土地整治工程碳效應(yīng)測(cè)算研究
——以河北省景縣為例

李雅楠，胡永翔，2，尚國(guó)琲，2，張霞，2

（1.河北地質(zhì)大學(xué)土地科學(xué)與空間規(guī)劃學(xué)院，河北石家莊 050031；2.河北省國(guó)際科技合作基地：河北地質(zhì)大學(xué)河北省農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)國(guó)際聯(lián)合研究中心，河北石家莊 050031）

0 引言

我國(guó)當(dāng)前正處于經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，基于工業(yè)化的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和人口眾多的現(xiàn)狀，我國(guó)大力發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和綠色產(chǎn)業(yè)。土地利用活動(dòng)對(duì)土壤和植被碳庫(kù)均會(huì)造成不同程度的破壞，同時(shí)各種農(nóng)業(yè)投入和機(jī)械化生產(chǎn)成為了二氧化碳等碳?xì)怏w排放的直接碳源［1］。土地整治工程可以改變土地利用結(jié)構(gòu)和利用方式，但在施工過(guò)程中能源消耗帶來(lái)的碳排放對(duì)項(xiàng)目區(qū)的生態(tài)環(huán)境和碳平衡產(chǎn)生重要影響。

目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于土地整治項(xiàng)目碳效應(yīng)的研究較少，多集中在土地整治的內(nèi)涵［2］、政策法規(guī)［3］、整治模式［4］和效益評(píng)價(jià)研究［5］，只有少數(shù)對(duì)土地整治的碳效應(yīng)機(jī)理［6］和碳效應(yīng)測(cè)算［7，8］進(jìn)行分析研究。土地整治工程涉及到土地利用結(jié)構(gòu)、利用方式、整治后的農(nóng)田管理以及工程施工等多種方面，是一項(xiàng)復(fù)雜的土地利用系統(tǒng)工程。以往研究多基于土地利用變化帶來(lái)的碳儲(chǔ)量進(jìn)行測(cè)算，無(wú)法綜合反應(yīng)土地整治項(xiàng)目對(duì)研究區(qū)碳平衡的影響狀況。因此，本文以河北省景縣洚河流鎮(zhèn)土地整治項(xiàng)目為例，從工程施工、土地利用結(jié)構(gòu)和農(nóng)田管護(hù)三個(gè)角度研究土地整治工程碳效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)碳源和碳匯之間的轉(zhuǎn)化，提高土地的生態(tài)價(jià)值，更好地應(yīng)對(duì)全球氣候變化。

1 研究方法

土地整治工程主要包括土地平整工程、灌溉與排水工程、田間道路工程和農(nóng)田防護(hù)與生態(tài)環(huán)境保持工程。本文主要從工程施工的碳排放效應(yīng)、土地利用結(jié)構(gòu)碳效應(yīng)和農(nóng)田管護(hù)碳效應(yīng)3 個(gè)方面進(jìn)行測(cè)算。從時(shí)間上看，工程施工的碳排放屬于短期碳效應(yīng)，土地利用結(jié)構(gòu)和農(nóng)田管護(hù)碳效應(yīng)屬于長(zhǎng)期碳效應(yīng)。研究框架如圖1所示。

圖1 研究框架圖Fig.1 Research framework diagram

1.1 工程施工碳效應(yīng)核算

工程實(shí)施過(guò)程產(chǎn)生的碳排放主要來(lái)源于兩個(gè)方面：一是平整土地、修建溝渠、翻修道路等施工活動(dòng)需要大量機(jī)械的投入，消耗汽油、柴油等燃料，產(chǎn)生碳排放；另一方面是各種物料的投入，例如石灰、混凝土、鋼鐵以及PVC 管等，使用這些物料不存在碳排放，但因?yàn)檫\(yùn)輸成本等原因，所用物料均由研究區(qū)內(nèi)工廠生產(chǎn)，在生產(chǎn)這些物料時(shí)會(huì)產(chǎn)生碳排放。此部分碳效應(yīng)采用物料衡算法［9］來(lái)測(cè)算，具體測(cè)算模型如下：

式中：C工為工程施工碳排放總量，t；MCi為i種能源及物料的使用量，kg；ECi為i種能源及物料對(duì)應(yīng)的碳排放系數(shù)，kg/kg、kg/m3或kg/株。

1.2 土地利用結(jié)構(gòu)碳效應(yīng)核算

土地利用結(jié)構(gòu)碳效應(yīng)是指整治前后由于地類轉(zhuǎn)換帶來(lái)的土地碳儲(chǔ)量的變化。兩者之間的差值即為土地利用結(jié)構(gòu)碳效應(yīng)。土地碳儲(chǔ)量包括土壤碳儲(chǔ)量和植被碳儲(chǔ)量。采用生態(tài)系統(tǒng)類型法［10］進(jìn)行測(cè)算，具體測(cè)算模型如下：

式中：C結(jié)為研究區(qū)整治項(xiàng)目后總碳儲(chǔ)量的變化，t；C后和C前為整治后和整治前土地的碳儲(chǔ)量，t；Li為i種土地利用類型整治前后面積的變化，hm2；Si和Pi為i種土地利用類型的土壤碳密度和植被碳密度，t/hm2。

1.3 農(nóng)田管護(hù)碳效應(yīng)核算

農(nóng)田管護(hù)碳效應(yīng)分為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收效應(yīng)和農(nóng)田耕作的碳排放效應(yīng)。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收效應(yīng)主要考慮：土地整治后耕地?cái)?shù)量的增加以及耕作條件的改善帶來(lái)的農(nóng)作物產(chǎn)量的增加，具體測(cè)算模型如下：式中：C農(nóng)為i種農(nóng)作物的碳吸收量，t；Wi、Hi和fi分別為i種農(nóng)作物平均含水率、經(jīng)濟(jì)系數(shù)、碳吸收率；Yi為i種作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，t。

農(nóng)田耕作的碳排放效應(yīng)主要來(lái)源于3 個(gè)方面［11］：一是化肥和農(nóng)藥等物資投入；二是在進(jìn)行灌溉時(shí)所消耗的電能；三是機(jī)械化作業(yè)過(guò)程中所消耗的能源，算法與工程碳效應(yīng)相同，采用物料衡算法來(lái)測(cè)算，具體測(cè)算模型如下：

式中：C耕為農(nóng)田耕作的碳排放總量，t；Ci為i種農(nóng)業(yè)投入產(chǎn)生的碳排放，t；Ti為i種農(nóng)業(yè)投入的使用量，t；δi為i種農(nóng)業(yè)投入的碳排放系數(shù)，t/t。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省景縣洚河流鎮(zhèn)，地理位置為東經(jīng)116°09'20″～116°13'44″，北緯37°41'27″～37°46'28″。西起后孟橋、西朱河、司馬莊，東至崔屯、宋屯，北起趙將軍、六合村，南到顏莊，包括崔屯、大代莊、大王高等39 個(gè)村莊，位置如圖2 所示。地貌屬海陸交替沉積平原，微地貌類型復(fù)雜，平均海拔在20.5 m左右。光熱條件可滿足農(nóng)作物一年兩作“冬小麥夏玉米”種植制度需要。項(xiàng)目于2016 年動(dòng)工，2020 年驗(yàn)收，涉及規(guī)模2 625.01 hm2，總投資額為1 949.845 2 萬(wàn)元。

圖2 項(xiàng)目位置圖Fig.2 Project location map

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

工程施工階段各種物料和能源的使用量均通過(guò)河北地質(zhì)大學(xué)土地科學(xué)與空間規(guī)劃學(xué)院編制的《景縣土地整治項(xiàng)目建設(shè)報(bào)告書-2020》中的主要材料用量匯總表獲得。各個(gè)物料和能源的碳排放系數(shù)通過(guò)IPCC 指南［12］和參考相關(guān)文獻(xiàn)［13，14］整理得到，見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)能源和物料碳排放系數(shù)Tab.1 Carbon emission coefficients of energy and materials in the study area

土地利用結(jié)構(gòu)碳效應(yīng)所需要的土地整治前后土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)是在地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站下載遙感影像，然后經(jīng)解譯獲取。各地類植被碳密度和土壤碳密度參照前人［15，16］對(duì)華北平原或自然條件氣候相似地區(qū)的研究中整理得到，研究區(qū)主要涉及的6個(gè)地類的土壤、植被碳密度見(jiàn)表2。

表2 研究區(qū)植被碳密度和土壤碳密度t/hm2Tab.2 Vegetation carbon density and soil carbon density in the study area

農(nóng)田管護(hù)碳效應(yīng)涉及到的農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物資投入等數(shù)據(jù)來(lái)自河北省統(tǒng)計(jì)局的《河北省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒2017》、《河北省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒2021》和中國(guó)統(tǒng)計(jì)局的《中國(guó)縣域統(tǒng)計(jì)年鑒2017》、《中國(guó)縣域統(tǒng)計(jì)年鑒2021》。農(nóng)作物的平均含水率、經(jīng)濟(jì)系數(shù)和碳吸收率的相關(guān)參數(shù)參考以往研究［17-19］獲得，見(jiàn)表3。各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入的碳排放系數(shù)通過(guò)諸多學(xué)者［20-22］的研究成果整理得到，見(jiàn)表4。

表3 項(xiàng)目區(qū)主要農(nóng)作物相關(guān)參數(shù)Tab.3 Related parameters of main crops in the project area

表4 項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入物資碳排放系數(shù)Tab.4 Carbon emission coefficient of agricultural inputs in the project area

3 研究結(jié)果

3.1 工程施工碳效應(yīng)

該土地整治項(xiàng)目在工程施工過(guò)程中的碳排放量為8 988 t，修建防護(hù)林的碳匯量為197 t，最終的凈碳排放量為8 791 t，呈現(xiàn)出明顯的碳排放狀態(tài)。其中石灰的碳排放量最多，為5 468 t，占總碳排放的60.84%；然后是混凝土，占總碳排放的29.78%；防護(hù)林的碳匯量為197 t，可抵消總碳排放的0.98%，見(jiàn)表5。

表5 土地整治工程能源和物料使用量和碳排放量Tab.5 Energy and material consumption and carbon emission of land consolidation project

3.2 土地利用結(jié)構(gòu)碳效應(yīng)

土地整治項(xiàng)目完成后，各地類面積變化和增幅情況如圖3、4；地類轉(zhuǎn)換導(dǎo)致土地碳儲(chǔ)量的變化如表6。土地整治完成后，土地總碳儲(chǔ)量增加1 611 t。

表6 土地整治前后土地碳儲(chǔ)量變化tTab.6 Changes of land carbon storage before and after land consolidation

圖3 各地類面積變化圖Fig.3 Variation diagram of local class area

3.3 農(nóng)田管護(hù)碳效應(yīng)

土地整治項(xiàng)目完成后，研究區(qū)的耕地主要以水澆地為主，種植作物為小麥和玉米，采用“冬小麥—夏玉米”的種植模式。2016 年土地整治前小麥和玉米的單產(chǎn)為7.50 和8.70 t/hm2。2020年土地整治完成后，單產(chǎn)增至7.95和9.15 t/hm2。

圖4 各地類面積增幅變化圖Fig.4 Variation of area increase in each region

經(jīng)測(cè)算，土地整治前農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量為39 844 t，整治后碳儲(chǔ)量為42 506 t，碳匯量增加2 662 t，增長(zhǎng)6.68%，其中冬小麥增加1 351 t，夏玉米增加1 311 t，見(jiàn)表7。

表7 土地整治前后農(nóng)作物碳吸收量變化tTab.7 Changes of crop carbon uptake before andafter land consolidation

整治前后各農(nóng)業(yè)投入量相對(duì)應(yīng)的碳排放值，見(jiàn)表8。由表8中可知，無(wú)論是整治前還是整治后，碳排放大部分來(lái)源于化肥的使用。由于整治后耕地面積尤其是水澆地面積的增加，導(dǎo)致化肥、農(nóng)藥和灌溉的碳排放均有不同程度的增加，分別增加28、5 和52 t；整治后的耕地機(jī)械化程度加強(qiáng)，由農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)生的碳排放隨之增加26 t。所以土地整治前后，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的碳排放總體上成增加的狀態(tài)，增加111 t。

表8 土地整治前后農(nóng)業(yè)投入碳排放變化Tab.8 Changes of agricultural input carbon emissions before and after land consolidation

4 結(jié)果分析

4.1 碳盈虧平衡分析

在土地整治工程完成后，既有短期碳效應(yīng)，又有長(zhǎng)期碳效應(yīng)，碳源碳匯同時(shí)存在。一是工程施工在短期內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的碳排放；二是整治后由于土地利用結(jié)構(gòu)的改變，土地的碳儲(chǔ)量能力會(huì)隨之提升；三是耕地面積的增加和耕作條件的改善使農(nóng)作物產(chǎn)量提升，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力加強(qiáng)；四是農(nóng)業(yè)耕作活動(dòng)的碳排放較整治前成增加的狀態(tài)。

因此，在土地整治完成后的一定時(shí)間，土地利用結(jié)構(gòu)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)增加的碳儲(chǔ)量將會(huì)抵消掉工程施工和農(nóng)田耕作增加的碳排放量，從而達(dá)到碳平衡狀態(tài)，以探究整治區(qū)達(dá)到碳盈虧平衡所需要的時(shí)間，本文建立碳盈虧平衡模型，具體測(cè)算模型如下：

式中：T為達(dá)到碳平衡所需時(shí)間，a；C工1為C工中除去防護(hù)林的碳排放，t；C林為防護(hù)林的碳匯量，t。經(jīng)測(cè)算，研究區(qū)達(dá)到碳盈虧平衡所需時(shí)間為2.06 a。

4.2 生態(tài)環(huán)境狀況分析

土地整治完成后，對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響是不可忽視的，本文基于生物豐度指數(shù)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)兩個(gè)方面考察土地整治對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。生物豐富度W可以反應(yīng)研究區(qū)生物的豐富和貧乏程度；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)EV可以直觀地反應(yīng)出研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量，本文整理借鑒劉敏［23］、高晶［24］、董建紅［25］等人的研究成果，具體測(cè)算模型如下：

式中：W為生物豐富度；EV為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci為第i種地類的生態(tài)環(huán)境指數(shù)；n為地類數(shù)目；Aki為t時(shí)期地類i的面積，hm2；Ak為區(qū)域總面積，hm2。各地類的生態(tài)環(huán)境指數(shù)參考董建紅［25］等制定的各二級(jí)地類生態(tài)環(huán)境指數(shù)值，如表9。

表9 各地類生態(tài)環(huán)境指數(shù)值Tab.9 Values of ecological environment indices in different regions

通過(guò)計(jì)算，土地整治前后生物豐度指數(shù)、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的變化如表10所示。由結(jié)果可知，土地整治前后無(wú)論是生物豐富度還是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，都沒(méi)有發(fā)生較大變化，說(shuō)明土地整治工作并沒(méi)有對(duì)研究區(qū)的生物豐度和環(huán)境質(zhì)量帶來(lái)負(fù)面消極影響。

表10 整治前后各指標(biāo)變化情況%Tab.10 Changes of each index before and after remediation

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

從土地整治過(guò)程中工程施工、土地利用結(jié)構(gòu)和農(nóng)田管護(hù)3個(gè)角度出發(fā)，構(gòu)建了土地整治碳效應(yīng)核算體系，測(cè)算了研究區(qū)碳效應(yīng)，得出結(jié)論如下。

（1）從測(cè)算結(jié)果看，工程施工帶來(lái)的碳排放量為8 791 t；土地利用結(jié)構(gòu)碳效應(yīng)的碳匯增量為1 611 t；農(nóng)田管護(hù)碳效應(yīng)中的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯增量為2 662 t，農(nóng)業(yè)耕作增加的碳排放量為111 t。經(jīng)研究，土地整治項(xiàng)目完成后，沒(méi)有對(duì)研究區(qū)的生物豐度和環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響，短時(shí)間內(nèi)研究區(qū)表現(xiàn)為碳排放，經(jīng)過(guò)碳盈虧平衡分析，預(yù)計(jì)2.06 a之后，達(dá)到碳盈虧平衡點(diǎn)，之后表現(xiàn)為長(zhǎng)期的碳匯。

（2）工程施工對(duì)研究區(qū)的碳平衡擾動(dòng)較大，其中碳排放主要受石灰和混凝土的影響，防護(hù)林的碳匯性質(zhì)可以在一定程度上減少施工帶來(lái)的碳排放，但影響力較小，所以工程施工整體成碳排放狀態(tài)。

（3）土地利用結(jié)構(gòu)碳效應(yīng)中，總體表現(xiàn)為碳儲(chǔ)量增加1 611 t，土壤碳儲(chǔ)量增加是總碳儲(chǔ)量增加的主要原因。耕地和園地面積的增加是總碳儲(chǔ)量增加的關(guān)鍵，林地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地和其他土地的損失使碳儲(chǔ)量減少。

（4）農(nóng)田管護(hù)碳效應(yīng)中，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳效應(yīng)碳吸收量增加2 662 t，主要原因是農(nóng)作物產(chǎn)量的提高。農(nóng)業(yè)耕作的碳排放量增加111 t，土地整治后耕地面積增加，導(dǎo)致化肥、農(nóng)藥、灌溉面積的增加，機(jī)械化作業(yè)量的加大，故由此產(chǎn)生的碳排放也相應(yīng)的增加。

5.2 討論

（1）由測(cè)算結(jié)果可以看出，工程施工是整個(gè)土地整治項(xiàng)目中碳排放的最大來(lái)源。應(yīng)當(dāng)根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際需求，結(jié)合地勢(shì)條件，科學(xué)合理的規(guī)劃施工方案，盡量減少工程量，降低能源和物料的消耗。同時(shí)增加防護(hù)林的種植，增加防護(hù)林?jǐn)?shù)量。

（2）地類轉(zhuǎn)換帶來(lái)的土地利用結(jié)構(gòu)碳效應(yīng)是正向積極的。在各地類中，林地的碳密度是最大的，園地和耕地次之，交通運(yùn)輸用地的碳密度最小，所以在整治過(guò)程中，從碳效應(yīng)角度出發(fā)，要盡可能地保護(hù)和增加林地、園地和耕地的面積，以達(dá)到碳吸收量的最大值。

（3）耕地面積增加必然會(huì)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入的增加，從而增加農(nóng)田耕作碳排放。在農(nóng)田耕作時(shí)，應(yīng)選擇碳排放系數(shù)較低的化肥農(nóng)藥品種，合理規(guī)劃灌溉制度，減少用電量，最大程度的減少碳排放量。