准格尔旗土地利用碳排放效应及空间格局分析

2017-10-17阿如旱

草原与草业 2017年3期

关键词：准格尔旗吸收量排放量

车敏，阿如旱

(内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古呼和浩特 010019)

准格尔旗土地利用碳排放效应及空间格局分析

车敏，阿如旱*

(内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古呼和浩特 010019)

本文运用土地利用变更数据、影像数据、能源消耗数据、社会经济统计数据，依据土地利用碳源/碳汇理论，结合区域实际特点，利用碳排放系数法和能源消耗法对准格尔旗的土地利用碳排放量进行估算，并进行时序变化特征分析。并引入碳排放风险指数指标，采用普通克里格方法，结合运用GIS对准格尔旗碳排放风险的空间分布规律进行分析。结果表明：(1)碳排放量整体呈现上升趋势，13年间共增长了872.62万吨，其变化经历了四个阶段。(2)建设用地和耕地是主要的碳源，林地和草地是主要的碳汇，二者的碳排放(吸收)量均呈现增加的趋势，其中建设用地的碳排放量对碳排放总量的贡献最大，并且与研究区碳排放量的变化趋势基本吻合。(3)从空间上看：碳排放风险指数在不断增大，碳排放风险为负的区域在慢慢减少，碳排放风险为正的区域越来越大，碳排放风险指数值处于较大的区域主要集中在准格尔旗薛家湾镇、沙圪堵镇和大路镇，大多都为城镇用地，碳排放风险指数值处于较小区间的区域，主要为远离城镇的地方及周边的一些林地和水域。

土地利用；碳排放；空间格局；准格尔旗

Abstract：This paper uses the data of land use change, image data, energy consumption data and social economic statistical data, on the basis of land utilization of carbon sources and sinks theory, combined with the actual characteristics of the region, and it uses the carbon emission coefficient method and energy consumption method to estimatethe carbon emission temporal variation characteristics. And introduced the index of carbon emission risk , using ordinary Kriging method, combined with GIS, the temporal and spatial patterns of carbon emission risk of land use of Jungar banner. The results show that: (1)land use carbon emissions of Jungar bannerin the mass presented the trend of growing, the number of carbon emissions was totally creeping 872.62 10000-ton during this 13years, the changes has gone through four stages.(2) construction land and farmland is the main carbon source, forest land and grassland are the main carbon sequestration,andthe carbon emission (absorption) of the two shows an increasing trend, among them, the carbon emission of construction land is the largest contribution to the total carbon emissions, and is consistent with the trend of carbon emissions in the study area. (3) on the temporal and spatial patterns: carbon emission risk index is increasing,thearea of carbon emission risk is negative gradually reduced, the area of carbon emission risk is positive is more and more big, carbon emission risk index value in larger areas are mainly concentrated on the town of Shagedu road and Xuejiawan Town, mostly for urban land, carbon emission risk index value in a small area, mainly for some local and surrounding forest lands and waters from the town of the Jungar banner.

Keywords:Land use；Carbon emission；Spatial pattern；Jungar banner

在全球气候发生变化的大背景下，气候变暖成为当前人类生活和生存的一项严峻挑战，也是当前人们十分关注的全球十大环境热点问题之一〔1〕，政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,简称IPCC)也有报告指出，在1906～2005年这几年间,全球地面气温平均上升了0.74℃，按照这样的发展趋势，有学者预计未来二十年全球气温仍将以每十年大约升高0.2℃的速率变暖〔2〕。相关研究也表明，导致全球气候变暖的人为原因主要有以下两种：一是由于人类不合理的生产生活引起土地利用变化所产生的碳排放；二是由于当前人类对于传统能源消耗的依赖所产生的碳排放〔3〕。据估算，在1850-1998年间，土地利用变化所引起的碳排放占人类活动影响产生的碳排放的1/3〔4〕，在现有的温室气体中，CO2对气候变暖的效果最为显著，因此，计划性的进行CO2减排是十分必要和迫切的。为此，“低碳经济”一词在2003年英国能源白皮书《我们能源的未来：创建低碳经济》中被首次提出：“低碳经济就是在更少的自然资源和环境污染的基础上获得更大的经济产出”,即一种新型的以低碳发展为导向经济发展模式，从而达到缓解当前气候变暖和区域可持续发展的目标。在2015年的十八届五中全会中，我国也提出了“五大发展理念”，其中之一的绿色发展理念中也指出，“当前我国要继续推进节能减排，更好的推动低碳经济”。可见，低碳经济已经成为应对全球气候变暖的一种主要经济发展模式，因此，在低碳经济的背景下，如何协调好经济发展和碳排放量的关系显得尤为重要。国内外学者关于土地利用碳排放的研究主要集中在土地利用碳排放机理和土地利用碳排放效应两方面，起初对于土地利用碳排放机理的研究较多，明确了建设用地和耕地是主要的碳源，林地和草地是主要的碳汇〔5-9〕。近年来学者们对土地利用碳排放产生的效应及空间格局的变化特点研究较多〔10-14〕，明确了建设用地的快速增长是土地利用碳排放量不断增加的主导因素，并且大多学者们关于建设用地的碳排放量估算主要基于能源消费的视角。因此，本文在对准格尔旗2000-2013年的直接和间接碳排放量估算的基础上，打破单一行政区划，将研究区划分为5km×5km的单元网格，引入碳排放风险指数，对准格尔旗的碳排放风险进行空间可视化表达，分析研究区的土地利用碳排放的空间变化特征及为区域可持续发展提供参考依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1研究区概况

准格尔旗位于内蒙古自治区西南部，鄂尔多斯市东部，地理坐标E110°50′～E110°27′、N39°16′～N40°20′。东南隔河相望于呼和浩特市的清水河县，山西省的偏关县，河曲县，南连陕西省府谷县，西连鄂尔多斯市的东胜区、达拉特旗和伊金霍洛旗，北接包头市的土默特右旗，呼和浩特市的土默特左旗和托克托县。地貌类型主要是丘陵沟壑区和沟谷阶地。气候属中温带大陆性草原气候，光能资源丰富，日照充足，年均日照时数1 171h，年均气温6.2～8.7℃，年均降水量约为400mm，降水多集中在夏季，6月至8月的降水量占全年降水量的61%。年均蒸发量2 093mm，年均无霜期145天。属于北方农牧交错区。行政范围涉及6个镇，2个乡，1个苏木，面积约7550.79km2。

1.2数据来源与研究方法

1.2.1 数据来源

本文所使用土地利用变更数据来源于内蒙古土地利用变更调查数据(2000-2013年)，遥感影像数据主要来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)和美国地质调查局官网(http://glovis.usgs.gov/)上下载的卫星影像数据产品，轨道号为127/32、126/33、127/33，所选取的各期影响均为地物特征较为明显的，云量较小，分辨率能满足要求的影像，能源消耗数据和社会经济数据来源于准格尔旗统计局网站公布的2000年到2013年的《准格尔旗统计年鉴》〔15〕及准格尔旗国土资源局网站公布的《准格尔旗土地利用总体规划(2006-2020年)》〔16〕。

1.2.2 研究方法

(1)碳排放系数法

根据研究区的实际情况，本文对耕地、园地、林地、草地、水域、未利用地这六种土地利用类型的碳排放/吸收量采用碳排放系数法进行估算，其公式如下：

Ej=Eji×δ

(1)

式中，Ej为第i种土地利用类型的碳排放量，Eji为第i种土地利用类型的面积，δ为第i种土地利用类型的单位面积上的碳排放系数，碳排放为正，碳吸收为负。

通过阅读大量文献，在参考前人研究成果的基础上确定了准格尔旗的六种土地利用类型的碳排放系数，如表1所示：

表1 不同土地利用类型的碳排放系数

(2)能源消耗法

土地利用的间接碳排放是指建设用地所承载的人类生活生产所产生的碳排放，主要指能源消耗，根据准格尔旗的实际消费情况，我们将当地所消耗的所有能源归为三大类，即：煤炭、石油和天然气，本文参照徐国泉等〔22〕的能源消耗计算方法，公式如下：

Ct=∑Etiθi

(2)

式中，Ct为第t年的碳排放总量;Eti为第t年第i种能源的消费量；θi表示第i种能源的碳排放系数。目前，学术界对于各种能源消耗的碳排放系数尚无统一规定，该研究通过查阅相关文献〔23-24〕，取国内外各种能源消耗的碳排放系数进行分析比较，最后取平均值进行计算，见表2中所示。

表2 各类能源的碳排放系数 t/tce

(3)最大似然法

最大似然法是监督分类中最常用的分类方法，本文在EVNI5.1软件中，采用最大似然法对准格尔旗2000年，2005年，2009年和2013年的四期影像进行解译。四期遥感解译图如图1所示。

图1 准格尔旗2000-2013年土地利用图

(4)碳排放风险指数法

碳排放风险指数是在生态风险指数概念的基础上提出来的，生态风险是指一个种群，生态系统或整个景观的正常功能受外界胁迫，从而在目前和将来减少该系统内部某些要素或其本身的健康、生产力、遗传结构、经济价值和美学价值的一种状况〔25〕，它反映了生态系统的灾难和破坏程度，生态风险是目前学术界研究的热点之一。为了建立土地利用类型与生态风险之间的关系，曾辉，刘国军等人〔26〕提出了各土地利用类型的生态风险指数，结合土地利用类型来描述样地内综合生态风险的相对大小，因此本文在上述土地利用类型的生态风险指数的基础上与碳排放相结合提出了碳排放风险指数，公式如下：

(3)

式中，CRI为样地的碳排放风险指数，Ai为样地内第i种土地利用面积，A为样地总面积，Hi为第i种土地利用类型碳排放系数。

2 结果与分析

2.1土地利用碳排放效应分析

根据上述土地利用直接碳排放和间接碳排放的计算公式，得到了准格尔旗土地利用碳排放总量，如表3所示。

表3 准格尔旗2000-2013年不同土地利用类型的碳排放量(万吨)

从表3中可以看出，建设用地和耕地是碳源，建设用地的碳排放量从2000年的52.95万吨增加到了2013年的930.36万吨，到2013年占总排放量的99.7%，这也可以说明建设用地在整个碳排放量中的比例较大，是主要的碳源。耕地的碳排放量从2000年的4.2万吨减少到了2013年的2.77万吨，与建设用地的碳排放量相比，占总排放量的比重较小，并且呈下降的趋势，与当地耕地面积不断减少有关。园地，林地，草地，水域，其他土地是碳汇，且林地和草地是主要的碳汇，林地的碳吸收量呈不断增加的趋势，从2000年的6.91万吨增加到了2013年的10.54万吨，到2013年占总吸收量的55.9%，是主要的碳汇，草地的碳吸收量基本在7.47～7.67万吨的范围内变动，到2013年占总吸收量的39.9%，也是对碳汇贡献较大的一用地类型，水域的碳吸收量基本在0.77～0.81万吨的范围内，碳吸收量较小，园地的碳吸收量2000～2008年为0.07万吨，2009～2013年为0.01万吨，其吸收能力也是很微弱的，其他土地的碳吸收量最少，基本在0.01～0.03万吨的范围内变动。总吸收量呈现增长的趋势，由2000年的15.49万吨增长到了2013年的18.85万吨，增长了3.36万吨，总排放量也呈现增长的趋势，由2000年的57.14万吨增长到了2013年的933.12万吨，共增长了875.98万吨，且增长速度远远大于总吸收量增长的速度，净排放量同样呈现增长的趋势，由2000年的41.65万吨增长到了2013年的914.27万吨，共增长了872.62万吨。

图2 2000-2013年准格尔旗土地利用碳排放量变化

由图2可知，总吸收量相对于总排放量来说，相对较小，因此导致了总排放量与净排放量相差不大，且变化趋势一致。从图上可以直观的看出，2000～2013年准格尔旗的净碳排放量经历了四个阶段，第一阶段：从2000～2006年呈现增长的趋势，由2000年的41.65万吨增长到了2006年的392.29万吨，年均增长率达到了45.32%，碳排放量在研究期内较小，但其增长幅度较快。第二阶段：2006～2007年呈现小幅减少的趋势，到2007年研究区净排放量减少到了314.22万吨。第三阶段：2007～2012年呈现增长的趋势，到2012年研究区净排放量达到了964.67万吨，共增长了650.45万吨，达到了研究期的最大峰值，且在这一阶段年均增长率为25.1%，且增速低于第一阶段。第四阶段：2012～2013年，又出现了小幅下降，下降了50.4万吨，到2013年研究区净排放量为914.27万吨。

2.2土地利用碳排放风险空间格局分析

根据准格尔旗不同土地利用的实际情况，对解译好的矢量图层构建5km×5km的单元网格，结合碳排放风险指数计算出每个网格内的碳排放风险值，并将此值作为样地中心点的碳排放风险值，对研究区进行系统采样之后，利用每个网格中心点的碳排放风险值，在对模型的合理性进行检验的基础上用普通克里格方法进行空间插值，以实现研究区的碳排放风险的可视化表达，如图3所示。

图3 准格尔旗2000-2013年土地利用碳排放风险指数时空格局分析

根据图3可知，准格尔旗2000年的碳排放风险指数范围为〔-0.02684-2.269694〕，2005年的碳排放风险指数范围为〔-0.20939-20.87187〕，2009年的碳排放风险指数范围为〔-0.390866-38.98082〕，准格尔旗2013年的碳排放风险指数范围为〔-0.5863-58.44123〕，与2005年，2009年和2013年相比，2000年的碳排放风险指数最低，碳排放风险指数的值最低为-0.02684，最高的为2.269694，二者之间相差2.296534，说明在2000年研究区的碳排放量是相对较小的。2005年的碳排放风险指数的值最低为-0.20939，最高的为20.87187，最高的比最低的高出21.08126，说明在2005年研究区的碳排放量有了较为明显的增长。2009年的碳排放风险指数的值最低为-0.390866，最高的为38.98082，最高的比最低的高出约40，相比2000年和2005年，2009年碳排放强度已大大增加，所以才导致了碳排放风险指数整体偏高。随着经济的发展和能源消耗的增加，到2013年碳排放风险指数的最高值达到了58.44123，比最低的碳排放风险值高59.0286，而且碳排放风险为负的区域在慢慢减少，碳排放风险为正的区域越来越大，与之前年相比，数值大大增加。从2013年的碳排放风险图中也可以看出，碳排放风险指数值处于〔19.0711182-58.44123〕区间的区域，主要集中在准格尔旗薛家湾镇、沙圪堵镇和大路镇，大多都为城镇用地，这些区域的土地大都为碳源性土地利用类型。碳排放风险指数值处于〔-0.5863-12.7924842〕区间的区域，主要为远离城镇的地方及周边的一些林地和水域，这些区域发挥着重要的碳汇作用。碳排放风险指数值处于〔15.3730849-19.0711182〕区间的区域，主要为介于城镇用地与林地、草地和水域等区域，总之，从时序上来看，准格尔旗的碳排放风险指数呈现逐年增加的趋势，也说明研究区的碳排放强度也是逐年增加的，与第四章中分析的碳排放量的增长趋势保持一致。从空间分布上来看，四期土地利用碳排放风险空间分布图都表现出以经济发展较快的城镇为中心的碳排放风险较大，一些林地、草地和水域的碳排放风险较小，这也说明了城镇用地在增加土地利用的碳排放风险，而远离城镇的林地、草地和水域等碳汇性土地较多的地方对碳排放风险的贡献较小，这也向我们说明了在碳减排的过程中应该重视森林，草场的重要性，多植树造林，减少碳的排放量。

3 讨论

本研究以碳排放系数法，普通克里格法和线性规划法，以ARCGIS10.0和LINDO6.1为技术支持，对准格尔旗的土地利用碳排放进行时空格局分析，并进行了低碳土地利用数量结构优化，对准格尔旗低碳发展提出了具体措施，克服了传统的基于矢量数据进行空间表达的工作量大等难题，实现了打破单一行政区划的土地利用碳排放的空间表达，对区域的土地利用碳排放效应进行了研究。但是，由于受数据资料和个人水平的限制，研究中还存在很多不足，在今后的研究中还应该继续进行完善。

4 结论

通过分别对准格尔旗2000-2013年的土地利用碳排放量的估算及空间特征格局分析，得出有关以下结论：

(1)2000-2013年准格尔旗的总吸收量、总排放量和净排放量大体均呈现增长的趋势，净排放量从2000年的41.65万吨增长到了914.27万吨，十三年间共增长了872.62万吨。

(2)建设用地和耕地是主要的碳源，其产生的碳排放量均呈现增加的趋势，并且与研究区碳排放量的变化趋势基本吻合，所以建设用地对碳排放量的贡献最大，林地和草地是主要的碳汇，其吸收的碳排放量也都呈现增加的趋势，但其碳汇的能力较建设用地和耕地的碳源能力小，所以导致研究区的净碳排放量也呈增加的趋势。

(3)在研究期内，准格尔旗的土地利用碳排放风险指数呈明显增加的趋势，2000年的碳排放风险指数范围为〔-0.02684-2.269694〕，到2013年的碳排放风险指数范围为〔-0.5863-58.44123〕，可以看出碳排放风险为负的区域在慢慢减少，碳排放风险为正的区域越来越大。从空间上看，碳排放风险指数值处于较大的区域主要集中在准格尔旗薛家湾镇、沙圪堵镇和大路镇，大多都为城镇用地，碳排放风险指数值处于较小区间的区域，主要为远离城镇的地方及周边的一些林地和水域，四期碳排放风险空间分布图均表现出以经济发展较快的城镇为中心的碳排放风险较大，一些林地、草地和水域的碳排放风险较小。

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EffectofCarbonEmissionofLandUseandtheSpatialPatterninJungarbanner

CheMin,ARuhan*

(CollegeofDesertcontrolscienceandEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010019,P.R.China)