基于農(nóng)地利用的黃土高原碳排放變化及預(yù)測研究

(陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院,陜西 西安 710119)

隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的推進(jìn),土地利用類型轉(zhuǎn)變過程加劇,此過程對碳排放具有顯著影響[1-3]。研究表明,人類活動(dòng)引起的土地利用和土地覆蓋變化是土壤碳庫和碳循環(huán)最直接的影響因子[4],土地利用類型變化所產(chǎn)生的CO2排放是僅次于化石燃料燃燒的第二大因素[5,6]。土地利用過程既有碳源又有碳匯,不合理的土地利用將導(dǎo)致土壤儲(chǔ)存碳和植被固碳能力下降。《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展綱要(2006—2020年)》在有關(guān)應(yīng)對溫室氣體的國家策略中,提出通過調(diào)整土地利用方式實(shí)現(xiàn)碳減排是國家重點(diǎn)的科技領(lǐng)域和優(yōu)先主題,也是重要的戰(zhàn)略問題[7]。研究農(nóng)地利用變化與CO2排放的相互關(guān)系并進(jìn)行預(yù)測,對探究其間規(guī)律降低碳排放具有重要意義。

近年來,國內(nèi)學(xué)者針對土地利用與碳排放開展了多維度多視角的研究。張梅[7]等借助遙感影像,分析了我國土地利用類型轉(zhuǎn)變對碳排放強(qiáng)度的影響;孫赫[8]等利用土地利用類型數(shù)據(jù),揭示了我國土地利用碳排放強(qiáng)度的時(shí)空演變規(guī)律;馬曉哲、王錚[9]在此基礎(chǔ)之上,系統(tǒng)探討了土地利用類型的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變方向、轉(zhuǎn)變所引起碳源和碳匯的區(qū)域差異性特征;周嘉[10]、王慧敏[11]、劉建[12-14]等分別從不同空間尺度上研究土地利用與碳排放之間的關(guān)系;袁凱華[15]、黃魯霞[16]、王琦[17,18]等分析不同土地利用類型與碳排放的效應(yīng);余光英[19]、張苗[20]、張樂勤[21]等結(jié)合模型和軟件對土地利用碳排放進(jìn)行了要素分解和預(yù)測研究;趙榮欽、黃賢金、揣小偉[22]將土地利用碳排放進(jìn)行了系統(tǒng)分析,探討了土地利用碳排放的研究誤區(qū)及未來趨向。通過上述分析發(fā)現(xiàn),對土地利用碳排放的研究以大尺度空間研究居多,市縣尺度和黃土高原地區(qū)的研究較少;在土地利用類型劃分上,農(nóng)地利用類型的關(guān)注度不高;分析土地利用與碳排放的關(guān)系上,多集中于土地利用類型轉(zhuǎn)變對碳排放的影響,對兩者相互關(guān)系的研究鮮見。

黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,處于我國生態(tài)極敏感區(qū)[23],農(nóng)地利用類型作為黃土高原主要土地利用形式,對抑制農(nóng)地利用碳排放至關(guān)重要。鑒于此,本文從農(nóng)地利用入手,以2000年、2005年、2010年、2015年遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合農(nóng)地利用碳排放模型、灰色關(guān)聯(lián)度模型、灰色GM(1,1)預(yù)測模型,對黃土高原農(nóng)地利用類型與碳排放的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究,并對黃土高原未來20年的農(nóng)地利用碳排放做出預(yù)測,以期為黃土高原節(jié)能減排、提升農(nóng)地利用可持續(xù)發(fā)展能力提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黃土高原地區(qū)位于100°52′—114°33′E、33°41′—41°16′N之間,總土地面積約64萬km2,涉及7個(gè)省區(qū)(圖1)。該區(qū)域地形破碎,降水多以暴雨為主,導(dǎo)致黃土高原成為世界上水土流失最嚴(yán)重和生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一[23]。受自然環(huán)境制約,該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展受限,土地利用形式多以耕地、草地為主,是我國重要的農(nóng)耕區(qū)。截至2015年,黃土高原農(nóng)地利用面積約59萬km2,占區(qū)域總面積的92.2%。

圖1 黃土高原區(qū)位

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

文中涉及2000年、2005年、2010年、2015年黃土高原土地利用遙感影像監(jiān)測數(shù)據(jù)均來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)。結(jié)合黃土高原地區(qū)實(shí)際,共選取285個(gè)數(shù)據(jù)完整的市縣作為研究單元。土地利用類型參考中國科學(xué)院土地利用類型分類系統(tǒng),劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6種類型。本文參照已有研究成果[24],依據(jù)LUCC分類體系,將耕地、林地、草地、水域和未利用地視為農(nóng)地利用類型。

由于土地利用類型劃分標(biāo)準(zhǔn)各異,不同區(qū)域林地、草地類型和郁閉度差異明顯,致使固碳能力各不相同,碳排放系數(shù)變化較大。耕地碳排放系數(shù)受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程CO2排放和光照條件影響突出,導(dǎo)致不同區(qū)域農(nóng)地利用碳排放系數(shù)差異顯著[8]。因此,為消除區(qū)域之間的差異,本文綜合以往學(xué)者的研究成果[25-29],從全國尺度確定不同土地利用類型的碳排放和碳吸收系數(shù)(表1)。

表1 土地利用類型碳排放系數(shù)

2.2 研究方法

農(nóng)地利用碳排放測算:選取直接碳排放模型對農(nóng)地利用碳排放進(jìn)行測算,計(jì)算公式為:

C=Σci=ΣEi×δi

(1)

式中,C為碳排放總量;ci為不同農(nóng)地利用方式產(chǎn)生的碳排放量;Ei為不同農(nóng)地利用方式的面積;δi為不同農(nóng)地利用方式的碳排放和碳吸收系數(shù)。

灰色關(guān)聯(lián)度分析:關(guān)聯(lián)度是用于描述系統(tǒng)中各因素之間關(guān)系密切程度的量,本文利用灰色系統(tǒng)理論的關(guān)聯(lián)度分析方法探究黃土高原農(nóng)地利用類型與碳排放之間的關(guān)聯(lián)情況。目前,常見的關(guān)聯(lián)度共有7種[30],本文選用鄧氏關(guān)聯(lián)度及其改進(jìn)模型絕對關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析。

設(shè)黃土高原農(nóng)地利用總碳排放量為參考序列,即X0={x0(t),t=1,2,…,n},農(nóng)地利用面積為比較序列Xi={xi(t), t=1,2,…,n},i=1,2,…,m,并進(jìn)行均值化處理,則Xi對X0在第t點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)定義為:

式中,Δi(t)=|x0(t)-xi(t)|;ρ為分辨系數(shù);ρ∈(0,1),通常取0.5。

關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式為:

式中,γi為參考序列與比較序列的關(guān)聯(lián)度;n為序列個(gè)數(shù)。0≤γi≤1,數(shù)值越大,相關(guān)程度越密切。

絕對關(guān)聯(lián)度是鄧氏關(guān)聯(lián)度的改進(jìn)模型,為避免鄧氏關(guān)聯(lián)度中分辨系數(shù)的影響,依據(jù)各因素的時(shí)間序列曲線的變化態(tài)勢接近程度來計(jì)算關(guān)聯(lián)度[29]。設(shè)原始數(shù)據(jù)序列集X={xi=(xi(1),xi(2),…,xi(n))},i=0,1,…,m,進(jìn)行均值化處理得到y(tǒng)i=xiD={yi(1),yi(2),…,yi(n)},i=0,1,…,m;求一階差商,找到曲線上個(gè)時(shí)點(diǎn)斜率,得到Δyi(t)=yi(t+1)-yi(t),t=1,2,…,n-1；i=0,1,…,m,則Xi對X0在第t點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)定義為:

絕對關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式為:

B=-12[X(1)1(1),X(1)1(2)]…1-12[X(1)1(2),X(1)1(3)]…1……-12[X(1)1(n-1),X(1)1(n)]…1(6)…………………………………………………………

3 結(jié)果分析

3.1 農(nóng)地利用變化

根據(jù)對黃土高原地區(qū)2000年、2005年、2010年、2015年遙感數(shù)據(jù)處理結(jié)果,得出黃土高原農(nóng)地利用現(xiàn)狀(圖2,表3)。由圖2可知,黃土高原地區(qū)農(nóng)地利用方式占比例最大的為草地,耕地占居第二位,林地第三位,水域及未利用地僅占8.5%左右。2000—2015年,農(nóng)地利用類型面積共減少55.83萬hm2,年均下降率為0.062%。其中，減少最多的是耕地面積41.61萬hm2,增加最多的是林地面積21.36萬hm2。橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn),15年來黃土高原縣域分省農(nóng)地利用面積總體呈減少趨勢,減少最多的為內(nèi)蒙古自治區(qū),減少了14.42萬hm2,年均下降率為0.081%;減少面積最小的為河南省1.73萬hm2,年均下降率為0.067%。寧夏回族自治區(qū)年均下降率最大為0.1%,減少面積為6.97萬hm2;青海省年均下降率最低僅為0.019%,農(nóng)地利用面積減少最少為0.94萬hm2;陜西省、山西省和甘肅省分別減少14.12萬hm2、12.91萬hm2、4.25萬hm2。

圖2 黃土高原農(nóng)地利用現(xiàn)狀(104hm2)

表3 分省農(nóng)地利用現(xiàn)狀(104hm2)

3.2 碳排放現(xiàn)狀分析

農(nóng)地利用方式改變會(huì)對碳排放產(chǎn)生影響,帶動(dòng)區(qū)域內(nèi)碳排放的變化[7]。根據(jù)式(1)和土地利用碳排放系數(shù),計(jì)算出黃土高原地區(qū)農(nóng)地利用碳排放的變化情況(圖3)。由圖3可見,黃土高原地區(qū)農(nóng)地利用碳排放呈下降趨勢,碳排放總量由2000年的355.26萬t下降到2015年的317.78萬t,年均下降率為0.74%。耕地利用方式作為農(nóng)地利用中的主要碳源,呈逐年下降趨勢,由2000年的1014.44萬t下降到2015年的993.76萬t,這與耕地面積的減少存在密切聯(lián)系。草地、水域、未利用地碳排放占碳匯總量的比例較小,保持在13%,主要碳匯為林地,占碳匯比例也保持在87%左右,變化幅度較小。

圖3 黃土高原農(nóng)地利用碳排放量(104t)

表5 黃土高原分省農(nóng)地利用碳排放量(104t)

由表5可知,黃土高原農(nóng)地利用碳排放主要碳源集中分布在陜西和甘肅,所在縣區(qū)占區(qū)域總碳排放量的73%。青海省是黃土高原范圍內(nèi)唯一產(chǎn)生碳匯的省份,但對整體區(qū)域內(nèi)農(nóng)地利用碳排放降低作用不顯著,僅占總碳排放的6.8%。7省的農(nóng)地利用碳排放總量都有所下降,但碳源區(qū)山西、寧夏2015年碳排放相較2010年有所提升,碳匯區(qū)青海的碳匯量有所降低。

3.3 灰色關(guān)聯(lián)分析

根據(jù)式(3)和式(5)計(jì)算2000年、2005年、2010年和2015年黃土高原地區(qū)不同土地利用類型與碳排放量的灰色關(guān)聯(lián)度和絕對關(guān)聯(lián)度(表6)。由表6可知,黃土高原地區(qū)農(nóng)地利用與碳排放總量的灰色關(guān)聯(lián)序排序結(jié)果為耕地>草地>未利用地>水域>林地,絕對關(guān)聯(lián)度的關(guān)聯(lián)序保持一致,說明碳排放與農(nóng)地利用關(guān)聯(lián)序比較穩(wěn)定,排序具有可信度。黃土高原地區(qū)農(nóng)地利用碳排放與耕地關(guān)聯(lián)度最高,表明耕地是農(nóng)地利用碳排放中最大的碳源。林地是碳匯的主要來源,但與農(nóng)地利用碳排放的關(guān)聯(lián)度最低,由于在黃土高原地區(qū)林地面積較少,僅占15%,草地面積是林地面積的2.8倍。因此,林地對農(nóng)地利用碳減排的貢獻(xiàn)度弱,草地作為碳匯來源與農(nóng)地利用碳排放的關(guān)聯(lián)度則更高。

表6 黃土高原地區(qū)農(nóng)地利用與碳排放總量關(guān)聯(lián)度

3.4 預(yù)測分析

按照灰色系統(tǒng)GM(1,1)預(yù)測步驟與公式,以2000年、2005年、2010年、2015年黃土高原地區(qū)農(nóng)地利用碳排放數(shù)據(jù)作為預(yù)測研究的原始序列,建立預(yù)測方程:

X(k+1)=-25207.984712e-0.012988k+25563.244712,α=0.012988,u=332.019535

(8)

表7 農(nóng)地利用碳排放預(yù)測表(104t)

表8 GM(1,1)預(yù)測值比較與殘差檢驗(yàn)

圖4 黃土高原農(nóng)地利用碳排放預(yù)測值與原始值的擬合

根據(jù)預(yù)測方程,計(jì)算得出黃土高原農(nóng)地利用碳排放的灰色預(yù)測系統(tǒng)預(yù)測結(jié)果與原始序列值的擬合圖(圖4)。由圖4可見,2000—2040年農(nóng)地利用碳排放的下降趨勢,預(yù)測值與原始值基本重疊,說明預(yù)測模型較好,預(yù)測值與黃土高原地區(qū)農(nóng)地利用碳排放的變化趨勢一致。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文運(yùn)用直接碳排放模型、灰色關(guān)聯(lián)模型探討了黃土高原地區(qū)農(nóng)地利用碳排放與農(nóng)地利用形式的相互關(guān)系,并利用灰色GM(1,1)模型對黃土高原2020—2040年的農(nóng)地利用碳排放進(jìn)行了預(yù)測,得出以下主要結(jié)論:①2000—2015年,黃土高原地區(qū)農(nóng)地利用總面積呈下降的趨勢,農(nóng)地利用類型主要以草地、耕地、林地為主。農(nóng)地利用總面積由2000年的5974.20萬hm2下降到2015年的5918.87萬hm2,年均下降0.062%。各類農(nóng)地中,下降面積最多的是耕地(41.61萬hm2),占下降總面積的53%;上升面積23.28萬hm2,上升面積最多的是林地(21.36萬hm2),占上升總面積的91.8%。黃土高原區(qū)域內(nèi),各省農(nóng)地利用變化均呈下降趨勢,其中寧夏下降率最高為0.1%,共下降了6.97萬hm2,青海下降率最低，為0.019%,共下降了0.94萬hm2。②2000年以來,黃土高原地區(qū)農(nóng)地利用碳排放總量呈下降趨勢,由2000年的355.26萬t下降到2015年的317.78萬t,年均下降率為0.74%。碳源從2000年的1014.44萬t下降到2015年的993.76萬t,年均下降率為0.137%;碳匯從2000年的659.18萬t上升到2015年的673.24萬t,年均增長率僅為0.141%。碳源與碳匯變化情況差距較小,碳匯略高。黃土高原區(qū)域內(nèi),各省農(nóng)地利用碳排放均呈現(xiàn)下降趨勢,碳源主要產(chǎn)區(qū)為陜西和甘肅,占碳源總量的73%,碳匯主要集中在青海省,但碳匯量僅占總碳排放量的6.8%,對改善碳平衡的效果不顯著。③黃土高原農(nóng)地利用類型變化與農(nóng)地利用碳排放灰色關(guān)聯(lián)度分析表明,2000—2015年灰色關(guān)聯(lián)序和絕對關(guān)聯(lián)序排序結(jié)果均為耕地>草地>未利用地>水域>林地。由于黃土高原地區(qū)特殊的地理環(huán)境,林地利用面積較少,僅占15%,草地面積是林地面積的2.8倍,因此草地作為碳匯來源與農(nóng)地利用碳排放的關(guān)聯(lián)度更高。④在其他條件不變的情況下,未來黃土高原農(nóng)地利用碳排放將呈現(xiàn)降低趨勢。預(yù)計(jì)2020年、2025年、2030年、2035年、2040年農(nóng)地利用碳排放量將分別減少到312.857萬t、308.82萬t、304.835萬t、300.902萬t、297.019萬t。

4.2 討論

本文利用遙感數(shù)據(jù),采用直接碳排放方法對黃土高原農(nóng)地利用類型變化及其碳排放進(jìn)行了關(guān)聯(lián)和預(yù)測,試圖探究農(nóng)地利用變化對碳排放的影響。研究發(fā)現(xiàn),黃土高原區(qū)域內(nèi)農(nóng)地利用類型面積呈下降趨勢,農(nóng)地利用形式是該區(qū)域主要土地利用形式,但農(nóng)地利用面積變化量較小,基本維持穩(wěn)定。因此,農(nóng)地利用面積改變對整體黃土高原碳排放影響效果顯著性較弱。碳源區(qū)覆蓋面積逐年減少,碳匯區(qū)覆蓋面積基本維持不變。陜西省和甘肅省作為黃土高原地區(qū)農(nóng)地利用碳排放的主要碳源區(qū),可通過優(yōu)化耕地碳輸出,增加耕地碳匯的方法來抑制農(nóng)地利用的碳排放。

黃土高原地區(qū)土地利用主導(dǎo)類型為耕地和草地,這與黃土高原地區(qū)自然環(huán)境本底特征具有相似性[32]。農(nóng)地利用類型中碳排放主要碳源為耕地,主要碳匯為林地。但林地作為碳匯主要來源與黃土高原農(nóng)地利用碳排放的關(guān)聯(lián)度最弱,與草地的關(guān)聯(lián)度最強(qiáng),說明在黃土高原地區(qū)林地對農(nóng)地利用碳減排的貢獻(xiàn)度較小。黃土高原草地是我國草地的重要組成部分,魯豐先[33]等人計(jì)算得出黃土高原地區(qū)省域草地碳匯是林地碳匯的3.4倍。因此,黃土高原農(nóng)地利用碳減排應(yīng)注重提升草地碳匯的輸出,鞏固退耕還林還草成果,深入探討草地類型對農(nóng)地利用碳排放的抑制作用。

預(yù)測分析還發(fā)現(xiàn),2020—2040年農(nóng)地利用碳排放降幅僅為15.84萬t。未來黃土高原農(nóng)地利用碳排放的降低需通過提升技術(shù)水平,加強(qiáng)現(xiàn)有碳匯輸出能力,增強(qiáng)耕地集約利用度,降低碳源來源,促進(jìn)未利用地轉(zhuǎn)變?yōu)樘紖R能力較強(qiáng)的土地利用模式,提升草地碳匯對黃土高原農(nóng)地利用碳排放的影響。由于數(shù)據(jù)資料所限,本文僅核算了黃土高原地區(qū)省域尺度的農(nóng)地利用碳排放情況,未將建設(shè)用地納入計(jì)算范疇,今后研究中可考慮從納入建設(shè)用地,從市域、縣域、村域等不用空間尺度對區(qū)域農(nóng)地利用碳排放與土地利用關(guān)系做進(jìn)一步探討。