周璟茹，趙華甫，2，吳金華

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京100035；3.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安 710064）

1 引言

在全球氣候變化的背景下，溫室氣體尤其是CO2的排放對社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展造成了一定程度的阻礙。近年來，城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加速使大量農(nóng)用地轉(zhuǎn)化成非農(nóng)用地，這也成為導(dǎo)致碳排放急劇增長的重要因素之一[1]。土地集約利用作為提高土地利用效率的重要手段，對優(yōu)化城市土地資源，改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。因此，如何在以集約利用為目標(biāo)的土地利用中降低碳排放已成為當(dāng)前城市土地利用中亟待解決的問題，而解決這一問題的根本就是要明晰土地集約利用與碳排放之間的關(guān)系。

針對城市土地集約利用問題的研究主要是在明晰理論內(nèi)涵[2]的基礎(chǔ)上提出影響城市土地集約利用的驅(qū)動因子[3]，并依此建立評價指標(biāo)體系[4]，進(jìn)一步探究土地集約利用的方式途徑，為城市土地資源高效利用提供有效手段。在碳排放研究方面，諸多學(xué)者不僅將社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等問題與碳排放相聯(lián)系，同時也就不同土地利用方式[5]、利用結(jié)構(gòu)[6]及其變化過程[7]對碳排放的影響開展了研究，依此提出了土地利用低碳優(yōu)化調(diào)控措施[7]，并將低碳的思想應(yīng)用于諸多研究方向[6-8]。近年來，相關(guān)學(xué)者也對土地集約利用與碳排放之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。其中，張苗等認(rèn)為土地集約利用對碳排放產(chǎn)生同向影響[9]，并基于SMB模型對全國土地集約利用碳排放效率進(jìn)行研究[10]；張俊峰等認(rèn)為土地集約利用與碳排放呈高度正相關(guān)[11]；許恒周等對中國省際面板數(shù)據(jù)的實證分析后得出城市土地集約利用水平對碳排放效應(yīng)有顯著的反向減緩作用[12]。上述研究填補了土地集約利用與碳排放關(guān)系研究的空白，但仍值得進(jìn)一步的研究與討論。本文將在上述研究的基礎(chǔ)上，以關(guān)中城市群為研究對象，運用Tapio脫鉤理論與EKC曲線分析土地集約利用與碳排放間的關(guān)系，為土地的節(jié)能減排與集約利用提供理論基礎(chǔ)。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

關(guān)中城市群是指以大西安（含咸陽）為中心、寶雞為副中心，包括渭南、銅川及楊陵示范區(qū)的城市群，總面積5.5×104km2，總?cè)丝诔^2400×104人。該區(qū)域為陜西省人口最密集的地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，是中國西部地區(qū)唯一的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)帶和星火科技產(chǎn)業(yè)帶。2015年11月3日，《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃的建議》將關(guān)中城市群列入8大城市群中，這標(biāo)志著在“一帶一路”的戰(zhàn)略背景下，關(guān)中城市群現(xiàn)已成為西部地區(qū)最具影響力的城市群之一。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用的社會經(jīng)濟(jì)（固定資產(chǎn)投資額、消費品零售額、總?cè)丝凇⒊Ｗ∪丝?、各產(chǎn)業(yè)GDP等）及能源（煤炭、石油、天然氣消耗量等）數(shù)據(jù)來源于2000—2014年《中國能源統(tǒng)計年鑒》、《陜西統(tǒng)計年鑒》、《西安統(tǒng)計年鑒》、《寶雞統(tǒng)計年鑒》、《咸陽統(tǒng)計年鑒》、《渭南統(tǒng)計年鑒》、《銅川統(tǒng)計年鑒》以及楊陵區(qū)統(tǒng)計局的相關(guān)數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)來源于陜西省土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)。

3 研究方法

3.1 土地集約利用水平測算方法

土地集約利用是一個動態(tài)的過程，在一定的時期內(nèi)，通過增加土地投入[2]、提高土地的利用強度[13]及優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)[3]，可以有效的增強土地利用集約度。因此，在對土地集約利用水平的測算中應(yīng)考慮這三方面建立評價指標(biāo)體系，并根據(jù)主導(dǎo)因素與因地制宜原則，根據(jù)已有研究成果進(jìn)行指標(biāo)選取。具體指標(biāo)及其測算方法與權(quán)重見表1。

表1 土地集約利用測算指標(biāo)及權(quán)重Tab.1 Indexes and weights of intensive land-use

結(jié)合選取指標(biāo)的特性，采用多因素綜合評價的方法確定土地利用集約度。設(shè)有m個評價指標(biāo)，n個參評對象，土地利用集約度的計算公式為：式（1）中，Vi為土地利用集約度；Wj為指標(biāo)權(quán)重；Pij為參評對象j的第i個評價指標(biāo)。

3.2 碳排放水平測算方法

土地利用的碳排放是指由于人類利用土地造成的碳排放[5]。本文討論的碳排放是指以耕地和建設(shè)用地為主的碳排放量與以林地和草地為主的碳吸收量計算得出的碳凈排放量。耕地、林地、草地的碳排放量估算公式為：

式

（2）中，ei為第i種土地類型的碳排放量（t），Ti為對應(yīng)的土地面積（hm2），δi為對應(yīng)的碳排放系數(shù)（t/hm2）。農(nóng)用地的碳排放系數(shù)由于人類活動方式單一而相對穩(wěn)定，其中耕地、林地和草地的碳排放系數(shù)分別為0.422 t/hm2、-0.644 t/hm2、-0.02 t/hm2[14]。

城市建設(shè)用地作為人類生產(chǎn)生活的載體，能源消耗是主要的碳排放源，而短時間內(nèi)建設(shè)用地類型變化導(dǎo)致的直接碳排放量并不顯著，故建設(shè)用地的碳排放通過其利用過程中化石能源的消耗產(chǎn)生的碳排放間接估算[15]，公式為：式（3）中，c為建設(shè)用地的碳排放量；Mj為第j種能源消耗量；δj為對應(yīng)的碳排放系數(shù)。其中煤炭、石油、天然氣的碳排放系數(shù)分別為0.7476 t/t標(biāo)準(zhǔn)煤，0.5825 t/t標(biāo)準(zhǔn)煤，0.4435 t/t標(biāo)準(zhǔn)煤[16]。

隨后得到碳排放總量，計算公式為：式（4）中，E為凈碳排放量。

現(xiàn)取碳排放量與土地面積的比值即碳排放強度作為最終測算值，計算公式為：

式（5）中，S為土地面積，C為碳排放強度。

3.3 Tapio脫鉤分析方法

脫鉤分析原用于分析兩個或多個物理量之間的響應(yīng)關(guān)系，后用于分析經(jīng)濟(jì)增長與環(huán)境壓力或資源消耗之間的關(guān)系。在眾多脫鉤方法中，本文選用基于時間尺度的彈性分析方法——Tapio脫鉤分析作為研究土地集約利用與碳排放關(guān)系的分析方法。其中，土地集約利用與碳排放的脫鉤是指土地利用集約度的提高不會導(dǎo)致碳排放增加反而會促使碳排放降低，在此選用碳排放強度和土地利用集約度分別作為環(huán)境壓力變量和經(jīng)濟(jì)驅(qū)動變量，構(gòu)建碳排放強度與土地利用集約度的脫鉤模型：

式

（6）中，DI為脫鉤指數(shù)，LC為環(huán)境壓力變量（碳排放強度），IU為經(jīng)濟(jì)驅(qū)動變量（土地利用集約度），t0、t1分別為起止年份。Tapio彈性分析法將脫鉤狀態(tài)根據(jù)彈性值分為8種脫鉤狀態(tài)[17]（表2）。

表2 Tapio脫鉤狀態(tài)劃分表Tab.2 State of Tapio decoupling

3.4 EKC曲線

1991年，美國經(jīng)濟(jì)學(xué)家Grossman和 Krueger等用庫茲涅茨曲線來定量描述環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系，即環(huán)境庫茲涅茨曲線（Environmental Kuznets Curve，EKC），該曲線通過人均收入與環(huán)境污染之間的關(guān)系模型模擬，提出經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境污染程度存在倒U型關(guān)系。近年來，部分學(xué)者將EKC模型引入到土地利用問題中，證實了EKC模型在耕地非農(nóng)化和建設(shè)用地擴張等問題中的實用性[18-19]。因此，筆者認(rèn)為EKC曲線也可應(yīng)用于分析土地集約利用與碳排放關(guān)系，發(fā)展初期，隨著土地集約利用程度提高，作為碳源的建設(shè)用地碳排放量效果明顯大于農(nóng)用地等碳匯的碳吸收量效果[9]，而后隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，土地集約利用向技術(shù)投入型轉(zhuǎn)變，建設(shè)用地帶來的碳排放量也將逐步遞減。本文基于EKC曲線的理論研究與相關(guān)領(lǐng)域拓展，應(yīng)用面板數(shù)據(jù)進(jìn)行EKC曲線研究，建立了三次函數(shù)模型：

式（7）中，Y為碳排放強度，X為土地利用集約度，η、α1、α2、α3為常數(shù)，其中α的取值對曲線關(guān)系起主導(dǎo)作用（表3）[20]。

表3 不同類型的EKC曲線關(guān)系Tab.3 Different types of EKC curves

4 結(jié)果與分析

4.1 Tapio脫鉤分析

4.1.1 土地利用集約度測算 以2000—2014年各市數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行統(tǒng)計并用對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化法進(jìn)行處理后，得到關(guān)中城市群的土地利用集約度。結(jié)果顯示，2000—2014年關(guān)中城市群整體土地集約利用水平呈上升趨勢，平均年增長率為2.55%，且各市的土地集約利用水平均呈上升趨勢。

在空間尺度上，關(guān)中城市群中各市土地利用集約度在增長的同時也存在一定差異。以2014年為例，土地集約度最高為西安市，最低為銅川市，差距較為明顯。其中，西安市是關(guān)中城市群乃至陜西省經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平最高的城市，土地集約利用水平也較高。相比而言，渭南市與銅川市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以工農(nóng)業(yè)為主，土地集約利用水平較其他城市還存在著一定的差距。2000—2014年，土地利用集約度平均年增長速度最高的城市為寶雞市，平均年增長率為3.1%。作為陜西省兩大百萬人口城市之一，寶雞市近年來以“打造西部重要商貿(mào)物流中心”為依托，不斷增強自身經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展實力，通過招商引資、調(diào)節(jié)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等方式使土地集約利用水平得到了顯著增強。

4.1.2 碳排放水平測算 以2000—2014年各市耕地、林地和草地面積和各市煤炭、石油和天然氣消耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行統(tǒng)計計算后，得到關(guān)中城市群的碳排放強度。結(jié)果顯示，2000—2014年，關(guān)中城市群整體碳排放強度由0.4617×104t/km2增至0.8047×104t/km2，平均年增長率為4.05%。自2000年起，在國務(wù)院發(fā)布有關(guān)退耕還林的政策指導(dǎo)下，關(guān)中地區(qū)的耕地總面積由283×104畝下降至252×104畝，林地與草地面積由3274×104畝增至3680×104畝，但與此同時關(guān)中地區(qū)城市化和工業(yè)化的不斷加速也使煤、石油和天然氣消耗量不斷增加，導(dǎo)致因林地與草地面積的增加而增大的碳吸收量遠(yuǎn)不及由于建設(shè)用地擴張所增大的碳排放量，故2000—2014年，關(guān)中城市群的碳排放水平整體呈增長的趨勢。

在空間尺度上，關(guān)中城市群中各市的碳排放水平存在一定的差異。以2014年為例，碳排放強度最大為西安市，最小為銅川市，相差0.1709×104t/km2。除此之外，各市2000—2014年的碳排放強度增長率也存在著一定程度的差異，其中增長最快的為咸陽市，平均年增長率為8.44%，增幅達(dá)0.109×104t/km2；增長最慢的為渭南市，平均年增長率為2.19%，增幅為0.046×104t/km2。咸陽市東鄰省會西安市，西接國家級楊陵農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)，具有獨特的地理優(yōu)勢，近年來社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，建設(shè)用地擴張呈迅猛態(tài)勢，因而碳排放水平增長迅速；渭南市是中國重要的商品糧農(nóng)業(yè)基地，并擁有豐富的礦產(chǎn)資源，工業(yè)以冶金、能源化工為支柱，由于其產(chǎn)業(yè)特性，近年來的城鎮(zhèn)化雖有一定程度的發(fā)展，但發(fā)展速度較緩，因而碳排放強度增長較緩。

4.1.3 脫鉤分析 以Tapio模型為為基礎(chǔ)，以上一年為基準(zhǔn)年，利用2000—2014年關(guān)中城市群土地利用集約度與碳排放強度測算出二者的脫鉤狀態(tài)（表4）。

由表4可以看出，15年間關(guān)中城市群土地利用集約度與碳排放強度關(guān)系主要呈現(xiàn)出三種狀態(tài)，分別為擴張負(fù)脫鉤、增長連結(jié)和弱脫鉤，占比分別為50%、35.7%和14.3%。2014年關(guān)中城市群各市脫鉤狀態(tài)以擴張負(fù)脫鉤為主，部分城市出現(xiàn)增長連結(jié)與弱脫鉤的狀態(tài)，說明當(dāng)前關(guān)中城市群土地集約利用與碳排放仍未脫鉤。

在空間尺度上，同一時段、不同城市所呈現(xiàn)出的脫鉤狀態(tài)略有不同，西安市與渭南市的脫鉤狀態(tài)以弱脫鉤狀態(tài)為主，其中西安市由2001年的強負(fù)脫鉤狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樵鲩L連結(jié)與弱脫鉤為主的脫鉤狀態(tài)，說明其土地集約利用與碳排放的關(guān)系得到了逐年的改善，在土地利用集約度增長的同時，碳排放強度的增加量得到了有效地控制；銅川市、咸陽市和寶雞市則以擴張負(fù)增長的脫鉤狀態(tài)為主，說明其碳排放強度增長率與土地利用集約度增長率持平，今后還需更多行之有效的政策與經(jīng)濟(jì)手段控制其碳排放強度的增加；楊陵區(qū)作為重要的農(nóng)業(yè)科教基地和中國唯一的農(nóng)業(yè)高新技術(shù)示范區(qū)所在地，近年來保持著較高的土地利用集約度與較低的碳排放強度，處于土地利用集約度與碳排放強度的強脫鉤狀態(tài)，證明土地集約利用水平的提高已不再成為碳排放增加的驅(qū)動力。

表4 關(guān)中城市群土地利用集約度與碳排放強度脫鉤狀態(tài)Tab.4 Tapio decoupling state between intensive land-use and carbon emission of Guanzhong Urban Agglomeration

4.2 土地集約利用與碳排放強度的EKC曲線關(guān)系檢驗

4.2.1 回歸模型的建立 在進(jìn)行回歸分析前，為了消除異方差需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行ADF檢驗，檢驗表明，所有變量的一階差分值都在5%的檢驗水平上具有顯著性，存在協(xié)整關(guān)系，經(jīng)Hausman檢驗，接受隨機效應(yīng)原假設(shè)，由此構(gòu)建回歸模型：

圖1 土地利用集約度與碳排放強度EKC曲線擬合圖Fig.1 EKC fitting figure of intensive land-use and carbon emission

4.2.2 回歸分析與峰值預(yù)測 從回歸模型擬合圖（圖1）可以看出，關(guān)中城市群土地利用集約度與碳排放強度呈現(xiàn)倒N型EKC曲線關(guān)系，且EKC曲線的拐點位于集約度為0.521和0.9129處。說明當(dāng)集約度達(dá)到0.521前，碳排放強度會隨土地利用集約度的增加而遞減，這是由于在土地利用相對粗放的階段提高土地利用集約度會在一定程度上減少作為碳源的建設(shè)用地的擴張，使碳排放強度減小。當(dāng)集約度在0.521—0.9129這一區(qū)間內(nèi)，隨著土地利用集約度的增強，碳排放強度也會隨之增強，這是由于因土地集約利用造成的建設(shè)物資和能源的投入增加在一定程度上增加了碳排放，雖然土地利用集約度的增強減少了建設(shè)用地的擴張，但因增加建設(shè)用地的投入帶來的碳排放影響要明顯大于因減少碳匯向碳源轉(zhuǎn)化而增加的碳吸收影響，所以碳排放強度整體呈增長趨勢。當(dāng)集約度達(dá)到0.9129這一臨界值時，碳排放強度也達(dá)到最大值0.246×104t/km2。當(dāng)超越這一臨界值后，碳排放強度會隨土地集約利用程度的增加而減少，這是因為隨著土地利用集約度的增加土地集約逐漸從資本投入型向技術(shù)投入型轉(zhuǎn)變，建設(shè)用地帶來的碳排放量逐步遞減，由此促使碳排放強度的遞減趨勢。

當(dāng)前關(guān)中城市群所處土地利用集約度區(qū)間為0.5210—0.9129，說明雖然當(dāng)前因城市發(fā)展建設(shè)造成的碳排放強度仍在不斷遞增，但當(dāng)集約度達(dá)到臨界值后，關(guān)中城市群的碳排放強度將會逐步遞減。當(dāng)前多數(shù)城市的碳排放強度未達(dá)到這一峰值，說明關(guān)中城市群短期內(nèi)碳排放強度還會不斷遞增，但是當(dāng)超越這一峰值后，隨著土地技術(shù)科技投入不斷加大，土地利用集約度不斷提高，碳排放強度會逐步遞減，曲線會趨于平緩。

5 結(jié)論與討論

本文通過Tapio脫鉤模型與面板數(shù)據(jù)的EKC曲線建立與圖像擬合對關(guān)中城市群土地集約利用與碳排放的關(guān)系及演化特征進(jìn)行了研究，得到了如下結(jié)論：

（1）2000—2014年關(guān)中城市群整體土地集約利用水平呈上升趨勢，平均年增長率為2.55%，各市的土地集約利用水平均呈上升趨勢，但內(nèi)部差異明顯，其中土地集約利用程度最高的城市為西安市，銅川市與渭南市土地利用集約度則遠(yuǎn)低于平均值。（2）2000—2014年關(guān)中城市群碳排放強度由0.4617×104t/km2增至0.8047×104t/km2，平均年增長率為4.05%，呈持續(xù)上升趨勢，各市的碳排放強度也在逐年遞增，但城市間存在明顯差異，其中碳排放強度最大的為西安市，最小為銅川市，其碳排放強度增長幅度與增長速率差異明顯。（3）2001—2014年間關(guān)中城市群土地集約利用與碳排放強度關(guān)系主要呈現(xiàn)出三種狀態(tài)，分別為擴張負(fù)脫鉤、增長連結(jié)和弱脫鉤，半數(shù)年期碳排放強度增長率高于集約利用水平增長率，土地集約利用與碳排放仍未脫鉤，但部分城市已呈現(xiàn)脫鉤趨勢。（4）通過建立EKC回歸模型，證明了關(guān)中城市群土地利用集約度與碳排放強度呈現(xiàn)倒N型EKC曲線關(guān)系。就當(dāng)前關(guān)中城市群的土地利用集約度而言，碳排放強度在近年內(nèi)仍會增加，但當(dāng)土地利用集約度達(dá)到臨界值后，碳排放強度將會逐步遞減，并趨于平穩(wěn)。

本文選取了2000—2014年的社會經(jīng)濟(jì)和土地利用數(shù)據(jù)，時間尺度較短，不能完整的反映關(guān)中城市群土地集約利用與碳排放的變化趨勢，因而沒能更好的結(jié)合相關(guān)理論明晰當(dāng)前關(guān)中城市群的發(fā)展階段并預(yù)測發(fā)展趨勢，值得進(jìn)一步的研究與思考。

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