銅陵縣土地利用碳排放效應及空間格局分析

宋洪磊 (安徽師范大學，安徽蕪湖241000)

自20世紀中期以來，全球氣候變化的問題日益受到國際社會的關注。現有的氣候變化預測結果表明，至21世紀末，全球氣候系統還將持續變暖，全球平均地表溫度將可能上升1.1～6.4 ℃，全球平均海平面可能提高 0.18～0.59 m［1］。氣候變化不僅會導致全球平均氣溫升高、海平面上升等問題，還會影響全球水熱循環格局，進而造成氣象災害頻發，使人類的生產和生活面臨極大的威脅和挑戰。土地利用變化是影響溫室氣體排放的重要原因。最初我國學者［2－6］主要研究在大尺度范圍下林地、草地和濕地生態系統的碳儲量，并明確林地、草地和濕地在碳循環中起著重要的碳匯作用。近年相關研究［7－10］主要集中在土地利用變化對碳循環的影響及碳排放效應時空格局分析方面。經濟發展和人口增長導致建設用地大幅擴張，而引起的大量碳排放是影響土地利用碳排放變化的主要因素。目前，建設用地碳排放量多以能源消耗的視角進行估算，結合其他土地類型的碳排放量，以行政區劃為單元，研究土地利用碳排放時空特征，這種方式可以直觀地從總體上揭示出區域內土地利用碳排放量的高低變化，卻無法更為詳細地揭示碳排放量與土地利用類型的關系以及空間變化特征。該文擬從土地利用直接和間接碳排放2個方面建立土地利用碳排放量估算模型，在對安徽省銅陵縣2000～2013年土地利用碳排放效應估算的基礎上，借助和參照生態風險指數的概念，提出碳排放風險指數的概念，并將研究區劃為1 km×1 km的單元網格，運用Arc-GIS9.3中的地統計分析，將銅陵縣土地利用碳排放風險進行空間可視化表達，分析土地利用碳排放空間分布特征，以期為區域土地可持續利用提供參考。

1 研究區概況

銅陵縣位于安徽省南部，長江下游南岸，地理坐標為30°33'36″～31°19'48″N，117°26'16″～118°26'24″E，東鄰繁昌、南陵，南接青陽、貴池，西北隔江與樅陽、無為相望。全縣土地總面積為84 533.48 hm2，東西寬28.50 km，南北長31.10 km。下轄4鄉4鎮，分別是東聯鄉、西聯鄉、胥壩鄉、老洲鄉、五松鎮、順安鎮、鐘鳴鎮和天門鎮。縣域地勢大體上為南高北低，由南向北依次分為低山區、丘陵區、洲圩區。地處北亞熱帶季風區，在季風氣候的影響下，區域性氣候顯著。縣境內河流屬長江水系，長江由西南往北再東折，西南以青通河與池州市分界，東北隔黃滸河與蕪湖市為鄰。縣內礦產資源儲量豐富，礦種齊全。2013年末全縣總人口290 182人，其中非農業人口數為54 184人，占全縣總人口的18.67%。

2 資料與方法

2.1 資料來源 銅陵縣2000～2013年土地利用變更數據來自于銅陵市國土資源局，2000～2013年銅陵縣能源消費數據來源于銅陵市統計局和《銅陵市統計年鑒》，2000、2005和2010年3期銅陵縣TM影像下載于USGS。按照《土地利用現狀分類》(全國農業區劃委員會，1984)和《全國土地分類(過渡期間使用)》對2000～2013年土地利用變更數據進行整理歸納，將銅陵縣土地類型劃分為7種，分別是耕地、園地、林地、草地、建設用地、水域和其他土地。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用類型碳排放估算方法。土地利用碳排放包括土地利用直接碳排放和間接碳排放。土地利用直接碳排放又可以細分為土地利用類型轉變的碳排放和土地利用類型保持的碳排放。前者是指土地利用/覆被類型轉變，導致生態系統類型更替造成的碳排放;后者是指土地經營管理方式轉變或生態系統碳匯所驅動的碳排放［11］。土地利用的間接碳排放主要指的是各類土地利用類型上所承載的全部人為源碳排放［12］。

對耕地、園地、林地、牧草地、水域和其他用地等6種土地利用類型將采用直接碳排放系數法計算，其估算公式為:

式中:Ei為第i種土地利用的碳排放量;Si為第i種土地利用面積;ζi為第i種土地利用類型的單位面積上的碳排放系數，排放為正，吸收為負;i為 1、2、3、4、5、6，分別表示 6 種不同的土地利用類型。通過閱讀相關文獻，總結整理前人相關研究成果［13－18］，確定了該研究不同土地利用類型的碳排放系數(表1)。

土地利用的間接碳排放主要表現為建設用地上所有人為作用造成的碳排放，一般是通過各種能源的消耗量、轉標準煤系數及其碳排放系數來間接計算。該文參考徐國泉等［19］人提出的碳排放量分解模型計算方法，建立建設用地的碳排放量的估算公式:

式中:Eη為建設用地的碳排放量，ei為第i種能源對應的碳排放量，Ei為第i種能源的消耗量，μi為第i種能源轉標準煤系數，εi為第i種能源的碳排放系數。

表1 不同土地利用類型的碳排放系數

2.2.2 監督分類。監督分類是遙感影像分類方式之一，是利用已知地物的信息對未知地物進行分類的方法［20］。最大似然法是監督分類中最常用的分類方法。該文將在ENVI4.7軟件下，采用最大似然法，對銅陵縣2000、2005和2010年3期TM影像進行解譯，解譯結果見圖1。

2.2.3 碳排放風險指數。為建立土地利用類型與綜合區域生態風險之間的經驗聯系，利用各類型的面積比重，構造各土地利用類型的生態風險指數［21］。該文參考生態風險指數的構造方法，提出土地利用類型碳排放風險指數的概念，用于表征1個樣地內綜合碳排放風險的相對大小，并建立計算土地利用類型碳排放風險指數的公式:

式中:CRI為樣地碳排放風險指數，Si為樣地內第i種土地利用面積，S為樣地總面積，Pi為第i種土地利用類型的碳排放系數。

3 結果與分析

3.1 土地利用碳排放效應分析 通過計算，得到銅陵縣不同土地利用類型的碳排放量及碳源、碳匯的變化過程(表2和圖2)。

從表2可知，銅陵縣土地利用碳排放量總體上呈現上升趨勢，從2000年4.08萬t增長到2013年的223.09萬t，增加了219.01萬t，增幅達到近54倍。

建設用地是主要的碳源，其碳排放量從2000年3.04萬t增加到2013年的222.21萬 t，增長了219.17萬 t，對碳排放總量的貢獻率高達92.26%，而耕地對于碳排放總量的貢獻率僅為7.74%。林地、水域、園地、草地和其他用地是碳匯，其中林地和水域是主要的碳匯，從2000～2013年這13年間，林地的碳吸收量維持在1.20萬～1.24萬t，水域的碳吸收量維持在0.71萬～0.74萬t，林地是最主要的碳匯，對碳吸收總量的平均貢獻率達到60.52%，其次是水域，對碳吸收總量的平均貢獻率達到36.56%，而園地、牧草地和其他用地3者對碳吸收總量的平均貢獻率僅為2.92%，遠低于林地和水域的碳匯能力。

從圖2中可知，2000～2013年銅陵縣土地利用碳排放量年變化顯著，先后經歷了3個階段:①第1階段為2000～2007年，此階段銅陵縣土地利用碳排放總量緩慢增長，同時這一階段碳排放處于13年間的低水平階段，這7年間的年平均碳排放量為13.12萬t。②第2階段為2007～2011年，這一時期銅陵縣土地利用碳排放總量處于快速發展的狀態，碳排放量從2007年的39.13萬t增長到2011年的303.58萬t，增長近7倍，同時碳排放總量在2011年達到歷史最高。③第3階段為2011～2013年，這一時段內銅陵縣土地利用碳排放總量開始逐年下降，由2011年的303.58萬t下降到2013的223.09萬 t，減少了80.49 萬 t。從總體上看，2000 ～2013年間碳凈排放量和碳排放總量的變化趨勢基本是吻合的，均是先增后減。

表2 2000～2013年銅陵縣不同土地利用類型碳排放量 萬t

3.2 土地利用碳排放風險空間格局分析 在碳排放風險系統采樣的基礎上，利用ArcGIS9.3軟件中的地統計分析模塊，采用普通克里格差值法進行整個研究區表面模擬預測，同時檢查模型的合理性，從而得到研究區碳排放風險分布圖(圖3)，以直觀地描述銅陵縣土地利用碳排放風險空間分布狀況。

由圖3可知，2000年銅陵縣土地利用碳排放風險指數為［－0.487 0，2.780 0］，與2005年和2010年相比，2000年碳排放風險指數總體最低，說明2000年銅陵縣土地利用碳排放風險程度最小，但這是在低水平發展的背景下形成的，并不是一種合理的發展模式。2005年銅陵縣土地利用碳排放風險指數為［－0.487 0，7.810 0］，最高的風險指數比最低的高8.297 0，碳排放風險指數為4.721 1 ～7.810 0 的區域主要分布在銅陵縣縣城所在地，其用地類型為城鎮用地;碳排放風險指數為－0.487 0～0.138 2的區域主要分布在遠離城鎮及工礦的地方，用地類型多為水域和林地，這些地區起到重要的碳匯作用;碳排放風險指數為0.138 2～5.358 6的區域主要在城鎮及工礦用地和水域及林地之間的過渡地帶。由于經濟的發展和能源消耗的增加，相比2005年，2010年銅陵縣建設用地的碳排放強度已明顯增加，導致土地利用碳排放風險指數整體提高，2010年銅陵縣土地利用碳排放風險指數范圍為［－1.366 1，171.556 0］，碳排放風險為負的區域縮小，相反碳排放風險為正的區域在不斷擴大。總之，從時序上看，2000～2010年銅陵縣土地利用碳排放風險指數在不斷加大;從空間分布上看，銅陵縣土地利用碳排放風險指數從城鎮向外推進的過程中呈現出由高到低的變化趨勢，碳排放風險指數較大的區域主要是沿著城鎮及工礦用地分布，碳排放風險指數較小的區域主要是沿著遠離城鎮及工礦用地的水域和林地分布，這種分布格局說明城鎮及工礦用地在增加區域碳排放風險的過程起到重要貢獻。

4 結論

(1)銅陵縣在2000～2013年里土地利用碳排放量大體上顯現出增長的趨勢，從2000年4.08萬t增長到2013年的223.09 萬 t，增加了219.01 萬 t，增幅達到近54 倍。

(2)耕地和建設用地表現為碳源作用，銅陵縣耕地的碳排放量隨著耕地面積的減少在不斷降低，但對土地利用碳排放量的影響很小，而建設用地碳排放量和凈排放量變化的趨勢幾乎吻合。因此，相比于耕地，建設用地碳排放量對銅陵縣土地利用碳排放量的貢獻起著決定性的作用。

(3)林地、水域、園地、草地和其他用地是碳匯，其中林地和水域是主要的碳匯，從2000～2013年這13年間，林地的碳吸收量維持在1.20萬～1.24萬t，水域的碳吸收量維持在0.71萬～0.74萬t，林地是最主要的碳匯，對碳吸收總量的平均貢獻率達到60.52%，其次是水域，對碳吸收總量的平均貢獻率達到36.56%。

(4)從時間上看，2000～2010年銅陵縣土地利用碳排放風險指數在不斷變大，這主要是由于經濟發展帶動能源消耗量的增加所致;從空間分布上看，銅陵縣土地利用碳排放風險指數與土地利用類型的空間分布有極大的相關性，從城鎮向外推進的過程中呈現出由高到低的變化趨勢，碳排放風險指數較大的區域主要是沿著城鎮及工礦用地分布，碳排放風險指數較小的區域主要是沿著遠離城鎮及工礦用地的水域和林地分布，這種分布格局說明城鎮及工礦用地在增加區域碳排放風險的過程中具有重要的貢獻作用。

［1］牛文元，王毅.2009年中國可持續發展戰略報告—探索中國特色的低碳道路［M］.北京:科學出版社，2009.

［2］周玉榮，于振良，趙士洞.我國主要森林生態系統碳貯量和碳平衡［J］.植物生態學報，2000(5):518－522.

［3］方精云，陳安平.中國森林植被碳庫的動態變化及其意義［J］.植物學報，2001(9):967－973.

［4］劉子剛，張坤民.濕地生態系統碳儲存功能及其價值研究［J］.環境保護，2002(9):31－33.

［5］周濤，史培軍，王紹強.氣候變化及人類活動對中國土壤有機碳儲量的影響［J］.地理學報，2003(5):727－734.

［6］劉紀遠，王紹強，陳鏡明，等.1990～2000年中國土壤碳氮蓄積量與土地利用變化［J］.地理學報，2004(4):483 －496.

［7］劉英，趙榮欽，焦士興.河南省土地利用碳源/匯及其變化分析［J］.水土保持研究，2010(5):154－157.

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

［9］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應分析［J］.農業工程學報，2008(S2):102 －107.

［10］彭文甫，樊淑云，潘薈交，等.區域土地利用變化的碳排放效應及時空格局研究［J］.生態經濟，2013(9):28 －33.

［11］李紅霞.基于粒子群算法的低碳土地利用結構優化配置研究［D］.武漢:武漢大學，2011.

［12］董祚繼.低碳概念下的國土規劃［J］.城市發展研究，2010(7):1－5.

［13］CAI Z C，KANG G D，TSURUTA H，et al.Estimate of CH4emissions from year-round flooded rice field during rice growing season in China［J］.Pedosphere，2005，15(1):66 －71.

［14］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.

［15］管東生.廣州市森林生態系統的特征及其對碳氧平衡作用的研究［M］//中國地理學會自然地理專業委員會.全球變化區域影響研究.北京:人民教育出版社，2000.

［16］賴力.中國土地利用碳排放效益研究［D］.南京:南京大學，2010.

［17］石洪昕.四川省廣元市土地利用變化的碳排放效應研究［D］.西安:西北農林科技大學，2012.

［18］段曉男，王效科，逯非，等.中國濕地生態系統固碳現狀和潛力［J］.生態學報，2008(2):463－469.

［19］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(6):158 －161.

［20］韋玉春.遙感數字圖像處理教程［M］.北京:科學出版社，2007.

［21］臧淑英，梁欣，張思沖.基于GIS的大慶市土地利用生態風險分析［J］.自然災害學報，2005(4):141－145.