烏魯木齊市土地利用結(jié)構(gòu)與碳排放的關(guān)聯(lián)測(cè)度研究

孟 梅, 崔雪瑩, 王志強(qiáng)

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830052)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和工業(yè)化水平的逐漸提高，人類向大氣排放越來(lái)越多的CO2，CH4等溫室氣體。溫室氣體的逐漸增加導(dǎo)致溫室效應(yīng)的加劇，激發(fā)了一系列的環(huán)境問題。例如，天氣極端化、兩極冰層融化致使海平面升高、地球臭氧層遭受破壞等，已嚴(yán)重影響到人類社會(huì)的健康穩(wěn)定發(fā)展。土地是陸上生態(tài)系統(tǒng)碳排放的載體，是人類活動(dòng)碳排放的載體，也是碳排放的重要影響因素[1]。土地利用和土地利用結(jié)構(gòu)的改變都對(duì)碳的吸收和排放有著巨大的影響[2-3]，不科學(xué)的土地利用使土壤的固碳能力下降[4]，導(dǎo)致碳排放的增加。土地利用結(jié)構(gòu)變化已經(jīng)成為全球碳排放增加的第2大原因，僅次于化石燃料燃燒[5]。因此，如何優(yōu)化配置和科學(xué)利用土地資源，控制土地利用中的碳排放量顯得尤為重要。近年來(lái)很多學(xué)者開始了對(duì)土地利用與碳排放間的研究。如楊景成等[6]認(rèn)為土地利用會(huì)改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，如改變物種組成和生物多樣性，其影響會(huì)作用到生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的過程中；賴力[7]認(rèn)為土地利用碳排放機(jī)理可以分成自然干擾、土地利用變化和土地管理方法轉(zhuǎn)變3類；杜官印等[8]研究了不同土地利用方式對(duì)碳排放效應(yīng)的影響，曲福田等[9]從3個(gè)方面總結(jié)了土地利用變化對(duì)碳排放的影響，都認(rèn)為農(nóng)用地向非農(nóng)用地轉(zhuǎn)變會(huì)增長(zhǎng)碳的排放；李國(guó)敏[10]提出要將城市、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境聯(lián)系成一個(gè)有機(jī)整體，從減排和增匯兩方面著手，通過對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化而形成城市土地的低碳利用；趙榮欽等[1]對(duì)城市土地利用的碳排放效應(yīng)進(jìn)行了研究，提出低碳高密度緊湊型的城市土地低碳利用格局；劉海猛等[11]研究發(fā)現(xiàn)以低碳為導(dǎo)向的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化能夠更好地落實(shí)土地資源合理利用和可持續(xù)發(fā)展。但上述研究大多僅分析了某個(gè)地區(qū)近期土地利用對(duì)碳排放的影響，缺少長(zhǎng)期的、具體的土地利用結(jié)構(gòu)與碳排放的關(guān)系。并且關(guān)于烏魯木齊市土地利用碳排放方面的研究也很少，為更好地指導(dǎo)烏魯木齊市土地低碳利用，本研究在已有研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析的方法，對(duì)烏魯木齊市的土地利用結(jié)構(gòu)與碳排放量的關(guān)系進(jìn)行測(cè)度，分析一定時(shí)間范圍內(nèi)二者的關(guān)聯(lián)度及其變化特征，找出土地利用碳減排途徑，為烏魯木齊市合理利用土地與生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效應(yīng)的同步提升提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取

1.1 烏魯木齊市概況

烏魯木齊市位居亞歐大陸腹地，地處東經(jīng)86°37′—88°58′，北緯42°45′—44°08′，遠(yuǎn)離海洋，氣候干旱。全市面積1.38×108km2，常住人口355萬(wàn)人。烏市自然資源十分豐富，市內(nèi)煤炭?jī)?chǔ)量在1.00×1010t以上，這為烏魯木齊的經(jīng)濟(jì)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。烏魯木齊市是新疆的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，是第二座亞歐大陸橋中國(guó)西部橋頭堡，是我國(guó)聯(lián)系西方的重要門戶，同時(shí)也是“一帶一路”絲綢之路核心區(qū)。2015年，烏魯木齊市GDP總值達(dá)到2 458.98億元，同比增長(zhǎng)7.6%，其中，第一產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)增加值31.20億元，第二產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)增加值788.80億元，第三產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)增加值1 860.00億元。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究構(gòu)建的灰色測(cè)度模型中，所用數(shù)據(jù)主要來(lái)源于3方面，其中各類用地的碳排放/碳吸收系數(shù)通過總結(jié)前人文獻(xiàn)獲得。能源消耗數(shù)據(jù)來(lái)自2002—2016年《烏魯木齊市統(tǒng)計(jì)年鑒》，根據(jù)烏魯木齊市能源消費(fèi)的實(shí)際情況和可得性，選取了此時(shí)間段中具有代表性的煤炭、洗精煤、焦炭、原油、汽油、燃料油、柴油、天然氣等8種能源進(jìn)行能源消耗碳排放量的計(jì)算；能源消耗碳排放系數(shù)來(lái)自《2006年IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》，根據(jù)清單指南參考確定各種能源的碳排放系數(shù)。土地利用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)方面，由于研究期土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)涉及不同的土地劃分標(biāo)準(zhǔn)，為了數(shù)據(jù)的可比性和土地類型的統(tǒng)一性，本文將研究期內(nèi)的土地分類統(tǒng)一參照《土地利用現(xiàn)狀分類》(1984年)進(jìn)行劃分和調(diào)整，調(diào)整后的土地利用類型分成耕地、園地、林地、草地、居民點(diǎn)及工礦用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地以及未利用地，其中各土地利用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來(lái)源于《新疆國(guó)土資源綜合統(tǒng)計(jì)資料冊(cè)》和烏魯木齊市土地利用變更調(diào)查資料。

2 研究方法

2.1 碳排放量的計(jì)算

基于以往學(xué)者的文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，土地利用碳排放可分成兩方面：一方面，人類將土地作為勞動(dòng)對(duì)象直接利用土地而產(chǎn)生的碳排放，稱之為土地利用直接碳排放；一方面，人類把土地作為載體，在土地上生活活動(dòng)而發(fā)生的碳排放，稱之為土地利用間接碳排放。其中，土地利用直接碳排放關(guān)系耕地、園地、林地、草地，間接碳排放主要是人為能源消費(fèi)。

2.1.1 直接碳排放測(cè)算 借鑒前人的研究成果，測(cè)算公式為：

QA=∑eim=∑Sim·?m

(1)

式中：QA——耕地、林地、園地及草地4種用地類型的碳支出總量(t)；eim——第m種用地類型在第i年的碳支出量或碳吸納量(t)；Sim——第m種用地類型在第i年的用地面積(hm2)； ?m——第m種用地類型的碳排放系數(shù)；i——年份；m——用地類型。其中，直接碳排放/碳吸收系數(shù)詳見表1。

表1 直接碳排放/碳吸收系數(shù)

2.1.2 間接碳排放測(cè)算 目前已有很多學(xué)者對(duì)能源燃燒產(chǎn)生的碳排放核算進(jìn)行研究，總結(jié)方法可以分為兩類，一類是排放系數(shù)法，如IPCC能源碳排放系數(shù)法、ORNL碳排放消耗系數(shù)法等，第二類是基于長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)測(cè)法和遙感圖像碳儲(chǔ)量估算法。本研究采用IPCC能源碳排放系數(shù)計(jì)算模型，通過確定各能源的碳排放系數(shù)來(lái)核算碳排放量，其計(jì)算公式為：

(2)

式中：QB——碳支出量(104t);Kin——能源n的第i年能源碳排放系數(shù);En——第n種能源的消費(fèi)量(104t)，按104t標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算;n——能源種類;i——年數(shù)。能源消費(fèi)碳排放系數(shù)詳見表2。

表2 相關(guān)能源消耗碳排放系數(shù)

注：數(shù)據(jù)來(lái)源于《IPCC2006年報(bào)告》。

2.1.3 碳排放總量測(cè)算 凈碳排放就是直接碳排放量和間接碳排放量加總求和，測(cè)算公式為：

Q=QA+QB

(3)

式中：Q——凈碳排放量;QA——直接碳排放量;QB——間接碳排放量。

2.2 土地利用結(jié)構(gòu)與碳排放關(guān)聯(lián)測(cè)度模型

為分析土地利用結(jié)構(gòu)與碳排放之間的關(guān)系，并且考慮到二者間樣本少、信息少的不確定現(xiàn)象，本文運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，建立土地利用結(jié)構(gòu)與碳排放的關(guān)聯(lián)測(cè)度模型：

首先，設(shè)參考序列分別為凈碳排放量、碳排放強(qiáng)度及人均碳排放量：

{Y0i′(1),Y0i′(2)，…,Y0i′(k)}

設(shè)比較序列為不同各用地類型面積占總面積比值：

{Xj′(1),Xj′(2)，…,Xj′(k)}

由于參考序列與比較序列存在著不同的數(shù)量級(jí)，為了便于比較，需對(duì)數(shù)據(jù)采用均值化變化，消除量綱，以參考序列為例(對(duì)比較序列處理相同)，轉(zhuǎn)化公式為：

(4)

將每個(gè)比較序列與參考序列進(jìn)行絕對(duì)差值計(jì)算，計(jì)算公式為：

Δij(k)=|Xj(k)-Y0i(k)|

(5)

比較序列與參考序列在第K個(gè)點(diǎn)上的相對(duì)差值稱為該比較序列對(duì)參考序列在K點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，計(jì)算公式為：

(6)

式中：Δi(min)，Δi(max)——各個(gè)分析區(qū)域兩比較序列絕對(duì)差中的最大值和最小值；ρ——分辨系數(shù)，通常ρ∈(0，1)，本研究中取ρ=0.5。

關(guān)聯(lián)度γij為各序列在各個(gè)時(shí)期時(shí)的關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值：

(7)

3 實(shí)證結(jié)果與分析

3.1 2001-2015年烏魯木齊市土地利用結(jié)構(gòu)變化情況

對(duì)已得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，2001—2015年烏魯木齊市總土地面積由1.14×106hm2持續(xù)上升到1.38×106hm2，增長(zhǎng)了2.40×105hm2，原因是在2009年米泉市撤市，與原烏魯木齊東山區(qū)合為烏魯木齊市米東區(qū)，因此2015年烏魯木齊市各類型用地面積相比2001年均有所增加。除去2008—2009年的突變，從年變化率的角度分析，耕地、草地和未利用地在2001—2008年和2009—2015年2個(gè)時(shí)期均呈減少的趨勢(shì)，其中耕地、牧草地的減少速度在逐漸放緩，未利用地變化率相對(duì)穩(wěn)定；居民點(diǎn)及工礦用地、交通運(yùn)輸用地的面積呈增加的趨勢(shì)，且增加速率呈緩慢加快；園地、林地、水域及水利設(shè)施用地在2001—2008年期間呈增加趨勢(shì)，2009—2015年呈減少勢(shì)頭。從土地利用結(jié)構(gòu)來(lái)看，農(nóng)用地占總面積的比例逐漸減小，由2001年的79.2%下降到2015年的67%，其中牧草地減少最為迅速；建設(shè)用地占總面積的比例則逐漸上升，由6.5%增長(zhǎng)到9.7%，其中居民點(diǎn)及工礦用地增長(zhǎng)最為迅速。

3.2 2001-2015年烏魯木齊市碳排放情況

根據(jù)公式(1)—(3)，可求得烏魯木齊市2001—2015年的碳排放總量，為了更好地研究近些年碳排放與各用地類型的關(guān)聯(lián)度情況，并計(jì)算出碳排放強(qiáng)度(碳排放總量/GDP)和人均碳排放量(碳排放總量/常住人口數(shù))來(lái)描述烏魯木齊市土地利用碳排放特征(表3)。從表3可以得出，烏魯木齊市2001—2015年的碳排放總量大幅增加，由8.31×106t增長(zhǎng)到2.10×107t，年平均增長(zhǎng)率為10.9%，增長(zhǎng)了約2.5倍。2015年碳排放總量為2.10×107t，雖仍處在較高水平，但較上年有所下降，出現(xiàn)回落的趨勢(shì)。烏魯木齊市碳排放強(qiáng)度呈逐漸減少勢(shì)頭，從2001年的2.54×104t/億元減小到2015年的7 800 t/億元，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值快速升高，且增長(zhǎng)速度超越了碳排放總量的增加速度。烏魯木齊市人均碳排放量逐漸增長(zhǎng)，從2001年的3.99×104t/萬(wàn)人增加到2011年的6.69×104t/萬(wàn)人，人均增長(zhǎng)了2.7 t/人，在2011年后有回落趨勢(shì)。

表3 烏魯木齊市2001-2015年碳排放總量、碳排放強(qiáng)度及人均碳排放量

3.3 烏魯木齊市土地利用結(jié)構(gòu)與碳排放關(guān)聯(lián)度測(cè)算及分析

3.3.1 關(guān)聯(lián)度的測(cè)算 利用公式(4)—(7)計(jì)算可以得到2001—2015年烏魯木齊市8種用地類型與碳排放總量、碳排放強(qiáng)度、人均碳排放量的關(guān)聯(lián)度，結(jié)果詳見表4。

表4 烏魯木齊市土地利用結(jié)構(gòu)與碳排放的關(guān)聯(lián)度

3.3.2 關(guān)聯(lián)度的靜態(tài)特征分析 由表4可以得出，土地利用結(jié)構(gòu)與碳排放總量的關(guān)聯(lián)度由大到小依次為：交通運(yùn)輸用地>未利用地>園地>居民點(diǎn)及工礦用地>林地>耕地>水域及水利設(shè)施用地>牧草地。由排列順序可知，與碳排放總量關(guān)聯(lián)最大的是交通運(yùn)輸用地，其次是未利用地，兩者與碳排放總量的關(guān)聯(lián)度大于0.7，相關(guān)性高。交通運(yùn)輸用地是城市能源消耗的重要載體，造成了巨大的碳排放，未利用地承擔(dān)一定程度的碳匯功能，面積的減少伴隨了碳排放總量的增加。此外，園地、居民點(diǎn)及工礦用地、林地、耕地和水域及水利設(shè)施用地與碳排放總量的關(guān)聯(lián)度也均在0.5以上，相關(guān)性較高。牧草地與碳排放總量的關(guān)聯(lián)度是0.471 5，相對(duì)較低。這是由于烏魯木齊牧草地較多，面積變化不大，提供穩(wěn)定的碳吸收，對(duì)碳排放總量變化影響不大。土地利用結(jié)構(gòu)與碳排放強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)由大到小依次為：牧草地>水域及水利設(shè)施用地>耕地>林地>居民點(diǎn)及工礦用地>園地>未利用地>交通運(yùn)輸用地。由排列順序可以知道，與碳排放強(qiáng)度關(guān)聯(lián)最大的是牧草地，關(guān)聯(lián)度大于0.7，相關(guān)性高。牧草地占總面積的60%左右，是主要碳匯，面積的變化與碳排放強(qiáng)度的變化趨勢(shì)都隨著時(shí)間變化不斷減少，說明牧草地利用與碳排放強(qiáng)度關(guān)系密切。土地利用結(jié)構(gòu)與人均碳排放量的關(guān)聯(lián)度由大到小排列順序依次為：園地>林地>居民點(diǎn)及工礦用地>耕地>水域及水利設(shè)施用地>未利用地>牧草地>交通運(yùn)輸用地。烏魯木齊市園地以果園為主，在城市周邊起一定程度的碳匯作用，林地是吸收碳排放、凈化大自然的有效途徑，居民點(diǎn)及工礦用地是生產(chǎn)生活過程中最主要的碳源，耕地和水域及水利設(shè)施用地既是碳源也是碳匯，所以這幾種土地類型與人均碳排放量有著非常緊密的關(guān)系。

3.3.3 關(guān)聯(lián)度的動(dòng)態(tài)特征分析 將烏魯木齊市2001—2015年各年的耕地、園地、林地、牧草地與碳排放的關(guān)聯(lián)系數(shù)求和后求平均，對(duì)應(yīng)得到該年的農(nóng)用地與碳排放的關(guān)聯(lián)系數(shù)。同理，可得各年建設(shè)用地與碳排放的關(guān)聯(lián)系數(shù)(圖1)。由圖1可知，2001—2015年烏魯木齊市農(nóng)用地、建設(shè)用地與碳排放的關(guān)聯(lián)系數(shù)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈現(xiàn)出波動(dòng)形態(tài)。建設(shè)用地與碳排放的關(guān)聯(lián)系數(shù)總體波動(dòng)不大但均處于較高水平，對(duì)碳排放的影響較大且較為穩(wěn)定。農(nóng)用地與碳排放的關(guān)聯(lián)系數(shù)變化幅度較大，這一變化與農(nóng)用地面積的持續(xù)減少有著密切的聯(lián)系。綜合近年來(lái)的農(nóng)用地、建設(shè)用地的關(guān)聯(lián)系數(shù)得出農(nóng)用地、建設(shè)用地與碳排放的關(guān)聯(lián)度分別為0.59和0.65，建設(shè)用地與碳排放的關(guān)聯(lián)度略高于農(nóng)用地，且根據(jù)城市現(xiàn)狀，建設(shè)用地與碳排放關(guān)聯(lián)度會(huì)一直保持較高水平，對(duì)以后的土地利用碳排放的影響可能會(huì)繼續(xù)增強(qiáng)。

圖1 農(nóng)用地、建設(shè)用地與碳排放總量關(guān)聯(lián)系數(shù)

4 結(jié)論與建議

通過本研究可以得出，烏魯木齊市土地利用結(jié)構(gòu)與碳排放總量、碳排放強(qiáng)度和人均碳排放量的關(guān)聯(lián)度最高的分別是交通用地、牧草地和園地。隨著烏魯木齊市經(jīng)濟(jì)發(fā)展不斷加快，汽車保有量與日俱增，城市交通運(yùn)輸用地也隨之增加，帶來(lái)的必然是高能耗、高碳排，交通運(yùn)輸用地是主要碳源之一，建設(shè)用地作為載體，對(duì)碳排放有很高的貢獻(xiàn)率。烏魯木齊市牧草地占總面積的60%，是最主要的碳匯，大量吸收碳并伴隨著氧氣的制造，但由于建設(shè)用地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致牧草地和林地減少，碳吸收減少相應(yīng)的碳排放增加。園地既是碳匯也是碳源，在一定程度上也具有碳吸收能力，然而近年來(lái)面積也逐漸減少，抑制了其碳匯能力的發(fā)揮。由此可見土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)土地利用碳收支的影響效應(yīng)較大。因此，通過對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理地優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)控制碳排放量是可行的。根據(jù)研究結(jié)果，依據(jù)各地實(shí)際情況發(fā)揮土地利用結(jié)構(gòu)變化對(duì)碳收支的作用對(duì)實(shí)現(xiàn)土地的低碳利用具有重要意義。

烏魯木齊市已是國(guó)家低碳試點(diǎn)城市，對(duì)土地的低碳利用刻不容緩。根據(jù)上述結(jié)果和分析，可以嘗試從下面幾個(gè)方向去促進(jìn)土地低碳利用。 ①優(yōu)化布局土地利用結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格管控建設(shè)用地?cái)U(kuò)張。烏魯木齊市土地利用結(jié)構(gòu)與碳排放關(guān)聯(lián)度最高的是建設(shè)用地，控制建設(shè)用地過度擴(kuò)張對(duì)減少土地利用碳排放起著重要作用。同時(shí)控制建設(shè)用地規(guī)?？梢苑乐罐r(nóng)用地過快地轉(zhuǎn)化為高能耗、高投入的建設(shè)用地，堅(jiān)守耕地紅線，保證足夠的耕地供應(yīng)面積。烏魯木齊市是一個(gè)牧草地資源極其豐富的城市，牧草地是天然的制氧廠，要加大對(duì)牧草地資源的保護(hù)，提高城市的生態(tài)功能。 ②引進(jìn)新能源技術(shù)，提升能源利用率。面對(duì)烏魯木齊市能源消耗碳排放量的增長(zhǎng)勢(shì)頭，利用高效清潔能源、提升能源利用率能很好地控制碳排放增加的趨勢(shì)。因此在今后的發(fā)展中，要依托烏魯木齊市的地理優(yōu)勢(shì)，充分開發(fā)和利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等高效清潔的可再生能源，并積極引進(jìn)新能源技術(shù)和產(chǎn)品。要利用技術(shù)改造、系統(tǒng)升級(jí)等提升能源的利用率，大力推動(dòng)節(jié)能減排技術(shù)，創(chuàng)造低碳型經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)。 ③編制低碳規(guī)劃。規(guī)劃是發(fā)展的先導(dǎo)，在編制土地利用總體規(guī)劃和專項(xiàng)規(guī)劃時(shí)考慮碳減排因素，編制面向低碳發(fā)展的土地利用規(guī)劃，對(duì)發(fā)展低碳化的土地利用模式具有重要作用。同時(shí)，也應(yīng)該將碳減排目標(biāo)納入到城市總體規(guī)劃中，編制面向低碳發(fā)展的城市總體規(guī)劃中，以低碳理念優(yōu)化城市布局，強(qiáng)化城市土地的節(jié)約集約利用，并盡量均衡分布城區(qū)的公園綠地建設(shè)，增強(qiáng)城市的碳匯功能。

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