基于碳達峰碳中和的貴州省土地利用碳排放演變及預測研究

魏媛，簡小玉

（1. 貴州財經大學 管理科學與工程學院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州財經大學 公共管理學院，貴州 貴陽 550025）

在全球氣候變暖等生態(tài)問題突出的背景下，為實現低碳可持續(xù)發(fā)展，我國提出了2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的階段目標。不同學科背景下的學者們基于本學科視角開展了相關研究。曲建升等[1]基于IPAT和情景分析法預測不同情景下中國整體、城鎮(zhèn)、農村居民生活碳排放增長路徑，探究中國居民生活碳排放達峰時間及達峰數值；褚力其等[2]運用GDIM模型分析中國1985—2017年農業(yè)碳排放驅動因素，并根據因素貢獻差異設置動態(tài)政策情景，對2018—2030年全國農業(yè)碳排放量開展模擬和預測研究；莊貴陽和竇曉銘[3]通過解讀新發(fā)展格局與2030年前碳排放達峰邏輯關系，分析碳達峰的政策內涵與實現路徑，探究基于碳達峰背景下可再生能源的發(fā)展前景；楊長進等[4]探討了實現碳達峰、碳中和的價稅機制進路；胡鞍鋼[5]就中國提出的2030年實現碳達峰的核心目標進行了探討，并較為全面地從20個方面提出實現碳達峰的主要途徑和政策建議；平新喬等[6]分析不同行業(yè)和省份碳排放分布狀況和碳排放強度，并探討“十四五”期間碳排放強度減排降碳的重難點。習近平總書記也在中央財經委員會第九次會議再次提出2030年實現碳達峰，2060年實現碳中和，將碳達峰和碳中和納入“十四五”規(guī)劃中，納入生態(tài)文明建設整體布局中。

土地作為第二大碳排放源，對實現碳達峰和碳中和目標有著重要的作用。當前，土地利用碳排放的研究較為豐富。20世紀80年代，國外學者Houghton[7]、Houghton & Hackler[8]研究了土地利用變化對二氧化碳排放量的影響研究；21世紀以來，我國的主要研究有：葛全勝等[9]對我國過去300多年土地利用類型和植被引起的碳排放量開展研究；馮杰和王濤[10]基于數學計量方法和STIRPAT模型，探討中國1989—2013年土地利用碳排放演變與影響因素；楊緒紅等[11]選擇簿記模型基本原型作為核心算法，構建一套包含土地開墾和退耕、森林收獲和恢復4種情景在內的土地利用碳排放核算系統(tǒng)；彭文甫等[12]通過構建碳排放模型、碳足跡及其壓力指數模型，對四川省1990—2010年土地利用的碳排放及碳足跡進行了定量分析；楊坤等[13]利用ERDAS和ArcGIS軟件的空間分析功能，對拉薩市土地利用現狀開展分析，并用馬爾科夫模型預測2020年、2030年、2040年的土地利用變化。

綜上，以往學者對碳達峰和碳中和的研究主要集中在能源、農業(yè)、農村居民生活及碳達峰、碳中和的實現機制和意義上，土地利用碳排放主要側重于影響因素、測算方法及演變規(guī)律的研究，基于碳達峰、碳中和背景下土地利用碳排放的研究較少。基于此，本研究以典型的喀斯特山區(qū)貴州省為研究對象，在對2005—2019年貴州省土地利用變化分析的基礎上，測算土地利用碳排放，預測2020—2030年土地利用碳排放的趨勢，為貴州省“十四五”土地利用規(guī)劃中優(yōu)化土地利用結構、轉變土地利用方式、實現土地利用減排降碳以及碳達峰、碳中和目標的實現提供一定的參考依據。

1 研究區(qū)概況與數據來源

1.1 研究區(qū)概況

貴 州 省 地 處 中 國 西 南 部（103°36＇～109°35＇E、24°37＇～29°13＇N），是國家生態(tài)文明和內陸開放型經濟試驗區(qū)。貴州省下轄9個地州市，土地總面積為17.61萬平方千米，占全國的1.84%，全省巖溶出露面積占全省國土總面積的61.92%，是典型的喀斯特山區(qū)，且石漠化嚴重。截至2020年底，貴州省森林覆蓋率達到60%，全省常住總人口3 623萬人，常住人口城鎮(zhèn)化率從2005年的26.87%上升到2020年的50%。伴隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化速度的加快，經濟高速發(fā)展，對土地資源開發(fā)程度的加大，土地利用類型都趨向于碳源的轉變。要促進土地低碳可持續(xù)利用，需在土地利用及規(guī)劃中最大限度地發(fā)揮碳匯的固碳作用，實現碳捕獲、碳利用與碳儲存。因此，研究貴州省碳達峰、碳中和背景下土地利用碳排放的變化規(guī)律具有一定的意義。

1.2 數據來源

2005—2017年《貴州省國土資源公報》、2018—2019年《貴州省自然資源公報》以及歷年《貴州統(tǒng)計年鑒》，統(tǒng)計年鑒上的數據不一致時，以最新的為準。2019年度土地變更調查與第三次全國土地調查同步開展，目前暫未公布，故2019年土地利用變更數據采用2018年土地利用現狀數據。

2 研究方法

2.1 土地利用類型變化分析

土地利用多樣化指數是反映土地利用類型總體結構的重要指標，一般采用吉布斯-馬丁多樣化指數計算。

式中：G為土地多樣化指數，Xi為第i類土地利用面積，n為土地利用類型數。一個地區(qū)的土地利用結構越豐富，n越大，G越接近于1。

采用單一土地利用動態(tài)度分析貴州省土地利用變化情況：

式中：K為單一土地利用動態(tài)度，Ua為初始土地利用數據，Ub為末期土地利用數據，T為時間段。

2.2 土地利用類型碳排放計算

本文通過計算碳源得到碳排放量，計算碳匯得到碳吸收量，進而計算凈碳排放量。碳源主要包括農用地碳排放和建設用地碳排放，農用地碳排放計算公式為：

式中：Ef為農用地碳排放總量，G1、G2、G3、G4、G5分別為農用地化肥使用折純量、農作物播種面積、農業(yè)機械總動力、有效灌溉面積和農用塑料薄膜使用量。A、B、C、D、E分別為對應的碳排放轉換系數，取值在參照前人[14-15]研究的基礎上結合貴州省實際情況確定其系數，如表1所示。

表1 農用地各指標碳排放轉換系數

本文對建設用地碳排放量的測算采用王桂波和南靈[15]的做法，結合貴州省實際狀況及數據的可獲取性，得建設用地測算模型：

式中：EC為建設用地碳排放總量；H為單位GDP能耗；K為煤炭消耗系數，值為0.747 6t(C)/t；GDP1、GDP2分別為第二、第三產業(yè)產值。

碳匯主要來自林地、園地、牧草地、水域及未利用地和耕地，測算公式為：

式中：Ci為第i類土地碳吸收量，Gi為第i類土地面積，fi為碳吸收率，本文在總結前人研究的基礎上，選取的各類型土地利用碳吸收率[12]見表2。

表2 各類土地利用碳吸收率

耕地碳吸收率的計算公式為：

式中：Cf為耕地碳吸收量，Cd為某類農作物碳吸收量，Yw為農作物經濟產量，Hi為第i種農作物經濟系數。結合貴州省耕地作物種植情況，選取的主要農作物碳吸收率以及經濟系數如表3所示。

表3 貴州省主要農作物經濟系數和碳吸收率

2.3 土地利用類型與碳排放關聯分析

灰色關聯度分析，是對系統(tǒng)內部各要素之間關系的探討，而關聯度值的大小代表各要素間的關聯程度。首先確定目數列（7）和子序列（8）。

關聯系數的計算公式為：

式中：ζ(k)為第k時刻比較曲線xi對于曲線x0的相對差值，這種相對差值稱為xi對于x0在k時刻的關聯系數。ρ是分辨系數，ρ∈[0, 1]，一般取0.5。

計算關聯度的公式為：

其中，ri的數值越大，關聯度越高。

2.4 土地利用類型碳排放預測模型

灰色預測模型GM(1, 1)是基于累加生成數列，對某一指標發(fā)展變化情況所做的預測，其預測結果是該指標在未來各個時刻的具體數據[16]。其預測公式如下：

式（11）為一階線性微分方程，式（12）為微分方程所對應的時間響應函數，其中a、b為通過最小二乘法擬合得到的待定系數。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

3.1.1 土地利用數量變化

土地利用類型變化會引起碳排放的增減，貴州省2005—2019年三大類土地利用變化統(tǒng)計分析結果如圖1所示。

圖1 貴州省2005—2019年三大類土地利用變化統(tǒng)計分析

圖1統(tǒng)計分析結果表明，2005—2019年間貴州省農用地面積遠大于未利用地和建設用地。從面積數量變化來看，表現為建設用地和未利用地增加，其年均增長率分別為1.90%和1.35%；農用地減少，年均減少0.26%。在研究時段內，變化幅度依次為建設用地、未利用地、農用地。

3.1.2 土地利用多樣化指數變化

土地利用多樣化指數主要表示某區(qū)域土地利用類型豐富和復雜程度，多樣化指數越高，說明該區(qū)域土地類型越豐富。由式（1）計算出貴州省2005—2019年土地利用多樣化指數如圖2所示。

圖2 貴州省2005—2019年土地利用多樣化指數變化趨勢

由圖2可知，貴州省土地利用多樣化指數由2005年的0.68下降至2019年的0.62，說明貴州省土地利用類型豐富度在15年間有所降低。根據多樣化指數的變化趨勢來看，2005—2009年多樣化指數無明顯變化；在2009—2010年間貴州省各類土地類型面積的變化較為明顯，其中最為顯著的是林地，由2009年的790.73萬公頃增加到2010年的899.57萬公頃，草地由2009年的159.75萬公頃下降到2010年的7.41萬公頃，這是貴州省土地多樣化指數15年間下降最快的時段，之后呈緩慢變化的趨勢。總體而言，土地多樣化指數在15年間的變化趨勢較小，說明貴州省多樣化程度總體為偏上水平。

3.1.3 單一土地利用動態(tài)度變化

單一土地利用動態(tài)度主要表現的是某一區(qū)域某一土地類型的變化幅度，由式（2）計算出貴州省2005—2012年、2012—2019年時間段的單一土地利用動態(tài)度見表4。

表4 貴州省單一土地利用動態(tài)度

由表4可知，耕地和林地面積基數較大，在2005—2012年和2012—2019年間，單一土地利用動態(tài)度變化都較小，在研究時期內，耕地動態(tài)度僅為0.02%，林地僅為0.90%。動態(tài)度變化最大的是牧草地，在2005—2019年間，動態(tài)度為-6.82%。從時間段來看，2005—2012年間是牧草地變化速度最快的階段，其面積從2005年的160.64萬公頃下降到2012年的7.32萬公頃，說明在這期間貴州省加強對牧草地的轉型和開發(fā)利用；2012—2019年牧草地的變化較小，僅下降0.08萬公頃。園地和水域的變化也主要集中在2005—2012年這一時間段，而建設用地和水域的變化主要集中在2012—2019年時期內，這是由于貴州省近幾年伴隨著經濟大發(fā)展，城鎮(zhèn)化和工業(yè)化水平不斷提升，建設用地的面積也隨之增加。

3.2 土地利用碳排放效應分析

根據式（3）～（6），結合貴州省2005—2019年土地利用變化數據，計算貴州省15年間土地利用碳排放變化見表5。

表5表明，在研究時期內，貴州省土地利用凈碳排放量從2005年的2 076.29萬噸增加到2019年的5 057.62萬噸，共增長了2 981.33萬噸，年均增長198.76萬噸，年均增長率為6.57%。從整體的變化趨勢來看，貴州省土地利用碳排放呈上升趨勢，凈碳排放量可能持續(xù)增長，大部分碳排放來自建設用地，各年內占比達到97%以上。導致這種現象產生的原因可能是貴州省屬于經濟較為落后的省份，為貫徹執(zhí)行2020年全面脫貧的戰(zhàn)略目標，貴州省經濟發(fā)展帶來的城鎮(zhèn)化擴張，建設用地面積增加成為發(fā)展的必然。農用地所占碳源的比重呈現下降的趨勢，導致這一現象的原因除建設用地面積增加外，也可能是貴州省為響應國家相關政策號召，降低對化肥、農藥的依賴，倡導綠色循環(huán)農業(yè)，減少農用地碳排放量。在碳匯中，耕地碳吸收量占據主導作用，各年內占比達到60%以上，但2005—2019年耕地碳吸收量所占碳匯比重有所下降，從2005年的72.93%下降到2019年的67.67%；其他幾種類型的土地碳吸收量所占碳匯總量在27%以上，占比總體呈現上升的趨勢。這一現象產生的原因可能是退耕還林還草政策在貴州省得到較好的執(zhí)行，其他幾種農用地面積的增加，進而增強了對碳的吸收能力。

表5 貴州省2005—2019年不同土地利用碳排放量單位：萬噸

習近平總書記多次提出2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和減排降碳目標。根據平新喬等[6]對中國除新疆外的31個省份碳排放的測算及研究可知，貴州省處于中排放省份?；谕恋靥寂欧懦试鲩L的趨勢可知，貴州省有望在2030年前實現碳達峰，但機遇與挑戰(zhàn)并存。貴州省GDP從2005年的1 979.06億元增長到2019年的16 769.34億元，年均增長986.02億元。貴州省近年來大力發(fā)展生態(tài)綠色旅游，第三產業(yè)GDP比重逐年提高，貴州省生態(tài)環(huán)境處于全國中上水平，應借鑒發(fā)達省份的發(fā)展經驗，不走先污染后治理的道路，堅持綠色發(fā)展理念，從而提高貴州省應對實現碳達峰的能力?；谕恋乩锰寂欧艤y算數據，建設用地為碳源的主要貢獻因子，而貴州省在城鎮(zhèn)化過程中增加建設用地面積是發(fā)展的必經階段，同時，為了城市能更多地吸納農村人口，選擇低密度、“攤餅”式土地開發(fā)，可能會產生大量低效率利用的基礎設施，提升了整體碳排放。與其他省份的土地利用模式不同，貴州省的喀斯特地貌占70%以上，對于土地利用的空間規(guī)劃和整體結構優(yōu)化應因地制宜，而不是通過平夷山地的方式擴張城市用地面積。因此，如何促進貴州省土地利用低碳發(fā)展成為當前發(fā)展的重難點，發(fā)展低碳經濟、合理規(guī)劃土地利用的方向、優(yōu)化土地利用布局是當前研究的重點領域?？刂铺荚?、增加碳吸收，是促進貴州省成為低碳文明省份的有效手段。

3.3 土地利用類型與碳排放關聯度分析

根據式（7）～（10）計算出貴州省土地利用類型與凈碳排放量的關聯度見表6。

表6 土地利用類型與凈碳排放量的關聯度

由表6可知，7種土地利用類型與凈碳排放量都存在線性關系。其中，關聯度最大的是耕地，其關聯度為0.7。耕地既是碳源，也能通過種植固碳農作物成為碳匯。其次是未利用地，此類型土地上的人類活動較少。然后是林地，林地是陸地生態(tài)系統(tǒng)中主要的儲碳庫。作為主要的碳匯，林地通過吸收大氣中的二氧化碳并將其固定在植被或土壤中，從而減少二氧化碳的排放。貴州省森林覆蓋率達60%，且目前呈現逐年增長的趨勢，這對2030年碳達峰后實現碳中和具有重要意義。園地、草地和水域都是碳匯實體，草地有著巨大的碳吸收潛力，但貴州省草地面積從2005年的160.64萬公頃下降到2019年的7.21萬公頃，因此，應通過整治恢復、種草、草畜平衡等方式實現碳中和；貴州省作為內陸省份，水域面積較少，水域與凈碳排放量的關聯度僅為0.38；園地本身也具有巨大的碳匯潛力，其關聯度為0.64。建設用地與碳排放量具有較高的關聯度，承載著人們的生產生活，無論是交通設施用地、工業(yè)用地，還是居住用地，都會對能源有著更多的需求。經濟發(fā)展的一個重要表現是城鎮(zhèn)化，城鎮(zhèn)化必然伴隨著建設用地的擴張，貴州省如何在2030年實現碳達峰前合理控制和規(guī)劃建設用地面積，從而滿足社會進步和經濟發(fā)展的需要，是值得進一步探討和思考的問題。

3.4 土地利用碳排放預測

根據灰色預測模型，結合MATLAB軟件測算出后驗差C為0.323 5，小誤差概率P為0.933 3，得出C和P都滿足精度的等級要求。因此，建立GM(1, 1)模型。

通過式（13）可得出貴州省2005—2019年實際凈碳排放量增長曲線和2005—2030年預測增長曲線（圖3）。

圖3 貴州省2005—2030年凈碳排放量增長曲線

由圖3可知，貴州省2005—2019年實際凈碳排放量呈現出波動增長趨勢，而預測的2005—2030年凈碳排放量呈現出線性的增長趨勢，說明預測的土地利用凈碳排放值是按照當前經濟發(fā)展速度出現的一個較為理想的狀態(tài)值。如果在土地開發(fā)利用過程中，出現土地利用規(guī)劃不科學、土地利用結構不合理和粗放的土地經營方式，則實際值高于預測值。反之，如果通過相關的碳減排和碳中和措施控制土地利用中碳源的產生，則土地利用碳排放的實際值是可以低于預測值的。在研究期內，2007年、2011年、2012年、2013年和2014年土地利用碳排放的實際值高于預測值，而其他年份則是實際值低于預測值。貴州省要抓住2030年前實現碳達峰的關鍵時期，土地利用碳排放在預測值左右波動的同時實現經濟增長，并在發(fā)展過程中融入綠色發(fā)展理念，爭取實現綠色GDP的增長，從而制定2030年之后碳中和的實施途徑。

為更進一步分析貴州省2020—2030年土地利用預測凈碳排放量，將預測的具體數值體現在表7中。

表7為貴州省2020—2030年土地碳排放預測值，2020年土地利用碳排放值為5 634.88萬噸，到2030年達到9 015.77萬噸，結合圖2可知土地利用碳排放并沒有呈現下降的趨勢，而我國要在2030年實現碳達峰，因此在未來10年的土地利用中，不僅要加快速度實現碳達峰，也要改變土地利用碳排放的增長趨勢，使其在2030年后呈現下降的變化趨勢。土地利用碳排放作為僅次于能源燃燒的第二大碳排放源，有望在2030年實現碳達峰。碳達峰后，尋求實現土地利用碳中和的途徑，改變貴州省土地利用碳排放的增長趨勢，實現土地減排降碳是艱巨而不可逃避的任務。因此，為控制土地利用碳排放增長速度，改變其呈線性增長的趨勢，實現碳中和，貴州省應加強對土地利用的合理規(guī)劃，改變土地利用方式向碳匯轉變。要以深化土地供給側結構性改革和健全人地掛鉤機制為著力點，優(yōu)化用地布局和結構，劃定建設用地管制邊界，構建科學適度有序的國土空間布局體系。

表7 2020—2030年貴州省土地碳排放預測值單位：萬噸

4 研究結論和建議

4.1 研究結論

（1）2005—2019年，貴州省三大類土地利用變化為：農用地減少，建設用地和未利用地增加；貴州省土地多樣化指數整體呈下降趨勢，土地類型分布不均，地類所占的比例差距較大；單一土地利用動態(tài)度依次為牧草地＞園地＞建設用地＞未利用地＞水域＞林地＞耕地；從面積數量變化來看，主要表現為林地、園地、耕地、未利用地和建設用地的增加，水域和牧草地的減少。

（2）貴州省土地利用凈碳排放量從2005年的2 076.29萬噸增加到2019年的5 057.62萬噸，總體而言，貴州省土地利用碳排放呈上升趨勢，碳排放主要來自建設用地，平均占比達到97%以上；碳吸收主要來自耕地和林地。

（3）通過運用灰色關聯方法計算各土地利用類型與碳排放的關聯度，表現為耕地＞未利用地＞林地＞園地＞建設用地＞牧草地＞水域。使用GM(1, 1)模型預測2020—2030年土地利用碳排放量可知，土地利用碳排放量呈現增長的趨勢，通過對實際值與預測值的比較，預測值是按照當前發(fā)展現狀變化的，預測的碳排放值可以通過增加碳匯的方式實現碳中和，從而使實際碳排放值低于預測值，反之，也可以通過增加碳源使實際碳排放值高于預測值。而在低碳綠色發(fā)展背景下，要實現碳排放量與經濟增長的脫鉤關系，結合預測的土地利用變化趨勢，貴州省的土地利用減排降碳任務依然很嚴峻。

4.2 對策建議

貴州省是生態(tài)文明建設的先鋒模范省份，當前正處于經濟社會快速發(fā)展的時期，迫切需要走低碳發(fā)展的道路，促進其經濟社會綠色發(fā)展。針對當前貴州省碳排放的實際情況及預測的碳排放發(fā)展趨勢，提出促進貴州省土地利用減排降碳的對策建議如下。

（1）優(yōu)化土地利用結構，減少碳源。建設用地是城市碳排放的主體，因此要將碳達峰、碳中和的目標融入城市空間規(guī)劃中。合理設計城市住房制度，形成供需適配的局面，避免因盲目擴張建設用地導致粗放的土地利用方式，推動土地集約化利用，避免不集約助長建成區(qū)的低密度擴張。

（2）優(yōu)化農業(yè)生產投入結構，促進農業(yè)低碳生產。農業(yè)生產活動既可以是碳源，也可以產生碳匯，因此，在對農用地利用的過程中，要挖掘農業(yè)生產的低碳化路徑。

（3）增加碳匯，實現碳中和。通過制定相關政策，引導低碳產業(yè)合理布局，推進土地利用在數量結構和空間布局兩方面實現優(yōu)化。在開發(fā)土地時注重對生態(tài)環(huán)境的影響和保護，最大限度地避免土地開發(fā)帶來的負外部性影響。充分發(fā)揮林地、牧草地等土地利用類型的生態(tài)固碳能力，提高森林植被和土壤的碳儲量，提升土地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力。通過山水林田湖草沙修復治理，擴大植被覆蓋面積，增加森林碳儲量，防止多余的碳向大氣排放。

在綠色發(fā)展和生態(tài)文明建設理念的指導下，土地利用碳排放納入“十四五”規(guī)劃編制中，對于土地利用碳減排降碳，推動土地碳達峰的進程，優(yōu)化土地碳中和的路徑具有重要意義。