杭州市县域土地利用碳排放时空格局及影响因素研究
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作者:李泽坤 任丽燕 马仁锋 刘永强 姚丹
摘要：基于2005、2010、2015年杭州市县域单元土地利用数据和能源消耗数据，分析了土地利用碳排放的时空演变特征，并利用LMDI因素分解法对土地利用碳排放的影响因素进行分析。结果表明：杭州市土地利用碳排放逐渐增加，城镇用地、农村居民点用地和工业及其他建设用地的碳排放量逐渐增加，耕地碳排放在减少。从土地利用碳排放结构看，工业及其他建设用地的碳排放量最大，其次为城镇用地、耕地和农村居民点用地。不同县域单元土地利用碳排放结构及变化不尽相同。杭州市城镇用地和工业及其他建设用地碳排放呈现东北高、西南低的空间分布特征;农村居民点用地碳排放呈现东北高和西南高、中部低、主城区最低的空间分布特征;耕地碳排放呈现东北高、西南低、主城区最低的空间分布特征。总体上，土地利用变化和土地利用集约度对土地利用碳排放起抑制作用，经济发展因素和人口因素起促进作用，但不同因素在不同时期、不同县域单元的作用强度和作用方向不尽相同。
关键词：土地利用碳排放;LMDI;县域;杭州市
DOI：10.16315/j.stm.2020.01.003
中图分类号：x321文献标志码：A
温室气体的排放使得以气候变暖为主要特征的全球气候变化受到广泛关注，近年来，伴随着经济的快速发展，中国已经成为全球最大的温室气体排放国，如何促进经济发展低碳化已成为当前亟待解决的问题。土地是人类社会经济发展的载体，社会建设、经济发展、产业布局、能源消耗最终都会落实到土地利用上来，因此研究土地利用碳排放，对实现低碳土地利用，促进经济低碳发展具有重要意义。
目前国内外学者对土地利用碳排放的研究越来越多，主要集中在土地利用碳排放核算、机理、效应和影响因素等方面。Detwiler认为土地利用之间的相互转化会使碳排放增加或减少。Zhang等采用陆地生态系统动态模型评价了美国南部各州由于土地开发造成的碳排放动态变化情况。Xu等采用灰色关联度分析法分析了珠江三角洲城市群经济城市化、人口城市化、土地城市化与碳排放之间的关联程度，并探讨了城市化对碳排放的影响机制。Svire-jeva等对城市扩张对碳排放的影响进行研究，结果发展中国及一些亚洲国家的城市呈现碳源特征。Kellett等对温哥华的建筑及机动车能源消耗对碳排放的影响进行了研究。张俊峰等采用排放系数法对武汉城市圈土地利用碳排放进行核算并通过LM-DI因素分解法对影响武汉城市圈土地利用碳排放的因素进行分解，发现土地利用变化、经济发展、人口增加对土地利用碳排放存在正效应，能源效率提高和能源结构优化存在负效应。朱巧娴等基于碳排放核算利用改进的DEA模型对湖北省土地利用结构效率进行评价并提出改进方案。卢祖丹通过建立向量误差修正模型探讨了城市扩张、城市转型与碳排放之问的长短期关系，发现城市扩张和城市转型联合构成了碳排放增加的格兰杰因果关系，但并未形成长期稳定关系。路昌等对哈尔滨市的耕地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地进行碳排放效应分析，并运用Logistic模型预测2011-2020年的土地利用净碳排放状况。但是，目前对于县域单元的土地利用碳排放的研究相对较少。
县域单元是我国经济社会发展的基础单元，开展县域单元土地利用碳排放研究有助于细化评估区域碳减排压力，促进区域经济低碳发展。本文以杭州市为研究区域，基于县域空间视角，探索各类土地利用碳排放的时空特征，并引入LMDI因素分解法，对土地利用碳排放的影响因素进行分析。
1研究方法
1.1碳排放核算
能源消耗碳排放根据《浙江省市县温室气体清单编制指南》提供的方法也即《IPCC国家温室气体清单指南》中的优良方法二对碳排放进行测算，计算如下：
1.2LMDI因素分解法
LMDI因素分解法已被廣泛应用于能源效应与环境影响的研究中，该方法具有技术成熟、形式多样、计算方便、分解无残差等优点，在CO2排放的效应分解中也得到了广泛应用。为了分析杭州市各县域单元土地利用碳排放的驱动因素及其影响方向、程度，本文将杭州市各县域单元的土地利用碳排放与各驱动因素的关系表示为
研究结果表明：杭州市林地面积最大，占土地总面积的67.99%～68.38%，其次为耕地、水域、城镇用地、草地、农村居民点用地、工业及其他建设用地和未利用地。城镇用地、农村居民点用地、工业及其他建设用地的面积逐渐增加，其中，工业及其他建设用地增加幅度最大，达218.76%，其次为城镇用地、农村居民点用地，增加幅度分别为36.35%、23.11%。耕地、林地的面积逐渐减少，减少幅度分别为8.76%和1.56%。水域、草地和未利用地面积则波动减少。
2.1.2杭州市土地利用碳排放
参考文献[20]并结合杭州市实际情况，建立用地类型与温室气体排放对应关系，具体对应关系，如表2所示。
根据土地利用碳排放与用地类型对应关系计算得研究期内杭州市土地利用碳排放，并利用土地利用碳排放除以相应的用地类型面积得出各地类的碳排放强度，具体结果，如表3所示。
研究结果表明，研究期内杭州市土地利用碳排放逐渐增加，由2005年的4127.4万t增加到2015年的4662.56万t。其中2005-2010年问增长幅度较大为7.46%，2010-2015年问增长幅度较小为5.12%。从土地利用碳排放结构看，工业及其他建设用地的碳排放量最大，占总排放量的83.92%～88.53%，其次为城镇用地、耕地和农村居民点用地。从土地利用碳排放强度看，工业及其他建设用地碳排放强度最大，为45.41～15.55万t/km2，其次为城镇用地、农村居民点用地和耕地。从土地利用碳排放变化看，城镇用地的碳排放量和碳排放强度逐渐增加，工业及其他建设用地碳排放量逐渐增加，碳排放强度则逐渐减小。农村居民点用地和耕地的碳排放量和碳排放强度变化不大。 2.1.3杭州市县域土地利用碳排放时间变化
通过计算得杭州市县域单元2005-2015年各用地类型碳排放量变化幅度，具体结果，如图1所示。
研究期内，杭州市各县域单元城镇用地碳排放逐渐增加，其中余杭区和富阳区为大幅增长区，增长幅度分别为273.32%和263.20%，萧山区、桐庐县和临安区为中幅增长区，增长幅度为159.79%～186.02%，主城区、淳安县、建德市为小幅增长区，增长幅度为95.75%～98.67%。这主要是由于研究期内，主城区城市化已经进入了较高水平，城市化速度和第三产业发展速度有所放缓，淳安县、建德市的城市化水平相对较低，速度也较为缓慢，而主城区周围的余杭区、富阳区、萧山区在主城区产业转移、辐射带动的影响下，城市化发展迅猛，城镇用地扩张迅速，故而推动城镇用地碳排放的大幅增加。总体而言，杭州市的城镇用地碳排放增长明显，2005-2015年问，全市第三产业生产总值增长幅度达351.12%，人口城市化率由2006年的46.49%提高到2015年的75.3%。
研究期内，萧山区、淳安县、建德市、临安区的农村居民点用地碳排放总体上处于增长状态，其中萧山区的增长幅度最大，达37.31%，其次为淳安县、建德市、临安区，增长幅度在7.63%～29.49%之间。随着农村居民生活水平的提高，居民生活的能源消耗量也在增加，故而促进了农村居民点用地碳排放的增加。主城区、余杭区、富阳区和桐庐县的农村居民点用地碳排放呈减少状态，其中，主城区减少幅度最大，达81.34%，其次为桐庐县、富阳区、余杭区，减少幅度在7.29%～24.53%之间。这主要是由于这些县域单元的产业结构调整使得其牲畜养殖业逐渐减少，其中，主城区的人口城市化的作用也相当明显。
研究期内，主城区、余杭区、富阳区、桐庐县、淳安县、建德市和临安区的工业及其他建设用地碳排放处于增长状态，其中淳安县、临安区、余杭区、建德市为大幅增长区，增长幅度在20.25%～36.10%之间，主城区、富阳区、桐庐县为小幅增长区，增长幅度在3.43%～9.45%之问。萧山区的工业及其他建设用地碳排放处于减少状态，减少幅度为5.46%。这主要是由于淳安县、建德市、桐庐县的工业化起步晚，工业基础较为薄弱，研究期内这些县域单元工业发展迅速，能源消耗增加。临安区、余杭区、萧山区等是杭州的主要工业区，研究期内临安区、余杭区工业及其他建设用地碳排放处于上升状态且2010-2015年问上升幅度远远小于2005-2010年间上升幅度，萧山区2005-2010年工业及其他建设用地碳排放处于上升状态，2010-2015年处于下降状态且研究期内总体上处于下降状态，说明主要工业区通过技术改善、产业结构调整，提高了能源效率，减缓甚至减少了工业及其他建设用地碳排放的增加。
研究期內，富阳区、淳安县、建德市和临安区的耕地碳排放处于增长状态，其中富阳区、临安区的上升幅度较大，分别为6.02%、8.11%，淳安县、建德市的增长幅度较小，分别为1.21%、0.7%。研究期内，这些县域单元的耕地面积在逐渐减少，但由于投入农业生产的能源增加导致了耕地碳排放量的增加。主城区、萧山区、余杭区和桐庐县的耕地碳排放处于下降状态，其中主城区的下降幅度最大，达58.51%，其次为余杭区、萧山区和桐庐县，减少幅度在8.74%～21.36%之间。这主要是这些县域单元的城镇用地和工业及其他建设用地扩展迅速，导致耕地面积减少的结果。
2.1.4杭州市县域土地利用碳排放空间格局
利用杭州市各县域单元2015年土地利用碳排放数据，通过ArcGIS10.2软件根据自然断点法绘制杭州市土地利用碳排放空间格局图。如图2所示。
由图2（a）可知，杭州市城镇用地碳排放呈现出东北高、西南低、主城区最高的空间分布特征。主城区城镇用地碳排放276.55万t，占城镇用地总排放量的54.71%。余杭区、萧山区和富阳区城镇用地碳排放相对较少，为34.19万～75.66万t，合计169.33万t，占城镇用地总排放量的33.5%。西南部的临安区、建德市、桐庐县和淳安县的城镇用地碳排放量最少，为9.32万～19.99万t，合计59.62万t，仅占城镇用地总排放量的11.79%。这主要是由于杭州市东北部的主城区、萧山区、余杭区和富阳区的城镇用地面积大，城市人口众多，第三产业发达，主城区、萧山区、余杭区和富阳区的城镇用地面积占全市城镇用地面积的86.49%，第三产业生产总值占全市第三产业生产总值的85.02%，城镇人口占全市城镇人口的76.11%，与此相比，西南部的建德市、桐庐县、淳安县和临安区的城镇用地面积、第三产业生产总值和城镇人口占全市城镇用地面积、第三产业生产总值和城镇人口的比例仅为13.51%、14.98%和23.89%，因而东北部的城镇用地碳排放远远多于西南部。
由图2（b）可知，杭州市农村居民点用地碳排放呈现东北高和西南高、中部低、主城区最低的空间分布特征。其中萧山区和余杭区农村居民点用地碳排放最多，分别为29.35、14.69万t，合计44.04万t，占农村居民点用地总排放量的42.6%。其次为临安区、建德市和淳安县，为12.85万t～13.5万t，合计39.64万t，占农村居民点用地总排放量的38.35%。再次为富阳区和桐庐县，分别为10.34万t、7.79万t，合计18.14万t，占农村居民点用地排放总量的17.55%。主城区农村居民点用地碳排放量最少，为1.56万t，占农村居民点用地总排放量的1.51%。虽然东北部的人口城市化率高于西南部，但由于杭州市的人口呈现东北多、西南少的空间分布特征，因而东北部的农村人口总量大于西南部。东北部的主城区、萧山区、临安区、富阳区的奶牛养殖业和养猪业比较发达，西南部的淳安县、建德市等的家禽养殖业和养牛业比较发达。总体而言，杭州市县域农村居民点用地碳排放量空间差别不大。 由图2（c）可知，杭州市工业及其他建设用地碳排放呈现东北高、西南低、主城区最高的空间分布特征。主城区工业及其他建设用地碳排放1609.97万t，占工业及其他建设用地总排放量的44.15%。余杭区、萧山区和富阳区工业及其他建设用地碳排放相对较小，为308.7万～892.47万t，合计1673.36万t，占工业及其他建设用地总排放量的42.77%。西南部的临安区、建德市、桐庐县和淳安县的城镇用地碳排放量最少，为67.73万～233.71万t，合计629.39万t，占其它建设用地总排放量的16.09%。这主要是由于东北部主城区、萧山区、余杭区和富阳区的工业及其他建设用地面积大，工业生产总值高、能源消耗量大，主城区、萧山区、余杭区和富阳区的工业及其他建设用地面积占全市工业及其他建设用地总面积的68.07%，工业生产总值占全市工业生产总值的85.02%，与此相比，西南部的建德市、桐庐县、淳安县和临安区的工业及其他建设用地、工业生产总值占全市工业及其他建设用地面积、工业生产总值的比例仅为31.92%，14.98%。
由图2（d）可知，杭州市耕地碳排放呈现东北高、西南低、主城区最低的空间分布特征。其中萧山区和余杭区耕地碳排放最多，合计达57.38万t，占全市耕地碳排放的40.7%。其次为临安区和富阳区，合计排放38.56万t，占耕地总排放量的27.35%。再次为淳安县、桐庐县和建德市，碳排放量为11.3万～16.5万t，合计40.55万t，占耕地总排放量的28.76%。主城区耕地碳排放量最少，为4.5万t，占总碳排放量的3.2%。这是由于东北部分的萧山区、余杭区的地形以平原为主，适合农业生产发展，耕地面积远多于以山地、水域为主的西南部地区，且东北部农业机械化程度高、能源消耗量大，萧山区、余杭区、富阳区的农业机械总动力占全市农业机械总动力的56.27%，建德市、桐庐县、淳安县和临安区的农业机械总动力占全市农业机械总动力的43.73%。主城区由于耕地面积很小，农业经济活动占比很小，所以耕地碳排放最少。
2.2杭州市县域土地利用碳排放因素分解分析
根据式（8）计算得出的杭州市各县域单元土地利用碳排放LMDI因素分解结果，设定AEtot的绝对值为1，得到AEI、AAI、AGI、API的分解量的相对贡献率。具体结果，如表4所示。
土地利用变化对杭州市土地利用碳排放明显的抑制作用，其2005-2010年与2010-2015年累计贡献为-15.49和-32.57。从县域单元看，研究期内，主城区、富阳区、桐庐县和建德市的土地利用变化对于土地利用碳排放一直是抑制作用，其中，主城区、桐庐县的土地利用变化的抑制作用在减弱，建德市、富阳区的土地利用变化的抑制作用在增强，萧山区、余杭区、临安区和淳安县则由促进作用转变为抑制作用且总体上为抑制作用。2005-2015年问，由于土地利用变化的影响，杭州市全市碳减排累计实现了1282万t，占总减排量的28.4%。其中，主城区减排量最多，达372.15万t，其次为萧山區（349.09万t）、建德市（170.26万t）、富阳区（142.4万t）、桐庐县（79.05万t）、余杭区（70.59万t）、淳安县（57.56万t）、临安区（40.91万t）。土地利用变化的碳减排作用表明区域发展中造成的建设用地、居住用地的扩张没有带来过多的碳排放，也是能源效率的提高和产业结构的调整在土地利用碳排放上的表现。
土地利用集约度是杭州市土地利用碳排放主要的抑制因素，其2005-2010年与2010-2015年累计贡献为-101.58和-11.51。从县域单元看，研究期内，主城区、萧山区、余杭区、富阳区、临安区和桐庐县的土地利用集约度对于土地利用碳排放一直是抑制作用，其中，主城区、萧山区、桐庐县、富阳区的土地利用集约度的抑制作用在减弱，余杭区、临安区的土地利用集约度的抑制作用在增强，建德市和淳安县则由抑制作用转变为促进作用但总体上是抑制作用。2005-2015年问，由于土地利用集约度的提高，杭州市全市碳减排累计实现了3231.62万t，占总减排量的71.6%。其中，主城区减排量最多，达1173.98万t，其次为萧山区（866.47万t）、余杭区（567.76万t）、富阳区（258.68万t）、临安区（211.92万t）、桐庐县（122.05万t）、淳安县（24.66万t）、建德市（6.09万t）。土地利用集约度的提高说明杭州市对土地资源的优化配置，更大程度的开发了土地资源的潜力，避免了居住用地、建设用地的盲目扩张，减少了因居住用地、建设用地的增加带来的碳排放。建德市和淳安县土地利用集约度的降低则说明这两个县域单元对土地资源不合理的开发利用，造成了土地利用碳排放的增加。
经济发展因素是杭州市土地利用碳排放的主要促进因素，其2005-2010年与2010-2015年累计贡献为113.77和44.97。经济发展因素对于杭州市各县域单元的土地利用碳排放均为促进作用，其中，主城区、萧山区、桐庐县、淳安县、建德市的经济发展因素的促进作用在减弱，余杭区、富阳区、临安区的经济发展因素的促进作用在增强。从经济发展因素的空间变化看，2005-2010年，主城区、桐庐县、萧山区的经济发展促进因素较强，其他县域单元则较弱。到2010-2015年，主城区、桐庐县、萧山区的经济发展的促进作用均出现不同程度的下降，余杭区、富阳区、临安区的经济发展的促进作用则相对变强。这主要是由于研究期内杭州市注重发展扩大杭州都市圈，余杭、富阳、临安等纷纷撤市设区，县域土地、劳动力等资源与市区产业形成了有效衔接，一定程度上促进了它们的经济发展。2005-2015年问，经济发展因素造成杭州市全市碳排放增加了4599.65万t，占总增加量的91.1%。其中，主城区增加量最多，达1523.02万t，其次为萧山区（1139.01万t）、余杭区（673.21万t）、富阳区（414.46万t）、临安区（313.57万t）、桐庐县（217.96万t）、建德市（212.17万t）、淳安县（106.24万t）。经济发展能够带动终端能源消费的增加，因而是碳排放增加的主要促进因素。杭州市2005-2010年GDP涨幅为102.17%，2010-2015年GDP涨幅下降为54.91%，随着杭州市经济发展速度的放缓，经济发展因素对土地利用碳排放的促进作用也在降低。 人口规模因素也是杭州市土地利用碳排放的促进因素之一，其2005-2010年与2010-2015年累计贡献为9.30和3.11。从县域单元看，研究期内除建德市外，人口规模因素对于杭州市各县域单元的土地利用碳排放均为促进作用，其中，主城区、萧山区、桐庐县的人口因素的促进作用在减弱，余杭区、淳安县、富阳区、临安区的促进作用在增强、建德市则由促进作用转变为抑制作用。这主要是由于余杭区、富阳区、临安区等在撤县设区的情况下，吸引了大量企业落户，提高了对劳动力的吸纳能力。2005-2015年问，人口规模因素造成杭州市全市碳排放增加了449.15万t，占总增加量的8.9%。其中，主城区增加量最多，达256.0l万t、其次为余杭区（83.32万t）、萧山区（76.94万t）、富阳区（20.84万t）、桐庐县（6.71万t）、临安区（3.43万t）、淳安县（1.41万t）、建德市（0.48万t）。总体而言，人口因素对土地利用碳排放的促进作用较小。随着杭州市人口增长速度的减缓，人口因素对杭州市土地利用碳排放的促进作用也在降低。
3结论及建议
3.1结论
通过对杭州市土地利用碳排放的时空演变及因素分解分析，可以得出以下结论。
1）研究期内，杭州市土地利用碳排放逐渐增加，从不同土地利用类型看，城镇用地的碳排放量和碳排放强度逐渐增加，工业及其他建设用地碳排放量逐渐增加，碳排放强度则逐渐减小，农村居民点用地和耕地的碳排放量和碳排放强度变化不大。从土地利用碳排放结构看，工业及其他建设用地的碳排放量最大，其次为城镇用地、耕地和农村居民点用地。工业及其他建设用地碳排放强度最大，其次为城镇用地、农村居民点用地和耕地。
2）从县域单元土地利用碳排放变化看，主城区、余杭区、桐庐县的城镇用地和工业及其他建设用地碳排放处于增长状态，农村居民点用地和耕地碳排放处于减少状态。萧山区城镇用地和农村居民点用地碳排放处于增长状态，工业及其他建设用地和耕地碳排放处于减少状态。富阳区的城镇用地、工业及其他建设用地和农用地碳排放处于增长状态，农村居民点用地碳排放处于减少状态。淳安县、建德市和临安区的各用地类型碳排放均处于增长状态。以2015年为例，杭州市城镇用地和工业及其他建设用地碳排放呈现出东北高、西南低、主城区最高的空间分布特征;农村居民点用地碳排放呈现东北高和西南高、中部低、主城区最低的空间分布特征;耕地碳排放呈现东北高、西南低、主城区最低的空间分布特征。
3）研究期内，土地利用变化和土地利用集约度是杭州市土地利用碳排放的抑制因素，经济发展和人口规模是促进因素。分县域单元看，主城区、富阳区、桐庐县和建德市的土地利用变化对于土地利用碳排放一直是抑制作用。萧山区、余杭区、临安区和淳安县则由促进作用转变为抑制作用且研究期内总体上为抑制作用;主城区、萧山区、余杭区、富阳区、临安区和桐庐县的土地利用集约度对于土地利用碳排放一直是抑制作用，建德市和淳安县则由抑制作用转变为促进作用但总体上是抑制作用;经济发展因素、人口规模因素对于杭州市各县域单元的土地利用碳排放均为促进作用且其促进作用总体上呈下降趋势。
3.2建议
不同县域单元应制定不同的减排策略。各县域单元均应做好在城市化过程中的低碳发展工作，尤其是主城区、萧山区、余杭区、富阳区等城镇用地碳排放量大，增长迅速的县域单元，在城市发展中要合理规划城镇用地，倡导居民低碳生活方式，扩大公共交通等城市公共服务的范围，提高城市公共服务的效率。主城区、萧山区、富阳区等县域单元工业及其他建设用地碳排放增速虽然较慢，但其排放量基数大，因此应该着重在现有工业产业中推动技术革新。而淳安县、建德市、临安区等工业及其他建设用地碳排放量相对较少，但其增速较快的县域单元，应对引人工业企业的碳排放量和低碳生产技术有一定要求，设置低碳准入门槛。萧山区、建德市、淳安县等农村居民点用地碳排放较多的县域单元一方面要在农村地区提倡低碳环保的生活方式，另一方面要加强对牲畜养殖业的集约化管理，提高牲畜粪便处理技术。
土地利用变化对碳排放的抑制作用反映了土地利用碳排放强度的降低，间接反映了土地所承载的经济活动碳排放强度的降低，工业及其他建设用地碳排放是杭州市土地利用碳排放的主要来源。一方面，各县域单元应控制工业及其他建設用地的规模，优先消耗工业及其他建设用地存量，避免工业及其他建设用地盲目扩张;另一方面要积极促进技术革新和产业结构调整，淘汰高能耗、高排放的产业，引入和发展低碳产业，降低经济活动的碳排放强度。土地利用集约度对碳排放的抑制作用说明研究期内杭州市土地利用集约度有一定提升，也说明优化土地利用方式，合理配置土地资源是控制土地利用碳排放的有效手段，杭州市应在全市范围内统筹布局产业，避免各县域单元产业同质化竞争，鼓励各县域单元发挥地域优势，发展差异化产业。各县域单元要统一规划工业园区，完善配套基础设施，避免工业及其他建设用地的无序扩张，提高土地利用集约度。但是，土地利用变化和土地利用集约度的提高还不足以弥补经济发展和人口增长所带来的碳排放的增加。因此，短期内杭州市土地利用碳排放还会继续增加。
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