华容县土地利用结构碳效应核算与低碳优化

卢华杉，吴 丹，毛德华

（湖南师范大学资源与环境科学学院，长沙 410081）

2019 年7 月，世界气象组织称，由于目前全球的温室气体浓度还在攀升，气温升高以及海洋酸化仍在加剧，2015—2019 年很有可能成为有气温记录以来最热的5 年［1］。目前，温室效应引起的气候持续变暖已经成为威胁人类生存的巨大挑战，应对全球气候的重大变化是如今全人类关注的重要问题。IPCC 第五次评估报告指出，20 世纪50 年代以来的化石燃料燃烧和土地利用变化等人类活动很大程度上（95%以上可能性）导致了全球大部分地区气候变暖［2］。据估算，1850—1990 年，土地利用变化导致的CO2排放大约是化石燃料燃烧导致的CO2排放的1/2，并且全球土地利用引起的碳排放量是1850—1998 年以来人类活动引起的碳排放总量的 1/3［3，4］。但科学合理的土地利用结构可以将已经损耗的碳重新固定在60%～70%［5］。中国是世界上最大的发展中国家并且发展速度领先于世界，但多以能源消耗和牺牲环境为代价。2008 年，中国碳排放已排在世界第一［6］。从2010 年中国发布了以“通过土地利用调控来实现节能减排目标”的“69 号”《通知》可见，从土地利用的角度开展碳排放研究不仅在评估人类活动对环境的影响方面迈出基础性一步，而且在推动全球大背景下经济低碳转型和实现全人类可持续发展方面更具有战略意义［7］。

国内土地利用低碳研究始于20 世纪90 年代，主要研究区域土地利用结构对碳排放的影响［8-10］、不同土地利用类型的碳效应核算［11-13］、土地低碳利用结构评价与优化［14-16］、低碳土地利用模式与策略［17-19］等方面。国外土地利用碳排放的研究要比国内早，主要研究方向是影响碳排放的土地利用要素分析［20，21］、城市化进程的碳动态分析［22-24］、城市空间的碳通量模拟［25，26］等。国内外学者在碳排放研究领域的成果相当丰硕，也为后继学者的低碳研究提供了大量可供参考的理论成果和实践经验。但是学者们针对目前国内的土地低碳研究也存在些许不足：一是对于小区域（如县域）的理论研究及实际应用较少，而是多集中于大区域或城市地区的土地利用结构的低碳研究；二是在不同的土地利用结构碳效应核算研究中，不太关注其他农用地、水域、水利设施用地和未利用地的碳汇，导致研究结果与实际不太吻合。因此，增加县域中其他农用地、水域、水利设施用地和未利用地的碳汇分析，会增强小尺度区域土地低碳利用的可行性，同时也可为新时期县乡等基本规划单元的生态文明建设以及“多规合一”的国土空间规划制定提供一条低碳新思路。

1 研究区域概况

华容县隶属于湖南省岳阳市，地处湖南省的最北面，地理坐标为东经112°18′—113°01′，北纬29°10′—29°48′。北倚长江，南临洞庭湖，境内湖泊河流众多。地貌类型主要为平原、丘陵。在长江经济带和洞庭湖生态经济区的建设和发展中，华容县发挥着得天独厚的社会、经济和自然优势，成为其不可或缺的重要部分［27］。华容县生态环境优越，是湖南省园林县城，森林覆盖率高达38%。十二五期间，单位GDP 能耗下降了24%。“发展低碳经济，建设绿色城市”也是十三五期间的奋斗目标。在十四五规划到来之际，绿色立体交通走廊正在建设并投入运营之中，沿江地区的绿色能源产业也在蓬勃发展，并以长江水岸生态景观产业为依托打造沿江生态休闲走廊。总之，华容县在新时期的长江经济带中发挥着独特的地理优势，其低碳经济总体上发展态势较好。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

数据主要来源于《华容县统计年鉴》《华容县土地利用总体规划（2006—2020）》《华容县县城总体规划（2006—2020）》《华容县国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》等资料数据，部分数据是通过查阅资料文献以及基础计算所得。

2.2 碳效应核算

查阅国内外相关文献和资料，结合《IPCC 温室气体排放清单指南》，核算各类碳库，再依据各类土地利用类型的碳效应机理，划分出进行不同碳汇的土地类型。结合《华容县2006—2020 年土地利用总体规划》中 2006 年、2014 年、2020 年土地利用结构（表1），借鉴和参考土地利用碳效应测算的方法［28-30］，确定碳效应评估参数（表2、表3），再在此基础上，估算出华容县 2006 年、2014 年和 2020 年规划年不同土地利用类型的碳储量、碳排放、碳吸收和转换碳效应等。

表1 华容县2006年、2014年和2020年规划年土地利用结构（单位：hm2）

2.3 多目标线性规划模型

运用多目标线性规划模型解决多目标、多变量的方案最优问题，依据土地分类系统与2020 年华容县各类土地利用碳效应评估参数，选取土地利用类型作为决策变量，对以碳储量最大化、碳排放最小化、碳吸收最大化为目标的目标函数求解，得出下一目标年华容县土地利用结构优化方案。

表2 华容县2006年、2014年和2020年规划年土地利用结构碳储量和碳排放评估参数 （单位：t/hm2）

表3 华容县2006 年、2014 年和2020 年规划年土地利用结构碳吸收和转变碳效应评估参数 （单位：t/hm2）

2.3.1 模型构建 线性规划目标函数方程式如下：

式中，MaxF（Xct）为碳储量的最大值，MinF（Xce）为碳排放的最小值，MaxF（Xci）为碳吸收的最大值；Xi为各土地利用类型的面积（hm2），Cti为 2020 年各土地利用类型的碳储量系数（t/hm2），Cei为 2020 年各土地利用类型的碳排放系数，Cii为2020 年各土地利用类型的碳吸收系数（t/hm2）。

2.3.2 决策变量设置 依据研究需要和华容县土地利用的现状特点、土地利用分类系统，选择10 种土地利用类型作为决策变量。再根据《华容县土地利用总体规划（2006—2020）》《华容县县城总体规划（2006—2020）》《华容县国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》的约束目标和华容县实际发展情况构建变量（Xi）的限值（表4）。

表4 土地利用结构低碳优化决策变量设置 （单位：hm2）

3 结果与分析

3.1 土地利用碳效应计算结果与分析

3.1.1 土地利用碳效应计算结果 碳效应计算结果是基于 3 期（2006 年、2012 年、2020 年）规划年份的基础计算所得，结果见表5。由表5 可知，碳储量方面，2020 年碳储量将比 2006 年增加 96.00 万 t，尤其体现在农业用地方面，其中耕地的碳储量增加51.75万t，园地的碳储量增加110.75 万t，林地的碳储量增加54.18 万t，但是其他农用地和水域的碳储量在减少，分别减少了 12.28 万、79.99 万 t，在总量上影响了碳储量的大幅度增加。碳排放方面，2020 年的碳排放量比2006 增加了31.20 万t；建设用地的碳排放量为主要增加来源，其中居民点及工矿用地增加了22.64 万 t，交通运输用地增加了 2.88 万 t；农用地和其他农用地的碳排量增幅不明显，水域碳排放减少了2.21 万t。碳吸收方面，2020 年土地利用的碳吸收量与2006 年相比减少了0.72 万t，减幅较小，减少主要在水域与水利设施用地类型，分别减少4.17万t和0.24万t，但林地的碳吸收增加了3.54万t。转变土地利用的碳效应方面，2020 年土地利用类型转变后的碳排放量为 10.53 万 t，较 2006 年增加了 9.99 万 t，主要是建设用地的转变导致碳排放量增加，其中转变为居民点及工矿用地导致的碳排放量增加了8.94万t，转变为交通运输用地的碳排放量增加了0.97万t，转变为其他建设用地的碳排放量增加了0.23万t。

3.1.2 土地利用碳效应分析

1）碳储量方面。碳储量增大，表明按现有规划进行土地经营管理，土地利用的碳蓄积能力将会明显增强。尤其是农用地的碳蓄积增幅较大，但是碳蓄积的增长总量不高，主要体现在其他农用地和水域的碳储量在持续下降。因此，在重视农用地生态保护的同时还应该关注其他农用地和水域的治理和保护，如合理利用设施农用地，避免田埂坡间的撂荒和水土流失，合理利用和保护水资源。

2）碳排放以及转变碳效应方面。碳排放主要是建设用地的碳排量增加较明显，土地利用类型的转变碳效应主要是转变为建设用地而产生的碳排放，二者碳排放总量不高，但是在逐渐增加。华容县应该在进行资源环境承载力评价和国土空间开发适宜性评价的基础上合理确定城镇发展边界和城镇规模，合理控制建设用地的规模，保持科学合理的涨速。实施土地用途管制制度，严格控制农用地向建设用地转变。同时，建设用地之上的房建、基建设施也应该尽量用健康、环保的材料。

3）碳吸收方面。碳吸收总量减少量不大，主要是林地碳吸收量增加。水域和水利设施用地的碳吸收量在减少，一要注意保护水生态健康；二要减少不合理的围湖造田；三要合理开发和利用水利设施用地，可以适当增加水利设施用地的绿化。林地的碳吸收量在增加，表明华容县退耕还林政策具有明显的效果，应该进一步保护和合理开发林地，明确生态用地的范围，确定生态用地的规模。

表5 华容县2006 年、2014 年、2020 年规划年不同土地利用类型的碳效应 （单位：万t）

3.2 土地利用结构低碳优化方案与分析

运用Lingo 软件对优化模型求解，预测出基于2020 年规划目标的下一规划目标年碳效应各角度最优的3 种土地利用结构优化方案。为了方便各优化方案和规划方案横向对比而得到最佳的固碳方案，所以设定土地利用的综合碳蓄积量（碳储量、碳排放量、碳吸收量和转变碳效应量叠加所得）作为对比指标，结果见表6。预测方案与2020 年原规划方案相比，得出以下结论。

优化方案一（碳储量最大化方案）能明显增加华容县的碳储量，比规划方案增加了51.49 万t。园地和林地面积分别增加了249.12 hm2和147.90 hm2，建设用地增加了155.88 hm2，其中居民点及工矿用地的面积比规划方案减少了38.17 hm2，但碳储量反而比规划方案增加了69.11 万t。原因：一是乡村振兴背景下的新农村建设将农村居民点进行了科学合理的整理；二是居民点绿化和工矿土地生态修复提高了居民点和工矿土地的碳综合蓄积能力。

优化方案二（碳排放最小化方案）能降低华容县的碳排放量，比规划方案减少0.63 万t。其中，居民点及工矿用地面积比规划方案减少了230.07 hm2，碳排放量反而减少了0.08 万t；交通运输用地面积比规划方案减少了234.84 hm2，碳排放量减少了0.75万t，主要是道路绿化带和节能建筑材料增加了碳吸收。这说明在此优化方案下，建设用地的疯狂扩张能得到有效控制，而且建设用地利用也注重生态环保，从而实现经济的低碳运行。

优化方案三（碳吸收最大化方案）的碳吸收量增加不明显，比规划方案增加了0.20 万t。在方案三中，耕地、林地、园地分别增加了351.63、221.60、147.90 hm2，说明碳吸收增加是由于耕地、林地、园地的增加导致的。其中，林地的碳吸收量最大，比规划方案增加了0.17 万t，说明植树造林、退耕还林、生态林等林地保护措施成效显著。居民点及城镇工矿和水利设施用地的碳吸收量也有一定程度的增加，主要是由于建设用地生态修复、居民点整理和绿化设施建设等原因增加了碳吸收。

表6 3 种土地利用结构最大化方案

总体上，3 种优化方案的综合碳蓄积能力都比2020 年的规划方案强，其中方案一（碳储量最大化方案）的碳综合蓄积能力最强，为2 304.85 万t，因此选取方案一作为华容县土地利用结构低碳优化参考。在此优化方案下，华容县下一规划期始的土地利用结构：农用地总面积为118 329.31 hm2，其中耕地71 223.70 hm2、园地 8 744.80 hm2、林地18 790.87 hm2、其他农用地19 569.94 hm2；建设用地总面积为18 337.90 hm2，其中居民点及工矿用地14 207.55 hm2、交通运输用地1 329.83 hm2、水利设施用地2 459.57 hm2、其他建设用地340.95 hm2。

4 结论与展望

华容县的土地利用碳效应分析以及低碳型土地利用结构优化，本质上是将低碳的理念融入到土地经营管理中，具体是在土地利用结构优化方案之中加入碳效应指标，通过 2006 年、2014 年、2020 年 3 期规划年土地利用碳效应状况分析、构建低碳土地利用结构优化方案碳效应评价指标、多目标线性规划模型对十三五规划期末最优方案求解后得出以下结论：①低碳的土地利用结构优化可有助于土地利用的生态效益，也可为新一轮国土空间规划提供一条新的低碳思路。②按照现有《华容县2006—2020 年土地利用总体规划》引领下的土地利用结构，到2020 年末，农用地碳储量明显增加，建设用地碳排放和转变为建设用地的碳排放增幅不大，林地为主要碳吸收的土地类型但总量不大，水域的碳蓄积和碳吸收能力不强，有待提高。③华容县新一轮规划最优低碳土地利用结构为耕地71 223.70 hm2、园地8 744.80 hm2、林地18 790.87 hm2、其他农用地19 569.94 hm2、居民点及工矿用地14 207.55 hm2、交通运输用地1 329.83 hm2、水利设施用地2 459.57 hm2、其他建设用地340.95 hm2。

基于上述研究结论，说明华容县农用地的利用方式在朝着低碳方向良好发展，尤其是农用地的生态保护效果显著，这在生态保护优先以实现人与自然和谐共生的新时期具有时代的现实意义。不足之处在于不同的土地利用类型所对应的碳效应核算可能存在一定的误差，部分核算是根据已有的相关研究成果和经验系数所得，未对研究区域的现实情况进行验证，土地利用结构的低碳优化模型只考虑了碳效应最优，没有综合加入其经济、社会效益的目标函数。因此，后续的研究可以进一步尝试建立基于低碳、经济、社会三者效益综合最优模型；尝试在新一轮国土空间规划中，融入低碳的理念，展开各专题规划的碳减排实证研究；结合生态空间的开发，实行基于低碳的国土空间用途管制分区制度；在博弈分析的基础上明确政府、农民和社会团体机构的权利义务，保护农民作为弱势一方的合法权益，完善低碳型土地利用结构优化方案实施的监督机制。