碳中和导向下基于InVEST模型的城市生态空间系统评价研究.pdf

第 卷第 期 年 月环境科学与管理 收收稿稿日日期期:基基金金项项目目:国国家家自自然然科科学学基基金金项项目目()上上海海市市科科委委双双碳碳专专项项()上上海海市市生生态态环环境境局局科科研研项项目目()作作者者简简介介:郭郭茹茹()女女 博博士士 教教授授 博博士士生生导导师师 主主要要研研究究方方向向:气气候候变变化化与与碳碳中中和和 文文章章编编号号:()碳碳中中和和导导向向下下基基于于 模模型型的的城城市市生生态态空空间间系系统统评评价价研研究究郭郭茹茹 邵邵光光辉辉 刘刘林林京京 曹曹晓晓静静 贾贾海海峰峰(.同同济济大大学学 环环境境与与科科学学工工程程学学院院 上上海海 .同同济济大大学学碳碳中中和和研研究究院院 上上海海 .上上海海污污染染控控制制与与生生态态安安全全研研究究院院 上上海海 .上上海海济济邦邦投投资资咨咨询询有有限限公公司司 上上海海 .清清华华大大学学 环环境境学学院院 北北京京 )摘摘 要要:传传统统生生态态空空间间评评价价方方法法常常常常忽忽略略土土地地利利用用变变化化所所造造成成的的生生态态碳碳汇汇变变化化 难难以以衡衡量量生生态态空空间间对对碳碳中中和和目目标标的的影影响响和和贡贡献献 研研究究利利用用土土地地利利用用转转移移矩矩阵阵和和景景观观水水平平指指数数等等工工具具 建建立立了了基基于于 模模型型的的城城市市生生态态空空间间系系统统评评价价方方法法 并并以以上上海海市市为为例例进进行行了了分分析析 研研究究发发现现 年年到到 年年上上海海市市生生态态空空间间格格局局呈呈现现破破碎碎化化发发展展 耕耕地地面面积积占占比比从从 降降至至 生生态态空空间间总总体体碳碳汇汇量量减减少少 .从从土土地地利利用用转转化化趋趋势势来来看看 各各地地类类稳稳定定性性由由高高到到低低排排列列依依次次为为建建设设用用地地、水水体体和和耕耕地地、湿湿地地、草草地地、林林地地 前前述述研研究究为为碳碳中中和和导导向向下下的的生生态态空空间间规规划划和和管管控控提提供供了了参参考考基基准准和和分分析析工工具具 关关键键词词:土土地地利利用用 生生态态空空间间 碳碳中中和和 空空间间分分析析 元元胞胞自自动动机机中中图图分分类类号号:文文献献标标志志码码:(.):.:研研究究背背景景生生态态空空间间是是国国土土空空间间规规划划中中的的关关键键要要素素 指指以以各各类类生生态态系系统统为为主主体体 为为人人类类提提供供生生态态系系统统服服务务的的第 卷第 期 年 月郭茹等碳中和导向下基于 模型的城市生态空间系统评价研究 空空间间 中中国国 年年提提出出“争争取取在在 年年前前实实现现碳碳中中和和”对对未未来来生生态态碳碳汇汇能能力力和和水水平平形形成成了了刚刚性性约约束束 而而生生态态空空间间则则是是生生态态系系统统碳碳汇汇能能力力和和水水平平的的物物理理承承载载 面面向向碳碳中中和和目目标标的的生生态态空空间间管管控控是是一一个个涉涉及及生生态态、经经济济和和社社会会系系统统多多元元协协同同的的复复杂杂工工程程 面面临临诸诸多多挑挑战战 一一是是对对微微观观尺尺度度下下生生态态空空间间管管控控单单元元的的精精细细化化研研究究不不足足 尤尤其其是是对对不不同同尺尺度度管管控控单单元元划划定定科科学学性性与与管管控控有有效效性性的的评评价价分分析析 二二是是目目前前生生态态空空间间管管控控单单元元主主要要依依据据其其历历史史和和现现状状情情况况进进行行评评估估、分分级级与与划划定定 未未充充分分考考虑虑土土地地演演化化对对其其长长远远影影响响 难难以以应应对对未未来来土土地地利利用用变变化化所所造造成成的的生生态态安安全全风风险险 三三是是对对生生态态碳碳汇汇能能力力与与水水平平的的有有效效评评估估亟亟待待加加强强 针针对对当当前前管管控控要要求求与与未未来来需需要要 研研究究利利用用 技技术术 建建立立了了基基于于 模模型型的的生生态态空空间间系系统统评评价价方方法法 对对城城市市生生态态空空间间的的数数量量、格格局局与与品品质质进进行行综综合合性性评评估估 以以期期为为碳碳中中和和导导向向下下的的生生态态空空间间规规划划与与管管控控提提供供参参考考基基准准和和定定量量分分析析工工具具 为为上上海海乃乃至至全全国国开开展展基基于于生生态态空空间间科科学学管管控控的的气气候候变变化化应应对对提提供供借借鉴鉴 研研究究方方法法与与研研究究区区域域.城城市市生生态态空空间间系系统统评评价价方方法法研研究究面面向向国国家家碳碳中中和和战战略略目目标标 提提出出了了一一种种融融合合了了城城市市生生态态空空间间数数量量、格格局局和和碳碳汇汇水水平平的的系系统统评评价价方方法法 通通过过土土地地利利用用转转移移矩矩阵阵识识别别城城市市生生态态空空间间数数量量变变化化水水平平 采采用用景景观观水水平平指指数数评评估估生生态态空空间间变变化化的的空空间间格格局局特特征征 同同时时基基于于 模模型型开开展展了了生生态态空空间间碳碳汇汇水水平平评评估估 .生生态态空空间间数数量量评评价价方方法法研研究究从从静静态态和和动动态态两两个个角角度度分分析析了了生生态态空空间间数数量量变变化化 静静态态方方面面 统统计计了了不不同同年年份份各各类类土土地地的的绝绝对对数数量量与与比比例例 明明确确了了土土地地利利用用演演化化整整体体趋趋势势 动动态态方方面面 利利用用土土地地利利用用转转移移矩矩阵阵 明明确确了了土土地地利利用用演演化化的的具具体体类类型型 .生生态态空空间间格格局局评评价价方方法法景景观观指指数数是是生生态态空空间间景景观观格格局局分分析析的的重重要要方方法法之之一一 可可表表征征景景观观的的破破碎碎化化程程度度以以及及连连通通性性、稳稳定定性性等等特特征征 为为了了定定量量识识别别城城市市生生态态空空间间格格局局破破碎碎化化趋趋势势和和复复杂杂性性程程度度 研研究究采采用用景景观观指指数数法法评评估估生生态态空空间间变变化化的的空空间间格格局局特特征征 包包括括边边缘缘密密度度、面面积积加加权权平平均均斑斑块块分分维维数数和和景景观观聚聚合合度度指指数数 .边边缘缘密密度度()式式()式式()中中 为为第第 类类土土地地利利用用类类型型的的第第 个个斑斑块块的的周周长长 单单位位为为 为为研研究究范范围围景景观观总总面面积积 单单位位为为 为为土土地地利利用用类类型型总总数数 为为第第 类类土土地地利利用用类类型型的的斑斑块块总总数数 从从整整体体上上反反映映了了景景观观斑斑块块的的形形状状特特征征 体体现现景景观观的的异异质质性性 数数值值越越大大表表示示斑斑块块形形状状更更为为扁扁平平 景景观观更更加加复复杂杂 .面面积积加加权权平平均均斑斑块块分分维维数数()()()()式式()式式()中中 为为第第 类类土土地地利利用用类类型型的的第第 个个斑斑块块的的面面积积 单单位位为为 为为修修正正系系数数 属属于于生生态态空空间间格格局局分分形形指指数数 反反映映了了景景观观斑斑块块形形状状的的复复杂杂程程度度 取取值值范范围围为为 数数值值越越大大表表示示景景观观越越趋趋于于破破碎碎化化 .景景观观聚聚合合度度指指数数()()式式()式式()中中 为为第第 类类土土地地利利用用类类型型的的相相似似邻邻接接斑斑块块数数量量 反反映映了了斑斑块块的的聚聚合合程程度度 取取值值范范围围为为 数数值值越越大大表表示示斑斑块块越越趋趋向向聚聚合合 .生生态态空空间间碳碳汇汇水水平平评评价价方方法法 模模型型碳碳汇汇估估算算模模块块以以碳碳储储量量库库的的形形式式来来体体现现 具具体体包包括括地地表表碳碳储储库库、地地下下碳碳储储库库、土土壤壤碳碳储储库库与与死死亡亡碳碳储储库库四四个个部部分分:式式()第 卷第 期 年 月郭茹等碳中和导向下基于 模型的城市生态空间系统评价研究 式式()中中 、和和 分分别别代代表表研研究究区区域域内内的的总总碳碳汇汇量量、地地上上生生物物碳碳汇汇量量、地地下下生生物物碳碳汇汇量量、土土壤壤有有机机质质碳碳汇汇量量 死死亡亡有有机机质质碳碳汇汇量量 单单位位均均为为 研研究究采采用用不不同同生生态态空空间间类类型型碳碳密密度度法法对对碳碳汇汇能能力力进进行行估估算算 碳碳密密度度指指单单位位面面积积生生态态空空间间中中的的碳碳汇汇量量 单单位位为为 .数数据据来来源源研研究究采采用用的的土土地地利利用用数数据据来来自自中中国国自自然然资资源源部部下下辖辖国国家家基基础础地地理理信信息息中中心心全全球球地地表表覆覆盖盖 米米分分辨辨率率遥遥感感数数据据制制图图成成果果()行行政政区区划划数数据据来来自自国国家家基基础础地地理理信信息息中中心心 高高程程数数据据来来自自全全球球数数字字高高程程数数据据产产品品()路路网网数数据据来来自自中中国国城城市市规规划划设设计计研研究究院院上上海海分分院院 其其他他数数据据来来源源于于国国家家统统计计局局网网站站、上上海海统统计计年年鉴鉴(年年 年年)等等 结结果果与与讨讨论论.上上海海市市生生态态空空间间数数量量演演变变 城城镇镇化化发发展展导导致致 年年 年年上上海海市市建建设设用用地地不不断断增增加加 耕耕地地面面积积持持续续减减少少 但但两两者者总总量量基基本本稳稳定定在在 万万公公顷顷左左右右 同同时时 林林地地、草草地地、湿湿地地面面积积增增长长迅迅速速 生生态态空空间间类类型型趋趋于于多多样样 生生态态空空间间持持续续拓拓展展 分分区区域域看看(如如图图 所所示示)中中心心城城区区主主要要土土地地利利用用类类型型为为建建设设用用地地 年年 年年 长长宁宁区区、普普陀陀区区、杨杨浦浦区区建建设设用用地地有有所所增增长长 黄黄浦浦区区与与虹虹口口区区建建设设用用地地保保持持稳稳定定 徐徐汇汇区区与与静静安安区区建建设设用用地地有有所所减减少少 生生态态空空间间方方面面 至至 年年 中中心心城城区区耕耕地地面面积积已已不不足足 公公顷顷 林林草草地地面面积积大大幅幅提提升升 水水体体面面积积保保持持稳稳定定 除除崇崇明明区区外外 其其他他区区域域耕耕地地面面积积均均逐逐年年减减少少 总总体体而而言言 年年 年年间间 土土地地利利用用类类型型从从“两两分分城城市市六六分分田田”格格局局转转变变为为“四四分分城城市市四四分分田田”格格局局 其其中中 耕耕地地面面积积减减少少 建建设设用用地地快快速速上上升升 水水体体面面积积略略有有下下降降 林林地地、草草地地、湿湿地地等等生生态态空空间间占占比比有有所所增增加加“向向海海要要地地”速速度度放放缓缓 从从土土地地利利用用转转化化趋趋势势来来看看 各各地地类类稳稳定定性性由由高高到到低低排排列列依依次次为为建建设设用用地地、水水体体和和耕耕地地、湿湿地地、草草地地、林林地地 图 上海各区 年、年、年陆域土地利用变化()(注:()图中每个区对应的三个柱状图分别代表 年 年和 年的状况()浦东区和崇明区的陆域面积出现增长主要原因在于促淤围垦和长江口泥沙沉积).上上海海市市生生态态空空间间格格局局演演变变如如表表 和和图图 所所示示 年年 年年上上海海市市总总体体生生态态空空间间格格局局呈呈现现破破碎碎化化发发展展 但但破破碎碎化化程程度度逐逐渐渐降降低低 城城镇镇开开发发边边界界从从“摊摊大大饼饼”式式的的无无序序扩扩张张 转转型型为为多多样样化化、集集中中式式发发展展 耕耕地地面面积积显显著著减减少少 林林草草地地沿沿外外环环绿绿道道及及社社区区街街道道呈呈现现“一一环环星星布布”式式发发展展 水水体体湿湿地地保保持持稳稳定定 生生态态空空间间的的分分布布与与品品质质更更加加优优化化 但但优优势势斑斑块块的的连连通通度度有有所所下下降降 整整体体景景观观趋趋于于破破碎碎复复杂杂 生生态态空空间间受受到到人人类类活活动动的的影影响响更更加加显显著著 生生态态安安全全风风险险有有所所增增加加 保保证证其其稳稳定定性性的的维维护护运运第 卷第 期 年 月郭茹等碳中和导向下基于 模型的城市生态空间系统评价研究 营营成成本本显显著著提提升升 表表 上上海海市市生生态态空空间间景景观观水水平平指指数数变变化化年年份份边边缘缘密密度度()面面积积加加权权平平均均斑斑块块分分维维数数()景景观观聚聚合合度度().建建设设用用地地方方面面 年年 年年 上上海海市市建建设设用用地地扩扩张张增增速速达达 .将将大大量量耕耕地地转转化化为为城城镇镇空空间间 建建设设用用地地景景观观分分布布更更加加破破碎碎 年年 年年 上上海海市市建建设设用用地地扩扩张张速速度度放放缓缓 仅仅增增长长 耕耕地地方方面面 年年 年年 上上海海市市耕耕地地减减少少 年年 年年 上上海海市市耕耕地地减减少少 .耕耕地地向向林林地地、草草地地、湿湿地地转转移移明明显显 围围垦垦造造田田速速度度略略有有下下降降 耕耕地地空空间间布布局局逐逐步步呈呈碎碎片片化化 林林草草地地方方面面 年年 年年 上上海海市市中中心心城城区区林林草草地地有有所所减减少少 城城市市绿绿地地主主要要依依托托森森林林公公园园建建设设 年年 年年 上上海海市市中中心心城城绿绿带带建建设设成成效效显显著著 城城市市绿绿地地服服务务能能力力显显著著提提升升 湿湿地地方方面面 年年 年年 上上海海市市湿湿地地增增长长 年年 年年 上上海海湿湿地地增增长长迅迅速速放放缓缓 增增长长仅仅.水水体体方方面面 年年 年年 上上海海市市水水体体减减少少 .年年 年年 上上海海市市水水体体减减少少幅幅度度缩缩小小至至.城城市市建建成成区区内内水水体体面面积积有有所所增增加加 与与崇崇明明区区围围垦垦导导致致水水体体减减少少形形成成对对冲冲 水水体体总总面面积积逐逐渐渐趋趋于于平平衡衡 图 上海市 年、年、年土地利用情况 总总体体来来看看 上上海海市市生生态态空空间间趋趋于于破破碎碎化化发发展展 生生态态安安全全风风险险有有所所增增加加 维维护护运运营营成成本本显显著著提提升升 应应加加强强生生态态空空间间综综合合管管控控 在在生生态态禀禀赋赋良良好好的的区区域域预预留留大大型型生生态态空空间间建建设设地地块块 立立足足本本地地水水网网密密布布的的景景观观特特征征 因因地地制制宜宜提提升升生生态态空空间间连连通通性性 坚坚持持保保护护优优先先 自自然然恢恢复复为为主主的的方方针针 加加强强自自然然湿湿地地保保护护 通通过过减减少少不不必必要要的的人人工工干干预预降降低低运运营营维维护护成成本本 .上上海海市市生生态态空空间间碳碳汇汇水水平平演演变变从从碳碳汇汇总总量量来来看看 年年 年年上上海海市市生生态态空空间间碳碳汇汇总总体体呈呈现现减减弱弱趋趋势势 生生态态空空间间总总体体碳碳汇汇量量减减少少.其其中中 年年 年年减减少少 年年 年年增增长长 生生态态空空间间碳碳汇汇量量有有所所回回升升 生生态态品品质质退退化化趋趋势势明明显显好好转转 从从生生态态空空间间类类型型来来看看(如如图图 所所示示)耕耕地地碳碳汇汇是是上上海海生生态态碳碳汇汇的的主主要要形形式式 其其中中 年年占占比比最最高高达达 .年年占占比比下下降降至至 .占占比比明明显显下下降降 林林草草地地碳碳汇汇能能力力迅迅速速提提升升 两两者者之之和和从从 年年的的 增增加加至至 年年的的 .水水平平 数数量量增增长长为为 倍倍 填填补补了了耕耕地地面面积积下下降降导导致致的的碳碳汇汇能能力力减减少少 湿湿地地碳碳汇汇能能力力显显著著提提升升 年年占占比比达达到到 .年年 上上海海市市生生态态空空间间碳碳汇汇分分布布更更加加多多元元 结结构构更更加加优优化化 林林草草地地与与湿湿地地碳碳汇汇量量占占比比达达到到三三分分之之一一以以上上 第 卷第 期 年 月郭茹等碳中和导向下基于 模型的城市生态空间系统评价研究 图 上海市 年、年、年各类生态空间碳汇量分分区区域域来来看看 中中心心城城区区单单位位面面积积碳碳汇汇不不及及郊郊区区 但但波波动动幅幅度度强强于于郊郊区区 呈呈现现明明显显的的空空间间差差异异 年年 年年 除除崇崇明明区区外外上上海海市市所所有有地地区区单单位位面面积积碳碳汇汇均均有有所所下下降降 其其中中中中心心城城区区单单位位面面积积碳碳汇汇减减少少 郊郊区区减减少少 .中中心心城城区区降降幅幅明明显显大大于于郊郊区区 年年 年年 由由于于城城市市绿绿地地建建设设加加快快发发展展 中中心心城城区区碳碳汇汇能能力力均均有有所所增增长长 土土地地利利用用变变化化导导致致中中心心城城区区单单位位面面积积碳碳汇汇增增长长 郊郊区区增增长长 .中中心心城城区区增增幅幅明明显显大大于于郊郊区区 上上海海市市单单位位面面积积碳碳汇汇有有所所降降低低 年年 年年减减少少 .年年 年年增增长长 .生生态态品品质质退退化化趋趋势势有有所所减减弱弱 碳碳汇汇降降低低速速率率减减缓缓 总总体体而而言言 上上海海市市生生态态空空间间碳碳汇汇变变化化呈呈现现较较高高的的空空间间异异质质性性 单单位位面面积积碳碳汇汇减减少少与与耕耕地地面面积积减减少少紧紧密密相相关关 耕耕地地作作为为半半人人工工生生态态系系统统具具有有重重要要的的碳碳汇汇价价值值 但但这这并并不不表表示示上上海海应应当当发发展展以以耕耕地地为为主主的的碳碳汇汇结结构构 主主要要原原因因是是耕耕地地碳碳汇汇能能力力受受生生产产方方式式影影响响显显著著 由由于于生生产产能能源源消消耗耗、化化肥肥农农药药施施用用以以及及不不合合理理的的耕耕作作方方式式 容容易易导导致致耕耕地地净净碳碳汇汇为为负负值值 因因此此 上上海海应应当当积积极极调调整整目目前前较较为为脆脆弱弱的的生生态态碳碳汇汇结结构构 全全方方位位提提升升生生态态碳碳汇汇能能力力 同同时时 加加强强湿湿地地管管理理 严严格格管管控控入入侵侵植植物物 利利用用高高碳碳汇汇植植被被提提升升湿湿地地碳碳汇汇水水平平 此此外外 可可结结合合海海绵绵城城市市建建设设 对对中中心心城城区区商商业业建建筑筑、交交通通设设施施与与私私人人住住宅宅 广广泛泛开开展展节节水水型型屋屋顶顶绿绿化化、立立面面绿绿化化、垂垂直直绿绿化化等等立立体体绿绿化化设设施施建建设设 结结论论生生态态空空间间是是实实现现可可持持续续发发展展的的基基础础 其其安安全全正正受受到到气气候候变变化化与与快快速速城城镇镇化化的的双双重重威威胁胁 传传统统生生态态空空间间评评价价方方法法未未充充分分考考虑虑土土地地利利用用变变化化所所造造成成的的生生态态碳碳汇汇变变化化 对对碳碳中中和和目目标标的的影影响响机机制制仍仍不不明明确确 研研究究以以上上海海市市为为例例 提提出出了了碳碳中中和和导导向向下下基基于于 模模型型的的城城市市生生态态空空间间系系统统评评价价方方法法 结结果果显显示示 年年 年年 上上海海市市耕耕地地面面积积减减少少 建建设设用用地地快快速速上上升升 水水体体面面积积略略有有下下降降 林林地地、草草地地、湿湿地地等等生生态态空空间间占占比比有有所所增增加加 生生态态空空间间的的分分布布与与品品质质更更加加优优化化 但但优优势势斑斑块块的的连连通通度度有有所所下下降降 生生态态空空间间碳碳汇汇变变化化呈呈现现较较高高的的空空间间异异质质性性 研研究究提提出出的的系系统统评评价价方方法法对对城城市市生生态态空空间间数数量量、格格局局与与品品质质开开展展综综合合评评估估 可可为为碳碳中中和和导导向向下下的的生生态态空空间间规规划划与与管管控控提提供供参参考考基基准准和和定定量量分分析析工工具具 参参考考文文献献:苏苏泽泽鹏鹏.“双双碳碳”目目标标背背景景下下碳碳排排放放治治理理路路径径研研究究 .环环境境科科学学与与管管理理 :谭谭荣荣辉辉 刘刘耀耀林林 刘刘艳艳芳芳 等等.城城市市增增长长边边界界研研究究进进展展 理理论论模模型型、划划定定方方法法与与实实效效评评价价 .地地理理科科学学进进展展 :.王王晓晓玉玉 陈陈甜甜倩倩 冯冯喆喆 等等.基基于于地地类类边边界界分分析析的的江江苏苏省省生生态态安安全全格格局局构构建建 .生生态态学学报报 :.:.:邓邓元元杰杰 姚姚顺顺波波 侯侯孟孟阳阳 等等.退退耕耕还还林林还还草草工工程程对对生生态态系系统统碳碳储储存存服服务务的的影影响响 以以黄黄土土高高原原丘丘陵陵沟沟壑壑区区子子长长县县为为例例 .自自然然资资源源学学报报 :.周周健健 李李晓晓源源 邓邓一一荣荣.中中国国碳碳中中和和发发展展现现状状及及关关键键策策略略展展望望 .环环境境科科学学与与管管理理 :.:.:.:.刘刘纭纭绮绮 赵赵光光影影 刘刘永永祥祥 等等.年年 年年东东三三省省森森林林碳碳储储量量动动态态变变化化研研究究 .环环境境科科学学与与管管理理 :.