2025 年京津冀陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氧平衡分析

賈剛，李大瑞，孔翠霞，周志峰，郭俊光

國家林業(yè)和草原局林草調(diào)查規(guī)劃院

京津冀城市群是我國三大城市群之一，但是其經(jīng)濟發(fā)展、區(qū)域發(fā)展不平衡情況也較為突出，京津冀協(xié)同發(fā)展對有序疏解北京非首都功能、加強環(huán)渤海及京津冀地區(qū)合作發(fā)展具有重大意義。生態(tài)環(huán)境保護是京津冀協(xié)同發(fā)展的重點領域，也是其先行發(fā)展的重要突破口。在碳中和背景下，研究區(qū)域碳氧平衡生態(tài)用地需求，有利于促進京津冀地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護，實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展與自然環(huán)境的和諧共生[1-3]。

對于生態(tài)用地與碳氧平衡的研究，國外學者很早就關注到生態(tài)用地對區(qū)域發(fā)展的制約和影響，并從生態(tài)環(huán)境維護、生態(tài)規(guī)則等方面展開了多空間尺度的區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)研究[4-11]；國內(nèi)學者對該領域的研究雖然起步較晚，也從生態(tài)城市規(guī)劃、土地利用優(yōu)化布局、生態(tài)用地需求等方面提出了研究方法和解決途徑[9,12-13]。但是，就京津冀地區(qū)的相關研究較為少見。為此，筆者以2020 年為基準年，測算了2025 年基于碳氧平衡京津冀地區(qū)生態(tài)用地需求面積，有助于京津冀地區(qū)土地利用結構的優(yōu)化調(diào)整和節(jié)能減排措施的研究制定，以期為自然資源的宏觀管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

京津冀地區(qū)位于華北平原北部（113°27'E～119°50'E,36°05'N～42°37'N），包括北京市、天津市和河北省。地勢西北高、東南低，地貌類型復雜多樣，西北部為壩上高原，西部和北部為太行山、燕山山脈，東南部為華北平原北端，東臨渤海[14]。氣候為典型的溫帶半濕潤半干旱大陸性氣候，降水量自東南向西北遞減[15]。京津冀生態(tài)用地面積共有1 732.28 萬hm2，其中耕地面積645.73 hm2，園地面積116.90 hm2，林地面積754.12 hm2，草地面積197.67 hm2，濕地面積18.85 hm2。大部分地區(qū)森林植被為溫帶落葉闊葉林，主要樹種有油松（Pinus tabulaeformis）、落葉松（Larix gmelinii）、山楊（Populus davidiana）、白樺（Betula platyphylla）、蒙古櫟（Quercus mongolica）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、柏木（Cupressus funebris）等[16]。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)主要來源：1）《中華人民共和國2020 年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》和《中國統(tǒng)計年鑒（2021 年）》公布的主要能源產(chǎn)品消費量；2）北京市、天津市、河北省發(fā)布的本?。ㄊ校┑谌稳珖鴩琳{(diào)查主要數(shù)據(jù)公報中公布的各生態(tài)用地面積；3）《國務院關于印發(fā)2030 年前碳達峰行動方案的通知》《北京市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標綱要》《天津市碳達峰實施方案》《河北省國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標綱要》等文件中公布的單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放降幅、能源消耗降幅、每年國內(nèi)生產(chǎn)總值增幅等指標。

1.2.2 測算方法

1.2.2.1 釋碳耗氧量測算

釋碳量測算采用聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第四十九次（IPCC-49）全會通過的《IPCC 2006 年國家溫室氣體清單指南 2019 修訂版》中CO2排放的測算公式進行計算：

式中：Cit為i省（市）第t年的CO2排放總量，萬t；t為基準年，本研究為2020 年；Eijt為i?。ㄊ校┑趖年第j種能源的消費量，萬t；kj為第j種能源的碳排放系數(shù)，煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然氣等8 種能源的碳排放系數(shù)分別為1.900 3、2.860 4、3.020 2、2.925 1、3.017 9、3.095 9、3.175、21.622[17]。

耗氧量測算參考相關文獻[9,13,18-19]進行，公式如下：

式中：Oit為i省（市）第t年的耗氧量，萬t；lj為第j種能源的耗氧系數(shù)，煤炭類耗氧系數(shù)為32/12，燃油類為24/7，燃氣類為160/44。

1.2.2.2 釋碳耗氧量預測

釋碳量預測采用單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放降幅指標進行推算，公式如下：

式中：Cit′為預測的i?。ㄊ校┑趖'年的CO2排放總量，t'為預測年度，萬t，本研究為2025 年；Git為i?。ㄊ校┑趖年國內(nèi)生產(chǎn)總值，億元；Cid為i?。ㄊ校﹖'年比t年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放降幅，北京、天津、河北分別為18%、18%和19%；Git′為預測的i?。ㄊ校﹖'年國內(nèi)生產(chǎn)總值，億元，Git′=Git×(1+Giz)n，Giz為i省（市）每年國內(nèi)生產(chǎn)總值增幅，北京、天津、河北分別為5%、6%和6%。

耗氧量預測采用單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降幅指標進行推算，公式如下：

式中：Oit′為預測的i?。ㄊ校┑趖'年的耗氧量，萬t；Eid為i?。ㄊ校﹖'年比t年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降幅，北京、天津、河北分別為13.5%、13.5%和15.0%。

1.2.2.3 固碳釋氧量測算

固碳釋氧是陸地生態(tài)系統(tǒng)植被的一個重要生態(tài)功能[9]，主要是通過陸地上植物的光合作用來實現(xiàn)[20]。由于耕地、園地、林地、草地、濕地等生態(tài)用地被不同植被覆蓋，加之不同植被生物量的差異，導致各類生態(tài)用地的單位面積固碳量和釋氧量不同。根據(jù)第八次、第九次全國森林資源清查結果，對有關文獻[9,11,20]數(shù)據(jù)進行修正，生態(tài)用地單位面積固碳量與釋氧量見表1。

表1 生態(tài)用地單位面積固碳釋氧量和折算系數(shù)Table 1 Carbon fixation and oxygen release amountand conversion coefficient of ecologicalland per unit areat/(hm2·a)

各種生態(tài)用地單位面積固碳量或釋氧量分別乘以相應面積，然后相加之和即為生態(tài)用地的固碳總量或釋氧總量，因此，固碳量的計算公式如下：

式中：C Sit為i省（市）第t年的生態(tài)用地固碳總量，萬t；Aimt為i?。ㄊ校┑趖年第m種生態(tài)用地面積，hm2；CSm為第m種生態(tài)用地的單位面積固碳量，t/hm2。

釋氧量的計算公式如下：

式中：ORit為i?。ㄊ校┑趖年的生態(tài)用地釋氧總量，萬t；ORm為第m種生態(tài)用地的單位面積釋氧量，t/hm2。

1.2.2.4 固碳釋氧量預測

預測年度的生態(tài)用地固碳量，可按下式進行計算：

式中：CSit′為預測的i?。ㄊ校┑趖'年的生態(tài)用地固碳總量，萬t；n為基準年與預測年的間隔年數(shù)。

預測年度的生態(tài)用地釋氧量，可按下式進行計算：

式中 ORit′為預測的i?。ㄊ校┑趖'年的生態(tài)用地釋氧總量，萬t。

1.2.2.5 生態(tài)用地需求測算

根據(jù)IPCC 全球氣候變化報告，全球每年因人類活動釋放的CO2只有1/3 被陸地生態(tài)系統(tǒng)固定，其余有1/3 進入大氣，1/3 進入海洋被吸收。因此，陸地生態(tài)系統(tǒng)應至少承擔區(qū)域內(nèi)總固碳釋氧量1/3 的任務。如果區(qū)域的生態(tài)用地在功能和數(shù)量上能夠滿足這一要求，則區(qū)域自身能實現(xiàn)碳氧平衡，否則區(qū)域內(nèi)生態(tài)用地的固碳釋氧量將難以滿足人類活動的需求[9]。根據(jù)這一原理可測算出該區(qū)域某一時期維持碳氧平衡所需的標準生態(tài)用地面積和生態(tài)用地面積。本文標準生態(tài)用地面積是以不同類型生態(tài)用地單位面積植被生物量占林地單位面積植被生物量的比例而折算成的林地面積。

維持碳平衡所需標準生態(tài)用地面積計算公式如下：

式中：ACit′為i?。ㄊ校┑趖'年維持碳平衡標準生態(tài)用地需求面積，hm2；CSl為林地單位面積固碳量，t/hm2。

維持氧平衡所需標準生態(tài)用地面積計算公式如下：

式中：AOit′為i?。ㄊ校┑趖'年維持氧平衡標準生態(tài)用地需求面積，hm2；ORl為林地單位面積釋氧量，t/hm2。

計算出維持碳平衡所需標準生態(tài)用地面積和維持氧平衡所需標準生態(tài)用地面積后，取二者中的最大值，則為維持區(qū)域碳氧平衡所需的最小標準生態(tài)用地面積。然后，根據(jù)標準生態(tài)用地折算系數(shù)和各類生態(tài)用地面積占比，換算成各種類型的生態(tài)用地面積和總面積。

2 結果與討論

2.1 釋碳耗氧量現(xiàn)狀

人類活動中引起的釋碳耗氧主要來自人類生產(chǎn)和生活所使用的煤炭、石油等化石燃料的大量燃燒，以及土地利用變化。針對京津冀地區(qū)人類的主要活動和能源消費結構，選取煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然氣8 種能源進行釋碳耗氧量的測算。根據(jù)式（1）和式（2），2020 年京津冀地區(qū)釋碳量和耗氧量測算結果分別為125 576.3 萬和143 533.6 萬t。

北京的釋碳量和耗氧量分別為11 346.2 萬和9 055.2 萬t，天津分別為19 554.2 萬和21 274.0 萬t，河北分別為94 675.9 萬和113 204.4 萬t，三?。ㄊ校┲?，河北釋碳量和耗氧量最大。2020 年北京、天津和河北國內(nèi)生產(chǎn)總值分別為35 943.3 億、14 008 億、36 013.8 億元，三?。ㄊ校﹩挝粐鴥?nèi)生產(chǎn)總值釋碳量和耗氧量分別為0.3 和0.3、1.4 和1.5、2.6 和3.1 t/萬元。由此可見，河北單位國內(nèi)生產(chǎn)總值釋碳量和耗氧量均高于北京和天津。

從表2 和表3 可見，煤炭燃燒釋碳量和耗氧量分別為62 115.8 萬和87 166.3 萬t，焦炭燃燒分別為29 392.9 萬和27 402.1 萬t，原油燃燒分別為14 520.8萬和16 484.2 萬t，汽油燃燒分別為3 535.2 萬和4 143.6 萬t，煤油燃燒分別為2 536.7 萬和2 881.9 萬t，柴油燃燒分別為2 920.3 萬和3 234.1 萬t，燃料油燃燒分別為489.8 萬和528.8 萬t，天然氣燃燒分別為10 064.8 萬和1 692.6 萬t。8 種主要能源相比，釋碳量和耗氧量較大的是煤炭、焦炭、原油。

表2 不同能源燃燒釋碳量Table 2 Carbon release from combustion of different energy sources 萬t

表3 不同能源燃燒耗氧量Table 3 Oxygen consumption by different energy sources 萬t

2.2 釋碳耗氧量預測

根據(jù)北京、天津、河北單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗和單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放降幅有關資料，按式（3）和式（4）分別計算出2025 年京津冀地區(qū)釋碳量和耗氧量分別為135 957.0 萬和163 392.0 萬t，比2020 年分別增加8.3%和13.8%。

從各?。ㄊ校?025 年釋碳量（圖1）和耗氧量（圖2）來看，北京分別為11 874.4 萬和9 996.8 萬t，比2020年分別增長4.7%和10.4%；天津分別為21 457.6 萬和24 626.1 萬t，比2020 年分別增長9.7%和15.8%；河北分別為102 625.1 萬和128 769.2 萬t，比2020年分別增長8.4%和13.7%。

圖1 2025 年京津冀地區(qū)釋碳量Fig.1 Carbon release in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2025

圖2 2025 年京津冀地區(qū)耗氧量Fig.2 Oxygen consumption in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2025

2.3 生態(tài)用地固碳量與釋氧量預測

當前，我國對土地正逐步強化用途管制制度，特別是“三區(qū)三線”劃定，以及對耕地要求“進出平衡”、對林地要求“占補平衡”等規(guī)定，決定著生態(tài)用地面積不會發(fā)生太大變化。因此，可認為2025 年京津冀地區(qū)生態(tài)用地面積和結構與2020 年相比變化較小。在這一假設前提下，2025 年京津冀地區(qū)生態(tài)面積與2020 年基本保持一致，共有生態(tài)用地面積17 322 820.3 hm2。其中，耕地面積6 457 282.7 hm2，園地面積1 169 061.0 hm2，林地面積7 541 237.0 hm2，草地面積1 976 709.3 hm2，濕地面積178 530.2 hm2。按照式（5）～式（8）可計算出2025 年京津冀地區(qū)固碳量和釋氧量分別為63 979.6 萬和166 440.4萬t。

2025 年北京固碳量和釋氧量分別為5 194.3 萬和13 283.4 萬t，天津分別為2 003.3 萬和5 268.7 萬t，河北分別為56 782.1 萬和147 888.2 萬t?？梢?，河北固碳量和釋氧量均大于北京和天津，其原因主要是河北生態(tài)用地面積在3 個?。ㄊ校┲凶畲?，是北京生態(tài)用地面積的12.9 倍、天津生態(tài)用地面積的27.7 倍。

從不同生態(tài)用地固碳量（圖3）和釋氧量（圖4）來看，2025 年耕地固碳量和釋氧量分別為22 051.6萬和59 084.1 萬t，園地分別為2 420.0 萬和6 453.2萬t，林地分別為35 706.4 萬和90 758.8 萬t，草地分別為3 399.9 萬和9 073.1 萬t，濕地分別為401.7 萬和1 071.2 萬t。5 種主要生態(tài)用地相比，固碳量和釋氧量最大的是林地，其次是耕地。分析其原因主要是與其面積占比和固碳釋氧能力有關。在面積方面，京津冀地區(qū)林地面積占生態(tài)用地面積的43.5%，面積占比最大；耕地面積占生態(tài)用地面積的37.3%，面積占比居其次。在固碳釋氧能力方面，由表1 可知，單位面積年固碳能力從大到小排序依次為林地、耕地、濕地、園地和草地；單位面積年釋氧能力從大到小排序依次為林地、耕地、濕地、園地和草地。由此可見，無論單位面積固碳能力還是釋氧能力，林地和耕地均大于其他類型。

圖3 不同生態(tài)用地固碳量Fig.3 Carbon sequestration amount in different ecological lands

圖4 不同生態(tài)用地釋氧量Fig.4 Oxygen release in different ecological lands

2.4 生態(tài)用地需求面積

根據(jù)碳氧平衡理論，陸地生態(tài)系統(tǒng)應至少承擔區(qū)域內(nèi)總固碳釋氧量1/3 的任務，才能維持生物圈中CO2和O2的平衡。而陸地生態(tài)系統(tǒng)所承擔的固碳釋氧量任務絕大部分由生態(tài)用地來完成。據(jù)此測算（表4），2025 年京津冀地區(qū)應完成的固碳量和釋氧量分別為45 319.0 萬和54 464.0 萬t，比預測的2025 年京津冀地區(qū)生態(tài)用地固碳量和釋氧量分別少18 660.6 萬和111 976.5 萬t，說明2025 年京津冀地區(qū)生態(tài)用地面積能夠滿足碳氧平衡的需要。但分地區(qū)看，各有不同。2025 年北京應完成的固碳量和釋氧量比預測量分別少1 236.1 萬和9 951.2 萬t，說明2025 年北京生態(tài)用地面積能夠滿足碳氧平衡的需要。2025 年天津應完成的固碳量和釋氧量比預測量分別多5 149.2 萬和2 939.9 萬t，說明2025 年天津生態(tài)用地面積不能夠滿足碳氧平衡的需要，應增加生態(tài)用地面積。2025 年河北應完成的固碳量和釋氧量比預測量分別少22 573.7 萬和104 965.2 萬t，說明2025 年河北生態(tài)用地面積能夠滿足碳氧平衡的需要。

表4 固碳量與釋氧量需求關系Table 4 Carbon sequestration related to oxygen demand 萬t

根據(jù)式（9）和式（10）計算得出（表5），2025 年京津冀地區(qū)維持碳平衡所需標準生態(tài)用地面積為957.2 萬hm2，維持氧平衡所需標準生態(tài)用地面積為452.6 萬hm2，取二者中最大的，維持碳氧平衡所需最小標準生態(tài)用地面積為957.2 萬hm2。與現(xiàn)有標準生態(tài)用地面積相比，少413.6 萬hm2，說明不需要再另外增加面積，現(xiàn)有標準生態(tài)用地面積能夠維持區(qū)域碳氧平衡。但就個別省（市）而言，還應增加標準生態(tài)用地面積，如天津應增加標準生態(tài)用地面積107.9 萬hm2，按標準生態(tài)用地折算應增加生態(tài)用地面積為140.4 萬hm2。

表5 維持碳氧平衡生態(tài)用地需求量Table 5 Ecological land demand for maintaining carbon and oxygen balance 萬hm2

2.5 討論

2025 年京津冀地區(qū)釋碳量和耗氧量分別為135 957.0 萬和163 392.0 萬t，為維持區(qū)域碳氧平衡需固碳量和釋氧量分別為45 319.0 萬和54 464.0 萬t，比預測的2025 年京津冀地區(qū)生態(tài)用地固碳量和釋氧量分別少18 660.6 萬和111 976.5 萬t，說明2025 年京津冀地區(qū)生態(tài)用地面積能夠滿足碳氧平衡的需要。

2025 年京津冀地區(qū)維持碳氧平衡所需最小標準生態(tài)用地面積為957.2 萬hm2。與現(xiàn)有標準生態(tài)用地面積相比較，少413.6 萬hm2，說明不需要再增加面積。但分?。ㄊ校﹣砜矗本?、河北的生態(tài)用地面積均能夠滿足碳氧平衡需，而天津還應增加標準生態(tài)用地面積107.9 萬hm2，方能滿足市內(nèi)維持碳氧平衡的需要。其所需增加的標準生態(tài)用地面積折算成對應生態(tài)用地面積為140.4 萬hm2。

8 種主要能源相比，京津冀地區(qū)釋碳量和耗氧量較大的是煤炭、焦炭、原油。天津釋碳量較大的是煤炭、原油、焦炭和天然氣，耗氧量較大的是煤炭、原油、焦炭和柴油。5 種主要生態(tài)用地相比，固碳量和釋氧量最大的是林地，其次是耕地。因此，天津市維持市內(nèi)碳氧平衡的根本途徑包括減排和增匯。減排主要指減少化石能源的消耗，如針對性地降低煤炭、原油、焦炭和柴油的使用比例，并使用高性能環(huán)保設施，應用清潔能源等。增匯主要指的是增加生態(tài)用地植被的固碳量和儲碳量，主要通過增加生態(tài)用地面積和提高生態(tài)用地質(zhì)量得以實現(xiàn)，如增加林地面積，調(diào)整森林結構。

3 結論與建議

根據(jù)天津第三次全國國土調(diào)查主要數(shù)據(jù)公報，天津林地面積只占總面積的12.1%，遠低于北京（59.0%）和河北（34.0%），說明應充分利用邊角地、空閑地、拆違地、四旁地、庭院等逐步增加綠化面積，受土地用途管制所限，還應考慮京津冀協(xié)同發(fā)展大局，將維持市域碳氧平衡不能在本市增加的林地或生態(tài)用地面積通過投資河北生態(tài)建設形式進行彌補；林地中，喬木林地面積比例為21.4%、灌木林比例為8.6%，其他林地比例為70%，其他林地面積過大，應通過造林綠化逐步增加喬木林地和灌木林地面積比例，還應通過森林撫育、退化林修復等措施提升喬木林和灌木林質(zhì)量。雖然北京、河北維持碳氧平衡不需要再增加生態(tài)用地面積，但也應考慮區(qū)域生態(tài)環(huán)境的一體化發(fā)展，通過開展造林綠化、森林撫育、低效林改造、退化林修復、草地改良等，帶動區(qū)域生態(tài)環(huán)境的整體好轉(zhuǎn)，為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展與自然環(huán)境的和諧共生起到示范帶頭作用，為京津冀協(xié)同發(fā)展貢獻應有力量。

本次碳氧平衡分析假設的前提是2025 年京津冀地區(qū)生態(tài)用地面積和結構與2020 年相比基本無變化。但無論土地用途管制制度執(zhí)行得多么嚴格，在實際社會和經(jīng)濟發(fā)展過程中生態(tài)用地面積會略有調(diào)整，而且生態(tài)用地結構和質(zhì)量也會發(fā)生變化，進而影響生態(tài)用地的固碳量和釋氧量以及區(qū)域碳氧平衡。因此，在實際生產(chǎn)和科研中，如應用本次研究成果，應根據(jù)每年生態(tài)用地的實際變化量來逐步修正。