黑龍江省土地利用變化的碳排放效應(yīng)研究

胡國霞，雷國平，，周 浩，路 昌，趙宇輝

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱150030；2.東北大學(xué) 土地管理研究所，沈陽110004）

全球氣候變暖已成為人類社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的化石燃料能源消費和土地利用結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生的碳排放是其主要因素，2011年，大氣中CO2濃度達(dá)到391mg/kg，與工業(yè)化前的1750年相比高出40%。從1750—2011年，化石燃料使用以及水泥行業(yè)共排放了3 650億t碳，同時，由于森林減少以及其他土地用途改變導(dǎo)致的碳排放量為1 800億t碳［1］（1t碳折合3.67tCO2）。據(jù)估算近半個世紀(jì)來我國土地利用結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的累計碳排放量為10.6Pg C，占全部人為源碳排放量的30%以上［2－3］。我國土地利用機(jī)理復(fù)雜、空間特征多樣和不確定性因素多的變化特點對陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳排放/吸收影響很大，因此，如何在低碳經(jīng)濟(jì)背景下進(jìn)行土地利用與管理顯得尤為重要?；诘吞寂欧乓筮M(jìn)行土地的配置已成為學(xué)者們研究的熱點問題，如游和遠(yuǎn)、吳次芳對土地利用碳排放效率進(jìn)行了研究［4］；Lai認(rèn)為科學(xué)合理的土地利用管理方式可以重新固定大約60%～70%已損耗的碳，土地利用對減緩碳排放量的增加可以作出一定的貢獻(xiàn)［5］；蘇雅麗和張艷芳對陜西省土地利用變化的碳排放效益做了深入研究［6］；李穎等研究了江蘇省的土地利用方式與碳排放效應(yīng)［7］。對區(qū)域范圍內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)變化與碳排放的耦合關(guān)系研究對控制碳排放具有重要意義和實用價值。

黑龍江省是我國重要商品糧基地，近年來碳排放量的持續(xù)增加導(dǎo)致的氣候變暖、降水異常等現(xiàn)象對糧食安全造成了嚴(yán)重影響。研究以黑龍江省為研究對象，依據(jù)土地利用變更數(shù)據(jù)及能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結(jié)合土地利用/覆被數(shù)據(jù)，分析其土地利用變化情況，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行碳排放效應(yīng)分析，為開展黑龍江省碳排放效應(yīng)研究和相關(guān)政策的制定提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省位于我國東北高寒地帶，介于北緯43°26′—53°33′，東經(jīng)121°11′—135°05′，是全國緯度最高的省區(qū)，其地形復(fù)雜，東北部以烏蘇里江為界，與俄羅斯相望，西部與內(nèi)蒙古自治區(qū)毗鄰，南部與吉林省接壤；丘陵山地海拔在300～1 780m左右，約占全省總面積的80%，平原海拔在50～250m左右，約占全省面積的30%；地勢西北部、北部和東南部高，東北部、西南部低，主要由山地、臺地、平原和水面構(gòu)成；全省土地總面積47.3萬km2，占全國土地總面積的4.9%，居全國各省區(qū)的第5位，其中農(nóng)用地面積3 778.47萬hm2，占全省土地面積83.5%，建設(shè)用地面積147.35萬hm2，未利用地面積600.63萬hm2。至2012年末總?cè)丝? 834萬人。

黑龍江省作為我國重要的老工業(yè)生產(chǎn)基地和糧食主產(chǎn)區(qū)，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展一直對資源、能源高度依賴，經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要憑借能源工業(yè)推動，對煤炭和石油的依賴程度遠(yuǎn)高于我國其他省份。2012年石化、能源和食品主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)值10 429.8億元，實現(xiàn)增加值4 108.8億元，比上年增長9.1%，其中，石化工業(yè)增長9.3%，能源工業(yè)增長6.6%。目前，黑龍江省第二產(chǎn)業(yè)占據(jù)主體地位，GDP增長中重工業(yè)增長比重最大，第三產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值增加額度遠(yuǎn)低于全國平均水平。全省下轄13個地級市，工業(yè)化、城市化水平相對較高，土地生態(tài)系統(tǒng)受到人類活動影響較大，因此土地結(jié)構(gòu)變化對碳排放影響也較為顯著，分析該區(qū)域碳排放效應(yīng)具有一定的現(xiàn)實意義［8］。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究涉及到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括文本資料數(shù)據(jù)和圖件數(shù)據(jù)，文本資料數(shù)據(jù)包括收集到的黑龍江省土地利用變更臺賬數(shù)據(jù)（2004—2012）、《黑龍江省統(tǒng)計年鑒》（2005—2013），圖件數(shù)據(jù)為柵格形式的黑龍江省土地利用/覆蓋圖件（2010），碳排放系數(shù)來自于IPCC《國家溫室氣體排放清單指南》（2006），能源消耗數(shù)據(jù)來自相關(guān)統(tǒng)計年鑒中的原煤、焦炭、汽油等消費數(shù)據(jù)，為獲得2010年的各地級市土地斷面數(shù)據(jù)，研究根據(jù)提取出各地級市行政界限圖對土地利用/覆被柵格圖件進(jìn)行裁剪，并分地市進(jìn)行柵格地類面積統(tǒng)計，考慮到變更數(shù)據(jù)與土地利用/覆蓋圖件存在分類偏差，研究基于變更數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)的歸并處理，文本資料均經(jīng)匯總整理以備用。

2 研究方法

2.1 碳排放核算

研究主要對耕地、林地、牧草地、園地和建設(shè)用地五種主要土地利用類型進(jìn)行研究。其中探討的碳排放是指凈碳排放，對于具有碳源與碳匯功能的不同土地利用類型，為求得最終的凈碳排放量，設(shè)定碳排放為正值，碳吸收為負(fù)值。

需要說明的是：（1）本文涉及的土地利用類型是對碳排放影響重要的土地利用方式。（2）由于黑龍江省是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，2010年、2011年糧食總產(chǎn)連續(xù)突破0.5億t，因此本文在計算耕地的碳吸收時，分別計算主要糧食產(chǎn)物的碳吸收；（3）未利用土地主要包括荒草地、沙地和裸地，碳吸收能力相對微弱，因此研究沒有考慮未利用土地碳吸收。

2.1.1 建設(shè)用地碳排放 本文采用間接估算法對建設(shè)用地碳排放量進(jìn)行估算，利用生產(chǎn)生活中各種化石能源消耗量、各種化石能源轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤的轉(zhuǎn)換系數(shù)及其相應(yīng)的碳排放系數(shù)進(jìn)行間接估算［9－12］，計算公式如下：

式中：EC—— 建設(shè)用地的總碳排放量；eci——各種化石能源碳排放量；Eni——生產(chǎn)生活中各種化石能源的消耗量；θi——各種化石能源轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤的轉(zhuǎn)換系數(shù)；fi——各種化石能源的碳排放系數(shù)；其中標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)換系數(shù)來自于《中國能源統(tǒng)計年鑒》，碳排放系數(shù)來自于IPCC《國家溫室氣體排放清單指南》（2006），見表1。

表1 各類能源的標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)換系數(shù)和碳排放系數(shù)

2.1.2 農(nóng)用地碳排放 農(nóng)用地碳排放的計算采用間接估算法，主要分為農(nóng)業(yè)化肥施用、農(nóng)業(yè)機(jī)械使用和灌溉過程帶來的碳排放［13］，計算公式如下：

式中：Ea——農(nóng)用地碳排放量；Ef，Em，Ei——農(nóng)田化肥生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)機(jī)械使用和灌溉過程帶來的碳排放。以上各項碳排放過程計算公式和相關(guān)碳排放系數(shù)參見相關(guān)學(xué)者研究成果［14－17］。

2.2 碳吸收核算

2.2.1 耕地碳吸收 耕地碳吸收的計算采用間接估算法，依據(jù)農(nóng)作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)系數(shù)和碳吸收率，主要估算農(nóng)作物光合作用過程中合成的碳。在計算過程中，選取的主要農(nóng)作物為水稻、玉米、大豆、薯類、高粱、小麥、谷子、其他糧食作物、油料、甜菜和煙草，計算公式如下：

式中：Cd——耕地碳吸收量；Cf——農(nóng)作物碳吸收率；Yw——經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量；Dw——生物產(chǎn)量；Hi——第i種作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)，其中農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)和碳吸收率［18－20］見表2。

表2 主要農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)（H）和碳吸收率（Cf）

2.2.2 林地、牧草地和園地的碳吸收 林地、牧草地和園地的碳吸收計算采用直接碳排放系數(shù)法，計算公式如下：

式中：Ci——第i種土地類型碳吸收，其中，i＝1，2，3，4分別為林地、牧草地、園地；Si——第i種土地類型面積；Vi——第i種土地類型的碳吸收率，其中林地吸收率為－3.809 6t/hm2，草地碳吸收率參考方精云等研究的系數(shù)為－0.021t/hm2，園地的碳吸收率為－0.398kg/（m2·a）［21－23］。

2.3 土地利用碳排放邊際變動情況

土地利用碳排放的邊際變動是土地利用面積變化引起的碳排放變動情況，表示碳排放量隨土地利用面積變化的敏感程度［24－25］，其計算公式如下：

式中：MC——土地利用碳排放邊際變動量；?TC——土地利用類型的碳排放變化量；?S——土地利用類型的面積變化量。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化分析

為定量化分析黑龍江省土地利用變化情況，研究引入土地利用動態(tài)度模型，即K＝（Ub－Ua）/Ua×100%，式中：K代表單一土地利用動態(tài)度；Ua和Ub為研究時段初、末的面積；T為研究時段長度。結(jié)果表明（表3），2004—2012年，黑龍江省耕地和建設(shè)用地的土地利用動態(tài)度為正值，林地、牧草地和園地均為負(fù)值，其中，耕地在9a間土地利用動態(tài)度為3.75%，面積變化最為明顯，其變化率達(dá)到33.73%，黑龍江省作為全國重要的商品糧基地，近十幾年來，區(qū)域墾荒、占濕等活動導(dǎo)致耕地面積持續(xù)增加。園地面積相對較低，2004年僅6.02萬hm2，但其土地利用動態(tài)變化度僅次于耕地，為－2.81%，9a間其面積減少了1.52萬hm2，面積變化率為－25.25%，園地多分布于城市周邊地帶，城市化進(jìn)程不斷加快，對園地的建設(shè)占用現(xiàn)象非常嚴(yán)重，導(dǎo)致園地面積急劇下降。牧草地和林地9a間土地利用動態(tài)度分別為－0.84%和－0.52%，面積變化率分別為－7.59%和－4.71%，均呈現(xiàn)面積緩慢下降的趨勢，研究期間內(nèi)的“退耕還牧”和“退耕還林”政策實施有效減緩了牧草地和林地面積的下降。建設(shè)用地面積9a間緩慢增加，年均增長量為0.2萬hm2，在以上五種土地利用類型中其土地利用動態(tài)度值最低，僅為0.2%。黑龍江省地處中國東北邊陲地區(qū)，糧食生產(chǎn)是其支柱性產(chǎn)業(yè)，經(jīng)濟(jì)相對落后，城市化進(jìn)程遠(yuǎn)落后中東部較為發(fā)達(dá)的省份，建設(shè)用地面積增長較為緩慢。

3.2 碳排放效應(yīng)分析

3.2.1 碳排放量分析 選取2004—2012年黑龍江省土地利用變更數(shù)據(jù)和能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化處理，對黑龍江省碳排放/吸收情況進(jìn)行估算，結(jié)果如表4所示。

表3 2004－2012年黑龍江省土地利用類型動態(tài)變化

表4 黑龍江省2004－2012年主要土地利用類型碳排放/吸收情況 104t

由表4可知，2004年建設(shè)用地和農(nóng)用地總碳排放量達(dá)49 240.04萬t，其中，建設(shè)用地為49 034.20萬t，農(nóng)用地僅205.84萬t，可見，盡管黑龍江省作為我國重要的商品糧基地，其碳排放絕大部分仍然來自建設(shè)用地，工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快促使對化石能源的需求不斷加強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致碳排放量急劇增加，至2011年，建設(shè)用地碳排放量已經(jīng)達(dá)到104 490.96萬t，年均增長率16.16%，2012年，碳排放開始出現(xiàn)下降拐點，這與政府的節(jié)能減排措施的推進(jìn)剛好吻合。9a間盡管農(nóng)業(yè)化肥施用、農(nóng)業(yè)機(jī)械使用和灌溉過程帶來的農(nóng)用地碳排放量持續(xù)增長，年均增長率達(dá)到10.00%，但由于其絕對量相對很小，對總碳排放影響不大。

具體而言，當(dāng)?shù)匾运?、玉米和大豆三種農(nóng)作物為主，90年代中期以來政府推行的“旱改水”農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整使得水田面積大量增加，但近些年氣候異常和其他作物種植面積比例的變化導(dǎo)致耕地碳吸收呈現(xiàn)不規(guī)律波動。2004—2008年，林地碳吸收量基本保持不變，但于2009—2012年出現(xiàn)小幅度下降；草地面積相對較小，近些年來政府對草場保護(hù)較好，面積下降緩慢，其碳吸收緩慢下降，從2004年的4.67萬t下降到2012年的4.32萬t，9a間下降幅度僅為7.49%；園地在四種碳匯用地類型中面積最小，其碳吸收量也最小，變化幅度有限，從2004年的2.40萬t下降到2012年的1.79萬t。碳匯主要包括耕地和林地，草地和園地由于面積的緣故對總碳吸收影響很小，期間最大值為2010年15 282.54萬t，最小值為2012年的11 914.40萬t，9a間最大變化幅度為22.04%。

2004—2012年黑龍江省的凈碳排放量整體呈現(xiàn)上漲趨勢，其中，2011—2012年出現(xiàn)輕微下降，由2011年的104 835.82萬t下降到102 385.89萬t，總碳排放量和凈碳排放量變化趨勢保持一致。9a間，碳源所造成的總碳排放量遠(yuǎn)大于碳匯造成的總碳吸收量，總碳排放絕大部分來自于建設(shè)用地，由于化石能源的使用導(dǎo)致建設(shè)用地碳排放量非常大，倘若今后不采取有效的節(jié)能減排、引進(jìn)新能源等措施，在未來很長時間內(nèi)碳排放量將會居高不下。

3.2.2 碳排放/碳吸收影響能力分析 利用邊際變動可以在一定程度上反映土地利用結(jié)構(gòu)變化對碳排放量的影響，依據(jù)公式5計算得到黑龍江省2004—2012年碳排放/吸收的邊際變動量，結(jié)果如表5所示。

表5 2004－2012年黑龍江省各用地類型碳排放/吸收邊際變化量 104t

建設(shè)用地由于其高勞動要素的集聚性，其單位面積的碳排放量遠(yuǎn)大于其他用地類型。從表5可以看出，建設(shè)用地邊際碳排放量遠(yuǎn)大于其他用地類型的邊際碳排放量，達(dá)2 872.755萬t，其碳排放量受用地面積變化影響最敏感，碳排放能力在所有用地類型中最強(qiáng)，建設(shè)用地作為黑龍江省最主要的碳源，盡管面積比例相對較小，但由于其碳排放邊際變動量非常大，總碳排放量大部分仍來自于建設(shè)用地。林地和耕地的邊際碳吸收量相對較小，分別為3.81萬t和1.913萬t，作為黑龍江省最主要的兩種用地類型，大部分的碳吸收來自于它們。園地和草地的邊際碳排放量分別為0.401，0.021，它們用地面積比例很小，碳吸收能力非常有限。建設(shè)用地作為該地區(qū)碳排放影響的最主要因素，其他用地類型影響有限，今后應(yīng)重點從建設(shè)用地上著手控制碳排放。

3.2.3 碳排放強(qiáng)度分析 現(xiàn)如今，大多數(shù)學(xué)者都是從單位GDP的角度來研究碳排放強(qiáng)度的，從單位土地面積研究碳排放強(qiáng)度并不多見。研究引入地均碳排放強(qiáng)度和地均建設(shè)用地碳排放強(qiáng)度的概念，并以黑龍江省主要土地利用方式的相關(guān)參數(shù)來研究碳排放。地均碳排放強(qiáng)度為單位土地面積的碳排放量。從圖1中可以看出：地均碳排放強(qiáng)度呈波動增長的趨勢，2012年的地均碳排放強(qiáng)度為21.15t/hm2，同2004年9.05t/hm2相比增加了12.1t/hm2，通過 Excel軟件對其進(jìn)行曲線擬合，可以看出為一元對數(shù)方程，表現(xiàn)出緩慢增長的趨勢。

地均建設(shè)用地碳排放強(qiáng)度為單位面積建設(shè)用地的碳排放量，從圖2可看出地均建設(shè)用地碳排放強(qiáng)度呈波動上升，2012年碳排放強(qiáng)度為599.63t/hm2，同2004年244.73t/hm2相比增加了354.9t/hm2，曲線擬合結(jié)果較好，R2＝0.943 3。2004—2012年是黑龍江省經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展尤其是工業(yè)經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展的時期，地均碳排放強(qiáng)度、地均建設(shè)用地碳排放強(qiáng)度與工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平呈正相關(guān)關(guān)系。

3.3 碳排放區(qū)際效應(yīng)分析

黑龍江省各地級市土地利用結(jié)構(gòu)不同，特別是經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平存在差異，碳排放強(qiáng)度也各不相同。利用2010年黑龍江省土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)提取各地市建設(shè)用地、耕地、林地、草地等用地并進(jìn)行面積統(tǒng)計，進(jìn)而得到13個地級市凈碳排放總量和單位面積的碳排放強(qiáng)度，并利用自然斷點法進(jìn)行碳排放分級（圖3）。

圖2 2004－2012年黑龍江省地均建設(shè)用地碳排放強(qiáng)度變化情況

結(jié)果表明，2010年黑龍江省碳排放區(qū)際差異非常明顯。從碳排放總量來看，作為全省經(jīng)濟(jì)中心的哈爾濱市和工業(yè)走廊齊齊哈爾市，該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，能源消耗量大，二者建設(shè)用地面積依次為18.4萬，17.9萬hm2，在全省處于前列，所以碳排放量大。以石油產(chǎn)業(yè)為主的大慶市面積211.1萬hm2，建設(shè)用地面積為12.7萬hm2，建設(shè)用地密度相對較高，其碳排放強(qiáng)度為47.3t/hm2，為13個地級市中碳排放強(qiáng)度最高的市。由下圖看出，黑龍江省碳排放主要集中于南部的齊齊哈爾市、大慶市、綏化市、哈爾濱市四個地級市，四者碳排放量占到全省的58.17%。伊春市、大興安嶺地區(qū)、牡丹江市域內(nèi)林地面積相對較高，尤其是伊春市，其林地面積為282.16萬hm2，而建設(shè)用地面積僅約3.54萬hm2，其碳排放量為1 621萬t，單位面積碳排放強(qiáng)度僅為4.19t/hm2，在13個地級市中排放強(qiáng)度最低。由此可見，土地利用結(jié)構(gòu)中尤其是建設(shè)用地比例高低直接影響著碳排放強(qiáng)度的大小。

圖3 黑龍江省2010年凈碳排放量和碳排放強(qiáng)度變化

4 結(jié) 論

研究基于黑龍江省土地利用變更數(shù)據(jù)、能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)和土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)，分析2004—2012年土地利用變化情況，核算區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)變化下的碳排放/吸收量，并以13個地級市為單元分析碳排放區(qū)際分布差異，研究結(jié)果如下：

（1）2004—2012年黑龍江省僅耕地和建設(shè)用地的土地利用動態(tài)度為正值，林地、牧草地和園地均為負(fù)值，其中耕地在土地利用動態(tài)度絕對值最大，為3.75%；9a間區(qū)域碳排放絕大部分來自于建設(shè)用地，盡管農(nóng)用地碳排放持續(xù)增長，但其絕對量相對很小，對碳排放影響不大；耕地碳吸收呈現(xiàn)不規(guī)律波動；碳匯主要是耕地和林地，草地和園地由于面積原因?qū)μ嘉沼绊懞苄?；凈碳排放量整體呈現(xiàn)上漲趨勢，總碳排放量和凈碳排放量變化趨勢保持一致，其中碳排放量絕大部分來自于建設(shè)用地；地均碳排放強(qiáng)度、地均建設(shè)用地碳排放強(qiáng)度與工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平呈正相關(guān)關(guān)系，今后控制碳排放量應(yīng)重點從建設(shè)用地上著手。

（3）黑龍江省碳排放區(qū)際差異非常明顯，碳排放大部分集中于南部的齊齊哈爾市、大慶市、綏化市、哈爾濱市四個地級市，2010年四者碳排放量占到全省的58.17%，伊春市、大興安嶺地區(qū)、牡丹江市碳排放總量和碳排放強(qiáng)度較低，其中伊春市碳排放強(qiáng)度在13個地級市中最低，僅為4.19t/hm2。土地利用結(jié)構(gòu)中尤其是建設(shè)用地比例高低直接影響著碳排放強(qiáng)度的大小。

黑龍江省作為我國重要的商品糧基地，盡管耕地面積相對比例較高，但由于建設(shè)用地的碳排放強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其他地類，其仍然是影響本地區(qū)碳排放最主要的土地利用類型，在碳吸收上，林地的貢獻(xiàn)最大，黑龍江省林地資源豐富，林地面積占全省土地面積的51.2%，但由于城市化進(jìn)程的不斷加快導(dǎo)致林地不斷下降，在碳排放的控制上政府需加大對林地的保護(hù)力度，提高建設(shè)用地的集約利用率，避免城市的盲目擴(kuò)張。建設(shè)用地的碳排放主要以化石能源的消耗為主要途徑，今后應(yīng)從優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)，大力開發(fā)并應(yīng)用風(fēng)電、水電、太陽能和清潔煤等低碳能源，逐步減少傳統(tǒng)化石能源的消耗方面著手［23］，并加強(qiáng)耗能結(jié)構(gòu)設(shè)備的研發(fā)力度，提高設(shè)備的能源利用效率，減緩碳排放的增長。

［1］ 溫文.IPCC公布第五次氣候變化評估報告：超過95%系人為原因［J］.自然雜志，2013，35（5）：325－328.

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