河北省土地利用變化的碳排放效應探究

沈世民，郭雪飛 ，李福燕

(1.河北地質大學，河北 石家莊 050031；2. 邯鄲學院，河北 邯鄲 065000)

?

河北省土地利用變化的碳排放效應探究

沈世民1，郭雪飛1，李福燕2

(1.河北地質大學，河北 石家莊 050031；2. 邯鄲學院，河北 邯鄲 065000)

摘要：指出了土地利用是低碳經濟和碳排放研究的重要切入點，也是進行碳排放調控的重要工具之一。開展土地利用碳排放探究，有助于從土地利用規劃、產業結構調控及國土開發與整治等領域全面引導經濟社會的低碳發展。以河北省作為研究對象，運用arcgis10.2、Envi5.0及二氧化碳計算模型作為數據處理方法，通過分析近20年來河北省土地利用、覆蓋變化所釋放的碳量，得出了結論：河北省1990～2007年因未對土地利用進行合理規劃，從而導致大量碳排放。并且預測分析了到2020年土地利用變化導致的碳排放量，為今后河北省土地利用降低碳排放提供依據。

關鍵詞：城市化； 土地利用結構； 碳排放量； 二氧化碳計算模型

1引言

碳排放影響著全球氣候的變化，其成分是形成溫室氣體的主要元素，對人類生活與生存環境具有嚴重影響，引起國內外社會各界的廣泛關注。當前我國經濟正處于快速增長時期，煤炭在工業上的大量使用以及土地的不合理開發利用使得我國已成為全球溫室氣體第二大排放國。近20年來，根據河北省政府實施《河北省土地利用總體規劃(2006-2020年)》顯示河北省耕地面積年均減少2.58萬hm2，其中耕地的等級大多為中低產田。一方面，城市化導致建設用地占用耕地逐年增加，另一方面，對生態環境其重要調節作用的草地、濕地、湖泊等其他土地利用類型也在逐年減少。對已發表的論文文獻進行綜合分析后，得出國內城市化進程中土地利用存在嚴重問題[1-3]。

本文以河北省區域為研究對象，分析了河北省1990～2008年河北省主要的土地利用變化，測算出土地變化產生的碳排放情況。并分析碳排放造成的影響。最后預測2020年河北省碳排放量，為河北省發展低碳城市提供參考。

2研究區域概況

河北省位于華北平原地區，西面靠山，東面臨海。由于原始數據缺失，本研究區域不包括張家口圍場、承德、唐山的一些區域，研究區域地處北緯36°05′～41°56′，東經113°33′～118°22′之間。本省內環北京和天津，經濟、城市發展建設受到其輻射并相互滲透，構成了內環京津的京津冀共同發展經濟區。根據河北省第二次土地調查統計顯示[4]，全省建設用地201.1萬hm2、耕地656.1萬hm2，與第一次的調查對比耕地面積減少33.5萬hm2、牧草減少了36萬hm2。城市化的發展使得河北省土地類型在逐年發生演變，建設用地大量擴張，耕地、草地、水域和林地逐年減少。

3數據來源與處理方法

3.1數據來源

本文采用Krasovsky系列遙感數據，采用1990、2000和2008年的TM遙感數據。在地理信息技術的GIS和RS的2S支持下取得土地利用空間信息。首先對遙感數據進行前期處理，在相關地圖的輔助下，借助于arcgis10.2軟件和Envi5.0軟件進行分析和統計。

3.2處理方法

3.2.1土地利用處理方法

土地利用轉移矩陣是馬爾科夫轉移矩陣在土地利用變化方面的應用。馬爾科夫轉移矩陣原理為：事物在發生轉變的過程中，由一個時刻的某一狀態轉為后一時刻的另一狀態所發生的可能的概率，即導致狀態發生轉移的概率。如果某物的狀態有n種，那么它的某一狀態本身具有n個對應的狀態轉移概率，如果將事物所具有的n個狀態轉移概率制作成一個矩陣，可得到一個n行n列的矩陣。假定某事物在發生轉變的過程有n個狀態，即A1，A2，…，An。記Pij為從狀態Ai轉變為狀態Aj的概率，則矩陣：

3.2.2碳排放計算模型

根據IPCC(政府間氣候變化專業委員會)規定將我國土地利用類型擬劃為耕地、林地、草地、建設用地和水域等，本研究主要討論這幾類土地在轉變過程中的碳排放與碳吸收變化量。碳排放量計算公式為[6～11]：

Fi=ki·(Ni+ Mi)

(1)

式中：Fi為第i種土地利用方式的碳排放量(t)；Ki為第i種土地利用方式的面積(hm2)；Ni為第i種土地利用變化的碳排放(吸收)系數(t/hm2); Mi為第i種土地利用保持的碳排放系數(t/hm2)。根據賴力研究的中國土地利用變化探究和經驗公式選用的不同土地利用變化碳排放系數見表1、表2。

表1　土地保持碳排放核算參數　tC/hm2·a

注：本文采用的是賴力研究中國土地利用的碳排放效應中核算的參數[12]，“-”、“+”分別表示碳排放和碳積蓄

根據探究表明土地在保持本來生態系統時，林業對碳的固定效果最佳，而其他土地利用類型都是參與碳排放，根據目前研究局限，水域中的水田和特定的固碳植物不在研究中，因此會在這產生一些誤差。

表2　土地轉移碳排放核算參數　tC/hm2·a

注：本文采用的是賴力研究中國土地利用的碳排放效應中核算的參數[12]

4結果討論與分析預測

4.1河北省土地利用結構變化

從表3和圖1可以看出1990～2008年近20年期間內，各土地利用類型不斷的發生轉化。草地、建設用地均在增加，林地呈現先減少后增加的趨勢。

在1990～2000年期間，土地類型轉化面積最多的是旱地及一些不可利用的土地類型，為751.39×103hm2，表明河北省的土地利用開發力度加大，土地過渡利用且趨勢嚴峻。其中在土地轉化過程中產生碳排放最多的是建設用地，其轉化面積凈增加189.23×103hm2。而能固定碳的土地類型林地，其轉化面積凈增加-87.88×103hm2。河北省1990～2000年的10年中盲目的城市擴張，沒有合理的規劃，導致非農用地大量增加，從而使生態環境受到嚴重破壞，碳排放量加大。在2000～2008年8年期間內，土地轉化最多的旱地、不可利用土地仍然被過度開發利用。建設用地凈增加為155.89×103hm2，林地凈增加面積為215.23×103hm2。相比于1990～2000年這10年，建設用地趨于減緩，而林地面積增加，河北省在城市化進程中開始注重環境保護。但是由于林地與建設用地的碳排放(吸收)系數比接近1∶120，因此在城市加速擴展的同時，經濟的高速發展，環境依舊十分脆弱。

從表4可以看出 ，除了林地和建設用地碳排放相對有所增加外，其他所有土地利用類型的碳排放都在減少。其中水域的碳排放減少的最多為7×106t，其他土地類型相對減少的程度較小。固碳能力最強的林地因大面積由草地轉化而來，因此未形成固碳能力，因此碳排放在增加。雖然建設用地占得面積小，但是由于其碳排放強度高，因此碳排放總量依舊處于第一位。

表3　1990～2008年土地利用轉移面積　103hm2

圖1　河北省1990～2008年土地利用

表4　河北省碳排放總量　　　105t

4.2分析預測

根據國務院近日批準的《河北省土地利用總體規劃(2006年—2020年)》明確規定，到2020年全省可增建設用地183×103hm2，林地新增399×103hm2。

根據1990～2008年研究顯示草地轉化為林地約占總轉化的面積的80 %，因此選用草地轉移林地的參數，而建設用地則大部分由草地和水域轉化而來，因此根據比率8/11進行保守計算，得到2020年碳排放量約為613×105t。相比于過去的近20年間，土地導致的碳排放量持續增加，但增加量在減少見圖2。

因此可以看出，在2020年的規劃中，土地的規劃，起到了碳減排的功效，整體向環境友好型社會發展。

圖2　河北省碳排放預測

5結論與建議

5.1結論

通過研究河北省1990～2008年的土地利用結構變化得出河北省碳排放的總量見表5。

表5　1990～2008年土地利用轉移導致碳排放總量　104t

根據以上分析表明，建設用地是主要的碳源，而林地、草地是主要的碳匯。土地利用變化的特征表現在碳源增長迅猛而碳匯增長緩慢。2000～2008年河北省因土地利用變化導致的碳排放相較于1990～2000年增長了100萬t，因旱地與一些不可利用土地變化差異較大為進行相應計算。因此河北省在土地利用的碳減任務嚴峻。

5.2促進碳減排的相關建議

整體結果顯示在城市化加速發展河北，建設用地的不合理規劃、生態環境的任意破壞，其碳排放呈增長趨勢。體現了在建設現代化城市過程中，過于追求經濟的高速發展，帶來的環境與發展之間的不協調。要實現山區經濟的低碳發展，應從“減排”和“增匯”兩個方面優化產業結構，必須從以下幾個方面著手。

5.2.1適度造林與合理經營

河北省依托太行山，并且林地對于碳匯起著重要的作用，應該加大環境的投資，在山區進行封山造林。在城市的建設中，應以建設綠色城市，大量植樹造林，把建設宜居城市作為目標。此外植樹造林與林業的管理和經營是形成陸地碳匯的一個重要原因，因此，對廢棄地進行造林或再造林對增大碳匯有明顯作用[13]。

5.2.2加大科技建設，實現現代化農田管理

開墾有助于土壤的通氣能力提高，有利于土壤中碳的礦化，耕作對SOM產生嚴重的影響，因此實現現代化的耕作管理能提高土壤中的碳與氮的礦化速率[14]。同時合理的耕種可以降低農用地中碳的流失量，增強土壤碳匯的能力。在旱地耕作方面，通過輪作提高農用地中土壤碳匯能力，采用長綠牧草的輪作的方式達到土壤碳含量增加的目的[15]。

5.2.3加強土地政策監管，合理規劃建設用地

加強土地使用管理，嚴格審查建設用地規劃項目，確立法律機制，要求建設用地與造林聯動機制，做到既建設又綠化的目的，同時提高科學技術，改變生產、加工方式。河北承擔北京與天津的產業轉移，大量的碳排放產業入住河北，提高技術水平，引進先進的生產技術，力求做到原料—生產—深加工—回收—再生產的循環模式。鋼鐵、水泥等企業采用電力加熱等清潔方式，代替煤炭等化石能源的燃燒。建立專門化的廢物處理中心，提高廢物再利用與處理能力。

5.2.4提高農村能源利用效率，樹立涉農主體的低碳意識

大力推進新農村建設，建設集中型、節約型新農村，倡導綠色生態觀念，宣傳植樹護林，增加村舍的綠化面積。健全集體供暖設施，關停、整改污染重產業。健全公共交通設施，打通過最后一公里，提倡綠色出行。

5.2.5京津冀一體化，根據功能區進行碳排放設定

根據京津冀一體化功能區的規劃，將承德、張家口設為生態保護和生態產業發展區，因此在減排過程中，這兩個市應該承擔更多的減排任務；廊坊、唐山作為優化調整區在規劃上做到減、排相當的水平；石家莊、保定、滄州作為南部制造業與耕作業區，應承擔較少的碳排放任務；秦皇島、唐山、滄州的東部濱海臨港產業發展區，在規劃上注重濕地的保護，承擔部分減排任務。

參考文獻：

[1]熊鷹,文先明,郭嫻.湖南省城市發展與土地利用關系[J].經濟地理,2006, 26(6):1042～1046.

[2]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, 24(2):102～107.

[3]趙榮欽,陳志剛,黃賢金，等.南京大學土地利用碳排放研究進展[J].地理科學,2012, 32(12):1473～1480.

[4]河北省國土資源廳，湖北省統計局，河北省第二次調查主要數據成果公報[EB/OL].http://www.mlr.gov.cn/tdzt/tdgl/decdc/dccg/gscg/201406/t20140626_1321756.htm .

[5]朱會義,李秀彬,何書金,等.環渤海地區土地利用的時空變化分析[J].地理學報,2001,56(3):253～260.

[6]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.

[7]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.

[8]趙榮欽,劉英,丁明磊,等.河南省農田生態系統碳源/匯研究[J].河南農業科學,2010(7):40～44.

[9]余婷婷,韓春蘭,徐廣成.遼寧省土地利用的碳源碳匯分析[J].廣東農業科學,2012,39(2):118～122.

[10]謝鴻宇,陳賢生,林凱榮,等.基于碳循環的化石能源及電力生態足跡[J].生態學報,2008,28(4):1729～1735.

[11]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,2008,28(2):463～469.

[12]賴力.中國土地利用的碳排放研究效應[D].南京:南京大學,2010.

[13] Schlesinger W H . Evidence from chronoseauence studies for a low carbon storage potential of soil[ J].Nature,1990,348(15):232～234.

[14]王義祥等.土地利用和覆被變化對土壤碳庫和碳循環的影響[J].亞熱帶農業研究,2005,1(3):44～51.

[15]吳樂知,蔡祖聰.基于長期實驗資料對中國農田表土有機碳含量變化的估算[J].生態環境,2007,16(6):1768～1774.

收稿日期：2016-04-19

作者簡介：沈世民(1990—)，男，河北地質大學碩士研究生。

中圖分類號：F301.24

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944(2016)12-0070-04

Process of Urbanization in Hebei Province,Carbon Emissions from Land Use Change Effects

Shen Shimin1,Guo Xuefei1,Li fuyan2

(1.HebeiEGOUniversity,Shijiazhuang050031,China;2.HandanCollege,Handan065000,China)

Abstract:Land use is an important aspect in the research of low-carbon economy and carbon emission, and is also one of the important tools for carbon emission regulation and control. Research on land use carbon emission is helpful to promote the developing of low-carbon economy through land use planning, industrial structure regulation and control land territorial development, renovation and management. The paper took Hebei Province as the object of study, using the methods of Arcgis10.2 ,Envi5.0 and Carbon dioxide calculation model for data process,through analyzing Hebei Province’s carbon released quantity of land use during the last 20 years,such as land cover change,finding that because Hebei Province have no reasonable planning for land use, resulting in a large number of carbon emissions from 1990 to 2007.What’s more,the forecast of carbon emissions resulting from land use change in 2020 provided the basis for land use in Hebei Province to cut carbon emissions in the future.

Key words:surbanization; land use structure; carbon emissions; calculation model of carbon dioxide