河南省土地利用碳源/匯及其變化分析

劉英,趙榮欽,焦士興

（1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院土木建筑工程學(xué)院,鄭州 450015;2.華北水利水電學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院,鄭州 450011;3.安陽(yáng)師范學(xué)院資源環(huán)境與旅游學(xué)院,河南安陽(yáng) 455002）

定量分析和評(píng)價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳源/匯狀況是碳循環(huán)研究的重要科學(xué)問(wèn)題[1],也是進(jìn)行區(qū)域碳循環(huán)機(jī)理研究的前提。土地利用變化是影響碳循環(huán)的重要因素,也是僅次于化石燃料的人為碳排放源[2]。土地利用變化直接影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的分布和結(jié)構(gòu),并改變其碳儲(chǔ)量和碳通量過(guò)程[3]。因此,定量分析土地利用變化的碳排放效應(yīng),研究不同土地利用方式的碳源/匯強(qiáng)度對(duì)于深入研究人為活動(dòng)對(duì)區(qū)域碳循環(huán)的影響至關(guān)重要。由于土地利用具有較大的復(fù)雜性及區(qū)域差異性,其對(duì)碳循環(huán)的影響程度、區(qū)域差異、碳源/匯[4]等問(wèn)題仍存在較大的空間差異[5]和不確定性。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)土地利用變化對(duì)碳循環(huán)的影響開展了較為深入的研究,如葛全勝等[6]研究發(fā)現(xiàn),過(guò)去300 a間,中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)植被和土壤變化造成的碳排放達(dá)4.50～9.54 Pg C;方精云等[7]研究表明:中國(guó)土地利用活動(dòng)(特別人工造林)引起陸地生態(tài)系統(tǒng)碳吸收大約為0.45 Pg C。也有一些學(xué)者對(duì)土地利用的碳排放效應(yīng)進(jìn)行了研究,如李穎[8]和張秀梅[9]等對(duì)江蘇省土地利用排放效應(yīng)及其變化進(jìn)行了分析,國(guó)土資源部公益性行業(yè)項(xiàng)目[10]對(duì)我國(guó)土地利用的碳排放狀況也進(jìn)行了定量分析。本文嘗試構(gòu)建土地利用碳源/匯研究的理論框架和理論模式,從土地利用的角度分析碳源/匯的影響因素,并以河南省為例,初步研究了區(qū)域不同土地利用方式碳源/匯強(qiáng)度的差異。

1 土地利用碳源 /匯計(jì)算方法

1.1 理論框架

不同土地利用方式的碳過(guò)程明顯不同,有些土地利用方式主要表現(xiàn)為碳源,如建設(shè)用地,而其他一些土地利用方式則表現(xiàn)為碳匯,如林地、草地。結(jié)合全國(guó)土地利用類型分類系統(tǒng),并借鑒已有相關(guān)研究[8-9],本文將土地利用方式分為碳源和碳匯兩種,前者包括建設(shè)用地(居民點(diǎn)及工礦用地、交通用地、水利設(shè)施用地)上能源消費(fèi)造成的碳排放和農(nóng)業(yè)耕作活動(dòng)造成的碳排放兩類;后者主要包括各類生產(chǎn)性土地上的植被生育期碳吸收,如林地、草地、耕地、園地。需要說(shuō)明的是:(1)建設(shè)用地和農(nóng)用地既是碳源又是碳匯,因?yàn)榧扔腥祟惢顒?dòng)碳排放,也有植被的碳吸收,而其他用地類型只表現(xiàn)為碳匯;(2)考慮到城市綠化用地具有一定的碳吸收功能,因此本文也將其列入土地利用碳匯之列;(3)未利用地也具有一定的碳匯效果,但數(shù)量甚微,且難以估算,因此忽略不計(jì)。具體理論框架見(jiàn)圖1。

圖1 土地利用碳源/匯研究的理論框架

1.2 計(jì)算方法

結(jié)合土地利用碳源/匯分析的理論框架,參考已有研究成果、模型和參數(shù),構(gòu)建了土地利用碳源/匯計(jì)算模型,各項(xiàng)具體計(jì)算方法如下。

1.2.1 碳排放測(cè)算

(1)建設(shè)用地碳排放。考慮到建設(shè)用地的碳排放主要來(lái)源于人為能源消費(fèi),因此這里以人為能源消費(fèi)的碳排放作為建設(shè)用地的碳排放量,計(jì)算方法如下:

式中:Ec——建設(shè)用地碳排放;Ei——第i種能源消費(fèi)量(標(biāo)準(zhǔn)煤);Eci——第i種能源碳排放系數(shù)[11]。

(2)農(nóng)用地碳排放。農(nóng)用地碳排放主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的投入,如農(nóng)業(yè)化肥、農(nóng)業(yè)機(jī)械使用和灌溉過(guò)程帶來(lái)的碳排放,計(jì)算公式如下:

式中:Ea——農(nóng)用地碳排放;Ef,Em,Ei——農(nóng)田化肥生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)機(jī)械使用和灌溉過(guò)程帶來(lái)的碳排放。各項(xiàng)碳排放過(guò)程計(jì)算公式見(jiàn)趙榮欽等[12],其中的碳排放轉(zhuǎn)化系數(shù)來(lái)自于West[13]。

1.2.2 碳吸收測(cè)算

(1)耕地碳吸收。耕地碳吸收主要是指農(nóng)作物生育期光合作用過(guò)程中合成的碳,計(jì)算公式如下[14]:

式中:Cd——耕地碳吸收;Cf——作物合成有機(jī)質(zhì)(干質(zhì)量)所需要吸收的碳(即碳吸收率);Yw——經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量;Dw——生物產(chǎn)量;Hi——第i種作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)[12,14]。

(2)其他土地碳吸收。

式中:Ci——第i種土地類型碳吸收,其中,i=1,2,3,分別為建設(shè)用地綠化部分、林地和草地;Si——第i種土地類型面積;Vi——第i種土地類型的碳吸收率,其中林地、草地碳吸收率借鑒謝鴻宇等[15]的研究成果,考慮到建設(shè)用地綠化部分既有樹木也有草地,因此其碳吸收率采用林草地的平均值。

1.2.3 土地利用碳源/匯強(qiáng)度 本文所指的碳源/匯強(qiáng)度是指各土地利用類型年度碳吸收和碳排放量與該土地類型面積的比值。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

采用1999-2008年河南省能源消費(fèi)、農(nóng)業(yè)投入、土地利用等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)國(guó)土資源年鑒》、《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)房地產(chǎn)統(tǒng)計(jì)年鑒》、《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》、《河南省調(diào)查年鑒》。

2 河南省土地利用碳源/匯結(jié)果分析

結(jié)合以上計(jì)算方法,運(yùn)用河南省相關(guān)數(shù)據(jù),對(duì)土地利用碳源/匯進(jìn)行了計(jì)算,主要結(jié)果分析如下。

2.1 土地利用碳源/匯構(gòu)成分析

建設(shè)用地上的能源消費(fèi)和農(nóng)業(yè)耕作活動(dòng)所排放的碳是構(gòu)成碳排放的主要來(lái)源,且其對(duì)總碳排放的貢獻(xiàn)率超過(guò)了90%(見(jiàn)圖2),農(nóng)業(yè)碳排放的貢獻(xiàn)率不足10%。這主要是因?yàn)榻ㄔO(shè)用地中的居民點(diǎn)和工礦用地、交通用地及水利設(shè)施用地上的能源消耗量很大,因而帶來(lái)了巨大的碳排放;相對(duì)而言,農(nóng)業(yè)耕作活動(dòng)中所用的機(jī)械、化肥、灌溉所排放的碳則相對(duì)較少(表1)。耕地、林地、草地上的植被生長(zhǎng)發(fā)育期進(jìn)行的光合作用過(guò)程是碳吸收的主要原因。其中耕地是碳吸收的主要構(gòu)成因素,其貢獻(xiàn)率為83%～87%。此外,林地也是重要的碳吸收因素,貢獻(xiàn)率達(dá)到了12%～16%。比較而言,草地和城市綠地由于所占面積比率較小,固碳能力有限(表1)。

圖2 河南省1999-2008年土地利用碳排放構(gòu)成

表1 河南省1999-2008年土地利用碳源/匯狀況 萬(wàn)t

2.2 土地利用碳源/匯變化分析

1999年河南省建設(shè)用地和農(nóng)用地的碳排放總量為5 321.42萬(wàn) t,2008年達(dá)到了13 023.03萬(wàn)t,10 a間這兩類用地的碳排放總量翻了一番還多。從變化趨勢(shì)上來(lái)看,1999-2008年間的碳排放呈逐年增長(zhǎng)并加速的趨勢(shì),以2003年為界,此前碳排放呈勻速緩慢增長(zhǎng),此后則出現(xiàn)加速增長(zhǎng)的趨勢(shì),這主要是因?yàn)殡S著河南省城市化進(jìn)程的加速,城市建設(shè)用地面積加速擴(kuò)張,因此造成建設(shè)用地碳排放劇增(表1)。

10 a間,耕地、林地、草地和城市綠地的碳吸收總量呈穩(wěn)中有升的緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),其中耕地碳吸收量呈顯著增加的趨勢(shì),而林地、草地碳吸收量變化不大,城市綠地碳吸收量也呈逐年增長(zhǎng)。這主要是因?yàn)?0 a間林地、草地面積變化不大,耕地面積雖穩(wěn)中有減,但隨著農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步和投入增加,農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量顯著提高,因此農(nóng)作物生育期的固碳能力也不斷提升。而且隨著城市化步伐加快,近幾年來(lái)更加注重塑造良好的城市環(huán)境,因此城市公共綠地建設(shè)力度逐年增大,綠地面積顯著增加,碳匯能力進(jìn)一步提高。

1999-2003年間,碳排放總量逐年增長(zhǎng)并逐漸加速,而碳吸收總量穩(wěn)中有升,增長(zhǎng)緩慢,因此凈碳排放量出現(xiàn)了顯著增長(zhǎng)的趨勢(shì)。2003年以前,碳吸收總量大于碳排放總量,因而凈碳排放量為負(fù)值,說(shuō)明河南省土地利用活動(dòng)的碳排放都可以由本省的生產(chǎn)性土地所吸收;2003年以后,由于碳排放總量顯著增長(zhǎng)且大大超過(guò)碳吸收總量,因而凈碳排放量出現(xiàn)了加速增長(zhǎng)的趨勢(shì),說(shuō)明河南省的碳匯不足以補(bǔ)償碳排放,并由此造成了碳赤字。這也應(yīng)歸因于城市化進(jìn)程加速帶來(lái)的建設(shè)用地面積劇增及其所帶來(lái)的大量碳排放(圖3)。

圖3 河南省歷年土地利用源/匯變化趨勢(shì)

2.3 土地利用碳源/匯強(qiáng)度分析

2008年河南省碳排放總量為13 023.03萬(wàn)t,其中建設(shè)用地碳排放量多達(dá)12 347.89萬(wàn)t,對(duì)總碳排放的貢獻(xiàn)率高達(dá)95%,其排放強(qiáng)度為56.46 t/(hm2?a),為耕地碳排放強(qiáng)度的66倍,是碳排放的主要來(lái)源。而農(nóng)業(yè)耕作活動(dòng)產(chǎn)生的碳排放量?jī)H占總碳排放量的5%,強(qiáng)度相對(duì)較低,僅為0.85 t/(hm2?a)。同年碳吸收總量為8 299.96萬(wàn)t,耕地、林地植被生長(zhǎng)吸收碳是碳匯的主要原因,其他如草地、建設(shè)用地中的城市公共綠地等也有明顯的碳匯作用,但受其面積所限,固碳能力有限。在不同土地利用類型中,建設(shè)用地碳排放強(qiáng)度最大,而耕地的碳匯能力最強(qiáng)(表2)。

表2 2008年河南省土地利用碳源/匯狀況

地均碳排放強(qiáng)度和地均建設(shè)用地碳排放強(qiáng)度10 a間均呈增長(zhǎng)趨勢(shì),不同的是地均碳排放強(qiáng)度增長(zhǎng)率低而緩,而地均建設(shè)用地碳排放自2001年之后呈加速增長(zhǎng)的趨勢(shì),增長(zhǎng)率高而增幅大。這主要是隨著工業(yè)化、城市化的快速發(fā)展,建設(shè)用地面積擴(kuò)大的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于碳排放的增加速度,因而地均建設(shè)用地碳排放強(qiáng)度呈逐年加速趨勢(shì)(圖4)。

1999年以來(lái),地均碳排放強(qiáng)度呈加速增長(zhǎng)趨勢(shì),2002年之前增速較緩,2002-2007年呈加速增長(zhǎng)趨勢(shì),2007年之后增速又趨緩。而同時(shí)期單位GDP碳排放強(qiáng)度緩慢下降,2004年以后有加速下降趨勢(shì)。這說(shuō)明隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程加速,雖然碳排放總量和碳排放強(qiáng)度增長(zhǎng)加速,但隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和國(guó)家對(duì)落后產(chǎn)能淘汰力度加大,人均GDP碳排放強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)(圖5)。

圖4 1999-2008年河南省地均碳排放強(qiáng)度變化

圖5 1999-2008年河南省碳排放強(qiáng)度變化

3 結(jié)論和建議

3.1結(jié)論

構(gòu)建了土地利用碳源/匯研究的理論框架和計(jì)算模型;并對(duì)河南省不同土地利用方式的碳源/匯狀況及其強(qiáng)度進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),2008年河南省土地利用碳排放和碳吸收總量分別為13 023.03萬(wàn)t和8 299.96萬(wàn)t,碳排放明顯大于碳吸收;建設(shè)用地碳排放和農(nóng)用地碳吸收分別是主要的碳源和碳匯途徑,其中建設(shè)用地碳排放強(qiáng)度最大,為56.46 t/(hm2?a),而耕地的碳匯能力最強(qiáng),為9.17 t/(hm2?a)。

3.2 建議

結(jié)合以上結(jié)論,提出以下政策建議:(1)河南省土地利用碳排放明顯大于碳吸收,說(shuō)明河南省的碳匯不足以補(bǔ)償碳排放,并由此造成了碳赤字。因此,一方面應(yīng)努力提高工業(yè)能源消費(fèi)和農(nóng)業(yè)耕作活動(dòng)的效率,降低單位面積碳排放;另一方面要加強(qiáng)植樹造林,提高區(qū)域碳匯水平、固碳效率和碳補(bǔ)償率。(2)建設(shè)用地是主要的碳排放源,主要?dú)w因于近年來(lái)城市化過(guò)程造成城市建設(shè)用地的加速擴(kuò)展,因此,適當(dāng)控制建設(shè)用地、提高能源使用效率、提高清潔能源比重是降低建設(shè)用地碳排放的關(guān)鍵。(3)根據(jù)各種土地利用方式的碳源/匯強(qiáng)度,通過(guò)規(guī)劃引導(dǎo),采取合理的土地利用規(guī)模、方式和布局來(lái)對(duì)碳排放進(jìn)行調(diào)節(jié),在區(qū)域?qū)用嫔咸剿鞯吞纪恋乩梅绞绞前l(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、降低碳排放的重要措施。

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