基于碳氧平衡分析的吉泰走廊區域生態用地需求研究

■曾 翔 ■江西省城鄉規劃設計研究院，江西 南昌 330077

1 引言

生態用地是指具有生態服務功能的各類用地，是自然生態系統的載體，承擔生態系統的各種服務功能，包括氣候調節、水源涵養、水土保持、生物多樣性保護、食物生產、材料生產等生態服務功能，是人類生存和經濟社會發展的重要物質基礎。然而隨著經濟的不斷發展、城鎮化進程的加快，以人口、產業集聚為特征的各類建設用地的不斷擴張使得以生態服務功能為主的生態用地面積逐漸減少，引起了一系列生態和環境問題，如水土流失、水體污染、生物多樣性減少等，給經濟社會可持續發展帶來挑戰。

在當前城鎮化進程中各類建設用地需求不斷增加的壓力下，如何科學合理地確定生態用地數量，正確處理建設用地與生態用地的需求矛盾，使經濟發展與自然生態保護的關系重新走上協調發展的軌道，是保持可持續發展的重要關鍵。

有鑒于此，本文以吉泰走廊區域為例，應用碳氧平衡法通過對吉泰走廊區域碳氧供需情況的研究，進而測算當前以及目標年的生態用地最小需求，為編制區域生態空間保護規劃中生態用地數量的確定提供依據與參考。

2 研究區概況

吉泰走廊區域位于吉安市中部，范圍包括三縣四區(吉州區、青原區、井開區、廬陵新區、吉安縣、吉水縣、泰和縣)下轄的8 個街道、29 個鄉鎮、6 個工業園區，是吉安市乃至江西省發展基礎較好，經濟聚集度較高，發展潛力較大的區域。2013 年吉泰走廊區域總面積2961 平方公里，占全市面積的11.7%;人口為129.24 萬人，占全市人口的25.4%;GDP 達到561 億元，占全市的50.1%。

吉泰走廊區域處于吉泰盆地中部，以贛江干流為軸線向外擴展，地貌依次呈平原、崗地、丘陵、山地等階梯狀分布。整個地勢東西高聳、中部低平，周邊擁有連綿環抱的山體、丘陵;以吉安縣的西垅山和青原山南面山麓為南北分界，北面以崗地為主，南面以平原、丘陵為主。

3 研究方法

3.1 碳氧平衡模型

碳氧供需包括碳排放與氧消耗、碳固定與氧釋放兩方面的內容，前者主要指人類活動引起的排碳耗氧過程，后者主要指生態用地的固碳釋氧過程。根據國家土地利用分類標準，生態用地可分為耕地、園地、林地、草地、水域濕地五類。碳氧平衡模型如下所示:

式中BC為碳平衡系數;BO為氧平衡系數;C排放為碳年排放量;C固定為碳年固定量;O消耗為氧年消耗量;O釋放為氧年釋放量。

當BC與BO小于或等于1 時，則表示碳排放量能夠被生態用地完全吸收，氧釋放量能夠滿足當地的需求，生態經濟系統處于可持續發展狀態;當BC與BO大于1 時，則表明生態經濟系統處于超負荷狀態，難以保持可持續的發展。

3.2 排碳耗氧計算

從排碳耗氧角度來看，區域內的排碳耗氧活動主要有煤炭的燃燒、原油的燃燒、天然氣的燃燒以及人口的呼吸，其他如排泄物的分解耗氧或是少量其他能源的燃燒在計算時暫不予考慮，其計算模型如表1、表2 所示。

表1 排碳量計算模型

注:1、標準煤含碳量【1】為80.990;標準煤含氫量【1】為2.820。2、原煤折算標準煤系數【2】為0.7143kgce/kg;燃油折算標準煤系數【2】為1.471kgce/kg;燃氣折算標準煤系數【2】為1.241 kgce/m3。3、每人每天呼吸二氧化碳排放量【3】為0.900kg/人/天。

表2 耗氧量計算模型

3.3 固碳釋氧計算

固碳釋氧過程主要是通過植物的光合作用來實現，不同生態用地的植被生物量均有不同，其固碳釋氧的能力相應也有差異(表3)。由于不同生態用地的固碳釋氧能力只與其地均凈生產量有關，而不同生態用地類型地均凈生產量值一定，故可根據不同類型生態用地的地均凈生產量比例將不同類型的生態用地換算成標準生態用地(表3)，統一測算生態用地的年固碳釋氧量，計算模型見表4 所示。

表3 單位面積生態用地年固碳釋氧量與類型折算系數表【4】

表4 固碳釋氧計算模型

3.4 生態用地需求測算

在對排碳耗氧與固碳釋氧的計算基礎上，根據碳、氧平衡公式(1)、(2)，分別推導出保持碳平衡和保持氧平衡所需的最小標準生態用地面積計算公式。

保持碳平衡所需最小標準生態用地面積計算公式

保持氧平衡所需最小標準生態用地面積計算公式

根據IPCC 氣候變化報告，全球生態經濟系統中所釋放的二氧化碳有1/3 進入大氣，1/3 被海洋吸收，1/3 固定在陸地生態系統中，因此公式(3)、(4)可改為(5)、(6)所示:

接下來根據計算結果，將保持區域碳平衡和保持區域氧平衡所需的最小標準生態用地面積進行比較，按照“木桶原則”和“最小因子定律”，取兩值中的最大值作為滿足區域可持續發展的標準生態用地最小需求面積。

最后，根據吉泰走廊區域現狀各類生態用地換算成標準生態用地后所占的比重，反推出為了滿足區域可持續發展的各類生態用地最小需求面積。

4 吉泰走廊區域生態用地需求測算

4.1 排碳耗氧量計算

4.1.1 排碳耗氧量現狀

根據吉泰走廊區域2013 年各相關統計數據(由于吉泰走廊區域范圍包括三縣四區的8 個街道、29 個鄉鎮、6 個工業園區，因此其相關數據根據吉安市及相關縣區統計資料計算得來)，按照表1、表2 進行計算，2013 年吉泰走廊區域排碳耗氧情況如下表所示:

表5 2013 年吉泰走廊區域排碳耗氧計算表

4.1.2 排碳耗氧量預測

(1)人口預測。根據《吉泰城鎮群規劃(2013-2030)》，2030 年吉泰走廊區域的人口為202 萬人。

(2)能源消費總量預測。本文根據目標年GDP 與單位GDP 能耗的變化來預測目標年吉泰走廊區域能源消費的總量。能源消費總量測算公式如下:En=GDPn×em×(1-λ)(n-m)/10000

式中En 為目標年能源消費總量;GDPn為目標年GDP 預測值;em為基期年單位GDP 能耗;λ 為單位GDP 能耗年均降低率。

在我國步入穩步增長期，經濟發展進入“新常態”的大環境下，綜合考慮吉安市近幾年GDP 增速情況，設定2013 年—2020 年GDP 增速為12%，2020 年—2030 年增速為8%，則吉安市2030 年GDP 為5365億元;2013 年吉安市單位GDP 能耗為0.397 噸標煤/萬元GDP;根據《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》，我國十二五期間單位GDP 能耗消耗年均降低率約為3%，本文按3%作為基期年至目標年期間單位GDP 能耗消耗年均降低率。

則2030 年吉安市能源消費總量為

En=5365 億元×0.397 噸標煤/萬元GDP×(1-3%)(2030-2013)=1266.14 萬噸標煤

吉泰走廊區域作為吉安市的經濟核心，江西省經濟發展軸線的重要組成部分之一，其在吉安市的經濟比重將不斷加大，假設至2030 年吉泰走廊區域GDP 占全市比重由2013 年的50%增長至60%，則吉泰走廊區域2030 年能源消費總量為759.68 萬噸標煤。

(3)各類能源消費量預測。2013 年吉安市能源消費結構以煤炭為主，在整個能源消費結構中，煤炭消費比重為80%，石油比重為19.5%，天然氣比重為0.5%。

根據《BP 世界能源展望2035》對2035 年中國能源消費結構的預測，到2035 年我國煤炭消費比重為51%，天然氣消費比重達到12%，石油消費比重為18%，非化石能源比重為19%。本文按照以上各類能源消費占比，作為2030 年吉泰走廊區域能源消費的構成，并以此測算各類化石能源的消費量。

表6 2030 年吉泰走廊區域各類能源消費量測算表

(4)排碳耗氧量預測。基于以上的設定，對2030 年吉泰走廊區域排碳耗氧量進行測算，其結果如下表所示:

表7 2030 年吉泰走廊區域排碳耗氧計算表

4.2 生態用地需求預測

4.2.1 生態用地現狀

根據2013 年土地利用變更數據，吉泰走廊區域內現有耕地77389公頃，園地3806 公頃，林地131620 公頃，草地4434 公頃，水域濕地14516 公頃，換算成標準生態用地面積為201129.32 公頃。

表8 2013 年吉泰走廊區域生態用地一覽表

4.2.2 2013 年生態用地需求

根據吉泰走廊區域2013 年排碳耗氧情況，維持區域碳平衡所需的標準生態用地最小面積為:

A標=(C排放/3)/C固定=198.77 ÷3 ÷9.03=7.34 萬頃

維持區域碳平衡所需的標準生態用地最小面積為:

A標=(O消耗/3)/O釋放=586.68 ÷3 ÷24.07=8.12 萬頃

因此，2013 年保持區域碳氧平衡的標準生態用地最小需求面積為8.12 萬公頃。

根據現狀各類生態用地換算成標準生態用地后所占的比重，將標準生態用地最小需求面積換算為各類生態用地最小需求面積，結果如下表所示。

表9 2013 年吉泰走廊區域各類生態用地最小需求面積

從計算結果來看，吉泰走廊區域最小生態用地需求面積遠小于現有各類生態用地面積，區域生態用地的固碳釋氧能力完全能夠維持區域自身的碳氧平衡。

4.2.3 2030 年生態用地需求

根據對吉泰走廊區域2030 年排碳耗氧情況的預測，維持區域碳平衡所需的標準生態用地最小面積為

A標=(C排放/3)/C固定=516.35 ÷3 ÷9.03=19.06 萬頃

維持區域碳平衡所需的標準生態用地最小面積為

A標=(O消耗/3)/O釋放=1523.26 ÷3 ÷24.07=21.09 萬頃

因此，2030 年保持區域碳氧平衡的標準生態用地最小需求面積為21.09 萬公頃。

根據現狀各類生態用地換算成標準生態用地后所占的比重，將標準生態用地最小需求面積換算為各類生態用地最小需求面積，結果如下表所示。

表10 2030 年吉泰走廊區域各類生態用地最小需求面積

通過與2013 年現狀生態用地面積比較，2030 年吉泰走廊區域需增加各類生態用地共12802 公頃，才能滿足保持區域碳氧平衡的最低需求。

5 結論與討論

(1)2013 年吉泰走廊區域生態環境良好，各類生態用地的固碳釋氧數量遠高于人類活動引起的排碳耗氧數量，區域現有各類生態用地的數量滿足保持區域碳氧平衡的生態用地最小面積需求。

(2)隨著新型城鎮與工業化的加速發展以及人口的增加，吉泰走廊區域內的排碳耗氧水平將大幅上升。經預測，到2030 年區域內的排碳量和耗氧量將分別達到516.35 萬噸和1523.26 萬噸。在優化調整能源消費結構、倡導低碳消費生活的前提下，保持區域碳氧平衡所需的最小標準生態用地面積為21.09 萬公頃，按現狀生態用地構成換算為各類生態用地的總面積為244567 公頃。也就是說，至2030 年，為了保持區域碳氧平衡、保持區域的可持續發展，吉泰走廊區域的生態用地面積不得小于2445.67 平方公里，城鄉建設用地面積不得大于515.33 平方公里。

(3)通過對吉泰走廊區域實例的研究，表明基于碳氧平衡法測算區域或城市的生態用地最小需求，確定保持可持續發展的生態用地的數量“底線”，具有一定的可行性和可操作性。但由于碳氧平衡法在計算過程中忽略了研究的區域與周邊生態系統的聯系，忽略了一些較小的排碳耗氧活動以及難以取得數據的排碳耗氧活動，如排泄物的分解耗氧、秸稈燃燒等，而且計算過程中的相關參數均取自于現有的研究成果，未有針對特定區域的實證研究檢驗，計算結果存在一定的誤差，研究結果的準確性仍有待于相關研究的發展。

［1］國家煤炭質量監督檢驗中心.煤物理特性和化學成分分析標準物質［EB/OL］.http://www.ccqtc.com，2010-08-15/2013-12-09.

［2］《綜合能耗計算通則》GBT2589-2008.

［3］楊士弘.城市綠化樹木碳氧平衡效應研究［J］.城市環境與城市生態，1996，9(1):37-39.

［4］張穎，王群，李邊疆，等.應用碳氧平衡法測算生態用地需求量實證研究［J］.中國土地科學，2008，21(6):23-28.