基于土地利用變化的呂梁市碳排放量變化研究

白雨霞

（長安大學土地工程學院，陜西 西安 710054）

0 引言

隨著人類活動的增加，大氣中釋放出越來越多的二氧化碳等溫室氣體，溫室效應、環境污染、能源利用率低等一系列環境問題隨之產生。土地利用與碳排放研究對土地利用總體規劃、產業結構升級、節能減排、低碳經濟發展、供給側結構性改革深化、國家能源安全保障、社會經濟可持續發展具有重要意義。

目前國際研究的熱點集中在通過建立區域尺度數據庫、模擬工具箱、開展自然生態系統及人類活動下碳排放、碳循環和固碳機制等方面。國內學者則圍繞土地利用變化引起的碳排放開展了廣泛的研究，并取得了豐富的成果，主要表現在以下幾個方面：碳排放機理、碳排放效應、碳排放核算模型、碳排放影響因素等方面［1］。當前，被廣泛應用的碳排放核算模型主要有樣本調查、模型估算、遙感估算等［2］。學者們從全國、省域、市域等不同尺度出發研究土地利用的碳排放，如周嘉等通過碳排放系數法對研究區30 個省級行政區的土地利用產生的碳排放與碳吸收情況進行測算研究［3］；鄭永超等采用土地利用類型數據和能源消費數據，通過構建碳排放模型及計算相關指數，對寧夏16 年來不同土地利用碳排放效應進行了分析［4］。基于碳排放視角，不同學者對碳排放的影響因素進行了一系列研究［5］，如何小鋼對中國工業行業碳排放影響因素進行研究，發現投資規模會對碳排放產生影響［6］。

本研究從不同土地利用方式的碳排放與碳吸收入手，研究呂梁市2005—2020 年不同土地利用方式的碳排放量變化情況，探討合理利用土地、優化土地利用結構的理論意義及實際價值，以期為呂梁市的土地利用結構規劃提供思路。

1 研究區概況、數據來源與方法

1.1 研究區概況

呂梁市位于山西省中部西側，因呂梁山脈縱貫全境而得名。地理坐標為北緯36°43'～38°43'，東經110°22'～112°19'，西隔黃河與陜西省榆林市相望，東與太原市和晉中市相鄰，南與臨汾市接壤，北與忻州市為鄰。面積2.1 萬km2，占全省總面積的13.5%。全市基本屬于溫帶大陸性季風氣候區，冬寒夏暑，四季分明。市境總面積21 140 km2，下轄1個市轄區、10 個縣，代管2 個縣級市。離石區是呂梁市政府所在地，是全市政治、文化和交通中心。

1.2 數據來源

數據使用的呂梁市2005年、2015年、2020年三期土地利用數據，均由地理空間數據云平臺（http://www.gscloud.cn）的Landsat8遙感影像數據經過解譯處理得來，數據精度為30 m，所選取的影像遵循時間相近、云量最少的原則，使用ENVI 軟件進行校正、融合、鑲嵌、裁剪、監督分類等處理，識別為耕地、林地、草地、水體、建設用地、未利用地6個地類。

1.3 研究方法

1.3.1 動態度模型。土地利用動態度是指某一區域內某一時間段內某種土地利用類型面積變化程度及不同地類之間相互轉換的趨勢，主要用于反映不同空間在一定時期內的數量變化程度［7］。土地利用動態度的計算公式為式（1）。

式中：K 為研究期的土地利用動態度；Ua、Ub分別為研究期初和研究期末研究區內某地類的面積；T為研究期時長。

1.3.2 轉移矩陣。土地利用轉移矩陣是在馬爾科夫模型的基礎上建立起來的，用于反映研究期初到研究期末各地類的轉移方向與規模［7］。土地利用轉移矩陣的數學表達形式為式（2）。

式中：Sij為由地類i轉為地類j的面積，m2。

1.3.3 碳排放模型。土地利用碳排放是指人類在土地及土地上的生產要素進行改造的過程中產生的碳排放過程［8］。耕地、建設用地是碳排放的主要來源，林地、草地是碳吸收的主力軍。碳排放計算公式為式（3）。

式中：E 為碳排放總量，t；ei為不同類型土地的碳排放量，t；Ti為不同類型土地的面積，m2；di為不同類型土地的碳排放系數，t/m2。

參考相關研究［9-10］，本研究將呂梁市的耕地、林地、草地、水體和未利用地的碳吸收系數分別確定為：0.459 5 t/（hm2·a），0.612 5 t/（hm2·a），0.022 t/（hm2·a），0.025 3 t/（hm2·a），0.005 t/（hm2·a）；耕地與建設用地的碳排放系數分別為0.42 t/（hm2·a），0.733 t/（hm2·a）。

2 土地利用與碳排放時空分析

2.1 土地利用動態度分析

對2005年、2015年、2020年這三期土地利用數據進行交叉分析，得到的統計數據如表1 所示，2005—2015年，面積變化最多的是建設用地，達到了612.170 km2；變化幅度最大的是未利用地，為20.34%，不過由于該地類面積基數小，面積數量變化并不大；耕地、林地、水域面積均有所減少。2015—2020 年，除林地和建設用地少量增加，其余地類面積依然有微弱幅度的減少。總體來看，2005—2020年，耕地、林地、水域、面積減少，減少幅度分別為0.37%、0.37%、1.57%；草地、建設用地、未利用地面積有所增加，且建設用地面積增加幅度較大，達到了14.32%，增加面積達到了613.167 3 km2。

表1 2005—2020年土地利用動態度變化

2.2 土地利用轉移矩陣

借助ArcGIS 空間疊加功能，得到2005—2020年呂梁市土地利用轉移矩陣。由表2 可知，各類土地的轉入轉出方向，其中，耕地、林地、草地的轉出幅度較大，耕地的主要轉出方向為林地、草地和建設用地；林地的主要轉出方向為耕地、草地和建設用地；草地的主要轉出方式為耕地、林地和建設用地。

表2 2005—2020年土地利用轉移矩陣 單位：km2

2.3 碳排放量與碳吸收量

基于各土地利用類型的碳排放系數，計算出2005 年、2015 年、2020 年呂梁市土地利用碳排放量與碳吸收量，結果如表3 所示。由于呂梁市林地面積較大，各年份的碳吸收總量遠大于碳排放總量。從總體趨勢上來看，呂梁市碳排放量總體呈現上升趨勢，碳吸收量則逐年下降趨勢。

3 結論

本研究基于土地利用數據，對呂梁市2005—2020 年的土地利用變化與碳排放變化進行研究。2005—2020年，呂梁市各土地利用類型之間的相互轉換較為顯著，建設用地的變化尤為明顯，呈明顯增加趨勢。經分析發現，建設用地的碳排放對碳排放總量貢獻最大；林地碳吸收量則是碳匯的主要來源。導致這種現象的主要原因可能是呂梁地區經濟發展滯后，近年來通過城鎮化建設來發展經濟，建設用地擴張加劇。研究結果還表明呂梁市碳排放量與碳吸收量均呈現逐年增加的態勢，但土地利用碳吸收并不能作為主要的碳吸收方式，呂梁市能源消耗較大，主要應該從技術方向入手，節能減排，轉變能源結構，提倡使用綠色能源，從而減緩碳排放量的增加趨勢，進一步達到保護生態環境的目的。