碳中和导向下基于InVEST模型的城市生态空间系统评价研究
2023-04-29郭茹邵光辉刘林京曹晓静贾海峰
郭茹 邵光辉 刘林京 曹晓静 贾海峰
关键词：土地利用；生态空间；碳中和；空间分析；元胞自动机
中图分类号：X820 文献标志码：B
Key words：land use; ecological space; carbon neutrality; spatial analysis; cellular automata空间。中国2020年提出“争取在2060年前实现碳中和”，对未来生态碳汇能力和水平形成了刚性约束，而生态空间则是生态系统碳汇能力和水平的物理承载。面向碳中和目标的生态空间管控是一个涉及生态、经济和社会系统多元协同的复杂工程，面临诸多挑战。一是对微观尺度下生态空间管控单元的精细化研究不足，尤其是对不同尺度管控单元划定科学性与管控有效性的评价分析；二是目前生态空间管控单元主要依据其历史和现状情况进行评估、分级与划定，未充分考虑土地演化对其长远影响，难以应对未来土地利用变化所造成的生态安全风险；三是对生态碳汇能力与水平的有效评估亟待加强。
针对当前管控要求与未来需要，研究利用Arc-GIS技术，建立了基于InVEST模型的生态空间系统评价方法，对城市生态空间的数量、格局与品质进行综合性评估，以期为碳中和导向下的生态空间规划与管控提供参考基准和定量分析工具，为上海乃至全国开展基于生态空间科学管控的气候变化应对提供借鉴。
2研究方法与研究区域
2.1城市生态空间系统评价方法
研究面向国家碳中和战略目标，提出了一种融合了城市生态空间数量、格局和碳汇水平的系统评价方法。通过土地利用转移矩阵识别城市生态空间数量变化水平，采用景观水平指数评估生态空间变化的空间格局特征，同时基于InVEST模型開展了生态空间碳汇水平评估。
2.1.1生态空间数量评价方法
研究从静态和动态两个角度分析了生态空间数量变化。静态方面，统计了不同年份各类土地的绝对数量与比例，明确了土地利用演化整体趋势；动态方面，利用土地利用转移矩阵，明确了土地利用演化的具体类型。
2.1.2生态空间格局评价方法
景观指数是生态空间景观格局分析的重要方法之一，可表征景观的破碎化程度以及连通性、稳定性等特征。为了定量识别城市生态空间格局破碎化趋势和复杂性程度，研究采用景观指数法评估生态空间变化的空间格局特征，包括边缘密度、面积加权平均斑块分维数和景观聚合度指数。
式（4）中，Ctotal、Cabove、Cbelow、Csoil和Cdead分别代表研究区域内的总碳汇量、地上生物碳汇量、地下生物碳汇量、土壤有机质碳汇量，死亡有机质碳汇量，单位均为tC。
研究采用不同生态空间类型碳密度法对碳汇能力进行估算。碳密度指单位面积生态空间中的碳汇量，单位为tC·ha-1。
2.2数据来源
研究采用的土地利用数据来自中国自然资源部下辖国家基础地理信息中心全球地表覆盖30米分辨率遥感数据制图成果（GlobeLand30）。行政区划数据来自国家基础地理信息中心。DEM高程数据来自全球数字高程数据产品（ASTER GlobalDigital Elevation Model，ASTER GDEM）。路网数据来自中国城市规划设计研究院上海分院。其他数据来源于国家统计局网站、上海统计年鉴（2004年- 2020年）等。
3结果与讨论
3.1上海市生态空间数量演变
3.2上海市生态空间格局演变
如表1和图2所示，2000年-2020年上海市总体生态空间格局呈现破碎化发展，但破碎化程度逐渐降低。城镇开发边界从“摊大饼”式的无序扩张，转型为多样化、集中式发展，耕地面积显著减少，林
城镇化发展导致2000年-2020年上海市建设用地不断增加，耕地面积持续减少，但两者总量基本稳定在63万公顷左右。同时，林地、草地、湿地面积增长迅速，生态空间类型趋于多样，生态空间持续拓展。
分区域看（如图1所示），中心城区主要土地利用类型为建设用地，2000年-2020年，长宁区、普陀区、杨浦区建设用地有所增长，黄浦区与虹口区建设用地保持稳定，徐汇区与静安区建设用地有所减少。生态空间方面，至2020年，中心城区耕地面积已不足2公顷，林草地面积大幅提升，水体面积保持稳定。除崇明区外，其他区域耕地面积均逐年减少。
总体而言，2000年-2020年间，土地利用类型从“两分城市六分田”格局转变为“四分城市四分田”格局。其中，耕地面积减少，建设用地快速上升，水体面积略有下降，林地、草地、湿地等生态空间占比有所增加，“向海要地”速度放缓。从土地利用转化趋势来看，各地类稳定性由高到低排列依次为建设用地、水体和耕地、湿地、草地、林地。草地沿外环绿道及社区街道呈现“一环星布”式发展，水体湿地保持稳定。生态空间的分布与品质更加优化，但优势斑块的连通度有所下降，整体景观趋于破碎复杂，生态空间受到人类活动的影响更加显著，生态安全风险有所增加，保证其稳定性的维护运营成本显著提升。
建设用地方面，2000年-2010年，上海市建设用地扩张增速达51.50%，将大量耕地转化为城镇空间，建设用地景观分布更加破碎；2010年-2020年，上海市建设用地扩张速度放缓，仅增长15.27%。耕地方面，2000年-2010年，上海市耕地减少17.75%；2010年-2020年，上海市耕地减少15.54%，耕地向林地、草地、湿地转移明显，围垦造田速度略有下降，耕地空间布局逐步呈碎片化。林草地方面，2000年-2010年，上海市中心城区林草地有所减少，城市绿地主要依托森林公园建设；2010年-2020年，上海市中心城绿带建设成效显著，城市绿地服务能力显著提升。湿地方面，2000年-2010年，上海市湿地增长81.00%；2010年-2020年，上海湿地增长迅速放缓，增长仅3.56%。水体方面，2000年-2010年，上海市水体减少12.14%；2010年-2020年，上海市水体减少幅度缩小至2.27%，城市建成区内水体面积有所增加，与崇明区围垦导致水体减少形成对冲，水体总面积逐渐趋于平衡。
总体来看，上海市生态空间趋于破碎化发展，生态安全风险有所增加，维护运营成本显著提升。应加强生态空间综合管控，在生态禀赋良好的区域预留大型生态空间建设地块。立足本地水网密布的景观特征，因地制宜提升生态空间连通性。坚持保护优先，自然恢复为主的方针，加强自然湿地保护，通过减少不必要的人工干预降低运营维护成本。
3.3上海市生态空间碳汇水平演变
从碳汇总量来看，2000年-2020年上海市生态空间碳汇总体呈现减弱趋势，生态空间总体碳汇量减少6.22%。其中，2000年-2010年减少11.58%，2010年-2020年增长6.07%，生态空间碳汇量有所回升，生态品质退化趋势明显好转。
从生态空间类型来看（如图3所示），耕地碳汇是上海生态碳汇的主要形式。其中，2000年占比最高达93.85%，2020年占比下降至69.53%，占比明显下降；林草地碳汇能力迅速提升，两者之和从2000年的1.59%增加至2020年的21.37%水平，数量增长为12.59倍，填补了耕地面积下降导致的碳汇能力减少；湿地碳汇能力显著提升，2020年占比达到9.10%。2020年，上海市生态空间碳汇分布更加多元，结构更加优化，林草地与湿地碳汇量占比达到三分之一以上。
分区域来看，中心城区单位面积碳汇不及郊区，但波动幅度强于郊区，呈现明显的空间差异。2000年-2010年，除崇明区外上海市所有地区单位面积碳汇均有所下降。其中中心城区單位面积碳汇减少40.88%，郊区减少19.56%，中心城区降幅明显大于郊区。2010年-2020年，由于城市绿地建设加快发展，中心城区碳汇能力均有所增长。土地利用变化导致中心城区单位面积碳汇增长33.07%，郊区增长5.81%，中心城区增幅明显大于郊区。上海市单位面积碳汇有所降低，2000年-2010年减少13.53%，2010年-2020年增长5.81%，生态品质退化趋势有所减弱，碳汇降低速率减缓。
总体而言，上海市生态空间碳汇变化呈现较高的空间异质性，单位面积碳汇减少与耕地面积减少紧密相关，耕地作为半人工生态系统具有重要的碳汇价值，但这并不表示上海应当发展以耕地为主的碳汇结构。主要原因是耕地碳汇能力受生产方式影响显著，由于生产能源消耗、化肥农药施用以及不合理的耕作方式，容易导致耕地净碳汇为负值。因此，上海应当积极调整目前较为脆弱的生态碳汇结构，全方位提升生态碳汇能力。同时，加强湿地管理，严格管控入侵植物，利用高碳汇植被提升湿地碳汇水平。此外，可结合海绵城市建设，对中心城区商业建筑、交通设施与私人住宅，广泛开展节水型屋顶绿化、立面绿化、垂直绿化等立体绿化设施建设。
4结论
生态空间是实现可持续发展的基础，其安全正受到气候变化与快速城镇化的双重威胁。传统生态空间评价方法未充分考虑土地利用变化所造成的生态碳汇变化，对碳中和目标的影响机制仍不明确。研究以上海市为例，提出了碳中和导向下基于In-VEST模型的城市生态空间系统评价方法。结果显示，2000年-2020年，上海市耕地面积减少，建设用地快速上升，水体面积略有下降，林地、草地、湿地等生态空间占比有所增加。生态空间的分布与品质更加优化，但优势斑块的连通度有所下降。生态空间碳汇变化呈现较高的空间异质性。研究提出的系统评价方法对城市生态空间数量、格局与品质开展综合评估，可为碳中和导向下的生态空间规划与管控提供参考基准和定量分析工具。
