“三線”約束下土地利用變化及其對(duì)碳儲(chǔ)量的影響
——以武漢城市圈為例

張 斌,李 璐,夏秋月,董 捷

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院,武漢 430070

CO2大量排放是造成全球氣候變暖的重要原因,受到各國政府的高度重視[1]。陸地生態(tài)系統(tǒng)因地表分布的大量固碳單元在吸收CO2、調(diào)節(jié)氣候變化方面起著關(guān)鍵作用[2—3]。現(xiàn)有大量研究表明,土地利用變化能夠直接影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量,是造成CO2激增的第二大原因[4—5]。可見,土地利用變化不僅是環(huán)境變化的關(guān)注熱點(diǎn),也是研究陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化的關(guān)鍵點(diǎn)。因此,準(zhǔn)確評(píng)估土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響至關(guān)重要。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者基于土地利用變化對(duì)單一或者多種碳庫進(jìn)行研究,大致可分為兩個(gè)方面,其一是依據(jù)土地利用歷史數(shù)據(jù)探討碳儲(chǔ)量變化的原因,Nogueira等[6]研究指出亞馬遜河流域碳損失主要是由熱帶森林的減少引起的；Han等[7]發(fā)現(xiàn)退耕還林能顯著提高黃土丘陵的固碳量；劉亞男等[8]基于GIS估算法發(fā)現(xiàn)濕地轉(zhuǎn)為耕地和建設(shè)用地是導(dǎo)致中國濕地碳流失的重要原因；Wu等[9]研究中國沿海地區(qū)歷年碳儲(chǔ)量變化情況,發(fā)現(xiàn)土地城市化的解釋強(qiáng)度遠(yuǎn)優(yōu)于其他變量。其二是利用模型預(yù)測多情景下的土地利用變化狀況及相應(yīng)的碳儲(chǔ)量,鄧元杰等[10]耦合FLUS模型和InVEST模型,模擬4種退耕還林還草情景,定量分析未來子長縣碳儲(chǔ)量的變化；Liang等[11]采用SD-CLUE-S模型和InVEST模型評(píng)估綠洲不同情景下土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響；Li等[12]采用Markov-FLUS模型探討北京生態(tài)保護(hù)區(qū)多情景下的土地利用變化,再結(jié)合InVEST模型發(fā)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)情景下碳儲(chǔ)量的損失最小。張燕等[13]利用SD-CLUE-S模型預(yù)測不同情景下的汾河流域土地利用狀況,并結(jié)合InVEST模型計(jì)算各時(shí)期的碳儲(chǔ)量情況。綜合以往研究可知,在研究范圍上,大多集中于流域、濕地、海岸帶等重要生態(tài)保護(hù)區(qū)或生態(tài)脆弱地區(qū),有關(guān)城市群的研究相對(duì)較少,而城市群既是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要推動(dòng)力,又是新型城鎮(zhèn)化的核心區(qū),需格外重視對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)[14]。此外,以往學(xué)者大多注重于地類轉(zhuǎn)換引起的碳儲(chǔ)量變化,忽視了從整體視角探討土地利用強(qiáng)度與碳儲(chǔ)量的關(guān)系,無法系統(tǒng)全面地評(píng)估土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響。在研究方法上,InVEST模型結(jié)合GIS技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)碳儲(chǔ)量估算方法采樣周期長、工作量繁瑣的不足,具有參數(shù)獲取簡便、結(jié)果可視化等優(yōu)勢,得到廣泛應(yīng)用[15—18]。就模擬方法而言,CA模型在土地利用變化模擬上的應(yīng)用較為成熟,但沒有限制元胞狀態(tài)變換的機(jī)制,且僅能模擬一種地類的變化[19],多智能體模型通過智能體間相互決策和環(huán)境約束來進(jìn)行預(yù)測,但過程較為復(fù)雜且數(shù)據(jù)難以獲取[20],CLUE/CLUE-S模型以系統(tǒng)論理論來進(jìn)行地類間的相互轉(zhuǎn)換,但忽視了處于劣勢地位的地類分配概率,導(dǎo)致模型存在較大誤差[21],且多應(yīng)用于小尺度區(qū)域[22]。而FLUS模型利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法并結(jié)合Markov鏈和改進(jìn)的元胞自動(dòng)機(jī)能較好地處理地類在多因素作用下的不確定問題[23],且模擬精度要高于CLUE-S、ANN-CA等模型[24]。

土地是不可再生資源,如何優(yōu)化結(jié)構(gòu)和布局,使其統(tǒng)籌協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、糧食安全和生態(tài)保護(hù),是國土空間規(guī)劃的重要任務(wù)。“十八大”以來,中央會(huì)議和文件多次明確要求建立國土空間規(guī)劃體系,科學(xué)劃定“三區(qū)三線”。2019年5月,《中共中央、國務(wù)院關(guān)于建立國土空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實(shí)施的若干意見》要求“劃定生態(tài)保護(hù)紅線、永久基本農(nóng)田、城鎮(zhèn)開發(fā)邊界等空間管控邊界以及各類海域保護(hù)線,強(qiáng)化底線約束。”同年11月,《關(guān)于在國土空間規(guī)劃中統(tǒng)籌劃定落實(shí)三條控制線的指導(dǎo)意見》出臺(tái)。“三區(qū)三線”尤其是“三線”政策成為國土空間規(guī)劃的核心。在此政策背景下,結(jié)合長江經(jīng)濟(jì)帶綠色發(fā)展的大戰(zhàn)略,選擇長中游三大城市群之一的武漢城市圈為研究對(duì)象,采用InVEST模型和FLUS模型,研究“三線”約束下的武漢城市圈土地利用變化及其對(duì)碳儲(chǔ)量的影響,并探討土地利用強(qiáng)度與碳儲(chǔ)量的關(guān)系,以期為區(qū)域國土空間規(guī)劃和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供一定借鑒。

1 研究區(qū)概況

武漢城市圈地處112°30′—116°07′E, 29°05′—31°51′N,中國中部、長江中游、湖北省東部,以武漢為中心,黃石為副中心,涵蓋鄂州、黃岡、孝感、咸寧、仙桃、潛江和天門等9個(gè)城市(圖1),是長中游最具有發(fā)展?jié)摿Φ某鞘腥?也是湖北省產(chǎn)業(yè)最密集的區(qū)域。

截至2019年底,武漢城市圈總面積達(dá)57943.917 km2,占全省面積的31.34%。常住人口為3192.5萬人,占全省常住人口的53.86%。GDP總量為27681.5億元,占全省總GDP的60.4%。近年來,隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快,武漢城市圈土地利用結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變化,突出表現(xiàn)為耕地面積大量減少,建設(shè)用地大幅擴(kuò)張。國土開發(fā)強(qiáng)度達(dá)到7.24%,遠(yuǎn)超2030年規(guī)定的4.62%的警戒線,但土地利用效率低,經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以生態(tài)系統(tǒng)的破壞為代價(jià),可持續(xù)利用程度有待加強(qiáng)。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所需數(shù)據(jù)主要包括:①武漢城市圈土地利用數(shù)據(jù)來源于Landsat 8遙感數(shù)據(jù),年份為2000、2005、2010、2015年,并依據(jù)LUCC分類體系將地類劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6類,經(jīng)檢測綜合精度達(dá)88.82%。②FLUS模型需要武漢城市圈自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動(dòng)因子數(shù)據(jù)。自然因子中,高程、坡度和坡面來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn/)。土壤類型和土壤有機(jī)質(zhì)含量來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(http://westdc.westgis.ac.cn/)。年平均氣溫和降雨來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子中,人口和GDP來源于各市統(tǒng)計(jì)年鑒。到河流、國道、省道、高速、鐵路、縣道和鄉(xiāng)道的距離來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心(http://www.ngcc.cn/)。

2.2 情景設(shè)置

情景分析法是依據(jù)當(dāng)前發(fā)展趨勢來預(yù)測未來狀況的一種方法,多用于分析區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡關(guān)系[25]。已有文章對(duì)某一條紅線的模擬情景多有涉及,但單一地對(duì)一條紅線進(jìn)行劃定而忽略其他“兩線”不能滿足當(dāng)前規(guī)劃需求,只有將“三線”結(jié)合起來才能最大程度上符合國家對(duì)國土空間規(guī)劃的要求。因此本文將“三線”作為一種情景展開研究,設(shè)定限制轉(zhuǎn)換區(qū)(圖2)。其中,生態(tài)保護(hù)紅線是指在國土空間內(nèi)具有特殊生態(tài)功能或重要生態(tài)作用的區(qū)域,對(duì)該區(qū)域需嚴(yán)格保護(hù),以維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)安全。十九屆五中全會(huì)指出,堅(jiān)持保護(hù)優(yōu)先,守住自然生態(tài)安全邊界。因此,本文對(duì)于生態(tài)保護(hù)紅線的劃定嚴(yán)格遵循《國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)監(jiān)督檢查辦法》等相關(guān)要求,參照《湖北省生態(tài)保護(hù)紅線劃定方案》,在禁止建設(shè)區(qū)的基礎(chǔ)上加強(qiáng)生態(tài)屏障、重要水域及岸線和湖泊濕地的保護(hù)。永久基本農(nóng)田紅線是指在一定時(shí)期內(nèi),根據(jù)人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平確定,需永久性保護(hù)和持續(xù)監(jiān)管的優(yōu)質(zhì)耕地。“十四五”規(guī)劃指出,堅(jiān)持最嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度,深入實(shí)施藏糧于地、藏糧于技戰(zhàn)略。因此,本文對(duì)于永久基本農(nóng)田的劃定是以二調(diào)成果、耕地質(zhì)量等級(jí)調(diào)查與評(píng)價(jià)為基礎(chǔ),以各市《2006—2020年土地利用總體規(guī)劃(調(diào)整完善成果)》為參照,劃定基本農(nóng)田分布格局。城鎮(zhèn)開發(fā)邊界紅線是為有序規(guī)劃城鎮(zhèn)發(fā)展,提高建設(shè)用地集約利用程度,受多種因素制約的封閉區(qū)域。城鎮(zhèn)開發(fā)邊界紅線需堅(jiān)持城鄉(xiāng)一體化發(fā)展和集約節(jié)約用地的原則,參照各市自然資源局網(wǎng)站的《2006—2020年土地利用總體規(guī)劃(調(diào)整完善成果)》,以現(xiàn)有建設(shè)用地、新增建設(shè)用地、允許建設(shè)區(qū)和有條件建設(shè)區(qū)為基礎(chǔ),統(tǒng)籌優(yōu)化建設(shè)用地布局。另外,本文設(shè)置自然發(fā)展情景作為對(duì)比,該情景是按照現(xiàn)有發(fā)展趨勢來預(yù)測未來發(fā)展?fàn)顩r,且地類轉(zhuǎn)換不做任何限制。

圖2 “三線”約束區(qū)域

2.3 研究框架

本研究的研究框架分為兩大部分(圖3):(1)模擬土地利用情景:依據(jù)武漢城市圈土地利用數(shù)據(jù),運(yùn)用Markov模型設(shè)定自然發(fā)展情景(Q1)和“三線”約束情景(Q2)。再將兩種情景的土地利用需求數(shù)據(jù)在FLUS模型中進(jìn)行空間上的再分配,得到2035年不同情景下土地利用布局圖。(2)計(jì)算碳儲(chǔ)量:運(yùn)用InVEST模型測算2035年兩種情景下武漢城市圈碳儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)變化,探究土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響。

圖3 研究框架

2.4 研究方法

2.4.1Markov模型

Markov模型是基于Markov鏈過程而形成的預(yù)測事件發(fā)生概率的一種方法,具有無后效性特征,即當(dāng)前的狀態(tài)僅與前一時(shí)刻的狀態(tài)有關(guān),而與其他因素?zé)o關(guān)[26],已廣泛運(yùn)用在土地利用變化情景中[27],公式如下:

S(T)=Pij×S(T0)

(1)

式中,S(T)、S(T0)分別為T、T0時(shí)土地利用狀態(tài)矩陣；Pij為i地類變?yōu)閖地類的轉(zhuǎn)移概率矩陣。

2.4.2FLUS模型

FLUS模型首先基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型算法得到各種地類的適應(yīng)性概率,再結(jié)合基于輪盤賭的自適應(yīng)慣性競爭機(jī)制處理各地類在多因素作用下相互轉(zhuǎn)換的不確定性,得到較高精度的模擬結(jié)果[28]。

(1)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型算法的適應(yīng)性概率計(jì)算

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型算法分為預(yù)測和訓(xùn)練兩個(gè)階段,具體由輸入層、隱藏層和輸出層構(gòu)成,公式為:

(2)

式中,SP(P,K,t)是K種地類在P柵格、t時(shí)間的適宜性概率；Wj,K為輸出層和隱藏層中的權(quán)值；sigmoid為隱藏層至輸出層的激勵(lì)函數(shù)；netj(P,t)是第j個(gè)隱藏層在時(shí)間t柵格P接收到的信號(hào)。各地類的適應(yīng)性概率之和為1:

(3)

(2)基于輪盤賭的自適應(yīng)慣性競爭機(jī)制計(jì)算

(4)

轉(zhuǎn)換成本是表征由當(dāng)前地類轉(zhuǎn)換成需求地類的難易程度,可用系數(shù)ELAS(0—1)表示,值越大代表穩(wěn)定性越高。在自然發(fā)展情景下,各地類轉(zhuǎn)移概率與2000—2015年保持一致,經(jīng)多次調(diào)試分別為耕地0.53、林地0.74、草地0.77、水域0.72、建設(shè)用地0.95和未利用地0.65。在“三線”約束情景下,要加強(qiáng)耕地、林地和水域的轉(zhuǎn)出成本,同時(shí)降低未利用地的轉(zhuǎn)出限制,使其得到保護(hù)性地開發(fā)利用,因此在反復(fù)調(diào)試后結(jié)果為耕地0.74、林地0.81、草地0.78、水域0.81、建設(shè)用地0.95和未利用地0.53。

(5)

(6)

2.4.3InVEST模型

(1)碳儲(chǔ)量的計(jì)算。InVEST模型中的Carbon模塊假設(shè)各地類對(duì)應(yīng)一個(gè)由地下碳密度、地上碳密度、死亡有機(jī)質(zhì)碳密度和土壤有機(jī)質(zhì)碳密度構(gòu)成的總碳密度[29],且某一種地類的碳密度是一種常量[30]。公式為:

Ci=Ci-above+Ci-below+Ci-dead+Ci-soil

(7)

Ci-total=Ci×Ai

(8)

式中,Ci為地類i的總碳密度；Ci-above為地類i的地上碳密度；Ci-below為地類i的地下碳密度；Ci-dead為地類i的死亡有機(jī)質(zhì)碳密度；Ci-soil為地類i的土壤有機(jī)質(zhì)碳密度；Ci-total為地類i的總碳儲(chǔ)量；Ai為地類i的面積。

(2)各地類碳密度的確定

碳密度數(shù)據(jù)的獲取遵循以下原則:優(yōu)先選用位于湖北省的實(shí)地測量數(shù)據(jù),若數(shù)據(jù)不全,則使用臨近湖北省的實(shí)測數(shù)據(jù)或文獻(xiàn)整理匯總數(shù)據(jù)(表1)。

表1 各地類碳密度/(t/hm2)

Chuai等[31]整理碳密度相關(guān)文獻(xiàn),指出湖北省耕地、林地和草地的碳密度分別為105.30、139.10、120.90 t/hm2。王曉榮等[32]基于林業(yè)資源復(fù)查數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)湖北省森林碳密度介于88.32—177.79t/hm2,奚小環(huán)等[33]根據(jù)地球化學(xué)調(diào)查雙層網(wǎng)格化土壤測量的方法,得出湖北省建設(shè)用地和未利用地土壤有機(jī)質(zhì)碳密度分別為34.33 t/hm2和34.42 t/hm2,朱耀軍等[34]通過重鉻酸鉀氧化外加熱法測算湛江水域碳密度為4.815—83.115 t/hm2。值得注意的是,實(shí)測數(shù)據(jù)會(huì)因?yàn)閷?shí)測方法或取樣時(shí)間的不同存在差異,因此需要通過對(duì)比分析,剔除異常值,對(duì)同一地類的碳密度取有關(guān)文獻(xiàn)的平均值。

2.4.4土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù)

人類對(duì)不同土地資源的投入和利用程度有所差異,最直接的表現(xiàn)就是土地利用強(qiáng)度的區(qū)別。研究顯示,土地利用強(qiáng)度與生態(tài)系統(tǒng)有著密切聯(lián)系,是促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的重要原因[40]。本文參考韓增林等[41]和柳冬青等[42]的研究,將不同地類進(jìn)行土地利用強(qiáng)度劃分(表2),公式為:

表2 土地利用強(qiáng)度劃分

(9)

式中,L為土地里利用強(qiáng)度綜合指數(shù)；Pi為第i級(jí)地類土地利用強(qiáng)度；Qi為第i級(jí)地類面積占比。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型精度檢驗(yàn)

本文運(yùn)用ROC曲線檢驗(yàn)土地利用驅(qū)動(dòng)因子的精度,運(yùn)用Kappa系數(shù)和OA檢驗(yàn)FLUS模型的精度。一般來說,ROC值大于0.7則說明驅(qū)動(dòng)因子對(duì)土地利用變化具有較高的解釋力[43],Kappa系數(shù)和OA大于0.8時(shí)表明模擬精度高,結(jié)果能較好地反映未來土地利用情景[44]。

運(yùn)用Logistic回歸模型分析驅(qū)動(dòng)因子,發(fā)現(xiàn)六種地類的ROC值均在0.7以上,表明驅(qū)動(dòng)因子可以較好解釋土地利用變化的空間布局。其中,坡度對(duì)六種地類均有較強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力,對(duì)耕地的影響最大,坡度每增加1°,耕地的分布概率會(huì)減少12.72%。年平均溫度除草地之外,和其他地類均具有很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系,溫度每上升1°,耕地和建設(shè)用地的分布概率會(huì)增加37.06%和55.73%,林地、水域和未利用地會(huì)分別減少70.1%、29.1%和78.72%(表3)。基于武漢城市圈2005年的土地利用數(shù)據(jù),模擬2015年的土地利用狀況,得到Kappa系數(shù)為0.892,OA為0.931,因此模擬精度較高。將其與武漢城市圈現(xiàn)狀土地利用情景進(jìn)行比較可知,建設(shè)用地相較于其他地類精度較差,誤差面積為129.726km2,可能的原因是2005年是武漢城市圈建立初期,城市之間并沒有形成有效互動(dòng),加之建設(shè)用地的供應(yīng)受政策調(diào)控力度較大,模型較難量化。2015年武漢城市圈的建設(shè)用地已有一定規(guī)模,其空間分布格局趨于穩(wěn)定,因此可以使用FLUS模型對(duì)2035年的土地利用狀況進(jìn)行預(yù)測。

表3 Logistic回歸結(jié)果

3.2 土地利用變化特征

2015年武漢城市圈主要地類為耕地和林地,兩者分別占比49.39%和30.09%,其次是水域和建設(shè)用地(10.50%和7.24%),草地和未利用地極少(2.43%和0.35%)。從整體來看,2000—2015年間耕地、林地、草地和未利用都在減少,以未利用地和耕地減少趨勢最為明顯,分別為17.15%和4.23%。建設(shè)用地和水域面積,分別增加35.20%和6.20%。從各地類的變化面積來看(表4),2000—2015年耕地轉(zhuǎn)出面積最多,達(dá)到1276.558 km2,轉(zhuǎn)出貢獻(xiàn)率為76.07%,是其轉(zhuǎn)入面積(17.078km2)的75倍,其中轉(zhuǎn)向建設(shè)用地的面積高達(dá)857.471 km2。林地轉(zhuǎn)出面積(152.582 km2)高于轉(zhuǎn)入面積(35.375 km2),主要是轉(zhuǎn)向建設(shè)用地(134.596 km2)。草地和未利用地轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出面積都較小,呈現(xiàn)緩慢的減少趨勢。水域轉(zhuǎn)入(486.593 km2)遠(yuǎn)大于(131.647 km2)轉(zhuǎn)出面積,轉(zhuǎn)入貢獻(xiàn)率達(dá)29%,說明武漢城市圈在大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí),也較為注意對(duì)水域的保護(hù),這與長江經(jīng)濟(jì)帶共抓大保護(hù)的理念是一致的。建設(shè)用地表現(xiàn)為大幅增長趨勢,轉(zhuǎn)出面積僅僅為12.199 km2,而轉(zhuǎn)入面積卻高達(dá)1102.852 km2,來自耕地的面積占77.75%。

表4 2000—2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

不同情景下武漢城市圈土地利用布局具有較大差異。如圖4和表5所示,耕地在兩種情景下呈現(xiàn)不同程度的減少趨勢,在自然發(fā)展情景下面積減少1048.503 km2,動(dòng)態(tài)度為-0.18%,而在“三線”約束情景下僅僅減少622.908 km2,動(dòng)態(tài)度為-0.11%。林地作為主要的生態(tài)用地,在“三線”約束情景下面積增加了61.087 km2,而在自然發(fā)展情景下面積減少了104.537 km2,很好地展現(xiàn)了生態(tài)保護(hù)紅線和永久基本農(nóng)田紅線的作用。草地在兩種情景下并無太大變化,在自然發(fā)展情景和“三線”約束情景下減少量無較大區(qū)別,可能的原因是草地既具有生態(tài)服務(wù)功能,其畜牧業(yè)又可以帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保證糧食安全,所以兩種情景對(duì)其作用效果相當(dāng)。水域面積在兩種情景下面積都有所增加,但“三線”約束情景下的增加量(122.569 km2)是自然發(fā)展情景下(26.889 km2)的4.56倍,說明在長江經(jīng)濟(jì)帶的大戰(zhàn)略和“三線”的共同約束下,武漢城市圈會(huì)更加注重保護(hù)水資源。建設(shè)用地雖在兩種情景下面積均有所增加,但可以明顯看出,在自然發(fā)展情景下,建設(shè)用地的擴(kuò)張較為雜亂,各城市在其原有建設(shè)用地的基礎(chǔ)上“攤大餅式”無序蔓延,而“三線”約束情景下建設(shè)用地增加面積(491.226 km2)不僅遠(yuǎn)小于自然發(fā)展情景(1175.75 km2),動(dòng)態(tài)度也僅僅為其一半不到,且更加偏向集約化利用,新增建設(shè)用地被引導(dǎo)至城鎮(zhèn)開發(fā)紅線內(nèi)聚集。未利用地在自然發(fā)展情景下減少了28.951 km2,而在“三線”約束情景下由于被保護(hù)性開發(fā)利用,減少量達(dá)45.852 km2。

圖4 2035年土地利用模擬圖

表5 2015—2035年土地利用變化情況

3.3 碳儲(chǔ)量的時(shí)空演變特征

從整體來看,2000、2005、2010、2015年武漢城市圈碳儲(chǔ)量分別為683.119、680.984、679.743、674.825 Tg,地均碳密度分別為117.89、117.52、117.31、116.46 t/hm2(圖5),15年間武漢城市圈總碳儲(chǔ)量呈連續(xù)遞減勢態(tài)。從不同時(shí)期來看,2000—2005年碳儲(chǔ)量減少了2.135 Tg,減少幅度不大。2005—2010年碳儲(chǔ)量僅僅減少了1.241 Tg,減少率為0.18%,而2010—2015期間碳儲(chǔ)量減少最多,凈減少量為4.918 Tg,占武漢城市圈15年間總碳儲(chǔ)量減少量的59.3%,分析其原因可能是2010年以來武漢城市圈經(jīng)濟(jì)保持高速增長的同時(shí),對(duì)生態(tài)用地和耕地的侵占相當(dāng)嚴(yán)重。碳儲(chǔ)量和地均碳密度在自然發(fā)展情景下繼續(xù)減少,降幅達(dá)6.613 Tg和1.14 t/hm2,而“三線”約束情景下下降趨勢得到緩解,接近2015年時(shí)的水平,說明該情景下武漢城市圈在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)能顧及到生態(tài)用地和耕地的保護(hù),減少了碳儲(chǔ)量的損失。

圖5 碳儲(chǔ)量和地均碳密度變化

從碳儲(chǔ)量的空間分布來看(圖6),2000—2015年武漢城市圈各城市的碳儲(chǔ)量均有所減少,其中武漢碳儲(chǔ)量減少量最大,為2.518 Tg,占總減少量的30.36%,碳密度減少區(qū)主要以主城區(qū)為中心呈現(xiàn)圈層式蔓延。其次是黃岡(1.403 Tg)、孝感(1.326 Tg)和咸寧(0.934 Tg),這三座城市的碳密度減少區(qū)域呈點(diǎn)狀分布,大多集中在原建設(shè)用地周邊。碳儲(chǔ)量減少幅度最小的是天門(0.32 Tg)和潛江(0.204 Tg),其作為湖北省直管市,經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)較低,對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞也較少,碳密度減少區(qū)域只是零星的分布在中心城區(qū)周邊。2015—2035年自然發(fā)展情景下武漢碳儲(chǔ)量減少幅度仍為最大(2.698 Tg),碳密度減少區(qū)域向遠(yuǎn)城區(qū)蔓延,說明其開發(fā)重心由主城區(qū)慢慢過渡到邊遠(yuǎn)城區(qū)。黃岡(1.366 Tg)、咸寧(1.054 Tg)和孝感(0.849 Tg)仍緊跟其后,但下降幅度相較于之前有所降低。值得注意的是,鄂州成為2035年降幅最小的城市,僅為0.214 Tg,減少的區(qū)域集中在與武漢接壤的華容區(qū)葛店板塊,說明2015年后,鄂州積極與武漢聯(lián)通互動(dòng)、共同發(fā)展。而“三線”約束情景下武漢雖依舊是碳儲(chǔ)量降幅最大的城市,但減少量僅為1.211 Tg,是自然發(fā)展情景的44.89%,減少了向遠(yuǎn)城區(qū)擴(kuò)張的趨勢,體現(xiàn)了城鎮(zhèn)開發(fā)邊界紅線的功能。而鄂州、黃石和潛江碳儲(chǔ)量基本與2015年時(shí)持平,增加部分主要分布在梁子湖濕地、網(wǎng)湖濕地和潛江市國家森林公園等自然保護(hù)區(qū)內(nèi),表明了生態(tài)保護(hù)紅線的作用。

圖6 各時(shí)期碳儲(chǔ)量和碳密度變化圖

從不同地類的碳儲(chǔ)量可知(圖7),2015年耕地和林地是最主要的碳庫,兩種地類的固碳總量占比達(dá)88.50%,未利用地是固碳最少的地類,僅為0.623 Tg。從各地類的固碳變化趨勢可知,2000—2015年間,耕地碳儲(chǔ)量的減少(13.311 Tg)是造成武漢城市圈碳損失的最主要原因。其次是林地碳儲(chǔ)量的減少(1.917 Tg),由于林地固碳能力最強(qiáng),即使面積只是少量減少,也會(huì)導(dǎo)致碳儲(chǔ)量的大量損失。建設(shè)用地和水域是主要的固碳地類,在15年間分別增加了4.874 Tg和2.471 Tg,但由于固碳能力不強(qiáng)和面積增加較少,兩者的增加量無法彌補(bǔ)耕地碳儲(chǔ)量的減少。2015—2035年自然發(fā)展情景下耕地碳儲(chǔ)量依然大量減少,為11.01 Tg,而建設(shè)用地的固碳量雖有所提升(5.246 Tg),但水域的固碳量卻急劇萎縮,僅為0.187 Tg,只占之前的7.57%,而“三線”約束情景下耕地碳儲(chǔ)量減少的趨勢得到遏制,僅為自然發(fā)展情景下的一半,林地碳儲(chǔ)量首次得到增加(1.04 Tg)。雖然建設(shè)用地碳儲(chǔ)量增加量變少,但水域固碳量得到較大幅度的增加(0.853 Tg)。

圖7 各地類碳儲(chǔ)量變化圖

3.4 “三線”約束下土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響

(1)地類轉(zhuǎn)換對(duì)碳儲(chǔ)量的影響

在兩種情景中,耕地、林地、建設(shè)用地和水域之間的轉(zhuǎn)換是引起碳儲(chǔ)量劇烈變化的主要原因(圖8)。在自然發(fā)展情景下,耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地是導(dǎo)致碳損失最主要的原因(9.986 Tg)。林地向耕地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換也是導(dǎo)致碳儲(chǔ)量減少的重要原因,分別為5.637 Tg和1.549 Tg。值得注意的是,耕地和水域、林地和水域之間的雙向轉(zhuǎn)換使得水域的固碳量達(dá)到近似的“占補(bǔ)平衡”。而耕地向林地的轉(zhuǎn)換是促進(jìn)碳儲(chǔ)量增加的最主要原因(5.916 Tg),可能由于咸寧和黃岡退耕還林政策的實(shí)施。在“三線”約束情景下,耕地轉(zhuǎn)向建設(shè)用地的面積大大減少,造成的碳損失為5.642 Tg,說明城鎮(zhèn)開發(fā)邊界紅線對(duì)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張起到了一定的約束作用,雖然在城鎮(zhèn)化的進(jìn)程中必然會(huì)侵占部分耕地,但由于城鎮(zhèn)開發(fā)邊界紅線的劃定有效保護(hù)了高質(zhì)量農(nóng)田,從而較好地遏制了碳儲(chǔ)量的快速流失。此外耕地和林地、耕地和水域之間的雙向轉(zhuǎn)換維持了耕地碳儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)平衡,間接體現(xiàn)了永久基本農(nóng)田紅線的作用。耕地作為第三大碳庫,且在武漢城市圈中面積占比將近一半,永久基本農(nóng)田紅線的重要性不言而喻。林地作為最大碳庫,面積也僅次于耕地,在生態(tài)保護(hù)紅線下實(shí)現(xiàn)了正增長(61.087 km2),固碳量達(dá)1.04 Tg,加之國家提出長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展應(yīng)該以生態(tài)優(yōu)先,所以未來武漢城市圈應(yīng)更加注重保護(hù)林地等重要生態(tài)用地。此外,水域作為重要的生態(tài)涵養(yǎng)地,在“三線”約束情景下也有了較大幅度的增長(122.569 km2),固碳量為0.853 Tg。因此生態(tài)保護(hù)紅線的劃定可以防止具有重要生態(tài)功能或生態(tài)敏感區(qū)被破壞,以保護(hù)區(qū)域的生態(tài)安全,維持碳儲(chǔ)量的穩(wěn)定。

圖8 2015—2035年地類轉(zhuǎn)化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響

(2)土地利用強(qiáng)度對(duì)碳儲(chǔ)量的影響

本文研究自然發(fā)展和“三線”約束兩種情景下的武漢城市圈土地利用強(qiáng)度對(duì)碳儲(chǔ)量的影響,考慮到研究區(qū)面積和計(jì)算量大小,以10 km×10 km為一單元,將武漢城市圈劃分為580個(gè)網(wǎng)格,分別計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù),將其看作網(wǎng)格中心值進(jìn)行反距離權(quán)重插值,并利用自然斷點(diǎn)法劃分為五種強(qiáng)度帶(圖9)。

圖9 兩種情景下土地利用強(qiáng)度分級(jí)

由圖9可知,自然發(fā)展和“三線”約束情景都以低強(qiáng)度帶和較低強(qiáng)度帶為主,兩者之和分別占總面積的69.32%和71.06%,分布在城市圈的外圍,包裹著高強(qiáng)度帶。高強(qiáng)度帶占比最少,分別為5.53%和5.26%,集中分布在各城市的建成區(qū)。

在每一等級(jí)的土地利用強(qiáng)度區(qū)域中生成6×104個(gè)隨機(jī)點(diǎn),則五個(gè)等級(jí)一共3×105個(gè)隨機(jī)點(diǎn),統(tǒng)計(jì)每個(gè)點(diǎn)的土地利用強(qiáng)度和碳儲(chǔ)量大小。首先研究土地利用強(qiáng)度與碳儲(chǔ)量的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)“三線”約束和自然發(fā)展情景下,兩者都在0.01水平下呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.132和-0.181。然后基于隨機(jī)點(diǎn)計(jì)算各等級(jí)土地利用強(qiáng)度的碳儲(chǔ)量均值(圖10)。可知,從整體趨勢來看,伴隨著土地利用強(qiáng)度的增加,兩種情景下碳儲(chǔ)量均會(huì)逐漸下降。其中,高強(qiáng)度帶內(nèi)存在大量建設(shè)用地,碳儲(chǔ)量最少,而較低強(qiáng)度帶內(nèi)主要為林地,碳儲(chǔ)量最多。如圖11所示,武漢城市圈中武漢經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá),建設(shè)用地占比最高,因而武漢的土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù)較高,而黃石、黃岡和咸寧林地面積占比均超過40%,所以其土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù)最低。而土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù)最高是仙桃、天門和潛江三市,其境內(nèi)均擁有面積占比超過65%的耕地。值得注意的是,“三線”約束情景下的碳儲(chǔ)量在每個(gè)等級(jí)內(nèi)都略高于自然發(fā)展情景,間接說明就固碳量而言,“三線”約束下的土地利用情景是優(yōu)于自然發(fā)展情景的。

圖10 兩種情景下土地利用強(qiáng)度與碳儲(chǔ)量的關(guān)系

圖11 各地類占比和土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù)

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

(1)“三線”作為經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整、產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃和新型城鎮(zhèn)化推進(jìn)的底線,是生態(tài)環(huán)境保護(hù)、耕地保護(hù)和節(jié)約用地三項(xiàng)制度的集中體現(xiàn),已成為國土空間規(guī)劃的核心。因此,本文在國土空間規(guī)劃積極推進(jìn)的背景下,以“三線”作為土地利用的約束,再結(jié)合研究區(qū)長江大保護(hù)的地方政策,模擬未來土地利用情景。通過與自然發(fā)展情景的對(duì)比,本文發(fā)現(xiàn)兩者的碳儲(chǔ)量總量和空間分布差異明顯。究其原因在于“三線”約束情景設(shè)定了土地利用限制轉(zhuǎn)換區(qū),考慮了生態(tài)保護(hù)-永久基本農(nóng)田-城鎮(zhèn)開發(fā)邊界紅線對(duì)土地利用變化的約束作用,一方面保護(hù)了林地和水域等碳密度較高的生態(tài)用地,遏制了區(qū)域最大碳庫——耕地的快速流失,另一方面制約了碳密度較低的建設(shè)用地?zé)o序擴(kuò)張,保護(hù)性開發(fā)了區(qū)域最小碳庫——未利用地。由此可見,“三線”約束情景可以統(tǒng)籌生態(tài)-農(nóng)業(yè)-城鎮(zhèn)空間協(xié)調(diào)發(fā)展,通過遏制碳密度較高地類的流失,限制碳密度較低地類的增長,將區(qū)域碳儲(chǔ)量維持在較高水平。

但國土空間規(guī)劃體系尚未完全確立,“三線”的劃定也會(huì)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而發(fā)生改變,并不是一勞永逸的[45]。“三線”坐落于同一空間,代表著多種土地功能的空間訴求,三者密不可分。城鎮(zhèn)開發(fā)邊界紅線應(yīng)嚴(yán)禁侵犯生態(tài)保護(hù)紅線,避讓永久基本農(nóng)田紅線,而永久基本農(nóng)田紅線和生態(tài)保護(hù)紅線需形成合力,促進(jìn)城鎮(zhèn)空間布局的形成[46]。因此,為使“三線”協(xié)調(diào)劃定,本文提出以下解決途徑:①確定“三線”劃定順序:“三線”處于動(dòng)態(tài)調(diào)控的過程中時(shí),應(yīng)優(yōu)先劃定生態(tài)保護(hù)紅線,保障生態(tài)安全格局,才能有效保護(hù)區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境,在此基礎(chǔ)上兼顧糧食安全,盡可能保證永久基本農(nóng)田不被侵占。最后在兩者的前提下,結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展趨勢科學(xué)劃分城鎮(zhèn)開發(fā)邊界紅線,保證城市的可持續(xù)發(fā)展[47]。②剛性與彈性相結(jié)合:國土空間規(guī)劃對(duì)生態(tài)保護(hù)紅線和永久基本農(nóng)田保護(hù)紅線進(jìn)行嚴(yán)格管控,突出了剛性原則,但城鎮(zhèn)發(fā)展是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程,具體的規(guī)劃內(nèi)容存在主觀性,因此城鎮(zhèn)開發(fā)邊界紅線的劃定需保留留白區(qū)域[48]。③多學(xué)科多部門融合:在大數(shù)據(jù)浪潮下,應(yīng)將法律政策、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等多源海量數(shù)據(jù)統(tǒng)一為多學(xué)科通用信息模型,并構(gòu)建覆蓋國家、省和市縣的信息管理系統(tǒng),由多部門協(xié)調(diào)調(diào)度,才能更加科學(xué)合理的劃分“三線”[49]。

(2)Markov-FLUS模型的運(yùn)用解決了單一模型的不足,能有效地將“自上而下”的Markov鏈和“自下而上”的FLUS模型相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了土地利用變化在數(shù)量和空間上的展現(xiàn),對(duì)武漢城市圈未來的國土空間優(yōu)化具有一定的借鑒意義。此外,InVEST模型的運(yùn)用能直觀地展現(xiàn)和定量地分析地類轉(zhuǎn)換和土地利用強(qiáng)度對(duì)碳儲(chǔ)量的影響,可以為區(qū)域兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)提供新思路。從地類轉(zhuǎn)換來看,耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換是造成碳損失的最主要原因,因此在城鎮(zhèn)化過程中避讓永久基本農(nóng)田紅線,嚴(yán)格控制在城鎮(zhèn)開發(fā)邊界紅線內(nèi)進(jìn)行建設(shè),對(duì)區(qū)域碳儲(chǔ)量的維持具有重要意義。從土地利用強(qiáng)度來看,可以將武漢城市圈中城市劃分為三類:①武漢、鄂州和孝感:其建設(shè)用地面積占比較高,因而土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù)較高,應(yīng)該在城鎮(zhèn)開發(fā)邊界紅線內(nèi)節(jié)約集約用地,盤活存量建設(shè)用地。②黃石、黃岡和咸寧:其林地資源較為豐富,因而土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù)較低,應(yīng)該繼續(xù)嚴(yán)格恪守生態(tài)保護(hù)紅線,維持區(qū)域碳儲(chǔ)量的穩(wěn)定。③仙桃、潛江和天門:其區(qū)域內(nèi)大部分為耕地,土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù)最高,但仍需保護(hù)永久基本農(nóng)田紅線,切不可為降低土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù)而減少耕地?cái)?shù)量。但土地利用變化僅僅是影響碳儲(chǔ)量的原因之一,在未來的研究中應(yīng)更全面的探索碳儲(chǔ)量的影響因素,以期更好地維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的水平。

4.2 結(jié)論

本文通過FLUS模型模擬“三線”約束下的武漢城市圈2035年的土地利用變化情況,并利用InVEST模型估算兩種情景的碳儲(chǔ)量,研究表明:(1)六種地類的ROC值均在0.7以上,Kappa系數(shù)為0.892,OA為0.931,模擬精度滿足要求。(2)2000—2015年武漢城市圈耕地減少了1267.582 km2,建設(shè)用地?cái)U(kuò)張面積為1092.282 km2,來自耕地的面積占比77.75%。“三線”約束情景下耕地減小面積(622.908 km2)遠(yuǎn)小于自然發(fā)展情景(1048.503 km2),林地也實(shí)現(xiàn)了增長(61.087 km2),新增建設(shè)用地被引導(dǎo)至城鎮(zhèn)開發(fā)邊界紅線內(nèi)聚集。(3)2000—2015年武漢城市圈總碳儲(chǔ)量和地均碳密度呈連續(xù)遞減趨勢,減少速率由2000—2005年的0.31%下降到2005—2010年的0.18%再增至2010—2015年的0.72%。 “三線”約束情景下碳儲(chǔ)量(672.159 Tg)和地均碳密度(116.01t/hm2)相比自然發(fā)展情景下降幅度明顯變小,接近2015年時(shí)的水平。從空間分布來看,武漢仍為碳儲(chǔ)量降幅最大的城市,減少量為1.211 Tg,是自然發(fā)展情景的44.89%。(4)耕地-建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換是引起碳儲(chǔ)量劇烈變化的主要原因。“三線”約束情景下耕地轉(zhuǎn)向建設(shè)用地的面積大大減少,林地也由于其他地類的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)了正增長,固碳量為1.04 Tg。土地利用強(qiáng)度與碳儲(chǔ)量在0.01水平下呈顯著負(fù)相關(guān),在較低強(qiáng)度帶的區(qū)域內(nèi)碳儲(chǔ)量最高,且“三線”約束情景下各等級(jí)土地利用強(qiáng)度的碳儲(chǔ)量均值均高于自然發(fā)展情景。因此,“三線”的劃定能在總體上提高區(qū)域的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量,在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)避免生態(tài)用地和基本農(nóng)田的侵害,還能規(guī)范建設(shè)用地,合理統(tǒng)籌布局生態(tài)-農(nóng)業(yè)-城鎮(zhèn)等功能空間,保證了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展。