蘇州市土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)固碳能力影響研究

葉 浩，濮勵杰

（1.廣東商學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510320；2.南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210093）

1 引言

20世紀(jì)70年代以來，隨著人口、資源、環(huán)境和發(fā)展（PRED）問題的日益突現(xiàn)，有關(guān)土地利用問題的研究受到高度重視。每年因土地利用變化所釋放的CO2約占全球CO2釋放量的25％。這種由人類活動引起的碳循環(huán)的紊亂導(dǎo)致大氣中CO2濃度的日趨升高，引起世界各國對潛在的全球變暖問題的關(guān)注，成為21世紀(jì)全人類所面臨的嚴(yán)重環(huán)境問題［1］。采取適宜的土地利用方式，可以增加陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力，并能在全球和國家尺度上滿足《京都議定書》中減排義務(wù)的需要［2］。精確估計土地利用變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的影響也因此成為當(dāng)前全球變化和全球碳循環(huán)研究的重點內(nèi)容。

近20年來，中國大部分地區(qū)都存在建設(shè)用地規(guī)模急劇擴張，農(nóng)地轉(zhuǎn)用過速的現(xiàn)象，無疑對區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力產(chǎn)生很大影響，但人們對這些影響還并不十分清楚。此外，目前的土地利用規(guī)劃編制一般都是以國民生產(chǎn)總值核算為基礎(chǔ)的，主要考慮土地利用經(jīng)濟產(chǎn)出的合理性，難以反映經(jīng)濟活動特別是土地利用對生態(tài)環(huán)境所造成的破壞以及對生態(tài)系統(tǒng)固碳能力造成的影響?？偟膩碚f，以往較多考慮土地數(shù)量變化，很少考慮土地利用變化后生態(tài)系統(tǒng)更替對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響，尤其缺乏對城市化、工業(yè)化進(jìn)程較快的典型地區(qū)土地利用變化引起的生態(tài)環(huán)境破壞程度（包括固碳釋氧能力及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化）定量研究。本文選取近年來經(jīng)濟發(fā)展迅速、土地利用變化劇烈的蘇州市為研究區(qū)域，分析土地利用變化對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的影響。

2 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

蘇州市工業(yè)總量、發(fā)展速度和產(chǎn)銷水平均名列江蘇省第一，是長三角經(jīng)濟區(qū)增長的重要引擎。2005年，蘇州下轄的5個縣級市在全國百強縣（市）社會經(jīng)濟綜合發(fā)展測評結(jié)果中均排在前10名，步入了全國經(jīng)濟發(fā)達(dá)城市行列。隨著蘇州市經(jīng)濟社會的發(fā)展，城鎮(zhèn)居民點用地、工礦用地以及基礎(chǔ)設(shè)施用地等各類建設(shè)用地需求持續(xù)增長，占用耕地數(shù)量日益增多，農(nóng)業(yè)與非農(nóng)建設(shè)用地矛盾日益突出。在上輪土地利用總體規(guī)劃實施的1997—2005年間，農(nóng)用地由414535.59hm2減少到366650.6hm2，減少了11.55％，耕地由308561.3hm2減少到245345.3hm2，減少了20.49％。減少的農(nóng)用地主要用于發(fā)展工業(yè)、交通道路建設(shè)和城市居民點建設(shè)。這期間，居民點及獨立工礦用地增加了35.6％，交通運輸用地增加46.27％。

研究數(shù)據(jù)來源于《江蘇省統(tǒng)計年鑒》、《蘇州市統(tǒng)計年鑒》、《蘇州市土地利用總體規(guī)劃（1996—2010）》、蘇州市土地利用變更表。

3 計算方法

根據(jù)光合作用方程式，植物每生產(chǎn)1.00g植物干物質(zhì)能固定1.63gCO2，釋放l.20gO2。以此，從凈初級生長量可推算出植物固定CO2和釋放O2的物質(zhì)量。

3.1 農(nóng)田固碳量的計算

農(nóng)作物的碳吸收量，即光合作用產(chǎn)生的有機質(zhì)，實際上是作物的總第一生產(chǎn)力（Gross Primary Productivity，GPP）。該部分估算包括作物凋落物和秸稈還田所產(chǎn)生的碳。碳吸收部分采用由經(jīng)濟產(chǎn)量推算生物產(chǎn)量再估算碳吸收量的方法，由于是根據(jù)經(jīng)濟產(chǎn)量進(jìn)行計算，因此實際上扣除了作物生長過程呼吸作用釋放的碳，并以此作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收。由于菜地占蘇州市耕地面積的比例很小，因此不予考慮。本文主要參照李克讓的估算方法，采用不同種類作物經(jīng)濟系數(shù)和碳吸收率來估算農(nóng)作物的生育期內(nèi)的碳吸收量［3］。作物從大氣中固定CO2量的具體估算步驟如下：

已知經(jīng)濟產(chǎn)量（谷粒的產(chǎn)量）Y，生物產(chǎn)量（總干物質(zhì)）D和經(jīng)濟系數(shù)H的關(guān)系如下：

則作物全生育期的碳吸收量Cd為：

3.2 林地與園地固碳量的計算

森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳作用取決于2個對立過程，即碳素輸入過程和碳素輸出過程。碳素輸入過程主要通過植物凈光合作用實現(xiàn)，而碳素輸出過程主要指森林土壤和動物的異養(yǎng)呼吸過程以及凋落物的礦質(zhì)化過程。根據(jù)方精云等對中國森林植被的生物量和凈生產(chǎn)量研究表明，不同植被干物質(zhì)生產(chǎn)量差別較大，范圍在0.11—0.14之間［4］，各項參數(shù)見表2。

表1 中國主要作物經(jīng)濟系數(shù)和碳吸收率［3］Tab.1 China’smain crop’s economic coefficient and carbon absorption ratio

表2 蘇州市1997—2005年生態(tài)系統(tǒng)固碳量 單位：104tTab.2 Ecosystem’s carbona bsorp tionq uantity from1997—2005of Suzhou City unit：104 t

在地類劃分中，林地分為有林地、疏林地、灌木林地、跡地、未成林造林地與苗圃6類。跡地是指森林采伐、火燒后，5年內(nèi)未更新的土地，不參與計算。依據(jù)方靜云等人的研究成果，江蘇省林地年初級凈生產(chǎn)量為9.84t/hm2，疏林地與灌木林地年初級凈生產(chǎn)量為10.95t/hm2。未成林造林地指造林成活率大于或等于合理造林?jǐn)?shù)的41％的新造林地，其年凈初級生產(chǎn)量按林地的41％計算，為4.49t/hm2。苗圃的年凈初級生產(chǎn)量按灌木林地計算，為10.95t/hm2［4］。

園地是指種植以采集果、葉、根莖等為主的多年生木本和草本作物（含其苗圃），覆蓋度大于50％或每畝有收益的株數(shù)達(dá)到合理株數(shù)70％的土地。鑒于國內(nèi)外文獻(xiàn)均缺乏對園地固碳能力的計算，同時由于蘇州市園地主要為果園、桑園和茶園，可以認(rèn)為園地的固碳能力等同于林地。依據(jù)前文中提到的林地固碳能力的計算方法，可以得到蘇州市園地的固碳量。

城市綠地作為城市建設(shè)用地的一個大類，包括公共綠地、生產(chǎn)和防護綠地2個種類，具有重要的生態(tài)功能。蘇州市近年來城市綠地面積持續(xù)增加，由1997年的2107hm2增加到2005年的4695hm2。研究表明，每公頃綠地每年能吸收碳5.99t［5］。

3.3 其他地類固碳量的計算

其他有固碳功能的地類包括荒草地、葦?shù)?、灘涂、沼澤地以及長有水生植物的湖泊、河流、坑塘水面等?；牟莸刂笜淠居糸]度小于10％，表層為土質(zhì)，生長雜草，不包括鹽堿地、沼澤地和裸土地。根據(jù)定義，可將年凈初級生產(chǎn)量按灌木林地的10％計算，為1.10t/hm2。蘇州市位于北緯30°—32°之間，湖泊的年固碳速率為5—72g/m2［6］，河流與坑塘的固碳速率也以此計算。葦?shù)刂干L蘆葦?shù)耐恋?，包括灘涂上的葦?shù)亍Ｒ罁?jù)朱清海等人的研究，葦?shù)氐拿芏仁?.57×106株/hm2，單株的精生長量為6.37g/（株×a）［7］，則葦?shù)氐哪晟L量為10.00t/hm2。依據(jù)Aselmann等人的研究，可以認(rèn)為蘇州市沼澤、灘涂地植被的年凈初級生產(chǎn)量為1500g/m2，即15t/hm2［8］。

圖1 蘇州市土地生態(tài)系統(tǒng)固碳能力變化圖Fig.1 Capabilities change of carbon sequestration of land ecosystem in Suzhou City

4 結(jié)果分析

為了便于分析土地利用規(guī)劃實施以來對區(qū)域固碳能力影響的研究，本文研究上輪土地利用總體規(guī)劃實施期間（1997—2005年），土地利用變化對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的影響。各主要地類固碳量變化情況見圖1。

從1997年至2005年，蘇州市土地生態(tài)系統(tǒng)固碳量總體呈下降的趨勢，固碳量從1997年的353.91×104t下降到2005年的174.19×104t。從固碳量結(jié)構(gòu)變化看，耕地所占比重急劇減少，呈明顯的下降趨勢，而林地、園地、城市綠地和其他地類固碳量略有增加（表2）。從上述研究可以發(fā)現(xiàn)，影響區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的主要原因是耕地固碳能力的減少。

蘇州市1997年耕地面積為307339.51hm2，固碳量為309.37×104t，單位面積固碳量為10.07t/hm2。2005年耕地面積為245345.28hm2，固碳量為124.79×104t，單位面積固碳量為5.09t/hm2。因此，影響蘇州市耕地固碳量的變化的主要原因有兩個，一是耕地總面積的減少，二是耕地單位面積固碳能力的下降。由于本文采用作物經(jīng)濟系數(shù)和碳吸收率來估算農(nóng)作物的生育期內(nèi)得碳吸收量，進(jìn)而計算耕地的固碳量，可以認(rèn)為影響耕地單位面積固碳能力的主要因素是單位面積產(chǎn)量和復(fù)種指數(shù)（圖2）。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，從1997年至2005年，蘇州市糧食單產(chǎn)變化幅度較大，最低值為1998年的6454t/hm2，最高值為2004年的7023t/hm2，平均單產(chǎn)為6692t/hm2。復(fù)種指數(shù)則從1997年的180.66％減少到2003年的119.79％，在此期間一直處于下降的趨勢，此后略有回升，2005年為125.42％。因此，耕地面積的減少與復(fù)種指數(shù)的明顯降低是上輪規(guī)劃實施期間蘇州生態(tài)系統(tǒng)固碳能力降低的主要原因。

圖2 蘇州市糧食單產(chǎn)與復(fù)種指數(shù)變化圖Fig.2 Changes of grain yield per unit area and multi-cropping index in Suzhou City

5 結(jié)語

伴隨著當(dāng)前土地利用規(guī)劃的實施，土地在不同部門之間的配置以及其生態(tài)功能無疑也發(fā)生著變化。根據(jù)1997—2005年蘇州市土地利用規(guī)劃實施引起的生態(tài)系統(tǒng)固碳能力變化的分析得知，在規(guī)劃實施期間，蘇州市生態(tài)系統(tǒng)固碳能力呈逐年下降趨勢，標(biāo)志著蘇州市土地生態(tài)系統(tǒng)的基本功能正在逐漸喪失。其中耕地面積的急劇減少與復(fù)種指數(shù)的下降，是近年來蘇州市生態(tài)系統(tǒng)固碳能力持續(xù)下降的主導(dǎo)因素。

當(dāng)前，生態(tài)系統(tǒng)固碳能力研究與應(yīng)用主要集中于全球或區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)中，而在土地利用規(guī)劃中的應(yīng)用研究甚少。本文定性探討了土地利用變化對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的影響，對新一輪規(guī)劃修編以及土地利用規(guī)劃的環(huán)境影響評價具有重要意義。

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