“雙碳”目標(biāo)下張家口市“三生”空間格局演化及碳效應(yīng)研究

劉天昊 冀正欣段亞明 許月卿,?

北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 第59卷 第3期 2023年5月

Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 59, No. 3 (May 2023)

10.13209/j.0479-8023.2023.025

國(guó)家自然科學(xué)基金(41971238)資助

2022–05–24;

2022–08–15

“雙碳”目標(biāo)下張家口市“三生”空間格局演化及碳效應(yīng)研究

劉天昊1,2,*冀正欣1,2,*段亞明1,2許月卿1,2,?

1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 北京 100193; 2.自然資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100193;*同等貢獻(xiàn)作者; ?通信作者, E-mail: xmoonq@sina.com

基于“三生”空間識(shí)別與碳源(匯)屬性分類體系, 分析 2000—2020 年張家口市“三生”空間格局演化特征, 測(cè)算“三生”空間垂直方向和水平方向的碳效應(yīng), 探討“三生”空間演化的生態(tài)關(guān)系及其對(duì)碳效應(yīng)的影響。結(jié)果表明, 2000—2020 年張家口市“三生”空間時(shí)空格局變化顯著, 生態(tài)空間增加710.24 km2, 生產(chǎn)–生活空間增加 652.55km2, 生產(chǎn)–生態(tài)空間減少 1362.79km2, 3 類空間相互轉(zhuǎn)化的幅度愈加強(qiáng)烈。垂直方向上, 碳通量從 2695.18 萬(wàn)噸上升到 4894.36 萬(wàn)噸, 碳排放遠(yuǎn)大于碳吸收, 碳收支不平衡現(xiàn)象較為嚴(yán)重。水平方向上, 生態(tài)空間的碳吸收強(qiáng)度逐漸上升, 生產(chǎn)–生態(tài)空間和生產(chǎn)–生活空間的碳排放強(qiáng)度不斷下降。20 年間, 積極碳流增加 823 萬(wàn)噸, 消極碳流減少 1182 萬(wàn)噸, 整體凈碳流為負(fù)值。張家口市“三生”空間生態(tài)關(guān)系沖突明顯, 主要表現(xiàn)為掠奪–限制與競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系, 對(duì)碳效應(yīng)產(chǎn)生消極影響。

“三生”空間; 演化特征; 碳效應(yīng); 生態(tài)關(guān)系; 張家口市

自 1978 年改革開放以來(lái), 我國(guó)經(jīng)歷了快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程, 導(dǎo)致生產(chǎn)、生活和生態(tài)(“三生”)用地之間的矛盾日益加劇, 國(guó)土空間可持續(xù)開發(fā)面臨嚴(yán)峻的危機(jī)和挑戰(zhàn)。為此, 黨的“十八大”提出構(gòu)建“生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀”的新型國(guó)土空間發(fā)展目標(biāo)。與此同時(shí), 為應(yīng)對(duì)全球氣候變化危機(jī), 國(guó)務(wù)院發(fā)布《2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》, 明確建立服務(wù)于“碳達(dá)峰、碳中和”的國(guó)土空間開發(fā)保護(hù)格局。作為國(guó)土空間規(guī)劃和碳循環(huán)的直接目標(biāo)載體, “三生”空間的時(shí)空演化特征及其碳效應(yīng)研究對(duì)實(shí)現(xiàn)區(qū)域國(guó)土空間低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展具有重要意義。目前, 學(xué)術(shù)界就土地利用變化與碳排放效應(yīng)進(jìn)行了大量研究[1–8], 但對(duì)功能空間變化導(dǎo)致的碳排放效應(yīng)研究較少, 且相關(guān)研究集中于“三生”空間的內(nèi)涵與分類[9]、識(shí)別和劃定[10–11]、時(shí)空演變[12]、沖突[13]與耦合[14]以及功能評(píng)價(jià)[15–16]等方面, 針對(duì)“三生”空間與碳效應(yīng)相互關(guān)系的研究較為薄弱。

作為一種重要且特殊的生態(tài)系統(tǒng), 山區(qū)不僅是自然資源和生物相互依存的重要環(huán)境, 起到生態(tài)屏障和資源支撐的作用, 而且作為氣候變化的敏感區(qū)域, 是典型的生態(tài)脆弱區(qū)[17]。張家口市是典型的山區(qū)城市, 也是首都水源涵養(yǎng)功能區(qū)和生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)。近年來(lái), 隨著京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的帶動(dòng), 以及可再生能源示范區(qū)和 2022 年冬奧會(huì)張家口賽區(qū)的建設(shè), 張家口市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展速度顯著加快, “三生”空間格局演變劇烈, 由此帶來(lái)顯著的碳效應(yīng)變化。因此, 亟需加強(qiáng)“三生”空間格局時(shí)空演化特征及其碳效應(yīng)影響研究, 為該區(qū)域綠色低碳轉(zhuǎn)型決策提供科學(xué)支持。

基于上述背景, 本文采用遙感影像解譯的土地利用數(shù)據(jù)以及人口和能源等社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù), 根據(jù)土地利用類型的主導(dǎo)功能, 進(jìn)行“三生”空間識(shí)別和劃分, 借助土地利用類型的碳源(匯)屬性, 建立“三生”空間和碳源(匯)屬性分類體系, 系統(tǒng)地分析 2000 —2020 年張家口市“三生”空間的時(shí)空演化特征, 測(cè)算不同時(shí)期“三生”空間垂直方向的碳通量和碳密度以及水平方向的碳流, 揭示“三生”空間格局演化過(guò)程及其碳效應(yīng), 探討碳效應(yīng)變化過(guò)程中“三生”空間的生態(tài)關(guān)系, 以期為研究區(qū)國(guó)土空間低碳發(fā)展和結(jié)構(gòu)優(yōu)化決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

張家口市地處河北省西北部(圖 1), 地理坐標(biāo)為 113°50′—116°30′E, 39°30′—42°10′N, 北臨內(nèi)蒙古高原, 南接華北平原。地勢(shì)西北高、東南低, 陰山山脈將全市分為壩上高原和壩下低中山盆地兩大地貌區(qū)域。全域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候, 四季分明, 年降水量為 330～500mm。

截至 2020 年, 張家口市總面積為 3.68 萬(wàn) km2(耕地 8960.37km2, 園地 1737.75km2, 林地 13652.73km2, 草地 9821.88km2, 建設(shè)用地 1564.15km2, 交通運(yùn)輸用地 234.32km2, 水域及水利設(shè)施用地 653.08km2, 未利用地 175.98km2), 下轄 6 區(qū) 10 縣, 全市總?cè)丝跒?411.89 萬(wàn)。2020 年全市生產(chǎn)總值為 1600.1億元, 居民人均可支配收入為 25674 元, 三次產(chǎn)業(yè)比例為 16.7 : 26.9 : 56.4。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用的數(shù)據(jù)包括土地利用數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)據(jù)兩大類。土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于 2000, 2010 和2020 年 Landsat-TM 影像, 從地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(https://www.gscloud.cn/home)獲得, 并運(yùn)用 ENVI 5.3 軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行處理和校正, 得到 3 個(gè)不同時(shí)期的土地利用數(shù)據(jù)。三期影像總解譯精度分別為88.92%, 90.46%和 89.23%, Kappa 系數(shù)分別為 0.87, 0.88 和 0.87。參考國(guó)家基本資源與環(huán)境本底動(dòng)態(tài)遙感調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.aircas.cas.cn/)的分類體系, 結(jié)合研究需求, 將土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、草地、水域及水利設(shè)施用地、交通運(yùn)輸用地、建設(shè)用地和未利用地共 8 類[18]。經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)據(jù)主要包括張家口市不同時(shí)期的原煤、焦炭、汽油和柴油的消耗量和全市總?cè)丝跀?shù)量, 來(lái)自相應(yīng)年份的《張家口經(jīng)濟(jì)年鑒》。由于《張家口經(jīng)濟(jì)年鑒2021》尚未發(fā)布, 因此該年份少量數(shù)據(jù)用 2019 年的數(shù)據(jù)替代。

2 研究方法

2.1 “三生”空間識(shí)別與碳源(匯)屬性分類

作為一種要素和載體, 土地的功能具有多重屬性。土地利用功能的集聚是空間形成的本質(zhì)[18–19], 可根據(jù)功能劃分為生產(chǎn)、生活和生態(tài)三類。由于使用主體的目的及利用強(qiáng)度不同, 土地功能呈現(xiàn)主次之分。因此, 本文在充分考慮土地多功能性的基礎(chǔ)上, 突出土地利用的主導(dǎo)功能, 兼?zhèn)渫恋乩玫拇我δ躘20], 進(jìn)行張家口市生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間的識(shí)別和劃分。林地、草地、水域及水利設(shè)施用地和未利用地以生態(tài)功能為主導(dǎo), 對(duì)張家口市的生態(tài)安全起著重要的作用, 歸于生態(tài)空間; 城鎮(zhèn)用地及農(nóng)村居民點(diǎn)、交通運(yùn)輸用地在提供各類產(chǎn)品服務(wù)的同時(shí), 提供居住和消費(fèi)等生活功能, 歸于生產(chǎn)–生活空間; 耕地和園地在提供農(nóng)產(chǎn)品的同時(shí), 又屬于獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng), 歸于生產(chǎn)–生態(tài)空間(表1)。

圖1 研究區(qū)概況

通過(guò)作用于生態(tài)系統(tǒng)變化和生物化學(xué)過(guò)程變化, 土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能、物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)產(chǎn)生較大的影響, 進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)的碳源(匯)屬性和土地利用的碳效應(yīng)格局[21]。因此, 根據(jù)不同地類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)不同的影響, 建立土地利用類型與土地碳源(匯)的屬性關(guān)系。林地、草地、水域及水利設(shè)施用地和未利用地在碳循環(huán)過(guò)程中更多地扮演生產(chǎn)者角色, 起到吸收碳的作用, 因此具備碳匯屬性; 城鎮(zhèn)用地及農(nóng)村居民點(diǎn)和交通運(yùn)輸用地主要承載與人類有關(guān)的各種活動(dòng), 帶來(lái)大量的碳排放, 體現(xiàn)碳源的屬性; 耕地和園地以植物為主體, 具備一定的碳吸收能力, 同時(shí)與人類活動(dòng)的關(guān)聯(lián)產(chǎn)生碳排放, 體現(xiàn)碳源和碳匯兩種屬性。在此基礎(chǔ)上, 我們根據(jù)表 1 中“三生”空間與土地利用類型的關(guān)系, 借助土地利用類型, 建立“三生”空間與碳源(匯)的關(guān)系, 從而得到不同用地空間的碳源(匯)屬性。

表1 張家口市“三生”空間識(shí)別與碳源(匯)分類

2.2 “三生”空間碳效應(yīng)測(cè)算

2.2.1碳排放和碳吸收計(jì)算

根據(jù)各空間包含的地類, 采用面積系數(shù)法, 計(jì)算生態(tài)空間和生產(chǎn)–生態(tài)空間的碳排放和碳吸收。計(jì)算公式為

E=SK, (1)

其中,E(t)代表第種土地的碳源(匯)量,S(hm2)代表第種土地的面積,K(t/hm2)代表第種土地的碳源(匯)系數(shù)。根據(jù)現(xiàn)有的中國(guó)土地利用碳源(匯)研究成果[22–28], 結(jié)合張家口市實(shí)際情況, 選擇各地類的碳源(匯)系數(shù), 如表2所示。

生產(chǎn)–生活空間主要為碳源屬性, 因其承載居住、商業(yè)、工業(yè)和交通等經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng), 無(wú)法直接確定相應(yīng)的碳源系數(shù)。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)提出的排放因子法基于地面測(cè)量和農(nóng)林業(yè)等統(tǒng)計(jì)報(bào)告確定, 能夠根據(jù)能源消耗、廢物和工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)量類型等數(shù)據(jù), 間接地計(jì)算碳排放量。結(jié)合張家口市相關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料, 本文選取的主要能源包括原煤、焦炭、汽油和柴油, 能源消耗產(chǎn)生的碳排放量的計(jì)算公式為

E=C M N/103, (2)

其中,E(t)代表第種能源的碳排放量,C(t)代表第種能源的消耗量,M(TJ/Gg)代表第種能源的缺省凈發(fā)熱值,N(kg/TJ)代表第種能源的缺省排放因子。對(duì)于缺省凈發(fā)熱值和缺省排放因子, 參考《IPCC 2006 年國(guó)家溫室氣體清單指南 2019 修訂版》[29], 根據(jù)張家口市主要消耗的能源類型, 確定能源消耗碳排放系數(shù)(表3)。

對(duì)于人類自身產(chǎn)生的碳排放, 通過(guò)人類呼吸碳排放系數(shù)和總?cè)丝跀?shù)量來(lái)計(jì)算。借鑒杜金霜等[30]的研究, 確定人類呼吸碳排放系數(shù)為 0.079t/(人?a), 計(jì)算公式為

E= 0.079, (3)

式中,E(t)為人類自身所產(chǎn)生的碳排放量,(人)代表人口數(shù)量。

表2 各地類碳源(匯)系數(shù)

表3 能源碳排放系數(shù)

2.2.2碳通量和碳通量密度計(jì)算

對(duì)于各類空間的碳排放和碳吸收過(guò)程, 在單一時(shí)間上通過(guò)整體空間的斷面, 形成垂直尺度上的碳通量。因此, 根據(jù)不同空間的碳排放和碳吸收的總量計(jì)算得到“三生”空間的碳通量:

總=E+E+E, (4)

式中,總為碳通量,E為生態(tài)空間、生產(chǎn)–生態(tài)空間的碳排放/碳吸收量,E為消耗化石能源產(chǎn)生的碳排放量,E為人類呼吸所產(chǎn)生的碳排放量。然后, 用張家口市各縣(區(qū))面積計(jì)算碳通量密度:

密度=總/S, (5)

其中,密度(t/hm2)為碳通量密度,S(km2)為張家口市各縣區(qū)的面積。

2.2.3碳流計(jì)算

“三生”空間演化伴隨著空間的相互轉(zhuǎn)換, 不同空間具有不同的碳源(匯)屬性以及不同的碳排放和碳吸收強(qiáng)度, 從而在三生空間演化過(guò)程中形成碳的“流動(dòng)”。本文將其稱為碳流, 計(jì)算公式[31]如下:

= Δ/Δ, (6)

F= ΔΔ= (W–W) Δ,(7)

其中,為凈碳流密度, Δ為空間水平方向凈碳流量, Δ為空間水平方向面積變化,F定義為類空間流向類空間的碳流, Δ為類空間與類空間的碳流密度差, Δ為類空間與類空間的面積轉(zhuǎn)移。如果F> 0, 表明這是一個(gè)積極碳流, 對(duì)于區(qū)域碳效應(yīng)有正向作用; 如果F< 0, 表明這是一個(gè)消極碳流, 對(duì)于區(qū)域碳效應(yīng)有負(fù)面作用。

2.3 “三生”空間生態(tài)關(guān)系

借鑒生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法[29], 本文將生態(tài)關(guān)系定義為兩個(gè)空間在碳效應(yīng)變化過(guò)程中的相互作用關(guān)系。通過(guò)構(gòu)建有效利用矩陣()和整體效用矩陣() (前者建立不同碳流之間的直接作用框架, 后者解釋不同空間相互的直接或間接聯(lián)系), 分析各空間之間的生態(tài)關(guān)系, 計(jì)算公式見式(8)～(10)[32]。

X=入–出,(8)

如果X> 0, 則T=出+|X|; 如果X< 0, 則T=入+|X|,

d=(F–F)/T,(9)

=(u)=(–)–1, (10)

其中,X定義為平衡變量,入表示流入類空間的碳流,出表示流出類空間的碳流,T定義為碳通量,d為矩陣的元素,為單位矩陣。根據(jù)整體效用矩陣(), 理論上共有9種生態(tài)關(guān)系(表 4)。

基于整體效用矩陣, 進(jìn)一步定義互惠指數(shù)()來(lái)進(jìn)行有效量化, 反映“三生”空間的演化對(duì)區(qū)域碳效應(yīng)的影響, 計(jì)算公式[33]為

=+/–, (11)

其中,定義為互惠指數(shù),+代表整體效用矩陣中符號(hào)為“+”的數(shù)量,–代表中符號(hào)為“–”的數(shù)量。

表4 “三生”空間生態(tài)關(guān)系類型

當(dāng)> 1 時(shí), 表示該區(qū)域的“三生”空間演化對(duì)碳效應(yīng)具有積極影響, 且影響程度與正相關(guān); 當(dāng)< 1 時(shí), 表示該區(qū)域的“三生”空間演化對(duì)碳效應(yīng)具有消極影響, 且影響程度與負(fù)相關(guān)。

3 結(jié)果分析

3.1 “三生”空間演化特征分析

2000—2020 年, 張家口市“三生”空間變化顯著(表 5 和圖 2)。生態(tài)空間面積占比始終占據(jù)首位, 3個(gè)時(shí)期均在 60%以上, 集中于西北區(qū)域的壩上高原和東南區(qū)域的壩下山地, 在此期間共增加 710.24 km2, 并在后 10 年間逐步向西北部的壩上地區(qū)擴(kuò)張。生產(chǎn)–生活空間集中在張家口中部市區(qū)以及各個(gè)縣域建成區(qū), 20 年間增加 652.55km2, 并且后一階段(2010—2020 年)的增長(zhǎng)幅度為前一階段(2000—2010 年)的 1.72 倍, 并在 20 年間呈現(xiàn)向四周擴(kuò)張的態(tài)勢(shì)。生產(chǎn)–生態(tài)空間主要分布在壩下區(qū)域的洋河、桑干河和壺流河流域, 呈現(xiàn)收縮狀態(tài), 期間共減少1362.79km2, 其中前 10 年減少 877.80km2, 后 10 年減少 484.99km2, 后 10 年減少的面積僅為前 10 年的55%, 減少趨勢(shì)變緩。

由 2000—2020 年張家口市“三生”空間面積轉(zhuǎn)移矩陣(表 6)可知, 20 年間各類空間之間相互轉(zhuǎn)換明顯, 且后 10 年的轉(zhuǎn)化幅度大于前 10 年。2000— 2010 年, “三生”空間演化過(guò)程主要體現(xiàn)為生產(chǎn)–生態(tài)空間轉(zhuǎn)化為生態(tài)空間(784.94km2)和生產(chǎn)–生活空間(185.11km2)。其中生態(tài)空間面積的增加主要來(lái)自耕地轉(zhuǎn)化為林地(445.54km2)和草地(269.24km2), 生產(chǎn)–生活空間面積的增加主要來(lái)自于耕地轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)用地及農(nóng)村居民點(diǎn)(138.57km2)。

2010—2020 年, “三生”空間之間的轉(zhuǎn)化更加劇烈。生產(chǎn)–生態(tài)空間和生態(tài)空間的相互轉(zhuǎn)化較為明顯, 前者轉(zhuǎn)出主要是因?yàn)楦剞D(zhuǎn)化為林地(1185.49km2)和草地(1175.24km2), 后者轉(zhuǎn)出主要因?yàn)槭橇值?836.18km2)和草地(1067.09km2)轉(zhuǎn)化為耕地。其次, 近 10 年間生產(chǎn)–生活空間的轉(zhuǎn)入面積大幅度增加, 是前 10 年的 4.12 倍, 主要來(lái)自耕地轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)用地及農(nóng)村居民點(diǎn)(323.57km2)和草地轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)用地及農(nóng)村居民點(diǎn)(214.93km2)。

表5 2000—2020年張家口市“三生”空間面積

圖2 2000—2020年張家口市“三生”空間分布格局

表6 2000—2020 年張家口市“三生”空間面積轉(zhuǎn)移矩陣(km2)

3.2 “三生”空間演化的碳效應(yīng)分析

3.2.1 “三生”空間垂直尺度碳通量分析

2000, 2010 和 2020 年張家口市“三生”空間垂直尺度上的碳通量計(jì)算結(jié)果如表 7 所示。

在碳匯方面, 生態(tài)空間 20 年間的碳吸收能力不斷提升, 二氧化碳吸收量從 63 萬(wàn)噸增長(zhǎng)到 86 萬(wàn)噸。特別是近 10 年間, 張家口市退耕還林和植樹造林等生態(tài)工程的大力實(shí)施, 使得林地面積共增加2587.57km2, 碳吸收量增加 15 萬(wàn)噸, 是前 10 年間的近兩倍。此外, 生產(chǎn)–生活空間的耕地和園地也具有一定的碳匯功能, 20 年間貢獻(xiàn)近 26 萬(wàn)噸的碳吸收量。

在碳排放方面, 由于各類化石能源的大量消耗, 生產(chǎn)–生活空間成為碳排放的主要來(lái)源, 尤其是2000—2010 年, 碳排放增量達(dá)到 2000 萬(wàn)噸。張家口市不僅是我國(guó)太陽(yáng)能資源Ⅱ類區(qū)域, 還具有豐富的風(fēng)能資源。隨著綠色經(jīng)濟(jì)理念的發(fā)展, 清潔能源在張家口市得到大力推廣, 風(fēng)能和太陽(yáng)能等清潔能源的使用量逐年增加, 2020 年已達(dá)到能源消費(fèi)量的30%, 促使生產(chǎn)–生活空間碳排放的增長(zhǎng)幅度明顯下降, 從 2000—2010 年間的 78.43%降至 2010—2020 年間的 2.38%。同時(shí), 20 年間生產(chǎn)–生態(tài)空間也產(chǎn)生近 200 萬(wàn)噸碳排放。

表7 2000—2020年張家口市“三生”空間垂直尺度碳通量(萬(wàn)噸)

2000, 2010 和 2020 年張家口市“三生”空間垂直方向碳排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于碳吸收量, 碳通量均表現(xiàn)為碳排放, 并一直保持上升的趨勢(shì)。碳通量從 2000年的近 2695.181 萬(wàn)噸上升到 2020 年的 4894.364 萬(wàn)噸, 碳收支存在明顯的不平衡現(xiàn)象。

3.2.2碳通量密度

從圖 3 可以看出, 張家口市碳通量密度最高的區(qū)域分布在萬(wàn)全區(qū)、橋西區(qū)、橋東區(qū)、宣化區(qū)、下花園區(qū)和懷來(lái)縣 6 個(gè)區(qū)縣, 也是張家口市人口稠密、產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)。碳通量密度較低的區(qū)域分布在壩上高原的康?？h、尚義縣、張北縣和沽源縣, 以及東部山區(qū)的崇禮區(qū)、赤城縣和涿鹿縣。此外, 2000—2020 年間壩上四縣和涿鹿縣的碳代謝密度均有所下降, 主要因?yàn)檫@些區(qū)域地處壩上高原生態(tài)防護(hù)區(qū)和燕山–太行山生態(tài)涵養(yǎng)區(qū), 自然生態(tài)資源較為豐富, 碳匯能力相對(duì)較強(qiáng)。伴隨著植樹造林和封山育林等工程建設(shè)以及禁牧休牧輪牧等生態(tài)保護(hù)政策的實(shí)施, 這些區(qū)域的林地和草地等主要生態(tài)空間進(jìn)一步擴(kuò)張, 碳匯能力不斷增強(qiáng)。

3.2.3 “三生”空間水平尺度碳流分析

兩個(gè)時(shí)期張家口市“三生”空間演化的水平尺度碳流計(jì)算結(jié)果如表 8 所示。總體來(lái)看, 20 年間張家口市“三生”空間演化所形成的凈碳流為負(fù)值, 說(shuō)明張家口市“三生”空間演化對(duì)碳效應(yīng)產(chǎn)生負(fù)面影響。此外, 與 2000—2010 年相比, 2010—2020 年的積極碳流在增加, 消極碳流在減少, 說(shuō)明張家口市“三生”空間的演化在逐漸沿著生態(tài)良好、綠色發(fā)展的路徑前行。

從積極碳流方面看, 20 年間呈現(xiàn)出上升趨勢(shì), 且后 10 年間積極碳流總量是前 10 年間的 51 倍。主要原因是隨著生態(tài)工程的建設(shè), 生態(tài)空間的整體面積在不斷擴(kuò)張, 尤其是大面積林地和草地的增加, 使得生態(tài)空間碳吸收能力得到提升。其中, 生產(chǎn)–生態(tài)空間向生態(tài)空間轉(zhuǎn)化明顯, 使得生產(chǎn)–生態(tài)空間轉(zhuǎn)向生態(tài)空間產(chǎn)生的積極碳流占據(jù)主要地位, 在兩個(gè)階段占積極碳流總量的比例分別達(dá)到 85.03%和 74.18%。

圖3 2000—2020年張家口市碳通量密度

表8 2000—2020年張家口市“三生”空間水平尺度碳流(萬(wàn)噸)

從消極碳流方面看, 其他兩類空間轉(zhuǎn)向生產(chǎn)–生活空間所引起的消極碳流占總消極碳流的 60%, 再次印證了生產(chǎn)–生活空間是張家口市碳排放的主要來(lái)源。與 2000—2010 年相比, 消極碳流總量在2010—2020 年減少 55.8%, 可見, 近 10 年來(lái), 由于化石能源逐漸被太陽(yáng)能和風(fēng)能等各類清潔能源替代, 生產(chǎn)–生活空間的碳排放水平隨之降低, 因此空間轉(zhuǎn)變所引起的消極碳流也相應(yīng)減少。2010—2020 年的碳流變化比 2000—2010 年更劇烈, 說(shuō)明隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展, 不同空間用地之間的轉(zhuǎn)換更加頻繁, 導(dǎo)致更復(fù)雜的碳效應(yīng)變化。

3.2.4 “三生”空間生態(tài)關(guān)系

從整體效用矩陣(表 9)可以看出, 2000—2020 年張家口市“三生”空間彼此之間的生態(tài)關(guān)系包括掠奪、限制和競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。2000—2010 年, 生態(tài)空間與生產(chǎn)–生活空間、生產(chǎn)–生態(tài)空間與生產(chǎn)–生活空間的生態(tài)關(guān)系均展現(xiàn)為掠奪–限制, 生產(chǎn)–生活空間的擴(kuò)張對(duì)其他兩類空間在碳代謝方面呈現(xiàn)一種擠壓的狀態(tài)。此外, 生態(tài)空間與生產(chǎn)–生態(tài)空間存在著競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系, 二者之間具有較明顯的空間爭(zhēng)奪, 同時(shí)又呈現(xiàn)相反的碳效應(yīng)狀態(tài), 主要原因在于退耕還林還草政策的推廣, 使得林草地面積擴(kuò)張的同時(shí), 導(dǎo)致耕地面積減少。

在 2010—2020 年間, 生態(tài)空間與生產(chǎn)–生活空間、生態(tài)空間與生產(chǎn)–生態(tài)空間表現(xiàn)為掠奪–限制的關(guān)系, 主要由于期間林地面積大幅增加, 張家口市生態(tài)空間的范圍向外延伸, 對(duì)其他兩類空間的碳代謝而言是一種正向的限制。生產(chǎn)–生活空間與生產(chǎn)–生態(tài)空間則呈現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系, 主要由于近 10 年來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展, 使得城鎮(zhèn)及農(nóng)村居民點(diǎn)等建設(shè)用地向周邊擴(kuò)張, 不斷排擠生產(chǎn)–生態(tài)空間。

表9 2000—2020年張家口市“三生”空間生態(tài)關(guān)系

20 年間, 張家口市三類空間之間不存在互惠共生的關(guān)系, 說(shuō)明三類空間彼此之間生態(tài)關(guān)系沖突明顯, 并沒(méi)有互相促進(jìn)的綠色發(fā)展關(guān)系, 在碳代謝方面明顯存在不和諧。此外, 20 年間互惠指數(shù)的結(jié)果均為 0.5, 說(shuō)明 2000—2020 年張家口市“三生”空間格局演化對(duì)碳效應(yīng)始終呈現(xiàn)消極影響, 這個(gè)結(jié)論與垂直方向和水平方向碳效應(yīng)的研究結(jié)果相一致。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文通過(guò)土地利用類型的碳源(匯)屬性分析, 構(gòu)建“三生”空間與碳源源(匯)屬性分類體系, 建立“三生”空間演化與碳效應(yīng)之間的聯(lián)系, 查明“三生”空間的碳效應(yīng)。研究結(jié)果拓展了土地利用和覆被變化碳收支效應(yīng)的研究范圍, 并為區(qū)域國(guó)土空間低碳發(fā)展及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了路徑和決策支持。

1)張家口市“三生”空間時(shí)空格局變化顯著, 生態(tài)空間和生產(chǎn)–生活空間均呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì), 生產(chǎn)–生態(tài)空間則呈現(xiàn)減少態(tài)勢(shì), 且隨著時(shí)間推移, 三類空間彼此的轉(zhuǎn)化程度更為強(qiáng)烈。

2)張家口市碳通量密度最高的區(qū)域是中心市區(qū), 最低的區(qū)域是壩上高原和東部山地。20 年間, 生態(tài)空間作為碳吸收的主要來(lái)源, 其碳匯屬性在逐漸增強(qiáng); 生產(chǎn)–生活空間作為碳排放的主要來(lái)源, 其碳源屬性在逐漸減弱, 但總體碳排放量依舊遠(yuǎn)大于碳吸收量, 碳收支仍然表現(xiàn)出較為嚴(yán)重的不平衡現(xiàn)象。

3)張家口市“三生”空間演化過(guò)程帶來(lái)的積極正向碳流呈現(xiàn)上升趨勢(shì), 消極負(fù)向碳流呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 但凈碳流始終為負(fù)值, 表明“三生”空間演化對(duì)碳效應(yīng)產(chǎn)生負(fù)面影響。

4)張家口市“三生”空間彼此的生態(tài)關(guān)系表現(xiàn)為掠奪、限制和競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系, “三生”空間演化過(guò)程對(duì)張家口市的整體碳效應(yīng)產(chǎn)生消極影響。

4.2 討論

在植物的不同生長(zhǎng)發(fā)育階段, 生態(tài)系統(tǒng)的碳收支狀況存在不同。比如林地在生長(zhǎng)期和衰敗期碳源(匯)屬性可能發(fā)生變化, 不同生長(zhǎng)狀況的林地碳源(匯)的能力也有差異。限于當(dāng)前技術(shù)條件和數(shù)據(jù)等因素, 本文采用土地利用類型碳源(匯)系數(shù)法和IPCC 提出的排放因子法來(lái)?yè)Q算空間的碳排放和碳吸收量, 未考慮生態(tài)系統(tǒng)不同發(fā)育階段和生長(zhǎng)狀況等因素導(dǎo)致的碳收支狀況差異。未來(lái)的研究中可采用實(shí)地調(diào)查、實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)等方法獲得數(shù)據(jù),結(jié)合耕地、林地和草地等特定生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育階段、生長(zhǎng)狀況和生產(chǎn)力因素, 更準(zhǔn)確地確定研究區(qū)域不同土地利用類型的碳源(匯)系數(shù), 以便綜合測(cè)定“三生”空間變化的碳效應(yīng)。

張家口市未來(lái)的發(fā)展應(yīng)以“雙碳”目標(biāo)為導(dǎo)向, 結(jié)合“三生”空間演化及其碳效應(yīng)規(guī)律, 因地制宜地制定區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展模式和對(duì)策。根據(jù)本文研究結(jié)果, 我們提出以下建議。

1)壩上地區(qū)和東部山區(qū)應(yīng)依托豐富的自然資源優(yōu)勢(shì), 繼續(xù)加大植樹造林、草地增綠等生態(tài)工程措施, 并注重對(duì)林草地的管護(hù), 更新成過(guò)熟林。在擴(kuò)大生態(tài)空間面積的同時(shí), 應(yīng)注重提升生態(tài)空間的質(zhì)量, 有效地增強(qiáng)生態(tài)空間的碳匯能力。

2)壩下沿河流域是生產(chǎn)–生態(tài)空間的主要集聚地, 要協(xié)調(diào)“雙碳”目標(biāo)與耕地保護(hù)紅線的要求, 推廣低碳耕作模式, 減少化肥和農(nóng)藥的施用量。應(yīng)考慮生產(chǎn)與生態(tài)的結(jié)合, 拓展特色葡萄和杏扁等林果業(yè), 提升生產(chǎn)–生態(tài)空間的綠色發(fā)展水平。

3)城鎮(zhèn)集中區(qū)域是碳排放的主要來(lái)源, 應(yīng)大力推廣綠色經(jīng)濟(jì)理念和發(fā)展模式, 重點(diǎn)推進(jìn)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展, 借勢(shì)構(gòu)建高端制造業(yè)、綠色工業(yè)等產(chǎn)業(yè)鏈, 打造低碳城鎮(zhèn)化建設(shè)布局, 降低生產(chǎn)–生活空間的碳排放水平。

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Spatial Pattern Evolution and Carbon Effect of Production-Living-Ecological Space in Zhangjiakou City under Carbon Peak and Carbon Neutrality Goals

LIU Tianhao1,2,*, JI Zhengxin1,2,*, DUAN Yaming1,2, XU Yueqing1,2,?

1. College of Land Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100193; 2. Key Laboratory for Agricultural Land Quality, Monitoring and Control, The Ministry of Natural Resources, Beijing 100193;*These authors contributed equally to this work; ? Corresponding author, E-mail: xmoonq@sina.com

This study analyzes the evolution characteristics of “production-living-ecological” space in Zhangjia-kou City during the period of 2000–2020, measures its carbon effect in the vertical and horizontal directions, and discusses its ecological relationship and its impact on carbon effect, based on the relationship between “production-living-ecological” space and carbon source/carbon classification system. The results show that “production-living-ecological” space in Zhangjiakou has changed significantly during 2000–2020, with an increase of 710.24 km2in ecological space, 652.55 km2in production-living space and a decrease of 1362.79 km2in production-ecological space. The transformation of the three types of space has become more intense from 2000 to 2020 in Zhangjiakou City. Vertically, the carbon flux of Zhangjiakou City increases from 26.9518 million tons to 48.9436 million tons. Carbon emission is more than carbon uptake and the imbalance of carbon budget is serious during 2000–2020. Horizontally, the carbon absorption intensity of ecological space gradually increases, and the carbon emission intensity of production-ecological space and production-living space continues to decline in Zhangjiakou City. In the past 20 years, the positive carbon flow has increased by 8.23 million tons, and the negative carbon flow has decreased by 11.82 million tons, but the overall net carbon flow is still negative. The spatial ecological relationship among the “production-living-ecological” space has obvious conflicts, mainly manifested as plundering-restriction and competition relationship, showing a negative impact on the carbon.

“production-living-ecological” space; evolutionary characteristics; carbon effect; ecological relation-ship; Zhangjiakou City