基于情景模拟的流域低碳土地...优化研究——以汾河流域为例_张恩月.pdf

第40卷第2期2023年2月Vol.40No.2Feb.2023干 旱 区 研 究ARIDZONERESEARCHhttp:/DOI：10.13866/j.azr.2023.02.05基于情景模拟的流域低碳土地利用格局优化研究以汾河流域为例张恩月1，郑君焱2，苏迎庆3，张蕾4，张鹏飞1，刘庚1（1.太原师范学院地理科学学院，山西 晋中030619；2.中晋环境科技有限公司，山西 太原 030000；3.西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃 兰州730070；4.太原师范学院经济与管理学院，山西 晋中030619）摘要：开展土地利用优化配置，旨在促进区域土地资源科学利用及实现碳减排目标。本文以汾河流域为研究区，基于2015年、2020年土地利用及阻力因子数据，采用FLUS-MCR模型、碳收支系数法，验证模型精度下，设置2030年低碳发展优先、经济发展优先、耕地保护优先、生态保护优先及自然发展5种模拟情景，对比未来不同情景下土地利用类型的布局特征，并提出优化布局方案。结果表明：（1）2020年汾河流域禁止、限制、重点及优化开发区4类土地利用功能分区面积分别为：2491.76 km2、6445.99 km2、16325 km2、14477 km2；流域净碳排放量为2002.46104t，禁止开发区为流域碳汇区，碳吸收总量为0.76104t，其余三区为碳源区，碳排放总量为2003.22104t。（2）2030年各情景土地利用碳收支情况由高到低为：低碳发展优先、生态保护优先、耕地保护优先、自然发展、经济发展优先。（3）2030年，不同情景下除禁止开发区用地结构相对合理，限制开发区仍需适当压缩该区耕地及建设用地比例；重点及优化开发区应考虑适当开发宜耕草地，促进流域土地利用生产、生活、生态功能协调发展，实现低碳土地利用目标。关键词：低碳土地利用；优化配置；FLUS-MCR模型；碳收支系数；汾河流域；山西全球气候变化是当前人类社会面临的重大危机，为有效应对气候变化带来的威胁，各国呼吁达成以自下而上NDC（Nationally Determined Contributions）目标及行动计划推进全球气候治理1-2。中国作为当前世界上碳排放量最大的国家之一，提出“二氧化碳排放力争取于2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和”的目标，并且将碳达峰、碳中和作为我国“十四五”规划和2035年远景目标，以此响应全球气候变化的治理3-4。如何达成碳达峰、碳中和的目标及具体实现路径已成为当前研究的主要热点5。土地利用优化布局通过调整土地利用类型结构及空间布局，维护区域土地资源的高效利用，实现碳排放的减少，有效推动双碳目标的达成6。针对土地利用优化布局，研究多偏重于土地数量质量上的分配7，基于区域差异的兼顾数量、质量、生态“三位一体”的优化方式已成为新的焦点8；研究方法上大多采用线性规划模型9、系统动力学模型10、CLUE-S模型11、多目标粒子群算法12等进行分区；研究尺度上包括行政区（省/市/县）13-14、城市圈/群15-16、生态脆弱区及流域17-18等不同层级。总体来看，现有研究大多聚焦土地资源本底的现状优化配置，而兼顾低碳土地利用角度的优化配置研究报道较少。同时，基于现状土地静态的优化配置不足以有效反馈土地利用变化的复杂性、时空异质性及不确定性等特征。相反，采取多情景的土地利用变化模拟及空间优化配置对未来土地利用变化及社会经济发展的不同需求具有更好的弹性适应。汾河流域是山西省重要的传统能源生产基地及消费源区，也是黄土高原生态脆弱地带。同时具收稿日期：2022-07-11；修订日期：2022-11-21基金项目：山西省高等学校优秀成果（科学技术）培育项目（2020KJ024）；山西省高等学校科技创新项目（2021L411）；教育部人文社科规划基金项目（19YJAZH066）；山西省人文社科重点研究基地项目（20200133）；太原师范学院研究生教育创新项目（SYYJSYC2222）资助作者简介：张恩月（1998-），女，硕士研究生，主要从事土地资源评价与开发等研究.E-mail:通讯作者：刘庚.E-mail:203212页40卷干旱区研究有流域、矿区及生态敏感等复合环境本底，基于长期的煤铁等工矿开采、耕作及城镇经济建设等人为扰动，造成研究区土地利用结构布局变化的特殊性及复杂性，由此带来的生态环境及土地碳收支问题更为复杂。在国家提出“双碳”目标的背景下，未来流域内社会经济发展的多元性与双碳目标之间的矛盾或将加大，实现双碳背景下土地利用优化配置是解决上述问题的迫切需求。因此，本文集成FLUS-MCR模型，并采用碳收支系数法，基于2015年、2020年土地利用数据，验证模型精度的基础上，设置2030年经济发展优先、耕地保护优先、生态保护优先、低碳目标优先及自然发展5种模拟情景，对比未来不同发展情景下土地利用的布局特征，并提出针对性的优化布局方案，为有效提升区域土地碳汇能力、解决碳收支矛盾，达成“双碳”目标，推进地区开展低碳导向的国土空间规划，制定科学的减排路径提供参考。1研究区概况及方法1.1 研究区概况汾河流域位于山西省中部，黄土高原东翼（351343944N、11026421132656E）。辖太原、晋中、吕梁等6市约40县，总面积约3.95104km2（图 1）。属温带大陆性季风气候，年均气温11，年均降水量392.8 mm。地势由北向南整体倾斜，主要地形为土石质山地、黄土丘陵及河谷盆地等。主要土地利用类型为耕地、草地及林地等。区内人口经济城镇相对集聚，城镇化率达到60.3%，约占山西省40.1%的人口、42.6%的GDP，年均粮食产量约占全省的37%，煤炭产量的26.2%。截至2020年，流域净碳排放量为2002.46104t，占山西省碳排放总量的35.74%，是本省主要碳源地之一。1.2 数据来源及处理2015年、2020年土地利用数据通过波段合成、几何纠正、图像增强等处理，经人机交互式判读解译得到，解译精度为91.1%，按照中国土地利用/土地覆盖数据的3级分类系统重分类为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用土地等6类。选取9类阻力因子数据均经相应地理处理、裁剪校正、坐标图1 汾河流域区位图Fig.1 Location of Fenhe River Basin表1 数据类型及来源Tab.1 Data type and source数据类型基础数据阻力因子指标山西省行政边界土地利用/覆被高程/m坡度/（）土壤厚度/cm植被覆盖度/%年均气温/年均降水量/mm距道路距离/m距水体距离/m数据来源中国科学院资源环境科学数据中心（http:/）2015年中国科学院资源环境科学数据中心（http:/）2015年、2020年（Landsat 8 30 m）中国科学院资源环境科学数据中心（http:/）2000年山西省DEM（SRTM 30 m）国家地球系统科学数据中心土壤分中心（http:/）中国高分辨率国家土壤信息格网基本属性数据集（20102018）1 km地理空间数据云（）MOD13Q1数据集2020年 250 mWorldClim version 2.0（http:/www.worldclim.org/）2000年国家基础地理信息中心（ km1 km（表1）。1.3 研究方法首先基于2020年土地利用数据及省市县发展规划等实际，划定禁止、限制、重点及优化开发区4类土地利用功能分区，并测算各用地类型的碳收支量；然后设置低碳发展优先、生态保护优先、耕地保护优先、自然发展及经济发展优先等5种情景，对各情景土地利用格局进行优化配置；最后对各情景的碳收支量进行横向比较，得出低碳土地利用优化路径（图2）。1.3.1 土地利用模拟方法采用FLUS 模型模拟未来土地利用格局，该模型是基于传统元胞自动机（CA）模型改良的集成模型19，其原理是通过融合人工神经网络（BP-ANN）算法，对研究初期土地利用数据及驱动因子计算出各类用地转化的适宜性概率；再结合集成的自适应惯性竞争机制测算模拟年土地利用变化结果的综合概率；最终利用轮盘赌机制得到模拟结果20-21。模拟年5种情景及转换原则设置见表2。1.3.2 土地利用优化分区划定方法（1）“源”的选取生态源地是指生态环境质量较高且具有较高生态稳定性及扩展性的区域22。考虑多年流域土地利用变化特征，选取生态保护红线内面积始终大于50 km2的林地和始终大于5 km2的水域作为生态源地23-24（图3a）。城镇源地是指城市集中建设区中城市的核心区25，提取城镇用地及农村居民点用地为城镇源地（图3b）。（2）阻力面的构建选取9类能够反映本研究区现状且具有代表性的阻力因子并赋权26-27，除土地利用类型因子为中性因子，其余阻力因子的属性对两类源地的作用相反（表3）。以生态/城镇源地为起点分析其向外围扩展的阻力，按阻力值划分为高阻力、较高阻力、中阻力、较低阻力和低阻力区5个等级区（图4）。（3）最小累积阻力模型最小累积阻力模型（MCR）是用来测度从“源”地经不同阻力到达目的地所克服阻力的总和28，依据该原理，设置土地利用功能分区，公式如下：MCR=fminj=ni=mDijRi（1）MCRd=MCRe-MCRc（2）式中：fmin表示空间上任意点到其他点的最小阻力（最低成本）；Dij表示在一定范围内从起点i到j的实图2 研究框架Fig.2 Study framework表2 情景类型及转换原则Tab.2 Situation types and conversion principles情景类型低碳发展优先生态保护优先耕地保护优先自然发展经济发展优先转换原则结合 中国能源统计年鉴、中国碳核算数据库（https:/ 等省市统计年鉴历年研究区能源排放量变化趋势，并参照 山西省国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要，以最低增长量为目标，优先转换碳汇用地类型林地、水域、草地等基于 汾河流域生态修复规划（20152030年）、汾河流域生态景观规划（20202035）等相关省市国土空间规划基础，纳入生态保护红线区域限制转换，按用地类型生态效益等级依次转换林地、水域、草地、其他通过加入永久基本农田保护区为限制转化区，控制耕地向建设用地转移，除建设用地，加大其他用地类型转换为耕地的概率以20152020年土地利用变化速率及基准年驱动因子为源，不考虑政策规划限制，预测各地类未来规模基于 山西省国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要 及历年建设用地等变化趋势，以最大增长量为目标，按低到高等级用地单向转换原则排序：建设用地、耕地、林地、草地、水域等，优先安排建设用地转换20540卷干旱区研究际距离；Ri表示i对目的地的阻力系数；MCRe表示生态扩张最小累积阻力值；MCRc表示城镇扩张最小累积阻力值；MCRd表示两者的差值。（4）最小累积阻力面计算按差值的正负可将流域土地利用划分为两类，小于0的部分为生态适宜区，大于0的部分为建设适宜区。为符合流域土地利用实际，进一步细化分区，基于MCRd差值与面积曲线突变点29将适宜经济建设的分区划分为重点及优化开发区，适宜生态保护的分区划分为禁止及限制开发区（图5）。1.3.3 碳收支系数与碳收支量测算为测算各土地利用类型的碳排放（吸收）量，通过比对近似区域 30-31，并结合 中国能源统计年鉴、中国碳核算数据库（https:/ 汾河流域土地利用现状及功能分区2020年汾河流域主要土地利用类型为耕地、林地、草地及建设用地，分别占流域面积的40.44%、26.64%、24.03%及8.08%。其中，林地、草地集中于流域边缘山区丘陵，建设用地、耕地集中于流域核心盆地（图6）。根据土地利用功能指向，将流域划分为禁止、限制、重点及优化开发区，生态功能主导的禁止及限制开发区，面积分别为 2491.76 km2、6445.99 km2，各占流域面积的6.27%和16.22%，其主要位于流域源头及边缘山区等林草地封育区域。生产生活功能为主的重点及优化开发区，面积分别为163