碳平衡视角下武汉生态控制区碳汇效能演变及调控∗

彭义钧 吴雪飞

华中农业大学园艺林学学院 武汉 430000

城市是碳排放的主体, 反思旧城镇化进程中生态功能退化[1]、 大量碳排放等问题, 深圳[2]、武汉[3]等城市展开了城市空间基本生态控制线划定及管理实践。 生态控制区的管理实施是一个不断完善的过程[2], 当前如何考量其内部异质性并进行差异化调控是亟待提升的重点[3]。“碳” 则面临着低碳规划实践支撑不足, 供需空间失配[4]等现实困境。 碳汇作为重要生态系统服务之一, 主要指植物吸收并储存二氧化碳的能力, 城市生态控制区的生态用地在直接增汇、间接减排[5]方面有重要意义。 为此, 本文以武汉为例, 分析作为生态控制区物质载体的生态用地及其碳汇供需水平的动态变化特征, 结合目标年需求预测, 探讨碳平衡视角下城市生态控制区差异化调控策略, 以期为低碳规划与生态控制线实施深化提供参考。

1 研究区概况及数据来源

武汉是长江经济带上的核心城市, 曾为传统老工业基地, 经济发展快速, 整体生态资源丰富,是国家第二批“低碳试点城市” 之一。

由于城市的生态压力与生态功能呈现不均衡性, 引入分别反映自然属性和社会经济属性的供给和需求分析[6], 根据供需空间特征[7]、 碳汇供需划分[4,8], 结合《武汉市1 ∶2 000 基本生态控制线落线规划》 (见武汉市自然资源和规划局网页http:/ /gtghj.wuhan.gov.cn/pc-0-59916.html) 与本文研究目标, 将武汉市域8 569 km2作为碳汇需求区： 将生态资源丰富的武汉外部都市发展区,即含东湖风景区和严西湖(后文简称东湖区) 在内, 共计约2 672 km2范围内的10 个行政区或开发区的生态用地作为碳汇供给区。

本研究基础数据及来源主要包括: 1) 遥感影像源自地理空间数据云： 2) 人口、 经济和社会数据主要源自《武汉统计年鉴》 (2001—2017)《武汉市能源发展“十三五” 规划》 《武汉市碳排放达峰行动计划》 等具权威性官方数据： 3) 各类能源折合成标准煤系数、 碳清除系数等相关参数主要通过《综合能耗计算通则》 (B/T 2589-2008) 等标准和相关文献研究进行搜集。

2 研究方法

2.1 遥感解译

通过遥感解译对生态用地演变特征进行分析。选取2006、 2011 和2016 年为研究时间探讨生态用地与碳汇供给演变特征(图1)。 选择通过云量筛选的植被丰富的生长季节(6-9 月) 3 幅影像,利用ENVI、 ArcGIS 经预处理、 基于CART 获取规则的决策树分类[9]、 类后处理及转移矩阵计算进行解译分析。

图1 碳汇供给区土地利用分布图

综合考虑研究区土地利用自然属性、 生态用地和碳氧平衡相关研究[10-11]及《土地利用现状分类》 (GB/T21010-2007), 将研究区划分为有林地、 疏林和灌木林地、 草地、 耕地、 水域 (湿地) 和裸地6 类生态用地以及建设用地。

2.2 碳氧平衡法

通过碳氧平衡法对碳汇供需进行分析。 碳氧平衡法可有效量化区域生态用地需求[10-11]。 本研究着眼碳平衡, 包括碳汇需求量化(即城市人类活动产生的碳排放估算同释碳量算法) 和碳汇供给量化(即生态用地当年碳汇量估算同固碳量算法)。

2.2.1 需求： 碳排放估算

人类活动产生的碳排放主要来源于化石能源燃烧、 水泥生产、 不合理的土地利用和人类呼吸作用[12]。 结合区域特征与数据可获得性,选取煤炭、 焦炭、 原油等14 类能源产品的消费量, 水泥的销售量和年末常住人口数及较大牲畜年末存栏数作为指标。 碳排放量(Dc) 计算公式如下:

式(1) 中,Ce、Cm、Cp、Cc、Cs分别为化石能源燃烧、 水泥生产、 人类呼吸、 牛呼吸和猪呼吸碳排放量。

2.2.2 供给： 碳汇量估算

应用生物量法计算各类生态用地碳汇量(Sc),以有林地为标准生态用地, 根据各类生态用地的地均净生产量比例折算为标准生态用地[10], 计作面积Bi。 计算公式分别如下:

式(2) (3) 中,i为生态用地类型,α为单位生物量固碳系数,Ai为第i种生态用地面积,bi为第i种生态用地单位面积生物量,ηi为第i种生态用地与有林地的地均净生产量比值,b林为有林地的地均净生产量。 由此可对碳平衡目标下的标准生态用地需求量(ELc) 进行估算:

2.3 预测模型法

通过预测模型法对目标年需求进行分析。 城市社会经济发展状况影响碳汇需求和生态用地需求, 本文综合运用综合增长率法、 对数曲线估计模型以及灰色系统预测GM (1, 1) 模型[13]对“十三五” 规划末期、 武汉上一轮总体规划的规划水平年2020 年的需求量进行预测, 结合供需演变特征分析确立供给目标。

3 碳平衡视角下武汉生态控制区碳汇效能演变特征

3.1 研究区生态用地数量结构变化

2006—2016 年, 碳汇供给区内建设用地规模不断拓展, 由12.66%上升为37.18%, 而除水域外的各类生态用地面积均呈减少趋势(图2)。 使用年增长率描述各类生态用地的变化动态度(图3), 建设用地、 疏林、 灌木林、 草地和裸地年均增长率变化较大, 分别为11.38%、- 11.87%、 -12.12%、 - 24.10%。 2006 年、2011 年和 2016 年生态用地总量分别为2 333.53km2、 1 968.52 km2、 1 678.33 km2, 参比1 814 km2的规划生态控制区面积, 从数量和空间分布可知, 2016 年研究供给区与规划生态控制区重合度高。 总体而言, 建设用地规模扩张与生态用地总量收缩呈正相关。

图2 土地利用类型比例堆叠图

图3 各类用地变化的动态度

碳汇供给区生态用地变化的结构特征通过转移矩阵(表1) 进行转化情况说明。 总结各类变化, 主要有30.91%和14.10%的有林地、 疏林和灌木林地转变为建设用地。 有林地、 疏林和灌木林地、 草地和裸地的转变幅度较大, 各类生态用地之间主要呈中低频度的相互转化,基本处于原面积的20%以下, 这表明在城镇化进程中, 有林地-耕地-建设用地间的相互转变较为明显。 值得一提的是, 耕地和水域面积呈先减后增变化趋势, 除自然因素外, 如低碳生态建设下基本农田保护、 湿地保护等推行力度强的社会驱动促使区域耕地总量基本不变, 水域面积增长。

3.2 总量变化特征与分区均衡目标

3.2.1 研究区碳汇供需估算与分析

本文依据相关研究成果[14]在校正研究区各类生态用地碳清除系数与折标准生态用地系数的基础上展开计算。 由表2 可知, 2006—2016 年研究区碳汇总量减少35.16 万t, 年均增长率为-2.24%。3 个年份折标准生态用地分别为2 022.62 km2、1 673.12 km2、 1 603.51 km2。 研究区有林地的碳汇供给量最大, 平均占总量的37.27%。 各类生态用地碳汇效能与面积正相关, 在面积一定时从地类考虑, 有林地、 耕地和水域碳汇量较多。

表1 2006—2016 碳汇供给区土地利用转移矩阵 km2

表2 碳汇供给区各类生态用地碳汇能力及量化

根据碳氧平衡法结合研究区实际情况进行碳排放量估算 (表3), 碳排放量年均增长率2.03%, 呈增长态势。 研究区中化石能源消费为碳排放主导因素, 水泥生产次之, 分别平均占比为93.21%和3.61%, 呼吸作用平均仅占3.18%,与全国碳排放结构近似[15]。 从能源利用在经济生产中的效率看, 3 年的碳强度呈下降趋势, 分别为1.00、 0.47、 0.27, 说明城市低碳发展在产业结构升级、 技术改进等方面有所进步。

表3 碳汇需求区碳排放量

3.2.2 总量平衡贡献度分析

大气中碳平衡具有相对性, 因陆地生态系统承担区域1/3 碳汇任务, 引入如下碳平衡系数(BCc)[16-17]进行度量:

该系数表示区域陆地生态系统应承担的碳平衡任务, 系数大于1 表明区域处于自然生态与经济发展良性循环的碳平衡状态, 反之则存在一定碳缺口。 表4 反映了研究区碳汇和生态用地供需的变化与总量平衡的贡献度情况, 二者的供给能力呈现为下降趋势, 其生态用地平均约占全市碳平衡贡献度的15.23%, 3 年的碳平衡系数均小于1。 因此, 除研究区碳汇效能提升之外, 实现供需平衡首先应探索碳平衡目标下的区域系统责任层级问题, 并需结合节能减排以期实现区域相对碳平衡。

表4 研究区碳平衡效能变化

3.2.3 分区碳平衡变化及均衡目标

根据总量关系和对应基本生态控制线规划的分区平衡情况与目标, 进行各区差异化界定。 除新洲区外, 各区生态用地供给(图4) 均呈减少趋势, 其中黄陂区、 汉南区后期略有回升。 供给年均负增长率大于3%的区域中, 汉南区＞江夏区＞蔡甸区。

图4 各区标准生态用地供给变化

根据《武汉市碳排放达峰行动计划》中区域碳排责任进行分区合并与碳排放量近似分配,为统计一致将化工区和东湖区归入东湖新技术开发区。 结合分区碳汇量计算得到各区碳平衡系数变化情况(表5),2006—2016 年,各区自身碳平衡能力减弱,其中新洲区先减后略增,黄陂区减弱后基本趋于不变。 2006 年实现自身碳平衡的区域分别有蔡甸区、江夏区、东湖新技术开发区(化工区),其中最后者于2011 年仍处于碳平衡状态,供给近乎需求的2 倍。2016 年,各区平衡能力为蔡甸区＞江夏区＞东西湖区＞黄陂区＞东湖新技术开发区(化工区)＞经济技术开发区(汉南区)＞新洲区。

表5 各区碳平衡系数变化

分区定位目标在协同自然禀赋与经济发展的基础上, 引入碳排放经济贡献系数(ECC)[18]与碳汇承载系数(CSSC)[14], 以2016 年为基准进行衡量。 当指标值＞1 时, 表明该区经济或碳汇贡献度大于碳排放责任度, 能源利用效率较高或碳汇效能较高, 反之, 指标值＜1 则表明区域自身碳排放将增大其他区域负荷(图5)。 可将各区分为两类: 1) 碳汇平衡区(指对分区均衡的贡献度与实现总量平衡的潜力更高), 两项指标均大于1, 除新洲区以外的6 区。 区域经济与生态较为协调, 应采取节能减排提高能源利用效率, 同时重视生态用地保护与效能提升。 值得一提的是, 此处“碳平衡” 指该区域对分区均衡的贡献度与实现总量平衡的潜力更高。 2) 碳汇功能区, ECC＜1, 而CSSC＞1, 仅新洲区。 此时区域经济发展较落后, 但自身碳汇效能较好, 应避免经济发展影响生态用地功能。

图5 分区碳效应指标

3.3 目标年碳汇需求量预测

基于武汉市2001—2016 年社会经济统计数据, 采用相应模型法预测2020 年碳排放量与生态用地需求量。 其中化石能源消费量使用《武汉市能源发展“十三五” 规划》 能源消费总量目标数据, 人口、 牛、 猪数目分别取综合增长率法与灰色GM (1, 1) 模型预测的平均值, 水泥产量构建曲线估计对数模型得到。 由表6 数据推算可知,2020 年碳汇需求量1458.21 万t。

表6 2020 年碳排放量预测

4 碳平衡视角下的生态控制区调控策略

1) 总量控制。 确定碳平衡目标, 结合碳汇效能与协同区域经济效益差异是优化土地利用结构,并对各生态用地进行分类优化的基础。 2016 年研究区占总面积19.6%的生态用地实现12.7%的碳汇需求, 而2020 目标年碳平衡情景下1458.21 万t 的需求实现需在减排基础上对农业生态区和城市绿地进行充分挖潜。 须注意的是碳平衡并非单一尺度的低碳发展目标, 区域系统碳循环具有复杂性、 不确定性、 空间异质性和开放性等特征。 结合本文研究结果, 说明探索碳平衡目标下的区域系统层级问题,以及明确武汉市域和生态控制区的责任阈值是实现区域总量控制及后续研究的重点。

2) 空间优化。 构建总体生态框架, 保障生态控制范围。 遵循生态优先、 城乡统筹原则落实城市总规建构的“两环两轴、 六楔入城” 总体生态框架, 推进主城和外部都市发展区间城市生态带及生态控制区内嵌入的新城组团间6 大生态绿楔建设, 二者相协构成环楔结合的生态格局。 强化空间刚性保护与弹性生长, 积极地分层次引导边界管控。

3) 效能提升。 明确分区差别化调控, 增汇与减排并举。 根据研究区分区分析, 碳汇平衡区中, 供给能力相对较好的蔡甸区、 江夏区、 东西湖区和黄陂区有林地和水域(湿地) 较多, 其中黄陂区和东西湖区农业生产条件好, 耕地面积多。因此, 它们应提高林分质量, 恢复及保护山林,严控围湖造田, 保持及恢复水位过程和改善水域环境, 黄陂、 东西湖区还应重点保护耕地, 推广保护性耕作技术和合理施肥管理措施： 供给能力次之的东湖新技术开发区(化工区) 和经济技术开发区(汉南区) 是市域工业产业发展聚集区,二者有林地和水域较多, 因此在提升生态用地碳汇效能的同时, 应重视能源结构优化, 通过市场机制筛减高耗能企业, 促进建设用地集约利用以节能减排： 碳汇功能区新洲区经济发展相对滞后,在发展经济时应注意主要生态用地有林地、 耕地和水域的保护。

4) 政策保障。 完善空间管制途径, 协同相关保障举措。 强化生态管控措施, 通过完善法制建设、 健全监督管理体系、 促进各部门协调合作等更加积极地实施保障[18]。

此外, 本文研究结果有待进一步发展, 碳平衡目标下的区域系统责任问题及分区生态用地数量和空间结构调控方法是进一步研究的方向。