全國土地利用碳排放效應(yīng)探討

李琦雯?林志鵬?吳昕玲

摘 要：國內(nèi)外有關(guān)碳排放視角下的土地利用研究應(yīng)經(jīng)廣泛開展，其中 “土地利用對碳循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)的影響研究”、 “陸地生態(tài)系統(tǒng)對碳匯和碳循環(huán)的影響”研究、“經(jīng)濟(jì)發(fā)展驅(qū)動下土地利用對生態(tài)系統(tǒng)的影響”研究、“基于‘低碳下的土地利用/覆蓋變化（LUCC）相關(guān)模型”研究都取得了相應(yīng)的成果?；谝陨涎芯砍晒P者試從全國范圍內(nèi)對土地利用碳排放效應(yīng)展開討論，從而為我國土地資源的合理利用提供理論指導(dǎo)和重要參考。

關(guān)鍵字：碳排放；土地利用/覆蓋變化；生態(tài)效應(yīng)

基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（1184513209）：基于低碳下的土地利用覆蓋變化研究。

胡錦濤在2005年6月27日講話指出：節(jié)約能源資源，走科技含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少的路子，是堅(jiān)持和落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀的必然要求，也是關(guān)系中國經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展全局的重大問題。經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境相協(xié)調(diào)，最重要的是資源利用與環(huán)境保護(hù)之間的相協(xié)調(diào)。

自工業(yè)革命以來，世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人類活動對自然資源的需求和消耗急劇上升，土地利用結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，大片森林砍伐和濕地破壞，煤炭、燃料化石等能源的消耗等，對地球生態(tài)環(huán)境造成了巨大的破壞，最具影響的是全球氣候的持續(xù)變暖。碳排放量作為氣候變暖的一個重要因素，受到能源消耗、土地利用的影響尤為嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年世界碳排放總量達(dá)到37757.32Mt，大氣CO2濃度較工業(yè)革命前增加了近25%，并以0.5%的年速率持續(xù)升高。中國作為最大的發(fā)展中國家，人口眾多，資源有限，資源環(huán)境系統(tǒng)尤為脆弱，改革開放以來的中國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、工業(yè)化和城市化的持續(xù)升溫，造成大量能源消耗和土地利用變化，導(dǎo)致中國碳排放總量于1996年的3363.5Mt上升至2007年的7219.2Mt，占世界總排放量的19.12%，成為世界上最大的碳排放國家。而在將來很長一段時間里，中國的能源消耗還以煤炭、石油等高碳排放能源為主，所以，堅(jiān)決做好節(jié)能減排工作，是堅(jiān)持走中國社會主義可持續(xù)發(fā)展道路的重大任務(wù)。

導(dǎo)致碳排放量增加的人為因素主要包括兩方面：一方面為能源消耗和工業(yè)生產(chǎn)直接溫室氣體排放，另一方面為土地利用結(jié)構(gòu)變化影響溫室氣體匯和源的分布和協(xié)調(diào)[3]。而這兩方面都可以借助土地利用變化來體現(xiàn)，工礦企業(yè)、水利交通等建設(shè)用地的增加、林地面積的減少、耕地?cái)?shù)量的變化等都會體現(xiàn)出能源消耗量和碳排放量的多少和分布。作為造成全球變化和碳循環(huán)不平衡的重要原因之一，不合理的土地利用會導(dǎo)致土壤和植被碳儲存能力的降低，大氣中碳排放量持續(xù)增加，自然生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞。70年代以來，關(guān)于碳排放的話題引起了廣泛的關(guān)注和深入的研究，但主要針對能源消耗或者某類典型的陸地生態(tài)系統(tǒng)等對碳排放的影響機(jī)理，而以全國為基礎(chǔ)，對各類土地利用方式碳排放效應(yīng)進(jìn)行整體研究還待深化。為此，本為以中國1996年～2008年土地利用變化、能源消耗和碳排放量為基礎(chǔ)，對全國范圍內(nèi)土地利用變化碳排放效應(yīng)進(jìn)行探討，從而也為深入開展土地利用碳排放研究和核算土地利用變化碳排放量影響提供幫助。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1研究方法

土地利用伴隨著碳排放的發(fā)生，人類在土地上的生產(chǎn)生活以及土地自身利用狀態(tài)的保持與轉(zhuǎn)變是陸地碳排放的主要來源 。人類活動造成的能源消耗、林、草地和濕地面積的減少等是碳排放量增加的直接原因，已有研究認(rèn)為，僅中國能源消耗的碳排放占總碳排放量的76%[8]。按照碳源（匯）的定義，根據(jù)已有的主要土地利用類型碳源（匯）能力，對全國土地利用類型進(jìn)行分類，碳匯主要包括林地和草地，碳源主要包括耕地、建設(shè)用地[12]。其中耕地作為碳源和碳匯的混合效應(yīng)，按照農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中碳排放系數(shù)及自身的碳吸收系數(shù)，差值確定其為碳源；建設(shè)用地作為碳源不能簡單的用建設(shè)用地面積來衡量，而是間接的利用生產(chǎn)生活各種能源消耗所產(chǎn)生的碳排放。

本文只考慮全國范圍內(nèi)不同時間段土地利用碳排放效益的時空差異，而排除不同區(qū)域同一土地利用類型碳排放和吸收系數(shù)差別，采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法對全國范圍內(nèi)土地利用碳排放效益進(jìn)行測算，見表1：其中林地、草地的碳匯系數(shù)由已有研究結(jié)果確定；耕地作為碳源、碳匯的混合對象，其碳排放系數(shù)由碳源與碳匯差值確定；中國能源消耗主要包括煤炭、石油和天然氣等，所以建設(shè)用地碳源系數(shù)由煤炭、石油和天然氣碳源系數(shù)求和確定[4][10-12] 。

碳排放估算公式： （1）

其中：E——碳排放總量，萬噸； ei——研究區(qū)i類土地利用方式碳排放量，萬噸；Ti——i類碳排放系數(shù)，排放為正，吸收為負(fù)；各類土地利用面積（建設(shè)用地為各類能源消耗量），m2（萬噸）。

1.2 數(shù)據(jù)來源

采用1996～2008年的《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》，1996～2008年的中國能源消耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，1996年和2008年中國華北、東北、華東、中南、西南和西北六區(qū)土地利用現(xiàn)狀及能源消耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，《全國土地利用總體規(guī)劃綱要（2006-2020年）》，此外還包括部分來源于已有文獻(xiàn)的土地利用數(shù)據(jù)和方法數(shù)據(jù)。對已有數(shù)據(jù)采用已有的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法進(jìn)行歷年土地利用碳排放量進(jìn)行測算和分析，并對2020年中國碳排放量進(jìn)行預(yù)測。

2 結(jié)果分析

2.1 碳排放的總體估算及特征

根據(jù)收集的中國1996～2008年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和歷年中國能源消耗數(shù)據(jù)，利用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法對全國1996～2008年碳排放量進(jìn)行測算，并作出正確分析（見圖1和圖2）：（1）全國1996～2008年碳排放量經(jīng)歷了兩個時期，1996～2003年的碳排放量為負(fù)，呈現(xiàn)碳匯階段，2001～2008年碳排放量為正，并持續(xù)增加，呈現(xiàn)碳排放階段；（2）歷年能源消耗量也呈現(xiàn)階段性，即1996～2000年左右，能源消耗量變化平緩，而2000～2007年，由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)化和城市化持續(xù)升溫，造成此階段能源消耗量持續(xù)增加，年變化率達(dá)到20%左右，而2007年以后，國家宏觀調(diào)控加強(qiáng)，強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境資源相協(xié)調(diào)，注重節(jié)能減排，所以在2007年后一年中能源消耗量增加緩慢；（3）由于2001年以前林地面積逐年減少，致使林地碳匯能力逐年下降，較1996年來說，林地面積減少了3727.58 萬公頃，碳匯能力降低了14.0%，而2001年后國家注重了林地保護(hù)和植樹造林活動，全國林地面積持續(xù)增加，2003年增幅最大達(dá)到2%，而后林地面積逐漸趨于平穩(wěn)，林地碳匯能力也隨之趨于穩(wěn)定；（4）1996～2008年間，耕地面積逐年減少，致使耕地碳排放量相應(yīng)減少，但耕地碳排放率較小，所以碳排放值影響值較??；（5）由于城市范圍和工礦企業(yè)、交通水利等用地的逐年擴(kuò)張，致使建設(shè)用地面積逐年增加，增幅在1.03%～2.14%，相應(yīng)碳排放量來說，工礦企業(yè)等碳排放量相對于建設(shè)用地總碳排放量來說，達(dá)到92.1%左右，而其余碳排放主要來源于居民生活碳排放。

圖1 全國1996-2008年主要土地利用方式的碳排放量

圖2 全國1996-2008年主要土地利用面積年變化率

為了反映各類土地利用變化對碳排放量變化的影響，對各類土地利用變化碳排放效應(yīng)進(jìn)行邊際分析，即相應(yīng)碳排放變化量與各類土地變化率的比值，見式2。

其中：——i類土地利用變化碳排放邊際值；——1996和2008年i類土地利用類型碳排放量差值；——i類土地利用面積變化率。

由各類土地利用碳排放的邊際分析看出（見表2）：耕地和草地對碳排放（吸收）的貢獻(xiàn)值較低，分別問0.042和0.002t*（hm2）-1，而對碳排放（吸收）影響最大的為林地和建設(shè)用地，作為最大的碳匯來源，1hm2林地碳匯量僅占建設(shè)用地碳排放量的2%左右，相對來說，林地對碳排放的敏感度較差，而建設(shè)用地相對來說比較敏感。而對于邊際分析來說，在現(xiàn)有林地基礎(chǔ)上，每增加1%面積林地，可以吸收同樣比例的建設(shè)用地和耕地碳排放量的18%左右。這就說明，目前林地面積還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到碳排放的吸收，相對比來說，50hm2新增林地才能平衡1hm2新增建設(shè)用地帶來的碳排放，所以，在現(xiàn)有林地和建設(shè)用地基礎(chǔ)上，有效合理的植樹造林、資源節(jié)約型的建設(shè)用地?cái)U(kuò)張等措施對大氣碳系統(tǒng)平衡起到很大作用。

從表2可以初步斷定，建設(shè)用地和碳排放量之間的相關(guān)性最強(qiáng)，而林地次之，為了近一步分析各類土地利用方式和碳排放效應(yīng)的相關(guān)性關(guān)系，我們對各類土地利用變化和碳排放量進(jìn)行了相關(guān)性分析，并得出結(jié)果，見表3：建設(shè)用地與總碳排放量之間呈顯著相關(guān)，而耕地和林地用地面積和總碳排放量之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)；但由于國家現(xiàn)在堅(jiān)持耕地的保有量，耕地面積處于一個比較穩(wěn)定的階段，所以雖然林地與碳排量之間的不顯著負(fù)相關(guān)更得引起注意，由于林地對碳排放量的敏感度低，林地面積的小比例增大對碳排放量的影響程度低。

為了更進(jìn)一步的說明各類土地利用方式和碳排放量之間的相關(guān)性和因果關(guān)系，對已有數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，見式3。

（3）

其中，x1～x4——分別為耕地、草地、林地和建設(shè)用地面積；y——因變量（碳排放總量）；abcd——各個自變量（土地利用類型）的系數(shù)；——表示相關(guān)常量。

由于耕地和草地對碳排放（吸收）的影響率低，分別為0.042t*（hm2）-1和-0.002 t*（hm2）-1，所以在假定耕地和草地現(xiàn)有面積和碳排放效應(yīng)不變的情況下，只考慮林地和建設(shè)用地的碳排放效應(yīng)，式3可變形為：

（4）

在現(xiàn)有建設(shè)用地面積和林地面積不變的情況下，平衡現(xiàn)有多余碳排放還需要在2005年基礎(chǔ)上新增約6120萬hm2面積林地。按照國家做出的碳排放量降低目標(biāo)，至2020年中國碳排放量基于2005年降低40%左右，建設(shè)用地面積控制在3724萬hm2，假設(shè)2020年中國能源利用率達(dá)到發(fā)達(dá)國家水平為43%，則需要新增林地面積約6103.86萬hm2，按照現(xiàn)有水平很難實(shí)現(xiàn)，所以就要求國家要節(jié)約集約利用土地，科技創(chuàng)新提高能源利用率，并且要大力發(fā)展新能源和環(huán)保能源等。

2.2 區(qū)域碳排放分析

1996年全國土地利用碳排放效應(yīng)來看，國家總碳排放量為-55950.72萬t，從整體上看處于碳匯階段，但由于中國土地面積寬廣，地形復(fù)雜，生態(tài)多樣，土地利用分布不均勻，整體碳排放效應(yīng)不能完全說明中國實(shí)際碳排放效應(yīng)。

2.2.1 區(qū)域土地利用差異性探討

中國國土面積960萬km2，面積遼闊。自然資源豐富，但由于自然條件和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不平衡，造成中國各類土地利用分布不均勻，以1996年為例，對全國土地利用分布進(jìn)行分析：各區(qū)域耕地面積比較均衡，差異性較小；土地利用分布差異性較大的為建設(shè)用地和草地，草地主要分布在華北、中南、西南和西北地區(qū)，而華東地區(qū)草地面積僅為11.7萬hm2，僅占總面積的0.04%左右，比率標(biāo)準(zhǔn)差為0.182，差異性極大；林地主要分布于中南和西南地區(qū)，而西北地區(qū)林地面積2707萬hm2，占總面積的10%左右，較西南地區(qū)林地面積少4776萬hm2，將近西北地區(qū)林地面積的1.7倍；建設(shè)用地面積主要集中在華東和中南地區(qū)，各區(qū)之間差異性較大，比率標(biāo)準(zhǔn)差為0.072。而從整體來看，華東地區(qū)建設(shè)用地面積最大，林地面積處于較低水平，草地面積最小，土地利用分布極不平衡。

2.2.2 區(qū)域碳排放差異性

基于此問題的存在，按國務(wù)院規(guī)定的國家區(qū)域劃分，對土地利用碳排放效應(yīng)進(jìn)行分區(qū)探討（見圖4）：1996年各區(qū)碳排放中，華東地區(qū)碳排放量為5775萬t，其余各區(qū)碳排放量均為負(fù)，而到2008年，僅東北地區(qū)和西南地區(qū)碳排放為負(fù)，其余各區(qū)域排放量為正；華東地區(qū)碳排放量變化最大，達(dá)到35300萬t，其次為中南地區(qū)和華北地區(qū)，雖然西北地區(qū)碳排放量變化最小，但發(fā)生了質(zhì)的變化，碳排放量由負(fù)轉(zhuǎn)正。這主要是由于1996～2008年間，中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化和工業(yè)化程度快速提高，致使建設(shè)用地面積在各個區(qū)域內(nèi)都呈現(xiàn)高速擴(kuò)張。而作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的華東地區(qū)，在一定土地的限制下，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必定會造成土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)換，而提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展最主要的即為其他土地利用類型向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換。在12年間，華北地區(qū)建設(shè)用地面積擴(kuò)張了近134%，建設(shè)面積的增大直接帶來的是能源消耗的增加，而華東地區(qū)林地面積減少了近13%（見圖5），最大碳源的增加和最大碳匯面積的減少，致使華東地區(qū)碳排放變化幅度最大，華北、中南和西北地區(qū)碳排放發(fā)生了質(zhì)的變化。

圖3 1996年各區(qū)域土地利用面積

圖4 1996和2008年各區(qū)域土地利用碳排放總量

圖5 1996和2008年各區(qū)域土地利用變化

各區(qū)域內(nèi)各省市之間由于土地利用分布不均勻，導(dǎo)致土地利用碳排放與該區(qū)域整體碳排放效應(yīng)也不一定全部一致，例如河北省1996年碳排放總量為約8990萬t，而華北地區(qū)在1996年碳排放總量為-1416萬t，在本文中，由于數(shù)據(jù)和篇幅限制，不做進(jìn)一步的分析和解釋。

而對于中國各區(qū)域碳排放的貢獻(xiàn)來說，1996～2008年也發(fā)生了巨大改變，見圖6：1996年碳排放的主要貢獻(xiàn)區(qū)域?yàn)槿A東地區(qū)，而其余各區(qū)域碳排放量都處于負(fù)值階段，碳排放大小分別為：華東、華北、東北、西北、中南和西南；2008年碳排放主要貢獻(xiàn)區(qū)域分布于華北和華東地區(qū)，而各區(qū)域碳排放量也都有大幅度的增加，西北、中南地區(qū)碳排放量由負(fù)轉(zhuǎn)正，而東北和西南地區(qū)碳排放量雖然仍處于負(fù)狀態(tài)，但碳吸收能力明顯減弱，所以在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化、工業(yè)化快速進(jìn)程中，不能犧牲環(huán)境以代價(jià)，除此之外，由于區(qū)域各類土地利用面積不均勻，更不能以犧牲自身的優(yōu)勢碳匯力量來進(jìn)行經(jīng)濟(jì)發(fā)展。西南地區(qū)林地面積在各區(qū)域中是最大的，在1996～2008年，林地面積作為最主要的碳匯力量減少了12%，而建設(shè)用地面積增加了近92%，再加上林地的碳排放效應(yīng)沒有建設(shè)用地明顯，敏感度低，致使西南地區(qū)碳排放吸收能力降低了近48%。

圖6全國 1996和2008年各區(qū)域土地利用碳排放量分布圖

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

通過對全國范圍內(nèi)1996～2008年土地利用碳排放效應(yīng)的探討和分析，得出如下結(jié)論：

（1）全國土地利用碳排放效應(yīng)處于兩個階段：1996～2003年碳排放為負(fù)階段和2003～2008年碳排放為正并且持續(xù)增加階段；

（2）林地和建設(shè)用地作為主要碳源（匯），對碳排放的影響比較大，但林地的邊際變化碳效應(yīng)僅為建設(shè)用地的2%左右，而林地面積的逐年減少和建設(shè)用地的增加，對碳排放的降低增加了風(fēng)險(xiǎn)；

（3）基于12年土地利用碳排放效應(yīng)，對2020年全國土地利用碳排放效應(yīng)進(jìn)行了估測，結(jié)果顯示，要想達(dá)到預(yù)期經(jīng)濟(jì)發(fā)展和減排目標(biāo)，在耕地和草地面積不變的情況下，需新增林地6103.86萬hm2；

（4）全國各類土地利用面積分布不均勻，其中建設(shè)用地和草地的區(qū)域差異最大，致使各區(qū)域土地利用碳排放效應(yīng)與總體碳排放存在一定的差異，而由于土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整和面積轉(zhuǎn)換，各區(qū)域碳排放也在不斷發(fā)生改變。

3.2 討論與建議

中國作為最大的發(fā)展中國家，在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、城市化和工業(yè)化水平迅速提高的今天，土地利用變化和能源消耗致使大氣碳排放量逐年增加，國家快速發(fā)展面臨的碳排放量降低任務(wù)日漸嚴(yán)峻，這就要求我們做出應(yīng)對現(xiàn)有土地利用碳排放的舉措和手段，走經(jīng)濟(jì)發(fā)展和土地利用相協(xié)調(diào)的節(jié)能減排的新經(jīng)濟(jì)道路[14]。本文基于有限的分析和討論，提出如下幾點(diǎn)建議：

（1）在嚴(yán)格保護(hù)耕地的基礎(chǔ)上，節(jié)約集約用地，統(tǒng)籌各類用地。穩(wěn)定耕地?cái)?shù)量，不斷提高耕地質(zhì)量和農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力；轉(zhuǎn)變土地利用方式，推進(jìn)土地節(jié)約集約利用，加強(qiáng)建設(shè)用地空間管制，促進(jìn)城鄉(xiāng)用地統(tǒng)籌，不斷提高土地利用效率與效益。

（2）加強(qiáng)土地生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)。合理進(jìn)行植樹造林活動，統(tǒng)籌安排生產(chǎn)、生活和生態(tài)用地，加強(qiáng)各類自然保護(hù)區(qū)、森林公園、濕地保護(hù)與建設(shè)，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境不斷改善。

（3）加強(qiáng)土地復(fù)墾與生態(tài)重建工作。加強(qiáng)全國范圍內(nèi)歷史遺留和損毀土地統(tǒng)計(jì)工作，在此基礎(chǔ)上，做好土地復(fù)墾工作，把已損毀或廢棄土地進(jìn)行復(fù)墾，重新利用，把這些已廢棄土地變廢為寶，是土地利用結(jié)構(gòu)更趨于合理[15]。

（4）工礦企業(yè)堅(jiān)持綠色生產(chǎn)。不斷科技創(chuàng)新提高生產(chǎn)效率和能源利用率，在此基礎(chǔ)上，大力發(fā)展清潔能源，并且做好“三廢”處理工作，嚴(yán)格執(zhí)行國家的綠色生產(chǎn)要求，節(jié)約、集約利用生產(chǎn)資源和土地。

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