基于Markov-PLUS模型的長株潭城市群建設用地擴張模擬及碳排放響應分析

田一豆,趙先超

湖南工業大學城市與環境學院,株洲 412007

改革開放以來,中國城鎮化進程不斷推進,但城市擴張所誘發的生態環境問題也引起了社會各界的廣泛關注,成為近年來國內外學者研究的熱點問題[1-3]。以經濟增長和土地非農化為重要特征的傳統城市擴張促使碳排放不斷增加[4],根據IPCC研究結果發現,建設用地產生的碳排放量占所有土地利用類型產生的碳排放量的90%以上。城市群建設用地占比較大,在快速城鎮化背景下“攤大餅”和無序蔓延等現象更為顯著,更加凸顯了區域發展與生態環境保護之間的矛盾[5]。因此,研究城市群建設用地擴張與碳排放響應關系,最大限度地降低城市群發展過程中對碳循環系統的影響具有重要意義。

國內外學者對建設用地擴張與碳排放問題開展了大量研究。在建設用地擴張模擬方面,采用較多的方法主要有馬爾科夫鏈(Markov)[6]、系統動力學(System dynamics,SD)[7]、元胞自動機(CA)[8-10](包括CLUE、SLEUTH、FLUS)和多智能體模型(ABM)[11]等。研究顯示,相比傳統的CA模型,梁迅等提出的PLUS模型可以達到更高的模擬精度和更接近真實景觀的格局度量[12]。PLUS模型在區域層面的應用較為廣泛,如郭蓉等運用Markov-PLUS模型對哈長城市群土地利用進行模擬,證明PLUS模型可以提高城市群規模下的仿真精度[13];王佳楠等運用PLUS對柴北緣土地利用變化模擬分析,證明PLUS比FLUS的模擬準確性更高;馬瑞等運用PLUS模擬干旱區未來土地利用變化[14]。在土地利用碳排放方面,國外學者的研究角度涵蓋微觀、中觀、宏觀多個層面,國內主要集中微觀和中觀層面,研究成果主要集中在土地利用碳排放的作用機理[15-16],碳排放測算[17-19],碳排放影響因素及效應[20-23],碳排放時空格局及特征[24-26]等方面。在建設用地擴張與碳排放響應關系方面的研究尚不多見,主要研究方向為土地利用變化與碳排放效應,如:吳文佳等運用ESDA技術對2001-2009年中國土地利用變化的碳排放響應時空格局進行空間自相關分析,在現有、積極、強化積極政策三種情景下預測2020年土地利用的碳排放響應[27];蔡苗苗等利用VAR模型和脈沖響應函數分析了上海市建設用地面積與碳排放量之間的動態關系,發現短期碳排放量增加會加速城市建設用地的擴張,長期則會逐漸制約建設用地擴張[28];李彥旻等分析了安徽省碳排放時空特點及碳排放效應[29]。目前學者對城市群尺度建設用地擴張引起的碳排放響應研究較少,在當前碳減排和新型城鎮化建設的大背景下,僅探究土地利用變化與碳排放效應不足以作為制定碳減排政策措施的基礎。

在快速城鎮化過程中,長株潭城市群建設用地規模迅速擴張,碳排放量持續增加,如何準確模擬和識別建設用地擴張及碳排放響應,是區域國土空間高質量發展的關鍵問題。因此,以長株潭城市群為例,基于2000-2020的土地利用數據、能源消耗數據及夜間燈光數據,運用ArcGIS統計分析、碳排放系數法、Markov-PLUS模型等方法,定量分析長株潭城市群2000-2020年建設用地擴張及碳排放的時空演變特征,并模擬不同發展情景下2030年建設用地擴張情況,探討不同發展理念下的碳排放響應特征,為長株潭城市群及相關區域制定土地利用規劃規劃和碳減排政策提供參考,以期促進長株潭城市群區域高質量發展。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

長株潭城市群由長沙、株洲、湘潭三市組成,位于湖南省中東部,長江中游城市群中西部,是長江中游城市群的重要組成部分,是湖南省經濟發展的核心增長極。截至2020年,建成區面積為862km2,其中建設用地781km2,占比達到90.60%。長株潭城市群主城區是整個城市群中建設用地擴張和碳排放變化最活躍的區域,能夠較好地反映土地利用變化對碳排放的影響。因此,本文選取長株潭城市群主城區為研究區,包括長沙、株洲、湘潭三市的市區以及長沙縣、淥口區和湘潭縣,如圖1所示,研究區行政區劃面積為8629km2,建成區面積為901.12km2。

圖1 長株潭城市群區位圖Fig.1 Map of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration

1.2 數據來源及處理

研究數據主要包括:(1)土地利用數據,根據2000-2020年的Landsat遙感影像在ENVI軟件中解譯獲得,精度驗證達到93.2%,參照國家土地利用現狀分類標準,將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6類。(2)經濟發展與能源消耗數據,包括2000-2020年第二、三產業產值和單位GDP能耗,數據源自湖南省2001-2021年統計年鑒,夜間燈光數據源自中國研究數據服務平臺(CNRDS)。(3)土地利用變化驅動因素數據,①自然地理因素數據:高程數據來源于地理空間數據云,坡度數據是利用ArcGIS中的坡度模塊計算得到,年均降水量和年平均氣溫來自中國科學院資源環境科學與數據中心,歸一化植被指數(NDVI)源自國家科技基礎條件平臺-國家生態科學數據中心,空間分辨率為30m;②區位條件因素數據:包括到市區中心距離、到政府機構距離、到各級道路和到河流的距離等,利用ArcGIS中的歐式距離模塊計算得到;③社會經濟因素數據:包括人口密度和GDP密度,源自2001-2021年長沙、株洲、湘潭3市的統計年鑒,綜合土地利用數據和夜間燈光數據,轉化為空間柵格數據,分辨率為1km。(4)限制發展區域數據,其中,開放水域空間分布圖根據2000-2020年土地利用數據和DEM數據矢量化得到;農業生產分布圖源自湖南省自然資源廳;生態保護分區圖源自湖南省生態環境廳;以上數據均轉化為屬性僅包含0和1的二值化柵格數據,0代表限制轉化區域,1代表其他區域;城市發展潛力圖是根據百度地圖興趣點分類標準,抓取包括“美食、酒店、購物”等15個一級類POI數據,運用ArcGIS中的核密度分析得到,將其轉化為屬性包含0、1、2柵格圖像,0代表限制開發區,2代表開發區,1代表其他區域。以上土地利用數據、驅動因素數據及限制區域數據均運用ArcGIS軟件處理成柵格數據,行列數為3735×5492,像元大小為30m×30m,將使其滿足PLUS模型的數據格式。

2 研究方法

2.1 土地利用碳排放測算

不同的土地利用類型因其覆被差異表現出不同的碳排放特征,從整體上可以分為直接碳排放和間接碳排放兩種。參考相關研究,對耕地、林地、草地、水域和未利用地采用直接碳排放系數法進行測算,建設用地采用間接碳排放系數法。值得注意的是,土地利用碳排放系數可能會隨著時間的推移或所承載人類活動的變化而變化,本文主要探討長株潭城市群建設用地擴張與碳排放的響應程度,碳排放系數的微小變化對研究的影響較小,因此假設碳排放系數在研究年限內保持相對穩定。

(1)直接碳排放系數法

直接碳排放系數法指通過利用某種土地利用類型的面積與其對應的碳排放系數直接計算該土地利用類型產生的碳排放或碳吸收量的方法,具體參考蘇雅麗等研究成果[30]。結合長株潭城市群實際情況,耕地、林地、草地的碳排放系數參考蘇雅麗等研究經驗數據,未利用地參考方精云等[20]的研究,水域參考賴力[31]的研究。

(2)間接碳排放系數法

間接碳排放系數法指通過能源消耗數據等其他相關系數間接計算碳排放量的方法。由于長株潭城市群部分區縣的能源統計數據存在缺失現象,考慮到城市群的第二產業值和第三產業值主要來自城市群建設用地,單位GDP能耗可以較為準確地反映城市群能源利用情況,因此,參考王桂波等(2012)[32]的研究,利用二、三產業值與單位GDP能耗來間接計算長株潭城市群建設用地的碳排放量,計算公式如下:

Eb=GDP2,3×H×K

(1)

式中,Eb為建設用地碳排放量;GDP2,3為第二、三產業產值;H為單位GDP能耗;K為折標準煤系數。

土地利用凈碳排放量計算公式如下:

E=Ea+Eb

(2)

為驗證計算所得碳排放數據的準確性,將長株潭城市群各區縣的碳排放總量與中國碳核算數據庫(CEAD)中的縣域碳排放數據進行精度驗證,縣級尺度上得出的均方根誤差RMSE為15.62×104t,平均相對誤差MRE為6.31%,數據整體的誤差在允許范圍以內,并且與現有相關研究成果比較結果顯示,碳排放總量的變動趨勢相同,數據差異較小?？傮w來看,數據的誤差較小,精度可以用于長株潭城市群碳排放情況的分析與模擬預測。

(3)長株潭城市群2030年碳排放預測

2030年的耕地、林地、草地、水域和未利用地等類型碳排放量主要通過模擬出的未來土地利用類型面積與碳排放系數計算得到,建設用地碳排放計算如下:①運用指數平滑法預測2030年各區縣二、三產業值;②結合國家層面2030年的碳排放強度下降目標以及湖南省對于各地市的碳排放強度下降目標,得到各區縣碳排放強度;③二、三產業值和碳排放強度相乘,并結合夜間燈光數據擬合得到長株潭城市群2030年建設用地碳排放量(表1)。

表1 長株潭城市群2030年二三產業值及碳排放預測Table 1 Secondary and tertiary industry value and carbon emission forecast of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration in 2030

2.2 Markov-PLUS模型及多情景設定

Markov模型具有較強的數據預測能力,PLUS模型是基于土地擴張分析策略(LEAS)的規則挖掘框架和多類型隨機種子(CARS)的CA模型,具有空間分布模擬功能,Markov-PLUS耦合模型兼具數據預測和空間模擬功能,可以獲得更高的仿真精度和與現實更相似的景觀,對長遠期的土地利用變化模擬具有一定的科學性。

2.2.1驅動因子選取

土地利用變化是多重驅動因子共同作用產生的結果,其中包括自然因素、區位因素、社會經濟因素等,因此從自然、區位和社會三個層面選取了14項影響因子,如表2。自然地理因素對土地利用的方式、強度以及發展方向起著決定性作用,是建設用地擴張的阻力因素,從地形、氣候、生態等方面選取高程、坡度、年降水量、年平均氣溫和歸一化植被指數(NDVI)作為表征自然地理因素的驅動因子;區位條件因素對土地利用變化的成本有著重要的影響,是建設用地擴張的引力因素,從各類用地所處區位出發選取到市區中心距離、到政府機構距離、到鐵路距離、到高速公路距離、到主干道距離、到普通道路距離(包括一級道路、二級道路、三級道路)和到河流距離作為表征區位條件因素的驅動因子;社會經濟因素在很大程度上促進了建設用地的擴張,選取人口密度和GDP密度兩個城市群社會經濟發展水平的主要衡量指標作為表征社會經濟因素的驅動因子。

表2 長株潭城市群土地利用變化驅動因子Table 2 Driving factors of land use change in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration

2.2.2限制性區域及不同情景設置

根據不同發展情景的需要,設置開放水域、農業生產分布、生態保護區以及城市發展潛力四個限制性發展區域(圖2)。

圖2 限制發展區域Fig.2 Restricted development area

根據長株潭城市群的社會經濟特點和發展潛力,結合國家和地方政府制定的耕地保護、生態環境保護相關政策以及湖南省雙碳目標,調整模型參數和限制發展區域,制定了自然狀態發展情景、耕地保護發展情景、生態保護發展情景以及綠色低碳發展情景,并根據2015-2020年的用地擴張概率圖集運用Markov預測得到2030年的用地需求量(表3)。

表3 不同情景下長株潭城市群2030年各土地利用類型需求像元數目/個Table 3 Number of pixels required for each land use type of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration in 2030 under different scenarios

①自然狀態發展情景

城市群按照自身發展規律,依據歷史土地利用變化趨勢和社會經濟發展趨勢自然向外發展,具有歷史發展特征,但需考慮國家正在實施的生態文明建設戰略和湖南省湘江保護相關政策。因此,將長株潭城市群開放水域分布圖作為限制發展區域,除建設用地外,其他用地類型間轉化不做限制。

②耕地保護發展情景

在自然狀態發展情景的基礎上考慮耕地保護政策,加強對耕地保護力度,增加基本農田分布圖作為限制發展區域,同時減少耕地向其他用地的轉化概率。

③生態保護發展情景

在耕地保護發展情景的基礎上考慮生態環境保護政策和長株潭城市群雙碳目標,盡量提升林地、草地等碳匯用地面積,保證城市群按時或提前實現碳達峰碳中和。因此將生態保護分區圖中的優先保護區和重點保護區作為限制發展區域,并且限制林地、草地等生態植被用地轉化為建設用地。

④綠色低碳發展情景

處于前三種發展情景之間的一種平衡發展模式,同時考慮到耕地保護、生態保護、雙碳目標以及城市群經濟增長,不過度發展導致城市群無序擴張,也不過度保護環境而阻礙城市群的經濟發展,合理地分配各類用地需求。在生態保護發展情景的基礎上考慮城市群發展潛力,增加城市發展潛力圖作為限制發展區域,同時,將林地和草地向建設用地轉化的概率降低20%,未利用地向建設用地轉化的概率增加20%。

2.3 Person相關性分析

Person相關性分析的具體計算公式為:

(3)

通常情況下,當R為負值時,表示兩個變量為負相關關系,R為正值時,兩個變量為正相關關系,R>0.8為高度相關,0.5

2.4 碳排放響應模型構建

借鑒彈性系數(Elastic coefficient)來構建長株潭城市群建設用地擴張與碳排放響應模型,對城市群未來不同情景下的碳排放響應程度進行量化分析。計算公式如下:

(4)

式中,θ表示碳排放響應強度;ΔCi+n表示研究區第i+n年的建設用地碳排放量相比第i年的變化量;Ci為研究區第i年的建設用地碳排放量;ΔSi+n表示第i+n年的建設用地面積相比第i年的變化量;Si為研究區第i年的建設用地面積。

3 結果分析

3.1 長株潭城市群建設用地擴張與碳排放時空特征分析

3.1.1建設用地擴張時空特征

基于長株潭城市群2000-2020年的遙感圖像,通過ENVI與ArcGIS軟件對土地利用現狀進行解譯,并運用ArcGIS空間分析工具對2000、2005、2010、2015、2020五期土地利用數據進行疊加分析,得到2000-2020年長株潭土地利用轉移空間分布圖(圖3),在此基礎上構建土地利用轉移矩陣來分析長株潭城市群2000-2020各時間段土地利用類型間的轉化關系及轉化特征(圖4)。

圖3 長株潭城市群2000-2020土地利用類型轉化圖Fig.3 Transformation of land use types in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration from 2000 to 2020

圖4 長株潭城市群各用地類型變化面積Fig.4 Change area of various land types in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration

從圖3可以看出,2000-2020長株潭城市群建設用地面積呈現階段性的波動增長趨勢,耕地和林地是其主要來源,擴張強度在各年份和各地區間差異較大。建設用地面積擴張從高到低依次為2010-2015年(372.150km2)>2015-2020年(128.486km2)>2000-2005年(99.221km2)>2005-2010年(61.944km2)。其中,2000-2015年,長株潭城市群建設用地擴張強度逐年增強,在2010-2015年達到最大,此研究期內,城市群處于快速發展期,這與長株潭“一體化”建設的提出有關,城市群在外商直接投資、出口和消費的帶動下經濟迅速發展,建設用地快速向外擴張;2015-2020年擴張強度相比前期有所下降,原因是受到“兩型社會”和“新型城鎮化”等城市發展戰略的影響。從空間分布上看,2005-2010年,長沙市擴張明顯,2010-2020年株洲和湘潭的發展步伐加快,擴張面積較大的縣區集中在長沙市、株洲市和湘潭市的中心區域,這些區域的人口和產業密度較大,建設用地需求較大。通過分析可知,隨著社會經濟的不斷發展,長株潭城市群的建設用地快速擴張,且占用了大量的林地和耕地面積,這種現象在2010-2015年最為明顯,且主要集中在城市群中心區域。

3.1.2土地利用碳排放時空特征

從表4可以看出2000-2020年城市群整體的建設用地碳排放與土地利用碳排放量不斷增加,建設用地碳排放量由1057.92萬t上漲到4125.12萬t,土地利用凈碳排放量由1041.93萬t上漲到4109.21萬t,年均增長速度分別為146.05萬t/a、146.06萬t/a;其中,湘潭縣、長沙縣和淥口區的建設用地碳排放量相比其他區縣在五個年份均占較大比例,芙蓉區的土地利用凈碳排放量始終保持較高值,說明芙蓉區面臨著相對較大的碳減排壓力。分時間段來看,長株潭城市群碳排放量的變化呈現倒“V”型曲線,可以分為兩個階段,①2000-2005年碳排放量快速上升階段;其中,建設用地碳排放漲幅最大的為雨花區,其次為芙蓉區,分別增加54.31萬t和34.50萬t,增量最小的為岳麓區,建設用地碳排放量減少了28.36萬t;土地利用凈碳排放量漲幅最大的為雨花區,其次為蘆淞區,漲幅最小的為淥口區;②2005-2020年碳排放量下降階段,下降幅度先增加后減緩;以2010年為節點,15個區縣的建設用地碳排放增量開始下降,甚至出現負增長,土地利用凈碳排放保持在漲幅為100%左右的小幅度增加,2010-2015年下降幅度達到最大,株洲市五個區縣的土地利用凈碳排放為負增長,長沙市和湘潭市中除芙蓉區、雨湖區和岳塘區外,其余區縣的漲幅均在100%以下,2015-2020年下降幅度變小,各區縣土地利用凈碳排放量的變化存在差異,其中湘潭縣、雨湖區和岳塘區漲幅由正變負,相對于其他區縣碳減排效果更為明顯。究其原因,2000-2005年長株潭城市群處于發展初期,各區縣根據自身優勢迅速發展,碳排放量逐年增加,2007年國家提出“兩型社會”后,城市群建設用地的減碳工作逐步取得成效,十八大以來開展“生態文明建設”,節碳減排工作持續推進,各區縣的碳排放量得到有效控制。

表4 長株潭城市群建設用地碳排放與土地利用凈碳排放/(×104t)Table 4 Carbon emissions from construction land and net carbon emissions from land use of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration

3.1.3建設用地擴張與碳排放相關性分析

通過分析長株潭城市群各縣區2000-2020年建設用地面積與碳排放的時空演變特征,發現二者之間表現出一定的相關性,為深入了解相關性的密切程度及數量關系,采用Person相關性分析的方法進行定量分析。

結果如表5所示,15個縣區的相關性系數均大于0.9,建設用地面積與碳排放存在高度的正相關性,建設用地面積增加會導致二氧化碳排放量的同步增加。其中開福區、天心區、望城區和岳麓區的相關性系數分別為0.997、0.998、0.991、0.997,且在0.01水平(雙側)上顯著性相關,芙蓉區、長沙縣、湘潭縣、雨湖區和岳塘區相關性系數分別為0.970、0.974、0.970、0.979和0.967,在0.05水平(雙側)上顯著性相關。

表5 長株潭城市群各區縣建設用地擴張與碳排放相關系數表Table 5 Correlation coefficient between expansion of construction land and carbon emission in districts and counties of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration

3.2 基于PLUS模擬結果的長株潭城市群建設用地擴張及碳排放響應

3.2.1長株潭城市群建設用地擴張模擬結果分析

在PLUS軟件中進行模擬精度驗證,結果顯示Kappa系數為0.92,大于0.75,總體精度OA為0.95,FOM指數為0.072,說明本次模擬結果精度較高,模擬效果較好,與真實土地利用情況差異性較小,結果可信度較高,可以用相關參數模擬長株潭城市群未來土地利用空間分布。

基于PLUS模擬結果,得到不同發展情景下長株潭城市群2030年土地利用分布局部細節圖(圖5),并構建長株潭城市群2020-2030年不同發展情景下的非建設用地與建設用地轉移矩陣,分析其轉化特征。

圖5 不同發展情景下長株潭城市群2030年土地利用分布局部細節圖Fig.5 Partial details of land use distribution of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration in 2030 under different development scenarios

從長株潭城市群整體來看,不同發展情景下,建設用地擴張面積及其對不同土地利用類型的影響存在差異;建設用地在自然狀態發展情景下擴張面積最大,為235.95km2,在綠色低碳發展情景下擴張面積最小,為200.64km2,在四種發展情景下,耕地、林地和水域向建設用地轉化的面積均較大,草地和未利用地較少,其中耕地在綠色低碳發展情景下的轉化面積最大,林地在自然狀態發展情景下轉化面積最大,水域在合理開發建設情景下轉化面積最大。具體來看,在前兩種發展情景下,建設用地擴張主要來源為林地,分別占總轉化面積的70.04%和60.50%;綠色低碳發展情景下,耕地的轉化面積最大,占總轉化面積的43.15%;合理開發建設情景下,建設用地擴張面積為221.83km2,排在第二位,但相比其他發展情景,占用耕地面積明顯減少,為20.07km2,僅占總擴張面積的9.05%,占用林地的面積也下降為149.71km2,占用未利用地的面積增加到1.20km2,相比前三種發展情景分別提高0.30%、0.32%、0.35%,說明在合理開發建設情景下,長株潭城市群建設用地面積擴張所占用的生態碳匯用地相對較少,占用未利用地相對較多,擴張分布較為合理。

從長株潭城市群不同的區縣來看,長沙縣、望城區、湘潭縣在四種發展情景下建設用地擴張占用的耕地和林地面積均較大,岳塘區和天元區占用林地的面積較大,說明在未來的發展過程中這幾個區縣仍會占用大量的生態碳匯用地和糧食生產用地,從而產生較大的碳減排壓力和糧食生產壓力,生態安全形式較為嚴峻。另外,在自然狀態發展情景下,各區縣建設用地面積均有較大幅度的擴張,不利于雙碳目標的實現和生態環境保護;在耕地保護情景下,各區縣建設用地占用林地面積均最大,對生態碳源用地的影響較大,不利于碳減排工作的推進;生態保護發展情景下占用的耕地面積最大,對基本農田等糧食生產安全用地有較大影響,不利于城市群經濟發展;這三種發展情景下長株潭城市群建設用地擴張均會對生態保護和經濟發展帶來較大的負面影響,在綠色低碳發展情景下,長株潭城市群各區縣建設用地擴張的面積適中,對耕地和林地的占用也處于其他三種發展情景之間,該發展情景帶來的生態環境壓力和碳排放壓力相對較小,既有利于生態環境保護也有利于社會經濟發展。

3.2.2不同情景下的建設用地擴張與碳排放響應分析

根據公式4計算得到長株潭城市群土地利用與碳排放響應程度(表6)。結果顯示2020-2030年長株潭城市群碳排放對建設用地擴張的響應程度較低,四種情景下的碳排放綜合響應值均小于1?？赡苡蓛煞N原因造成,第一種是土地存在低效利用現象,第二種是土地利用和經濟發展調整為低排放的利用模式。根據各用地類型的響應程度來看,在不同發展情景下,草地和林地的碳排放響應值均較高,未利用地的響應值均較低,說明草地和林地在各發展情景中都承擔著重要的碳匯功能,長株潭城市群建設用地擴張占用林地和草地,會產生較大的碳排放壓力;而未利用地的碳匯作用較弱,碳排放響應程度較低,將未利用地作為城市群建設用地擴張方向所帶來的碳排放壓力較小。綜合前文的建設用地擴張模擬結果,前兩種發展情景主要是由于占用較多林地、草地等碳匯用地導致土地利用方式較為低效,因而響應值較低,這與生態文明建設理念不符;而后兩種發展情景通過綜合考慮生態用地保護和城市群經濟發展,合理調整土地利用方式,促進城市群土地集約高效利用,有利于我國碳達峰和碳中和目標的實現,長株潭城市群在未來的發展中可以考慮后兩種情景的發展模式。

表6 不同發展情景下長株潭城市群土地利用碳排放響應程度表Table 6 Response degree of land use carbon emission of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration under different development scenarios

表7 長株潭城市群不同發展情景下各區縣建設用地擴張碳排放響應值Table 7 Response values of carbon emissions from expansion of construction land in various districts and counties under different development scenarios of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration

3.2.3區縣尺度下的建設用地擴張與碳排放響應分析

整體上看2020-2030年長株潭城市群碳排放對建設用地擴張的響應程度相比于2000-2020年有所下降,表明各縣區在未來的發展過程中都將表現出低碳發展的特征,15個區縣中僅石峰區出現小幅度的上升,這與石峰區的自然條件密切相關;2000-2020年各區縣的響應值均大于1,建設用地擴張對碳排放的影響程度較高,其中荷塘區的碳排放響應值最高(7.33),其次為蘆淞區(4.42),高于長株潭城市群的平均水平1.78,響應值最低的為石峰區0.26,其次為天元區0.79;2020-2030年,除綠色低碳發展情景中的芙蓉區外,15個區縣的碳排放響應值均小于1,表現出低碳發展的特征。在自然狀態發展情景下,荷塘區和蘆淞區的響應值分別下降93.98%、93.38%,碳排放對建設用地擴張的敏感性迅速降低,原因是按照現有發展趨勢,未來建設用地擴張限制條件較少,導致攤大餅的無序擴張模式;在耕地保護發展情景下,各區縣碳排放響應值對比自然狀態發展情景有所增加,這主要是由于對建設用地擴張的條件限制所導致;在生態保護發展情景下,碳排放對建設用地擴張敏感性最高的為芙蓉區(0.71),其次為雨花區(0.64),敏感性最低的為岳塘區(0.38),總體上表現出碳排放對建設用地擴張的低敏感性特征。在綠色低碳發展情景下,除芙蓉區外,其他14個區縣的碳排放響應值均小于1,原因是在該情景中同時考慮長株潭城市群經濟發展和生態環境保護及雙碳目標等需求下,有條件地限制城市群建設用地擴張,降低了其對碳排放的影響。

4 結論與討論

4.1 結論

通過分析2000-2020年長株潭主城區15個區縣的建設用地擴張與碳排放現狀,運用Markov-PLUS和碳排放響應模型等方法,定量揭示了長株潭城市群2030年建設用地擴張及碳排放響應情況,主要結論如下:

①2000-2020長株潭城市群建設用地面積呈現階段性的波動增長趨勢,耕地和林地是其主要來源,擴張強度在2010-2015年最大,主要集中在城市群中心區域。

②2000-2020年建設用地碳排放與土地利用凈碳排放量變化呈現倒“V”型曲線,可以劃分為碳排放量快速上升階段(2000-2005年)和碳排放量下降階段(2005-2020年),以2010年為節點,下降幅度先增加后減緩。

③建設用地擴張與碳排放之間存在著較為密切的相關關系,整體表現為建設用地面積增加(減少)碳排放隨之增加(減少)的較強擴張與較高排放模式。

④建設用地在自然狀態發展情景下擴張面積最大(235.9503km2),在生態保護發展情景下擴張面積最小(200.6354km2);相比其他發展情景,綠色低碳發展情景下建設用地擴張占用的生態碳匯面積較少,占未利用地相對較多,擴張分布較為合理,帶來的生態環境壓力和碳排放壓力較小,既有利于生態環境保護也有利于社會經濟發展。

⑤長株潭城市群各區縣的碳排放量對建設用地擴張均表現出一定的敏感性,綜合考慮建設用地擴張與碳排放響應,綠色低碳發展情景為長株潭城市群未來的較優發展模式。

4.2 討論

在雙碳目標和新型城鎮化的背景下,保證經濟平穩增長的同時減少碳排放是實現城市高質量發展的重要任務之一。建設用地擴張是城市群發展的重要表現方式之一,碳排放對建設用地擴張的響應程度降低有利于城市群低碳發展。本文研究結果顯示城市群的建設用地擴張強度先增強后減弱,這與歐陽曉等[5]和荔琢等[33]的研究一致,并在此基礎上研究了各區縣的擴張情況;長株潭城市群碳排放格局與楊旭等[34]的研究結果相似,但本文利用二、三產業值與單位GDP能耗來間接計算長株潭城市群建設用地的碳排放量,碳排放數值偏小;另外,本文設計四種情景,研究表明通過采取不同的發展理念,2020-2030長株潭城市群碳排放對建設用地擴張的響應值均有所下降,表現出低碳發展的特征,其中在合理開發建設情景下,較多地利用未利用地進行開發建設,控制建設用地對耕地、林地等生態碳匯用地的侵占,在保證城市群經濟發展和生態糧食安全的同時降低了碳排放。因此,長株潭城市群應當在合理劃定城市邊界的基礎上,多利用城市群中的未利用地進行填充式開發,減少對碳匯用地的占用,提高城市群土地利用效率,而非無序地向外擴展[35]。與現有研究相比,本文從城市群尺度出發,同時考慮經濟和生態效益,定量分析長株潭城市群建設用地擴張特征及碳排放量時空演變特征,有助于相關部門清晰客觀地掌握研究區碳排放現狀,從而更好地權衡城市群經濟發展與生態環境承載力,一定程度上為長株潭城市群“自下而上”的國土空間規劃及高質量發展提供參考。其次,利用PLUS模型模擬不同情景下的建設用地擴張,構建碳排放響應模型探討不同發展理念下的碳排放響應特征,一定程度上有助于豐富碳排放的研究內容,以及元胞自動機理論在城市擴張方面的研究成果,可為長株潭城市群及相關區域制定國土空間規劃等提供參考意見,并為城市群碳減排政策的制定提供方向。最后,由于在指標選取及碳排放核算方面還不夠完善,Markov-PLUS模型的參數設置方面也需進一步提高,因此,未來需不斷提升模擬精度,完善指標體系,改進碳排放核算方法,以期進行更加準確的分析研究。