基于土地利用變化的四川省碳排放與碳足跡效應(yīng)及時(shí)空格局

彭文甫，周介銘,*，徐新良，羅懷良，趙景峰，楊存建

1 四川師范大學(xué)，地理與資源科學(xué)學(xué)院，成都 610068 2 四川師范大學(xué)，西南土地資源評(píng)價(jià)與監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610068 3 中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心，北京 100101

基于土地利用變化的四川省碳排放與碳足跡效應(yīng)及時(shí)空格局

彭文甫1,2，周介銘1,2,*，徐新良3，羅懷良1,2，趙景峰1,2，楊存建1,2

1 四川師范大學(xué)，地理與資源科學(xué)學(xué)院，成都 610068 2 四川師范大學(xué)，西南土地資源評(píng)價(jià)與監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610068 3 中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心，北京 100101

土地利用變化的碳排放與碳足跡研究對(duì)了解人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的擾動(dòng)程度及其機(jī)理、制定有效的碳排放政策具有重要意義。采用1990—2010年四川省能源消費(fèi)數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建碳排放模型、碳足跡及其壓力指數(shù)模型，對(duì)研究區(qū)20年來土地利用的碳排放及碳足跡進(jìn)行了定量分析。結(jié)果表明：(1)土地利用變化的碳排放和能源消費(fèi)碳的足跡呈顯著增加趨勢。碳排放增加5407.839×104t，增長率達(dá)143%；能源消費(fèi)的碳足跡增加1566.622×104hm2，四川全省的生態(tài)赤字達(dá)1563.598×104hm2。(2)建設(shè)用地和林地分別為四川省最大的碳源與碳匯。20年間建設(shè)用地的碳排放增加5407.072×104t，增長率達(dá)126.27%，占碳排放總量的88%以上；林地的碳匯減少10.351×104t，但仍占四川省碳匯的96%以上。(3)土地利用碳排放、碳足跡和生態(tài)赤字存在明顯區(qū)域差異。成都平原區(qū)碳排放、碳足跡壓力最大，生態(tài)赤字嚴(yán)重，西部高山高原區(qū)和盆周山區(qū)碳排放、碳足跡最小，未出現(xiàn)生態(tài)赤字；成都、德陽、資陽和內(nèi)江等地的碳排放、碳足跡壓力最大，生態(tài)赤字最嚴(yán)重，甘孜、阿壩等地的碳排放、碳足跡最小，未出現(xiàn)生態(tài)赤字。(4)土地利用結(jié)構(gòu)與碳排放、碳足跡存在一定的相互關(guān)系，趨高的碳源、碳匯比導(dǎo)致土地利用的碳源效應(yīng)遠(yuǎn)大于碳匯效應(yīng)。因此，四川省減排的重點(diǎn)應(yīng)該在保持或增加現(xiàn)有的林地的同時(shí)，主要以降低建設(shè)用地的碳排放、碳足跡為主。

土地利用；碳排放；碳足跡；能源消費(fèi)；碳足跡壓力指數(shù)

土地利用/土地覆被變化(LUCC)是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要因素，在全球陸地與大氣碳交換中起著重要作用[1- 2]，對(duì)全球氣候變化的影響已受到越來越多的關(guān)注。加強(qiáng)對(duì)碳排放相關(guān)領(lǐng)域的研究，對(duì)于理解碳排放及其循環(huán)的規(guī)律、機(jī)理，提出有效的節(jié)能減排措施，制定區(qū)域差別化的碳排放政策，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[3]。

目前國內(nèi)外已經(jīng)開展了土地利用變化的碳排放的研究。Liu[4]等使用集成生物圈模擬框架和30—60 m分辨率的土地覆蓋變化數(shù)據(jù)，對(duì)加利福利亞森林、灌叢和草原的碳變化進(jìn)行了研究。Terry L.Sohl[5]等進(jìn)行了旨在尋求解決美國溫室氣體通量和潛在緩解策略的土地利用變化模擬框架的研究。方精云[6]等對(duì)1981—2000年間中國森林、草地、灌草叢以及農(nóng)作物等陸地植被的碳匯進(jìn)行了估算, 并對(duì)土壤碳匯進(jìn)行了討論；葛全勝[1]等研究了過去300 a中國土地利用、土地覆被變化與碳循環(huán)；鄧吉祥[7]等采用LMDI分解方法，將碳排放的影響效應(yīng)分解為人口、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源強(qiáng)度和能源結(jié)構(gòu)等效應(yīng)，探討了中國碳排放區(qū)域差異變化的原因與規(guī)律；趙榮欽和黃賢金[8]采用 2003—2007年江蘇省能源消費(fèi)和土地利用等數(shù)據(jù), 通過構(gòu)建能源消費(fèi)的碳排放模型, 對(duì)江蘇省5年來能源消費(fèi)碳排放進(jìn)行了核算, 并通過土地利用類型和碳排放項(xiàng)目的對(duì)應(yīng)，對(duì)不同土地利用方式的碳排放及碳足跡進(jìn)行了定量分析。張梅[9]等利用中國的植被類型圖、土壤類型圖以及土地利用遙感影像、借助ArcGIS 9.3的空間分析功能，對(duì)全國各種土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳排放強(qiáng)度進(jìn)行了研究。Zhang[10]等基于擴(kuò)展的LMDI模型，對(duì)安徽省建設(shè)用地變化的碳排放效應(yīng)測度進(jìn)行了研究。劉國華等[11]依據(jù)建立的不同森林類型生物量和蓄積量之間的回歸方程，對(duì)我國近20年來森林的碳儲(chǔ)量及其對(duì)全球碳平衡的貢獻(xiàn)進(jìn)行了推算。藍(lán)家程等[12]采用碳排放模型、碳足跡模型對(duì)重慶市不同土地利用方式碳排放效益、碳排放量的影響因素以及能源消費(fèi)碳足跡變化進(jìn)行了分析?？傊瑖鴥?nèi)外的研究主要集中在土地利用/覆被變化對(duì)碳循環(huán)的影響方面[1,13- 14]，對(duì)不同土地利用方式的碳排放效應(yīng)研究還需要進(jìn)一步加強(qiáng)[2]。因此，建立土地利用變化與能源消費(fèi)碳排放之間的定量關(guān)系，有助于理解區(qū)域土地利用變化與碳排放的相互作用機(jī)制, 并為未來面向低碳經(jīng)濟(jì)的土地利用調(diào)控提供理論依據(jù)[2]。

生態(tài)足跡分析理論是由加拿大學(xué)者William E.Rees[15]1992年提出，并主要由Wackernagel[16]等對(duì)生態(tài)足跡理論進(jìn)行了完善。生態(tài)足跡方法通過比較人類活動(dòng)消耗的自然資源與自然生態(tài)系統(tǒng)所提供的生態(tài)承載力來定量的判斷研究區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)[17]。目前國內(nèi)外研究主要集中在3個(gè)主要方面[18]：一是理論方法的研究，如生態(tài)足跡模型的修正[19- 20]、生態(tài)足跡因子分析[21- 23]等；二是針對(duì)不同對(duì)象、不同時(shí)空尺度的研究[21- 23]；三是應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，如能源消耗、交通、旅游、國際貿(mào)易、消費(fèi)品、森林等領(lǐng)域以及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力、生態(tài)安全評(píng)價(jià)與環(huán)境評(píng)價(jià)等[24- 25]?？傊?，從空間角度來研究區(qū)域內(nèi)部的動(dòng)態(tài)變化以及空間動(dòng)態(tài)差異的相對(duì)較少[18]。

碳足跡 是在生態(tài)足跡的概念基礎(chǔ)上提出的[26]，它是對(duì)某種活動(dòng)引起的 (或某種產(chǎn)品生命周期內(nèi)積累的) 直接或間接的CO2排放量的度量[27]，能夠直觀衡量自然系統(tǒng)對(duì)人類活動(dòng)碳排放的響應(yīng)[28]。作為人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響和壓力程度的衡量, 碳足跡成為近年來生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域[2]。國際上對(duì)碳足跡主要有兩種理解：一是將其定義為人類活動(dòng)的碳排放量[27,29- 30]，即以排放量來衡量；二是將碳足跡看作生態(tài)足跡的一部分，即吸收化石燃料燃燒排放的CO2所需的生態(tài)承載力[27,31]，即以面積來衡量。碳足跡自提出以來已在家庭住戶[32]、 大都市區(qū)[33]的碳足跡估算和模型比較[34]等方面研究取得了一定進(jìn)展；國內(nèi)學(xué)者對(duì)于不同土地利用類型[8]、不同產(chǎn)業(yè)[35-36]的碳足跡以及全國尺度上的碳足跡時(shí)空格局[36-38]也做出了探索。這些研究為開展碳動(dòng)態(tài)的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)，但目前對(duì)于中國的碳排放和碳足跡格局分析仍處于起步階段[26]。

近年來，快速的工業(yè)化、城市化，人類活動(dòng)對(duì)土地生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)日益顯著，資源環(huán)境面臨空前的壓力。本研究在國內(nèi)外最新的研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用不同時(shí)相的遙感數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建能源消費(fèi)的碳排放、碳足跡模型和碳足跡壓力指數(shù)模型，對(duì)20年來四川省土地利用的碳排放、碳足跡進(jìn)行較為詳細(xì)的評(píng)估和分析。這一研究對(duì)區(qū)域碳循環(huán)及其影響機(jī)制和減排、緩解、適應(yīng)氣候變化具有重要的意義[39]。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 The location of study area

四川省位于97°21′—108°31′E，26°3′—34°19′N之間，地處我國大陸地勢青藏高原和長江中下游平原的過度地帶，地勢西高東低，西部為高原、山地，海拔多在4000 m以上，東部為盆地、丘陵，海拔多在1000—3000 m之間(圖1)。土地面積約48.39×104km2。氣候區(qū)域差異明顯，川西高原的氣候垂直分布現(xiàn)象明顯，1月平均氣溫-9.3℃，7月為11—17℃，年均降水量500—700 mm；四川盆地為亞熱帶濕潤氣候，1月平均氣溫3—8℃，7月25—29℃，年均降水量為1000 mm左右。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)及處理

(1)土地利用利用數(shù)據(jù)是以1990—2010年5期Landsat TM/ETM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，通過人工目視解譯獲取。數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)。通過野外調(diào)查實(shí)地驗(yàn)證，土地利用一級(jí)類型綜合評(píng)價(jià)精度達(dá)到94.3%以上，滿足1∶10萬比例尺用戶制圖精度[40- 41]。通過ArcGIS 10，用四川省矢量行政邊界裁剪、經(jīng)過重采樣為100 m的四川省5期土地利用數(shù)據(jù)；應(yīng)用ENVI 4.8對(duì)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行了重編碼和歸類，將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地等6類。

(2)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)主要來源于《四川省統(tǒng)計(jì)年鑒》(中國統(tǒng)計(jì)出版社，1991—2011年)和《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒》(中國統(tǒng)計(jì)出版社，1991—2011年)。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用程度變化

土地利用程度指數(shù)的計(jì)算公式：

(1)

式中，Ld示土地利用程度指數(shù)，Ai是第i級(jí)土地利用面積(hm2),Ci是第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù),Hj是土地利用評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)土地的總面積(hm2)。

2.2.2 土地利用的碳排放估算模型

土地利用的碳排放估算主要涉及耕地、林地、草地、水域、未利用地和建設(shè)用地的碳排放與碳吸收。耕地的農(nóng)作物通過光合作用吸收空氣中的CO2，但絕大多數(shù)農(nóng)作物在短期內(nèi)又通過呼吸作用釋放到空氣中去，農(nóng)作物生物量作為碳匯的效果不明顯[6]。因此，建設(shè)用地和耕地為主要碳源，產(chǎn)生碳排放；林地、牧草地、水域和未利用地為碳匯，產(chǎn)生碳吸收。因此，土地利用的碳排放估算模型可表達(dá)如下：

(2)

式中，Ce為碳排放量，ei為第i種土地利用類型產(chǎn)生的碳排放(吸收)量；Ai為第i種土地利用類型(耕地、林地、草地、水域、未利用地)面積，αi為第i種土地利用類型的碳排放(吸收)系數(shù)；Cb為建設(shè)用地的碳排放量；mj為化石能源消費(fèi)量，βj為標(biāo)準(zhǔn)煤換算系數(shù)，γj為碳排放系數(shù)。

(1)耕地、林地、草地、水域、未利用地碳排放系數(shù)的確定

1)耕地的碳排放系數(shù) 據(jù)Cai Zucong[42]、何勇[43]的研究，認(rèn)為農(nóng)作物的碳排放系數(shù)為0.504kg m-2a-1，碳吸收系數(shù)為0.007 kg m-2a-1；依據(jù)李穎等[44]、蘇雅麗[45]等的研究所確定耕地的碳排放系數(shù)為0.422 kg m-2a-1，取其以上研究結(jié)果的均值，得出耕地的碳排放系為0.4595kg m-2a-1。

2)林地和草地的碳排放系數(shù) 據(jù)方精云[6]、肖紅艷[46]等的研究，林地和草地的碳排放系數(shù)分別采用-0.581 kg m-2a-1和-0.021 kg m-2a-1；又據(jù)李穎[44]等和蘇雅麗[45]等的研究所確定林地和草地碳排放系數(shù)的分別采用-0.644 kg m-2a-1和-0.02 kg m-2a-1，取其以上研究結(jié)果的均值，得出林地和草地的碳排放系分別為為0.6125 kg m-2a-1和0.0205 kg m-2a-1。

3)水域的碳排放系 據(jù)賴力[47]、段曉男[48]等的研究，中國水域和五大湖區(qū)水域的平均碳匯系數(shù)分別為-0.0248 kg m-2a-1和-0.0253 kg m-2a-1，采用其均值來估算水域碳排放；水域的碳排放系數(shù)取-0.0253 kg m-2a-1。

4)未利用地的碳排放系數(shù) 四川省未利用地有的是碳吸收、有的是碳排放，但都較弱，碳排放較低；根據(jù)賴力[47]的研究，未利用地的碳排放系數(shù)取-0.0005 kg m-2a-1。

(2)建設(shè)用地的碳排放系數(shù)確定

建設(shè)用地承載大量的人類活動(dòng)消耗的能源，不能直接利用建設(shè)用地面積數(shù)據(jù)計(jì)算[45]，只能通過建設(shè)用地利用過程中消耗能源間接估算碳排放[6,39]，考慮到建設(shè)用地的碳排放計(jì)算時(shí)，需將煤炭、石油和天然氣等能源消費(fèi)量換算成標(biāo)準(zhǔn)煤，按照文獻(xiàn)[39]確定化石能源的轉(zhuǎn)化系數(shù)[39]，1990—2010年四川省能源消費(fèi)量(表1)。

表1 1990—2010年四川省能源消費(fèi)量

2.2.3 生態(tài)足跡、生態(tài)承載力和生態(tài)赤字的計(jì)算方法

按照把碳足跡的定義人類活動(dòng)的碳排放量[27,29- 30]理解，計(jì)算碳足跡的方法中比較典型的有投入產(chǎn)出法和生命周期評(píng)價(jià)法[49]。投入產(chǎn)出法適于宏觀層面，但我國投入產(chǎn)出表5年一編，數(shù)據(jù)難以獲取；而生命周期評(píng)價(jià)法適于微觀產(chǎn)品層面，但生命周期階段和邊界難以界定[49]。因此，針對(duì)區(qū)域碳足跡而言，以上方法都顯得不太適用[49]。目前在計(jì)算區(qū)域化石能源碳足跡模型中，由生態(tài)足跡模型中計(jì)算化石能源足跡的模型演變而來的碳匯法仍是比較普遍的模型[49]。采用改進(jìn)模型來計(jì)算化石能源消費(fèi)的碳足跡，其中比較有代表的改進(jìn)模型包括嘗試用區(qū)域凈初級(jí)生產(chǎn)力來代替區(qū)域的碳吸收能力[50- 51]和嘗試用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力來代替區(qū)域的碳吸收能力[35]?；陉懙靥佳h(huán)的過程研究認(rèn)為在短時(shí)期內(nèi)對(duì)陸地碳循環(huán)有較大作用的是凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)量(NEP)來分析化石能源的碳循環(huán)更加妥當(dāng)[52]。

因此，基于William E.Rees[15]和Wackernage[16]等提出的生態(tài)足跡的概念和計(jì)算方法，再據(jù)趙榮欽[35]等、謝宏宇[52]等的碳足跡計(jì)算方法，本研究將碳足跡定義為吸納人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)排放的溫室氣體所需要的生物生產(chǎn)性土地面積，用以衡量四川省生態(tài)承載力和人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)自然界的影響。NEP是1 hm2的植被1年能夠吸納的碳量[52]，能夠反映植被的固碳能力。由于對(duì)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是否存在凈吸收和吸收量的大小上都存在一定的爭議[49]，本文只考慮林地和草地生態(tài)系統(tǒng)的凈吸收能力?；贜EP的化石能源生態(tài)足跡的計(jì)算方法：首先，計(jì)算四川省化石能源的碳排放量；其次，根據(jù)四川省森林和草地的碳吸收總量，劃分CO2吸收量的份額；最后，通過各自的NEP計(jì)算吸收化石能源燃燒排放的CO2所需的森林和草原的面積?；贜EP的化石能源生態(tài)足跡計(jì)算模型為：

(3)

(4)

Ed=Cf-Ec

(5)

式中，Cf為化石能源碳足跡(hm2)，Ec為生態(tài)承載力(hm2)，Ed為生態(tài)赤字(hm2)，Cs為不同土地利用方式的碳吸收量(t)，j為煤炭類、油類和天然氣類等化石能源，mj為化石能源消費(fèi)量，βj為標(biāo)準(zhǔn)煤換算系數(shù)，γj為碳排放系數(shù)，Pf、Pg分別為四川省森林草地碳吸收比例，EPf、EPg分別為全球森林和草地碳吸收能力[40]，即NEP(t C/hm2)。趙榮欽[35]等、謝宏宇[52]等的碳足跡計(jì)算方法，吸收1t CO2所需的相應(yīng)生產(chǎn)性土地面積計(jì)算結(jié)果見表2。由表2可知，森林和草原對(duì)碳的吸收比例為96.63：3.37，即1 t C 中0.9663t由森林吸收，0.03371t由草原吸收。

2.2.4 碳足跡壓力指數(shù)

本文構(gòu)建碳足跡壓力指數(shù)來反映人類社會(huì)對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)影響，并將其定義為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源與碳匯效應(yīng)之比，計(jì)算方法如下：

Cp=Cm/Cs

(6)

式中,Cp為碳足跡壓力指數(shù)；Cm為不同土地利用方式的碳源(104t)，Cs為不同的土地利用方式的碳匯(104t)。

表2 主要生產(chǎn)性土地碳吸收系數(shù)

當(dāng)Cp<1時(shí)，表明碳排放小于碳吸收，區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)仍有碳吸收的能力；Cp=1時(shí)，反映區(qū)域碳排放與區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收能力處于均衡狀態(tài)；Cp>1時(shí)，表明區(qū)域碳排放大于區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收能力，碳循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)壓力過大。

2.2.5 皮爾遜相關(guān)系數(shù)

利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)公式，可計(jì)算土地利用程度與碳源、碳排放、碳足跡和生態(tài)赤字之間的相關(guān)系數(shù)。利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)公式為：

(7)

式中，r為皮爾遜相關(guān)系數(shù)，x和y分別為土地利用程度和碳源、碳排放、碳足跡和生態(tài)赤字，n為四川省市、州數(shù)目。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用覆被變化

四川省土地利用以耕地、林地和草地為主，約占總面積的94%以上，水域和未利用地較少(表3，圖2)。由表3可見，四川省土地利用變化表現(xiàn)為建設(shè)用地和草地比例增長迅速，耕地和林地面積顯著減少最多，草地、水域面積增加，未利用地面積減少；主要原因是四川省快速工業(yè)化和城市化，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用地流轉(zhuǎn)加速。1990—2010年間，草地占全省面積的35%以上，具有景觀基底性質(zhì)，其次是林地、耕地；耕地和林地的減少面積最多，分別達(dá)19.663×104hm2和16.876×104hm2。

四川省土地利用在不同時(shí)段，具有不同的變化特征(表3)。1990—1995年間，耕地、林地和未利用地減少，而草地、水域和建設(shè)用地增加，其中林地和草地面積分別減少和增加最多，建設(shè)用地面積增加比例最大；1995—2000年間，耕地、林地和未利用持續(xù)減少，水域和建設(shè)用地增加持續(xù)增加，其中耕地和建設(shè)用地分別減少和增加最多；2000—2005年間，耕地、林地面積持續(xù)減少，其余土地利用類型面積增加，其中耕地和建設(shè)用地分別減少和增加最多；2005—2010年間，耕地和草地面積減少，其余土地利用類型面積增加，其中耕地和建設(shè)用地分別減少和增加最多。

由圖2可知，耕地主要分布在涼山、南充和宜賓等市、州，耕地面積分別占全省面積的2.128%、2.210%和2.026%以上；林地、草地、水域和未利用地主要分布于涼山、甘孜和阿壩等3州地區(qū)，其中林地面積分別占全省面積的6.730%、9.145%、5.653%，草地面積分別占全省面積的3.462%、17.931%、10.479%；建設(shè)用地主要集中在成都平原及其附近地區(qū)。

3.2 土地利用碳排放效應(yīng)

根據(jù)碳排放計(jì)算模型、土地利用數(shù)據(jù)以及能源消耗數(shù)據(jù)，計(jì)算得出1990—2010年四川省土地利用的碳源、碳匯及碳排放量(表4)。據(jù)表4可知，1990—2010年四川省的碳排放處于持續(xù)增加狀態(tài)，碳排放量由1990年的3781.223×104t上升到2010年的9189.062×104t，增長率達(dá)143.018%，年均增長7.151%。

表3 1990—2010年四川省土地利用變化

圖2 四川省1990—2010年土地利用格局Fig.2 Land use patterns in Sichuan Province from 1990 to 2010

土地利用的碳排放受到碳源與碳匯的影響。四川省土地利用的兩大碳源中，以建設(shè)用地的碳排放為主，研究期內(nèi)處于快速增加狀態(tài)，碳源排放約占總碳源排放量的88%以上，其變化趨勢已顯著影響到區(qū)域的碳排放；而耕地面積的減少，導(dǎo)致耕地碳排放呈現(xiàn)減少的趨勢，20年來碳排放量減少33.961×104t，年均減少9.035×104t，其變化趨勢與耕地面積減少一致。因此，建設(shè)用地作為主要的碳源在四川省碳減排中具有舉足輕重的地位。

與建設(shè)用地碳源迅速增加趨勢相比，林地的碳匯效應(yīng)呈顯著下降態(tài)勢；建設(shè)用地碳排放強(qiáng)度大，其碳排放與林地的碳匯的比值始終保持在4.18—9.56之間，林地的碳匯效應(yīng)所能抵消的碳排放比例由1990年23.923%下降到2010年10.466%，導(dǎo)致四川省碳排放呈持續(xù)增加，也反映碳匯作用在抵消碳源作用不顯著；不同土地利用碳源排放與碳匯吸收比值由1990年的4.002快速上升到2010年的9.739，趨高的碳源、碳匯比不利于區(qū)域的節(jié)能減排和低碳發(fā)展。因此，減排的重點(diǎn)應(yīng)該在保持或增加現(xiàn)有的林地的同時(shí)，主要以降低建設(shè)用地的碳排放為主。

利用SPSS 17.0計(jì)算可知，土地利用程度指數(shù)分別與碳匯、生態(tài)承載力具有顯著的正相關(guān)和負(fù)相關(guān)的關(guān)系，Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.805和-0.805；與碳源、碳排放、碳足跡和生態(tài)赤字呈正相關(guān)關(guān)系。

表4 1990—2010年四川省土地利用碳排放/(×104 t)

3.3 土地利用的碳排放空間格局分析

3.3.1 碳匯時(shí)空格局

采用1990—2010年的斷面數(shù)據(jù)計(jì)算四川省21個(gè)市、州的碳匯的空間格局(圖3)。由圖3可知，四川省碳匯主要分布于西部高山高原區(qū)和盆周山區(qū)；以市州分析，1990年甘孜、涼山、阿壩等3個(gè)州的碳匯占全省碳匯的63.64%以上，達(dá)675.43×104t，其碳匯分別占全省碳匯的27.32%、19.16%和17.16%；到2010年3個(gè)州的碳匯占四川省碳匯的63.80%以上，達(dá)670.98×104t，其碳匯分別占全省碳匯的27.51%、19.30%和17.00%，變化不大，反映了林地、草地、水域和未利用地在四川省同類面積上數(shù)量優(yōu)勢，具有相對(duì)優(yōu)勢而穩(wěn)定的碳匯效應(yīng)。按照自然斷點(diǎn)方法，將碳匯量分為5級(jí)，甘孜、涼山、阿壩等3州為第1級(jí)；綿陽、雅安等市為第2級(jí)；廣元、達(dá)州、樂山等市為第3級(jí)；成都、巴中等市為第4級(jí)；德陽、南充、內(nèi)江、自貢、廣安、資陽、眉山、遂寧等市為5級(jí)，碳匯效應(yīng)相對(duì)較小。

圖3 1990—2010年四川省土地利用的碳匯格局Fig.3 Carbon sinks patterns of regional land use in Sichuan Province, 1990—2010

研究期內(nèi)四川省的碳匯效應(yīng)在時(shí)間變化上具有較大的差異性。南充、攀枝花、樂山、內(nèi)江、自貢和資陽等市的碳匯呈增加趨勢，而阿壩、甘孜、涼山、雅安等市、州的碳匯呈下降趨勢，尤其是阿壩州的碳匯下降幅度最大。

3.3.2 碳源時(shí)空格局

采用1990—2010年的斷面數(shù)據(jù)計(jì)算四川省21個(gè)市、州的碳源空間格局(圖4)。由圖4可知，土地利用的碳源格局在時(shí)間及空間上變化顯著。四川省碳源集中分布于成都平原和四川盆地丘陵區(qū)，西部高山高原區(qū)和盆周山區(qū)的碳源效應(yīng)較弱；就市州而言，成都、德陽、綿陽、涼山和樂山等市、州為主要的碳源區(qū)域，其碳源占四川省碳源的比重由1990年的59.23%迅速增加為62.09%；雅安、阿壩、甘孜、瀘州等市、州的碳源效應(yīng)較弱；2000年碳源主要分布在成都、德陽、綿陽、涼山等市、州，碳源分別占四川省碳源的54.25%，達(dá)2280.82×104t；2010年碳源主要分布在成都、德陽、綿陽、涼山、樂山、眉山等市、州，碳源分別占四川省碳源的66.84%，達(dá)6845.24×104t；1990—2010年四川省21市、州碳源均呈現(xiàn)增加態(tài)勢，其中的成都、德陽、綿陽等市呈現(xiàn)快速增加態(tài)勢。

圖4 1990—2010年四川省土地利用的碳源格局Fig.4 Carbon sources patterns of regional land use in Sichuan Province, 1990—2010

3.3.3 碳排放量時(shí)空格局

加強(qiáng)職業(yè)院校意識(shí)形態(tài)工作，不僅是新時(shí)代全面從嚴(yán)治黨的要求，也是職業(yè)院校加強(qiáng)黨的建設(shè)的重要任務(wù)，同時(shí)也是職業(yè)院校推動(dòng)教育教學(xué)改革、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量、提升辦學(xué)層次的必要路徑。為此，應(yīng)對(duì)意識(shí)形態(tài)工作的諸多挑戰(zhàn)和復(fù)雜形勢，職業(yè)院校各個(gè)層面需要達(dá)成思想共識(shí)，加強(qiáng)協(xié)同配合，有效凝聚合力，不斷提升意識(shí)形態(tài)工作成效，為職業(yè)院校自身的高質(zhì)量發(fā)展提供強(qiáng)大的思想政治引領(lǐng)和保障。

按照自然間斷點(diǎn)方法，將四川省碳排放劃分為5級(jí)，即1級(jí)為碳匯，碳排放量較低，2—5級(jí)碳排放量增加，5級(jí)碳排放最高，得到1990—2010年四川省土地利用的區(qū)域碳排放量格局(圖5)。由圖5可知，研究期內(nèi)土地利用碳排放區(qū)域差異顯著，四川省碳排放和碳排放增量主要集中分布于成都平原和四川盆地丘陵區(qū)，而西部高山高原區(qū)和盆周山區(qū)碳排放和增量較小。

由圖5可知，成都市是四川省碳排放最多的區(qū)域，為5級(jí)，由1990年的1745.07×104t，增加到2010年的4088.56×104t，占四川省碳排放的比例雖有所下降，但仍占四川省碳排放的44%以上；甘孜和阿壩等2州的碳排放最低，為1級(jí)，碳匯分別由1990年的203.160×104t 和-110.940×104t下降為2010年的147.504×104t和5.877×104t。研究期內(nèi)綿陽、德陽、眉山和樂山等4市的碳排放為4級(jí)，廣元、遂寧、內(nèi)江、資陽等4市的碳排放為3級(jí)，瀘州、巴中、雅安、廣安和自貢等5市的碳排放為1—2級(jí)，碳排放量較小；其余各市州的碳排放量的劃分等級(jí)處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)。

圖5 1990—2010年四川省土地利用碳排放量格局Fig.5 Carbon emissions patterns of regional land use in Sichuan Province, 1990—2010

3.4 能源消費(fèi)碳足跡分析

利用公式(3)計(jì)算出四川省1990—2010年能源消費(fèi)碳足跡(表5)?？傮w上看，四川省能源碳足跡呈增加趨勢，尤其是2005年后，增加速度更快，增加933.568×104hm2,年均增加約186.714×104hm2, 這與能源消費(fèi)量增加相對(duì)應(yīng)(表1)，人均碳足跡也從0.158 hm2增加到0.312 hm2；四川省陸地生態(tài)系統(tǒng)生物生產(chǎn)性土地面積所承擔(dān)的生態(tài)承載力介于303.95×104hm2和306.47×104hm2之間，且相對(duì)穩(wěn)定，同期生態(tài)赤字面積由930.41×104hm2增加到1561.75×104hm2。

四川省碳足跡大于生態(tài)承載力，呈現(xiàn)生態(tài)赤字狀態(tài)，生物生產(chǎn)性土地面積不足以補(bǔ)償該區(qū)域能源消費(fèi)帶來的碳排放，補(bǔ)償率僅為12.20%—40.57%，說明四川省能源消費(fèi)碳排放的負(fù)荷超過了碳循環(huán)系統(tǒng)的碳承載力，碳循環(huán)系統(tǒng)壓力過大；不同能源消費(fèi)碳足跡顯示，煤炭能源碳足跡遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油類和天然氣碳足跡，說明以煤炭為主的能源消費(fèi)會(huì)帶來更大的碳足跡。森林碳吸收能力大于草地的吸收能力，碳吸收的比例計(jì)算得出碳足跡主要以森林為主，占總碳足跡的96.628%(表2)。

表5 1990—2010年四川省能源消費(fèi)碳足跡/(×104 hm2)

以四川省21個(gè)市、州為分析單元，對(duì)1990—2010年各市、州的能源消費(fèi)碳足跡按照自然間斷點(diǎn)方法，劃分為5級(jí)：即1級(jí)碳足跡較低，2—5級(jí)碳足跡增加，5級(jí)碳足跡最高，得到1990—2010年四川省土地利用的區(qū)域能源消費(fèi)碳足跡格局(圖6)。據(jù)圖6可知，1990—2000年四川省各市、州的能源消費(fèi)碳足跡差異顯著，呈波動(dòng)狀態(tài)，尤其是2000年后表現(xiàn)為快速增加趨勢。成都、德陽、綿陽等市的碳足跡為最大，約占四川省的碳足跡52.15%—55.40%之間，其中，成都市能源消費(fèi)碳足跡為四川省最高，由1990年的499.73×104hm2增加到2010年的1179.08×104hm2，而瀘州、廣安、雅安、巴中、阿壩、甘孜等市、州的的碳足跡為最小，約占四川省的7.42%—8.76%之間(圖6)。1990—2010年間全省21個(gè)市、州的碳足跡均呈現(xiàn)不同程度的增量態(tài)勢，成都、德陽、綿陽等市的碳足跡增量大于36.95×104t，達(dá)894.01×104t，占全省碳足跡增量的57.26%，巴中、甘孜、涼山、瀘州、雅安等市、州的碳足跡增量較小，達(dá)76.58×104t，僅占全省碳足跡增量的4.90%。

圖6 1990—2010年四川省區(qū)域土地利用碳足跡格局Fig.6 Carbon footprints patterns of regional land use in Sichuan Province, 1990—2010

從趨勢上分析，全省不同市、州的生態(tài)赤字進(jìn)一步擴(kuò)大趨勢，生態(tài)赤字差異顯著(圖7)。成都、德陽、綿陽等市的生態(tài)赤字增量最大，達(dá)895.392×104hm2，占四川省生態(tài)赤字增量的57.264%，而巴中、內(nèi)江、瀘州、甘孜等市、州的生態(tài)赤字增量較小，達(dá)57.223×104hm2，占四川省生態(tài)赤字增量的3.66%。

1990年成都、德陽、綿陽、樂山、涼山等市、州的碳足跡較高，瀘州、廣安、巴中和阿壩等市、州的碳足跡較低，除甘孜和阿壩州外，均出現(xiàn)生態(tài)赤字，瀘州生態(tài)赤字最低；1995年成都、德陽、綿陽、涼山等市州的碳足跡較高，瀘州、雅安、巴中、阿壩等市州的碳足跡較低，除甘孜、阿壩和雅安等市州外，均出現(xiàn)生態(tài)赤字，雅安生態(tài)赤字最低；2000年成都、德陽、綿陽等市的碳足跡較高，瀘州、雅安、巴中、阿壩等市、州的碳足跡較低，甘孜、阿壩、涼山和雅安等市、州外，均出現(xiàn)生態(tài)赤字，瀘州生態(tài)赤字最低；2005年成都、德陽、綿陽、樂山等市的碳足跡較高，瀘州、雅安、巴中、阿壩等市州的碳足跡較低，除甘孜、阿壩等州外，均出現(xiàn)生態(tài)赤字，雅安生態(tài)赤字最低；2010年成都、德陽、綿陽、眉山、樂山、涼山等市、州的碳足跡較高，瀘州、巴中等市的碳足跡較低，除甘孜、阿壩等州外，均出現(xiàn)生態(tài)赤字，巴中生態(tài)赤字最低。因此，甘孜、阿壩等州仍然保持生態(tài)盈余，能夠足以補(bǔ)償能源消費(fèi)產(chǎn)生的碳排放，在維持四川省生態(tài)系統(tǒng)安全方面具有舉足輕重的作用。

圖7 1990—2010年四川省區(qū)域土地利用生態(tài)赤字格局Fig.7 Ecological deficits patterns of regional land use in Sichuan Province, 1990—2010

3.5 生態(tài)壓力分析

圖8 碳足跡生態(tài)壓力分級(jí)Fig.8 The classifications of carbon footprints ecological pressure

以全省21個(gè)市、州為分析單元，據(jù)公式(6)計(jì)算1990—2010年各市、州的不同土地利用方式的碳足跡壓力指數(shù)，求出各年平均值，按照自然間斷點(diǎn)方法，可將研究區(qū)域大致劃分為5類，即分別是高度生態(tài)承載區(qū)(0.066—0.635)，一般生態(tài)承載區(qū)(0.635—1.347)，一般過渡生態(tài)承載區(qū)(1.347—2.976)，一般生態(tài)壓力區(qū)(2.976—7.393)和高度生態(tài)壓力區(qū)(7.393—26.410)(圖8)。

據(jù)圖8可見，高度生態(tài)承載區(qū)主要分布在川西、川西北和川西南地區(qū)，包括甘孜、阿壩、涼山等州，該區(qū)域擁有四川省絕大部分的林地和草地資源，碳匯效應(yīng)較強(qiáng)，碳排放強(qiáng)度相對(duì)較弱；一般生態(tài)承載區(qū)主要分布在川東北地區(qū)，包括廣元、巴中、達(dá)州和攀枝花等市，有相對(duì)較強(qiáng)的碳匯效應(yīng)和相對(duì)較弱的碳排放強(qiáng)度；一般過渡生態(tài)承載區(qū)主要分布綿陽、樂山、宜賓和廣安等市，具有相對(duì)較強(qiáng)碳匯和碳源效應(yīng)；一般生態(tài)壓力區(qū)主要分布在眉山、自貢、南充和遂寧等市，具有相對(duì)較強(qiáng)的碳排放強(qiáng)度和相對(duì)較弱的碳匯效應(yīng)；高度生態(tài)壓力區(qū)主要分布在成都平原及其附近地區(qū)，包括成都、德陽、資陽和內(nèi)江等市，具有碳排放強(qiáng)度高和碳匯效應(yīng)較弱，尤其是成都市，碳足跡壓力指數(shù)達(dá)到26.4。

4 結(jié)論與討論

(1)土地利用的碳排放、碳足跡處于增加態(tài)勢 1990—2010年間碳排放、碳足跡分別增加5407.839×104t和1566.622×104hm2；空間格局差異顯著，成都平原、丘陵區(qū)的碳排放和碳足跡最大，西部高山高原區(qū)和盆周山區(qū)的碳排放和碳足跡最??；成都市、德陽、綿陽等市的碳排放和碳足跡多，而甘孜州、阿壩州等區(qū)域，碳排放和碳足跡更小。

(2)全省總體上呈現(xiàn)生態(tài)赤字狀態(tài) 反映了區(qū)域的生物生產(chǎn)性土地面積不足以補(bǔ)償能源消費(fèi)的碳排放，碳足跡壓力指數(shù)平均為6.061，表明碳循環(huán)系統(tǒng)壓力過度；1990—2010年碳的生態(tài)承載力基本保持相對(duì)穩(wěn)定，碳足跡則呈現(xiàn)逐年快速上升趨勢，生態(tài)赤字程度逐年增強(qiáng)；不同區(qū)域的碳足跡和生態(tài)赤字的差異呈現(xiàn)逐年擴(kuò)大趨勢，成都平原及其附近區(qū)域有高的碳足跡和生態(tài)赤字，碳足跡壓力指數(shù)高，而西部、西北部區(qū)域具有較低的碳足跡和生態(tài)赤字，碳足跡壓力指數(shù)較低。

(3)四川省超過90%的人口和85%的建設(shè)用地和耕地集中分布于成都平原和四川盆地丘陵區(qū)，工業(yè)較發(fā)達(dá)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，人口密度大，城鎮(zhèn)化水平較高，化石能源消耗的數(shù)量較多，碳源量增加較多，導(dǎo)致生態(tài)赤字；西部高山高原區(qū)和盆周山區(qū)，建設(shè)用地和耕地分布少，城鎮(zhèn)化進(jìn)程緩慢，工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不高，消耗化石能源數(shù)量小，碳源量少；土地利用程度越高，對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)越劇烈，導(dǎo)致森林、草場和耕地向城市建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化，這些地表過程伴隨著生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的變化。

(4)工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的加快，資源環(huán)境的瓶頸制約近一步加劇，發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的矛盾日益凸顯，環(huán)境歷史問題和新型環(huán)境問題交織，對(duì)四川省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的約束和影響加劇，也對(duì)三峽庫區(qū)乃至長江流域的生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成嚴(yán)重的影響和危害。土地利用碳排放總受到碳源與碳匯的影響顯著，趨高的碳源/碳匯比不利于四川省低碳發(fā)展和減排。因此，減排的重點(diǎn)應(yīng)該在保持或增加現(xiàn)有的林地的同時(shí)主要以降低建設(shè)用地的碳排放為主。

(5)土地利用碳排放的估算存在一定的不確定性。目前的土地利用變化碳排放的研究方法和模型雖然得到不斷地改進(jìn)和完善，但土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響是一個(gè)復(fù)雜的過程，當(dāng)前的研究中仍然存在著不確定性；在計(jì)算土地利用、尤其是建設(shè)用地的碳源時(shí)，由于數(shù)據(jù)限制，僅考慮了化石能源消費(fèi)帶來的碳排放，未考慮計(jì)算農(nóng)村生物質(zhì)能燃燒帶來的碳排放；雖然應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)獲取了土地利用數(shù)據(jù)，但沒有考慮不同植被類型的質(zhì)量狀況，采用統(tǒng)一的碳凈積累量勢必對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定影響；未來研究可通過遙感反演和實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)合更加精確測算區(qū)域的碳排放能力。

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Effect of land use changes on the temporal and spatial patterns of carbon emissions and carbon footprints in the Sichuan Province of Western China,from 1990 to 2010

PENG Wenfu1,2，ZHOU Jieming1,2,*，XU Xinliang3，LUO Huailiang1,2， ZHAO Jingfeng1,2， YANG Cunjian1,2

1TheInstituteofGeographyandResourcesScience,SichuanNormalUniversity,Chengdu610068,China2KeyLaboratoryofLandResourcesEvaluationandMonitoringinSouthwest,MinistryofEducation,SichuanNormalUniversity,Chengdu610068,China3DataCenterforResourcesandEnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences(RESDC),Beijing100101,China

Land use changes significantly affect the carbon dynamics of terrestrial ecosystems, and are one of the main factors influencing climate change on a global scale. Analyzing the effects of land use on carbon emissions is important for understanding the mechanisms of carbon emissions and the success of carbon reduction and climate change mitigation efforts. In this study, we developed carbon emission, pressure index, and carbon footprint models to evaluate a carbon budget, and carried out research in the Sichuan Province of western China to estimate carbon sinks and carbon sources, based on energy consumption and land use change data from 1990 to 2010 (obtained from remote sensing technologies). The results showed that: (1) Changes in land use and energy consumption from 1990 to 2010 significantly increased carbon emissions (5407.839 × 104t, or 143%), with an average annual rate of increase of 7.151% (1566.622 × 104hm2). During the same period, the carbon footprint for energy consumption increased, and the area of ecological deficit reached 1563.598 × 104hm2. Overall, the increase in carbon emissions was associated with a rapid increase in fossil fuel consumption as well as land use changes; (2) Land under construction (carbon source) and forests (carbon sink) were the largest carbon pools in the carbon budget. Higher carbon emissions were noted for built-up land than for other land use types. Between 1990 and 2010, there was a continuous increase in carbon sources, and a slight decrease in carbon sinks. Carbon emissions from built-up land increased by 126.27%, which was the largest percentage increase in carbon emissions; (3) There were considerable regional differences in carbon emissions and carbon footprints. The Chengdu plain, and its surroundings regions (e.g., Chengdu, Deyang, Ziyang, and Neijiang), had higher carbon emissions, carbon footprints, and ecological deficits in 2010 than in 1990. In contrast, the west, northwest, and southwest mountainous regions and plateau areas (e.g., the Ganzhi, Aba, and Liangshan autonomous prefectures) had lower carbon emissions in 2010 than in 1990. In general, these regions had low carbon footprints and ecological deficits because of their widespread coverage by forests and grasslands. Compared to the Chengdu plain (and its surroundings regions), these regions had relatively low fossil fuel consumption, slow urbanization rates, and limited industrial development and transportation corridors. Overall, in Sichuan, there was an increase from 1990 to 2010 in the spatial distribution and severity of carbon emissions, carbon footprints, and ecological deficits; and (4) Land use had a greater effect on carbon sources than on carbon sinks. Forests, grasslands, water areas, and unused land were the main carbon sinks, while land under construction and cultivated land were the main carbon sources. The rapid increase in carbon sources and slow decrease in carbon sinks resulted in a substantial increase in carbon emissions in Sichuan from 1990 to 2010, with the ratio of sources to sinks increasing from 4.002 in 1990 to 9.739 in 2010. In conclusion, one key focus of future carbon emission reduction efforts in Sichuan should be to maintain or increase forest areas. It would also be worthwhile to reduce carbon emissions from land under construction. Through targeted land use and land management activities, ecosystems can be managed to enhance carbon sequestration and mitigate fluxes of greenhouse gases.

land use; carbon emissions; carbon footprints; energy consumption; pressure index of carbon footprints

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41371125)

2015- 06- 11;

2016- 04- 29

10.5846/stxb201506111188

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zjm@sicnu.ecu.cn

彭文甫，周介銘，徐新良，羅懷良，趙景峰，楊存建.基于土地利用變化的四川省碳排放與碳足跡效應(yīng)及時(shí)空格局.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(22):7244- 7259.

Peng W F，Zhou J M，Xu X L，Luo H L， Zhao J F， Yang C J.Effect of land use changes on the temporal and spatial patterns of carbon emissions and carbon footprints in the Sichuan Province of Western China, from 1990 to 2010.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7244- 7259.