余光英，員開奇

（1．中南財經政法大學 武漢學院，武漢430079；2．華中農業(yè)大學 土地管理學院，武漢430070）

土地是人類經濟社會發(fā)展的載體，土地利用類型的轉變、土地質量的降低導致了地區(qū)生態(tài)環(huán)境的劇烈變化。碳排放是土地利用類型影響生態(tài)效益的重要因素，林地、草地等主要碳匯用地類型面積急劇減少，建設用地等碳源用地類型面積不斷擴張，使得原有的碳平衡狀態(tài)被打破。低碳經濟是生態(tài)文明建設的重要組成部分，是實現土地資源可持續(xù)利用的主要途徑，土地適宜性評價已有較長的研究歷史，世界糧農組織早在1993年頒布的《土地利用規(guī)劃指南》中就指出，土地適宜性評價做為土地利用規(guī)劃的基礎，對土地資源的合理利用起著關鍵作用。近些年，土地適宜性評價的研究成果越來越豐富，整體呈現出研究視角趨于多元化、評價方法不斷突破和創(chuàng)新的特點。

在研究視角方面，申金山等［1］基于城市的宜居視角開展了城市土地適宜性評價；崔鳳軍等［2］將旅游用地作為評價對象，綜合考慮了對旅游影響較大的社會、文化、心理、生態(tài)、經濟等因素，定義了旅游環(huán)境承載能力的概念。此外，還有不少學者基于景觀生態(tài)學理論、可持續(xù)發(fā)展理論等視角開展土地適宜性評價研究。隨著生態(tài)文明建設的日益深入，包括低碳經濟在內的生態(tài)土地利用評價等的研究越來越多，例如，鐘林生等［3］將景觀生態(tài)學理論引入生態(tài)旅游適宜性評價中，指出發(fā)展旅游業(yè)要以保持生態(tài)健康為前提，以確保生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定安全；趙德華等［4］總結已有的關于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的主要研究方法，分別從“自下而上”和“自上而下”兩個角度對已有研究進行了分類并分析了各研究方法的優(yōu)劣；楊立等［5］以河北省曲周縣為例，估算了曲周縣碳匯和碳源量，并定性分析了區(qū)域內碳平衡潛力，利用GIS的疊加分析法對區(qū)域內碳匯適宜性進行了評價；盧娜［6］系統(tǒng)研究了土地利用變化對碳排放的影響，分別分析了土地非農化的碳排放效應、土地利用技術變化碳排放效應、土地利用結構碳排放效應。低碳經濟對土地適宜性評價的影響不斷加深，基于低碳視角的土地問題研究對指導土地資源的可持續(xù)利用的作用日益凸顯。

在評價方法上，主要考慮的是如何確定評價體系的權重，確定權重的方法主要有層次分析法、德爾菲法、模糊綜合評判法、限制評分法、人工神經網絡、物元模型、數據流［7］等，線性回歸也是一種常用的方法，但該方法要求的樣本量較大，實用性不強；GIS技術為土地適宜性評價帶來了革命性的進步，它能將空間數據與屬性數據結合獲得綜合的評價結果，宋如華等［8］建立了朔州市平魯區(qū)的土地資源管理信息系統(tǒng)，運用GIS技術對空間指標進行了量化處理，與屬性數據相結合進行了土地適宜性評價，并進一步將研究成果用于城市布局優(yōu)化。土地適宜性評價是土地利用結構優(yōu)化的前期，客觀科學的土地適宜性評價可以為土地利用結構的合理布局提供指導。在低碳經濟的指導下，基于適宜性評價的土地利用結構優(yōu)化研究也有很多，余德貴等［9］以經濟快速發(fā)展的區(qū)域為研究對象，建立了區(qū)域土地利用結構的低碳優(yōu)化模型，以江蘇泰興市為例進行了分析驗證，結果較好地滿足了土地可持續(xù)利用的目標，為低碳土地利用結構優(yōu)化提供了新的方法。湯潔等［10］采用生態(tài)系統(tǒng)類型法對吉林省通榆縣的有機碳儲量進行了估算，分析了土地利用變化對碳儲量的影響，并采用線性規(guī)劃的方法對土地利用進行了優(yōu)化，獲得了可行的土地利用方案。

土地碳平衡適宜性評價研究是低碳土地利用研究的基礎性工作之一，目的是綜合研究區(qū)的碳平衡指標，挖掘研究區(qū)域土地利用在碳平衡方面的問題。區(qū)域之間的碳排放和吸收沒有明顯的邊界，在研究碳平衡的適宜性評價問題時，應合理地界定研究區(qū)域。城市圈是地域上存在一定連接、協(xié)同發(fā)展的城市集群，城市間發(fā)展中有一定的獨立性和依存性，將城市圈作為碳平衡的研究對象能夠合理地引導整個城市圈的協(xié)同發(fā)展［11］。本研究從城市圈碳平衡的視角出發(fā)，將碳源與碳匯引入土地適宜性評價中，以武漢城市圈為研究對象，分別評價各城市在碳源和碳匯兩方面的適宜性，進一步分析各城市在組團發(fā)展中的優(yōu)勢和不足，做到優(yōu)勢互補，協(xié)調發(fā)展。

1 研究區(qū)域概況

1．1 武漢城市圈發(fā)展狀況

武漢城市圈，又稱“1＋8”城市圈，包括武漢、鄂州、黃岡、孝感、咸寧、黃石、天門、仙桃、潛江9個城市，其中武漢為城市圈中心城市。武漢城市圈土地面積占全省的33%，人口總數為全省的51．6%，2008年武漢城市圈實現地區(qū)生產總值6 972．11億元，同比增長14．8%，占全省總量61．5%，在全省經濟增長中處于重要地位。

1．2 土地利用結構

武漢城市圈總面積為57 972km2，是中部最大、發(fā)展條件最好的城市圈之一。土地利用面積最大的是耕地，其次是林地，水域和建設用地次之，未利用地最少。武漢城市圈耕地面積達29 321km2，占總面積的50．58%，主要集中在中東部地區(qū)和黃岡，耕地面積最大的地區(qū)是黃岡和孝感，占總量的46．06%；林地面積達17 535km2，占總面積的30．25%，主要分布在南部和東北部，尤其是黃岡市，該地區(qū)林地面積占總面積高達43．43%，此外，咸寧也是林地分布較集中的地區(qū)；草地面積達1 413km2，占總面積的2．44%，分布較為集中，黃岡和咸寧的草地面積超過總量的80%；水域面積達5 731km2，占總面積的9．89%，武漢在水域分布中占有絕對優(yōu)勢，占總量的30%；城鄉(xiāng)、工礦、居民點用地面積達3 722km2，占總面積的6．42%，各地區(qū)差異不明顯，除武漢外幾乎均勻分布；未利用地為251km2，占總面積的0．43%。

2 土地碳平衡適宜性評價及潛力分析

武漢城市圈各城市間發(fā)展水平和方式存在顯著差異，武漢作為中心城市其土地利用情況極其復雜，碳源碳匯嚴重失衡，造成了較為嚴重的環(huán)境問題。咸寧市是典型的園林城市，全市林地總面積達5 612．86 km2，占全市總面積的61．98%，碳匯資源豐富，在碳平衡方面具有較大優(yōu)勢。土地碳平衡適宜性評價即是將城市圈各城市的碳平衡能力進行對比，綜合各指標因素得到各城市在碳平衡方面的優(yōu)勢和不足。

2．1 評價指標體系

土地碳平衡適宜性評價指標體系包括3個子系統(tǒng)，分別是經濟系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)和社會系統(tǒng)，根據評價目標確定各個分系統(tǒng)具體的指標體系。由于研究對象是碳平衡的適宜性，所以兩類適宜性評價體系均在生態(tài)系統(tǒng)中分別選取與碳平衡關系緊密的地均碳匯量和地均碳源量指標。

在碳匯適宜性評價指標體系中，林草覆蓋率和人均水資源量用來估算評價對象潛在碳匯能力，是除碳匯量這一直接指標外與碳匯適宜性聯(lián)系最緊密的兩個指標，將其選入碳匯適宜性評價指標中的生態(tài)子系統(tǒng)、在碳匯適宜性評價經濟子系統(tǒng)中，選取了與土地適宜性評價緊密相關的兩個經濟指標，人均GDP和地均GDP，這兩個指標代表了評價對象的生產力水平和土地開發(fā)效率，是經濟指標在土地適宜性評價中的典型代表；社會子系統(tǒng)中選取了城市化率和人均公共基礎設施建設投入，以此分析評價對象在社會視角下的碳匯適宜性［12］。

在碳源適宜性評價指標體系中，生態(tài)子系統(tǒng)除了考慮地均碳源量外，還考慮了用自然災害損失和建設用地年增量來衡量生態(tài)系統(tǒng)在適宜性評價中的作用，這兩個指標在一定程度上分別代表了評價對象的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和土地利用的壓力。經濟子系統(tǒng)選取了經濟發(fā)展中與能源相關的兩個指標來進一步分解經濟發(fā)展中的負面效應對碳源適宜性評價所起到的作用。社會子系統(tǒng)同樣將社會指標與環(huán)境指標掛鉤，分別選取了垃圾清運量和廢水排放量兩個具體指標［13］。具體指標體系如表1所示。

2．2 數據來源及適宜性評價方法

本研究的數據來源主要有2011年中國城市統(tǒng)計年鑒［14］、2011年湖北省統(tǒng)計年鑒［15］、2011年湖 北省國民經濟與社會發(fā)展統(tǒng)計公報［16］等數據庫。

表1 土地碳平衡適宜性評價指標體系

選擇全排列多邊形圖示指標法作為適宜性評價方法，全排列多邊形圖示指標法最早是由周偉等［17］提出的用于城市生態(tài)學的評價方法，該方法與現有的其他多因素統(tǒng)計方法相比有較大優(yōu)勢，以其計算簡單、可視化效果好、綜合性強等特點在經濟發(fā)展評價、生態(tài)效益評價等問題中得到了廣泛應用。

全排列多邊形圖示指標法中定義：設有n個統(tǒng)計指標，以n個指標的上限值為邊界構成一個中心n邊形，將指標值連接，構成了一個不規(guī)則的多n邊形，這個多n邊形的的頂點是n個指標的一個全排列，n個指標共可組成（n－1）?。?個不規(guī)則n邊形，綜合評價指數等于這些不規(guī)則多n邊形面積的均值除以中心多n邊形的面積。

采用雙曲線標準化函數對指標值進行標準化，公式如下：

式中：U——指標上限值；T——指標臨界值；L——表指標下限值。指標的上限根據相應指標的最大值確定，指標的臨界值根據相應指標的平均值確定，指標的下限值根據相應指標的最小值確定。

雙曲線標準化函數將指標值全部映射到［－1，＋1］。函數還改變了指標值的變化速度，當指標值小于臨界值時，指標的增長速度逐漸變小，當指標值大于臨界值時，指標的增長速度逐漸變大，即指標值標準化后的變化規(guī)律為快慢快，臨界值位置為指標增長規(guī)律變化的臨界點。

由上述條件可知，標準化計算公式為：

對于指標i，單項指標Si的計算公式為：

n個頂點可以構成一個正n邊形，n邊形的頂點為標準化后各指標取最大值1的位置，n邊形的中心為標準化后各指標值取最小值－1的位置，頂點與中心連線中點構成的小n邊形是各指標值的臨界值，將各評價對象的指標值在n邊形的內部標出，按序連接成n邊形，便形成了各對象的指標圖示，通過圖示可以清晰地比較各對象間的指標差異。

全排列多邊形綜合指數S計算公式為：

式中：S——綜合指數；Si——第i項指標值；Sj——第j項指標值；n——指標的個數。全排列多邊形綜合指數是一種客觀的評價方法，在評價過程中沒有涉及到主觀性較強的權重確定問題，使得評價結果最大可能地反映評價對象的真實水平。

2．3 評價結果分析

采用雙曲線標準化函數對原始數據進行標準化，利用標準化后的數據進行繪圖，通過圖示可以觀察到城市圈各城市間在碳源碳匯方面的對比情況，利用全排列方法分別計算各城市在碳源和碳匯方面的綜合評價指數，結果如表2所示。

表2 城市圈土地碳平衡適宜性綜合評價指數

綜合評價指數中，碳源評價指數越小評價結果越優(yōu)，碳匯評價指數越大評價結果越優(yōu)。由表2可知，碳源適宜性最高的城市是仙桃市，碳源適宜性最低的城市是孝感市，孝感市的建設用地、建設用地年增量、單位GDP能耗等指標值較高。碳匯適宜性最高的地區(qū)是咸寧市，碳匯適宜性最低的地區(qū)是黃石市，黃石是典型的工業(yè)城市，林地、林草覆蓋率、地均碳吸收量等指標明顯低于其他城市。

利用excel繪制武漢城市圈土地適宜性全排列多邊形評價結果（圖1—2）。

圖1 武漢城市圈土地碳源適宜性評價示意圖

圖2 武漢城市圈土地碳匯適宜性評價示意圖

由圖1可知，仙桃市在建設用地、地均碳排放、單位GDP能耗、能源消耗總量、工業(yè)廢水排放總量等方面均明顯低于其他城市，位于圖示的偏中心位置，導致仙桃市的碳源適宜性較高；由圖2可知，咸寧市林地、建成區(qū)綠地面積、林草覆蓋率等方面具有顯著優(yōu)勢，位于圖示的外圍，形成了咸寧市高碳匯水平的主要因素。

2．4 潛力分析

在城市圈內部，各城市之間發(fā)展水平不同、發(fā)展方向各有側重，武漢市是中心城市，對于建設用地、工業(yè)用地的需求要高于其他地區(qū)，咸寧市是典型的農林城市，應更加注重對耕地和林地的保護，黃石市以工業(yè)發(fā)展為主，工業(yè)污染、二氧化碳的直接排放量較高。各城市的發(fā)展優(yōu)勢不同，應立足整個城市圈的角度去研究碳平衡問題，針對各城市和城市圈整體土地利用類型的區(qū)別進行碳平衡潛力分析，研究各城市的平衡能力的差異以及城市圈整體的平衡潛力。

不同土地利用類型所呈現的碳平衡狀態(tài)不同［18］，例如林地在碳平衡中充當的角色是碳匯用地，建設用地充當的角色是碳源用地。根據土地利用類型的分類［19－20］，對城市圈各城市的碳源碳匯情況進行了估算，碳排放和碳吸收系數參考賴力［21］的研究成果，城市圈各城市土地碳平衡因子對比結果如表3所示。

表3 武漢城市圈土地碳平衡因子對比表

平衡因子是碳匯與碳源的比值，計算方程如下：

式中：ε——平衡因子；ti——碳匯總量；t0——碳源總量。平衡因子是反映研究對象碳平衡能力最直接的指標，平衡因子越大表示該地區(qū)碳平衡潛力越大［22］，反之亦然。

由各城市碳源估算結果（表3）可知，城市圈碳源主要來自武漢市、孝感市和鄂州市，分別占總碳源的24%、24%和17%，碳源量最小的是天門市和黃岡市，僅占碳源總量的3%。

由各城市碳匯估算結果（表3）可知，僅孝感市和咸寧市的碳匯總量占城市圈總碳匯量的48%，其他各市碳匯量分為兩個水平，武漢市和鄂州市碳匯量均占總量的12%，碳匯量較低的4個城市分別為黃岡市、仙桃市、天門市、潛江市，合計占12%。

由平衡因子計算結果（表3）可知，平衡因子位于后三位的分別是武漢市、天門市、仙桃市，位于前三位的分別是咸寧市、孝感市、黃石市。平衡因子值最大的咸寧市最小的仙桃市的5．29倍，由此可見，各城市的平衡因子差異顯著，城市之間的互補能力比較突出。

城市圈整體的平衡因子值為0．06，在各城市的對比中，平衡因子值低于整體情況的有武漢市、鄂州市、黃岡市、仙桃市、潛江市、天門市，高于整體情況的有黃石市、孝感市、咸寧市。實現城市圈內某一城市較高的碳平衡能力需要犧牲很多經濟發(fā)展的優(yōu)勢，代價較高，但估算結果顯示，通過整體的協(xié)調則可以達到較好的平衡效果。碳平衡問題具有區(qū)域性的特點，對碳平衡的研究必須著眼于區(qū)域的整體發(fā)展。

3 結論與討論

3．1 結 論

本研究針對武漢城市圈的土地利用狀況，運用全排列多邊形圖示指標法，從碳平衡的視角分析了武漢城市圈土地利用的適宜性，主要得出以下結論：

（1）武漢城市圈各城市間土地碳平衡適宜性存在較大差異。碳源適宜性較高的城市主要有仙桃市、潛江市、天門市，碳匯適宜性較高的城市主要有咸寧市、黃岡市、孝感市。武漢市碳匯適宜性綜合評價指數為0．023，處于較低水平，造成其水平較低的原因主要是林地面積較少［23］、森林覆蓋率偏低，地均碳吸收量不足等。

（2）武漢城市圈各城市間碳平衡潛力差異顯著［24］，平衡因子最大的城市是最小城市的5．29倍，其他各城市的碳平衡因子的數值分布也很離散。城市圈發(fā)展主要宗旨包括利用城市圈中心城市的集聚作用，帶動其他城市的協(xié)調發(fā)展，實現經濟、社會等方面的組團發(fā)展。在實現碳平衡目標方面，各城市發(fā)展優(yōu)勢不同，很難實現單一的城市高水平的碳平衡效果，城市圈整體的碳平衡是一種既不忽視各城市特色產業(yè)發(fā)展、又能有效實現低碳經濟的發(fā)展模式。

3．2 討 論

（1）各城市應優(yōu)勢互補，協(xié)同發(fā)展。城市圈發(fā)展的核心目的是發(fā)掘各城市在集群發(fā)展中的優(yōu)勢，實現優(yōu)勢互補，協(xié)同發(fā)展。碳平衡的控制也要著眼于區(qū)域，不能單單考慮實現某一地區(qū)較高水平的碳平衡而遏制發(fā)展較好但有一定碳排放的產業(yè)。部分地區(qū)為了倡導低碳，限制碳排放較高的產業(yè)發(fā)展，通過宏觀調控來嚴控高碳排放土地的開發(fā)，一些不合理的調控在一定程度上阻礙了地區(qū)經濟的可持續(xù)發(fā)展。

（2）通過財政轉移支付進行碳匯生態(tài)補償。碳匯適宜性低多為經濟發(fā)展的負面效應所致，碳匯適宜性高的地區(qū)為區(qū)域整體的生態(tài)效益在經濟發(fā)展上做出犧牲，城市間應根據碳平衡作用的不同對碳匯適宜性較高的地區(qū)進行經濟補償，通過各城市間的財政轉移支付彌補提供較高碳匯量的城市因保持地區(qū)生態(tài)穩(wěn)定而造成的經濟損失。

（3）碳平衡適宜性評價結果可為城市圈土地利用結構優(yōu)化和碳排放權分配提供指導。十八大報告指出，加強生態(tài)文明建設，要把資源消耗、環(huán)境損害、生態(tài)效益納入經濟社會發(fā)展評價體系。低碳經濟是生態(tài)文明建設的一個重要組成部分，低碳經濟的發(fā)展思路將對未來經濟發(fā)展起到越來越重要的作用，研究結論中的碳平衡差異性、碳平衡適宜性、綜合評價指數等成果可以在后續(xù)的基于低碳經濟的土地利用結構優(yōu)化和以控制碳排放量為目標的碳排放權分配等問題的研究中起到重要作用。

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