碳中和目标下的城市土地集约利用评价——基于DPSIR模型的西安市探索

杨大伟，康 琦，何雅兰，孙立强

（西安工业大学 建筑工程学院，陕西 西安 710000）

科学研究表明，二氧化碳等温室气体的过量排放已造成了全球气候变暖等重大环境问题，全球可持续发展正面临前所未有的挑战。2019年，中国温室气体排放量达到140亿吨二氧化碳当量，占世界总排放量的26.7%（联合国环境规划署UNEP，2020），成为世界第一排放大国。我国力争于2030年前实现碳达峰、到2060年实现碳中和，这是一场全面、深刻、系统的经济社会变革，构建一种基于低碳导向的国土空间组织体系正成为中国碳中和目标实现的重要顶层设计。

城市是人口、产业和能源消耗的聚集地[1]，其二氧化碳排放量占总排放量的比例达到六成以上（联合国人居署），是产生和影响碳排的主要地理空间，将城市作为主体来规划实现碳中和具有全局性和综合性作用[2]。城市土地利用是土地的经济和社会属性，也是国土空间规划编制与用途管制的重要内容之一[3]。已有研究表明，当前全球年排放二氧化碳量大约为400亿吨，其中由土地利用碳排放占比约14%[4]，非持续性的土地利用已经成为继化石能源燃烧之后的第二大温室气体排放源[5]。土地利用变化可以同时发挥碳源与碳汇双重作用[6]，如何通过土地利用结构优化来实现“减排增汇”成为实现城市碳中和的关键性问题。

然而，由于土地利用变化的自组织性、复杂性以及不稳定性[7]，导致温室气体排放的作用机理愈加复杂，不确定性要素更多，因而碳中和国土空间格局的构建，需要建立在对土地集约利用演化过程和内部机制深刻揭示的基础之上。本文从土地集约利用机制和集约度的动态变化两个关键维度出发，初步构建了碳中和目标下的城市土地集约利用评价框架，并以西安市为例展开探索。

一 研究背景

（一）土地利用变化被广泛认为是主要的碳排放源之一

土壤是生态系统中碳和植物营养元素的主要储存库和交换池，全球约有1 400～1 500 Gt的碳是以有机质物的形式储存在土壤中，其微小的变化就可能会影响到碳向大气的排放[8]。土地用途转变、生态系统类型更替、土地经营管理方式变更以及各土地利用类型所承载的全部生活、生产行为均会驱动碳排放[9]。曲福田等从农用地内部与非农用地内部土地利用、以及从农用地至非农用地的转换三个方面就“土地利用变化对碳排放的影响”进行综述[10]；李颖等以江苏省为例，对其快速城镇化时期的土地利用碳排放展开测算[11]；杨庆媛对土地利用变化与碳循环的作用机制展开研究并提出相关建议[12]，土地利用变化已经被广泛认为是仅次于化石燃料燃烧的大气CO2浓度急剧增加的主要原因[13-15]。

（二）土地利用结构优化成为“减排增汇”的重要手段

土地是人类活动的载体，经济建设、产业布局与能源消费等人类活动都通过土地利用的类型转换和结构调整来引起或者体现[16]，优化土地利用结构同时具有减排增汇两重作用。在减碳排方面，顾朝林[17]、沈清基[18]，陈飞[19]等均认为土地集约利用与城市紧凑发展是低碳城市发展的重要对策之一；阿依吐尔逊·沙木西等研究了土地利用变化二氧化碳的碳排放强度时空演变规律并指出，低碳城市建设的重要路径之一是土地利用碳排放监督核算体系的建立[20]。在增碳汇方面，Lal认为科学合理的土地利用和管理方式可以重新固定大约 60%～70%已耗损的碳[21]；郑永超等选取宁夏为研究对象，对其16年间土地利用的碳排放效应动态变化情况展开分析，发现森林和牧草覆盖率的提高能够极大地增强碳吸收的能力[22]。综上，土地利用结构优化已经被广泛认为是 “减排增汇”的重要手段之一。

（三）“碳中和”目标对土地集约利用评价提出更高要求

土地利用对于“碳中和”目标既是阻碍也是切入点，两者具有强关联性[23]，如果能够从“碳中和”目标出发，深入研究土地集约利用度动态变化和其内部机制，针对当前国土空间格局现状提出具体的结构优化策略，从而形成一种低碳集约的国土空间组织体系，对于城市碳中和的实现大有裨益。显然，在碳中和目标下，传统的对于某一时间截面土地集约利用的单一评价，因为不能很好地揭示人类与土地利用的相互作用关系和影响机理，已经不能满足当前研究与实践工作开展的需要，亟需借助更复杂的模型构建更为系统全面的研究框架。

事实上，由欧洲环境署提出的、基于因果关系的DPSIR（驱动力—压力—状态—影响—响应）模型已被广泛应用于生态安全时序评估[24]、生态补偿效果评价[25]、城市低碳发展水平评价[26]、水资源承载力评价[27]等领域，对于人与环境相互作用的系统性分析呈现出较好效果。近年来，李进涛[28]、苑昊[29]、薛展鸿[30]等学者相继在土地集约利用评价中引入DPSIR模型，把对于土地集约利用有重要影响的指标划分为DPSIR的五个维度，模型能够很好地揭示区域环境变化和社会经济活动的相互作用关系。以上研究为本文奠定了基础。

二 研究区概况

西安市地处于关中盆地，南依秦岭，北临渭河，是地理上我国南北方的重要分界。西安是关中平原城市群的核心城市和丝绸之路起点城市，同时也是实施内陆开放的重要窗口城市之一。

2009—2019年年间，西安市建设用地面积增长为原来的2.6倍，GDP总量增长为原来的3.4倍，

常住人口超过千万人（图1），城市综合实力实现新跨越，城市战略地位和影响力稳步提升。

图1 2009—2019年西安市经济社会指标变化

2021年7月，“碳达峰，碳中和”高峰论坛在西安市举行，发布报告《奔向零碳：西安国际化大都市发展蓝皮书》，在国际化大都市综合评价中，西安第一次进入前十名单，但从分项指标来看，西安的环境承载力仍有待提升。回顾西安市2009—2019年年间经济发展与城市化进程，由于城市规模空间扩张、产业结构调整带来的土地利用格局变化对整个区域的生态碳排放产生了巨大影响[31-33]。为了推动西安市生态文明建设与高质量发展，保障城市未来发展的国土资源基础，构建碳中和目标下的国土空间组织体系、促进土地低碳集约利用势在必行。

三 研究方法

（一）DPSIR模型

PSR模型（压力Pressures—状态State—响应Responses）忽略了人类在追求发展过程中可以采取措施来适应和改善环境，DPSIR模型（驱动力Driving forces—压力Pressures—状态State—影响Impacts—响应Responses）则由PSR模型演化而来，其具有更好的适应性、更强的系统性、更高的灵活性、简单容易操作等特点[34]。基于DPSIR模型的指标体系构建框架本质上体现“经济社会发展—城市规模扩张与生态环境损害—人居环境质量变差—环境对人的生活生产行为产生影响—政府相关部门对此做出反馈”过程中人与环境相互作用的关系，能够合理地涵盖影响土地低碳集约利用的各项要素，可以解释碳中和目标下复杂的城市土地集约利用内部机制。

（二）评价指标体系构建

从“碳中和”目标出发，经济发展、城镇化进程推进和产业结构调整等驱动力（D）推动土地利用结构发生变化，造成能源碳排放等压力（P），进而城市呈现出人口密度大、人居环境欠佳等状态（S），对空气治理和生态系统状况等造成影响(I)，政府相关部门做出发展低碳经济、碳排放管控、生态修复等科学响应(R)（图2）。

图2 碳中和目标下的DPSIR模型

基于上述对碳中和目标下的DPSIR模型解析，本文从西安市社会经济发展状况的实际出发，充分参考西安市土地利用现状，以低碳理念为指导，研判土地低碳集约利用的影响因子，考虑数据的可获取性，从驱动力、压力、状态、影响以及响应五个层面，选取城市化率、地均碳排放量、建成区人口密度、空气质量优良天数、地均环保投入等15个指标（表1）。

表1 土地低碳集约利用评价指标体系及权重

（三）数据来源及其处理

1.数据来源

数据主要来源于2010—2020年的《中国城市统计年鉴》《陕西省统计年鉴》和《西安市统计年鉴》，以及西安市国民经济和社会发展统计公报与其他相关部门资料，有部分数据依据上述原始数据通过一定计算获取。

2.数据标准化处理

由于各指标的计量单位不统一，在用其计算综合指标之前必须进行归一化，即把指标的绝对值转化为相对值，以解决各项不同质指标值的同质化问题。

由于正负向指标数值代表的含义有所不同，因此需要对正负向指标xij进行数据标准化处理时采用不同的算法[35]：

标准化后的数据仍记为xij。

3.熵权法确定指标权重

权重的确定是指标能否有效发挥作用的关键，与AHP层次分析法等主观赋权法不同，以信息熵确定权重的熵权法更为客观，对于机理复杂、影响因子众多的土地利用问题更为适用，本研究中指标权重的确定则选用了熵权法，具体做法如下：

计算第i个样本的第j项指标值占该指标的比重pij：

4.土地低碳集约利用综合指数计算

计算各样本的综合得分sj：

其中，xij为归一化之后的数据。

5.DPSIR模型协调度计算

城市土地低碳集约利用是一个动态变化的过程，建立协调度函数可用于评价驱动力、压力、状态、影响、响应五个准则层之间相互协调的程度和土地利用水平的关系。其公式为：

式中：CI为协调度指数；S1、S2、S3、S4、S5分别为 D、P、S、I、R 准则层得分，当五个准则层分值越相近值越小，表明DPSIR各准则层间协调度越高。

四 研究结果

（一）西安市土地低碳集约程度变化阶段划分

通过对驱动力、压力、状态、影响与响应五个维度及其形成的综合系统指数展开计算，得到低碳视角下西安市2009—2019年土地集约利用程度的动态变化情况（图3）。

图3 2009—2019年西安市土地集约利用程度动态变化情况

研究发现，可以通过四个时间段的划分来概括2009—2019年年间西安市土地低碳集约利用程度的变化特征：第一阶段：2010年以前。压力与状态伴随着驱动力的增加缓缓上升，但是因为缺乏科学有效的响应，从而造成了土地集约利用程度的明显下降。第二阶段：2010—2012年。驱动力增长速度加快，状态指数直线上升，但得益于持续增长的有效响应，影响指数呈阶梯式下降，土地集约利用程度有所上升。第三阶段：2013—2016年。驱动力增长速度再次加快，压力与状态指数持续性上升，同时响应指数也持续增加，影响指数再次呈阶梯式下降，土地集约利用程度稳定增加。第四阶段：2016年以后。驱动力增长速度有所减缓，但压力与状态指数仍然保持之前的速度增长，响应指数持续增加，影响指数趋于稳定，土地集约利用程度显著提升。

（二）关键时点的土地集约利用机制分析

2010年是 “十一五”规划实施的最后一年，也是落实《关中—天水经济区发展规划》，加快大西安建设的起步之年。五年来，全市生产总值、工业增加值分别增加至原来的2.47倍和2.4倍，建成区面积新增为16 000 km2，对30处棚户区和120个城中村进行拆除，一共安置了14万余人，城市建设与经济发展取得长足进步，但对于土地集约节约利用显然缺乏足够的重视，2010年西安市土地集约利用综合指数为2009—2019年年间最低值。

2011年是“十二五”规划实施的第一年，《西安市国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》明确提出，要把城市的规划建设、秦岭的保护利用、八水的恢复治理视为一个相互作用的整体来推动，着力推进西安市生态建设，规划期内二氧化碳排放量的下降度达到13%。同年，西安市自然资源和规划局印发《西安市土地整治规划（2011—2020）》，明确提出要对城乡建设用地与土地生态环境进行彻底整治，对于城乡建设用地地空间布局着力展开优化，充分盘活市域存量的建设用地。得益于以上两大政策的战略指引，西安市2010—2013年年间影响指数明显下降，西安市土地的低碳集约利用水平得到显著的提升。

2013年西安市全年共完成生产总值4 880亿元，综合经济实力进一步提升，提前两年完成了“十二五”规划设定的目标，工业水平稳步提升，全年共完成工业投资约870亿元，增长50%，旅游业取得长足进步，全年接待海内外游客人次第一次破亿。经济发展、人口增长、产业结构变革的同时带来严重的环境污染、交通拥堵等民生问题。从数据上来看，2013年也是2010—2019年十年间唯一一次土地低碳集约综合指数有所下降的年份。

2013年8月，西安市人民政府印发《关于进一步推进土地集约利用的通知》，积极贯彻中央“关于实施节约优先战略、建立最严格的节约用地制度”的决定。2014年9月，西安市国土资源部印发《关于推进土地节约集约利用的指导意见》，以土地粗放利用问题的解决为重点，进一步通过转变土地利用等方式倒逼经济发展方式革新。此外，在减碳增汇方面，西安市政府于2013—2014年依次印发了《西安市秦岭生态环境保护条例》《西安森林城市建设总体规划》《西安市绿色建筑行动实施意见》。针对西安市土地低碳集约面临的严峻挑战，以上科学响应保障了“驱动力持续增加，但负面影响减小，低碳集约水平稳步提升”的良好局面。

2016年是“十三五”规划实施的第一年，西安市明确新目标——“加快迈向‘GDP万亿俱乐部’”。一方面，两孩政策全面落实，人才引进战略大力实施，人口数量激增的同时为城市治理水平提出挑战，交通堵塞、大气环境污染等诸多“城市病”日益突出。从数据上来看，2016年也是西安市十年间土地低碳集约利用的压力系统、状态系统两项指标增速最快的一年。另一方面，西安市政府相关部门也已提前做出诸多科学响应，《西安市国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》提出牢固树立“紧凑发展，精明增长”的发展理念。印发《西安市土地利用总体规划（2006—2020 年）调整完善方案》，着重优化市域土地利用空间结构与总体布局。随后《西安市新型城镇化规划》《西安市湿地保护条例》《西安市加快绿色交通城市发展的指导意见》《陕西省“十三五”生态环境保护规划》《陕西省秦岭生态环境保护条例》政策文件相继印发，稳步推进了秦岭生态环境保护、“长安八水治理修复”、城市生态廊道建设等一系列重大生态治理项目，人口增长对土地低碳集约利用带来的严峻挑战得到有效应对，土地综合集约水平稳步提升。

（三）DPSIR模型系统协调度分析

DPSIR模型框架五个维度的指标之间存在着相互依存又彼此制约的关系，可以通过各指标体系之间相关性的分析来反映DPSIR模型内部的协调程度。表2反映了西安市土地低碳集约利用模型系统协调性的总体情况，其中，驱动力系统和压力系统、状态系统均存在正相关关系，但是影响系统和其他系统之间都是负相关的关系，压力系统与状态系统呈现显著正相关。这一方面揭示了驱动力系统影响土地低碳集约利用水平的作用机制，体现了以往经济水平发展、城镇化水平提升、产业结构变革等引起的不合理土地利用结构对城市环境产生的负面影响；另一方面，响应系统与其他系统间均表现出较低的相关性，反映出西安市土地集约利用系统内部协调性仍有待提高。

表2 DPSIR模型各指标体系之间的Pearson相关系数

对DPSIR模型的协调度指数CI的动态变化情况做进一步分析，结果如图4。发现西安市2009—2019年年间西安市土地低碳集约利用DPSIR模型CI指数变化情况如下：2009年CI指数先下降，2010年开始稳步上升，2014年达到峰值随后进入下降状态，自2016年开始表现出上下小幅波动的平衡态，但其协调度较之2014年则有所减小，整体变化情况与土地集约综合水平的阶段划分呈现出一致性。

图4 西安市DPSIR模型CI指数动态变化情况

五 结论与建议

本文从碳循环和土地利用之间关系的分析入手，初步构建了碳中和目标下的城市土地集约利用评价框架，基于DPSIR模型建立了符合低碳理念的土地集约利用评价指标体系，对2009—2019年西安市土地低碳集约程度变化阶段进行划分，并对关键时点的土地集约利用机制和DPSIR模型系统协调度动态变化情况进行分析，得出结论与建议如下：

（1）土地利用之于碳中和是一把“双刃剑”，城市碳中和目标对土地集约利用评价的实施提出了更高要求，DPSIR模型的引入有助于揭示城市土地集约利用的机制与动态变化情况，对于指导土地利用结构与布局优化、构建低碳国土空间组织体系大有裨益。

（2）通过阶段划分与关键时点土地集约利用机制分析发现：及时、科学、有效的响应可以有效改善驱动系统对城市环境造成的负面影响，能够适时地提高城市土地低碳集约利用水平。未来应做好土地低碳集约利用的动态监测工作，以国土空间优化为重要抓手的“碳中和”战略顶层设计。

（3）2009—2019年年间西安市的土地低碳集约利用水平整体上呈上升态势，但其DPSIR模型的系统协调度并未处于最佳状态，应予以重视。未来应从“整体集约”向“系统协调”迈进，加强土地碳排放核算系统与规划技术集成研究，以土地集约利用机制与变化态势研究为基础，逐步探索构建城市减碳单元，形成系统性的减碳方案。