雙碳戰略背景下漓江流域土地利用結構優化

黃連坤，邵 亞，陳家鴻，梁藝耀

（桂林理工大學地球科學學院，廣西 桂林 541004）

隨著氣候變化所帶來的環境問題日益嚴重，碳減排成為研究熱點。中國政府在2020 年提出“雙碳”戰略目標，主動承擔碳減排任務。陸地系統碳排放主要有兩種途徑：一種途徑是化石燃料的燃燒和工業生產過程中直接排放的CO、CO2等溫室氣體；另一種途徑是由于土地利用變化所導致的CO2等溫室氣體碳源和碳匯的變化［1］。Houghton［2］的研究表明，1850—2000 年由于土地使用和管理的變化導致碳通量向大氣釋放了156 PgC。Detwiler［3］的研究表明，土壤中碳的減少與森林砍伐和燃燒無關，而是與伐木所導致的土地利用的變化有關。土地利用是低碳經濟和碳排放研究的重要切入點，也是調節碳排放的重要工具，對土地利用和碳減排的研究有助于從國土空間規劃、產業結構調整等領域全面引導低碳經濟社會發展［4］。因此，除了提出產業結構升級改造等措施外，根據不同土地利用類型的固碳能力對土地利用結構進行優化調整也是對碳排放控制的重要措施［5，6］。

通過土地利用結構優化方法促進碳減排已經引起諸多研究者的關注。葉長盛等［7］基于南昌市4 期土地利用數據，結合灰色多目標線性規劃模型和FLUS 模型，對2025 年土地利用數量結構及空間布局進行預測模擬，探究了低碳目標下城市土地利用變化趨勢。劉慧靈等［8］以福州市為研究區域，采用灰色多目標線性規劃法獲得土地利用優化方案，得出低碳經濟導向的土地利用結構優化方案有利于實現碳減排目標。張哲［9］利用人群搜索算法的快速尋優能力對土地利用結構優化模型進行求解，得出了碳排放最小及碳儲量最大的結果。盧華杉等［10］采用數學計量方法估算出華容縣土地利用結構的碳效應狀況，構建了低碳土地利用結構優化碳效應評價指標，建立了多目標線性規劃模型并計算出華容縣土地利用結構優化方案。從以上研究可以看出，以往低碳視角下土地利用結構優化的研究，土地利用預測時間短，較少與雙碳戰略時間相銜接。此外，從研究尺度上來說，已有研究大多在省域、市域（縣域）的尺度上進行，較少從流域尺度進行研究。

漓江屬珠江流域西江水系，位于桂林市，在當地經濟和旅游服務行業快速發展的影響下，漓江流域的城鎮化步伐加快，土地利用結構發生了明顯改變［11］。因此，在國家雙碳戰略背景下，研究漓江流域土地利用結構優化對未來實現碳中和目標具有重要實踐意義。本研究以桂林漓江流域為研究區域，在預測的2030 年土地利用碳排放量的基礎上，利用線性規劃模型對土地利用結構進行優化，以期為漓江流域實現碳減排提供參考依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區域概況

漓江流域（24°38′10″—25°53′59″N，110°07′39″—110°42′57″E）地處廣西壯族自治區東北部、湘桂走廊西南端、南嶺山脈西部（圖1）。流域范圍包括桂林市6 區6 縣1 市（秀峰區、疊彩區、象山區、七星區、雁山區、臨桂區、陽朔縣、靈川縣、興安縣、永福縣、平樂縣、恭城瑤族自治縣以及荔浦市）。東與湖南省、廣西賀州市接壤，東北連桂林市灌陽縣，西臨柳州市融安縣，北連桂林市龍勝縣、資源縣、全州縣三縣，南靠廣西梧州市。流經區域屬于山地丘陵地區及典型喀斯特巖溶地貌，全年氣溫比較高，熱量豐富，年平均氣溫19.2 ℃，平均降雨量1 941.5 mm，植被覆蓋度高，類型豐富多樣。

圖1 漓江流域

1.2 數據來源

研究包括的主要數據有：①漓江流域矢量邊界數據和數字高程模型（Digital elevation model，DEM）分辨率為30 m 數據來源于地理空間數據云網站（http：//www.gscloud.cn）；②2000 年、2005 年、2010年、2015 年和2020 年五期的遙感影像數據（30 m），數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http：//www.resdc.cn）；③通過對五期遙感影像進行計算機解譯（解譯精度達85%以上），得到2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2020 年漓江流域土地利用數據。

1.3 研究方法

1.3.1 馬爾可夫模型預測 馬爾可夫模型通過研究系統不同狀態的初始概率和轉移概率，來確定系統狀態的變化趨勢［12］。基于數據的可獲得性以及模型模擬精度的綜合考慮，選擇10 年為1 步長對2030年漓江流域土地利用進行預測。

1.3.2 碳排放核算模型

1）碳排放系數法。碳排放核算模型采用碳排放系數法按照土地利用保持型和土地利用轉移型碳排放分別進行計算［13］，其計算式如下。

式中，Ci表示碳排放量；Ai表示i種土地利用類型的面積；Pi表示i種土地利用類型的碳排放系數。

土地利用轉移的碳排放強度計算式如下。

式中，Pi表示第i種土地利用類型轉變的碳排放強度；C1i表示土地利用類型轉變前的碳密度，C2i表示轉變后的碳密度，碳密度為植被碳密度和土壤碳密度的和；N為陸地生態系統對碳排放相應的時間周期，選取為20 年，為土地利用轉變后的碳匯［14］；Ii表示土地利用轉變后的碳匯。

2）土地利用碳排放系數確定。根據漓江流域的自然條件特征選取相應的植被碳密度和土壤碳密度，并結合賴力［1］的研究結果確定土地利用各類型的碳排放系數（表1）、土地利用轉移碳排放系數（表2）。

表1 土地利用碳排放系數（單位：t/hm2）

表2 土地利用轉移碳排放系數（單位：t/hm2）

1.3.3 線性規劃模型 線性規劃模型是一種優化模型，它是以區域土地利用要實現的目標為指導，在其基礎上選取某個目標，通過構建約束條件對土地利用結構優化［15］。由于土地利用本身是一個變化關系復雜的系統，借助線性規劃模型可以通過對約束條件的限定，較大程度規避土地利用變化中的不利因素，使優化結果與經濟社會的可持續發展相符合，可信度較高［16］。線性規劃模型的表達式如下。

式中，F(x)表示xi、ci乘積的最大值或最小值。xi表示根據漓江流域土地利用實際情況所構建的函數決策變量，ci表示不同地類保持的碳排放系數。

1）決策變量與目標函數設置。根據漓江流域的經濟發展特點以及相關資料的可獲得性，設置6 個決策變量：X1表示耕地面積；X2表示林地面積；X3表示草地面積；X4表示水域面積；X5表示建設用地面積；X6表示未利用地面積。

本研究在保證經濟效益和生態效益的基礎上，最大程度地降低土地利用結構產生的二氧化碳排放量［17］。基于低碳視角，結合不同土地利用類型的碳排放系數，調整碳源地和碳匯地的比重，合理優化土地利用結構。根據漓江流域各地類碳排放系數構建碳排放量最小化目標優化模型如下。

2）約束條件設置。耕地是保證糧食安全的基礎，以預測的漓江流域2030 年的耕地面積為下限。林地是漓江流域最主要的碳匯地，故以預測的漓江流域2030 年的林地面積為下限，上限選取2000 年以來的歷史最高值。草地以2030 年的草地面積預測值為下限，上限取2020 年的草地面積。水域以漓江流域2030 年的預測值為上限，以2020 年漓江流域的水域面積為下限。建設用地是社會經濟發展的基礎，是漓江流域經濟發展的前提，但其又是最主要的碳源地。建設用地以2020 年漓江流域的建設用地面積為下限。土地資源對于漓江流域十分重要也很稀缺，應提高土地利用的效率，故選取漓江流域2020 年的未利用地面積為上限。

2 結果與分析

2.1 2000—2030 年土地利用變化分析

通過對5 期遙感影像的目視解譯，得到2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2020 年漓江流域的土地利用數據，結果表明，2000—2020 年漓江流域耕地面積累計減少了93.073 km2，林地面積累計減少了43.143 km2；草地面積累計減少了36.541 km2；水域面積和建設用地面積分別累計增加了26.213、145.592 km2；未利用地面積累計增加了1.141 km2（表3、圖2）。以漓江流域2020 年土地利用數據為基準，以10 年為1 步長，通過Markov 模型對2030 年漓江流域土地利用進行預測，結果表明，到2030 年漓江流域的耕地面積減少至3 466.174 km2，林地面積和草地面積分別減少至11 422.214、1 688.594 km2，而水域、建設用地和未利用地將分別增加至232.909、642.319、4.360 km2。由變化數據可知，在漓江流域未來的土地利用中，耕地、林地和草地面積將繼續減少，而水域以及建設用地面積將繼續擴大且增長速率逐漸增大。

表3 2000—2030 年土地利用面積的現狀與預測（單位：km2）

2.2 漓江流域土地利用碳排放分析及預測

2.2.1 2000—2020 年漓江流域土地利用碳排放分析 結合漓江流域不同土地利用類型的碳排放系數，運用式（1）計算得到漓江流域各類用地在2000—2020 年保持的土地利用碳排放量（表4）。從表4 可以看出，漓江流域在2000—2020 年各類土地利用保持的碳排放量呈增長趨勢，碳排放量從2000年的163.631 3×104t增加到2020年的244.486 3×104t，增量達到了80.855 0×104t，增長快速，為持續增長狀態。從2000 年到2020 年的增長速度越來越快，其中增長量最大的時間區間為2015—2020 年，增長量達到了53.165 9×104t。漓江流域最主要的碳源地是建設用地，最主要的碳匯地是林地。在各類用地保持的碳排放量中，建設用地的排放量占比最大，同時其增長量也最大。

表4 2000—2020 年漓江流域土地利用保持的碳排放量（單位：104 t）

從保持碳排放量來看，2030 年漓江流域耕地、草地的碳排放量低于2020 年的碳排放量，水域、建設用地的碳排放量高于2020 年的碳排放量，林地的碳匯量降低，未利用地的碳匯量升高，這一特征與2020—2030 年漓江流域的土地利用結構變化基本保持一致。同時，在該時期內漓江流域的土地利用保持碳排放變化較大，增加了74.110 2×104t，主要是建設用地的快速增加引起的。

2.2.2 2020—2030 年漓江流域土地利用碳排放預測及變化分析 結合2030 年漓江流域土地利用的預測結果、土地利用碳排放系數和土地利用碳排放轉移系數得到2000—2020 年漓江流域土地利用轉移碳排放量（表5）及2020—2030 年漓江流域土地利用轉移碳排放量（表6），2020—2030 年漓江流域土地利用凈碳排放量為322.858 3×104t，其中建設用地的轉移造成的碳排放量為360.212 2×104t，土地利用轉移碳源量明顯增加。由此可知到2030 年，漓江流域土地利用碳排放量繼續保持增長趨勢，且增長速度越來越快。

從2020—2030 年漓江流域土地利用轉移碳排放量來看，該時期內，耕地、草地轉移產生的碳排放總量均低于2000—2020 年漓江流域對應類型土地利用轉移碳排放量，而林地的碳匯量增加。漓江流域在這一時期內，各類用地向建設用地轉移是最大的碳源，各類用地向林地轉移是最大的碳匯。

2.3 漓江流域土地利用結構優化

本研究的土地利用結構優化主要以減少碳排放量為目標，運用LINGO18.0 軟件構建優化模型。以2030 年為優化目標年份，在軟件中輸入目標函數及約束條件后即可得到漓江流域2030 年土地利用結構優化方案。對比2030 年漓江流域土地利用結構預測結果與優化結果（表7）可以得出，優化后耕地、林地、草地的面積都有明顯增加，水域、建設用地、未利用地的面積明顯減少，這與漓江流域的相關規劃目標和發展趨勢基本相符。2030 年漓江流域土地利用結構預測結果的碳排放量為318.596 8×104t，優化求解結果的碳排放量為244.031 1×104t，優化結果較預測結果減少了74.565 7×104t，優化方案通過調整漓江流域的土地利用結構達到了減少碳排放的目的。優化求解結果表明，要從土地利用角度促進低碳發展，需要加強對林地、草地和耕地的保護，通過土地綜合整治等方法增加耕地、草地和林地的面積，盤活存量建設用地，嚴格限制建設用地的增長，提高水域和未利用地的利用率。

3 討論

運用Markov 預測模型模擬預測2030 年漓江流域土地利用數據并分析漓江流域2000—2030 年的土地利用變化，在這一過程中，Markov 模型更加側重于對各類用地數量變化的預測，較好地反映了漓江流域土地利用數量的變化特征［18］。從土地利用變化數量上分析，自2000 年以來，漓江流域的耕地、林地、草地數量持續減少，預測未來會進一步減少，建設用地、水域、未利用地面積逐漸增大，特別是建設用地的數量增長較快，這一研究結果與前人的研究一致［19］。

基于Markov 預測2000—2030 年漓江流域的土地利用碳排放整體呈增加趨勢，其中最主要的碳源是各類用地向建設用地轉移，最主要的碳匯是各類用地向林地轉移，這與班垚堯等［20］對廣西土地利用變化及碳排放的研究結果相似。通過預測2030 年漓江流域土地利用數據和土地利用碳排放并結合漓江流域的實際發展情況和相關規劃目標建立線性規劃模型，從而得出漓江流域2030 年的土地利用結構優化方案。優化后2030 年的漓江流域土地利用碳排放較預測碳排放減少了74.565 7×104t。優化方案表明，可以通過土地利用結構優化達到減少碳排放的目的，這與葉長盛等［7］的研究結論相同。

漓江流域是典型的喀斯特地貌，生態環境十分脆弱，土地利用類型一旦發生轉移就很難再恢復原狀。隨著人口的增加和城鎮化建設的活躍，導致其他用地向建設用地轉移的趨勢增強，林地是陸地生態系統中最大的碳匯［21，22］，林地向建設用地轉移是不同土地利用類型向建設用地轉移中貢獻碳排放量最多的一種。在未來要想實現國家的“雙碳”目標和保護耕地的長遠戰略，漓江流域應該嚴格限制林地、耕地向建設用地轉移，優先考慮除林地、耕地外的未利用地等其他用地類型向建設用地轉移，同時提高建設用地的利用率，集約、節約化利用土地，嚴格落實土地管理制度，堅守耕地保護紅線。

4 小結

通過對漓江流域2000 年、2005 年、2010 年、2015年、2020 年遙感影像的目視解譯結果，分析其2000—2020 年各類土地利用類型的變化趨勢，并通過Markov 模型和碳排放系數法，預測2030 年漓江流域各類用地的碳排放，最后利用線性規劃模型得出低碳背景下2030 年漓江流域土地利用結構的最優解，得出以下結論。

1）2000—2020 年，漓江流域的耕地、林地、草地面積整體呈減少趨勢，水域、建設用地、未利用地面積整體均呈增長趨勢。到2030 年，漓江流域耕地、林地及草地面積將繼續減少，而水域面積和建設用地面積將繼續擴大且增長速率逐漸增大。

2）2000—2020 年，土地利用保持的碳排放量呈增長趨勢，碳排放量從2000 年的163.631 3×104t 增加到2020 年的244.486 3×104t。預測到2030 年，由于建設用地的快速增長及林地等主要碳匯地的減少，漓江流域土地利用保持的碳排放量將繼續增加，達到318.596 8×104t。

3）2020—2030 年漓江流域的土地利用凈碳排放量為322.858 3×104t，是2000—2020 年漓江流域土地利用凈碳排放量的1.3 倍，土地利用轉移碳源量明顯增加。

4）2030 年漓江流域土地利用結構預測的碳排放量為318.596 8×104t，優化求解結果的碳排放量為244.031 1×104t，優化結果較預測結果減少了74.565 7×104t，漓江流域土地利用結構優化對于實現碳減排目標，提高碳匯能力有重要意義。