基于土地利用變化的廣州市碳排放效應(yīng)分析
——以近20a為例

劉鋒 楊木壯 趙冠偉 林彤

(廣州大學(xué)地理科學(xué)與遙感學(xué)院，廣東 廣州 510006)

前言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球碳排放量增多、溫室效應(yīng)加劇，人類生產(chǎn)和生活環(huán)境的日益惡劣，在此背景下節(jié)能減排與低碳發(fā)展逐漸成為世界各國(guó)的關(guān)注點(diǎn)。習(xí)近平總書記在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出，我國(guó)二氧化碳排放將力爭(zhēng)在2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，為應(yīng)對(duì)全球氣候變化作出了積極響應(yīng)。有資料顯示，土地利用變化造成的碳排放量是人類活動(dòng)碳排放總量的1/3[1]，且在過(guò)去的50a余里，我國(guó)由土地利用變化所導(dǎo)致的碳排放量高達(dá)106億t，占據(jù)世界各國(guó)土地利用覆被變化導(dǎo)致的碳排放總量的12%[2]。因此，土地利用變化及其碳排放效應(yīng)的研究具有重要意義。

關(guān)于土地利用碳排放的研究，國(guó)內(nèi)外研究主要有土地利用變化對(duì)于碳排放機(jī)制的研究、碳排放核算研究、碳排放效應(yīng)和影響因素分解研究[3,4]。如，Mahesh評(píng)估了干旱熱帶地區(qū)土地利用變化對(duì)土壤二氧化碳碳通量和土壤有機(jī)碳(SOC)儲(chǔ)量的影響[5]；黃美玲估算了長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳排放總量并分析了碳排放趨勢(shì)[6]；政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)編制的《國(guó)家溫室氣體清單指南》，為土地利用碳排放的核算提供了參考[7]；方精云和陳安平分析了中國(guó)森林植被的二氧化碳源匯功能[8]，為林地的碳匯核算提供了方法；張俊峰利用LMDI模型對(duì)影響城市圈土地利用碳排放的因素進(jìn)行分解，定量分析了武漢城市圈土地利用碳排放影響因素[9]。廣州市作為粵港澳大灣區(qū)的中心城市，在過(guò)去的20a間經(jīng)濟(jì)文化迅速發(fā)展、人口不斷聚集，土地利用也相應(yīng)的不斷變化，造成的土地利用變化的碳排放效應(yīng)也十分復(fù)雜，因此研究廣州市的土地利用/覆被變化情況并測(cè)算由此引起的碳排放效應(yīng)情況具有重要意義，本文基于市級(jí)尺度，通過(guò)對(duì)廣州市20a間土地利用變化的分析和碳排放量的估算，以期為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展相關(guān)政策制定提供一定的參考。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來(lái)源

本文以廣州市為研究區(qū)，廣州市地處中國(guó)南部、廣東省中南部、珠江三角洲中北緣，位于E112°57′～114°3′，N22°26′～23°56′，陸域總面積為7434.40km2，地處南方豐水區(qū)，屬于海洋性亞熱帶季風(fēng)氣候，境內(nèi)河流水系發(fā)達(dá)，大小河流(涌)眾多，水域面積廣闊，境內(nèi)有豐富的自然資源。截至2019年末，廣州市常住人口1530.59萬(wàn)人，城鎮(zhèn)化率為86.46%。2020年，廣州市實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值25019.11億元。

圖1 廣州市行政區(qū)劃圖

研究涉及數(shù)據(jù)包括廣州市2000年、2010年、2020年3期土地覆被、廣州市統(tǒng)計(jì)年鑒和廣州市縣級(jí)行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)。土地利用覆被數(shù)據(jù)源于GlobeLand30全球公共地理信息平臺(tái)(http://www.globallandcover.com/),為30m空間分辨率全球地表覆蓋數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總體精度達(dá)到80%以上，Kappa系數(shù)達(dá)到0.75以上，滿足研究要需求；廣州市統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)來(lái)源于廣州市統(tǒng)計(jì)局；廣州市縣級(jí)行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心。

2 研究方法

2.1 土地利用變化

土地利用分類根據(jù)研究需要，采用全國(guó)土地二級(jí)分類系統(tǒng)的一級(jí)分類，將廣州市土地利用類型重分類為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域、未利用地6類。

2.1.1 土地利用動(dòng)態(tài)指數(shù)

(1)

式中，K為研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)的土地利用動(dòng)態(tài)指數(shù)，取值[-1,1],使用百分?jǐn)?shù)表示；Ub、Ua分別為某種土地利用類型在研究時(shí)段結(jié)束和開始時(shí)的面積；T為研究年數(shù)。

2.1.2 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是根據(jù)同一地區(qū)不同時(shí)相的土地覆蓋現(xiàn)狀的轉(zhuǎn)化關(guān)系求得的一個(gè)二維矩陣，能夠簡(jiǎn)單、直觀地表示出研究時(shí)段內(nèi)各土地類型變化值及變化方向。本文利用Arcgis 10.2和Excel軟件對(duì)廣州市2000年、2010年、2020年3個(gè)時(shí)段的土地利用/覆被類型數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉分析，得到2000—2010年、2010—2020年和2000—2020年廣州市土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣。

2.2 碳效應(yīng)測(cè)算模型

碳效應(yīng)測(cè)算模型[11]用于定量計(jì)算土地利用/覆被變化所導(dǎo)致的各種碳效應(yīng)變化值。計(jì)算公式:

C=∑Si,j×Ti,j

(2)

式中，C為土地利用/覆被變化總碳效應(yīng)；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，km2；Ti,j為第i種土地利用類型轉(zhuǎn)換為第j種土地類型時(shí)碳效應(yīng)系數(shù)的變化值。

隨著氣候條件和耕種方法的不斷變化，主要病蟲害開始逐漸替代過(guò)去的次要病蟲害。同時(shí)，在種植過(guò)程中，大部分農(nóng)戶不能全面清晰地認(rèn)知和區(qū)分各種病蟲害，導(dǎo)致一方面控制力明顯不足，另一方面防治方法相對(duì)落后，對(duì)病蟲害的防治措施和效果不理想，從而影響小麥產(chǎn)量。

各地類中建設(shè)用地的碳效應(yīng)主要為用地上的人類生活、生產(chǎn)活動(dòng)，屬于碳源土地利用類型[12]。由于耕地的碳匯功能很弱，根據(jù)前人研究，耕地碳排放的主要途徑為農(nóng)業(yè)施用化肥、機(jī)械的使用以及灌溉等生產(chǎn)活動(dòng)[13]，因此本文將耕地歸為碳源。林地和草地的碳排放量小于碳固定量，視為碳匯。水域和未利用地因碳匯能力弱，且所占面積不大，故本文不做研究。

對(duì)于碳效應(yīng)系數(shù)，由于數(shù)據(jù)獲取限制，對(duì)于建設(shè)用地的碳排放系數(shù)，本文參考南靈、梅昀等研究方法，以第二、第三生產(chǎn)總值和單位GDP能耗來(lái)間接計(jì)算人類在利用建設(shè)用地從事各類活動(dòng)過(guò)程中所消耗的能源生產(chǎn)的碳排放量。其中K表示碳排放系數(shù)，具體計(jì)算過(guò)程：

Ei=(GDP2+GDP3)×J×K

(3)

式中，Ei表示建設(shè)用地碳排放量；GDP2為第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值;GDP3為第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值;J為單位GDP能耗;K=0.7476tC/t。通過(guò)《廣州市統(tǒng)計(jì)年鑒》相關(guān)數(shù)據(jù)，最終計(jì)算得到2000年、2010年、2020年廣州市建設(shè)用地碳排放系數(shù)分別為8864t·km-2、38926t·km-2、24697t·km-2。廣州市主要土地利用/覆被類型碳效益系數(shù)具體結(jié)果見表1。

表1 廣州市主要土地利用/覆被類型碳效應(yīng)系數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用/覆被變化分析

由土地利用分類結(jié)果統(tǒng)計(jì)可得2000年、2010年、2020年廣州市各類型土地面積，結(jié)合圖2對(duì)2000—2010年、2010—2020年和2000—2020年3個(gè)階段的土地利用/覆被變化進(jìn)行分析。

3.1.1 變化幅度分析

由表2可知，從面積變化上看廣州市2000—2010年土地利用類型的變化，草地和建設(shè)用地面積增加，耕地、林地、水域和未利用地面積減少，與2000年相比，2010年廣州市耕地面積凈減少101.96km2，林地凈減少11.64km2，草地面積凈增加14.27km2，水域面積凈減少0.44km2，建設(shè)用地面積凈增加129.49km2，未利用地面積凈減少2.14km2；從土地利用動(dòng)態(tài)指數(shù)上看，廣州市2000—2010年建設(shè)用地變化幅度最大，是土地利用變化的主要類型，動(dòng)態(tài)度指數(shù)為1.67%；未利用地次之，動(dòng)態(tài)指數(shù)為-1.37，而重要性指數(shù)建設(shè)用地為0.45,遠(yuǎn)大于未利用地的0.01。

表2 2000—2010年廣州市土地利用/覆被變化

由表3可知，從面積變化上看2010—2020年廣州市土地利用類型的變化，僅建設(shè)用地面積增加，耕地、林地、草地、水域和未利用地面積均減少，與2010年相比，廣州市2020年耕地面積凈減少515.81km2，林地面積減少317.23km2，草地面積減少132.94km2，水域面積減少7.61km2，建設(shè)用地面積增加980.69km2，未利用地減少7.10km2；從土地利用動(dòng)態(tài)指數(shù)來(lái)看，建設(shè)用地動(dòng)態(tài)指數(shù)最大，為10.86%，表明建設(shè)用地在2010—2020年依然為廣州市土地利用變化的主要類型。

表3 2010—2020年廣州市土地利用/覆被變化

由表4可知，從面積變化上看2000—2020年廣州市土地利用類型的變化，僅建設(shè)用地面積增加，耕地、林地、草地、水域和未利用地面積均減少，與2000年相比，廣州市2020年耕地面積凈減少617.78km2，林地面積減少328.87km2，草地面積減少118.67km2，水域面積減少35.62km2；，建設(shè)用地面積增加1110.18km2，未利用地減少9.24km2；從土地利用動(dòng)態(tài)指數(shù)來(lái)看，建設(shè)用地動(dòng)態(tài)指數(shù)最大，為14.36%，水域的最小，為0.56%，表明廣州市20a間土地利用變化的主要類型為建設(shè)用地，而土地變化類型最不明顯的為水域。

表4 2000—2020年廣州市土地利用/覆被變化

3.1.2 變化方向和強(qiáng)度分析

由表5可知，2000—2010年廣州市耕地的轉(zhuǎn)出方向主要是水域和建設(shè)用地，其中水域占耕地變化面積的38.40%，建設(shè)用地占耕地變化面積的39.68%，具體轉(zhuǎn)化數(shù)值，耕地轉(zhuǎn)水域面積為101.62km2，耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地面積105.00km2。隨著廣州市城市化、經(jīng)濟(jì)化建設(shè)的加強(qiáng)，廣州沿海地區(qū)的農(nóng)業(yè)人員的種植方式也在不斷的轉(zhuǎn)變，越來(lái)越多的農(nóng)業(yè)人員舍棄耕地種植，而選擇收入更高的海產(chǎn)等水產(chǎn)品養(yǎng)殖，從而產(chǎn)生耕地大量轉(zhuǎn)變?yōu)樗虻默F(xiàn)象，同時(shí)建設(shè)用地侵占耕地的現(xiàn)象也比較突出。林地向草地的轉(zhuǎn)換是其轉(zhuǎn)換的主要方向，轉(zhuǎn)化面積為96.54km2，經(jīng)計(jì)算該轉(zhuǎn)換占林地變化面積的59.00%；其次是耕地，轉(zhuǎn)化面積為37.68km2，轉(zhuǎn)換占林地變化面積的23%。建設(shè)用地面積增加的主要來(lái)源是耕地，轉(zhuǎn)化面積為105.00km2，占轉(zhuǎn)化面積的56.00%。建設(shè)用地轉(zhuǎn)出主要表現(xiàn)為向耕地和林地，轉(zhuǎn)化面積分別為23.91km2和17.02km2。說(shuō)明廣州市生態(tài)保護(hù)政策的出臺(tái)和相關(guān)生態(tài)保護(hù)工程的建設(shè)產(chǎn)生了一定的積極效果。水域的主要轉(zhuǎn)出類型為耕地，面積為94.03km2。

表5 2000—2010年廣州市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

由表6可知，2010—2020年廣州市耕地主要轉(zhuǎn)出方向依然為水域和建設(shè)用地，耕地的轉(zhuǎn)出主要分布在南沙中部、花都區(qū)的中西部和黃埔區(qū)南部地區(qū)，轉(zhuǎn)出面積分別為108.53km2和624.79km2，占耕地轉(zhuǎn)變面積的14.00%和81.00%。相比2000—2010年階段耕地的轉(zhuǎn)出活動(dòng)加強(qiáng)，耕地變化率由10.34%增加為31.50%。同時(shí)耕地轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地的面積大大增加，轉(zhuǎn)出面積為624.79km2，占建設(shè)用地增加總面積的61.51%，成為建設(shè)用地增加的重要來(lái)源，說(shuō)明建設(shè)用地侵占耕地的現(xiàn)象仍然突出，區(qū)域城鎮(zhèn)化過(guò)程繼續(xù)加快。林地向耕地、建設(shè)用地轉(zhuǎn)換面積分別為115.14km2和223.58km2，占林地面積變化面積的27.72%和53.82%。未利用地轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地面積為7.49km2，說(shuō)明部分未利用地得到有效的開發(fā)。

表6 2010—2020年廣州市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

由表7可知，20a間廣州市土地利用類型轉(zhuǎn)出最多的是耕地，增加最多的是建設(shè)用地，表明在2000—2020年建設(shè)用地侵占耕地的情況較多，大量耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，廣州市的快速城鎮(zhèn)化是耕地減少的主要原因。地類轉(zhuǎn)換上，耕地轉(zhuǎn)換為其它用地主要集中在南沙中部、花都區(qū)的中西部和黃埔區(qū)南部地區(qū)，水域轉(zhuǎn)換為其它用地主要集中在南沙南部沿海。

表7 2000—2020年廣州市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

3.2 土地利用變化的碳效應(yīng)分析

由表8可知，2000—2010年廣州市土地利用/覆被變化所帶來(lái)的碳排放量大于碳吸收量582.08萬(wàn)t，其中碳排放總量676.01萬(wàn)t，碳吸收總量93.93萬(wàn)t。在此期間，廣州市由于快速城鎮(zhèn)化的原因?qū)е陆ㄔO(shè)用地大量占用耕地，由此帶來(lái)的碳排放增量高達(dá)408.64萬(wàn)t，占總碳排放增量的60%。

表8 2000—2010年廣州市主要土地利用類型轉(zhuǎn)變及其引起的區(qū)域碳效應(yīng)變化

由表9可知，2010—2020年廣州市土地利用/覆被變化所帶來(lái)的碳排放量大于碳吸收量2491.54萬(wàn)t，其中碳排放總量2492.10萬(wàn)t，碳吸收總量0.55萬(wàn)t。可以看出，在此期間建設(shè)用地占用耕地、林地和草地是碳排放的主要來(lái)源，3類變化占碳排放總量的94.19%。與2000—2010年相比較，城市城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快。

表9 2010—2020年廣州市主要土地利用類型轉(zhuǎn)變及其引起的區(qū)域碳效應(yīng)變化

由表10可知，2000—2020年廣州市土地利用/覆被變化所帶來(lái)的碳排放量大于碳吸收量2817.47萬(wàn)t，其中碳排放總量2818.34萬(wàn)t，碳吸收總量0.86萬(wàn)t?？梢钥闯?，在此期間建設(shè)用地占用耕地、林地是碳排放的主要來(lái)源，2類地類變化碳排放占碳排放總量的81.44%。

表10 2000—2020年廣州市主要土地利用類型轉(zhuǎn)變及其引起的區(qū)域碳效應(yīng)變化

4 結(jié)論與討論

2000—2020年廣州市土地利用/覆被變化十分顯著，呈現(xiàn)出“一增五減”的特點(diǎn),即建設(shè)用地面積增加，耕地、林地、草地、水域、未利用地面積減少；由于城市化建設(shè)加快，建設(shè)用地為20a間土地利用變化最主要類型，2020年建設(shè)用地面積相比2000年增加了2.44倍，且土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)和土地利用變化重要性指數(shù)最大；耕地面積加速減少，在2000—2010年減少4.00%，在2010—2020年減少21.01%，20a間耕地總體面積減少了24.16%。

在2000—2010年，2010—2020年各類用地之間的轉(zhuǎn)換呈現(xiàn)多向性的復(fù)雜特征。其中主要地類的轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾土值剞D(zhuǎn)化為建設(shè)用地，整體呈現(xiàn)出生態(tài)逆向演變。耕地面積減少部分除了轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，其次就是水域，這與經(jīng)濟(jì)發(fā)展促使沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)人員生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變密切相關(guān)，從耕地種植轉(zhuǎn)變?yōu)闈O業(yè)養(yǎng)殖。

土地利用格局的變化直接影響著區(qū)域碳效應(yīng)。廣州市20a間土地利用/覆被變化所帶來(lái)的碳排放量比碳吸收量多2817.47萬(wàn)t，其中碳匯總量為0.86萬(wàn)t，碳源總量為2818.34萬(wàn)t；3個(gè)年份的建設(shè)用地碳排放系數(shù)先增后減，說(shuō)明廣州市近10a間的能源使用效率有所增加；2000—2010年、2010—2020年廣州市土地利用/覆被變化帶來(lái)的碳排放量比碳吸收量分別多582.08萬(wàn)t和2491.54萬(wàn)t，碳排放量大大增加。

根據(jù)研究結(jié)果并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際，提出促進(jìn)廣州市土地資源低碳可持續(xù)利用的建議。優(yōu)化廣州市的土地利用結(jié)構(gòu),建設(shè)用地是主要的碳排放用地，要防止建設(shè)用地的無(wú)序、盲目擴(kuò)張，合理控制建設(shè)用地的增加量。對(duì)于存在的建設(shè)用地違規(guī)占用問(wèn)題，要拆除相關(guān)建筑，加強(qiáng)監(jiān)督管理，同時(shí)增加對(duì)林地、草地的培育和保護(hù)；控制能源消費(fèi)總量，提升能源使用效率，建設(shè)用地上的能源消耗是碳排放的主要來(lái)源之一，因此要合理的制定城市能源消耗的總量目標(biāo)，優(yōu)化廣州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。對(duì)于碳排放量較高的產(chǎn)業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)換升級(jí)，大力開發(fā)太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源，逐漸擺脫以化石能源為主的能源消費(fèi)現(xiàn)狀。