基于清單算法的湖北省土地利用碳排放效應(yīng)和趨勢分析

俞 超, 張麗琴, 唐殿明

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 公共管理學(xué)院, 武漢 430070；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 資源學(xué)院, 武漢 430070)

基于清單算法的湖北省土地利用碳排放效應(yīng)和趨勢分析

俞 超1, 張麗琴1, 唐殿明2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 公共管理學(xué)院, 武漢 430070；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 資源學(xué)院, 武漢 430070)

土地利用/覆被變化是僅次于化石燃料燃燒的大氣CO2濃度急劇增加的最主要的人為原因，也是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的主要因素。結(jié)合國內(nèi)外低碳經(jīng)濟(jì)和低碳土地利用的研究背景和實(shí)踐，以湖北省為研究區(qū)域，采用樣地清單法計算2003—2010年間湖北省的土地利用碳排放量，分析不同土地利用方式的碳排放效應(yīng)和趨勢。得出的主要結(jié)論如下：(1) 湖北省土地利用總碳排放量從2003年的4 921.997萬t增加到2010年的9 124.897萬t，呈顯著上升趨勢；(2) 耕地和建設(shè)用地是主要的碳源。其中耕地的碳排放量成遞減趨勢，從2003年的265.176萬t減少到2010年的262.189萬t，建設(shè)用地的碳排放量呈快速上升趨勢，從2003年的5 194.871萬t增加到2010年的9 414.589萬t；(3) 林地是主要的碳匯，從2003年的536.645萬t增加為550.607萬t，林地的碳匯功能逐年加強(qiáng)。通過對不同土地利用方式的碳排放效應(yīng)和趨勢研究，為湖北省低碳土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

土地利用方式; 碳排放; 清單算法; 湖北省

全球和區(qū)域碳循環(huán)已成為全球變化研究和宏觀生態(tài)學(xué)的核心研究內(nèi)容之一。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者對低碳經(jīng)濟(jì)的研究主要集中在能源消費(fèi)與碳排放，包括能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換與低碳能源系統(tǒng)的建立[1-2]；經(jīng)濟(jì)發(fā)展與碳排放，主要探討不同經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式、階段、速度與碳排放的關(guān)系[3]；不同土地利用方式與碳排放，包括土地利用覆蓋變化與碳排放、各土地利用類型與碳排放、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平與結(jié)構(gòu)變化等、各種土地利用方式的碳源/碳匯系數(shù)及模型；碳減排的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險分析與減排對策研究等[4-7]。研究的主要方法有：樣地清單法、GIS與RS結(jié)合的方法模型、數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法、渦度相關(guān)法、經(jīng)濟(jì)密度模型[8-12]等，各種模型方法由于參數(shù)有較大的區(qū)別，對研究結(jié)果有很大影響，尤其表現(xiàn)為IPCC清單算法，該方法主要采用三種計算方法，即采用缺省方法和排放因子、采用特定國家排放因子、采用先進(jìn)方法和國家特定的詳細(xì)數(shù)據(jù)，能獲取到的數(shù)據(jù)和具體采用的數(shù)據(jù)對IPCC清單算法的使用影響很大。

國內(nèi)學(xué)者也圍繞不同地區(qū)的土地利用方式總體碳排放效應(yīng)和碳排放問題展開了深入、系統(tǒng)的研究。當(dāng)前，國內(nèi)學(xué)者主要從省域土地利用變化的碳排放研究，研究區(qū)域多集中于廣東、四川、重慶、江蘇、湖南、河南、河北及陜西等少數(shù)幾個省(市)區(qū)，對于中部省份的研究尚少，而且針對某種地類的碳排放的效應(yīng)研究較豐富，而綜合的碳排放效應(yīng)研究少，模型方法和不同土地利用方式的碳排放/儲存參數(shù)研究少。湖北省作為中部六省之一，在省域工業(yè)化和城市化水平快速提高的同時，土地生態(tài)系統(tǒng)也受到了人類活動的較大影響，土地利用格局亦出現(xiàn)了一定程度的變化。在這種背景下，科學(xué)估算并分析湖北省土地利用變化的碳排放效應(yīng)具有一定的典型性。因此，本文以中部典型省份——湖北省為例，從不同土地利用方式所具有的碳源或碳匯作用入手，一方面，碳排放效應(yīng)包含相對復(fù)雜的碳排放碳儲存過程，通過采用排放系數(shù)法測算碳排放量,其結(jié)果可以一定程度反映不同類型用地的碳排放效應(yīng)；另一方面，以土地利用類型與結(jié)構(gòu)變化來綜合分析區(qū)域土地利用的碳排放的趨勢，旨在為湖北省優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)、碳減排及發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)提供參考。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究域概況

湖北省介于北緯29°05′—33°20′，東經(jīng)108°21′—116°07′，處于中國地勢第二級階梯向第三級階梯過渡地帶。地勢呈三面高起、中間低平、向南敞開、北有缺口的不完整盆地。地貌類型多樣，山地、丘陵、崗地和平原兼?zhèn)洹Ｈ⊥恋乜偯娣e1 858.89萬hm2，常住人口為5 779.00萬人，現(xiàn)有12個省轄市、1個自治州、38個市轄區(qū)、24個縣級市(其中3個直管市)、38個縣、2個自治縣、1個林區(qū)。2012年，全省完成生產(chǎn)總值2.22萬億元，按可比價格計算，比上年增長11.3%，第一產(chǎn)業(yè)完成增加值2 848.77億元，增長4.7%；第二產(chǎn)業(yè)完成增加值11 190.45億元，增長13.2%；第三產(chǎn)業(yè)完成增加值8 210.94 億元，增長10.8%，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)為12.8∶50.3∶36.9。

1.2 研究方法與技術(shù)路線

通過收集各種地類的面積數(shù)據(jù)、能源數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)以及人口數(shù)據(jù)，對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析后，采用樣地清單法，計算各地類的碳排放量，并結(jié)合相關(guān)指標(biāo)分析湖北省的碳排放效應(yīng)，進(jìn)而預(yù)測2015年湖北省的碳排放情況，從而得出相關(guān)結(jié)論。

由于園地的地表植被和土壤的固碳形式及能力與林地類似，因此將園地直接歸于林地，在此將土地利用類型分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地和未利用地等幾種類型，探討各個土地利用類型的碳排放和碳吸收情況。本文不計算耕地的碳吸收量，直接測算耕地的碳排放量，原因在于，一是耕地中的農(nóng)作物雖然能吸收空氣中的CO2，但絕大多數(shù)吸收來的CO2，在短期內(nèi)又分解釋放回空氣中，農(nóng)作物的碳匯作用較小，二是土壤有機(jī)碳易受土壤質(zhì)地、氣候、生物量以及采樣時間等因素的影響，秸稈還田對土壤有機(jī)碳的具體增加量還不明確。主要的測算模型如下：

(1) 碳排放總量的碳排放計算方法

E=∑Ei

(1)

式中：E——碳總排放量；Ei——主要土地利用方式產(chǎn)生的碳排放量(排放為正，吸收為負(fù))；

(2) 耕地、草地、林地和未利用地的碳排放計算方法

Ei=ξiSi

(2)

式中：ξi——第i中土地利用類型對應(yīng)的碳排放(吸收)系數(shù)系數(shù)；Si——第i種土地的面積。

(3) 建設(shè)用地的碳排放量計算方法

根據(jù)前人相關(guān)研究，建設(shè)用地的碳排放通過城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通水利用地和其他建設(shè)用地等利用類型在利用過程中能源消耗的碳排放系數(shù)間接估算，見公式(3)。

(3)式中：A——碳排放量(t)；n——能源種類數(shù)；Bj——能源j的消費(fèi)量,按標(biāo)準(zhǔn)煤計(104t)；Cj——煤的有效氧化分?jǐn)?shù)，取值為98.20%；Dj——每噸標(biāo)準(zhǔn)煤的含碳率，取值為73.30%；Gj——CO2釋放量相對于煤燃燒排放規(guī)模的倍數(shù)。其中參考折算成標(biāo)煤的系數(shù)來源于《中國能源統(tǒng)計年鑒2005》,詳細(xì)參數(shù)見表1。表1 各類能源標(biāo)煤折算系數(shù)

由于各種土地利用類型所承載產(chǎn)業(yè)的變化，可能存在的土地利用強(qiáng)度或具體利用方式的變化，但并不妨礙論文對土地利用碳排放趨勢的探討和碳排放量的估算，所以碳排放系數(shù)在假定相對穩(wěn)定的土地利用條件下保持不變，采用統(tǒng)一的碳排放系數(shù)。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究數(shù)據(jù)，本研究采用前人的研究成果，總結(jié)不同土地利用方式碳排放(吸收)系數(shù)，從湖北省全省的尺度進(jìn)行綜合考慮分析，確定湖北省各類土地的碳排放系數(shù)[13-14]，見表2。

表2 各類土地碳排放/碳吸收系數(shù)t/(hm2·a)

1.3 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本文主要涉及的基本研究數(shù)據(jù)有：① 湖北省各地

類面積，數(shù)據(jù)來源于湖北省土地利用變更調(diào)查、湖北省國土資源公報和《湖北省2006年—2020年土地利用總體規(guī)劃》； ② 能源消耗數(shù)據(jù)，主要來源于2003—2010年《中國能源統(tǒng)計年鑒》； ③ 人口和經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于《2010年湖北省統(tǒng)計年鑒》、《2011年湖北省統(tǒng)計年鑒》和《湖北省“十二五”規(guī)劃》。對數(shù)據(jù)進(jìn)行前期的收集處理后，將各類能源消費(fèi)量按標(biāo)媒折算系數(shù)進(jìn)行折算，將現(xiàn)行收集到的各地類面積與IPCC劃分的地類相對接，得到IPCC分類標(biāo)準(zhǔn)的各個地類面積，2003—2010 年湖北省的不同土地利用類型面積見表3。

表3 2003-2010年湖北省不同土地利用類型面積萬hm2

2 結(jié)果與分析

2.1 湖北省碳排放效應(yīng)分析

根據(jù)各種土地利用類型面積以及能源數(shù)據(jù)，計算出2003—2010年各地類的碳排放量數(shù)據(jù)，見表4。

表4 2003-2010 年湖北省碳排放數(shù)據(jù)

從表4可以看出：總碳排放量呈顯著上升趨勢，從2003年的4 921.997萬t增加到2010年的9 124.897萬t，耕地和建設(shè)用地時主要的碳源，林地是主要的碳匯。其中耕地的碳排放量成遞減趨勢，從2003年的265.176萬t減少到2010年的262.189萬t，主要原因在于耕地的減少，耕地從2003年的628.38萬hm2減少為2010年的621.3萬hm2，減少了7萬hm2左右；建設(shè)用地的碳排放量呈快速上升趨勢，從2003年的5 194.871萬t增加到2010年的9 414.589萬t，8 a間增加了將近4 250萬t，對碳排放總量的貢獻(xiàn)率最大，份額最重，原因在于社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)化和城市化進(jìn)程迅速，能源消費(fèi)量大，特別是化石燃料的消費(fèi)，建設(shè)用地的增加也是其中原因之一；林地的碳匯功能也在逐年加強(qiáng)，從2003年的536.645萬t增加為2010年的550.607萬t，主要原因在于林地面積的增加，林地面積從2003年的833.3萬hm2增加為2010年的854.98萬hm2，增加了11.68萬hm2，增長速度快，這主要得益于湖北省響應(yīng)國家號召，逐漸重視環(huán)境保護(hù)和森林保護(hù)，積極實(shí)行植樹造林和退耕還林措施，加大林地面積；草地和未利用地碳匯作用表現(xiàn)不明顯。

圖1顯示的碳排放強(qiáng)度的趨勢，結(jié)合表4的碳排放強(qiáng)度數(shù)據(jù)，可以看出：人均碳排放強(qiáng)度、地均建設(shè)用地排放強(qiáng)度和地均排放強(qiáng)度總體均處于上升狀態(tài)，單位GDP碳排放強(qiáng)度呈下降趨勢。根據(jù)前人的研究結(jié)果[15]，應(yīng)對全球氣候變化的目標(biāo)，年人均碳排放2 t，單位面積碳排放1.12 t/hm2。2007年全球人均碳排放為4.3 t，中國為3.9 t，美國高達(dá)19.6 t。湖北省人均碳排放強(qiáng)度由2003年的0.82 t/人上升到2010年的1.48 t/人，地均排放強(qiáng)度2.65 t/hm2上升到4.91 t/hm2，從本研究的計算結(jié)果看出，研究區(qū)域的人均碳排放強(qiáng)度低于全國的平均值，并且低于應(yīng)對全球氣候變化的目標(biāo)值，2007年前的人均碳排放強(qiáng)度也低于應(yīng)對全球氣候變化的目標(biāo)值，說明湖北省的碳排放量對氣候影響不是很大，但隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源大量消耗，加之建設(shè)用地的增加，林地、草地的減少，導(dǎo)致人均碳排放量和地均碳排量逐年增加，碳減排工作日益重要；地均建設(shè)用地排放強(qiáng)由2003年的38.62 t/hm2上升到65.7 t/hm2，地均建設(shè)用地的碳排放強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地均碳排放強(qiáng)度，建設(shè)用地的碳減排工作是碳減排工作的重點(diǎn)，需加大力度；單位GDP碳排放強(qiáng)度由2003年的1.04 t/萬元下降到2010年的0.57 t/萬元，說明近年來湖北省采取的發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源消費(fèi)額結(jié)構(gòu)，大量植樹造林等碳減排措施取得了一定的成效；2008年的人均碳排放強(qiáng)度、地均建設(shè)用地排放強(qiáng)和地均排放強(qiáng)度出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)，呈下降的狀態(tài)，主要原因在于金融危機(jī)的影響，金融危機(jī)促使全社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較其他年份慢，能源消耗大幅度下降，導(dǎo)致建設(shè)用地碳排量總量下降，從而碳排放強(qiáng)度也下降。

圖1 湖北省碳排放強(qiáng)度

2.2湖北省2015年碳排放量預(yù)測

在明確各種土地利用方式的碳排放情況以及其對碳排放影響的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行碳排放預(yù)測，有利于指導(dǎo)今后的土地利用規(guī)劃，并且對建立低碳型的土地利用體系具有重要作用。

預(yù)測湖北省2015年主要土地利用方式的碳排放，主要測算2015 年湖北省建設(shè)用地的碳排放，原因在于耕地、林地、草地和未利用地自身排放和吸收碳的性質(zhì)，碳排放系數(shù)和碳吸收系數(shù)在很長一段時間內(nèi)保持常數(shù)不變，故在延續(xù)現(xiàn)有的土地利用規(guī)劃的前提下，這四類用地不會產(chǎn)生碳排放(吸收)量的變化[13]。影響建設(shè)用地碳排放的因素眾多，主要取決于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、能源消耗程度和科技發(fā)展水平三個方面，萬元地區(qū)生產(chǎn)總值能耗能綜合反應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、能源消耗程度和科技發(fā)展水平，因此采用萬元地區(qū)生產(chǎn)總值能耗這個指標(biāo)進(jìn)行測算。根據(jù)湖北省國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十二個五年計劃規(guī)劃和國務(wù)院日前印發(fā)《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》，到2015年，全省地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)到25 456億元左右，全國萬元地區(qū)生產(chǎn)總值能源消耗下降到0.869 t標(biāo)煤，以此預(yù)測到2015年湖北省全省建設(shè)用地產(chǎn)生的碳排放將達(dá)到22 121.264萬t。因此，在延續(xù)現(xiàn)有土地利用規(guī)劃的情況下，到2015年，湖北省主要土地利用方式產(chǎn)生的總碳排放將達(dá)到21 831.576萬t，比2010年增加12 706.674萬t，增加139.25%，人均碳排放量為3.42 t/人，年均增加5 541萬t，增速快，與2010年的1.48 t/人相差甚遠(yuǎn)。

3 結(jié)論與建議

3.1 主要結(jié)論

(1) 建設(shè)用地是主要碳源，林地為主要碳匯。建設(shè)用地作為最顯著的碳源，單位面積建設(shè)用地的碳排放強(qiáng)度最大，對總碳排放影響最大；耕地是第二大碳源，化肥施用、農(nóng)業(yè)機(jī)械和灌溉過程是農(nóng)田碳排放的主要途徑，其中化肥施用產(chǎn)生碳排放量比重最大；同樣，林地做為最顯著的碳匯效應(yīng)，其對碳吸收的強(qiáng)度也最大，對減少大氣中的碳起著主導(dǎo)作用。

(2) 湖北省經(jīng)濟(jì)發(fā)展結(jié)構(gòu)日趨合理。單位GDP碳排放強(qiáng)度逐年下降，說明湖北省經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)越來越合理，經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的科學(xué)技術(shù)水平越來越高。

(3) 碳減排工作壓力日趨加大。人均碳排放強(qiáng)度、地均建設(shè)用地排放強(qiáng)度和地均排放強(qiáng)度總體均處于上升狀態(tài)，碳減排工作不容忽視，應(yīng)該日益重視這個問題，建設(shè)用地的碳排放研究和減排是各類土地利用方式的關(guān)鍵。

(4) 土地利用方式碳排放研究有利于優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)。根據(jù)本文研究表明，土地利用方式對碳排放有重大影響，不同的土地利用方式對碳排放影響程度不同，并且從預(yù)測結(jié)果來看，土地利用規(guī)劃對碳排放總量有重大影響，因而土地利用方式碳排放效應(yīng)的研究對土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整具有重要的指導(dǎo)意義。

(5) 土地利用方式碳排放量與區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有重大聯(lián)系，但由于數(shù)據(jù)限制，土地利用強(qiáng)度和進(jìn)一步細(xì)分的土地利用方式的內(nèi)容未能在本文中涵蓋，本文在對耕地的進(jìn)一步細(xì)分以及耕地承載的不同利用強(qiáng)度和利用方式的劃分方面做了籠統(tǒng)的處理，今后在數(shù)據(jù)允許的條件下，將繼續(xù)在此方面做進(jìn)一步的細(xì)化研究。

3.2 土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整的建議措施

基于本文研究結(jié)論，指導(dǎo)湖北省土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)控，構(gòu)建低碳土地利用方式。由于湖北省各區(qū)域地貌差異大，低碳經(jīng)濟(jì)視角下的湖北土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)控應(yīng)分區(qū)域探討，爭取“減源增匯”。(1) 武漢作為湖北省的省會，中部最大的城市，應(yīng)嚴(yán)格控制建設(shè)用地總量和建設(shè)用地擴(kuò)張，加大城市綠化，建立生態(tài)工業(yè)園，建立以節(jié)地、節(jié)能和優(yōu)化布局為特點(diǎn)的緊湊城市，盡量減少單位GDP的碳排放量，實(shí)現(xiàn)城市綠色發(fā)展；(2) 中部平原地區(qū)：該區(qū)是湖北的“糧倉”，農(nóng)用地比重大，應(yīng)發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，同時保護(hù)現(xiàn)有的林地，堅持不合理的耕地退耕還林還草，合理進(jìn)行城市建設(shè)，合理開發(fā)和保護(hù)如水域等未利用地；(3) 西部山區(qū)：應(yīng)以保護(hù)林地和保護(hù)生態(tài)為首要任務(wù)，以神農(nóng)架林區(qū)和恩施州為典型代表，“山高谷深”，是湖北省的生態(tài)保障區(qū)，充分發(fā)揮森林的碳匯功能，未經(jīng)批準(zhǔn)不得擅自開發(fā)為耕地和建設(shè)用地，同時，積極推動生態(tài)旅游，發(fā)展兩地的交通，適當(dāng)增加交通運(yùn)輸用地面積，促進(jìn)當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展。河谷地區(qū)大量的水田，應(yīng)大力發(fā)展和保護(hù)耕地，確保基本的糧食需求；(4) 東部山地丘陵及崗地區(qū)：土地利用結(jié)構(gòu)以耕地、林地和建設(shè)用地為主，該區(qū)土地利用率相對較低，土地開發(fā)潛力大，今后以在低緩丘陵和平緩崗地以及平原地區(qū)大力開發(fā)耕地、保護(hù)林地、嚴(yán)格限制建設(shè)用地為主要任務(wù)。

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AnalysisonEffectsofLandUseonCarbonEmissionandtheTrendinHubeiProvinceBasedonIPCCInventory

YU Chao1, ZHANG Li-qin1，TANG Dian-ming2

(1.SchoolofPublicAdministration,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China;2.FacultyofEarthResources,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Land use/cover change is the primary human factor influencing carbon cycle of terrestrial ecosystem, which only ranks behind fossil fuel usage. In this paper, IPCC inventory method is adopted for the evaluation of carbon emission of land use in Hubei province between 2003 and 2010, and carbon emissions of different land use types and the trends were analyzed. The main conclusions are: (1) the total carbon emission of land use in Hubei increased obviously from 49.219 97 million tons in 2003 to 91.248 97 million tons in 2010; (2) cultivated land and construction land are the primary sources for carbon emission. Carbon emission of cultivated land in Hubei decreased from 2.651 76 million tons in 2003 to 2.621 89 million tons in 2010. And that of construction land has opposite trend, increasing from 51.948 71 million tons in 2003 to 94.14589 million tons in 2010; (3) forest land is the primary carbon sink, in which the carbon storage in Hubei increased slightly from 5.36645 million tons in 2003 to 5.506 07 million tons. The carbon emission effects and trends of different land use types in Hubei offered scientific basis for its low-carbon land use structure optimization.

land use type; carbon emission; IPCC inventory method; Hubei Province

2013-10-20

：2013-11-21

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(007-G1323511337)

俞超(1989—),女,江西廣豐人，碩士研究生,從事土地利用與規(guī)劃研究。E-mail:821666489@qq.com

張麗琴(1973—),女,山西曲沃人，副教授,研究領(lǐng)域?yàn)橥恋乩靡?guī)劃與土地生態(tài)評價。E-mail:lqzhang@cug.edu.cn

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：A

：1005-3409(2014)04-0168-05