蘇州市土地利用變化對生態系統固碳能力影響研究

葉 浩，濮勵杰

（1.廣東商學院資源與環境學院，廣東 廣州 510320；2.南京大學地理與海洋科學學院，江蘇 南京 210093）

1 引言

20世紀70年代以來，隨著人口、資源、環境和發展（PRED）問題的日益突現，有關土地利用問題的研究受到高度重視。每年因土地利用變化所釋放的CO2約占全球CO2釋放量的25％。這種由人類活動引起的碳循環的紊亂導致大氣中CO2濃度的日趨升高，引起世界各國對潛在的全球變暖問題的關注，成為21世紀全人類所面臨的嚴重環境問題［1］。采取適宜的土地利用方式，可以增加陸地生態系統的固碳能力，并能在全球和國家尺度上滿足《京都議定書》中減排義務的需要［2］。精確估計土地利用變化對陸地生態系統碳平衡的影響也因此成為當前全球變化和全球碳循環研究的重點內容。

近20年來，中國大部分地區都存在建設用地規模急劇擴張，農地轉用過速的現象，無疑對區域土地生態系統的固碳能力產生很大影響，但人們對這些影響還并不十分清楚。此外，目前的土地利用規劃編制一般都是以國民生產總值核算為基礎的，主要考慮土地利用經濟產出的合理性，難以反映經濟活動特別是土地利用對生態環境所造成的破壞以及對生態系統固碳能力造成的影響。總的來說，以往較多考慮土地數量變化，很少考慮土地利用變化后生態系統更替對區域生態環境的影響，尤其缺乏對城市化、工業化進程較快的典型地區土地利用變化引起的生態環境破壞程度（包括固碳釋氧能力及生態系統服務功能的變化）定量研究。本文選取近年來經濟發展迅速、土地利用變化劇烈的蘇州市為研究區域，分析土地利用變化對區域生態系統固碳能力的影響。

2 研究區概況和數據來源

蘇州市工業總量、發展速度和產銷水平均名列江蘇省第一，是長三角經濟區增長的重要引擎。2005年，蘇州下轄的5個縣級市在全國百強縣（市）社會經濟綜合發展測評結果中均排在前10名，步入了全國經濟發達城市行列。隨著蘇州市經濟社會的發展，城鎮居民點用地、工礦用地以及基礎設施用地等各類建設用地需求持續增長，占用耕地數量日益增多，農業與非農建設用地矛盾日益突出。在上輪土地利用總體規劃實施的1997—2005年間，農用地由414535.59hm2減少到366650.6hm2，減少了11.55％，耕地由308561.3hm2減少到245345.3hm2，減少了20.49％。減少的農用地主要用于發展工業、交通道路建設和城市居民點建設。這期間，居民點及獨立工礦用地增加了35.6％，交通運輸用地增加46.27％。

研究數據來源于《江蘇省統計年鑒》、《蘇州市統計年鑒》、《蘇州市土地利用總體規劃（1996—2010）》、蘇州市土地利用變更表。

3 計算方法

根據光合作用方程式，植物每生產1.00g植物干物質能固定1.63gCO2，釋放l.20gO2。以此，從凈初級生長量可推算出植物固定CO2和釋放O2的物質量。

3.1 農田固碳量的計算

農作物的碳吸收量，即光合作用產生的有機質，實際上是作物的總第一生產力（Gross Primary Productivity，GPP）。該部分估算包括作物凋落物和秸稈還田所產生的碳。碳吸收部分采用由經濟產量推算生物產量再估算碳吸收量的方法，由于是根據經濟產量進行計算，因此實際上扣除了作物生長過程呼吸作用釋放的碳，并以此作為農田生態系統的碳吸收。由于菜地占蘇州市耕地面積的比例很小，因此不予考慮。本文主要參照李克讓的估算方法，采用不同種類作物經濟系數和碳吸收率來估算農作物的生育期內的碳吸收量［3］。作物從大氣中固定CO2量的具體估算步驟如下：

已知經濟產量（谷粒的產量）Y，生物產量（總干物質）D和經濟系數H的關系如下：

則作物全生育期的碳吸收量Cd為：

3.2 林地與園地固碳量的計算

森林生態系統的固碳作用取決于2個對立過程，即碳素輸入過程和碳素輸出過程。碳素輸入過程主要通過植物凈光合作用實現，而碳素輸出過程主要指森林土壤和動物的異養呼吸過程以及凋落物的礦質化過程。根據方精云等對中國森林植被的生物量和凈生產量研究表明，不同植被干物質生產量差別較大，范圍在0.11—0.14之間［4］，各項參數見表2。

表1 中國主要作物經濟系數和碳吸收率［3］Tab.1 China’smain crop’s economic coefficient and carbon absorption ratio

表2 蘇州市1997—2005年生態系統固碳量 單位：104tTab.2 Ecosystem’s carbona bsorp tionq uantity from1997—2005of Suzhou City unit：104 t

在地類劃分中，林地分為有林地、疏林地、灌木林地、跡地、未成林造林地與苗圃6類。跡地是指森林采伐、火燒后，5年內未更新的土地，不參與計算。依據方靜云等人的研究成果，江蘇省林地年初級凈生產量為9.84t/hm2，疏林地與灌木林地年初級凈生產量為10.95t/hm2。未成林造林地指造林成活率大于或等于合理造林數的41％的新造林地，其年凈初級生產量按林地的41％計算，為4.49t/hm2。苗圃的年凈初級生產量按灌木林地計算，為10.95t/hm2［4］。

園地是指種植以采集果、葉、根莖等為主的多年生木本和草本作物（含其苗圃），覆蓋度大于50％或每畝有收益的株數達到合理株數70％的土地。鑒于國內外文獻均缺乏對園地固碳能力的計算，同時由于蘇州市園地主要為果園、桑園和茶園，可以認為園地的固碳能力等同于林地。依據前文中提到的林地固碳能力的計算方法，可以得到蘇州市園地的固碳量。

城市綠地作為城市建設用地的一個大類，包括公共綠地、生產和防護綠地2個種類，具有重要的生態功能。蘇州市近年來城市綠地面積持續增加，由1997年的2107hm2增加到2005年的4695hm2。研究表明，每公頃綠地每年能吸收碳5.99t［5］。

3.3 其他地類固碳量的計算

其他有固碳功能的地類包括荒草地、葦地、灘涂、沼澤地以及長有水生植物的湖泊、河流、坑塘水面等。荒草地指樹木郁閉度小于10％，表層為土質，生長雜草，不包括鹽堿地、沼澤地和裸土地。根據定義，可將年凈初級生產量按灌木林地的10％計算，為1.10t/hm2。蘇州市位于北緯30°—32°之間，湖泊的年固碳速率為5—72g/m2［6］，河流與坑塘的固碳速率也以此計算。葦地指生長蘆葦的土地，包括灘涂上的葦地。依據朱清海等人的研究，葦地的密度是1.57×106株/hm2，單株的精生長量為6.37g/（株×a）［7］，則葦地的年生長量為10.00t/hm2。依據Aselmann等人的研究，可以認為蘇州市沼澤、灘涂地植被的年凈初級生產量為1500g/m2，即15t/hm2［8］。

圖1 蘇州市土地生態系統固碳能力變化圖Fig.1 Capabilities change of carbon sequestration of land ecosystem in Suzhou City

4 結果分析

為了便于分析土地利用規劃實施以來對區域固碳能力影響的研究，本文研究上輪土地利用總體規劃實施期間（1997—2005年），土地利用變化對區域生態系統固碳能力的影響。各主要地類固碳量變化情況見圖1。

從1997年至2005年，蘇州市土地生態系統固碳量總體呈下降的趨勢，固碳量從1997年的353.91×104t下降到2005年的174.19×104t。從固碳量結構變化看，耕地所占比重急劇減少，呈明顯的下降趨勢，而林地、園地、城市綠地和其他地類固碳量略有增加（表2）。從上述研究可以發現，影響區域土地生態系統固碳能力的主要原因是耕地固碳能力的減少。

蘇州市1997年耕地面積為307339.51hm2，固碳量為309.37×104t，單位面積固碳量為10.07t/hm2。2005年耕地面積為245345.28hm2，固碳量為124.79×104t，單位面積固碳量為5.09t/hm2。因此，影響蘇州市耕地固碳量的變化的主要原因有兩個，一是耕地總面積的減少，二是耕地單位面積固碳能力的下降。由于本文采用作物經濟系數和碳吸收率來估算農作物的生育期內得碳吸收量，進而計算耕地的固碳量，可以認為影響耕地單位面積固碳能力的主要因素是單位面積產量和復種指數（圖2）。

從圖2可以發現，從1997年至2005年，蘇州市糧食單產變化幅度較大，最低值為1998年的6454t/hm2，最高值為2004年的7023t/hm2，平均單產為6692t/hm2。復種指數則從1997年的180.66％減少到2003年的119.79％，在此期間一直處于下降的趨勢，此后略有回升，2005年為125.42％。因此，耕地面積的減少與復種指數的明顯降低是上輪規劃實施期間蘇州生態系統固碳能力降低的主要原因。

圖2 蘇州市糧食單產與復種指數變化圖Fig.2 Changes of grain yield per unit area and multi-cropping index in Suzhou City

5 結語

伴隨著當前土地利用規劃的實施，土地在不同部門之間的配置以及其生態功能無疑也發生著變化。根據1997—2005年蘇州市土地利用規劃實施引起的生態系統固碳能力變化的分析得知，在規劃實施期間，蘇州市生態系統固碳能力呈逐年下降趨勢，標志著蘇州市土地生態系統的基本功能正在逐漸喪失。其中耕地面積的急劇減少與復種指數的下降，是近年來蘇州市生態系統固碳能力持續下降的主導因素。

當前，生態系統固碳能力研究與應用主要集中于全球或區域的生態系統中，而在土地利用規劃中的應用研究甚少。本文定性探討了土地利用變化對區域生態系統固碳能力的影響，對新一輪規劃修編以及土地利用規劃的環境影響評價具有重要意義。

（References）：

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［3］李克讓.土地利用變化和溫室氣體凈排放與陸地生態系統碳循環［M］.北京：氣象出版社，2002：260-261.

［4］方精云，劉國華，徐嵩齡.我國森林植被的生物量和凈生產量［J］.生態學報，1996，16（5）：497-508.

［5］彭立華，陳爽，等.Citygreen模型在南京城市綠地固碳與削減徑流效益評估中的應用［J］.應用生態學報，2007，18（6）：1293-1298.

［6］Dean W E，Gorham E.Magnitude and significance of carbon burial in lakes，reservoirs，and peat lands［J］.Geology，1998，26：535-538.

［7］朱清海，曲向榮，李秀珍.葦田養分生物循環的研究［J］.生態學雜志，2000，19（6）：21-23.

［8］Aselmann I，Crutzen P J.Global distribution of natural fresh-water wetlands and rice paddies，their Net Primary Productivity，seasonality and possible methane emissions［J］.Journal of Atmospheric Chemistry，1989，8（4）：307-358.