路 昌,王之語(yǔ)

基于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的黃河三角洲碳代謝分析

路 昌*,王之語(yǔ)

(山東建筑大學(xué)管理工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101)

為深入探討黃河三角洲碳代謝生態(tài)關(guān)系與國(guó)土空間利用的內(nèi)在聯(lián)系,為國(guó)土空間格局調(diào)整和綠色發(fā)展提供參考,構(gòu)建“生態(tài)-農(nóng)業(yè)-城鎮(zhèn)”空間分類(lèi)體系,利用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析模型(ENA)對(duì)黃河三角洲2000～2020年的碳代謝過(guò)程進(jìn)行分析,并運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓和生態(tài)關(guān)系變化率(ERCR)評(píng)價(jià)各空間之間的生態(tài)關(guān)系時(shí)空分布和變化特征.結(jié)果表明,黃河三角洲2000～2015年生態(tài)空間被農(nóng)業(yè)空間占用等現(xiàn)象頻發(fā),碳代謝呈紊亂局面,2015年后正碳流顯著提高,碳代謝趨于平衡;研究區(qū)主導(dǎo)生態(tài)關(guān)系為競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,碳代謝生態(tài)沖突較為強(qiáng)烈,2015年后西北地區(qū)互惠共生關(guān)系逐漸增多,國(guó)土空間演變重點(diǎn)區(qū)域由南向北轉(zhuǎn)變;研究區(qū)大部分生態(tài)關(guān)系變化率滿足ERCR>0,生態(tài)關(guān)系規(guī)模增減與空間轉(zhuǎn)移面積的變化趨勢(shì)一致.說(shuō)明黃河三角洲國(guó)土空間仍有不合理利用現(xiàn)象,碳代謝壓力尚存,需進(jìn)一步優(yōu)化國(guó)土空間格局,促進(jìn)綠色發(fā)展.

“生態(tài)-農(nóng)業(yè)-城鎮(zhèn)”空間；碳代謝；生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析模型；生態(tài)關(guān)系變化率；黃河三角洲

綠色、低碳的發(fā)展方式既是習(xí)近平生態(tài)文明思想的主要內(nèi)容,也是貫徹新發(fā)展理念、推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展的必經(jīng)之路[1].21世紀(jì)以來(lái),城鎮(zhèn)化進(jìn)程快步推進(jìn),城市面積不斷擴(kuò)張,國(guó)土空間利用方式的變化帶來(lái)了極其活躍的城市碳代謝過(guò)程.由于“碳源”的增加,“碳匯”的有限,溫室氣體逐漸增多,全球變暖問(wèn)題愈演愈烈,生態(tài)環(huán)境面臨著前所未有的挑戰(zhàn),氣候異常甚至伴隨嚴(yán)重的蟲(chóng)災(zāi),導(dǎo)致全球糧食產(chǎn)量下降[2-3].因此,探尋國(guó)土空間利用與碳代謝的聯(lián)系,優(yōu)化國(guó)土空間格局,對(duì)于生態(tài)環(huán)境的治理維護(hù)和發(fā)展方式“綠色轉(zhuǎn)型”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義.

“碳代謝”是指碳在生物圈、大氣及城市系統(tǒng)的不同部分之間流動(dòng),包括碳的吸收和排放[4].學(xué)術(shù)界通過(guò)建立定量模型的方法對(duì)碳代謝及相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了廣泛的研究.Sovacool等[5]和Karakiewicz等[6]最早將碳作為單一研究對(duì)象,并與“代謝”概念結(jié)合研究城市碳代謝過(guò)程,但其研究?jī)H局限于基礎(chǔ)的流量分析;直到Patten和Fath等[7-8]提出并推廣的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析(ENA)模型被應(yīng)用到碳代謝研究領(lǐng)域,為其復(fù)雜的機(jī)理過(guò)程提供了網(wǎng)絡(luò)視角的分析方法;Zhang和Xia等[9-10]將土地利用引入碳代謝研究,運(yùn)用ENA模型分析了土地利用/覆被變化與碳代謝的關(guān)聯(lián)性,將碳代謝的理論分析與土地實(shí)際結(jié)合,提出了研究碳減排問(wèn)題的新視角.

過(guò)往研究對(duì)于碳代謝過(guò)程與“生態(tài)-農(nóng)業(yè)-城鎮(zhèn)”空間體系下的國(guó)土空間利用相關(guān)研究較少,且對(duì)碳代謝生態(tài)關(guān)系與國(guó)土空間演變的動(dòng)態(tài)分析有所欠缺[11].本研究以黃河三角洲為研究區(qū),構(gòu)建“生態(tài)-農(nóng)業(yè)-城鎮(zhèn)”空間分類(lèi)體系,對(duì)其2000～2020年由于國(guó)土空間變化而產(chǎn)生的碳代謝過(guò)程進(jìn)行深入分析,對(duì)碳代謝生態(tài)關(guān)系的時(shí)空分布和變化特征作探討和研究,為黃河三角洲國(guó)土空間格局優(yōu)化提出科學(xué)指導(dǎo)和理論依據(jù),為其生產(chǎn)生活方式“綠色轉(zhuǎn)型”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供參考.

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河三角洲(117°31′E～119°18′E,36°55′N(xiāo)～ 38°16′N(xiāo))(圖1)位于渤海灣南岸和萊州灣西岸,與日本、韓國(guó)隔海相望,北接京津唐經(jīng)濟(jì)區(qū),南連山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū),向西輻射廣大內(nèi)陸地區(qū),是環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要節(jié)點(diǎn)、山東半島城市群的重要組成部分,處于連接中原經(jīng)濟(jì)區(qū)與東北經(jīng)濟(jì)區(qū)、京津唐經(jīng)濟(jì)區(qū)與膠東半島經(jīng)濟(jì)區(qū)的樞紐位置[12].本研究選取東營(yíng)市的東營(yíng)區(qū)、河口區(qū)、墾利區(qū)和利津縣為研究區(qū),總面積約為6360km2.研究區(qū)屬典型的暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,雨熱同季,多年平均氣溫均大于10℃,多年平均降水量約為585mm.研究區(qū)地處環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈,社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)動(dòng)能明顯加強(qiáng),國(guó)土空間供需矛盾日益加劇,社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)失衡,對(duì)區(qū)域人地關(guān)系的調(diào)節(jié)與優(yōu)化刻不容緩[13].

圖1 研究區(qū)位置示意

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所使用的空間數(shù)據(jù)為中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/)獲取的中國(guó)多時(shí)期土地利用土地覆被遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集(CNLUCC)[14],空間分辨率為30m×30m.研究區(qū)人口、農(nóng)業(yè)、能源等數(shù)據(jù)來(lái)源于2001年、2006年、2011年、2016年及2021年的《東營(yíng)統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)縣域統(tǒng)計(jì)年鑒(縣市篇)》,工業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)葦?shù)據(jù)來(lái)源于東營(yíng)市各年度各區(qū)縣的國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)以及中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部網(wǎng)站(https://www.mot.gov.cn/).對(duì)于部分缺失和異常的能源數(shù)據(jù)和港口吞吐量數(shù)據(jù)采用插值的方法進(jìn)行了補(bǔ)齊和修正.

1.3 研究方法

選取黃河三角洲作為研究區(qū),基于已有研究構(gòu)建“生態(tài)-農(nóng)業(yè)-城鎮(zhèn)”空間分類(lèi)體系,對(duì)研究區(qū)2000～2020年的國(guó)土空間變化產(chǎn)生的碳代謝過(guò)程利用ENA模型進(jìn)行分析,研究不同國(guó)土空間之間的生態(tài)關(guān)系,評(píng)價(jià)不同國(guó)土空間相互轉(zhuǎn)移對(duì)研究區(qū)碳代謝的綜合作用情況,并利用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓和生態(tài)關(guān)系變化率分析各類(lèi)生態(tài)關(guān)系的時(shí)空分布和變化特征(圖2).

圖2 研究框架

1.3.1 構(gòu)建“生態(tài)-農(nóng)業(yè)-城鎮(zhèn)”空間分類(lèi)體系 對(duì)國(guó)土空間依據(jù)其利用方式進(jìn)行分類(lèi),可以反映人類(lèi)活動(dòng)對(duì)國(guó)土利用的影響作用,有助于國(guó)土空間利用管理和科研工作的開(kāi)展.對(duì)于某一地域空間來(lái)說(shuō),其在功能上具有多宜性,但總歸有一種用途發(fā)揮著主導(dǎo)作用,這種主導(dǎo)作用一般是依據(jù)空間利用主體的主觀意愿所確定的.因此以人類(lèi)活動(dòng)對(duì)于國(guó)土空間功能的依賴性和差異性為基礎(chǔ),結(jié)合十八大提出的國(guó)土空間“三生”(生態(tài)、生產(chǎn)、生活)發(fā)展目標(biāo)和中共中央、國(guó)務(wù)院提出的“三區(qū)”(生態(tài)、農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)區(qū))劃定要求[15],并考慮數(shù)據(jù)的可獲得性,劃分出黃河三角洲的“生態(tài)-農(nóng)業(yè)-城鎮(zhèn)”空間分類(lèi)體系(表1).考慮到研究區(qū)分布大量鹽田,根據(jù)2020年自然資源部辦公廳印發(fā)的《國(guó)土空間調(diào)查、規(guī)劃、用途管制用地用海分類(lèi)指南(試行)》將其歸為工礦用地,屬于其他建設(shè)用地,故在本研究的“生態(tài)-農(nóng)業(yè)-城鎮(zhèn)”空間分類(lèi)體系中劃分為城鎮(zhèn)建設(shè)空間.

表1 黃河三角洲“生態(tài)-農(nóng)業(yè)-城鎮(zhèn)”空間分類(lèi)體系

1.3.2 碳代謝計(jì)算 碳代謝計(jì)算主要包括對(duì)國(guó)土空間利用變化過(guò)程中產(chǎn)生的碳吸收量、碳排放量及碳流量進(jìn)行計(jì)算.目前學(xué)術(shù)界尚無(wú)統(tǒng)一核算方法,本研究采用碳轉(zhuǎn)化系數(shù)法[16]進(jìn)行計(jì)算.

(1)碳吸收量.對(duì)國(guó)土空間碳吸收量的計(jì)算就是對(duì)“碳匯”的碳吸收量進(jìn)行計(jì)算.基于黃河三角洲的國(guó)土空間分類(lèi)體系,需要考慮其碳吸收量的國(guó)土空間類(lèi)型包括:林業(yè)生態(tài)空間、草地生態(tài)空間、水域生態(tài)空間、其他生態(tài)空間和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間.計(jì)算公式為:

式中:為碳吸收量;為國(guó)土空間面積;為碳吸收系數(shù)[17-18](表2).

表2 各類(lèi)空間碳吸收系數(shù)(t/hm2)

(2)碳排放量.碳排放量的計(jì)算是研究碳代謝過(guò)程的重要環(huán)節(jié),本研究的碳排放量主要考慮對(duì)具有顯著碳排放過(guò)程的國(guó)土空間類(lèi)型進(jìn)行計(jì)算,包括:水域生態(tài)空間、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、農(nóng)村生活空間和城鎮(zhèn)建設(shè)空間.其中水域生態(tài)空間參考舒心等[19]的研究成果,選取東營(yíng)港的港口吞吐量為計(jì)算指標(biāo);農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間考慮各種農(nóng)業(yè)活動(dòng)中產(chǎn)生的機(jī)械能耗和能源消耗,選取農(nóng)機(jī)能耗量、灌溉面積、農(nóng)用柴油量、農(nóng)業(yè)用電量、化肥施用量、農(nóng)膜使用量、農(nóng)藥使用量和水稻種植面積作為計(jì)算指標(biāo),考慮研究區(qū)的主要作物為小麥和玉米,相關(guān)研究[20]表明,小麥和玉米光合作用所消耗的CO2遠(yuǎn)大于呼吸作用排出的CO2,一般不會(huì)引起CO2濃度增加,因此本研究不考慮小麥和玉米種植的碳排放量;農(nóng)村生活空間考慮農(nóng)村居民的生活能耗和呼吸帶來(lái)的碳排放,以及農(nóng)村居民在飼養(yǎng)家畜過(guò)程中產(chǎn)生的代謝形成的碳排放,選取農(nóng)村居民的生活用電量、家用天然氣量、家用液化石油氣量、農(nóng)村居民人口數(shù)以及豬、牛、羊、家禽的飼養(yǎng)量為計(jì)算指標(biāo);城鎮(zhèn)建設(shè)空間考慮城鎮(zhèn)居民的日常生活能耗和呼吸帶來(lái)的碳排放,以及工業(yè)生產(chǎn)消耗能源所產(chǎn)生的碳排放量,選取計(jì)算指標(biāo)為城鎮(zhèn)居民的生活用電量、家用天然氣量、家用液化石油氣量、城鎮(zhèn)居民人口數(shù)、汽車(chē)年行駛里程[21]以及各種工業(yè)能源消耗量.計(jì)算公式為:

式中:WE為水域生態(tài)空間碳排放量;PT為東營(yíng)港港口吞吐量;PT為港口吞吐的碳排放系數(shù);AP為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間碳排放量;K(=AM, IA, AD, AE, CF, AF, AC)為對(duì)應(yīng)的碳排放系數(shù);AM為農(nóng)機(jī)能耗量;IA為灌溉面積;AD為農(nóng)用柴油量;AE為農(nóng)業(yè)用電量;CF為化肥施用量;AF為農(nóng)膜使用量;AC為農(nóng)藥使用量;RC為水稻種植面積;RL為農(nóng)村生活空間碳排放量;K(=CE, CN, CG, CP)為對(duì)應(yīng)的碳排放系數(shù);CE為農(nóng)村居民生活用電量;CN為農(nóng)村居民家庭用天然氣量;CG為農(nóng)村居民家庭用液化石油氣量;CP為農(nóng)村居民人口;1,2,3,4分別為豬、牛、羊、家禽的飼養(yǎng)量;B和E為對(duì)應(yīng)家畜的呼吸和排泄的碳排放系數(shù)(=1, 2, 3, 4);UB為城鎮(zhèn)建設(shè)空間碳排放量;K(=UE, UN, UG, UP, SV, OV)為對(duì)應(yīng)的碳排放系數(shù);UE為城鎮(zhèn)居民生活用電量;UN為城鎮(zhèn)居民家庭用天然氣量;UG為城鎮(zhèn)居民家庭用液化石油氣量;UP為城鎮(zhèn)居民人口;SV和OV分別為為小型車(chē)輛和大型車(chē)輛年行駛里程;P為各種工業(yè)能源消耗量;K為對(duì)應(yīng)的工業(yè)能源的碳排放系數(shù)(=1, 2, ..., 13).

以上所用碳排放系數(shù)(表3)等數(shù)據(jù)主要參考了文獻(xiàn)[4,19,22-25]的結(jié)果,以及IPCC (https://www. ipcc-nggip.iges.or.jp/)和中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部(https://www.mee.gov.cn/)所提供的數(shù)據(jù).

表3 各類(lèi)空間相關(guān)指標(biāo)碳排系數(shù)

續(xù)表3

(3)碳流量.參考李晶等[26]的研究方法,定義單位面積的凈碳排放量為凈碳代謝密度,以此量化不同空間的碳代謝能力,借助碳代謝密度差和國(guó)土空間轉(zhuǎn)移面積衡量國(guó)土空間變化過(guò)程中產(chǎn)生的碳流量及其方向.計(jì)算公式為:

式中:Δ是碳代謝密度差;W和W分別表示空間和的凈碳代謝密度;V和V分別表示空間和的凈碳排放量;a和a分別表示空間和的面積;f表示從空間向空間流動(dòng)的碳流量;Δa表示空間向空間轉(zhuǎn)移的面積.一般地,f>0表示正碳流,說(shuō)明碳代謝趨于平衡;f<0表示負(fù)碳流,說(shuō)明碳代謝趨于紊亂.

1.3.3 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析模型 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析(ENA)模型廣泛應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)與資源利用領(lǐng)域研究[27-28],它定量地描述了生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)分室之間的物質(zhì)能量流動(dòng)以及相互關(guān)系[10],包括流量分析和效用分析[29-30].本研究利用ENA模型描述國(guó)土空間碳代謝生態(tài)關(guān)系,反映兩類(lèi)空間之間的碳代謝空間分布特征和相互作用關(guān)系.

(1)流量和效用分析.通過(guò)構(gòu)造直接效用矩陣和整體效用矩陣來(lái)完整反映空間之間直接和間接的碳代謝關(guān)系[9].計(jì)算公式為:

式中:為直接效用矩陣;f表示從空間向空間流動(dòng)的碳流量;T表示空間的碳通量;為整體效用矩陣;為單位矩陣.

(2)生態(tài)關(guān)系判定.將整體效用矩陣的元素正負(fù)號(hào)作為元素,定義符號(hào)矩陣sgn()來(lái)定性判斷空間之間的相互作用關(guān)系,通常有互惠共生(+, +),競(jìng)爭(zhēng)(-, -),掠奪(+, -)和限制(-, +)這4種關(guān)系.其中,互惠共生關(guān)系表示兩空間相互作用過(guò)程中均增加了效用;競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系則表示兩空間相互作用過(guò)程中均損失了效用;掠奪關(guān)系與限制關(guān)系總是“捆綁”出現(xiàn),當(dāng)一類(lèi)空間利用另一類(lèi)空間增加了效用,使得另一空間效用損失,則這一空間對(duì)于另一空間表現(xiàn)為掠奪關(guān)系,相應(yīng)的另一類(lèi)空間對(duì)其則表現(xiàn)為限制關(guān)系[31].

1.3.4 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓(SDE)在描述空間數(shù)據(jù)分布特征方面具有廣泛應(yīng)用[32].本研究利用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓扁率進(jìn)行全局分析,以反映研究區(qū)各生態(tài)關(guān)系空間分布的離散程度和方向性[33].標(biāo)準(zhǔn)差橢圓扁率的計(jì)算公式為:

式中:為標(biāo)準(zhǔn)差橢圓扁率;和分別為標(biāo)準(zhǔn)差橢圓長(zhǎng)軸和短軸.通常越大,空間分布軸線性越明顯,方向性就越顯著;反之,則分布特征越離散.

1.3.5 生態(tài)關(guān)系變化分析 通過(guò)對(duì)比不同研究期及時(shí)段間兩空間演變的各生態(tài)關(guān)系數(shù)量和空間分布,直觀反映不同時(shí)段兩空間演變的主導(dǎo)生態(tài)關(guān)系類(lèi)型及生態(tài)關(guān)系變化情況;同時(shí)參考城市擴(kuò)展速率[34]的概念,構(gòu)建生態(tài)關(guān)系變化率(ERCR),用以描述不同時(shí)段兩空間演變的生態(tài)關(guān)系變化情況,反映生態(tài)關(guān)系與國(guó)土空間演變的動(dòng)態(tài)關(guān)系.生態(tài)關(guān)系變化率ERCR的計(jì)算公式為:

式中:ΔERA為第(=1, 2, 3, 4)種生態(tài)關(guān)系分布面積的變化量;Δ2S為空間與空間(和分別為生態(tài)空間、農(nóng)業(yè)空間、城鎮(zhèn)空間中不同的兩類(lèi))相互轉(zhuǎn)移面積在某一時(shí)段的變化量;ERA(t)和ERA(t+1)表示第種生態(tài)關(guān)系分別在研究期和+1的分布面積;ΔS(t)和ΔS(t+1)表示空間與空間在研究期和+1的相互轉(zhuǎn)移面積(即空間向空間轉(zhuǎn)移的面積與空間向空間轉(zhuǎn)移的面積之和);Δa(t)表示研究期空間向空間轉(zhuǎn)移的面積(Δa(t)同理).

由于空間之間的生態(tài)關(guān)系是基于國(guó)土空間變化引起的碳流而存在的,即每一研究期四種生態(tài)關(guān)系的分布面積總和與這一時(shí)期國(guó)土空間相互轉(zhuǎn)移的總面積是相等的(公式12),這使得每?jī)深?lèi)國(guó)土空間的四種生態(tài)關(guān)系的ERCR在每一時(shí)段和為1.一般地,ERCR<0表示該生態(tài)關(guān)系分布面積變化方向與國(guó)土空間相互轉(zhuǎn)移面積的變化方向不一致, ERCR>0表示該生態(tài)關(guān)系分布面積變化方向與國(guó)土空間相互轉(zhuǎn)移面積的變化方向一致.一種生態(tài)關(guān)系ERCR的正負(fù)往往受到其他生態(tài)關(guān)系ERCR的影響,這與國(guó)土空間變化方式及其引起的碳代謝特征密切相關(guān).

2 結(jié)果與分析

2.1 碳代謝時(shí)空演變

利用ArcMap 10.6獲取研究區(qū)4個(gè)研究時(shí)段的碳代謝強(qiáng)度及分布情況.2000～2005年(圖3(a)),大部分空間轉(zhuǎn)移所帶來(lái)的均是較強(qiáng)的負(fù)碳流,主要集中在研究區(qū)西北部和東部區(qū)域,來(lái)源于城鎮(zhèn)建設(shè)空間的緩慢擴(kuò)張和草地生態(tài)空間向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間的轉(zhuǎn)移,研究區(qū)整體正負(fù)碳流比約為1:35.97.2005～2010年(圖3(b)),負(fù)碳流的區(qū)域和強(qiáng)度均有所增加,增加的區(qū)域主要分布在研究區(qū)北部、東部和中南部,其中北部和中南部的新增負(fù)碳流主要來(lái)源于河口區(qū)和東營(yíng)區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)空間的快速擴(kuò)張,東部地區(qū)的新增負(fù)碳流主要集中在黃河三角洲自然保護(hù)區(qū),該區(qū)域草地生態(tài)空間向水域生態(tài)空間轉(zhuǎn)移,國(guó)土空間碳吸收能力變?nèi)?正碳流明顯增加,主要源于“退耕還濕,退農(nóng)還灘”政策,整體正負(fù)碳流比約為1:3.72.2010～ 2015年(圖3(c)),碳流分布零星且正負(fù)碳流都較弱,負(fù)碳流強(qiáng)度下降顯著,僅為上一研究期的5.38%,整體正負(fù)碳流比約為1:12.08.2015～2020年(圖3(d)),正碳流顯著增多,主要分布在研究區(qū)北部的河口區(qū),該區(qū)域?qū)嵤竦乇Ｗo(hù)修復(fù)工作,大量城鎮(zhèn)建設(shè)空間向水域生態(tài)空間轉(zhuǎn)移,形成的正碳流為研究期總正碳流的98.73%,整體正負(fù)碳流比約為1:0.18.

整體來(lái)看,2000～2015年,黃河三角洲主要注重經(jīng)濟(jì)發(fā)展,著力于城鎮(zhèn)建設(shè)空間的擴(kuò)張,國(guó)土空間演變以消極方式為主,對(duì)黃河流域的生態(tài)治理不足以抵消其帶來(lái)的負(fù)碳流,研究區(qū)整體碳代謝紊亂; 2015～2020年,研究區(qū)更加注重生態(tài)安全問(wèn)題,改變了之前消極的國(guó)土空間轉(zhuǎn)移方式,提高了水域生態(tài)空間的碳匯作用,研究區(qū)逐漸趨于碳代謝平衡(圖4).

圖3 2000～2020年黃河三角洲碳代謝空間分布

圖4 2000～2020年黃河三角洲碳代謝變化情況

2.2 生態(tài)關(guān)系判定及空間分布

2.2.1 生態(tài)關(guān)系判定 通過(guò)ENA模型對(duì)黃河三角洲4個(gè)研究期的國(guó)土空間碳代謝進(jìn)行流量及效用核算,借助笛卡爾坐標(biāo)系4個(gè)象限的符號(hào)組合進(jìn)行描述,得到其國(guó)土空間碳代謝生態(tài)關(guān)系判定結(jié)果(圖5).從數(shù)量上看,在4個(gè)研究期中占據(jù)主導(dǎo)地位的生態(tài)關(guān)系是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,占生態(tài)關(guān)系總數(shù)量的29.77%,其中2000～2005年占比最大,達(dá)到38.10%(表4),表明黃河三角洲在研究期內(nèi)不同空間類(lèi)型之間的碳代謝沖突比較強(qiáng)烈;而互惠共生關(guān)系、掠奪關(guān)系和限制關(guān)系在整個(gè)研究期內(nèi)總體占比平衡,分別占23.81%、23.21%和23.21%.

圖5 2000～2020年黃河三角洲碳代謝生態(tài)關(guān)系判定

表4 碳代謝生態(tài)關(guān)系數(shù)量結(jié)構(gòu)(%)

2.2.2 生態(tài)關(guān)系空間分布 利用ArcMap 10.6將黃河三角洲4期的國(guó)土空間碳代謝生態(tài)關(guān)系空間可視化.2000～2005年(圖6(a)),掠奪關(guān)系主要分布于研究區(qū)北部和東部地區(qū),1.96萬(wàn)hm2的其他生態(tài)空間向水域生態(tài)空間轉(zhuǎn)移,而同期水域生態(tài)空間向其他生態(tài)空間轉(zhuǎn)移僅為170.46hm2,由于兩空間碳匯能力相差不大,因此水域生態(tài)空間獲得了更多的碳儲(chǔ)量,而其他生態(tài)空間失去碳儲(chǔ)量,從而形成了掠奪、限制關(guān)系.掠奪關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)差橢圓扁率為0.21(表5),軸線特征較弱,分布較為均衡.2005～2010年(圖6(b)),互惠共生關(guān)系居主導(dǎo)地位,主要分布在墾利區(qū)北部和南部、東營(yíng)區(qū)北部以及河口區(qū)中部.互惠共生關(guān)系主要存在于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間和其他生態(tài)空間之間,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間產(chǎn)生的碳排放被其他生態(tài)空間所吸收,碳排放壓力的緩解有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),二者形成互惠共生關(guān)系.互惠共生關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)差橢圓扁率為0.60,軸線特征較為明顯,主要為“西南-東北”分布.2010～2015年(圖6(c)),出現(xiàn)了國(guó)土空間“單向轉(zhuǎn)移”現(xiàn)象,如林業(yè)生態(tài)空間向城鎮(zhèn)建設(shè)空間單向轉(zhuǎn)移,碳排放量大增,碳匯能力銳減,使得掠奪關(guān)系占主導(dǎo)地位.掠奪關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)差橢圓扁率較大,呈“東南-西北”分布.2015～2020年(圖6(d)),互惠共生關(guān)系分布最廣,主要分布于河口區(qū)北部,這源于河口區(qū)進(jìn)行的濕地修復(fù)以及鹽田養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的調(diào)整,大規(guī)模城鎮(zhèn)建設(shè)空間轉(zhuǎn)移為水域生態(tài)空間,碳排放量相對(duì)減少,新增的水域生態(tài)空間也成為了能力顯著的“碳匯”.互惠共生關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)差橢圓扁率為0.44,大致呈“西南-東北”分布.

圖6 2000～2020年黃河三角洲生態(tài)關(guān)系空間分布

表5 生態(tài)關(guān)系空間分布SDE扁率(α)

2.3 生態(tài)關(guān)系變化分析

從“生態(tài)-農(nóng)業(yè)-城鎮(zhèn)”國(guó)土空間彼此的轉(zhuǎn)移過(guò)程看,生態(tài)空間與農(nóng)業(yè)空間在2000～2005年為互惠共生關(guān)系主導(dǎo)(圖7(a)),隨后互惠共生關(guān)系占比持續(xù)下降,競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系逐漸居于主導(dǎo)地位.通過(guò)生態(tài)關(guān)系變化率的計(jì)算,生態(tài)空間與農(nóng)業(yè)空間的4類(lèi)生態(tài)關(guān)系除競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系外在三個(gè)時(shí)段(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)大多呈現(xiàn)ERCR>0的特點(diǎn)(表6),這說(shuō)明互惠共生關(guān)系、掠奪關(guān)系和限制關(guān)系的分布規(guī)模變化與兩類(lèi)空間的轉(zhuǎn)移面積變化基本呈現(xiàn)正向關(guān)系;而競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系在時(shí)段Ⅰ、Ⅱ的ERCR值為負(fù),這主要因?yàn)檗r(nóng)業(yè)空間向生態(tài)空間轉(zhuǎn)移的規(guī)模較大,兩空間的掠奪和限制關(guān)系顯著,但對(duì)碳儲(chǔ)量的爭(zhēng)奪未達(dá)到抗衡狀態(tài),反映為競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系分布減少.

生態(tài)空間與城鎮(zhèn)空間前期以競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系為主,在2010～2015年為掠奪關(guān)系主導(dǎo)(圖7(b)),這是由于二者的碳代謝“角色”特征鮮明,生態(tài)空間向城鎮(zhèn)空間的轉(zhuǎn)移實(shí)質(zhì)就是城鎮(zhèn)空間對(duì)生態(tài)空間碳儲(chǔ)量的掠奪.2010年后,城鎮(zhèn)空間發(fā)展占用生態(tài)空間的現(xiàn)象有所改善,互惠共生關(guān)系開(kāi)始出現(xiàn),到2015～2020年,隨著河口區(qū)的濕地修復(fù)使大面積城鎮(zhèn)空間轉(zhuǎn)移為生態(tài)空間,互惠共生關(guān)系也發(fā)展為主導(dǎo)生態(tài)關(guān)系,這也是時(shí)段Ⅲ掠奪關(guān)系和限制關(guān)系ERCR<0的主要原因.

農(nóng)業(yè)空間與城鎮(zhèn)空間都具有一定的負(fù)碳流性質(zhì),因此在2000～2005年為競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系為主(圖7(c)); 2005～2010年,兩類(lèi)空間均向生態(tài)空間有較大面積的轉(zhuǎn)移,使得二者的碳排放量均有所減少,互惠共生關(guān)系居于主要地位,這也使得時(shí)段Ⅰ除互惠共生關(guān)系外,其余生態(tài)關(guān)系的ERCR值均為負(fù);2010～2015年農(nóng)業(yè)空間轉(zhuǎn)移為城鎮(zhèn)空間的規(guī)模遠(yuǎn)大于后者向前者的轉(zhuǎn)移,因此出現(xiàn)大面積掠奪關(guān)系,時(shí)段Ⅱ掠奪關(guān)系的ERCR值為負(fù),這是由于二者面積轉(zhuǎn)移量下降,但掠奪關(guān)系分布面積大量增加;2015～2020年隨著生態(tài)治理的推進(jìn),二者生態(tài)關(guān)系趨于互惠共生,由于在時(shí)段Ⅲ這兩類(lèi)空間的轉(zhuǎn)移面積微弱減少,但互惠共生關(guān)系分布規(guī)模激增,而同時(shí)段競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系和限制關(guān)系的變化不大,這使得掠奪關(guān)系相對(duì)呈現(xiàn)銳減的態(tài)勢(shì),因此出現(xiàn)了互惠共生關(guān)系ERCR=-10.60094和掠奪關(guān)系ERCR=10.90047的現(xiàn)象.

圖7 2000～2020年“生態(tài)-農(nóng)業(yè)-城鎮(zhèn)”空間生態(tài)關(guān)系變化

表6 “生態(tài)-農(nóng)業(yè)-城鎮(zhèn)”空間生態(tài)關(guān)系變化率(ERCR)

3 討論

2021年中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)了《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》,明確指出要“建設(shè)黃河下游綠色生態(tài)走廊,加大黃河三角洲濕地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)修復(fù)力度”.黃河三角洲由于其獨(dú)特的地理位置和生態(tài)特征,在如今的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)發(fā)展中愈發(fā)受到重視,本文對(duì)研究區(qū)近20a的國(guó)土空間變化及其碳代謝特征進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題:(1)生態(tài)空間轉(zhuǎn)移為農(nóng)用現(xiàn)象依然存在,等質(zhì)等量新增生態(tài)空間不到位,導(dǎo)致生態(tài)空間萎縮,增加區(qū)域碳代謝壓力;(2)生態(tài)修復(fù)多集中在北部河口區(qū),東部和南部相對(duì)較少,生態(tài)關(guān)系改善區(qū)主要位于西北地區(qū),其他地區(qū)碳代謝壓力猶存,碳代謝平衡區(qū)域較為集中;(3)“單向轉(zhuǎn)移”現(xiàn)象頻發(fā),掠奪和限制關(guān)系仍殘存于部分空間之間,對(duì)綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展存在一定的阻力影響.基于這些問(wèn)題提出以下建議:(1)科學(xué)合理地修改和完善國(guó)土空間規(guī)劃,堅(jiān)持對(duì)黃河三角洲生態(tài)空間有效利用和持續(xù)修復(fù),盡量避免農(nóng)業(yè)空間與生態(tài)空間進(jìn)出不平衡現(xiàn)象,調(diào)節(jié)生態(tài)空間與其他空間的協(xié)調(diào)發(fā)展,改善其生態(tài)脆弱問(wèn)題,提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能;(2)堅(jiān)持城鎮(zhèn)建設(shè)空間綠色低碳發(fā)展,實(shí)行生產(chǎn)生活方式“綠色轉(zhuǎn)型”,調(diào)和鹽田養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)與濕地生態(tài)系統(tǒng)的矛盾,加強(qiáng)區(qū)域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度與資源環(huán)境承載力之間的耦合[35],以實(shí)現(xiàn)“生態(tài)-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)”效益最大化,達(dá)到人地關(guān)系協(xié)調(diào)發(fā)展;(3)建立并完善生態(tài)發(fā)展監(jiān)管體系和制度,劃定生態(tài)保護(hù)相關(guān)區(qū)域,制定城鎮(zhèn)碳減排政策,對(duì)區(qū)域綠色發(fā)展提供保障.

本研究應(yīng)用了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析(ENA)模型、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓及生態(tài)關(guān)系變化率,對(duì)黃河三角洲近20a的國(guó)土空間碳代謝及其生態(tài)關(guān)系進(jìn)行了分析,ENA模型很好地反映了不同類(lèi)型空間之間直接和間接的碳代謝關(guān)系,使得分析結(jié)果更為科學(xué)合理;同時(shí)ENA模型將不同國(guó)土空間類(lèi)型的相互作用關(guān)系具體化為4類(lèi),直觀反映了國(guó)土空間變化帶來(lái)的碳代謝效應(yīng),結(jié)合ArcGIS從時(shí)空上清晰地獲取研究區(qū)碳代謝分布信息,最后再輔以標(biāo)準(zhǔn)差橢圓和生態(tài)關(guān)系變化率,對(duì)生態(tài)關(guān)系分布從空間和數(shù)量上進(jìn)一步細(xì)化,對(duì)其動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析,明確了黃河三角洲碳代謝生態(tài)關(guān)系與國(guó)土空間利用的內(nèi)在聯(lián)系及發(fā)展趨勢(shì).未來(lái)可對(duì)黃河三角洲的國(guó)土空間利用進(jìn)行模擬,預(yù)測(cè)多情景下的碳代謝分布,利用ENA模型對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析,以生態(tài)沖突程度為依據(jù)對(duì)黃河三角洲的國(guó)土空間規(guī)劃提供科學(xué)的參考資料.

4 結(jié)論

4.1 2000～2015年,黃河三角洲整體為負(fù)碳流主導(dǎo),研究區(qū)負(fù)碳流量遠(yuǎn)高于同期的正碳流量,其中2005～2010年負(fù)碳流量達(dá)到峰值,整體上該15a研究區(qū)呈現(xiàn)碳代謝紊亂的局面;2015～2020年,正碳流量顯著提高,正負(fù)碳流比達(dá)到了1:0.18,且分布大量集中在研究區(qū)北部位置,這表明研究區(qū)在后期有逐漸趨向于碳代謝平衡的態(tài)勢(shì).

4.2 數(shù)量結(jié)構(gòu)上,黃河三角洲20a間占據(jù)主導(dǎo)地位的生態(tài)關(guān)系是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,占生態(tài)關(guān)系總數(shù)量的29.77%,其中在2000～2005年占比最大,達(dá)38.10%,這表明研究期內(nèi)該地區(qū)不同空間類(lèi)型之間的生態(tài)沖突較為強(qiáng)烈;空間上,2000～2010年掠奪和限制關(guān)系分布于研究區(qū)東部和北部,該區(qū)域存在較為劇烈的生態(tài)沖突,2015年以后因生態(tài)修復(fù)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,研究區(qū)生態(tài)關(guān)系顯著改善,互惠共生關(guān)系占據(jù)主導(dǎo)地位.總體來(lái)看,國(guó)土空間演變重點(diǎn)區(qū)域由南向北轉(zhuǎn)變.

4.3 對(duì)于“生態(tài)-農(nóng)業(yè)-城鎮(zhèn)”空間兩兩相互之間的轉(zhuǎn)移,生態(tài)空間與農(nóng)業(yè)空間的主導(dǎo)碳代謝生態(tài)關(guān)系由互惠共生關(guān)系向競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系轉(zhuǎn)變,而生態(tài)空間與農(nóng)業(yè)空間的主導(dǎo)生態(tài)關(guān)系由競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系逐漸變?yōu)榛セ莨采P(guān)系,農(nóng)業(yè)空間與城鎮(zhèn)空間的主導(dǎo)生態(tài)關(guān)系無(wú)漸變趨勢(shì),但以互惠共生關(guān)系為主;整體上大部分生態(tài)關(guān)系變化率滿足ERCR>0,即生態(tài)關(guān)系分布規(guī)模的增減與空間轉(zhuǎn)移面積的變化趨勢(shì)一致.

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ENA-model based carbon metabolism analysis of the Yellow River Delta.

LU Chang*, WANG Zhi-yu

(School of Management Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)., 2023,43(11)：6090～9101

The purpose of the study is to explore in depth the intrinsic linkage between carbon metabolism ecological relationships and national spatial utilization in the Yellow River Delta, and to provide a reference for national spatial pattern adjustment and green development. The research was based on the spatial classification system of “ecology-agriculture-urban”, using the ENA-model to analyze the carbon metabolism process in the Yellow River Delta from 2000 to 2020, and using the standard deviation ellipse and the ecological relationship change rate(ERCR) to evaluate the spatial and temporal distribution and change characteristics of ecological relationships between spaces. The results of the analysis: In the Yellow River Delta, the carbon metabolism was in disorder from 2000 to 2015 due to frequent phenomena such as the occupation of ecological space by agricultural space, and the positive carbon flow increased significantly after 2015, resulting in a balanced carbon metabolism; The dominant ecological relationships in the study area were competitive, with stronger ecological conflicts over carbon metabolism, and mutualistic symbiotic relationships gradually increased in the northwest after 2015, with the priority area of national land space evolution shifted from south to north; Most of the ecological relationship change rate in the study area satisfy ERCR>0, and the scale of ecological relationship increase or decrease was consistent with the change trend of spatial transfer area. The conclusion of the study: There are still unreasonable utilization of the national space in the Yellow River Delta, and the pressure of carbon metabolism still exists, so it is necessary to further optimize the national spatial pattern and promote green development.

“ecology-agriculture-urban” space；carbon metabolism；ENA-model；the ecological relationships change rate；the Yellow River Delta

F301.2;X321

A

1000-6923(2023)11-6090-12

路 昌(1990-),男,山東臨沂人,講師,博士,主要從事土地利用轉(zhuǎn)型及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究.發(fā)表論文20余篇.chang20081990@126. com.

路 昌,王之語(yǔ).基于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的黃河三角洲碳代謝分析 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2023,43(11):6090-6101.

Lu C, Wang Z Y. ENA-model based carbon metabolism analysis of the Yellow River Delta [J]. China Environmental Science, 2023,43(11):6090-6101.

2023-04-03

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(42301300);廣東省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目(GD21YGL05);山東建筑大學(xué)博士科研基金資助項(xiàng)目(XNBS1826)

* 責(zé)任作者, 講師, chang20081990@126.com