基于土地利用变化的珠三角“碳中和”时空发展格局研究
导读
土地利用变化是影响碳源/汇的重要因素，本研究采用土地利用动态度分析法及碳排放系数法分别核算分析珠三角地区2005-2018年土地利用变化情况及碳排放时空格局，结果表明：（1）2005-2018年，珠三角地区建设用地面积呈显著增长趋势，主要来源为林地及耕地，林地面积则较为稳定。（2）碳汇区主要分布在粤北地区肇庆市，其余碳源区的碳排放强度从珠三角东西“两翼”向珠江口两岸城市逐步增加。针对珠三角地区的碳源/汇格局，提出“一心、两翼、三循环”的碳中和发展格局，逐步建立跨区域碳补偿机制。同时，分类引导各类型城市转型与发展，从而构建低碳化的国土空间开发格局，以实现碳中和的发展目标。
本文字数：6842字
阅读时间：21分钟
作者 | 王玮，钟鸣，马焱
珠海市规划设计研究院
关键词
碳中和；土地利用变化；珠三角; 低碳化；碳汇格局
01
引 言
气候变化尤其是全球气候变暖是当今人类面临的严峻挑战，是国际社会公认的全球性的环境问题[1-2]。人类活动中消耗的化石燃料等其他能源消耗会产生的大量CO2，虽然不通过土地利用形式直接以碳排放体现，却是以土地利用为载体，是人类活动产生的直接结果[3]。在全球变暖的环境下，建立城市的低碳经济发展模式，是目前亟待解决的重要问题。全球碳项目(GCP)相关学者研究表明，土地利用变化排放的 CO2 是引起全球气候变化和温室效应的主要原因，而同时世界资源组织和碳循环相关专家研究发现，土地利用变化引起的碳排放占全部温室气体排放的近三分之一[4-5]。2020年底发布的《国民经济十四五规划》中明确提出，我国要在2030年前实现碳排放达峰，2060年前实现碳中和的目标，通过优化调整土地利用结构来降低碳排放，已成为实现社会经济可持续发展关注的热点。
目前，国内外学者对关于基于土地利用碳排放及土地利用结构的低碳优化研究已呈现逐年增长趋势，国外学者Campbell [6]等认为净碳排放量主要取决于土地利用以及人类活动引起的包含森林砍伐、农田利用及退耕还林等土地覆被的变化，其次是包括CO2浓度的持续增长及其他气候变化等自然影响过程。国内相关研究从国家、经济区、城市等多个尺度下对土地利用碳排放机理、碳排放核算、碳排放效应以及碳排放影响因素进行了研究[7-9]，葛全胜、戴君虎[10]等在2008年在国家尺度上采用历史文献资料重新构建的LUCC数据后发现，过去几百年间垦殖迅速扩张以及林地面积的迅速减少均对陆地生态系统碳循环产生了影响，刘学荣[11]、周勇[12]等分别从大区及城市尺度上通过碳排放系数法对东北地区、西安市基于土地利用变化的碳排放研究，发现东北地区及显示均面临较大的碳排放压力，同时对该地区的低碳化发展提出了相关政策和建议。
因此，本文在研究区上选取具有典型示范意义的珠三角地区，从土地利用动态度变化的视角下分析近13年来的土地利用变化，同时对珠三角地区的土地利用碳排放进行估算，进而在低碳经济的视角探讨土地利用的调整优化问题，并为珠三角低碳目标导向的国土空间规划开发和管制策略提供科学参考，对于促进低碳型国土空间开发格局、推动社会低碳发展具有重要意义。
02
研究区概况及数据来源
1
研究区概况
珠江三角洲地区包括广州市、深圳市、珠海市、中山市、惠州市、佛山市、东莞市、江门市及肇庆市九市，陆地面积约为41698km2，随着粤港澳大湾区的腹地经济战略的稳步推进，珠三角地区迎来新一轮的发展机遇。近年来，珠三角地区人口、GDP总量等社会经济指标均攀上历史高位。2005年-2018年间，珠三角地区常住人口从4315万人增至超过6300万人，GDP总量从18372.88亿元激增至80410.6亿元，同时城市建成区显著扩张。目前，珠三角地区正处于城市化快速发展的关键时期，研究其土地利用变化下碳中和时空发展格局具有较高的研究价值与现实意义。
图1 2018年珠三角土地利用图
2
数据来源
本研究中2005、2010、2015、2018年四期土地利用数据来源于中科院资源环境科学与数据中心，源数据是以各期Landsat TM/ETM遥感影像为主要数据源，同时通过人工目视解译生产，其土地利用分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6种主要类型。按照研究区行政边界裁剪后获得研究区范围内的土地利用图。
统计数据主要来源于珠三角地区2005-2018年广州市、深圳市、珠海市、佛山市、东莞市、惠州市、中山市、江门市及肇庆市九市的统计年鉴、IPCC《国家温室气体清单指南》（2006 年）提供的相关数据。同时本研究参考了《珠三角地区改革发展规划纲要2020年》以及能源碳排放机构研究报告提供的碳排放估算方法及相关资料等。
03
研究方法
1
土地利用变化动态度分析
单一的土地利用类型动态度主要是指在某一时期或某种地类上的数量变化，可直接表征土地利用变化的速度情况情况，其公式可表达为：
(1)
式中：K 为时间内单一土地利用类型动态度；T 为研究时间内时间间隔，单位为a；Sa为某土地类型于研究初期的面积；Sb为某土地类型于研究末期的面积。K为正值时表示研究期内土地面积呈增加趋势，动态度K为负值时表示研究期内土地面积呈减少趋势。
2
碳排放量估算
土地利用变化的碳排放主要与土地利用类型中的耕地、林地、草地以及建设用地等地类密切相关。而核算方法也可分为基于直接排放法和间接排放法，直接排放指用地类型（耕地、林地、草地、水域、未利用地）转换与维持而产生的排放量，间接排放（建设用地）则指该用地类型上人类活动所产生的排放量。
（1）直接排放法
针对耕地、林地、草地、水域、未利用地等五个农用地及未利用地类型，可直接采用直接排放法进行核算，采用的碳排放计算公式为：
（2）
式中：C为碳总排放量；S1为各个农用地及未利用地类型面积；E1为各农用地及未利用地类型的碳排放( 吸收) 系数，参考以往研究结果，按需求归纳出耕地、林地、草地碳排放系数（表1）。
表1 各类土地利用类型的碳排放系数
（2）间接排放法
建设用地上的碳排放量往往通过其利用过程中能源消耗的碳排放系数间接估算，根据《2006 年国家温室气体排放指南》中碳排放估算公式，可得出建设用地的碳排放核算方法[14]，其公式为：
（3）
式中：Ce为建设用地上的总的碳排放量；Bi为该能源的消耗量；Di为该能源的折煤系数；Ei为该能源的碳排放系数。本研究中选取的主要能源类型为煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油，即N取7。同时，各类能源的碳排放系数分别参考IPCC2006年发布的《国家温室气体排放清单指南》，标准煤折煤系数则参考于《中国能源统计年鉴》。
04
结果与分析
1
2005-2018年珠三角土地利用变化分析
（1）土地利用变化特征
通过统计2005-2018年土地利用数据可看出，珠三角地区土地利用类型以林地为主，耕地、建设用地次之，其余零星分布未利用地。2018年，珠三角林地面积约为29020.15km2，占珠三角总面积的53.75%，主要集中分布在肇庆市烂柯山-鼎湖山、江门市古兜山、惠州市象头山-罗浮山等绿色生态屏障区域[15]；建设用地主要集中分布在珠三角九市城区，2018年建设用地总面积为7834.85km2，占珠三角总面积的14.51%；耕地则主要集中分布在珠三角冲积平原地区，面积为12237.15km2，占珠三角总面积的22.67%，其余分布范围较广的为水体，面积为3795.45km2。
表2 2005-2018年珠三角土地利用变化情况统计表 单位：平方千米
选取与碳排放（吸收）相对较紧密的建设用地、林地与耕地分析其地类变化特征，从动态变化趋势来看，研究期内，耕地面积减少350.19km2，变化率为-2.78%，减少的区域主要分布在东莞市西北部横沥-大朗-大岭山镇片区、广州市中部及南部白云-番禺片区，佛山市东部南海片区、珠海市西部斗门-金湾片区、肇庆市东部四会片区，耕地面积减少的年份多为2010年以前（图2）；林地面积减少362.74km2，变化率为-2.78%，减少的区域主要为深圳市北部龙岗-龙华片区及东莞市东北部片区（图3）；建设用地面积增加776.68km2，变化率为11.0%，增长幅度明显，城市建成区范围显著增加，城市扩张区域主要集中在深圳市北部龙华-龙岗-坪山片区、东莞市大朗-东坑片区、广州市黄埔-番禺-南沙-白云片区、佛山市三水片区、肇庆市四会片区、江门市江海片区、中山市火炬开发区-港口镇片区及珠海市横琴-西部中心城区（图4）。
图2 2005-2018年年珠三角耕地减少区域分布图
图3 2005-2018年年珠三角林地减少区域分布图
图4 2005-2018年年珠三角建设用地增加区域分布图
（2）土地利用类型转换空间特征
从2005-2018年珠三角地区土地利用转换矩阵可看出，研究期内，珠三角地区耕地主要流入至建设用地，林地主要流入耕地及建设用地，流入建设用地的主要为耕地。其中，耕地中有9.19%的面积转入其他土地利用类型，转入面积较高的为建设用地，面积为604.57km2，其次为林地，面积为396.69km2，可看出耕地的减少与城市扩张有直接关联；林地中有3.47%的面积转入其它土地利用类型，面积较高的为耕地和建设用地，转入面积分别达到396.05km2和338.85km2；而流入至建设用地的地类则主要为耕地及林地，流入面积分别为604.54和338.85km2。
表3 2005-2018年珠三角土地利用变化转移矩阵 单位：平方千米
2
2005-2018年珠三角碳排放时空格局分析
（1）2005-2018年珠三角碳排放时序变化
基于2005-2018年土地利用数据，根据直接和间接两种碳排放核算方法，分别计算出珠三角地区9市各类用地的碳排放量和碳吸收量，以及碳源、碳汇总量以及净排放量等指标（表4）。由表4可看出，研究期内珠三角地区的碳排放总量呈显著增长态势，从2005年的27073.2万t迅速增长到了2018年的42045.1万t，碳吸收量则一直稳定在不足20000万吨的状态，而同时碳排放量有远大于碳吸收量，所以珠三角地区碳净排放量从从2005年的7088.9万t持续增长到了2018年的22504.7万t，整体仍为碳源状态。
表4 2005-2018年珠三角基于土地利用方式的碳排放（吸收）量 (单位：万t)
从各个土地利用类型上的碳排放（吸收）情况看，建设用地及耕地主要为碳源，林地则主要为碳汇。其中，2005-2018年建设用地碳排放量从21551.3万t增长到36881.1万t，增长率为71%，呈显著增加趋势、耕地碳排放量则从5521.9万t减少的5164.1万t；而林地碳吸收量则由19056.9万t降低至18689.0万t，其余草地、水体及未利用地的碳吸收量均存在不同程度的降低。
表5 2005-2018年珠三角基于土地利用方式的碳排放（吸收）量 (单位：万t)
（2）2005-2018年珠三角碳排放空间分布特征
从碳排放（吸收）总的空间分布格局上看（图5），以2018年为例，珠三角九市中，仅有肇庆市为碳汇区，其林地分布范围广，固碳能力相对较高，其余八市均与为碳源区，且碳源主要集中分布在广州、深圳及佛山等经济基础相对较好的珠三角核心区域，碳源的主要来源则为建设用地上的能源消耗。
其中，净碳排放量较多的地市主要为广州市、深圳市，分别为10139.53万t、7694.28万t，均超过5000万t，其次为佛山市、东莞市、珠海市及惠州市，净碳排放量均超过1000万t，净碳排放量较少的为江门市，仅有30万t，而肇庆市则整体呈现出碳汇状态，净碳排放量为-4991.19万t。从各地市净碳排放量柱状图构成可看出，碳排放的来源主要为建设用地上能源消耗造成，同时两地区碳排放量远高于碳吸收量，故整体呈现出碳源状态；肇庆市的碳吸收主要来源为分布较为广的林地的固碳，同时由于该市工业基础相对较弱，所以碳排放量远低于碳吸收量，形成了珠三角九市中唯一的地市碳汇的空间格局。
图5 2018年珠三角的碳排放（吸收）空间格局及地类
分别从各地市的碳源碳汇的空间分布格局上看（图6、图7），2005-2018年各地市的碳排放量变化情况呈现出显著分异，研究期内深圳市、惠州市、中山市的碳排放量持续增加状态，深圳市及惠州市碳排放量从2005年的4273.42万t和2463.51万t迅速增长到2018年的8198.1万t和5944.65万t，增长趋势明显。而珠海市、东莞市、佛山市、江门市则呈现先增加后减少的趋势分布，四市均在2010-2015年间达到研究其内的碳排放峰值；2005-2018年各地市的碳吸收情况则表现相对较为稳定，其中，固碳能力呈现出珠三角“两翼”高，中间地市低的特点。分城市分析可看出，仅有佛山市碳吸收量下降，其余八市均维持稳定的固碳格局。
图6 2005-2018年珠三角碳源空间格局及变化情况
图7 2005-2018年珠三角碳汇空间格局及变化情况
3
土地利用变化及社会经济因素对碳排放量的影响
碳排放量变化除与土地利用变化有紧密联系外，同时，已有相关研究成果表明地区的碳排放量与社会经济水平也呈现正相关性，因此本研究选取了社会经济的主要指标国民生产总值，进而核算出更能直观碳排放强度的单位GDP净排放量，与研究估算的结果进行对比分析。从单位GDP的净排放量图中可看出，2005-2018年珠三角整体的单位GDP净排放量均呈现收缩降低的状态。其中，中山市的GDP净排放量在研究期内均为珠三角地区最高的城市，中山市的单位GDP净排放量由2005年最高1.37t/亿元迅速降低至2018年的0.74t/亿元，但下降程度仍相较其他城市较低，深圳市则为单位GDP净排放量最低的城市，长期维持在1.37t/亿元的低位。降低程度最显著的为广州，从研究期初的1.2t/亿元迅速降低至不足0.74t/亿元的低位。
图8 2005-2018年珠三角GDP、建设用地面积、净排放量及单位GDP净排放量变化情况
根据上述指标综合评价分析后可将珠三角九市分为三类：
一为“科技创新型”城市：深圳市、广州市及珠海市，广州、深圳经济发展水平高，第三产业发达，产业结构和能源消费结构较为优化，同时碳排放也能达到一定效率水平，单位GDP净碳排放量均较低，属于高排放-高效率；
第二类为“粗放型”城市：中山市、佛山市及东莞市，虽这些地市经济发展程度较高，但均以制造业为主要产业导向，经济发展对能源依赖程度较高，碳排放效率低于广州、深圳和珠海，归属于高排放-低效率；
第三类为“绿色生态型”城市：肇庆市、江门市及惠州市，这些地区除惠州市外经济均较为落后，二三产业发展程度低，工业基础薄弱，碳排放量相对较少，可归属于低排放和高效率。
05
结论与讨论
1
构建“一心、两翼、三循环”碳中和发展格局，建立跨区域碳补偿机制
实现珠三角区域尺度上的碳中和，应构建“一心、两翼、三循环”碳中和的空间发展格局，以粤北肇庆市为碳汇核心，以“肇庆-江门、“肇庆-惠州”形成碳汇东西“两翼”，以“广佛—肇”、“珠中—江”、“深莞—惠”三个区域内部循环，从而实现珠三角经济区绿色可持续增长。建立跨区域的碳补偿机制，实现碳源地区碳排放和碳源地区的碳吸收均衡，实现区域间的生态补偿、经济补偿和技术补偿。根据区域土地利用变化的碳排放效益，同时还可通过植树造林成本确定固碳价格，估算碳排放的补偿标准，在区域内探索碳交易机制，促进珠三角核心城市在技术创新发展的基础上实现向粤东西北地区的带动作用，以促进区域尺度上产业发展及生态保护协调并行，实现区域尺度上的碳中和的绿色发展目标。
图9 珠三角地区“一心、两翼、三循环”碳中和发展格局图
2
分类引导城市转型与发展，促进城市绿色可持续增长
位于“粤港澳大湾区”经济圈核心区内的珠三角地区正处于城市化和工业化快速发展的关键时期，为实现“碳中和”体系下的可持续发展，应分类引导不同发展方式、发展程度的城市进行转型发展。面向深圳市、广州市及珠海市等产业结构和能源消费结构较为优化的“科技创新型”城市，应牵引产业继续深入创新发展，从而带动战略性新兴产业的发展，为绿色低碳产业、电子信息产业、高端制造业等科技含量高的产业发展拓展空间[16]；面向中山市、佛山市及东莞市以制造业为主要产业导向的“粗放型”城市，应逐渐构建多元化的产业体系，提高能源利用效率，调整能源结构。同时增加水能、太阳能等非化石能源的使用量，减少单位建设用地的碳排放量；面向肇庆市、江门市等自然资源禀赋高但经济发展水平较低的“绿色生态型”的城市，应坚持“绿水青山就是金山”的发展理念，协调好经济发展与生态保护的，为区域尺度上实现碳中和提供支撑。
3
优化土地利用规模结构，构建低碳国土空间开发格局
构建基于低碳化体系下的国土空间用途模式，是优化国土空间开发格局的主要途径，土地利用作为国土空间开发的重要形式，也是影响碳排放的重要因素，因此可通过调整优化土地利规模和结构进而构建低碳国土空间开发格局。优化土地利用规模和结构，一方面可通过增加碳汇实现，另一方面则通过减少碳源实现。首先为增加碳汇，在保证区域内耕地“面积不降”、“质量不减”的前提下，在珠三角区域内增加森林面积，使原来的碳源地转化为碳汇地，进而有效增加该区域的碳汇功能，其次应强化控制线作用，在划定的各种管控线（永久基本农田和生态保护红线）范围内严格控制建设用地不合理占用以及不合理的农用地内部转化；而在减少碳源方面，由于建设用地是碳排放的主要载体，应严格限制建设用地过度无序扩展，从逐步减少到最终杜绝“粗放式”的土地利用方式，促进节约集约用地，避免建设用地在无序扩张中所产生的碳排放，从而构建低碳化的国土空间开发格局，为实现碳中和的发展目标奠定基础。
参考文献（上滑查看全部）
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*本文为2021中国城市规划年会论文。
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