新疆土地利用类型转变的碳强度变化规律分析*

王志强，李雪薇

(新疆农业大学管理学院，乌鲁木齐市，830000)

0 引言

气候问题已经成为全球关注的焦点，2009年丹麦召开的哥本哈根会议拉开了低碳革命的序幕，作为社会经济发展的产物，碳排放是导致温室效应的重要原因[1]，碳循环过程与人类活动，特别是土地利用、土地覆被变化有着密切的关系[2]，国内外学者对于土地利用类型转变与碳排放的研究已经较为成熟，曲福田等[3]透析了土地利用变化对碳排放的影响机理，Houghton[4]研究发现地类的转换引起土壤有机碳的变化，从而产生碳源或碳汇的作用，Chi[5]认为土地转换前植被类型和土地转换后的时间对碳动态影响程度起决定性作用，林地、草地要优于受人类干扰的[6]，余德贵等[7]提出了土地利用的低碳调控方式，分别有学者研究了重庆[8]、京津冀地区[9]、黑龙江[10]等地区的土地利用和碳排放的时空变化趋势及土地利用碳排放效应，并进行土地利用与碳排放的相关关系[11]和预测[12]，发现集约利用土地对区域碳排放效率产生正向作用，这种影响随着碳排放效率的增加而减弱[13]。现有研究成果缺少对于土地资源充裕、经济欠发达典型区域的论证，本文立足于新疆，进行遥感影像图的空间分析，深入探析新疆土地利用类型转变的碳强度变化，以期为新疆今后的土地利用与规划提供数据支撑，为区域经济高质量发展提供最优的土地配置方案。

1 研究材料

1.1 研究区域概况

新疆地处东经73°40′～96°18′，北纬34°25′～48°10′之间，是中国陆地面积最大的省级行政区，总面积约为中国陆地面积的1/6，边界线长度约为中国陆地边界线总长度的1/4，土地资源丰富，土地利用率仅为39.18%，建设用地占比不足1%，境内有独具特色的大冰川，共计1.86万余条，冰川总面积约为2.4×103km2，占全国冰川面积的42%。年平均气温10.5 ℃，年均降水量145.7 mm，阳光充裕，日照时间为2 691.9 h。主要土壤类型为干旱土、漠土、盐碱土和高山土；主要植被类型为草原、草甸、高山植被和荒漠。新疆能源丰富，已探明的煤炭、石油、天然气储量均位于全国前列，依靠能源带动城镇化和工业化快速发展，土地利用类型转变过程中带来的碳排放量巨大，环境问题凸显，亟需转向绿色、低碳、可持续的发展模式。

1.2 数据来源及处理

1.2.1 土地利用数据来源及处理

研究采用的100万植被类型空间分布数据、土壤类型空间分布数据以及1985年、1990年、2000年、2005年、2010年、2015年和2020年7个时间截面的土地利用遥感监测数据均来源于中国科学院资源环境科学数据中心。以GB/T 2010—2017 《土地利用现状分类》为根本，兼顾其他分类标准，对新疆土地利用类型进行归并、重编码，共分为6大类，分别是耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地，详见表1。借助ArcGIS的转换工具将植被类型空间分布数据、土壤类型空间分布数据和土地利用遥感监测数据转为矢量文件并统一地理坐标系，利用1985年新疆土地利用图层裁剪得出新疆植被类型空间分布图，利用1990年新疆土地利用图层裁剪得出新疆土壤类型空间分布图。

1.2.2 碳密度数据来源及处理

土地利用类型碳密度包括植被碳密度和土壤碳密度两部分。以新疆植被类型空间分布图为基础，借鉴赖力[14]学者关于不同类型的植被碳密度相关研究成果(表2)，通过ArcGIS的空间统计功能得到新疆植被碳密度分布图；同理，以新疆土壤类型空间分布图为基础，借鉴于东升等[15]关于不同类型的土壤碳密度相关研究成果(表3)，得到新疆土壤碳密度分布图，不同土地利用类型的综合碳密度由土地利用类型植被碳密度和土地利用类型土壤碳密度加和而成。

表1 新疆土地利用类型分类Tab. 1 Land use classification in Xinjiang

表2 不同植被类型的碳密度Tab. 2 Carbon density of different vegetation types

表3 不同土壤类型的碳密度Tab. 3 Carbon density of different soil types

2 研究方法

2.1 土地利用动态度

土地利用类型的转换导致地类碳源碳汇状况改变，同时影响人类能源活动的方式和强度，进一步影响整个区域的碳过程[16]。基于ArcGIS的相交分析功能和Excel的数据透视功能，以5年为间隔，分别建立了新疆2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年及2015—2020年的土地利用转移矩阵，由此不仅可以清晰看到不同土地利用类型之间的转化情况，还可以揭示不同土地利用类型间的转移速率，详见表4。

表4 新疆2000—2020年各阶段土地利用转移矩阵Tab. 4 Land use transfer matrix of Xinjiang in 2000—2020 km2

土地利用动态度模型可以模拟分析新疆各类型土地在一定时期内的变化速度，计算如式(1)所示。

(1)

式中：K——某一类型土地的变化速率；

Ua——某一类型土地在研究初期时的面积；

Ub——某一类型土地在研究末期时的面积；

T——研究时长，本文选取2000—2020年数据，因此T=21。

综合土地利用动态度模型可以模拟分析新疆土地利用类型的整体变化趋势，计算如式(2)所示。

(2)

式中：S——某一时段综合土地利用动态度；

t——土地类型总数；

Ui——第i类土地在研究初期的面积；

ΔUi-j——研究时段内第i类土地转为其他非i类土地面积的绝对值。

土地利用程度综合指数模型可以测算土地利用效果，反映了人类活动与生态环境的交互作用，了解土地利用是否合理、土地利用与生态环境是否协调，具体公式如式(3)所示。

(3)

式中：L——土地利用程度综合指数；

n——土地利用等级数；

Mi——第i类土地的利用程度分级指数；

Ci——第i类土地利用类型面积比例。

参照土地利用分级原则，得到建设用地的利用程度分级指数为4、耕地的利用程度分级指数为3、林地、草地的利用程度分级指数为2、未利用地的利用程度分级指数为1。

2.2 土地利用类型转变的碳强度核算

为消除社会经济的影响，更加直观、充分地分析新疆土地利用类型转变导致的碳强度变化，本文参考张梅等[17]的研究方法，运用ArcGIS的叠加分析和分区统计得到不同土地类型的综合碳密度，并通过数学模型运算得出土地利用类型转变的碳强度变化，流程如图1所示。

图1 土地利用类型转变的碳强度计算流程Fig. 1 Calculation process of carbon intensity of land use type transformation

土地利用类型决定区域碳源碳汇能力的强弱，参考张婷[18]研究成果，发现林地及耕地的碳汇能力较强，建设用地表现为强碳源性，草地、水域及未利用地的碳源碳汇性不显著，具体数值如表5所示。

不同土地利用类型的综合碳密度差异显著，因此可以用地类转变前后的碳密度差估算由于土地利用类型转变而导致的碳排放量变化。转变后地类的碳汇能力决定了区域碳收支状况。同时，考虑到土地利用的长期性以及土地利用过程中的生态响应的周期性，一般将生态系统对碳排放响应的时间周期定为20年。综上，不同土地利用类型转变的碳强度计算见式(4)。

(4)

式中：Pi——第i种土地利用类型转变的碳强度；

瑞士研究人员最新发现，长期使用手机产生的射频电磁场可能对特定脑区的记忆能力产生不良影响。研究结果显示，在经常使用手机接听电话者的右侧头部，射频电磁场对图形记忆功能产生了负面影响。不过，研究发现，与手机通话相比，用手机发送短信、玩游戏或浏览互联网则对青少年记忆力发展并没有明显影响，这可能是因为这类操作产生的射频电磁场相对微小。

C1i——转变前地类的综合碳密度；

C2i——转变后地类的综合碳密度；

N——生态系统对碳排放响应的时间周期，即N=20；

Ii——转变后地类的碳汇值。

土地利用类型的转变影响着区域生态系统碳排放的变化，随着时间变化其碳汇能力也在变化，直至趋于稳定。陆地生态系统碳排放计算见式(5)。

(5)

式中：LC——陆地生态系统碳排放；

Ai——第i种地类转变的面积；

m——土地利用类型转变的种类数量，本研究中共有30种，即m=30。

表5 不同土地利用类型的碳汇能力Tab. 5 Carbon sink capacity of different land use types

3 结果与分析

3.1 土地利用动态度分析

不同土地利用类型的碳源碳汇能力不同，土地利用类型转变影响区域的碳源碳汇格局，这种影响在耕地、林地、草地和建设用地4大地类之间的转换尤为明显。经研究林地、耕地表现为较强的碳汇能力，建设用地则为主要的碳源。林地转变为耕地或草地产生高强度碳排，退耕还林、还草可以增加20%～40%的碳汇量[14]。根据2000年、2005年、2010年、2015年和2020年5期的新疆土地利用数据，得到不同时期的土地利用类型面积占比变化图如图2所示。其中，耕地面积占比由3.70%稳步上升至5.56%，增加了1.86%；林地面积由2.19%降至1.49%，下降了0.7%，其中，2015—2020年，林地面积显著减少，由34 725.67 km2减少至24 392.73 km2，极大降低了固碳能力，增加了资源和环境压力；建设用地面积占比由0.23%上升至0.45%，城镇化的推进和工业崛起，增加了二氧化碳的排放，引起区域碳汇压力增强；草地面积占比维持在28.6%～29.6%的稳定状态；2000—2020年，水域面积减少了35.36%，水资源状况不容乐观。

图2 新疆2000—2020年各土地利用类型面积占比变化图Fig. 2 Change chart of area proportion of different land use types in Xinjiang from 2000 to 2020

土地利用的速率变化影响地表植被类型的改变，进而影响区域土壤的碳循环，改变土壤碳密度[19]，根据式(1)和式(2)，结合表4数据，得到新疆土地利用动态度，如表6所示。新疆综合土地利用动态度在2005—2010年下降，但总体呈现上升的趋势，特别是2015—2020年间，上升明显。其中，水域、林地和建设用地变化较快，然而水域和林地的动态度是负向增长，阻碍了新疆的生态发展和绿色发展。2005—2010年间，建设用地的利用动态度仅为0.664 7%，在2010—2015年间跃升至6.430 0%，建设用地作为重要的碳源地类，其面积扩增与利用程度加强不断增强区域的碳强度，对生态环境和区域绿色发展产生负向作用。

表6 新疆土地利用动态度Tab. 6 Land use dynamics in Xinjiang

人类活动施加于土地的强度反馈至土地的利用效果和土壤碳通量变化，土壤有机碳的吸收和排放影响碳循环速率。根据式(3)并结合表4数据，得到新疆土地利用程度，见表7。较于2000年，2020年新疆综合土地利用程度提升了0.238 3%，其中未利用地的利用程度最高，其次是草地；未利用地主要开发为草地或种植林木，整体上增强了新疆的碳汇能力。耕地、建设用地的利用程度增加明显，分别提升了5.584 4%和0.910 8%。林地、水域和未利用地的利用程度出现不同幅度的降低，其中，林地的利用程度由4.369 2%降为2.975 5%，水域的利用程度由6.239 7%降为4.061 3%，各自降低了1.393 7%和2.178 4%。

表7 新疆土地利用程度Tab. 7 Land use degree in Xinjiang

3.2 土地利用类型转变碳强度变化分析

3.2.1 不同土地利用类型的综合碳密度

以新疆植被类型空间分布图为基础，结合表2数据，通过ArcGIS的统计分析功能，得到新疆不同土地利用类型的植被碳密度，如表8所示。不同地类的植被碳密度差距较大，其中林地的植被碳密度最高，达148.45 kg/m2，其次是耕地、建设用地和草地。建设用地植被碳密度为39.01 kg/m2，与耕地相差7.96 kg/m2，说明城镇绿化水平较高，具有一定的碳吸收水平。

表8 新疆不同土地利用类型的植被碳密度Tab. 8 Vegetation carbon density of different land use types in Xinjiang

以新疆土壤类型空间分布图为基础，结合表3数据，通过ArcGIS的统计分析功能，得到新疆不同土地利用类型的土壤碳密度，如表9所示。土壤碳密度最高的是林地，13.13 kg/m2，耕地和草地的土壤碳密度相差0.38 kg/m2，同时，耕地和草地间的转换面积和速率处于较高水平；由于气候、降水等原因，新疆水域大面积缩减，干涸的水域土壤有机质含量较低，土壤活性较差，难以开发利用；未利用地主要由戈壁、盐碱地、沼泽地、裸土地、裸岩石质地等组成，植被覆盖度低，土壤养分低，开发为农、牧、园、林难度较大，碳源碳汇性差。

表9 新疆不同土地利用类型的土壤碳密度Tab. 9 Soil carbon density of different land use types in Xinjiang

碳密度不仅可以用来衡量固碳能力，还可以准确估算区域碳储量，对分析、研究、预测区域碳强度变化有重要作用。不同土地利用类型的综合碳密度由土地利用类型植被碳密度和土地利用类型土壤碳密度加和而成，见表10。森林具有巨大的碳储潜力，对于平衡区域碳排放，缓解碳压力至关重要，林地的综合碳密度最高，为161.58 kg/m2。新疆耕地的碳密度高于草地碳密度，差值为17.2 kg/m2，水域和未利用地的综合碳密度较低，分别为22.04 kg/m2和13.11 kg/m2，不同土地利用类型的综合碳密度差值明显。

表10 新疆不同土地利用类型的综合碳密度Tab. 10 Comprehensive carbon density of different land use types in Xinjiang

3.2.2 土地利用类型转变的碳强度变化分析

根据式(4)、表4、表5和表10计算得出新疆土地利用类型转变的碳强度变化，由表11可以看出：耕地转变为林地可降低10.258 6 kg/m2的碳强度，增加区域碳汇效应，转变为草地、水域和建设用地则会增加碳强度，而转变为建设用地的碳源效应增加最明显(3.638 1 kg/m2)，耕地弃耕将增加2.011 4 kg/m2的碳强度；林地转换为其他地类均会增加碳强度，其中转为建设用地、未利用地和水域的碳强度明显高于转化为耕地和草地的碳强度，分别为8.696 7 kg/m2，7.070 0 kg/m2和6.844 8 kg/m2、转变为耕地、草地分别为3.758 6 kg/m2和5.377 6 kg/m2；草地转为耕地、林地可以提升区域碳汇值，但草场退化、转为水域、或进行城镇建设等活动不同程度的增加了碳强度；未利用地除开发为建设用地增加碳强度，用于作物耕种、造林植树、发展畜牧、建设水域等均会增加区域碳汇能力，其中开发为林地碳汇值增加最高(12.27 kg/m2)。

表11 新疆土地利用类型转变的碳强度Tab. 11 Carbon emission intensity of land use change in Xinjiang kg/m2

任何地类转换为林地均会减少碳强度，增强碳汇能力，任何地类转为建设用地或荒废则会增加碳排放，提高碳强度。耕地转变为建设用地、未利用地、水域和草地均会增加碳排放；林地碳汇能力远高于其他地类，当其转变为其他地类时均会增加区域碳排放，碳强度由大到小依次是建设用地、未利用地、水域、草地、耕地；草地和水域之间的转换对于碳排碳汇产生较为微弱的影响，碳强度变化较小；建设用地碳强度最高，建设用地转为林地、耕地时碳汇作用比较明显；通过人类活动，改变未利用地地表覆被，产生不同程度的碳汇能力，当未利用地用作建设时则产生碳排放。

3.2.3 土地利用类型转变的碳强度变化时序分析

根据式(5)及表4计算得出新疆2000—2020年各阶段土地利用类型转变的碳强度变化及2000—2020年生态系统碳排放。2000—2020年新疆整体表现为碳汇作用，虽然2000—2015年这一阶段是新疆大力推进城镇化和工业化的时期，但是建设用地面积占比仍旧很小，林、耕、草占比超过35%，能够化解生态系统碳排放量，2010—2015年新疆碳汇作用明显加强，但效果仍不显著，2015—2020年相较于前一阶段碳汇作用降低了0.517 Tg。

表12 新疆2000—2020年土地利用类型转变的碳强度变化Tab. 12 Carbon intensity change of land use change in Xinjiang from 2000 to 2020 Tg

新疆2000—2020年土地利用类型转变导致的生态系统碳排放为-0.22 Tg，长期来看，总体表现为碳汇作用。

4 结论与对策

1) 从土地利用变化速率、土地利用程度可以明显看出新疆2000—2020年的土地利用类型变化趋势：其中耕地、建设用地占比逐年增加，2000年耕地面积占比3.7%，2020年占比为5.56%，建设用地面积2000年占比0.23%，2020年占比为0.45%；林地和水域面积却逐年缩减，20年间林地面积缩减了11 488.87 km2，水域面积缩减了18 108.07 km2，生态问题较为严重。同时，2000年新疆土地利用率为38.53%，截至2020年土地利用率也仅为39.18%，新疆未利用地开发难的问题仍未有效解决。

2) 土地利用类型转变通过影响植被覆盖变化和土壤碳通量，改变区域的碳强度。不同地类的综合碳密度决定了地类转变前后区域的碳平衡状况，新疆林地的综合碳密度最高，达161.58 kg/m2，其次是耕地，综合碳密度为55.35 kg/m2。通过计算得出：林地是主要的碳汇场所，其地类的转变引起碳强度增加；建设用地是主要的碳源场所，当其他地类转换为建设用地，碳强度显著增强。通过不同方式开发未利用地，区域碳汇效果不同，大面积造林对于区域碳汇起到正向作用。

综上，结合社会经济发展需要，新疆的土地利用规划应着重考虑以下几方面。

1) 林地固碳聚碳能力显著，同时可以保持水土，调节气候，具有良好的生态效益和社会效益。2000—2020年，新疆的林地面积缩减，林地利用程度降低，利用动态度变化大，今后的发展中需落实保护林地政策。建成林时选择适应新疆气候的树种，提高树种成活率，充分挖掘林地潜力。

2) 未利用地转化为其他地类时应以低碳为约束条件，结合新疆实际，应优先开发未利用地为林地，不仅可以稳碳固碳，还可以防风固沙、涵养水源、改良土壤；其次，新疆风力强劲、日照充裕，依靠资源禀赋优势，优先在山地、戈壁等难利用地类设置风车、太阳能等可再生资源设备，通过技术创新优化能源消费结构，进一步节能减排，带动区域经济高质量发展；第三，未利用地开发为建设用地可以有效刺激经济，带动产业发展，但是新疆能源储量丰富，资源驱动型经济发展模式极易导致“资源诅咒”现象，需要更加严格的环境规制；第四，推进用地城镇化和工业化过程中应合理规划土地，形成居民集中、产业集聚，提高能源利用效率，实现绿色发展。