碳达峰背景下广西不同土地利用方式碳足迹效应分析

黄继鲜，杨小雄，廖丹婵

(南宁师范大学 自然资源与测绘学院，广西 南宁 530001)

1 引言

2020年12月12日，习近平总书记在气候雄心峰会上发表重要讲话，宣布我国将采取更加有力的政策和措施，力争2030年前达到碳达峰，2060年前实现碳中和[1]。而土地利用布局及其人类活动对生态系统固碳释养及二氧化碳的排放有着极为显著的影响，广西作为西南地区连接粤港澳大湾区的重要枢纽，在寻求经济发展巩固脱贫攻坚成果的同时，研究其土地利用方式与碳排放的关系对优化国土空间布局、制定高效的节能减排政策具有重要意义。我国在碳排放测算、土地利用碳排放效应等也成为当前的热点研究领域。王安静等通过投入产出模型计算我国30个省份各行业的碳排放量及其转移[2]。邓吉祥等则是通过LMDI分解法分析我国碳排放的影响效应及其各区域间的差异及演变特征[3]。葛全胜等搜集大量资料研究我国过去300年土地利用及其覆被变化与碳循环之间的关系，通过研究发现土地利用方式及其覆被变化对碳源碳汇的循环有着较大的影响作用[4]。此外，刘纪远等也研究了1990～2000年林地、草地、耕地间的土地利用变化对土壤碳氮蓄积量的影响[5]。很多学者主要集中于土地利用与碳排放及碳足迹的关系研究。李颖等学者对我国不同区域不同时间尺度的土地利用的碳排放或是碳足迹进行研究[6～8]；而彭文甫等学者在此基础上作了较为深入的时空格局分异研究[9～11]；也有不少学者研究了其生态补偿的测算及标准[12，13]。其中，部分学者基于脱钩理论、库兹涅茨曲线模型对土地利用碳排放、能源消费与经济增长的关系进行了研究，预测碳排放的拐点[15～18]。从以上研究进行综合分析，我国土地利用与碳排放研究涉及不同区域不同领域及不同的时间尺度，但研究领域并不均衡，部分地区研究较广泛，而广西作为喀斯特地貌广布的地区其土地利用与碳排放的关系研究较少。近几年广西在城镇化、工业化快速发展中消耗大量化石能源，排放较多的二氧化碳，环境问题凸显。因此，本研究在充分借鉴我国其他较为成熟的研究区域及方法的基础上，在碳达峰背景下基于土地利用的碳排放及碳足迹模型对广西碳排放效应进行了分析研究，为广西平衡经济发展与环境保护、合理调整土地利用布局提供政策建议。

2 研究区概况

广西(20°54′～26°24′N，104°28′～112°04′E)地处中国地势第二阶梯中云贵高原东南边缘，两广丘陵西部，地势西北高、东南低，呈现西北向东南倾斜。主要为山地丘陵性盆地地貌，四周多被山地、高原环绕，中部和南部多丘陵平地。广西境内喀斯特地貌广布，集中连片分布于桂西南、桂西北、桂中和桂东北，山地以海拔800 m以上的中山为主。土地总面积23.76万km2，山多地少，2013年度土地利用变更调查数据显示耕地面积442.54万hm2，人均耕地约0.09 hm2。截至2019年末，常住人口4960万人，生产总值21237.14亿元。

3 研究方法

3.1 数据来源及处理

本文选取的2009～2016年土地利用现状数据来源于国家自然资源部网站，借助中国能源统计年鉴获取煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然气等化石能源数据的能耗数据，并将其分为煤炭类、油类、天然气三大类，此外，社会经济数据通过广西统计年鉴获取。

3.2 土地利用结构信息熵与均衡度

土地利用结构信息熵可用来表示土地利用的有序程度，其反映一定区域内的土地利用结构在某个时间尺度内的动态变化及转换程度，熵值越大，说明其不确定性越大越无序，土地利用类型越多样[19]。

(1)

即土地利用均衡度为信息熵与其最大熵的比值，B值得范围为0-1之间，B值越大，说明土地利用结构的均质性越强。

3.3 碳排放估算模型

本文通过测算不同土地利用类型的碳吸收及碳排放的情况来分析广西的碳排放效应，根据前人相关研究，研究区域将耕地、建设用地作为碳源，林地、草地、园地作为碳汇来进行研究。碳排放测算模型为：

(2)

式(2)中，E为总碳排放量，e为不同土地利用方式产生的碳排放量，Ai为第i种土地利用方式(耕地、林地、草地、园地)的面积，为其碳排放(吸收)系数，fi为建设用地的碳排放量；mj表示第j种化石能源的能耗量，βj为标准煤换算系数，γj为不同类型的化石能源的碳排放系数。

参考以往研究成果[6,20,21]，耕地、林地、草地、园地的碳排放系数分别为0.422、0.581、0.021、0.210 t/(kg·a)，根据IPCC《国家温室气体排放清单》确定各种化石能源的标准煤换算系数及碳排放系数，具体见表1。

表1 不同种能源的标准煤折算系数和碳排放系数

3.4 碳足迹模型

根据生态足迹的提出及计算，前人研究提出基于能源消费的碳足迹计算方法，碳足迹即吸收人类活动产生的温室气体所需要的生物生产性土地面积，受到研究数据的限制，本研究只考虑林地、草地的碳吸收能力，计算基于化石能源的碳足迹模型[9]。

(3)

(4)

Ed=Cf-Ec

(5)

式(3)～(5)中，Cf为总的化石能源碳足迹(hm2)，mj为第j种化石能源的能耗量，βj为标准煤折算系数，γj为碳排放系数；Ec为生态承载力(hm2)，Cs为不同种土地利用方式的碳吸收量(t)，Ed为生态赤字(hm2)，Pf、Pg为林地、草地的碳吸收比例，EPf、EPg分别为林地、草地的碳吸收能力，即NEP(t C/hm2)，也就是吸收1 t二氧化碳所需要的林地和草地的面积。参考前人碳足迹的计算方法，Pf、Pg、EPg、EPg的取值如表2[22]。

表2 主要生产性土地碳吸收系数

4 结果与分析

4.1 土地利用结构信息熵及均衡度分析

2009～2016年，耕地、园地、林地、草地的面积逐年递减，但后面几年递减的趋势有所缓慢，相反，城镇村及空旷用地、交通运输用地等建设用地的面积在这8年间不断递增，2008年全球经济危机后，各国的经济开始复苏，工业得到了快速发展，广西的城镇化率从2009年39.20%上升到48.08%，增长了8.88%，即耕地面积不断减少，建设用地的面积不断增多的原因。

但从表3中分析可知，广西2009～2016年的土地利用信息熵和均衡度虽然变动幅度不大，但也有缓慢的上升，且均衡度均为0.8以上，处于较高的尺度范围，说明这8年间广西的土地利用结构较为均衡。

表3 2009～2016年广西土地利用结构与信息熵及均衡度

4.2 土地利用碳排放效应分析

从表4可分析出，随着城镇化进程的加快，经济大力发展的同时，相对因消耗大量的化石能源而产生较多的二氧化碳，其比例占到90%以上，使得建设用地成为主要的碳源。但建设用地的碳排放量在2009-2016年间出现先升高后递减又升高的趋势，其变化波动较大，究其原因与国家倡导的节能减排政策和人口的变化有关。其净碳排放量从2009年到2016年增长了2231.13×104t，增长率为66%。此外，在2009～2016年间随着林地、草地和园地面积的减少，其系统的碳吸收能力也逐年降低，总的碳吸收从2009年805.09万t在2016年降到了802.08万t，变化了3.01万t，从中也可以看出草地和园地的碳吸纳能力较弱，林地成为主要的碳汇。

表4 2009～2016年广西土地利用碳源/汇变化情况

从中说明土地利用结构对碳循环的影响较大，合理优化国土空间布局，严格控制建设用地的无序扩张，加大森林生态系统的建设是实现碳达峰、碳中和较为有效地途径。

4.3 土地利用碳排放强度

碳排放强度是指单位GDP的碳排放量，通过广西统计年鉴获取的碳排放强度及GDP数据分析可知，从2009～2016年，经济呈现不断增长的趋势，但增长的速度有所放缓。2009～2011年间先是较大幅度的下降，变化幅度为0.17t/万元，2011～2014年和2014～2016年下降的速度较为缓慢，其下降速度仅分别为0.07t/万元、0.06t/万元，这与该两个时间段的人口变动和能耗量及国家倡导的节能减排有紧密的关系。此外，碳排放强度从2009～2016年递减了4.2%(图1)，而经济增长的速度为6.3%，碳排放强度递减的速度小于经济增长的速度，两者较难实现均衡。

图1 2009～2016年广西GDP和碳排放强度变化情况

4.4 能源消费碳足迹

通过碳足迹模型计算每年吸收所有化石能源所排放的CO2需要的林地及草地的面积及生态承载力，其结果如表5。从中可以看出，化石能源中煤炭类的碳足迹占比最大，天然气占比最小。化石能源碳足迹总体呈现不断升高的趋势，2009年到2016年从1158.354万hm2增加到1803.160万hm2，增加了644.806万hm2，随之相对应人均碳足迹总体也呈不断上升的趋势。虽然近几年国家大力倡导节能减排，但随着人口及城镇化进程的加快，化石能源消耗较快，生产性土地面积逐年减少，生态赤字在8年的增长率为69%，生态承载力远小于生态赤字，其差异显著，说明生产性土地面积所吸收的碳量难以补偿能耗产生的碳排放，因此，在广西严格控制煤炭等化石能源的排放及持续推进节能减排政策的施行、开发更多可替代的清洁能源是当前亟待解决的问题。

表5 2009～2016年广西能源消费碳足迹 万hm2

5 结论及讨论

(1)8年间广西经济增长及城镇化的过程中，城市不断扩张导致耕地、林地、草地、园地的面积总体呈逐年下降的趋势，但下降的幅度有所放缓。相反，土地利用信息熵和均衡度总体缓慢升高，均衡度均为0.8以上，处于较高水平，土地利用结构多样化且较为均衡。

(2)建设用地人类活动大量消耗化石能源使其成为主要的碳排放来源，碳排放量在8年间变化浮动较大，其净碳排放量从2009年到2016年增长了2231.13×104t，增长率为66%。随着林地、草地等生产性土地面积的减少，其碳吸收能力也随之变弱，其中林地是主要的碳汇。国家“退耕还林”“节能减排”等政策的施行对碳排放的具有一定的抑制作用。因此，优化国土空间布局、控制建设用地面积的无序扩张、加大林地面积、减少化石能源的消耗等是减少碳排放的有效途径。

(3)2009～2016年广西的经济发展逐年提升，但单位GDP的碳排放量逐年降低，虽然降低的幅度不大，但也说明广西在追求经济发展的过程也注重生态环境的质量，并响应国家号召采取相对应的措施取得一定的成效。

(4)通过能源消费碳足迹模型分析可得，在各类不同的化石能源消费中，煤炭类是主要的碳排放能源，化石能源碳足迹在8年间呈小幅度上升的趋势，生态赤字明显，林地、草地等生态系统的碳吸收不足以承载建设用地人类活动能耗产生的碳排放量，有效控制化石能源消费是亟需解决的问题。

(5)土地利用方式与碳排放密切相关，影响显著。因此，广西在巩固脱贫攻坚成果寻求经济发展的过程中，也要采取相应措施减少化石能源消耗、探索清洁能源的开发，有效控制碳排放总量及碳排放强度，调整土地利用结构，增大碳汇总量，将这些与非化石能源比重纳入广西各地空间规划指标体系，寻求稳步、绿色低碳的发展模式。