土地利用碳排放研究進展與展望

鄧康龍，汪倩倩，陳欣悅，曾小雨，徐裕煥，武慧君

(安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001)

1 引言

近年來，全球氣候變化一直是國際討論的熱點問題，同時也是可持續(xù)發(fā)展面臨的巨大挑戰(zhàn)[1]。為應對全球氣候變暖，在2015年，全球147個國家簽署了《巴黎協定》，并承諾將全球平均氣溫升溫限制在高于工業(yè)化前水平2 ℃以內，并努力將溫度升高限制在高于工業(yè)化前水平1.5 ℃以內[2]。中國政府也相繼承諾到2030年前碳排放達到峰值，并在2060年之前實現碳中和[3，4]。研究顯示氣候變化不單單是氣溫的升降，它會影響整個生態(tài)系統的均衡，相應也會伴隨一系列的自然災害和社會經濟問題，如極端天氣、農業(yè)災害、漁業(yè)減產、生物多樣性減少、沙漠化、沿海城市淹沒和貧困人口上升等[5]。研究證明全球變暖是由于大氣中二氧化碳濃度的攀升造成溫度升高，進而產生溫室效應，而土地利用變化是造成溫室效應的主要原因之一[6]。人類活動中的開墾農田、城市建設、交通運輸、垃圾處置、工業(yè)生產、資源開采等都會引起土地利用變化[7]。

土地利用變化作為僅次于能源消耗的第二大碳排放源，為人們開展人為碳排放研究提供了重要的分析視角[8]。土地利用變化不僅會改變所承載的自然碳通量，還會改變人類活動密集地區(qū)的碳排放，從而顯著影響全球碳平衡[9]。同時在研究土地利用時還會綜合考慮其具有的碳源和碳匯的雙重作用，如土地上的森林、草地等通過光合作用吸收空氣中的碳，生物的呼吸、排泄和腸胃發(fā)酵以及人類活動等產生的碳排放，特別是人為碳排放居多[10]。21世紀以來，學者們在土地利用碳排放核算、機理、效應、影響因素及低碳減排策略上的相關研究不斷完善，但由于土地利用變化受經濟政治和文化觀念等人為因素，以及地形氣候和土壤條件等自然因素的共同影響，導致土地利用碳排放的研究存在一定的復雜性和不確定性，故此成為全球變化研究的熱點和難點之一[11]。

基于此，本文深入研究土地利用碳排放相關模型和土地變化的調控機制，從土地利用碳排放的國內外研究進展進行綜述分析，對低碳發(fā)展的前景提出展望，旨在引發(fā)人們對土地利用的低碳發(fā)展的思考。

2 土地利用的碳排放研究進展

土地利用的碳排放研究一般可以從土地利用類型變化的碳排放和土地載體上的人為源排放兩個方面來著手。一方面，是指土地利用類型轉變和土地利用保持對陸地生態(tài)系統碳循環(huán)的影響；另一方面是指土地利用類型上所承載的全部人為碳排放，包括開墾農田、城市建設、交通運輸、垃圾處置、工業(yè)生產和資源開采等等，即土地利用碳排放是不同土地類型上的綜合碳排放的空間強度和分布效果[12]。

2.1 土地利用的碳排放核算研究

土地利用碳排放核算研究是土地利用碳排放的基礎研究，為土地利用碳排放的后續(xù)研究提供了基礎保障。從國家層面分析，以聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發(fā)布的《IPCC家溫室氣體清單指南》最具影響力，為碳排放的核算研究提供了整體的核算參考[13]。但從區(qū)域層面分析，該指南無法反映區(qū)域的差異性、復雜性和獨特性，故有些學者可能側重使用模型估算、樣地清查、遙感地圖以及排放檢測等方式來核算區(qū)域碳排放[14]。同時需要注意的是這些新技術手段因受到精度和成本較高、適用的范圍較小以及相關技術較難而難以推廣[15]。

如表1所示，對土地利用碳排放的常用核算模型及方法進行了匯總，比較分析了各類模型的特征，并提供相關的碳排放核算研究的案例。

表1 常用碳排放核算模型

在進行土地利用碳排放核算研究時，還要區(qū)分陸地生態(tài)系統碳排放核算與能源和工業(yè)源的碳排放核算。陸地生態(tài)系統的碳排放核算主要從植被碳和土壤碳的研究入手，能源和工業(yè)源的碳排放核算更多體現在建設用地上，特別是伴隨經濟發(fā)展和人口增長，不斷侵占其他土地利用類型并轉化為建設用地，即能源和工業(yè)源的碳排放是建設用地擴張下所導致的間接的土地利用碳排放。

綜合分析可得土地利用碳排放的核算研究推動了碳排放與土地利用研究的結合，為土地利用碳排放的后續(xù)研究提供了計算依據。

2.2 土地利用的碳排放機理研究

土地利用的碳排放機理研究主要是探究土地利用碳排放的產生原因和驅動機理，為土地利用碳排放的研究闡述了內涵和價值。正如Houghton[24]通過歸納影響陸地碳匯形成機制可得出：一方面是影響光合、呼吸、生長以及腐爛分解速率的生理代謝機制，另一方面是自然干擾與土地利用變化管理的干擾和恢復機制。故這類研究可從自然干擾機制、土地利用類型轉變機制和土地管理方式轉變機制3個方面進行機理分析及研究歸納(表2)。

如表2所示，國內外的學者們通過不同的角度來詮釋土地利用碳排放機理研究，讓我們了解到土地利用變化改變了生態(tài)系統中土地使用的類型，進而改變了土壤的有機碳的相關屬性。這說明土地利用的碳排放是直接受限于該土地的利用形式，然后是外部因素對土地利用的作用。因此在研究中，更需注重的是土地類型的轉換和人為管理方式的影響，再結合相關的模型從廣度和深度上去解析土地利用碳排放機理。

表2 常見碳排放機理分析

2.3 土地利用的碳排放效應研究

在研究土地利用碳排放的機理后，其效應研究就呼之欲出了。它主要是在機理研究基礎上去分析自然和人為活動下土地向大氣釋放碳的過程中的機制及其影響，是土地利用碳排放的研究的內核和焦點。結合《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》和中國科學院地理科學與資源研究所(RESDC)的資源環(huán)境科學與數據中心分類，將土地利用類型劃分成耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地6個一級類型以及25個二級類型，最后綜合分析將土地利用碳排放效應影響歸納為四大點，如表3所示。

表3 土地利用碳排放效應影響分析

在研究過程中，可以理解土地利用碳排放效應更多的是土地利用碳排放機理分析的影響評價，它從系統化的角度更加宏觀地將陸地生態(tài)系統循環(huán)、植被碳庫、土壤碳庫和人為源碳排放等這些結合研究，并得出學者們對于土地利用碳排放的標準研究進展。各國再根據各區(qū)域的實際要求和碳排放現狀，制定滿足自身的數據標準、分類標準、核算方法和排放因子等。為滿足國際間的碳排放研究學習和協助交易，聯合國也通過了《聯合國氣候變化框架公約》(UNFCCC)和《IPCC國家溫室氣體清單指南等》等，為各國提供了國際認可的可估算溫室氣體清單的方法學，這對研究全球土地利用特征以及碳排放效應有著匪淺的影響。

2.4 土地利用的碳排放影響因素研究

土地利用的碳排放影響因素研究是分析其碳排放過程的受控因素，在從中得出影響土地利用碳排放的主要影響因素，并針對不同的影響因素提出低碳節(jié)能的發(fā)展措施，為土地利用規(guī)劃可持續(xù)發(fā)展提供現實意義。目前碳排放影響因素分析研究方法有：Kaya恒等式[45]、投入產出結構分解法(Input-Output Structural Decomposition Analysis)、STIRPAT模型[46]、對數平均迪式指數法(Logarithmic Mean Divisia Index Method)[47]、Laspeyres指數法等，這些方法各有其特征與適用性，在國內外相關領域都取得了廣泛的應用(表4)。

結合國內外學者的研究，發(fā)現影響土地利用碳排放增長的因素主要是經濟發(fā)展、土地利用變化、人口規(guī)模角度和政府政策調控，而土地利用中能源效率提高和能源結構優(yōu)化在一定程度上都有利于土地利用的碳減排。通過分析《全國土地利用總體規(guī)劃綱要(2006-2020年)》調整方案[54]，可知國家通過調整土地利用總體規(guī)劃和管制土地管理和用途等政策手段來推進低碳優(yōu)化可持續(xù)發(fā)展的進程。這說明未來城市發(fā)展土地利用的碳減排的趨勢已不可阻擋，雖在短期內土地利用碳排放還會持續(xù)增長，但筆者堅信實現碳達峰與碳中和的目標已不再遙遠。

3 土地利用的低碳優(yōu)化發(fā)展

伴隨土地利用碳排放的日益增長，土地利用的低碳優(yōu)化對促進碳減排和土地利用規(guī)劃有著巨大的潛力，也對提高土地利用效率和效益，以及實現經濟發(fā)展和環(huán)境和諧有著重要的現實意義。為實現土地資源的可持續(xù)利用，達到土地利用的低碳優(yōu)化，學者們研究利用了數理模型對土地利用進行低碳優(yōu)化，以滿足在土地規(guī)劃上的現實需要和未來優(yōu)化發(fā)展。

數理模型可基于研究區(qū)域的數據建立土地利用與低碳優(yōu)化的相關數學模型，并設置土地利用低碳優(yōu)化模型的變量，確定目標函數中效益系數，再設立相應的土地約束條件，最后選擇合適的數理模型得到相應的優(yōu)化結果。因此使用數理模型法相對于傳統的定性方法更具有科學性與客觀性[15]，常用的數學模型見表5。

表5 常用土地利用的數理模型

眾多學者運用不同的模型和算法來研究土地利用低碳優(yōu)化發(fā)展，總結歸納以下二點。一方面，降低以人為碳排放土地利用碳排放，主要從土地利用結構優(yōu)化(植樹造林、擴充碳匯)、土地利用規(guī)模控制(控制建設用地規(guī)模)、土地利用方式轉變(減少對農用地的占用)、土地利用布局調整(優(yōu)化產業(yè)結構布局)等要點來展開降碳；另一方面，國家相應政策配套體系的建立，可以從強化低碳意識(樹立人們保護環(huán)境、低碳生活意識)、規(guī)劃控制供地政策(嚴格控制建設用地規(guī)模，完善土地供應政策)、土地用途管制(限制不合理的土地利用行為)、土地稅收保障(設立專項的土地利用資金)等政策來配套低碳優(yōu)化發(fā)展。

4 研究展望

土地利用變化產生碳排放一直是人類碳排放增長的重要原因，研究土地利用碳排放核算、機理、效應及其影響因素是為了更好控制土地利用的碳排放，減緩溫室效應，并為開展土地低碳優(yōu)化發(fā)展提供研究意義。

綜合來看，國內外的學者針對土地利用碳排放的研究主要側重以下幾點，一是以時空尺度的土地利用碳的預測、核算與模擬，利用相關的時空數據和歷史資料文獻進行大尺度的研究分析；二是針對土地利用碳的機理效應影響分析不同的土地利用類型的轉變，以及外在因素對土地利用的影響對區(qū)域乃至國家的碳排放的綜合影響；最后一點是基于現有的碳排放現狀和國家政策影響，對土地利用碳排放的趨勢進行情景預測，以滿足低碳優(yōu)化發(fā)展的總基調。

為克服現存的一些問題，如大尺度分析土地利用類型轉變和土地利用間的碳轉換研究文獻還是較少，缺乏系統性的研究脈絡；大量文獻側重于土地利用碳排放的理論研究，缺少了結合區(qū)域的土地利用現狀和政策要求的實際措施。因此，未來在研究土地利用碳排放和低碳優(yōu)化發(fā)展時，更應該考慮多方面、多層次的碳排放研究的融合，如土地利用與能源利用的碳排放，還需要完善各類實時遙感監(jiān)控數據和碳排放數據庫等基礎資料，以便于能隨時更新碳排放清單，確保碳排放研究的準確性和科學性，最后就是將國家政策和土地利用現狀結合起來，突破理論與實踐的壁壘，將精準的數據和科學的措施匹配到土地利用規(guī)劃上面來，這樣才能真正推動土地利用碳排放的研究。