基于土地利用的西安市碳排放时空特征研究

金航 王惠敏 李煜

(西安煤航遥感信息有限公司，陕西 西安 710100)

碳排放对气候生态变化产生了巨大影响，如今全球气候变化形势愈加严峻，我国作为碳排放大国，2020年在联合国大会上承诺将力争实现“30·60”碳减排目标，这对于生态与经济等可持续发展至关重要[1]。已有相关研究表明，近50a内我国基于土地利用变化的碳排放量占总量的1/3，作为影响碳排放的重要因素，不同方式的土地利用及其变化所产生碳排放与碳汇差异显著，土地利用方式与结构改变往往会引起双碳格局、碳循环、生态补偿等发生变化[2,3]，因而土地利用碳排放受到越来越多的关注与研究。其时空变化研究作为研究集中点之一，影响土地资源管理、土地利用结构优化及绿色低碳发展决策等[4]，目前众多学者已围绕土地利用时空变化引起的碳排放开展了广泛的研究，如秦岩等[5]基于GIS手段，通过核算碳排放强度、建立热点要素模型等方法，分析了长三角地区土地利用碳排放强度变化及其空间特征，为区域碳平衡发展打下了基础；刘文凤[6]分析了我国省域尺度下多年碳排放的重心转移与时空特点，得到了碳排放空间效应与变化特点；赵先超等[7]通过土地利用转移矩阵、重心转移模型以及碳排放与效应估算方法研究了市域下土地利用碳排放时空格局，并指出实现碳中和的相关建议。

西安市作为国家中心城市，经济快速发展的同时带来碳排放的不断增大，导致土地利用格局不断变化，而目前对西安市研究较少且数据源未得到更新。基于此，本文基于GIS技术手段，采用土地利用转移矩阵分析土地利用多年变化，通过碳排放系数法分析西安市土地利用碳排放量特点，并引入碳排放重心转移模型分析其时空特征，为研究区低碳绿色可持续发展与碳减排提供建议与决策。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域概况与数据来源

西安市位于黄河流域中部关中盆地，“一带一路”核心区，在西北地区经济体中占领着不可取代的地位。全市共计11个区2县，总面积10108km2，地势东南高，西北与西南低，地形整体北部为冲积平原，南部为剥蚀山地。2020年全年地区生产总值(GDP)10068.28亿元，比2019年增长4.1%，全年粮食种植面积25.76万hm2，年末常住人口1316.3万人，城镇化率79.49%。

本研究所用数据源主要包括：土地利用产品数据，来源于武汉大学黄昕教授团队基于GoogleEarthEngine(GEE)云平台，利用Landsat数据集制作而成，数据分辨率为30m；能源与社会经济数据，来源于《陕西省统计年鉴》(2012—2021)、《西安市统计年鉴》(2012—2021)以及《中国能源统计年鉴》；西安市行政边界数据，来源于全国基础地理信息数据库。

1.2 研究方法

1.2.1 碳排放估算方法

土地利用碳排放估算从碳源与碳汇2方面展开，其中，耕地、建设用地为碳源，林地、草地、水域与未利用地为碳汇，通过《IPCC温室气体指南》以及在已有研究基础上，结合研究区西安市的实际情况，确定各土地利用类型的排放系数[8-10]，各土地利用类型碳排放系数取值见表1。

表1 土地利用碳排放系数

研究区建设用地能源消耗总量(吨标准煤)利用能源数据与经济数据换算间接得到，碳排放量计算方法为能源消耗总量与能源消耗碳排放转换系数之积；建设用地碳排放系数根据已有研究成果取0.733(C)·t-1;非建设用地碳排放量通过各土地利用类型面积与其碳排放系数之积得到，估算方法如公式1所示。

E=∑Ai×αi

(1)

式中，E为土地利用碳排放总量；Ai为第i种土地利用类型面积；αi为第i种土地利用类型的碳排放系数。

1.2.2 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵可以反映研究区在研究时段间各类土地利用方式变化情况与转移方向[11]，其表达形式：

(2)

式中，Sij为第i种土地利用类型转化为第j种土地利用类型的面积，hm2。

1.2.3 重心转移模型

重心转移模型通过人口分布重心原理构建，即根据不同时期要素重心的转移方向判断研究区要素空间变化[12]，将该方法引入碳排放研究中，可以用于分析区域碳排放的时空变化与规律，其计算公式：

(3)

式中，Xt和Yt表示第t年研究要素的重心经纬度坐标；Ci表示t年第i类土地利用类型的研究对象值；xi和yi分别为第i类土地利用类型的几何重心经纬度坐标，通过ArcGIS软件得到。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化分析

2011—2020年西安市土地利用面积变化情况如表2所示。

表2 2011—2020年西安市土地利用面积变化

由表2可知，西安市近10a来，耕地与林地均占总面积的85%以上，为主要土地利用类型，林地面积保持最大，耕地面积次之，其次为建设用地，未利用地面积最小。总体来看，2011—2020年西安市土地利用变化幅度整体偏高，其中，耕地与草地面积逐年递减，林地、水域、建设用地与未利用地面积逐年递增，耕地面积由2011年41.47万hm2减少为2020年37.38万hm2，约减少了9.9%，草地面积由2011年1.25万hm2减少为2020年0.76万hm2，约减少了38.6%；而林地面积在波动中略有增加，未利用地面积逐年增长，水域面积由2011年0.32万hm2增加到2020年0.37万hm2，约增加了18.5%，建设用地由2011年10.41万hm2增加至2020年13.5万hm2，约增加了29.7%。

2.2 土地利用碳排放分析

基于西安市土地利用数据、能源消耗数据与经济统计数据，估算得到西安市10a来6类土地利用类型的土地利用碳排放(吸收)量，结果如表3所示。

表3 2011—2020年西安市土地利用碳排放(吸收)量

由表3可知，西安市土地利用类型中建设用地为主要碳源，林地为主要碳汇，2011—2020年土地利用净碳排放量总体呈现逐年递增的变化趋势，由2011年2065.54万t增加到2020年3774.81万t，增加幅度高达82.8%。在碳源方面，建设用地是西安市碳排放的主导因素，碳排放贡献率为99%，10a间增量高达1711.9万t，耕地碳排放量逐年呈递减趋势，是影响碳排放次要因素，至2020年减少了约为1.73万t；在碳汇方面，总碳汇量逐年递增，增量大都来源于林地，占据总碳汇的96%以上，水域、草地、未利用地的碳汇相对稳定，变化幅度不大。由上述分析可知，在区域碳中和的长远目标下，可通过控制建设用地扩张减少碳源，优化土地利用结构增加碳汇，从而有效降低西安市净碳排放量。

2.3 土地利用空间转移分析

利用ArcGIS空间叠加分析，结合数据透视表得到2011—2020年西安市土地利用转移矩阵，结果如表4所示。

表4 2011—2020年西安市土地利用转移矩阵

由表4可知，2011—2020年在西安市土地利用类型转出面积中，耕地转出面积最高，为4.93万hm2，其中68%转化为建设用地，27%转化为林地；草地转出面积次之，为0.63万hm2；再次为林地、建设用地，其转出面积相当，水域与未利用地转出面积最小。转入面积中，建设用地转入面积最大，为3.43万hm2，98%转入面积来源于耕地；林地转入面积为1.73万hm2，98%转入面积来源于耕地；耕地、草地、水域与未利用地转入面积次之并依次减少。由上述分析可知，随着现阶段城镇化的高速发展，西安市主要通过占用耕地进行扩张城区，林地作为主要碳汇，转入面积大都来源于耕地且相对可观，但建设用地的碳排放远高于林地固碳量，这使得西安市将会面临越来越大的碳减排压力。

2.4 土地利用碳排放量重心转移分析

通过2011年、2014年、2017年与2020年土地利用数据，运用ArcGIS软件确定不同土地利用类型的几何重心坐标，并在获得各土地利用类型碳排放/碳汇量的基础上，依据公式分别计算出2011年、2014年、2017年与2020年土地利用碳排放总量的重心坐标，所得结果如图1。

图1 土地利用碳排放总量重心转移空间格局

由图1可知，总体来看2011—2020年西安市土地利用碳排放量重心具有集群性，均位于莲湖区，重心整体向东北方向移动了0.43km，距西安市几何重心(长安区兴隆街道)距离区间约为21.6～22km。2011—2014年，西安市土地利用碳排放总量重心整体向西北方向移动了0.23km；2014—2017年，碳排放总量重心向东北方向移动了0.21km；2017—2020年，碳排放总量重心向东北方向移动了0.24km，转移距离最大，重心转移速率约为0.08km·a-1。由此可知，碳排放在空间上的重心轨迹区位，碳排放总量重心位于西安市几何重心该点东北方向，说明该点东北方向经济发展迅速，所消耗的能源量更多，也是碳减排重点工作区域。

3 结论与讨论

本文对2011—2020年西安市土地利用变化下西安市碳排放时空格局进行了分析与研究。结果表明，林地和耕地为西安市主要的土地利用类型，占据西安市面积85%以上，耕地面积逐年减少，建设用地面积逐年增大，林地面积相对稳定；2011—2020年西安市土地利用净碳排放增长率达82.8%，这主要是由于建设用地作为西安市碳源的首要贡献要素，其面积在该10a间剧增，约为3.01万hm2，其中98%建设用地来源于耕地的转入，林地作为主要碳汇，其面积呈现逐年递增的趋势，增长率为3%，而林地远不足以平衡建设用地碳排放量，因此造成了西安市碳减排压力的增加。由于西安市经济快速发展，能源消耗加剧，研究时段内西安市土地利用碳排放总量的重心整体向西北方向移动，移动距离较小，均位于西安市几何重心东北，且集中在莲湖区内；分析发现，西安市10a间碳排放总量分别为碳吸收总量的68.2倍、83.6倍、99.2倍、117.1倍，建设用地大量侵占耕地与草地，这是碳排放大量增加的主要原因。因此，在实现区域碳平衡与中和的长远目标下，合理控制建设用地的扩张、积极增大碳汇规模是推进西安市实现碳收支平衡目标的一大重要方向，同时，可通过优化调整土地利用结构，如实施退耕还林、建设用地增绿补绿等方式，以提高区域固碳能力，实现绿色可持续发展。