中國(guó)青島市土地利用變化及碳排放研究

張貴軍 王藝茗 王霞

山東天誠(chéng)國(guó)土規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，中國(guó)·山東 濟(jì)南 250014

土地利用；碳排放；青島市

1 引言

土地利用的碳排放是最大限度發(fā)揮土地資源作用的重要前提，是全世界環(huán)境變化研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。分析土地利用的變化情況，是進(jìn)行土地利用總體規(guī)劃的基礎(chǔ)，也是促進(jìn)土地資源可持續(xù)利用和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要條件。研究碳排放為城市的節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了有益參考。當(dāng)前，許多學(xué)者對(duì)這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了研究，其中紀(jì)愛華綜合研究了近年來(lái)土地利用的動(dòng)態(tài)變化和內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，建立了時(shí)空變化模型[1]；陶云等把能源消費(fèi)與土地利用結(jié)合起來(lái)，運(yùn)用相關(guān)專業(yè)知識(shí)對(duì)土地結(jié)構(gòu)與碳排放之間的關(guān)系進(jìn)行了研究[2]；張貞等對(duì)碳排放的空間格局和特征進(jìn)行了研究，從中分析土地利用變化規(guī)律[3]；孫艷等研究了不同土地利用方式與碳排放之間的關(guān)系[4]。中國(guó)青島市地處重要的戰(zhàn)略位置，其發(fā)展事關(guān)半島地區(qū)的整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但目前對(duì)其碳排放方面的研究還較少，論文通過(guò)分析土地利用的數(shù)據(jù)，對(duì)青島市的碳排放情況進(jìn)行了研究，旨在為青島市優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)及發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)提供支持。

2 研究區(qū)域概況

青島市處于膠東半島東部，位于35°35′～37°09′N、119°30′～121°00′E 之間，黃海在其東、南方，東北方、西方和西南方向分別與煙臺(tái)、濰坊和日照市連在一起；其管轄之下有六個(gè)區(qū)和四個(gè)縣級(jí)市，總面積約1.1×104km2，市區(qū)面積570km2。其中六區(qū)面積為3293km2，包括嶗山區(qū)、城陽(yáng)區(qū)、黃島區(qū)、李滄區(qū)、市南區(qū)和市北區(qū)；四個(gè)縣級(jí)市面積有7989km2，分別是萊西、平度、膠州和即墨；青島屬海濱丘陵類型的城市，東高西低，南北兩側(cè)地勢(shì)較高，中間地勢(shì)較低，主要有四種地形，分別是平原、山地、洼地和丘陵，平原面積最大約占38%；氣候?qū)贉貛ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，四季分明，氣溫適宜，6-9月份為雨季。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，到2019年底為止，常年居住人口已突破949.98 萬(wàn)人；全市GDP 超過(guò)11741 億元。

3 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

論文的研究區(qū)域?yàn)榍鄭u市，土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)，其他土地?cái)?shù)據(jù)主要來(lái)源于2005年修訂的《青島市統(tǒng)計(jì)年鑒》、2010年修訂的《山東省統(tǒng)計(jì)年鑒》《青島市土地利用總體規(guī)劃（2006-2020）》及其相關(guān)文獻(xiàn)資料。能源消耗數(shù)據(jù)分別來(lái)源于山東省統(tǒng)計(jì)年鑒、2001年至2006年修訂和2011年至2018年修訂的青島市統(tǒng)計(jì)年鑒；碳排放系數(shù)的數(shù)據(jù)主要借鑒了《IPCC 國(guó)家溫室氣體清單指南》。

3.2 研究方法

3.2.1 土地利用變化研究方法

論文根據(jù)中科院土地分類體系將該市土地劃分為六大類，即：草地、林地、耕地、建設(shè)用地、水域用地和未利用地。針對(duì)2000年至2018年期間土地利用情況，綜合運(yùn)用數(shù)量變化和程度變化兩種概念模型進(jìn)行分析探討，刻畫出整個(gè)土地利用的動(dòng)態(tài)度和程度變化[5]。

（1）單一土地利用動(dòng)態(tài)度

它是指在指定的區(qū)域內(nèi)某一時(shí)間段土地利用在數(shù)量上的變化情況，可表示為：

其中，K為單一土地利用動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別表示規(guī)定時(shí)間段的兩個(gè)端點(diǎn)的土地類型數(shù)量；T是時(shí)間段的時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)T以年為單位時(shí)，K就表示該類型的年變化率[6]。

（2）土地利用程度變化率

它主要是綜合定量研究多種土地利用類型變化情況。按照劉紀(jì)遠(yuǎn)的土地利用變化分析法，可將自然平衡狀態(tài)下的土地利用劃分為4 級(jí)并賦予指數(shù)，把沒(méi)有利用的土地規(guī)定為1；林地、草地和水域用地為2；耕地為3；建設(shè)用地為4[1]。具體公式如下：

公式中：Ai為第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù)；Ci為第i級(jí)土地利用類型面積的百分比；n是土地利用程度的分級(jí)數(shù)量；Cia，Cib為a時(shí)間和b時(shí)間的第i級(jí)土地利用類型面積的百分比；R為土地利用程度變化率，R＞0，表示研究區(qū)土地利用處于發(fā)展時(shí)期，R＜0，說(shuō)明其處于調(diào)整或衰退期[7]。

3.2.2 土地利用碳排放研究方法

論文土地利用碳排放主要指直接和間接兩種類型的碳排放，間接碳排放指來(lái)自人類生產(chǎn)生活等人為因素造成的能源消耗，直接碳排放指自然狀態(tài)下各種地表覆被所產(chǎn)生的排放，碳匯和碳源值決定著排放量的大小[8]。從專用術(shù)語(yǔ)來(lái)講，碳源主要指建設(shè)用地和農(nóng)用耕地，碳匯包括草地、林地、水域用地和沒(méi)有開發(fā)利用的土地。

（1）直接碳排放系數(shù)法

耕地、林地、草地、水域用地及未利用地的碳排放量可利用直接碳排放系數(shù)計(jì)算，按照張貞等的相關(guān)研究成果，公式表達(dá)為：

式中：Ec為直接碳排放總量；Ei為不同土地利用類型面積；Eci為不同土地利用類型的碳排放系數(shù)。

由于耕地碳源效應(yīng)明顯，碳排放能力比吸收能力強(qiáng)，所以論文選取0.0422kg/(m2·a)作為耕地的碳排放系數(shù)，林地選取-0.0578kg/(m2·a)作為碳排放系數(shù)，草地選取-0.0021kg/(m2·a)作為碳排放系數(shù)，水域用地選取-0.0252kg/(m2·a)作為碳排放系數(shù)，未開發(fā)利用的土地對(duì)碳的吸收和排放能力都比較弱，所以系數(shù)選取-0.0005kg/(m2·a)[10]。

（2）能源消耗法

建設(shè)用地碳排放的多少與生產(chǎn)生活等各種人為因素密切相關(guān)，是主要的碳源，所以該地類碳排放量就可根據(jù)能源消耗來(lái)估算[3]。公式表示為：

式中:Ec為建設(shè)用地碳排放量，Tic為各種能源的碳排放系數(shù)，Ti為各種能源的消耗量[3]。

按照該市的實(shí)際情況，選有代表性的幾種能源進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)陶云等選取研究區(qū)具有代表性能源計(jì)算碳排放的方法，結(jié)合青島市自身的特點(diǎn)，對(duì)幾種能源的碳排放系數(shù)進(jìn)行確定，如表1所示。

表1 各類能源的碳排放系數(shù)

4 青島市土地利用變化結(jié)果分析

4.1 土地利用數(shù)量變化分析

數(shù)量上的變化是土地利用變化最直觀的體現(xiàn)，通過(guò)數(shù)量變化的分析可以看出整個(gè)土地利用的結(jié)構(gòu)變化和發(fā)展趨勢(shì)[9]。如圖1所示，是對(duì)該市四個(gè)不同年份土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析所得出的結(jié)果。

圖1 青島市各土地利用類型面積變化圖

從圖1可以看出，2000年至2018年期間，該市土地利用類型變化比較明顯，總的來(lái)說(shuō)，逐步增加的是建設(shè)用地和林地，先增后減的是水域用地，并且減少的幅度更大，這可能是近年來(lái)城鎮(zhèn)化推進(jìn)的結(jié)果。耕地呈現(xiàn)先減少后增加的發(fā)展趨勢(shì)，總體變化幅度較小，未利用地和草地則呈現(xiàn)持續(xù)減少的趨勢(shì)，且減少幅度增大。

圖2、圖3顯示，2000年，耕地占土地總面積的54%、林地面積占比為11%、建設(shè)用地面積比例為16%，而草地僅占8%、水域用地占7%、未利用地占4%。與2000年相比，2018年各類用地面積中，比重較大的仍為耕地、建設(shè)用地和林地。其中，耕地面積的總體變化幅度較小，占比由54%下降至53%；建設(shè)用地和林地的總體增長(zhǎng)幅度較大，建設(shè)用地面積占比由16%上升至23%，林地面積占比由11%上升至14%；草地、水域用地及未利用地的比重進(jìn)一步減小，且總體變化幅度較大，三者所占比重由2000年的19%下降至10%。

圖2 2000年各類用地占比

圖3 2018年各類用地占比

4.2 土地利用變化速度分析

通過(guò)對(duì)該市土地變化的具體情況進(jìn)行分析，并按照相關(guān)公式對(duì)其動(dòng)態(tài)進(jìn)行計(jì)算，就可以算出2000年至2018年期間三個(gè)不同時(shí)期該市土地變化的速度，如表2所示。

表2 2000-2018年青島市土地利用動(dòng)態(tài)度%

計(jì)算結(jié)果數(shù)值為正值的是林地和建設(shè)用地，這說(shuō)明它們的總量是不斷增加的，其中林地面積每年平均增長(zhǎng)率為2.20%，特別是2000-2005年以年均4.10%的增長(zhǎng)率高速增長(zhǎng)，到后兩個(gè)時(shí)期增長(zhǎng)速度有所減緩。建設(shè)用地增長(zhǎng)也比較快，在2000年至2018年期間，平均增長(zhǎng)率從1.64%增長(zhǎng)到3.31%，平均每年2.70%。耕地的面積變化比較特殊，前期為負(fù)值后期為正值， 2000年至2005年期間增長(zhǎng)率為-0.73%，說(shuō)明面積逐年減少；2005年至2010年期間和2010年至2018年期間面積又不斷增長(zhǎng)，由于前期減少的幅度更大，使其在研究總時(shí)段內(nèi)以年均0.07%的速度減少。水域用地的動(dòng)態(tài)度表現(xiàn)和耕地恰好相反，其動(dòng)態(tài)度在前期為正值，后兩個(gè)時(shí)期轉(zhuǎn)為負(fù)值，說(shuō)明前期水域用地面積逐年增加，后兩個(gè)時(shí)期逐年減少，且減少速度逐漸增加，其中2010-2018年變化率最大，為-6.17%，由于后兩個(gè)時(shí)期減少的幅度更大，致使2000-2018年總的水域用地動(dòng)態(tài)度呈負(fù)數(shù)，且以年均2.84%的速度在減少。草地和未利用地的動(dòng)態(tài)度在各個(gè)時(shí)期均以負(fù)數(shù)出現(xiàn)，說(shuō)明2000-2018年草地和未利用地的面積都是呈持續(xù)減少的狀態(tài)，且減少速度不斷加快，年均減少速度分別為4.11%、2.94%。

4.3 土地利用程度變化分析

土地利用程度是土地利用廣度和深度的具體反映[7]，是對(duì)土地利用變化趨勢(shì)和綜合水平的定量分析[9]。用變化率來(lái)表示，如圖4所示。

圖4 2000-2018年青島市土地利用程度變化情況

從圖4、圖5可以看出，2000年至2018年期間，該市變化率（土地利用程度）是不斷提高的，2000年至2005年期間該數(shù)值為0.04%，這個(gè)數(shù)值接近于零，說(shuō)明當(dāng)時(shí)土地利用沒(méi)有大的波動(dòng)，是一個(gè)比較穩(wěn)定的時(shí)期；2005年至2010年期間該數(shù)值為1.42%，2010年至2018年期間該數(shù)值為1.80%，這兩個(gè)較大的數(shù)值表示當(dāng)時(shí)土地利用變化較大，在這兩個(gè)時(shí)間段土地開發(fā)利用處于快速發(fā)展時(shí)期。

圖5 青島市2000、2018年土地利用現(xiàn)狀圖

5 青島市土地利用碳排放結(jié)果分析

5.1 土地利用碳排放變化

利用能源消耗法和碳排放系數(shù)法能夠很好地估算出該市2000年至2018年期間的碳排放情況，如表3所示。

表3 2000-2018年青島市主要土地利用類型碳排放量 104t

按照既定的數(shù)據(jù)和公式可以計(jì)算出該市碳排放量的變化情況，建設(shè)用地和耕地碳源效應(yīng)比較明顯，其他類型的土地表現(xiàn)出碳匯效應(yīng)。2000年至2018年期間該市碳排放量呈現(xiàn)出先快速增加后緩慢減少的趨勢(shì)，2000年至2005年增長(zhǎng)比較快，達(dá)到14.03×106t，2005-2010年快速增長(zhǎng)至23.43×106t，2010-2018年，碳排放量緩慢下降至21.04×106t。在此時(shí)段內(nèi)，碳源的排放量先增加后減少，從2000年的8.09×106t 上升至2010年的23.52×106t，2018年減少至21.13×106t，碳匯的吸收量在波動(dòng)中有所下降。

從表4中可以得知，碳源的排放量在總量中占比最大，其中又以建設(shè)用地碳排放量最多，是主要的碳排放來(lái)源，2000-2010年，占比一直保持在95%以上，且呈上升趨勢(shì)，2018年占比稍有下降；碳排放量占比小的是耕地，2000年至2010年期間不斷下降，2018年所占比例有所增加。林地的碳匯效應(yīng)明顯，對(duì)碳的吸收量占比不斷增加，在2000年至2018年期間，其吸收量由6.22×104t 上升至8.14×104t；草地碳吸收量占比不斷降低，未開發(fā)利用土地對(duì)碳的吸收量最少，且其比例不斷減小，水域用地碳吸收量所占比例也在波動(dòng)中下降。

表4 2000-2018年青島市土地利用的碳源與碳匯變化情況

5.2 土地利用對(duì)碳排放的影響

2000年至2018年期間，耕地面積與碳排放量變化是一致的，都是先減后增，主要是因?yàn)楹笃诩哟罅藢?duì)耕地的管理與保護(hù)，充分利用宜農(nóng)耕地，使耕地的面積有所增加，其碳排放量也隨之有所增加；碳排放主要來(lái)自建設(shè)用地，2000年至2010年期間，建設(shè)用地的面積與碳排放量變化相同，都是不斷增加。建設(shè)用地的碳排放量是碳排放源的主體，2000-2010年建設(shè)用地碳排放量持續(xù)增加，與建設(shè)用地面積的變化趨勢(shì)一致，2018年其碳排放量出現(xiàn)了下降，之所以出現(xiàn)拐點(diǎn)，主要是由于建設(shè)用地上的能源消耗量減少了，能源利用率有所提高，并且高耗能產(chǎn)業(yè)有所減少，第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展較多；林地表現(xiàn)出碳匯效應(yīng)，面積增加，對(duì)碳的吸收量也隨之增加。水域用地的碳吸收量次于林地，隨著水域用地面積的變化而變化；草地的碳吸收量隨著草地面積的減少而逐漸減少；未開發(fā)利用的土地對(duì)碳的吸收有限，因此它的面積減小，碳的吸收量隨之減少。

6 結(jié)論與建議

（1）通過(guò)研究得出，21 世紀(jì)以來(lái)隨著青島市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，其土地利用變化較為明顯，其中建設(shè)用地面積顯著增加，用以滿足工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的發(fā)展；林業(yè)用地主要是近年來(lái)人們對(duì)自然資源的認(rèn)識(shí)提高，從政府層面加大了林地保護(hù)力度，還有退耕還林政策的實(shí)施，使林地面積得到了增加；耕地面積先減少后增加，主要是因?yàn)楹笃谇鄭u市重視利用耕地，進(jìn)行土地復(fù)墾、整理，充分利用宜農(nóng)耕地；水域用地面積先增加后減少，是因?yàn)榍捌诎l(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖較多，之后由于填海項(xiàng)目的開展，導(dǎo)致水域用地面積減少；在土地財(cái)政和房地產(chǎn)行業(yè)利益驅(qū)使下，建設(shè)用地逐漸被獲得批準(zhǔn)，許多原來(lái)的草地變成了建設(shè)用地，面積不斷減??；未利用地同樣是在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的環(huán)境下得到開發(fā)利用，大多成了建設(shè)用地，使其面積下降幅度比較大。不斷提高的是該市土地利用程度，它的變化率為正值，說(shuō)明土地開發(fā)利用處于發(fā)展期。

（2）從計(jì)算結(jié)果看出，該市在整個(gè)研究時(shí)間段內(nèi)碳排放量變化是先增后減，其中碳源的變化對(duì)其產(chǎn)生的作用最為明顯，而碳源中建設(shè)用地對(duì)其影響最大，因此在建設(shè)用地增加的情況下，碳排放量隨之增加，這從另一個(gè)側(cè)面說(shuō)明碳排放量受土地利用影響比較大，也說(shuō)明它們之間的關(guān)聯(lián)性比較密切。我們可以通過(guò)對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，來(lái)降低碳排放量，從而實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保發(fā)展的目標(biāo)。

（3）根據(jù)以上綜合情況論述，在將來(lái)的發(fā)展和工作中，應(yīng)當(dāng)著眼提高土地利用效率，從優(yōu)化土地資源配置入手，適當(dāng)調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，從政府層面加大綜合治理和管理力度，持之以恒，常抓不懈，一定能夠取得良好效果。建設(shè)用地是碳排放與能源消耗之間調(diào)整的關(guān)鍵所在，適當(dāng)控制建設(shè)用地的擴(kuò)張具有重要意義，它能夠有效減少能源消耗排放。另外，還可以通過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，大力倡導(dǎo)發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)，使能耗降下去，以第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展彌補(bǔ)工業(yè)能耗比重，從而使全市碳排放降下來(lái)，為低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展創(chuàng)造良好環(huán)境。