基于土地利用變化的廣州市碳排放效應分析
——以近20a為例

劉鋒 楊木壯 趙冠偉 林彤

(廣州大學地理科學與遙感學院，廣東 廣州 510006)

前言

隨著世界經濟的快速發展，全球碳排放量增多、溫室效應加劇，人類生產和生活環境的日益惡劣，在此背景下節能減排與低碳發展逐漸成為世界各國的關注點。習近平總書記在第75屆聯合國大會上提出，我國二氧化碳排放將力爭在2030年前達到峰值，努力爭取2060年實現碳中和的目標，為應對全球氣候變化作出了積極響應。有資料顯示，土地利用變化造成的碳排放量是人類活動碳排放總量的1/3[1]，且在過去的50a余里，我國由土地利用變化所導致的碳排放量高達106億t，占據世界各國土地利用覆被變化導致的碳排放總量的12%[2]。因此，土地利用變化及其碳排放效應的研究具有重要意義。

關于土地利用碳排放的研究，國內外研究主要有土地利用變化對于碳排放機制的研究、碳排放核算研究、碳排放效應和影響因素分解研究[3,4]。如，Mahesh評估了干旱熱帶地區土地利用變化對土壤二氧化碳碳通量和土壤有機碳(SOC)儲量的影響[5]；黃美玲估算了長江經濟帶碳排放總量并分析了碳排放趨勢[6]；政府間氣候變化專門委員會(IPCC)編制的《國家溫室氣體清單指南》，為土地利用碳排放的核算提供了參考[7]；方精云和陳安平分析了中國森林植被的二氧化碳源匯功能[8]，為林地的碳匯核算提供了方法；張俊峰利用LMDI模型對影響城市圈土地利用碳排放的因素進行分解，定量分析了武漢城市圈土地利用碳排放影響因素[9]。廣州市作為粵港澳大灣區的中心城市，在過去的20a間經濟文化迅速發展、人口不斷聚集，土地利用也相應的不斷變化，造成的土地利用變化的碳排放效應也十分復雜，因此研究廣州市的土地利用/覆被變化情況并測算由此引起的碳排放效應情況具有重要意義，本文基于市級尺度，通過對廣州市20a間土地利用變化的分析和碳排放量的估算，以期為區域可持續發展相關政策制定提供一定的參考。

1 研究區與數據來源

本文以廣州市為研究區，廣州市地處中國南部、廣東省中南部、珠江三角洲中北緣，位于E112°57′～114°3′，N22°26′～23°56′，陸域總面積為7434.40km2，地處南方豐水區，屬于海洋性亞熱帶季風氣候，境內河流水系發達，大小河流(涌)眾多，水域面積廣闊，境內有豐富的自然資源。截至2019年末，廣州市常住人口1530.59萬人，城鎮化率為86.46%。2020年，廣州市實現地區生產總值25019.11億元。

圖1 廣州市行政區劃圖

研究涉及數據包括廣州市2000年、2010年、2020年3期土地覆被、廣州市統計年鑒和廣州市縣級行政區劃矢量數據。土地利用覆被數據源于GlobeLand30全球公共地理信息平臺(http://www.globallandcover.com/),為30m空間分辨率全球地表覆蓋數據，數據總體精度達到80%以上，Kappa系數達到0.75以上，滿足研究要需求；廣州市統計年鑒數據來源于廣州市統計局；廣州市縣級行政區劃矢量數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心。

2 研究方法

2.1 土地利用變化

土地利用分類根據研究需要，采用全國土地二級分類系統的一級分類，將廣州市土地利用類型重分類為耕地、林地、草地、建設用地、水域、未利用地6類。

2.1.1 土地利用動態指數

(1)

式中，K為研究區一定時間范圍內的土地利用動態指數，取值[-1,1],使用百分數表示；Ub、Ua分別為某種土地利用類型在研究時段結束和開始時的面積；T為研究年數。

2.1.2 土地利用類型轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是根據同一地區不同時相的土地覆蓋現狀的轉化關系求得的一個二維矩陣，能夠簡單、直觀地表示出研究時段內各土地類型變化值及變化方向。本文利用Arcgis 10.2和Excel軟件對廣州市2000年、2010年、2020年3個時段的土地利用/覆被類型數據進行交叉分析，得到2000—2010年、2010—2020年和2000—2020年廣州市土地利用類型轉移矩陣。

2.2 碳效應測算模型

碳效應測算模型[11]用于定量計算土地利用/覆被變化所導致的各種碳效應變化值。計算公式:

C=∑Si,j×Ti,j

(2)

式中，C為土地利用/覆被變化總碳效應；Si,j為第i種土地利用類型轉換為第j種土地類型的面積，km2；Ti,j為第i種土地利用類型轉換為第j種土地類型時碳效應系數的變化值。

隨著氣候條件和耕種方法的不斷變化，主要病蟲害開始逐漸替代過去的次要病蟲害。同時，在種植過程中，大部分農戶不能全面清晰地認知和區分各種病蟲害，導致一方面控制力明顯不足，另一方面防治方法相對落后，對病蟲害的防治措施和效果不理想，從而影響小麥產量。

各地類中建設用地的碳效應主要為用地上的人類生活、生產活動，屬于碳源土地利用類型[12]。由于耕地的碳匯功能很弱，根據前人研究，耕地碳排放的主要途徑為農業施用化肥、機械的使用以及灌溉等生產活動[13]，因此本文將耕地歸為碳源。林地和草地的碳排放量小于碳固定量，視為碳匯。水域和未利用地因碳匯能力弱，且所占面積不大，故本文不做研究。

對于碳效應系數，由于數據獲取限制，對于建設用地的碳排放系數，本文參考南靈、梅昀等研究方法，以第二、第三生產總值和單位GDP能耗來間接計算人類在利用建設用地從事各類活動過程中所消耗的能源生產的碳排放量。其中K表示碳排放系數，具體計算過程：

Ei=(GDP2+GDP3)×J×K

(3)

式中，Ei表示建設用地碳排放量；GDP2為第二產業生產總值;GDP3為第三產業生產總值;J為單位GDP能耗;K=0.7476tC/t。通過《廣州市統計年鑒》相關數據，最終計算得到2000年、2010年、2020年廣州市建設用地碳排放系數分別為8864t·km-2、38926t·km-2、24697t·km-2。廣州市主要土地利用/覆被類型碳效益系數具體結果見表1。

表1 廣州市主要土地利用/覆被類型碳效應系數

3 結果與分析

3.1 土地利用/覆被變化分析

由土地利用分類結果統計可得2000年、2010年、2020年廣州市各類型土地面積，結合圖2對2000—2010年、2010—2020年和2000—2020年3個階段的土地利用/覆被變化進行分析。

3.1.1 變化幅度分析

由表2可知，從面積變化上看廣州市2000—2010年土地利用類型的變化，草地和建設用地面積增加，耕地、林地、水域和未利用地面積減少，與2000年相比，2010年廣州市耕地面積凈減少101.96km2，林地凈減少11.64km2，草地面積凈增加14.27km2，水域面積凈減少0.44km2，建設用地面積凈增加129.49km2，未利用地面積凈減少2.14km2；從土地利用動態指數上看，廣州市2000—2010年建設用地變化幅度最大，是土地利用變化的主要類型，動態度指數為1.67%；未利用地次之，動態指數為-1.37，而重要性指數建設用地為0.45,遠大于未利用地的0.01。

表2 2000—2010年廣州市土地利用/覆被變化

由表3可知，從面積變化上看2010—2020年廣州市土地利用類型的變化，僅建設用地面積增加，耕地、林地、草地、水域和未利用地面積均減少，與2010年相比，廣州市2020年耕地面積凈減少515.81km2，林地面積減少317.23km2，草地面積減少132.94km2，水域面積減少7.61km2，建設用地面積增加980.69km2，未利用地減少7.10km2；從土地利用動態指數來看，建設用地動態指數最大，為10.86%，表明建設用地在2010—2020年依然為廣州市土地利用變化的主要類型。

表3 2010—2020年廣州市土地利用/覆被變化

由表4可知，從面積變化上看2000—2020年廣州市土地利用類型的變化，僅建設用地面積增加，耕地、林地、草地、水域和未利用地面積均減少，與2000年相比，廣州市2020年耕地面積凈減少617.78km2，林地面積減少328.87km2，草地面積減少118.67km2，水域面積減少35.62km2；，建設用地面積增加1110.18km2，未利用地減少9.24km2；從土地利用動態指數來看，建設用地動態指數最大，為14.36%，水域的最小，為0.56%，表明廣州市20a間土地利用變化的主要類型為建設用地，而土地變化類型最不明顯的為水域。

表4 2000—2020年廣州市土地利用/覆被變化

3.1.2 變化方向和強度分析

由表5可知，2000—2010年廣州市耕地的轉出方向主要是水域和建設用地，其中水域占耕地變化面積的38.40%，建設用地占耕地變化面積的39.68%，具體轉化數值，耕地轉水域面積為101.62km2，耕地轉建設用地面積105.00km2。隨著廣州市城市化、經濟化建設的加強，廣州沿海地區的農業人員的種植方式也在不斷的轉變，越來越多的農業人員舍棄耕地種植，而選擇收入更高的海產等水產品養殖，從而產生耕地大量轉變為水域的現象，同時建設用地侵占耕地的現象也比較突出。林地向草地的轉換是其轉換的主要方向，轉化面積為96.54km2，經計算該轉換占林地變化面積的59.00%；其次是耕地，轉化面積為37.68km2，轉換占林地變化面積的23%。建設用地面積增加的主要來源是耕地，轉化面積為105.00km2，占轉化面積的56.00%。建設用地轉出主要表現為向耕地和林地，轉化面積分別為23.91km2和17.02km2。說明廣州市生態保護政策的出臺和相關生態保護工程的建設產生了一定的積極效果。水域的主要轉出類型為耕地，面積為94.03km2。

表5 2000—2010年廣州市土地利用轉移矩陣

由表6可知，2010—2020年廣州市耕地主要轉出方向依然為水域和建設用地，耕地的轉出主要分布在南沙中部、花都區的中西部和黃埔區南部地區，轉出面積分別為108.53km2和624.79km2，占耕地轉變面積的14.00%和81.00%。相比2000—2010年階段耕地的轉出活動加強，耕地變化率由10.34%增加為31.50%。同時耕地轉出為建設用地的面積大大增加，轉出面積為624.79km2，占建設用地增加總面積的61.51%，成為建設用地增加的重要來源，說明建設用地侵占耕地的現象仍然突出，區域城鎮化過程繼續加快。林地向耕地、建設用地轉換面積分別為115.14km2和223.58km2，占林地面積變化面積的27.72%和53.82%。未利用地轉出為建設用地面積為7.49km2，說明部分未利用地得到有效的開發。

表6 2010—2020年廣州市土地利用轉移矩陣

由表7可知，20a間廣州市土地利用類型轉出最多的是耕地，增加最多的是建設用地，表明在2000—2020年建設用地侵占耕地的情況較多，大量耕地轉換為建設用地，廣州市的快速城鎮化是耕地減少的主要原因。地類轉換上，耕地轉換為其它用地主要集中在南沙中部、花都區的中西部和黃埔區南部地區，水域轉換為其它用地主要集中在南沙南部沿海。

表7 2000—2020年廣州市土地利用轉移矩陣

3.2 土地利用變化的碳效應分析

由表8可知，2000—2010年廣州市土地利用/覆被變化所帶來的碳排放量大于碳吸收量582.08萬t，其中碳排放總量676.01萬t，碳吸收總量93.93萬t。在此期間，廣州市由于快速城鎮化的原因導致建設用地大量占用耕地，由此帶來的碳排放增量高達408.64萬t，占總碳排放增量的60%。

表8 2000—2010年廣州市主要土地利用類型轉變及其引起的區域碳效應變化

由表9可知，2010—2020年廣州市土地利用/覆被變化所帶來的碳排放量大于碳吸收量2491.54萬t，其中碳排放總量2492.10萬t，碳吸收總量0.55萬t。可以看出，在此期間建設用地占用耕地、林地和草地是碳排放的主要來源，3類變化占碳排放總量的94.19%。與2000—2010年相比較，城市城鎮化進程加快。

表9 2010—2020年廣州市主要土地利用類型轉變及其引起的區域碳效應變化

由表10可知，2000—2020年廣州市土地利用/覆被變化所帶來的碳排放量大于碳吸收量2817.47萬t，其中碳排放總量2818.34萬t，碳吸收總量0.86萬t?？梢钥闯?，在此期間建設用地占用耕地、林地是碳排放的主要來源，2類地類變化碳排放占碳排放總量的81.44%。

表10 2000—2020年廣州市主要土地利用類型轉變及其引起的區域碳效應變化

4 結論與討論

2000—2020年廣州市土地利用/覆被變化十分顯著，呈現出“一增五減”的特點,即建設用地面積增加，耕地、林地、草地、水域、未利用地面積減少；由于城市化建設加快，建設用地為20a間土地利用變化最主要類型，2020年建設用地面積相比2000年增加了2.44倍，且土地利用動態度指數和土地利用變化重要性指數最大；耕地面積加速減少，在2000—2010年減少4.00%，在2010—2020年減少21.01%，20a間耕地總體面積減少了24.16%。

在2000—2010年，2010—2020年各類用地之間的轉換呈現多向性的復雜特征。其中主要地類的轉變為耕地和林地轉化為建設用地，整體呈現出生態逆向演變。耕地面積減少部分除了轉換為建設用地，其次就是水域，這與經濟發展促使沿海地區農業人員生產方式轉變密切相關，從耕地種植轉變為漁業養殖。

土地利用格局的變化直接影響著區域碳效應。廣州市20a間土地利用/覆被變化所帶來的碳排放量比碳吸收量多2817.47萬t，其中碳匯總量為0.86萬t，碳源總量為2818.34萬t；3個年份的建設用地碳排放系數先增后減，說明廣州市近10a間的能源使用效率有所增加；2000—2010年、2010—2020年廣州市土地利用/覆被變化帶來的碳排放量比碳吸收量分別多582.08萬t和2491.54萬t，碳排放量大大增加。

根據研究結果并結合研究區實際，提出促進廣州市土地資源低碳可持續利用的建議。優化廣州市的土地利用結構,建設用地是主要的碳排放用地，要防止建設用地的無序、盲目擴張，合理控制建設用地的增加量。對于存在的建設用地違規占用問題，要拆除相關建筑，加強監督管理，同時增加對林地、草地的培育和保護；控制能源消費總量，提升能源使用效率，建設用地上的能源消耗是碳排放的主要來源之一，因此要合理的制定城市能源消耗的總量目標，優化廣州市產業結構。對于碳排放量較高的產業進行轉換升級，大力開發太陽能、風能等新能源，逐漸擺脫以化石能源為主的能源消費現狀。