黑龍江省土地利用變化的碳排放效應研究

胡國霞，雷國平，，周 浩，路 昌，趙宇輝

（1.東北農業大學 資源與環境學院，哈爾濱150030；2.東北大學 土地管理研究所，沈陽110004）

全球氣候變暖已成為人類社會經濟可持續發展面臨的重要挑戰，傳統的化石燃料能源消費和土地利用結構變化產生的碳排放是其主要因素，2011年，大氣中CO2濃度達到391mg/kg，與工業化前的1750年相比高出40%。從1750—2011年，化石燃料使用以及水泥行業共排放了3 650億t碳，同時，由于森林減少以及其他土地用途改變導致的碳排放量為1 800億t碳［1］（1t碳折合3.67tCO2）。據估算近半個世紀來我國土地利用結構變化導致的累計碳排放量為10.6Pg C，占全部人為源碳排放量的30%以上［2－3］。我國土地利用機理復雜、空間特征多樣和不確定性因素多的變化特點對陸地生態系統的碳排放/吸收影響很大，因此，如何在低碳經濟背景下進行土地利用與管理顯得尤為重要。基于低碳排放要求進行土地的配置已成為學者們研究的熱點問題，如游和遠、吳次芳對土地利用碳排放效率進行了研究［4］；Lai認為科學合理的土地利用管理方式可以重新固定大約60%～70%已損耗的碳，土地利用對減緩碳排放量的增加可以作出一定的貢獻［5］；蘇雅麗和張艷芳對陜西省土地利用變化的碳排放效益做了深入研究［6］；李穎等研究了江蘇省的土地利用方式與碳排放效應［7］。對區域范圍內土地利用結構變化與碳排放的耦合關系研究對控制碳排放具有重要意義和實用價值。

黑龍江省是我國重要商品糧基地，近年來碳排放量的持續增加導致的氣候變暖、降水異常等現象對糧食安全造成了嚴重影響。研究以黑龍江省為研究對象，依據土地利用變更數據及能源統計數據，結合土地利用/覆被數據，分析其土地利用變化情況，并以此為基礎進行碳排放效應分析，為開展黑龍江省碳排放效應研究和相關政策的制定提供依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

黑龍江省位于我國東北高寒地帶，介于北緯43°26′—53°33′，東經121°11′—135°05′，是全國緯度最高的省區，其地形復雜，東北部以烏蘇里江為界，與俄羅斯相望，西部與內蒙古自治區毗鄰，南部與吉林省接壤；丘陵山地海拔在300～1 780m左右，約占全省總面積的80%，平原海拔在50～250m左右，約占全省面積的30%；地勢西北部、北部和東南部高，東北部、西南部低，主要由山地、臺地、平原和水面構成；全省土地總面積47.3萬km2，占全國土地總面積的4.9%，居全國各省區的第5位，其中農用地面積3 778.47萬hm2，占全省土地面積83.5%，建設用地面積147.35萬hm2，未利用地面積600.63萬hm2。至2012年末總人口3 834萬人。

黑龍江省作為我國重要的老工業生產基地和糧食主產區，其經濟發展一直對資源、能源高度依賴，經濟發展主要憑借能源工業推動，對煤炭和石油的依賴程度遠高于我國其他省份。2012年石化、能源和食品主導產業實現產值10 429.8億元，實現增加值4 108.8億元，比上年增長9.1%，其中，石化工業增長9.3%，能源工業增長6.6%。目前，黑龍江省第二產業占據主體地位，GDP增長中重工業增長比重最大，第三產業年產值增加額度遠低于全國平均水平。全省下轄13個地級市，工業化、城市化水平相對較高，土地生態系統受到人類活動影響較大，因此土地結構變化對碳排放影響也較為顯著，分析該區域碳排放效應具有一定的現實意義［8］。

1.2 數據來源

研究涉及到的基礎數據主要包括文本資料數據和圖件數據，文本資料數據包括收集到的黑龍江省土地利用變更臺賬數據（2004—2012）、《黑龍江省統計年鑒》（2005—2013），圖件數據為柵格形式的黑龍江省土地利用/覆蓋圖件（2010），碳排放系數來自于IPCC《國家溫室氣體排放清單指南》（2006），能源消耗數據來自相關統計年鑒中的原煤、焦炭、汽油等消費數據，為獲得2010年的各地級市土地斷面數據，研究根據提取出各地級市行政界限圖對土地利用/覆被柵格圖件進行裁剪，并分地市進行柵格地類面積統計，考慮到變更數據與土地利用/覆蓋圖件存在分類偏差，研究基于變更數據進行柵格數據的歸并處理，文本資料均經匯總整理以備用。

2 研究方法

2.1 碳排放核算

研究主要對耕地、林地、牧草地、園地和建設用地五種主要土地利用類型進行研究。其中探討的碳排放是指凈碳排放，對于具有碳源與碳匯功能的不同土地利用類型，為求得最終的凈碳排放量，設定碳排放為正值，碳吸收為負值。

需要說明的是：（1）本文涉及的土地利用類型是對碳排放影響重要的土地利用方式。（2）由于黑龍江省是我國重要的糧食生產基地，2010年、2011年糧食總產連續突破0.5億t，因此本文在計算耕地的碳吸收時，分別計算主要糧食產物的碳吸收；（3）未利用土地主要包括荒草地、沙地和裸地，碳吸收能力相對微弱，因此研究沒有考慮未利用土地碳吸收。

2.1.1 建設用地碳排放 本文采用間接估算法對建設用地碳排放量進行估算，利用生產生活中各種化石能源消耗量、各種化石能源轉換為標準煤的轉換系數及其相應的碳排放系數進行間接估算［9－12］，計算公式如下：

式中：EC—— 建設用地的總碳排放量；eci——各種化石能源碳排放量；Eni——生產生活中各種化石能源的消耗量；θi——各種化石能源轉換為標準煤的轉換系數；fi——各種化石能源的碳排放系數；其中標準煤轉換系數來自于《中國能源統計年鑒》，碳排放系數來自于IPCC《國家溫室氣體排放清單指南》（2006），見表1。

表1 各類能源的標準煤轉換系數和碳排放系數

2.1.2 農用地碳排放 農用地碳排放的計算采用間接估算法，主要分為農業化肥施用、農業機械使用和灌溉過程帶來的碳排放［13］，計算公式如下：

式中：Ea——農用地碳排放量；Ef，Em，Ei——農田化肥生產、農業機械使用和灌溉過程帶來的碳排放。以上各項碳排放過程計算公式和相關碳排放系數參見相關學者研究成果［14－17］。

2.2 碳吸收核算

2.2.1 耕地碳吸收 耕地碳吸收的計算采用間接估算法，依據農作物產量數據、經濟系數和碳吸收率，主要估算農作物光合作用過程中合成的碳。在計算過程中，選取的主要農作物為水稻、玉米、大豆、薯類、高粱、小麥、谷子、其他糧食作物、油料、甜菜和煙草，計算公式如下：

式中：Cd——耕地碳吸收量；Cf——農作物碳吸收率；Yw——經濟產量；Dw——生物產量；Hi——第i種作物的經濟系數，其中農作物經濟系數和碳吸收率［18－20］見表2。

表2 主要農作物經濟系數（H）和碳吸收率（Cf）

2.2.2 林地、牧草地和園地的碳吸收 林地、牧草地和園地的碳吸收計算采用直接碳排放系數法，計算公式如下：

式中：Ci——第i種土地類型碳吸收，其中，i＝1，2，3，4分別為林地、牧草地、園地；Si——第i種土地類型面積；Vi——第i種土地類型的碳吸收率，其中林地吸收率為－3.809 6t/hm2，草地碳吸收率參考方精云等研究的系數為－0.021t/hm2，園地的碳吸收率為－0.398kg/（m2·a）［21－23］。

2.3 土地利用碳排放邊際變動情況

土地利用碳排放的邊際變動是土地利用面積變化引起的碳排放變動情況，表示碳排放量隨土地利用面積變化的敏感程度［24－25］，其計算公式如下：

式中：MC——土地利用碳排放邊際變動量；?TC——土地利用類型的碳排放變化量；?S——土地利用類型的面積變化量。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

為定量化分析黑龍江省土地利用變化情況，研究引入土地利用動態度模型，即K＝（Ub－Ua）/Ua×100%，式中：K代表單一土地利用動態度；Ua和Ub為研究時段初、末的面積；T為研究時段長度。結果表明（表3），2004—2012年，黑龍江省耕地和建設用地的土地利用動態度為正值，林地、牧草地和園地均為負值，其中，耕地在9a間土地利用動態度為3.75%，面積變化最為明顯，其變化率達到33.73%，黑龍江省作為全國重要的商品糧基地，近十幾年來，區域墾荒、占濕等活動導致耕地面積持續增加。園地面積相對較低，2004年僅6.02萬hm2，但其土地利用動態變化度僅次于耕地，為－2.81%，9a間其面積減少了1.52萬hm2，面積變化率為－25.25%，園地多分布于城市周邊地帶，城市化進程不斷加快，對園地的建設占用現象非常嚴重，導致園地面積急劇下降。牧草地和林地9a間土地利用動態度分別為－0.84%和－0.52%，面積變化率分別為－7.59%和－4.71%，均呈現面積緩慢下降的趨勢，研究期間內的“退耕還牧”和“退耕還林”政策實施有效減緩了牧草地和林地面積的下降。建設用地面積9a間緩慢增加，年均增長量為0.2萬hm2，在以上五種土地利用類型中其土地利用動態度值最低，僅為0.2%。黑龍江省地處中國東北邊陲地區，糧食生產是其支柱性產業，經濟相對落后，城市化進程遠落后中東部較為發達的省份，建設用地面積增長較為緩慢。

3.2 碳排放效應分析

3.2.1 碳排放量分析 選取2004—2012年黑龍江省土地利用變更數據和能源統計數據，進行數值標準化處理，對黑龍江省碳排放/吸收情況進行估算，結果如表4所示。

表3 2004－2012年黑龍江省土地利用類型動態變化

表4 黑龍江省2004－2012年主要土地利用類型碳排放/吸收情況 104t

由表4可知，2004年建設用地和農用地總碳排放量達49 240.04萬t，其中，建設用地為49 034.20萬t，農用地僅205.84萬t，可見，盡管黑龍江省作為我國重要的商品糧基地，其碳排放絕大部分仍然來自建設用地，工業化進程的不斷加快促使對化石能源的需求不斷加強，進而導致碳排放量急劇增加，至2011年，建設用地碳排放量已經達到104 490.96萬t，年均增長率16.16%，2012年，碳排放開始出現下降拐點，這與政府的節能減排措施的推進剛好吻合。9a間盡管農業化肥施用、農業機械使用和灌溉過程帶來的農用地碳排放量持續增長，年均增長率達到10.00%，但由于其絕對量相對很小，對總碳排放影響不大。

具體而言，當地以水稻、玉米和大豆三種農作物為主，90年代中期以來政府推行的“旱改水”農業結構調整使得水田面積大量增加，但近些年氣候異常和其他作物種植面積比例的變化導致耕地碳吸收呈現不規律波動。2004—2008年，林地碳吸收量基本保持不變，但于2009—2012年出現小幅度下降；草地面積相對較小，近些年來政府對草場保護較好，面積下降緩慢，其碳吸收緩慢下降，從2004年的4.67萬t下降到2012年的4.32萬t，9a間下降幅度僅為7.49%；園地在四種碳匯用地類型中面積最小，其碳吸收量也最小，變化幅度有限，從2004年的2.40萬t下降到2012年的1.79萬t。碳匯主要包括耕地和林地，草地和園地由于面積的緣故對總碳吸收影響很小，期間最大值為2010年15 282.54萬t，最小值為2012年的11 914.40萬t，9a間最大變化幅度為22.04%。

2004—2012年黑龍江省的凈碳排放量整體呈現上漲趨勢，其中，2011—2012年出現輕微下降，由2011年的104 835.82萬t下降到102 385.89萬t，總碳排放量和凈碳排放量變化趨勢保持一致。9a間，碳源所造成的總碳排放量遠大于碳匯造成的總碳吸收量，總碳排放絕大部分來自于建設用地，由于化石能源的使用導致建設用地碳排放量非常大，倘若今后不采取有效的節能減排、引進新能源等措施，在未來很長時間內碳排放量將會居高不下。

3.2.2 碳排放/碳吸收影響能力分析 利用邊際變動可以在一定程度上反映土地利用結構變化對碳排放量的影響，依據公式5計算得到黑龍江省2004—2012年碳排放/吸收的邊際變動量，結果如表5所示。

表5 2004－2012年黑龍江省各用地類型碳排放/吸收邊際變化量 104t

建設用地由于其高勞動要素的集聚性，其單位面積的碳排放量遠大于其他用地類型。從表5可以看出，建設用地邊際碳排放量遠大于其他用地類型的邊際碳排放量，達2 872.755萬t，其碳排放量受用地面積變化影響最敏感，碳排放能力在所有用地類型中最強，建設用地作為黑龍江省最主要的碳源，盡管面積比例相對較小，但由于其碳排放邊際變動量非常大，總碳排放量大部分仍來自于建設用地。林地和耕地的邊際碳吸收量相對較小，分別為3.81萬t和1.913萬t，作為黑龍江省最主要的兩種用地類型，大部分的碳吸收來自于它們。園地和草地的邊際碳排放量分別為0.401，0.021，它們用地面積比例很小，碳吸收能力非常有限。建設用地作為該地區碳排放影響的最主要因素，其他用地類型影響有限，今后應重點從建設用地上著手控制碳排放。

3.2.3 碳排放強度分析 現如今，大多數學者都是從單位GDP的角度來研究碳排放強度的，從單位土地面積研究碳排放強度并不多見。研究引入地均碳排放強度和地均建設用地碳排放強度的概念，并以黑龍江省主要土地利用方式的相關參數來研究碳排放。地均碳排放強度為單位土地面積的碳排放量。從圖1中可以看出：地均碳排放強度呈波動增長的趨勢，2012年的地均碳排放強度為21.15t/hm2，同2004年9.05t/hm2相比增加了12.1t/hm2，通過 Excel軟件對其進行曲線擬合，可以看出為一元對數方程，表現出緩慢增長的趨勢。

地均建設用地碳排放強度為單位面積建設用地的碳排放量，從圖2可看出地均建設用地碳排放強度呈波動上升，2012年碳排放強度為599.63t/hm2，同2004年244.73t/hm2相比增加了354.9t/hm2，曲線擬合結果較好，R2＝0.943 3。2004—2012年是黑龍江省經濟快速發展尤其是工業經濟加速發展的時期，地均碳排放強度、地均建設用地碳排放強度與工業經濟發展水平呈正相關關系。

3.3 碳排放區際效應分析

黑龍江省各地級市土地利用結構不同，特別是經濟發展水平存在差異，碳排放強度也各不相同。利用2010年黑龍江省土地利用/覆蓋數據提取各地市建設用地、耕地、林地、草地等用地并進行面積統計，進而得到13個地級市凈碳排放總量和單位面積的碳排放強度，并利用自然斷點法進行碳排放分級（圖3）。

圖2 2004－2012年黑龍江省地均建設用地碳排放強度變化情況

結果表明，2010年黑龍江省碳排放區際差異非常明顯。從碳排放總量來看，作為全省經濟中心的哈爾濱市和工業走廊齊齊哈爾市，該地區經濟發達，能源消耗量大，二者建設用地面積依次為18.4萬，17.9萬hm2，在全省處于前列，所以碳排放量大。以石油產業為主的大慶市面積211.1萬hm2，建設用地面積為12.7萬hm2，建設用地密度相對較高，其碳排放強度為47.3t/hm2，為13個地級市中碳排放強度最高的市。由下圖看出，黑龍江省碳排放主要集中于南部的齊齊哈爾市、大慶市、綏化市、哈爾濱市四個地級市，四者碳排放量占到全省的58.17%。伊春市、大興安嶺地區、牡丹江市域內林地面積相對較高，尤其是伊春市，其林地面積為282.16萬hm2，而建設用地面積僅約3.54萬hm2，其碳排放量為1 621萬t，單位面積碳排放強度僅為4.19t/hm2，在13個地級市中排放強度最低。由此可見，土地利用結構中尤其是建設用地比例高低直接影響著碳排放強度的大小。

圖3 黑龍江省2010年凈碳排放量和碳排放強度變化

4 結 論

研究基于黑龍江省土地利用變更數據、能源統計數據和土地利用/覆蓋數據，分析2004—2012年土地利用變化情況，核算區域土地利用結構變化下的碳排放/吸收量，并以13個地級市為單元分析碳排放區際分布差異，研究結果如下：

（1）2004—2012年黑龍江省僅耕地和建設用地的土地利用動態度為正值，林地、牧草地和園地均為負值，其中耕地在土地利用動態度絕對值最大，為3.75%；9a間區域碳排放絕大部分來自于建設用地，盡管農用地碳排放持續增長，但其絕對量相對很小，對碳排放影響不大；耕地碳吸收呈現不規律波動；碳匯主要是耕地和林地，草地和園地由于面積原因對碳吸收影響很小；凈碳排放量整體呈現上漲趨勢，總碳排放量和凈碳排放量變化趨勢保持一致，其中碳排放量絕大部分來自于建設用地；地均碳排放強度、地均建設用地碳排放強度與工業經濟發展水平呈正相關關系，今后控制碳排放量應重點從建設用地上著手。

（3）黑龍江省碳排放區際差異非常明顯，碳排放大部分集中于南部的齊齊哈爾市、大慶市、綏化市、哈爾濱市四個地級市，2010年四者碳排放量占到全省的58.17%，伊春市、大興安嶺地區、牡丹江市碳排放總量和碳排放強度較低，其中伊春市碳排放強度在13個地級市中最低，僅為4.19t/hm2。土地利用結構中尤其是建設用地比例高低直接影響著碳排放強度的大小。

黑龍江省作為我國重要的商品糧基地，盡管耕地面積相對比例較高，但由于建設用地的碳排放強度遠大于其他地類，其仍然是影響本地區碳排放最主要的土地利用類型，在碳吸收上，林地的貢獻最大，黑龍江省林地資源豐富，林地面積占全省土地面積的51.2%，但由于城市化進程的不斷加快導致林地不斷下降，在碳排放的控制上政府需加大對林地的保護力度，提高建設用地的集約利用率，避免城市的盲目擴張。建設用地的碳排放主要以化石能源的消耗為主要途徑，今后應從優化能源消費結構，大力開發并應用風電、水電、太陽能和清潔煤等低碳能源，逐步減少傳統化石能源的消耗方面著手［23］，并加強耗能結構設備的研發力度，提高設備的能源利用效率，減緩碳排放的增長。

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