土地利用碳排放研究进展与展望

邓康龙，汪倩倩，陈欣悦，曾小雨，徐裕焕，武慧君

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

1 引言

近年来，全球气候变化一直是国际讨论的热点问题，同时也是可持续发展面临的巨大挑战[1]。为应对全球气候变暖，在2015年，全球147个国家签署了《巴黎协定》，并承诺将全球平均气温升温限制在高于工业化前水平2 ℃以内，并努力将温度升高限制在高于工业化前水平1.5 ℃以内[2]。中国政府也相继承诺到2030年前碳排放达到峰值，并在2060年之前实现碳中和[3，4]。研究显示气候变化不单单是气温的升降，它会影响整个生态系统的均衡，相应也会伴随一系列的自然灾害和社会经济问题，如极端天气、农业灾害、渔业减产、生物多样性减少、沙漠化、沿海城市淹没和贫困人口上升等[5]。研究证明全球变暖是由于大气中二氧化碳浓度的攀升造成温度升高，进而产生温室效应，而土地利用变化是造成温室效应的主要原因之一[6]。人类活动中的开垦农田、城市建设、交通运输、垃圾处置、工业生产、资源开采等都会引起土地利用变化[7]。

土地利用变化作为仅次于能源消耗的第二大碳排放源，为人们开展人为碳排放研究提供了重要的分析视角[8]。土地利用变化不仅会改变所承载的自然碳通量，还会改变人类活动密集地区的碳排放，从而显著影响全球碳平衡[9]。同时在研究土地利用时还会综合考虑其具有的碳源和碳汇的双重作用，如土地上的森林、草地等通过光合作用吸收空气中的碳，生物的呼吸、排泄和肠胃发酵以及人类活动等产生的碳排放，特别是人为碳排放居多[10]。21世纪以来，学者们在土地利用碳排放核算、机理、效应、影响因素及低碳减排策略上的相关研究不断完善，但由于土地利用变化受经济政治和文化观念等人为因素，以及地形气候和土壤条件等自然因素的共同影响，导致土地利用碳排放的研究存在一定的复杂性和不确定性，故此成为全球变化研究的热点和难点之一[11]。

基于此，本文深入研究土地利用碳排放相关模型和土地变化的调控机制，从土地利用碳排放的国内外研究进展进行综述分析，对低碳发展的前景提出展望，旨在引发人们对土地利用的低碳发展的思考。

2 土地利用的碳排放研究进展

土地利用的碳排放研究一般可以从土地利用类型变化的碳排放和土地载体上的人为源排放两个方面来着手。一方面，是指土地利用类型转变和土地利用保持对陆地生态系统碳循环的影响；另一方面是指土地利用类型上所承载的全部人为碳排放，包括开垦农田、城市建设、交通运输、垃圾处置、工业生产和资源开采等等，即土地利用碳排放是不同土地类型上的综合碳排放的空间强度和分布效果[12]。

2.1 土地利用的碳排放核算研究

土地利用碳排放核算研究是土地利用碳排放的基础研究，为土地利用碳排放的后续研究提供了基础保障。从国家层面分析，以联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的《IPCC家温室气体清单指南》最具影响力，为碳排放的核算研究提供了整体的核算参考[13]。但从区域层面分析，该指南无法反映区域的差异性、复杂性和独特性，故有些学者可能侧重使用模型估算、样地清查、遥感地图以及排放检测等方式来核算区域碳排放[14]。同时需要注意的是这些新技术手段因受到精度和成本较高、适用的范围较小以及相关技术较难而难以推广[15]。

如表1所示，对土地利用碳排放的常用核算模型及方法进行了汇总，比较分析了各类模型的特征，并提供相关的碳排放核算研究的案例。

表1 常用碳排放核算模型

在进行土地利用碳排放核算研究时，还要区分陆地生态系统碳排放核算与能源和工业源的碳排放核算。陆地生态系统的碳排放核算主要从植被碳和土壤碳的研究入手，能源和工业源的碳排放核算更多体现在建设用地上，特别是伴随经济发展和人口增长，不断侵占其他土地利用类型并转化为建设用地，即能源和工业源的碳排放是建设用地扩张下所导致的间接的土地利用碳排放。

综合分析可得土地利用碳排放的核算研究推动了碳排放与土地利用研究的结合，为土地利用碳排放的后续研究提供了计算依据。

2.2 土地利用的碳排放机理研究

土地利用的碳排放机理研究主要是探究土地利用碳排放的产生原因和驱动机理，为土地利用碳排放的研究阐述了内涵和价值。正如Houghton[24]通过归纳影响陆地碳汇形成机制可得出：一方面是影响光合、呼吸、生长以及腐烂分解速率的生理代谢机制，另一方面是自然干扰与土地利用变化管理的干扰和恢复机制。故这类研究可从自然干扰机制、土地利用类型转变机制和土地管理方式转变机制3个方面进行机理分析及研究归纳(表2)。

如表2所示，国内外的学者们通过不同的角度来诠释土地利用碳排放机理研究，让我们了解到土地利用变化改变了生态系统中土地使用的类型，进而改变了土壤的有机碳的相关属性。这说明土地利用的碳排放是直接受限于该土地的利用形式，然后是外部因素对土地利用的作用。因此在研究中，更需注重的是土地类型的转换和人为管理方式的影响，再结合相关的模型从广度和深度上去解析土地利用碳排放机理。

表2 常见碳排放机理分析

2.3 土地利用的碳排放效应研究

在研究土地利用碳排放的机理后，其效应研究就呼之欲出了。它主要是在机理研究基础上去分析自然和人为活动下土地向大气释放碳的过程中的机制及其影响，是土地利用碳排放的研究的内核和焦点。结合《2006年IPCC国家温室气体清单指南》和中国科学院地理科学与资源研究所(RESDC)的资源环境科学与数据中心分类，将土地利用类型划分成耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地6个一级类型以及25个二级类型，最后综合分析将土地利用碳排放效应影响归纳为四大点，如表3所示。

表3 土地利用碳排放效应影响分析

在研究过程中，可以理解土地利用碳排放效应更多的是土地利用碳排放机理分析的影响评价，它从系统化的角度更加宏观地将陆地生态系统循环、植被碳库、土壤碳库和人为源碳排放等这些结合研究，并得出学者们对于土地利用碳排放的标准研究进展。各国再根据各区域的实际要求和碳排放现状，制定满足自身的数据标准、分类标准、核算方法和排放因子等。为满足国际间的碳排放研究学习和协助交易，联合国也通过了《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)和《IPCC国家温室气体清单指南等》等，为各国提供了国际认可的可估算温室气体清单的方法学，这对研究全球土地利用特征以及碳排放效应有着匪浅的影响。

2.4 土地利用的碳排放影响因素研究

土地利用的碳排放影响因素研究是分析其碳排放过程的受控因素，在从中得出影响土地利用碳排放的主要影响因素，并针对不同的影响因素提出低碳节能的发展措施，为土地利用规划可持续发展提供现实意义。目前碳排放影响因素分析研究方法有：Kaya恒等式[45]、投入产出结构分解法(Input-Output Structural Decomposition Analysis)、STIRPAT模型[46]、对数平均迪式指数法(Logarithmic Mean Divisia Index Method)[47]、Laspeyres指数法等，这些方法各有其特征与适用性，在国内外相关领域都取得了广泛的应用(表4)。

结合国内外学者的研究，发现影响土地利用碳排放增长的因素主要是经济发展、土地利用变化、人口规模角度和政府政策调控，而土地利用中能源效率提高和能源结构优化在一定程度上都有利于土地利用的碳减排。通过分析《全国土地利用总体规划纲要(2006-2020年)》调整方案[54]，可知国家通过调整土地利用总体规划和管制土地管理和用途等政策手段来推进低碳优化可持续发展的进程。这说明未来城市发展土地利用的碳减排的趋势已不可阻挡，虽在短期内土地利用碳排放还会持续增长，但笔者坚信实现碳达峰与碳中和的目标已不再遥远。

3 土地利用的低碳优化发展

伴随土地利用碳排放的日益增长，土地利用的低碳优化对促进碳减排和土地利用规划有着巨大的潜力，也对提高土地利用效率和效益，以及实现经济发展和环境和谐有着重要的现实意义。为实现土地资源的可持续利用，达到土地利用的低碳优化，学者们研究利用了数理模型对土地利用进行低碳优化，以满足在土地规划上的现实需要和未来优化发展。

数理模型可基于研究区域的数据建立土地利用与低碳优化的相关数学模型，并设置土地利用低碳优化模型的变量，确定目标函数中效益系数，再设立相应的土地约束条件，最后选择合适的数理模型得到相应的优化结果。因此使用数理模型法相对于传统的定性方法更具有科学性与客观性[15]，常用的数学模型见表5。

表5 常用土地利用的数理模型

众多学者运用不同的模型和算法来研究土地利用低碳优化发展，总结归纳以下二点。一方面，降低以人为碳排放土地利用碳排放，主要从土地利用结构优化(植树造林、扩充碳汇)、土地利用规模控制(控制建设用地规模)、土地利用方式转变(减少对农用地的占用)、土地利用布局调整(优化产业结构布局)等要点来展开降碳；另一方面，国家相应政策配套体系的建立，可以从强化低碳意识(树立人们保护环境、低碳生活意识)、规划控制供地政策(严格控制建设用地规模，完善土地供应政策)、土地用途管制(限制不合理的土地利用行为)、土地税收保障(设立专项的土地利用资金)等政策来配套低碳优化发展。

4 研究展望

土地利用变化产生碳排放一直是人类碳排放增长的重要原因，研究土地利用碳排放核算、机理、效应及其影响因素是为了更好控制土地利用的碳排放，减缓温室效应，并为开展土地低碳优化发展提供研究意义。

综合来看，国内外的学者针对土地利用碳排放的研究主要侧重以下几点，一是以时空尺度的土地利用碳的预测、核算与模拟，利用相关的时空数据和历史资料文献进行大尺度的研究分析；二是针对土地利用碳的机理效应影响分析不同的土地利用类型的转变，以及外在因素对土地利用的影响对区域乃至国家的碳排放的综合影响；最后一点是基于现有的碳排放现状和国家政策影响，对土地利用碳排放的趋势进行情景预测，以满足低碳优化发展的总基调。

为克服现存的一些问题，如大尺度分析土地利用类型转变和土地利用间的碳转换研究文献还是较少，缺乏系统性的研究脉络；大量文献侧重于土地利用碳排放的理论研究，缺少了结合区域的土地利用现状和政策要求的实际措施。因此，未来在研究土地利用碳排放和低碳优化发展时，更应该考虑多方面、多层次的碳排放研究的融合，如土地利用与能源利用的碳排放，还需要完善各类实时遥感监控数据和碳排放数据库等基础资料，以便于能随时更新碳排放清单，确保碳排放研究的准确性和科学性，最后就是将国家政策和土地利用现状结合起来，突破理论与实践的壁垒，将精准的数据和科学的措施匹配到土地利用规划上面来，这样才能真正推动土地利用碳排放的研究。