基于灰色關聯的鹽城市城市建設用地碳排放協調發展研究

王 亮

(1.中國礦業大學 環境與測繪學院, 江蘇 徐州220082;2.鹽城師范學院, 江蘇 鹽城224051; 3.江蘇沿海開發研究院, 江蘇 鹽城224051)

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基于灰色關聯的鹽城市城市建設用地碳排放協調發展研究

王 亮1,2,3

(1.中國礦業大學 環境與測繪學院, 江蘇 徐州220082;2.鹽城師范學院, 江蘇 鹽城224051; 3.江蘇沿海開發研究院, 江蘇 鹽城224051)

隨著新型工業化、信息化、城鎮化、農業現代化深入推進發展，城市建設用地開發利用呈現出膨脹式的擴展，特別是在“高消耗、高排放、高污染”的城市發展模式下，不僅造成碳排放量快速增長，而且造成城市土地的“碳匯”功能減弱，致使氣候變暖、人居環境日益惡化。論文以灰色關聯度為研究手段對鹽城市2002—2012年的城市建設用地及各分項用地的碳排放進行評價，并采用系統之間的耦合協調度公式測度了各分項用地之間協調發展等級。結果表明：鹽城市城市土地利用各構成要素之間存在著不同于簡單因果關系的非線性聯系，即具有相關性、非均勻性、不可逆性等特征；鹽城市2003—2012年城市建設用地各分項用地的協調發展程度呈逐年下降趨勢，而且系統間存在著嚴重的不平衡性。鹽城市在城市建設用地的發展過程中，用地之間的矛盾越來越突出，在各分項用地協調發展等級研究中，各系統間發展差異也較大。總體為優良等級，優質協調、良好協調占總評價的50%左右。其中工業—交通用地協調發展較好，這也為其他系統間的協調發展提供決策參考依據。

建設用地; 碳排放; 灰色關聯; 協調發展; 鹽城市

隨著中國特色的新型工業化、信息化、城鎮化、農業現代化深入推進發展，中國進入了新一輪的經濟轉型發展階段。人口城鎮化和工業化進程導致了全球CO2排放量水平處于穩定增長狀態，且目前有加快趨勢[1]。研究表明，新型城鎮化和工業化推動了城市建設用地的大幅擴張，城市建設用地是區域人口、建筑、交通、工業和公共服務的集中地，也是高耗能和高碳排放的集中地，是碳排放的主要源頭[2]。碳排放是引起全球氣候變化的最重要原因。而碳排放強度與土地利用及覆蓋變化關聯度較高[3-4]。

城市建設用地利用變化導致溫室氣體排放和局地氣候變化的作用機理更加復雜，不確定性因素更多，因此其作用機理與影響因素成為全球氣候變化研究的熱點和難點之一。已有多人就建設用地擴張與碳排放效應及對碳排放的影響進行了系統研究[5-7]，但對城市建設用地的進一步分化和其協同關系研究尚不多見，因此，本文以江蘇沿海大開發背景下的城市化快速發展的典型城市——鹽城市為例，探討建設用地總體及各分項用地對碳排放的影響，利用灰度關聯分析的方法研究各分項用地碳排放間的關系，將系統耦合、協同發展的概念引入到碳排放問題探討中，從而為合理進行城市土地利用規劃、實現土地資源的可持續利用提供參考依據。

1 研究區概況

鹽城市位于北緯32°34′—34°28′，東經119°27′—120°54′。鹽城是江蘇省土地面積最大、海岸線最長的地級市，全市土地總面積16 972 km2。鹽城市近些年過快的人口增長，較大的人口總量和近幾年年均5%增速的城鎮化率給本區域的土地利用帶來了較大的壓力，生態環境受到了一定程度的損害，對區域社會經濟的可持續發展產生了一定的負面影響。城市建設用地由2002年的213.77 km2增加到2012年的279.81 km2，累積擴大了66.04 km2，增加幅度為30.89%，由此產生的碳排放也在飛速增加，城市土地利用問題十分突出，本區域工業化、城市化高速發展，城市土地生態系統受到人類活動影響較大，從而城市土地利用對于全球變化的影響也較為顯著，因此，分析該區域城市土地利用變化的碳排放效應具有一定的典型性。

2 研究方法

本文所使用的社會、經濟和人口數據來源于《中國能源統計年鑒》有關鹽城市相關年份能源消費數據，江蘇統計局網站公布的分區縣統計年鑒和鹽城市2003—2013年《統計年鑒》，鹽城市2003—2013年國民經濟和社會發展統計公報，部分實地調查和問卷數據。并用相關年份的遙感影像數據加以校正。

Ec=∑Ei×fi

(1)

式中：Ec——建設用地的碳排放量(t)；Ei——各種化石能源的消耗量(噸標準煤)；fi——各種能源的碳排放系數。本文主要考慮了21類具體的能源類型，其碳排放系數主要參考IPCC公布的數值[8](表1)。根據《城市用地分類與規劃建設用地標準》(GB50137—2011)，城市建設用地可以分為居住用地、公共管理與公共服務用地、商業服務業設施用地、工業用地、物流倉儲用地、交通設施用地、公用設施用地與城市公共綠地。本文將研究區域的城市建設用地歸結為居住用地、工業用地、商服用地和交通用地4大類型[9]。居住用地、工業用地、商服用地和交通用地的碳排放數計算參考汪友結提出的計算方法[9]。

灰色關聯分析是通過定量化的方法尋找出系統各要素之間的聯系情況，從而初步確定系統運行的性質[10]，為了深刻揭示城市土地系統各要素之間的關聯程度，需要找到表征系統各要素行為特征的序列。由于城市土地利用系統各要素的內部結構復雜，很難將其行為特征直接量化，為簡化計算程序，本文采用的是表征各子系統行為特征的間接量，即映射量進行分析的方法。具體來說，就是以城市各分項用地的年度序列碳排放量為基礎數據，通過采用一定的計算方法來求取各系統要素的歷年映射量。

表1 各種能源碳排放系數 tC/t

Mi(k)=Ti(k)/T0(k)

(2)

式中：Mi(k)——城市建設用地某一具體i類分項用地第k年的映射量；Ti(k)——城市建設用地某一具體i類分項用地第k年的碳排放量(噸標準煤)；T0(k)——城市建設用地某一具體i類分項用地起始年(本文是2002年)的碳排放量(噸標準煤)。設城市建設用地某一具體i類分項用地的歷年映射量{M0(k)—Mi(k)}構成初向量{V0(k)—Vi(k)}，考慮到映射量為系統要素相應的發展指數，所以不需進行量綱化就可直接求出其他分項用地的相應初向量{V0(k)—Vj(k)}與i類分項用地初向量{V0(k)—Vi(k)}的絕對值差向量Δij(k)，并把Δij(k)作為序列差。

在分列求出Δij(K)的最大值Δmaxij和最小值Δminij的基礎上，繼續求出最大值Δmaxij系列中的最大值和最小值Δminij系列中的最小值，即分別為極大值Δmaxi和Δmini。令rij(k)為城市建設用地某一具體系統j類分項用地要素對另一具體系統i類分項用地要素關聯度系數，建立如下的關系式：

rij(k)=(Δmini+α·Δmaxi)/(Δij(K)+α·Δmaxi)

(3)

式中：α——分辨系數，α越小，分辨力越大，一般α的取值區間在(0，1)之間，具體取值可根據情況而定，當α≤0.563時，分辨力最好，通常取α=0.5。

采用平均值法即可求出城市建設用地某一具體系統j類分項用地要素對另一具體系統i類分項用地要素的關聯度，即：

(4)

上述系統之間的關聯度并不能反映二者耦合程度，為從整體上判別城市建設用地各分項用地的匹配協調發展態勢，本文進一步引入耦合度模型。因此，在式(4)的基礎上進一步構造城市建設用地各分項用地相互匹配的系統耦合度模型[10]，以衡量城市建設用地各分項用地的匹配協調發展程度。其計算公式為：

(5)

3 結果與分析

2002—2012年鹽城市的建設用地和各分項用地的碳排放量均呈現出上升趨勢(表2)，其中建設用地總排放量由2002年的571.98萬t增加到2012年的1 196.94萬t，增加了624.96萬t，年均增長率為9.93%；居住用地總排放量由2002年的56.07萬t增加到2012年的147.13萬t，增加了91.06萬t，年均增長率為14.76%；工業用地總排放量由2002年的275.89萬t增加到2012年的564.96萬t，增加了289.07萬t，年均增長率為9.53%；商服用地總排放量由2002年的6.55萬t增加到2012年的27.62萬t，增加了21.07萬t，年均增長率為29.24%，增速最快；交通用地總排放量由2002年的233.47萬t增加到2012年的457.23萬t，增加了289.07萬t，年均增長率為8.71%，增速較慢，工業用地的碳排放占建設用地總排放量超過50%，是第一大排放源，交通用地的碳排放占建設用地總排放量為30%～40%，是第二大排放源，兩者之和超過80%，雖然居住用地和商服用地碳排放量占比例較小，但近年來增長迅速，其引發的環境效應不容忽視。

根據表2中提供的數據結合公式(2)，以2002年為起始年，計算城市建設用地各分項用地的歷年映射量，再求出各行各列的極大值和極小值后，結合公式(3)和(4)，計算城市建設用地關聯度系數(表3和表4)。

從表4可以看出，鹽城市城市建設用地中的居住用地低碳利用、工業用地低碳利用、商服用地低碳利用以及交通用地低碳利用這四大構成要素之間的灰色關聯度全都大于設定區分度0.5(最小值為0.585 6)，這說明在低碳經濟視角下，鹽城市城市土地利用各構成要素之間存在著不同于簡單因果關系的非線性聯系，即具有相關性、非均勻性、不可逆性等特征。從表4還可以發現，工業用地—交通用地、居住用地—工業用地構成要素之間的灰色交互關聯度相對較大，這說明三者之間的互相促進和互為保障的作用機制最為明顯。

表2 2002-2012年鹽城市建設用地及各分項用地碳排放量

表3 2002-2012年鹽城市分項用地灰色關聯度

表4 2002-2012年鹽城市分項用地之間關聯度分析

利用公式(5)計算得到鹽城市2003—2012年城市建設用地各分項用地的協調發展程度(圖1)，各分項用地之間的協調發展程度呈逐年下降趨勢，其中居住—工業用地的協調度由2003年的0.983 2下降到2012年的0.622 3，減少了0.360 9，變化幅度為36.7%；居住—商服用地的協調度由2003年的0.933 4減少到2012年的0.402 1，減少了0.531 3，變化幅度為56.9%；居住—交通用地的協調度由2003年的0.980 7變化到2012年的0.592 2，減少了0.388 5，變化幅度為39.6%；工業—商服用地的協調度由2003年的0.926 5跌到2012年的0.359 2，減少了0.567 3，變化幅度為61.2%；工業—交通用地的協調度由2003年的1.000微調到2012年的0.927 6，變化幅度較小，減少了0.072 4，變化幅度為7.2%；商服—交通用地的協調度由2003年的0.926 7下降到2012年的0.354 1，減少了0.572 6，變化幅度為61.8%。說明鹽城市在城市建設用地的發展過程中，用地之間的矛盾越來越凸顯。

圖1 2002-2012年鹽城市分項用地之間協調度分析

目前系統之間的耦合協調度等級劃分尚無統一的標準，參考前人的研究成果[11]，采用目前國際性組織普遍采納的系統協調度評價標準(即：嚴重不協調，0≤C≤0.4；中度不協調，0.4≤C≤0.5；輕度不協調，0.5≤C≤0.6；弱協調，0.6≤C≤0.7；中度協調，0.7≤C≤0.8；良好協調，0.8≤C≤0.9；優質協調，0.9≤C≤1.0)。根據前面的計算結果，對鹽城市分項用地的協調度進行分等(圖2)。

注：H為居住用地；I為工業用地；B為商服用地；T為交通用地

居住—工業用地協調發展程度中，優質協調、良好協調、中度協調和弱協調等級分別占60%，10%，10%和20%；居住—商服用地協調發展程度中，優質協調、良好協調、中度協調、弱協調、輕度不協調和中度不協調等級分別占10%，10%，20%，20%，20%和20%；居住—交通用地協調發展程度中，優質協調、良好協調、弱協調、輕度不協調等級分別占40%，30%，20%和10%；工業—商服用地協調發展程度中，優質協調、中度協調、弱協調、輕度不協調、中度不協調和嚴重不協調等級分別占10%，40%，10%，10%，20%和10%；工業—交通用地協調發展程度中，優質協調、良好協調等級分別占80%和20%；商服—交通用地協調發展程度中，優質協調、良好協調、中度協調、輕度不協調、中度不協調和嚴重不協調等級分別占10%，10%，30%，20%，20%和10%。整體來說，優質協調、良好協調、中度協調、弱協調、輕度不協調、中度不協調和嚴重不協調等級分別占35.0%，13.3%，16.7%，11.7%，10.0%和10.0%，優質協調、良好協調占50%左右。工業—交通用地協調發展較好，這與鹽城市最近幾年大力發展公共交通(如BRT)，工業功能分區逐漸科學化密不可分。

4 結論與建議

4.1 結 論

本文以灰色關聯度為研究手段對鹽城市2002—2012年的城市建設用地及各分項用地的碳排放進行評價，并采用系統之間的耦合協調度公式測度了各分項用地之間協調發展等級，結果表明，鹽城市城市土地利用各構成要素之間存在著不同于簡單因果關系的非線性聯系，即具有相關性、非均勻性、不可逆性等特征；鹽城市2003—2012年城市建設用地各分項用地的協調發展程度呈逐年下降趨勢，而且系統間存在著嚴重的不平衡性，說明鹽城市在城市建設用地的發展過程中，用地之間的矛盾越來越突出，在各分項用地協調發展等級研究中，各系統間發展差異也較大。總體呈優良等級，優質協調、良好協調占總評價50%左右。其中工業—交通用地協調發展較好，這也為其他系統間的協調發展提供決策參考依據。

4.2 建 議

在城市未來發展中，應注重低碳經濟發展、節約型城市與產業結構調整相結合，運用協調發展理念大力發展新能源、高新技術產業；限制建設用地過度盲目擴展，集約節約利用建設用地，盤活存量用地，走現有建設用地效率提高的有效途徑(如立體化用地、提高建筑容積率、功能科學規劃和合理分區等)；合理規劃商業服務用地，分流鹽城市老城區商業服務設施的用地，在城南和城東新建商業中心綜合體，利用立體空間發展地下商業設施，不斷提高能源利用技術，提高能源利用效率，優化能源結構，減少單位建設用地的碳排放量，居住用地實行高層集中居住，交通用地走智能化、網絡化的立體體系發展道路，實行公共交通用地優先發展的方法，按照低碳經濟理念，優化和調整土地利用結構，確保獲得社會、經濟和生態綜合效益；探索碳排放的補償標準，實施碳排放生態補償制度，以實現區域碳減排目標。

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Research for Coordinative Development About Carbon Emission from Construction Land in Yancheng City Based on Grey Correlation Method

WANG Liang1,2,3

(1.SchoolofEnvironmentandSpatialInformatics,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou,Jiangsu221008,China; 2.YanchengTeachersUniversity,Yancheng,Jiangsu224051,China;3.ResearchInstituteofJiangsuCoastalDevelopment,Yancheng,Jiangsu224051,China)

Land use change is an important factor on carbon emission. With the new-type urbanization，industrialization, informatization and agricultural modernization process accelerating， there appears the fast expansion in urban construction land use and development， especially in the urban development pattern of high consumption, high emission and high pollution， which resulted not only in the rapid growth of social carbon emissions, but also in the weakening of carbon sinks function of urban land, leading to the global warming，and the deterioration of the living environment. Therefore，the low-carbon use of urban construction land will be the new hot spot of the study in the fields of the urban science and environmental science. The purpose of this paper is to analyze the characteristics of changes in urban construction land use in Yancheng City from 2002 to 2012, calculate and analyze the carbon emissions influenced by different urban construction land use types from 2002 to 2012 according to the assessment model of carbon emission and grey relationship method, describe the coordinative degrees of different urban construction land use types in Yancheng City from 2002 to 2012, keep the harmonious relationship between human beings and environment， and reach the goal of sustainable development of society. The results show that the transportation land and industrial land accounted for a major proportion of the total carbon emission from urban construction land use types in Yancheng City from 2002 to 2012. Carbon emissions increased most quickly in the residential land and the commercial service land city， from 5.607×105tons in 2002 to 1.471 3×106tons with an average annual growth rate of 14.76% and from 6.55×104tons in 2002 to 2.762×105tons with an average annual growth rate of 29.24% during the study periods, respectively. The results also show the decrease tendency of coordinative degree between different urban construction land use types in the years of 2002 and 2012．The good and very good degrees accounted for 50% of the total analyzed samples. Some further policy options should be proposed to mitigate problems more thoroughly, including reducing carbon emissions and increasing carbon sinks, protecting wetland and forestland, practicing the scientific concept of development, enhancing the efficiency of land use and energy consumption, coordinating the development of the economy and the land utility, and strengthening the control functions of land use planning to reduce carbon emissions.

Construction land; Carbon emission; Grey relationship; coordinative development; Yancheng City

2014-09-16

2014-10-26

國家自然科學基金資助課題(41071083);江蘇省高校優勢學科建設工程項目(SZBF2011-6-B35);江蘇省資源環境信息工程重點實驗室資助項目(JS201110);江蘇高校哲學社會科學研究資助項目(2014SJB711);鹽城師范學院校級科研項目(11YCKL005)

王亮(1977—),男,江蘇省鹽城人,副教授,博士研究生,主要從事土地資源管理研究。E-mail:wangsantai123@163.com

F061.3

1005-3409(2015)02-0253-05