基于固碳服務供需視角的河南省碳平衡研究

李 瀟,吳克寧,2,*,馮 喆,2,3,王穎涵

1 中國地質大學(北京),北京 100083 2 自然資源部土地整治重點實驗室, 北京 100035 3 碳中和與國土空間優化重點實驗室,南京 210008

應對全球氣候變化、推進全球可持續發展,日益成為世界共識[1]。截至目前,全球已有30多個國家和地區確定了碳中和的目標,并制定了相應的低碳發展戰略[2]。習近平總書記在中央財經委員會第九次會議上指出：“要把碳達峰、碳中和納入生態文明建設整體布局,拿出抓鐵有痕的勁頭,如期實現2030年前碳達峰、2060年前碳中和的目標”。順應綠色低碳發展,推動碳達峰、碳中和目標的實現是我國生態文明建設的當務之急。

土地利用和氣候變化對陸地生態系統碳平衡有強烈的影響[3]。有關陸地生態系統碳平衡的研究對象主要集中在單個生態系統,包括森林生態系統[4]、農田生態系統[5—6]以及土壤生態系統[7]等,而對于整個陸地生態系統的研究比較少。研究的內容包括,對不同尺度陸地生態系統碳平衡的特征分析[3],以及碳平衡在城市管理系統中的應用[8]。相關研究方法有的采用凈初級生產力(NEP)變化衡量[3],有的研究核算碳凈排放量(碳排放與碳吸收的差值)為區域碳平衡量[8]。

陸地碳固存和儲存服務可能是所有生態系統服務(ES)中最為廣泛認可的[9]。對于碳固存的研究以往已有不少經驗,有研究從碳固存的服務的供給側,測算不同尺度下不同生態系統的固碳量,例如,段曉男等測算了中國濕地生態系統的固碳量[10],方運霆等測算了自然保護區范圍內土壤有機碳的貯量[11]。也有研究從碳固存服務的供需關系分析碳固存服務,例如,孟士婷等結合改進的CASA模型模擬NPP和IPCC清單法,對北京市碳固持服務的供需關系進行動態分析[12]；González-García等通過InVEST模型和人口密度法,研究了西班牙馬德里地區的碳固存服務的空間供需關系,并對土地利用規劃提出了建議[13]；Deng等結合InVEST模型和人口密度法分析了湘江流域城市化與生態建設對固碳服務供需的影響[14]。綜上研究,對于陸地生態系統碳平衡的分析缺乏從碳固存服務供需視角的研究。

本研究以河南省為研究區,1 km網格為單元,依據“土地利用變化分析-碳固存服務供需測算-碳平衡時空變化-碳平衡驅動力分析”的基本思路,應用InVEST模型、IPCC碳排放核算、人口密度法以及生態系統供需比等方法,將河南省固碳服務的供需及碳平衡情況空間化,分析其時空變化。在此基礎上,研究土地利用類型與碳平衡的關系。最后,分析碳固存服務供需的影響因素,并提出國土空間保護與利用的合理建議。本文從碳固存服務供需的視角研究區域碳平衡的動態變化,結合其時空變化及其與土地利用類型的關系,提出了國土空間優化利用的建議,以期為當地碳平衡的管理決策提供數據和分析支撐,同時為區域碳平衡的研究提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區

河南省位于我國中東部,華北平原南部黃河中下游地區,界于31°23—36°22′N,110°21′—116°39′E之間,轄17個地級市以及1個省直轄縣級行政單位濟源市。本區地處沿海開放地區與中西部地區的結合部,是我國經濟由東向西梯次推進發展的中間地帶,是全國農業大省和糧食轉化加工大省。

河南省地勢西高東低,北、西、南三面太行山、伏牛山、桐柏山、大別山沿省界呈半環形分布,中東部為黃淮海沖積平原,西南部為南陽盆地。省內低山丘陵和平原分異明顯,平原和盆地面積之和約占河南省總面積的55.7%,山地、丘陵分別約占河南省總面積的26.6%、17.7%。本區地處暖溫帶至亞熱帶、濕潤至半濕潤季風氣候區,全年平均氣溫約為15.7℃,年平均降水量約為600—1200 mm。全省淺層地下水資源總量為205.3億m3,其中淡水占97%,微咸水3%。復雜的自然條件,使得省內氣候、植被、地形、成土母質等不同,土地利用方式各異,受暖溫帶、北亞熱帶季風氣候影響,形成了地帶性的褐土(暖溫帶)和黃棕壤(北亞熱帶),土壤類型主要為潮土、褐土、黃棕壤、棕壤。

1.2 數據來源

本研究的土地利用和人口密度數據包括河南省1995年、2005年和2015年的1 km×1 km分辨率數據,均來自中國科學院資源環境科學數據中心 (https://www.resdc.cn/)。土地利用類型分為6種：耕地、森林、草地、水域、建設用地和未利用地。

研究區各地類的平均碳密度數據主要來源于相關文獻[15—22]。其中,耕地、林地和草地的地上碳密度根據對應地類的在中國和河南省的碳儲量研究結果選取[15—19],地下碳密度采用根冠比法[20],結合黃玫等對中國各類型植被的根莖比系數研究成果[21]求得。本文中的土壤碳庫值是指0—100 cm深度內土壤中的碳儲量,各個地類的土壤碳密度根據河南省土壤碳的相關研究[22]。枯枝落葉層作為一個活躍的碳庫,它在碳素循環中也起到一定的作用[16]。本文中除耕地、森林和草地生態系統外,其他生態系統的枯枝落葉層均忽略不計。各植被類型死亡有機碳密度通過收集和整理相關文獻資料獲得[16—17]。

在本研究中,河南省人均碳排放因子來源于中國碳核算數據庫 (CEADs) 的省級部門的CO2排放清單 (https://www.ceads.net.cn/),該清單采用IPCC部門排放核算方法,涵蓋47個社會經濟部門(45個生產部門和2個居民部門),17種化石燃料燃燒與水泥生產相關過程排放[23]。根據數據目前的更新情況,該清單包括1997—2019年省級排放數據。該數據集使用了更新的排放因子,低于IPCC默認值,被認為更準確[24]。

選取6種影響碳固存供需的因素作為驅動因子,包括高程、年平均溫度、年平均降水量、土壤有機質、人口密度和人均國內生產總值。其中,高程數據來自地理空間數據云(GDC)(http://www.gscloud.cn),1995、2005、2015年的年平均溫度、年平均降水量、人口密度和人均國內生產總值均從中科院資源環境科學與數據中心 (RESDC) 獲得,土壤有機質來自中國第二次土壤普查數據,河南省1:20萬土壤圖。

1.3 研究方法

1.3.1 固碳服務供給

陸地生態系統比大氣儲存更多的碳,對于影響二氧化碳驅動的氣候變化至關重要[9]。使用InVEST碳存儲模型來估算生態系統中存儲的碳量,該模型使用的是元素碳的質量[9]。根據土地利用圖,將不同土地利用類型下的各類碳庫相加,得到在t時間內,每個像素單元x所貯存的碳Cxt,公式如下：

式中,Axjt為像元x中土地覆被類型j的面積。Caj、Cbj、Csj和Coj分別代表土地利用類型j的地上生物碳庫、地下生物碳庫、土壤碳庫和死亡有機物碳庫的碳密度。研究區各地類碳密度數據見表1。

相關研究表明,中國20世紀80年代到21世紀植被碳密度變化不顯著[25]。借鑒相關碳儲量測算時碳密度不變的假設[26],本研究假定土地利用類型的碳密度不會隨著時間的推移而增加或減少,只有當土地利用類型轉變時,碳密度才會發生變化。

表1 不同土地利用類型各部分的碳密度/(Mg/hm2)

1.3.2 固碳服務需求

人口密度法是目前計算生態系統服務需求的常用方法[13—14]。本文的固碳服務的需求也就是區域碳排放量,采用人口密度和人均碳排放量的乘積來測算。公式如下:

式中,其中CD為區域某年的碳排放量(kg);P(x)為像元x(1 km×1 km) 的人口密度(人/km2);φ(i)為第i年的人均碳排放系數(kg/人)；N為像元總數。

因為缺少1995年的碳排放數據,本研究選擇1997年人均碳排放替代,2005年和2015年人均碳排放均來自CEADs。在ArcGIS中使用柵格計算器,將各年的人口密度圖和人均碳排放因子分別相乘得到1995年、2005年和2015年區域二氧化碳排放圖。根據相對原子量,按照二氧化碳中所含的碳占總量的27%[13]計算,得到各年的固碳服務的需求。

1.3.3 碳平衡研究

生態供需比(ESDR),連接ES的實際供給和人類需求,可以用來揭示盈余或短缺的本質[27—28]。本文用它來反映研究區域的供需特征,根據以下方程計算[29]：

式中,Sactual和Dhumand分別為ES實際供給和人類需求;Smax和Dmax分別為ES實際供給和人類需求的最大值。ESDR>0,表示實際供給盈余；ESDR=0,表示實際供給和人類需求平衡；ESDR<0,表示實際供給赤字。在ArcGIS中,根據不同區域生態系統服務的供給和需求,利用字段計算器計算ESDR。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化

1995—2015年間,研究區北部和中部城市群周圍的建設用地面積逐漸擴大,水域面積先減少后增加,而西南部林地和草地變化較小(圖1)。20年間,凈變化量較大的地類為耕地、建設用地和水域,其中,耕地面積凈減少2332.33 km2,建設用地凈增加1904.89 km2,水域增加515.29 km2。另外,研究區林地、草地和未利用地面積均有不同程度的減少,減少面積分別為19.25、48.12、20.48 km2。

隨著經濟的發展和城鎮化進程的加快,20年間研究區建設用地的持續增加并逐漸擠占耕地空間[30]。水域的面積經歷了先減少后增加的發展過程,這與河南省氣候、農業發展情況存在一定聯系[31]。

圖1 研究區各年土地利用現狀圖Fig.1 Annual land use status map of the study area

2.2 固碳服務供給

由圖2看出,研究區固碳服務的單位面積供給量總體呈現西高東低的分布格局,單位固碳量的高值區集中在研究區西南伏牛山區的林地和草地等生態地類,而單位固碳量的低值區分布在研究區東部平原的人為活動強烈的建設用地。

研究區固碳服務的單位面積供給量與土地利用類型密切相關,即單位固碳量的高值區集中在林地和草地等生態地類,而單位固碳量的低值區分布在人為活動強烈的建設用地,且各地類的單位面積固碳量由大到小依次為林地、草地、耕地、水域、建設用地和未利用地。單位固碳量的空間分布的高值區主要在研究區西南的伏牛山地區,西部太行山地區以及南部桐柏山-大別山地區的林地和草地；低值區零星分布在各地市的建設用地、水域和未利用地。1995—2015年間,單位固碳量低值區面積逐漸擴大,且有從中心向周圍逐漸擴散的趨勢。

圖2 研究區各年固碳服務供給量分布圖Fig.2 Distribution map of carbon sequestration service supply in the study area

測算各年各地類總固碳量,得到表2。可以看出,河南省的碳固存主要集中在耕地、林地和建設用地。其中,由于耕地在數量上的巨大優勢,其總固碳量最大,各年固碳量占對應年份總固碳量的比例均超過50%；其次是林地,占比在30%以上；另外,建設用地固碳量占比也保持在7%以上。

1995—2015年間,研究區總固碳量逐年下降,該現象主要是因為高固碳量地類減少,低固碳量地類的增加。各地類的固碳量變化中,耕地、林地、草地和未利用地的總固碳量減少,且耕地固碳量減少最為明顯,而建設用地和水域的總固碳量增加。

表2 各年土地利用總固碳量/(×108kg)

2.3 固碳服務需求

從各年的碳排放量圖(圖3)看出,研究區固碳服務的需求量呈現中東部高、西北部低的特征,且中心城區建設用地的固碳服務需求量遠高于周圍的耕地。其中,鄭州市、洛陽市和開封市市區的建設用地碳排放量高值區面積較大。另外,研究區的東北部的平原地區碳排放明顯高于西部和南部山地丘陵區。該分布與區域經濟發展水平相對一致,西部和南部地區經濟發展水平相對較低,人類活動強度和土地開發利用程度不高[32]。

從1995年到2015年,研究區固碳服務的需求總量持續增加,且各個地類的固碳服務需求量均有增加,這可能與各類土地的利用強度提高有關。其中,建設用地的固碳服務需求量增加最為明顯。另外,固碳服務需求的高值持續提高,且高值區面積逐步擴大,這與研究區能源工業等產業的發展和經濟發展水平的提高密切相關。固碳服務需求的低值總體提高,但出現先增加后減少的趨勢,這與產業的集聚效應有關,產業發展逐漸集中在優勢區域。

圖3 研究區各年固碳服務需求量分布圖Fig.3 Distribution map of carbon sequestration service demand in the study area

2.4 碳平衡分析

根據研究區各年碳平衡狀況圖(圖4)看出,固碳服務的供需關系總體不平衡,各區之間供需關系差異大,且在空間分布上存在錯配。固碳服務供需比的高值區分布在西南丘陵山區和南部山區的林草地覆蓋地,這些區域固碳量大,人類活動的碳需求較少；固碳服務的供需比低值區集中在城市建成區,這些區域人類活動強烈且固碳的植被覆蓋較少。

圖4 研究區各年碳平衡圖Fig.4 Annual carbon balance map of the study areaESDR：生態供需比Ecological supply-demand ratio

在經濟和人口規模不斷變化中,供需之間的空間錯配隨著時間的推移而變化。1995年,研究區的固碳服務供需比為正值,說明固碳服務關系總體不平衡,研究區整體處于碳固存供給盈余的狀態。2005年,研究區的固碳服務供需差在城市建設用地出現了負值,包括鄭州市、洛陽市和新鄉市在內的多個城市。該現象說明隨著工業化水平的提高,碳排放逐漸增加,出現了固碳服務需求大于供給的區域。2015年,固碳服務供需比的高值和低值均逐漸降低,且負值區域越來越多,中北部城市群均出現負值。說明隨著經濟的發展,建設用地碳排放量持續增加,供給短缺的區域越來越多。1995—2015年,研究區的碳平衡呈現整體向好,局部惡化的情形。

3 討論與結論

3.1 討論

本文的碳平衡研究并非追求區域內部絕對的碳平衡,而是關注在社會經濟發展的要求下,區域發展水平不斷提高的過程中,碳平衡的動態變化。該研究可為未來國土空間規劃的碳平衡目標的實現提供參考,對在糧食安全、經濟發展和生態安全等不同發展方向下的空間布局提供依據。

為了實現區域碳平衡的目標,提出合理的國土空間的保護和利用建議,對研究區固碳服務供需與影響因素的相關性分析進行分析(表3)。可以看出,研究區固碳服務的供給量與高程、年平均降水量和土壤有機質呈正相關,與年平均溫度、人口和國內生產總值(GDP)呈負相關關系,且受高程和年平均溫度的影響最大,這主要是因為研究區林草地主要分布在高程較大的山區,固碳量較多；固碳服務的需求與人口密度、年平均溫度和GDP呈正相關,與高程和土壤有機質呈負相關,且除人口因素外,與GDP的相關性最強,這與以往經濟發展水平與碳排放的相關性研究結果相同[33]；固碳服務的供需比與高程、年降水量和土壤有機質呈正相關,與年平均溫度、人口和GDP呈負相關,且受到高程的影響最大。因此,在國土空間保護和開發的過程中,選擇高程大、降水多林草集中區的地方作為生態保護的區域,在人口密集、經濟發達的地方設定集中建設發展區。

表3 研究區固碳服務供需影響因素的相關系數矩陣

從固碳服務的供需與土地利用類型的關系上看,研究區林地面積占比雖然不大,但其總固碳量卻較高。因此,可通過改變土地利用方式、優化國土空間格局等手段[34],緩解生態失衡、助力碳平衡目標的實現。低碳的國土空間布局需要增加人為活動較少的林草等固碳服務供給的高值空間,減少經濟活動強烈的建設用地等固碳服務需求的高值空間。

河南省作為我國糧食核心生產區,耕地面積占區域總面積的60%以上,耕地的碳固存量在研究區具有明顯的數量優勢。但在研究時段內,耕地的固碳服務需求量不斷增加,但其供給量卻逐漸減少；建設用地的固碳服務供需量均有增加,但需求增加的速度遠遠超過供給的增長速度。因此,為實現區域碳平衡的可持續性,在國土空間布局中,要保障一定的耕地數量、減少耕地向建設用地的轉移,可以在保證糧食安全的同時,起到增加區域碳固存、減少碳排放的作用。

3.2 結論

本文從固碳服務的供需視角,以1 km網格為單元,以河南省為例開展區域碳平衡的實證研究,結論如下：(1)研究區耕地的固碳服務供需量均為最大,但其總供給量遠遠高于總需求量。(2)固碳服務的供給量和需求量與土地利用類型密切相關,人為活動較少的林草地為固碳服務供給的高值區,經濟活動強烈的建設用地為固碳服務需求的高值區。(3)研究區固碳服務的供需關系總體不平衡,各區之間供需關系差異大,且在空間分布上存在錯配,碳固存的盈余區主要分布在西南部林草地覆蓋地,短缺區位于城市中心建成區。(4)1995—2015年,總碳固存供給量逐年下降,總碳固存需求量逐年增加,研究區碳平衡表現為整體向好,局部惡化的情況。

3.3 不足與展望

本文重點研究固碳服務供需在空間上的特點及變化,對固碳服務需求的計算不夠精確,只考慮了與能源相關的CO2排放中的碳元素,沒有考慮其他人為活動產生的碳,可能導致固碳服務的需求整體偏低。另外,碳密度隨時間和空間的變化而變化,但是本研究為了突出土地利用類型與固碳服務供給的關系,假定研究時間段內,植被碳密度不變。未來應綜合考慮各種人類活動碳排放,提高碳排放測算的準確性。另外,本研究只在網格單元尺度對省域尺度碳平衡進行了研究,未來可在同一范圍內,同時進行分析多個尺度的分析,為區域碳平衡和碳補償等提供參考。