基于LUCC的眉山市縣域碳排放效應

徐 婕， 潘洪義*， 曹文亞， 趙曉全

（1.四川師范大學西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室，四川成都610066；2.四川師范大學地理與資源科學學院，四川成都610066）

隨著全世界人口的不斷增長和經濟的飛速發展，高碳排放成為造成全球能源與氣候變化的重要因素之一，各種生態環境問題也逐漸凸顯，引起國際社會的高度重視.我國當前社會發展階段需要大量的土地資源和能源供應，所面臨的碳排放壓力極大.在此背景下，發展低碳經濟、減少碳排放成為經濟社會發展的必然.研究表明，LUCC影響著陸地生態系統的分布和結構，改變著碳循環和碳儲量，是控制碳積累速率的主導因子［1］.在1850—1998年間，人類不合理的生產生活活動所產生的碳排放中，1／3的碳排放就來源于土地利用變化［2］.所以LUCC是碳排放研究與低碳經濟的重要切入點，也是進行碳排放調控的重要突破口［3］，對了解人類活動對生態環境的擾動程度及其機制，制定有效的碳排放政策具有重要的現實意義.

國外對LUCC碳排放的研究起步較早，早期的自然領域研究成果為21世紀以來的人文社科領域研究提供了強有力的支撐.許多生物學家最早從微觀層面研究了土地利用變化對碳排放影響，文獻［4］提出假設土壤有機碳通過土壤微生物分解而不是被植物生長吸收，那么在10～20 a有機碳會產生自身碳含量20% ～50%的碳排放；而后文獻［5］研究發現草地的有機碳儲量比農田高29 t／hm2，說明如果草地轉化為農田會增加區域碳排放.自此，土地利用類型相互轉化產生的碳排放引起廣泛關注，文獻［6］研究表明，由LUCC引起的區域碳排放占總碳排放量的75%，隨著GIS和RS的技術提高.Romanovskaya等［7］監測俄羅斯11 a溫室氣體排放顯示，新建的城市建成區是主要碳源，文獻［8］研究也得出地中海地區城市化進程占用耕地導致土壤有機碳庫減少285.421 kg，城市建設用地作為主要碳源成為關注重點.21世紀國內也順延國際軌跡，并結合當代社會經濟展開大量應用型研究，文獻［9-10］先后構建碳排放模型，核算了四川省和成都平原區的碳排放量及其社會經濟效益，文獻［11］基于“社會-經濟-自然”復合生態系統視角研究成都市縣域碳收支、土地利用和經濟發展協同關系，文獻［12］定量識別城市碳排放的演化路徑和關鍵影響因素，并探討相應減排政策.眉山市2005—2015年10 a高速發展期伴生的生態環境破壞形勢嚴峻，城市化的快速發展和能源消費導致碳排放居高不下，森林覆蓋率降低顯著，本文從土地利用變化的角度出發，根據2005和2015年遙感影像獲取眉山市土地利用數據，構建碳排放模型，對眉山市碳排放效益進行分析，用造林成本法和碳稅率法估算生態補償標準，以基于碳排放的生態補償標準做參考，以建立橫向財政轉移支付政策做驅動，為眉山市節能減排和平衡發展提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區概況眉山市（102°49′-104°30′E，29°30′-30°16′N），位于四川省境內，成都平原的西南邊緣，鄰接成都市、雅安市、資陽市等，下轄6個縣（市、區），幅員面積7 139 km2，人口達350萬.眉山市地勢西高東低，自西向東由山地到低山丘陵向平原過渡.岷江由北至南貫穿眉山市中部，青衣江也流經境內，河流兩岸以河流沖積平原為主，城市密集，人類活動頻繁.眉山市也是國家園林城市，全市森林覆蓋率達50%左右，城區綠化率也較高，生態環境優良.眉山市位于亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫17.1℃，年平均降雨量大于1 000 mm，優良的地形和氣候條件組合讓眉山市也擁有中國優質稻米之鄉的美譽.眉山市也是成都平原經濟圈最具活力的新區域，2015年地區生產總值（GDP）達1 029.86億元，三次產業結構大致為14∶45∶39.2005—2015年間，眉山市城市化和工業化的進程快，經濟增速明顯，城市發展迅速，但發展過程中生態環境保護環節相對薄弱，能耗量不斷增大.

1.2 數據來源與處理1）本研究采用的土地利用／覆被分類數據通過解譯2005和2015年landsat系列數據獲得，數據來源于地理空間數據云.分別以眉山市行政區劃圖和地形圖作為參考，對兩期影像每期三景數據進行輻射定標、拼接、裁剪、大氣校正后獲取研究區范圍，結合Google Earth提供的對應年份眉山市高清影像，利用多光譜波段基于支持向量機分類法提取土地利用類型圖.通過 ArcGIS軟件提取土地利用現狀數據，按照國家標準化 管理委員會頒布的《土地利用現狀分類》（GB／T21010—2007），將土地利用類型分為耕地、林地、水域、建設用地和其他用地5種.

2）社會經濟數據來源于2006年和2016年四川省統計年鑒、眉山市統計年鑒和四川省各市（州）統計年鑒以及統計網站，其中各縣（市、區）的能源消費總量由各縣（市、區）的GDP和其GDP能耗系數計算得出.

1.3 研究方法

1.3.1 碳排放量 結合研究區實際，基于 LUCC的碳排放主要為林地、水域為主的碳吸收（碳匯）和以耕地、建設用地為主的碳排放（碳源）.土地利用的碳排放估算模型可表達如下：

其中，E為總碳排放量，Ti為第i種土地利用方式（耕地、林地、水域）的土地面積，δi為對應土地利用方式的碳排放（吸收）系數；Eb為建設用地碳排放量，Ce為能源消耗總量，Ye為標準煤換算系數，δe為能源消耗碳排放系數.

參考相關研究［13-16］，并考慮到研究區實際采用最具參考價值的經驗數據取多方平均值進行測算，耕地、林地、水域的碳排放系數分別取值0.459 5、-0.612 5、-0.253 t（C）／（hm2·a）.建設用地的碳排放通過其利用過程中能源消耗的碳排放系數間接估算［17］.世界能源需求的80% ～85%來源于化石燃料，80% ～90%的碳排放來源于化石燃料能源消耗［18］.聯系研究區實際化石能源消耗情況，將建設用地的碳排放歸納為消耗煤品燃料、油品燃料和天然氣的碳排放.計算時先將煤炭、石油和天然氣的能源消費量先換算成標準煤，再根據文獻［19-20］研究成果確定煤品燃料、油品燃料和天然氣的碳排放系數，分別取值0.740 2 、0.570 0、0.433 1 t（C）／t.

1.3.2 碳排放的經濟貢獻系數和生態承載系數經濟貢獻系數（ECC）是衡量區域碳排放經濟效率的指標，反映區域碳生產力.生態承載系數（ESC）是衡量區域碳生態容量貢獻的指標，反映區域碳匯吸收能力.數學模型表達如下：

其中，Gn為某縣域的 GDP，G 為全市 GDP；En為某縣域土地利用碳排放量；Cn為縣域碳匯量，C為全市碳匯量.若ECC＞1，說明縣域經濟效率和能源利用效率即碳生產力較高；若ESC＞1，說明縣域碳生態容量即碳匯吸收能力較高，對全市碳排放的吸納有積極作用.

1.3.3 碳排放的生態補償 碳排放生態補償標準的定量化主要依據碳匯價格［21］，常用造林成本法和碳稅率法.結合已有研究［22］和中國種植森林的實際情況，取272.65元·t-1（C）的碳匯價格為研究區碳排放生態補償標準的下限較為合理；上限標準則采用國際常用的瑞典碳稅率［23］150 美元·t-1（C），以2015 年的平均匯率換算，即934.52 元·t-1（C）.

2 結果與分析

2.1 眉山市土地利用變化空間格局根據眉山市2005年和 2015年 landsat系列遙感影像，結合Google Earth提供的對應年份眉山市高清影像，通過ENVI平臺利用多光譜波段基于支持向量機分類法提取土地利用類型圖（圖1 a和b），運用ArcGIS獲得眉山市土地利用／覆被數據，綜合分析得到眉山市縣域各土地利用類型占比圖（圖1 c）.

圖1 2005、2015年眉山市土地利用類型Fig.1 The type of land use of Meishan in 2005 and 2015

由圖1可知，眉山市土地利用以耕地、林地為主，約占總面積的90%以上，其次是建設用地.研究期內，眉山市耕地、建設用地等碳源用地面積明顯增加.其中，建設用地主要沿岷江兩岸分布并呈明顯增加趨勢，眉山市境內北、中段的彭山區和東坡區增加最為顯著.

仁壽縣和東坡區土地利用結構相似，均為耕地占絕對優勢，占各自轄區面積的60%及以上.這是由于它們地處眉山中部地形平坦區，平原面積廣闊，是經濟較為發達地區，發展歷史悠久，種植業廣興.青神縣、丹棱縣、洪雅縣、彭山區表現為一致的土地利用結構，均為林地占優勢，占比達70% ～80%.它們位于眉山市西部和外圍低山丘陵區，特別是洪雅縣，林地面積達1 250.48 km2.研究期內，縣域土地利用結構與眉山市近10 a來城市化的發展和后期的經濟環境協同發展緊密相關.除眉山市西南青神縣的退耕還林外，均表現為隨著城市化發展的建設用地逐漸增加，占用小部分耕地和林地.

2.2 眉山市縣域土地利用碳排放

2.2.1 眉山市縣域土地利用碳排放量 根據碳排放模型，計算得到2005年和2015年眉山市6個縣（市、區）的對應土地利用類型產生的碳排放量、碳源、碳匯和總碳排放量（表1）.

表1 2005、2015年眉山市縣域土地利用碳排放Tab.1 Land use carbon emissions of Meishan County in 2005 and 2015 ／10 4 t

據表1，研究期眉山市碳排放總量增加，其土地利用碳排放中，各縣（市、區）均表現為建設用地是主要碳源，林地是主要碳匯.其中，仁壽縣和東坡區總碳排放量最大，再是彭山區.這三者的碳排放總量占眉山市碳排放量的94%以上；洪雅縣為完全碳吸收.這與眉山市區域經濟發展現狀與城市定位具有一致性，仁壽縣、東坡區是眉山市經濟較為發達地區，建設用地面積廣，經濟發展所需能耗量大；洪雅縣主要為退耕還林生態定位，林地面積廣.

研究期內，眉山市縣域總碳排放量除丹棱縣外均呈增加趨勢，表現為隨著城市化和工業化進程，經濟發展需要的建設用地大量增加引起的碳源增速明顯大于生態要求部分區域退耕還林碳匯效應的增速.表明城市化對眉山市土地利用碳排放有著較強的正向影響.因此，建設用地作為主要的碳源在眉山市碳減排中具有重要意義.

2.2.2 眉山市縣域土地利用碳排放效應 根據碳排放的經濟貢獻系數和生態承載系數的數學模型計算出2005年和2015年眉山市各縣域的ECC、ESC，并對其進行可視化表達（圖2）.

圖2 2005、2015年眉山市縣域土地利用碳排放效應Fig.2 County carbon emission effect of Meishan City in 2005 and 2015

由圖2可知，眉山市碳排放的經濟貢獻系數和生態承載系數均呈現西高東低的趨勢（洪雅縣取絕對值），且研究期內均為增長態勢，僅東坡區ESC下降了0.01.眉山市西部和外圍低山丘陵區的青神縣、丹棱縣、洪雅縣、彭山區碳排放量少，林地占絕對優勢的土地利用方式決定了區域碳匯吸收能力強，生態容量大，ESC較大，對全市碳排放的吸納有積極作用.由此可看，眉山市各縣的ESC與其碳排放量存在一定程度上的負相關關系.位于眉山市中部平原區經濟較為發達的仁壽縣和東坡區，碳排放量較大，以碳源用地耕地、建設用地為主要土地利用方式，碳匯量不能完全抵消第一、二產業生產過程的碳排放，區域ECC和ESC均較小，其消耗了一定量的能源產生了對應的碳排放量，卻沒有貢獻與碳排放量相匹配的經濟發展量，區域碳排放經濟效率低，急需產業優化與轉型升級.但在研究期內，在各縣域經濟迅速發展、建設用地面積增加的大背景下，ECC與ESC均有所提升，說明各縣（市、區）均意識到節能減排與低碳經濟的重要性，著手提高區域碳匯吸收能力和能源經濟效率，主動承擔各自碳排放造成的生態環境影響，盡量減少碳排放存在的外部性.

2.2.3 碳排放的生態補償估算 根據2015年眉山市各縣（市、區）的碳排放量及不同固碳價格估算得到縣域生態補償標準（表2）.

表2 眉山市各縣域生態補償估算Tab.2 Estimation of ecological compensation in various counties of Meishan ／10 4元

由表2可知，2015年洪雅縣屬碳匯區，其他區域屬碳源區.從碳排放的角度講，碳源區應對碳匯區進行生態補償，洪雅縣應接收的生態補償標準是4 950.72～16 968.83萬元，可通過橫向財政轉移支付等手段實現.不同區域碳排放強度主要與建設用地能耗量有關，所以參考單位GDP作為區域碳排放減排要求比較合理，如果不能完成減排目標，可以通過直接的資金補償或者其他方式對碳匯區進行生態補償.

3 結論與討論

土地利用／覆被變化對碳排放量有重要影響，通過對眉山市及其6個縣（市、區）土地利用的碳排放和生態補償進行分析，得出以下結論：

1）眉山市土地利用以耕地、林地為主，其次是建設用地.10 a來，眉山市碳源用地面積明顯增加.其中，建設用地主要沿岷江兩岸分布并呈明顯增加趨勢，彭山區和東坡區增加最為顯著.除眉山市西南青神縣的退耕還林外，均表現為隨著城市化發展的建設用地逐漸增加，占用小部分耕地和林地.

2）研究期眉山市碳排放總量增加，建設用地是主要碳源，林地是主要碳匯.城市化對眉山市土地利用碳排放有著較強的正向影響.其中，仁壽縣和東坡區總碳排放量最大，洪雅縣為碳吸收.研究期內，眉山市縣域總碳排放量除丹棱縣外均呈增加趨勢.

3）眉山市碳排放的經濟貢獻系數和生態承載系數西高東低且研究期內均為增長態勢，僅東坡區ESC下降了0.01.青神縣、丹棱縣、洪雅縣、彭山區ESC較大，對全市碳排放的吸納有積極作用.仁壽縣和東坡區ECC和ESC均較小，區域碳排放經濟效率低，急需產業優化與轉型升級.研究期內，在各縣域經濟迅速發展、建設用地面積增加的大背景下，ECC與ESC均有所提升.

4）從碳排放的角度講，碳源區應對作為碳匯區的洪雅縣按碳匯價格進行生態補償.洪雅縣應接收的生態補償標準是4 950.72～16 968.83萬元，可通過橫向財政轉移支付等手段實現.

土地利用對生態系統碳循環的影響是一個極復雜的過程，不同地域不同時期各土地類型碳排放系數可能存在特殊性和動態性.因此，本文依據有關經驗數據及系數進行分析存在一定誤差.再者，合理的補償標準應在參考固碳價格的基礎上考慮到區域差異.