彭義鈞 吳雪飛

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院 武漢 430000

城市是碳排放的主體, 反思舊城鎮(zhèn)化進(jìn)程中生態(tài)功能退化[1]、 大量碳排放等問題, 深圳[2]、武漢[3]等城市展開了城市空間基本生態(tài)控制線劃定及管理實踐。 生態(tài)控制區(qū)的管理實施是一個不斷完善的過程[2], 當(dāng)前如何考量其內(nèi)部異質(zhì)性并進(jìn)行差異化調(diào)控是亟待提升的重點[3]?！疤肌?則面臨著低碳規(guī)劃實踐支撐不足, 供需空間失配[4]等現(xiàn)實困境。 碳匯作為重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之一, 主要指植物吸收并儲存二氧化碳的能力, 城市生態(tài)控制區(qū)的生態(tài)用地在直接增匯、間接減排[5]方面有重要意義。 為此, 本文以武漢為例, 分析作為生態(tài)控制區(qū)物質(zhì)載體的生態(tài)用地及其碳匯供需水平的動態(tài)變化特征, 結(jié)合目標(biāo)年需求預(yù)測, 探討碳平衡視角下城市生態(tài)控制區(qū)差異化調(diào)控策略, 以期為低碳規(guī)劃與生態(tài)控制線實施深化提供參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

武漢是長江經(jīng)濟(jì)帶上的核心城市, 曾為傳統(tǒng)老工業(yè)基地, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速, 整體生態(tài)資源豐富,是國家第二批“低碳試點城市” 之一。

由于城市的生態(tài)壓力與生態(tài)功能呈現(xiàn)不均衡性, 引入分別反映自然屬性和社會經(jīng)濟(jì)屬性的供給和需求分析[6], 根據(jù)供需空間特征[7]、 碳匯供需劃分[4,8], 結(jié)合《武漢市1 ∶2 000 基本生態(tài)控制線落線規(guī)劃》 (見武漢市自然資源和規(guī)劃局網(wǎng)頁http:/ /gtghj.wuhan.gov.cn/pc-0-59916.html) 與本文研究目標(biāo), 將武漢市域8 569 km2作為碳匯需求區(qū)： 將生態(tài)資源豐富的武漢外部都市發(fā)展區(qū),即含東湖風(fēng)景區(qū)和嚴(yán)西湖(后文簡稱東湖區(qū)) 在內(nèi), 共計約2 672 km2范圍內(nèi)的10 個行政區(qū)或開發(fā)區(qū)的生態(tài)用地作為碳匯供給區(qū)。

本研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及來源主要包括: 1) 遙感影像源自地理空間數(shù)據(jù)云： 2) 人口、 經(jīng)濟(jì)和社會數(shù)據(jù)主要源自《武漢統(tǒng)計年鑒》 (2001—2017)《武漢市能源發(fā)展“十三五” 規(guī)劃》 《武漢市碳排放達(dá)峰行動計劃》 等具權(quán)威性官方數(shù)據(jù)： 3) 各類能源折合成標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)、 碳清除系數(shù)等相關(guān)參數(shù)主要通過《綜合能耗計算通則》 (B/T 2589-2008) 等標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)文獻(xiàn)研究進(jìn)行搜集。

2 研究方法

2.1 遙感解譯

通過遙感解譯對生態(tài)用地演變特征進(jìn)行分析。選取2006、 2011 和2016 年為研究時間探討生態(tài)用地與碳匯供給演變特征(圖1)。 選擇通過云量篩選的植被豐富的生長季節(jié)(6-9 月) 3 幅影像,利用ENVI、 ArcGIS 經(jīng)預(yù)處理、 基于CART 獲取規(guī)則的決策樹分類[9]、 類后處理及轉(zhuǎn)移矩陣計算進(jìn)行解譯分析。

圖1 碳匯供給區(qū)土地利用分布圖

綜合考慮研究區(qū)土地利用自然屬性、 生態(tài)用地和碳氧平衡相關(guān)研究[10-11]及《土地利用現(xiàn)狀分類》 (GB/T21010-2007), 將研究區(qū)劃分為有林地、 疏林和灌木林地、 草地、 耕地、 水域 (濕地) 和裸地6 類生態(tài)用地以及建設(shè)用地。

2.2 碳氧平衡法

通過碳氧平衡法對碳匯供需進(jìn)行分析。 碳氧平衡法可有效量化區(qū)域生態(tài)用地需求[10-11]。 本研究著眼碳平衡, 包括碳匯需求量化(即城市人類活動產(chǎn)生的碳排放估算同釋碳量算法) 和碳匯供給量化(即生態(tài)用地當(dāng)年碳匯量估算同固碳量算法)。

2.2.1 需求： 碳排放估算

人類活動產(chǎn)生的碳排放主要來源于化石能源燃燒、 水泥生產(chǎn)、 不合理的土地利用和人類呼吸作用[12]。 結(jié)合區(qū)域特征與數(shù)據(jù)可獲得性,選取煤炭、 焦炭、 原油等14 類能源產(chǎn)品的消費量, 水泥的銷售量和年末常住人口數(shù)及較大牲畜年末存欄數(shù)作為指標(biāo)。 碳排放量(Dc) 計算公式如下:

式(1) 中,Ce、Cm、Cp、Cc、Cs分別為化石能源燃燒、 水泥生產(chǎn)、 人類呼吸、 牛呼吸和豬呼吸碳排放量。

2.2.2 供給： 碳匯量估算

應(yīng)用生物量法計算各類生態(tài)用地碳匯量(Sc),以有林地為標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)用地, 根據(jù)各類生態(tài)用地的地均凈生產(chǎn)量比例折算為標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)用地[10], 計作面積Bi。 計算公式分別如下:

式(2) (3) 中,i為生態(tài)用地類型,α為單位生物量固碳系數(shù),Ai為第i種生態(tài)用地面積,bi為第i種生態(tài)用地單位面積生物量,ηi為第i種生態(tài)用地與有林地的地均凈生產(chǎn)量比值,b林為有林地的地均凈生產(chǎn)量。 由此可對碳平衡目標(biāo)下的標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)用地需求量(ELc) 進(jìn)行估算:

2.3 預(yù)測模型法

通過預(yù)測模型法對目標(biāo)年需求進(jìn)行分析。 城市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r影響碳匯需求和生態(tài)用地需求, 本文綜合運(yùn)用綜合增長率法、 對數(shù)曲線估計模型以及灰色系統(tǒng)預(yù)測GM (1, 1) 模型[13]對“十三五” 規(guī)劃末期、 武漢上一輪總體規(guī)劃的規(guī)劃水平年2020 年的需求量進(jìn)行預(yù)測, 結(jié)合供需演變特征分析確立供給目標(biāo)。

3 碳平衡視角下武漢生態(tài)控制區(qū)碳匯效能演變特征

3.1 研究區(qū)生態(tài)用地數(shù)量結(jié)構(gòu)變化

2006—2016 年, 碳匯供給區(qū)內(nèi)建設(shè)用地規(guī)模不斷拓展, 由12.66%上升為37.18%, 而除水域外的各類生態(tài)用地面積均呈減少趨勢(圖2)。 使用年增長率描述各類生態(tài)用地的變化動態(tài)度(圖3), 建設(shè)用地、 疏林、 灌木林、 草地和裸地年均增長率變化較大, 分別為11.38%、- 11.87%、 -12.12%、 - 24.10%。 2006 年、2011 年和 2016 年生態(tài)用地總量分別為2 333.53km2、 1 968.52 km2、 1 678.33 km2, 參比1 814 km2的規(guī)劃生態(tài)控制區(qū)面積, 從數(shù)量和空間分布可知, 2016 年研究供給區(qū)與規(guī)劃生態(tài)控制區(qū)重合度高。 總體而言, 建設(shè)用地規(guī)模擴(kuò)張與生態(tài)用地總量收縮呈正相關(guān)。

圖2 土地利用類型比例堆疊圖

圖3 各類用地變化的動態(tài)度

碳匯供給區(qū)生態(tài)用地變化的結(jié)構(gòu)特征通過轉(zhuǎn)移矩陣(表1) 進(jìn)行轉(zhuǎn)化情況說明。 總結(jié)各類變化, 主要有30.91%和14.10%的有林地、 疏林和灌木林地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。 有林地、 疏林和灌木林地、 草地和裸地的轉(zhuǎn)變幅度較大, 各類生態(tài)用地之間主要呈中低頻度的相互轉(zhuǎn)化,基本處于原面積的20%以下, 這表明在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中, 有林地-耕地-建設(shè)用地間的相互轉(zhuǎn)變較為明顯。 值得一提的是, 耕地和水域面積呈先減后增變化趨勢, 除自然因素外, 如低碳生態(tài)建設(shè)下基本農(nóng)田保護(hù)、 濕地保護(hù)等推行力度強(qiáng)的社會驅(qū)動促使區(qū)域耕地總量基本不變, 水域面積增長。

3.2 總量變化特征與分區(qū)均衡目標(biāo)

3.2.1 研究區(qū)碳匯供需估算與分析

本文依據(jù)相關(guān)研究成果[14]在校正研究區(qū)各類生態(tài)用地碳清除系數(shù)與折標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)用地系數(shù)的基礎(chǔ)上展開計算。 由表2 可知, 2006—2016 年研究區(qū)碳匯總量減少35.16 萬t, 年均增長率為-2.24%。3 個年份折標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)用地分別為2 022.62 km2、1 673.12 km2、 1 603.51 km2。 研究區(qū)有林地的碳匯供給量最大, 平均占總量的37.27%。 各類生態(tài)用地碳匯效能與面積正相關(guān), 在面積一定時從地類考慮, 有林地、 耕地和水域碳匯量較多。

表1 2006—2016 碳匯供給區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表2 碳匯供給區(qū)各類生態(tài)用地碳匯能力及量化

根據(jù)碳氧平衡法結(jié)合研究區(qū)實際情況進(jìn)行碳排放量估算 (表3), 碳排放量年均增長率2.03%, 呈增長態(tài)勢。 研究區(qū)中化石能源消費為碳排放主導(dǎo)因素, 水泥生產(chǎn)次之, 分別平均占比為93.21%和3.61%, 呼吸作用平均僅占3.18%,與全國碳排放結(jié)構(gòu)近似[15]。 從能源利用在經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中的效率看, 3 年的碳強(qiáng)度呈下降趨勢, 分別為1.00、 0.47、 0.27, 說明城市低碳發(fā)展在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級、 技術(shù)改進(jìn)等方面有所進(jìn)步。

表3 碳匯需求區(qū)碳排放量

3.2.2 總量平衡貢獻(xiàn)度分析

大氣中碳平衡具有相對性, 因陸地生態(tài)系統(tǒng)承擔(dān)區(qū)域1/3 碳匯任務(wù), 引入如下碳平衡系數(shù)(BCc)[16-17]進(jìn)行度量:

該系數(shù)表示區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)承擔(dān)的碳平衡任務(wù), 系數(shù)大于1 表明區(qū)域處于自然生態(tài)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展良性循環(huán)的碳平衡狀態(tài), 反之則存在一定碳缺口。 表4 反映了研究區(qū)碳匯和生態(tài)用地供需的變化與總量平衡的貢獻(xiàn)度情況, 二者的供給能力呈現(xiàn)為下降趨勢, 其生態(tài)用地平均約占全市碳平衡貢獻(xiàn)度的15.23%, 3 年的碳平衡系數(shù)均小于1。 因此, 除研究區(qū)碳匯效能提升之外, 實現(xiàn)供需平衡首先應(yīng)探索碳平衡目標(biāo)下的區(qū)域系統(tǒng)責(zé)任層級問題, 并需結(jié)合節(jié)能減排以期實現(xiàn)區(qū)域相對碳平衡。

表4 研究區(qū)碳平衡效能變化

3.2.3 分區(qū)碳平衡變化及均衡目標(biāo)

根據(jù)總量關(guān)系和對應(yīng)基本生態(tài)控制線規(guī)劃的分區(qū)平衡情況與目標(biāo), 進(jìn)行各區(qū)差異化界定。 除新洲區(qū)外, 各區(qū)生態(tài)用地供給(圖4) 均呈減少趨勢, 其中黃陂區(qū)、 漢南區(qū)后期略有回升。 供給年均負(fù)增長率大于3%的區(qū)域中, 漢南區(qū)＞江夏區(qū)＞蔡甸區(qū)。

圖4 各區(qū)標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)用地供給變化

根據(jù)《武漢市碳排放達(dá)峰行動計劃》中區(qū)域碳排責(zé)任進(jìn)行分區(qū)合并與碳排放量近似分配,為統(tǒng)計一致將化工區(qū)和東湖區(qū)歸入東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)。 結(jié)合分區(qū)碳匯量計算得到各區(qū)碳平衡系數(shù)變化情況(表5),2006—2016 年,各區(qū)自身碳平衡能力減弱,其中新洲區(qū)先減后略增,黃陂區(qū)減弱后基本趨于不變。 2006 年實現(xiàn)自身碳平衡的區(qū)域分別有蔡甸區(qū)、江夏區(qū)、東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)(化工區(qū)),其中最后者于2011 年仍處于碳平衡狀態(tài),供給近乎需求的2 倍。2016 年,各區(qū)平衡能力為蔡甸區(qū)＞江夏區(qū)＞東西湖區(qū)＞黃陂區(qū)＞東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)(化工區(qū))＞經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)(漢南區(qū))＞新洲區(qū)。

表5 各區(qū)碳平衡系數(shù)變化

分區(qū)定位目標(biāo)在協(xié)同自然稟賦與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)上, 引入碳排放經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)系數(shù)(ECC)[18]與碳匯承載系數(shù)(CSSC)[14], 以2016 年為基準(zhǔn)進(jìn)行衡量。 當(dāng)指標(biāo)值＞1 時, 表明該區(qū)經(jīng)濟(jì)或碳匯貢獻(xiàn)度大于碳排放責(zé)任度, 能源利用效率較高或碳匯效能較高, 反之, 指標(biāo)值＜1 則表明區(qū)域自身碳排放將增大其他區(qū)域負(fù)荷(圖5)。 可將各區(qū)分為兩類: 1) 碳匯平衡區(qū)(指對分區(qū)均衡的貢獻(xiàn)度與實現(xiàn)總量平衡的潛力更高), 兩項指標(biāo)均大于1, 除新洲區(qū)以外的6 區(qū)。 區(qū)域經(jīng)濟(jì)與生態(tài)較為協(xié)調(diào), 應(yīng)采取節(jié)能減排提高能源利用效率, 同時重視生態(tài)用地保護(hù)與效能提升。 值得一提的是, 此處“碳平衡” 指該區(qū)域?qū)Ψ謪^(qū)均衡的貢獻(xiàn)度與實現(xiàn)總量平衡的潛力更高。 2) 碳匯功能區(qū), ECC＜1, 而CSSC＞1, 僅新洲區(qū)。 此時區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展較落后, 但自身碳匯效能較好, 應(yīng)避免經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響生態(tài)用地功能。

圖5 分區(qū)碳效應(yīng)指標(biāo)

3.3 目標(biāo)年碳匯需求量預(yù)測

基于武漢市2001—2016 年社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù), 采用相應(yīng)模型法預(yù)測2020 年碳排放量與生態(tài)用地需求量。 其中化石能源消費量使用《武漢市能源發(fā)展“十三五” 規(guī)劃》 能源消費總量目標(biāo)數(shù)據(jù), 人口、 牛、 豬數(shù)目分別取綜合增長率法與灰色GM (1, 1) 模型預(yù)測的平均值, 水泥產(chǎn)量構(gòu)建曲線估計對數(shù)模型得到。 由表6 數(shù)據(jù)推算可知,2020 年碳匯需求量1458.21 萬t。

表6 2020 年碳排放量預(yù)測

4 碳平衡視角下的生態(tài)控制區(qū)調(diào)控策略

1) 總量控制。 確定碳平衡目標(biāo), 結(jié)合碳匯效能與協(xié)同區(qū)域經(jīng)濟(jì)效益差異是優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu),并對各生態(tài)用地進(jìn)行分類優(yōu)化的基礎(chǔ)。 2016 年研究區(qū)占總面積19.6%的生態(tài)用地實現(xiàn)12.7%的碳匯需求, 而2020 目標(biāo)年碳平衡情景下1458.21 萬t 的需求實現(xiàn)需在減排基礎(chǔ)上對農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和城市綠地進(jìn)行充分挖潛。 須注意的是碳平衡并非單一尺度的低碳發(fā)展目標(biāo), 區(qū)域系統(tǒng)碳循環(huán)具有復(fù)雜性、 不確定性、 空間異質(zhì)性和開放性等特征。 結(jié)合本文研究結(jié)果, 說明探索碳平衡目標(biāo)下的區(qū)域系統(tǒng)層級問題,以及明確武漢市域和生態(tài)控制區(qū)的責(zé)任閾值是實現(xiàn)區(qū)域總量控制及后續(xù)研究的重點。

2) 空間優(yōu)化。 構(gòu)建總體生態(tài)框架, 保障生態(tài)控制范圍。 遵循生態(tài)優(yōu)先、 城鄉(xiāng)統(tǒng)籌原則落實城市總規(guī)建構(gòu)的“兩環(huán)兩軸、 六楔入城” 總體生態(tài)框架, 推進(jìn)主城和外部都市發(fā)展區(qū)間城市生態(tài)帶及生態(tài)控制區(qū)內(nèi)嵌入的新城組團(tuán)間6 大生態(tài)綠楔建設(shè), 二者相協(xié)構(gòu)成環(huán)楔結(jié)合的生態(tài)格局。 強(qiáng)化空間剛性保護(hù)與彈性生長, 積極地分層次引導(dǎo)邊界管控。

3) 效能提升。 明確分區(qū)差別化調(diào)控, 增匯與減排并舉。 根據(jù)研究區(qū)分區(qū)分析, 碳匯平衡區(qū)中, 供給能力相對較好的蔡甸區(qū)、 江夏區(qū)、 東西湖區(qū)和黃陂區(qū)有林地和水域(濕地) 較多, 其中黃陂區(qū)和東西湖區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件好, 耕地面積多。因此, 它們應(yīng)提高林分質(zhì)量, 恢復(fù)及保護(hù)山林,嚴(yán)控圍湖造田, 保持及恢復(fù)水位過程和改善水域環(huán)境, 黃陂、 東西湖區(qū)還應(yīng)重點保護(hù)耕地, 推廣保護(hù)性耕作技術(shù)和合理施肥管理措施： 供給能力次之的東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)(化工區(qū)) 和經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)(漢南區(qū)) 是市域工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展聚集區(qū),二者有林地和水域較多, 因此在提升生態(tài)用地碳匯效能的同時, 應(yīng)重視能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 通過市場機(jī)制篩減高耗能企業(yè), 促進(jìn)建設(shè)用地集約利用以節(jié)能減排： 碳匯功能區(qū)新洲區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對滯后,在發(fā)展經(jīng)濟(jì)時應(yīng)注意主要生態(tài)用地有林地、 耕地和水域的保護(hù)。

4) 政策保障。 完善空間管制途徑, 協(xié)同相關(guān)保障舉措。 強(qiáng)化生態(tài)管控措施, 通過完善法制建設(shè)、 健全監(jiān)督管理體系、 促進(jìn)各部門協(xié)調(diào)合作等更加積極地實施保障[18]。

此外, 本文研究結(jié)果有待進(jìn)一步發(fā)展, 碳平衡目標(biāo)下的區(qū)域系統(tǒng)責(zé)任問題及分區(qū)生態(tài)用地數(shù)量和空間結(jié)構(gòu)調(diào)控方法是進(jìn)一步研究的方向。