丘陵地区土地利用格局时空演变与碳排放效应

《Land》：Spatiotemporal Evolution of Land Use Patterns and Carbon Emission Effects in Hilly Regions

　　

土地利用与土地覆盖变化是人为碳排放的主要来源，然而现有关于景观格局与碳排放的研究大多集中于平原城市群，来自地形受限丘陵地区的实证证据有限。本研究以长江三角洲典型丘陵城市宣城市为研究区，利用1990—2020年七期Landsat遥感数据集，结合土地利用动态度、转移矩阵、景观格局指数、校正碳系数、Spearman相关分析和灰色关联分析，探讨了土地利用格局与碳排放之间的关联。结果表明：建成区在过去三十年间扩张了4.08倍，成为主导碳源，而森林保持了持续的碳汇功能；建成区的最大斑块指数与碳排放表现出最强相关性；耕地和林地的碳排放波动呈现时间同步性，而非独立的因果效应；地形约束驱动城镇沿交通廊道轴向扩展，抬升了边缘相关指数的相关性，产生了与平原城市不同的碳排放响应模式；两步相关分析框架适用于小样本长时序数据集。上述发现表明，在丘陵城市低碳空间规划中，应优先控制建成区连片扩张、优化城市形态并加强生态连通性。

丘陵地区土地利用格局与碳排放效应研究解读

一、研究背景与问题

全球气候变化已成为21世纪可持续发展面临的最严峻挑战之一。土地利用与土地覆盖变化（LUCC）是仅次于化石燃料燃烧的全球第二大碳排放源，约占人为碳排放总量的三分之一。尽管城市面积不足全球陆地的3%，却贡献了超过70%的碳排放。2020年，中国正式承诺2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和目标。国土空间规划通过优化土地利用结构和空间布局，为实现上述目标提供了关键路径。然而，当前多数低碳规划实践仍侧重于能源结构调整和产业升级，对土地利用形态特征的碳减排潜力关注不足。这一研究空白在丘陵城市尤为突出——地形约束使丘陵城市的土地利用格局与平原地区存在显著差异。

现有研究已形成较为成熟的理论共识：建设用地是主要碳源，森林和草地是主要碳汇；不同土地利用类型之间的转换直接重塑区域碳收支。但已有研究大多强调土地利用组成，忽视了空间配置效应：在建设用地总面积相同的情况下，紧凑与分散的空间布局会产生截然不同的碳排放量。景观生态学的进展推动研究重心从总量碳输出转向土地利用空间形态。跨城市比较研究证实，紧凑规则的建设布局对应较好的碳排放绩效，而破碎化布局导致较高排放；这一规律同样适用于耕地、绿地及混合用地类型。然而，几乎所有支持上述机制的实证证据均来自平原城市和大型城市群，尚不清楚这些既有规律是否适用于受山地河谷地形约束的丘陵城市。山地屏障阻止了完全的径向蔓延，将建设活动限制在沿交通走廊的线性带状区域内；广阔的森林覆盖维持了稳定的区域碳汇，而分散的山间盆地使建设用地破碎化为不连续斑块。平原城市在平坦地形的连续同心环中向外扩展，丘陵城市只能沿河谷廊道轴向发展。已有山区相关研究多计算碳储量清单或评价区域碳平衡，缺乏探讨景观演变如何调节丘陵城市碳排放绩效的长期分析。

宣城市位于安徽省东南部，是长三角地区的典型丘陵城市，其城市扩张轨迹完整体现了上述地形驱动的发展特征。本研究以宣城市为研究区，检验平原城市研究结论是否具有普适性，并提出三个核心研究问题：1990—2020年间，在河谷地形约束下土地利用数量与景观格局指数如何演变？与平原城市典型的同心圆蔓延模式相比，丘陵环境中的轴向扩展是否改变了景观指数与碳排放之间的相关强度或相关方向？基于此案例，可为中国类似丘陵城市提出哪些针对性的低碳国土规划建议？

二、研究方法概述

研究人员利用1990—2020年七个时期的Landsat遥感数据集，结合GIS空间分析、景观格局指数计算、碳排放系数核算和相关分析，系统分析了宣城市土地利用格局的时空演变特征及其碳排放效应。主要技术方法包括：土地利用动态度（量化单一地类变化速率和综合转型强度）、土地利用转移矩阵（识别地类间转换路径，并使用桑基图可视化）、交通走廊缓冲区分析（验证沿交通干道的扩张方向性）、景观格局指数（在Fragstats 4.2软件中计算六个类型水平指标，涵盖斑块优势度、破碎化强度、形状复杂度、边缘属性和空间交织度）、碳排放系数法（采用IPCC推荐方法并结合宣城市本地化校正）、Spearman相关分析（检验景观格局指数与碳排放之间的单调相关方向和显著性）、灰色关联分析（对影响碳排放的景观指数进行相对影响强度排序）。研究区为安徽省宣城市，包含七个县级行政单元，数据源包括多时相土地利用数据、DEM数据、行政边界、主要道路网络和社会经济统计资料。

三、主要研究结果

（一）土地利用时空演变特征

面积变化特征方面，1990—2020年间森林和耕地主导了宣城市的土地利用结构，合计占比超过90%。建设用地增长最为剧烈，从不足100 km2扩张至超过500 km2，面积增长约4倍。耕地减少超过400 km2，主要转化为建设用地，部分通过生态修复转化为森林。森林覆盖率保持在62%以上，仅受小幅波动。草地面积从28.76 km2增至109.86 km2，水域面积从379.43 km2增至454.17 km2。

空间分布特征方面，宣城市土地利用呈现明显的南北空间分异：北部冲积平原以耕地为主，南部山区拥有大片连续森林，建设用地沿交通走廊集中分布。缓冲区分析显示，1990年距主干道1 km范围内的建设用地比例为86.1%，2020年升至89.0%；300 m缓冲区比例从64.1%升至69.5%。超过95%的建设用地位于距主干道2 km范围内，证实城市扩张强烈受交通廊道引导。

土地利用动态度方面，建设用地单一动态度呈倒V型轨迹，1995—2000年峰值年增长率为18.25%，2015—2020年首次转负。综合动态度呈双峰形态，峰值分别出现在1995—2000年和2010—2015年，对应早期工业化和承接长三角产业转移阶段。

土地利用转移矩阵方面，三十年间土地利用转换以耕地向森林和建设用地转化为主。1990—2000年退耕还林政策驱动耕地转森林为主要路径；2000—2015年快速城市化使建设用地成为主要转入类型；2015—2020年耕地转建设用地规模显著收缩，耕地与森林双向转换成为主导。超过90%的新增建设用地来源于耕地和森林转换。

（二）景观格局时空演变特征

耕地景观方面，最大斑块指数（LPI）从26.77降至21.47，斑块密度（PD）增加46.5%，边缘密度（ED）和景观形状指数（LSI）分别上升36.5%和44.0%，散布与并列指数（IJI）从49.13升至64.11，表明耕地大斑块持续萎缩、破碎化和形态复杂化加剧。

森林景观方面，LPI始终高于50，表明南部山区大型核心生态斑块保存良好。但PD增加61.05%，ED和LSI分别增加23.35%和24.19%，IJI增长106.06%，显示森林在北部平原和丘陵区域出现缓慢破碎化和与其它地类交织度上升。

建设用地景观方面，LPI增长逾九倍，反映连续城市核心斑块的迅速扩大；PD上升60.7%，经历早期散点扩张和后期空间整合的演化轨迹；ED和LSI分别增加199.26%和33.06%，平均分维指数（FRAC_MN）和IJI同步上升，对应城乡过渡带扩展。空间分异表明，LPI呈南高北低梯度，ED高值集中于郊区地带，LSI高值位于北部主城区和中部交通走廊，IJI高值分布在城乡交错区并沿交通廊道向北扩散。

（三）土地利用碳排放时空演变特征

时间演变方面，土地利用碳排放从1990年到2020年增长了15.65倍，呈现三个阶段：缓慢增长期（1990—2000年）、快速攀升期（2000—2015年）、高位回落期（2015—2020年）。建设用地贡献了总排放增量的98%以上，森林作为主要碳汇，其余地类碳汇/碳源效应微弱。

空间分异方面，碳排放空间分布呈北高南低格局，形成“一主两副”排放热点和沿交通走廊向外梯度衰减的特征。宣州区、宁国市和广德市的城市区域构成高排放核心，沿交通走廊呈串珠状延伸。高排放区经历零星出现、轴向扩展、峰值扩散和适度收缩四个阶段，2015年后排放强度和空间覆盖范围均有所下降。

（四）景观格局与碳排放的关联分析

Spearman相关分析显示，建设用地所有指标均与碳排放呈显著正相关，其中LPI、ED和PD的相关性高度显著，表明连续核心斑块扩张是碳排放上升的主要关联因素。耕地指标呈双向分化：LPI为负相关，而破碎化和形态相关指标为正相关，反映建设用地侵占耕地的协同效应。森林、草地和水域的大多数形态与构型指标呈显著正相关，但规模指标不显著，说明生态空间破碎化与建设用地侵占同步发生，而生态用地面积规模对区域总排放影响微弱。

灰色关联分析得出关联度值介于0.602—0.742之间，呈现中等至较强的同步时变特征。建设用地LPI的灰色关联度最高（0.742），是唯一达到强关联等级的因子，形成“单核心主导、多因子辅助”的驱动体系。作为主导碳源，建设用地格局变化与碳排放动态直接相关，斑块规模和连续性指标的关联影响远强于边缘形态、破碎化或空间构型指标。其余四种地类的观测关联更可能是土地利用转换过程中的伴随性共变，而非独立因果机制。

四、讨论与结论

与已有研究对比，建设用地LPI与碳排放最强相关的发现与平原城市群研究一致，支持连片建成区扩张与碳排放正共变这一基本机制。然而，效果强度在平原与丘陵城市之间存在显著差异：平原城市中ED的相关影响弱于LPI，因为同心圆扩张维持了相对规则的斑块边界；在宣城市，河谷地形将城市增长限制在沿交通走廊的轴向带内，显著放大了ED相关的相关性。这一地形调节机制在以往基于平坦地形样本的研究中未得到充分记录。研究还细化了紧凑城市理论的适用性认识：在丘陵地区，紧凑的空间集聚是地形约束的被动结果而非主动规划干预，且与能源密集型产业沿有限交通走廊集聚叠加，因此紧凑并不自动转化为减排收益，紧凑城市理论不能直接外推至丘陵地区。对于生态用地变量，尽管连通性和斑块完整性改善在生态脆弱区显著增强碳汇绩效，但在宣城市生态用地连通性对总碳排放的边际贡献可忽略不计，建设用地驱动的排放主导了区域碳收支。

在方法适用性方面，Spearman相关分析加灰色关联分析的两步框架适用于小样本长时序数据集。仅七个时间点观测无法进行稳健回归模型拟合，Spearman相关提供统计显著性筛选，灰色关联在不假设数据分布的情况下对因子相对影响强度排序。但该描述性框架无法建立因果关系。小样本固有限制统计功效，时间序列自相关减少了独立数据点数量，约30个景观指标与地类组合的检验中不能完全排除偶然显著的可能性。此外，碳排放核算采用面积乘以固定系数的方法，建设用地景观指标与总排放之间的强相关可能部分源于两者对建设用地扩张的共同依赖——单位面积排放强度三十年仅增加约8.5%，而总排放增长了15.65倍，面积扩张而非景观形态属性是排放增长的主要驱动因素。30 m分辨率数据无法完全捕捉细尺度边缘特征，且分析局限于时间维度而缺乏空间交互效应。

研究结论可概括为：本研究利用1990—2020年多时相土地利用数据集，考察了典型丘陵城市宣城市景观格局演变与碳排放动态之间的关联。建设用地LPI与碳排放表现出最强的时间共变关系，ED和PD的相关强度依次减弱。耕地和林地指标仅显示同步伴随性共变，缺乏独立因果解释能力。河谷地形约束使城市扩张局限于沿交通走廊的轴向带，抬升了边缘相关景观指标的相关强度，导致丘陵与平原地形城市在紧凑空间集聚的碳排放结果上产生分化，并界定了紧凑城市理论的情境边界条件。对于小样本长时序数据集，Spearman-灰色关联组合框架提供了可行的描述性因子影响层级识别工具，但输出仍属探索性。

基于实证结果，研究人员提出针对性低碳空间治理建议：抑制无控制的连片建设用地蔓延；建立与城市开发边界相符的景观指标阈值基准；规整建设用地边界形态；强化绿色廊道和绿楔以维持稳定的区域碳汇绩效；实施空间差异化治理方案。北部城市重点区域应优先提升土地利用强度；中部过渡带应限制散点状开发；南部生态保护区必须维持大面积连续自然森林斑块系统。该研究发表于《Land》期刊，为地形受限的丘陵城市低碳国土空间规划提供了实证依据和方法参考。