京津冀地區碳排放與土地集約利用關系演變及其影響因素分析

張清喜，葛京鳳，董 麗，張嘉哲

(1.河北師范大學地理科學學院，河北 石家莊 050024；2.河北省煤田地質勘查院，河北 邢臺 054000；3.河北省環境演變與生態建設實驗室，河北 石家莊 050024；4.邢臺市第28中學，河北 邢臺 054000；5.廊坊師范學院外國語學院，河北 廊坊 065000)

在全球氣候變暖問題日益嚴峻的今天，各國對低碳減排的重視程度逐漸提高。2022年1月27日，習近平主席提出要積極穩妥推動實現碳達峰碳中和目標。為有效達到減碳目標，相關學者已進行一系列研究，BO等[1]、WANG等[2]、LUN等[3]、楊博宇等[4]分別從國家、省市及區縣級等多尺度對碳排放進行了研究；周思宇等[5]、魏文棟等[6]、張洋等[7]從碳排放核算體系角度進行了研究；李陽等[8]、韓楠等[9]、吳賢榮等[10]從方法論上對碳排放進行了一系列研究；查建平等[11]、李慧敏等[12]、鄧祥征等[13]從產業和土地利用角度對碳放研究內容進行了豐富。IPCC對碳排放來源進行了一系列分析，研究顯示，土地利用變化引起的碳排放量增加約占人類活動產生的碳排量的1/3[14]。因此，加強對土地利用方式與碳排放機理研究變得日益緊迫。盡管已有相當數量的學者針對兩者關系進行了一系列研究，但針對土地集約利用與碳排放關系的研究仍處于起步階段。京津冀地區作為我國重要的世界級城市群，近年來土地利用方式發生了較為劇烈的變化，土地集約利用水平位居全國前列，本文以標準差橢圓、脫鉤理論、地理探測器等方法針對該地區進行研究，以期為提高土地集約利用水平，優化土地低碳利用方式提供借鑒和參考。

1 研究方法與數據來源

1.1 指標體系構建

基于土地集約利用內涵，已有研究成果和指標的可得性、可比性、科學性、全面性等原則，確定京津冀地區土地集約利用評價指標體系由經濟投入水平(指單位土地面積上投入的經濟價值)、勞動力投入水平(指單位土地面積上各產業結構勞動力布局變化)、土地投入水平(指單位人口投入的設施用地面積)、土地產出效益(指土地集約利用后的經濟效益、社會效益和生態效益)4大準則層、12個指標構成[15-18](表1)。 各指標權重運用熵值法結合CRITIC法計算得到。

表1 京津冀地區土地集約利用評價指標體系Table 1 Evaluation index system of intensive land usein Beijing-Tianjin-Hebei region

1.2 研究方法

1.2.1 標準差橢圓法

標準差橢圓通過重心位置、橢圓面積、長短軸之比、方位角等核心要素揭示地理要素的空間分布特征[19-21]。 本文通過該方法探索京津冀地區近15年的土地集約利用和碳排放的空間分布特征及演變趨勢。

方位角計算見式(1)。

(1)

橢圓中心坐標計算見式(2)。

(2)

x軸和y軸長度計算見式(3)和式(4)。

(3)

(4)

1.2.2 “脫鉤”理論

“脫鉤”最初是OECD從物理學引進的概念，本意指兩個或多個原本具有聯系的物理量因某種或多種原因不再存在。“脫鉤”在本文含義指保持土地集約利用水平提高的同時碳排放量呈現下降趨勢，或者說土地集約利用水平增長率高于碳排放量增長率[22]。模型見式(5)。

(5)

式中：D為脫鉤指數；ΔC為兩期的碳排放變化速率；ΔL為土地集約利用水平變化速率；t0和t1為起止年份。依據指數D將脫鉤狀態分為8種狀態，如圖1所示。

圖1 脫鉤指標及狀態示意圖Fig.1 Schematic diagram of decouplingindicators and status

1.2.3 地理探測器

地理探測器是用于探索事物空間異質性及其驅動力的一種統計學方法[23-24]。本文利用因子探測器探索碳排放的空間分異性及土地集約利用各要素對其的解釋力，表達式為式(6)。

(6)

交互探測器用于探索兩個影響因子共同作用時對碳排放的解釋力的增減。交互類型及判斷準則見表2。

表2 兩因子交互影響類型表Table 2 Types of two-factors interaction

1.3 數據來源

經濟數據來源于2003年、2008年、2013年和2018年的《中國城市統計年鑒》《北京統計年鑒》《天津統計年鑒》《河北統計年鑒》和各市政府工作報告及公報，部分無法直接獲取的指標通過計算得到。碳排放數據來源于中國碳核算數據庫(CEADs)，該數據庫是在國家自然科學基金委員會、科技部重點研發計劃和英國研究理事會等機構和項目支持下建立，數據可靠，已廣泛應用于各類學術研究，因該網站最新碳排放數據為2017年數據，為保持數據一致性，采用的社會數據、經濟數據時間均截至2017年。

2 結果與分析

2.1 土地集約利用與碳排放時空分布特征

通過多指標綜合評價法得到京津冀地區13市2002—2017年的土地集約利用水平值，如圖2所示。2002—2017年京津冀地區土地集約利用水平存在顯著的非均衡穩步提高的特征，空間上呈現東高西低、南高北低、以京津為中心環形向外降低的分布格局。北京市和天津市分別作為中國政治文化中心和北方最大的港口城市在經濟發展上具有得天獨厚的優勢，在寸土寸金的大背景下加速促進了兩市土地集約利用水平處于區域水平最高峰；石家莊市、廊坊市、邯鄲市、邢臺市、唐山市、秦皇島市、保定市、滄州市、衡水市等得益于良好的經濟發展基礎和區位優勢，土地集約利用水平逐年提高，構成第二梯隊；張家口市和承德市作為北京市的綠色生態屏障和水源涵養地，土地集約利用水平呈現穩健上升趨勢，為第三梯隊。

圖2 2002—2017年京津冀地區土地集約利用水平Fig.2 Land intensive use in Beijing-Tianjin-Hebei region from 2002 to 2017

2002—2017年京津冀地區碳排放量整體呈現區域非均衡性增長特征。由圖3可知，天津市、唐山市、石家莊市受重工業、制造業等經濟因素影響較大，15年間累計碳排放量分別為44 717.93萬t、30 939.03萬t和30 102.01萬t，為區域碳排放量第一梯隊；北京市、保定市、邯鄲市、滄州市、廊坊市、邢臺市等地次之；張家口市、衡水市、秦皇島市、承德市作為典型的旅游城市，重工業較少，具有良好的生態環境優勢，構成第三梯隊。從時間序列上看，京津冀地區碳排放量整體呈現先升后降的趨勢，即2002—2012年逐年增長，2012—2017年除天津市、保定市、廊坊市、滄州市、衡水市外均呈現下降趨勢。

圖3 2002—2017年京津冀地區碳排放量變化Fig.3 Changes of carbon emissions in Beijing-Tianjin-Hebeiregion from 2002 to 2017

2002—2017年京津冀地區土地集約利用標準差橢圓分布格局為北偏東-南偏西，重心移動位置向正北-東北-西北方向移動。2002—2017年長短軸之比由2.23減小到2.09(表3)，表明東西方向覆蓋面積更大，呈現擴張趨勢，南北方向呈現收縮態勢，橢圓整體的方向性在減弱。方位角在2002—2012年沿順時針轉動0.63°，這與當時東部沿海地區經濟發展加速、土地利用率提高、集約化程度提高相一致；2012—2017年沿逆時針轉動1.05°，這是由于“十八大”后張家口市、承德市城市化進程加快，土地利用率提高，進而土地集約利用水平提高所致。

表3 土地集約利用與碳排放標準差橢圓參數表Table 3 Elliptic parameters of standard deviation of land intensive use and carbon emissions

2002—2017年碳排放標準差橢圓呈東北-西南走向的分布格局。 碳排放重心由38.90°N，116.23°E移動至39.05°N，116.31°E。近15年長短軸之比由2.04縮小至1.89，表明東北-西南方向的碳排放量呈現先增長后收縮的趨勢。方位角由50.61°增長至52.22°后減小至48.07°，表明西北地區碳排放量呈現增長態勢。

2.2 土地集約利用與碳排放脫鉤分析

根據脫鉤狀態評價方法，本文將2002—2017年京津冀地區土地集約利用與碳排放關系研究劃分為三個階段(2002—2007年、2007—2012年、2012—2017年)，將數據代入式(5)，測算得到京津冀地區土地集約利用與碳排放脫鉤關系(表4)。

表4 土地集約利用與碳排放脫鉤關系表Table 4 Decoupling relationship between land intensiveuse and carbon emissions

分階段來看， 2002—2007年京津冀地區土地集約利用與碳排放脫鉤關系共有三種狀態：增長連結、擴張負脫鉤、強負脫鉤。其中，處于擴張負脫鉤狀態的城市占區域城市總數的76.92%，表明大部分城市碳排放量和土地集約利用水平分別處于快速增長和迅速提高階段，且碳排放量的增長率遠超過土地集約利用水平的增長率；北京市是唯一一個處于增長連結的城市，曾經作為全國的經濟中心擁有良好的經濟基礎，盡管土地集約利用率處于全國前列，但由于高能耗產業的快速發展促使該階段碳排放量增長速度遠大于土地集約利用水平增長率；衡水市于1996年由縣級市改設為地級市，是京津冀地區歷史最短的地級市，經濟基礎薄弱，在粗放的土地利用結構和大力發展經濟背景下，土地集約利用與碳排放關系呈現強負脫鉤狀態。2007—2012年，邢臺市、保定市、張家口市、承德市、滄州市、廊坊市、衡水市、唐山市等脫鉤狀態為擴張負脫鉤；石家莊市、秦皇島市、邯鄲市等脫鉤狀態轉為增長連結，這得益于良好的經濟基礎和發展戰略的轉變，尤其是石家莊市將轉變經濟增長方式作為“十一五”期間的突出任務，對高消耗、高污染產業的進入進行了嚴格限制，減緩了碳排放量的增長速度，與此同時深挖存量建設用地的開發力度，提高了研究期內的土地集約利用程度，促使脫鉤關系向良性發展；北京市、天津市脫鉤狀態的變化受政策影響最為明顯，尤其是北京市，在“綠色奧運”和“涉鋼系統全部遷出北京”政策的影響下，鋼鐵產能不斷壓縮，盡管碳排放量和土地集約利用率都處于增長狀態，但碳排放量增長速率已低于土地集約利用水平增長速率，轉變為較理想的弱脫鉤狀態。2012—2017年，北京市、石家莊市、唐山市、邯鄲市、邢臺市、張家口市、承德市等已處于理想強脫鉤狀態(即碳排放量持續下降，土地集約利用率持續提高，土地集約利用率的增長不會引起碳排放量的大幅增長)，尤其是唐山市、邯鄲市、邢臺市，作為老牌的重工業和資源型城市，在河北省政府“6643工程”的影響下，積極進行供給側結構性改革，大幅壓減煉鋼、水泥、煤炭等高能耗產業，極大地減輕了碳排放壓力，實現了向強脫鉤狀態的飛躍；天津市、秦皇島市、保定市、滄州市、廊坊市、衡水市等處于較理想的弱脫鉤狀態。

整體來看，研究區土地集約利用與碳排放脫鉤關系大致經歷了強負脫鉤→擴張負脫鉤→增長連結→弱脫鉤→強脫鉤五個狀態，刻畫了京津冀地區從以經濟效益為中心到“綠水青山就是金山銀山”、從土地粗放擴張利用到節約集約利用的執政理念的變化。同時，地方政府宏觀調控、經濟發展基礎、地理區位、公眾環保意識及生活方式等因素在客觀上促進了研究區土地集約利用與碳排放脫鉤關系時空分異的呈現。

2.3 碳排放影響因素分析

為探索土地集約利用對碳排放量增加的驅動作用，選取時效性最強的2017年為研究時間點。通過計算得到各影響因素解釋力q值，影響因素最大的是地均固定資產投資額(0.794)，表明該因素對區域碳排量增加起主導作用。這主要是由兩方面原因導致：其一京津冀地區固定資產投資額中房地產開發和基礎設施建設占比在60%以上，在項目實施過程中會伴隨大量的能源消耗，而我國能源消費結構以煤炭、石油等礦石燃料為主，高碳排放系數是其重要特征，在無形中導致碳排放量大幅增加；與此同時，項目實施過程中會引起土地利用類型的變化，尤其是建設用地的不斷擴張會導致碳源的大幅增加，而林地、草地的減少又會影響其碳匯功能的發揮，這均增加了碳減排壓力。地均二、三產業產值(0.543)、地均GDP(0.543)、地均社會消費品零售額(0.548)、地均財政收入(0.531)、地均財政支出(0.534)等因素的q值均大于0.5，這些因子涉及產業結構、經濟發展水平、財政投入與效益等方面，能較全面反映碳排放來源，屬于重要影響因子。地均二、三產業產值和地均GDP在重要影響因子中居同等重要地位，這是由于第二產業、第三產業中的煤炭開采、鋼鐵、冶金、化纖制造、郵政業、交通運輸業等均屬于高能耗行業，同時京津冀地區已基本形成“三二一”的產業結構布局。第二、三產業從業比重、人口密度、城市人均擁有道路面積、建成區綠化覆蓋率、人均公園綠地面積、道路面積占比、人均建設用地面積等因素q值均低于0.5，這是由于不同城市在社會發展過程中對人口數量、從業結構、土地利用方式、生態環境保護力度等方面側重力度不同，導致對碳排放整體影響力相對較弱，屬于一般因素。

表6為碳排放影響因子交互探測分析情況。由表6可知，各驅動因子交互作用較為顯著，且任意兩驅動因子交互之后均大于交互前，具有典型的非線性增強或雙線性增強特性，表明經濟投入水平、勞動力投入水平、土地投入水平、土地產出效益等各方面的因素交互后的影響力要優于交互前影響力。整體來看，經濟投入水平與土地投入水平因素的交互影響程度最高。其中，地均固定資產投資額與人均建設用地面積的交互驅動作用最大，影響值達到1.000，這是因為兩者交互后共同指向房地產開發，數據顯示，全社會終端能耗的1/3被該行業所消耗。其次為土地產出效益內部因素的交互作用，其中人均公園綠地面積分別和地均GDP、地均二、三產業產值交互后的影響值均為0.982。土地投入水平內部因素交互后驅動作用最弱，其中人均建設用地面積與道路面積占比交互值為0.424。

表5 碳排放驅動因子q值表Table 5 q-values of driving factors concerning carbon emissions

表6 碳排放影響因子交互探測分析表Table 6 Interactive detection analysis of carbon emissions impact factors

綜上所述，土地集約利用各影響因子對碳排放量增加具有一定的驅動作用，且各影響因子的驅動作用存在較大差異，未來在土地開發利用過程中應高度關注高驅動因子，尤其是交互作用顯著的因子，同時對于一般因子也應給予足夠重視，以期通過土地集約優化利用實現碳減排目的。

3 結 論

本文運用標準差橢圓法、脫鉤理論、地理探測器等方法，探討了京津冀地區13市2002—2017年土地集約利用與碳排放的時空分異規律、脫鉤關系及其影響因素，結論如下所述。

1) 土地集約利用與碳排放標準差橢圓分布格局均為北偏東-南偏西的分布格局，其中土地集約利用空間上呈現東高西低、南高北低、以京津為中心環形向外降低的分布格局；碳排放量整體呈現區域非均衡性增長特征，大部分地區碳排放量已呈現環比下降的趨勢。

2) 15年間京津冀地區大部分城市土地集約利用與碳排放脫鉤關系已由早期的擴張負脫鉤狀態轉為理想的強脫鉤和弱脫鉤狀態。

3) 碳排放量增加的主導因素為地均固定資產投資額；地均GDP、地均二、三產業產值、地均社會消費品零售額、地均財政收入、地均財政支出等；各驅動因子交互作用較為顯著，交互后均優于單因子影響力，其中經濟投入水平與土地投入水平因素的交互影響程度最高，土地投入水平內部因素交互后驅動作用最弱。