基于土地利用变化的广州市碳排放效应分析——以近20a为例

刘锋 杨木壮 赵冠伟 林彤

(广州大学地理科学与遥感学院，广东 广州 510006)

前言

随着世界经济的快速发展，全球碳排放量增多、温室效应加剧，人类生产和生活环境的日益恶劣，在此背景下节能减排与低碳发展逐渐成为世界各国的关注点。习近平总书记在第75届联合国大会上提出，我国二氧化碳排放将力争在2030年前达到峰值，努力争取2060年实现碳中和的目标，为应对全球气候变化作出了积极响应。有资料显示，土地利用变化造成的碳排放量是人类活动碳排放总量的1/3[1]，且在过去的50a余里，我国由土地利用变化所导致的碳排放量高达106亿t，占据世界各国土地利用覆被变化导致的碳排放总量的12%[2]。因此，土地利用变化及其碳排放效应的研究具有重要意义。

关于土地利用碳排放的研究，国内外研究主要有土地利用变化对于碳排放机制的研究、碳排放核算研究、碳排放效应和影响因素分解研究[3,4]。如，Mahesh评估了干旱热带地区土地利用变化对土壤二氧化碳碳通量和土壤有机碳(SOC)储量的影响[5]；黄美玲估算了长江经济带碳排放总量并分析了碳排放趋势[6]；政府间气候变化专门委员会(IPCC)编制的《国家温室气体清单指南》，为土地利用碳排放的核算提供了参考[7]；方精云和陈安平分析了中国森林植被的二氧化碳源汇功能[8]，为林地的碳汇核算提供了方法；张俊峰利用LMDI模型对影响城市圈土地利用碳排放的因素进行分解，定量分析了武汉城市圈土地利用碳排放影响因素[9]。广州市作为粤港澳大湾区的中心城市，在过去的20a间经济文化迅速发展、人口不断聚集，土地利用也相应的不断变化，造成的土地利用变化的碳排放效应也十分复杂，因此研究广州市的土地利用/覆被变化情况并测算由此引起的碳排放效应情况具有重要意义，本文基于市级尺度，通过对广州市20a间土地利用变化的分析和碳排放量的估算，以期为区域可持续发展相关政策制定提供一定的参考。

1 研究区与数据来源

本文以广州市为研究区，广州市地处中国南部、广东省中南部、珠江三角洲中北缘，位于E112°57′～114°3′，N22°26′～23°56′，陆域总面积为7434.40km2，地处南方丰水区，属于海洋性亚热带季风气候，境内河流水系发达，大小河流(涌)众多，水域面积广阔，境内有丰富的自然资源。截至2019年末，广州市常住人口1530.59万人，城镇化率为86.46%。2020年，广州市实现地区生产总值25019.11亿元。

图1 广州市行政区划图

研究涉及数据包括广州市2000年、2010年、2020年3期土地覆被、广州市统计年鉴和广州市县级行政区划矢量数据。土地利用覆被数据源于GlobeLand30全球公共地理信息平台(http://www.globallandcover.com/),为30m空间分辨率全球地表覆盖数据，数据总体精度达到80%以上，Kappa系数达到0.75以上，满足研究要需求；广州市统计年鉴数据来源于广州市统计局；广州市县级行政区划矢量数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心。

2 研究方法

2.1 土地利用变化

土地利用分类根据研究需要，采用全国土地二级分类系统的一级分类，将广州市土地利用类型重分类为耕地、林地、草地、建设用地、水域、未利用地6类。

2.1.1 土地利用动态指数

(1)

式中，K为研究区一定时间范围内的土地利用动态指数，取值[-1,1],使用百分数表示；Ub、Ua分别为某种土地利用类型在研究时段结束和开始时的面积；T为研究年数。

2.1.2 土地利用类型转移矩阵

土地利用转移矩阵是根据同一地区不同时相的土地覆盖现状的转化关系求得的一个二维矩阵，能够简单、直观地表示出研究时段内各土地类型变化值及变化方向。本文利用Arcgis 10.2和Excel软件对广州市2000年、2010年、2020年3个时段的土地利用/覆被类型数据进行交叉分析，得到2000—2010年、2010—2020年和2000—2020年广州市土地利用类型转移矩阵。

2.2 碳效应测算模型

碳效应测算模型[11]用于定量计算土地利用/覆被变化所导致的各种碳效应变化值。计算公式:

C=∑Si,j×Ti,j

(2)

式中，C为土地利用/覆被变化总碳效应；Si,j为第i种土地利用类型转换为第j种土地类型的面积，km2；Ti,j为第i种土地利用类型转换为第j种土地类型时碳效应系数的变化值。

随着气候条件和耕种方法的不断变化，主要病虫害开始逐渐替代过去的次要病虫害。同时，在种植过程中，大部分农户不能全面清晰地认知和区分各种病虫害，导致一方面控制力明显不足，另一方面防治方法相对落后，对病虫害的防治措施和效果不理想，从而影响小麦产量。

各地类中建设用地的碳效应主要为用地上的人类生活、生产活动，属于碳源土地利用类型[12]。由于耕地的碳汇功能很弱，根据前人研究，耕地碳排放的主要途径为农业施用化肥、机械的使用以及灌溉等生产活动[13]，因此本文将耕地归为碳源。林地和草地的碳排放量小于碳固定量，视为碳汇。水域和未利用地因碳汇能力弱，且所占面积不大，故本文不做研究。

对于碳效应系数，由于数据获取限制，对于建设用地的碳排放系数，本文参考南灵、梅昀等研究方法，以第二、第三生产总值和单位GDP能耗来间接计算人类在利用建设用地从事各类活动过程中所消耗的能源生产的碳排放量。其中K表示碳排放系数，具体计算过程：

Ei=(GDP2+GDP3)×J×K

(3)

式中，Ei表示建设用地碳排放量；GDP2为第二产业生产总值;GDP3为第三产业生产总值;J为单位GDP能耗;K=0.7476tC/t。通过《广州市统计年鉴》相关数据，最终计算得到2000年、2010年、2020年广州市建设用地碳排放系数分别为8864t·km-2、38926t·km-2、24697t·km-2。广州市主要土地利用/覆被类型碳效益系数具体结果见表1。

表1 广州市主要土地利用/覆被类型碳效应系数

3 结果与分析

3.1 土地利用/覆被变化分析

由土地利用分类结果统计可得2000年、2010年、2020年广州市各类型土地面积，结合图2对2000—2010年、2010—2020年和2000—2020年3个阶段的土地利用/覆被变化进行分析。

3.1.1 变化幅度分析

由表2可知，从面积变化上看广州市2000—2010年土地利用类型的变化，草地和建设用地面积增加，耕地、林地、水域和未利用地面积减少，与2000年相比，2010年广州市耕地面积净减少101.96km2，林地净减少11.64km2，草地面积净增加14.27km2，水域面积净减少0.44km2，建设用地面积净增加129.49km2，未利用地面积净减少2.14km2；从土地利用动态指数上看，广州市2000—2010年建设用地变化幅度最大，是土地利用变化的主要类型，动态度指数为1.67%；未利用地次之，动态指数为-1.37，而重要性指数建设用地为0.45,远大于未利用地的0.01。

表2 2000—2010年广州市土地利用/覆被变化

由表3可知，从面积变化上看2010—2020年广州市土地利用类型的变化，仅建设用地面积增加，耕地、林地、草地、水域和未利用地面积均减少，与2010年相比，广州市2020年耕地面积净减少515.81km2，林地面积减少317.23km2，草地面积减少132.94km2，水域面积减少7.61km2，建设用地面积增加980.69km2，未利用地减少7.10km2；从土地利用动态指数来看，建设用地动态指数最大，为10.86%，表明建设用地在2010—2020年依然为广州市土地利用变化的主要类型。

表3 2010—2020年广州市土地利用/覆被变化

由表4可知，从面积变化上看2000—2020年广州市土地利用类型的变化，仅建设用地面积增加，耕地、林地、草地、水域和未利用地面积均减少，与2000年相比，广州市2020年耕地面积净减少617.78km2，林地面积减少328.87km2，草地面积减少118.67km2，水域面积减少35.62km2；，建设用地面积增加1110.18km2，未利用地减少9.24km2；从土地利用动态指数来看，建设用地动态指数最大，为14.36%，水域的最小，为0.56%，表明广州市20a间土地利用变化的主要类型为建设用地，而土地变化类型最不明显的为水域。

表4 2000—2020年广州市土地利用/覆被变化

3.1.2 变化方向和强度分析

由表5可知，2000—2010年广州市耕地的转出方向主要是水域和建设用地，其中水域占耕地变化面积的38.40%，建设用地占耕地变化面积的39.68%，具体转化数值，耕地转水域面积为101.62km2，耕地转建设用地面积105.00km2。随着广州市城市化、经济化建设的加强，广州沿海地区的农业人员的种植方式也在不断的转变，越来越多的农业人员舍弃耕地种植，而选择收入更高的海产等水产品养殖，从而产生耕地大量转变为水域的现象，同时建设用地侵占耕地的现象也比较突出。林地向草地的转换是其转换的主要方向，转化面积为96.54km2，经计算该转换占林地变化面积的59.00%；其次是耕地，转化面积为37.68km2，转换占林地变化面积的23%。建设用地面积增加的主要来源是耕地，转化面积为105.00km2，占转化面积的56.00%。建设用地转出主要表现为向耕地和林地，转化面积分别为23.91km2和17.02km2。说明广州市生态保护政策的出台和相关生态保护工程的建设产生了一定的积极效果。水域的主要转出类型为耕地，面积为94.03km2。

表5 2000—2010年广州市土地利用转移矩阵

由表6可知，2010—2020年广州市耕地主要转出方向依然为水域和建设用地，耕地的转出主要分布在南沙中部、花都区的中西部和黄埔区南部地区，转出面积分别为108.53km2和624.79km2，占耕地转变面积的14.00%和81.00%。相比2000—2010年阶段耕地的转出活动加强，耕地变化率由10.34%增加为31.50%。同时耕地转出为建设用地的面积大大增加，转出面积为624.79km2，占建设用地增加总面积的61.51%，成为建设用地增加的重要来源，说明建设用地侵占耕地的现象仍然突出，区域城镇化过程继续加快。林地向耕地、建设用地转换面积分别为115.14km2和223.58km2，占林地面积变化面积的27.72%和53.82%。未利用地转出为建设用地面积为7.49km2，说明部分未利用地得到有效的开发。

表6 2010—2020年广州市土地利用转移矩阵

由表7可知，20a间广州市土地利用类型转出最多的是耕地，增加最多的是建设用地，表明在2000—2020年建设用地侵占耕地的情况较多，大量耕地转换为建设用地，广州市的快速城镇化是耕地减少的主要原因。地类转换上，耕地转换为其它用地主要集中在南沙中部、花都区的中西部和黄埔区南部地区，水域转换为其它用地主要集中在南沙南部沿海。

表7 2000—2020年广州市土地利用转移矩阵

3.2 土地利用变化的碳效应分析

由表8可知，2000—2010年广州市土地利用/覆被变化所带来的碳排放量大于碳吸收量582.08万t，其中碳排放总量676.01万t，碳吸收总量93.93万t。在此期间，广州市由于快速城镇化的原因导致建设用地大量占用耕地，由此带来的碳排放增量高达408.64万t，占总碳排放增量的60%。

表8 2000—2010年广州市主要土地利用类型转变及其引起的区域碳效应变化

由表9可知，2010—2020年广州市土地利用/覆被变化所带来的碳排放量大于碳吸收量2491.54万t，其中碳排放总量2492.10万t，碳吸收总量0.55万t。可以看出，在此期间建设用地占用耕地、林地和草地是碳排放的主要来源，3类变化占碳排放总量的94.19%。与2000—2010年相比较，城市城镇化进程加快。

表9 2010—2020年广州市主要土地利用类型转变及其引起的区域碳效应变化

由表10可知，2000—2020年广州市土地利用/覆被变化所带来的碳排放量大于碳吸收量2817.47万t，其中碳排放总量2818.34万t，碳吸收总量0.86万t。可以看出，在此期间建设用地占用耕地、林地是碳排放的主要来源，2类地类变化碳排放占碳排放总量的81.44%。

表10 2000—2020年广州市主要土地利用类型转变及其引起的区域碳效应变化

4 结论与讨论

2000—2020年广州市土地利用/覆被变化十分显著，呈现出“一增五减”的特点,即建设用地面积增加，耕地、林地、草地、水域、未利用地面积减少；由于城市化建设加快，建设用地为20a间土地利用变化最主要类型，2020年建设用地面积相比2000年增加了2.44倍，且土地利用动态度指数和土地利用变化重要性指数最大；耕地面积加速减少，在2000—2010年减少4.00%，在2010—2020年减少21.01%，20a间耕地总体面积减少了24.16%。

在2000—2010年，2010—2020年各类用地之间的转换呈现多向性的复杂特征。其中主要地类的转变为耕地和林地转化为建设用地，整体呈现出生态逆向演变。耕地面积减少部分除了转换为建设用地，其次就是水域，这与经济发展促使沿海地区农业人员生产方式转变密切相关，从耕地种植转变为渔业养殖。

土地利用格局的变化直接影响着区域碳效应。广州市20a间土地利用/覆被变化所带来的碳排放量比碳吸收量多2817.47万t，其中碳汇总量为0.86万t，碳源总量为2818.34万t；3个年份的建设用地碳排放系数先增后减，说明广州市近10a间的能源使用效率有所增加；2000—2010年、2010—2020年广州市土地利用/覆被变化带来的碳排放量比碳吸收量分别多582.08万t和2491.54万t，碳排放量大大增加。

根据研究结果并结合研究区实际，提出促进广州市土地资源低碳可持续利用的建议。优化广州市的土地利用结构,建设用地是主要的碳排放用地，要防止建设用地的无序、盲目扩张，合理控制建设用地的增加量。对于存在的建设用地违规占用问题，要拆除相关建筑，加强监督管理，同时增加对林地、草地的培育和保护；控制能源消费总量，提升能源使用效率，建设用地上的能源消耗是碳排放的主要来源之一，因此要合理的制定城市能源消耗的总量目标，优化广州市产业结构。对于碳排放量较高的产业进行转换升级，大力开发太阳能、风能等新能源，逐渐摆脱以化石能源为主的能源消费现状。