關中城市群土地集約利用與碳排放關系演化特征研究

周璟茹，趙華甫，2，吳金華

（1.中國地質大學（北京）土地科學技術學院，北京 100083；2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京100035；3.長安大學地球科學與資源學院，陜西 西安 710064）

1 引言

在全球氣候變化的背景下，溫室氣體尤其是CO2的排放對社會經濟可持續發展造成了一定程度的阻礙。近年來，城市化和工業化進程的加速使大量農用地轉化成非農用地，這也成為導致碳排放急劇增長的重要因素之一[1]。土地集約利用作為提高土地利用效率的重要手段，對優化城市土地資源，改善生態環境具有重要意義。因此，如何在以集約利用為目標的土地利用中降低碳排放已成為當前城市土地利用中亟待解決的問題，而解決這一問題的根本就是要明晰土地集約利用與碳排放之間的關系。

針對城市土地集約利用問題的研究主要是在明晰理論內涵[2]的基礎上提出影響城市土地集約利用的驅動因子[3]，并依此建立評價指標體系[4]，進一步探究土地集約利用的方式途徑，為城市土地資源高效利用提供有效手段。在碳排放研究方面，諸多學者不僅將社會經濟發展和產業結構等問題與碳排放相聯系，同時也就不同土地利用方式[5]、利用結構[6]及其變化過程[7]對碳排放的影響開展了研究，依此提出了土地利用低碳優化調控措施[7]，并將低碳的思想應用于諸多研究方向[6-8]。近年來，相關學者也對土地集約利用與碳排放之間的關系進行了研究。其中，張苗等認為土地集約利用對碳排放產生同向影響[9]，并基于SMB模型對全國土地集約利用碳排放效率進行研究[10]；張俊峰等認為土地集約利用與碳排放呈高度正相關[11]；許恒周等對中國省際面板數據的實證分析后得出城市土地集約利用水平對碳排放效應有顯著的反向減緩作用[12]。上述研究填補了土地集約利用與碳排放關系研究的空白，但仍值得進一步的研究與討論。本文將在上述研究的基礎上，以關中城市群為研究對象，運用Tapio脫鉤理論與EKC曲線分析土地集約利用與碳排放間的關系，為土地的節能減排與集約利用提供理論基礎。

2 研究區概況及數據來源

2.1 研究區概況

關中城市群是指以大西安（含咸陽）為中心、寶雞為副中心，包括渭南、銅川及楊陵示范區的城市群，總面積5.5×104km2，總人口超過2400×104人。該區域為陜西省人口最密集的地區，經濟發達，是中國西部地區唯一的高新技術產業開發帶和星火科技產業帶。2015年11月3日，《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十三個五年規劃的建議》將關中城市群列入8大城市群中，這標志著在“一帶一路”的戰略背景下，關中城市群現已成為西部地區最具影響力的城市群之一。

2.2 數據來源

本文采用的社會經濟（固定資產投資額、消費品零售額、總人口、常住人口、各產業GDP等）及能源（煤炭、石油、天然氣消耗量等）數據來源于2000—2014年《中國能源統計年鑒》、《陜西統計年鑒》、《西安統計年鑒》、《寶雞統計年鑒》、《咸陽統計年鑒》、《渭南統計年鑒》、《銅川統計年鑒》以及楊陵區統計局的相關數據。土地利用數據來源于陜西省土地利用變更調查數據。

3 研究方法

3.1 土地集約利用水平測算方法

土地集約利用是一個動態的過程，在一定的時期內，通過增加土地投入[2]、提高土地的利用強度[13]及優化土地利用結構[3]，可以有效的增強土地利用集約度。因此，在對土地集約利用水平的測算中應考慮這三方面建立評價指標體系，并根據主導因素與因地制宜原則，根據已有研究成果進行指標選取。具體指標及其測算方法與權重見表1。

表1 土地集約利用測算指標及權重Tab.1 Indexes and weights of intensive land-use

結合選取指標的特性，采用多因素綜合評價的方法確定土地利用集約度。設有m個評價指標，n個參評對象，土地利用集約度的計算公式為：式（1）中，Vi為土地利用集約度；Wj為指標權重；Pij為參評對象j的第i個評價指標。

3.2 碳排放水平測算方法

土地利用的碳排放是指由于人類利用土地造成的碳排放[5]。本文討論的碳排放是指以耕地和建設用地為主的碳排放量與以林地和草地為主的碳吸收量計算得出的碳凈排放量。耕地、林地、草地的碳排放量估算公式為：

式

（2）中，ei為第i種土地類型的碳排放量（t），Ti為對應的土地面積（hm2），δi為對應的碳排放系數（t/hm2）。農用地的碳排放系數由于人類活動方式單一而相對穩定，其中耕地、林地和草地的碳排放系數分別為0.422 t/hm2、-0.644 t/hm2、-0.02 t/hm2[14]。

城市建設用地作為人類生產生活的載體，能源消耗是主要的碳排放源，而短時間內建設用地類型變化導致的直接碳排放量并不顯著，故建設用地的碳排放通過其利用過程中化石能源的消耗產生的碳排放間接估算[15]，公式為：式（3）中，c為建設用地的碳排放量；Mj為第j種能源消耗量；δj為對應的碳排放系數。其中煤炭、石油、天然氣的碳排放系數分別為0.7476 t/t標準煤，0.5825 t/t標準煤，0.4435 t/t標準煤[16]。

隨后得到碳排放總量，計算公式為：式（4）中，E為凈碳排放量。

現取碳排放量與土地面積的比值即碳排放強度作為最終測算值，計算公式為：

式（5）中，S為土地面積，C為碳排放強度。

3.3 Tapio脫鉤分析方法

脫鉤分析原用于分析兩個或多個物理量之間的響應關系，后用于分析經濟增長與環境壓力或資源消耗之間的關系。在眾多脫鉤方法中，本文選用基于時間尺度的彈性分析方法——Tapio脫鉤分析作為研究土地集約利用與碳排放關系的分析方法。其中，土地集約利用與碳排放的脫鉤是指土地利用集約度的提高不會導致碳排放增加反而會促使碳排放降低，在此選用碳排放強度和土地利用集約度分別作為環境壓力變量和經濟驅動變量，構建碳排放強度與土地利用集約度的脫鉤模型：

式

（6）中，DI為脫鉤指數，LC為環境壓力變量（碳排放強度），IU為經濟驅動變量（土地利用集約度），t0、t1分別為起止年份。Tapio彈性分析法將脫鉤狀態根據彈性值分為8種脫鉤狀態[17]（表2）。

表2 Tapio脫鉤狀態劃分表Tab.2 State of Tapio decoupling

3.4 EKC曲線

1991年，美國經濟學家Grossman和 Krueger等用庫茲涅茨曲線來定量描述環境污染與經濟發展的關系，即環境庫茲涅茨曲線（Environmental Kuznets Curve，EKC），該曲線通過人均收入與環境污染之間的關系模型模擬，提出經濟發展與環境污染程度存在倒U型關系。近年來，部分學者將EKC模型引入到土地利用問題中，證實了EKC模型在耕地非農化和建設用地擴張等問題中的實用性[18-19]。因此，筆者認為EKC曲線也可應用于分析土地集約利用與碳排放關系，發展初期，隨著土地集約利用程度提高，作為碳源的建設用地碳排放量效果明顯大于農用地等碳匯的碳吸收量效果[9]，而后隨著科學技術的發展，土地集約利用向技術投入型轉變，建設用地帶來的碳排放量也將逐步遞減。本文基于EKC曲線的理論研究與相關領域拓展，應用面板數據進行EKC曲線研究，建立了三次函數模型：

式（7）中，Y為碳排放強度，X為土地利用集約度，η、α1、α2、α3為常數，其中α的取值對曲線關系起主導作用（表3）[20]。

表3 不同類型的EKC曲線關系Tab.3 Different types of EKC curves

4 結果與分析

4.1 Tapio脫鉤分析

4.1.1 土地利用集約度測算 以2000—2014年各市數據為基礎進行統計并用對數標準化法進行處理后，得到關中城市群的土地利用集約度。結果顯示，2000—2014年關中城市群整體土地集約利用水平呈上升趨勢，平均年增長率為2.55%，且各市的土地集約利用水平均呈上升趨勢。

在空間尺度上，關中城市群中各市土地利用集約度在增長的同時也存在一定差異。以2014年為例，土地集約度最高為西安市，最低為銅川市，差距較為明顯。其中，西安市是關中城市群乃至陜西省經濟社會發展水平最高的城市，土地集約利用水平也較高。相比而言，渭南市與銅川市產業結構以工農業為主，土地集約利用水平較其他城市還存在著一定的差距。2000—2014年，土地利用集約度平均年增長速度最高的城市為寶雞市，平均年增長率為3.1%。作為陜西省兩大百萬人口城市之一，寶雞市近年來以“打造西部重要商貿物流中心”為依托，不斷增強自身經濟社會發展實力，通過招商引資、調節產業結構等方式使土地集約利用水平得到了顯著增強。

4.1.2 碳排放水平測算 以2000—2014年各市耕地、林地和草地面積和各市煤炭、石油和天然氣消耗數據為基礎進行統計計算后，得到關中城市群的碳排放強度。結果顯示，2000—2014年，關中城市群整體碳排放強度由0.4617×104t/km2增至0.8047×104t/km2，平均年增長率為4.05%。自2000年起，在國務院發布有關退耕還林的政策指導下，關中地區的耕地總面積由283×104畝下降至252×104畝，林地與草地面積由3274×104畝增至3680×104畝，但與此同時關中地區城市化和工業化的不斷加速也使煤、石油和天然氣消耗量不斷增加，導致因林地與草地面積的增加而增大的碳吸收量遠不及由于建設用地擴張所增大的碳排放量，故2000—2014年，關中城市群的碳排放水平整體呈增長的趨勢。

在空間尺度上，關中城市群中各市的碳排放水平存在一定的差異。以2014年為例，碳排放強度最大為西安市，最小為銅川市，相差0.1709×104t/km2。除此之外，各市2000—2014年的碳排放強度增長率也存在著一定程度的差異，其中增長最快的為咸陽市，平均年增長率為8.44%，增幅達0.109×104t/km2；增長最慢的為渭南市，平均年增長率為2.19%，增幅為0.046×104t/km2。咸陽市東鄰省會西安市，西接國家級楊陵農業高新技術產業示范區，具有獨特的地理優勢，近年來社會經濟發展迅速，建設用地擴張呈迅猛態勢，因而碳排放水平增長迅速；渭南市是中國重要的商品糧農業基地，并擁有豐富的礦產資源，工業以冶金、能源化工為支柱，由于其產業特性，近年來的城鎮化雖有一定程度的發展，但發展速度較緩，因而碳排放強度增長較緩。

4.1.3 脫鉤分析 以Tapio模型為為基礎，以上一年為基準年，利用2000—2014年關中城市群土地利用集約度與碳排放強度測算出二者的脫鉤狀態（表4）。

由表4可以看出，15年間關中城市群土地利用集約度與碳排放強度關系主要呈現出三種狀態，分別為擴張負脫鉤、增長連結和弱脫鉤，占比分別為50%、35.7%和14.3%。2014年關中城市群各市脫鉤狀態以擴張負脫鉤為主，部分城市出現增長連結與弱脫鉤的狀態，說明當前關中城市群土地集約利用與碳排放仍未脫鉤。

在空間尺度上，同一時段、不同城市所呈現出的脫鉤狀態略有不同，西安市與渭南市的脫鉤狀態以弱脫鉤狀態為主，其中西安市由2001年的強負脫鉤狀態逐漸轉變為增長連結與弱脫鉤為主的脫鉤狀態，說明其土地集約利用與碳排放的關系得到了逐年的改善，在土地利用集約度增長的同時，碳排放強度的增加量得到了有效地控制；銅川市、咸陽市和寶雞市則以擴張負增長的脫鉤狀態為主，說明其碳排放強度增長率與土地利用集約度增長率持平，今后還需更多行之有效的政策與經濟手段控制其碳排放強度的增加；楊陵區作為重要的農業科教基地和中國唯一的農業高新技術示范區所在地，近年來保持著較高的土地利用集約度與較低的碳排放強度，處于土地利用集約度與碳排放強度的強脫鉤狀態，證明土地集約利用水平的提高已不再成為碳排放增加的驅動力。

表4 關中城市群土地利用集約度與碳排放強度脫鉤狀態Tab.4 Tapio decoupling state between intensive land-use and carbon emission of Guanzhong Urban Agglomeration

4.2 土地集約利用與碳排放強度的EKC曲線關系檢驗

4.2.1 回歸模型的建立 在進行回歸分析前，為了消除異方差需要對原始數據進行ADF檢驗，檢驗表明，所有變量的一階差分值都在5%的檢驗水平上具有顯著性，存在協整關系，經Hausman檢驗，接受隨機效應原假設，由此構建回歸模型：

圖1 土地利用集約度與碳排放強度EKC曲線擬合圖Fig.1 EKC fitting figure of intensive land-use and carbon emission

4.2.2 回歸分析與峰值預測 從回歸模型擬合圖（圖1）可以看出，關中城市群土地利用集約度與碳排放強度呈現倒N型EKC曲線關系，且EKC曲線的拐點位于集約度為0.521和0.9129處。說明當集約度達到0.521前，碳排放強度會隨土地利用集約度的增加而遞減，這是由于在土地利用相對粗放的階段提高土地利用集約度會在一定程度上減少作為碳源的建設用地的擴張，使碳排放強度減小。當集約度在0.521—0.9129這一區間內，隨著土地利用集約度的增強，碳排放強度也會隨之增強，這是由于因土地集約利用造成的建設物資和能源的投入增加在一定程度上增加了碳排放，雖然土地利用集約度的增強減少了建設用地的擴張，但因增加建設用地的投入帶來的碳排放影響要明顯大于因減少碳匯向碳源轉化而增加的碳吸收影響，所以碳排放強度整體呈增長趨勢。當集約度達到0.9129這一臨界值時，碳排放強度也達到最大值0.246×104t/km2。當超越這一臨界值后，碳排放強度會隨土地集約利用程度的增加而減少，這是因為隨著土地利用集約度的增加土地集約逐漸從資本投入型向技術投入型轉變，建設用地帶來的碳排放量逐步遞減，由此促使碳排放強度的遞減趨勢。

當前關中城市群所處土地利用集約度區間為0.5210—0.9129，說明雖然當前因城市發展建設造成的碳排放強度仍在不斷遞增，但當集約度達到臨界值后，關中城市群的碳排放強度將會逐步遞減。當前多數城市的碳排放強度未達到這一峰值，說明關中城市群短期內碳排放強度還會不斷遞增，但是當超越這一峰值后，隨著土地技術科技投入不斷加大，土地利用集約度不斷提高，碳排放強度會逐步遞減，曲線會趨于平緩。

5 結論與討論

本文通過Tapio脫鉤模型與面板數據的EKC曲線建立與圖像擬合對關中城市群土地集約利用與碳排放的關系及演化特征進行了研究，得到了如下結論：

（1）2000—2014年關中城市群整體土地集約利用水平呈上升趨勢，平均年增長率為2.55%，各市的土地集約利用水平均呈上升趨勢，但內部差異明顯，其中土地集約利用程度最高的城市為西安市，銅川市與渭南市土地利用集約度則遠低于平均值。（2）2000—2014年關中城市群碳排放強度由0.4617×104t/km2增至0.8047×104t/km2，平均年增長率為4.05%，呈持續上升趨勢，各市的碳排放強度也在逐年遞增，但城市間存在明顯差異，其中碳排放強度最大的為西安市，最小為銅川市，其碳排放強度增長幅度與增長速率差異明顯。（3）2001—2014年間關中城市群土地集約利用與碳排放強度關系主要呈現出三種狀態，分別為擴張負脫鉤、增長連結和弱脫鉤，半數年期碳排放強度增長率高于集約利用水平增長率，土地集約利用與碳排放仍未脫鉤，但部分城市已呈現脫鉤趨勢。（4）通過建立EKC回歸模型，證明了關中城市群土地利用集約度與碳排放強度呈現倒N型EKC曲線關系。就當前關中城市群的土地利用集約度而言，碳排放強度在近年內仍會增加，但當土地利用集約度達到臨界值后，碳排放強度將會逐步遞減，并趨于平穩。

本文選取了2000—2014年的社會經濟和土地利用數據，時間尺度較短，不能完整的反映關中城市群土地集約利用與碳排放的變化趨勢，因而沒能更好的結合相關理論明晰當前關中城市群的發展階段并預測發展趨勢，值得進一步的研究與思考。

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