近20年武汉市土地利用碳排放时空演变分析

李嘉乐，胡红兵

（黄冈师范学院，湖北 黄冈 438000）

1 研究背景

碳排放是指温室气体的排放，是全球气候变暖的重要影响因素。自1992年通过《联合国气候变化框架公约》后，世界各国逐渐重视碳排放增长及其产生的影响，如何节约能源、减少碳排放、实现绿色低碳发展模式已成为全球的热点问题之一[1]。针对碳排放现状，习近平总书记在2020年9月第七十五届联合国大会中宣布，我国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现“碳中和”[2]。土地利用与人类生产生活紧密联系，在人为影响下，土地利用类型会随时间发生变化，同时也伴随着碳排放量的增加，其对大气中二氧化碳含量的影响仅次于人类燃烧化石燃料[3]。因此，对区域土地利用碳排放时空演变特征进行分析，有利于深入了解该区域碳排放影响机制，能为“碳达峰、碳中和”提出指导性建议，推动绿色低碳模式的发展。

自20世纪末以来，土地利用与碳排放问题在学术界引起了诸多关注，国内外研究学者在土地利用碳足迹、碳排放测算、碳排放效应、经济增长与碳排放关系等多方面展开了研究。例如，柳梅英等[4]采用CASA模型等对土地利用/覆被变化对植被碳储量的影响进行了研究；孙赫等[5]采用碳排放计算模型对中国31个省份1990—2008年土地利用碳排放强度进行了估算，以此分析了土地利用碳排放的时空演变规律；张俊峰等[6]从土地利用碳排放效应方面探讨武汉城市圈碳排放强度、幅度的时空差异，并运用LMDI（对数平均迪氏指数法）因素分解模型对研究区域碳排放影响因子进行了判定与分析；龚惠萍等[7]利用Tapio脱钩模型探究武汉市工业经济增长与碳排放的脱钩关系，在市域层面推动工业化低碳发展。总体而言，国内正逐渐将不同空间尺度的土地利用碳排放进行定量分析，并将其与区域经济发展的关系作进一步探讨，挖掘更多的区域碳排放影响因素。

武汉市作为湖北省省会和武汉城市圈中心城市，近20年来其土地利用发生了显著变化，同时碳排放量也迅速增长。因此，本文以武汉市为研究对象，估算武汉市2000年、2010年、2020年三期的碳吸收量、碳排放量、净碳排放量，从时间和空间两个方面对研究区土地利用碳排放状况进行分析，以此为土地利用规划的制定提供合理方案，最终为武汉市完成“双碳”任务提供参考，也为实施建设资源节约型环境友好型社会、绿色低碳可持续的发展模式提供参考借鉴。

2 研究区域与研究方法

2.1 区域概况与数据来源

2.1.1 区域概况

武汉市地理位置为北纬29°58′～31°22′，东经113°41′～115°05′，地处江汉平原东部，为西南至东北走向的长江及其支流汉江所贯穿，土地利用类型以耕地和水域为主。武汉市是湖北省的省会城市，历史文化悠久，经济实力雄厚，2020年经济总量达到15 616.06亿元，交通运输网密集，素有“九省通衢”之称，是长江经济带的重要战略地区，也是武汉城市圈的发展“主心骨”。

2.1.2 数据来源

本研究中的遥感数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所[8]，选取2000年、2010年、2020年湖北省的土地利用遥感监测数据，空间分辨率为30 m，利用ArcGIS 10.7.1软件对遥感图像进行镶嵌、裁剪、连接、栅格转面、几何计算等操作，最终得到武汉市3个年份的土地利用类型现状图。

本研究中使用的社会经济数据包括GDP总值、人均GDP，能源消耗数据包括煤炭、洗精煤、焦炭、原油、燃料油、汽油、柴油、煤油、炼厂干气、液化石油气、焦炉煤气。社会经济数据和能源消耗数据来源于2000年、2010年、2020年《武汉市国民经济和社会发展统计公报》《武汉统计年鉴》《中国能源统计年鉴》。各能源折算标准煤系数和碳排放系数主要参考《中国能源统计年鉴》和《IPCC 2006年国家温室气体清单指南》[9]。

2.2 研究方法

2.2.1 IPCC土地利用碳排放系数法

IPCC土地利用碳排放系数法是基于《IPCC 2006年国家温室气体清单指南》中碳排放系数的测算方法，对土地利用类型中的耕地、林地、草地、水域和未利用地采取直接碳排放系数法，对建设用地采取间接碳排放系数法，最终综合估算出区域内土地利用碳排放量[10]。其中，非建设用地的碳排放系数参考其他文献研究成果[11-15]。计算公式如下。

（1）直接碳排放系数法公式如式（1）所示。

式中：SC——非建设用地土地利用总碳排放（吸收）量，万t；Ai——第i种非建设用地土地利用类型碳排放（吸收）量，万t；αi——第i种非建设用地土地利用类型面积，hm2；δi——第i种土地利用类型碳排放系数，t/hm2。土地利用碳排放（吸收）系数如表1所示。

表1 土地利用碳排放（吸收）系数

（2）间接碳排放系数法如式（2）所示。

式中：IC——建设用地总碳排放量，万t；Bj——第j种能源类型碳排放量，万t；βj——第j种能源类型消耗量，万t；mj——第j种能源类型折标准煤系数（kgce/kg）；nj——第j种能源类型碳排放系数（kg CO2/kg或kg CO2/m3）。各能源类型折算标准煤系数和碳排放系数如表2所示。

表2 各能源类型折算标准煤系数和碳排放系数

2.2.2 单一土地利用动态度

单一土地利用动态度表示一定研究区域和研究期内某一种土地利用类型面积的变化状况[16]，可以反映该区域各土地利用类型随时间推移的变化幅度。计算公式如式（3）所示。

式中：Ki——第i种土地利用类型动态度，%；Hia——第i种土地利用类型于研究基期的面积，hm2；Hib——第i种土地利用类型于研究末期的面积，hm2；T——研究基期与末期的时间间隔。

2.2.3 碳排放强度

碳排放强度是指研究区域内单位国内生产总值所排放的二氧化碳的量[17]，可以反映该区域经济发展与碳排放的关系，对该区域低碳发展模式加以评估，计算公式如式（4）所示。

式中：CEI——研究区域碳排放强度，t/万；CEM——研究区域碳排放总量，t；GDP——研究区域国内生产总值，万元。

2.2.4 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵来源于系统分析学，将土地利用变化类型中转移的面积以矩阵或表格的形式表示[18]，可以反映研究区域内各土地利用自研究初期至研究末期在数量结构与方向中的变化特征。数学表达式如式（5）所示。

式中：S——土地利用类型面积，hm2；i——研究初期的土地利用类型；j——研究末期的土地利用类型；n——土地利用类型数。

2.2.5 土地利用碳排放效应估算方法

土地利用碳排放效应估算方法是一种用于计算研究区域内变换型[19]的土地利用变化引起的碳效应变化值的计算方法[20]，在本研究中用以估算2000—2020年武汉市土地利用碳效应变化值。计算公式如式（6）所示。

式中：CE——研究区域总碳效应，t；Sij——公式中第i种用地类型转移到第j种用地类型的面积，hm2；θij——第i种用地类型转移到第j种用地类型后的碳效应系数，t/hm2。

3 土地利用碳排放时空演变分析

3.1 时序演变分析

3.1.1 土地利用面积时序变化分析

2000—2020年武汉市土地利用类型碳排放趋势和土地利用类型占比情况分别如图1和图2所示。由图2可知，武汉市的耕地面积最大，水域面积次之，这两种土地利用类型在武汉市居于主要地位。草地与未利用地面积占比较小。从图3可以看出，2000—2020年的武汉市土地利用变化幅度较小，其中耕地面积减少最多，由2000年的523 820.61 hm2缩减至2020年的478 141.74 hm2，呈单调递减趋势；林地面积减少较多，由2000年的79 615.62 hm2缩减至2020年的78 278.31 hm2；草地与未利用地面积在2000—2020年分别共减少702.36 hm2和456.84 hm2，减少幅度缓和；水域面积呈现先增再减的趋势，最终增加到173 759.31 hm2，整体变化幅度较缓；建设用地面积大幅增加，由2000年的65 860.74 hm2扩大至2020年的114 002.1 hm2，呈递增态势。

图1 2000—2020年武汉市土地利用类型碳排放趋势

图2 2000—2020年武汉市土地利用类型占比情况

为了能更加清晰地展现武汉市2000—2020年中各类土地利用类型的变化情况，本研究根据2000—2020年武汉市各类土地利用面积，对武汉市土地利用动态度进行计算，整理结果如表3所示。2000—2020年间在武汉市总体土地利用类型中，建设用地面积的动态度最大（3.655%），动态度最小的土地利用类型为草地（-0.486%）。其中，2000—2010年、2010—2020年耕地、林地、草地、未利用地的土地利用动态度均为负值，而林地、草地、未利用地的土地利用动态度在2010—2020年有所回升，耕地的土地利用动态度在此期间继续减少；水域的土地利用动态度从正值变为负值，但总体来看仍为正值；建设用地在研究期内的动态度均为正值，且变化速率超过其他土地利用类型，这表明武汉市在研究期间城镇发展迅速，建设用地扩张速度快，这占用了部分耕地、草地等土地类型。

表3 2000—2020年武汉市土地利用动态度变化

3.1.2 土地利用碳排放时序变化分析

通过对武汉市2000年、2010年、2020年的遥感影像解译提取一级类土地利用面积数据，从《武汉统计年鉴》《湖北统计年鉴》等多方资料收集原煤、煤油、焦炉煤气等的能源消耗数据，并与IPCC碳排放系数法公式进行结合，计算得出武汉市各土地利用类型碳源、碳汇、净碳排放统计量及相应的统计趋势，结果分别如表4与图3所示。

表4 2000—2020武汉市土地利用类型碳排放情况(104 t)

图3 2000—2020年武汉市净碳排放量与增长速率变化

从碳源方面来看，武汉市的总碳源量在2000—2010年呈现出增加趋势，增加了约1238.17万t，而在2010—2020年表现出下降的趋势，减少了约254.11万t。其中，耕地碳排放量在研究期内呈下降趋势；建设用地碳排放量表现出先上升后下降的变化趋势，且增长速度快、下降速度较慢，与总碳源量、净碳排放量的波动变化趋于一致，在2010年达到峰值2708.19万t，并于2020年下降至2454.08万t。

从碳汇方面来看，总碳吸收量在研究期间呈逐步下降的趋势，由2000年的9.54万t下降至2020年的9.46万t。其中，林地在碳汇总量中的占比最大，达到了53.46%，其次是水域，约为46.34%，两者对武汉市碳吸收的贡献度最大，这是由于武汉市园林和林业局等部门对林地采取了有效管理措施，且武汉市地处长江和汉水的交汇处，水域面积广；草地、未利用地的碳吸收量变化幅度平缓，没有明显的起伏情况，在碳汇总量中的占比较小。

从整体来看，武汉市净碳排放量呈现先升后降的趋势，由2000年的1483.63万t上升至2010年的2720.95万t，最终下降至2020年的2465.75万t。由于研究期间建设用地碳排放量在净碳排放量中的占比较大，因此武汉市净碳排放量的变化趋势主要受建设用地碳排放变化影响，而碳汇量产生的影响较小。可见建设用地是武汉市土地利用碳排放的主要影响因素。

3.1.3 碳排放强度时序特征分析

为探究研究区低碳发展模式情况，明晰该区域经济与碳排放之间的关系，本文结合碳排放强度公式对武汉市2000年、2010年、2020年的GDP和碳排放总量进行计算，得到2000—2020年武汉市土地利用类型碳排放强度，所得结果如图4所示。结果表明，武汉市单位GDP碳排放由2000年的1.29 t/万元下降至2020年的0.16 t/万元，整体呈现递减趋势，且递减速率先快后慢。这说明了武汉市在经济迅速发展的同时，也在积极响应“双碳”号召，持续推进节能减排工作，实施力度不断加大，形成低碳发展模式。

图4 2000—2020年武汉市土地利用类型碳排放强度

3.2 空间格局分析

3.2.1 土地利用空间变化方向分析

利用ArcGIS 10.7.1软件中的融合、相交等工具对武汉市土地利用面积数据进行叠加分析，并运用Excel数据透视表功能进行整合，得到武汉市研究期内土地利用类型的转移矩阵。

2000—2020年武汉市各土地利用类型转移矩阵如表5所示，其中，草地的流出面积高于流入面积，表明草地面积随时间的推移而逐渐减少，且主要流出的土地类型为水域，约占草地总流出面积的38.20%，其次是建设用地，约占36.41%。耕地的流出面积远高于流入面积，且流出面积居于武汉市各土地利用类型的首位，其中建设用地是耕地的主要流向类型，约占耕地流出面积的78.75%。建设用地流入面积远高于流出面积，是武汉市流入面积最大的土地利用类型，且流入土地类型主要为耕地和水域。林地面积以流出为主，且流出主要对象为建设用地，其次是耕地，同时林地也主要由耕地转化而来，可以看出武汉市的耕地和林地在研究期间的双向转换相对频繁。水域的流入与流出面积的差值在各土地利用类型中最小（30.2 hm2），表明武汉市近20年中的水域面积变化较小，具有一定的稳定性。未利用地流出面积大于流入面积，主要流向水域和建设用地。

表5 2000—2020年武汉市土地利用类型转移矩阵 单位：hm2

总体来看，2000—2020年武汉市土地利用以流出为主，流出以耕地和水域为主，且在草地、耕地、林地、水域、未利用地的流出值中，建设用地均占据了较大的比例。

3.2.2 土地利用变化的碳效应分析

本文运用碳效应测算模型，结合已获取的武汉市土地利用面积、碳源碳汇系数值等数据，得到2000—2020年武汉市主要土地利用变化类型碳效应统计量，如表6所示。2000—2020年武汉市土地利用变化而引起的区域碳吸收增量远低于碳排放增量，两者相差9 381 221.81 t。其中，耕地转变为建设用地引起的碳源量变化影响最大，约占总碳源量变化的95.71%，其次是林地转变为建设用地。在碳汇量变化中，耕地转化为水域是引起碳汇量变化的重要影响因素，其产生的变化值约占总碳汇量变化值的75.35%，其次是耕地向林地的转变。

表6 2000—2020年武汉市主要土地利用变化类型引起的区域碳效应

建设用地是武汉市最大的碳排放来源，这与武汉市城镇扩张、能源消耗等因素有关；林地、水域是武汉市碳吸收能力最主要的土地利用类型，其他土地类型向林地、水域的转换均可产生一定的碳吸收效应。

4 结语

本研究基于2000—2020年武汉市各类土地利用数据和能源消耗数据，对土地利用碳排放量进行估算，并探讨了该地区碳排放时空演变特征，结合以上分析，得出以下结论：①武汉市碳排放量在2000—2020年呈先增后减的趋势，其中，建设用地面积增速最快且碳排放量占比最大，说明建设用地扩张、能源消耗是影响武汉市近20年来碳排放量增减的主要因素。因此，限制建设用地的过度扩张、开发与使用清洁能源、提高能源利用率、增加非煤炭型能源的使用率，从而削弱建设用地碳源能力，是武汉市实施节能减排计划的有效方式。②武汉市碳汇能力较强的土地利用类型依次为林地和水域，而林地面积逐渐减少，水域面积基本稳定，总体碳吸收量在研究期内逐渐减少，不利于武汉市土地利用碳汇能力的提升。结合土地利用碳效应分析，在不触碰耕地红线、保障第一产业可持续性发展的前提下，武汉市可实施退耕还林、退耕还湖等政策，合理减少林地和水域向建设用地的转换，同时增加建设用地内部植被覆盖度，充分利用植被固碳能力，进而有效提升碳汇能力，增加碳吸收量，促进土地利用低碳化，实现“碳中和、碳达峰”目标。③武汉市草地与未利用地面积较少，碳汇能力较弱，但仍可加以充分利用。草地应与水域保持同等重视，谨防草地退化现象发生；未利用地可用以缓解其他土地利用类型需求，提高土地资源利用率。④武汉市单位GDP碳排放量20年来呈明显下降趋势，说明武汉市低碳经济发展水平与过去相比有所好转，土地利用管理水平与方式有所成效，绿色低碳模式发展势头好。

在实证研究中，本文仍存在以下问题：①土地利用类型还可进一步细分。本文采取的是武汉市一级类土地利用数据，尚未涉及二级类土地利用。因此在以后的研究中可进一步对土地利用类型进行细分，提出更为具体的建议。②缺乏对土地利用碳排放与经济发展之间的深入研究。武汉市社会经济发展水平较高，若在之后的研究中利用相关理论与模型对武汉市土地利用碳排放与经济发展之间的关系进行深入探讨，则能够得到经济发展层面中武汉市土地利用碳排放的影响因素。③可进一步对土地利用碳排放进行模拟预测性研究。作为地理科学研究的一个细小方面，对某一区域土地利用碳排放的研究应当具备可预测性意义，因此，在后面的研究中可结合相关模型与指标对武汉市或其他区域土地利用碳排放进行模拟预测，提出更具指导性的结论与建议。