煙臺市土地利用變化碳排放效應分析

馬江濤 王濤 范擎宇 李鵬 何福紅

摘要基于2005—2014年煙臺市土地利用變化和能源消耗等資料，統計分析了2005—2014年煙臺市土地利用變化與碳排放量間的定量關系。結果表明，2005—2014年，煙臺市排碳量不斷增加，可以分為4個階段：平穩增長期（2005—2008年）、波動期（2008—2012年）、快速增長期（2012—2013年）、波動期（2013—2014年）；不同地類固碳與排碳角色不同，其中，建設用地是最主要的碳源，林地、草地、園地、水域等地類固碳慢，排碳比固碳要快得多。

關鍵詞土地利用變化；碳排放；煙臺市

中圖分類號S181.3文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2017）12-0043-05

AbstractBased on the data of land use change and energy consumption in Yantai during 2005-2014，quantitative analysis of the relationship between land use change and carbon emissions in Yantai during 2005-2014 was conducted.The results showed that carbon emissions everincreasing of Yantai from 2005 to 2014.The proscess can be divided into four stages：steady growth period（2005-2008），fluctuation period（2008-2012），rapid growth period（2012-2013），fluctuation period（2013-2014）.Different land use types play different role in carbon cycle，in which，construction land was the main carbon source，forest land，grassland，garden，water and other carbon sequestration slow，carbon emissions are much faster than carbon sequestration.

Key wordsLand use change；Carbon emission；Yantai

伴隨工業化、城市化進程的全球氣候變暖已成為人類面臨的首要環境問題。研究表明，溫室效應增強是全球氣候變暖的根本原因。學界研究發現，工業革命以來，全球大氣中二氧化碳含量增加了25%以上。人類在改變土地利用方式的過程中對全球碳排放影響巨大[1]。

1996年，政府間氣候變化委員會在《溫室氣體清單指南》中，根據碳循環中的角色，將土地利用變化劃分為3種。2003年楊景成根據我國情況，細化為4種類型：建設用地與非建設用地的相互轉化，耕地與林地、草地之間的轉化，外來物種入侵及植被變化等帶來的土地覆被變化，以及旱地與濕地的相互轉化。2006年版《IPCC國家溫室氣體清單指南》認定了6種土地類型：林地、濕地、草地、耕地、居民點及其他土地，并將其劃分為2種土地轉換類型：維持現貌的地類和已經轉變的地類。這一標準得到了學界的普遍認可[2] 。 筆者基于Landsat TM、OLI多光譜數據，采用計算機監督分類獲得煙臺市2005—2014年10個時段地類數據，并根據碳排放計算模型，求出煙臺市各時段各地類排碳量，基于該解析總體趨向，對煙臺市地類轉變碳排放效應進行研究，厘定出煙臺市凈排碳主控因素。

1材料與方法

1.1研究區概況

煙臺市地處山東半島東北部，全市土地共13 851.5 km2，人口653.41萬（據2014年統計），海岸線909 km，瀕臨渤海、黃海，共63個島嶼。煙臺是山東半島藍色經濟區重點區域，屬于國家首批濱海開放城市、環渤海經濟圈內重要的連接處、“一帶一路”國家著重發展的港口城市[3]。

煙臺由于地處沿海，冬季空氣較為溫潤。煙臺位于低山丘陵區，受魯中丘陵的制約，河流均為山溪河流，大致呈放射狀流入渤海和黃海。雨季河水暴漲，流量驟增；旱期河水急降，流量迅減。農業發展時間早，土壤類型眾多，適合農業、林業、畜牧業等副業的發展。煙臺市現有森林均為封山造林和建國后人工造林，氣候差異明顯，植被資料豐富，為該市多種經營及商品生產的發展提供了豐富的物質基礎。

1.2數據來源及數據處理

1.2.1數據來源。

1.2.1.1遙感數據。美國陸地衛星Landsat TM和Landsat 8 OLI 10個時期多光譜影像，成像時間為2005—2014年每年8月份數據，軌道號分別為11934、12034、12035及12134，數據來源于地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn/），Landsat TM多光譜影像空間分辨率為30 m×30 m，Landsat 8 OLI多光譜影像的空間分辨率為15 m×15 m，云層覆蓋率均低于5%。

1.2.1.2能源統計數據。來源于2005—2014年《煙臺市統計年鑒》。

1.2.2數據處理。

1.2.2.1遙感數據處理。采用ArcGIS對Landsat TM和Landsat 8 OLI遙感影像進行拼接，并進行大氣校正和幾何校正預處理，得到光譜失真較小、幾何精度較高的遙感圖像。參照全國土地利用分類標準，結合碳排放研究的需要，根據不同土地利用的影像光譜特征建立各土地利用類型的解譯標志，使用電腦程序監督分類和人工目視解譯一起對遙感圖像進行解譯[4]，把地類分成耕地、園地、林地、草地、建設用地、水域、其他土地7類（表1），得到了2005—2014年煙臺市10個時相的地類圖。在此基礎上結合實地調查分別對煙臺市2005、2014年2個時相土地利用分類結果的精度進行檢驗，分類精度Kappa系數分別是0.85和0.81，反映出的地類區分精度基本符合后續研究需要。

1.2.2.2能源數據處理。

能源統計數據主要來源于2005—2014年《煙臺市統計年鑒》，將其中的能源數據分類整理篩選，選取生產生活中常用的煤炭、焦炭、煤油、天然氣、汽油、原油、柴油、燃料油、液化石油氣共9類常用能源，把這9類數據都轉換成標準煤（表2、3）。

1.3研究方法

1.3.1土地利用變化分析。

土地利用動態度模型解析各地類動態變化可以更好地表現出范圍內各地類的轉變速度與激烈度[5-6]，其計算公式為

式中，K為該時間范圍內某地類的年變化率；Ua、Ub為該時間范圍（a、b）某個地類數量；T為研究時段長。

1.3.2土地利用碳排放估算和碳排放系數確定。

直接排碳與間接排碳是各地類排碳的2種形式[7]。直接碳排放分原有地類排碳和變化地類排碳；間接碳排放是人類在使用土地過程中的排碳[8]。結果證實，建設用地和耕地排碳是碳源；林地、草地、園地、水域和其他土地固碳是碳匯。

1.3.2.1土地利用直接碳排放量估算模型。建設用地利用排碳估算是根據人在建設用地上所使用能源（標煤量）導致的碳排放量進行測算的[9]，其計算公式為

式中，Ep為能源碳排放總量；ni為第i種能源的碳排放總量；Mi為第i種能源的質量；Qi為第i種能源的碳排放系數。

1.3.2.2土地利用間接碳排放量估算模型。耕地、林地、草地、園地、水域和其他用地類型的間接碳排放量計算公式為[10-17]

式中，EX為碳排放總量；ei是第i種地類排碳量；Si為第i種土地利用類型面積；Qi是第i種地類排碳系數。

2結果與分析

2.1土地利用動態變化土地利用類型動態度是相應時間內研究區各類土地的交互轉移、產生數量和結構的變化，其更加注重整個過程產生的動態變化，而不是注重產生的結果，用來反映區域地類轉變激烈度[18]。

由表4可知，2005—2014年煙臺市土地類型中建設用地和其他土地的面積有所增加，增加面積分別為26 668.59、2 019.67 hm2；耕地、園地、林地、草地、水域均呈減少趨勢，減少面積分別為4 291.45、9 828.35、2 894.13、6 720.31、4 954.02 hm2。其中草地減少的幅度最大，為-9.72%，建設用地的增幅最大，為1.42%。同時這也反映在土地利用動態度上，耕地、園地、林地、草地和水域的動態度是負數，分別為-0.093 4%、-0.398 3%、-0.128 0%、-0.972 3%、-0.515 0%。建設用地和其他土地為正值，分別為1.420 7%和0.184 2%。其中，草地的動態度減幅最大，但這并不單純地意味著其減幅大于園地，而是由于土地利用類型基數本身存在較大差異。耕地和林地的絕對量較多，但其減幅相對于較大的基數來說很小，因此表現出較小的動態度。綜合求得，2005—2014年土地利用的年變化率為-0.502 1%，可見煙臺市土地轉換程度不是很強烈。從圖1、2可以直觀地看出2005—2014年煙臺市的土地利用變化情況。

2.2土地利用轉移矩陣

由表5、圖3可知，2005—2014年煙臺各類型土地之間是相互轉化的。其中，耕地和園地大范圍轉變為其他土地類型是煙臺市土地利用變化的重要特征。10年間，耕地的轉化面積為11 504.33 hm2，絕大部分轉化為建設用地，占耕地轉化面積的88.21%，剩下的按轉化面積排序依次是其他土地、園地、林地、水域和草地，轉移面積依次是1 303.05、332.43、229.51、181.92、和0.02 hm2，轉變為草地面積最少；園地共轉出10 392.74 hm2，絕大部分成為建設用地，占園地總轉變的87.08%，剩下的園地按轉移面積排序依次是耕地、其他土地、水域、林地，轉移面積分別為606.13、533.77、131.33和71.23 hm2，幾乎沒有園地轉化為草地。

除了耕地和園地轉化為其他土地類型外，其余各土地類型之間的相互轉化也是比較明顯。這反映出煙臺土地類型的轉化不局限于農用轉化為非農用，非農用相互之間也存在變化。

除了園地和耕地外，其余土地類型相互之間的轉化有很大傾向性，林地的轉移土地大部分轉化為建設用地，也有一部分轉化為耕地和其他土地；草地轉化為耕地、建設用地居多，少部分變成其他土地；建設用地轉化為耕地居多，少部分變成園地；水域轉化為建設用地和其他土地居多，少部分變成耕地；其他土地的轉移土地大都變成建設用地及耕地。

綜合來看，在2005—2014年土地類型轉變中，園地、草地、耕地、林地和水域轉移為其他土地類型居多，面積不斷縮小，園地面積縮小的最多，草地、林地和水域幾乎都是以轉出為主；建設用地、其他土地面積連續增加，特別是建設用地增勢較強。

2.3土地利用碳排放量及其變化

根據土地利用直接碳排放模型，即式（2）求出2005—2014年煙臺市建設用地排碳量；根據土地利用間接碳排放模型，即式（3）求出2005—2014年煙臺市耕地、林地、園地、草地、水域和其他土地排碳量。

由表6可知，2005—2014年煙臺市的耕地和建設用地表現為排碳，其中建設用地排碳量在2013年前逐漸增加，2014年建設用地的碳排放量相比2013年總共減少了26.45萬t，因此建設用地碳排放總趨勢大致呈先增加后減少；耕地的碳排放量則逐漸減少。由于耕地的排碳能力很小，因此煙臺市〖CM（25〗碳排放總量改變趨向和建設用地的大致相同，總體變化趨勢先增加后減少。園地、林地、草地、水域和其他土地作為碳匯，其中園地、草地、林地的碳吸收能力逐漸減弱，固碳量逐漸減少，而其他土地固碳量呈先減少后增加的趨勢，水域由于碳吸收能力有限，因此固碳量總體變化不大，但總體來看煙臺市碳匯的固碳量不斷減少。煙臺市碳排放總量的變化趨勢與建設用地的碳排放量變化趨勢相差不大，大致都是先增加后減少，就碳排放總量來說數值相差不大。

2.4土地利用變化碳排放效應

分析表6和圖4可知，2005—2014年煙臺市總排碳量總體呈增長態勢，從2005的736.76萬t增長到2014年的1 256.80萬t，增加了520.04萬t，增幅達到70.58%。從變化趨勢來看，煙臺市凈碳排可分為4個階段：第1階段是2005—2008年，凈排碳量緩慢增加，為平穩增加期，這4年期間碳排放總量達到271.55萬t，增幅為36.86%；第2階段是2008—2012年，這5年內總碳排放量總體變化幅度不大，是平穩波動期，；第3階段為2012—2013年，1年內凈排碳量增加速度很快，凈排碳量2013年比2012年增加了259.7萬t，增幅達25.37%，是快速增長期；第4階段是2013—2014年，為平穩波動期，這2年內總碳排放量總體變化幅度不大，是平穩波動期。

分析不同種類土地碳排放量可知，煙臺市起固碳作用的主要是林地、草地、園地、水域和其他土地，固碳量最大為林地。2005—2014年煙臺市土地碳吸收量總體呈緩慢減少趨勢，期間減少7.12萬t，增幅為5.27%。煙臺市這10年間固碳量減少的主要原因是林地、草地、園地和水域面積不斷減少。固碳量方面，林地、園地、草地、水域面積分別減少6.80萬、0.22萬、 0.15萬、0.01萬t，減幅分別為6.66%、2.44%、11.36%和20.00%。其他土地類型固碳量增加了0.06萬t，主要由于其面積增加，增幅是1.33%。

煙臺市建設用地、耕地表現為排碳，即碳源，其中建設用地排碳方式主要是煤、石油、天然氣等能源的消耗使用，因此建設用地排碳最多。城市的發展必然帶動不同類型能源消耗量的變化和結構上的變化，隨著煙臺市近10年來城市發展速度的加快，煙臺市建設用地的碳排放呈不斷增加趨勢，10年內增加513.06萬t，增幅達60.00%。建設用地排碳趨向和煙臺市凈碳排趨向差不多，可分為4個階段：第1階段是2005—2008年，凈排碳量緩慢增加，為平穩增加期，這4年期間碳排放總量達到269.80萬t，增幅為30.95%；第2階段是2008—2012年，這5年內總碳排放量總體變化幅度不大，是平穩波動期；第3階段為2012—2013年，1年內凈排碳量增加速度很快，碳排放量2013年比2012年增加了259.15萬t，增幅達22.49%，是快速增長期；第4階段是2013—2014年，為平穩波動期，這2年內總碳排放量總體變化幅度不大，是平穩波動期。

圖4表明煙臺市凈排碳量與建設用地的排碳量在時間上大同小異，表明煙臺市凈排碳量和建設用地面積變化總體一致。基于SPSS軟件，對10年間的建設用地數量和凈排碳量進行關聯性分析，兩者相關系數為0.9，呈顯著正相關，表明各土地類型碳效應中，建設用地是主要碳源。

綜上，占煙臺市凈排碳量比例最大的是建設用地，這由煙臺市建設用地的排碳量和煙臺市凈排碳量相差不大得出。其他土地由于面積、固碳速度等個方面的限制，固碳量較少，作用不顯著。建設用地在煙臺排碳方面起主要作用。因此，只靠園地、林地、草地、水域和其他土地碳吸收能力是不夠的，因為這些土地碳吸能力比建設用地排碳能力要弱得多，所以減少能源的消耗或者使用低碳能源是減少煙臺市碳排放的主要措施，并且要維持甚至增加園地、林地、草地、水域和其他土地的面積，保持其碳匯作用。

3結論

（1）2005—2014年煙臺市土地類型中建設用地和其他土地的面積有所增加，增加面積分別為26 668.59、2 019.67 hm2；耕地、園地、林地、草地、水域都呈減少趨勢，減少面積分別為4 291.45、9 828.35、2 894.13、6 720.31、4 954.02 hm2。其中，草地減少幅度最大，為-9.72%，建設用地增幅最大，為1.42%。

（2）2005—2014年土地類型轉化中，園地、草地、水域、林地和耕地轉變為另外土地類型居多，面積不斷增小，這階段內園地面積減少最多，草地、林地和水域幾乎都是以轉出為主；建設用地、其他土地面積在不斷增大，尤其是建設用地增勢較猛。

（3）2005—2014年煙臺市的碳匯固碳量不斷減少，凈碳排放量呈現先增加后減少的趨勢，與建設用地排碳量變化趨勢大致相同，且排碳量總體相差不大。

（4）相關分析表明，2005—2014年煙臺市建設用地碳排放量和該時段煙臺市凈碳排放呈顯著正相關，表明建設用地在碳排放的土地類型中起主導作用。

參考文獻

[1]

張萬明.江西及鄱陽湖生態經濟區碳源與碳匯區域均衡分析[D].廣州：中山大學，2010.

[2] 楊景成，韓興國，黃建輝，等.土地利用變化對陸地生態系統碳貯量的影響[J].應用生態學報，2003，18（8）：1385-1390.

[3] 石菲.大數據開啟智慧煙臺[J].中國信息化，2016（10）：24-25.

[4] 胡子付.彩色圖像的顏色歸并與邊界勾繪的計算機化研究：衛星圖像目視解譯半自動化問題[D].南京：南京師范大學，2006.

[5] 魯春陽，文楓，楊慶媛.重慶市南岸區土地利用動態變化分析[J].國土與自然資源研究，2007（1）：43-44.

[6] 武文一.山西省晉城市土地利用時空變化研究[D].北京：中國林業科學研究院，2009.

[7] 宋洪磊.銅陵縣土地利用碳排放效應及空間格局分析[J].安徽農業科學，2015，43（12）：299-302.

[8] 王婧.低碳型土地利用規劃研究：以淅川縣為例[D].鄭州：河南大學，2013.

[9] 吳穎.長沙市土地利用碳排放研究[D].長沙：湖南師范大學，2016.

[10] 余雪振.武漢市土地利用變化碳排放效應研究[D].武漢：華中農業大學，2013.

[11] 王秋賢，王登杰，顏曉妹，等.基于脫鉤理論的煙臺市碳排放效應分析[J].水土保持通報，2015，35（2）：313-318.

[12] 孟磊，蔡祖聰，丁維新.長期施肥對土壤碳儲量和作物固定碳的影響[J].土壤學報，2005，42（5）：769-774.

[13] 黃彥.低碳經濟時代下的森林碳匯問題研究[J].西北林學院學報，2012，27（3）：260-268.

[14] 方精云，郭兆迪，樸世龍，等.1981～2000年中國陸地植被碳匯的估算[J].中國科學（D輯：地球科學），2007，37（6）：804-812.

[15] 張梅，賴力，黃賢金，等.中國區域土地利用類型轉變的碳排放強度研究[J].資源科學，2013，35（4）：792-799.

[16] 陳露.黃土高原塬區多年生栽培草地表層土壤碳庫組成及其特征[D].蘭州：蘭州大學，2010.

[17] 賴力.中國土地利用的碳排放效應研究[D].南京：南京大學，2010.

[18] 王宗明，張柏，張樹清.吉林省近20年土地利用變化及驅動力分析[J].干旱區資源與環境，2004，18（6）：61-65.