中国青岛市土地利用变化及碳排放研究

张贵军 王艺茗 王霞

山东天诚国土规划设计院有限公司，中国·山东 济南 250014

土地利用；碳排放；青岛市

1 引言

土地利用的碳排放是最大限度发挥土地资源作用的重要前提，是全世界环境变化研究的一个热点问题。分析土地利用的变化情况，是进行土地利用总体规划的基础，也是促进土地资源可持续利用和经济社会可持续发展的重要条件。研究碳排放为城市的节能减排、低碳经济的发展提供了有益参考。当前，许多学者对这个领域进行了研究，其中纪爱华综合研究了近年来土地利用的动态变化和内在驱动力，建立了时空变化模型[1]；陶云等把能源消费与土地利用结合起来，运用相关专业知识对土地结构与碳排放之间的关系进行了研究[2]；张贞等对碳排放的空间格局和特征进行了研究，从中分析土地利用变化规律[3]；孙艳等研究了不同土地利用方式与碳排放之间的关系[4]。中国青岛市地处重要的战略位置，其发展事关半岛地区的整体经济发展，但目前对其碳排放方面的研究还较少，论文通过分析土地利用的数据，对青岛市的碳排放情况进行了研究，旨在为青岛市优化土地利用结构及发展低碳经济提供支持。

2 研究区域概况

青岛市处于胶东半岛东部，位于35°35′～37°09′N、119°30′～121°00′E 之间，黄海在其东、南方，东北方、西方和西南方向分别与烟台、潍坊和日照市连在一起；其管辖之下有六个区和四个县级市，总面积约1.1×104km2，市区面积570km2。其中六区面积为3293km2，包括崂山区、城阳区、黄岛区、李沧区、市南区和市北区；四个县级市面积有7989km2，分别是莱西、平度、胶州和即墨；青岛属海滨丘陵类型的城市，东高西低，南北两侧地势较高，中间地势较低，主要有四种地形，分别是平原、山地、洼地和丘陵，平原面积最大约占38%；气候属温带海洋性季风气候，四季分明，气温适宜，6-9月份为雨季。据有关部门统计，到2019年底为止，常年居住人口已突破949.98 万人；全市GDP 超过11741 亿元。

3 研究方法与数据来源

3.1 数据来源

论文的研究区域为青岛市，土地利用数据来自中国科学院土地利用数据库，其他土地数据主要来源于2005年修订的《青岛市统计年鉴》、2010年修订的《山东省统计年鉴》《青岛市土地利用总体规划（2006-2020）》及其相关文献资料。能源消耗数据分别来源于山东省统计年鉴、2001年至2006年修订和2011年至2018年修订的青岛市统计年鉴；碳排放系数的数据主要借鉴了《IPCC 国家温室气体清单指南》。

3.2 研究方法

3.2.1 土地利用变化研究方法

论文根据中科院土地分类体系将该市土地划分为六大类，即：草地、林地、耕地、建设用地、水域用地和未利用地。针对2000年至2018年期间土地利用情况，综合运用数量变化和程度变化两种概念模型进行分析探讨，刻画出整个土地利用的动态度和程度变化[5]。

（1）单一土地利用动态度

它是指在指定的区域内某一时间段土地利用在数量上的变化情况，可表示为：

其中，K为单一土地利用动态度；Ua、Ub分别表示规定时间段的两个端点的土地类型数量；T是时间段的时长，当T以年为单位时，K就表示该类型的年变化率[6]。

（2）土地利用程度变化率

它主要是综合定量研究多种土地利用类型变化情况。按照刘纪远的土地利用变化分析法，可将自然平衡状态下的土地利用划分为4 级并赋予指数，把没有利用的土地规定为1；林地、草地和水域用地为2；耕地为3；建设用地为4[1]。具体公式如下：

公式中：Ai为第i级土地利用程度分级指数；Ci为第i级土地利用类型面积的百分比；n是土地利用程度的分级数量；Cia，Cib为a时间和b时间的第i级土地利用类型面积的百分比；R为土地利用程度变化率，R＞0，表示研究区土地利用处于发展时期，R＜0，说明其处于调整或衰退期[7]。

3.2.2 土地利用碳排放研究方法

论文土地利用碳排放主要指直接和间接两种类型的碳排放，间接碳排放指来自人类生产生活等人为因素造成的能源消耗，直接碳排放指自然状态下各种地表覆被所产生的排放，碳汇和碳源值决定着排放量的大小[8]。从专用术语来讲，碳源主要指建设用地和农用耕地，碳汇包括草地、林地、水域用地和没有开发利用的土地。

（1）直接碳排放系数法

耕地、林地、草地、水域用地及未利用地的碳排放量可利用直接碳排放系数计算，按照张贞等的相关研究成果，公式表达为：

式中：Ec为直接碳排放总量；Ei为不同土地利用类型面积；Eci为不同土地利用类型的碳排放系数。

由于耕地碳源效应明显，碳排放能力比吸收能力强，所以论文选取0.0422kg/(m2·a)作为耕地的碳排放系数，林地选取-0.0578kg/(m2·a)作为碳排放系数，草地选取-0.0021kg/(m2·a)作为碳排放系数，水域用地选取-0.0252kg/(m2·a)作为碳排放系数，未开发利用的土地对碳的吸收和排放能力都比较弱，所以系数选取-0.0005kg/(m2·a)[10]。

（2）能源消耗法

建设用地碳排放的多少与生产生活等各种人为因素密切相关，是主要的碳源，所以该地类碳排放量就可根据能源消耗来估算[3]。公式表示为：

式中:Ec为建设用地碳排放量，Tic为各种能源的碳排放系数，Ti为各种能源的消耗量[3]。

按照该市的实际情况，选有代表性的几种能源进行计算，并根据陶云等选取研究区具有代表性能源计算碳排放的方法，结合青岛市自身的特点，对几种能源的碳排放系数进行确定，如表1所示。

表1 各类能源的碳排放系数

4 青岛市土地利用变化结果分析

4.1 土地利用数量变化分析

数量上的变化是土地利用变化最直观的体现，通过数量变化的分析可以看出整个土地利用的结构变化和发展趋势[9]。如图1所示，是对该市四个不同年份土地利用数据进行分析所得出的结果。

图1 青岛市各土地利用类型面积变化图

从图1可以看出，2000年至2018年期间，该市土地利用类型变化比较明显，总的来说，逐步增加的是建设用地和林地，先增后减的是水域用地，并且减少的幅度更大，这可能是近年来城镇化推进的结果。耕地呈现先减少后增加的发展趋势，总体变化幅度较小，未利用地和草地则呈现持续减少的趋势，且减少幅度增大。

图2、图3显示，2000年，耕地占土地总面积的54%、林地面积占比为11%、建设用地面积比例为16%，而草地仅占8%、水域用地占7%、未利用地占4%。与2000年相比，2018年各类用地面积中，比重较大的仍为耕地、建设用地和林地。其中，耕地面积的总体变化幅度较小，占比由54%下降至53%；建设用地和林地的总体增长幅度较大，建设用地面积占比由16%上升至23%，林地面积占比由11%上升至14%；草地、水域用地及未利用地的比重进一步减小，且总体变化幅度较大，三者所占比重由2000年的19%下降至10%。

图2 2000年各类用地占比

图3 2018年各类用地占比

4.2 土地利用变化速度分析

通过对该市土地变化的具体情况进行分析，并按照相关公式对其动态进行计算，就可以算出2000年至2018年期间三个不同时期该市土地变化的速度，如表2所示。

表2 2000-2018年青岛市土地利用动态度%

计算结果数值为正值的是林地和建设用地，这说明它们的总量是不断增加的，其中林地面积每年平均增长率为2.20%，特别是2000-2005年以年均4.10%的增长率高速增长，到后两个时期增长速度有所减缓。建设用地增长也比较快，在2000年至2018年期间，平均增长率从1.64%增长到3.31%，平均每年2.70%。耕地的面积变化比较特殊，前期为负值后期为正值， 2000年至2005年期间增长率为-0.73%，说明面积逐年减少；2005年至2010年期间和2010年至2018年期间面积又不断增长，由于前期减少的幅度更大，使其在研究总时段内以年均0.07%的速度减少。水域用地的动态度表现和耕地恰好相反，其动态度在前期为正值，后两个时期转为负值，说明前期水域用地面积逐年增加，后两个时期逐年减少，且减少速度逐渐增加，其中2010-2018年变化率最大，为-6.17%，由于后两个时期减少的幅度更大，致使2000-2018年总的水域用地动态度呈负数，且以年均2.84%的速度在减少。草地和未利用地的动态度在各个时期均以负数出现，说明2000-2018年草地和未利用地的面积都是呈持续减少的状态，且减少速度不断加快，年均减少速度分别为4.11%、2.94%。

4.3 土地利用程度变化分析

土地利用程度是土地利用广度和深度的具体反映[7]，是对土地利用变化趋势和综合水平的定量分析[9]。用变化率来表示，如图4所示。

图4 2000-2018年青岛市土地利用程度变化情况

从图4、图5可以看出，2000年至2018年期间，该市变化率（土地利用程度）是不断提高的，2000年至2005年期间该数值为0.04%，这个数值接近于零，说明当时土地利用没有大的波动，是一个比较稳定的时期；2005年至2010年期间该数值为1.42%，2010年至2018年期间该数值为1.80%，这两个较大的数值表示当时土地利用变化较大，在这两个时间段土地开发利用处于快速发展时期。

图5 青岛市2000、2018年土地利用现状图

5 青岛市土地利用碳排放结果分析

5.1 土地利用碳排放变化

利用能源消耗法和碳排放系数法能够很好地估算出该市2000年至2018年期间的碳排放情况，如表3所示。

表3 2000-2018年青岛市主要土地利用类型碳排放量 104t

按照既定的数据和公式可以计算出该市碳排放量的变化情况，建设用地和耕地碳源效应比较明显，其他类型的土地表现出碳汇效应。2000年至2018年期间该市碳排放量呈现出先快速增加后缓慢减少的趋势，2000年至2005年增长比较快，达到14.03×106t，2005-2010年快速增长至23.43×106t，2010-2018年，碳排放量缓慢下降至21.04×106t。在此时段内，碳源的排放量先增加后减少，从2000年的8.09×106t 上升至2010年的23.52×106t，2018年减少至21.13×106t，碳汇的吸收量在波动中有所下降。

从表4中可以得知，碳源的排放量在总量中占比最大，其中又以建设用地碳排放量最多，是主要的碳排放来源，2000-2010年，占比一直保持在95%以上，且呈上升趋势，2018年占比稍有下降；碳排放量占比小的是耕地，2000年至2010年期间不断下降，2018年所占比例有所增加。林地的碳汇效应明显，对碳的吸收量占比不断增加，在2000年至2018年期间，其吸收量由6.22×104t 上升至8.14×104t；草地碳吸收量占比不断降低，未开发利用土地对碳的吸收量最少，且其比例不断减小，水域用地碳吸收量所占比例也在波动中下降。

表4 2000-2018年青岛市土地利用的碳源与碳汇变化情况

5.2 土地利用对碳排放的影响

2000年至2018年期间，耕地面积与碳排放量变化是一致的，都是先减后增，主要是因为后期加大了对耕地的管理与保护，充分利用宜农耕地，使耕地的面积有所增加，其碳排放量也随之有所增加；碳排放主要来自建设用地，2000年至2010年期间，建设用地的面积与碳排放量变化相同，都是不断增加。建设用地的碳排放量是碳排放源的主体，2000-2010年建设用地碳排放量持续增加，与建设用地面积的变化趋势一致，2018年其碳排放量出现了下降，之所以出现拐点，主要是由于建设用地上的能源消耗量减少了，能源利用率有所提高，并且高耗能产业有所减少，第三产业发展较多；林地表现出碳汇效应，面积增加，对碳的吸收量也随之增加。水域用地的碳吸收量次于林地，随着水域用地面积的变化而变化；草地的碳吸收量随着草地面积的减少而逐渐减少；未开发利用的土地对碳的吸收有限，因此它的面积减小，碳的吸收量随之减少。

6 结论与建议

（1）通过研究得出，21 世纪以来随着青岛市经济的快速发展，其土地利用变化较为明显，其中建设用地面积显著增加，用以满足工业化和城镇化的发展；林业用地主要是近年来人们对自然资源的认识提高，从政府层面加大了林地保护力度，还有退耕还林政策的实施，使林地面积得到了增加；耕地面积先减少后增加，主要是因为后期青岛市重视利用耕地，进行土地复垦、整理，充分利用宜农耕地；水域用地面积先增加后减少，是因为前期发展水产养殖较多，之后由于填海项目的开展，导致水域用地面积减少；在土地财政和房地产行业利益驱使下，建设用地逐渐被获得批准，许多原来的草地变成了建设用地，面积不断减小；未利用地同样是在经济快速发展的环境下得到开发利用，大多成了建设用地，使其面积下降幅度比较大。不断提高的是该市土地利用程度，它的变化率为正值，说明土地开发利用处于发展期。

（2）从计算结果看出，该市在整个研究时间段内碳排放量变化是先增后减，其中碳源的变化对其产生的作用最为明显，而碳源中建设用地对其影响最大，因此在建设用地增加的情况下，碳排放量随之增加，这从另一个侧面说明碳排放量受土地利用影响比较大，也说明它们之间的关联性比较密切。我们可以通过对土地利用结构进行调整，来降低碳排放量，从而实现低碳环保发展的目标。

（3）根据以上综合情况论述，在将来的发展和工作中，应当着眼提高土地利用效率，从优化土地资源配置入手，适当调整土地利用结构，从政府层面加大综合治理和管理力度，持之以恒，常抓不懈，一定能够取得良好效果。建设用地是碳排放与能源消耗之间调整的关键所在，适当控制建设用地的扩张具有重要意义，它能够有效减少能源消耗排放。另外，还可以通过产业结构的调整，大力倡导发展第三产业，使能耗降下去，以第三产业的发展弥补工业能耗比重，从而使全市碳排放降下来，为低碳经济发展创造良好环境。