全国土地利用碳排放效应探讨

李琦雯?林志鹏?吴昕玲

摘 要：国内外有关碳排放视角下的土地利用研究应经广泛开展，其中 “土地利用对碳循环和生态系统的影响研究”、 “陆地生态系统对碳汇和碳循环的影响”研究、“经济发展驱动下土地利用对生态系统的影响”研究、“基于‘低碳下的土地利用/覆盖变化（LUCC）相关模型”研究都取得了相应的成果。基于以上研究成果，笔者试从全国范围内对土地利用碳排放效应展开讨论，从而为我国土地资源的合理利用提供理论指导和重要参考。

关键字：碳排放；土地利用/覆盖变化；生态效应

基金项目：大学生创新创业训练项目（1184513209）：基于低碳下的土地利用覆盖变化研究。

胡锦涛在2005年6月27日讲话指出：节约能源资源，走科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少的路子，是坚持和落实科学发展观的必然要求，也是关系中国经济社会可持续发展全局的重大问题。经济发展与资源环境相协调，最重要的是资源利用与环境保护之间的相协调。

自工业革命以来，世界经济发展迅速，人类活动对自然资源的需求和消耗急剧上升，土地利用结构的转变，大片森林砍伐和湿地破坏，煤炭、燃料化石等能源的消耗等，对地球生态环境造成了巨大的破坏，最具影响的是全球气候的持续变暖。碳排放量作为气候变暖的一个重要因素，受到能源消耗、土地利用的影响尤为严重，据统计，2007年世界碳排放总量达到37757.32Mt，大气CO2浓度较工业革命前增加了近25%，并以0.5%的年速率持续升高。中国作为最大的发展中国家，人口众多，资源有限，资源环境系统尤为脆弱，改革开放以来的中国经济高速发展、工业化和城市化的持续升温，造成大量能源消耗和土地利用变化，导致中国碳排放总量于1996年的3363.5Mt上升至2007年的7219.2Mt，占世界总排放量的19.12%，成为世界上最大的碳排放国家。而在将来很长一段时间里，中国的能源消耗还以煤炭、石油等高碳排放能源为主，所以，坚决做好节能减排工作，是坚持走中国社会主义可持续发展道路的重大任务。

导致碳排放量增加的人为因素主要包括两方面：一方面为能源消耗和工业生产直接温室气体排放，另一方面为土地利用结构变化影响温室气体汇和源的分布和协调[3]。而这两方面都可以借助土地利用变化来体现，工矿企业、水利交通等建设用地的增加、林地面积的减少、耕地数量的变化等都会体现出能源消耗量和碳排放量的多少和分布。作为造成全球变化和碳循环不平衡的重要原因之一，不合理的土地利用会导致土壤和植被碳储存能力的降低，大气中碳排放量持续增加，自然生态系统受到严重破坏。70年代以来，关于碳排放的话题引起了广泛的关注和深入的研究，但主要针对能源消耗或者某类典型的陆地生态系统等对碳排放的影响机理，而以全国为基础，对各类土地利用方式碳排放效应进行整体研究还待深化。为此，本为以中国1996年～2008年土地利用变化、能源消耗和碳排放量为基础，对全国范围内土地利用变化碳排放效应进行探讨，从而也为深入开展土地利用碳排放研究和核算土地利用变化碳排放量影响提供帮助。

1 研究方法与数据来源

1.1研究方法

土地利用伴随着碳排放的发生，人类在土地上的生产生活以及土地自身利用状态的保持与转变是陆地碳排放的主要来源 。人类活动造成的能源消耗、林、草地和湿地面积的减少等是碳排放量增加的直接原因，已有研究认为，仅中国能源消耗的碳排放占总碳排放量的76%[8]。按照碳源（汇）的定义，根据已有的主要土地利用类型碳源（汇）能力，对全国土地利用类型进行分类，碳汇主要包括林地和草地，碳源主要包括耕地、建设用地[12]。其中耕地作为碳源和碳汇的混合效应，按照农业生产中碳排放系数及自身的碳吸收系数，差值确定其为碳源；建设用地作为碳源不能简单的用建设用地面积来衡量，而是间接的利用生产生活各种能源消耗所产生的碳排放。

本文只考虑全国范围内不同时间段土地利用碳排放效益的时空差异，而排除不同区域同一土地利用类型碳排放和吸收系数差别，采用经验系数法对全国范围内土地利用碳排放效益进行测算，见表1：其中林地、草地的碳汇系数由已有研究结果确定；耕地作为碳源、碳汇的混合对象，其碳排放系数由碳源与碳汇差值确定；中国能源消耗主要包括煤炭、石油和天然气等，所以建设用地碳源系数由煤炭、石油和天然气碳源系数求和确定[4][10-12] 。

碳排放估算公式： （1）

其中：E——碳排放总量，万吨； ei——研究区i类土地利用方式碳排放量，万吨；Ti——i类碳排放系数，排放为正，吸收为负；各类土地利用面积（建设用地为各类能源消耗量），m2（万吨）。

1.2 数据来源

采用1996～2008年的《中国统计年鉴》，1996～2008年的中国能源消耗统计数据，1996年和2008年中国华北、东北、华东、中南、西南和西北六区土地利用现状及能源消耗统计数据，《全国土地利用总体规划纲要（2006-2020年）》，此外还包括部分来源于已有文献的土地利用数据和方法数据。对已有数据采用已有的经验系数法进行历年土地利用碳排放量进行测算和分析，并对2020年中国碳排放量进行预测。

2 结果分析

2.1 碳排放的总体估算及特征

根据收集的中国1996～2008年土地利用现状数据和历年中国能源消耗数据，利用经验系数法对全国1996～2008年碳排放量进行测算，并作出正确分析（见图1和图2）：（1）全国1996～2008年碳排放量经历了两个时期，1996～2003年的碳排放量为负，呈现碳汇阶段，2001～2008年碳排放量为正，并持续增加，呈现碳排放阶段；（2）历年能源消耗量也呈现阶段性，即1996～2000年左右，能源消耗量变化平缓，而2000～2007年，由于经济的快速发展，工业化和城市化持续升温，造成此阶段能源消耗量持续增加，年变化率达到20%左右，而2007年以后，国家宏观调控加强，强调经济发展与环境资源相协调，注重节能减排，所以在2007年后一年中能源消耗量增加缓慢；（3）由于2001年以前林地面积逐年减少，致使林地碳汇能力逐年下降，较1996年来说，林地面积减少了3727.58 万公顷，碳汇能力降低了14.0%，而2001年后国家注重了林地保护和植树造林活动，全国林地面积持续增加，2003年增幅最大达到2%，而后林地面积逐渐趋于平稳，林地碳汇能力也随之趋于稳定；（4）1996～2008年间，耕地面积逐年减少，致使耕地碳排放量相应减少，但耕地碳排放率较小，所以碳排放值影响值较小；（5）由于城市范围和工矿企业、交通水利等用地的逐年扩张，致使建设用地面积逐年增加，增幅在1.03%～2.14%，相应碳排放量来说，工矿企业等碳排放量相对于建设用地总碳排放量来说，达到92.1%左右，而其余碳排放主要来源于居民生活碳排放。

图1 全国1996-2008年主要土地利用方式的碳排放量

图2 全国1996-2008年主要土地利用面积年变化率

为了反映各类土地利用变化对碳排放量变化的影响，对各类土地利用变化碳排放效应进行边际分析，即相应碳排放变化量与各类土地变化率的比值，见式2。

其中：——i类土地利用变化碳排放边际值；——1996和2008年i类土地利用类型碳排放量差值；——i类土地利用面积变化率。

由各类土地利用碳排放的边际分析看出（见表2）：耕地和草地对碳排放（吸收）的贡献值较低，分别问0.042和0.002t*（hm2）-1，而对碳排放（吸收）影响最大的为林地和建设用地，作为最大的碳汇来源，1hm2林地碳汇量仅占建设用地碳排放量的2%左右，相对来说，林地对碳排放的敏感度较差，而建设用地相对来说比较敏感。而对于边际分析来说，在现有林地基础上，每增加1%面积林地，可以吸收同样比例的建设用地和耕地碳排放量的18%左右。这就说明，目前林地面积还远远不能达到碳排放的吸收，相对比来说，50hm2新增林地才能平衡1hm2新增建设用地带来的碳排放，所以，在现有林地和建设用地基础上，有效合理的植树造林、资源节约型的建设用地扩张等措施对大气碳系统平衡起到很大作用。

从表2可以初步断定，建设用地和碳排放量之间的相关性最强，而林地次之，为了近一步分析各类土地利用方式和碳排放效应的相关性关系，我们对各类土地利用变化和碳排放量进行了相关性分析，并得出结果，见表3：建设用地与总碳排放量之间呈显著相关，而耕地和林地用地面积和总碳排放量之间呈现负相关；但由于国家现在坚持耕地的保有量，耕地面积处于一个比较稳定的阶段，所以虽然林地与碳排量之间的不显著负相关更得引起注意，由于林地对碳排放量的敏感度低，林地面积的小比例增大对碳排放量的影响程度低。

为了更进一步的说明各类土地利用方式和碳排放量之间的相关性和因果关系，对已有数据进行多元回归分析，见式3。

（3）

其中，x1～x4——分别为耕地、草地、林地和建设用地面积；y——因变量（碳排放总量）；abcd——各个自变量（土地利用类型）的系数；——表示相关常量。

由于耕地和草地对碳排放（吸收）的影响率低，分别为0.042t*（hm2）-1和-0.002 t*（hm2）-1，所以在假定耕地和草地现有面积和碳排放效应不变的情况下，只考虑林地和建设用地的碳排放效应，式3可变形为：

（4）

在现有建设用地面积和林地面积不变的情况下，平衡现有多余碳排放还需要在2005年基础上新增约6120万hm2面积林地。按照国家做出的碳排放量降低目标，至2020年中国碳排放量基于2005年降低40%左右，建设用地面积控制在3724万hm2，假设2020年中国能源利用率达到发达国家水平为43%，则需要新增林地面积约6103.86万hm2，按照现有水平很难实现，所以就要求国家要节约集约利用土地，科技创新提高能源利用率，并且要大力发展新能源和环保能源等。

2.2 区域碳排放分析

1996年全国土地利用碳排放效应来看，国家总碳排放量为-55950.72万t，从整体上看处于碳汇阶段，但由于中国土地面积宽广，地形复杂，生态多样，土地利用分布不均匀，整体碳排放效应不能完全说明中国实际碳排放效应。

2.2.1 区域土地利用差异性探讨

中国国土面积960万km2，面积辽阔。自然资源丰富，但由于自然条件和经济发展的不平衡，造成中国各类土地利用分布不均匀，以1996年为例，对全国土地利用分布进行分析：各区域耕地面积比较均衡，差异性较小；土地利用分布差异性较大的为建设用地和草地，草地主要分布在华北、中南、西南和西北地区，而华东地区草地面积仅为11.7万hm2，仅占总面积的0.04%左右，比率标准差为0.182，差异性极大；林地主要分布于中南和西南地区，而西北地区林地面积2707万hm2，占总面积的10%左右，较西南地区林地面积少4776万hm2，将近西北地区林地面积的1.7倍；建设用地面积主要集中在华东和中南地区，各区之间差异性较大，比率标准差为0.072。而从整体来看，华东地区建设用地面积最大，林地面积处于较低水平，草地面积最小，土地利用分布极不平衡。

2.2.2 区域碳排放差异性

基于此问题的存在，按国务院规定的国家区域划分，对土地利用碳排放效应进行分区探讨（见图4）：1996年各区碳排放中，华东地区碳排放量为5775万t，其余各区碳排放量均为负，而到2008年，仅东北地区和西南地区碳排放为负，其余各区域排放量为正；华东地区碳排放量变化最大，达到35300万t，其次为中南地区和华北地区，虽然西北地区碳排放量变化最小，但发生了质的变化，碳排放量由负转正。这主要是由于1996～2008年间，中国经济快速发展，城市化和工业化程度快速提高，致使建设用地面积在各个区域内都呈现高速扩张。而作为经济发展最快的华东地区，在一定土地的限制下，经济的发展必定会造成土地利用类型之间的相互转换，而提高经济发展最主要的即为其他土地利用类型向建设用地的转换。在12年间，华北地区建设用地面积扩张了近134%，建设面积的增大直接带来的是能源消耗的增加，而华东地区林地面积减少了近13%（见图5），最大碳源的增加和最大碳汇面积的减少，致使华东地区碳排放变化幅度最大，华北、中南和西北地区碳排放发生了质的变化。

图3 1996年各区域土地利用面积

图4 1996和2008年各区域土地利用碳排放总量

图5 1996和2008年各区域土地利用变化

各区域内各省市之间由于土地利用分布不均匀，导致土地利用碳排放与该区域整体碳排放效应也不一定全部一致，例如河北省1996年碳排放总量为约8990万t，而华北地区在1996年碳排放总量为-1416万t，在本文中，由于数据和篇幅限制，不做进一步的分析和解释。

而对于中国各区域碳排放的贡献来说，1996～2008年也发生了巨大改变，见图6：1996年碳排放的主要贡献区域为华东地区，而其余各区域碳排放量都处于负值阶段，碳排放大小分别为：华东、华北、东北、西北、中南和西南；2008年碳排放主要贡献区域分布于华北和华东地区，而各区域碳排放量也都有大幅度的增加，西北、中南地区碳排放量由负转正，而东北和西南地区碳排放量虽然仍处于负状态，但碳吸收能力明显减弱，所以在经济发展和城市化、工业化快速进程中，不能牺牲环境以代价，除此之外，由于区域各类土地利用面积不均匀，更不能以牺牲自身的优势碳汇力量来进行经济发展。西南地区林地面积在各区域中是最大的，在1996～2008年，林地面积作为最主要的碳汇力量减少了12%，而建设用地面积增加了近92%，再加上林地的碳排放效应没有建设用地明显，敏感度低，致使西南地区碳排放吸收能力降低了近48%。

图6全国 1996和2008年各区域土地利用碳排放量分布图

3 结论与讨论

3.1 结论

通过对全国范围内1996～2008年土地利用碳排放效应的探讨和分析，得出如下结论：

（1）全国土地利用碳排放效应处于两个阶段：1996～2003年碳排放为负阶段和2003～2008年碳排放为正并且持续增加阶段；

（2）林地和建设用地作为主要碳源（汇），对碳排放的影响比较大，但林地的边际变化碳效应仅为建设用地的2%左右，而林地面积的逐年减少和建设用地的增加，对碳排放的降低增加了风险；

（3）基于12年土地利用碳排放效应，对2020年全国土地利用碳排放效应进行了估测，结果显示，要想达到预期经济发展和减排目标，在耕地和草地面积不变的情况下，需新增林地6103.86万hm2；

（4）全国各类土地利用面积分布不均匀，其中建设用地和草地的区域差异最大，致使各区域土地利用碳排放效应与总体碳排放存在一定的差异，而由于土地利用结构调整和面积转换，各区域碳排放也在不断发生改变。

3.2 讨论与建议

中国作为最大的发展中国家，在经济快速发展、城市化和工业化水平迅速提高的今天，土地利用变化和能源消耗致使大气碳排放量逐年增加，国家快速发展面临的碳排放量降低任务日渐严峻，这就要求我们做出应对现有土地利用碳排放的举措和手段，走经济发展和土地利用相协调的节能减排的新经济道路[14]。本文基于有限的分析和讨论，提出如下几点建议：

（1）在严格保护耕地的基础上，节约集约用地，统筹各类用地。稳定耕地数量，不断提高耕地质量和农业综合生产能力；转变土地利用方式，推进土地节约集约利用，加强建设用地空间管制，促进城乡用地统筹，不断提高土地利用效率与效益。

（2）加强土地生态环境保护与建设。合理进行植树造林活动，统筹安排生产、生活和生态用地，加强各类自然保护区、森林公园、湿地保护与建设，促进生态环境不断改善。

（3）加强土地复垦与生态重建工作。加强全国范围内历史遗留和损毁土地统计工作，在此基础上，做好土地复垦工作，把已损毁或废弃土地进行复垦，重新利用，把这些已废弃土地变废为宝，是土地利用结构更趋于合理[15]。

（4）工矿企业坚持绿色生产。不断科技创新提高生产效率和能源利用率，在此基础上，大力发展清洁能源，并且做好“三废”处理工作，严格执行国家的绿色生产要求，节约、集约利用生产资源和土地。

参考文献

[1]Mohan K W， Fatih E， Tristram O. Assess in terrestrial ecosystem sustainability： Useful nessofregional carbon and nitrogen models [J]. Nature & Resources， 1999， 35 （4）： 21-33

[2]Nefiel A， Mocr E， Oeachger H. Evidence from polar ice comes for the increase in atmospheric CO2 in the past centuries [J]. Nature， 1985， 315： 45-47.

[3]Houghton R A. Changes in the storage of terrestrial carbon since 1950 [A]. LAL R. Soils and Globe Change [C]. London： CRC Press， 1995， 45-65.

[4]Cai Zucong， Kang Guoding， Tsuruta H， et al. Estimate of CH4 Emissions from Year-Round Flooded Rice Field During Rice Growing Season in China[J]. Pedosphere， 2005， 15 （1）： 66-71.

[5]Stuiver M. Atmospheric carbon dioxide and carbon reservoir change [J]. Science 1978. 1997 （4326）： 253-258.

[6]Eggleston H S， Buendia L， Miwa K， et al. 2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories[M]. Prepared by the National Greenhouse Gas Inventories Programme. IGES， Japan， 2006.

[7]世界资源研究所. 2005年世界各国碳排放量排名[R]. http：//www.chinaxhjr.org/content.asp？id=590.

[8]中华人民共和国气候变化初始国家信息通报[M].北京：中国计划出版社，2004.

[9]曲福田，卢娜，冯淑仪. 土地利用变化对碳排放的影响[J]. 中国人口资源与环境，2011，21（10）：76-83.

[10]赵荣钦，秦明周. 中国沿海地区农田生态系统部分碳源/汇时空差异[J]. 生态与农村环境学报，2007，23（2）：1-7.

[11]徐国泉，刘则渊，姜照华. 中国碳排放的因素分解模型及实证分析：1995-2004[J]. 中国人口.资源与环境，2006，16（6）：158-161.

[12]方精云，郭兆迪，朴世龙，等. 1981～2000 年中国陆地植被碳汇的估算[J]. 中国科学，2007，37（6）：804-812.

[13]李颖，黄贤金，甄峰. 江苏省区域不同土地利用方式的碳排放效益分析[J]. 农业工程学报，2008，24，增刊2：102-107.

[14]蒋南平，向仁康. 中国经济绿色发展的若干问题[J]. 当代经济研究，2013，（2）：50-54.

[15]胡振琪. 中国土地复垦与生态重建20年：回顾与展望[J]. 科技导报，2009，27（17）：25-29.