土地利用結構、經濟發展與土地碳排放影響效應研究*
——以烏魯木齊市為例

樊高源，楊俊孝

(1.南京農業大學公共管理學院，江蘇南京 210095；2.新疆農業大學管理學院,烏魯木齊 830052)

·生態農業·

土地利用結構、經濟發展與土地碳排放影響效應研究*
——以烏魯木齊市為例

樊高源1，楊俊孝2※

(1.南京農業大學公共管理學院，江蘇南京 210095；2.新疆農業大學管理學院,烏魯木齊 830052)

目的在測算烏魯木齊市土地利用碳排放的基礎上，分析其土地利用結構、經濟發展與土地碳排放間的關聯效應，為烏魯木齊市低碳土地利用提供參考。方法改進型灰色關聯度模型、環境EKC模型。結果(1)土地利用凈碳排放總量遞增趨勢，凈碳放量的持續上升顯著地受建設用地碳排放增長的影響；(2)不同地類結構變化對土地利用碳排放影響效應呈現不同特點，建設用地對碳排放影響效應呈下降趨勢，而耕地則在上升；(3)經濟發展促進了碳排放增長，但在2014～2015年之間達到拐點，驗證了環境庫茲涅茲曲線的存在。結論(1)推動增匯減排工作，抑制農用地轉用，增加陸地生態碳吸收量；(2)發展低碳經濟，提高能源利用效率和改善能源利用結構，降低建設用地碳排放；(3)深入推行“多規合一”，提高土地利用宏觀調控效率和低碳生態城市建設。

土地利用 碳排放效應 EKC曲線 灰色關聯度模型 烏魯木齊市

0 引言

溫室氣體排放導致的全球變暖對生態系統可持續性已造成嚴重威脅，當前政府大力提倡發展低碳型經濟。研究表明，土地利用/覆被變化(LUCC)在陸地生態系統碳循環中有著強烈的碳源效應[1-2]，土地利用碳排放是僅次于化石燃燒的全球第二大碳排放源，對全球氣溫升高具有顯著促進效應[3]。區域工業化、城鎮化的快速推進帶來經濟高速增長的同時，也對土地利用結構及其碳排放等造成強烈影響。土地利用變化對土地利用碳排放造成深刻影響，因此基于土地利用的碳排放成為時下熱點，如陸地生態系統碳收支平衡的核算[4-6]，土地利用覆被變化與碳排放的作用機理、關聯效應研究[7-11]、土地利用碳排放影響因素的研究[12-13]、土地利用碳排放與經濟發展之間的關系[14-16]等方面。然則對于土地利用結構變化以及經濟發展對土地利用碳排放綜合關聯效應鮮有系統性探討。土地利用結構變動是以經濟發展為前提，經濟發展是土地利用結構變動的直接因素，城市化、工業化的進程對不同土地利用類型的需求導致了土地利用結構的急劇變動。土地利用結構變動的直接結果是導致了主要碳匯用地面積持續減少，碳源地面積持續增加；社會經濟發展的直接結果是人口集聚、資源消耗過度，導致建設用地碳足跡持續上升。而農用地特別是耕地大量減少，導致農業生態系統碳匯能力持續下降；建設用地面積的持續擴張使得承載于其上的資源利用、能源消耗等活動日益劇烈，導致能源消耗的碳排放持續增長。文章立足干旱區城市烏魯木齊市，分析土地利用碳排放變動趨勢，對其經濟增長及土地利用結構變化與土地利用碳排放間的影響效應進行研究，以期為烏魯木齊市在經濟發展中合理的土地利用提供建議。

1 研究方法與數據來源

1.1 土地利用碳排放測算

土地利用碳排放包括直接和間接碳排放，直接碳排放主要是耕地、園地、林地、牧草地、水域及未利用地的碳排放，間接碳排放指建設用地碳排放。其中，耕地同時具有碳源和碳匯效應，因此對耕地碳排放的測算分別從碳源和碳匯兩方面計算。

耕地在碳排放上主要考慮以下3類：一是農用物資的生產和使用導致的碳排放，主要包括化肥、農藥、農膜、農用柴油；二是灌溉過程電能消耗造成的碳排放；三是翻耕對土壤有機質的破壞造成土壤碳氮流失。耕地在碳匯上較為成熟的方法是生物量換算法，即通過農作物的經濟產量來換算其碳匯總量。因此耕地碳排放計算公式為：

(1)

式(1)中，Ea表示耕地碳排放量；Ti為各種碳源；δi為碳源折算系數。其中化肥、農藥、農膜、柴油、翻耕及灌溉排放系數分別取0.895 6、4.934 1、5.18、0.592 7、312.6和266.48kg C/kg[17-22]。

耕地碳吸收采用生物量法計算公式為：

(2)

式(2)中，Ca表示碳匯量；ci、Dwi、ri、Hi表示第i種農作物合成單位有機碳的碳吸收量、生物產量、含水量及經濟系數，文中碳吸收率、含水量及經濟系數見王秀蘭[23]、韓昭迎等[24]研究。

對于園地、林地、牧草地、水域及未利用地的碳排放，該文采用直接碳排放系數法計算，其公式為：

Ebj=Sj×ηj

(3)

式(3)中，Ebj為第j類土地利用類型碳排放量；Sj為第j類土地利用類型面積；ηj第j類土地利用類型碳排放系數。根據研究文獻和研究區實際，對于園地、林地、牧草地、水域和未利用地的碳排放系數分別取-0.524、-0.577、-0.066、-0.303和-0.005 t C/(hm2·年)[25-30]。建設用地作為人類現代經濟社會的主要載體，其碳排放量主要是承載在建設用地上的城鄉居民生產生活消耗、交通工具燃料消耗、工業企業對化石能源的生產和消耗等。其計算公式為：

(4)

式(4)中，Ec為建設用地碳排放量;em為第m中能源消耗所產生的碳排放量;Am為第m中能源消耗量;σm為第m種能源折標煤系數;φm為第m種能源碳排放系數。σm、φm取值見表1。

表1 各種能源折標煤系數和碳排放系數

1.2 灰色關聯度模型

20世紀80年代鄧聚龍[31]提出的灰色系統理論，隨后發展出灰色關聯度模型。該模型在測度因素之間發展的相似或相異程度中能夠很好地解決“小樣本、貧信息、外延明確、內涵不明確”的問題，并且能夠明顯的規避回歸分析中的種種弊病和不足，因此得到廣泛應用。模型認為被比較因素與影響因素之間變化趨勢具有一致性，則二者具有較高關聯程度；反之，認為關聯程度較低[32]。由于傳統的灰色關聯度模型只能反映正相關關系，無法反映負相關關系，該文根據土地利用碳排放研究的實際，運用改進的灰色關聯度模型，分析土地利用結構變化對碳排放量的正負關聯效應[33]。

設碳排放量為比較數列X0={x0(t)}，t=1，2，…，n，各地類面積為參考數列Xi={xi(t)}，t=1，2，…，n，i=1，2，…，7，式中t表示年份，i表示土地地類。具體計算方法為：

(1)對比較數列和參考數列做一次累減：

Y0=x0(t+1)-x0(t)；Yi=xi(t+1)-xi(t)

(5)

(2)求相對變化率：

(6)

(3)求X0與Xi的關聯系數ε及比較數列與參考數列的關聯度ξ：

(7)

式(5)～(7)中，Yi(t)與Y0(t)同號取正異號取負，∣ξi∣≤1，ξi大于零時表示正相關，∣ξi∣值越大相關性越強。

1.3 數據來源

土地數據來源于《新疆國土資源綜合統計資料冊》(1996～2008年)烏魯木齊市國土資源局土地利用變更調查資料(2009～2013年)。社會經濟與能源消耗、人口等數據來自相關年份《烏魯木齊市統計年鑒》、《新疆統計年鑒》。歷年化肥施用量、灌溉面積、農作物播種面積及產量、農藥、農膜、農用柴油來源于《烏魯木齊市統計年鑒》(1996～2013年)。

為研究不同地類土地利用碳排放，將土地分類統一按《土地利用現狀分類》(1984年)重新進行劃分調整，并將水利設施用地單獨劃出至建設用地。同時從提高研究結果的可操作性和精確性出發，該研究根據各地類定義范圍對一些地類進行了調整，調整后的土地類型分為7類，即耕地、園地、林地、牧草地、水域、未利用地、建設用地(居民點及工礦用地、交通運輸用地、水利設施用地)。

2 土地利用碳排放效應分析

2.1 研究區土地利用情況

圖1 烏魯木齊市土地利用結構狀況

截止2013年，烏魯木齊土地總面積為128.745萬hm2(不含兵團)，農用地面積86.486萬hm2，其中耕地6.431萬hm2，占土地總面積的5.00%；園地0.152萬hm2，占土地總面積的0.12%；林地7.778萬hm2，占土地總面積的6.04%；牧草地72.124萬hm2，占土地總面積的56.02%。建設用地8.007萬hm2，其中城鎮村及工礦用地5.636萬hm2，占土地總面積的4.38%；交通運輸用地1.346萬hm2，占土地總面積的1.05%；水域及水利設施用4.000萬hm2，占土地總面積的3.11%；未利用地31.276萬hm2，占土地總面積的24.29%(圖1)。

各地類結構為適應經濟社會發展的需要總是處于不斷變化中，隨著新型工業化、城鎮化的推進，城市發展必然導致建設用地的強烈需求。烏魯木齊市在經濟發展中，政府通過土地征收進行城鎮化建設，由于耕地育成率低于轉出率，經濟在快速發展的同時，耕地數量和質量出現持續下降。因此，嚴格實行城鄉建設用地增減掛鉤、限制農用地尤其是耕地的轉用成為了政府績效考核的一部分。各項用地中耕地、園地變動幅度最大，其中耕地面積自1997年呈現逐年總體下降趨勢，其間雖出現小幅回升，但從總體趨勢來看其面積仍將處于減少或不變處境，至多出現小幅增長；園地則是先增后減，由1996年的0.124萬hm2上升至2008年的峰值0.336萬hm2，之后處于逐年減少狀況；林地、牧草地面積變化幅度較大，但林地面積總體處于增長現象，牧草地面積則逐年下降；而城鄉建設用地中的居民點及工礦用地、交通運輸用地增幅較為迅速。各地類中水域及水利設施變化用地較為穩定，變化幅度不大。受城鎮化趨勢影響，自1996年以來，農用地面積整體處于下降趨勢，歷年未利用地經開發面積也呈下降趨勢。總體而言各地類用地結構變化十分明顯，受工業化、城鎮化等非農建設因素影響，建設用地面積增幅遠大于農用地面積下降幅度。

2.2 土地利用碳排放量分析

根據式(1)～(4)，可得烏魯木齊市不同地類土地利用碳排放量及其變化特征。由表2知，烏魯木齊市土地利用凈碳排放量總體呈逐年上升趨勢，由1996年的643.42萬t上升到2013年的2 161.05萬t，年均遞增率達7.39%。凈碳放量的持續上升顯著地受建設用地碳排放的影響，碳排放源中建設用地貢獻了約99.40%，是最主要的碳排放源，其排放主要來自于承載建設用地上的居民生活、能源消費等能源資源消耗引起，這些很顯著的表征了烏魯木齊市作為西部干旱區城市，在產業發展中的資源、技術和資本等方面限制，決定了烏魯木齊傳統化石能源消費為主的資源稟賦特點，而在發展高科技行業、綠色產業等低碳產業發展上滯后的能源消耗格局。耕地作為同時兼具碳匯和碳源效應的地類，總體上呈現出碳匯效應，但其碳匯效應整體上呈遞減趨勢，主要是農業機械化以及化肥、農藥、地膜等因素導致的耕地碳排放激增導致。受播種面積影響，耕地碳匯效應在1996～2013年間碳吸收量呈波動性“下降-上升-穩定”趨勢，由-17.09萬下降到2008年的-10.33萬t，之后平穩上升并趨于穩定。林地在研究期間碳匯效應逐年遞增，而同期牧草地碳匯效應則趨于下降趨勢，園地也是出現“上升-下降”的趨勢，這些變化顯著受各地類面積增減影響。其他具有碳吸收能力的地類如水域以及未利用地由于土地利用面積相對較為穩定，碳匯能力并未出現較明顯變化。

表2 不同地類碳排放量變化 萬t

3 實證分析

3.1 土地利用結構變化對土地利用碳排放的影響效應

1996～2013年間，受國家城鎮化、工業化趨勢以及西部大開發等相關政策影響，同時烏魯木齊屬于典型的能源消費型城市，其土地利用碳排放效應變化十分明顯。烏魯木齊市該文將研究期間劃分為“1996～2000”、“2001～2005”、“2006～2010”、“2011～2013”4個階段，由式(5)～(7)得出不同階段的土地利用結構變化碳排放效應。由表3、圖2知，耕地在前3階段對碳排放的影響效應均為負效應，而在2011～2013則為正效應，在不同階段，伴隨著耕地數量的減少，耕地對土地利用碳排放的負效應逐漸下降，其碳排放影響效應依次為1996～2000(-0.963 1)、2001～2005(-0.922 7)、2006～2010(-0.449 4)、2011～2013(0.987 3)。耕地在其碳源與碳匯的雙重功能下，整體碳匯能力雖然在上升，但是耕地的源匯比在逐年下降，耕地雖是最大的碳匯，但是對于在碳排放總量占絕對優勢的建設用地而言十分微小；隨著耕地數量的減少以及農用物資的大量施用等現代農業生產趨勢，如農用塑料薄膜、化肥農藥等的大量使用以及農業機械化的發展，造成耕地質量下降以及面源污染日趨嚴重，導致耕地對碳排放的影響逐漸表現出促進效應。園地在1996～2000、2011～2013期間對碳排放變化表現為負效應，2001～2005、2006～2010期間為正效應，且在2001～2005的關聯效應最大，達到0.957，研究期間園地面積的增加是促進其碳匯量增加的關鍵，因此對土地利用碳排放量造成較大的正效應，而其他時段由于園地面積變化小幅度減少，但對土地利用碳排放的影響效應并不明顯。林地、牧草地在各個階段面積有增有減，對土地利用碳排放的影響效應也處于不斷變化中；建設用地各地類在前兩個階段為正效應，而到后兩個階段則轉變為負效應。研究期間，建設用地各類建設用地面積持續上升，導致大量的碳排放產生，其原因在于：烏魯木齊市實施“藍天工程”等清潔生成模式之前，建設用地的持續擴張導致的高碳排放。而在其實施技術改進、清潔生產、節能減排等政策和技術手段后，建設用地碳排放雖然在上升，但是碳排放強度相比增加，碳排放增長趨勢得到一定的緩解，因此對整個土地利用凈碳排放均有極高的影響效應。

表3 土地利用結構變化與土地利用碳排放量關聯效應

圖2 土地利用結構變化與土地利用碳排放關聯度變化

圖3 土地利用碳排放與人均GDP變化關系

3.2 經濟發展對土地利用碳排放的影響效應分析

環境庫茲涅茲假說認為環境污染與經濟發展之間存在著多項式的函數關系，即倒“U”型，它表征經濟收入在提高到一定水平后，環境壓力會隨著收入的進一步提高而出現下降趨勢。限于經濟發展水平的不同程度，實際情況中也有呈現出“U”型、“N”型、倒“N”型等多種函數關系。該假說認為經濟發展水平在達到一定程度之前，環境質量不得不經歷一個叫糟糕的過程的邏輯[34]。其基本模型是：

(8)

式(8)中，a、b、c為系數；Et為t時刻的環境壓力，常用的指標有污染物排放總量、強度等因素，該文研究選取土地利用凈碳排放強度(t/hm2)表示；Yt為t時刻的經濟產出，該文選取人均國內生產總值(萬元/人)。

通過運用Eview6.0分析得出土地凈碳排放與人均GDP的回歸結果，R2=0.988，模型擬合度較高，并通過t統計量檢驗，Sig.=0.00，其回歸方程為：

由回歸方程得知，烏魯木齊市土地利用凈碳排放總量與人均GDP之間呈現倒“U”趨勢(圖3)，其碳排放的拐點在2014年(7.126，2 229.134)和2015年(7.867，2 216.999)之間，拐點臨界值為(7.307，2 230.554)，即當人均GDP達到7.307萬元臨界水平后，隨著人均GDP的進一步發展，土地利用凈碳排放總量將會出現下降趨勢。在人均GDP達到7.307萬元之前，碳排放強度將會隨著人均GDP的增長而出現協同增長。根據研究結果，在經濟發展達到一定程度后，其經濟發展水平與土地利用凈碳排放總量之間存在明顯環境EKC現象，該結論符合Andreoni等[35]的研究結論，即經濟發展在達到一定規模時其環境治理效果具有正向遞增效應。而事實上是，烏魯木齊市在其經濟發展過程中每年置于環境保護的投資也呈逐年遞增趨勢，表明烏魯木齊市在經濟發展中立足低碳城市建設，致力于環境污染的治理的宏觀政策，對碳排放總量控制起到積極作用。

4 結論與建議

4.1 結論

該文基于建設用地能源消耗視角對烏魯木齊市土地利用碳排放進行研究，在測算烏魯木齊市在土地利用凈碳排放量的基礎上，分析了土地利用結構變化、經濟發展對土地利用凈碳排放的影響效應，可知：

(1)烏魯木齊市土地利用凈碳排放總量遞增趨勢，凈碳放量的持續上升顯著地受建設用地碳排放的影響。碳匯上，各地類碳匯能力差異性明顯，其中耕地、林地碳匯能力持續上升，園地出現“上升-下降”趨勢，牧草地持續下降趨勢，建設用地碳排放量持續上升。

(2)農用地碳排放顯著受地類面積變動影響，其中耕地的碳匯能力最大，園地、林地、牧草地對土地利用碳排放的影響效應呈正負波動性變化，原因在于不同地類在發展不同時期因經濟發展和生態建設需求而出現了不同程度的變動；能源利用效率、技術進步等因素對建設用地各地類具有較強影響，如能源效率改善和技術進步后建設用地對土地利用碳排放強度的影響效應為負效應。

(3)在未達到較高經濟發展水平的情況下，經濟的持續增長促進了土地利用碳排放增長，但在達到拐點之后，碳排放呈現下降趨勢。表明碳排放發展并不隨著經濟持續增長而持續上升，驗證了烏魯木齊市土地利用過程中環境庫茲涅茲曲線的存在。

4.2 建議

(1)增匯減排，加強對土地利用的宏觀調控與布局，抑制農用地轉用，著力提高土地利用碳匯能力。低碳化發展不僅要求從碳源上有效遏制碳排放，還應盡可能增加碳匯，通過造林、生態系統的恢復、建立農林復合系統、加強森林可持續管理等措施可增加陸地生態碳吸收量，同時提高城區綠化覆蓋率，進一步增加全市林地面積，并結合干旱區城市實際情況，在生態用水供給能力范圍內積極開展碳匯林建設。

(2)提高能源利用效率和改善能源利用結構，降低建設用地碳排放，從整體上降低凈碳排放的增長趨勢，通過調整產業結構、加快技術研發、完善激勵政策和動員全民參與，實現低碳城市建設。要將發展非化石能源作為調整能源結構、建設低碳城市的重要抓手，大力推進太陽能光伏發電、風電等能源項目建設；大力推廣天然氣等清潔能源的應用，拓展應用領域，提高普及率。實施清潔生產，最大限度地控制工業生產過程中的能源浪費和溫室氣體排放，加強發展農村沼氣建設和城市垃圾焚燒發電、填埋氣發電等項目建設。

(3)抓住烏魯木齊市建設“低碳試點城市”契機，大力推行低碳經濟，加強經濟發展中的環境污染治理力度，深入推行烏魯木齊市城市發展規劃、土地利用總體規劃、生態規劃的協調與融合，實現“多規合一”，宏觀統籌經濟發展、土地利用與碳排放3者之間的關系，確保“多規”確定的保護性空間、開發邊界、城市規模等重要空間參數一致，并在統一的空間信息平臺上建立控制線體系，以實現優化空間布局、有效配置土地資源、提高政府空間管控水平和治理能力的目標，致力于提高土地利用宏觀調控效率和低碳生態城市建設。

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STUDYONEFFECTOFLANDUSESTRUCTURE,ECONOMICDEVELOPMENTANDLANDCARBONEMISSION*——ACASESTUDYOFURUMQI

FanGaoyuan1,YangJunxiao2※

(1.School of Public Administration，Nanjing Agricultural University,Nanjing，Jiangsu 210095，China；2.School of Management,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052，China)

On the basis of calculating the land use carbon emission in Urumqi,this paper analyzed the correlation effect between land use structure/economic development and carbon emissions,so as to provide the basis for low-carbon land use in the study area,using the methods of the improved gray relational model and environment EKC model.The results showed that (1) the total net land use carbon emissions showed an increasing trend,and it was significantly affected by the emissions of construction land; (2) The effect of different land types on the carbon emissions showed different characteristics.The effect of construction land on carbon emission declined,while the effects of the cultivated land was rising; (3) economic development promoted carbon emissions growth,but reached the inflection point in the 2014～2015 years,which was verified as the existence of environmental Kuznets curve.Finally,it suggested (1) strengthening the emission reduction by increasing the exchange rate,restraining the conversion of agricultural land and increasing the amount of terrestrial ecological carbon absorption; (2) developing low-carbon economy,improving energy efficiency and improving the structure of energy utilization,and reducing carbon emissions from construction land; (3) carrying out "multi regulation and one" in depth to improve the efficiency of land use macro-control and low-carbon eco city construction.

land use; carbon emission effect; improved GE model; EKC curve; Urumqi city

10.7621/cjarrp.1005-9121.20171024

2017-05-01

樊高源(1989—)，男，河南信陽人，博士生。研究方向：土地資源可持續利用

※通訊作者：楊俊孝(1964—)，男，陜西白水人，碩士、教授。研究方向：土地經濟與管理、土地資源可持續利用。Email：yjx6436@sohu.com

*資助項目：新疆高校產學研創新項目“干旱區土地利用碳排放效應研究——以烏魯木齊市為例”(XJAUCXY-YJS-20141005)

X592

A

1005-9121[2017]10177-08