基于LUCC的眉山市縣域碳排放效應(yīng)

徐 婕， 潘洪義*， 曹文亞， 趙曉全

（1.四川師范大學(xué)西南土地資源評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610066；2.四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川成都610066）

隨著全世界人口的不斷增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，高碳排放成為造成全球能源與氣候變化的重要因素之一，各種生態(tài)環(huán)境問題也逐漸凸顯，引起國(guó)際社會(huì)的高度重視.我國(guó)當(dāng)前社會(huì)發(fā)展階段需要大量的土地資源和能源供應(yīng)，所面臨的碳排放壓力極大.在此背景下，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、減少碳排放成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的必然.研究表明，LUCC影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)的分布和結(jié)構(gòu)，改變著碳循環(huán)和碳儲(chǔ)量，是控制碳積累速率的主導(dǎo)因子［1］.在1850—1998年間，人類不合理的生產(chǎn)生活活動(dòng)所產(chǎn)生的碳排放中，1／3的碳排放就來源于土地利用變化［2］.所以LUCC是碳排放研究與低碳經(jīng)濟(jì)的重要切入點(diǎn)，也是進(jìn)行碳排放調(diào)控的重要突破口［3］，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)制，制定有效的碳排放政策具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

國(guó)外對(duì)LUCC碳排放的研究起步較早，早期的自然領(lǐng)域研究成果為21世紀(jì)以來的人文社科領(lǐng)域研究提供了強(qiáng)有力的支撐.許多生物學(xué)家最早從微觀層面研究了土地利用變化對(duì)碳排放影響，文獻(xiàn)［4］提出假設(shè)土壤有機(jī)碳通過土壤微生物分解而不是被植物生長(zhǎng)吸收，那么在10～20 a有機(jī)碳會(huì)產(chǎn)生自身碳含量20% ～50%的碳排放；而后文獻(xiàn)［5］研究發(fā)現(xiàn)草地的有機(jī)碳儲(chǔ)量比農(nóng)田高29 t／hm2，說明如果草地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田會(huì)增加區(qū)域碳排放.自此，土地利用類型相互轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的碳排放引起廣泛關(guān)注，文獻(xiàn)［6］研究表明，由LUCC引起的區(qū)域碳排放占總碳排放量的75%，隨著GIS和RS的技術(shù)提高.Romanovskaya等［7］監(jiān)測(cè)俄羅斯11 a溫室氣體排放顯示，新建的城市建成區(qū)是主要碳源，文獻(xiàn)［8］研究也得出地中海地區(qū)城市化進(jìn)程占用耕地導(dǎo)致土壤有機(jī)碳庫減少285.421 kg，城市建設(shè)用地作為主要碳源成為關(guān)注重點(diǎn).21世紀(jì)國(guó)內(nèi)也順延國(guó)際軌跡，并結(jié)合當(dāng)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)展開大量應(yīng)用型研究，文獻(xiàn)［9-10］先后構(gòu)建碳排放模型，核算了四川省和成都平原區(qū)的碳排放量及其社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，文獻(xiàn)［11］基于“社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-自然”復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)視角研究成都市縣域碳收支、土地利用和經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)同關(guān)系，文獻(xiàn)［12］定量識(shí)別城市碳排放的演化路徑和關(guān)鍵影響因素，并探討相應(yīng)減排政策.眉山市2005—2015年10 a高速發(fā)展期伴生的生態(tài)環(huán)境破壞形勢(shì)嚴(yán)峻，城市化的快速發(fā)展和能源消費(fèi)導(dǎo)致碳排放居高不下，森林覆蓋率降低顯著，本文從土地利用變化的角度出發(fā)，根據(jù)2005和2015年遙感影像獲取眉山市土地利用數(shù)據(jù)，構(gòu)建碳排放模型，對(duì)眉山市碳排放效益進(jìn)行分析，用造林成本法和碳稅率法估算生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，以基于碳排放的生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)做參考，以建立橫向財(cái)政轉(zhuǎn)移支付政策做驅(qū)動(dòng)，為眉山市節(jié)能減排和平衡發(fā)展提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況眉山市（102°49′-104°30′E，29°30′-30°16′N），位于四川省境內(nèi)，成都平原的西南邊緣，鄰接成都市、雅安市、資陽市等，下轄6個(gè)縣（市、區(qū)），幅員面積7 139 km2，人口達(dá)350萬.眉山市地勢(shì)西高東低，自西向東由山地到低山丘陵向平原過渡.岷江由北至南貫穿眉山市中部，青衣江也流經(jīng)境內(nèi)，河流兩岸以河流沖積平原為主，城市密集，人類活動(dòng)頻繁.眉山市也是國(guó)家園林城市，全市森林覆蓋率達(dá)50%左右，城區(qū)綠化率也較高，生態(tài)環(huán)境優(yōu)良.眉山市位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫17.1℃，年平均降雨量大于1 000 mm，優(yōu)良的地形和氣候條件組合讓眉山市也擁有中國(guó)優(yōu)質(zhì)稻米之鄉(xiāng)的美譽(yù).眉山市也是成都平原經(jīng)濟(jì)圈最具活力的新區(qū)域，2015年地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）達(dá)1 029.86億元，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)大致為14∶45∶39.2005—2015年間，眉山市城市化和工業(yè)化的進(jìn)程快，經(jīng)濟(jì)增速明顯，城市發(fā)展迅速，但發(fā)展過程中生態(tài)環(huán)境保護(hù)環(huán)節(jié)相對(duì)薄弱，能耗量不斷增大.

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理1）本研究采用的土地利用／覆被分類數(shù)據(jù)通過解譯2005和2015年landsat系列數(shù)據(jù)獲得，數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云.分別以眉山市行政區(qū)劃圖和地形圖作為參考，對(duì)兩期影像每期三景數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、拼接、裁剪、大氣校正后獲取研究區(qū)范圍，結(jié)合Google Earth提供的對(duì)應(yīng)年份眉山市高清影像，利用多光譜波段基于支持向量機(jī)分類法提取土地利用類型圖.通過 ArcGIS軟件提取土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化 管理委員會(huì)頒布的《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB／T21010—2007），將土地利用類型分為耕地、林地、水域、建設(shè)用地和其他用地5種.

2）社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于2006年和2016年四川省統(tǒng)計(jì)年鑒、眉山市統(tǒng)計(jì)年鑒和四川省各市（州）統(tǒng)計(jì)年鑒以及統(tǒng)計(jì)網(wǎng)站，其中各縣（市、區(qū)）的能源消費(fèi)總量由各縣（市、區(qū)）的GDP和其GDP能耗系數(shù)計(jì)算得出.

1.3 研究方法

1.3.1 碳排放量 結(jié)合研究區(qū)實(shí)際，基于 LUCC的碳排放主要為林地、水域?yàn)橹鞯奶嘉眨ㄌ紖R）和以耕地、建設(shè)用地為主的碳排放（碳源）.土地利用的碳排放估算模型可表達(dá)如下：

其中，E為總碳排放量，Ti為第i種土地利用方式（耕地、林地、水域）的土地面積，δi為對(duì)應(yīng)土地利用方式的碳排放（吸收）系數(shù)；Eb為建設(shè)用地碳排放量，Ce為能源消耗總量，Ye為標(biāo)準(zhǔn)煤換算系數(shù)，δe為能源消耗碳排放系數(shù).

參考相關(guān)研究［13-16］，并考慮到研究區(qū)實(shí)際采用最具參考價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取多方平均值進(jìn)行測(cè)算，耕地、林地、水域的碳排放系數(shù)分別取值0.459 5、-0.612 5、-0.253 t（C）／（hm2·a）.建設(shè)用地的碳排放通過其利用過程中能源消耗的碳排放系數(shù)間接估算［17］.世界能源需求的80% ～85%來源于化石燃料，80% ～90%的碳排放來源于化石燃料能源消耗［18］.聯(lián)系研究區(qū)實(shí)際化石能源消耗情況，將建設(shè)用地的碳排放歸納為消耗煤品燃料、油品燃料和天然氣的碳排放.計(jì)算時(shí)先將煤炭、石油和天然氣的能源消費(fèi)量先換算成標(biāo)準(zhǔn)煤，再根據(jù)文獻(xiàn)［19-20］研究成果確定煤品燃料、油品燃料和天然氣的碳排放系數(shù)，分別取值0.740 2 、0.570 0、0.433 1 t（C）／t.

1.3.2 碳排放的經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)系數(shù)和生態(tài)承載系數(shù)經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)系數(shù)（ECC）是衡量區(qū)域碳排放經(jīng)濟(jì)效率的指標(biāo)，反映區(qū)域碳生產(chǎn)力.生態(tài)承載系數(shù)（ESC）是衡量區(qū)域碳生態(tài)容量貢獻(xiàn)的指標(biāo)，反映區(qū)域碳匯吸收能力.數(shù)學(xué)模型表達(dá)如下：

其中，Gn為某縣域的 GDP，G 為全市 GDP；En為某縣域土地利用碳排放量；Cn為縣域碳匯量，C為全市碳匯量.若ECC＞1，說明縣域經(jīng)濟(jì)效率和能源利用效率即碳生產(chǎn)力較高；若ESC＞1，說明縣域碳生態(tài)容量即碳匯吸收能力較高，對(duì)全市碳排放的吸納有積極作用.

1.3.3 碳排放的生態(tài)補(bǔ)償 碳排放生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的定量化主要依據(jù)碳匯價(jià)格［21］，常用造林成本法和碳稅率法.結(jié)合已有研究［22］和中國(guó)種植森林的實(shí)際情況，取272.65元·t-1（C）的碳匯價(jià)格為研究區(qū)碳排放生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的下限較為合理；上限標(biāo)準(zhǔn)則采用國(guó)際常用的瑞典碳稅率［23］150 美元·t-1（C），以2015 年的平均匯率換算，即934.52 元·t-1（C）.

2 結(jié)果與分析

2.1 眉山市土地利用變化空間格局根據(jù)眉山市2005年和 2015年 landsat系列遙感影像，結(jié)合Google Earth提供的對(duì)應(yīng)年份眉山市高清影像，通過ENVI平臺(tái)利用多光譜波段基于支持向量機(jī)分類法提取土地利用類型圖（圖1 a和b），運(yùn)用ArcGIS獲得眉山市土地利用／覆被數(shù)據(jù)，綜合分析得到眉山市縣域各土地利用類型占比圖（圖1 c）.

圖1 2005、2015年眉山市土地利用類型Fig.1 The type of land use of Meishan in 2005 and 2015

由圖1可知，眉山市土地利用以耕地、林地為主，約占總面積的90%以上，其次是建設(shè)用地.研究期內(nèi)，眉山市耕地、建設(shè)用地等碳源用地面積明顯增加.其中，建設(shè)用地主要沿岷江兩岸分布并呈明顯增加趨勢(shì)，眉山市境內(nèi)北、中段的彭山區(qū)和東坡區(qū)增加最為顯著.

仁壽縣和東坡區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)相似，均為耕地占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，占各自轄區(qū)面積的60%及以上.這是由于它們地處眉山中部地形平坦區(qū)，平原面積廣闊，是經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)地區(qū)，發(fā)展歷史悠久，種植業(yè)廣興.青神縣、丹棱縣、洪雅縣、彭山區(qū)表現(xiàn)為一致的土地利用結(jié)構(gòu)，均為林地占優(yōu)勢(shì)，占比達(dá)70% ～80%.它們位于眉山市西部和外圍低山丘陵區(qū)，特別是洪雅縣，林地面積達(dá)1 250.48 km2.研究期內(nèi)，縣域土地利用結(jié)構(gòu)與眉山市近10 a來城市化的發(fā)展和后期的經(jīng)濟(jì)環(huán)境協(xié)同發(fā)展緊密相關(guān).除眉山市西南青神縣的退耕還林外，均表現(xiàn)為隨著城市化發(fā)展的建設(shè)用地逐漸增加，占用小部分耕地和林地.

2.2 眉山市縣域土地利用碳排放

2.2.1 眉山市縣域土地利用碳排放量 根據(jù)碳排放模型，計(jì)算得到2005年和2015年眉山市6個(gè)縣（市、區(qū)）的對(duì)應(yīng)土地利用類型產(chǎn)生的碳排放量、碳源、碳匯和總碳排放量（表1）.

表1 2005、2015年眉山市縣域土地利用碳排放Tab.1 Land use carbon emissions of Meishan County in 2005 and 2015 ／10 4 t

據(jù)表1，研究期眉山市碳排放總量增加，其土地利用碳排放中，各縣（市、區(qū)）均表現(xiàn)為建設(shè)用地是主要碳源，林地是主要碳匯.其中，仁壽縣和東坡區(qū)總碳排放量最大，再是彭山區(qū).這三者的碳排放總量占眉山市碳排放量的94%以上；洪雅縣為完全碳吸收.這與眉山市區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀與城市定位具有一致性，仁壽縣、東坡區(qū)是眉山市經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)地區(qū)，建設(shè)用地面積廣，經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需能耗量大；洪雅縣主要為退耕還林生態(tài)定位，林地面積廣.

研究期內(nèi)，眉山市縣域總碳排放量除丹棱縣外均呈增加趨勢(shì)，表現(xiàn)為隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程，經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的建設(shè)用地大量增加引起的碳源增速明顯大于生態(tài)要求部分區(qū)域退耕還林碳匯效應(yīng)的增速.表明城市化對(duì)眉山市土地利用碳排放有著較強(qiáng)的正向影響.因此，建設(shè)用地作為主要的碳源在眉山市碳減排中具有重要意義.

2.2.2 眉山市縣域土地利用碳排放效應(yīng) 根據(jù)碳排放的經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)系數(shù)和生態(tài)承載系數(shù)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出2005年和2015年眉山市各縣域的ECC、ESC，并對(duì)其進(jìn)行可視化表達(dá)（圖2）.

圖2 2005、2015年眉山市縣域土地利用碳排放效應(yīng)Fig.2 County carbon emission effect of Meishan City in 2005 and 2015

由圖2可知，眉山市碳排放的經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)系數(shù)和生態(tài)承載系數(shù)均呈現(xiàn)西高東低的趨勢(shì)（洪雅縣取絕對(duì)值），且研究期內(nèi)均為增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，僅東坡區(qū)ESC下降了0.01.眉山市西部和外圍低山丘陵區(qū)的青神縣、丹棱縣、洪雅縣、彭山區(qū)碳排放量少，林地占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的土地利用方式?jīng)Q定了區(qū)域碳匯吸收能力強(qiáng)，生態(tài)容量大，ESC較大，對(duì)全市碳排放的吸納有積極作用.由此可看，眉山市各縣的ESC與其碳排放量存在一定程度上的負(fù)相關(guān)關(guān)系.位于眉山市中部平原區(qū)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的仁壽縣和東坡區(qū)，碳排放量較大，以碳源用地耕地、建設(shè)用地為主要土地利用方式，碳匯量不能完全抵消第一、二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程的碳排放，區(qū)域ECC和ESC均較小，其消耗了一定量的能源產(chǎn)生了對(duì)應(yīng)的碳排放量，卻沒有貢獻(xiàn)與碳排放量相匹配的經(jīng)濟(jì)發(fā)展量，區(qū)域碳排放經(jīng)濟(jì)效率低，急需產(chǎn)業(yè)優(yōu)化與轉(zhuǎn)型升級(jí).但在研究期內(nèi)，在各縣域經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展、建設(shè)用地面積增加的大背景下，ECC與ESC均有所提升，說明各縣（市、區(qū)）均意識(shí)到節(jié)能減排與低碳經(jīng)濟(jì)的重要性，著手提高區(qū)域碳匯吸收能力和能源經(jīng)濟(jì)效率，主動(dòng)承擔(dān)各自碳排放造成的生態(tài)環(huán)境影響，盡量減少碳排放存在的外部性.

2.2.3 碳排放的生態(tài)補(bǔ)償估算 根據(jù)2015年眉山市各縣（市、區(qū)）的碳排放量及不同固碳價(jià)格估算得到縣域生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)（表2）.

表2 眉山市各縣域生態(tài)補(bǔ)償估算Tab.2 Estimation of ecological compensation in various counties of Meishan ／10 4元

由表2可知，2015年洪雅縣屬碳匯區(qū)，其他區(qū)域?qū)偬荚磪^(qū).從碳排放的角度講，碳源區(qū)應(yīng)對(duì)碳匯區(qū)進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償，洪雅縣應(yīng)接收的生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)是4 950.72～16 968.83萬元，可通過橫向財(cái)政轉(zhuǎn)移支付等手段實(shí)現(xiàn).不同區(qū)域碳排放強(qiáng)度主要與建設(shè)用地能耗量有關(guān)，所以參考單位GDP作為區(qū)域碳排放減排要求比較合理，如果不能完成減排目標(biāo)，可以通過直接的資金補(bǔ)償或者其他方式對(duì)碳匯區(qū)進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償.

3 結(jié)論與討論

土地利用／覆被變化對(duì)碳排放量有重要影響，通過對(duì)眉山市及其6個(gè)縣（市、區(qū)）土地利用的碳排放和生態(tài)補(bǔ)償進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）眉山市土地利用以耕地、林地為主，其次是建設(shè)用地.10 a來，眉山市碳源用地面積明顯增加.其中，建設(shè)用地主要沿岷江兩岸分布并呈明顯增加趨勢(shì)，彭山區(qū)和東坡區(qū)增加最為顯著.除眉山市西南青神縣的退耕還林外，均表現(xiàn)為隨著城市化發(fā)展的建設(shè)用地逐漸增加，占用小部分耕地和林地.

2）研究期眉山市碳排放總量增加，建設(shè)用地是主要碳源，林地是主要碳匯.城市化對(duì)眉山市土地利用碳排放有著較強(qiáng)的正向影響.其中，仁壽縣和東坡區(qū)總碳排放量最大，洪雅縣為碳吸收.研究期內(nèi)，眉山市縣域總碳排放量除丹棱縣外均呈增加趨勢(shì).

3）眉山市碳排放的經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)系數(shù)和生態(tài)承載系數(shù)西高東低且研究期內(nèi)均為增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，僅東坡區(qū)ESC下降了0.01.青神縣、丹棱縣、洪雅縣、彭山區(qū)ESC較大，對(duì)全市碳排放的吸納有積極作用.仁壽縣和東坡區(qū)ECC和ESC均較小，區(qū)域碳排放經(jīng)濟(jì)效率低，急需產(chǎn)業(yè)優(yōu)化與轉(zhuǎn)型升級(jí).研究期內(nèi)，在各縣域經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展、建設(shè)用地面積增加的大背景下，ECC與ESC均有所提升.

4）從碳排放的角度講，碳源區(qū)應(yīng)對(duì)作為碳匯區(qū)的洪雅縣按碳匯價(jià)格進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償.洪雅縣應(yīng)接收的生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)是4 950.72～16 968.83萬元，可通過橫向財(cái)政轉(zhuǎn)移支付等手段實(shí)現(xiàn).

土地利用對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響是一個(gè)極復(fù)雜的過程，不同地域不同時(shí)期各土地類型碳排放系數(shù)可能存在特殊性和動(dòng)態(tài)性.因此，本文依據(jù)有關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及系數(shù)進(jìn)行分析存在一定誤差.再者，合理的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)在參考固碳價(jià)格的基礎(chǔ)上考慮到區(qū)域差異.