辽宁省土地利用变化对碳排放量的影响分析

关 伟，吴如馨

(1.辽宁师范大学 海洋经济与可持续发展中心，辽宁 大连 116029；2.辽宁师范大学 城市与环境学院，辽宁 大连 116029)

为应对全球气候变化的严峻挑战，控制温室气体尤其是减少碳排放日渐成为学者们关注的焦点。土地利用变化对碳排放的影响是引起全球范围内大气中CO2浓度增加的主要人类活动之一，是继化石燃料之后全球对于碳排放机制研究的又一关注点。Haughton估算结果显示，全球1850～1998年土地利用变化所产生的碳排放量超过人类活动所产生碳排放总量的30%；而中国1950～2005年土地利用变化所产生的碳排放量累计为106×108t，占同时期全球范围内土地利用变化所产生碳排放总量的12%[1]。不论是农业生产、产业布局、经济结构调整，还是能源消耗、资源开发等其他一系列活动，都与土地利用有着密不可分的关系[2]，事实上，土地利用能够间接影响该地区的碳排放水平。同时，有外国学者研究证明陆地生态系统碳循环是引起碳源、碳汇变化的重要原因，其变化在很大程度上受到土地利用变化的影响[3-4]。

综合相关文献资料，国内外学者对碳排放问题的研究主要集中于对碳排放与经济增长的关系以及碳排放机理的研究，而土地利用变化对碳排放影响的研究较少。从研究结论可以看出，大气中CO2浓度增加的重要影响因素分别为经济增长方式、能源结构改善以及能源利用效率[7-10]，土地利用变化却没有受到相应的重视。从研究区域范围上看，典型陆地生态系统(如森林、草地、水稻田等)的碳循环是碳排放问题研究的主要方面[19]。中国研究区域主要集中在江浙农田及人口密集城市地区，而作为国家老工业基地的辽宁省减碳任务重，相关研究相对较少。本研究以辽宁省为例，通过核算不同土地利用类型的碳排放量、预测碳排放的变化趋势，对近年来辽宁省土地利用变化和碳排放量的关系进行分析研究。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

IPCC组织的碳排放核算清单表明碳排放的途径主要包括能源燃烧、农业排放、工业生产排放、生活废弃物排放、碳逃逸排放、土地利用变化等，其中能源燃烧产生的碳排放量占总排放量的76%左右[11]。土地利用变化对陆地生态系统的结构和功能具有显著影响，能够引起整个系统碳储量的变化，也就是说碳储量的增加或是减少很大程度上取决于生态系统的结构和土地利用方式的改变[10，20]。本文在分析耕地、林地、牧草地、建设用地面积的变化趋势的基础上，重点讨论了土地利用变化与碳排放量的关系。

根据IPCC的研究标准，林地、牧草地和耕地的碳排放系数分别为-0.644，-0.02，0.422t/hm2，碳排放公式为：

Ei=Ai×Fi

(1)

式中：Ei为第i种土地利用方式的碳排放量(t)；Ai为第i种土地利用方式的面积(hm2)；Fi为第i种土地利用方式的碳排放(吸收)系数(t/hm2)。

建设用地的碳排放主要以终端消费能源的碳排放量来计算，即通过构建主要能源消费的碳排放模型来计算能源消费的碳排放量：

Ct=∑(Ch+Ce+Cb)

(2)

式中：Ct为碳排放总量；Ch、Ce、Cb分别为终端消费能源(电力除外)、电力消费和农村生物能消费产生的碳排放。具体各项的计算方法见式(3)-式(5)：

(3)

式中：Ch为终端消费能源碳排放总量(104t)；Qhi为第i种终端消费能源量(104t(108m3))；NCVi、Cfi、Mfi均采用IPCC的给定值；NCVi为能源净发热值(TJ/Gg)；Cfi为缺省CO2排放因子(t/TJ)；Mfi为缺省CH4排放因子(t/TJ)。1/1000 为单位换算系数，12/44、12/16分别为CO2和CH4所含碳量的转化系数。其中，Cfi=Ai×Bi，Ai为缺省碳含量(kg/GJ)，Bi为缺省氧化碳因子。

Ce=Qe×De×Ee

(4)

式中：Ce为电力消费碳排放量(104t)，Qe为年度电力消费量(104t)，De为碳排放系数，由于辽宁省发电主要能源是煤，因此本篇论文采取不同学者研究得出的煤炭排碳系数均值(0.717 235tC/t)，Ee为供电标准煤炭消耗(104t/kw/h)，即供电过程中的耗煤量。

Cb=∑Qbi×Dbi×Ebi

(5)

式中：Cb为农村生物能源碳排放量(104t)；Qbi为第i种能源消费量(本篇论文主要涉及3种，即薪柴、沼气和秸秆)；Dbi为碳排放系数，这里取几种化石燃料排碳系数的均值(0.564 867tC/t)，Ebi为标准煤系数。

表1 辽宁省2002～2011年终端消费能源碳排放量

1.2 数据来源

本文数据主要来源于2002～2011年《辽宁省统计年鉴》以及2002～2011年土地利用变更调查数据。碳排放模型采用IPCC提供的模型。

2 结果与分析

2.1 基于R/S分析的碳排放总量

如图1所示，2002～2011年辽宁省碳排放呈现出明显增加的趋势，仅对本文所选数据进行统计，可以得到碳排放从2002年9 276.91×104t增加到2011年的11 789.12×104t，涨幅可达27.1%，平均每年增长279.13×104t。从时间上看，2004年较2003年碳排放呈现明显增长趋势，到2004年达到一个高峰，涨幅可达9.3 %。2004～2005年则呈现下降趋势，降幅达5.9%，说明辽宁省回应国家节能减排的要求，并取得一定成果。到2010年呈现逐年增长的趋势，这是由于辽宁省城市化进程加快，工业发展迅速，从而使土地利用方式也发生了相应的巨大变化。

用R/S分析方法对辽宁省2002～2011年的碳排放总量进行分析(图2)。以r/s值为纵轴时滞为横轴作图，得到R2=0.9365，说明数据拟合度高。根据回归结果，可知Hurst指数H=0.4915<0.5。由此判断，辽宁省碳排放量的增长率是长呈负相关的，过去增长但未来将会下降。根据Hurst指数的数理意义可知，过去10年的增长趋势意味着未来的持续衰减趋势。因此，在今后的至少10年之内，辽宁省的碳排放量将呈现下降趋势，这体现了辽宁省为节能减排，发展绿色经济、循环经济做出的努力。

图1 2002～2011年辽宁省碳排放量变化趋势

图2 r/s与时滞的关系

表2 辽宁省2002～2011年碳排放总量的r/s分析结果

2.2 基于多元回归分析的土地利用类型变化对碳排放总量的影响

从图3中可以看出，耕地和建设用地面积呈现小幅度增长趋势，牧草地基本未发生变化。林地的面积在2002～2006年波动上升，2007年开始又有所下降。

根据《辽宁省统计年鉴》的能源平衡表和IPCC提供的碳排放模型核算出土地利用类型的碳源量(表3)。进而对土地利用类型的变化趋势与碳排放量变化趋势采用多元回归方程进行分析(表4)。

图3 辽宁省土地利用类型变化

Fig.3ChangesoftypesoflandutilizationinLiaoningProvince

由表4可知，a=1507601.45，4个回归系数b1、b2、b3和b4对应4个变量分别是耕地碳源量x1、林地碳源量x2、牧草地碳源量x3、建设用地碳源量x4，b1=11.92，b2=460.97，b3=0，b4=0.50，于是得到模型：

表3 辽宁省2002～2011年不同土地利用类型碳排放量与碳排放总量

表4 多元回归分析结果

Y=1507601.45+11.92x1+460.97x2+0.50x4

相关系数和相关系数平方分别为R=0.993，R2=0.987，该结果表明数据拟合度好。总体回归的F统计量149.35，大于显著性水平α=0.05时的临界值F0.05，4，5=5.192，也大于显著性水平α=0.01时的临界值F0.01，4，5=11.392。因此，F值通过检验。

3 结论与讨论

3.1 不同土地利用类型的碳源、碳汇讨论

由文献可知，很多国内外学者对于土地的碳源、碳汇做出了大量研究。由于人口增长、经济发展、资源开发等人类活动的影响，森林面积被迫大幅度减少，进而耕地面积及建筑用地面积增加。通过对于LUCC导致的大气中CO2浓度增加的机理和贡献率进行的研究，Haughton等学者得出结论，森林向农田、草地的转变或森林退化都会导致CO2等温室气体由生物圈向大气中大量释放[3]。人类活动是致使大气中CO2浓度的增大和加剧全球的温室效应的重要影响因素。有研究表明，农田转换成森林可以减少土壤向大气的N2O排放量；湿地转换成耕作土壤后，由于转化后土壤的湿度不同，可能增加或减少土壤向大气的N2O排放量[4]。根据郝庆菊研究的结果，沼泽湿地开垦为旱田后由CH4排放源转变为较弱的CH4吸收汇，但NO2排放量显著上升，开垦为水田后CH4、N2O排放量都降低。如果只考虑CH4和N2O两种气体的综合碳排放潜力，湿地开垦为农田有助于降低温室气体的排放，但对于大气中其他温室气体的影响则尚不明确。1850～1990年，由土地利用变化产生并释放到大气中的碳约124Pg，占同时期化石燃料燃烧碳排放量的50%，其中108Pg碳来自于森林生态系统的退化，其余16Pg碳主要来自于农业耕种和草场过度放牧[12-14]。李颖以江苏省为例，从宏观角度分析了土地利用方式变化与碳排放量的关系，结果表明建设用地和耕地面积的变化对于碳排放量的增加有显著影响，是主要碳源，而其中建设用地碳排放量占排放总量的96%以上；少量草地和林地则影响碳排放量的减少，是主要碳汇[19]。

本文中，由多元回归分析结果可知，林地和牧草地主要发挥了碳汇的作用，但牧草地的作用相对很小。林地面积的波动使得林地的碳吸收效益在2008年时达到最大。但是碳排放量的增加明显大于碳吸收量的增加，说明由于林地和牧草地面积增加所产生的碳吸收量无法抵消由于耕地和建设用地面积和能耗增加带来的碳排放量。另外，每增加1hm2土地面积的林地，碳吸收量仅增加0.644t，而每增加1hm2土地面积的建设用地，碳排放量平均增加41.109t。虽然建设用地单位面积碳排放量在逐年增加，并且成为大气中碳排放量增加的最主要原因，但由于建设用地面积基数大，所以其碳排放量和吸收量的基数也大，其变化对于碳排放总量的变化相对并不显著。耕地面积基数大，而且由于其既是碳源又可以发挥碳汇作用，所以对碳排放总量变化的影响不大。林地碳吸收量的变化显然对碳排放总量的变化影响最大，林地对于碳吸收的多少很大程度上影响着碳排放量的最终结果。这也从侧面说明了林地是最重要的碳汇。

3.2 辽宁省土地利用对策讨论

据研究结果显示，建设用地的碳排放量占碳排放总量的90%以上，是最大的碳排放源，其中居民点及工矿用地碳排放量占排放总量的80%以上，排量最多，而煤炭的大量消耗是导致碳排放总量居高不下的主要原因。2011年辽宁省煤炭消耗所产生的碳排放量达到6 934.50×104t，占总排放量的62.63%；石油消耗所产生的碳排放量从2002年的2 460.59×104t增长到2011年的4 030.88×104t，增幅达到63.82%。交通用地碳排放量年均增长速度约为13%，增速最快。近年来中国汽车市场发展迅速，尤其以私家车数量攀升幅度最大，从而致使石油消耗带来的碳排放量也呈相应增加态势。以沈阳市为例，2006年，沈阳每天增加机动车约150辆；2007年，每天增加约200辆；2008年，约250辆。到2009年，依照19.8万辆的汽车销售来看，每天增加机动车约500辆以上。由此可见，由经济规模的持续扩大引起的建设用地扩大是辽宁省碳排放增长的重要影响因素。由于辽宁省现阶段依然处于工业化进程的增长阶段，工业依然是推动经济增长的主要动力来源，其主体地位在短期内难以改变，所以建设用地的面积在短期之内也不会有所下降。因此，为有效减少化石燃料燃烧所产生的大量CO2排放，改善能源结构、大力发展清洁能源以取代煤炭和石油等化石燃料的措施势在必行，如利用水利、风力、潮汐能和太阳能发电；还应注重不同产业能源利用效率的提高，确保碳排放从源头上得到遏制，而非仅仅以间接方式进行吸收处理；而在交通工具改进方面可以推广使用电动车，用液化氢和液化天然气取代汽油和柴油。另外，在发展经济的同时，应该积极从建设用地内部着手，调整产业结构，回应国家节能减排、发展绿色经济、发展循环经济的要求，从而减少碳排放。土地非农化这一经济社会发展过程的必经阶段，不仅促进了社会经济发展，而且对生态环境也造成了一定影响。从能源消费角度考虑，土地非农化，即建设用地的增长，将造成碳排放量的大幅增加。因此在不影响济增长的前提下，政策上应合理控制非农化土地数量并不断提高能源利用效率，实现节能减排的绿色经济增长目标。

由于林地的碳汇作用对碳排放有影响显著，为有效减少碳排放，需要加大林地面积。耕地及建设用地的碳源量占据碳源总量的很大比例，但因为与居民生活息息相关，加上农业技术更新、应用较慢以及建设用地利用率较低等限制条件，决定了耕地和建设用地面积不能大幅减少，所以其碳源作用将不会显著减小。这就更要求林地种植技术不断进步[15-16]。另外，农业用地作为碳源及碳汇的结合，对于碳排放总量具有较为明显的影响。研究表明，加强灌水管理措施、提高复种指数、改进施肥、降低撂荒频率、合理的作物轮作、作物品种的合理选择(旱地/水田)、免耕等都能够提高土壤的碳储量，减少农田生态系统的碳排放[17]。农业生产新技术对农业产出和碳排放的影响尤为重要。环境友好型农业生产新技术之一——测土配方施肥技术能够在提高化肥利用率、降低化肥施用量的同时大大提高作物产量，从而直接和间接地减少温室气体排放量，减小对环境产生的负影响。由此可以获得一些政策启示：第一，以行政管理的手段建立农业减排评价体系并制定农业减排目标，推进农业节能减排不断发展；第二，以政策引导手段制定相关农业减排的激励机制，促进农业减排的快速发展；第三，以政府扶持手段对农业生产土地利用新技术加大支持力度，扩大农业减排空间[18]。

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