彭義鈞 吳雪飛

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院 武漢 430000

城市是碳排放的主體, 反思舊城鎮(zhèn)化進程中生態(tài)功能退化[1]、 大量碳排放等問題, 深圳[2]、武漢[3]等城市展開了城市空間基本生態(tài)控制線劃定及管理實踐。 生態(tài)控制區(qū)的管理實施是一個不斷完善的過程[2], 當前如何考量其內(nèi)部異質(zhì)性并進行差異化調(diào)控是亟待提升的重點[3]?！疤肌?則面臨著低碳規(guī)劃實踐支撐不足, 供需空間失配[4]等現(xiàn)實困境。 碳匯作為重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之一, 主要指植物吸收并儲存二氧化碳的能力, 城市生態(tài)控制區(qū)的生態(tài)用地在直接增匯、間接減排[5]方面有重要意義。 為此, 本文以武漢為例, 分析作為生態(tài)控制區(qū)物質(zhì)載體的生態(tài)用地及其碳匯供需水平的動態(tài)變化特征, 結(jié)合目標年需求預(yù)測, 探討碳平衡視角下城市生態(tài)控制區(qū)差異化調(diào)控策略, 以期為低碳規(guī)劃與生態(tài)控制線實施深化提供參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

武漢是長江經(jīng)濟帶上的核心城市, 曾為傳統(tǒng)老工業(yè)基地, 經(jīng)濟發(fā)展快速, 整體生態(tài)資源豐富,是國家第二批“低碳試點城市” 之一。

由于城市的生態(tài)壓力與生態(tài)功能呈現(xiàn)不均衡性, 引入分別反映自然屬性和社會經(jīng)濟屬性的供給和需求分析[6], 根據(jù)供需空間特征[7]、 碳匯供需劃分[4,8], 結(jié)合《武漢市1 ∶2 000 基本生態(tài)控制線落線規(guī)劃》 (見武漢市自然資源和規(guī)劃局網(wǎng)頁http:/ /gtghj.wuhan.gov.cn/pc-0-59916.html) 與本文研究目標, 將武漢市域8 569 km2作為碳匯需求區(qū)： 將生態(tài)資源豐富的武漢外部都市發(fā)展區(qū),即含東湖風景區(qū)和嚴西湖(后文簡稱東湖區(qū)) 在內(nèi), 共計約2 672 km2范圍內(nèi)的10 個行政區(qū)或開發(fā)區(qū)的生態(tài)用地作為碳匯供給區(qū)。

本研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及來源主要包括: 1) 遙感影像源自地理空間數(shù)據(jù)云： 2) 人口、 經(jīng)濟和社會數(shù)據(jù)主要源自《武漢統(tǒng)計年鑒》 (2001—2017)《武漢市能源發(fā)展“十三五” 規(guī)劃》 《武漢市碳排放達峰行動計劃》 等具權(quán)威性官方數(shù)據(jù)： 3) 各類能源折合成標準煤系數(shù)、 碳清除系數(shù)等相關(guān)參數(shù)主要通過《綜合能耗計算通則》 (B/T 2589-2008) 等標準和相關(guān)文獻研究進行搜集。

2 研究方法

2.1 遙感解譯

通過遙感解譯對生態(tài)用地演變特征進行分析。選取2006、 2011 和2016 年為研究時間探討生態(tài)用地與碳匯供給演變特征(圖1)。 選擇通過云量篩選的植被豐富的生長季節(jié)(6-9 月) 3 幅影像,利用ENVI、 ArcGIS 經(jīng)預(yù)處理、 基于CART 獲取規(guī)則的決策樹分類[9]、 類后處理及轉(zhuǎn)移矩陣計算進行解譯分析。

圖1 碳匯供給區(qū)土地利用分布圖

綜合考慮研究區(qū)土地利用自然屬性、 生態(tài)用地和碳氧平衡相關(guān)研究[10-11]及《土地利用現(xiàn)狀分類》 (GB/T21010-2007), 將研究區(qū)劃分為有林地、 疏林和灌木林地、 草地、 耕地、 水域 (濕地) 和裸地6 類生態(tài)用地以及建設(shè)用地。

2.2 碳氧平衡法

通過碳氧平衡法對碳匯供需進行分析。 碳氧平衡法可有效量化區(qū)域生態(tài)用地需求[10-11]。 本研究著眼碳平衡, 包括碳匯需求量化(即城市人類活動產(chǎn)生的碳排放估算同釋碳量算法) 和碳匯供給量化(即生態(tài)用地當年碳匯量估算同固碳量算法)。

2.2.1 需求： 碳排放估算

人類活動產(chǎn)生的碳排放主要來源于化石能源燃燒、 水泥生產(chǎn)、 不合理的土地利用和人類呼吸作用[12]。 結(jié)合區(qū)域特征與數(shù)據(jù)可獲得性,選取煤炭、 焦炭、 原油等14 類能源產(chǎn)品的消費量, 水泥的銷售量和年末常住人口數(shù)及較大牲畜年末存欄數(shù)作為指標。 碳排放量(Dc) 計算公式如下:

式(1) 中,Ce、Cm、Cp、Cc、Cs分別為化石能源燃燒、 水泥生產(chǎn)、 人類呼吸、 牛呼吸和豬呼吸碳排放量。

2.2.2 供給： 碳匯量估算

應(yīng)用生物量法計算各類生態(tài)用地碳匯量(Sc),以有林地為標準生態(tài)用地, 根據(jù)各類生態(tài)用地的地均凈生產(chǎn)量比例折算為標準生態(tài)用地[10], 計作面積Bi。 計算公式分別如下:

式(2) (3) 中,i為生態(tài)用地類型,α為單位生物量固碳系數(shù),Ai為第i種生態(tài)用地面積,bi為第i種生態(tài)用地單位面積生物量,ηi為第i種生態(tài)用地與有林地的地均凈生產(chǎn)量比值,b林為有林地的地均凈生產(chǎn)量。 由此可對碳平衡目標下的標準生態(tài)用地需求量(ELc) 進行估算:

2.3 預(yù)測模型法

通過預(yù)測模型法對目標年需求進行分析。 城市社會經(jīng)濟發(fā)展狀況影響碳匯需求和生態(tài)用地需求, 本文綜合運用綜合增長率法、 對數(shù)曲線估計模型以及灰色系統(tǒng)預(yù)測GM (1, 1) 模型[13]對“十三五” 規(guī)劃末期、 武漢上一輪總體規(guī)劃的規(guī)劃水平年2020 年的需求量進行預(yù)測, 結(jié)合供需演變特征分析確立供給目標。

3 碳平衡視角下武漢生態(tài)控制區(qū)碳匯效能演變特征

3.1 研究區(qū)生態(tài)用地數(shù)量結(jié)構(gòu)變化

2006—2016 年, 碳匯供給區(qū)內(nèi)建設(shè)用地規(guī)模不斷拓展, 由12.66%上升為37.18%, 而除水域外的各類生態(tài)用地面積均呈減少趨勢(圖2)。 使用年增長率描述各類生態(tài)用地的變化動態(tài)度(圖3), 建設(shè)用地、 疏林、 灌木林、 草地和裸地年均增長率變化較大, 分別為11.38%、- 11.87%、 -12.12%、 - 24.10%。 2006 年、2011 年和 2016 年生態(tài)用地總量分別為2 333.53km2、 1 968.52 km2、 1 678.33 km2, 參比1 814 km2的規(guī)劃生態(tài)控制區(qū)面積, 從數(shù)量和空間分布可知, 2016 年研究供給區(qū)與規(guī)劃生態(tài)控制區(qū)重合度高。 總體而言, 建設(shè)用地規(guī)模擴張與生態(tài)用地總量收縮呈正相關(guān)。

圖2 土地利用類型比例堆疊圖

圖3 各類用地變化的動態(tài)度

碳匯供給區(qū)生態(tài)用地變化的結(jié)構(gòu)特征通過轉(zhuǎn)移矩陣(表1) 進行轉(zhuǎn)化情況說明。 總結(jié)各類變化, 主要有30.91%和14.10%的有林地、 疏林和灌木林地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。 有林地、 疏林和灌木林地、 草地和裸地的轉(zhuǎn)變幅度較大, 各類生態(tài)用地之間主要呈中低頻度的相互轉(zhuǎn)化,基本處于原面積的20%以下, 這表明在城鎮(zhèn)化進程中, 有林地-耕地-建設(shè)用地間的相互轉(zhuǎn)變較為明顯。 值得一提的是, 耕地和水域面積呈先減后增變化趨勢, 除自然因素外, 如低碳生態(tài)建設(shè)下基本農(nóng)田保護、 濕地保護等推行力度強的社會驅(qū)動促使區(qū)域耕地總量基本不變, 水域面積增長。

3.2 總量變化特征與分區(qū)均衡目標

3.2.1 研究區(qū)碳匯供需估算與分析

本文依據(jù)相關(guān)研究成果[14]在校正研究區(qū)各類生態(tài)用地碳清除系數(shù)與折標準生態(tài)用地系數(shù)的基礎(chǔ)上展開計算。 由表2 可知, 2006—2016 年研究區(qū)碳匯總量減少35.16 萬t, 年均增長率為-2.24%。3 個年份折標準生態(tài)用地分別為2 022.62 km2、1 673.12 km2、 1 603.51 km2。 研究區(qū)有林地的碳匯供給量最大, 平均占總量的37.27%。 各類生態(tài)用地碳匯效能與面積正相關(guān), 在面積一定時從地類考慮, 有林地、 耕地和水域碳匯量較多。

表1 2006—2016 碳匯供給區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表2 碳匯供給區(qū)各類生態(tài)用地碳匯能力及量化

根據(jù)碳氧平衡法結(jié)合研究區(qū)實際情況進行碳排放量估算 (表3), 碳排放量年均增長率2.03%, 呈增長態(tài)勢。 研究區(qū)中化石能源消費為碳排放主導(dǎo)因素, 水泥生產(chǎn)次之, 分別平均占比為93.21%和3.61%, 呼吸作用平均僅占3.18%,與全國碳排放結(jié)構(gòu)近似[15]。 從能源利用在經(jīng)濟生產(chǎn)中的效率看, 3 年的碳強度呈下降趨勢, 分別為1.00、 0.47、 0.27, 說明城市低碳發(fā)展在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級、 技術(shù)改進等方面有所進步。

表3 碳匯需求區(qū)碳排放量

3.2.2 總量平衡貢獻度分析

大氣中碳平衡具有相對性, 因陸地生態(tài)系統(tǒng)承擔區(qū)域1/3 碳匯任務(wù), 引入如下碳平衡系數(shù)(BCc)[16-17]進行度量:

該系數(shù)表示區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)承擔的碳平衡任務(wù), 系數(shù)大于1 表明區(qū)域處于自然生態(tài)與經(jīng)濟發(fā)展良性循環(huán)的碳平衡狀態(tài), 反之則存在一定碳缺口。 表4 反映了研究區(qū)碳匯和生態(tài)用地供需的變化與總量平衡的貢獻度情況, 二者的供給能力呈現(xiàn)為下降趨勢, 其生態(tài)用地平均約占全市碳平衡貢獻度的15.23%, 3 年的碳平衡系數(shù)均小于1。 因此, 除研究區(qū)碳匯效能提升之外, 實現(xiàn)供需平衡首先應(yīng)探索碳平衡目標下的區(qū)域系統(tǒng)責任層級問題, 并需結(jié)合節(jié)能減排以期實現(xiàn)區(qū)域相對碳平衡。

表4 研究區(qū)碳平衡效能變化

3.2.3 分區(qū)碳平衡變化及均衡目標

根據(jù)總量關(guān)系和對應(yīng)基本生態(tài)控制線規(guī)劃的分區(qū)平衡情況與目標, 進行各區(qū)差異化界定。 除新洲區(qū)外, 各區(qū)生態(tài)用地供給(圖4) 均呈減少趨勢, 其中黃陂區(qū)、 漢南區(qū)后期略有回升。 供給年均負增長率大于3%的區(qū)域中, 漢南區(qū)＞江夏區(qū)＞蔡甸區(qū)。

圖4 各區(qū)標準生態(tài)用地供給變化

根據(jù)《武漢市碳排放達峰行動計劃》中區(qū)域碳排責任進行分區(qū)合并與碳排放量近似分配,為統(tǒng)計一致將化工區(qū)和東湖區(qū)歸入東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)。 結(jié)合分區(qū)碳匯量計算得到各區(qū)碳平衡系數(shù)變化情況(表5),2006—2016 年,各區(qū)自身碳平衡能力減弱,其中新洲區(qū)先減后略增,黃陂區(qū)減弱后基本趨于不變。 2006 年實現(xiàn)自身碳平衡的區(qū)域分別有蔡甸區(qū)、江夏區(qū)、東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)(化工區(qū)),其中最后者于2011 年仍處于碳平衡狀態(tài),供給近乎需求的2 倍。2016 年,各區(qū)平衡能力為蔡甸區(qū)＞江夏區(qū)＞東西湖區(qū)＞黃陂區(qū)＞東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)(化工區(qū))＞經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)(漢南區(qū))＞新洲區(qū)。

表5 各區(qū)碳平衡系數(shù)變化

分區(qū)定位目標在協(xié)同自然稟賦與經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)上, 引入碳排放經(jīng)濟貢獻系數(shù)(ECC)[18]與碳匯承載系數(shù)(CSSC)[14], 以2016 年為基準進行衡量。 當指標值＞1 時, 表明該區(qū)經(jīng)濟或碳匯貢獻度大于碳排放責任度, 能源利用效率較高或碳匯效能較高, 反之, 指標值＜1 則表明區(qū)域自身碳排放將增大其他區(qū)域負荷(圖5)。 可將各區(qū)分為兩類: 1) 碳匯平衡區(qū)(指對分區(qū)均衡的貢獻度與實現(xiàn)總量平衡的潛力更高), 兩項指標均大于1, 除新洲區(qū)以外的6 區(qū)。 區(qū)域經(jīng)濟與生態(tài)較為協(xié)調(diào), 應(yīng)采取節(jié)能減排提高能源利用效率, 同時重視生態(tài)用地保護與效能提升。 值得一提的是, 此處“碳平衡” 指該區(qū)域?qū)Ψ謪^(qū)均衡的貢獻度與實現(xiàn)總量平衡的潛力更高。 2) 碳匯功能區(qū), ECC＜1, 而CSSC＞1, 僅新洲區(qū)。 此時區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展較落后, 但自身碳匯效能較好, 應(yīng)避免經(jīng)濟發(fā)展影響生態(tài)用地功能。

圖5 分區(qū)碳效應(yīng)指標

3.3 目標年碳匯需求量預(yù)測

基于武漢市2001—2016 年社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù), 采用相應(yīng)模型法預(yù)測2020 年碳排放量與生態(tài)用地需求量。 其中化石能源消費量使用《武漢市能源發(fā)展“十三五” 規(guī)劃》 能源消費總量目標數(shù)據(jù), 人口、 牛、 豬數(shù)目分別取綜合增長率法與灰色GM (1, 1) 模型預(yù)測的平均值, 水泥產(chǎn)量構(gòu)建曲線估計對數(shù)模型得到。 由表6 數(shù)據(jù)推算可知,2020 年碳匯需求量1458.21 萬t。

表6 2020 年碳排放量預(yù)測

4 碳平衡視角下的生態(tài)控制區(qū)調(diào)控策略

1) 總量控制。 確定碳平衡目標, 結(jié)合碳匯效能與協(xié)同區(qū)域經(jīng)濟效益差異是優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu),并對各生態(tài)用地進行分類優(yōu)化的基礎(chǔ)。 2016 年研究區(qū)占總面積19.6%的生態(tài)用地實現(xiàn)12.7%的碳匯需求, 而2020 目標年碳平衡情景下1458.21 萬t 的需求實現(xiàn)需在減排基礎(chǔ)上對農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和城市綠地進行充分挖潛。 須注意的是碳平衡并非單一尺度的低碳發(fā)展目標, 區(qū)域系統(tǒng)碳循環(huán)具有復(fù)雜性、 不確定性、 空間異質(zhì)性和開放性等特征。 結(jié)合本文研究結(jié)果, 說明探索碳平衡目標下的區(qū)域系統(tǒng)層級問題,以及明確武漢市域和生態(tài)控制區(qū)的責任閾值是實現(xiàn)區(qū)域總量控制及后續(xù)研究的重點。

2) 空間優(yōu)化。 構(gòu)建總體生態(tài)框架, 保障生態(tài)控制范圍。 遵循生態(tài)優(yōu)先、 城鄉(xiāng)統(tǒng)籌原則落實城市總規(guī)建構(gòu)的“兩環(huán)兩軸、 六楔入城” 總體生態(tài)框架, 推進主城和外部都市發(fā)展區(qū)間城市生態(tài)帶及生態(tài)控制區(qū)內(nèi)嵌入的新城組團間6 大生態(tài)綠楔建設(shè), 二者相協(xié)構(gòu)成環(huán)楔結(jié)合的生態(tài)格局。 強化空間剛性保護與彈性生長, 積極地分層次引導(dǎo)邊界管控。

3) 效能提升。 明確分區(qū)差別化調(diào)控, 增匯與減排并舉。 根據(jù)研究區(qū)分區(qū)分析, 碳匯平衡區(qū)中, 供給能力相對較好的蔡甸區(qū)、 江夏區(qū)、 東西湖區(qū)和黃陂區(qū)有林地和水域(濕地) 較多, 其中黃陂區(qū)和東西湖區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件好, 耕地面積多。因此, 它們應(yīng)提高林分質(zhì)量, 恢復(fù)及保護山林,嚴控圍湖造田, 保持及恢復(fù)水位過程和改善水域環(huán)境, 黃陂、 東西湖區(qū)還應(yīng)重點保護耕地, 推廣保護性耕作技術(shù)和合理施肥管理措施： 供給能力次之的東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)(化工區(qū)) 和經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)(漢南區(qū)) 是市域工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展聚集區(qū),二者有林地和水域較多, 因此在提升生態(tài)用地碳匯效能的同時, 應(yīng)重視能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 通過市場機制篩減高耗能企業(yè), 促進建設(shè)用地集約利用以節(jié)能減排： 碳匯功能區(qū)新洲區(qū)經(jīng)濟發(fā)展相對滯后,在發(fā)展經(jīng)濟時應(yīng)注意主要生態(tài)用地有林地、 耕地和水域的保護。

4) 政策保障。 完善空間管制途徑, 協(xié)同相關(guān)保障舉措。 強化生態(tài)管控措施, 通過完善法制建設(shè)、 健全監(jiān)督管理體系、 促進各部門協(xié)調(diào)合作等更加積極地實施保障[18]。

此外, 本文研究結(jié)果有待進一步發(fā)展, 碳平衡目標下的區(qū)域系統(tǒng)責任問題及分區(qū)生態(tài)用地數(shù)量和空間結(jié)構(gòu)調(diào)控方法是進一步研究的方向。