新疆土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳強度變化規(guī)律分析*

王志強，李雪薇

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，烏魯木齊市，830000)

0 引言

氣候問題已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點，2009年丹麥召開的哥本哈根會議拉開了低碳革命的序幕，作為社會經(jīng)濟發(fā)展的產(chǎn)物，碳排放是導(dǎo)致溫室效應(yīng)的重要原因[1]，碳循環(huán)過程與人類活動，特別是土地利用、土地覆被變化有著密切的關(guān)系[2]，國內(nèi)外學(xué)者對于土地利用類型轉(zhuǎn)變與碳排放的研究已經(jīng)較為成熟，曲福田等[3]透析了土地利用變化對碳排放的影響機理，Houghton[4]研究發(fā)現(xiàn)地類的轉(zhuǎn)換引起土壤有機碳的變化，從而產(chǎn)生碳源或碳匯的作用，Chi[5]認(rèn)為土地轉(zhuǎn)換前植被類型和土地轉(zhuǎn)換后的時間對碳動態(tài)影響程度起決定性作用，林地、草地要優(yōu)于受人類干擾的[6]，余德貴等[7]提出了土地利用的低碳調(diào)控方式，分別有學(xué)者研究了重慶[8]、京津冀地區(qū)[9]、黑龍江[10]等地區(qū)的土地利用和碳排放的時空變化趨勢及土地利用碳排放效應(yīng)，并進(jìn)行土地利用與碳排放的相關(guān)關(guān)系[11]和預(yù)測[12]，發(fā)現(xiàn)集約利用土地對區(qū)域碳排放效率產(chǎn)生正向作用，這種影響隨著碳排放效率的增加而減弱[13]。現(xiàn)有研究成果缺少對于土地資源充裕、經(jīng)濟欠發(fā)達(dá)典型區(qū)域的論證，本文立足于新疆，進(jìn)行遙感影像圖的空間分析，深入探析新疆土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳強度變化，以期為新疆今后的土地利用與規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐，為區(qū)域經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展提供最優(yōu)的土地配置方案。

1 研究材料

1.1 研究區(qū)域概況

新疆地處東經(jīng)73°40′～96°18′，北緯34°25′～48°10′之間，是中國陸地面積最大的省級行政區(qū)，總面積約為中國陸地面積的1/6，邊界線長度約為中國陸地邊界線總長度的1/4，土地資源豐富，土地利用率僅為39.18%，建設(shè)用地占比不足1%，境內(nèi)有獨具特色的大冰川，共計1.86萬余條，冰川總面積約為2.4×103km2，占全國冰川面積的42%。年平均氣溫10.5 ℃，年均降水量145.7 mm，陽光充裕，日照時間為2 691.9 h。主要土壤類型為干旱土、漠土、鹽堿土和高山土；主要植被類型為草原、草甸、高山植被和荒漠。新疆能源豐富，已探明的煤炭、石油、天然氣儲量均位于全國前列，依靠能源帶動城鎮(zhèn)化和工業(yè)化快速發(fā)展，土地利用類型轉(zhuǎn)變過程中帶來的碳排放量巨大，環(huán)境問題凸顯，亟需轉(zhuǎn)向綠色、低碳、可持續(xù)的發(fā)展模式。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

1.2.1 土地利用數(shù)據(jù)來源及處理

研究采用的100萬植被類型空間分布數(shù)據(jù)、土壤類型空間分布數(shù)據(jù)以及1985年、1990年、2000年、2005年、2010年、2015年和2020年7個時間截面的土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)均來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。以GB/T 2010—2017 《土地利用現(xiàn)狀分類》為根本，兼顧其他分類標(biāo)準(zhǔn)，對新疆土地利用類型進(jìn)行歸并、重編碼，共分為6大類，分別是耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地，詳見表1。借助ArcGIS的轉(zhuǎn)換工具將植被類型空間分布數(shù)據(jù)、土壤類型空間分布數(shù)據(jù)和土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為矢量文件并統(tǒng)一地理坐標(biāo)系，利用1985年新疆土地利用圖層裁剪得出新疆植被類型空間分布圖，利用1990年新疆土地利用圖層裁剪得出新疆土壤類型空間分布圖。

1.2.2 碳密度數(shù)據(jù)來源及處理

土地利用類型碳密度包括植被碳密度和土壤碳密度兩部分。以新疆植被類型空間分布圖為基礎(chǔ)，借鑒賴力[14]學(xué)者關(guān)于不同類型的植被碳密度相關(guān)研究成果(表2)，通過ArcGIS的空間統(tǒng)計功能得到新疆植被碳密度分布圖；同理，以新疆土壤類型空間分布圖為基礎(chǔ)，借鑒于東升等[15]關(guān)于不同類型的土壤碳密度相關(guān)研究成果(表3)，得到新疆土壤碳密度分布圖，不同土地利用類型的綜合碳密度由土地利用類型植被碳密度和土地利用類型土壤碳密度加和而成。

表1 新疆土地利用類型分類Tab. 1 Land use classification in Xinjiang

表2 不同植被類型的碳密度Tab. 2 Carbon density of different vegetation types

表3 不同土壤類型的碳密度Tab. 3 Carbon density of different soil types

2 研究方法

2.1 土地利用動態(tài)度

土地利用類型的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致地類碳源碳匯狀況改變，同時影響人類能源活動的方式和強度，進(jìn)一步影響整個區(qū)域的碳過程[16]。基于ArcGIS的相交分析功能和Excel的數(shù)據(jù)透視功能，以5年為間隔，分別建立了新疆2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年及2015—2020年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，由此不僅可以清晰看到不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化情況，還可以揭示不同土地利用類型間的轉(zhuǎn)移速率，詳見表4。

表4 新疆2000—2020年各階段土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Tab. 4 Land use transfer matrix of Xinjiang in 2000—2020 km2

土地利用動態(tài)度模型可以模擬分析新疆各類型土地在一定時期內(nèi)的變化速度，計算如式(1)所示。

(1)

式中：K——某一類型土地的變化速率；

Ua——某一類型土地在研究初期時的面積；

Ub——某一類型土地在研究末期時的面積；

T——研究時長，本文選取2000—2020年數(shù)據(jù)，因此T=21。

綜合土地利用動態(tài)度模型可以模擬分析新疆土地利用類型的整體變化趨勢，計算如式(2)所示。

(2)

式中：S——某一時段綜合土地利用動態(tài)度；

t——土地類型總數(shù)；

Ui——第i類土地在研究初期的面積；

ΔUi-j——研究時段內(nèi)第i類土地轉(zhuǎn)為其他非i類土地面積的絕對值。

土地利用程度綜合指數(shù)模型可以測算土地利用效果，反映了人類活動與生態(tài)環(huán)境的交互作用，了解土地利用是否合理、土地利用與生態(tài)環(huán)境是否協(xié)調(diào)，具體公式如式(3)所示。

(3)

式中：L——土地利用程度綜合指數(shù)；

n——土地利用等級數(shù)；

Mi——第i類土地的利用程度分級指數(shù)；

Ci——第i類土地利用類型面積比例。

參照土地利用分級原則，得到建設(shè)用地的利用程度分級指數(shù)為4、耕地的利用程度分級指數(shù)為3、林地、草地的利用程度分級指數(shù)為2、未利用地的利用程度分級指數(shù)為1。

2.2 土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳強度核算

為消除社會經(jīng)濟的影響，更加直觀、充分地分析新疆土地利用類型轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的碳強度變化，本文參考張梅等[17]的研究方法，運用ArcGIS的疊加分析和分區(qū)統(tǒng)計得到不同土地類型的綜合碳密度，并通過數(shù)學(xué)模型運算得出土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳強度變化，流程如圖1所示。

圖1 土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳強度計算流程Fig. 1 Calculation process of carbon intensity of land use type transformation

土地利用類型決定區(qū)域碳源碳匯能力的強弱，參考張婷[18]研究成果，發(fā)現(xiàn)林地及耕地的碳匯能力較強，建設(shè)用地表現(xiàn)為強碳源性，草地、水域及未利用地的碳源碳匯性不顯著，具體數(shù)值如表5所示。

不同土地利用類型的綜合碳密度差異顯著，因此可以用地類轉(zhuǎn)變前后的碳密度差估算由于土地利用類型轉(zhuǎn)變而導(dǎo)致的碳排放量變化。轉(zhuǎn)變后地類的碳匯能力決定了區(qū)域碳收支狀況。同時，考慮到土地利用的長期性以及土地利用過程中的生態(tài)響應(yīng)的周期性，一般將生態(tài)系統(tǒng)對碳排放響應(yīng)的時間周期定為20年。綜上，不同土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳強度計算見式(4)。

(4)

式中：Pi——第i種土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳強度；

瑞士研究人員最新發(fā)現(xiàn)，長期使用手機產(chǎn)生的射頻電磁場可能對特定腦區(qū)的記憶能力產(chǎn)生不良影響。研究結(jié)果顯示，在經(jīng)常使用手機接聽電話者的右側(cè)頭部，射頻電磁場對圖形記憶功能產(chǎn)生了負(fù)面影響。不過，研究發(fā)現(xiàn)，與手機通話相比，用手機發(fā)送短信、玩游戲或瀏覽互聯(lián)網(wǎng)則對青少年記憶力發(fā)展并沒有明顯影響，這可能是因為這類操作產(chǎn)生的射頻電磁場相對微小。

C1i——轉(zhuǎn)變前地類的綜合碳密度；

C2i——轉(zhuǎn)變后地類的綜合碳密度；

N——生態(tài)系統(tǒng)對碳排放響應(yīng)的時間周期，即N=20；

Ii——轉(zhuǎn)變后地類的碳匯值。

土地利用類型的轉(zhuǎn)變影響著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳排放的變化，隨著時間變化其碳匯能力也在變化，直至趨于穩(wěn)定。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳排放計算見式(5)。

(5)

式中：LC——陸地生態(tài)系統(tǒng)碳排放；

Ai——第i種地類轉(zhuǎn)變的面積；

m——土地利用類型轉(zhuǎn)變的種類數(shù)量，本研究中共有30種，即m=30。

表5 不同土地利用類型的碳匯能力Tab. 5 Carbon sink capacity of different land use types

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用動態(tài)度分析

不同土地利用類型的碳源碳匯能力不同，土地利用類型轉(zhuǎn)變影響區(qū)域的碳源碳匯格局，這種影響在耕地、林地、草地和建設(shè)用地4大地類之間的轉(zhuǎn)換尤為明顯。經(jīng)研究林地、耕地表現(xiàn)為較強的碳匯能力，建設(shè)用地則為主要的碳源。林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼗虿莸禺a(chǎn)生高強度碳排，退耕還林、還草可以增加20%～40%的碳匯量[14]。根據(jù)2000年、2005年、2010年、2015年和2020年5期的新疆土地利用數(shù)據(jù)，得到不同時期的土地利用類型面積占比變化圖如圖2所示。其中，耕地面積占比由3.70%穩(wěn)步上升至5.56%，增加了1.86%；林地面積由2.19%降至1.49%，下降了0.7%，其中，2015—2020年，林地面積顯著減少，由34 725.67 km2減少至24 392.73 km2，極大降低了固碳能力，增加了資源和環(huán)境壓力；建設(shè)用地面積占比由0.23%上升至0.45%，城鎮(zhèn)化的推進(jìn)和工業(yè)崛起，增加了二氧化碳的排放，引起區(qū)域碳匯壓力增強；草地面積占比維持在28.6%～29.6%的穩(wěn)定狀態(tài)；2000—2020年，水域面積減少了35.36%，水資源狀況不容樂觀。

圖2 新疆2000—2020年各土地利用類型面積占比變化圖Fig. 2 Change chart of area proportion of different land use types in Xinjiang from 2000 to 2020

土地利用的速率變化影響地表植被類型的改變，進(jìn)而影響區(qū)域土壤的碳循環(huán)，改變土壤碳密度[19]，根據(jù)式(1)和式(2)，結(jié)合表4數(shù)據(jù)，得到新疆土地利用動態(tài)度，如表6所示。新疆綜合土地利用動態(tài)度在2005—2010年下降，但總體呈現(xiàn)上升的趨勢，特別是2015—2020年間，上升明顯。其中，水域、林地和建設(shè)用地變化較快，然而水域和林地的動態(tài)度是負(fù)向增長，阻礙了新疆的生態(tài)發(fā)展和綠色發(fā)展。2005—2010年間，建設(shè)用地的利用動態(tài)度僅為0.664 7%，在2010—2015年間躍升至6.430 0%，建設(shè)用地作為重要的碳源地類，其面積擴增與利用程度加強不斷增強區(qū)域的碳強度，對生態(tài)環(huán)境和區(qū)域綠色發(fā)展產(chǎn)生負(fù)向作用。

表6 新疆土地利用動態(tài)度Tab. 6 Land use dynamics in Xinjiang

人類活動施加于土地的強度反饋至土地的利用效果和土壤碳通量變化，土壤有機碳的吸收和排放影響碳循環(huán)速率。根據(jù)式(3)并結(jié)合表4數(shù)據(jù)，得到新疆土地利用程度，見表7。較于2000年，2020年新疆綜合土地利用程度提升了0.238 3%，其中未利用地的利用程度最高，其次是草地；未利用地主要開發(fā)為草地或種植林木，整體上增強了新疆的碳匯能力。耕地、建設(shè)用地的利用程度增加明顯，分別提升了5.584 4%和0.910 8%。林地、水域和未利用地的利用程度出現(xiàn)不同幅度的降低，其中，林地的利用程度由4.369 2%降為2.975 5%，水域的利用程度由6.239 7%降為4.061 3%，各自降低了1.393 7%和2.178 4%。

表7 新疆土地利用程度Tab. 7 Land use degree in Xinjiang

3.2 土地利用類型轉(zhuǎn)變碳強度變化分析

3.2.1 不同土地利用類型的綜合碳密度

以新疆植被類型空間分布圖為基礎(chǔ)，結(jié)合表2數(shù)據(jù)，通過ArcGIS的統(tǒng)計分析功能，得到新疆不同土地利用類型的植被碳密度，如表8所示。不同地類的植被碳密度差距較大，其中林地的植被碳密度最高，達(dá)148.45 kg/m2，其次是耕地、建設(shè)用地和草地。建設(shè)用地植被碳密度為39.01 kg/m2，與耕地相差7.96 kg/m2，說明城鎮(zhèn)綠化水平較高，具有一定的碳吸收水平。

表8 新疆不同土地利用類型的植被碳密度Tab. 8 Vegetation carbon density of different land use types in Xinjiang

以新疆土壤類型空間分布圖為基礎(chǔ)，結(jié)合表3數(shù)據(jù)，通過ArcGIS的統(tǒng)計分析功能，得到新疆不同土地利用類型的土壤碳密度，如表9所示。土壤碳密度最高的是林地，13.13 kg/m2，耕地和草地的土壤碳密度相差0.38 kg/m2，同時，耕地和草地間的轉(zhuǎn)換面積和速率處于較高水平；由于氣候、降水等原因，新疆水域大面積縮減，干涸的水域土壤有機質(zhì)含量較低，土壤活性較差，難以開發(fā)利用；未利用地主要由戈壁、鹽堿地、沼澤地、裸土地、裸巖石質(zhì)地等組成，植被覆蓋度低，土壤養(yǎng)分低，開發(fā)為農(nóng)、牧、園、林難度較大，碳源碳匯性差。

表9 新疆不同土地利用類型的土壤碳密度Tab. 9 Soil carbon density of different land use types in Xinjiang

碳密度不僅可以用來衡量固碳能力，還可以準(zhǔn)確估算區(qū)域碳儲量，對分析、研究、預(yù)測區(qū)域碳強度變化有重要作用。不同土地利用類型的綜合碳密度由土地利用類型植被碳密度和土地利用類型土壤碳密度加和而成，見表10。森林具有巨大的碳儲潛力，對于平衡區(qū)域碳排放，緩解碳壓力至關(guān)重要，林地的綜合碳密度最高，為161.58 kg/m2。新疆耕地的碳密度高于草地碳密度，差值為17.2 kg/m2，水域和未利用地的綜合碳密度較低，分別為22.04 kg/m2和13.11 kg/m2，不同土地利用類型的綜合碳密度差值明顯。

表10 新疆不同土地利用類型的綜合碳密度Tab. 10 Comprehensive carbon density of different land use types in Xinjiang

3.2.2 土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳強度變化分析

根據(jù)式(4)、表4、表5和表10計算得出新疆土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳強度變化，由表11可以看出：耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值乜山档?0.258 6 kg/m2的碳強度，增加區(qū)域碳匯效應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸亍⑺蚝徒ㄔO(shè)用地則會增加碳強度，而轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地的碳源效應(yīng)增加最明顯(3.638 1 kg/m2)，耕地棄耕將增加2.011 4 kg/m2的碳強度；林地轉(zhuǎn)換為其他地類均會增加碳強度，其中轉(zhuǎn)為建設(shè)用地、未利用地和水域的碳強度明顯高于轉(zhuǎn)化為耕地和草地的碳強度，分別為8.696 7 kg/m2，7.070 0 kg/m2和6.844 8 kg/m2、轉(zhuǎn)變?yōu)楦亍⒉莸胤謩e為3.758 6 kg/m2和5.377 6 kg/m2；草地轉(zhuǎn)為耕地、林地可以提升區(qū)域碳匯值，但草場退化、轉(zhuǎn)為水域、或進(jìn)行城鎮(zhèn)建設(shè)等活動不同程度的增加了碳強度；未利用地除開發(fā)為建設(shè)用地增加碳強度，用于作物耕種、造林植樹、發(fā)展畜牧、建設(shè)水域等均會增加區(qū)域碳匯能力，其中開發(fā)為林地碳匯值增加最高(12.27 kg/m2)。

表11 新疆土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳強度Tab. 11 Carbon emission intensity of land use change in Xinjiang kg/m2

任何地類轉(zhuǎn)換為林地均會減少碳強度，增強碳匯能力，任何地類轉(zhuǎn)為建設(shè)用地或荒廢則會增加碳排放，提高碳強度。耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地、未利用地、水域和草地均會增加碳排放；林地碳匯能力遠(yuǎn)高于其他地類，當(dāng)其轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌仡悤r均會增加區(qū)域碳排放，碳強度由大到小依次是建設(shè)用地、未利用地、水域、草地、耕地；草地和水域之間的轉(zhuǎn)換對于碳排碳匯產(chǎn)生較為微弱的影響，碳強度變化較小；建設(shè)用地碳強度最高，建設(shè)用地轉(zhuǎn)為林地、耕地時碳匯作用比較明顯；通過人類活動，改變未利用地地表覆被，產(chǎn)生不同程度的碳匯能力，當(dāng)未利用地用作建設(shè)時則產(chǎn)生碳排放。

3.2.3 土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳強度變化時序分析

根據(jù)式(5)及表4計算得出新疆2000—2020年各階段土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳強度變化及2000—2020年生態(tài)系統(tǒng)碳排放。2000—2020年新疆整體表現(xiàn)為碳匯作用，雖然2000—2015年這一階段是新疆大力推進(jìn)城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的時期，但是建設(shè)用地面積占比仍舊很小，林、耕、草占比超過35%，能夠化解生態(tài)系統(tǒng)碳排放量，2010—2015年新疆碳匯作用明顯加強，但效果仍不顯著，2015—2020年相較于前一階段碳匯作用降低了0.517 Tg。

表12 新疆2000—2020年土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳強度變化Tab. 12 Carbon intensity change of land use change in Xinjiang from 2000 to 2020 Tg

新疆2000—2020年土地利用類型轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)碳排放為-0.22 Tg，長期來看，總體表現(xiàn)為碳匯作用。

4 結(jié)論與對策

1) 從土地利用變化速率、土地利用程度可以明顯看出新疆2000—2020年的土地利用類型變化趨勢：其中耕地、建設(shè)用地占比逐年增加，2000年耕地面積占比3.7%，2020年占比為5.56%，建設(shè)用地面積2000年占比0.23%，2020年占比為0.45%；林地和水域面積卻逐年縮減，20年間林地面積縮減了11 488.87 km2，水域面積縮減了18 108.07 km2，生態(tài)問題較為嚴(yán)重。同時，2000年新疆土地利用率為38.53%，截至2020年土地利用率也僅為39.18%，新疆未利用地開發(fā)難的問題仍未有效解決。

2) 土地利用類型轉(zhuǎn)變通過影響植被覆蓋變化和土壤碳通量，改變區(qū)域的碳強度。不同地類的綜合碳密度決定了地類轉(zhuǎn)變前后區(qū)域的碳平衡狀況，新疆林地的綜合碳密度最高，達(dá)161.58 kg/m2，其次是耕地，綜合碳密度為55.35 kg/m2。通過計算得出：林地是主要的碳匯場所，其地類的轉(zhuǎn)變引起碳強度增加；建設(shè)用地是主要的碳源場所，當(dāng)其他地類轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，碳強度顯著增強。通過不同方式開發(fā)未利用地，區(qū)域碳匯效果不同，大面積造林對于區(qū)域碳匯起到正向作用。

綜上，結(jié)合社會經(jīng)濟發(fā)展需要，新疆的土地利用規(guī)劃應(yīng)著重考慮以下幾方面。

1) 林地固碳聚碳能力顯著，同時可以保持水土，調(diào)節(jié)氣候，具有良好的生態(tài)效益和社會效益。2000—2020年，新疆的林地面積縮減，林地利用程度降低，利用動態(tài)度變化大，今后的發(fā)展中需落實保護(hù)林地政策。建成林時選擇適應(yīng)新疆氣候的樹種，提高樹種成活率，充分挖掘林地潛力。

2) 未利用地轉(zhuǎn)化為其他地類時應(yīng)以低碳為約束條件，結(jié)合新疆實際，應(yīng)優(yōu)先開發(fā)未利用地為林地，不僅可以穩(wěn)碳固碳，還可以防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、改良土壤；其次，新疆風(fēng)力強勁、日照充裕，依靠資源稟賦優(yōu)勢，優(yōu)先在山地、戈壁等難利用地類設(shè)置風(fēng)車、太陽能等可再生資源設(shè)備，通過技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步節(jié)能減排，帶動區(qū)域經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展；第三，未利用地開發(fā)為建設(shè)用地可以有效刺激經(jīng)濟，帶動產(chǎn)業(yè)發(fā)展，但是新疆能源儲量豐富，資源驅(qū)動型經(jīng)濟發(fā)展模式極易導(dǎo)致“資源詛咒”現(xiàn)象，需要更加嚴(yán)格的環(huán)境規(guī)制；第四，推進(jìn)用地城鎮(zhèn)化和工業(yè)化過程中應(yīng)合理規(guī)劃土地，形成居民集中、產(chǎn)業(yè)集聚，提高能源利用效率，實現(xiàn)綠色發(fā)展。