河南省土地利用碳源/汇及其变化分析

刘英,赵荣钦,焦士兴

（1.郑州航空工业管理学院土木建筑工程学院,郑州 450015;2.华北水利水电学院资源与环境学院,郑州 450011;3.安阳师范学院资源环境与旅游学院,河南安阳 455002）

定量分析和评价陆地生态系统的碳源/汇状况是碳循环研究的重要科学问题[1],也是进行区域碳循环机理研究的前提。土地利用变化是影响碳循环的重要因素,也是仅次于化石燃料的人为碳排放源[2]。土地利用变化直接影响陆地生态系统的分布和结构,并改变其碳储量和碳通量过程[3]。因此,定量分析土地利用变化的碳排放效应,研究不同土地利用方式的碳源/汇强度对于深入研究人为活动对区域碳循环的影响至关重要。由于土地利用具有较大的复杂性及区域差异性,其对碳循环的影响程度、区域差异、碳源/汇[4]等问题仍存在较大的空间差异[5]和不确定性。国内学者针对土地利用变化对碳循环的影响开展了较为深入的研究,如葛全胜等[6]研究发现,过去300 a间,中国陆地生态系统植被和土壤变化造成的碳排放达4.50～9.54 Pg C;方精云等[7]研究表明:中国土地利用活动(特别人工造林)引起陆地生态系统碳吸收大约为0.45 Pg C。也有一些学者对土地利用的碳排放效应进行了研究,如李颖[8]和张秀梅[9]等对江苏省土地利用排放效应及其变化进行了分析,国土资源部公益性行业项目[10]对我国土地利用的碳排放状况也进行了定量分析。本文尝试构建土地利用碳源/汇研究的理论框架和理论模式,从土地利用的角度分析碳源/汇的影响因素,并以河南省为例,初步研究了区域不同土地利用方式碳源/汇强度的差异。

1 土地利用碳源 /汇计算方法

1.1 理论框架

不同土地利用方式的碳过程明显不同,有些土地利用方式主要表现为碳源,如建设用地,而其他一些土地利用方式则表现为碳汇,如林地、草地。结合全国土地利用类型分类系统,并借鉴已有相关研究[8-9],本文将土地利用方式分为碳源和碳汇两种,前者包括建设用地(居民点及工矿用地、交通用地、水利设施用地)上能源消费造成的碳排放和农业耕作活动造成的碳排放两类;后者主要包括各类生产性土地上的植被生育期碳吸收,如林地、草地、耕地、园地。需要说明的是:(1)建设用地和农用地既是碳源又是碳汇,因为既有人类活动碳排放,也有植被的碳吸收,而其他用地类型只表现为碳汇;(2)考虑到城市绿化用地具有一定的碳吸收功能,因此本文也将其列入土地利用碳汇之列;(3)未利用地也具有一定的碳汇效果,但数量甚微,且难以估算,因此忽略不计。具体理论框架见图1。

图1 土地利用碳源/汇研究的理论框架

1.2 计算方法

结合土地利用碳源/汇分析的理论框架,参考已有研究成果、模型和参数,构建了土地利用碳源/汇计算模型,各项具体计算方法如下。

1.2.1 碳排放测算

(1)建设用地碳排放。考虑到建设用地的碳排放主要来源于人为能源消费,因此这里以人为能源消费的碳排放作为建设用地的碳排放量,计算方法如下:

式中:Ec——建设用地碳排放;Ei——第i种能源消费量(标准煤);Eci——第i种能源碳排放系数[11]。

(2)农用地碳排放。农用地碳排放主要来源于农业生产活动的投入,如农业化肥、农业机械使用和灌溉过程带来的碳排放,计算公式如下:

式中:Ea——农用地碳排放;Ef,Em,Ei——农田化肥生产、农业机械使用和灌溉过程带来的碳排放。各项碳排放过程计算公式见赵荣钦等[12],其中的碳排放转化系数来自于West[13]。

1.2.2 碳吸收测算

(1)耕地碳吸收。耕地碳吸收主要是指农作物生育期光合作用过程中合成的碳,计算公式如下[14]:

式中:Cd——耕地碳吸收;Cf——作物合成有机质(干质量)所需要吸收的碳(即碳吸收率);Yw——经济产量;Dw——生物产量;Hi——第i种作物的经济系数[12,14]。

(2)其他土地碳吸收。

式中:Ci——第i种土地类型碳吸收,其中,i=1,2,3,分别为建设用地绿化部分、林地和草地;Si——第i种土地类型面积;Vi——第i种土地类型的碳吸收率,其中林地、草地碳吸收率借鉴谢鸿宇等[15]的研究成果,考虑到建设用地绿化部分既有树木也有草地,因此其碳吸收率采用林草地的平均值。

1.2.3 土地利用碳源/汇强度 本文所指的碳源/汇强度是指各土地利用类型年度碳吸收和碳排放量与该土地类型面积的比值。

1.3 数据来源

采用1999-2008年河南省能源消费、农业投入、土地利用等统计数据,数据来源于《中国统计年鉴》、《中国国土资源年鉴》、《中国能源统计年鉴》、《中国环境统计年鉴》、《中国房地产统计年鉴》、《河南省统计年鉴》、《河南省调查年鉴》。

2 河南省土地利用碳源/汇结果分析

结合以上计算方法,运用河南省相关数据,对土地利用碳源/汇进行了计算,主要结果分析如下。

2.1 土地利用碳源/汇构成分析

建设用地上的能源消费和农业耕作活动所排放的碳是构成碳排放的主要来源,且其对总碳排放的贡献率超过了90%(见图2),农业碳排放的贡献率不足10%。这主要是因为建设用地中的居民点和工矿用地、交通用地及水利设施用地上的能源消耗量很大,因而带来了巨大的碳排放;相对而言,农业耕作活动中所用的机械、化肥、灌溉所排放的碳则相对较少(表1)。耕地、林地、草地上的植被生长发育期进行的光合作用过程是碳吸收的主要原因。其中耕地是碳吸收的主要构成因素,其贡献率为83%～87%。此外,林地也是重要的碳吸收因素,贡献率达到了12%～16%。比较而言,草地和城市绿地由于所占面积比率较小,固碳能力有限(表1)。

图2 河南省1999-2008年土地利用碳排放构成

表1 河南省1999-2008年土地利用碳源/汇状况 万t

2.2 土地利用碳源/汇变化分析

1999年河南省建设用地和农用地的碳排放总量为5 321.42万 t,2008年达到了13 023.03万t,10 a间这两类用地的碳排放总量翻了一番还多。从变化趋势上来看,1999-2008年间的碳排放呈逐年增长并加速的趋势,以2003年为界,此前碳排放呈匀速缓慢增长,此后则出现加速增长的趋势,这主要是因为随着河南省城市化进程的加速,城市建设用地面积加速扩张,因此造成建设用地碳排放剧增(表1)。

10 a间,耕地、林地、草地和城市绿地的碳吸收总量呈稳中有升的缓慢增长趋势,其中耕地碳吸收量呈显著增加的趋势,而林地、草地碳吸收量变化不大,城市绿地碳吸收量也呈逐年增长。这主要是因为10 a间林地、草地面积变化不大,耕地面积虽稳中有减,但随着农业的生产发展、技术进步和投入增加,农作物单位面积产量显著提高,因此农作物生育期的固碳能力也不断提升。而且随着城市化步伐加快,近几年来更加注重塑造良好的城市环境,因此城市公共绿地建设力度逐年增大,绿地面积显著增加,碳汇能力进一步提高。

1999-2003年间,碳排放总量逐年增长并逐渐加速,而碳吸收总量稳中有升,增长缓慢,因此净碳排放量出现了显著增长的趋势。2003年以前,碳吸收总量大于碳排放总量,因而净碳排放量为负值,说明河南省土地利用活动的碳排放都可以由本省的生产性土地所吸收;2003年以后,由于碳排放总量显著增长且大大超过碳吸收总量,因而净碳排放量出现了加速增长的趋势,说明河南省的碳汇不足以补偿碳排放,并由此造成了碳赤字。这也应归因于城市化进程加速带来的建设用地面积剧增及其所带来的大量碳排放(图3)。

图3 河南省历年土地利用源/汇变化趋势

2.3 土地利用碳源/汇强度分析

2008年河南省碳排放总量为13 023.03万t,其中建设用地碳排放量多达12 347.89万t,对总碳排放的贡献率高达95%,其排放强度为56.46 t/(hm2◦a),为耕地碳排放强度的66倍,是碳排放的主要来源。而农业耕作活动产生的碳排放量仅占总碳排放量的5%,强度相对较低,仅为0.85 t/(hm2◦a)。同年碳吸收总量为8 299.96万t,耕地、林地植被生长吸收碳是碳汇的主要原因,其他如草地、建设用地中的城市公共绿地等也有明显的碳汇作用,但受其面积所限,固碳能力有限。在不同土地利用类型中,建设用地碳排放强度最大,而耕地的碳汇能力最强(表2)。

表2 2008年河南省土地利用碳源/汇状况

地均碳排放强度和地均建设用地碳排放强度10 a间均呈增长趋势,不同的是地均碳排放强度增长率低而缓,而地均建设用地碳排放自2001年之后呈加速增长的趋势,增长率高而增幅大。这主要是随着工业化、城市化的快速发展,建设用地面积扩大的速度远远低于碳排放的增加速度,因而地均建设用地碳排放强度呈逐年加速趋势(图4)。

1999年以来,地均碳排放强度呈加速增长趋势,2002年之前增速较缓,2002-2007年呈加速增长趋势,2007年之后增速又趋缓。而同时期单位GDP碳排放强度缓慢下降,2004年以后有加速下降趋势。这说明随着经济的发展和城市化进程加速,虽然碳排放总量和碳排放强度增长加速,但随着产业结构调整和国家对落后产能淘汰力度加大,人均GDP碳排放强度呈下降趋势(图5)。

图4 1999-2008年河南省地均碳排放强度变化

图5 1999-2008年河南省碳排放强度变化

3 结论和建议

3.1结论

构建了土地利用碳源/汇研究的理论框架和计算模型;并对河南省不同土地利用方式的碳源/汇状况及其强度进行了分析。结果发现,2008年河南省土地利用碳排放和碳吸收总量分别为13 023.03万t和8 299.96万t,碳排放明显大于碳吸收;建设用地碳排放和农用地碳吸收分别是主要的碳源和碳汇途径,其中建设用地碳排放强度最大,为56.46 t/(hm2◦a),而耕地的碳汇能力最强,为9.17 t/(hm2◦a)。

3.2 建议

结合以上结论,提出以下政策建议:(1)河南省土地利用碳排放明显大于碳吸收,说明河南省的碳汇不足以补偿碳排放,并由此造成了碳赤字。因此,一方面应努力提高工业能源消费和农业耕作活动的效率,降低单位面积碳排放;另一方面要加强植树造林,提高区域碳汇水平、固碳效率和碳补偿率。(2)建设用地是主要的碳排放源,主要归因于近年来城市化过程造成城市建设用地的加速扩展,因此,适当控制建设用地、提高能源使用效率、提高清洁能源比重是降低建设用地碳排放的关键。(3)根据各种土地利用方式的碳源/汇强度,通过规划引导,采取合理的土地利用规模、方式和布局来对碳排放进行调节,在区域层面上探索低碳土地利用方式是发展低碳经济、降低碳排放的重要措施。

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