土地利用碳排放研究進(jìn)展與展望

鄧康龍，汪倩倩，陳欣悅，曾小雨，徐裕煥，武慧君

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 引言

近年來，全球氣候變化一直是國際討論的熱點(diǎn)問題，同時(shí)也是可持續(xù)發(fā)展面臨的巨大挑戰(zhàn)[1]。為應(yīng)對(duì)全球氣候變暖，在2015年，全球147個(gè)國家簽署了《巴黎協(xié)定》，并承諾將全球平均氣溫升溫限制在高于工業(yè)化前水平2 ℃以內(nèi)，并努力將溫度升高限制在高于工業(yè)化前水平1.5 ℃以內(nèi)[2]。中國政府也相繼承諾到2030年前碳排放達(dá)到峰值，并在2060年之前實(shí)現(xiàn)碳中和[3，4]。研究顯示氣候變化不單單是氣溫的升降，它會(huì)影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的均衡，相應(yīng)也會(huì)伴隨一系列的自然災(zāi)害和社會(huì)經(jīng)濟(jì)問題，如極端天氣、農(nóng)業(yè)災(zāi)害、漁業(yè)減產(chǎn)、生物多樣性減少、沙漠化、沿海城市淹沒和貧困人口上升等[5]。研究證明全球變暖是由于大氣中二氧化碳濃度的攀升造成溫度升高，進(jìn)而產(chǎn)生溫室效應(yīng)，而土地利用變化是造成溫室效應(yīng)的主要原因之一[6]。人類活動(dòng)中的開墾農(nóng)田、城市建設(shè)、交通運(yùn)輸、垃圾處置、工業(yè)生產(chǎn)、資源開采等都會(huì)引起土地利用變化[7]。

土地利用變化作為僅次于能源消耗的第二大碳排放源，為人們開展人為碳排放研究提供了重要的分析視角[8]。土地利用變化不僅會(huì)改變所承載的自然碳通量，還會(huì)改變?nèi)祟惢顒?dòng)密集地區(qū)的碳排放，從而顯著影響全球碳平衡[9]。同時(shí)在研究土地利用時(shí)還會(huì)綜合考慮其具有的碳源和碳匯的雙重作用，如土地上的森林、草地等通過光合作用吸收空氣中的碳，生物的呼吸、排泄和腸胃發(fā)酵以及人類活動(dòng)等產(chǎn)生的碳排放，特別是人為碳排放居多[10]。21世紀(jì)以來，學(xué)者們?cè)谕恋乩锰寂欧藕怂恪C(jī)理、效應(yīng)、影響因素及低碳減排策略上的相關(guān)研究不斷完善，但由于土地利用變化受經(jīng)濟(jì)政治和文化觀念等人為因素，以及地形氣候和土壤條件等自然因素的共同影響，導(dǎo)致土地利用碳排放的研究存在一定的復(fù)雜性和不確定性，故此成為全球變化研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一[11]。

基于此，本文深入研究土地利用碳排放相關(guān)模型和土地變化的調(diào)控機(jī)制，從土地利用碳排放的國內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行綜述分析，對(duì)低碳發(fā)展的前景提出展望，旨在引發(fā)人們對(duì)土地利用的低碳發(fā)展的思考。

2 土地利用的碳排放研究進(jìn)展

土地利用的碳排放研究一般可以從土地利用類型變化的碳排放和土地載體上的人為源排放兩個(gè)方面來著手。一方面，是指土地利用類型轉(zhuǎn)變和土地利用保持對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響；另一方面是指土地利用類型上所承載的全部人為碳排放，包括開墾農(nóng)田、城市建設(shè)、交通運(yùn)輸、垃圾處置、工業(yè)生產(chǎn)和資源開采等等，即土地利用碳排放是不同土地類型上的綜合碳排放的空間強(qiáng)度和分布效果[12]。

2.1 土地利用的碳排放核算研究

土地利用碳排放核算研究是土地利用碳排放的基礎(chǔ)研究，為土地利用碳排放的后續(xù)研究提供了基礎(chǔ)保障。從國家層面分析，以聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)發(fā)布的《IPCC家溫室氣體清單指南》最具影響力，為碳排放的核算研究提供了整體的核算參考[13]。但從區(qū)域?qū)用娣治?，該指南無法反映區(qū)域的差異性、復(fù)雜性和獨(dú)特性，故有些學(xué)者可能側(cè)重使用模型估算、樣地清查、遙感地圖以及排放檢測(cè)等方式來核算區(qū)域碳排放[14]。同時(shí)需要注意的是這些新技術(shù)手段因受到精度和成本較高、適用的范圍較小以及相關(guān)技術(shù)較難而難以推廣[15]。

如表1所示，對(duì)土地利用碳排放的常用核算模型及方法進(jìn)行了匯總，比較分析了各類模型的特征，并提供相關(guān)的碳排放核算研究的案例。

表1 常用碳排放核算模型

在進(jìn)行土地利用碳排放核算研究時(shí)，還要區(qū)分陸地生態(tài)系統(tǒng)碳排放核算與能源和工業(yè)源的碳排放核算。陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳排放核算主要從植被碳和土壤碳的研究入手，能源和工業(yè)源的碳排放核算更多體現(xiàn)在建設(shè)用地上，特別是伴隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長，不斷侵占其他土地利用類型并轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，即能源和工業(yè)源的碳排放是建設(shè)用地?cái)U(kuò)張下所導(dǎo)致的間接的土地利用碳排放。

綜合分析可得土地利用碳排放的核算研究推動(dòng)了碳排放與土地利用研究的結(jié)合，為土地利用碳排放的后續(xù)研究提供了計(jì)算依據(jù)。

2.2 土地利用的碳排放機(jī)理研究

土地利用的碳排放機(jī)理研究主要是探究土地利用碳排放的產(chǎn)生原因和驅(qū)動(dòng)機(jī)理，為土地利用碳排放的研究闡述了內(nèi)涵和價(jià)值。正如Houghton[24]通過歸納影響陸地碳匯形成機(jī)制可得出：一方面是影響光合、呼吸、生長以及腐爛分解速率的生理代謝機(jī)制，另一方面是自然干擾與土地利用變化管理的干擾和恢復(fù)機(jī)制。故這類研究可從自然干擾機(jī)制、土地利用類型轉(zhuǎn)變機(jī)制和土地管理方式轉(zhuǎn)變機(jī)制3個(gè)方面進(jìn)行機(jī)理分析及研究歸納(表2)。

如表2所示，國內(nèi)外的學(xué)者們通過不同的角度來詮釋土地利用碳排放機(jī)理研究，讓我們了解到土地利用變化改變了生態(tài)系統(tǒng)中土地使用的類型，進(jìn)而改變了土壤的有機(jī)碳的相關(guān)屬性。這說明土地利用的碳排放是直接受限于該土地的利用形式，然后是外部因素對(duì)土地利用的作用。因此在研究中，更需注重的是土地類型的轉(zhuǎn)換和人為管理方式的影響，再結(jié)合相關(guān)的模型從廣度和深度上去解析土地利用碳排放機(jī)理。

表2 常見碳排放機(jī)理分析

2.3 土地利用的碳排放效應(yīng)研究

在研究土地利用碳排放的機(jī)理后，其效應(yīng)研究就呼之欲出了。它主要是在機(jī)理研究基礎(chǔ)上去分析自然和人為活動(dòng)下土地向大氣釋放碳的過程中的機(jī)制及其影響，是土地利用碳排放的研究的內(nèi)核和焦點(diǎn)。結(jié)合《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》和中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所(RESDC)的資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心分類，將土地利用類型劃分成耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地6個(gè)一級(jí)類型以及25個(gè)二級(jí)類型，最后綜合分析將土地利用碳排放效應(yīng)影響歸納為四大點(diǎn)，如表3所示。

表3 土地利用碳排放效應(yīng)影響分析

在研究過程中，可以理解土地利用碳排放效應(yīng)更多的是土地利用碳排放機(jī)理分析的影響評(píng)價(jià)，它從系統(tǒng)化的角度更加宏觀地將陸地生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)、植被碳庫、土壤碳庫和人為源碳排放等這些結(jié)合研究，并得出學(xué)者們對(duì)于土地利用碳排放的標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展。各國再根據(jù)各區(qū)域的實(shí)際要求和碳排放現(xiàn)狀，制定滿足自身的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、分類標(biāo)準(zhǔn)、核算方法和排放因子等。為滿足國際間的碳排放研究學(xué)習(xí)和協(xié)助交易，聯(lián)合國也通過了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》(UNFCCC)和《IPCC國家溫室氣體清單指南等》等，為各國提供了國際認(rèn)可的可估算溫室氣體清單的方法學(xué)，這對(duì)研究全球土地利用特征以及碳排放效應(yīng)有著匪淺的影響。

2.4 土地利用的碳排放影響因素研究

土地利用的碳排放影響因素研究是分析其碳排放過程的受控因素，在從中得出影響土地利用碳排放的主要影響因素，并針對(duì)不同的影響因素提出低碳節(jié)能的發(fā)展措施，為土地利用規(guī)劃可持續(xù)發(fā)展提供現(xiàn)實(shí)意義。目前碳排放影響因素分析研究方法有：Kaya恒等式[45]、投入產(chǎn)出結(jié)構(gòu)分解法(Input-Output Structural Decomposition Analysis)、STIRPAT模型[46]、對(duì)數(shù)平均迪式指數(shù)法(Logarithmic Mean Divisia Index Method)[47]、Laspeyres指數(shù)法等，這些方法各有其特征與適用性，在國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域都取得了廣泛的應(yīng)用(表4)。

結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者的研究，發(fā)現(xiàn)影響土地利用碳排放增長的因素主要是經(jīng)濟(jì)發(fā)展、土地利用變化、人口規(guī)模角度和政府政策調(diào)控，而土地利用中能源效率提高和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化在一定程度上都有利于土地利用的碳減排。通過分析《全國土地利用總體規(guī)劃綱要(2006-2020年)》調(diào)整方案[54]，可知國家通過調(diào)整土地利用總體規(guī)劃和管制土地管理和用途等政策手段來推進(jìn)低碳優(yōu)化可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程。這說明未來城市發(fā)展土地利用的碳減排的趨勢(shì)已不可阻擋，雖在短期內(nèi)土地利用碳排放還會(huì)持續(xù)增長，但筆者堅(jiān)信實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和的目標(biāo)已不再遙遠(yuǎn)。

3 土地利用的低碳優(yōu)化發(fā)展

伴隨土地利用碳排放的日益增長，土地利用的低碳優(yōu)化對(duì)促進(jìn)碳減排和土地利用規(guī)劃有著巨大的潛力，也對(duì)提高土地利用效率和效益，以及實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境和諧有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。為實(shí)現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用，達(dá)到土地利用的低碳優(yōu)化，學(xué)者們研究利用了數(shù)理模型對(duì)土地利用進(jìn)行低碳優(yōu)化，以滿足在土地規(guī)劃上的現(xiàn)實(shí)需要和未來優(yōu)化發(fā)展。

數(shù)理模型可基于研究區(qū)域的數(shù)據(jù)建立土地利用與低碳優(yōu)化的相關(guān)數(shù)學(xué)模型，并設(shè)置土地利用低碳優(yōu)化模型的變量，確定目標(biāo)函數(shù)中效益系數(shù)，再設(shè)立相應(yīng)的土地約束條件，最后選擇合適的數(shù)理模型得到相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果。因此使用數(shù)理模型法相對(duì)于傳統(tǒng)的定性方法更具有科學(xué)性與客觀性[15]，常用的數(shù)學(xué)模型見表5。

表5 常用土地利用的數(shù)理模型

眾多學(xué)者運(yùn)用不同的模型和算法來研究土地利用低碳優(yōu)化發(fā)展，總結(jié)歸納以下二點(diǎn)。一方面，降低以人為碳排放土地利用碳排放，主要從土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化(植樹造林、擴(kuò)充碳匯)、土地利用規(guī)?？刂?控制建設(shè)用地規(guī)模)、土地利用方式轉(zhuǎn)變(減少對(duì)農(nóng)用地的占用)、土地利用布局調(diào)整(優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局)等要點(diǎn)來展開降碳；另一方面，國家相應(yīng)政策配套體系的建立，可以從強(qiáng)化低碳意識(shí)(樹立人們保護(hù)環(huán)境、低碳生活意識(shí))、規(guī)劃控制供地政策(嚴(yán)格控制建設(shè)用地規(guī)模，完善土地供應(yīng)政策)、土地用途管制(限制不合理的土地利用行為)、土地稅收保障(設(shè)立專項(xiàng)的土地利用資金)等政策來配套低碳優(yōu)化發(fā)展。

4 研究展望

土地利用變化產(chǎn)生碳排放一直是人類碳排放增長的重要原因，研究土地利用碳排放核算、機(jī)理、效應(yīng)及其影響因素是為了更好控制土地利用的碳排放，減緩溫室效應(yīng)，并為開展土地低碳優(yōu)化發(fā)展提供研究意義。

綜合來看，國內(nèi)外的學(xué)者針對(duì)土地利用碳排放的研究主要側(cè)重以下幾點(diǎn)，一是以時(shí)空尺度的土地利用碳的預(yù)測(cè)、核算與模擬，利用相關(guān)的時(shí)空數(shù)據(jù)和歷史資料文獻(xiàn)進(jìn)行大尺度的研究分析；二是針對(duì)土地利用碳的機(jī)理效應(yīng)影響分析不同的土地利用類型的轉(zhuǎn)變，以及外在因素對(duì)土地利用的影響對(duì)區(qū)域乃至國家的碳排放的綜合影響；最后一點(diǎn)是基于現(xiàn)有的碳排放現(xiàn)狀和國家政策影響，對(duì)土地利用碳排放的趨勢(shì)進(jìn)行情景預(yù)測(cè)，以滿足低碳優(yōu)化發(fā)展的總基調(diào)。

為克服現(xiàn)存的一些問題，如大尺度分析土地利用類型轉(zhuǎn)變和土地利用間的碳轉(zhuǎn)換研究文獻(xiàn)還是較少，缺乏系統(tǒng)性的研究脈絡(luò)；大量文獻(xiàn)側(cè)重于土地利用碳排放的理論研究，缺少了結(jié)合區(qū)域的土地利用現(xiàn)狀和政策要求的實(shí)際措施。因此，未來在研究土地利用碳排放和低碳優(yōu)化發(fā)展時(shí)，更應(yīng)該考慮多方面、多層次的碳排放研究的融合，如土地利用與能源利用的碳排放，還需要完善各類實(shí)時(shí)遙感監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和碳排放數(shù)據(jù)庫等基礎(chǔ)資料，以便于能隨時(shí)更新碳排放清單，確保碳排放研究的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，最后就是將國家政策和土地利用現(xiàn)狀結(jié)合起來，突破理論與實(shí)踐的壁壘，將精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)和科學(xué)的措施匹配到土地利用規(guī)劃上面來，這樣才能真正推動(dòng)土地利用碳排放的研究。