双碳战略背景下漓江流域土地利用结构优化

黄连坤，邵 亚，陈家鸿，梁艺耀

（桂林理工大学地球科学学院，广西 桂林 541004）

随着气候变化所带来的环境问题日益严重，碳减排成为研究热点。中国政府在2020 年提出“双碳”战略目标，主动承担碳减排任务。陆地系统碳排放主要有两种途径：一种途径是化石燃料的燃烧和工业生产过程中直接排放的CO、CO2等温室气体；另一种途径是由于土地利用变化所导致的CO2等温室气体碳源和碳汇的变化［1］。Houghton［2］的研究表明，1850—2000 年由于土地使用和管理的变化导致碳通量向大气释放了156 PgC。Detwiler［3］的研究表明，土壤中碳的减少与森林砍伐和燃烧无关，而是与伐木所导致的土地利用的变化有关。土地利用是低碳经济和碳排放研究的重要切入点，也是调节碳排放的重要工具，对土地利用和碳减排的研究有助于从国土空间规划、产业结构调整等领域全面引导低碳经济社会发展［4］。因此，除了提出产业结构升级改造等措施外，根据不同土地利用类型的固碳能力对土地利用结构进行优化调整也是对碳排放控制的重要措施［5，6］。

通过土地利用结构优化方法促进碳减排已经引起诸多研究者的关注。叶长盛等［7］基于南昌市4 期土地利用数据，结合灰色多目标线性规划模型和FLUS 模型，对2025 年土地利用数量结构及空间布局进行预测模拟，探究了低碳目标下城市土地利用变化趋势。刘慧灵等［8］以福州市为研究区域，采用灰色多目标线性规划法获得土地利用优化方案，得出低碳经济导向的土地利用结构优化方案有利于实现碳减排目标。张哲［9］利用人群搜索算法的快速寻优能力对土地利用结构优化模型进行求解，得出了碳排放最小及碳储量最大的结果。卢华杉等［10］采用数学计量方法估算出华容县土地利用结构的碳效应状况，构建了低碳土地利用结构优化碳效应评价指标，建立了多目标线性规划模型并计算出华容县土地利用结构优化方案。从以上研究可以看出，以往低碳视角下土地利用结构优化的研究，土地利用预测时间短，较少与双碳战略时间相衔接。此外，从研究尺度上来说，已有研究大多在省域、市域（县域）的尺度上进行，较少从流域尺度进行研究。

漓江属珠江流域西江水系，位于桂林市，在当地经济和旅游服务行业快速发展的影响下，漓江流域的城镇化步伐加快，土地利用结构发生了明显改变［11］。因此，在国家双碳战略背景下，研究漓江流域土地利用结构优化对未来实现碳中和目标具有重要实践意义。本研究以桂林漓江流域为研究区域，在预测的2030 年土地利用碳排放量的基础上，利用线性规划模型对土地利用结构进行优化，以期为漓江流域实现碳减排提供参考依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区域概况

漓江流域（24°38′10″—25°53′59″N，110°07′39″—110°42′57″E）地处广西壮族自治区东北部、湘桂走廊西南端、南岭山脉西部（图1）。流域范围包括桂林市6 区6 县1 市（秀峰区、叠彩区、象山区、七星区、雁山区、临桂区、阳朔县、灵川县、兴安县、永福县、平乐县、恭城瑶族自治县以及荔浦市）。东与湖南省、广西贺州市接壤，东北连桂林市灌阳县，西临柳州市融安县，北连桂林市龙胜县、资源县、全州县三县，南靠广西梧州市。流经区域属于山地丘陵地区及典型喀斯特岩溶地貌，全年气温比较高，热量丰富，年平均气温19.2 ℃，平均降雨量1 941.5 mm，植被覆盖度高，类型丰富多样。

图1 漓江流域

1.2 数据来源

研究包括的主要数据有：①漓江流域矢量边界数据和数字高程模型（Digital elevation model，DEM）分辨率为30 m 数据来源于地理空间数据云网站（http：//www.gscloud.cn）；②2000 年、2005 年、2010年、2015 年和2020 年五期的遥感影像数据（30 m），数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn）；③通过对五期遥感影像进行计算机解译（解译精度达85%以上），得到2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2020 年漓江流域土地利用数据。

1.3 研究方法

1.3.1 马尔可夫模型预测 马尔可夫模型通过研究系统不同状态的初始概率和转移概率，来确定系统状态的变化趋势［12］。基于数据的可获得性以及模型模拟精度的综合考虑，选择10 年为1 步长对2030年漓江流域土地利用进行预测。

1.3.2 碳排放核算模型

1）碳排放系数法。碳排放核算模型采用碳排放系数法按照土地利用保持型和土地利用转移型碳排放分别进行计算［13］，其计算式如下。

式中，Ci表示碳排放量；Ai表示i种土地利用类型的面积；Pi表示i种土地利用类型的碳排放系数。

土地利用转移的碳排放强度计算式如下。

式中，Pi表示第i种土地利用类型转变的碳排放强度；C1i表示土地利用类型转变前的碳密度，C2i表示转变后的碳密度，碳密度为植被碳密度和土壤碳密度的和；N为陆地生态系统对碳排放相应的时间周期，选取为20 年，为土地利用转变后的碳汇［14］；Ii表示土地利用转变后的碳汇。

2）土地利用碳排放系数确定。根据漓江流域的自然条件特征选取相应的植被碳密度和土壤碳密度，并结合赖力［1］的研究结果确定土地利用各类型的碳排放系数（表1）、土地利用转移碳排放系数（表2）。

表1 土地利用碳排放系数（单位：t/hm2）

表2 土地利用转移碳排放系数（单位：t/hm2）

1.3.3 线性规划模型 线性规划模型是一种优化模型，它是以区域土地利用要实现的目标为指导，在其基础上选取某个目标，通过构建约束条件对土地利用结构优化［15］。由于土地利用本身是一个变化关系复杂的系统，借助线性规划模型可以通过对约束条件的限定，较大程度规避土地利用变化中的不利因素，使优化结果与经济社会的可持续发展相符合，可信度较高［16］。线性规划模型的表达式如下。

式中，F(x)表示xi、ci乘积的最大值或最小值。xi表示根据漓江流域土地利用实际情况所构建的函数决策变量，ci表示不同地类保持的碳排放系数。

1）决策变量与目标函数设置。根据漓江流域的经济发展特点以及相关资料的可获得性，设置6 个决策变量：X1表示耕地面积；X2表示林地面积；X3表示草地面积；X4表示水域面积；X5表示建设用地面积；X6表示未利用地面积。

本研究在保证经济效益和生态效益的基础上，最大程度地降低土地利用结构产生的二氧化碳排放量［17］。基于低碳视角，结合不同土地利用类型的碳排放系数，调整碳源地和碳汇地的比重，合理优化土地利用结构。根据漓江流域各地类碳排放系数构建碳排放量最小化目标优化模型如下。

2）约束条件设置。耕地是保证粮食安全的基础，以预测的漓江流域2030 年的耕地面积为下限。林地是漓江流域最主要的碳汇地，故以预测的漓江流域2030 年的林地面积为下限，上限选取2000 年以来的历史最高值。草地以2030 年的草地面积预测值为下限，上限取2020 年的草地面积。水域以漓江流域2030 年的预测值为上限，以2020 年漓江流域的水域面积为下限。建设用地是社会经济发展的基础，是漓江流域经济发展的前提，但其又是最主要的碳源地。建设用地以2020 年漓江流域的建设用地面积为下限。土地资源对于漓江流域十分重要也很稀缺，应提高土地利用的效率，故选取漓江流域2020 年的未利用地面积为上限。

2 结果与分析

2.1 2000—2030 年土地利用变化分析

通过对5 期遥感影像的目视解译，得到2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2020 年漓江流域的土地利用数据，结果表明，2000—2020 年漓江流域耕地面积累计减少了93.073 km2，林地面积累计减少了43.143 km2；草地面积累计减少了36.541 km2；水域面积和建设用地面积分别累计增加了26.213、145.592 km2；未利用地面积累计增加了1.141 km2（表3、图2）。以漓江流域2020 年土地利用数据为基准，以10 年为1 步长，通过Markov 模型对2030 年漓江流域土地利用进行预测，结果表明，到2030 年漓江流域的耕地面积减少至3 466.174 km2，林地面积和草地面积分别减少至11 422.214、1 688.594 km2，而水域、建设用地和未利用地将分别增加至232.909、642.319、4.360 km2。由变化数据可知，在漓江流域未来的土地利用中，耕地、林地和草地面积将继续减少，而水域以及建设用地面积将继续扩大且增长速率逐渐增大。

表3 2000—2030 年土地利用面积的现状与预测（单位：km2）

2.2 漓江流域土地利用碳排放分析及预测

2.2.1 2000—2020 年漓江流域土地利用碳排放分析 结合漓江流域不同土地利用类型的碳排放系数，运用式（1）计算得到漓江流域各类用地在2000—2020 年保持的土地利用碳排放量（表4）。从表4 可以看出，漓江流域在2000—2020 年各类土地利用保持的碳排放量呈增长趋势，碳排放量从2000年的163.631 3×104t增加到2020年的244.486 3×104t，增量达到了80.855 0×104t，增长快速，为持续增长状态。从2000 年到2020 年的增长速度越来越快，其中增长量最大的时间区间为2015—2020 年，增长量达到了53.165 9×104t。漓江流域最主要的碳源地是建设用地，最主要的碳汇地是林地。在各类用地保持的碳排放量中，建设用地的排放量占比最大，同时其增长量也最大。

表4 2000—2020 年漓江流域土地利用保持的碳排放量（单位：104 t）

从保持碳排放量来看，2030 年漓江流域耕地、草地的碳排放量低于2020 年的碳排放量，水域、建设用地的碳排放量高于2020 年的碳排放量，林地的碳汇量降低，未利用地的碳汇量升高，这一特征与2020—2030 年漓江流域的土地利用结构变化基本保持一致。同时，在该时期内漓江流域的土地利用保持碳排放变化较大，增加了74.110 2×104t，主要是建设用地的快速增加引起的。

2.2.2 2020—2030 年漓江流域土地利用碳排放预测及变化分析 结合2030 年漓江流域土地利用的预测结果、土地利用碳排放系数和土地利用碳排放转移系数得到2000—2020 年漓江流域土地利用转移碳排放量（表5）及2020—2030 年漓江流域土地利用转移碳排放量（表6），2020—2030 年漓江流域土地利用净碳排放量为322.858 3×104t，其中建设用地的转移造成的碳排放量为360.212 2×104t，土地利用转移碳源量明显增加。由此可知到2030 年，漓江流域土地利用碳排放量继续保持增长趋势，且增长速度越来越快。

从2020—2030 年漓江流域土地利用转移碳排放量来看，该时期内，耕地、草地转移产生的碳排放总量均低于2000—2020 年漓江流域对应类型土地利用转移碳排放量，而林地的碳汇量增加。漓江流域在这一时期内，各类用地向建设用地转移是最大的碳源，各类用地向林地转移是最大的碳汇。

2.3 漓江流域土地利用结构优化

本研究的土地利用结构优化主要以减少碳排放量为目标，运用LINGO18.0 软件构建优化模型。以2030 年为优化目标年份，在软件中输入目标函数及约束条件后即可得到漓江流域2030 年土地利用结构优化方案。对比2030 年漓江流域土地利用结构预测结果与优化结果（表7）可以得出，优化后耕地、林地、草地的面积都有明显增加，水域、建设用地、未利用地的面积明显减少，这与漓江流域的相关规划目标和发展趋势基本相符。2030 年漓江流域土地利用结构预测结果的碳排放量为318.596 8×104t，优化求解结果的碳排放量为244.031 1×104t，优化结果较预测结果减少了74.565 7×104t，优化方案通过调整漓江流域的土地利用结构达到了减少碳排放的目的。优化求解结果表明，要从土地利用角度促进低碳发展，需要加强对林地、草地和耕地的保护，通过土地综合整治等方法增加耕地、草地和林地的面积，盘活存量建设用地，严格限制建设用地的增长，提高水域和未利用地的利用率。

3 讨论

运用Markov 预测模型模拟预测2030 年漓江流域土地利用数据并分析漓江流域2000—2030 年的土地利用变化，在这一过程中，Markov 模型更加侧重于对各类用地数量变化的预测，较好地反映了漓江流域土地利用数量的变化特征［18］。从土地利用变化数量上分析，自2000 年以来，漓江流域的耕地、林地、草地数量持续减少，预测未来会进一步减少，建设用地、水域、未利用地面积逐渐增大，特别是建设用地的数量增长较快，这一研究结果与前人的研究一致［19］。

基于Markov 预测2000—2030 年漓江流域的土地利用碳排放整体呈增加趋势，其中最主要的碳源是各类用地向建设用地转移，最主要的碳汇是各类用地向林地转移，这与班垚尧等［20］对广西土地利用变化及碳排放的研究结果相似。通过预测2030 年漓江流域土地利用数据和土地利用碳排放并结合漓江流域的实际发展情况和相关规划目标建立线性规划模型，从而得出漓江流域2030 年的土地利用结构优化方案。优化后2030 年的漓江流域土地利用碳排放较预测碳排放减少了74.565 7×104t。优化方案表明，可以通过土地利用结构优化达到减少碳排放的目的，这与叶长盛等［7］的研究结论相同。

漓江流域是典型的喀斯特地貌，生态环境十分脆弱，土地利用类型一旦发生转移就很难再恢复原状。随着人口的增加和城镇化建设的活跃，导致其他用地向建设用地转移的趋势增强，林地是陆地生态系统中最大的碳汇［21，22］，林地向建设用地转移是不同土地利用类型向建设用地转移中贡献碳排放量最多的一种。在未来要想实现国家的“双碳”目标和保护耕地的长远战略，漓江流域应该严格限制林地、耕地向建设用地转移，优先考虑除林地、耕地外的未利用地等其他用地类型向建设用地转移，同时提高建设用地的利用率，集约、节约化利用土地，严格落实土地管理制度，坚守耕地保护红线。

4 小结

通过对漓江流域2000 年、2005 年、2010 年、2015年、2020 年遥感影像的目视解译结果，分析其2000—2020 年各类土地利用类型的变化趋势，并通过Markov 模型和碳排放系数法，预测2030 年漓江流域各类用地的碳排放，最后利用线性规划模型得出低碳背景下2030 年漓江流域土地利用结构的最优解，得出以下结论。

1）2000—2020 年，漓江流域的耕地、林地、草地面积整体呈减少趋势，水域、建设用地、未利用地面积整体均呈增长趋势。到2030 年，漓江流域耕地、林地及草地面积将继续减少，而水域面积和建设用地面积将继续扩大且增长速率逐渐增大。

2）2000—2020 年，土地利用保持的碳排放量呈增长趋势，碳排放量从2000 年的163.631 3×104t 增加到2020 年的244.486 3×104t。预测到2030 年，由于建设用地的快速增长及林地等主要碳汇地的减少，漓江流域土地利用保持的碳排放量将继续增加，达到318.596 8×104t。

3）2020—2030 年漓江流域的土地利用净碳排放量为322.858 3×104t，是2000—2020 年漓江流域土地利用净碳排放量的1.3 倍，土地利用转移碳源量明显增加。

4）2030 年漓江流域土地利用结构预测的碳排放量为318.596 8×104t，优化求解结果的碳排放量为244.031 1×104t，优化结果较预测结果减少了74.565 7×104t，漓江流域土地利用结构优化对于实现碳减排目标，提高碳汇能力有重要意义。