華容縣土地利用結(jié)構(gòu)碳效應(yīng)核算與低碳優(yōu)化

盧華杉，吳 丹，毛德華

（湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410081）

2019 年7 月，世界氣象組織稱，由于目前全球的溫室氣體濃度還在攀升，氣溫升高以及海洋酸化仍在加劇，2015—2019 年很有可能成為有氣溫記錄以來最熱的5 年［1］。目前，溫室效應(yīng)引起的氣候持續(xù)變暖已經(jīng)成為威脅人類生存的巨大挑戰(zhàn)，應(yīng)對(duì)全球氣候的重大變化是如今全人類關(guān)注的重要問題。IPCC 第五次評(píng)估報(bào)告指出，20 世紀(jì)50 年代以來的化石燃料燃燒和土地利用變化等人類活動(dòng)很大程度上（95%以上可能性）導(dǎo)致了全球大部分地區(qū)氣候變暖［2］。據(jù)估算，1850—1990 年，土地利用變化導(dǎo)致的CO2排放大約是化石燃料燃燒導(dǎo)致的CO2排放的1/2，并且全球土地利用引起的碳排放量是1850—1998 年以來人類活動(dòng)引起的碳排放總量的 1/3［3，4］。但科學(xué)合理的土地利用結(jié)構(gòu)可以將已經(jīng)損耗的碳重新固定在60%～70%［5］。中國是世界上最大的發(fā)展中國家并且發(fā)展速度領(lǐng)先于世界，但多以能源消耗和犧牲環(huán)境為代價(jià)。2008 年，中國碳排放已排在世界第一［6］。從2010 年中國發(fā)布了以“通過土地利用調(diào)控來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)”的“69 號(hào)”《通知》可見，從土地利用的角度開展碳排放研究不僅在評(píng)估人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響方面邁出基礎(chǔ)性一步，而且在推動(dòng)全球大背景下經(jīng)濟(jì)低碳轉(zhuǎn)型和實(shí)現(xiàn)全人類可持續(xù)發(fā)展方面更具有戰(zhàn)略意義［7］。

國內(nèi)土地利用低碳研究始于20 世紀(jì)90 年代，主要研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)碳排放的影響［8-10］、不同土地利用類型的碳效應(yīng)核算［11-13］、土地低碳利用結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)與優(yōu)化［14-16］、低碳土地利用模式與策略［17-19］等方面。國外土地利用碳排放的研究要比國內(nèi)早，主要研究方向是影響碳排放的土地利用要素分析［20，21］、城市化進(jìn)程的碳動(dòng)態(tài)分析［22-24］、城市空間的碳通量模擬［25，26］等。國內(nèi)外學(xué)者在碳排放研究領(lǐng)域的成果相當(dāng)豐碩，也為后繼學(xué)者的低碳研究提供了大量可供參考的理論成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。但是學(xué)者們針對(duì)目前國內(nèi)的土地低碳研究也存在些許不足：一是對(duì)于小區(qū)域（如縣域）的理論研究及實(shí)際應(yīng)用較少，而是多集中于大區(qū)域或城市地區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)的低碳研究；二是在不同的土地利用結(jié)構(gòu)碳效應(yīng)核算研究中，不太關(guān)注其他農(nóng)用地、水域、水利設(shè)施用地和未利用地的碳匯，導(dǎo)致研究結(jié)果與實(shí)際不太吻合。因此，增加縣域中其他農(nóng)用地、水域、水利設(shè)施用地和未利用地的碳匯分析，會(huì)增強(qiáng)小尺度區(qū)域土地低碳利用的可行性，同時(shí)也可為新時(shí)期縣鄉(xiāng)等基本規(guī)劃單元的生態(tài)文明建設(shè)以及“多規(guī)合一”的國土空間規(guī)劃制定提供一條低碳新思路。

1 研究區(qū)域概況

華容縣隸屬于湖南省岳陽市，地處湖南省的最北面，地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°18′—113°01′，北緯29°10′—29°48′。北倚長(zhǎng)江，南臨洞庭湖，境內(nèi)湖泊河流眾多。地貌類型主要為平原、丘陵。在長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶和洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的建設(shè)和發(fā)展中，華容縣發(fā)揮著得天獨(dú)厚的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和自然優(yōu)勢(shì)，成為其不可或缺的重要部分［27］。華容縣生態(tài)環(huán)境優(yōu)越，是湖南省園林縣城，森林覆蓋率高達(dá)38%。十二五期間，單位GDP 能耗下降了24%。“發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，建設(shè)綠色城市”也是十三五期間的奮斗目標(biāo)。在十四五規(guī)劃到來之際，綠色立體交通走廊正在建設(shè)并投入運(yùn)營(yíng)之中，沿江地區(qū)的綠色能源產(chǎn)業(yè)也在蓬勃發(fā)展，并以長(zhǎng)江水岸生態(tài)景觀產(chǎn)業(yè)為依托打造沿江生態(tài)休閑走廊。總之，華容縣在新時(shí)期的長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶中發(fā)揮著獨(dú)特的地理優(yōu)勢(shì)，其低碳經(jīng)濟(jì)總體上發(fā)展態(tài)勢(shì)較好。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要來源于《華容縣統(tǒng)計(jì)年鑒》《華容縣土地利用總體規(guī)劃（2006—2020）》《華容縣縣城總體規(guī)劃（2006—2020）》《華容縣國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》等資料數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)是通過查閱資料文獻(xiàn)以及基礎(chǔ)計(jì)算所得。

2.2 碳效應(yīng)核算

查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)和資料，結(jié)合《IPCC 溫室氣體排放清單指南》，核算各類碳庫，再依據(jù)各類土地利用類型的碳效應(yīng)機(jī)理，劃分出進(jìn)行不同碳匯的土地類型。結(jié)合《華容縣2006—2020 年土地利用總體規(guī)劃》中 2006 年、2014 年、2020 年土地利用結(jié)構(gòu)（表1），借鑒和參考土地利用碳效應(yīng)測(cè)算的方法［28-30］，確定碳效應(yīng)評(píng)估參數(shù)（表2、表3），再在此基礎(chǔ)上，估算出華容縣 2006 年、2014 年和 2020 年規(guī)劃年不同土地利用類型的碳儲(chǔ)量、碳排放、碳吸收和轉(zhuǎn)換碳效應(yīng)等。

表1 華容縣2006年、2014年和2020年規(guī)劃年土地利用結(jié)構(gòu)（單位：hm2）

2.3 多目標(biāo)線性規(guī)劃模型

運(yùn)用多目標(biāo)線性規(guī)劃模型解決多目標(biāo)、多變量的方案最優(yōu)問題，依據(jù)土地分類系統(tǒng)與2020 年華容縣各類土地利用碳效應(yīng)評(píng)估參數(shù)，選取土地利用類型作為決策變量，對(duì)以碳儲(chǔ)量最大化、碳排放最小化、碳吸收最大化為目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)求解，得出下一目標(biāo)年華容縣土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

表2 華容縣2006年、2014年和2020年規(guī)劃年土地利用結(jié)構(gòu)碳儲(chǔ)量和碳排放評(píng)估參數(shù) （單位：t/hm2）

表3 華容縣2006 年、2014 年和2020 年規(guī)劃年土地利用結(jié)構(gòu)碳吸收和轉(zhuǎn)變碳效應(yīng)評(píng)估參數(shù) （單位：t/hm2）

2.3.1 模型構(gòu)建 線性規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)方程式如下：

式中，MaxF（Xct）為碳儲(chǔ)量的最大值，MinF（Xce）為碳排放的最小值，MaxF（Xci）為碳吸收的最大值；Xi為各土地利用類型的面積（hm2），Cti為 2020 年各土地利用類型的碳儲(chǔ)量系數(shù)（t/hm2），Cei為 2020 年各土地利用類型的碳排放系數(shù)，Cii為2020 年各土地利用類型的碳吸收系數(shù)（t/hm2）。

2.3.2 決策變量設(shè)置 依據(jù)研究需要和華容縣土地利用的現(xiàn)狀特點(diǎn)、土地利用分類系統(tǒng)，選擇10 種土地利用類型作為決策變量。再根據(jù)《華容縣土地利用總體規(guī)劃（2006—2020）》《華容縣縣城總體規(guī)劃（2006—2020）》《華容縣國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》的約束目標(biāo)和華容縣實(shí)際發(fā)展情況構(gòu)建變量（Xi）的限值（表4）。

表4 土地利用結(jié)構(gòu)低碳優(yōu)化決策變量設(shè)置 （單位：hm2）

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用碳效應(yīng)計(jì)算結(jié)果與分析

3.1.1 土地利用碳效應(yīng)計(jì)算結(jié)果 碳效應(yīng)計(jì)算結(jié)果是基于 3 期（2006 年、2012 年、2020 年）規(guī)劃年份的基礎(chǔ)計(jì)算所得，結(jié)果見表5。由表5 可知，碳儲(chǔ)量方面，2020 年碳儲(chǔ)量將比 2006 年增加 96.00 萬 t，尤其體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)用地方面，其中耕地的碳儲(chǔ)量增加51.75萬t，園地的碳儲(chǔ)量增加110.75 萬t，林地的碳儲(chǔ)量增加54.18 萬t，但是其他農(nóng)用地和水域的碳儲(chǔ)量在減少，分別減少了 12.28 萬、79.99 萬 t，在總量上影響了碳儲(chǔ)量的大幅度增加。碳排放方面，2020 年的碳排放量比2006 增加了31.20 萬t；建設(shè)用地的碳排放量為主要增加來源，其中居民點(diǎn)及工礦用地增加了22.64 萬 t，交通運(yùn)輸用地增加了 2.88 萬 t；農(nóng)用地和其他農(nóng)用地的碳排量增幅不明顯，水域碳排放減少了2.21 萬t。碳吸收方面，2020 年土地利用的碳吸收量與2006 年相比減少了0.72 萬t，減幅較小，減少主要在水域與水利設(shè)施用地類型，分別減少4.17萬t和0.24萬t，但林地的碳吸收增加了3.54萬t。轉(zhuǎn)變土地利用的碳效應(yīng)方面，2020 年土地利用類型轉(zhuǎn)變后的碳排放量為 10.53 萬 t，較 2006 年增加了 9.99 萬 t，主要是建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致碳排放量增加，其中轉(zhuǎn)變?yōu)榫用顸c(diǎn)及工礦用地導(dǎo)致的碳排放量增加了8.94萬t，轉(zhuǎn)變?yōu)榻煌ㄟ\(yùn)輸用地的碳排放量增加了0.97萬t，轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌ㄔO(shè)用地的碳排放量增加了0.23萬t。

3.1.2 土地利用碳效應(yīng)分析

1）碳儲(chǔ)量方面。碳儲(chǔ)量增大，表明按現(xiàn)有規(guī)劃進(jìn)行土地經(jīng)營(yíng)管理，土地利用的碳蓄積能力將會(huì)明顯增強(qiáng)。尤其是農(nóng)用地的碳蓄積增幅較大，但是碳蓄積的增長(zhǎng)總量不高，主要體現(xiàn)在其他農(nóng)用地和水域的碳儲(chǔ)量在持續(xù)下降。因此，在重視農(nóng)用地生態(tài)保護(hù)的同時(shí)還應(yīng)該關(guān)注其他農(nóng)用地和水域的治理和保護(hù)，如合理利用設(shè)施農(nóng)用地，避免田埂坡間的撂荒和水土流失，合理利用和保護(hù)水資源。

2）碳排放以及轉(zhuǎn)變碳效應(yīng)方面。碳排放主要是建設(shè)用地的碳排量增加較明顯，土地利用類型的轉(zhuǎn)變碳效應(yīng)主要是轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地而產(chǎn)生的碳排放，二者碳排放總量不高，但是在逐漸增加。華容縣應(yīng)該在進(jìn)行資源環(huán)境承載力評(píng)價(jià)和國土空間開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上合理確定城鎮(zhèn)發(fā)展邊界和城鎮(zhèn)規(guī)模，合理控制建設(shè)用地的規(guī)模，保持科學(xué)合理的漲速。實(shí)施土地用途管制制度，嚴(yán)格控制農(nóng)用地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變。同時(shí)，建設(shè)用地之上的房建、基建設(shè)施也應(yīng)該盡量用健康、環(huán)保的材料。

3）碳吸收方面。碳吸收總量減少量不大，主要是林地碳吸收量增加。水域和水利設(shè)施用地的碳吸收量在減少，一要注意保護(hù)水生態(tài)健康；二要減少不合理的圍湖造田；三要合理開發(fā)和利用水利設(shè)施用地，可以適當(dāng)增加水利設(shè)施用地的綠化。林地的碳吸收量在增加，表明華容縣退耕還林政策具有明顯的效果，應(yīng)該進(jìn)一步保護(hù)和合理開發(fā)林地，明確生態(tài)用地的范圍，確定生態(tài)用地的規(guī)模。

表5 華容縣2006 年、2014 年、2020 年規(guī)劃年不同土地利用類型的碳效應(yīng) （單位：萬t）

3.2 土地利用結(jié)構(gòu)低碳優(yōu)化方案與分析

運(yùn)用Lingo 軟件對(duì)優(yōu)化模型求解，預(yù)測(cè)出基于2020 年規(guī)劃目標(biāo)的下一規(guī)劃目標(biāo)年碳效應(yīng)各角度最優(yōu)的3 種土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。為了方便各優(yōu)化方案和規(guī)劃方案橫向?qū)Ρ榷玫阶罴训墓烫挤桨福栽O(shè)定土地利用的綜合碳蓄積量（碳儲(chǔ)量、碳排放量、碳吸收量和轉(zhuǎn)變碳效應(yīng)量疊加所得）作為對(duì)比指標(biāo)，結(jié)果見表6。預(yù)測(cè)方案與2020 年原規(guī)劃方案相比，得出以下結(jié)論。

優(yōu)化方案一（碳儲(chǔ)量最大化方案）能明顯增加華容縣的碳儲(chǔ)量，比規(guī)劃方案增加了51.49 萬t。園地和林地面積分別增加了249.12 hm2和147.90 hm2，建設(shè)用地增加了155.88 hm2，其中居民點(diǎn)及工礦用地的面積比規(guī)劃方案減少了38.17 hm2，但碳儲(chǔ)量反而比規(guī)劃方案增加了69.11 萬t。原因：一是鄉(xiāng)村振興背景下的新農(nóng)村建設(shè)將農(nóng)村居民點(diǎn)進(jìn)行了科學(xué)合理的整理；二是居民點(diǎn)綠化和工礦土地生態(tài)修復(fù)提高了居民點(diǎn)和工礦土地的碳綜合蓄積能力。

優(yōu)化方案二（碳排放最小化方案）能降低華容縣的碳排放量，比規(guī)劃方案減少0.63 萬t。其中，居民點(diǎn)及工礦用地面積比規(guī)劃方案減少了230.07 hm2，碳排放量反而減少了0.08 萬t；交通運(yùn)輸用地面積比規(guī)劃方案減少了234.84 hm2，碳排放量減少了0.75萬t，主要是道路綠化帶和節(jié)能建筑材料增加了碳吸收。這說明在此優(yōu)化方案下，建設(shè)用地的瘋狂擴(kuò)張能得到有效控制，而且建設(shè)用地利用也注重生態(tài)環(huán)保，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的低碳運(yùn)行。

優(yōu)化方案三（碳吸收最大化方案）的碳吸收量增加不明顯，比規(guī)劃方案增加了0.20 萬t。在方案三中，耕地、林地、園地分別增加了351.63、221.60、147.90 hm2，說明碳吸收增加是由于耕地、林地、園地的增加導(dǎo)致的。其中，林地的碳吸收量最大，比規(guī)劃方案增加了0.17 萬t，說明植樹造林、退耕還林、生態(tài)林等林地保護(hù)措施成效顯著。居民點(diǎn)及城鎮(zhèn)工礦和水利設(shè)施用地的碳吸收量也有一定程度的增加，主要是由于建設(shè)用地生態(tài)修復(fù)、居民點(diǎn)整理和綠化設(shè)施建設(shè)等原因增加了碳吸收。

表6 3 種土地利用結(jié)構(gòu)最大化方案

總體上，3 種優(yōu)化方案的綜合碳蓄積能力都比2020 年的規(guī)劃方案強(qiáng)，其中方案一（碳儲(chǔ)量最大化方案）的碳綜合蓄積能力最強(qiáng)，為2 304.85 萬t，因此選取方案一作為華容縣土地利用結(jié)構(gòu)低碳優(yōu)化參考。在此優(yōu)化方案下，華容縣下一規(guī)劃期始的土地利用結(jié)構(gòu)：農(nóng)用地總面積為118 329.31 hm2，其中耕地71 223.70 hm2、園地 8 744.80 hm2、林地18 790.87 hm2、其他農(nóng)用地19 569.94 hm2；建設(shè)用地總面積為18 337.90 hm2，其中居民點(diǎn)及工礦用地14 207.55 hm2、交通運(yùn)輸用地1 329.83 hm2、水利設(shè)施用地2 459.57 hm2、其他建設(shè)用地340.95 hm2。

4 結(jié)論與展望

華容縣的土地利用碳效應(yīng)分析以及低碳型土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化，本質(zhì)上是將低碳的理念融入到土地經(jīng)營(yíng)管理中，具體是在土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案之中加入碳效應(yīng)指標(biāo)，通過 2006 年、2014 年、2020 年 3 期規(guī)劃年土地利用碳效應(yīng)狀況分析、構(gòu)建低碳土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案碳效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)、多目標(biāo)線性規(guī)劃模型對(duì)十三五規(guī)劃期末最優(yōu)方案求解后得出以下結(jié)論：①低碳的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化可有助于土地利用的生態(tài)效益，也可為新一輪國土空間規(guī)劃提供一條新的低碳思路。②按照現(xiàn)有《華容縣2006—2020 年土地利用總體規(guī)劃》引領(lǐng)下的土地利用結(jié)構(gòu)，到2020 年末，農(nóng)用地碳儲(chǔ)量明顯增加，建設(shè)用地碳排放和轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地的碳排放增幅不大，林地為主要碳吸收的土地類型但總量不大，水域的碳蓄積和碳吸收能力不強(qiáng)，有待提高。③華容縣新一輪規(guī)劃最優(yōu)低碳土地利用結(jié)構(gòu)為耕地71 223.70 hm2、園地8 744.80 hm2、林地18 790.87 hm2、其他農(nóng)用地19 569.94 hm2、居民點(diǎn)及工礦用地14 207.55 hm2、交通運(yùn)輸用地1 329.83 hm2、水利設(shè)施用地2 459.57 hm2、其他建設(shè)用地340.95 hm2。

基于上述研究結(jié)論，說明華容縣農(nóng)用地的利用方式在朝著低碳方向良好發(fā)展，尤其是農(nóng)用地的生態(tài)保護(hù)效果顯著，這在生態(tài)保護(hù)優(yōu)先以實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生的新時(shí)期具有時(shí)代的現(xiàn)實(shí)意義。不足之處在于不同的土地利用類型所對(duì)應(yīng)的碳效應(yīng)核算可能存在一定的誤差，部分核算是根據(jù)已有的相關(guān)研究成果和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)所得，未對(duì)研究區(qū)域的現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行驗(yàn)證，土地利用結(jié)構(gòu)的低碳優(yōu)化模型只考慮了碳效應(yīng)最優(yōu)，沒有綜合加入其經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益的目標(biāo)函數(shù)。因此，后續(xù)的研究可以進(jìn)一步嘗試建立基于低碳、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)三者效益綜合最優(yōu)模型；嘗試在新一輪國土空間規(guī)劃中，融入低碳的理念，展開各專題規(guī)劃的碳減排實(shí)證研究；結(jié)合生態(tài)空間的開發(fā)，實(shí)行基于低碳的國土空間用途管制分區(qū)制度；在博弈分析的基礎(chǔ)上明確政府、農(nóng)民和社會(huì)團(tuán)體機(jī)構(gòu)的權(quán)利義務(wù)，保護(hù)農(nóng)民作為弱勢(shì)一方的合法權(quán)益，完善低碳型土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案實(shí)施的監(jiān)督機(jī)制。