1990-2018 年新疆“三生”用地時(shí)空變化特征及其碳排放效應(yīng)

鄭藝文，劉曉煌，熊茂秋，李福杰，付宇佳，張子凡，賴 明

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)調(diào)查研究院, 湖北 武漢 430074；2.自然資源要素耦合過(guò)程與效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100055；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局自然資源綜合調(diào)查指揮中心, 北京 100055；4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院, 湖北 武漢 430074；5.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局烏魯木齊自然資源綜合調(diào)查中心, 新疆 烏魯木齊 830000；6.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院,湖北 武漢 430074；7.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地理與信息工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074）

近年來(lái)，全球變暖以及一系列氣候問(wèn)題的產(chǎn)生，使得溫室氣體減排成為國(guó)際社會(huì)的關(guān)注焦點(diǎn)。其中碳排放已成為引起社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)問(wèn)題的一個(gè)重要因素[1]。研究表明，在1850-1998 年近150 年，土地利用變化引起的二氧化碳排放量占人類活動(dòng)影響總二氧化碳排放量的1/3，土地利用變化對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)大約為24%，已成為全球和區(qū)域碳排放變化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力之一[2-6]。因此土地利用的碳效應(yīng)分析是碳排放研究的重要切入點(diǎn)，也是進(jìn)行碳排放調(diào)控的重要工具之一[7-8]。

目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在土地利用的碳排放效應(yīng)方面開(kāi)展了大量研究。如通過(guò)IPCC 溫室氣體清單方法[9-10]和相關(guān)碳排放系數(shù)進(jìn)行核算碳排放量，分析土地利用碳排放效應(yīng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化[11-16]。多位學(xué)者對(duì)各類土地利用方式的碳源和碳匯能力進(jìn)行估計(jì)[17-23]。ISHII 通過(guò)對(duì)區(qū)域土地利用碳效應(yīng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明陸地生態(tài)系統(tǒng)碳排放受不同土地利用類型結(jié)構(gòu)的影響差異較大，影響最為顯著的是建設(shè)用地的擴(kuò)張[24]。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(kù)發(fā)生顯著變化[25]。另有研究基于土地和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)角度分析土地利用碳排放效應(yīng)的時(shí)空分區(qū)[26-27]。有學(xué)者研究了定量識(shí)別城市碳排放的演化路徑和關(guān)鍵影響因素[28-29]。張梅等[30]將全國(guó)分為六大區(qū)域，利用RS、GIS 技術(shù)測(cè)算各土地利用類型碳排放的時(shí)空變化。

鑒于以上諸多學(xué)者對(duì)土地利用碳排放方面做了豐富研究，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，具有重要的科學(xué)意義。但是，現(xiàn)有的研究主要為經(jīng)濟(jì)發(fā)展熱點(diǎn)區(qū)域的不同土地利用類型碳排放量核算以及時(shí)空動(dòng)態(tài)特征分析，而對(duì)于自然條件相對(duì)復(fù)雜、生態(tài)環(huán)境較脆弱的經(jīng)濟(jì)后發(fā)區(qū)，區(qū)分不同主導(dǎo)功能用地空間的碳排放效應(yīng)的研究較少。而且，目前新疆地區(qū)正處于城鎮(zhèn)化、工業(yè)化和農(nóng)牧業(yè)現(xiàn)代化的階段，經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較快，經(jīng)濟(jì)實(shí)力顯著提升，同時(shí)導(dǎo)致新疆地區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化，生活-生產(chǎn)-生態(tài)用地配置失衡日益嚴(yán)重，顯著影響了區(qū)域碳循環(huán)，影響區(qū)域環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展。因此，通過(guò)優(yōu)化調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)、合理利用能源促使新疆發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)、低碳經(jīng)濟(jì)，積極參與碳排放權(quán)交易，是當(dāng)下的重要任務(wù)。所以，本文以新疆地區(qū)作為研究對(duì)象，基于“三生”用地碳排放效應(yīng)進(jìn)行分析，以期全面把握土地利用類型轉(zhuǎn)變引起的碳排放效應(yīng)變化情況、優(yōu)化配置“三生”用地格局，調(diào)控土地利用碳排放，為政府制定相關(guān)的減排政策以及構(gòu)建可持續(xù)的國(guó)土空間利用和保護(hù)格局提供支持。

1 研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)地處歐亞大陸腹地，中國(guó)西北邊陲(34°22′～49°33′ N，73°22′～96°21′ E)。地域遼闊，面積約占全國(guó)總面積的1/6，是我國(guó)陸地面積最大的省級(jí)行政區(qū)。由于遠(yuǎn)離海洋，且四周高山阻隔，該區(qū)形成了典型的溫帶大陸性氣候，以干旱少雨、冬季嚴(yán)寒、晝夜溫差大為主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)[31]。地貌特征為“三山夾兩盆”，北為阿爾泰山，南為昆侖山，天山橫亙中部將新疆分為南、北疆兩部分，南部有塔里木盆地，北部有準(zhǔn)噶爾盆地，天山以南為南疆，天山以北為北疆[32]。隨著時(shí)代快速發(fā)展，新疆迎來(lái)了如西部大開(kāi)發(fā)、“一帶一路”建設(shè)等眾多的發(fā)展機(jī)遇，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人類活動(dòng)會(huì)改變土地利用強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致區(qū)域碳排放量發(fā)生變化。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)提取的空間分辨率為30 m 的1990、2000、2010 和2018 年土地利用(LUCC)柵格數(shù)據(jù)，土地利用類型包括農(nóng)田、林地、草地、河流、湖泊、水庫(kù)、工礦用地、居民點(diǎn)以及未利用土地等；1990-2018 年新疆地區(qū)能源消費(fèi)數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2.2“三生”用地分類方法

以土地用途管制制度為導(dǎo)向，借鑒土地利用的多功能性以及多種“三生”用地的分類方案[33-36]，結(jié)合新疆地區(qū)土地利用類型特征，充分考慮用地的復(fù)合功能，確定用地類型的主導(dǎo)功能，將其劃分為生活生產(chǎn)用地、生產(chǎn)生態(tài)用地、生態(tài)生產(chǎn)用地和生態(tài)用地。

生活生產(chǎn)用地的土地利用類型一級(jí)分類為建設(shè)用地，二級(jí)分類為工礦用地、城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民點(diǎn)、交通用地等，其用途為居住生活和提供二、三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的用地空間。生產(chǎn)生態(tài)用地的土地利用類型一級(jí)分類為耕地，二級(jí)分類為綠洲中正在使用的農(nóng)田、輪歇地、棄耕地，其用途為以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，并可提供生態(tài)功能的用地空間。生態(tài)生產(chǎn)用地的土地利用類型一級(jí)分類為林地和水域，二級(jí)分類為自然林帶及人工林帶和河流、湖泊、水庫(kù)，其用途為具備提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量作用，且生態(tài)效益高于生產(chǎn)效益的用地類型。生態(tài)用地的土地利用類型一級(jí)分類為草地和未利用地，二級(jí)分類為天然草地、栽培草地及改良草地和鹽堿地、沙地、裸巖石礫地帶等，其用途為人類利用相對(duì)較少，提升區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

2.3 土地利用變化

2.3.1“三生”用地類型空間變化率指數(shù)

探索用地功能變化是人為活動(dòng)和自然關(guān)聯(lián)最密切的問(wèn)題，其變化過(guò)程能夠引起區(qū)域內(nèi)生態(tài)、資源和經(jīng)濟(jì)環(huán)境等的變化[37-40]。土地利用變化動(dòng)態(tài)度是指土地利用類型在面積方面的變化幅度，反映了各類土地利用類型在不同時(shí)期的變化速度和劇烈程度，對(duì)未來(lái)土地利用發(fā)展趨勢(shì)具有一定的預(yù)測(cè)分析功能[41]。因此，本研究基于用地類型動(dòng)態(tài)度方法[42-44]對(duì)新疆“三生”用地的變化速率進(jìn)行分析。

本研究采用單一用地類型變化動(dòng)態(tài)度和綜合用地類型變化動(dòng)態(tài)度對(duì)“三生”用地的變化強(qiáng)度進(jìn)行分析。單一“三生”用地變化動(dòng)態(tài)度可以表示區(qū)域內(nèi)某一用地類型的變動(dòng)速率，公式如下：

式中：P為研究時(shí)段內(nèi)某種土地利用類型的變化動(dòng)態(tài)度；Pα、Pb表示研究初期和末期該土地利用類型的面積；T為研究時(shí)段，設(shè)定為年。

綜合“三生”用地類型變化動(dòng)態(tài)度。綜合“三生”用地類型變化動(dòng)態(tài)度可以表示研究區(qū)所有用地類型的變動(dòng)速率，公式如下：

式中：LC為研究時(shí)段內(nèi)研究區(qū)的綜合土地利用變化動(dòng)態(tài)度；LUi為第i類土地利用類型在研究初期的面積；ΔLUi-j為T(mén)時(shí)段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非i類土地利用類型面積的絕對(duì)值。

2.3.2 土 地 利 用 轉(zhuǎn) 移 矩 陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以表示土地利用的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換以及變化方向，轉(zhuǎn)移矩陣反映了在研究時(shí)段內(nèi)研究區(qū)各種土地利用類型的結(jié)構(gòu)特征、面積變化以及各地類變化轉(zhuǎn)移方向[41]。公式為：

式中：S為土地利用類型面積；n為地類類型數(shù)；i和j分別為研究期初和期末各土地利用類型的序號(hào)。

2.4“三生”用地碳排放效應(yīng)

土地利用碳排放可分為間接碳排放量計(jì)算和直接碳排放量計(jì)算。直接碳排放量核算是根據(jù)碳排放系數(shù)直接計(jì)算耕地、林地、草地、水域和未利用地的碳排放量，間接碳排放量核算是通過(guò)各種能源消耗產(chǎn)生的碳排放量來(lái)間接估算建設(shè)用地的碳排放量。

2.4.1 直 接 碳 排 放 量 計(jì) 算

根據(jù)碳排放系數(shù)法進(jìn)行核算土地利用碳排放量，主要包括耕地、林地、草地、水域和未利用地，碳排放計(jì)算公式為:

式中：Ci表示第i 種地類的碳排放量；Si代表第i 種地類的面積；Vi代表第i種地類的碳排放系數(shù)。正值C代表碳排放量，負(fù)值C代表碳吸收量。

其中，直接碳排放系數(shù)中耕地碳排放系數(shù)為0.497 0 t·(hm2·a)-1[45-46]，林地和草地碳排放系數(shù)分別為-0.581 0 和-0.021 0 t·(hm2·a)-1[17-18,47-49]，水域碳排放系數(shù)為-0.253 0 t·(hm2·a)-1[18，50-53]，未利用地碳排放系數(shù)為-0.005 0 t·(hm2·a)-1[21,50]。

2.4.2 間 接 碳 排 放 量 計(jì) 算

建設(shè)用地包括城鎮(zhèn)和農(nóng)村居住用地、交通運(yùn)輸用地、工礦用地等類型，其碳排放量估算是依據(jù)人類在建設(shè)用地上的能源消耗所產(chǎn)生的碳排放量。根據(jù)間接碳排放系數(shù)法，采用聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)能源碳排放系數(shù)計(jì)算模型，按照各能源的碳排放系數(shù)進(jìn)行核算碳排放量，計(jì)算公式為[54]：

式中：QB表示碳支出量(× 104t)；Kin代表第i年能源n的碳排放系數(shù)；En代表能源n的消耗量(× 104t)，按104t 標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算；i表示年份；n表示能源類型；單位tce 表示噸標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量。能源消費(fèi)的碳排放系數(shù)如表1 所列。

表1 各類能源標(biāo)準(zhǔn)煤換算系數(shù)及碳排放系數(shù)Table 1 Standard coal conversion and carbon emission factors for various energy sources

3 結(jié)果與分析

3.1“三生”用地土地利用情況分析

3.1.1“三生”用地土地利用結(jié)構(gòu)

1990、2000、2010、2018 年4 個(gè)時(shí)期，新疆地區(qū)“三生”用地類型的面積特征以生態(tài)用地為主，生態(tài)用地面積占總面積的90%以上，生態(tài)生產(chǎn)用地和生產(chǎn)生態(tài)用地次之，生活生產(chǎn)用地最少(圖1)；其中，4 個(gè)時(shí)期的生態(tài)用地面積占總面積的比重分別為90.89%、90.58%、90.80%和90.11%，生態(tài)生產(chǎn)用地占總面積的比重分別為5.39%、5.51%、3.78%和3.83%，生產(chǎn)生態(tài)用地占總面積的比重分別為3.47%、3.64%、4.94%和5.23%，生活生產(chǎn)用地占總面積的比重分別為0.25%、0.27%、0.49%和0.53%。總體上呈現(xiàn)生活生產(chǎn)用地和生產(chǎn)生態(tài)用地占比增加，生態(tài)生產(chǎn)用地和生態(tài)用地占比呈整體減少的態(tài)勢(shì)(圖1)。

圖1 1990-2018 年新疆地區(qū)“三生”用地分布Figure 1 Distribution of ecological-living-productive land in Xinjiang from 1990 to 2018

3.1.2“三生”用地動(dòng)態(tài)變化情況

1990-2018 年，新疆地區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)變化較明顯(圖2)。隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，研究區(qū)城鎮(zhèn)化進(jìn)程大大加快，生活生產(chǎn)用地面積顯著增加，增長(zhǎng)速率最快，動(dòng)態(tài)度最高，其面積增長(zhǎng)了約4 642 km2，增長(zhǎng)率高達(dá)116%，動(dòng)態(tài)度高達(dá)4.15%，其中在2000-2010年期間，增長(zhǎng)幅度更為明顯，達(dá)3 600 km2，動(dòng)態(tài)度高達(dá)8.36%；近30 年生產(chǎn)生態(tài)用地面積逐年增加，增加 了33 500 km2，增 長(zhǎng) 率 達(dá) 到59.19%，動(dòng) 態(tài) 度 達(dá)2.11%，其中在2000-2010 年期間，面積增長(zhǎng)最多，達(dá)21 200 km2，動(dòng)態(tài)度高達(dá)3.58%；與之相對(duì)應(yīng)，生態(tài)生產(chǎn)用地和生態(tài)用地總體都呈現(xiàn)減少態(tài)勢(shì)，近30 年間生態(tài)生產(chǎn)用地減少了25 400 km2，下降率達(dá)到28.93%，動(dòng)態(tài)度為-1.03%，在1990-2000 年以及2010-2018 年期間，有一定幅度增加，但2000-2010年期間，面積大幅度減少，達(dá)28 200 km2，動(dòng)態(tài)度達(dá)-3.14%；生態(tài)用地作為研究區(qū)的主要用地類型，變化速度相對(duì)較為平緩，其總體呈現(xiàn)減少態(tài)勢(shì)，面積減少了12 700 km2，下降率約為0.86%，動(dòng)態(tài)度僅為-0.03%，是唯一低于綜合動(dòng)態(tài)度的用地類型(圖1、圖2)。研究區(qū)近30 年間的綜合動(dòng)態(tài)度達(dá)0.15%，其中2000-2010 年期間綜合動(dòng)態(tài)度最高，約0.35%，說(shuō)明用地變化主要發(fā)生在2000-2010 年(圖2)。

圖2 1990-2018 年新疆地區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)度Figure 2 Land use dynamic index in Xinjiang from 1990 to 2018

3.2 土地利用轉(zhuǎn)型分析

基于新疆地區(qū)“三生”用地分布圖層，經(jīng)ArcGIS提取得到研究區(qū)1990-2018 年“三生”用地轉(zhuǎn)移情況可知，各土地利用類型之間轉(zhuǎn)移頻繁。30 年間發(fā)生變化面積132 917 km2，占總面積的8.16% (表2)。

根據(jù)新疆地區(qū)1990-2018 年土地利用轉(zhuǎn)移情況的分析(表2)，得出近30 年間生活生產(chǎn)用地急劇擴(kuò)張，由其他土地類型轉(zhuǎn)化而來(lái)的面積為4 642 km2，主要為生產(chǎn)生態(tài)用地(1 357 km2)和生態(tài)用地(3 148 km2)，在轉(zhuǎn)入生活生產(chǎn)用地面積的比例中高達(dá)29.23%和67.82%。生產(chǎn)生態(tài)用地轉(zhuǎn)變?yōu)樯钌a(chǎn)用地主要發(fā)生在2000-2010 年(550 km2)和2010-2018 年(592 km2)，生態(tài)用地轉(zhuǎn)變?yōu)樯钌a(chǎn)用地主要發(fā)生在2000-2010 年(2 992 km2)。生產(chǎn)生態(tài)用地由其他土地類型轉(zhuǎn)入的面積為3 3497 km2，主要為生態(tài)用地轉(zhuǎn)入(32 887 km2)，在轉(zhuǎn)入面積的比例中高達(dá)98.18%，變化主要發(fā)生在2000-2010 年(20 109 km2)。生態(tài)生產(chǎn)用地向其他土地類型轉(zhuǎn)出的面積為25 365 km2，主要轉(zhuǎn)入生態(tài)用地(23 261 km2)，比例高達(dá)91.71%，變化主要發(fā)生在2000-2010 年(26 466 km2)，1990-2000 年和2010-2018 年間，生態(tài)用地向生態(tài)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)入少量面積。生態(tài)用地向其他土地類型轉(zhuǎn)出的面積為12 774 km2，主要轉(zhuǎn)入生產(chǎn)生態(tài)用地(32 887 km2)和生活生產(chǎn)用地(3 148 km2)。雖然生態(tài)生產(chǎn)用地向生態(tài)用地流入較多面積，但是生態(tài)用地向生產(chǎn)生態(tài)用地流出面積也較大，大于生態(tài)生產(chǎn)用地向生態(tài)用地的流入面積，總體上生態(tài)用地面積縮減。

表2 新疆地區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 2 Matrix of land use transfer in Xinjiang

3.3 土地利用碳排放分析

3.3.1 土地利用碳排放核算

根據(jù)新疆地區(qū)1990-2018 年能源消耗(表3)及土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，計(jì)算得到1990-2018 年間土地利用碳排放量(圖3)。從碳排放/碳吸收構(gòu)成分析，“三生”用地碳排放包括生活生產(chǎn)用地間接碳排放和生產(chǎn)生態(tài)用地直接碳排放兩大類型(圖3)。生活生產(chǎn)用地間接碳排放量主要包括工業(yè)生產(chǎn)、人類生活等消費(fèi)能源所產(chǎn)生的碳排放量。碳匯包括生態(tài)生產(chǎn)用地碳匯和生態(tài)用地碳匯兩大類(圖3)。碳排放方面，生活生產(chǎn)用地是碳排放的最主要碳源，占總碳源的85.65%～97.26%，并呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。碳匯方面，生態(tài)生產(chǎn)用地對(duì)碳吸收的貢獻(xiàn)率較大，占總碳匯的62.10%～70.12%，但新疆地區(qū)生態(tài)生產(chǎn)用地面積占比較小，使碳吸收作用非常微弱；生態(tài)用地的碳吸收能力相對(duì)較弱。

表3 各類能源消費(fèi)情況Table 3 Various types of energy consumption

1990-2018 年，生活生產(chǎn)用地碳排放迅速增長(zhǎng)，從1990 年的1 680.48 萬(wàn)t 增長(zhǎng)至2018 年的15 912.14 萬(wàn)t，碳排放量在2000-2010 年間上漲趨勢(shì)尤為明顯，年增長(zhǎng)率達(dá)17.28% (圖3)。生產(chǎn)生態(tài)用地碳排放量呈現(xiàn)緩慢上升態(tài)勢(shì)，從1990 年的281.49 萬(wàn)t 增長(zhǎng)至2018 年的447.95 萬(wàn)t，其在2000-2010 年間年增長(zhǎng)率最大，為3.58%，但碳排放能力相對(duì)較弱，隨著城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，碳排放貢獻(xiàn)不斷下降，從1990 年的14.35%下降到2018 年的2.74%。碳匯總量在近30年間呈緩速下降態(tài)勢(shì)，由499.44 萬(wàn)t 下降至398.29萬(wàn)t。其中，生態(tài)生產(chǎn)用地碳匯量變化最為明顯，在1990-2018 年間碳吸收量約下降了99.80 萬(wàn)t；生態(tài)用地碳匯量的變化幅度較小，基本保持穩(wěn)定(圖3)。在1990-2018 年間，新疆地區(qū)土地利用凈碳排放量呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，由1 462.53 萬(wàn)t 增長(zhǎng)至15 961.80 萬(wàn)t，其在2000-2010 年間年增長(zhǎng)率最大(19.47%)，在2010 年后略有下降，但仍處于高位，年增長(zhǎng)率達(dá)到13.68% (圖3)。

圖3 新疆地區(qū)土地利用碳排放量Figure 3 Land use carbon emissions in Xinjiang

3.3.2 土地利用碳排放強(qiáng)度分析

以碳排放強(qiáng)度(碳排放量/區(qū)域土地面積)代表地區(qū)土地利用碳排放水平。從表4 可知，1990-2018年期間生態(tài)生產(chǎn)用地和生態(tài)用地碳吸收強(qiáng)度變動(dòng)不大，平均碳吸收強(qiáng)度分別為39.72 和1.02 t·km-2，生態(tài)生產(chǎn)用地碳吸收能力較強(qiáng)但占地面積較小，生態(tài)用地占地面積大，但固碳能力相對(duì)較弱，所以生態(tài)生產(chǎn)用地和生態(tài)用地固碳容量十分有限。同期生產(chǎn)生態(tài)用地直接碳排放強(qiáng)度態(tài)勢(shì)較穩(wěn)定，平均碳排放強(qiáng)度為49.70 t·km-2；生活生產(chǎn)用地間接碳排放強(qiáng)度由期初的4 207.90 t·km-2上升到期末的18 423.55t·km-2，增加3.38 倍，在地區(qū)碳排放中占主導(dǎo)地位，為主要排放源。

凈碳排放強(qiáng)度呈持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，由期初8.97 t·km-2上升到期末97.93 t·km-2，年增加率高達(dá)35.42%(表4)。碳匯強(qiáng)度作用有限，但其用地類型占地面積較大，對(duì)凈碳排放強(qiáng)度弱化較顯著，因此，凈碳排放強(qiáng)度呈現(xiàn)出遠(yuǎn)低于間接碳排放強(qiáng)度的變化趨勢(shì)。

表4 新疆地區(qū)土地利用碳排放/碳吸收強(qiáng)度Table 4 Land use carbon emission/absorption intensity in Xinjiang

3.4“三生”用地變化引起的碳效應(yīng)分析

間接或直接的土地利用行為會(huì)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)產(chǎn)生影響，即土地利用變化的碳效應(yīng)，可以通過(guò)碳排放增量與碳匯增量的差值來(lái)表示。根據(jù)各土地利用類型的碳排放系數(shù)，估算出新疆地區(qū)1990-2018 年“三生”用地動(dòng)態(tài)變化引起的碳效應(yīng)(表2、表5)。

表5 1990-2018 年新疆地區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)變及其碳效應(yīng)變化Table 5 Land use transfer types and their carbon effects in Xinjiang from 1990 to 2018

1990-2018 年，新疆地區(qū)“三生”用地動(dòng)態(tài)變化引起的碳排放增量高出碳匯增量7 671.88 萬(wàn)t。生活生產(chǎn)用地流入生產(chǎn)生態(tài)用地1 585 km2，碳排放量減少了1 344.36 萬(wàn)t，同時(shí)生產(chǎn)生態(tài)用地流入生活生產(chǎn)用地2 942 km2，碳排放量增加了3 773.08 萬(wàn)t，即生活生產(chǎn)用地占用生產(chǎn)生態(tài)用地1 357 km2，引起的碳排放增量為2 428.72 萬(wàn)t，碳效應(yīng)變化主要發(fā)生在2000-2010 年間。生活生產(chǎn)用地流入生態(tài)生產(chǎn)用地126 km2，碳匯量增加117.72 萬(wàn)t，同時(shí)生態(tài)生產(chǎn)用地流入生活生產(chǎn)用地263 km2，碳排放量增加295.68萬(wàn)t，即生態(tài)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)變?yōu)樯钌a(chǎn)用地的面積為137 km2，引起碳排放量增加177.96 萬(wàn)t，碳效應(yīng)變化主要發(fā)生在2000-2010 年間。生活生產(chǎn)用地流入生態(tài)用地476 km2，碳匯量增加2 067.7 萬(wàn)t，同時(shí)生態(tài)用地流入生活生產(chǎn)用地3 624 km2，碳排放增加6 858.97 萬(wàn)t，即生態(tài)用地轉(zhuǎn)變?yōu)樯钌a(chǎn)用地的面積為3 148 km2，引起碳排放量增加4 791.27 萬(wàn)t，碳效應(yīng)變化主要發(fā)生在2000-2010 年和2010-2018年間。生產(chǎn)生態(tài)用地流入生態(tài)生產(chǎn)用地1 602 km2，碳匯量增加26.08 萬(wàn)t，同時(shí)生態(tài)生產(chǎn)用地流入生產(chǎn)生態(tài)用地3 569 km2，碳排放增加45.58 萬(wàn)t，即生態(tài)的逆向演變：生態(tài)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)生態(tài)用地面積為1 967 km2，引起碳排放量增加19.5 萬(wàn)t，碳效應(yīng)變化主要發(fā)生在2000-2010 年間。生態(tài)生產(chǎn)用地流入生態(tài)用地48 375 km2，碳匯量損失211.62 萬(wàn)t，同時(shí)生態(tài)用地流入生態(tài)生產(chǎn)用地25 114 km2，碳匯量增加126.71 萬(wàn)t，即生態(tài)的逆向演變：生態(tài)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)用地，面積達(dá)23 300 km2，引起碳匯量損失84.91 萬(wàn)t，碳效應(yīng)變化主要發(fā)生在2000-2010年間。生產(chǎn)生態(tài)用地流入生態(tài)用地6 177 km2，碳匯量增加66.9 萬(wàn)t，生態(tài)用地流入生產(chǎn)生態(tài)用地39 064 km2，碳排放增加236.42 萬(wàn)t，即生態(tài)的逆向演變：生態(tài)用地轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)生態(tài)用地面積為32 887 km2，引起的碳排放增加量為169.52 萬(wàn)t，碳效應(yīng)變化主要發(fā)生在2000-2010 年間。

4 討論與結(jié)論

本研究基于新疆地區(qū)1990-2018 年“三生”用地動(dòng)態(tài)情況，分析了碳排放效應(yīng)。研究表明，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，生活生產(chǎn)用地和生產(chǎn)生態(tài)用地需求增加，占用生態(tài)用地，同時(shí)發(fā)生著生態(tài)逆向演變，大量生態(tài)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)用地。碳排放效應(yīng)表現(xiàn)為：凈碳排放呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中生活生產(chǎn)用地的碳排放量增加最為顯著，且對(duì)凈碳排放總量起著決定性作用，以及生態(tài)逆向演變?cè)斐商紖R損失。土地利用轉(zhuǎn)型和碳效應(yīng)變化主要發(fā)生在2000-2010 年間，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度和城市化進(jìn)程加快，該階段新疆地區(qū)的城鎮(zhèn)化建設(shè)、工業(yè)發(fā)展等活動(dòng)對(duì)土地利用轉(zhuǎn)型影響較大，碳排放效應(yīng)最為顯著，碳排放量大幅增加。2010 年后，隨著國(guó)家碳減排政策力度的加大和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，土地利用變動(dòng)以及相應(yīng)的碳排放效應(yīng)趨勢(shì)得到控制，但碳排放量仍處于高位。以上給新疆地區(qū)碳減排帶來(lái)巨大壓力，影響其生態(tài)建設(shè)。為減少新疆地區(qū)土地利用凈碳排放量，應(yīng)處理好經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)保護(hù)、耕地保護(hù)的關(guān)系，重視對(duì)碳源的控制，并保障綠地面積以促進(jìn)碳匯的增加，才能有效減少凈碳排放量。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)土地利用碳排放效應(yīng)的核算方法已經(jīng)初步達(dá)成一致，但是對(duì)各土地利用類型的碳排放系數(shù)還未形成統(tǒng)一。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(guò)程，不同地域不同時(shí)期各土地類型的碳排放系數(shù)可能存在特殊性和動(dòng)態(tài)性。本文借鑒IPCC 和有關(guān)學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及系數(shù)進(jìn)行分析存在一定誤差。在之后的研究中可以根據(jù)新疆地區(qū)的實(shí)際情況對(duì)這些系數(shù)進(jìn)行深入研究，探究出更加適用于新疆地區(qū)的碳排放系數(shù)。

本研究結(jié)論如下：1)在1990-2018 年間，新疆地區(qū)土地利用主導(dǎo)功能用地類型以生態(tài)用地為主，生態(tài)生產(chǎn)用地和生產(chǎn)生態(tài)用地次之，生活生產(chǎn)用地最少。其中生活生產(chǎn)用地和生產(chǎn)生態(tài)用地面積增長(zhǎng)率較快，動(dòng)態(tài)度較大，生活生產(chǎn)用地面積增長(zhǎng)率高達(dá)116%，動(dòng)態(tài)度高達(dá)4.15%；其次生產(chǎn)生態(tài)用地增長(zhǎng)率達(dá)59.19%，動(dòng)態(tài)度達(dá)2.11%。生態(tài)生產(chǎn)用地面積呈減少態(tài)勢(shì)，下降率達(dá)28.93%，動(dòng)態(tài)度為-1.03%；生態(tài)用地下降率為0.86%，動(dòng)態(tài)度為-0.03%。其中在2000-2010 年期間，土地利用動(dòng)態(tài)度最大。隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，研究區(qū)生活生產(chǎn)用地和生產(chǎn)生態(tài)用地?cái)U(kuò)張顯著，分別占用生態(tài)用地3 148 和32 887 km2，同時(shí)大量生態(tài)生產(chǎn)用地(23 261 km2)轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)用地。

2)碳排放方面，生活生產(chǎn)用地作為碳排放最主要碳源，碳排放量增長(zhǎng)迅速，從1990 年的1 680.48萬(wàn)t 增長(zhǎng)至2018 年的15 912.14 萬(wàn)t，其在2000-2010年間年增長(zhǎng)率最大，達(dá)17.28%；生產(chǎn)生態(tài)用地碳排放量從281.49 萬(wàn)t 增長(zhǎng)至447.95 萬(wàn)t，其在2000-2010年間年增長(zhǎng)率最大，為3.58%。碳匯總量呈緩速下降態(tài)勢(shì)，由499.44 萬(wàn)t 下降至398.29 萬(wàn)t，其中主要為生態(tài)生產(chǎn)用地碳吸收量約下降了99.80 萬(wàn)t，生態(tài)用地碳匯量基本穩(wěn)定在150 萬(wàn)t 左右。凈碳排放量呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，由1 462.53 萬(wàn)t 增長(zhǎng)至15 961.80 萬(wàn)t，其在2000-2010 年間年增長(zhǎng)率最大，為19.47%。

3)生活生產(chǎn)用地為主要排放源，碳排放強(qiáng)度由期初的4207.90 t·km-2上升到期末的18 423.55 t·km-2，增加3.38 倍；生產(chǎn)生態(tài)用地碳排放強(qiáng)度變化態(tài)勢(shì)較穩(wěn)定，平均碳排放強(qiáng)度為49.70 t·km-2。生態(tài)生產(chǎn)用地和生態(tài)用地碳吸收強(qiáng)度變動(dòng)不大，平均碳吸收強(qiáng)度分別為39.72 和1.02 t·km-2，碳吸收強(qiáng)度較大的生態(tài)生產(chǎn)用地占地面積較小，所以碳匯的固碳容量較有限。凈碳排放強(qiáng)度呈持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，由期初8.97 t·km-2上升到期末97.93 t·km-2。

4)近30 年新疆地區(qū)“三生”用地動(dòng)態(tài)變化引起的碳排放增量高出碳匯增量7 671.88 萬(wàn)t。其中生態(tài)用地主要轉(zhuǎn)入生產(chǎn)生態(tài)用地和生活生產(chǎn)用地，引起的碳排放增加量為4 960.79 萬(wàn)t；生產(chǎn)生態(tài)用地主要轉(zhuǎn)入生活生產(chǎn)用地，引起的碳排放量增加2 428.72 萬(wàn)t；生態(tài)生產(chǎn)用地主要轉(zhuǎn)入生態(tài)用地，引起碳匯量損失84.91 萬(wàn)t。碳排放效應(yīng)變化主要發(fā)生在2000-2010 年。