生态脆弱区城市生态用地碳效应时空演变研究

纪欣卓 蔺康莉 张 宇

（1.长安大学土地工程学院，陕西 西安 710054；2.长安大学地球科学与资源学院，陕西 西安 710054）

0 引言

近年来，碳平衡、碳中和问题日益成为全球变化科学研究中的热点问题［1］。随着我国城镇化和工业化水平的不断提高，大量的林地、耕地及水域等被开发为建设用地，碳汇功能退化，导致碳排放总量和速度不断攀升［2］。生态用地能够反映一个地区生态环境的质量，具有防风固沙、调节局部气候、保护生物多样性等功能［3］。随着我国工业化、城镇化进程的持续推进，土地利用强度不断加大，在建设用地挤占生态用地的压力下，大量重要生态用地被开发占用，占国土面积60%的生态脆弱区的生态用地现状及内部结构特征已成为社会各界关注的焦点［4］。如何保障生态脆弱区城市生态用地的合理配置及其碳汇能力的发挥成为当前亟待解决的问题。

研究不同区域范围内土地利用变化和碳排放之间的关系，已成为国内外相关领域学者研究的热点［5～7］。Koerner［8］等以美国凤凰城为研究区，对干旱城市环境下CO2人为排放源和自然源展开了研究；Ali［9］等以巴基斯坦拉合尔都市区为例，评估了碳排放、能源利用及土地利用变化三者之间的内在关系。我国关于土地利用变化的碳效应研究重点多集中于土地利用碳排放强度时空变化、影响因素及效率等方面［10～12］。综观已有研究成果，国内外有关研究大多侧重于不同土地利用类型的碳排放量测算及分析其时序变化，对生态脆弱区的城市生态用地碳排放效应的时空变化研究相对较少，且从生态脆弱区典型县域尺度对生态用地演变及其碳汇效应进行深入探讨的研究并不多见。

本研究以榆林市为例，研究其2000—2020 年该区域生态用地的变化趋势及其碳汇效应的时空变化特征，以期为当地政府部门制定生态安全条件下的土地利用规划提供科学参考，为生态用地的保护和利用提供研究思路。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

榆林市位于陕西省最北部，地处黄土高原和毛乌素沙地过渡带，是全国生态环境建设和国家退耕还林还草重点地区，下辖2个市辖区、9个县，代管1个县级市。地貌大体以长城为界，北部为风沙草滩区，占全市总面积的42%，该区地势较为平坦，海拔较高，地表多为流动和半固定沙地；南部为黄土丘陵沟壑区，占全市总面积的58%，该区相对高差较大，山大沟深，石多土薄，水土流失严重，榆林市位置如图1所示。作为典型的农牧业交错带，加之区域内大规模地开采煤炭和天然气，使其成为农牧和工矿区的过渡地带。多重特性的综合作用，使得榆林市的生态环境具有波动性、多样性和脆弱性。生态用地的变化直接影响着当地生态环境的稳定性和碳循环。

图1 榆林市位置示意

1.2 数据来源与处理

本研究数据来源包括土地利用数据和社会经济数据两类，分别通过以下方式获得：榆林市2000、2005、2010、2015、2020年的土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn）；社会经济数据主要来自《陕西省统计年鉴（2000—2018）》《榆林市统计年鉴（2000—2018）》及历届国民经济和社会发展统计公报、政府工作报告等相关资料。

2 研究方法

2.1 碳排放模型

本研究通过分析生态用地的碳排放效应，涉及耕地、林地、草地、水域和未利用地的碳排放与碳吸收，计算不同生态用地的碳排放量。包括耕地为主要碳源用地，产生碳排放；林地、草地、水域和未利用地为碳汇用地，产生碳吸收。借鉴已有研究成果，本研究选取直接碳排放模型对生态用地碳排放进行测算。其计算公式为式（1）。

式中：Ec为碳汇量，ei为第i种土地利用类型产生的碳汇量；Ci为第i种生态用地类型（耕地、林地、草地、水域、未利用地）面积，δi为第i种土地利用类型的碳汇系数。其中直接碳排放系数见表1。

表1 榆林市不同类型生态用地碳排放系数

2.2 碳足迹压力指数

本研究通过碳足迹压力指数来间接反映人类社会和经济活动对区域生态系统的影响，主要表示为生态用地碳源与碳汇之比。其计算公式为式（2）。

式中：Cp为碳足迹压力指数；Eout为不同生态用地类型产生的碳源，Ein为不同生态用地类型产生的碳汇。

2.3 碳排放风险指数

为更清楚地剖析生态用地变化产生的碳排放风险，本研究以碳排放风险指数为测度方法进行量化。其计算公式为式（3）。

式中：Rc表示碳排放风险指数，Ci表示第i种生态用地类型面积，C表示区域土地总面积，δi表示第i种生态用地类型碳排放系数。

2.4 热点分析指数

本研究引入指数用于识别和测度不同空间区域的热点区及冷点区的分布，以揭示要素空间分布的异质性特征。计算公式为式（4）。

式中：Xi、Xj分别为评价区域i和j的属性值；Wij为空间权重矩阵（相邻为1，不相邻为0）。若显著为正，即表明i周围值高于均值，为热点区；反之为冷点区。

3 结果与分析

3.1 生态用地碳排放效应时间变化分析

通过对榆林市各年份耕地的碳排放量及林地、草地、水域和未利用地等地类的碳吸收量进行估算，汇总2000—2020 年榆林市土地利用净碳排放量（见表2）。榆林市生态用地净碳排放总体呈下降趋势，由2000 年的637 028 t 减少到2020 年的572 875 t，其中碳源减少了41 899 t，年均减少2 094.95 t，碳汇增加了22 254 t。耕地对碳源减少的贡献最大，林地对碳汇的增加贡献最大，其次是草地，水域最小。20 年间，林地碳汇历年占比均在总碳汇的60%以上。2000—2020 年，榆林市生态用地净碳排放量及碳源总量不断减少，碳汇能力逐渐增加，促使榆林市碳排放风险指数和碳足迹压力指数同时呈下降趋势。碳足迹压力指数从2000年的4.310 2 下降到2020 年的3.668 3；碳排放风险指数由2000 年的0.149 1 下降到2020 年的0.137 1，榆林市生态用地整体碳排放量大于碳汇量，处于不平衡状态，2000—2010年碳足迹压力指数和碳排放风险指数均有所下降，2010—2020年碳足迹压力指数和碳排放风险指数上升，这表明2010 年后榆林市生态用地变化剧烈，碳汇用地缩小，碳净排放量不断增加，面临的生态压力挑战形势严峻。

表2 榆林市2000—2020年不同生态用地碳排放效应单位：t/t

3.2 生态用地碳排放效应空间变化分析

3.2.1 空间总体格局分析。从榆林市碳排放强度空间分布变化来看（见图2），2000—2020 年，榆林市生态用地的碳排放强度呈现差异化分布的空间格局。榆林市镇域生态用地碳源大致呈现“南高北低”格局，碳源高值区域主要集中于榆林市的黄土丘陵沟壑区，而碳汇高值区域主要集中在长城以北的风沙草滩区，定边县和靖边县的碳源和碳汇高值与低值区域相间分布。

图2 榆林市2000—2020年碳排放强度分布

整体上看，以古长城为界，将榆林市分成风沙草滩区和黄土丘陵沟壑区两部分，可以发现2000—2020年风沙草滩区的碳汇用地呈扩张趋势，而黄土丘陵沟壑区的碳源用地则呈萎缩趋势。以神木市、榆阳区为主的北部地市生态用地碳汇强度变化普遍高于南部区县，原因是榆林市北部生态用地变化主要集中在林地和草地，且具有较为集中的特点，其较强碳汇能力在碳排放强度变化中呈现一定的优势。以米脂县、佳县、绥德县、子洲县等为主的黄土丘陵沟壑区具有较高的碳排放强度，原因是南部的耕地具有较强的稳定性，变化程度较低。

3.2.2 空间分异特征分析。从标准差椭圆方法揭示的空间分异格局来看（见图3），榆林市碳源和碳汇整体以西南-东北的方向为主导，空间分布中心整体向西南移动。

图3 榆林市2000—2020年碳排放强度变化离散趋势

在分异形状上，2000—2020年空间分布标准差椭圆总体呈现出两阶段的规律，2000—2010 年，碳源空间分布标准差椭圆短轴与长轴的比重呈现出减小的趋势，碳汇空间分布标准差椭圆短轴与长轴的比重呈现出增长的趋势；2010—2020 年，碳源和碳汇均基本上保持不变。总体来看，西南部地区对榆林市碳源空间格局的影响作用加强，东北部地区对榆林市碳汇空间格局的影响作用加强。

3.2.3 空间聚集分析

通过对2000—2020 年榆林市生态用地碳排放变化进行热点分析（见图4），可以发现榆林市生态用地碳排放变化具有较强的地域差异性，神木市是变化的最大热点区，碳源和碳汇强度都发生剧烈变化，除此之外，横山区和定边县的部分地区也都是碳源强度变化的热点地区，而佳县、榆阳区和绥德县的部分地区也都是碳汇强度变化的热点地区；子洲县、清涧县和靖边县的部分地区为碳源强度变化的冷点区域，而府谷县、定边县和靖边县的部分地区为碳汇强度变化的冷点区域。从冷热点的空间分布变化看，榆林市县域碳排放变化的冷热点空间分布集聚程度呈现波动稳定的特征。热点区域生态用地碳排放强度变化的图斑较为集中，而冷点地区变化的图斑相对分散。其原因在于，相较于北部区县，榆林市南部自然地貌以山地、丘陵为主，因此其建设用地扩张呈现分散态势，在生态用地变化过程中，进一步影响林地、草地等碳汇用地的分布，碳汇用地呈现分散状态。

图4 榆林市2000—2020年碳排放变化冷热点分布

4 结论

本研究旨在探讨2000—2020 年榆林市由于生态用地变化引起的碳排放效应，通过碳排放模型、碳足迹压力指数、碳排放风险指数等多个角度进行分析，结论如下。

①榆林市生态用地净碳排放总体趋势呈下降状态，由2000年的637 028 t减少到2020年的572 875 t，其中碳源减少了41 899 t，碳汇增加了22 254 t。2000—2020 年碳足迹压力指数由4.310 2 下降至3.668 3；碳排放风险指数由0.149 1下降到0.137 1。

②在榆林市20 年生态用地的变化期间，碳排放强度呈现出明显的空间变异性。整体碳排放风险指数和碳足迹压力指数同时呈下降趋势，各区县碳排放风险指数和碳足迹压力指数因经济社会发展条件不同而存在一定的差异性。从空间尺度上看，榆林市的碳源和碳汇分布格局具有南部强碳源和北部强碳汇的特征，空间分布与碳净排放量一致。

③从2000—2020 年榆林市生态用地碳排放强度变化的空间分异和空间聚集格局来看，碳汇用地分布中心整体向东南移动，碳源用地分布中心整体向西北移动，榆林市县域碳源碳汇变化热点区域的图斑较为集中，而冷点地区变化的图斑相对分散。