基于碳氧平衡分析的吉泰走廊区域生态用地需求研究

■曾 翔 ■江西省城乡规划设计研究院，江西 南昌 330077

1 引言

生态用地是指具有生态服务功能的各类用地，是自然生态系统的载体，承担生态系统的各种服务功能，包括气候调节、水源涵养、水土保持、生物多样性保护、食物生产、材料生产等生态服务功能，是人类生存和经济社会发展的重要物质基础。然而随着经济的不断发展、城镇化进程的加快，以人口、产业集聚为特征的各类建设用地的不断扩张使得以生态服务功能为主的生态用地面积逐渐减少，引起了一系列生态和环境问题，如水土流失、水体污染、生物多样性减少等，给经济社会可持续发展带来挑战。

在当前城镇化进程中各类建设用地需求不断增加的压力下，如何科学合理地确定生态用地数量，正确处理建设用地与生态用地的需求矛盾，使经济发展与自然生态保护的关系重新走上协调发展的轨道，是保持可持续发展的重要关键。

有鉴于此，本文以吉泰走廊区域为例，应用碳氧平衡法通过对吉泰走廊区域碳氧供需情况的研究，进而测算当前以及目标年的生态用地最小需求，为编制区域生态空间保护规划中生态用地数量的确定提供依据与参考。

2 研究区概况

吉泰走廊区域位于吉安市中部，范围包括三县四区(吉州区、青原区、井开区、庐陵新区、吉安县、吉水县、泰和县)下辖的8 个街道、29 个乡镇、6 个工业园区，是吉安市乃至江西省发展基础较好，经济聚集度较高，发展潜力较大的区域。2013 年吉泰走廊区域总面积2961 平方公里，占全市面积的11.7%;人口为129.24 万人，占全市人口的25.4%;GDP 达到561 亿元，占全市的50.1%。

吉泰走廊区域处于吉泰盆地中部，以赣江干流为轴线向外扩展，地貌依次呈平原、岗地、丘陵、山地等阶梯状分布。整个地势东西高耸、中部低平，周边拥有连绵环抱的山体、丘陵;以吉安县的西垅山和青原山南面山麓为南北分界，北面以岗地为主，南面以平原、丘陵为主。

3 研究方法

3.1 碳氧平衡模型

碳氧供需包括碳排放与氧消耗、碳固定与氧释放两方面的内容，前者主要指人类活动引起的排碳耗氧过程，后者主要指生态用地的固碳释氧过程。根据国家土地利用分类标准，生态用地可分为耕地、园地、林地、草地、水域湿地五类。碳氧平衡模型如下所示:

式中BC为碳平衡系数;BO为氧平衡系数;C排放为碳年排放量;C固定为碳年固定量;O消耗为氧年消耗量;O释放为氧年释放量。

当BC与BO小于或等于1 时，则表示碳排放量能够被生态用地完全吸收，氧释放量能够满足当地的需求，生态经济系统处于可持续发展状态;当BC与BO大于1 时，则表明生态经济系统处于超负荷状态，难以保持可持续的发展。

3.2 排碳耗氧计算

从排碳耗氧角度来看，区域内的排碳耗氧活动主要有煤炭的燃烧、原油的燃烧、天然气的燃烧以及人口的呼吸，其他如排泄物的分解耗氧或是少量其他能源的燃烧在计算时暂不予考虑，其计算模型如表1、表2 所示。

表1 排碳量计算模型

注:1、标准煤含碳量【1】为80.990;标准煤含氢量【1】为2.820。2、原煤折算标准煤系数【2】为0.7143kgce/kg;燃油折算标准煤系数【2】为1.471kgce/kg;燃气折算标准煤系数【2】为1.241 kgce/m3。3、每人每天呼吸二氧化碳排放量【3】为0.900kg/人/天。

表2 耗氧量计算模型

3.3 固碳释氧计算

固碳释氧过程主要是通过植物的光合作用来实现，不同生态用地的植被生物量均有不同，其固碳释氧的能力相应也有差异(表3)。由于不同生态用地的固碳释氧能力只与其地均净生产量有关，而不同生态用地类型地均净生产量值一定，故可根据不同类型生态用地的地均净生产量比例将不同类型的生态用地换算成标准生态用地(表3)，统一测算生态用地的年固碳释氧量，计算模型见表4 所示。

表3 单位面积生态用地年固碳释氧量与类型折算系数表【4】

表4 固碳释氧计算模型

3.4 生态用地需求测算

在对排碳耗氧与固碳释氧的计算基础上，根据碳、氧平衡公式(1)、(2)，分别推导出保持碳平衡和保持氧平衡所需的最小标准生态用地面积计算公式。

保持碳平衡所需最小标准生态用地面积计算公式

保持氧平衡所需最小标准生态用地面积计算公式

根据IPCC 气候变化报告，全球生态经济系统中所释放的二氧化碳有1/3 进入大气，1/3 被海洋吸收，1/3 固定在陆地生态系统中，因此公式(3)、(4)可改为(5)、(6)所示:

接下来根据计算结果，将保持区域碳平衡和保持区域氧平衡所需的最小标准生态用地面积进行比较，按照“木桶原则”和“最小因子定律”，取两值中的最大值作为满足区域可持续发展的标准生态用地最小需求面积。

最后，根据吉泰走廊区域现状各类生态用地换算成标准生态用地后所占的比重，反推出为了满足区域可持续发展的各类生态用地最小需求面积。

4 吉泰走廊区域生态用地需求测算

4.1 排碳耗氧量计算

4.1.1 排碳耗氧量现状

根据吉泰走廊区域2013 年各相关统计数据(由于吉泰走廊区域范围包括三县四区的8 个街道、29 个乡镇、6 个工业园区，因此其相关数据根据吉安市及相关县区统计资料计算得来)，按照表1、表2 进行计算，2013 年吉泰走廊区域排碳耗氧情况如下表所示:

表5 2013 年吉泰走廊区域排碳耗氧计算表

4.1.2 排碳耗氧量预测

(1)人口预测。根据《吉泰城镇群规划(2013-2030)》，2030 年吉泰走廊区域的人口为202 万人。

(2)能源消费总量预测。本文根据目标年GDP 与单位GDP 能耗的变化来预测目标年吉泰走廊区域能源消费的总量。能源消费总量测算公式如下:En=GDPn×em×(1-λ)(n-m)/10000

式中En 为目标年能源消费总量;GDPn为目标年GDP 预测值;em为基期年单位GDP 能耗;λ 为单位GDP 能耗年均降低率。

在我国步入稳步增长期，经济发展进入“新常态”的大环境下，综合考虑吉安市近几年GDP 增速情况，设定2013 年—2020 年GDP 增速为12%，2020 年—2030 年增速为8%，则吉安市2030 年GDP 为5365亿元;2013 年吉安市单位GDP 能耗为0.397 吨标煤/万元GDP;根据《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》，我国十二五期间单位GDP 能耗消耗年均降低率约为3%，本文按3%作为基期年至目标年期间单位GDP 能耗消耗年均降低率。

则2030 年吉安市能源消费总量为

En=5365 亿元×0.397 吨标煤/万元GDP×(1-3%)(2030-2013)=1266.14 万吨标煤

吉泰走廊区域作为吉安市的经济核心，江西省经济发展轴线的重要组成部分之一，其在吉安市的经济比重将不断加大，假设至2030 年吉泰走廊区域GDP 占全市比重由2013 年的50%增长至60%，则吉泰走廊区域2030 年能源消费总量为759.68 万吨标煤。

(3)各类能源消费量预测。2013 年吉安市能源消费结构以煤炭为主，在整个能源消费结构中，煤炭消费比重为80%，石油比重为19.5%，天然气比重为0.5%。

根据《BP 世界能源展望2035》对2035 年中国能源消费结构的预测，到2035 年我国煤炭消费比重为51%，天然气消费比重达到12%，石油消费比重为18%，非化石能源比重为19%。本文按照以上各类能源消费占比，作为2030 年吉泰走廊区域能源消费的构成，并以此测算各类化石能源的消费量。

表6 2030 年吉泰走廊区域各类能源消费量测算表

(4)排碳耗氧量预测。基于以上的设定，对2030 年吉泰走廊区域排碳耗氧量进行测算，其结果如下表所示:

表7 2030 年吉泰走廊区域排碳耗氧计算表

4.2 生态用地需求预测

4.2.1 生态用地现状

根据2013 年土地利用变更数据，吉泰走廊区域内现有耕地77389公顷，园地3806 公顷，林地131620 公顷，草地4434 公顷，水域湿地14516 公顷，换算成标准生态用地面积为201129.32 公顷。

表8 2013 年吉泰走廊区域生态用地一览表

4.2.2 2013 年生态用地需求

根据吉泰走廊区域2013 年排碳耗氧情况，维持区域碳平衡所需的标准生态用地最小面积为:

A标=(C排放/3)/C固定=198.77 ÷3 ÷9.03=7.34 万顷

维持区域碳平衡所需的标准生态用地最小面积为:

A标=(O消耗/3)/O释放=586.68 ÷3 ÷24.07=8.12 万顷

因此，2013 年保持区域碳氧平衡的标准生态用地最小需求面积为8.12 万公顷。

根据现状各类生态用地换算成标准生态用地后所占的比重，将标准生态用地最小需求面积换算为各类生态用地最小需求面积，结果如下表所示。

表9 2013 年吉泰走廊区域各类生态用地最小需求面积

从计算结果来看，吉泰走廊区域最小生态用地需求面积远小于现有各类生态用地面积，区域生态用地的固碳释氧能力完全能够维持区域自身的碳氧平衡。

4.2.3 2030 年生态用地需求

根据对吉泰走廊区域2030 年排碳耗氧情况的预测，维持区域碳平衡所需的标准生态用地最小面积为

A标=(C排放/3)/C固定=516.35 ÷3 ÷9.03=19.06 万顷

维持区域碳平衡所需的标准生态用地最小面积为

A标=(O消耗/3)/O释放=1523.26 ÷3 ÷24.07=21.09 万顷

因此，2030 年保持区域碳氧平衡的标准生态用地最小需求面积为21.09 万公顷。

根据现状各类生态用地换算成标准生态用地后所占的比重，将标准生态用地最小需求面积换算为各类生态用地最小需求面积，结果如下表所示。

表10 2030 年吉泰走廊区域各类生态用地最小需求面积

通过与2013 年现状生态用地面积比较，2030 年吉泰走廊区域需增加各类生态用地共12802 公顷，才能满足保持区域碳氧平衡的最低需求。

5 结论与讨论

(1)2013 年吉泰走廊区域生态环境良好，各类生态用地的固碳释氧数量远高于人类活动引起的排碳耗氧数量，区域现有各类生态用地的数量满足保持区域碳氧平衡的生态用地最小面积需求。

(2)随着新型城镇与工业化的加速发展以及人口的增加，吉泰走廊区域内的排碳耗氧水平将大幅上升。经预测，到2030 年区域内的排碳量和耗氧量将分别达到516.35 万吨和1523.26 万吨。在优化调整能源消费结构、倡导低碳消费生活的前提下，保持区域碳氧平衡所需的最小标准生态用地面积为21.09 万公顷，按现状生态用地构成换算为各类生态用地的总面积为244567 公顷。也就是说，至2030 年，为了保持区域碳氧平衡、保持区域的可持续发展，吉泰走廊区域的生态用地面积不得小于2445.67 平方公里，城乡建设用地面积不得大于515.33 平方公里。

(3)通过对吉泰走廊区域实例的研究，表明基于碳氧平衡法测算区域或城市的生态用地最小需求，确定保持可持续发展的生态用地的数量“底线”，具有一定的可行性和可操作性。但由于碳氧平衡法在计算过程中忽略了研究的区域与周边生态系统的联系，忽略了一些较小的排碳耗氧活动以及难以取得数据的排碳耗氧活动，如排泄物的分解耗氧、秸秆燃烧等，而且计算过程中的相关参数均取自于现有的研究成果，未有针对特定区域的实证研究检验，计算结果存在一定的误差，研究结果的准确性仍有待于相关研究的发展。

［1］国家煤炭质量监督检验中心.煤物理特性和化学成分分析标准物质［EB/OL］.http://www.ccqtc.com，2010-08-15/2013-12-09.

［2］《综合能耗计算通则》GBT2589-2008.

［3］杨士弘.城市绿化树木碳氧平衡效应研究［J］.城市环境与城市生态，1996，9(1):37-39.

［4］张颖，王群，李边疆，等.应用碳氧平衡法测算生态用地需求量实证研究［J］.中国土地科学，2008，21(6):23-28.