楊學(xué)亮 謝旻珂 張?jiān)坡?劉東云
北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院 北京 100083
城鄉(xiāng)生態(tài)空間是全球碳庫(kù)的重要組成部分,利用城鄉(xiāng)生態(tài)空間固碳, 被認(rèn)為是增加碳儲(chǔ)量最為經(jīng)濟(jì)可行和環(huán)境友好的途徑[1-3]。 研究表明,城市化是影響碳循環(huán)過(guò)程, 引起碳源、 碳匯變化,并進(jìn)一步影響區(qū)域乃至全球碳平衡的重要原因[4]。改革開(kāi)放以來(lái), 中國(guó)的城市人口比例從1978 年的17.92%上升到2020 年的63.89%, 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值從1978 年的0.37 萬(wàn)億元飛躍到2020 年的101.50萬(wàn)億元, 是世界上典型的快速城市化國(guó)家, 城市化的快速發(fā)展導(dǎo)致碳儲(chǔ)量明顯減少。 2020 年9月, 中國(guó)明確提出碳達(dá)峰、 碳中和目標(biāo)。 因此,探究城市化對(duì)城鄉(xiāng)生態(tài)空間碳儲(chǔ)量的影響機(jī)制,對(duì)于促進(jìn)“雙碳” 目標(biāo)的實(shí)現(xiàn), 以及維護(hù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)安全、 提升人居生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有重要作用。
針對(duì)城市化與碳儲(chǔ)量的影響關(guān)系已有一定研究基礎(chǔ), 比如, 已有研究表明, 城市擴(kuò)張會(huì)直接或間接引起固碳能力強(qiáng)的土地類(lèi)型向固碳能力弱的類(lèi)型轉(zhuǎn)變[4], 在這一過(guò)程中, 不同地類(lèi)的碳匯碳密度變化呈現(xiàn)不同特點(diǎn), 其中城市綠地植被呈現(xiàn)遞增趨勢(shì), 城市建設(shè)用地呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)[5]。 總體來(lái)看, 城市化往往對(duì)碳儲(chǔ)量具有顯著的負(fù)面影響[6], 但尚未理清城市化對(duì)城鄉(xiāng)生態(tài)空間碳儲(chǔ)量的影響機(jī)制。
當(dāng)前, 在碳儲(chǔ)量評(píng)估方面, InVEST 模型是應(yīng)用最廣泛、 效率最高的評(píng)估模型, 能夠定量表達(dá)不同地類(lèi)的碳儲(chǔ)量。 在探索城市化與碳儲(chǔ)量的關(guān)系方面, 大部分研究只選擇了一種回歸模型, 然而不同區(qū)域的城市化水平和碳儲(chǔ)量狀況并不相同, 并且不同區(qū)域之間的人為因素差異也較大。 因此, 通過(guò)定量對(duì)比不同模型的擬合度選擇最優(yōu)模型[7], 能夠科學(xué)、 準(zhǔn)確地反映城市化驅(qū)動(dòng)碳儲(chǔ)量變化的機(jī)制。
綜上, 本研究以城市化快速發(fā)展的北京市作為研究區(qū)域, 選擇涵蓋北京市城市化發(fā)展起步、加速、 放緩階段的2000—2020 年作為研究時(shí)期,量化城市化相關(guān)指標(biāo)[7-10], 使用InVEST 模型評(píng)估碳儲(chǔ)量, 最終選擇擬合度最優(yōu)的回歸模型探索城市化對(duì)城鄉(xiāng)生態(tài)空間碳儲(chǔ)量的影響機(jī)制, 以期為區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。
北京市地處中國(guó)北部, 東與天津毗連, 其余與河北相鄰。 截至2020 年, 北京市總面積16 411 km2, 山地面積約占總面積的62%, 平原面積約占38%, 大部分平原地區(qū)已成為農(nóng)田和城鎮(zhèn)。 北京市共16 個(gè)市轄區(qū), 依據(jù)行政區(qū)劃, 可劃分為中心城區(qū)、 近郊區(qū)、 遠(yuǎn)郊區(qū)。 中心城區(qū)包括東城區(qū)、 西城區(qū)、 朝陽(yáng)區(qū)、 海淀區(qū)、 豐臺(tái)區(qū)、 石景山區(qū); 近郊區(qū)包括大興區(qū)、 通州區(qū)、 順義區(qū)、昌平區(qū)、 門(mén)頭溝區(qū)、 房山區(qū); 遠(yuǎn)郊區(qū)包括懷柔區(qū)、平谷區(qū)、 密云區(qū)、 延慶區(qū)。
以2000—2020 年為研究時(shí)期, 選擇2000、2010、 2020 年數(shù)據(jù)為代表數(shù)據(jù)(表1)。 對(duì)所有數(shù)據(jù)采用大小一致的網(wǎng)格全面覆蓋研究區(qū)域, 使用Arcgis 10.8 重采樣功能將以上數(shù)據(jù)的空間分辨率統(tǒng)一調(diào)整為1 km×1 km。
表1 數(shù)據(jù)來(lái)源和描述
城市化水平的評(píng)估涉及土地、 經(jīng)濟(jì)、 人口等多方面因素[7]。 本文從人口城市化、 經(jīng)濟(jì)城市化和空間城市化3 個(gè)方面評(píng)估區(qū)域城市化水平[8-11]。人口城市化采用人口密度進(jìn)行表征; 空間城市化采用夜間燈光指數(shù)進(jìn)行表征[12], 夜間燈光指數(shù)是通過(guò)整合DMSP-OLS 和SNPP-VIIRS 數(shù)據(jù)得到的矯正后的中國(guó)范圍的類(lèi)DMSP-OLS 數(shù)據(jù); 經(jīng)濟(jì)城市化選擇GDP 密度進(jìn)行表征, GDP 密度數(shù)據(jù)通過(guò)土地利用類(lèi)型、 夜間燈光值及居民點(diǎn)密度3 個(gè)指標(biāo)反演得到, 結(jié)合專(zhuān)家打分法, 設(shè)置3 項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重分別為20%、 30%、 50%, 擬合公式如下[8]:
式(1) 中:GDPij為柵格像元GDP 值;GDP為該像元所在縣域的GDP 統(tǒng)計(jì)值;Wij為該像元土地利用類(lèi)型、 夜間燈光值及居民點(diǎn)密度的總權(quán)重;W為該像元所在縣域土地利用類(lèi)型、 夜間燈光值及居民點(diǎn)密度的總權(quán)重。
InVEST 模型中的碳儲(chǔ)量模塊將生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量劃分為4 個(gè)基本碳庫(kù): 地上生物碳、 地下生物碳、土壤碳、 死亡有機(jī)碳[3]。 碳儲(chǔ)量的計(jì)算公式為:
式(2) 中:Ctotal表示總體碳儲(chǔ)量;Cabove表示植被地上碳儲(chǔ)量;Cbelow表示植被地下碳儲(chǔ)量;Csoil表示土壤碳儲(chǔ)量;Cdead表示死亡有機(jī)質(zhì)碳儲(chǔ)量。
InVEST 模型需要輸入不同用地類(lèi)型的碳密度數(shù)據(jù), 碳密度數(shù)據(jù)由相關(guān)研究結(jié)合修正公式得到。年均降水量與生物量碳密度、 土壤碳密度之間的校正由Alam 等[13]研究中的公式(3)(4) 得到。年均氣溫與生物量碳密度之間的校正由陳光水等[14]研究中的公式(5) 得到。
式(3) ~ (5) 中:CSP為根據(jù)年均降水量得到的土壤碳密度(mg/hm2);CBP、CBT分別為根據(jù)年均降水量和年均氣溫得到的生物量碳密度(mg/hm2);MAP為年均降水量(mm),MAT為年均氣溫(℃)。 分別將2000—2020 年全國(guó)和北京市的年均氣溫和年均降水量代入公式(3) ~(5) 中, 二者之比即為修正系數(shù), 全國(guó)的碳密度數(shù)據(jù)與修正系數(shù)的乘積為北京市碳密度數(shù)據(jù)[15](表2)。
式(6) ~ (9) 中:KBP、KBT分別為生物量碳密度的降水因子和氣溫因子修正系數(shù);和分別為北京市與全國(guó)尺度根據(jù)年均降水量得到的生物量碳密度數(shù)據(jù);和分別為北京市與全國(guó)尺度根據(jù)年均氣溫得到的生物量碳密度數(shù)據(jù);和分別為北京市與全國(guó)尺度根據(jù)年均氣溫得到的土壤碳密度數(shù)據(jù);KB和KS分別為生物量碳密度修正系數(shù)和土壤碳密度修正系數(shù)。
本研究采用Global Moran′sI對(duì)城市化和碳儲(chǔ)量的空間關(guān)聯(lián)模式進(jìn)行度量和檢驗(yàn)。 Moran′sI>0表示存在空間正相關(guān)性, 其值越大, 空間相關(guān)性越明顯; Moran′sI<0 表示存在空間負(fù)相關(guān)性, 其值越小, 空間差異越大。 計(jì)算公式如下[16]:
式(10) 中:I為全局Moran′sI指數(shù);n為空間單元的數(shù)量;xi、xj分別為單元i和單元j的觀(guān)測(cè)值;Wij為空間單元i和j的空間權(quán)重鄰接r矩陣(i,j=1, 2, 3, …,n)。
研究將普通最小二乘法(OLS)、 地理加權(quán)回歸(GWR)、 時(shí)間加權(quán)回歸(TWR)、 時(shí)空地理加權(quán)回歸(GTWR) 模型分別進(jìn)行回歸分析, 對(duì)比結(jié)果選擇最優(yōu)模型[17](表3)。 4 種模型中GWR 與GTWR 調(diào)整后的R 值均較大, 但GWR 模型的AICc 值最小, 擬合度最高。 因此, 本研究將采用GWR 模型解釋城市化對(duì)研究區(qū)碳儲(chǔ)量的影響關(guān)系。
從圖1 可以看出, 人口、 經(jīng)濟(jì)和空間3 種城市化指標(biāo)的高值區(qū)域均集中在中心城區(qū)。 人口城市化高值區(qū)域由中心城區(qū)向東南、 東北方向擴(kuò)散。 經(jīng)濟(jì)城市化受北京市工業(yè)疏散和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型影響, 由中心城區(qū)向外擴(kuò)散后收斂。 空間城市化方面, 由于研究區(qū)建設(shè)用地不斷擴(kuò)張, 高值區(qū)域從中心城區(qū)不斷向外擴(kuò)展, 由2000 年“一核多點(diǎn)” 的布局, 至2020 年發(fā)展成相連成片的模式。
圖1 2000—2020 年北京市城市化綜合水平變化
從數(shù)量上(表4) 看: 研究區(qū)域2000—2010年碳儲(chǔ)量損失較多, 這是因?yàn)樵摃r(shí)期城市化發(fā)展速度較快, 建設(shè)用地大面積擴(kuò)張, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,人口密度增加; 2010—2020 年, 由于城市化發(fā)展速度逐漸變慢, 建設(shè)用地?cái)U(kuò)張趨于緩和, 城鄉(xiāng)生態(tài)空間碳儲(chǔ)量的損失量減少。
表4 2000—2020 年北京市城鄉(xiāng)生態(tài)空間碳儲(chǔ)量萬(wàn)t
從空間上(圖2) 看, 研究區(qū)碳儲(chǔ)量分布格局具有顯著的空間異質(zhì)性。 碳儲(chǔ)量較高的區(qū)域主要是遠(yuǎn)郊區(qū)和近郊區(qū)中的房山區(qū)、 門(mén)頭溝區(qū)、 昌平區(qū), 該區(qū)域用地類(lèi)型以林地和草地為主, 城市化程度相對(duì)較低, 受人類(lèi)活動(dòng)影響較小。 碳儲(chǔ)量較低的區(qū)域主要是中心城區(qū)、 近郊區(qū)中的通州區(qū)、大興區(qū)、 順義區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)中的延慶區(qū)西部、 懷柔區(qū)南部, 該區(qū)域用地類(lèi)型以建設(shè)用地和耕地為主,城市化程度較高, 人口密度大。
圖2 2000—2020 北京市城鄉(xiāng)生態(tài)空間碳儲(chǔ)量變化
從時(shí)間上 (圖2) 看, 由于城市化不斷發(fā)展, 覆蓋中心城區(qū)的低碳儲(chǔ)量區(qū)域向近郊區(qū)擴(kuò)展, 而近郊區(qū)開(kāi)展了兩輪百萬(wàn)畝平原造林、 退耕還林等工作, 使得近郊區(qū)出現(xiàn)零星的高碳儲(chǔ)量區(qū)域; 遠(yuǎn)郊區(qū)在研究時(shí)期內(nèi)開(kāi)展的防風(fēng)治沙等工作增加了植被覆蓋面積, 使得高碳儲(chǔ)量區(qū)域逐漸增加。
全球雙變量Moran′sI的結(jié)果(圖3) 顯示,研究區(qū)域的城市化各項(xiàng)指標(biāo)與城鄉(xiāng)生態(tài)空間碳儲(chǔ)量在空間上呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)。 2000 年, 城市化各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)碳儲(chǔ)量的影響強(qiáng)度由大到小依次為:經(jīng)濟(jì)城市化、 空間城市化和人口城市化; 2010年, 空間城市化對(duì)碳儲(chǔ)量的負(fù)向影響增加, 經(jīng)濟(jì)城市化和人口城市化對(duì)碳儲(chǔ)量的負(fù)向影響減小,該時(shí)期建設(shè)用地?cái)U(kuò)張帶來(lái)的負(fù)向影響超過(guò)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口密度增加; 2020 年, 經(jīng)濟(jì)城市化的影響繼續(xù)減小, 人口城市化和空間城市化的影響均增加。 最終影響強(qiáng)度由大到小依次為: 空間城市化、經(jīng)濟(jì)城市化、 人口城市化。
圖3 全局雙變量Moran's I 散點(diǎn)圖
GWR 模型回歸結(jié)果如圖4 所示, 在空間分布上, 各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)研究范圍內(nèi)的碳儲(chǔ)量均具有顯著負(fù)影響。 空間城市化的負(fù)向作用在中心城區(qū)先變強(qiáng)再變?nèi)? 在近郊區(qū)逐漸變強(qiáng), 在遠(yuǎn)郊區(qū)逐漸變?nèi)酢?由莫蘭指數(shù)結(jié)果可知, 土地利用方式的改變是引起土壤碳儲(chǔ)量變化的最直接原因, 2000—2010 年北京市建設(shè)用地迅速擴(kuò)張, 新增建設(shè)用地面積1 506 km2, 林地、 草地面積減少了296 km2,耕地面積減少了1 113 km2(表5), 大量林地、草地、 耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化, 土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)化集中在中心城區(qū)(圖5)。 2010—2020 年新增建設(shè)用地面積748 km2(表5), 主要集中在近郊區(qū),特別是通州區(qū)、 順義區(qū)、 昌平區(qū); 受百萬(wàn)畝平原造林和退耕還林(草) 等工作的影響, 2010—2020 年林地面積增加了125 km2(表5), 新增林地主要集中在遠(yuǎn)郊區(qū)和近郊區(qū)中的房山區(qū)、 門(mén)頭溝區(qū), 使得區(qū)域生態(tài)環(huán)境得到改善, 碳儲(chǔ)量增加,說(shuō)明空間城市化的發(fā)展對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)變大。經(jīng)濟(jì)城市化的負(fù)向作用在中心城區(qū)持續(xù)變強(qiáng), 在近郊區(qū)先變強(qiáng)再變?nèi)? 在遠(yuǎn)郊區(qū)持續(xù)變?nèi)酢?人口城市化的負(fù)向作用在中心城區(qū)先變強(qiáng)再變?nèi)? 在近郊區(qū)先變?nèi)? 2010—2020 年?yáng)|南方向的近郊區(qū)變強(qiáng), 其余近郊區(qū)變?nèi)酢?說(shuō)明經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和人口密度增加消耗了更多的能源與資源, 特別是第二產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和消費(fèi)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變?cè)黾恿松鷳B(tài)環(huán)境的壓力, 影響了生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能。
圖4 2000—2020 年城市化與研究區(qū)域碳儲(chǔ)量的GWR 模型回歸結(jié)果
圖5 2000—2020 年土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化
表5 北京市2000—2020 年各類(lèi)土地利用類(lèi)型的面積變化
GWR 結(jié)果表明, 研究區(qū)域城市化各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)碳儲(chǔ)量均具有顯著的負(fù)向作用, 影響程度具有空間異質(zhì)性。 這與付夢(mèng)娣等[7]、 凌云等[8]大多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果一致。
空間城市化在研究時(shí)期內(nèi)逐漸成為影響城鄉(xiāng)生態(tài)空間碳儲(chǔ)量的最重要因素[15-17]。 隨著中心城區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張速度變慢, 空間城市化在中心城區(qū)的負(fù)向作用由強(qiáng)變?nèi)鮗18], 在近郊區(qū)的負(fù)向作用前期基本不變, 后期隨著土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)變?cè)鰪?qiáng), 特別是建設(shè)用地迅速擴(kuò)張的通州區(qū)、 大興區(qū)、順義區(qū)。 遠(yuǎn)郊區(qū)在研究時(shí)期內(nèi)被劃定為生態(tài)涵養(yǎng)區(qū), 林地面積明顯增加, 同時(shí)嚴(yán)控建設(shè)用地新增[19-20], 后期冬奧會(huì)的舉辦推動(dòng)了延慶區(qū)的空間城市化。 因此, 除延慶區(qū)外, 空間城市化在遠(yuǎn)郊區(qū)的負(fù)向作用逐漸變?nèi)酢?這與胡瑩潔等[3]研究發(fā)現(xiàn)林地、 草地面積的增加有助于增加區(qū)域碳儲(chǔ)量,而建設(shè)用地的擴(kuò)張會(huì)導(dǎo)致碳儲(chǔ)量下降的結(jié)果一致。
經(jīng)濟(jì)城市化在中心城區(qū)對(duì)碳儲(chǔ)量的負(fù)向作用逐漸變強(qiáng), 原因在于經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)導(dǎo)致用地規(guī)模擴(kuò)張、 占地密度變大, 削弱了生態(tài)空間的固碳能力[4]。 經(jīng)濟(jì)城市化在近郊區(qū)的負(fù)向作用由強(qiáng)變?nèi)? 原因在于前期第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題導(dǎo)致土壤固碳能力下降[21]; 后期工業(yè)疏散結(jié)合北京市的產(chǎn)業(yè)模式轉(zhuǎn)型, 經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響逐漸變小[13]。
人口城市化在中心城區(qū)對(duì)碳儲(chǔ)量的負(fù)向驅(qū)動(dòng)作用由強(qiáng)變?nèi)? 原因在于前期人口大量增加, 頻繁的人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致土壤碳密度下降[22-23], 大量的碳排放弱化了植物固碳能力[24], 后期中心城區(qū)開(kāi)始疏解人口[25-26], 提出各項(xiàng)減碳政策[27], 人口城市化的負(fù)向作用變?nèi)酢?同時(shí), 近郊區(qū)中的通州區(qū)、懷柔區(qū)承接了中心城區(qū)疏解而來(lái)的功能及人口[27], 環(huán)境壓力變大, 負(fù)向作用變強(qiáng)。 這與歐陽(yáng)曉等[22]發(fā)現(xiàn)人口密度增加會(huì)導(dǎo)致一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題, 最終使得生態(tài)系統(tǒng)固碳能力變?nèi)醯慕Y(jié)果一致。
在城市化繼續(xù)發(fā)展的背景下, 為了維護(hù)城鄉(xiāng)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定, 應(yīng)制定維持和增加城鄉(xiāng)生態(tài)空間碳儲(chǔ)量的建設(shè)策略, 加快城市化轉(zhuǎn)型, 促進(jìn)城市化與城鄉(xiāng)生態(tài)空間碳儲(chǔ)量的關(guān)系從對(duì)立轉(zhuǎn)為協(xié)同發(fā)展[15,28]。 具體策略如下: 1) 中心城區(qū)是碳儲(chǔ)量下降最多的區(qū)域, 首先, 應(yīng)繼續(xù)通過(guò)疏解人口和限制建設(shè)用地新增來(lái)控制城市化發(fā)展; 其次,應(yīng)關(guān)注城區(qū)綠地的固碳能力, 在增加園林綠地面積的同時(shí)提升園林植物生產(chǎn)力, 增加植物綠量,鼓勵(lì)選擇固碳能力強(qiáng)的植物[29]。 2) 近郊區(qū)是未來(lái)城市化發(fā)展的主要區(qū)域, 新開(kāi)展的建設(shè)活動(dòng)應(yīng)盡可能利用已有建設(shè)用地; 同時(shí)加快平原造林等工作, 積極落實(shí)生態(tài)補(bǔ)償措施, 將破碎的城區(qū)森林綠地組織成結(jié)構(gòu)完整的系統(tǒng), 充分發(fā)揮其固碳作用。 3) 遠(yuǎn)郊區(qū)是北京市碳儲(chǔ)量的高值區(qū)域,應(yīng)嚴(yán)格控制和管理該區(qū)域的建設(shè)活動(dòng), 禁止污染工業(yè)企業(yè)運(yùn)營(yíng), 加強(qiáng)對(duì)區(qū)域生態(tài)空間保護(hù)的技術(shù)和資金支持。
1) 2000—2020 年研究區(qū)城市化高值區(qū)域集中在中心城區(qū); 碳儲(chǔ)量高值區(qū)域主要集中在遠(yuǎn)郊區(qū)和位于西南方向的近郊區(qū), 碳儲(chǔ)量低值區(qū)域主要集中在中心城區(qū)及東南方向的近郊區(qū)。 2) 空間城市化逐漸成為導(dǎo)致研究區(qū)域碳儲(chǔ)量變化的最主要因素。 3) 不同區(qū)域因自然和人為因素的差異會(huì)導(dǎo)致城市化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響有所不同, 且表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性。 4) 近郊區(qū)的建設(shè)用地增加主要來(lái)自耕地和未利用地的轉(zhuǎn)化, 因此對(duì)碳儲(chǔ)量的負(fù)向作用低于遠(yuǎn)郊區(qū); 遠(yuǎn)郊區(qū)中的延慶區(qū)建設(shè)用地增加主要基于已有建設(shè)用地, 因此對(duì)碳儲(chǔ)量的負(fù)向影響低于其他遠(yuǎn)郊區(qū)區(qū)縣。 5) 在未來(lái)城鄉(xiāng)用地規(guī)劃建設(shè)中, 應(yīng)綜合考慮不同區(qū)域的城市化水平和自然基底, 嚴(yán)守三區(qū)三線(xiàn)劃定成果, 以生態(tài)優(yōu)先為總原則, 在優(yōu)化現(xiàn)有土地利用方式的基礎(chǔ)上合理配置用地屬性, 強(qiáng)化城鄉(xiāng)生態(tài)空間的底線(xiàn)約束和剛性管控。