2025 年京津冀陆地生态系统碳氧平衡分析

贾刚，李大瑞，孔翠霞，周志峰，郭俊光

国家林业和草原局林草调查规划院

京津冀城市群是我国三大城市群之一，但是其经济发展、区域发展不平衡情况也较为突出，京津冀协同发展对有序疏解北京非首都功能、加强环渤海及京津冀地区合作发展具有重大意义。生态环境保护是京津冀协同发展的重点领域，也是其先行发展的重要突破口。在碳中和背景下，研究区域碳氧平衡生态用地需求，有利于促进京津冀地区的生态环境保护，实现区域经济发展与自然环境的和谐共生[1-3]。

对于生态用地与碳氧平衡的研究，国外学者很早就关注到生态用地对区域发展的制约和影响，并从生态环境维护、生态规则等方面展开了多空间尺度的区域土地生态系统研究[4-11]；国内学者对该领域的研究虽然起步较晚，也从生态城市规划、土地利用优化布局、生态用地需求等方面提出了研究方法和解决途径[9,12-13]。但是，就京津冀地区的相关研究较为少见。为此，笔者以2020 年为基准年，测算了2025 年基于碳氧平衡京津冀地区生态用地需求面积，有助于京津冀地区土地利用结构的优化调整和节能减排措施的研究制定，以期为自然资源的宏观管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

京津冀地区位于华北平原北部（113°27'E～119°50'E,36°05'N～42°37'N），包括北京市、天津市和河北省。地势西北高、东南低，地貌类型复杂多样，西北部为坝上高原，西部和北部为太行山、燕山山脉，东南部为华北平原北端，东临渤海[14]。气候为典型的温带半湿润半干旱大陆性气候，降水量自东南向西北递减[15]。京津冀生态用地面积共有1 732.28 万hm2，其中耕地面积645.73 hm2，园地面积116.90 hm2，林地面积754.12 hm2，草地面积197.67 hm2，湿地面积18.85 hm2。大部分地区森林植被为温带落叶阔叶林，主要树种有油松（Pinus tabulaeformis）、落叶松（Larix gmelinii）、山杨（Populus davidiana）、白桦（Betula platyphylla）、蒙古栎（Quercus mongolica）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、柏木（Cupressus funebris）等[16]。

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源

本文数据主要来源：1）《中华人民共和国2020 年国民经济和社会发展统计公报》和《中国统计年鉴（2021 年）》公布的主要能源产品消费量；2）北京市、天津市、河北省发布的本省（市）第三次全国国土调查主要数据公报中公布的各生态用地面积；3）《国务院关于印发2030 年前碳达峰行动方案的通知》《北京市国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》《天津市碳达峰实施方案》《河北省国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》等文件中公布的单位国内生产总值CO2排放降幅、能源消耗降幅、每年国内生产总值增幅等指标。

1.2.2 测算方法

1.2.2.1 释碳耗氧量测算

释碳量测算采用联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第四十九次（IPCC-49）全会通过的《IPCC 2006 年国家温室气体清单指南 2019 修订版》中CO2排放的测算公式进行计算：

式中：Cit为i省（市）第t年的CO2排放总量，万t；t为基准年，本研究为2020 年；Eijt为i省（市）第t年第j种能源的消费量，万t；kj为第j种能源的碳排放系数，煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然气等8 种能源的碳排放系数分别为1.900 3、2.860 4、3.020 2、2.925 1、3.017 9、3.095 9、3.175、21.622[17]。

耗氧量测算参考相关文献[9,13,18-19]进行，公式如下：

式中：Oit为i省（市）第t年的耗氧量，万t；lj为第j种能源的耗氧系数，煤炭类耗氧系数为32/12，燃油类为24/7，燃气类为160/44。

1.2.2.2 释碳耗氧量预测

释碳量预测采用单位国内生产总值CO2排放降幅指标进行推算，公式如下：

式中：Cit′为预测的i省（市）第t'年的CO2排放总量，t'为预测年度，万t，本研究为2025 年；Git为i省（市）第t年国内生产总值，亿元；Cid为i省（市）t'年比t年单位国内生产总值CO2排放降幅，北京、天津、河北分别为18%、18%和19%；Git′为预测的i省（市）t'年国内生产总值，亿元，Git′=Git×(1+Giz)n，Giz为i省（市）每年国内生产总值增幅，北京、天津、河北分别为5%、6%和6%。

耗氧量预测采用单位国内生产总值能源消耗降幅指标进行推算，公式如下：

式中：Oit′为预测的i省（市）第t'年的耗氧量，万t；Eid为i省（市）t'年比t年单位国内生产总值能源消耗降幅，北京、天津、河北分别为13.5%、13.5%和15.0%。

1.2.2.3 固碳释氧量测算

固碳释氧是陆地生态系统植被的一个重要生态功能[9]，主要是通过陆地上植物的光合作用来实现[20]。由于耕地、园地、林地、草地、湿地等生态用地被不同植被覆盖，加之不同植被生物量的差异，导致各类生态用地的单位面积固碳量和释氧量不同。根据第八次、第九次全国森林资源清查结果，对有关文献[9,11,20]数据进行修正，生态用地单位面积固碳量与释氧量见表1。

表1 生态用地单位面积固碳释氧量和折算系数Table 1 Carbon fixation and oxygen release amountand conversion coefficient of ecologicalland per unit areat/(hm2·a)

各种生态用地单位面积固碳量或释氧量分别乘以相应面积，然后相加之和即为生态用地的固碳总量或释氧总量，因此，固碳量的计算公式如下：

式中：C Sit为i省（市）第t年的生态用地固碳总量，万t；Aimt为i省（市）第t年第m种生态用地面积，hm2；CSm为第m种生态用地的单位面积固碳量，t/hm2。

释氧量的计算公式如下：

式中：ORit为i省（市）第t年的生态用地释氧总量，万t；ORm为第m种生态用地的单位面积释氧量，t/hm2。

1.2.2.4 固碳释氧量预测

预测年度的生态用地固碳量，可按下式进行计算：

式中：CSit′为预测的i省（市）第t'年的生态用地固碳总量，万t；n为基准年与预测年的间隔年数。

预测年度的生态用地释氧量，可按下式进行计算：

式中 ORit′为预测的i省（市）第t'年的生态用地释氧总量，万t。

1.2.2.5 生态用地需求测算

根据IPCC 全球气候变化报告，全球每年因人类活动释放的CO2只有1/3 被陆地生态系统固定，其余有1/3 进入大气，1/3 进入海洋被吸收。因此，陆地生态系统应至少承担区域内总固碳释氧量1/3 的任务。如果区域的生态用地在功能和数量上能够满足这一要求，则区域自身能实现碳氧平衡，否则区域内生态用地的固碳释氧量将难以满足人类活动的需求[9]。根据这一原理可测算出该区域某一时期维持碳氧平衡所需的标准生态用地面积和生态用地面积。本文标准生态用地面积是以不同类型生态用地单位面积植被生物量占林地单位面积植被生物量的比例而折算成的林地面积。

维持碳平衡所需标准生态用地面积计算公式如下：

式中：ACit′为i省（市）第t'年维持碳平衡标准生态用地需求面积，hm2；CSl为林地单位面积固碳量，t/hm2。

维持氧平衡所需标准生态用地面积计算公式如下：

式中：AOit′为i省（市）第t'年维持氧平衡标准生态用地需求面积，hm2；ORl为林地单位面积释氧量，t/hm2。

计算出维持碳平衡所需标准生态用地面积和维持氧平衡所需标准生态用地面积后，取二者中的最大值，则为维持区域碳氧平衡所需的最小标准生态用地面积。然后，根据标准生态用地折算系数和各类生态用地面积占比，换算成各种类型的生态用地面积和总面积。

2 结果与讨论

2.1 释碳耗氧量现状

人类活动中引起的释碳耗氧主要来自人类生产和生活所使用的煤炭、石油等化石燃料的大量燃烧，以及土地利用变化。针对京津冀地区人类的主要活动和能源消费结构，选取煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然气8 种能源进行释碳耗氧量的测算。根据式（1）和式（2），2020 年京津冀地区释碳量和耗氧量测算结果分别为125 576.3 万和143 533.6 万t。

北京的释碳量和耗氧量分别为11 346.2 万和9 055.2 万t，天津分别为19 554.2 万和21 274.0 万t，河北分别为94 675.9 万和113 204.4 万t，三省（市）中，河北释碳量和耗氧量最大。2020 年北京、天津和河北国内生产总值分别为35 943.3 亿、14 008 亿、36 013.8 亿元，三省（市）单位国内生产总值释碳量和耗氧量分别为0.3 和0.3、1.4 和1.5、2.6 和3.1 t/万元。由此可见，河北单位国内生产总值释碳量和耗氧量均高于北京和天津。

从表2 和表3 可见，煤炭燃烧释碳量和耗氧量分别为62 115.8 万和87 166.3 万t，焦炭燃烧分别为29 392.9 万和27 402.1 万t，原油燃烧分别为14 520.8万和16 484.2 万t，汽油燃烧分别为3 535.2 万和4 143.6 万t，煤油燃烧分别为2 536.7 万和2 881.9 万t，柴油燃烧分别为2 920.3 万和3 234.1 万t，燃料油燃烧分别为489.8 万和528.8 万t，天然气燃烧分别为10 064.8 万和1 692.6 万t。8 种主要能源相比，释碳量和耗氧量较大的是煤炭、焦炭、原油。

表2 不同能源燃烧释碳量Table 2 Carbon release from combustion of different energy sources 万t

表3 不同能源燃烧耗氧量Table 3 Oxygen consumption by different energy sources 万t

2.2 释碳耗氧量预测

根据北京、天津、河北单位国内生产总值能源消耗和单位国内生产总值CO2排放降幅有关资料，按式（3）和式（4）分别计算出2025 年京津冀地区释碳量和耗氧量分别为135 957.0 万和163 392.0 万t，比2020 年分别增加8.3%和13.8%。

从各省（市）2025 年释碳量（图1）和耗氧量（图2）来看，北京分别为11 874.4 万和9 996.8 万t，比2020年分别增长4.7%和10.4%；天津分别为21 457.6 万和24 626.1 万t，比2020 年分别增长9.7%和15.8%；河北分别为102 625.1 万和128 769.2 万t，比2020年分别增长8.4%和13.7%。

图1 2025 年京津冀地区释碳量Fig.1 Carbon release in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2025

图2 2025 年京津冀地区耗氧量Fig.2 Oxygen consumption in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2025

2.3 生态用地固碳量与释氧量预测

当前，我国对土地正逐步强化用途管制制度，特别是“三区三线”划定，以及对耕地要求“进出平衡”、对林地要求“占补平衡”等规定，决定着生态用地面积不会发生太大变化。因此，可认为2025 年京津冀地区生态用地面积和结构与2020 年相比变化较小。在这一假设前提下，2025 年京津冀地区生态面积与2020 年基本保持一致，共有生态用地面积17 322 820.3 hm2。其中，耕地面积6 457 282.7 hm2，园地面积1 169 061.0 hm2，林地面积7 541 237.0 hm2，草地面积1 976 709.3 hm2，湿地面积178 530.2 hm2。按照式（5）～式（8）可计算出2025 年京津冀地区固碳量和释氧量分别为63 979.6 万和166 440.4万t。

2025 年北京固碳量和释氧量分别为5 194.3 万和13 283.4 万t，天津分别为2 003.3 万和5 268.7 万t，河北分别为56 782.1 万和147 888.2 万t。可见，河北固碳量和释氧量均大于北京和天津，其原因主要是河北生态用地面积在3 个省（市）中最大，是北京生态用地面积的12.9 倍、天津生态用地面积的27.7 倍。

从不同生态用地固碳量（图3）和释氧量（图4）来看，2025 年耕地固碳量和释氧量分别为22 051.6万和59 084.1 万t，园地分别为2 420.0 万和6 453.2万t，林地分别为35 706.4 万和90 758.8 万t，草地分别为3 399.9 万和9 073.1 万t，湿地分别为401.7 万和1 071.2 万t。5 种主要生态用地相比，固碳量和释氧量最大的是林地，其次是耕地。分析其原因主要是与其面积占比和固碳释氧能力有关。在面积方面，京津冀地区林地面积占生态用地面积的43.5%，面积占比最大；耕地面积占生态用地面积的37.3%，面积占比居其次。在固碳释氧能力方面，由表1 可知，单位面积年固碳能力从大到小排序依次为林地、耕地、湿地、园地和草地；单位面积年释氧能力从大到小排序依次为林地、耕地、湿地、园地和草地。由此可见，无论单位面积固碳能力还是释氧能力，林地和耕地均大于其他类型。

图3 不同生态用地固碳量Fig.3 Carbon sequestration amount in different ecological lands

图4 不同生态用地释氧量Fig.4 Oxygen release in different ecological lands

2.4 生态用地需求面积

根据碳氧平衡理论，陆地生态系统应至少承担区域内总固碳释氧量1/3 的任务，才能维持生物圈中CO2和O2的平衡。而陆地生态系统所承担的固碳释氧量任务绝大部分由生态用地来完成。据此测算（表4），2025 年京津冀地区应完成的固碳量和释氧量分别为45 319.0 万和54 464.0 万t，比预测的2025 年京津冀地区生态用地固碳量和释氧量分别少18 660.6 万和111 976.5 万t，说明2025 年京津冀地区生态用地面积能够满足碳氧平衡的需要。但分地区看，各有不同。2025 年北京应完成的固碳量和释氧量比预测量分别少1 236.1 万和9 951.2 万t，说明2025 年北京生态用地面积能够满足碳氧平衡的需要。2025 年天津应完成的固碳量和释氧量比预测量分别多5 149.2 万和2 939.9 万t，说明2025 年天津生态用地面积不能够满足碳氧平衡的需要，应增加生态用地面积。2025 年河北应完成的固碳量和释氧量比预测量分别少22 573.7 万和104 965.2 万t，说明2025 年河北生态用地面积能够满足碳氧平衡的需要。

表4 固碳量与释氧量需求关系Table 4 Carbon sequestration related to oxygen demand 万t

根据式（9）和式（10）计算得出（表5），2025 年京津冀地区维持碳平衡所需标准生态用地面积为957.2 万hm2，维持氧平衡所需标准生态用地面积为452.6 万hm2，取二者中最大的，维持碳氧平衡所需最小标准生态用地面积为957.2 万hm2。与现有标准生态用地面积相比，少413.6 万hm2，说明不需要再另外增加面积，现有标准生态用地面积能够维持区域碳氧平衡。但就个别省（市）而言，还应增加标准生态用地面积，如天津应增加标准生态用地面积107.9 万hm2，按标准生态用地折算应增加生态用地面积为140.4 万hm2。

表5 维持碳氧平衡生态用地需求量Table 5 Ecological land demand for maintaining carbon and oxygen balance 万hm2

2.5 讨论

2025 年京津冀地区释碳量和耗氧量分别为135 957.0 万和163 392.0 万t，为维持区域碳氧平衡需固碳量和释氧量分别为45 319.0 万和54 464.0 万t，比预测的2025 年京津冀地区生态用地固碳量和释氧量分别少18 660.6 万和111 976.5 万t，说明2025 年京津冀地区生态用地面积能够满足碳氧平衡的需要。

2025 年京津冀地区维持碳氧平衡所需最小标准生态用地面积为957.2 万hm2。与现有标准生态用地面积相比较，少413.6 万hm2，说明不需要再增加面积。但分省（市）来看，北京、河北的生态用地面积均能够满足碳氧平衡需，而天津还应增加标准生态用地面积107.9 万hm2，方能满足市内维持碳氧平衡的需要。其所需增加的标准生态用地面积折算成对应生态用地面积为140.4 万hm2。

8 种主要能源相比，京津冀地区释碳量和耗氧量较大的是煤炭、焦炭、原油。天津释碳量较大的是煤炭、原油、焦炭和天然气，耗氧量较大的是煤炭、原油、焦炭和柴油。5 种主要生态用地相比，固碳量和释氧量最大的是林地，其次是耕地。因此，天津市维持市内碳氧平衡的根本途径包括减排和增汇。减排主要指减少化石能源的消耗，如针对性地降低煤炭、原油、焦炭和柴油的使用比例，并使用高性能环保设施，应用清洁能源等。增汇主要指的是增加生态用地植被的固碳量和储碳量，主要通过增加生态用地面积和提高生态用地质量得以实现，如增加林地面积，调整森林结构。

3 结论与建议

根据天津第三次全国国土调查主要数据公报，天津林地面积只占总面积的12.1%，远低于北京（59.0%）和河北（34.0%），说明应充分利用边角地、空闲地、拆违地、四旁地、庭院等逐步增加绿化面积，受土地用途管制所限，还应考虑京津冀协同发展大局，将维持市域碳氧平衡不能在本市增加的林地或生态用地面积通过投资河北生态建设形式进行弥补；林地中，乔木林地面积比例为21.4%、灌木林比例为8.6%，其他林地比例为70%，其他林地面积过大，应通过造林绿化逐步增加乔木林地和灌木林地面积比例，还应通过森林抚育、退化林修复等措施提升乔木林和灌木林质量。虽然北京、河北维持碳氧平衡不需要再增加生态用地面积，但也应考虑区域生态环境的一体化发展，通过开展造林绿化、森林抚育、低效林改造、退化林修复、草地改良等，带动区域生态环境的整体好转，为区域经济发展与自然环境的和谐共生起到示范带头作用，为京津冀协同发展贡献应有力量。

本次碳氧平衡分析假设的前提是2025 年京津冀地区生态用地面积和结构与2020 年相比基本无变化。但无论土地用途管制制度执行得多么严格，在实际社会和经济发展过程中生态用地面积会略有调整，而且生态用地结构和质量也会发生变化，进而影响生态用地的固碳量和释氧量以及区域碳氧平衡。因此，在实际生产和科研中，如应用本次研究成果，应根据每年生态用地的实际变化量来逐步修正。