金航 王惠敏 李煜

(西安煤航遙感信息有限公司，陜西 西安 710100)

碳排放對氣候生態(tài)變化產(chǎn)生了巨大影響，如今全球氣候變化形勢愈加嚴(yán)峻，我國作為碳排放大國，2020年在聯(lián)合國大會(huì)上承諾將力爭實(shí)現(xiàn)“30·60”碳減排目標(biāo)，這對于生態(tài)與經(jīng)濟(jì)等可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[1]。已有相關(guān)研究表明，近50a內(nèi)我國基于土地利用變化的碳排放量占總量的1/3，作為影響碳排放的重要因素，不同方式的土地利用及其變化所產(chǎn)生碳排放與碳匯差異顯著，土地利用方式與結(jié)構(gòu)改變往往會(huì)引起雙碳格局、碳循環(huán)、生態(tài)補(bǔ)償?shù)劝l(fā)生變化[2,3]，因而土地利用碳排放受到越來越多的關(guān)注與研究。其時(shí)空變化研究作為研究集中點(diǎn)之一，影響土地資源管理、土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化及綠色低碳發(fā)展決策等[4]，目前眾多學(xué)者已圍繞土地利用時(shí)空變化引起的碳排放開展了廣泛的研究，如秦巖等[5]基于GIS手段，通過核算碳排放強(qiáng)度、建立熱點(diǎn)要素模型等方法，分析了長三角地區(qū)土地利用碳排放強(qiáng)度變化及其空間特征，為區(qū)域碳平衡發(fā)展打下了基礎(chǔ)；劉文鳳[6]分析了我國省域尺度下多年碳排放的重心轉(zhuǎn)移與時(shí)空特點(diǎn)，得到了碳排放空間效應(yīng)與變化特點(diǎn)；趙先超等[7]通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、重心轉(zhuǎn)移模型以及碳排放與效應(yīng)估算方法研究了市域下土地利用碳排放時(shí)空格局，并指出實(shí)現(xiàn)碳中和的相關(guān)建議。

西安市作為國家中心城市，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)帶來碳排放的不斷增大，導(dǎo)致土地利用格局不斷變化，而目前對西安市研究較少且數(shù)據(jù)源未得到更新?；诖?，本文基于GIS技術(shù)手段，采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析土地利用多年變化，通過碳排放系數(shù)法分析西安市土地利用碳排放量特點(diǎn)，并引入碳排放重心轉(zhuǎn)移模型分析其時(shí)空特征，為研究區(qū)低碳綠色可持續(xù)發(fā)展與碳減排提供建議與決策。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

西安市位于黃河流域中部關(guān)中盆地，“一帶一路”核心區(qū)，在西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)體中占領(lǐng)著不可取代的地位。全市共計(jì)11個(gè)區(qū)2縣，總面積10108km2，地勢東南高，西北與西南低，地形整體北部為沖積平原，南部為剝蝕山地。2020年全年地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)10068.28億元，比2019年增長4.1%，全年糧食種植面積25.76萬hm2，年末常住人口1316.3萬人，城鎮(zhèn)化率79.49%。

本研究所用數(shù)據(jù)源主要包括：土地利用產(chǎn)品數(shù)據(jù)，來源于武漢大學(xué)黃昕教授團(tuán)隊(duì)基于GoogleEarthEngine(GEE)云平臺(tái)，利用Landsat數(shù)據(jù)集制作而成，數(shù)據(jù)分辨率為30m；能源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，來源于《陜西省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2012—2021)、《西安市統(tǒng)計(jì)年鑒》(2012—2021)以及《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒》；西安市行政邊界數(shù)據(jù)，來源于全國基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫。

1.2 研究方法

1.2.1 碳排放估算方法

土地利用碳排放估算從碳源與碳匯2方面展開，其中，耕地、建設(shè)用地為碳源，林地、草地、水域與未利用地為碳匯，通過《IPCC溫室氣體指南》以及在已有研究基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)西安市的實(shí)際情況，確定各土地利用類型的排放系數(shù)[8-10]，各土地利用類型碳排放系數(shù)取值見表1。

表1 土地利用碳排放系數(shù)

研究區(qū)建設(shè)用地能源消耗總量(噸標(biāo)準(zhǔn)煤)利用能源數(shù)據(jù)與經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)換算間接得到，碳排放量計(jì)算方法為能源消耗總量與能源消耗碳排放轉(zhuǎn)換系數(shù)之積；建設(shè)用地碳排放系數(shù)根據(jù)已有研究成果取0.733(C)·t-1;非建設(shè)用地碳排放量通過各土地利用類型面積與其碳排放系數(shù)之積得到，估算方法如公式1所示。

E=∑Ai×αi

(1)

式中，E為土地利用碳排放總量；Ai為第i種土地利用類型面積；αi為第i種土地利用類型的碳排放系數(shù)。

1.2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以反映研究區(qū)在研究時(shí)段間各類土地利用方式變化情況與轉(zhuǎn)移方向[11]，其表達(dá)形式：

(2)

式中，Sij為第i種土地利用類型轉(zhuǎn)化為第j種土地利用類型的面積，hm2。

1.2.3 重心轉(zhuǎn)移模型

重心轉(zhuǎn)移模型通過人口分布重心原理構(gòu)建，即根據(jù)不同時(shí)期要素重心的轉(zhuǎn)移方向判斷研究區(qū)要素空間變化[12]，將該方法引入碳排放研究中，可以用于分析區(qū)域碳排放的時(shí)空變化與規(guī)律，其計(jì)算公式：

(3)

式中，Xt和Yt表示第t年研究要素的重心經(jīng)緯度坐標(biāo)；Ci表示t年第i類土地利用類型的研究對象值；xi和yi分別為第i類土地利用類型的幾何重心經(jīng)緯度坐標(biāo)，通過ArcGIS軟件得到。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化分析

2011—2020年西安市土地利用面積變化情況如表2所示。

表2 2011—2020年西安市土地利用面積變化

由表2可知，西安市近10a來，耕地與林地均占總面積的85%以上，為主要土地利用類型，林地面積保持最大，耕地面積次之，其次為建設(shè)用地，未利用地面積最小?？傮w來看，2011—2020年西安市土地利用變化幅度整體偏高，其中，耕地與草地面積逐年遞減，林地、水域、建設(shè)用地與未利用地面積逐年遞增，耕地面積由2011年41.47萬hm2減少為2020年37.38萬hm2，約減少了9.9%，草地面積由2011年1.25萬hm2減少為2020年0.76萬hm2，約減少了38.6%；而林地面積在波動(dòng)中略有增加，未利用地面積逐年增長，水域面積由2011年0.32萬hm2增加到2020年0.37萬hm2，約增加了18.5%，建設(shè)用地由2011年10.41萬hm2增加至2020年13.5萬hm2，約增加了29.7%。

2.2 土地利用碳排放分析

基于西安市土地利用數(shù)據(jù)、能源消耗數(shù)據(jù)與經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，估算得到西安市10a來6類土地利用類型的土地利用碳排放(吸收)量，結(jié)果如表3所示。

表3 2011—2020年西安市土地利用碳排放(吸收)量

由表3可知，西安市土地利用類型中建設(shè)用地為主要碳源，林地為主要碳匯，2011—2020年土地利用凈碳排放量總體呈現(xiàn)逐年遞增的變化趨勢，由2011年2065.54萬t增加到2020年3774.81萬t，增加幅度高達(dá)82.8%。在碳源方面，建設(shè)用地是西安市碳排放的主導(dǎo)因素，碳排放貢獻(xiàn)率為99%，10a間增量高達(dá)1711.9萬t，耕地碳排放量逐年呈遞減趨勢，是影響碳排放次要因素，至2020年減少了約為1.73萬t；在碳匯方面，總碳匯量逐年遞增，增量大都來源于林地，占據(jù)總碳匯的96%以上，水域、草地、未利用地的碳匯相對穩(wěn)定，變化幅度不大。由上述分析可知，在區(qū)域碳中和的長遠(yuǎn)目標(biāo)下，可通過控制建設(shè)用地?cái)U(kuò)張減少碳源，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)增加碳匯，從而有效降低西安市凈碳排放量。

2.3 土地利用空間轉(zhuǎn)移分析

利用ArcGIS空間疊加分析，結(jié)合數(shù)據(jù)透視表得到2011—2020年西安市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)果如表4所示。

表4 2011—2020年西安市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

由表4可知，2011—2020年在西安市土地利用類型轉(zhuǎn)出面積中，耕地轉(zhuǎn)出面積最高，為4.93萬hm2，其中68%轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，27%轉(zhuǎn)化為林地；草地轉(zhuǎn)出面積次之，為0.63萬hm2；再次為林地、建設(shè)用地，其轉(zhuǎn)出面積相當(dāng)，水域與未利用地轉(zhuǎn)出面積最小。轉(zhuǎn)入面積中，建設(shè)用地轉(zhuǎn)入面積最大，為3.43萬hm2，98%轉(zhuǎn)入面積來源于耕地；林地轉(zhuǎn)入面積為1.73萬hm2，98%轉(zhuǎn)入面積來源于耕地；耕地、草地、水域與未利用地轉(zhuǎn)入面積次之并依次減少。由上述分析可知，隨著現(xiàn)階段城鎮(zhèn)化的高速發(fā)展，西安市主要通過占用耕地進(jìn)行擴(kuò)張城區(qū)，林地作為主要碳匯，轉(zhuǎn)入面積大都來源于耕地且相對可觀，但建設(shè)用地的碳排放遠(yuǎn)高于林地固碳量，這使得西安市將會(huì)面臨越來越大的碳減排壓力。

2.4 土地利用碳排放量重心轉(zhuǎn)移分析

通過2011年、2014年、2017年與2020年土地利用數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS軟件確定不同土地利用類型的幾何重心坐標(biāo)，并在獲得各土地利用類型碳排放/碳匯量的基礎(chǔ)上，依據(jù)公式分別計(jì)算出2011年、2014年、2017年與2020年土地利用碳排放總量的重心坐標(biāo)，所得結(jié)果如圖1。

圖1 土地利用碳排放總量重心轉(zhuǎn)移空間格局

由圖1可知，總體來看2011—2020年西安市土地利用碳排放量重心具有集群性，均位于蓮湖區(qū)，重心整體向東北方向移動(dòng)了0.43km，距西安市幾何重心(長安區(qū)興隆街道)距離區(qū)間約為21.6～22km。2011—2014年，西安市土地利用碳排放總量重心整體向西北方向移動(dòng)了0.23km；2014—2017年，碳排放總量重心向東北方向移動(dòng)了0.21km；2017—2020年，碳排放總量重心向東北方向移動(dòng)了0.24km，轉(zhuǎn)移距離最大，重心轉(zhuǎn)移速率約為0.08km·a-1。由此可知，碳排放在空間上的重心軌跡區(qū)位，碳排放總量重心位于西安市幾何重心該點(diǎn)東北方向，說明該點(diǎn)東北方向經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，所消耗的能源量更多，也是碳減排重點(diǎn)工作區(qū)域。

3 結(jié)論與討論

本文對2011—2020年西安市土地利用變化下西安市碳排放時(shí)空格局進(jìn)行了分析與研究。結(jié)果表明，林地和耕地為西安市主要的土地利用類型，占據(jù)西安市面積85%以上，耕地面積逐年減少，建設(shè)用地面積逐年增大，林地面積相對穩(wěn)定；2011—2020年西安市土地利用凈碳排放增長率達(dá)82.8%，這主要是由于建設(shè)用地作為西安市碳源的首要貢獻(xiàn)要素，其面積在該10a間劇增，約為3.01萬hm2，其中98%建設(shè)用地來源于耕地的轉(zhuǎn)入，林地作為主要碳匯，其面積呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢，增長率為3%，而林地遠(yuǎn)不足以平衡建設(shè)用地碳排放量，因此造成了西安市碳減排壓力的增加。由于西安市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源消耗加劇，研究時(shí)段內(nèi)西安市土地利用碳排放總量的重心整體向西北方向移動(dòng)，移動(dòng)距離較小，均位于西安市幾何重心東北，且集中在蓮湖區(qū)內(nèi)；分析發(fā)現(xiàn)，西安市10a間碳排放總量分別為碳吸收總量的68.2倍、83.6倍、99.2倍、117.1倍，建設(shè)用地大量侵占耕地與草地，這是碳排放大量增加的主要原因。因此，在實(shí)現(xiàn)區(qū)域碳平衡與中和的長遠(yuǎn)目標(biāo)下，合理控制建設(shè)用地的擴(kuò)張、積極增大碳匯規(guī)模是推進(jìn)西安市實(shí)現(xiàn)碳收支平衡目標(biāo)的一大重要方向，同時(shí)，可通過優(yōu)化調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，如實(shí)施退耕還林、建設(shè)用地增綠補(bǔ)綠等方式，以提高區(qū)域固碳能力，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。