張茹倩,李鵬輝,徐麗萍,2,*

1 石河子大學理學院, 石河子 832000

2 綠洲城鎮(zhèn)與山盆系統(tǒng)生態(tài)兵團重點實驗室, 石河子 832000

中國城鎮(zhèn)化被諾貝爾經(jīng)濟學獎得主斯蒂格列茨稱為21世紀影響人類發(fā)展進程的兩大關鍵因素之一[1]。改革開放以來,我國城鎮(zhèn)化率從17.92% (1978年)上升至59.58% (2018年),建設用地規(guī)模增長了5.2倍[1],人口的大規(guī)模轉移和建設用地的劇烈擴張對區(qū)域碳排放產(chǎn)生了深刻影響。張梅等[2]研究表明在胡煥庸線東、西兩側,當城鎮(zhèn)建設用地每增加1km2時,年均碳排放量分別增加1.79萬t和2.58萬t。關海玲等[3]研究發(fā)現(xiàn),中國城鎮(zhèn)化率每上升1%,碳排放量相應增加1.6%左右。目前,城鎮(zhèn)地區(qū)承載了全球1/2以上的人口,創(chuàng)造了全球近2/3的財富,同時也排放了全球3/4的CO2總量[4]。據(jù)國際能源署預計,2006—2030年間城鎮(zhèn)能源消耗排放的CO2將以1.8%/a的速度持續(xù)增長[5]。2020年9月22日,在第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論上,中國向全世界承諾將采取更有力的政策和措施,力爭于2030年前達到碳排放峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。當前,城市集聚了我國63.89%的人口,貢獻了我國70%以上的碳排放,已成為我國實現(xiàn)“碳達峰”、“碳中和”目標的主戰(zhàn)場[6]。面對快速城鎮(zhèn)化對碳排放增長的剛性拉動和政府對碳減排的硬性約束,如何協(xié)調城鎮(zhèn)化建設與節(jié)能減排間的關系,實現(xiàn)城鎮(zhèn)化與低碳環(huán)保的雙贏,是新時代我國城鎮(zhèn)化可持續(xù)發(fā)展和“雙碳”目標實現(xiàn)路徑設計的關鍵。

現(xiàn)階段關于城鎮(zhèn)化與碳排放的研究主要集中在城鎮(zhèn)化對碳排放的影響、低碳城鎮(zhèn)化的轉型方式、城鎮(zhèn)化視角下的碳減排路徑等方面。如張騰飛等[7]認為我國城鎮(zhèn)化水平與碳排放之間存在倒“U”型曲線關系；劉俊伶等[8]指出實現(xiàn)低碳城鎮(zhèn)化轉型所需的新增固定投資約占GDP的1.5%；林美順[9]認為發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)、增加人力資本投資、提升市場競爭水平、降低能源強度是城鎮(zhèn)化階段實現(xiàn)碳強度下降與經(jīng)濟增長雙贏的有效措施。已有研究為揭示城鎮(zhèn)化與碳排放的互動關系,促進綠色低碳發(fā)展提供了有益嘗試和參考,但同時也存在部分缺憾。如以人口城鎮(zhèn)化率代替區(qū)域城鎮(zhèn)化水平,忽視了城鎮(zhèn)化發(fā)展的質量和全面性；僅用能源消費數(shù)據(jù)或農(nóng)業(yè)碳排放數(shù)據(jù)核算區(qū)域碳排放量,忽略了陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能對CO2的調節(jié)作用；此外,相關研究多集中在全國和省域大尺度上,掩蓋了社會經(jīng)濟和地理環(huán)境異質性對城鎮(zhèn)化和碳排放的影響。城鎮(zhèn)化是一個涵蓋人口、社會、經(jīng)濟、土地等諸多因素在內(nèi)的復雜的動態(tài)系統(tǒng),其規(guī)模效應、結構效應和技術效應均會對碳排放系統(tǒng)產(chǎn)生影響[10]。因此,摸清城鎮(zhèn)化對碳排放的驅動機制及兩者之間的耦合協(xié)調關系,探索城鎮(zhèn)化碳減排的有效路徑,已成為推進城鎮(zhèn)化綠色發(fā)展和實現(xiàn)區(qū)域社會-經(jīng)濟-生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的重要突破點。

新疆位于“絲綢之路”經(jīng)濟帶的核心區(qū),內(nèi)聯(lián)西北五省,外接中亞五國,是我國向西開放的重要門戶。西部大開發(fā)戰(zhàn)略實施以來,新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展迅猛,城鎮(zhèn)人口由2000年的624.18萬人增加至2018年的1266.01萬人,人口城鎮(zhèn)化率提高了17.16%。然而新疆生態(tài)環(huán)境脆弱,發(fā)展模式相對粗放,在城鎮(zhèn)化發(fā)展的同時,建設用地和耕地擴張無序,土地利用轉換復雜,對區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳源-碳匯格局產(chǎn)生了深刻的影響,2000—2017年間的碳排放量增加了4.77倍[11]。厘清新疆城鎮(zhèn)化與碳排放之間的相互作用關系,探究不同維度城鎮(zhèn)化對碳排放影響的時空特征,有助于增匯減排、構建低碳社會,促進區(qū)域城鎮(zhèn)化的綠色發(fā)展。為此,本文綜合考慮陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳源/碳匯功能,在測算2000—2018年新疆14個地(州、市)新型城鎮(zhèn)化發(fā)展水平和土地利用凈碳排放量的基礎上,運用偏最小二乘法分析城鎮(zhèn)化對土地利用碳排放的影響,并借助耦合協(xié)調度模型探析二者的耦合關系,以期為新疆的低碳城鎮(zhèn)化和碳減排規(guī)劃提供理論支持。

1 研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)地處亞歐大陸腹地,位于73°40′—96°23′E,34°25′—49°10′N之間,區(qū)域總面積約占中國陸地面積的1/6,是中國陸地面積最大的省級行政區(qū),現(xiàn)轄4個市、5個地區(qū)和5個自治州,共14個地級行政單位[12](圖1)。新疆地形復雜多樣,天山橫亙于中部將新疆分為南北兩半,與北部的阿爾泰山和南部的昆侖山共同構成“三山夾兩盆”的地貌特點。在“三山”和“兩盆”周圍生長有大量的優(yōu)質牧草,牧草地總面積約7.7億畝,農(nóng)林牧可直接利用的土地面積約10.28億畝。21世紀以來,隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的逐步實施,新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展迅猛,社會經(jīng)濟水平顯著提高,據(jù)《新疆維吾爾自治區(qū)2020年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示,2020年新疆實現(xiàn)GDP13797.58億元,常住人口城鎮(zhèn)化率52.4%,居民人均可支配收入23845元。1980—2015年間新疆城鎮(zhèn)建設用地擴張約2.9倍[13],大量的草地和未利用地轉為建設用地和耕地,碳源、碳匯發(fā)生快速變換,區(qū)域生境質量遭到破壞,生態(tài)系統(tǒng)健康受到嚴重威脅[14]。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 Overview of the study area

2 數(shù)據(jù)來源及方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文的研究數(shù)據(jù)主要包括土地利用數(shù)據(jù)和統(tǒng)計資料數(shù)據(jù)兩類。其中土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心(獲取網(wǎng)址：http://www.resdc.cn/),空間分辨率為30m,主要用于各地(州、市)耕地、林地、草地、水域、未利用地面積的提取。社會統(tǒng)計資料主要用于各地(州、市)綜合城鎮(zhèn)化水平和建設用地碳排放的計算,主要類別及來源為：新疆各地(州、市)城鎮(zhèn)人口數(shù)量、城市人口密度、人均國內(nèi)生產(chǎn)總值、第二產(chǎn)業(yè)增加值、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比、衛(wèi)生技術人員、社會消費品零售總額、全社會固定資產(chǎn)投資總額、建成區(qū)面積、城市經(jīng)濟密度等城鎮(zhèn)化指標來源于2001—2019年的《新疆統(tǒng)計年鑒》,其中部分指標由原始數(shù)據(jù)計算得到；煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然氣等能源消費量來源于2001—2019年《新疆統(tǒng)計年鑒》,化石能源的標準煤轉化系數(shù)來源于《中國能源統(tǒng)計年鑒》。

2.2 城鎮(zhèn)化與碳排放的耦合關系

由于研究的城市類型和城鎮(zhèn)化所處階段不同,目前學術界對于城鎮(zhèn)化與碳排放之間的作用關系主要形成三種認識：一是城鎮(zhèn)化有助于減少碳排放[15],二是城鎮(zhèn)化會加劇碳排放強度[16],三是二者之間不存在顯著相關性[17]。本文在綜合已有成果基礎上,認為城鎮(zhèn)化與碳排放之間既存在正反饋作用,又存在負反饋作用,二者間的關系應遵循環(huán)境庫茲涅茲曲線(Environmental Kuznets Curve,EKC),即在一個完整的城鎮(zhèn)化發(fā)展周期內(nèi),初始階段城鎮(zhèn)化進程的推進會加劇碳排放的強度,但當城鎮(zhèn)化發(fā)展到一定水平時,碳排放強度不再增加,并隨著城鎮(zhèn)化水平的提高而減小。城鎮(zhèn)化對碳排放的影響與其所處階段密切相關,依據(jù)方創(chuàng)琳[18]提出的新型城鎮(zhèn)化高質量發(fā)展所需遵循的四階段性規(guī)律,本文嘗試繪制了新型城鎮(zhèn)化與碳排放的耦合規(guī)律圖(圖2)。在城鎮(zhèn)化前期階段,城鎮(zhèn)化水平不高,工業(yè)化落后,城市功能用地不明確,碳排放量較少,城鎮(zhèn)化與碳排放的作用關系并不明顯；在城鎮(zhèn)化中期階段,城鎮(zhèn)化快速推進,碳排放為城鎮(zhèn)化提供了能源基礎,城鎮(zhèn)化與碳排放呈顯著的正向相關性,且隨著工業(yè)化水平的提高,二者的相關性不斷增強；在城鎮(zhèn)化后期階段,城鎮(zhèn)化推進速度有所放緩,工業(yè)化水平開始降低,伴隨著科技進步,碳排放量在到達某個“拐點”后開始下降；在城鎮(zhèn)化終期階段,城鎮(zhèn)化趨于穩(wěn)定,工業(yè)化水平進一步降低,城鎮(zhèn)化發(fā)展對能源的依賴度不斷下降,二者呈負向相關性,且隨著工業(yè)化水平的降低,負向相關性愈加顯著。

圖2 新型城鎮(zhèn)化與土地利用碳排放的耦合規(guī)律Fig.2 The coupling law of new urbanization and land use carbon emissions

新型城鎮(zhèn)化是城鎮(zhèn)化由人口城鎮(zhèn)化邁向“人”的城鎮(zhèn)化的重大轉變。通過產(chǎn)業(yè)調整、結構優(yōu)化、資源配置、科技創(chuàng)新等途徑實現(xiàn)低碳城鎮(zhèn)化發(fā)展,是新時代城鎮(zhèn)化發(fā)展的重點。城鎮(zhèn)化系統(tǒng)與碳排放系統(tǒng)之間通過物質交換、能量流動、信息傳遞,從而相互影響、相互作用(圖3)。一方面,新型城鎮(zhèn)化是構建低碳土地利用結構的重要組成和實踐載體。新型城鎮(zhèn)化以土地利用調整為基礎,通過產(chǎn)業(yè)集聚、人口集聚和基礎設施集中供應等,有效提高了能源利用效率和資源配置效率。同時,新型城鎮(zhèn)化水平的不斷提高,為低碳發(fā)展提供了先進技術、物質基礎和資金支持[19]。另一方面,低碳土地利用是新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的必然要求和重要保障。土地利用碳排放對城鎮(zhèn)化發(fā)展起到約束和支撐作用,隨著“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)文明觀不斷深入,積極推動土地的低碳利用,加快經(jīng)濟綠色轉變成為緩解區(qū)域環(huán)境保護與經(jīng)濟發(fā)展矛盾、推進新型城鎮(zhèn)化進程的必然要求[20]。新型城鎮(zhèn)化與土地利用碳排放的耦合協(xié)調實質上是在經(jīng)濟、社會、人口、資源等多種外部因素的影響下,進行土地利用和生產(chǎn)要素的優(yōu)化配置,從而促進低碳城鎮(zhèn)化的形成和發(fā)展。

圖3 新型城鎮(zhèn)化與土地利用碳排放的作用機制Fig.3 The mechanism of new urbanization and land use carbon emissions

2.3 研究方法

2.3.1新型城鎮(zhèn)化水平測度

依據(jù)新型城鎮(zhèn)化的內(nèi)涵和特征,本文從人口、經(jīng)濟、社會、土地4個維度選取10個指標構建綜合城鎮(zhèn)化評價指標體系(表1),全面反映城鎮(zhèn)的擴張規(guī)模、發(fā)展質量和社會經(jīng)濟水平,并采用改進的熵值法和變異系數(shù)法相結合的組合賦權法,以避免單一賦權方法的偶然誤差和局限性[21]。計算過程如下：

(1)指標選取：設有h個年份,m個地區(qū),n個指標,則xθij為第θ年i地區(qū)的第j個指標值。本文取h=19,m=14,n=10。

(2)數(shù)據(jù)標準化：由于不同指標的數(shù)據(jù)具有不同的單位和量綱,本文采用離差標準化進行無量綱化。

正向指標：

(1)

逆向指標：

(2)

(3)改進熵值法計算權重：通過加入時間變量,對常規(guī)熵值法進行改進,能夠實現(xiàn)不同年份間的比較,使分析結果更加合理化。主要步驟有：指標歸一化處理→計算各指標熵值→計算指標的信息效用值和權重。

(3)

(4)

(5)

式中,Pθij表示第θ年i地區(qū)的第j項指標占該指標的比重；Pij表示i地區(qū)的第j項指標所有年份的總和占該指標的比重；Ej、Wj1分別表示第j項指標的熵值和熵值法權重。

(4)變異系數(shù)法計算權重：變異系數(shù)法是根據(jù)各指標變異信息量的大小來確定其權重。主要步驟有：計算指標均值和方差→計算指標變異系數(shù)→計算指標權重。

(6)

(7)

(8)

(9)

(5)進行組合賦權：對改進熵值法和變異系數(shù)法獲取的權重進行組合,得到各指標的最終權重Wj。

(10)

(6)計算綜合城鎮(zhèn)化水平Uθi：

(11)

表1 城鎮(zhèn)化水平測度指標體系

2.3.2土地利用碳排放測算

土地利用碳排放測算分為直接碳排放測算和間接碳排放測算,前者主要測算由土地利用變化直接引起的碳排放,后者主要估算各類土地所承載的人為碳排放。根據(jù)土地特性及利用特點,耕地、林地、草地、水域及未利用地采取直接碳排放系數(shù)法測算土地碳排放量和碳吸收量,而建設用地人類活動復雜,采取能源消耗碳排放替代法,通過人類生產(chǎn)生活中的能源消耗來反映建設用地碳排放總量[22]。碳排放量與碳吸收量的差額為凈碳排放量,正值表明區(qū)域土地利用碳效應以碳排放為主,負值表明區(qū)域土地利用碳效應以碳吸收為主。本文在已有成果基礎上,依據(jù)新疆氣候環(huán)境特征和地表覆被特點,修正得到新疆各類土地的碳排放系數(shù)(表2)。土地利用的碳排放測算公式如下：

Q=Qk+Qt=∑αiAi+∑Ni×γi×ωi

(12)

式中,Q為土地利用凈碳排放量,Qk為耕地、林地、草地、水域和未利用地的碳吸收/碳排放總量,Qt為建設用地碳排放量,αi為第i類土地的碳吸收或碳排放系數(shù),Ai為第i類土地的面積,Ni為第i種化石能源的消耗量,γi、ωi為第i種化石能源的標準煤轉化系數(shù)和碳排放系數(shù),ωi取自于IPCC-EFDB軟件平臺(2019版)。

表2 土地利用碳排放系數(shù)率定

2.3.3偏最小二乘法

偏最小二乘法集成主成分分析、線性回歸分析和典型相關分析等方法的特點,采取成分提取的方法,既考慮自變量與因變量之間的線性關系,又考慮變量的解釋能力,通過對信息進行重組,排除噪聲干擾且選擇對自變量和因變量解釋最強的綜合變量,有效的解決了樣本點少、變量存在多重共線性等問題[37]。具體原理如下：

設有q個自變量x、p個因變量y,取n個樣本點來研究x與y之間的關系,并構建數(shù)據(jù)矩陣X={x1,x2,…,xq}q×n和Y={y1,y2,…,yp}p×n。偏最小二乘回歸模型首先要在X和Y中提取第一主成分t1和u1,兩者盡可能多的攜帶各自數(shù)據(jù)矩陣的變異信息且分別為x1,x2, …xq和y1,y2, …yp的線性組合。算法會在回歸方程達到滿意精度后終止,否則將對模型中t1和u1未解釋的部分進行第二主成分的提取,循環(huán)往復,直到所提取的成分能夠顯著解釋變量的變化為止。若最終在X中提取m個成分t1,t2, …tm,偏最小二乘模型將首先建立yk(k=1, 2 …,p)與t1,t2, …tm的回歸,最后再表達為yk關于原自變量x1,x2, …xq的回歸方程。本文以14個地(州、市)的土地利用碳排放為因變量,各地區(qū)反映新型城鎮(zhèn)化水平的10個指標為自變量,建立偏最小二乘回歸模型。其中變量投影重要性(Variable Important in Projection,VIP)作為驅動因子重要性判斷的重要依據(jù)。若VIP>1.0,表示自變量是因變量的極重要驅動因子；0.8

2.3.4耦合協(xié)調度模型

耦合協(xié)調度模型通過耦合度闡明系統(tǒng)間存在的相互作用,在此基礎上,根據(jù)耦合協(xié)調度反映不同系統(tǒng)間的相互促進或相互拮抗程度[39],具有模型簡單且結果直觀的優(yōu)點。本文選取耦合協(xié)調度模型揭示土地利用碳排放和新型城鎮(zhèn)化兩者間的相互作用強度及協(xié)調程度。計算過程如下：

(1)計算系統(tǒng)耦合度：

(14)

(2)計算綜合協(xié)調指數(shù)：

T=α×U+β×E

(15)

(3)計算耦合協(xié)調度：

(16)

式中,U、E分別表示新型城鎮(zhèn)化和土地利用碳排放兩個系統(tǒng)的綜合得分；C、T、D分別表示系統(tǒng)耦合度、系統(tǒng)綜合協(xié)調指數(shù)、系統(tǒng)耦合協(xié)調度；α、β為待定參數(shù)；基于前人研究,α=β=0.5,C、D的等級劃分標準如表3[40]。

表3 耦合度與耦合協(xié)調度的等級劃分標準

3 結果與分析

3.1 新疆各地(州、市)城鎮(zhèn)化水平分析

3.1.1新疆各地(州、市)新型城鎮(zhèn)化時序演變分析

2000—2018年間新疆各地(州、市)的新型城鎮(zhèn)化水平呈階段性的波動增長趨勢,且地區(qū)間的差異較大(圖4)。以2018年為例,各地(州、市)綜合城鎮(zhèn)化水平由高到低排序依次為：烏魯木齊市(83.43%)>昌吉州(46.16%)>克拉瑪依市(35.06%)>喀什地區(qū)(33.99%)>伊犁州(33.41%)>巴州(33.10%)>阿克蘇地區(qū)(31.69%)>哈密市(27.04%)>和田地區(qū)(25.71%)>塔城地區(qū)(22.64%)>博州(20.60%)>吐魯番市(20.23%)>阿勒泰地區(qū)(18.20%)>克州(18.15%)。其中,烏魯木齊市作為新疆的首府,是全疆社會、經(jīng)濟、政治、文化的中心,同時也是國務院批復確定的中國西北地區(qū)重要的中心城市和面向中亞西亞的國際商貿(mào)中心,其城鎮(zhèn)化發(fā)展“一枝獨秀”,新型城鎮(zhèn)化水平遙遙領先于其他區(qū)域,年均增長速度高達3.16%/a。而克州位于我國最西部,自然本底較差,區(qū)域90%以上為山區(qū),被稱為“萬山之州”,2018年該區(qū)域城鎮(zhèn)人口僅14.08萬人,其新型城鎮(zhèn)化水平最低,年均增長速度僅0.28%/a。

圖4 2000—2018年新疆各地(州、市)新型城鎮(zhèn)化水平演變Fig.4 Evolution of new urbanization level of various regions (prefectures and cities) in Xinjiang from 2000 to 2018

依據(jù)新型城鎮(zhèn)化水平變化趨勢,輔之以新型城鎮(zhèn)化增長速度,將2000—2018年新疆各地(州、市)的城鎮(zhèn)化發(fā)展大致劃分為三個階段：緩慢發(fā)展階段(2000—2004年)、快速發(fā)展階段(2004—2014年)、穩(wěn)定發(fā)展階段(2014—2018年)(圖5)。(1)緩慢發(fā)展階段：2000年10月中共十五屆五中全會通過的《中共中央關于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十個五年計劃的建議》,把實施西部大開發(fā)、促進地區(qū)協(xié)調發(fā)展作為一項戰(zhàn)略任務。西部大開發(fā)戰(zhàn)略初步實施,新疆城鎮(zhèn)化有所發(fā)展,但很多不穩(wěn)定性因素的存在,此階段各地(州、市)城鎮(zhèn)化發(fā)展較為緩慢。(2)快速發(fā)展階段：2004年以來,我國城鎮(zhèn)化速度超過經(jīng)濟增長速度,全國范圍內(nèi)掀起城鎮(zhèn)化發(fā)展熱潮,2006年“十一五”規(guī)劃提出走中國特色的城鎮(zhèn)化道路,同年國務院審議通過《西部大開發(fā)“十一五”規(guī)劃》,前期積累為城鎮(zhèn)發(fā)展奠定了良好基礎,此階段新疆城鎮(zhèn)化快速發(fā)展。(3)穩(wěn)定發(fā)展階段：這一時期我國城鎮(zhèn)化平均水平已超過50%,部分城市出現(xiàn)“城市病”,城鎮(zhèn)人口-土地擴張失調,國家開始更加注重城鎮(zhèn)化的“質”,強調“人”的城鎮(zhèn)化,我國進入新型城鎮(zhèn)化時期,此階段新疆城鎮(zhèn)化趨于穩(wěn)定發(fā)展。

圖5 新疆各地(州、市)新型城鎮(zhèn)化年均增速變化Fig.5 Average annual growth rate of new urbanization of various regions (prefectures and cities) in Xinjiang

3.1.2新疆各地(州、市)城鎮(zhèn)化各維度演變分析

總體上,2000—2018年間各地(州、市)城鎮(zhèn)化發(fā)展過程中,人口城鎮(zhèn)化占比逐漸降低,經(jīng)濟城鎮(zhèn)化和社會城鎮(zhèn)化占比穩(wěn)步升高,土地城鎮(zhèn)化占比波動增加(圖6),表明新疆各地(州、市)城鎮(zhèn)化發(fā)展由側重城鎮(zhèn)人口比例的“量”向多方統(tǒng)籌協(xié)調發(fā)展的“質”轉變。從各維度占比來看,克拉瑪依市城鎮(zhèn)化的主導類型始終是經(jīng)濟城鎮(zhèn)化,其占比超過50%；烏魯木齊市城鎮(zhèn)化的主導類型由經(jīng)濟城鎮(zhèn)化向社會城鎮(zhèn)化轉變；克州城鎮(zhèn)化的主導類型由人口城鎮(zhèn)化向土地城鎮(zhèn)化轉變；昌吉州城鎮(zhèn)化的主導類型由人口城鎮(zhèn)化向社會城鎮(zhèn)化轉變；伊犁州城鎮(zhèn)化的主導類型由人口城鎮(zhèn)化向經(jīng)濟城鎮(zhèn)化與社會城鎮(zhèn)化并重發(fā)展；和田地區(qū)城鎮(zhèn)化的主導類型由人口城鎮(zhèn)化向土地城鎮(zhèn)化與經(jīng)濟城鎮(zhèn)化并重發(fā)展,阿克蘇地區(qū)、阿勒泰地區(qū)、巴州、博州、哈密地區(qū)、喀什地區(qū)、塔城地區(qū)、吐魯番市的城鎮(zhèn)化主導類型由人口城鎮(zhèn)化向經(jīng)濟城鎮(zhèn)化轉變。城鎮(zhèn)化的主導類型與其所處階段密切相關,各地(州、市)城鎮(zhèn)化主導類型按發(fā)展階段順序依次為：人口城鎮(zhèn)化→土地城鎮(zhèn)化→經(jīng)濟城鎮(zhèn)化→社會城鎮(zhèn)化。

圖6 2000—2018年新疆各地(州、市)城鎮(zhèn)化各維度占比變化Fig.6 Changes in the proportion of different dimensions of urbanization in Xinjiang from 2000 to 2018

圖7 新疆土地利用凈碳排放總量Fig.7 Total net carbon emission from land use in Xinjiang

圖8 新疆土地利用凈碳排放的變異系數(shù) Fig.8 Coefficient of variation of net carbon emissions from land use in Xinjiang

3.2 新疆土地利用碳排放時空格局

3.2.1新疆土地利用碳排放總體特征分析

2000—2018年新疆土地利用的碳排放量不斷增加,碳吸收量持續(xù)減少,凈碳排放量由-1.45×107t增加到12.69×107t,年均增長速度為7.86×106t/a(圖7)。以2004年為節(jié)點,凈碳排放量由負值變?yōu)檎?土地利用碳效應由碳吸收轉為碳排放。2000—2003年間凈碳排放量由-1.45×107t增加到-0.35×107t,年均增長速度為3.67×106t/a；2004—2018年間凈碳排放量由0.12×107t增加到12.69×107t,年均增長速度為8.98×106t/a,表明在社會經(jīng)濟發(fā)展過程中,新疆能源消耗量不斷增加,陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力不足以吸納人類活動產(chǎn)生的碳排放。18年內(nèi),新疆碳排放量增加了4.28倍,其中化石能源消耗占據(jù)了碳排放總量的94.64%,耕地占據(jù)了碳排放總量的5.36%。受建設用地和耕地擴張影響,新疆碳匯規(guī)模持續(xù)下降,18年內(nèi)碳吸收量減少了18.58%。其中林地貢獻了全疆49.38%的碳吸收,草地貢獻了全疆46.77%的碳吸收,水域貢獻了全疆2.59%的碳吸收,未利用地貢獻了全疆1.25%的碳吸收。

計算變異系數(shù)分析各地(州、市)土地利用凈碳排放量的相對變化程度,發(fā)現(xiàn)新疆土地利用凈碳排放量的變異系數(shù),以2004年為轉折點,呈現(xiàn)出一個倒“V”型曲線(圖8)。在2000—2004年期間基本呈上升趨勢,在2004—2018年期間則呈下降趨勢。表明新疆14個地(州、市)土地利用凈碳排放量的相對差異在2000—2004年間呈擴大趨勢,在2004—2018年間基本呈縮小趨勢。究其原因,2000—2004年間,各地(州、市)在西部大開發(fā)戰(zhàn)略的初步實施過程中,依據(jù)自身資源優(yōu)勢蓬勃發(fā)展,但由于區(qū)位條件和資源稟賦差異較大,地區(qū)間的相對差異不斷放大。2005年十六屆五中全會明確提出要建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會,全國各地積極響應,2004—2018年間新疆各地(州、市)資源(尤其是化石能源)利用更加集約節(jié)約,區(qū)域間資源互補、發(fā)展互促,相對差異逐漸縮小。

3.2.2新疆各地(州、市)土地利用碳排放總量分析

依據(jù)自然斷點法將新疆土地利用碳效應從碳吸收和碳排放兩個層面分別劃分為低水平、中低水平、中等水平、中高水平、高水平5個等級。結果發(fā)現(xiàn)各地(州、市)的土地利用碳效應由碳吸收向碳排放轉變,并以烏魯木齊市、克拉瑪依市為高碳源區(qū)向周圍擴散,總體呈北高南低的空間格局(圖9)。烏魯木齊市、克拉瑪依市、吐魯番市的土地利用碳效應以碳排放為主,分別由2000年的0.98×107t、0.96×107t、0.33×106t增加至2018年的3.74×107t、3.53×107t、7.31×106t,碳排放量年均增速分別為1.53×106t/a、1.43×106t/a、3.88×105t/a?？酥?、和田地區(qū)、阿勒泰地區(qū)的土地利用碳效應以碳吸收為主,分別由2000年的-1.81×106t、-2.94×106t、-6.68×106t減小至2018年的-1.49×106t、-2.50×106t、-3.54×106t,碳吸收量年均下降速度分別為0.18×105t/a、0.25×105t/a、1.75×105t/a。其余地(州、市)的土地利用碳效應由碳吸收轉向碳排放,按轉為碳排放的時間早晚排序,依次為昌吉州(2003年)>阿克蘇地區(qū)(2007年)>哈密市(2009年)>伊犁州(2011年)>巴州(2014年)>博州(2016年)>喀什地區(qū)(2018年)。這一結果與區(qū)域工業(yè)發(fā)展和自然本底狀況密切相關,烏魯木齊市、克拉瑪依市、吐魯番市的工業(yè)發(fā)達,建設用地不斷擴張,三者對全疆工業(yè)產(chǎn)值的貢獻率超過35%,大量的能源消耗引起碳排放量的不斷增加；而克州、和田地區(qū)、阿勒泰地區(qū)的工業(yè)水平較低,且以碳匯為主導功能的草地面積遼闊,分別占區(qū)域總面積的53.77%、22.66%、37.35%,因此呈碳吸收量減少的變化趨勢。

圖9 新疆各地(州、市)土地利用碳效應格局變化Fig.9 Changes of land use carbon effect pattern of various regions (prefectures and cities) in Xinjiang

3.3 新疆城鎮(zhèn)化對土地利用碳排放的影響分析

3.3.1偏最小二乘回歸情況分析

城鎮(zhèn)化與土地利用碳排放關系密切,為定量城鎮(zhèn)化對區(qū)域土地利用碳排放的影響,本文將反映新型城鎮(zhèn)化的10項指標作為自變量x,將土地利用凈碳排放量作為因變量y,構建PLS模型?；貧w精度顯示各地(州、市)PLS模型提取的有效成分對自變量集合X和因變量集合Y的解釋能力均較強,表明回歸擬合度較高,模型構建的比較合理,可靠性較強(表4)。特異點檢測識別結果顯示各地(州、市)樣本點均位于特異點識別的橢圓圖內(nèi)部,表明選取的樣本質量較高,達到建模要求,最終得到各地(州、市)的標準化PLS方程。從回歸方程可以看出,x1、x2在各地(州、市)的回歸系數(shù)以負向為主,對新疆土地利用碳排放具有減緩作用；其余指標回歸系數(shù)以正向為主,對新疆土地利用碳排放具有加劇作用。由于城鎮(zhèn)化和土地利用碳排放之間的關系較為復雜,10項因素對不同地(州、市)的土地利用凈碳排放量有著程度不一的影響。當人口城鎮(zhèn)化、經(jīng)濟城鎮(zhèn)化、社會城鎮(zhèn)化、土地城鎮(zhèn)化每提高1%時,各地(州、市)的凈碳排放量變化依次為克拉瑪依市(+3.55%)、烏魯木齊市(+3.31%)、吐魯番市(+1.76%)、昌吉州(+1.56%)、阿克蘇地區(qū)(+1.30%)、哈密市(+0.98%)、伊犁州(+0.52%)、塔城地區(qū)(+0.01%)、巴州(-0.20%)、喀什地區(qū)(-0.45%)、博州(-0.57%)、阿勒泰地區(qū)(-3.84%)、和田地區(qū)(-14.83%)、克州(-15.18%)。其中變化為負值的區(qū)域主要是由于這些區(qū)域在研究期內(nèi)的土地利用碳效應以碳匯為主。

表4 新疆各地(州、市)偏最小二乘模型回歸情況

3.3.2變量投影重要性分析

為進一步探析各項因素對區(qū)域土地利用碳排放的影響程度,利用SIMCA-P軟件計算VIP值,結果如圖10所示。各項指標對解釋不同地(州、市)土地利用凈碳排量的重要性程度存在差異。如x6在博州、哈密市、伊犁州、阿勒泰地區(qū)的VIP處于0.8—1,屬于一般重要因素,而在其他地區(qū)的VIP值>1,屬于極重要因素；x10在巴州的VIP處于0.8—1,屬于一般重要因素,在吐魯番市、克拉瑪依市的VIP<0.8,屬于不重要因素,而在其他地區(qū)的VIP>1,屬于極重要因素?？傮w上,人均國內(nèi)生產(chǎn)總值(x3)、第二產(chǎn)業(yè)增加值(x4)、社會消費品零售總額(x7)、全社會固定資產(chǎn)投資總額(x8)、建成區(qū)面積(x9)是驅動新疆各地(州、市)的土地利用凈碳排放量的極重要因素,表明城鎮(zhèn)化對區(qū)域土地利用碳排放的影響主要集中在經(jīng)濟城鎮(zhèn)化、社會城鎮(zhèn)化、土地城鎮(zhèn)化3個維度。結合回歸方程可知,人口城鎮(zhèn)化對于新疆土地利用碳排放的影響較小,且以抑制作用為主,主要原因在于新疆地廣人稀,城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進,帶來了大規(guī)模的人口、產(chǎn)業(yè)集聚,原本分布散亂的居民不斷向城市集中,城市密度得到不斷提高,拉近了居民的工作、生活、居住、消費距離,提高了能源的集約節(jié)約利用。而經(jīng)濟城鎮(zhèn)化、社會城鎮(zhèn)化、土地城鎮(zhèn)化則以促進作用為主,原因在于城鎮(zhèn)化的發(fā)展不僅會影響人口結構,還會對經(jīng)濟結構、社會結構、土地利用方式產(chǎn)生一定的影響。城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展極大地促進了工業(yè)化的發(fā)展,但由于新疆產(chǎn)業(yè)發(fā)展方式相對粗放,第二產(chǎn)業(yè)主要以資源型產(chǎn)業(yè)為主,礦產(chǎn)開采及加工業(yè)和制造業(yè)比重大,工業(yè)發(fā)展帶來的能源消耗有增無減[41]。此外,城鎮(zhèn)化的發(fā)展還會引起建成區(qū)不斷向外擴張,占用了綠洲區(qū)域大量的優(yōu)質耕地、草地、林地,地表覆被的變化進一步導致碳匯規(guī)模減少和碳源區(qū)域擴大,從而造成土地利用凈碳排放量的增加。

圖10 新疆各地(州、市)變量投影重要性指標Fig.10 The variable importance for projection of various regions (prefectures and cities) in Xinjiang

3.4 新疆城鎮(zhèn)化與土地利用碳排放的耦合分析

3.4.1新疆各地(州、市)城鎮(zhèn)化與土地利用碳排放的耦合度分析

新疆各地(州、市)的城鎮(zhèn)化與土地利用碳排放的耦合度較高,2000—2018年間耦合度均大于0.5且呈增加趨勢(圖11)。各地州的城鎮(zhèn)化與土地利用碳排放主要處于磨合階段和高水平耦合階段,表明新疆城鎮(zhèn)化與土地利用碳排放之間具有較強的相互作用關系,且作用強度逐漸劇烈。18年間烏魯木齊市、克拉瑪依市、吐魯番市一直處于高水平耦合階段；克州、阿勒泰地區(qū)一直處于磨合階段,耦合度分別由0.668和0.518增加至0.752和0.740；其余地(州、市)均由磨合階段轉向高水平耦合階段。表明新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展和土地利用碳排放之間具有良好的共振性,兩者之間的差異較小,呈現(xiàn)出共振發(fā)展的局面,這與新疆工業(yè)相對落后、城市經(jīng)濟密度較低關系密切[42]。

圖11 新疆新型城鎮(zhèn)化與土地利用碳排放的耦合度Fig.11 The degree of coupling between new urbanization and land use carbon emissions in Xinjiang

3.4.2新疆各地(州、市)城鎮(zhèn)化與土地利用碳排放的協(xié)調度分析

整體上,新疆城鎮(zhèn)化與土地利用碳排放趨于同步協(xié)調發(fā)展,2000—2018年間耦合協(xié)調度平均值由0.542增加至0.607,年均增長0.67%,由勉強協(xié)調向初級協(xié)調轉變,表明新疆城鎮(zhèn)化對土地利用碳排放具有明顯的正向反饋作用(圖12)。18年間只有吐魯番市在2000—2004年間處于輕度失調,僅占樣本量的1.88%,這主要與新疆整體的耦合度較高密切相關。具體來看,受區(qū)域社會經(jīng)濟和自然環(huán)境異質性影響,各地(州、市)城鎮(zhèn)化與土地利用碳排放的耦合協(xié)調度差異明顯,烏魯木齊市由勉強協(xié)調轉向優(yōu)質協(xié)調,耦合協(xié)調度由0.561增加至0.956,昌吉州、喀什地區(qū)由勉強協(xié)調轉向中級協(xié)調,克拉瑪依市由瀕臨失調轉向中級協(xié)調,克州、和田地區(qū)、阿勒泰地區(qū)、阿克蘇地區(qū)由勉強協(xié)調轉向初級協(xié)調,吐魯番市由輕度失調轉向勉強協(xié)調,伊犁州由勉強協(xié)調過渡到初級協(xié)調,而后又回到勉強協(xié)調,塔城、博州由勉強協(xié)調過渡到初級協(xié)調,而后又轉向瀕臨失調,巴州由勉強協(xié)調過渡到中級協(xié)調,而后又轉向瀕臨失調。其中處于瀕臨失調和勉強協(xié)調的地(州、市)主要是由其城鎮(zhèn)化水平較低造成的。新疆城鎮(zhèn)化總體上處于中期成長階段,人口、土地、經(jīng)濟、社會各維度城鎮(zhèn)化均呈加速之勢,但由于新疆產(chǎn)業(yè)較為落后,資源稟賦相對較差,發(fā)展模式較為粗放,能源利用率不高,其城鎮(zhèn)化快速發(fā)展引起能源大量消耗的負向累積作用日益凸出。

圖12 新疆新型城鎮(zhèn)化與土地利用碳排放的耦合協(xié)調度Fig.12 The degree of coupling coordination between new urbanization and land use carbon emissions in Xinjiang

4 結論與討論

4.1 結論

本文刻畫了新疆各地(州、市)2000—2018年城鎮(zhèn)化發(fā)展水平和土地利用碳排放情況,運用偏最小二乘法和耦合協(xié)調度模型對二者的影響程度和耦合關系進行探析。主要結論如下：

(1)研究期內(nèi),各地(州、市)綜合城鎮(zhèn)化水平波動增長,人口城鎮(zhèn)化所占比例逐漸降低,經(jīng)濟城鎮(zhèn)化和社會城鎮(zhèn)化占比穩(wěn)步升高。按城鎮(zhèn)化水平變化趨勢,將其劃分為緩慢發(fā)展階段(2000—2004年)、快速發(fā)展階段(2004—2014年)、穩(wěn)定發(fā)展階段(2014—2018年)。

(2)時間上,新疆土地利用碳效應由碳吸收轉變?yōu)樘寂欧?凈碳排放量由-1.45×107t增至2018年的12.69×107t,年均增長速度為7.86×106t/a；空間上,各地(州、市)土地利用凈碳排放以烏魯木齊市、克拉瑪依市為高碳源區(qū)向周圍擴散,總體呈北高南低的空間格局,且2004年后各地(州、市)凈碳排放相對差異逐漸縮小。

(3)人口城鎮(zhèn)化對新疆土地利用碳排放的影響較小,以抑制作用為主；經(jīng)濟城鎮(zhèn)化、社會城鎮(zhèn)化、土地城鎮(zhèn)化對新疆土地利用碳排放的影響較大,以促進作用為主；其中人均國內(nèi)生產(chǎn)總值、第二產(chǎn)業(yè)增加值、社會消費品零售總額、全社會固定資產(chǎn)投資總額、建成區(qū)面積是極重要的驅動因素。

(4)各地(州、市)城鎮(zhèn)化發(fā)展與土地利用碳排放的耦合度較高,且均呈上升趨勢；耦合協(xié)調度空間差異明顯,平均值由0.542增加至0.607,年均增長0.67%,由勉強協(xié)調向初級協(xié)調轉變。城鎮(zhèn)化發(fā)展與土地利用碳排放具有良好的共振性,趨于同步協(xié)調發(fā)展,表明新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展的能源消耗積累效應日益凸出。

4.2 討論

4.2.1與已有研究比較

與現(xiàn)有研究相比,本研究較好地刻畫了新疆地(州、市)層面的新型城鎮(zhèn)化水平、土地利用碳排放狀況及二者間的耦合關系。本文的新疆土地利用碳排放格局與陳前利等[43]研究的新疆地級市CO2排放空間特征相似,但數(shù)值偏小,主要原因在于本文考慮了陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收功能。其中烏魯木齊市的土地利用碳排放與孟梅等[26]計算結果相差無幾。本文的新疆城鎮(zhèn)化空間格局與宋香榮[44]等研究相近,但由于選取維度和指標體系不同,數(shù)值略有差異。郭輝[45]研究表明1978—2008年間新疆城鎮(zhèn)化水平每變化1%,碳排放總量相應的會在相同方向變化1.516%,與同一時期本文的回歸結果相近,同時本文補充了不同維度城鎮(zhèn)化對不同區(qū)域碳排放的影響。曹祺文等[46]模擬結果表明2030年中國城鎮(zhèn)化水平將達到70%,即處于城鎮(zhèn)化后期階段的中點,此時剛好對應碳排放水平峰值,與我國“碳達峰”目標相呼應,表明本文提出的城鎮(zhèn)化與土地利用碳排放間的耦合規(guī)律具有一定的合理性。截至2018年,新疆有6個地(州、市)處于城鎮(zhèn)化中期階段,7個地(州、市)處于城鎮(zhèn)化前期階段末尾,城鎮(zhèn)化與碳排放處于正向促進作用,這與本文測算結果相符合。僅有烏魯木齊市的綜合城鎮(zhèn)化水平在2018年超過70%,但其碳排放尚無達峰跡象,這與假設的耦合規(guī)律并不一致。主要原因在于烏魯木齊是新疆的政治、文化、經(jīng)濟中心,是我國向西開放的重要門戶,受政策扶持作用和在疆內(nèi)的獨特優(yōu)勢,該區(qū)域吸引力了大量的人力資源和產(chǎn)業(yè)投資,城鎮(zhèn)化進程快速推進,但其經(jīng)濟結構偏重、能源結構偏煤的發(fā)展現(xiàn)狀并未得到改變。

4.2.2政策建議

基于上述分析,本文從城鎮(zhèn)化發(fā)展和低碳經(jīng)濟視角,為提高新疆各地(州、市)碳排放效率,促進城鎮(zhèn)化綠色發(fā)展,提出以下建議：

(1)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構,把握“一帶一路”機遇。2018年新疆三次產(chǎn)業(yè)結構比為13.9∶0.3∶45.8,多以資源型產(chǎn)業(yè)為主,產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式相對粗放,其中農(nóng)業(yè)缺乏精深加工,產(chǎn)品附加值不高,工業(yè)科技含量低,投入產(chǎn)出效率不高,服務業(yè)配套設施不完善。其中工業(yè)能耗占總能源消耗的73.86%,年均增速高于全國平均水平5.71個百分點[47]。未來新疆應找準定位,加快工業(yè)綠色轉型,乘借“一帶一路”的東風,大力發(fā)展物流倉儲、交通運輸、食品加工、生態(tài)旅游等產(chǎn)業(yè)[48],促進口岸經(jīng)濟、綠色經(jīng)濟的發(fā)展,從而實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)結構的高級化。

(2)提高能源利用效率,完善能源消費結構。現(xiàn)階段新疆能源消費結構仍是以煤炭等傳統(tǒng)能源為主,能源消耗強度高且利用效率低下,造成了大量的能源浪費和嚴重的環(huán)境污染。與此同時,新疆獨特的地質構造和氣候環(huán)境孕育了豐富的自然資源,境內(nèi)擁有豐富的風能、太陽能、沼氣等清潔能源[49]。未來新疆的能源消費應注重開源和節(jié)流,一方面要加大清潔能源的開發(fā)和利用力度,促進能源消費結構的多元化；另一方面要加大科技研發(fā)的投入力度,進一步提高能源的利用效率。

(3)避免過度擴張,有序推進城鎮(zhèn)化建設。新疆快速的城鎮(zhèn)化發(fā)展引起了農(nóng)業(yè)人口的快速非農(nóng)化和建設用地的過度擴張。新疆綠洲面積有限,城市水土資源承載能力較低,過速的農(nóng)業(yè)人口非農(nóng)化導致人口超載,加劇了區(qū)域的生態(tài)壓力。此外,建設用地的過度擴張在減小碳匯面積的同時,也造成了耕地破壞、草地退化等土地資源浪費現(xiàn)象。未來新疆應結合綠洲承載規(guī)模,適度控制城鎮(zhèn)化進程。

根據(jù)孫東琪等[50]的研究,未來十幾年新疆建設新型城鎮(zhèn)化約需1.08萬億元的資金。受限于自然本底制約和社會經(jīng)濟發(fā)展需要,新疆土地利用碳排放的EKC曲線趨勢難以改變,但是如何通過產(chǎn)業(yè)調整、技術投入和政策引導,使能源消耗成本逐漸內(nèi)部化,進一步縮短到達“拐點”的時間,將是未來研究的重點。此外,由于數(shù)據(jù)等方面限制,本文仍存有一些不足之處,如西氣東輸?shù)裙こ炭赡茉斐呻[含碳排放,使得東部地區(qū)的部分能源消耗被轉嫁到西部地區(qū)[12],因此本文對新疆碳排放的測算值可能高于實際產(chǎn)生值。同時,本文所提出的城鎮(zhèn)化與土地利用碳排放的耦合規(guī)律也有待于在其他區(qū)域做進一步驗證。