基于土地利用的西安市碳排放時空特征研究

金航 王惠敏 李煜

(西安煤航遙感信息有限公司，陜西 西安 710100)

碳排放對氣候生態變化產生了巨大影響，如今全球氣候變化形勢愈加嚴峻，我國作為碳排放大國，2020年在聯合國大會上承諾將力爭實現“30·60”碳減排目標，這對于生態與經濟等可持續發展至關重要[1]。已有相關研究表明，近50a內我國基于土地利用變化的碳排放量占總量的1/3，作為影響碳排放的重要因素，不同方式的土地利用及其變化所產生碳排放與碳匯差異顯著，土地利用方式與結構改變往往會引起雙碳格局、碳循環、生態補償等發生變化[2,3]，因而土地利用碳排放受到越來越多的關注與研究。其時空變化研究作為研究集中點之一，影響土地資源管理、土地利用結構優化及綠色低碳發展決策等[4]，目前眾多學者已圍繞土地利用時空變化引起的碳排放開展了廣泛的研究，如秦巖等[5]基于GIS手段，通過核算碳排放強度、建立熱點要素模型等方法，分析了長三角地區土地利用碳排放強度變化及其空間特征，為區域碳平衡發展打下了基礎；劉文鳳[6]分析了我國省域尺度下多年碳排放的重心轉移與時空特點，得到了碳排放空間效應與變化特點；趙先超等[7]通過土地利用轉移矩陣、重心轉移模型以及碳排放與效應估算方法研究了市域下土地利用碳排放時空格局，并指出實現碳中和的相關建議。

西安市作為國家中心城市，經濟快速發展的同時帶來碳排放的不斷增大，導致土地利用格局不斷變化，而目前對西安市研究較少且數據源未得到更新?；诖耍疚幕贕IS技術手段，采用土地利用轉移矩陣分析土地利用多年變化，通過碳排放系數法分析西安市土地利用碳排放量特點，并引入碳排放重心轉移模型分析其時空特征，為研究區低碳綠色可持續發展與碳減排提供建議與決策。

1 研究區域與方法

1.1 研究區域概況與數據來源

西安市位于黃河流域中部關中盆地，“一帶一路”核心區，在西北地區經濟體中占領著不可取代的地位。全市共計11個區2縣，總面積10108km2，地勢東南高，西北與西南低，地形整體北部為沖積平原，南部為剝蝕山地。2020年全年地區生產總值(GDP)10068.28億元，比2019年增長4.1%，全年糧食種植面積25.76萬hm2，年末常住人口1316.3萬人，城鎮化率79.49%。

本研究所用數據源主要包括：土地利用產品數據，來源于武漢大學黃昕教授團隊基于GoogleEarthEngine(GEE)云平臺，利用Landsat數據集制作而成，數據分辨率為30m；能源與社會經濟數據，來源于《陜西省統計年鑒》(2012—2021)、《西安市統計年鑒》(2012—2021)以及《中國能源統計年鑒》；西安市行政邊界數據，來源于全國基礎地理信息數據庫。

1.2 研究方法

1.2.1 碳排放估算方法

土地利用碳排放估算從碳源與碳匯2方面展開，其中，耕地、建設用地為碳源，林地、草地、水域與未利用地為碳匯，通過《IPCC溫室氣體指南》以及在已有研究基礎上，結合研究區西安市的實際情況，確定各土地利用類型的排放系數[8-10]，各土地利用類型碳排放系數取值見表1。

表1 土地利用碳排放系數

研究區建設用地能源消耗總量(噸標準煤)利用能源數據與經濟數據換算間接得到，碳排放量計算方法為能源消耗總量與能源消耗碳排放轉換系數之積；建設用地碳排放系數根據已有研究成果取0.733(C)·t-1;非建設用地碳排放量通過各土地利用類型面積與其碳排放系數之積得到，估算方法如公式1所示。

E=∑Ai×αi

(1)

式中，E為土地利用碳排放總量；Ai為第i種土地利用類型面積；αi為第i種土地利用類型的碳排放系數。

1.2.2 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣可以反映研究區在研究時段間各類土地利用方式變化情況與轉移方向[11]，其表達形式：

(2)

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。

1.2.3 重心轉移模型

重心轉移模型通過人口分布重心原理構建，即根據不同時期要素重心的轉移方向判斷研究區要素空間變化[12]，將該方法引入碳排放研究中，可以用于分析區域碳排放的時空變化與規律，其計算公式：

(3)

式中，Xt和Yt表示第t年研究要素的重心經緯度坐標；Ci表示t年第i類土地利用類型的研究對象值；xi和yi分別為第i類土地利用類型的幾何重心經緯度坐標，通過ArcGIS軟件得到。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化分析

2011—2020年西安市土地利用面積變化情況如表2所示。

表2 2011—2020年西安市土地利用面積變化

由表2可知，西安市近10a來，耕地與林地均占總面積的85%以上，為主要土地利用類型，林地面積保持最大，耕地面積次之，其次為建設用地，未利用地面積最小。總體來看，2011—2020年西安市土地利用變化幅度整體偏高，其中，耕地與草地面積逐年遞減，林地、水域、建設用地與未利用地面積逐年遞增，耕地面積由2011年41.47萬hm2減少為2020年37.38萬hm2，約減少了9.9%，草地面積由2011年1.25萬hm2減少為2020年0.76萬hm2，約減少了38.6%；而林地面積在波動中略有增加，未利用地面積逐年增長，水域面積由2011年0.32萬hm2增加到2020年0.37萬hm2，約增加了18.5%，建設用地由2011年10.41萬hm2增加至2020年13.5萬hm2，約增加了29.7%。

2.2 土地利用碳排放分析

基于西安市土地利用數據、能源消耗數據與經濟統計數據，估算得到西安市10a來6類土地利用類型的土地利用碳排放(吸收)量，結果如表3所示。

表3 2011—2020年西安市土地利用碳排放(吸收)量

由表3可知，西安市土地利用類型中建設用地為主要碳源，林地為主要碳匯，2011—2020年土地利用凈碳排放量總體呈現逐年遞增的變化趨勢，由2011年2065.54萬t增加到2020年3774.81萬t，增加幅度高達82.8%。在碳源方面，建設用地是西安市碳排放的主導因素，碳排放貢獻率為99%，10a間增量高達1711.9萬t，耕地碳排放量逐年呈遞減趨勢，是影響碳排放次要因素，至2020年減少了約為1.73萬t；在碳匯方面，總碳匯量逐年遞增，增量大都來源于林地，占據總碳匯的96%以上，水域、草地、未利用地的碳匯相對穩定，變化幅度不大。由上述分析可知，在區域碳中和的長遠目標下，可通過控制建設用地擴張減少碳源，優化土地利用結構增加碳匯，從而有效降低西安市凈碳排放量。

2.3 土地利用空間轉移分析

利用ArcGIS空間疊加分析，結合數據透視表得到2011—2020年西安市土地利用轉移矩陣，結果如表4所示。

表4 2011—2020年西安市土地利用轉移矩陣

由表4可知，2011—2020年在西安市土地利用類型轉出面積中，耕地轉出面積最高，為4.93萬hm2，其中68%轉化為建設用地，27%轉化為林地；草地轉出面積次之，為0.63萬hm2；再次為林地、建設用地，其轉出面積相當，水域與未利用地轉出面積最小。轉入面積中，建設用地轉入面積最大，為3.43萬hm2，98%轉入面積來源于耕地；林地轉入面積為1.73萬hm2，98%轉入面積來源于耕地；耕地、草地、水域與未利用地轉入面積次之并依次減少。由上述分析可知，隨著現階段城鎮化的高速發展，西安市主要通過占用耕地進行擴張城區，林地作為主要碳匯，轉入面積大都來源于耕地且相對可觀，但建設用地的碳排放遠高于林地固碳量，這使得西安市將會面臨越來越大的碳減排壓力。

2.4 土地利用碳排放量重心轉移分析

通過2011年、2014年、2017年與2020年土地利用數據，運用ArcGIS軟件確定不同土地利用類型的幾何重心坐標，并在獲得各土地利用類型碳排放/碳匯量的基礎上，依據公式分別計算出2011年、2014年、2017年與2020年土地利用碳排放總量的重心坐標，所得結果如圖1。

圖1 土地利用碳排放總量重心轉移空間格局

由圖1可知，總體來看2011—2020年西安市土地利用碳排放量重心具有集群性，均位于蓮湖區，重心整體向東北方向移動了0.43km，距西安市幾何重心(長安區興隆街道)距離區間約為21.6～22km。2011—2014年，西安市土地利用碳排放總量重心整體向西北方向移動了0.23km；2014—2017年，碳排放總量重心向東北方向移動了0.21km；2017—2020年，碳排放總量重心向東北方向移動了0.24km，轉移距離最大，重心轉移速率約為0.08km·a-1。由此可知，碳排放在空間上的重心軌跡區位，碳排放總量重心位于西安市幾何重心該點東北方向，說明該點東北方向經濟發展迅速，所消耗的能源量更多，也是碳減排重點工作區域。

3 結論與討論

本文對2011—2020年西安市土地利用變化下西安市碳排放時空格局進行了分析與研究。結果表明，林地和耕地為西安市主要的土地利用類型，占據西安市面積85%以上，耕地面積逐年減少，建設用地面積逐年增大，林地面積相對穩定；2011—2020年西安市土地利用凈碳排放增長率達82.8%，這主要是由于建設用地作為西安市碳源的首要貢獻要素，其面積在該10a間劇增，約為3.01萬hm2，其中98%建設用地來源于耕地的轉入，林地作為主要碳匯，其面積呈現逐年遞增的趨勢，增長率為3%，而林地遠不足以平衡建設用地碳排放量，因此造成了西安市碳減排壓力的增加。由于西安市經濟快速發展，能源消耗加劇，研究時段內西安市土地利用碳排放總量的重心整體向西北方向移動，移動距離較小，均位于西安市幾何重心東北，且集中在蓮湖區內；分析發現，西安市10a間碳排放總量分別為碳吸收總量的68.2倍、83.6倍、99.2倍、117.1倍，建設用地大量侵占耕地與草地，這是碳排放大量增加的主要原因。因此，在實現區域碳平衡與中和的長遠目標下，合理控制建設用地的擴張、積極增大碳匯規模是推進西安市實現碳收支平衡目標的一大重要方向，同時，可通過優化調整土地利用結構，如實施退耕還林、建設用地增綠補綠等方式，以提高區域固碳能力，實現綠色可持續發展。