全國土地利用碳排放效應探討

李琦雯?林志鵬?吳昕玲

摘 要：國內外有關碳排放視角下的土地利用研究應經廣泛開展，其中 “土地利用對碳循環和生態系統的影響研究”、 “陸地生態系統對碳匯和碳循環的影響”研究、“經濟發展驅動下土地利用對生態系統的影響”研究、“基于‘低碳下的土地利用/覆蓋變化（LUCC）相關模型”研究都取得了相應的成果。基于以上研究成果，筆者試從全國范圍內對土地利用碳排放效應展開討論，從而為我國土地資源的合理利用提供理論指導和重要參考。

關鍵字：碳排放；土地利用/覆蓋變化；生態效應

基金項目：大學生創新創業訓練項目（1184513209）：基于低碳下的土地利用覆蓋變化研究。

胡錦濤在2005年6月27日講話指出：節約能源資源，走科技含量高、經濟效益好、資源消耗低、環境污染少的路子，是堅持和落實科學發展觀的必然要求，也是關系中國經濟社會可持續發展全局的重大問題。經濟發展與資源環境相協調，最重要的是資源利用與環境保護之間的相協調。

自工業革命以來，世界經濟發展迅速，人類活動對自然資源的需求和消耗急劇上升，土地利用結構的轉變，大片森林砍伐和濕地破壞，煤炭、燃料化石等能源的消耗等，對地球生態環境造成了巨大的破壞，最具影響的是全球氣候的持續變暖。碳排放量作為氣候變暖的一個重要因素，受到能源消耗、土地利用的影響尤為嚴重，據統計，2007年世界碳排放總量達到37757.32Mt，大氣CO2濃度較工業革命前增加了近25%，并以0.5%的年速率持續升高。中國作為最大的發展中國家，人口眾多，資源有限，資源環境系統尤為脆弱，改革開放以來的中國經濟高速發展、工業化和城市化的持續升溫，造成大量能源消耗和土地利用變化，導致中國碳排放總量于1996年的3363.5Mt上升至2007年的7219.2Mt，占世界總排放量的19.12%，成為世界上最大的碳排放國家。而在將來很長一段時間里，中國的能源消耗還以煤炭、石油等高碳排放能源為主，所以，堅決做好節能減排工作，是堅持走中國社會主義可持續發展道路的重大任務。

導致碳排放量增加的人為因素主要包括兩方面：一方面為能源消耗和工業生產直接溫室氣體排放，另一方面為土地利用結構變化影響溫室氣體匯和源的分布和協調[3]。而這兩方面都可以借助土地利用變化來體現，工礦企業、水利交通等建設用地的增加、林地面積的減少、耕地數量的變化等都會體現出能源消耗量和碳排放量的多少和分布。作為造成全球變化和碳循環不平衡的重要原因之一，不合理的土地利用會導致土壤和植被碳儲存能力的降低，大氣中碳排放量持續增加，自然生態系統受到嚴重破壞。70年代以來，關于碳排放的話題引起了廣泛的關注和深入的研究，但主要針對能源消耗或者某類典型的陸地生態系統等對碳排放的影響機理，而以全國為基礎，對各類土地利用方式碳排放效應進行整體研究還待深化。為此，本為以中國1996年～2008年土地利用變化、能源消耗和碳排放量為基礎，對全國范圍內土地利用變化碳排放效應進行探討，從而也為深入開展土地利用碳排放研究和核算土地利用變化碳排放量影響提供幫助。

1 研究方法與數據來源

1.1研究方法

土地利用伴隨著碳排放的發生，人類在土地上的生產生活以及土地自身利用狀態的保持與轉變是陸地碳排放的主要來源 。人類活動造成的能源消耗、林、草地和濕地面積的減少等是碳排放量增加的直接原因，已有研究認為，僅中國能源消耗的碳排放占總碳排放量的76%[8]。按照碳源（匯）的定義，根據已有的主要土地利用類型碳源（匯）能力，對全國土地利用類型進行分類，碳匯主要包括林地和草地，碳源主要包括耕地、建設用地[12]。其中耕地作為碳源和碳匯的混合效應，按照農業生產中碳排放系數及自身的碳吸收系數，差值確定其為碳源；建設用地作為碳源不能簡單的用建設用地面積來衡量，而是間接的利用生產生活各種能源消耗所產生的碳排放。

本文只考慮全國范圍內不同時間段土地利用碳排放效益的時空差異，而排除不同區域同一土地利用類型碳排放和吸收系數差別，采用經驗系數法對全國范圍內土地利用碳排放效益進行測算，見表1：其中林地、草地的碳匯系數由已有研究結果確定；耕地作為碳源、碳匯的混合對象，其碳排放系數由碳源與碳匯差值確定；中國能源消耗主要包括煤炭、石油和天然氣等，所以建設用地碳源系數由煤炭、石油和天然氣碳源系數求和確定[4][10-12] 。

碳排放估算公式： （1）

其中：E——碳排放總量，萬噸； ei——研究區i類土地利用方式碳排放量，萬噸；Ti——i類碳排放系數，排放為正，吸收為負；各類土地利用面積（建設用地為各類能源消耗量），m2（萬噸）。

1.2 數據來源

采用1996～2008年的《中國統計年鑒》，1996～2008年的中國能源消耗統計數據，1996年和2008年中國華北、東北、華東、中南、西南和西北六區土地利用現狀及能源消耗統計數據，《全國土地利用總體規劃綱要（2006-2020年）》，此外還包括部分來源于已有文獻的土地利用數據和方法數據。對已有數據采用已有的經驗系數法進行歷年土地利用碳排放量進行測算和分析，并對2020年中國碳排放量進行預測。

2 結果分析

2.1 碳排放的總體估算及特征

根據收集的中國1996～2008年土地利用現狀數據和歷年中國能源消耗數據，利用經驗系數法對全國1996～2008年碳排放量進行測算，并作出正確分析（見圖1和圖2）：（1）全國1996～2008年碳排放量經歷了兩個時期，1996～2003年的碳排放量為負，呈現碳匯階段，2001～2008年碳排放量為正，并持續增加，呈現碳排放階段；（2）歷年能源消耗量也呈現階段性，即1996～2000年左右，能源消耗量變化平緩，而2000～2007年，由于經濟的快速發展，工業化和城市化持續升溫，造成此階段能源消耗量持續增加，年變化率達到20%左右，而2007年以后，國家宏觀調控加強，強調經濟發展與環境資源相協調，注重節能減排，所以在2007年后一年中能源消耗量增加緩慢；（3）由于2001年以前林地面積逐年減少，致使林地碳匯能力逐年下降，較1996年來說，林地面積減少了3727.58 萬公頃，碳匯能力降低了14.0%，而2001年后國家注重了林地保護和植樹造林活動，全國林地面積持續增加，2003年增幅最大達到2%，而后林地面積逐漸趨于平穩，林地碳匯能力也隨之趨于穩定；（4）1996～2008年間，耕地面積逐年減少，致使耕地碳排放量相應減少，但耕地碳排放率較小，所以碳排放值影響值較小；（5）由于城市范圍和工礦企業、交通水利等用地的逐年擴張，致使建設用地面積逐年增加，增幅在1.03%～2.14%，相應碳排放量來說，工礦企業等碳排放量相對于建設用地總碳排放量來說，達到92.1%左右，而其余碳排放主要來源于居民生活碳排放。

圖1 全國1996-2008年主要土地利用方式的碳排放量

圖2 全國1996-2008年主要土地利用面積年變化率

為了反映各類土地利用變化對碳排放量變化的影響，對各類土地利用變化碳排放效應進行邊際分析，即相應碳排放變化量與各類土地變化率的比值，見式2。

其中：——i類土地利用變化碳排放邊際值；——1996和2008年i類土地利用類型碳排放量差值；——i類土地利用面積變化率。

由各類土地利用碳排放的邊際分析看出（見表2）：耕地和草地對碳排放（吸收）的貢獻值較低，分別問0.042和0.002t*（hm2）-1，而對碳排放（吸收）影響最大的為林地和建設用地，作為最大的碳匯來源，1hm2林地碳匯量僅占建設用地碳排放量的2%左右，相對來說，林地對碳排放的敏感度較差，而建設用地相對來說比較敏感。而對于邊際分析來說，在現有林地基礎上，每增加1%面積林地，可以吸收同樣比例的建設用地和耕地碳排放量的18%左右。這就說明，目前林地面積還遠遠不能達到碳排放的吸收，相對比來說，50hm2新增林地才能平衡1hm2新增建設用地帶來的碳排放，所以，在現有林地和建設用地基礎上，有效合理的植樹造林、資源節約型的建設用地擴張等措施對大氣碳系統平衡起到很大作用。

從表2可以初步斷定，建設用地和碳排放量之間的相關性最強，而林地次之，為了近一步分析各類土地利用方式和碳排放效應的相關性關系，我們對各類土地利用變化和碳排放量進行了相關性分析，并得出結果，見表3：建設用地與總碳排放量之間呈顯著相關，而耕地和林地用地面積和總碳排放量之間呈現負相關；但由于國家現在堅持耕地的保有量，耕地面積處于一個比較穩定的階段，所以雖然林地與碳排量之間的不顯著負相關更得引起注意，由于林地對碳排放量的敏感度低，林地面積的小比例增大對碳排放量的影響程度低。

為了更進一步的說明各類土地利用方式和碳排放量之間的相關性和因果關系，對已有數據進行多元回歸分析，見式3。

（3）

其中，x1～x4——分別為耕地、草地、林地和建設用地面積；y——因變量（碳排放總量）；abcd——各個自變量（土地利用類型）的系數；——表示相關常量。

由于耕地和草地對碳排放（吸收）的影響率低，分別為0.042t*（hm2）-1和-0.002 t*（hm2）-1，所以在假定耕地和草地現有面積和碳排放效應不變的情況下，只考慮林地和建設用地的碳排放效應，式3可變形為：

（4）

在現有建設用地面積和林地面積不變的情況下，平衡現有多余碳排放還需要在2005年基礎上新增約6120萬hm2面積林地。按照國家做出的碳排放量降低目標，至2020年中國碳排放量基于2005年降低40%左右，建設用地面積控制在3724萬hm2，假設2020年中國能源利用率達到發達國家水平為43%，則需要新增林地面積約6103.86萬hm2，按照現有水平很難實現，所以就要求國家要節約集約利用土地，科技創新提高能源利用率，并且要大力發展新能源和環保能源等。

2.2 區域碳排放分析

1996年全國土地利用碳排放效應來看，國家總碳排放量為-55950.72萬t，從整體上看處于碳匯階段，但由于中國土地面積寬廣，地形復雜，生態多樣，土地利用分布不均勻，整體碳排放效應不能完全說明中國實際碳排放效應。

2.2.1 區域土地利用差異性探討

中國國土面積960萬km2，面積遼闊。自然資源豐富，但由于自然條件和經濟發展的不平衡，造成中國各類土地利用分布不均勻，以1996年為例，對全國土地利用分布進行分析：各區域耕地面積比較均衡，差異性較小；土地利用分布差異性較大的為建設用地和草地，草地主要分布在華北、中南、西南和西北地區，而華東地區草地面積僅為11.7萬hm2，僅占總面積的0.04%左右，比率標準差為0.182，差異性極大；林地主要分布于中南和西南地區，而西北地區林地面積2707萬hm2，占總面積的10%左右，較西南地區林地面積少4776萬hm2，將近西北地區林地面積的1.7倍；建設用地面積主要集中在華東和中南地區，各區之間差異性較大，比率標準差為0.072。而從整體來看，華東地區建設用地面積最大，林地面積處于較低水平，草地面積最小，土地利用分布極不平衡。

2.2.2 區域碳排放差異性

基于此問題的存在，按國務院規定的國家區域劃分，對土地利用碳排放效應進行分區探討（見圖4）：1996年各區碳排放中，華東地區碳排放量為5775萬t，其余各區碳排放量均為負，而到2008年，僅東北地區和西南地區碳排放為負，其余各區域排放量為正；華東地區碳排放量變化最大，達到35300萬t，其次為中南地區和華北地區，雖然西北地區碳排放量變化最小，但發生了質的變化，碳排放量由負轉正。這主要是由于1996～2008年間，中國經濟快速發展，城市化和工業化程度快速提高，致使建設用地面積在各個區域內都呈現高速擴張。而作為經濟發展最快的華東地區，在一定土地的限制下，經濟的發展必定會造成土地利用類型之間的相互轉換，而提高經濟發展最主要的即為其他土地利用類型向建設用地的轉換。在12年間，華北地區建設用地面積擴張了近134%，建設面積的增大直接帶來的是能源消耗的增加，而華東地區林地面積減少了近13%（見圖5），最大碳源的增加和最大碳匯面積的減少，致使華東地區碳排放變化幅度最大，華北、中南和西北地區碳排放發生了質的變化。

圖3 1996年各區域土地利用面積

圖4 1996和2008年各區域土地利用碳排放總量

圖5 1996和2008年各區域土地利用變化

各區域內各省市之間由于土地利用分布不均勻，導致土地利用碳排放與該區域整體碳排放效應也不一定全部一致，例如河北省1996年碳排放總量為約8990萬t，而華北地區在1996年碳排放總量為-1416萬t，在本文中，由于數據和篇幅限制，不做進一步的分析和解釋。

而對于中國各區域碳排放的貢獻來說，1996～2008年也發生了巨大改變，見圖6：1996年碳排放的主要貢獻區域為華東地區，而其余各區域碳排放量都處于負值階段，碳排放大小分別為：華東、華北、東北、西北、中南和西南；2008年碳排放主要貢獻區域分布于華北和華東地區，而各區域碳排放量也都有大幅度的增加，西北、中南地區碳排放量由負轉正，而東北和西南地區碳排放量雖然仍處于負狀態，但碳吸收能力明顯減弱，所以在經濟發展和城市化、工業化快速進程中，不能犧牲環境以代價，除此之外，由于區域各類土地利用面積不均勻，更不能以犧牲自身的優勢碳匯力量來進行經濟發展。西南地區林地面積在各區域中是最大的，在1996～2008年，林地面積作為最主要的碳匯力量減少了12%，而建設用地面積增加了近92%，再加上林地的碳排放效應沒有建設用地明顯，敏感度低，致使西南地區碳排放吸收能力降低了近48%。

圖6全國 1996和2008年各區域土地利用碳排放量分布圖

3 結論與討論

3.1 結論

通過對全國范圍內1996～2008年土地利用碳排放效應的探討和分析，得出如下結論：

（1）全國土地利用碳排放效應處于兩個階段：1996～2003年碳排放為負階段和2003～2008年碳排放為正并且持續增加階段；

（2）林地和建設用地作為主要碳源（匯），對碳排放的影響比較大，但林地的邊際變化碳效應僅為建設用地的2%左右，而林地面積的逐年減少和建設用地的增加，對碳排放的降低增加了風險；

（3）基于12年土地利用碳排放效應，對2020年全國土地利用碳排放效應進行了估測，結果顯示，要想達到預期經濟發展和減排目標，在耕地和草地面積不變的情況下，需新增林地6103.86萬hm2；

（4）全國各類土地利用面積分布不均勻，其中建設用地和草地的區域差異最大，致使各區域土地利用碳排放效應與總體碳排放存在一定的差異，而由于土地利用結構調整和面積轉換，各區域碳排放也在不斷發生改變。

3.2 討論與建議

中國作為最大的發展中國家，在經濟快速發展、城市化和工業化水平迅速提高的今天，土地利用變化和能源消耗致使大氣碳排放量逐年增加，國家快速發展面臨的碳排放量降低任務日漸嚴峻，這就要求我們做出應對現有土地利用碳排放的舉措和手段，走經濟發展和土地利用相協調的節能減排的新經濟道路[14]。本文基于有限的分析和討論，提出如下幾點建議：

（1）在嚴格保護耕地的基礎上，節約集約用地，統籌各類用地。穩定耕地數量，不斷提高耕地質量和農業綜合生產能力；轉變土地利用方式，推進土地節約集約利用，加強建設用地空間管制，促進城鄉用地統籌，不斷提高土地利用效率與效益。

（2）加強土地生態環境保護與建設。合理進行植樹造林活動，統籌安排生產、生活和生態用地，加強各類自然保護區、森林公園、濕地保護與建設，促進生態環境不斷改善。

（3）加強土地復墾與生態重建工作。加強全國范圍內歷史遺留和損毀土地統計工作，在此基礎上，做好土地復墾工作，把已損毀或廢棄土地進行復墾，重新利用，把這些已廢棄土地變廢為寶，是土地利用結構更趨于合理[15]。

（4）工礦企業堅持綠色生產。不斷科技創新提高生產效率和能源利用率，在此基礎上，大力發展清潔能源，并且做好“三廢”處理工作，嚴格執行國家的綠色生產要求，節約、集約利用生產資源和土地。

參考文獻

[1]Mohan K W， Fatih E， Tristram O. Assess in terrestrial ecosystem sustainability： Useful nessofregional carbon and nitrogen models [J]. Nature & Resources， 1999， 35 （4）： 21-33

[2]Nefiel A， Mocr E， Oeachger H. Evidence from polar ice comes for the increase in atmospheric CO2 in the past centuries [J]. Nature， 1985， 315： 45-47.

[3]Houghton R A. Changes in the storage of terrestrial carbon since 1950 [A]. LAL R. Soils and Globe Change [C]. London： CRC Press， 1995， 45-65.

[4]Cai Zucong， Kang Guoding， Tsuruta H， et al. Estimate of CH4 Emissions from Year-Round Flooded Rice Field During Rice Growing Season in China[J]. Pedosphere， 2005， 15 （1）： 66-71.

[5]Stuiver M. Atmospheric carbon dioxide and carbon reservoir change [J]. Science 1978. 1997 （4326）： 253-258.

[6]Eggleston H S， Buendia L， Miwa K， et al. 2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories[M]. Prepared by the National Greenhouse Gas Inventories Programme. IGES， Japan， 2006.

[7]世界資源研究所. 2005年世界各國碳排放量排名[R]. http：//www.chinaxhjr.org/content.asp？id=590.

[8]中華人民共和國氣候變化初始國家信息通報[M].北京：中國計劃出版社，2004.

[9]曲福田，盧娜，馮淑儀. 土地利用變化對碳排放的影響[J]. 中國人口資源與環境，2011，21（10）：76-83.

[10]趙榮欽，秦明周. 中國沿海地區農田生態系統部分碳源/匯時空差異[J]. 生態與農村環境學報，2007，23（2）：1-7.

[11]徐國泉，劉則淵，姜照華. 中國碳排放的因素分解模型及實證分析：1995-2004[J]. 中國人口.資源與環境，2006，16（6）：158-161.

[12]方精云，郭兆迪，樸世龍，等. 1981～2000 年中國陸地植被碳匯的估算[J]. 中國科學，2007，37（6）：804-812.

[13]李穎，黃賢金，甄峰. 江蘇省區域不同土地利用方式的碳排放效益分析[J]. 農業工程學報，2008，24，增刊2：102-107.

[14]蔣南平，向仁康. 中國經濟綠色發展的若干問題[J]. 當代經濟研究，2013，（2）：50-54.

[15]胡振琪. 中國土地復墾與生態重建20年：回顧與展望[J]. 科技導報，2009，27（17）：25-29.