碳達(dá)峰背景下廣西不同土地利用方式碳足跡效應(yīng)分析

黃繼鮮，楊小雄，廖丹嬋

(南寧師范大學(xué) 自然資源與測(cè)繪學(xué)院，廣西 南寧 530001)

1 引言

2020年12月12日，習(xí)近平總書記在氣候雄心峰會(huì)上發(fā)表重要講話，宣布我國將采取更加有力的政策和措施，力爭(zhēng)2030年前達(dá)到碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。而土地利用布局及其人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)固碳釋養(yǎng)及二氧化碳的排放有著極為顯著的影響，廣西作為西南地區(qū)連接粵港澳大灣區(qū)的重要樞紐，在尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展鞏固脫貧攻堅(jiān)成果的同時(shí)，研究其土地利用方式與碳排放的關(guān)系對(duì)優(yōu)化國土空間布局、制定高效的節(jié)能減排政策具有重要意義。我國在碳排放測(cè)算、土地利用碳排放效應(yīng)等也成為當(dāng)前的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。王安靜等通過投入產(chǎn)出模型計(jì)算我國30個(gè)省份各行業(yè)的碳排放量及其轉(zhuǎn)移[2]。鄧吉祥等則是通過LMDI分解法分析我國碳排放的影響效應(yīng)及其各區(qū)域間的差異及演變特征[3]。葛全勝等搜集大量資料研究我國過去300年土地利用及其覆被變化與碳循環(huán)之間的關(guān)系，通過研究發(fā)現(xiàn)土地利用方式及其覆被變化對(duì)碳源碳匯的循環(huán)有著較大的影響作用[4]。此外，劉紀(jì)遠(yuǎn)等也研究了1990～2000年林地、草地、耕地間的土地利用變化對(duì)土壤碳氮蓄積量的影響[5]。很多學(xué)者主要集中于土地利用與碳排放及碳足跡的關(guān)系研究。李穎等學(xué)者對(duì)我國不同區(qū)域不同時(shí)間尺度的土地利用的碳排放或是碳足跡進(jìn)行研究[6～8]；而彭文甫等學(xué)者在此基礎(chǔ)上作了較為深入的時(shí)空格局分異研究[9～11]；也有不少學(xué)者研究了其生態(tài)補(bǔ)償?shù)臏y(cè)算及標(biāo)準(zhǔn)[12，13]。其中，部分學(xué)者基于脫鉤理論、庫茲涅茨曲線模型對(duì)土地利用碳排放、能源消費(fèi)與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的關(guān)系進(jìn)行了研究，預(yù)測(cè)碳排放的拐點(diǎn)[15～18]。從以上研究進(jìn)行綜合分析，我國土地利用與碳排放研究涉及不同區(qū)域不同領(lǐng)域及不同的時(shí)間尺度，但研究領(lǐng)域并不均衡，部分地區(qū)研究較廣泛，而廣西作為喀斯特地貌廣布的地區(qū)其土地利用與碳排放的關(guān)系研究較少。近幾年廣西在城鎮(zhèn)化、工業(yè)化快速發(fā)展中消耗大量化石能源，排放較多的二氧化碳，環(huán)境問題凸顯。因此，本研究在充分借鑒我國其他較為成熟的研究區(qū)域及方法的基礎(chǔ)上，在碳達(dá)峰背景下基于土地利用的碳排放及碳足跡模型對(duì)廣西碳排放效應(yīng)進(jìn)行了分析研究，為廣西平衡經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)、合理調(diào)整土地利用布局提供政策建議。

2 研究區(qū)概況

廣西(20°54′～26°24′N，104°28′～112°04′E)地處中國地勢(shì)第二階梯中云貴高原東南邊緣，兩廣丘陵西部，地勢(shì)西北高、東南低，呈現(xiàn)西北向東南傾斜。主要為山地丘陵性盆地地貌，四周多被山地、高原環(huán)繞，中部和南部多丘陵平地。廣西境內(nèi)喀斯特地貌廣布，集中連片分布于桂西南、桂西北、桂中和桂東北，山地以海拔800 m以上的中山為主。土地總面積23.76萬km2，山多地少，2013年度土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)顯示耕地面積442.54萬hm2，人均耕地約0.09 hm2。截至2019年末，常住人口4960萬人，生產(chǎn)總值21237.14億元。

3 研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文選取的2009～2016年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來源于國家自然資源部網(wǎng)站，借助中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒獲取煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然氣等化石能源數(shù)據(jù)的能耗數(shù)據(jù)，并將其分為煤炭類、油類、天然氣三大類，此外，社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)通過廣西統(tǒng)計(jì)年鑒獲取。

3.2 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵與均衡度

土地利用結(jié)構(gòu)信息熵可用來表示土地利用的有序程度，其反映一定區(qū)域內(nèi)的土地利用結(jié)構(gòu)在某個(gè)時(shí)間尺度內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化及轉(zhuǎn)換程度，熵值越大，說明其不確定性越大越無序，土地利用類型越多樣[19]。

(1)

即土地利用均衡度為信息熵與其最大熵的比值，B值得范圍為0-1之間，B值越大，說明土地利用結(jié)構(gòu)的均質(zhì)性越強(qiáng)。

3.3 碳排放估算模型

本文通過測(cè)算不同土地利用類型的碳吸收及碳排放的情況來分析廣西的碳排放效應(yīng)，根據(jù)前人相關(guān)研究，研究區(qū)域?qū)⒏亍⒔ㄔO(shè)用地作為碳源，林地、草地、園地作為碳匯來進(jìn)行研究。碳排放測(cè)算模型為：

(2)

式(2)中，E為總碳排放量，e為不同土地利用方式產(chǎn)生的碳排放量，Ai為第i種土地利用方式(耕地、林地、草地、園地)的面積，為其碳排放(吸收)系數(shù)，fi為建設(shè)用地的碳排放量；mj表示第j種化石能源的能耗量，βj為標(biāo)準(zhǔn)煤換算系數(shù)，γj為不同類型的化石能源的碳排放系數(shù)。

參考以往研究成果[6,20,21]，耕地、林地、草地、園地的碳排放系數(shù)分別為0.422、0.581、0.021、0.210 t/(kg·a)，根據(jù)IPCC《國家溫室氣體排放清單》確定各種化石能源的標(biāo)準(zhǔn)煤換算系數(shù)及碳排放系數(shù)，具體見表1。

表1 不同種能源的標(biāo)準(zhǔn)煤折算系數(shù)和碳排放系數(shù)

3.4 碳足跡模型

根據(jù)生態(tài)足跡的提出及計(jì)算，前人研究提出基于能源消費(fèi)的碳足跡計(jì)算方法，碳足跡即吸收人類活動(dòng)產(chǎn)生的溫室氣體所需要的生物生產(chǎn)性土地面積，受到研究數(shù)據(jù)的限制，本研究只考慮林地、草地的碳吸收能力，計(jì)算基于化石能源的碳足跡模型[9]。

(3)

(4)

Ed=Cf-Ec

(5)

式(3)～(5)中，Cf為總的化石能源碳足跡(hm2)，mj為第j種化石能源的能耗量，βj為標(biāo)準(zhǔn)煤折算系數(shù)，γj為碳排放系數(shù)；Ec為生態(tài)承載力(hm2)，Cs為不同種土地利用方式的碳吸收量(t)，Ed為生態(tài)赤字(hm2)，Pf、Pg為林地、草地的碳吸收比例，EPf、EPg分別為林地、草地的碳吸收能力，即NEP(t C/hm2)，也就是吸收1 t二氧化碳所需要的林地和草地的面積。參考前人碳足跡的計(jì)算方法，Pf、Pg、EPg、EPg的取值如表2[22]。

表2 主要生產(chǎn)性土地碳吸收系數(shù)

4 結(jié)果與分析

4.1 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵及均衡度分析

2009～2016年，耕地、園地、林地、草地的面積逐年遞減，但后面幾年遞減的趨勢(shì)有所緩慢，相反，城鎮(zhèn)村及空曠用地、交通運(yùn)輸用地等建設(shè)用地的面積在這8年間不斷遞增，2008年全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)后，各國的經(jīng)濟(jì)開始復(fù)蘇，工業(yè)得到了快速發(fā)展，廣西的城鎮(zhèn)化率從2009年39.20%上升到48.08%，增長(zhǎng)了8.88%，即耕地面積不斷減少，建設(shè)用地的面積不斷增多的原因。

但從表3中分析可知，廣西2009～2016年的土地利用信息熵和均衡度雖然變動(dòng)幅度不大，但也有緩慢的上升，且均衡度均為0.8以上，處于較高的尺度范圍，說明這8年間廣西的土地利用結(jié)構(gòu)較為均衡。

表3 2009～2016年廣西土地利用結(jié)構(gòu)與信息熵及均衡度

4.2 土地利用碳排放效應(yīng)分析

從表4可分析出，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，經(jīng)濟(jì)大力發(fā)展的同時(shí)，相對(duì)因消耗大量的化石能源而產(chǎn)生較多的二氧化碳，其比例占到90%以上，使得建設(shè)用地成為主要的碳源。但建設(shè)用地的碳排放量在2009-2016年間出現(xiàn)先升高后遞減又升高的趨勢(shì)，其變化波動(dòng)較大，究其原因與國家倡導(dǎo)的節(jié)能減排政策和人口的變化有關(guān)。其凈碳排放量從2009年到2016年增長(zhǎng)了2231.13×104t，增長(zhǎng)率為66%。此外，在2009～2016年間隨著林地、草地和園地面積的減少，其系統(tǒng)的碳吸收能力也逐年降低，總的碳吸收從2009年805.09萬t在2016年降到了802.08萬t，變化了3.01萬t，從中也可以看出草地和園地的碳吸納能力較弱，林地成為主要的碳匯。

表4 2009～2016年廣西土地利用碳源/匯變化情況

從中說明土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)碳循環(huán)的影響較大，合理優(yōu)化國土空間布局，嚴(yán)格控制建設(shè)用地的無序擴(kuò)張，加大森林生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和較為有效地途徑。

4.3 土地利用碳排放強(qiáng)度

碳排放強(qiáng)度是指單位GDP的碳排放量，通過廣西統(tǒng)計(jì)年鑒獲取的碳排放強(qiáng)度及GDP數(shù)據(jù)分析可知，從2009～2016年，經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但增長(zhǎng)的速度有所放緩。2009～2011年間先是較大幅度的下降，變化幅度為0.17t/萬元，2011～2014年和2014～2016年下降的速度較為緩慢，其下降速度僅分別為0.07t/萬元、0.06t/萬元，這與該兩個(gè)時(shí)間段的人口變動(dòng)和能耗量及國家倡導(dǎo)的節(jié)能減排有緊密的關(guān)系。此外，碳排放強(qiáng)度從2009～2016年遞減了4.2%(圖1)，而經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的速度為6.3%，碳排放強(qiáng)度遞減的速度小于經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的速度，兩者較難實(shí)現(xiàn)均衡。

圖1 2009～2016年廣西GDP和碳排放強(qiáng)度變化情況

4.4 能源消費(fèi)碳足跡

通過碳足跡模型計(jì)算每年吸收所有化石能源所排放的CO2需要的林地及草地的面積及生態(tài)承載力，其結(jié)果如表5。從中可以看出，化石能源中煤炭類的碳足跡占比最大，天然氣占比最小。化石能源碳足跡總體呈現(xiàn)不斷升高的趨勢(shì)，2009年到2016年從1158.354萬hm2增加到1803.160萬hm2，增加了644.806萬hm2，隨之相對(duì)應(yīng)人均碳足跡總體也呈不斷上升的趨勢(shì)。雖然近幾年國家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排，但隨著人口及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，化石能源消耗較快，生產(chǎn)性土地面積逐年減少，生態(tài)赤字在8年的增長(zhǎng)率為69%，生態(tài)承載力遠(yuǎn)小于生態(tài)赤字，其差異顯著，說明生產(chǎn)性土地面積所吸收的碳量難以補(bǔ)償能耗產(chǎn)生的碳排放，因此，在廣西嚴(yán)格控制煤炭等化石能源的排放及持續(xù)推進(jìn)節(jié)能減排政策的施行、開發(fā)更多可替代的清潔能源是當(dāng)前亟待解決的問題。

表5 2009～2016年廣西能源消費(fèi)碳足跡 萬hm2

5 結(jié)論及討論

(1)8年間廣西經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)及城鎮(zhèn)化的過程中，城市不斷擴(kuò)張導(dǎo)致耕地、林地、草地、園地的面積總體呈逐年下降的趨勢(shì)，但下降的幅度有所放緩。相反，土地利用信息熵和均衡度總體緩慢升高，均衡度均為0.8以上，處于較高水平，土地利用結(jié)構(gòu)多樣化且較為均衡。

(2)建設(shè)用地人類活動(dòng)大量消耗化石能源使其成為主要的碳排放來源，碳排放量在8年間變化浮動(dòng)較大，其凈碳排放量從2009年到2016年增長(zhǎng)了2231.13×104t，增長(zhǎng)率為66%。隨著林地、草地等生產(chǎn)性土地面積的減少，其碳吸收能力也隨之變?nèi)酰渲辛值厥侵饕奶紖R。國家“退耕還林”“節(jié)能減排”等政策的施行對(duì)碳排放的具有一定的抑制作用。因此，優(yōu)化國土空間布局、控制建設(shè)用地面積的無序擴(kuò)張、加大林地面積、減少化石能源的消耗等是減少碳排放的有效途徑。

(3)2009～2016年廣西的經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐年提升，但單位GDP的碳排放量逐年降低，雖然降低的幅度不大，但也說明廣西在追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程也注重生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量，并響應(yīng)國家號(hào)召采取相對(duì)應(yīng)的措施取得一定的成效。

(4)通過能源消費(fèi)碳足跡模型分析可得，在各類不同的化石能源消費(fèi)中，煤炭類是主要的碳排放能源，化石能源碳足跡在8年間呈小幅度上升的趨勢(shì)，生態(tài)赤字明顯，林地、草地等生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收不足以承載建設(shè)用地人類活動(dòng)能耗產(chǎn)生的碳排放量，有效控制化石能源消費(fèi)是亟需解決的問題。

(5)土地利用方式與碳排放密切相關(guān)，影響顯著。因此，廣西在鞏固脫貧攻堅(jiān)成果尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中，也要采取相應(yīng)措施減少化石能源消耗、探索清潔能源的開發(fā)，有效控制碳排放總量及碳排放強(qiáng)度，調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，增大碳匯總量，將這些與非化石能源比重納入廣西各地空間規(guī)劃指標(biāo)體系，尋求穩(wěn)步、綠色低碳的發(fā)展模式。