江西省土地利用碳排放空间格局及碳平衡分区

杨静媛，张 明，多玲花，肖 圣，赵昱茜

东华理工大学测绘工程学院，江西 南昌 330013

自工业革命以来，碳排放量增加引发的全球气候变化已受到各界的广泛关注，推动碳达峰、碳中和等战略目标的实施是促进我国绿色低碳可持续发展的重要举措.相关研究[1]表明，土地覆被格局的改变会对大气中二氧化碳浓度产生较大影响，同时由土地利用变化所引起的碳排放量仅次于化石燃料使用所引起的碳排放量，是人类活动引起碳排放总量的1/3[2].因此对土地利用的碳排放展开深入研究，了解其土地利用碳排放的空间格局及其碳排放效应分析，因地制宜地提出区域内不同的碳减排策略，对碳减排的实施具有重要的推动作用[3].

目前，我国碳排放量增加与经济建设规模的迅速扩张密切相关，在经济快速发展的同时，大规模城镇化进一步刺激了我国能源消费和碳排放的持续增长[4-6]，导致我国碳排放总量较高，减排压力较大.为此，我国在应对气候变化对策上主动提出了碳达峰、碳中和的目标，采取大力减排活动，推动发展绿色经济.国内外学者在土地利用与碳排放方面展开了大量研究，在不同视角和地理尺度下测算了碳排放总量，对碳排放强度、碳足迹、区域碳循环和碳平衡分区进行了讨论，例如，孙雷刚等[7]测算了环京津区域内5个城市连续14 年的碳排放总量，分析其碳排放效应和时空格局；秦岩等[8]研究了2000—2018 年长三角地区碳排放强度的空间特征；Tian 等[9]探讨了我国碳足迹的变化、来源和驱动因素；Yue 等[10]充分肯定了土地利用在碳循环反馈中的重要性，认为气候缓解工作应增强土地的碳汇能力；赵荣钦等[11]采用碳收支核算方法，以我国中原经济区为例，开展了县域层面碳收支与碳平衡研究，提出基于低碳导向的主体功能区优化思路.这些研究以碳排放计算和评估为主，研究焦点也逐渐深入到具体的行业部门[12-14]，进一步丰富完善了碳排放领域的方法体系.

目前较为成熟完善的土地利用碳排放评估方法是通过直接碳排放和间接碳排放两方面进行测算，前者主要指土地利用引起的碳排放，后者主要是全部人类活动在各土地利用类型上所产生的碳排放.建设用地承载着大量的人类活动[15]，所以建设用地碳排放属于间接碳排放，耕地、林地、草地、水域和未利用地则属于直接碳排放.在测算土地利用碳排放时，已有学者基于IPCC 国家清单法对土地利用碳排放总量进行核算，该方法受到了学者的广泛认可，已成为研究碳排放核算的重要依据.综上，基于土地利用变化所产生的碳排放研究涉及面广，各学者从国家、省域尺度都开展了不同的研究，研究方法和碳减排对策也愈加完善[16-18].但目前关于碳排放空间格局的研究主要从其强度效应与时空演变特征进行分析，尚缺乏将具体分析结果落实到城市规划管控之中，实现有的放矢.

江西省作为长江经济带生态文明建设的重要节点，地处多个城市群交汇之处，其经济水平在全国尚处于欠发达阶段.该省大规模的城镇建设导致土地利用变化显著，引起碳排放量增加.如何协调省内经济发展与生态文明建设成为亟需解决的一大难题.推动该省绿色低碳高质量发展，有利于为国内各省份降碳减排行动提供参考依据.鉴于此，该文以江西省为例，基于较为成熟完善的理论方法构建土地利用碳排放模型，测算江西省土地利用碳排放总量，将城市的碳排放空间格局与碳平衡分区相结合，采用基尼系数、经济贡献系数以及生态承载系数等方法分析各区域碳排放空间格局，实现碳平衡分区并提出差异化碳减排策略，以期为江西省将来的规划分区提供新的视角[19]，也为我国持续推进生态文明建设以及早日实现“双碳”目标提供科学依据和理论支撑.

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

江西省地处长江中下游交接处的南岸，省内以丘陵为主，除北部地区外，其余三面都被群山环绕，中北部地区主要为平原.气候四季分明，具有亚热带湿润气候特色.江西省面积约16.69×104km2，人口数量约4 517 万，其中包含11 个地级市、100 个县级行政区.江西省自2016 年6 月被列入首批国家生态文明试验区以来，高度重视生态文明建设，2015—2018 年森林覆盖率位居全国第二位，达到63.1%，被称为中国“最绿”的省份之一.

1.2 数据来源及处理

土地利用数据以及江西省行政边界数据均来源于中国科学院资源环境科学与数据中心.土地利用数据包括2000 年、2005 年、2010 年、2015 年和2018年5 期，空间分辨率为1 km.通过ArcGIS 10.2 软件将江西省土地利用类型重分类为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地六大地类(见图1).行政边界数据为2015 年江西省行政边界矢量数据.统计数据包括江西省人口、能源、国内生产总值，来自相对应年份的《江西统计年鉴》和《中国能源年鉴》，其中一些经济数据来自历年《江西省国民经济和社会发展统计公报》.

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用碳排放估算

选择中国知网(CNKI)全文数据库,以“微网”或“微电网”为关键词,在EI期刊中进行检索,文献覆盖时间范围为2000—2017年,共得到1 342条相关数据结果,来源于电力领域及交叉学科的22种期刊,具体期刊如表1所示。手动剔除征稿信息等无关记录后得到1 291条结果。数据下载截止日期为2017年9月15日。

该文基于IPCC 清单的直接估算法[20]，通过碳排放(碳吸收)系数来计算土地利用碳排放量.该方法适用于非建设用地的碳排放量计算，如耕地、林地、草地、水域和未利用地.有研究[21]表明，在计算建设用地碳排放量时仅依据其面积直接测算会出现较大误差，所以该文采用IPCC 能源碳排放系数法，即建设用地碳排放方法确定其碳排放量.根据地类的特性将两种计算方法结合，能更加有效精确地测算土地利用碳排放量.

非建设用地碳排放量的计算方法：

式中：Ek为非建设用地碳排放总量，t；em为土地利用类型m所引起的碳排放量，t；Tm为土地利用类型m的面积，hm2；δm为土地利用类型m的碳排放(吸收)系数，t/hm2，正值为碳排放，负值为碳吸收.根据文献[22]，最终将耕地、林地、草地、水域、未利用地的碳排放系数确定为0.497、—0.581、—0.021、—0.253、—0.005 t/hm2.

建设用地碳排放量：主要依据研究区内所消耗的各类能源量和相应碳排放系数间接估算[23]，该文将化石能源消耗碳排放量与人口呼吸碳排放量之和作为建设用地碳排放量，选取原煤、洗精煤、焦炭等8 种能源的消费量计算，公式[24]如下：

式中：Ccon为建设用地产生的碳排放总量，t；Cfue为各种能源消耗产生的碳排放量，t；Cpeo为人口呼吸碳排放量，取值为0.9 kg/(人·d)，即按0.245 5 kg 碳进行计算[25]；En为能源类型n的消耗量，t；bn为能源类型n消耗量转换为标准煤的系数，t/t；βn为能源类型n的碳排放系数.碳排放转换系数见表1.

表1 碳排放转换系数Table 1 Table of carbon emission conversion factors

1.3.2 碳排放的基尼系数

基尼系数可用来度量某一指标的区域差异及均衡程度[26].该方法通常被用来衡量国家或地区的居民收入差距，有助于政策制定者掌握国家的经济发展状况以及贫富差距等情况.该文扩展基尼系数的内涵，将其用来衡量江西省碳补偿率的空间差异，以便更直观地了解区域内碳排放情况.计算方法：

式中：Gini 为基尼系数；zi、zj分别为i地 区和j地区的碳补偿率；为江西省所有地级市同一指标的平均值；l为地区数量，该文中l=11.基尼系数一般介于0～1 之间，数值越小，表示某一指标的区域差异就越小，反之则差异越大.基尼系数在0.5 以上时表示处于“危险状态”，说明各地区的碳补偿率高度不平均，需要引起重视.

1.3.3 碳排放经济贡献系数

碳排放的经济贡献系数(ECC)可用来评价研究区内碳排放经济贡献的公平性[27]，该方法从经济的角度来表达区域内碳排放的差异，其计算结果能为协调经济建设和生态文明建设提供科学的指导.它是反映区域碳排放生产力的指标之一，表达式：

式中：Gi和G分别为江西省i市和全省的GDP，元；Ci和C分别为江西省i市和全省的碳排放总量，t.若ECC＞1，表示i市土地利用碳排放的贡献率小于经济贡献率，其碳排放的经济效率相对较高；反之，则表示碳排放的经济效率偏低.

1.3.4 碳排放生态承载系数

碳排放所引起的生态环境问题具有一定的外部性，某区域的碳汇能力大小对周边区域有着一定的影响.生态承载系数(ESC)可以衡量各区域碳生态容量贡献的公平性，以反映区域的碳汇能力.因此，该方法的运用能有效地表达各区域碳汇能力的大小，从而根据结果制定出适宜各区域的减碳政策，其表达式：

式中，CAi和CA 分别为江西省i市和全省主要碳汇对碳的吸收量，t.若ESC＞1，表明i市的主要碳汇对碳吸收的贡献率高于碳排放的贡献率，对江西省碳排放的消纳有积极作用，对其他区域有贡献；反之，对江西省碳排放的消纳有负作用.

2 结果与讨论

2.1 区域土地利用碳排放总体分析

土地利用对碳循环有着至关重要的影响，江西省土地利用净碳排放量的变化结果(见表2、图2)显示，2000—2018 年净碳排放量呈增长趋势，由2000 年的1 215.687×104t 增至2018 年的4 907.425×104t，增幅为303.68%，年均增长约205.1×104t.与碳排放量相比，研究区植被的碳吸收量较为薄弱，这表明江西省应引起对降碳减排行动的高度重视.2000—2018 年江西省建设用地碳排放量快速增长，碳排放总量占总碳源排放量的比例从87.74%增至96.04%.18 年间耕地的碳排放量虽然减少了64 013 t，但建设用地碳排放量的增长速度远大于耕地碳排放量的减少速度，导致江西省碳排放总量持续增长.江西省碳汇总量表现为先升后降，其林地碳吸收变化趋势与碳吸收总量的变化趋势一致.主要原因是，林地碳汇效应最大，林地的碳吸收量约占碳汇总量的97%.2005—2010 年江西省林地面积增加了162 km2，但2010 年之后林地面积开始减少，虽然草地、水域面积有所增加，但所增加的碳吸收总量远不及林地面积减少所损失的碳吸收量.

表2 2000—2018 年江西省不同土地利用类型的碳排放Table 2 Carbon emissions of different land use types in Jiangxi Province from 2000 to 2018

建设用地和林地分别是江西省碳源和碳汇的最大贡献者，但林地的碳汇能力始终低于建设用地碳排放量的增幅，最终导致江西省土地利用的净碳排放量逐渐增长.江西省碳排放量呈上升趋势的另一个原因在于城市化、工业化的快速发展，人口数量增加引起工业企业的能源消耗提高，从而增加碳排放的总量.若不加以控制建设用地上的能源消费，加强生态用地保护，朝着低碳方向发展，碳排放量增长速度可能会快于城市土地扩张速度[28].但江西省净碳排放量的增长率总体呈下降趋势，其碳排放量增幅有所减小，说明近年来江西省在碳减排上采取了相应积极的措施.尽管如此，江西省在应对气候变化和实现碳减排方面还是面临较大压力.

2.2 区域城市的碳排放空间格局特征

由江西省2000—2018 年11 个地级市的净碳排放总量(见表3)可知，南昌市、九江市、赣州市的净碳排放量持续上升，其余各地级市则先增后减.其中，赣州市、吉安市、抚州市、上饶市在研究前期体现出碳汇功能，碳吸收总量大于碳排放总量.九江市、宜春市和新余市在江西省内的净碳排放量一直排在前列，主要在于这3 个地级市的能源消费总量偏高，但土地利用的碳汇能力偏低.利用自然断点法，将江西省净碳排放量划分为5 级(见图3)，即1 级碳排放量最低，5 级碳排放量最高.2000 年各地级市的碳排放总量较低，均处于3 级碳排放区域及以下.2005 年九江市率先突破500×104t 的净碳排放量，且在2015 年处于5 级碳排放量区域.研究表明，在产业结构上对化石能源依赖性严重的地区，其碳排放量都将有可能远大于碳吸收量[29].九江市净碳排放量一直稳居首位，且持续不断增长的原因在于它是江西省的第二大工业基地，拥有全省唯一的炼油企业，高耗能行业占比较高，高耗能企业也逐年增加.这与已有研究结果[30]保持一致，碳排放量居高的原因之一是石油加工和炼焦企业较多.江西省的净碳排放总量呈现北多南少、西多东少的分布格局，这一差异与土地利用的现状相关[31].

表3 2000-2018 年江西省各地级市净碳排放量Table 3 Net carbon emissions of municipalities in Jiangxi Province from 2000 to 2018

2000—2018 年江西省净碳排放增量计算结果(见图4)显示，各地级市的净碳排放量都有不同程度的增长.其中，九江市净碳排放增量最大，2018 年比2000 年增加了972.926×104t；宜春市和新余市次之，分别增加了474.566×104和464.504×104t；景德镇市、上饶市、南昌市、抚州市、萍乡市净碳排放量均位于第三等级.鹰潭市净碳排放增量最小，为136.503×104t.由此可知，江西省降碳减排的重点应当放在江西省北部地区，政府应发挥监督作用，控制碳排放增量.

2.3 空间碳平衡分析

由2000—2018 年江西省碳收支核算结果(见图5)可知，江西省历年的碳补偿率均低于34%，且呈逐年递减趋势，尤其在2018 年碳补偿率仅有11%，表明省内土地利用碳排放总量远高于碳吸收总量，总碳吸收量不足以补偿碳排放量，所以江西省表现为净碳源.2000 年、2005 年、2018 年碳补偿率最高的均为赣州市，主要是因为赣州市生态用地居多，碳排放总量相对较少.2010—2015 年碳补偿率最高的是抚州市，表明赣州市能源消费不断增长导致碳排放总量上升，碳补偿率下降；同时反映了抚州市在相应时段内能源结构有所调整，碳排放量增长速度不及赣州市.根据基尼系数相关算法，江西省2000—2018 年碳补偿率的基尼系数均高于0.5，处于“危险状态”，表明江西省各地级市的碳补偿率具有较显著的空间差异.但2015—2018 年碳补偿率的基尼系数逐渐下降，说明江西省各地级市之间碳排放总量的差距在缩小.总体而言，近年来江西省碳排放量大于碳吸收量，全省协同减排的压力较大.

由图6 可知，江西省各地级市的经济贡献系数差异较大，说明各地级市经济贡献率和碳排放贡献率均处于相对不平衡状态，区域差异较明显.西北地区经济贡献率较低，南部地区、东北地区的经济贡献系数较高.2000—2018 年江西省经济贡献系数小于1 的城市数量不变，经济贡献系数大于2.4 的城市数量由4 个减至2 个，说明研究期内碳排放经济效率处于下降趋势.江西省生态承载系数与经济贡献系数的空间分布存在相似特征，区域差异明显，西北地区生态承载系数低，南部地区和东北地区生态承载系数较高.西北地区生态承载系数基本小于1，表明这些城市的碳吸收比例明显小于碳排放比例，对江西省碳排放消纳有消极作用.而生态承载系数大于1 的城市，具有较高的碳汇能力，对江西省的碳排放消纳有积极作用.通过分析可知，江西省可通过转变经济发展方式，协调经济发展和环境保护之间的关系，改善碳排放生态压力[32].

2.4 江西省碳平衡分区

江西省的净碳排放量与能源消费、经济发展以及土地利用密不可分[33].依据2.3 节所得生态承载系数、经济贡献系数以及净碳排放量将江西省各地级市划分为碳汇功能区、低碳经济区、碳强度控制区、高碳优化区，该分区有利于为将来各地区的碳减排政策和发展方向提供参考依据，功能区划分依据如表4所示.结果(见图7)表明，2000—2018 年九江市、宜春市、新余市、萍乡市、景德镇市一直被划分为高碳优化区，说明这些城市的经济贡献效率和生态承载系数均低于1，该区域内的经济建设与生态环境水平存在一定的提升空间，未来应着重提升二者发展水平，促进城市低碳可持续发展.其中各地级市的碳排放总量大于碳吸收总量导致生态压力逐渐加大，抑制了江西省碳减排的实施.作为江西省的省会南昌市，在研究期内一直为碳强度控制区，经济贡献率大于土地利用碳排放的贡献率，但固碳能力不足，净碳排放总量持续增加，生态承载系数有待提高.该市日后在保持经济稳步增长的同时还需改善生态环境.鹰潭市在2010 年从高碳优化区调整为碳强度控制区，主要原因是2010 年该市调整工业结构[34]，淘汰落后产能，经济总量得到提升.但这个状态并未保持下去，到2015年又重新转变成高碳优化区.该市后期转变的原因在于林地面积减少，生态系统碳汇能力减弱，建设用地碳排放量增长导致后期经济发展的贡献率小于碳排放的贡献率.2000 年碳汇功能区有4 个，分别是上饶市、抚州市、吉安市和赣州市.碳汇功能区的碳排放总量小于碳吸收总量，且经济贡献效率和生态承载系数均较高，属于碳平衡功能分区中较为理想的状态.但随时间的推移，其数量逐渐减少至消失.2000 年的碳汇功能区都转变为低碳经济区，虽然碳排放的经济效率和生态承载系数仍大于1，但该功能区的碳排放总量已大于碳吸收总量，仍需控制碳排放量的增加.江西省碳平衡功能区的变化表明江西省碳吸收总量不足以抵消能源消耗引起的碳排放总量，可在未来加强各功能区的固碳能力，提升碳排放效率，增加碳汇功能区的数量.目前国家政策和发展方向都体现出了碳汇功能区的重要性，在发展经济建设的同时要保证生态建设，做到经济、生态二者兼顾，共同持续发展.

3 结论与建议

3.1 结论

a) 2000—2018 年江西省土地利用碳排放总量呈逐年递增趋势，从1 215.687×104t 增至4 907.425×104t.碳排放总量始终高于碳吸收总量，其中林地起主要碳汇作用，建设用地为主要碳源，以能源消费碳排放为主，全省表现为净碳源.因此，江西省在经济建设发展的同时，可充分提高土地利用的效能，增加碳吸收能力，协调碳源和碳汇的比例，以达到碳平衡的效果.

b) 江西省碳排放空间格局表现为北高南低、西高东低的特征.位于南部地区的赣州市和吉安市林地居多，碳汇能力较强，而位于北部地区的城市，耕地和建设用地的面积相对偏多，碳排放能力较强.江西省北部和西部地区应向南部、东部地区借鉴经验，根据各地实际情况，采取适宜的碳减排政策，努力争取省内共同低碳发展，为江西省的碳达峰、碳中和助力，推动国家的碳减排行动顺利实施.

c) 2000—2018 年江西省碳补偿率逐年递减且数值偏低，基尼系数呈先升再降的趋势，均超过0.5，全省的碳补偿率具有显著的空间差异，各地级市的碳补偿率与经济水平、生态用地面积有着密切联系.林地的碳汇作用在一定程度上能提高该区域的碳补偿能力.大部分经济较发达、生态用地面积数量少的地区，其碳补偿率都低于经济较落后或者生态面积数量多的地区，尤其是发挥碳汇作用的林地面积较多的地区.

d) 基于碳平衡分析，根据净碳排放量、经济贡献系数、生态承载系数将江西省各地级市进行分区，分为碳汇功能区、低碳经济区、碳强度控制区、高碳优化区，2000—2018 年碳汇功能区逐年减少直至消失，低碳经济区数量增加，高碳优化区数量保持不变.在当前形势下，江西省应当改变土地利用结构，合理配置土地利用资源，增加固碳能力，提高碳汇功能；同时将碳减排任务聚焦在江西省西北地区，争取将高碳优化区转变为碳汇功能区.

3.2 政策建议

该文的碳平衡分区主要侧重从低碳角度出发，可作为区域内协同减排、发展低碳经济的参考.针对所划分区域，提出江西省内差异化的低碳发展策略.由于江西省到2018 年碳汇功能区消失，所以该文基于当前存在的功能区提出相应对策.

a) 低碳经济区(上饶市、吉安市、抚州市、赣州市)：该区的碳排放量较低，且碳汇资源丰富，生态压力较小，经济发展与生态保护均衡发展.该区可充分发挥区域优势，在稳定碳汇能力的同时，因地制宜地发展低碳产业，发掘生态产业、旅游业、现代农业等，努力成为全省碳减排的典范.

b) 碳强度控制区(南昌市)：该区的经济发展水平和城市化水平较高，但碳排放总量也较大.提高碳排放效率重点应放在转变经济增长方式、调整产业结构和创新绿色技术上.为此，南昌市应当加速调整产业结构，向新兴产业转型，发展低碳工业，推动传统产业优化升级，加大对低碳技术的研发力度，鼓励人才对低碳技术的研究，强化科技创新引领作用，提高碳排放的经济效益.

c) 高碳优化区(九江市、鹰潭市、宜春市、新余市、萍乡市、景德镇市)：该区碳汇资源远不足以抵消其人类活动所产生的碳排放，因此首先应该针对建设用地碳排放量过高的问题，逐步淘汰高污染企业，改变能源消费结构，提高能源的利用效率，尽量以清洁能源替代化石能源；其次，巩固提升生态系统碳汇能力，增加森林、草地等碳汇资源，加大生态环境保护的投入，提高该区的碳吸收能力，做到经济建设和生态保护协同发展.