向演變過程，可顯著增強陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能[27]。

(2) 林地向耕地、建設(shè)用地、水域轉(zhuǎn)換面積分別占林地變化總面積(11 524.32 hm2)的1.78%，92.95%，4.64%。林地向耕地轉(zhuǎn)變屬于生態(tài)逆向演變，一定程度上反映了人類行為的農(nóng)業(yè)活動。而林地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地的面積(11 643.43 hm2)占建設(shè)用地增加總面積的62.72%，即林地轉(zhuǎn)換是建設(shè)用地面積增加的最大來源。

(3) 草地向林地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)變是其面積減少的最主要原因，分別占草地變化面積的18.47%，74.72%。草地向林地轉(zhuǎn)變，體現(xiàn)了植被在自然狀態(tài)下的恢復(fù)過程，或者人文因素驅(qū)動下的植樹造林等生態(tài)建設(shè)工程，同樣屬于生態(tài)正向演變。

(4) 建設(shè)用地主要表現(xiàn)為向林地轉(zhuǎn)變，僅為526.38 hm2。建設(shè)用地復(fù)墾退出一定程度上會提高區(qū)域碳匯水平，但是其絕對轉(zhuǎn)換量僅占建設(shè)用地增加面積的2.84%。

(5) 水域和未利用地的主要轉(zhuǎn)出類型皆為建設(shè)用地，轉(zhuǎn)換面積分別為924.48，3.10 hm2。

總體上看，林地是最大的轉(zhuǎn)出者，耕地次之，而建設(shè)用地是最大的接收者。表明隨著深圳市近些年來經(jīng)濟社會的發(fā)展，城市建設(shè)用地的需求不斷增加，耕地和林地面積大幅縮小，如何在保證深圳市經(jīng)濟社會平衡快速發(fā)展的前提下，加強生態(tài)建設(shè)，做好耕地保護工作，探索土地利用的低碳發(fā)展模式，實現(xiàn)低碳城市建設(shè)的目標(biāo)，已成為當(dāng)前深圳市可持續(xù)發(fā)展的重中之重。

3.2 土地利用變化的碳效應(yīng)分析

土地利用變化對區(qū)域碳循環(huán)的影響主要通過改變自然碳過程和人為能源消費格局及其組合關(guān)系，從而引起自然和人為活動碳排放強度的改變來體現(xiàn)[20]。本文應(yīng)用碳效應(yīng)測算模型，結(jié)合相關(guān)土地利用數(shù)據(jù)，估算出2005—2013年深圳市主要的8種土地利用類型轉(zhuǎn)變所帶來的區(qū)域碳效應(yīng)變化(以碳排放增量與碳吸收增量的差值表示)，最終的結(jié)果見表6。

表6 2005-2013年深圳市主要8種土地利用類型轉(zhuǎn)變及其引起的區(qū)域碳效應(yīng)變化

注：負號表示碳吸收，—表示不考慮。

表6中所列的8種土地利用轉(zhuǎn)換類型占深圳市所有和區(qū)域碳循環(huán)相關(guān)的12種土地轉(zhuǎn)換類型面積(22 613.65 hm2)的99.53%，其結(jié)果基本可以解釋研究區(qū)土地利用變化所帶來的碳效應(yīng)改變。根據(jù)表6計算結(jié)果，2005—2013年深圳市土地利用/覆被變化帶來的碳排放增量高于碳吸收增量達85.41萬t。其中，生態(tài)系統(tǒng)的正向演變(退耕還林/草、草地轉(zhuǎn)換為林地)以及建設(shè)用地復(fù)墾退出所造成的碳匯增量達2.25萬t。與此同時，生態(tài)系統(tǒng)逆向演變(建設(shè)用地侵占農(nóng)用地、林地轉(zhuǎn)換為耕地)所帶來的碳排放增量高達87.67萬t，約為前者的39倍。數(shù)據(jù)顯示，盡管毀林造田導(dǎo)致區(qū)域碳排放增加144.44 t，但仍不及耕地向林地轉(zhuǎn)換所帶來的碳匯增量(174.74 t)，這主要受益于“退耕還林”生態(tài)保護政策的實施。此外，區(qū)域新型城鎮(zhèn)化、工業(yè)化導(dǎo)致建設(shè)用地占用耕地所帶來的碳排放增量高達24.56萬t，占總碳排放增量的28.01%。

林地作為區(qū)域內(nèi)最大的碳匯，所帶來的生態(tài)效益非常顯著，在低碳城市建設(shè)過程中對于碳增匯具有舉足輕重的地位，深圳市未來城市發(fā)展中，必須堅持貫徹落實“退耕還林”政策，杜絕毀林造田現(xiàn)象。同時，雖然建成區(qū)擴張為城市建設(shè)提供了最大的發(fā)展引擎，但是由此造成建設(shè)用地面積急劇增加所帶來的大量碳排放，已背離低碳建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展道路。因此，在后續(xù)的區(qū)域發(fā)展中，如何解決好城市建設(shè)、生態(tài)保護和耕地保護三者的協(xié)同發(fā)展問題，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的綠色低碳經(jīng)濟，是考驗深圳市政府和相關(guān)科研工作者的一道難題。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

(1) 在區(qū)域新型城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進程加快的經(jīng)濟發(fā)展大背景下，2005—2013年深圳市土地利用/覆被變化顯著，土地利用變化整體呈現(xiàn)“4減2增”的特點，即耕地、林地、草地、水域面積分別減少37.17%，14.96%，31.98%，11.56%，建設(shè)用地和未利用地面積分別增加23.26%，713.28%。土地利用變化表明深圳市近9 a經(jīng)濟建設(shè)是以生態(tài)破壞為代價，如何維持城市建設(shè)與生態(tài)保護二者之間的平衡是深圳市未來城市發(fā)展的首要問題。

(2) 碳效應(yīng)測算模型結(jié)果表明，2005—2013年深圳市土地利用/覆被變化帶來的碳排放增量高于碳吸收增量達85.41萬t。其中，生態(tài)正向演變以及建設(shè)用地復(fù)墾退出所造成的碳匯增量為2.25萬t，而生態(tài)逆向演變所帶來的碳排放增量高達87.67萬t。人為活動和自然因素共同作用下的土地利用格局變化直接影響著區(qū)域碳循環(huán)，深圳市低碳城市建設(shè)目標(biāo)面臨嚴峻挑戰(zhàn)。

4.2 建 議

基于以上結(jié)論，結(jié)合經(jīng)濟新常態(tài)和新型城鎮(zhèn)化對土地政策的新要求，本文嘗試從碳減排和碳增匯兩方面針對性提出相關(guān)建議，以期建立低碳土地利用體系，為深圳市碳減排工作的順利開展提供科學(xué)參考。

(1) 碳減排方面，深圳市在后續(xù)的城市建設(shè)中，要嚴格限制建設(shè)用地過度擴展，注重集約節(jié)約用地，避免低水平重復(fù)建設(shè)所帶來的碳排放；提升能源使用效率，減少對傳統(tǒng)化石能源的過度依賴，集中力量優(yōu)先發(fā)展綠色清潔能源，如風(fēng)能、太陽能、水能等；加強農(nóng)田管理，改進施肥、灌溉措施，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，減少農(nóng)田耕作造成的碳排放。

(2) 碳增匯方面，繼續(xù)大力推進“退耕還林/草”政策，增加深圳市的森林覆蓋率，減少人為活動對森林、草地生態(tài)系統(tǒng)的破壞，做好生態(tài)保護工作，提升區(qū)域碳匯水平。

雖然本文通過科學(xué)的方法和模型估算了深圳市近9 a土地利用/覆被變化導(dǎo)致的碳效應(yīng)，但仍存在需要進一步完善的地方。具體表現(xiàn)在：(1) 由于缺少野外實測數(shù)據(jù)，林/草地和耕地的碳效應(yīng)系數(shù)直接采用前人的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，沒有考慮到土地利用的復(fù)雜性和空間異質(zhì)性[31]，研究結(jié)果的精度有待進一步提升；(2) 本文僅考慮主要的8種“轉(zhuǎn)換型”土地利用變化，不考慮“漸變型”的土地利用/覆被變化所帶來的碳效應(yīng)，造成碳效應(yīng)估算結(jié)果存在一定的誤差。在下一步的研究工作中，將著重收集更詳實的研究數(shù)據(jù)，計算符合區(qū)域土地利用特性的碳效應(yīng)系數(shù)，提高研究結(jié)果精度。

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LandUse/CoverChangeandCarbonEffectinShenzhenCityBasedonRSandGIS

PEI Jie1,2, WANG Li1, CHAI Ziwei3, FU Qinghua4, NIU Zheng1

(1.StateKeyLaboratoryofRemoteSensingScience,InstituteofRemoteSensingandDigitalEarth,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China; 2.CollegeofResourcesandEnvironment,UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 3.GuangdongEnvironmentalMonitoringCenter,Guangzhou510308,China; 4.PearlRiverHydraulicResearchInstitute,PearlRiverWaterResourcesCommission,Guangzhou510611,China)

Based on the multi-temporal remote sensing images, combined with energy consumption data and relevant empirical data, RS and GIS technologies were employed to analyze the land use/cover change and its impact on carbon cycle in Shenzhen City, Guangdong Province from 2005 to 2013. Results show that land use in Shenzhen City has undergone a remarkable change in the recent 9 years. The area of forest land, the largest carbon sink in the region, has decreased by 14.96%, and its net reduction is 11 524.32 hm2. In contrast, construction land, the largest carbon source, its area has increased by 23.26%, and its net increase reaches up to 18 565.39 hm2. As for other land use types such as cultivated land, grassland and water area, their areas have reduced by 37.17%, 31.98% and 11.56%, respectively, while unutilized land area has been boosted by 713.28%. In the aspect of direction, the process of land conversion within study area in the recent 9 years includes both positive ecological evolution and adverse ecological evolution. Besides, it also comprises non-agriculturalization of cultivated land together with reclamation and exit of construction land. In general, land conversion process shows complicated characteristics of non-unidirectionality. From the perspective of numerical characteristics, forestland is the largest contributor in area transfer, followed by cultivated land, while construction land is the largest acceptor. Based on the carbon effect calculation model, we estimate that, caused by land use/cover change in study area in the recent 9 years, carbon emission increment has outnumbered carbon absorption increment by 854 100 tons. The fact reflects that land use pattern change under the influence of human activities and natural factors directly affects regional carbon cycle. Thus, Shenzhen City has to confront a severe challenge in low-carbon city construction project.

land use change; remote sensing; GIS; carbon emission; Shenzhen City

2016-05-13

：2016-06-06

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2014AA06A511);國家科技重大專項(高分專項)(20-Y30B17-9001-14/16);國家自然基金面上項目(41371358)

裴杰(1993—),男,安徽銅陵人,碩士研究生,研究方向為全球變化遙感。E-mail:peijie_radi@foxmail.com

王力(1981—),男,河北邢臺人,博士,副研究員,主要從事全球變化遙感研究。E-mail:wangli@radi.ac.cn

TP79；F301.2

：A

：1005-3409(2017)03-0227-07