韓雨非,劉艷中,陳勇,汪櫻,張祚,陳弘昳,譚玉川

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,武漢 430081;2.中國地質(zhì)大學(xué)公共管理學(xué)院,武漢 430074;3.華中師范大學(xué)公共管理學(xué)院,武漢 430079)

國際能源局(IEA)[1]報(bào)告顯示,到2030年全球溫室氣體排放量將增加57%,會導(dǎo)致地表溫度升高3℃。過高的碳排放會導(dǎo)致極端天氣、干旱、海平面上升、空氣污染及饑荒等災(zāi)害,對人們的生產(chǎn)生活造成極大危害,是影響土地生態(tài)安全的重要因素。1850年以來,土地利用變化產(chǎn)生的直接碳排放約占同期碳排放總量的1/3,成為僅次于化石能源消耗的第二大碳排放源[2],由此引發(fā)的土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)問題越來越得到重視。為適應(yīng)國際發(fā)展新形勢,我國提出“雙碳”戰(zhàn)略,承諾二氧化碳排放2030年左右達(dá)到峰值。因此,考慮土地利用碳排放對土地生態(tài)安全產(chǎn)生的影響,將碳足跡壓力指數(shù)引入土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中具有現(xiàn)實(shí)意義。

1992年,美國環(huán)境保護(hù)署[3](USEPA)提出了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的概念,即評估生態(tài)系統(tǒng)受一個(gè)或多個(gè)脅迫因素影響后,可能導(dǎo)致不利生態(tài)后果的可能性。21世紀(jì)以來,隨著生態(tài)安全研究的拓展深入,土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)逐漸興起并快速發(fā)展,形成了3個(gè)方面的研究。一是基于土地利用變化對土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析研究,如Omar等[4]基于土地利用變化評估了桑給巴爾的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),并模擬不同情景下2027年的土地利用變化情況。Mao等[5]建立單元網(wǎng)格計(jì)算綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),并揭示金石市土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間分異特征和成因。二是從風(fēng)險(xiǎn)形成機(jī)制出發(fā)的土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià),如Kayumba等[6]采用CA-Markov模型模擬景觀變化,并利用遙感數(shù)據(jù)建立易感性-災(zāi)害指數(shù)關(guān)系的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型,評估了巴音布魯克濕地的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。虞燕娜等[7]基于多源風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率、風(fēng)險(xiǎn)受體的抵御和自我恢復(fù)能力,建立了土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型。三是基于景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)的土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究,如Yao等[8]基于生態(tài)系統(tǒng)脆弱性和對生態(tài)系統(tǒng)的干擾,評估了陸地生態(tài)系統(tǒng)提供的生境服務(wù)因景觀格局變化而退化的風(fēng)險(xiǎn)。郝守寧等[9]以尼洋河流域?yàn)檠芯繉ο?評價(jià)分析了景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空動態(tài)演變特征。土地利用碳排放的研究則在1992年《聯(lián)合國氣候變化框架公約》通過后展開。迄今為止,土地利用碳排放的研究主要集中在碳排放核算、影響因素與驅(qū)動機(jī)制及碳排放量趨勢預(yù)測[10]這3個(gè)方面。除此之外,徐澤等[11]利用信息熵和Tapio模型揭示了呼包鄂榆城市群土地利用混合度和碳排放的時(shí)空演變情況。檀斯園[12]劃分網(wǎng)格單元分析土地利用碳排放風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空變化,拓寬了土地利用碳排放的研究范圍。上述研究從不同角度出發(fā),對土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、土地利用碳排放進(jìn)行了綜合全面的評估研究,為土地生態(tài)安全研究提供了重要參考和借鑒。然而,目前國內(nèi)外土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)忽視了土地利用碳排放對土地生態(tài)安全產(chǎn)生的影響,導(dǎo)致土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系構(gòu)建不完善,評價(jià)結(jié)果理想化的問題。因此,開展考慮碳排放因素的土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià),對評估區(qū)域土地生態(tài)安全狀況至關(guān)重要,有利于掌握土地利用碳排放量、控制土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),為制定科學(xué)的土地生態(tài)保護(hù)政策提供參考,為實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)和碳中和目標(biāo)提供科學(xué)依據(jù)。

武漢市作為長江流域生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中心城市,經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛,人口總數(shù)增速較快,建設(shè)用地?cái)U(kuò)張迅速,城市化水平提高的同時(shí),人類對土地生態(tài)系統(tǒng)的干預(yù)愈發(fā)頻繁,造成土地資源稀缺、土地利用不合理、碳排放量激增、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)上升等一系列環(huán)境問題。2017年,武漢市人民政府為加快推進(jìn)城市綠色低碳發(fā)展,實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,制定碳排放達(dá)峰行動計(jì)劃。2018年,針對長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)環(huán)境保護(hù)問題,政府出臺《長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》。因此,在生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè)及碳達(dá)峰、碳中和背景下,將土地利用碳排放引入武漢市土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)尤為重要。

1 研究區(qū)概況

武漢市位于湖北省東部、長江與漢水交匯處,是長江經(jīng)濟(jì)帶核心城市,是我國著名的兩型社會建設(shè)試驗(yàn)區(qū)的中心。地理位置為北緯29°58′—31°22′,東經(jīng)113°41′—115°05′。全市下轄13 個(gè)行政區(qū),總面積8 569.15 km2。該市屬于北亞熱帶季風(fēng)性氣候,年均溫度為17.1℃,年降水量大約1 300 mm。武漢市地形地貌以丘陵為主,中間低平,北部低山林立,平均海拔約為16 m。區(qū)內(nèi)植被種類豐富多樣,且兼具南北方植物種類。2010—2020年,耕地面積減少88 340 hm2,建成區(qū)面積增加385.11 km2,常住人口增加266.23萬人,地區(qū)生產(chǎn)總值增加10 050.13億元。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究中涉及的人口、能源消耗數(shù)據(jù)來源于《武漢統(tǒng)計(jì)年鑒》(2010—2020 年)。土地利用數(shù)據(jù)來自O(shè)pen AIRE和CERN 創(chuàng)建的數(shù)據(jù)知識庫Zenodo(https:∥zenodo.org/)。植被覆蓋度(vegetation fraction coverage,VFC)數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)。氣象數(shù)據(jù)來自國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.geodata.cn/)。數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)來自ASTER GDEM數(shù)據(jù)(https:∥www.nasa.gov/)。土壤數(shù)據(jù)來自世界土壤數(shù)據(jù)庫的中國土壤數(shù)據(jù)集。能源碳排放系數(shù)來源于《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》。

2.2 土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)測算與分級

參考韌性城市理念,從土地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、脆弱性、恢復(fù)性特征出發(fā),考慮武漢市生態(tài)基礎(chǔ)、氣候條件、土地結(jié)構(gòu)、人類活動的影響,選取植被覆蓋度指數(shù)(VFC)表征土地生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)風(fēng)險(xiǎn);使用土壤侵蝕程度指數(shù)(A)、降水距平百分比指數(shù)(Si)來表征土地生態(tài)系統(tǒng)的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn);選取土地利用混合度(Th)、碳足跡壓力指數(shù)(Cp)表征土地生態(tài)系統(tǒng)的人類活動干擾風(fēng)險(xiǎn)。最終,以上述風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)構(gòu)建土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型[13],即

式中:ERA為土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),取值范圍為[0,1];Wi為第i類指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重,借助SPSS軟件,采用熵權(quán)法(the entropy weight method,EWM),計(jì)算得到植被覆蓋度、降水距平百分比指數(shù)、土地利用混合度、土壤侵蝕程度及碳足跡壓力指數(shù)因子權(quán)重分別為0.162,0.098,0.185,0.127,0.428;Pi為第i類單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)化值,運(yùn)用極值標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,其值介于[0,1]。風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)值獲取方法見表1。

表1 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)的選擇及標(biāo)準(zhǔn)化方法Table 1 Selection of risk evaluation indicators and standardization methods

為確定武漢市的土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級和狀態(tài),根據(jù)武漢市生態(tài)環(huán)境特點(diǎn),使用自然斷點(diǎn)法并參考環(huán)境、國土、氣象等相關(guān)部門的綜合評價(jià)方法,同時(shí)結(jié)合已有研究[13],將土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)劃分為5個(gè)等級,見表2。

表2 土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Land ecological risk classification criteria

2.3 碳排放量計(jì)算

由于耕地、園地、林地、草地、水域和未利用地5種用地類型的固碳能力相對比較穩(wěn)定,通過碳排放系數(shù)直接估算碳排放量,而建設(shè)用地碳排放受多種因素影響,間接計(jì)算得到碳排放量。

2.3.1 直接碳排放計(jì)算 本文采用直接碳排放系數(shù)法進(jìn)行估算,計(jì)算公式[18]如下:

式中:Cn為n種土地利用類型的年均碳排放量;Sn為第n種土地利用類型當(dāng)年的面積;fn為第n種土地利用類型的年均碳排放系數(shù)。根據(jù)孫赫[19]、方精云[20]、石洪昕[21]等的研究成果,確定耕地、林地、草地、水域、未利用地的碳排放系數(shù)分別為0.042 2,-0.644,-0.002 1,-0.025 3,-0.000 5 t/hm2。

2.3.2 間接碳排放計(jì)算 由于建設(shè)用地內(nèi)包含大量住宅區(qū),因此建設(shè)用地碳排放量的計(jì)算中應(yīng)包括能源消費(fèi)和人類呼吸產(chǎn)生的碳排放[22]。考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性和能源消耗量等因素,選取表3中列舉的能源類型,各區(qū)的能源消費(fèi)量數(shù)據(jù)采用該區(qū)第二產(chǎn)業(yè)GDP與武漢市第二產(chǎn)業(yè)GDP 比值來間接測算。計(jì)算公式[22]如下:

表3 能源碳排放系數(shù)Table 3 Energy carbon emission factor table

式中:Ct為建設(shè)用地碳排放量;λ為個(gè)體平均的碳排放系數(shù),取0.079 t/a[23];P為研究區(qū)常住人口數(shù)量;Ei為第i種能源消費(fèi)的標(biāo)準(zhǔn)煤折算量;ei為第i種能源的碳排放系數(shù)。能源碳排放系數(shù)見表3。

2.4 全局空間自相關(guān)

2.4.1 全局空間自相關(guān) 空間自相關(guān)是一種反映區(qū)域中某現(xiàn)象與鄰近區(qū)域單元同一現(xiàn)象的相關(guān)程度的空間分析工具[24],可分為全局自相關(guān)和局部自相關(guān)兩個(gè)方面。全局Moran指數(shù)(Global Moran′sI)可從整體上揭示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間布局的集聚情況,公式如下[25]:

式中:n為樣本數(shù)量;xi與xj為屬性x在空間位置i和j的觀測值;為屬性xi的平均值;Wij為空間權(quán)重矩陣。本文采用鄰接性的權(quán)重矩陣,若第i個(gè)地區(qū)和第j個(gè)地區(qū)相鄰,則Wij取1,否則為0。

本文使用ArcGIS 軟件中的Global Moran′sI探索土地綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)格網(wǎng)尺度上的整體分布狀況,判斷其是否存在空間集聚性?？臻g關(guān)系選擇反距離插值,距離方法選擇歐幾里得距離。Moran′sI指數(shù)取值范圍為[-1,1],正值表示要素集聚,負(fù)值表示要素離散;數(shù)值為0無空間相關(guān)性,隨機(jī)分布[26]。

2.4.2 冷熱點(diǎn)分析 熱點(diǎn)分析作為一種常見的空間聚集特征分析方法,可以有效識別出在不同置信區(qū)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)特征顯著的空間集聚區(qū),高值區(qū)與低值區(qū)分別表現(xiàn)為空間集聚程度的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)[27]。本文運(yùn)用ArcGIS 10.2中的熱點(diǎn)分析工具,分析武漢市土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的分布特點(diǎn),用以表征土地生態(tài)安全提升或降低的集中區(qū)域,并采用Standard Deviation法進(jìn)行分類。具體計(jì)算公式如下[28]:

式中:G*i(d)為具有顯著統(tǒng)計(jì)意義的Z得分;Wij(d)為空間權(quán)重,相鄰為1,不相鄰為0;Xij為對應(yīng)i行j列空間位置上的要素值;n為要素總數(shù);Z(G*i)為對G*i值的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)值;E(G*i)和var(G*i)分別為空間不集聚的原假設(shè)下的期望值和方差。

3 結(jié)果與分析

3.1 單因子風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

3.1.1 植被覆蓋度 根據(jù)2010—2020年植被覆蓋數(shù)據(jù),使用自然斷點(diǎn)法將其分為低[0～0.1]、較低(0.1～0.3]、中(0.3～0.5]、較高(0.5～0.7]、高(0.7～1]5個(gè)等級,見圖1。武漢市的平均植被覆蓋度相對較高,在過去10 a間整體呈現(xiàn)下降趨勢,但降幅并不明顯,中值區(qū)由中心向四周不斷擴(kuò)張。2010—2015 年,武漢市植被覆蓋度總體變化較小,但中心城區(qū)尤其是江岸區(qū)和江漢區(qū)植被覆蓋狀況有明顯改善。環(huán)境保護(hù)建設(shè)初見成效,低植被覆蓋度區(qū)域面積縮小29.14%,較高植被覆蓋度區(qū)域面積擴(kuò)張29.01%,建成區(qū)綠化覆蓋率由37.48%提升至39.65%,森林覆蓋率由26.63%提升至28.01%。2015—2020年,植被覆蓋度總體略微下降,中值區(qū)持續(xù)由中心城區(qū)向四周擴(kuò)展,除北部黃陂區(qū)和新洲區(qū)植被覆蓋度略有提高外,其他區(qū)縣無明顯改善。截至2020年底,全市建成區(qū)綠化覆蓋率42.07%,森林面積達(dá)到11.947萬hm2。

圖1 不同時(shí)期植被覆蓋度空間分布Fig.1 Spatial distribution of vegetation cover in different periods

3.1.2 降水距平百分比指數(shù) 如圖2所示,2010年、2015年、2020年均為豐年,空間上高值區(qū)由東南部逐漸向東北部轉(zhuǎn)移,且降水量逐年攀升,年降水總量在2020年達(dá)近30 a 峰值。2010 年全市年均降水量1 494.8 mm,相比上年增加33.2%,高于多年平均值17.8%。降水距平百分比指數(shù)空間上呈東南高西北低的特征,降水分布不均衡。2015年全市年均降水量1 401.2 mm,較2010年降低6.26%,降水距平百分比指數(shù)空間上呈東高西低的特征,高值區(qū)范圍有所縮小。2020 年全市年均降水量1 928.3 mm,相比2015年增加37.62%,比多年平均值偏多52.0%,降水距平百分比指數(shù)空間上呈東北高西南低的特征,全市區(qū)域年降水量均大于多年平均降水量。

圖2 不同時(shí)期降水距平百分比指數(shù)空間分布Fig.2 Spatial distribution of precipitation distance level percentages in different periods

3.1.3 土壤侵蝕程度指數(shù) 由圖3可知,2010—2020年武漢市土壤侵蝕程度指數(shù)高值區(qū)由東南部向北部轉(zhuǎn)移,且總體呈先增加后降低的趨勢。2010年武漢市平均土壤侵蝕程度指數(shù)為2.66 t/hm2,東南部土壤侵蝕較嚴(yán)重。其中青山區(qū)平均土壤侵蝕程度指數(shù)最高為2.87 t/hm2,東西湖區(qū)平均土壤侵蝕程度指數(shù)最低為2.48 t/hm2。2015年武漢市平均土壤侵蝕程度指數(shù)為2.62 t/hm2,較2010年略有下降,但最高侵蝕指數(shù)略微上漲。東北部和中部地區(qū)土壤侵蝕程度加劇,青山區(qū)、新洲區(qū)土壤侵蝕程度較嚴(yán)重,其中新洲區(qū)平均土壤侵蝕程度指數(shù)增長0.10 t/hm2。2020年武漢市平均土壤侵蝕程度指數(shù)為2.38 t/hm2,較2015年土壤侵蝕程度指數(shù)整體降低,空間上土壤侵蝕程度高值區(qū)向北方轉(zhuǎn)移。各區(qū)土壤侵蝕程度好轉(zhuǎn),其中江漢區(qū)和青山區(qū)平均土壤侵蝕程度指數(shù)分別降低0.56,0.58 t/hm2。

圖3 不同時(shí)期土壤侵蝕程度指數(shù)空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil erosion degree index in different periods

3.1.4 土地利用混合度 2010—2020年,武漢市土地利用混合度呈現(xiàn)緩慢上升趨勢,但多數(shù)行政區(qū)的土地利用混合度有所下降,見表4。2010—2015年,武漢市土地利用混合度為1.145,除漢陽區(qū)、東西湖區(qū)、漢南區(qū)和新洲區(qū)升高,其余9個(gè)行政區(qū)土地利用混合度下降,其中江漢區(qū)下降幅度最大,下降0.431,可能原因是轄區(qū)面積小,土地資源有限,綠化面積小,土地類型以建設(shè)用地為主;漢陽區(qū)增幅最大,上升0.064。2015—2020年,武漢市土地利用混合度為1.151,除東西湖區(qū)、漢南區(qū)、蔡甸區(qū)、江夏區(qū)、黃陂區(qū)和新洲區(qū)升高,其余7個(gè)區(qū)行政區(qū)土地利用混合度下降,硚口區(qū)由于大量耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地降幅最大,下降0.098,漢南區(qū)因用地效率提升,土地利用混合度上升0.114。

表4 不同時(shí)期土地利用混合度及其變化Table 4 Land use mix and its changes in different periods

3.1.5 碳足跡壓力指數(shù) 2010—2020年,武漢市碳足跡壓力指數(shù)呈先升后降的趨勢,各行政區(qū)碳足跡壓力指數(shù)以上升趨勢為主,見表5。2010年武漢市碳足跡壓力指數(shù)為4.83,各行政區(qū)差異較大。江漢區(qū)碳足跡壓力指數(shù)最大,達(dá)到525.31,黃陂區(qū)碳足跡壓力指數(shù)最小,僅0.58。2015年武漢市碳足跡壓力指數(shù)為5.20,除漢南區(qū)和新洲區(qū)以外,其余行政區(qū)的碳足跡壓力指數(shù)均有所上漲,其中江漢區(qū)碳足跡壓力指數(shù)較2010年上漲71.77%,達(dá)到902.31。2020年由于新冠疫情的影響,武漢市碳足跡壓力指數(shù)降至4.51,較2010年、2015年分別下降0.32,0.69;江漢區(qū)碳足跡壓力指數(shù)相較于2015年有所降低,但仍為全市最高,黃陂區(qū)碳足跡壓力指數(shù)未發(fā)生明顯變化,仍是全市最低值。

表5 不同時(shí)期碳足跡壓力指數(shù)及其變化Table 5 Carbon footprint pressure index and its changes in different periods

除江漢區(qū)之外,2010—2020 年硚口區(qū)、漢陽區(qū)、漢南區(qū)碳足跡壓力指數(shù)變化較大,其中硚口區(qū)碳足跡壓力指數(shù)在10年間不斷增加,且增長趨勢加快;漢陽區(qū)則是在高碳排放壓力下銳減;由于2020年武漢市統(tǒng)計(jì)年鑒中沒有漢南區(qū)的能源消耗量,因此使用武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的能源消耗量來代替,從而導(dǎo)致2020年漢南區(qū)碳足跡壓力指數(shù)激增。

3.2 土地生態(tài)綜合風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

3.2.1 土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià) 如圖4 所示,2010—2020年武漢市土地生態(tài)狀況整體較好,土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低,且呈現(xiàn)出逐漸下降的演變趨勢。Ⅰ級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)向北擴(kuò)展明顯,Ⅱ級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在西部及西南部并逐漸向Ⅰ級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)變,Ⅲ級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)在中部逐步縮小,Ⅳ級和Ⅴ級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)整體變化不大。2010年,武漢市土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.199,以Ⅰ級和Ⅱ級風(fēng)險(xiǎn)為主,二者占區(qū)域總面積的96.07%;2015年,武漢市土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.176,46.20%的Ⅱ級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)下降為Ⅰ級風(fēng)險(xiǎn)區(qū),Ⅰ級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積由3 752.28 km2增至5 429.11 km2,Ⅳ級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積增加14.52 km2,Ⅲ級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和Ⅴ級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)范圍均有所減小,其中Ⅴ級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)降至44.38 km2;2020年,武漢市土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.172,仍以Ⅰ級和Ⅱ級風(fēng)險(xiǎn)為主,Ⅲ級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積減少50.83 km2,Ⅳ級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積逐年上升并達(dá)到75.05 km2,Ⅴ級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)無明顯改變。

圖4 不同時(shí)期土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級空間分布Fig.4 Spatial distribution of land ecological risk levels in different periods

對武漢市各區(qū)進(jìn)行土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)及等級統(tǒng)計(jì),見表6。結(jié)果表明,武漢市各區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級跨度大,中心城區(qū)土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高,周邊區(qū)域土地生態(tài)安全狀況良好。2010—2015年,武漢市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不斷優(yōu)化,東西湖區(qū)、新洲區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級由Ⅱ級降為Ⅰ級,漢陽區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級由Ⅲ級降為Ⅱ級,青山區(qū)由Ⅴ級降為Ⅳ級,但江漢區(qū)土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級為Ⅴ級且風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)有所升高,需要重點(diǎn)關(guān)注。2015—2020年,武漢市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量維持較好,江岸區(qū)、武昌區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級由Ⅲ級降為Ⅱ級,江漢區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級未變但生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)略微下降,生態(tài)安全狀況有所緩解,硚口區(qū)和青山區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)略微上升,其中青山區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級由Ⅳ級升為Ⅴ級。由此可見,中心城區(qū)生態(tài)狀況依然嚴(yán)峻,仍需穩(wěn)步推進(jìn)碳減排等各項(xiàng)生態(tài)治理措施。

表6 各區(qū)土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)及等級Table 6 Land ecological risk index and grade by district

3.2.2 土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級對比 在同一土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)下,引入碳足跡壓力指數(shù)對各行政區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)等級結(jié)果影響較大,結(jié)果見圖5。引入碳足跡壓力指數(shù)之前,各區(qū)土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級均呈現(xiàn)出由高風(fēng)險(xiǎn)等級向低風(fēng)險(xiǎn)等級過渡的態(tài)勢;而引入碳足跡壓力指數(shù)后,各區(qū)土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級明顯上升,且呈現(xiàn)出區(qū)域性變化趨勢,可分為3種變化形式:保持不變、好轉(zhuǎn)、先好轉(zhuǎn)后惡化。江漢區(qū)、硚口區(qū)、洪山區(qū)、漢南區(qū)、蔡甸區(qū)、江夏區(qū)、黃陂區(qū)三期土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級保持不變,其中江漢區(qū)、硚口區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較大,且2020年土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級高于未引入碳足跡壓力指數(shù)的土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級,原因在于這兩個(gè)區(qū)經(jīng)濟(jì)增速較快,建設(shè)用地碳排放量大,碳排放壓力大,碳足跡壓力指數(shù)的引入對土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級影響很大。江岸區(qū)、漢陽區(qū)、武昌區(qū)、新洲區(qū)三期土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級降低,且低于未引入碳足跡壓力指數(shù)的土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級,原因在于碳足跡壓力指數(shù)的引入中和了其他4項(xiàng)指標(biāo)對土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的影響。青山區(qū)、東西湖區(qū)三期土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級則呈現(xiàn)出先好轉(zhuǎn)后惡化的趨勢但變化幅度較小,與未引入碳足跡壓力指數(shù)的土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級差異較小。由此可見,在土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中引入碳足跡壓力指數(shù)對土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級影響較大,且對于不同行政區(qū)的影響力不同。因此,應(yīng)當(dāng)在土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中引入能表征土地利用碳排放風(fēng)險(xiǎn)的指數(shù),才能全面反映土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)來源,為制定土地生態(tài)保護(hù)和碳達(dá)峰計(jì)劃提供科學(xué)依據(jù)。

圖5 是否引入碳足跡壓力指數(shù)的土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級對比Fig.5 Comparison of ecological risk levels of land with and without the introduction of carbon footprint pressure index

3.3 綜合風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空格局演變

3.3.1 全局空間自相關(guān)分析 2010—2020年武漢市土地綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間集聚狀態(tài)較集中,具有明確的全局空間正相關(guān)特征。2010年、2015年和2020年全局Moran′sI指數(shù)分別為0.787 3,0.777 2,0.777 5,可以得出2010—2020年武漢市土地綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)集聚狀態(tài)呈先減弱后增強(qiáng)的態(tài)勢,且變化幅度較小。

3.3.2 冷熱點(diǎn)分析 由圖6 分析可知,2010—2020年,武漢市土地綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)熱點(diǎn)集聚程度呈先降后升的趨勢,冷點(diǎn)集聚程度逐年降低,次冷點(diǎn)區(qū)與臨界冷點(diǎn)區(qū)面積增長較快。2010年熱點(diǎn)區(qū)主要集中分布在武漢中心城區(qū)以及東西湖區(qū)和漢南區(qū),中心熱點(diǎn)區(qū)由于植被覆蓋度低,土地利用混合度低,建設(shè)用地占比高,土地綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較大而形成熱點(diǎn)區(qū),西南部熱點(diǎn)區(qū)由于包含武漢臨空港經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)和武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū),第二產(chǎn)業(yè)增速快,碳排放壓力大,導(dǎo)致土地綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較大。冷點(diǎn)區(qū)分布在蔡甸區(qū)、江夏區(qū)以及洪山區(qū),上述區(qū)域地表水資源豐富,大小湖泊共207座,森林覆蓋率高,從而形成冷點(diǎn)區(qū)。次熱點(diǎn)和臨界熱點(diǎn)較少,均分布在熱點(diǎn)區(qū)周圍。次冷點(diǎn)區(qū)和臨界冷點(diǎn)區(qū)主集中在蔡甸區(qū)。

圖6 不同時(shí)期土地綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)冷熱點(diǎn)空間分布Fig.6 Spatial distribution of cold hot spots of integrated land ecological risk in different periods

與2010年相比,2015年西部熱點(diǎn)區(qū)、次熱點(diǎn)區(qū)范圍明顯縮小,面積共縮減38.80%,主要體現(xiàn)在東西湖區(qū)和漢南區(qū)的熱點(diǎn)及次熱點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榕R界熱點(diǎn)區(qū)與不顯著區(qū)。冷點(diǎn)區(qū)范圍縮小37.26%,蔡甸區(qū)內(nèi)大部分的次冷點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著區(qū),洪山區(qū)部分冷點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榇卫潼c(diǎn)區(qū)或不顯著區(qū),并且在新洲區(qū)與黃陂區(qū)內(nèi)出現(xiàn)小范圍的次冷點(diǎn)區(qū)與臨界冷點(diǎn)區(qū),致使次冷點(diǎn)區(qū)、臨界冷點(diǎn)區(qū)面積分別上漲11.37%,31.00%。說明這5年間通過實(shí)施雙碳政策以及退耕還林、封山育林工程,生態(tài)狀況好轉(zhuǎn),土地利用混合度升高,土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度降低。

相較于2015年,2020年熱點(diǎn)區(qū)總面積上漲37.91%,15.87%的臨界熱點(diǎn)區(qū)及0.71%的次熱點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)闊狳c(diǎn)區(qū)。除建設(shè)用地?cái)U(kuò)張和植被覆蓋度降低之外,還與洪澇災(zāi)害所造成的水土流失有關(guān),土地綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)集聚程度明顯上升,主要體現(xiàn)在東西湖區(qū)的熱點(diǎn)范圍擴(kuò)張;而漢南區(qū)熱點(diǎn)范圍擴(kuò)張主要受經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)工業(yè)發(fā)展以及碳排放量增加的雙重影響。冷點(diǎn)區(qū)范圍變化較小,臨界冷點(diǎn)區(qū)范圍擴(kuò)張明顯,面積較2015年上漲65.43%。受生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策影響,新洲區(qū)中部與黃陂區(qū)東北部植被覆蓋度升高,土地利用混合度上升,冷點(diǎn)區(qū)面積增幅明顯。

4 討論

武漢市2010—2020年各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)總體呈區(qū)域性分布。植被覆蓋度均值先升高后降低,空間上呈現(xiàn)由中心向四周遞增的趨勢,其低值區(qū)集中在中心城區(qū),應(yīng)增加綠地面積,限制建設(shè)用地?cái)U(kuò)張,高值區(qū)與低值區(qū)植被覆蓋程度差距較大;土壤侵蝕程度指數(shù)均值逐年降低,主要以土壤水力侵蝕為主,高值區(qū)由東南部向北部轉(zhuǎn)移,應(yīng)注意北部林地的水土流失情況,加強(qiáng)水土保持監(jiān)督管理;土地利用混合度總體呈現(xiàn)出低值區(qū)不斷降低高值區(qū)不斷升高的態(tài)勢,應(yīng)注意低值區(qū)土地利用情況,合理分配土地資源;碳足跡壓力指數(shù)各區(qū)差值較大,以江漢區(qū)為代表的高碳排放壓力區(qū)指數(shù)波動較大,以黃陂區(qū)為主的低碳排放壓力區(qū)指數(shù)浮動較小,高碳排放壓力地區(qū)主要集中在經(jīng)濟(jì)增長快和以第二產(chǎn)業(yè)為主的行政區(qū)。因此,應(yīng)對不同地區(qū)應(yīng)提出不同的環(huán)境保護(hù)方案,以青山區(qū)為例,不僅要調(diào)整第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展方式與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),還要加強(qiáng)清潔能源和可再生能源的使用。

武漢市土地綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)整體處于較低風(fēng)險(xiǎn)等級并逐步優(yōu)化,但區(qū)域差異明顯。北部生態(tài)狀況明顯優(yōu)化,Ⅰ級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積快速增長,但Ⅳ級和Ⅴ級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)生態(tài)狀況無明顯改善。由于低植被覆蓋度、土地利用混合度低以及碳排放壓力較大等原因,高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在中心商業(yè)區(qū)及工業(yè)區(qū),江漢區(qū)情況最為明顯,因此需要加快建設(shè)綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì),加強(qiáng)土地生態(tài)保護(hù),促進(jìn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

武漢市土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)全局正相關(guān)特性,空間集聚程度較強(qiáng)且變化幅度小。冷熱點(diǎn)區(qū)范圍變動較明顯,熱點(diǎn)區(qū)域面積先縮小后擴(kuò)大,主要分布在中心城區(qū)及漢南區(qū)內(nèi),冷點(diǎn)區(qū)域面積逐漸縮小,集中分布在生態(tài)環(huán)境良好的蔡甸區(qū)、洪山區(qū)、江夏區(qū)境內(nèi)。應(yīng)注意漢南區(qū)熱點(diǎn)區(qū)面積擴(kuò)張較快,要及時(shí)調(diào)整各區(qū)生態(tài)安全建設(shè)工作的重點(diǎn)。同時(shí),次冷點(diǎn)區(qū)在新洲中部及黃陂東北部逐漸顯現(xiàn),說明生態(tài)建設(shè)取得了良好成效。

武漢是長江經(jīng)濟(jì)帶的核心城市,地區(qū)生產(chǎn)總值增速快,發(fā)展迅速,建設(shè)用地?cái)U(kuò)張明顯,碳排放量顯著上升,土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況需持續(xù)關(guān)注。在雙碳政策背景下,本文從生態(tài)基礎(chǔ)、自然條件、土地結(jié)構(gòu)、人類活動出發(fā),結(jié)合碳足跡壓力指數(shù),構(gòu)建基于碳排放量的土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型,對土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行多因子多尺度綜合評價(jià),在一定程度上拓寬了影響土地生態(tài)安全的風(fēng)險(xiǎn)來源和土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系。但土地利用碳排放的研究方法和模型仍然存在著不確定性,比如在計(jì)算各區(qū)建設(shè)用地碳源時(shí),由于數(shù)據(jù)限制,未考慮由交通運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放;其次獲取的土地利用數(shù)據(jù)精度較低,并且利用柵格計(jì)算器進(jìn)行土地綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算時(shí),指標(biāo)像元尺度不同,對評價(jià)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。后續(xù)研究將以此為出發(fā)點(diǎn),完善土地利用碳排放量的計(jì)算模型,并細(xì)化指標(biāo)數(shù)據(jù)尺度,從而提高土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的精確性與科學(xué)性,為土地生態(tài)環(huán)境保護(hù)、土地資源管理規(guī)劃和降低土地利用碳排放提供參考依據(jù)。

5 結(jié)論

(1)武漢市各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)時(shí)空差異較大且變化明顯。植被覆蓋度空間上呈現(xiàn)由中心向四周遞增的趨勢,低值區(qū)集中在中心城區(qū),高值區(qū)與低值區(qū)植被覆蓋程度差距較大;土壤侵蝕程度指數(shù)均值逐年降低,主要以土壤水力侵蝕為主,高值區(qū)由東南部向北部轉(zhuǎn)移;土地利用混合度總體呈現(xiàn)出低值區(qū)不斷降低高值區(qū)不斷升高的態(tài)勢;碳足跡壓力指數(shù)各區(qū)差值較大,高碳排放壓力地區(qū)主要集中在經(jīng)濟(jì)增長快和以第二產(chǎn)業(yè)為主的行政區(qū)。

(2)武漢市土地綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)由0.199 降至0.172,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體向好,中心商業(yè)區(qū)及工業(yè)區(qū)土地生態(tài)狀況堪憂。Ⅰ級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積快速增長,但Ⅳ級和Ⅴ級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)生態(tài)狀況無明顯改善。中心城區(qū)植被覆蓋度低、土地利用混合度低、碳排放壓力大,但水土流失情況較弱且無洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。北部及南部地區(qū)水土流失面積較大,并存在洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),但植被覆蓋度高、土地利用混合度高、碳排放壓力小。

(3)武漢市三期全局Moran′sI指數(shù)均較高,空間集聚程度較強(qiáng)且變化幅度小,表明土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的空間分布呈現(xiàn)全局正相關(guān)特性。以不顯著區(qū)分布為主,熱點(diǎn)區(qū)和冷點(diǎn)區(qū)較為集中,而次冷熱點(diǎn)和臨界冷熱點(diǎn)分布較少且比較分散。冷熱點(diǎn)區(qū)范圍變動較明顯,熱點(diǎn)區(qū)域面積先縮小后擴(kuò)大,冷點(diǎn)區(qū)域面積逐漸縮小。

(4)在土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型中引入碳足跡壓力指數(shù)后,擴(kuò)充了土地生態(tài)安全的影響因子,對土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果影響較大,江岸區(qū)、江漢區(qū)、硚口區(qū)、漢陽區(qū)、青山區(qū)土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級明顯上升,不同區(qū)域土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級呈現(xiàn)不同的變化趨勢,為降低土地利用碳排放、提升土地生態(tài)安全提供理論依據(jù)。