基于土地利用變化的岳陽市碳排放時空格局研究

趙先超，牛亞文，肖 杰，張子兮

（1.湖南工業(yè)大學 城市與環(huán)境學院，湖南 株洲 412007；2.湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設計研究總院，湖南 長沙 410007）

1 研究背景

碳排放是使得全球氣候變暖的一個重要因素，如何有效減少碳排放，發(fā)展綠色低碳經(jīng)濟，已經(jīng)成為世界各國亟待解決的問題之一。作為低碳發(fā)展的關鍵時期，我國政府主動承擔應對氣候變化的國際責任，在2020年9月22日的第七十五屆聯(lián)合國大會上提出，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。土地作為人類活動的場所，承載著各種社會經(jīng)濟活動，已有研究表明，土地利用變化帶來的碳排放量僅次于化石燃料的燃燒產(chǎn)生的碳排放量。因此，分析市域土地利用的碳排放時空格局特征，對指導區(qū)域實現(xiàn)碳中和目標，促進綠色低碳發(fā)展具有重要意義。

目前，國內外學者已圍繞土地利用變化引起的碳排放開展了廣泛的研究，并取得了豐富的成果，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）在不同尺度下測算不同土地利用類型的碳排放，并分析其時空格局特征。如周嘉等[1]分析了中國省域土地利用碳排放的時空特征，以推動中國低碳經(jīng)濟發(fā)展；馬遠等[2]對2000—2017年黃河流域各省份的土地利用碳排放時空格局特征進行了探討，結果表明，該地域凈碳排放總量在不斷增加，但增長速度呈下降的變化趨勢；文楓等[3]探討了重慶市不同土地利用方式碳排放時空差異及其變化特征，以推進區(qū)域綠色低碳發(fā)展；袁霄等[4]從縣域尺度出發(fā)，分析了重慶市縣域土地利用碳排放的時空演變特征，為區(qū)域經(jīng)濟低碳發(fā)展提供參考。

2）土地利用轉換視角下的碳排放分析。張旺等[5]基于北京市土地利用轉換矩陣，計算出因土地利用轉換導致的碳排放效應變化；李鵬等[6]經(jīng)計算得出，鶴壁市近30 a 來土地利用轉換引起的碳排放增量高于碳吸收增量，土地利用格局變化會直接影響區(qū)域碳循環(huán)過程；秦巖等[7]通過ArcGIS 疊加分析，得到了2000—2018年長江三角洲中心區(qū)土地利用碳排放強度的轉移情況，發(fā)現(xiàn)土地利用對碳排放變化具有明顯的影響。

3）探索土地利用變化的碳排放影響因素。此類文獻主要運用時空地理加權回歸分析、地理探測器、LMDI（logarithmic mean divisia index）模型、STIRPAT（stochastic impacts by regression on population,affluence,and technology）模型等進行分析，以深入了解土地利用碳排放的影響因素[2,8-11]。

4）土地利用碳排放的動態(tài)模擬預測。已有研究主要采用灰色理論模型、系統(tǒng)動力學等方法，模擬出不同情景下區(qū)域內未來幾年的碳排放情況，并提出低碳土地利用結構的優(yōu)化方案[12-15]。

岳陽市作為中部區(qū)域性中心城市，近年來隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，其土地利用發(fā)生了一定程度的變化，由此引起的碳排放量也迅速增加?；诖?，本研究試圖根據(jù)岳陽市2013—2019年的土地利用數(shù)據(jù)和能源消耗數(shù)據(jù)，探討其土地利用碳排放時空變化特征，旨在為岳陽市土地資源持續(xù)利用以及實現(xiàn)區(qū)域碳中和目標、推動綠色低碳發(fā)展提供一定的參考。

2 研究區(qū)域與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

岳陽市位于湖南省東北部長江南岸，地處北緯28°25'33″～29°51'00″，東經(jīng)112°18'31″～ 114°09'06″，處于武漢城市圈和長株潭城市群的節(jié)點，長三角和珠三角向內陸輻射、長江經(jīng)濟帶和京廣鐵路經(jīng)濟帶的黃金十字架上。

本研究所用主要數(shù)據(jù)包括：1）土地利用原始數(shù)據(jù)，來源于中國地理空間數(shù)據(jù)云，為確保土地利用分類的準確性，本文選取云量小于10%的影像數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，運用ENVI 軟件進行校正、影像融合、鑲嵌與裁剪等處理，并運用監(jiān)督分類將土地利用類型分為6 類，分類結果精度均通過檢驗，最終得到4 個年份的土地利用現(xiàn)狀圖（如圖1所示）；2）岳陽市行政區(qū)界線，來源于2019年全國基礎地理信息數(shù)據(jù)庫。3）能源數(shù)據(jù)，主要來源于《湖南省統(tǒng)計年鑒（2014—2020年）》。

圖1 2013—2019年岳陽市土地利用現(xiàn)狀圖Fig.1 Current situation of land use in Yueyang city from 2013 to 2019

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用碳排放量估算方法

土地利用碳排放量估算方法分為直接碳排放量估算方法和間接碳排放量估算方法。前者為非建設用地的碳排放量估算；后者為建設用地的碳排放量估算。其中，非建設用地的碳排放量估算借鑒文獻[16]的研究成果，其計算公式如下：

式中：E為非建設用地碳排放量，t；

Ai為第i種土地利用類型碳排放量，t；

Si為第i種土地利用類型面積，hm2；

Ti為第i種土地利用類型碳排放系數(shù)。

在現(xiàn)有研究[17-20]的基礎上，結合岳陽市的實際情況，最終確定耕地碳排放系數(shù)取0.497 0 t/hm2，林地碳排放系數(shù)取-0.644 0 t/hm2，草地碳排放系數(shù)取-0.023 0 t/hm2，水域碳排放系數(shù)取-0.020 5 t/hm2，未利用地碳排放系數(shù)取-0.005 0 t/hm2。

建設用地的碳排放是運用能源消耗碳排放間接替代，采用《國家溫室氣體排放清單指南》中提供的能源消耗碳排放進行計算，具體的計算公式以及不同能源的折標準煤系數(shù)、碳排放系數(shù)等參考王雅晴等的研究成果[21]。

2.2.2 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣，可反映區(qū)域研究期初、研究期末各土地利用類型間的轉化規(guī)模與轉移方向，其數(shù)學形式如下[22]：

式中：Sij為第i種土地利用類型轉化為第j種土地利用類型的面積，hm2；

n為土地利用類型的數(shù)量。

2.2.3 重心轉移模型

重心轉移模型是根據(jù)人口分布重心的原理構建的，是區(qū)域發(fā)展過程中各要素空間變化的重要分析工具，它可以直觀地揭示不同時期某一要素在空間演變過程中的轉移方向及轉移距離等[23]，其計算公式為

式中：Xt和Yt分別為第t年研究對象的重心經(jīng)、緯度坐標；

Ci為t年第i類土地利用類型的研究對象值；

xi和yi分別為區(qū)域內第i類土地利用類型的幾何重心經(jīng)、緯度坐標。

重心轉移距離測度的計算公式如下：

式中：D為研究對象在不同年份間的重心移動距離，km；

H為常數(shù)，是把地理坐標單位(1°)轉化為平面距離（km）的系數(shù)，取值111.111；

（Xm，Ym）、（Xn，Yn）分別為第m年和第n年研究對象的重心地理坐標。

2.2.4 碳效應估算方法

碳效應估算方法主要用于計算2013—2019年岳陽市土地利用的碳效應變化值[6]。值得說明的是，該變化值僅代表轉換型的土地利用變化引起的碳效應變化[24]，其計算公式如下：

式中：C為土地利用變化的總碳效應，t；

Tij為第i種土地類型向第j種土地類型轉移時碳效應系數(shù)的變化值。

將建設用地的碳排放量除以岳陽市建設用地面積，即可以得到2019年建設用地碳效應系數(shù)，為266.56 t/hm2。

3 土地利用碳排放時空變化分析

3.1 時間變化分析

3.1.1 土地利用變化分析

圖2所示為2013—2019年岳陽市土地利用面積統(tǒng)計圖。

圖2 2013—2019年岳陽市土地利用面積統(tǒng)計圖Fig.2 Statistical map of Yueyang city’s land use area from 2013 to 2019

由圖2可以看出，岳陽市的林地面積最大，耕地面積次之，這兩者為岳陽市的主要土地利用類型；再次為水域面積；建設用地面積、草地面積和未利用地面積相對較小?？傮w來看，2013—2019年的岳陽市土地利用變化幅度較小。其中，耕地面積由2013年的528 158.16 hm2減少為2019年的525 270.42 hm2，約減少了0.55%；林地面積和水域面積都呈現(xiàn)出逐漸減少的變化趨勢；而草地面積在波動中呈現(xiàn)出遞減的變化趨勢，最終減少為2019年的17 399.34 hm2；建設用地面積呈現(xiàn)出逐漸增長的態(tài)勢，由2013年的31 758.66 hm2增加為2019年的49 086.45 hm2，約增加了54.56%；未利用地面積在波動中呈現(xiàn)出遞增的變化趨勢。

為了能更加直觀地展現(xiàn)研究區(qū)內土地利用的變化情況，對岳陽市土地面積變化與利用動態(tài)度進行了計算，所得結果見表1。

表1 2013—2019年岳陽市土地利用面積變化與動態(tài)度Table 1 Changes and dynamic features of land use area in Yueyang city from 2013 to 2019

由表1可以得知，總體來看，2013—2019年岳陽市建設用地的土地利用動態(tài)度最大，為9.09%，其次為未利用地，為5.10%，耕地、林地和水域次之，草地的動態(tài)度最小。其中，2013—2015年、2015—2017年、2017—2019年林地和水域的土地利用動態(tài)度均為負值，而建設用地均為正值，且在2013—2015年最大，高達14.47%，這表明在研究期間岳陽市建設用地的擴張主要以犧牲部分林地、水域為代價；耕地的動態(tài)度呈現(xiàn)出先減少后增加的波動態(tài)勢；草地的動態(tài)度在波動中呈遞增態(tài)勢，在2017—2019年達峰值，高達0.17%；未利用地的動態(tài)度呈現(xiàn)出先減少后增加的變化趨勢，在2015—2017年為負值，值為-0.13%。

為進一步探討岳陽市在研究時期的土地利用程度，計算出2013年、2015年、2017年、2019年的岳陽市土地利用程度的綜合指數(shù)，得出其值分別為282.35,283.16,283.66,283.57，可知其為在波動中呈增加的變化趨勢。由此可見，岳陽市土地利用程度總體偏高，土地利用的深度在研究期間提高，這與岳陽市建設用地在研究期間大幅度增加有著一定的聯(lián)系。

3.1.2 土地利用碳排放分析

基于岳陽市的土地利用程度和能源消耗數(shù)據(jù)，對各年份6 類土地利用類型的碳排放進行估算，得到岳陽市2013—2019年的土地利用碳排放量，結果如表2所示。

表2 2013—2019年岳陽市土地利用碳排放Table 2 Land use carbon emission of Yueyang city from 2013 to 2019104 t

如表2所示，總體來看，2013—2019年，岳陽市土地利用凈碳排放量在波動中整體呈現(xiàn)出上升的變化趨勢，具體數(shù)據(jù)由2013年的1 242.155×104t增加為2019年的1 292.524×104t，增加幅度約為4.05%，2017年的土地利用凈碳排放量最低，低至1 138.345×104t，這與2016年岳陽市政府深入實施碳減排相關政策密切相關。

在碳源方面，總碳源量在研究期間呈現(xiàn)出先減少后增加的變化趨勢，2013—2019年約增加了3.88%。其中，耕地碳排放量在波動中整體呈遞減趨勢，減少量為0.143×104t；建設用地的碳排放量與總碳源量和凈碳排放量的波動趨勢一致，由2013年的1 258.431×104t 最終增加為1 308.460×104t，增幅為3.98%。由此可見，建設用地的碳排放是岳陽市最主要的碳源，因此有效控制建設用地的擴張是推進岳陽市實現(xiàn)碳中和目標的重要任務之一。

在碳匯方面，總碳匯量在研究期間呈現(xiàn)出逐漸遞減的態(tài)勢，2013—2019年約減少了1.14%。其中，林地碳吸收占總碳匯的98.75% ～ 98.80%，對碳匯的貢獻量最大，這與岳陽市林地面積最大有關；其次為水域，草地、未利用地的碳排放量相對較小，且其在研究期間整體較為穩(wěn)定，變化幅度不大。由此可以看出，在碳中和的目標約束下，可通過優(yōu)化調整土地利用結構，適當?shù)剡M行退耕還林，以增加碳匯能力較大的土地利用類型面積，從而降低凈碳排放量。

3.1.3 土地利用碳排放強度分析

土地利用碳排放強度（單位面積碳排放）可以更好地揭示各土地利用類型與碳排放量之間的關系，參考秦巖等[7]的研究成果，計算得出2013—2019年岳陽市的土地利用碳排放強度?？傮w來看，2013—2019年，岳陽市總土地利用碳排放強度呈現(xiàn)出先減少后增加的變化趨勢，由2013年的8.37 t/hm2最終增加為2019年的8.71 t/hm2，增幅為4.06%。為更加直觀地展示研究期間土地利用碳排放強度的演變特征，將計算得到的各土地利用類型的碳排放強度進行統(tǒng)計，所得結果如圖3所示。

圖3 2013—2019年岳陽市土地利用碳排放強度變化曲線Fig.3 Land use carbon emission intensity in Yueyang city from 2013 to 2019

由圖3可以得知，4 個年份的土地利用碳排放強度最高范圍均集中在草地和未利用地上，2013年和2019年的土地利用碳排放強度的最高范圍分別為573.31～608.49 t/hm2和456.75～742.86 t/hm2，土地利用碳排放強度明顯增加。從土地利用結構來看，草地最高，由2013年的608.49 t/hm2增加至2019年的742.86 t/hm2，增幅約為22.08%；其次為未利用地，在波動中呈現(xiàn)出遞減的變化趨勢，在2017年達最低值，為242.37 t/hm2；建設用地次之，其碳排放強度在研究期間約減少了32.68%。

3.2 空間變化分析

3.2.1 土地利用空間轉移分析

借助ArcGIS10.5 軟件中空間疊加工具及數(shù)據(jù)透視表，得到了岳陽市土地利用變化結果，由于篇幅所限，僅列出2013—2019年岳陽市土地利用轉移空間格局（見圖4）和土地利用轉移矩陣（見表3）。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，岳陽市的6 類土地利用類型轉移呈現(xiàn)出一轉多的特征。

圖4 2013—2019年岳陽市土地利用轉移空間格局Fig.4 Spatial pattern of land use transfer in Yueyang city from 2013 to 2019

表3 2013—2019年岳陽市土地利用轉移矩陣Table 3 Land use transfer matrix of Yueyang city from 2013 to 2019hm2

分析表3中的數(shù)據(jù)可以得知：

1）在轉出面積中，2013—2019年，岳陽市水域的轉出面積最多，高達37 898.10 hm2，其中46.01%的轉出水域面積轉化為耕地面積，45.27%的轉化為未利用地面積；在空間上，水域向耕地轉化的區(qū)域主要分布在君山區(qū)南部，向未利用地轉化的區(qū)域基本上在湘陰縣北部和岳陽縣西部。其次為耕地，其轉出面積為37 639.89 hm2，其中約42.14%的轉出面積轉化為林地面積，29.38%轉化為建設用地面積，24.64%轉化為水域面積，在空間上轉換區(qū)域較為分散；林地的轉出面積次之，為25 999.11 hm2，主要轉化為耕地面積和建設用地面積，轉化比例分別為54.58%和32.01%；隨后為未利用地的轉出面積，有95.10%的轉化為水域面積；草地和建設用地的轉出面積較小，分別為5 001.12 hm2和3 627.45 hm2，其中有76.68%的草地轉化為水域，65.24%的轉化為耕地。

2）在轉入面積中，2013—2019年，岳陽市耕地的轉入面積最大，為34 766.46 hm2；其次為水域；建設用地的轉入面積緊隨其后，為20 955.42 hm2，其中52.76%來自耕地，39.72%來自林地，在空間上主要集中在城市周圍區(qū)域。研究表明，隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，岳陽市主要通過占用耕地和林地進行經(jīng)濟建設，這將面臨越來越大的碳減排壓力。

3.2.2 土地利用碳排放重心轉移分析

基于4 個年份的土地利用數(shù)據(jù)，運用ArcGIS10.5軟件確定各土地利用類型的幾何重心坐標，依據(jù)重心公式分別計算出2013—2019年的土地利用碳排放總量和土地利用碳排放強度的重心坐標，運用式（4）計算得到土地利用碳排放總量和碳排放強度重心轉移距離，所得結果如圖5所示。

圖5 土地利用碳排放總量和碳排放強度的重心轉移距離Fig.5 Total land use carbon emission and gravity center transfer distance of carbon emission intensity

借助ArcGIS10.5 軟件輸出2013—2019年岳陽市土地利用碳排放總量和碳排放強度的重心轉移空間格局圖，如圖6所示。

觀察圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，總體來看，2013—2019年岳陽市土地利用碳排放總量和碳排放強度的重心，均集中在岳陽縣。研究期間，岳陽市土地利用碳排放總量重心整體向東南方向移動了2.96 km，重心轉移速率約為0.49 km/a；土地利用碳排放強度重心同樣整體向東南方向移動，轉移距離較大，為16.15 km，重心轉移速率約為2.69 km/a，具體的轉移特征描述如下：

圖6 土地利用碳排放總量和碳排放強度的重心轉移空間格局Fig.6 Spatial pattern of gravity shift of total carbon emission and carbon emission intensity of land use

1）土地利用碳排放總量的重心轉移特征。統(tǒng)計年間，2013—2015年，岳陽市土地利用碳排放總量重心經(jīng)向移動了0.023°，緯向移動了0.002°，整體向東偏南方向移動了2.54 km，重心轉移距離最大，該時期是土地利用碳排放總量重心轉移最快的時期，重心轉移速率為1.27 km/a；2015—2017年，岳陽市土地利用碳排放總量重心向南偏西方向轉移了0.55 km，重心轉移速率約為0.28 km/a；2017—2019年，岳陽市土地利用碳排放總量重心經(jīng)向轉移了0.003°，緯向轉移了0.001°，轉移方向為東南方向，重心轉移速率為0.16 km/a。

2）土地利用碳排放強度的重心轉移特征。各研究時期，岳陽市土地利用碳排放強度的重心轉移方向均為東南方向，重心轉移距離和轉移速率有較大差異。其中，2013—2015年，土地利用碳排放強度重心的轉移距離最大，為13.55 km，該時期重心轉移速率也最大，約為6.77 km/a；2015—2017年，岳陽市土地利用碳排放強度的重心轉移距離和轉移速率均最小，分別為0.72 km 和0.36 km/a，經(jīng)向轉移了0.005°，緯向轉移了0.004°；2017—2019年，岳陽市土地利用碳排放重心經(jīng)向轉移了0.013°，緯向轉移了0.014°，轉移至岳陽縣中南部，重心轉移速率為1.08 km/a。

3.2.3 土地利用變化的碳效應分析

土地利用變化的碳效應是指各種土地利用行為對區(qū)域碳循環(huán)的影響。本文運用式（5），結合不同土地利用類型的碳效應系數(shù)，估算出2013—2019年岳陽市8 種主要土地利用類型轉移引起的區(qū)域碳效應，所得結果見表4。

分析表4中的數(shù)據(jù)可以得知，2013—2019年，岳陽市的土地利用變化引起的碳效應表現(xiàn)為碳排放總量的增量高于碳吸收總量的增量5 168 294.63 t。其中，生態(tài)系統(tǒng)的正向演變（退耕還林、耕地轉化為水域、未利用地轉化為水域）以及水域轉化為未利用地所引起的碳吸收總量增量為22 804.97 t；生態(tài)系統(tǒng)的逆向演變（林地轉化為耕地、建設用地，水域轉化為耕地）所引起的碳排放增量約為碳吸收增量的227 倍。具體分析可以得知，6 a 間，由于岳陽市城市化的快速發(fā)展，致使其建設用地侵占耕地和林地而引起的碳排放增量較大，分別為2 941 821.34 t 和2 224 064.48 t，兩者之和約占統(tǒng)計年間總碳排放增量的99.95%，由此可見，建設用地侵占耕地、林地是碳排放總量大量增加的主要原因；此外，耕地轉化為林地所引起的碳吸收增量最大，高達18 096.24 t，約占總碳吸收增量的79.35%，可見林地作為岳陽市碳匯能力最大的土地利用類型，具有較為顯著的生態(tài)效益。

表4 主要土地利用類型轉移引起的區(qū)域碳效應Table 4 Regional carbon effects caused by land use transfer

根據(jù)以上分析，面向碳中和目標，岳陽市在未來的發(fā)展進程中，應嚴格控制建設用地規(guī)模，可通過占用碳匯能力較小的土地利用類型進行開發(fā)建設，比如未利用地、草地；此外，可積極實施退耕還林政策，以提高森林覆蓋率，進而提升區(qū)域固碳能力。需要注意的是，在進行土地利用結構調整時，必須平衡好城市建設、生態(tài)保護和耕地保護之間的關系，使岳陽市能夠低碳、可持續(xù)發(fā)展。

4 結論與討論

本文基于2013—2019年岳陽市土地利用數(shù)據(jù)和能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)，探討了土地利用變化下岳陽市碳排放時空格局。結果表明：岳陽市的土地利用類型主要為林地和耕地，研究發(fā)現(xiàn)岳陽市仍然面臨著巨大的碳減排壓力。通過分析得出，2013—2019年岳陽市土地利用凈碳排放在波動中整體呈現(xiàn)出上升的變化趨勢，建設用地的碳排放是岳陽市最主要的碳源，林地對碳匯的貢獻量最大，在平衡碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。此外，岳陽市總土地利用碳排放強度呈現(xiàn)出先減少后增加的變化趨勢，增幅約為4.06%。由于人類活動加劇，研究期間岳陽市土地利用碳排放總量和碳排放強度的重心均整體向東南方向移動，均集中在岳陽縣內。研究發(fā)現(xiàn)，岳陽市主要的生態(tài)系統(tǒng)逆向演變所引起的碳排放增量約為碳吸收增量的227 倍，建設用地侵占耕地、林地是碳排放大量增加的主要原因。因此，在碳中和目標約束下，有效控制建設用地規(guī)模是推進岳陽市實現(xiàn)碳中和目標的重要任務之一；同時，土地利用變化對碳排放總量具有顯著作用，可通過優(yōu)化調整土地利用結構，適當?shù)卦黾犹紖R能力較大的土地利用類型面積，可積極實施退耕還林、森林質量精準提升、建設用地增綠補綠等政策，以提高岳陽市的森林覆蓋率和森林質量，進而提升區(qū)域固碳能力，從而實現(xiàn)碳平衡。

需要注意的是，國內外學術界對土地利用的碳排放系數(shù)還尚未統(tǒng)一，且不同區(qū)域土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)的影響存在一定的差異，本文估算的結果可能存在一定誤差，故符合岳陽市實際情況的碳排放系數(shù)有待進一步研究。但是與其他相關研究相比，本文的土地利用碳排放計算結果與相關研究的變化趨勢基本一致，研究結果仍然具有一定的參考價值。此外，本文僅分析了面向碳中和目標的市域土地利用變化的碳排放時空格局特征，而對動態(tài)變化下土地利用碳排放的影響因素缺乏深入挖掘，同時，面對當前碳達峰、碳中和的目標要求，岳陽市未來的土地利用碳排放預測模擬尤為重要，后續(xù)將基于相關模型進一步開展研究。