銅陵縣土地利用碳排放效應(yīng)及空間格局分析

宋洪磊 (安徽師范大學，安徽蕪湖241000)

自20世紀中期以來，全球氣候變化的問題日益受到國際社會的關(guān)注?，F(xiàn)有的氣候變化預測結(jié)果表明，至21世紀末，全球氣候系統(tǒng)還將持續(xù)變暖，全球平均地表溫度將可能上升1.1～6.4 ℃，全球平均海平面可能提高 0.18～0.59 m［1］。氣候變化不僅會導致全球平均氣溫升高、海平面上升等問題，還會影響全球水熱循環(huán)格局，進而造成氣象災害頻發(fā)，使人類的生產(chǎn)和生活面臨極大的威脅和挑戰(zhàn)。土地利用變化是影響溫室氣體排放的重要原因。最初我國學者［2－6］主要研究在大尺度范圍下林地、草地和濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量，并明確林地、草地和濕地在碳循環(huán)中起著重要的碳匯作用。近年相關(guān)研究［7－10］主要集中在土地利用變化對碳循環(huán)的影響及碳排放效應(yīng)時空格局分析方面。經(jīng)濟發(fā)展和人口增長導致建設(shè)用地大幅擴張，而引起的大量碳排放是影響土地利用碳排放變化的主要因素。目前，建設(shè)用地碳排放量多以能源消耗的視角進行估算，結(jié)合其他土地類型的碳排放量，以行政區(qū)劃為單元，研究土地利用碳排放時空特征，這種方式可以直觀地從總體上揭示出區(qū)域內(nèi)土地利用碳排放量的高低變化，卻無法更為詳細地揭示碳排放量與土地利用類型的關(guān)系以及空間變化特征。該文擬從土地利用直接和間接碳排放2個方面建立土地利用碳排放量估算模型，在對安徽省銅陵縣2000～2013年土地利用碳排放效應(yīng)估算的基礎(chǔ)上，借助和參照生態(tài)風險指數(shù)的概念，提出碳排放風險指數(shù)的概念，并將研究區(qū)劃為1 km×1 km的單元網(wǎng)格，運用Arc-GIS9.3中的地統(tǒng)計分析，將銅陵縣土地利用碳排放風險進行空間可視化表達，分析土地利用碳排放空間分布特征，以期為區(qū)域土地可持續(xù)利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

銅陵縣位于安徽省南部，長江下游南岸，地理坐標為30°33'36″～31°19'48″N，117°26'16″～118°26'24″E，東鄰繁昌、南陵，南接青陽、貴池，西北隔江與樅陽、無為相望。全縣土地總面積為84 533.48 hm2，東西寬28.50 km，南北長31.10 km。下轄4鄉(xiāng)4鎮(zhèn)，分別是東聯(lián)鄉(xiāng)、西聯(lián)鄉(xiāng)、胥壩鄉(xiāng)、老洲鄉(xiāng)、五松鎮(zhèn)、順安鎮(zhèn)、鐘鳴鎮(zhèn)和天門鎮(zhèn)?？h域地勢大體上為南高北低，由南向北依次分為低山區(qū)、丘陵區(qū)、洲圩區(qū)。地處北亞熱帶季風區(qū)，在季風氣候的影響下，區(qū)域性氣候顯著。縣境內(nèi)河流屬長江水系，長江由西南往北再東折，西南以青通河與池州市分界，東北隔黃滸河與蕪湖市為鄰?？h內(nèi)礦產(chǎn)資源儲量豐富，礦種齊全。2013年末全縣總?cè)丝?90 182人，其中非農(nóng)業(yè)人口數(shù)為54 184人，占全縣總?cè)丝诘?8.67%。

2 資料與方法

2.1 資料來源 銅陵縣2000～2013年土地利用變更數(shù)據(jù)來自于銅陵市國土資源局，2000～2013年銅陵縣能源消費數(shù)據(jù)來源于銅陵市統(tǒng)計局和《銅陵市統(tǒng)計年鑒》，2000、2005和2010年3期銅陵縣TM影像下載于USGS。按照《土地利用現(xiàn)狀分類》(全國農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會，1984)和《全國土地分類(過渡期間使用)》對2000～2013年土地利用變更數(shù)據(jù)進行整理歸納，將銅陵縣土地類型劃分為7種，分別是耕地、園地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和其他土地。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用類型碳排放估算方法。土地利用碳排放包括土地利用直接碳排放和間接碳排放。土地利用直接碳排放又可以細分為土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳排放和土地利用類型保持的碳排放。前者是指土地利用/覆被類型轉(zhuǎn)變，導致生態(tài)系統(tǒng)類型更替造成的碳排放;后者是指土地經(jīng)營管理方式轉(zhuǎn)變或生態(tài)系統(tǒng)碳匯所驅(qū)動的碳排放［11］。土地利用的間接碳排放主要指的是各類土地利用類型上所承載的全部人為源碳排放［12］。

對耕地、園地、林地、牧草地、水域和其他用地等6種土地利用類型將采用直接碳排放系數(shù)法計算，其估算公式為:

式中:Ei為第i種土地利用的碳排放量;Si為第i種土地利用面積;ζi為第i種土地利用類型的單位面積上的碳排放系數(shù)，排放為正，吸收為負;i為 1、2、3、4、5、6，分別表示 6 種不同的土地利用類型。通過閱讀相關(guān)文獻，總結(jié)整理前人相關(guān)研究成果［13－18］，確定了該研究不同土地利用類型的碳排放系數(shù)(表1)。

土地利用的間接碳排放主要表現(xiàn)為建設(shè)用地上所有人為作用造成的碳排放，一般是通過各種能源的消耗量、轉(zhuǎn)標準煤系數(shù)及其碳排放系數(shù)來間接計算。該文參考徐國泉等［19］人提出的碳排放量分解模型計算方法，建立建設(shè)用地的碳排放量的估算公式:

式中:Eη為建設(shè)用地的碳排放量，ei為第i種能源對應(yīng)的碳排放量，Ei為第i種能源的消耗量，μi為第i種能源轉(zhuǎn)標準煤系數(shù)，εi為第i種能源的碳排放系數(shù)。

表1 不同土地利用類型的碳排放系數(shù)

2.2.2 監(jiān)督分類。監(jiān)督分類是遙感影像分類方式之一，是利用已知地物的信息對未知地物進行分類的方法［20］。最大似然法是監(jiān)督分類中最常用的分類方法。該文將在ENVI4.7軟件下，采用最大似然法，對銅陵縣2000、2005和2010年3期TM影像進行解譯，解譯結(jié)果見圖1。

2.2.3 碳排放風險指數(shù)。為建立土地利用類型與綜合區(qū)域生態(tài)風險之間的經(jīng)驗聯(lián)系，利用各類型的面積比重，構(gòu)造各土地利用類型的生態(tài)風險指數(shù)［21］。該文參考生態(tài)風險指數(shù)的構(gòu)造方法，提出土地利用類型碳排放風險指數(shù)的概念，用于表征1個樣地內(nèi)綜合碳排放風險的相對大小，并建立計算土地利用類型碳排放風險指數(shù)的公式:

式中:CRI為樣地碳排放風險指數(shù)，Si為樣地內(nèi)第i種土地利用面積，S為樣地總面積，Pi為第i種土地利用類型的碳排放系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用碳排放效應(yīng)分析 通過計算，得到銅陵縣不同土地利用類型的碳排放量及碳源、碳匯的變化過程(表2和圖2)。

從表2可知，銅陵縣土地利用碳排放量總體上呈現(xiàn)上升趨勢，從2000年4.08萬t增長到2013年的223.09萬t，增加了219.01萬t，增幅達到近54倍。

建設(shè)用地是主要的碳源，其碳排放量從2000年3.04萬t增加到2013年的222.21萬 t，增長了219.17萬 t，對碳排放總量的貢獻率高達92.26%，而耕地對于碳排放總量的貢獻率僅為7.74%。林地、水域、園地、草地和其他用地是碳匯，其中林地和水域是主要的碳匯，從2000～2013年這13年間，林地的碳吸收量維持在1.20萬～1.24萬t，水域的碳吸收量維持在0.71萬～0.74萬t，林地是最主要的碳匯，對碳吸收總量的平均貢獻率達到60.52%，其次是水域，對碳吸收總量的平均貢獻率達到36.56%，而園地、牧草地和其他用地3者對碳吸收總量的平均貢獻率僅為2.92%，遠低于林地和水域的碳匯能力。

從圖2中可知，2000～2013年銅陵縣土地利用碳排放量年變化顯著，先后經(jīng)歷了3個階段:①第1階段為2000～2007年，此階段銅陵縣土地利用碳排放總量緩慢增長，同時這一階段碳排放處于13年間的低水平階段，這7年間的年平均碳排放量為13.12萬t。②第2階段為2007～2011年，這一時期銅陵縣土地利用碳排放總量處于快速發(fā)展的狀態(tài)，碳排放量從2007年的39.13萬t增長到2011年的303.58萬t，增長近7倍，同時碳排放總量在2011年達到歷史最高。③第3階段為2011～2013年，這一時段內(nèi)銅陵縣土地利用碳排放總量開始逐年下降，由2011年的303.58萬t下降到2013的223.09萬 t，減少了80.49 萬 t。從總體上看，2000 ～2013年間碳凈排放量和碳排放總量的變化趨勢基本是吻合的，均是先增后減。

表2 2000～2013年銅陵縣不同土地利用類型碳排放量 萬t

3.2 土地利用碳排放風險空間格局分析 在碳排放風險系統(tǒng)采樣的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS9.3軟件中的地統(tǒng)計分析模塊，采用普通克里格差值法進行整個研究區(qū)表面模擬預測，同時檢查模型的合理性，從而得到研究區(qū)碳排放風險分布圖(圖3)，以直觀地描述銅陵縣土地利用碳排放風險空間分布狀況。

由圖3可知，2000年銅陵縣土地利用碳排放風險指數(shù)為［－0.487 0，2.780 0］，與2005年和2010年相比，2000年碳排放風險指數(shù)總體最低，說明2000年銅陵縣土地利用碳排放風險程度最小，但這是在低水平發(fā)展的背景下形成的，并不是一種合理的發(fā)展模式。2005年銅陵縣土地利用碳排放風險指數(shù)為［－0.487 0，7.810 0］，最高的風險指數(shù)比最低的高8.297 0，碳排放風險指數(shù)為4.721 1 ～7.810 0 的區(qū)域主要分布在銅陵縣縣城所在地，其用地類型為城鎮(zhèn)用地;碳排放風險指數(shù)為－0.487 0～0.138 2的區(qū)域主要分布在遠離城鎮(zhèn)及工礦的地方，用地類型多為水域和林地，這些地區(qū)起到重要的碳匯作用;碳排放風險指數(shù)為0.138 2～5.358 6的區(qū)域主要在城鎮(zhèn)及工礦用地和水域及林地之間的過渡地帶。由于經(jīng)濟的發(fā)展和能源消耗的增加，相比2005年，2010年銅陵縣建設(shè)用地的碳排放強度已明顯增加，導致土地利用碳排放風險指數(shù)整體提高，2010年銅陵縣土地利用碳排放風險指數(shù)范圍為［－1.366 1，171.556 0］，碳排放風險為負的區(qū)域縮小，相反碳排放風險為正的區(qū)域在不斷擴大?？傊?，從時序上看，2000～2010年銅陵縣土地利用碳排放風險指數(shù)在不斷加大;從空間分布上看，銅陵縣土地利用碳排放風險指數(shù)從城鎮(zhèn)向外推進的過程中呈現(xiàn)出由高到低的變化趨勢，碳排放風險指數(shù)較大的區(qū)域主要是沿著城鎮(zhèn)及工礦用地分布，碳排放風險指數(shù)較小的區(qū)域主要是沿著遠離城鎮(zhèn)及工礦用地的水域和林地分布，這種分布格局說明城鎮(zhèn)及工礦用地在增加區(qū)域碳排放風險的過程起到重要貢獻。

4 結(jié)論

(1)銅陵縣在2000～2013年里土地利用碳排放量大體上顯現(xiàn)出增長的趨勢，從2000年4.08萬t增長到2013年的223.09 萬 t，增加了219.01 萬 t，增幅達到近54 倍。

(2)耕地和建設(shè)用地表現(xiàn)為碳源作用，銅陵縣耕地的碳排放量隨著耕地面積的減少在不斷降低，但對土地利用碳排放量的影響很小，而建設(shè)用地碳排放量和凈排放量變化的趨勢幾乎吻合。因此，相比于耕地，建設(shè)用地碳排放量對銅陵縣土地利用碳排放量的貢獻起著決定性的作用。

(3)林地、水域、園地、草地和其他用地是碳匯，其中林地和水域是主要的碳匯，從2000～2013年這13年間，林地的碳吸收量維持在1.20萬～1.24萬t，水域的碳吸收量維持在0.71萬～0.74萬t，林地是最主要的碳匯，對碳吸收總量的平均貢獻率達到60.52%，其次是水域，對碳吸收總量的平均貢獻率達到36.56%。

(4)從時間上看，2000～2010年銅陵縣土地利用碳排放風險指數(shù)在不斷變大，這主要是由于經(jīng)濟發(fā)展帶動能源消耗量的增加所致;從空間分布上看，銅陵縣土地利用碳排放風險指數(shù)與土地利用類型的空間分布有極大的相關(guān)性，從城鎮(zhèn)向外推進的過程中呈現(xiàn)出由高到低的變化趨勢，碳排放風險指數(shù)較大的區(qū)域主要是沿著城鎮(zhèn)及工礦用地分布，碳排放風險指數(shù)較小的區(qū)域主要是沿著遠離城鎮(zhèn)及工礦用地的水域和林地分布，這種分布格局說明城鎮(zhèn)及工礦用地在增加區(qū)域碳排放風險的過程中具有重要的貢獻作用。

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