基于清单算法的湖北省土地利用碳排放效应和趋势分析

俞 超, 张丽琴, 唐殿明

(1.中国地质大学(武汉) 公共管理学院, 武汉 430070；2.中国地质大学(武汉) 资源学院, 武汉 430070)

基于清单算法的湖北省土地利用碳排放效应和趋势分析

俞 超1, 张丽琴1, 唐殿明2

(1.中国地质大学(武汉) 公共管理学院, 武汉 430070；2.中国地质大学(武汉) 资源学院, 武汉 430070)

土地利用/覆被变化是仅次于化石燃料燃烧的大气CO2浓度急剧增加的最主要的人为原因，也是影响陆地生态系统碳循环的主要因素。结合国内外低碳经济和低碳土地利用的研究背景和实践，以湖北省为研究区域，采用样地清单法计算2003—2010年间湖北省的土地利用碳排放量，分析不同土地利用方式的碳排放效应和趋势。得出的主要结论如下：(1) 湖北省土地利用总碳排放量从2003年的4 921.997万t增加到2010年的9 124.897万t，呈显著上升趋势；(2) 耕地和建设用地是主要的碳源。其中耕地的碳排放量成递减趋势，从2003年的265.176万t减少到2010年的262.189万t，建设用地的碳排放量呈快速上升趋势，从2003年的5 194.871万t增加到2010年的9 414.589万t；(3) 林地是主要的碳汇，从2003年的536.645万t增加为550.607万t，林地的碳汇功能逐年加强。通过对不同土地利用方式的碳排放效应和趋势研究，为湖北省低碳土地利用结构优化提供了依据。

土地利用方式; 碳排放; 清单算法; 湖北省

全球和区域碳循环已成为全球变化研究和宏观生态学的核心研究内容之一。当前，国内外学者对低碳经济的研究主要集中在能源消费与碳排放，包括能源消费结构的转换与低碳能源系统的建立[1-2]；经济发展与碳排放，主要探讨不同经济发展模式、阶段、速度与碳排放的关系[3]；不同土地利用方式与碳排放，包括土地利用覆盖变化与碳排放、各土地利用类型与碳排放、农业生产水平与结构变化等、各种土地利用方式的碳源/碳汇系数及模型；碳减排的经济风险分析与减排对策研究等[4-7]。研究的主要方法有：样地清单法、GIS与RS结合的方法模型、数学统计方法、涡度相关法、经济密度模型[8-12]等，各种模型方法由于参数有较大的区别，对研究结果有很大影响，尤其表现为IPCC清单算法，该方法主要采用三种计算方法，即采用缺省方法和排放因子、采用特定国家排放因子、采用先进方法和国家特定的详细数据，能获取到的数据和具体采用的数据对IPCC清单算法的使用影响很大。

国内学者也围绕不同地区的土地利用方式总体碳排放效应和碳排放问题展开了深入、系统的研究。当前，国内学者主要从省域土地利用变化的碳排放研究，研究区域多集中于广东、四川、重庆、江苏、湖南、河南、河北及陕西等少数几个省(市)区，对于中部省份的研究尚少，而且针对某种地类的碳排放的效应研究较丰富，而综合的碳排放效应研究少，模型方法和不同土地利用方式的碳排放/储存参数研究少。湖北省作为中部六省之一，在省域工业化和城市化水平快速提高的同时，土地生态系统也受到了人类活动的较大影响，土地利用格局亦出现了一定程度的变化。在这种背景下，科学估算并分析湖北省土地利用变化的碳排放效应具有一定的典型性。因此，本文以中部典型省份——湖北省为例，从不同土地利用方式所具有的碳源或碳汇作用入手，一方面，碳排放效应包含相对复杂的碳排放碳储存过程，通过采用排放系数法测算碳排放量,其结果可以一定程度反映不同类型用地的碳排放效应；另一方面，以土地利用类型与结构变化来综合分析区域土地利用的碳排放的趋势，旨在为湖北省优化土地利用结构、碳减排及发展低碳经济提供参考。

1 研究方法和数据来源

1.1 研究域概况

湖北省介于北纬29°05′—33°20′，东经108°21′—116°07′，处于中国地势第二级阶梯向第三级阶梯过渡地带。地势呈三面高起、中间低平、向南敞开、北有缺口的不完整盆地。地貌类型多样，山地、丘陵、岗地和平原兼备。全省土地总面积1 858.89万hm2，常住人口为5 779.00万人，现有12个省辖市、1个自治州、38个市辖区、24个县级市(其中3个直管市)、38个县、2个自治县、1个林区。2012年，全省完成生产总值2.22万亿元，按可比价格计算，比上年增长11.3%，第一产业完成增加值2 848.77亿元，增长4.7%；第二产业完成增加值11 190.45亿元，增长13.2%；第三产业完成增加值8 210.94 亿元，增长10.8%，三次产业结构为12.8∶50.3∶36.9。

1.2 研究方法与技术路线

通过收集各种地类的面积数据、能源数据、经济数据以及人口数据，对各类数据进行处理和分析后，采用样地清单法，计算各地类的碳排放量，并结合相关指标分析湖北省的碳排放效应，进而预测2015年湖北省的碳排放情况，从而得出相关结论。

由于园地的地表植被和土壤的固碳形式及能力与林地类似，因此将园地直接归于林地，在此将土地利用类型分为耕地、林地、草地、建设用地和未利用地等几种类型，探讨各个土地利用类型的碳排放和碳吸收情况。本文不计算耕地的碳吸收量，直接测算耕地的碳排放量，原因在于，一是耕地中的农作物虽然能吸收空气中的CO2，但绝大多数吸收来的CO2，在短期内又分解释放回空气中，农作物的碳汇作用较小，二是土壤有机碳易受土壤质地、气候、生物量以及采样时间等因素的影响，秸秆还田对土壤有机碳的具体增加量还不明确。主要的测算模型如下：

(1) 碳排放总量的碳排放计算方法

E=∑Ei

(1)

式中：E——碳总排放量；Ei——主要土地利用方式产生的碳排放量(排放为正，吸收为负)；

(2) 耕地、草地、林地和未利用地的碳排放计算方法

Ei=ξiSi

(2)

式中：ξi——第i中土地利用类型对应的碳排放(吸收)系数系数；Si——第i种土地的面积。

(3) 建设用地的碳排放量计算方法

根据前人相关研究，建设用地的碳排放通过城镇村及工矿用地、交通水利用地和其他建设用地等利用类型在利用过程中能源消耗的碳排放系数间接估算，见公式(3)。

(3)式中：A——碳排放量(t)；n——能源种类数；Bj——能源j的消费量,按标准煤计(104t)；Cj——煤的有效氧化分数，取值为98.20%；Dj——每吨标准煤的含碳率，取值为73.30%；Gj——CO2释放量相对于煤燃烧排放规模的倍数。其中参考折算成标煤的系数来源于《中国能源统计年鉴2005》,详细参数见表1。表1 各类能源标煤折算系数

由于各种土地利用类型所承载产业的变化，可能存在的土地利用强度或具体利用方式的变化，但并不妨碍论文对土地利用碳排放趋势的探讨和碳排放量的估算，所以碳排放系数在假定相对稳定的土地利用条件下保持不变，采用统一的碳排放系数。根据国内外相关研究数据，本研究采用前人的研究成果，总结不同土地利用方式碳排放(吸收)系数，从湖北省全省的尺度进行综合考虑分析，确定湖北省各类土地的碳排放系数[13-14]，见表2。

表2 各类土地碳排放/碳吸收系数t/(hm2·a)

1.3 数据来源与预处理

本文主要涉及的基本研究数据有：① 湖北省各地

类面积，数据来源于湖北省土地利用变更调查、湖北省国土资源公报和《湖北省2006年—2020年土地利用总体规划》； ② 能源消耗数据，主要来源于2003—2010年《中国能源统计年鉴》； ③ 人口和经济数据来源于《2010年湖北省统计年鉴》、《2011年湖北省统计年鉴》和《湖北省“十二五”规划》。对数据进行前期的收集处理后，将各类能源消费量按标媒折算系数进行折算，将现行收集到的各地类面积与IPCC划分的地类相对接，得到IPCC分类标准的各个地类面积，2003—2010 年湖北省的不同土地利用类型面积见表3。

表3 2003-2010年湖北省不同土地利用类型面积万hm2

2 结果与分析

2.1 湖北省碳排放效应分析

根据各种土地利用类型面积以及能源数据，计算出2003—2010年各地类的碳排放量数据，见表4。

表4 2003-2010 年湖北省碳排放数据

从表4可以看出：总碳排放量呈显著上升趋势，从2003年的4 921.997万t增加到2010年的9 124.897万t，耕地和建设用地时主要的碳源，林地是主要的碳汇。其中耕地的碳排放量成递减趋势，从2003年的265.176万t减少到2010年的262.189万t，主要原因在于耕地的减少，耕地从2003年的628.38万hm2减少为2010年的621.3万hm2，减少了7万hm2左右；建设用地的碳排放量呈快速上升趋势，从2003年的5 194.871万t增加到2010年的9 414.589万t，8 a间增加了将近4 250万t，对碳排放总量的贡献率最大，份额最重，原因在于社会经济的快速发展，工业化和城市化进程迅速，能源消费量大，特别是化石燃料的消费，建设用地的增加也是其中原因之一；林地的碳汇功能也在逐年加强，从2003年的536.645万t增加为2010年的550.607万t，主要原因在于林地面积的增加，林地面积从2003年的833.3万hm2增加为2010年的854.98万hm2，增加了11.68万hm2，增长速度快，这主要得益于湖北省响应国家号召，逐渐重视环境保护和森林保护，积极实行植树造林和退耕还林措施，加大林地面积；草地和未利用地碳汇作用表现不明显。

图1显示的碳排放强度的趋势，结合表4的碳排放强度数据，可以看出：人均碳排放强度、地均建设用地排放强度和地均排放强度总体均处于上升状态，单位GDP碳排放强度呈下降趋势。根据前人的研究结果[15]，应对全球气候变化的目标，年人均碳排放2 t，单位面积碳排放1.12 t/hm2。2007年全球人均碳排放为4.3 t，中国为3.9 t，美国高达19.6 t。湖北省人均碳排放强度由2003年的0.82 t/人上升到2010年的1.48 t/人，地均排放强度2.65 t/hm2上升到4.91 t/hm2，从本研究的计算结果看出，研究区域的人均碳排放强度低于全国的平均值，并且低于应对全球气候变化的目标值，2007年前的人均碳排放强度也低于应对全球气候变化的目标值，说明湖北省的碳排放量对气候影响不是很大，但随着社会经济的发展，能源大量消耗，加之建设用地的增加，林地、草地的减少，导致人均碳排放量和地均碳排量逐年增加，碳减排工作日益重要；地均建设用地排放强由2003年的38.62 t/hm2上升到65.7 t/hm2，地均建设用地的碳排放强度远远大于地均碳排放强度，建设用地的碳减排工作是碳减排工作的重点，需加大力度；单位GDP碳排放强度由2003年的1.04 t/万元下降到2010年的0.57 t/万元，说明近年来湖北省采取的发展低碳经济，调整产业结构和能源消费额结构，大量植树造林等碳减排措施取得了一定的成效；2008年的人均碳排放强度、地均建设用地排放强和地均排放强度出现节点，呈下降的状态，主要原因在于金融危机的影响，金融危机促使全社会的经济发展速度较其他年份慢，能源消耗大幅度下降，导致建设用地碳排量总量下降，从而碳排放强度也下降。

图1 湖北省碳排放强度

2.2湖北省2015年碳排放量预测

在明确各种土地利用方式的碳排放情况以及其对碳排放影响的基础上，再进行碳排放预测，有利于指导今后的土地利用规划，并且对建立低碳型的土地利用体系具有重要作用。

预测湖北省2015年主要土地利用方式的碳排放，主要测算2015 年湖北省建设用地的碳排放，原因在于耕地、林地、草地和未利用地自身排放和吸收碳的性质，碳排放系数和碳吸收系数在很长一段时间内保持常数不变，故在延续现有的土地利用规划的前提下，这四类用地不会产生碳排放(吸收)量的变化[13]。影响建设用地碳排放的因素众多，主要取决于经济发展水平、能源消耗程度和科技发展水平三个方面，万元地区生产总值能耗能综合反应经济发展水平、能源消耗程度和科技发展水平，因此采用万元地区生产总值能耗这个指标进行测算。根据湖北省国民经济和社会发展第十二个五年计划规划和国务院日前印发《节能减排“十二五”规划》，到2015年，全省地区生产总值达到25 456亿元左右，全国万元地区生产总值能源消耗下降到0.869 t标煤，以此预测到2015年湖北省全省建设用地产生的碳排放将达到22 121.264万t。因此，在延续现有土地利用规划的情况下，到2015年，湖北省主要土地利用方式产生的总碳排放将达到21 831.576万t，比2010年增加12 706.674万t，增加139.25%，人均碳排放量为3.42 t/人，年均增加5 541万t，增速快，与2010年的1.48 t/人相差甚远。

3 结论与建议

3.1 主要结论

(1) 建设用地是主要碳源，林地为主要碳汇。建设用地作为最显著的碳源，单位面积建设用地的碳排放强度最大，对总碳排放影响最大；耕地是第二大碳源，化肥施用、农业机械和灌溉过程是农田碳排放的主要途径，其中化肥施用产生碳排放量比重最大；同样，林地做为最显著的碳汇效应，其对碳吸收的强度也最大，对减少大气中的碳起着主导作用。

(2) 湖北省经济发展结构日趋合理。单位GDP碳排放强度逐年下降，说明湖北省经济产业结构越来越合理，经济发展中的科学技术水平越来越高。

(3) 碳减排工作压力日趋加大。人均碳排放强度、地均建设用地排放强度和地均排放强度总体均处于上升状态，碳减排工作不容忽视，应该日益重视这个问题，建设用地的碳排放研究和减排是各类土地利用方式的关键。

(4) 土地利用方式碳排放研究有利于优化土地利用结构。根据本文研究表明，土地利用方式对碳排放有重大影响，不同的土地利用方式对碳排放影响程度不同，并且从预测结果来看，土地利用规划对碳排放总量有重大影响，因而土地利用方式碳排放效应的研究对土地利用结构的调整具有重要的指导意义。

(5) 土地利用方式碳排放量与区域产业结构及经济发展水平有重大联系，但由于数据限制，土地利用强度和进一步细分的土地利用方式的内容未能在本文中涵盖，本文在对耕地的进一步细分以及耕地承载的不同利用强度和利用方式的划分方面做了笼统的处理，今后在数据允许的条件下，将继续在此方面做进一步的细化研究。

3.2 土地利用结构调整的建议措施

基于本文研究结论，指导湖北省土地利用结构的调控，构建低碳土地利用方式。由于湖北省各区域地貌差异大，低碳经济视角下的湖北土地利用结构调控应分区域探讨，争取“减源增汇”。(1) 武汉作为湖北省的省会，中部最大的城市，应严格控制建设用地总量和建设用地扩张，加大城市绿化，建立生态工业园，建立以节地、节能和优化布局为特点的紧凑城市，尽量减少单位GDP的碳排放量，实现城市绿色发展；(2) 中部平原地区：该区是湖北的“粮仓”，农用地比重大，应发展生态农业，同时保护现有的林地，坚持不合理的耕地退耕还林还草，合理进行城市建设，合理开发和保护如水域等未利用地；(3) 西部山区：应以保护林地和保护生态为首要任务，以神农架林区和恩施州为典型代表，“山高谷深”，是湖北省的生态保障区，充分发挥森林的碳汇功能，未经批准不得擅自开发为耕地和建设用地，同时，积极推动生态旅游，发展两地的交通，适当增加交通运输用地面积，促进当地的发展。河谷地区大量的水田，应大力发展和保护耕地，确保基本的粮食需求；(4) 东部山地丘陵及岗地区：土地利用结构以耕地、林地和建设用地为主，该区土地利用率相对较低，土地开发潜力大，今后以在低缓丘陵和平缓岗地以及平原地区大力开发耕地、保护林地、严格限制建设用地为主要任务。

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AnalysisonEffectsofLandUseonCarbonEmissionandtheTrendinHubeiProvinceBasedonIPCCInventory

YU Chao1, ZHANG Li-qin1，TANG Dian-ming2

(1.SchoolofPublicAdministration,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China;2.FacultyofEarthResources,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Land use/cover change is the primary human factor influencing carbon cycle of terrestrial ecosystem, which only ranks behind fossil fuel usage. In this paper, IPCC inventory method is adopted for the evaluation of carbon emission of land use in Hubei province between 2003 and 2010, and carbon emissions of different land use types and the trends were analyzed. The main conclusions are: (1) the total carbon emission of land use in Hubei increased obviously from 49.219 97 million tons in 2003 to 91.248 97 million tons in 2010; (2) cultivated land and construction land are the primary sources for carbon emission. Carbon emission of cultivated land in Hubei decreased from 2.651 76 million tons in 2003 to 2.621 89 million tons in 2010. And that of construction land has opposite trend, increasing from 51.948 71 million tons in 2003 to 94.14589 million tons in 2010; (3) forest land is the primary carbon sink, in which the carbon storage in Hubei increased slightly from 5.36645 million tons in 2003 to 5.506 07 million tons. The carbon emission effects and trends of different land use types in Hubei offered scientific basis for its low-carbon land use structure optimization.

land use type; carbon emission; IPCC inventory method; Hubei Province

2013-10-20

：2013-11-21

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(007-G1323511337)

俞超(1989—),女,江西广丰人，硕士研究生,从事土地利用与规划研究。E-mail:821666489@qq.com

张丽琴(1973—),女,山西曲沃人，副教授,研究领域为土地利用规划与土地生态评价。E-mail:lqzhang@cug.edu.cn

X21

：A

：1005-3409(2014)04-0168-05