基于凈生態系統生產力模型的山西省不同土地利用類型碳足跡分析

韓 璇，宋宇加

（1.吉林師范大學 旅游與地理科學學院，吉林 四平 136000；2.吉林師范大學 生態環境研究所，吉林 四平 136000）

0 引言

隨著人口的快速增長以及經濟的不斷發展，能源消耗產生的溫室氣體導致全球氣候發生了變化，全球變暖已成為不爭的事實。以化石燃料為主的能源消費帶來的碳排放是造成全球變暖或者全球溫室效應的主要人為原因［1］，而土地利用類型的變化可以通過改變能源消費的活動與方式、地表植被的覆蓋率以及土壤的透氣性等改變陸地生態系統的碳循環，從而對大氣中的碳量產生巨大影響［2］。因此，將能源消耗產生的碳排放落實到不同的土地利用類型上具有重要的研究意義。2020年12月我國在氣候雄心峰會上宣布，到2030年中國單位國內生產總值的二氧化碳排放量將比2005年下降65%以上，并努力爭取在2060年前實現碳中和［3］。為了實現這一目標，開展省級區域不同土地利用類型的碳源與碳匯效應研究非常必要，可以為實現我國區域土地資源配置優化、提高能源利用效率和土地利用效率提供科學依據。

碳足跡的概念是在生態足跡的基礎上提出的，目前還沒有統一的準確定義，國際上對此有2種解釋：一是從碳排放量的角度考慮，認為碳足跡是人類活動產生的碳排放量；二是從面積的角度考慮，認為碳足跡就是吸收化石燃料消耗所排放的二氧化碳所需的生態承載力［4］。基于此，筆者結合謝宏宇［5］、趙榮欽［1］等研究碳足跡的方法，將碳足跡理解為吸收人類經濟活動產生的碳排放所需的生產性土地（植被）的面積，它能夠反映能源消耗對生態環境的影響。

目前，國內外已經開展了關于土地利用的碳排放研究和凈生態系統生產力研究。Kenny等［6］以愛爾蘭為例，比較了6種碳足跡模型的適用性；Schipper等［7］根據國家二、三部門等級劃分的數據，分析了13個國家制造業碳排放的演變情況；Pathak等［8］對傳統管理方式下印度東北部的白茅草原生態系統的凈生產量進行了估算；Praveena等［9］研究了加拿大薩斯喀徹溫中部地區北方山楊林干旱期間和干旱后凈生態系統生產力的變化。李志強等［10］計算了我國中部6個省（區）13年的碳足跡，并利用分解分析法計算了碳足跡變化中的能源結構效應、能源效率效應等；游和遠等［11］基于投入導向的CCR（Charnes， Cooper和Rhodes提出的數據包絡分析方法）與BCC（Banker， Charnes和Cooper提出的數據包絡分析技術）模型測算了土地利用碳排放的總效率和規模效率等；趙榮欽［12］、彭文甫［4］、卞曉峰［13］等從碳排放模型、碳足跡核算、碳足跡壓力指數模型、人均碳排放等方面對區域碳足跡進行了探索研究；楊文等［14］采用凈生態系統生產力指標來反映不同植被的碳吸收量，對上海市的碳排放進行了核算；王軍邦［15］基于遙感數據構建了凈生態系統生產力模型，并對我國東北地區進行了模擬研究；鄧宣凱等［16］總結了目前使用最廣泛的計算碳足跡的方法，即碳匯法、凈初級生產力模型、凈生態系統生產力模型，并以湖北省能源消費的碳足跡為例，對采用這3種計算方法的計算結果進行了比較。總體來說，目前國內外對碳足跡的研究仍處于起步階段，而且從凈生態系統生產力的角度進行碳足跡的相關研究并不多見，今后對不同土地利用的碳排放和碳足跡效應的研究還需進一步加強［12］。

本文以山西省為研究區域，根據山西省2012～2019年土地利用和能源消費的數據和信息，將不同土地利用類型與能源消費項目進行對應，構建了碳排放和碳足跡模型；然后對能源消耗產生的碳排放量、植被碳匯量、不同土地利用類型的碳足跡等進行了測算；最后對測算結果進行了分析研究，以期為山西省優化土地利用、發展低碳經濟提供參考和依據。

1 研究區概況

山西省簡稱晉，地理坐標為34°34′~40°44′N，110°14′~114°33′E，位于太行山以西、呂梁山以東，北依長城，南臨黃河，疆域輪廓呈東北-西南走向的平行四邊形；地勢東北高、西南低，平均海拔在1300 m左右；氣候類型為溫帶季風氣候，四季分明，雨熱同期，光照充足，年均溫在-2 ℃至16℃之間，降水集中于夏季，年均降水量471.4 mm。省域總面積15.67萬km2，礦產資源豐富，煤、煤層氣、鋁土礦以及鐵礦等資源儲量居全國前列。2017年年末常住人口3702.4萬人；全省地區生產總值為15528.4 億元，其中第一產業占比4.6%，第二產業占比43.7%，第三產業占比51.7%；城鎮居民人均可支配收入29132元，農村居民人均可支配收入10788元，城鎮和農村居民家庭恩格爾系數分別為23.1%和27.4%。截止到2017年，山西省農用地面積約為1003.13萬hm2，占全省面積的64%左右；城鎮村及工礦用地面積約89.46萬hm2；交通用地面積約10.82萬hm2；其他用地約463.59萬hm2。

2 數據來源與計算方法

2.1 數據來源

能源消費數據來源于2012～2019年《山西統計年鑒》以及國家統計局；土地利用數據來源于2012～2019年《山西統計年鑒》、2019年《中國國土資源統計年鑒》、山西省經濟社會發展統計數據庫以及中國政府網；經濟、人口等其他數據來源于2012～2019年《山西統計年鑒》、山西統計局以及地理國情監測云平臺（http: //www.dsac.cn/DataProduct/Search?&cateID=0&yearID=2017&areaID=6）。

2.2 計算方法

目前計算區域碳足跡的方法和模型主要有碳匯法、凈初級生產力改進模型和凈生態系統生產力改進模型。傳統的碳匯法就是用吸收CO2所需的林地面積來表示碳足跡。生態系統內綠色植物通過光合作用產生的全部有機物或者從大氣中吸收的總碳量稱為總初級生產力（gross primary productivity， GPP）；從GPP中 扣 除 植 物 自 養 呼吸損失的碳量后即為凈初級生產力（net primary productivity， NPP）；再從NPP中減去植物異氧呼吸損失的碳量就是凈生態系統生產力（net ecosystem productivity， NEP）［17］。因此，NEP更能反映區域生態系統的實際碳吸收能力，因此，本文采用NEP模型對山西省碳足跡進行計算與分析。

要研究不同土地利用類型的碳足跡，首先應進行土地利用分類。本文根據山西省《能源使用平衡表》中的終端能源消費項目以及賴力［17］的相關研究，將不同土地利用類型與終端能源消費項目或碳排放項目進行對應，結果如表1所示。

表1 土地利用類型與能源消費項目的對應關系

2.2.1 能源消費的碳排放模型 其計算公式為：

式（1）中：C為能源的消耗總量（t）；Ei為第i種能源的消費量（tce，噸標準煤）；Fi為第i種能源的碳排放系數（t/tce），原煤、洗精煤及其他洗煤、焦炭、石油、電力、天然氣的碳排放系數［9］分別為0.7559、0.7559、0.8556、0.5860、0.6800、0.4483 t/tce。

2.2.2 不同土地利用類型的碳排放強度 其計算公式如下：

式（2）和式（3）中：i表示不同土地利用類型；CIi表示第i種土地利用類型的碳排放強度（t/hm2）；Ci表示第i種土地利用類型的碳排放量（t）；Si表示第i種土地利用類型的用地面積（hm2）；CI表示全省土地利用類型的碳排放強度（t/hm2）。

2.2.3 耕地、林地、草地的碳匯量 碳匯是指將溫室氣體從大氣中移除的任意過程、活動或機制［18］，通俗地說，碳匯就是指碳吸收量。研究表明，農業既是全球重要的溫室氣體排放源， 同時又是一個巨大的碳匯系統［19］。因此，本文在計算林地和草地碳吸收量的同時，也考慮了耕地的碳匯效應。耕地、林地、草地碳匯量的計算公式如下：

式（4）～式（6）中：CSa、CSf、CSg分 別 表 示 耕地、林地、草地的碳匯量（t）；i表示不同的農作物種類；Cr表示不同農作物的碳吸收量（t）；Ca表示不同農作物的碳吸收率（表2）；Dw表示生物產量；Yw表示不同農作物的經濟產量；Hi表示不同農作物的經濟系數（表2）分別為林地、草地的年平均NEP，分別為3.8096、0.9482 t/hm2［5］；Sf、Sg分別表示林地、草地的面積。

表2 我國主要農作物的碳吸收率與經濟系數［19］

2.2.4 碳足跡壓力指數 為了能夠從碳源和碳匯2個方面綜合衡量一定區域內人類活動對生態環境的影響，本文參照相關研究構建了碳足跡壓力指數。這里將碳足跡壓力指數定義為區域能源碳排放總量C與區域碳匯總量CS之比，用CFI（carbon footprint pressure index）表示［20］，即CFI＝C/CS。當CFI＜1時，表明區域能源消費碳排放量低于區域碳匯量，區域陸地生態系統仍具有碳吸收的能力；當CFI=1時，表明區域能源消費碳排放量等于區域碳匯量，是人類活動對生態環境影響的分割線，是對人類活動的預警；當CFI＞1時，表明區域能源消費碳排放量高于區域碳匯量，區域碳循環系統壓力過大。

2.2.5 基于NEP模型的碳足跡測算 前文提到，碳足跡是吸收人類經濟活動產生的碳排放所需的生產性土地的面積，其計算公式為：

式（7）和式（8）中：CF表示總的碳足跡（t）；Ct表示碳排放總量（t）；Pa、Pf、Pg分別表示耕地、林地、草地吸收碳的比例；NEPa、NEPf、NEPg分別表示耕地、林地、草地的平均凈生態系統生產力（t/hm2）。

3 結果與分析

3.1 土地利用現狀分析

要研究山西省不同土地利用類型的碳足跡，首先應對其土地利用現狀進行分析。根據山西省統計年鑒的相關信息并結合前文給出的土地利用與能源消費項目的對應關系，本文把山西省土地利用類型分為農用地、城鎮村及工礦用地、交通用地和其他用地4類。

農用地包括耕地、園地、林地、牧草地以及其他農用地，約占全省面積的64.01%。如表3所示，山西省農用地從2012年的1004.95萬hm2減少為2019年的1003.13萬hm2，而2016~2017年的農用地有所增加，說明近年來山西省農用地面積呈波動下降的趨勢。城鎮村及工礦用地與交通用地分別占全省面積的5.7%和0.69%，雖然面積較小，但是在2012~2019年間呈持續增長的態勢，年均增長率分別為1%和4%；這2種用地類型的增加是由于耕地、草地等農用地的轉化。其他用地包括未利用地和特殊用地等，占全省面積的29.58%，近年來呈緩慢下降的趨勢。

表3 2012～2019年山西省土地利用情況 萬hm2

土地利用類型的變化是氣候、經濟、政策以及人口等綜合作用的結果。近年來，山西省經濟快速發展，截止到2019年地區生產總值達14484億元，其中建筑業的地區生產總值指數以及省運輸線路長度的逐年增加，與城鎮村及工礦用地、交通用地面積的增長相對應。

3.2 能源消費現狀分析

化石能源的使用是碳排放的主要來源。山西省能源消費構成為原煤、洗精煤及其他洗煤、焦炭、石油制品、電力、天然氣、煤氣及其他。截止到2019年，山西全省能源消費總量為2.005723萬tce，占全國能源消費總量的4.4%。如圖1所示，電力在能源總消費量中占比最大，約為37.58%；其次是原煤，約占21.73%；其余的依次為天然氣、焦炭、石油、洗精煤和其他洗煤。2012~2019年，除焦炭、洗精煤和其他洗煤的消費量基本呈逐漸降低的趨勢之外，其他能源消費均呈增長趨勢，但增長的特征存在差異，其中電力和天然氣的消費量基本上呈穩定增長態勢，年均增長率分別為3.97%和8.11%；原煤和石油的消費量呈波動增長態勢，年均增長率分別為2.85%和2.20%。

圖1 2012～2019年山西省能源消費情況

總體來看，山西省能源消費總量呈緩慢增長的趨勢，但有些年份甚至出現負增長的情況。具體而言，2015~2017年，山西省能源消費總量從2.027350萬tce降低至1.938345萬tce，之后又緩慢增加至2019年的2.005723萬tce。山西省仍以傳統的能源消費——煤炭為主，但近年來煤炭的占比逐漸降低，從2012年的25.44%下降到2019年的21.34%，這表明山西省在調整能源消費結構等方面已做出實際行動。

3.3 不同土地利用類型的碳排放分析

根據山西省能源消費和土地利用數據，結合上文的碳排放模型，計算得出該省近年來不同土地利用類型的碳排放量，如圖2所示。

由圖2可見，山西省的碳排放總量呈波動上升的趨勢，與能源消費總量的變化趨勢一致，這表明化石能源的使用是產生碳排放的關鍵性因素。城鎮村及工礦用地的碳排放量最多，占全省碳排放量的88.38%，2015年達到近幾年的峰值10131.51萬t，且在2017年之后有增加的趨勢。其次是交通用地，此類土地利用的碳排放量占全省的3.30%，近年來呈穩定上升的趨勢，這可能與運輸線路長度和民用汽車擁有量的逐年增加有關。而農用地的碳排放量最少，只占全省的2.01%，而且近年來呈下降的趨勢，其碳排放主要來源于農田經營過程中投入的人力、水以及用于各種農業機械的化石燃料等物質和能源［21］。但農用地的面積遠遠超過其他土地利用類型的面積，說明農用地的碳排放強度較低。通過計算得出農用地的碳排放強度約為0.23 t/hm2，而城鎮村及工礦用地的碳排放強度高達110 t/hm2，說明碳排放總量的增加主要是由此類土地利用的化石能源消耗引起的。如圖3所示，近年來山西省的碳排放強度呈波動增長的態勢，與前文碳排放總量的變化趨勢相同。

圖2 2012～2019年山西省不同土地利用類型的碳排放量

圖3 2012～2019年山西省的碳排放強度

3.4 不同土地利用方式的碳足跡分析

從表4可以看出，山西省的碳匯總量從2012年的4686.51萬t增長到2019年的4912.96萬t，年均增長率為0.68%。在不同土地利用方式中，林地的碳匯量最大，約占總碳匯量的59.67%；其次是耕地，其碳匯量約占總碳匯量的31.50%；草地的碳匯量最小，主要原因是草地的面積最小。山西省從2012年至2019年的碳足跡壓力指數均大于1，而且呈波動上升的趨勢，表明山西省的能源消費量大于碳匯總量，區域碳循環系統壓力過大。

表4 2012～2019年山西省的碳匯量和碳足跡壓力指數

根據NEP的測算方法，得出了山西省2012年至2019年不同土地利用類型的碳足跡（表5）。由表5可知：山西省的碳足跡總量呈波動上升的趨勢，從2012年的3195.18萬hm2增加到2019年的3681.25萬hm2，年均增長率為2%；各年的碳足跡總量明顯大于生產性土地的實際面積，平均產生了1947.98萬hm2的生態赤字，說明山西省的碳匯系統不足以消費吸納能源消耗產生的碳排放。此外，不同土地利用類型的碳足跡存在差異，其中城鎮村及工礦用地的碳足跡最大，約占碳足跡總量的89.2%，所以它的變化趨勢與碳足跡總量的變化趨勢基本一致，同時也說明了此用地類型的能源消耗量最大；其他土地利用類型的碳足跡表現為交通用地＞其他用地＞農用地。值得注意的是，山西省的生態赤字甚至大于省域總面積（1567萬hm2），而且有擴大的趨勢，表明該省的生態壓力較大。

表5 山西省2012～2019年不同土地利用類型的碳足跡 萬hm2

4 結論與討論

4.1 結論

山西省能源消費的碳排放總量呈波動上升的趨勢，與能源消費總量的增長相對應，其中電力與原煤的消耗量最大，而電力生產和供應業消耗的主要是煤炭，因此，山西省能源消費結構仍然以煤炭為主。

城鎮村及工礦用地的碳排放量最大，約占碳排放總量的88.38%，其碳排放強度也最高，約為110 t/hm2，說明人類活動集中的建設區域能源消耗量最多，碳排放量最大。

2012~2019年，山西省的碳匯總量從4686.51萬t增長到4912.96萬t，其中，林地的碳匯量最大。歷年的碳足跡壓力指數均大于1，表明山西省的能源消費量大于碳匯總量，區域碳循環系統壓力過大。

山西省的碳足跡呈增長的趨勢，且遠大于實際生產性土地面積，說明山西省生態系統的碳匯系統不足以補償能源消費產生的碳排放，生態赤字嚴重，甚至超過全省總面積。

4.2 討論

基于以上結論，優化城鎮村及工礦用地等高碳排放的土地利用方式以及調整以煤炭為主的能源消費結構，是山西省降低區域碳排放和碳足跡的關鍵。因此，山西省在土地利用規劃中應加強生態環境治理，進行植樹造林，增大林地面積比重；在能源方面，應持續推進能源供給側結構性改革，提高煤炭的利用效率，同時大力開發太陽能、風能等清潔能源，發展低碳經濟，建設低碳山西。