基于灰色理論的陜西省土地利用變化及其碳排放研究

嚴 慈，侯蘭功

(西南科技大學 土木工程與建筑學院， 四川 綿陽 621000)

碳排放作為社會經濟發展的產物，是使得全球氣溫升高的重要原因[1]。黨十九大報告明確提出，應加快生態文明體制改革，建立健全綠色低碳循環發展的現代化經濟體系，努力形成人與自然和諧共生的新發展格局[2]。人類的各項活動對于土地碳循環的影響最直接，并且用地變化產生的二氧化碳量，僅次于化石燃料燃燒釋放的二氧化碳量，是第二大溫室氣體排放源[3]。當下中國正處于城市化與工業化快速發展階段，土地利用情況變化顯著，對碳儲存和碳排放產生了顯著影響。因而對于不同土地利用方式下碳排放的效應進行研究，對于實現土地的低碳利用，促進區域經濟與環境的協調發展，構建區域生態文明新格局具有重要的價值與意義。

2019年12月4日，“全球碳項目”發布的《2019年全球碳預算》中指出，2009—2018年土地利用變化的碳排放，其森林砍伐和其他土地變化產生的CO2凈排放量平均為5.5±2.7 Gt，約占人類活動(化石燃料燃燒、工業、土地利用變化)排放總量的14%。2018年土地利用變化、化石燃料和工業排放的CO2總和達到42.1±2.8 Gt。當下土地利用對陸地碳循環的新成果表明在充分考慮土地利用的影響之下，原生生態系統的作用過去被高估了50%，土地利用變化對于碳源匯年際波動具有顯著貢獻。國內外學者對土地利用碳排放研究主要從以下方面展開：一是土地利用變化對于碳排放機制的研究[4-6]；二是對主要的碳源和碳匯進行研究[7-8]；三是對碳排放整體變化的研究[9-10]；四是建設用地的碳排放與碳排放總量之間的關系研究[11-12]；五是土地利用變化與碳排放關系的數理測度模型研究[13-14]；六是土地利用碳排放的核算方法研究[15-17]。現如今對于土地利用碳排放的研究已經逐漸豐富到各個層面，其相關研究已取得了豐碩的成果。陜西省作為中國首批低碳試點地區之一，健全綠色低碳發展勢在必行。隨著陜西省經濟社會的快速發展，城鎮化步伐的推進，土地利用類型變化顯著。本文在當前低碳經濟的背景下分析陜西省2008—2016年的土地利用數據，從能源消費的角度估算建設用地的碳排放量，并計算其它地類的碳排放量，運用碳排放計量模型對于土地利用碳排放效應進行研究，運用灰色理論模型，研究土地類型與碳排放二者之間的關聯性并進行分析，預測未來年份的碳排放情況，以期可為陜西省低碳土地利用模式與生態文明格局的構建給予參考。

1 研究區概況

陜西省區域位于北緯31°42′～39°35′，東經105°29′～111°15′。地勢南北高、中部低，西部高、東部低。北部為陜北黃土高原，中部為關中平原，南部為陜南秦巴山地，地貌類型較為豐富。全省縱跨黃河和長江兩大流域，是新亞歐大陸橋和中國西北、西南、華北、華中地區間的重要門戶。

陜西省土地總面積為2 056.24萬km2，城鎮化率由2006年的39.12%增長到2018年的58.13%，生產總值由2006年的4 743.61億元增長到2018年的24 438.32億元。當下隨著陜西省經濟和社會的不斷發展，城鎮化與工業化穩步推進，同時省域內土地利用類型發生了較大變動，繼而使得區域內碳儲存與排放產生影響。因此，本文選取陜西省作為研究區域，期望通過相關研究為區域內土地利用的協調與可持續發展給予參考。

2 資料來源和研究方法

2.1 資料來源

2006—2018年陜西省土地利用變化數據來自西安市國土資源局，2006—2018年陜西省能源消耗數據來源于國家統計局官方網站公布的數據。本文參考中國科學院的土地資源分類系統以及兼顧其他分類標準，對不同年份的土地利用數據進行分類和整理，以提高結果的準確性。對于土地，將其分為七種類型：耕地、園地、林地、牧草地、建設用地(城鎮村及工礦用地、交通運輸用地和水利設施用地)、水域用地、未利用地。

2.2 研究方法

2.2.1土地利用動態度分析方法

單一土地利用類型動態度指在特定時期、某類用地的數量變化，其可直接反映出土地利用速度的變化情況，其公式為：

(1)

式中：K為時間內單一土地利用類型動態度；T為研究時間內時間間隔，單位為a；Ua為某土地類型于研究早期面積；Ub為某土地類型于研究末期面積。K負值表示研究時間段內，土地面積減少的動態度；K正值表示研究時間段內，土地面積增加的動態度。

2.2.2不同用地類型的碳排放估算方法

土地碳排放分為直接與間接排放。直接排放為用地類型轉換與維持這兩種方式所產生的排放量；間接排放主要指人類在不同用地之上的活動所產生的排放量。

對于耕地、園地、林地、牧草地、水域、未利用地這6種用地，其排放量采用直接排放法進行估算，公式為：

C=Si×Ei

(2)

式中：C為碳排放總量；Si為第i種用地類型對應的面積；Ei為第i種用地類型碳排放系數，其中碳排放(吸收)系數參考以往研究結果[18](見表1)。C負值代表碳吸收，C正值代表碳排放。

表1 土地利用類型的碳排放系數

根據《2006年國家溫室氣體排放指南》中碳排放估算公式(見式(3))，得出建設用地的碳排放。

(3)

式中：Ce為建設用地的總碳排放量；Bi為第i種能源消費量；Ei為第i種能源的碳排放系數；Di為第i種能源的折標準煤系數；N為能源類型數量；i為能源類型。本文選取煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油與天然氣為主要能源，即N取8。因電力屬二次能源，其碳排放從電力行業的化石能源消耗來計算，為免于重復計算，將電力的碳排放系數認為是0。各化石能源的碳排放系數和標準煤折煤系數分別參考IPCC 《國家溫室氣體排放清單指南》(2006年)、《中國能源統計年鑒》。

2.2.3土地利用碳排放風險分析

1) 碳排放風險指數

不同土地利用類型碳排放的生態風險指數，表明區域綜合碳排放風險大小,公式為：

(4)

式中：CRI為土地利用碳排放風險指數；Si為第i類用地類型對應面積；S為區域總面積；Ki為第i類土地類型碳排放系數；i=1,2,3....,7。

2) 碳足跡壓力指數

研究區域碳足跡壓力指數，反映出人類社會活動對于區域生態環境的擾動影響，公式為：

(5)

式中：Ck為碳足跡壓力指數；Cr為區域土地利用總碳源；Cn為區域土地利用總碳匯。當Ck≤1時，表明區域生態系統處于碳平衡穩定狀態；當Ck>1時，表明區域生態系統處于碳平衡失調狀態，區域碳循環生態系統壓力過大。

2.2.4灰色關聯度分析方法

灰色關聯分析方法是研究系統內各重要要素間關聯程度實證分析的一種方法。

1) 將參考序列記為X0(T)，比較序列記為Xi={Xi(T)|T=1,2,3,...,n}，i=1,2,3,...,m，通常將影響主研究對象的因素記為比較序列。

2) 各要素之間的關聯度計算公式為：

(6)

Δi(T)=|X0(T)-Xi(T)|

(7)

式中：δ為分辨系數，一般取δ=0.5。

3) 求關聯度的大小

比較序列Xi(T)與參考序列X0(T)的關聯度為：

(8)

本文采用平均值。

4) 關聯度大小排序

計算出的結果按大小進行排序，數值越大，表明其關聯度越高，關系越密切。

2.2.5GM(1,1)灰色預測法

灰色預測GM(1,1)模型是對于數列的不斷累加進而發現累加數列的規律，最后通過時間響應函數，由小數據精準預測。

灰色預測的過程為:

(9)

利用得出的累加數列X(1)，確定數據矩陣B和Y：

(10)

Y=[X(0)(2),X(0)(3),X(0)(4),X(0)(5)]T

(11)

使用最小二乘法，估量出參數列φ：

φ=[λμ]T=(BTB)-1BTY

(12)

建立GM(1,1)模型后，可以從方程中獲得時間響應函數：

X(1)(t+1)=[X(0)(1)-μ/λ]e-λt+μ/λ

(13)

求得原始數據的還原值：

X(0)(t)=X(1)(t)-X(1)(t-1)

(14)

(15)

(16)

C=S2/S1

(17)

小誤差概率為：

(18)

3 結果與分析

3.1 陜西省土地利用類型的變化

從表2可知土地利用動態變化情況。2006—2012年，未利用地的動態度最大為-11.74%，其次為水域用地，動態度為-4.35%。在這6年間，未利用地和水域用地的面積呈現出較大的減少趨勢，表明陜西省對于土地的開發、利用強度增強。2012—2018年，建設用地的動態度最大為1.07%，其次為園地，動態度為-0.34%。在這6年間，隨著城市化步伐的加快，各種建設活動穩步推進，導致建設用地動態變化為最大。2006—2018年，未利用地的動態度最大為-5.87%，其次為水域用地，動態度為-2.09%，再次為建設用地，動態度為1.99%。表明在這12年間，陜西省對于土地的開發、利用強度增強，同時城鎮化率由2006年的39.12%增長到2018年的58.13%，其建設強度不斷增強。

表2 土地利用動態度

2006—2018年，在這12年間，林地是增量最大的地類，增加了82萬hm2，其次是建設用地增加21.5萬hm2，再次是園地面積增加11.2萬hm2;未利用地是減少最多的地類，減少了79.6萬hm2，其次為牧草地，減少20.1萬hm2，水域用地和耕地面積分別減少了9.3萬hm2、7.5萬hm2(圖1)。

圖1 2006—2018年土地利用狀況

3.2 陜西省不同用地碳排放量計算

根據2006—2018年的土地利用數據，運用式(2)～(3)，計算出各類用地的碳排放或吸收量。

由表3可知，陜西省的凈碳排放總量呈增長態勢。從2006年的5 395.43萬t增長到2018年的13 365.79萬t。其中建設用地為主要碳源，林地為主要碳匯。2006—2018年建設用地碳排放量從5 891.10萬t增長到13 912.24萬t；耕地碳排放量由171.27萬t降低至16 808萬t；林地碳吸收量由666.32萬t增加到719.14萬t。自2012年以來，碳排放量的增長速率有所下降。隨著經濟社會的快速發展，城市的擴張以及能源的大量消耗使得碳排放量逐年增加。林地面積的增加，以及樹木生長吸收二氧化碳能力的不短增強使得碳吸收量逐年增加。

表3 主要年份土地利用碳排放指標值

3.3 土地利用類型碳排放風險分析

碳排放是使得生態系統遭受破壞的原因之一，其導致生態系統結構與功能的破壞，危及區域生態系統的安全，甚至于危害全球生態系統。運用式(4)計算陜西省土地類型的碳排放風險指數，研究區域碳排放風險大小。由圖2可知，陜西省碳排放風險指數呈現出先增長后減少的態勢，在2012年風險值最大，線性趨勢預測表明未來幾年陜西省碳排放的風險指數會持續升高，2016年與2018年風險指數小于線性預測值，表明陜西省在發展的同時實行節能減排的政策已得到相應成果。

圖2 2006-2018年陜西省土地利用碳排放風險指數變化

3.4 土地利用類型碳排放壓力分析

碳排放量作為一種干擾因素，其影響生態系統的平衡穩定。運用式(5)計算陜西省土地類型的碳排放壓力指數，研究區域碳排放壓力大小。由圖3可知，陜西省2006—2018年碳排放壓力指數均大于1，其碳排放大于碳吸收，說明該區域生態系統處于碳平衡失調狀態。通過線性趨勢預測可知，陜西省碳排放壓力指數未來將會持續升高。2016年其碳排放壓力指數小于預測值，與陜西省實行“退耕還林”政策，碳匯效應增加有關。從總的趨勢來看，其壓力指數持續增高，2014年到2016年增長速率降低，表明陜西省在城市發展的同時，實行節能減排、優化能源結構、促進產業轉換升級已取得相應成果，由于社會經濟的不斷發展，碳排放壓力指數可能會有小幅增長。

圖3 2006-2018年陜西省土地利用碳排放壓力指數變化

3.5 陜西省土地利用與碳排放灰色關聯分析

為了更有效地分析用地類型與碳排放的相關程度，本文運用灰色關聯分析方法，對七種用地類型與凈碳排放量進行分析(見表4)。

表4 用地類型與凈碳排放量關聯度

通過計算得知，七種土地類型與凈碳排放量之間的關聯系數均大于0.5，表明二者存在線性關系。選取的七種地類對碳排放影響的主次程度為：林地>耕地>牧草地>建設用地>園地=未利用地>水域用地。由于林地能夠增加土層和植物生命體的碳存儲量，其作為碳匯的主要來源，與陜西省的碳排放關聯度最高，對土地利用碳減排的貢獻率最大。碳排放與農用地中的耕地關聯度最高，表明耕地是農用地碳排放最大的碳源。牧草地作為碳匯來源，其與碳排放有較高的關聯度。同時，碳排放與建設用地有較高的相關性。交通運輸用地上承載著高燃耗的汽車尾氣排放，隨著交通用地面積的不斷擴張、交通承載力擴大，高燃耗帶來的高排放必然造成碳排放增加。城鎮村及工礦用地承載著人們日常生活取暖所需以及工業用地上進行工業化發展所需的各種燃料燃燒。隨著人口的增長和工業化的發展，對能源的需求量與日俱增，居民點及工礦用地毋庸置疑地成為碳排放增加的重要源頭。

3.6 土地利用碳排放預測

根據GM(1,1)模型求解過程，測試灰度預測方差比c和小誤差概率P的準確性。c和P都在允許范圍之內(P=1，c<0.35)，滿足精度等級要求，可以建立GM(1,1)模型，通過時間響應函數：

X(K+1)=-3287784e-0.00330479K+3294585

(19)

對2020—2030年陜西省碳排放總量進行預測。

由表5可知，通過GM(1,1)灰色預測，2020年，碳排放總量約達到10 668.30萬t，2030年，約達到10 492.20萬t，未來碳排放有減少的趨向。這說明陜西省高度重視節能減排工作，嚴格按照土地利用總體規劃，合理集約利用土地，限制建設用地無序擴張，以減少建設用地能源消耗所產生的碳源，實施退耕還林和植樹造林以增加碳匯。

表5 碳排放預測

4 結論與建議

1) 2006—2018年陜西省的土地利用類型，未利用地動態度最大為-5.87%；其次為水域用地為-2.09%；再次為建設用地，動態度為1.99%。2006—2018年，陜西省林地、建設用地、園地面積有所增加，以林地和建設用地的增加最多，其與陜西省踐行退耕還林政策、經濟快速發展與城市快速擴張有關；未利用地和牧草地面積減少，表明其他用地類型對于未利用地和牧草地有不同程度的占用。

2) 2006—2018年陜西省碳排放總量由5 395.43萬t增長到13 365.79萬t。在陜西省的碳排放中，林地是主要碳匯，建設用地是主要碳源，林地的碳吸收量從666.32萬t增加到719.14萬t，建設用地產生的碳排放從5 891.10萬t增長到13 912.24萬t。隨著陜西省近年來城市的擴張、第二產業快速發展、能源的大量消耗使得碳排放量逐年增加。林地面積增加以及樹木生長吸收二氧化碳的能力不斷增強，碳吸收量逐年增加。

3) 陜西省2006—2018年碳排放風險指數和壓力指數均處于增長態勢。碳排放風險指數于2012達到最大值，后呈減小的態勢。碳排放壓力指數在2006—2014年持續增長，2014年到2018年增長速率降低，表明實行的節能減排，優化能源結構的政策，使得碳排放壓力指數增幅減少。

4) 運用灰色關聯理論，進行碳排放指標和土地利用指標的關聯度分析，發現陜西省的用地類型與碳排放之間存在線性相關關系，影響程度分別為林地>耕地>牧草地>建設用地>園地=未利用地>水域用地。進行GM(1,1)預測，到2020年，碳排放總量約達到10 668.30萬t，2030年，碳排放總量約達到10 492.20萬t，未來碳排放量呈現出減少的趨勢。

土地利用對于碳排放有重要的影響。在經濟社會結構改革和轉型的關鍵時期，針對陜西省碳排放的實際情況，為實現土地資源低碳可持續發展提出如下相關建議。

1) 優化土地利用結構，控制建設用地規模擴張，提高土地節約集約利用強度，減少碳源。與此同時，提高森林與牧草的覆蓋率，促進其他用地向林地、草地轉換，增加碳匯。

2) 建設用地作為陜西省最主要的碳源，除了對于建設用地擴張進行控制之外，還需將能源消費量控制在資源環境可承載的范圍之內，優化產業結構，促進產業的轉換升級。

3) 耕地作為陜西省第二大碳源，應大力發展綠色農業，著力提升土壤碳儲存的能力。土地利用變化的碳排放量與區域生態系統影響是一個復雜的過程。當下在計算建設用地碳排放時，僅考慮化石能源的碳排放，未能對于農村生物質能燃燒的碳排放給予考慮。當下的研究不能充分的解釋這個過程，因而未來將結合遙感數據與實測數據，以求更精確地測算出研究區域的碳排放能力。