土地整治工程碳效應測算研究
——以河北省景縣為例

李雅楠，胡永翔，2，尚國琲，2，張霞，2

（1.河北地質大學土地科學與空間規劃學院，河北石家莊 050031；2.河北省國際科技合作基地：河北地質大學河北省農業干旱遙感監測國際聯合研究中心，河北石家莊 050031）

0 引言

我國當前正處于經濟轉型的關鍵時期，基于工業化的產業結構和人口眾多的現狀，我國大力發展低碳經濟和綠色產業。土地利用活動對土壤和植被碳庫均會造成不同程度的破壞，同時各種農業投入和機械化生產成為了二氧化碳等碳氣體排放的直接碳源［1］。土地整治工程可以改變土地利用結構和利用方式，但在施工過程中能源消耗帶來的碳排放對項目區的生態環境和碳平衡產生重要影響。

目前國內學者對于土地整治項目碳效應的研究較少，多集中在土地整治的內涵［2］、政策法規［3］、整治模式［4］和效益評價研究［5］，只有少數對土地整治的碳效應機理［6］和碳效應測算［7，8］進行分析研究。土地整治工程涉及到土地利用結構、利用方式、整治后的農田管理以及工程施工等多種方面，是一項復雜的土地利用系統工程。以往研究多基于土地利用變化帶來的碳儲量進行測算，無法綜合反應土地整治項目對研究區碳平衡的影響狀況。因此，本文以河北省景縣洚河流鎮土地整治項目為例，從工程施工、土地利用結構和農田管護三個角度研究土地整治工程碳效應，實現碳源和碳匯之間的轉化，提高土地的生態價值，更好地應對全球氣候變化。

1 研究方法

土地整治工程主要包括土地平整工程、灌溉與排水工程、田間道路工程和農田防護與生態環境保持工程。本文主要從工程施工的碳排放效應、土地利用結構碳效應和農田管護碳效應3 個方面進行測算。從時間上看，工程施工的碳排放屬于短期碳效應，土地利用結構和農田管護碳效應屬于長期碳效應。研究框架如圖1所示。

圖1 研究框架圖Fig.1 Research framework diagram

1.1 工程施工碳效應核算

工程實施過程產生的碳排放主要來源于兩個方面：一是平整土地、修建溝渠、翻修道路等施工活動需要大量機械的投入，消耗汽油、柴油等燃料，產生碳排放；另一方面是各種物料的投入，例如石灰、混凝土、鋼鐵以及PVC 管等，使用這些物料不存在碳排放，但因為運輸成本等原因，所用物料均由研究區內工廠生產，在生產這些物料時會產生碳排放。此部分碳效應采用物料衡算法［9］來測算，具體測算模型如下：

式中：C工為工程施工碳排放總量，t；MCi為i種能源及物料的使用量，kg；ECi為i種能源及物料對應的碳排放系數，kg/kg、kg/m3或kg/株。

1.2 土地利用結構碳效應核算

土地利用結構碳效應是指整治前后由于地類轉換帶來的土地碳儲量的變化。兩者之間的差值即為土地利用結構碳效應。土地碳儲量包括土壤碳儲量和植被碳儲量。采用生態系統類型法［10］進行測算，具體測算模型如下：

式中：C結為研究區整治項目后總碳儲量的變化，t；C后和C前為整治后和整治前土地的碳儲量，t；Li為i種土地利用類型整治前后面積的變化，hm2；Si和Pi為i種土地利用類型的土壤碳密度和植被碳密度，t/hm2。

1.3 農田管護碳效應核算

農田管護碳效應分為農田生態系統的碳吸收效應和農田耕作的碳排放效應。農田生態系統的碳吸收效應主要考慮：土地整治后耕地數量的增加以及耕作條件的改善帶來的農作物產量的增加，具體測算模型如下：式中：C農為i種農作物的碳吸收量，t；Wi、Hi和fi分別為i種農作物平均含水率、經濟系數、碳吸收率；Yi為i種作物的經濟產量，t。

農田耕作的碳排放效應主要來源于3 個方面［11］：一是化肥和農藥等物資投入；二是在進行灌溉時所消耗的電能；三是機械化作業過程中所消耗的能源，算法與工程碳效應相同，采用物料衡算法來測算，具體測算模型如下：

式中：C耕為農田耕作的碳排放總量，t；Ci為i種農業投入產生的碳排放，t；Ti為i種農業投入的使用量，t；δi為i種農業投入的碳排放系數，t/t。

2 研究區概況及數據來源

2.1 研究區概況

研究區位于河北省景縣洚河流鎮，地理位置為東經116°09'20″～116°13'44″，北緯37°41'27″～37°46'28″。西起后孟橋、西朱河、司馬莊，東至崔屯、宋屯，北起趙將軍、六合村，南到顏莊，包括崔屯、大代莊、大王高等39 個村莊，位置如圖2 所示。地貌屬海陸交替沉積平原，微地貌類型復雜，平均海拔在20.5 m左右。光熱條件可滿足農作物一年兩作“冬小麥夏玉米”種植制度需要。項目于2016 年動工，2020 年驗收，涉及規模2 625.01 hm2，總投資額為1 949.845 2 萬元。

圖2 項目位置圖Fig.2 Project location map

2.2 數據來源

工程施工階段各種物料和能源的使用量均通過河北地質大學土地科學與空間規劃學院編制的《景縣土地整治項目建設報告書-2020》中的主要材料用量匯總表獲得。各個物料和能源的碳排放系數通過IPCC 指南［12］和參考相關文獻［13，14］整理得到，見表1。

表1 研究區能源和物料碳排放系數Tab.1 Carbon emission coefficients of energy and materials in the study area

土地利用結構碳效應所需要的土地整治前后土地利用現狀數據是在地理空間數據云網站下載遙感影像，然后經解譯獲取。各地類植被碳密度和土壤碳密度參照前人［15，16］對華北平原或自然條件氣候相似地區的研究中整理得到，研究區主要涉及的6個地類的土壤、植被碳密度見表2。

表2 研究區植被碳密度和土壤碳密度t/hm2Tab.2 Vegetation carbon density and soil carbon density in the study area

農田管護碳效應涉及到的農作物經濟產量和農業生產物資投入等數據來自河北省統計局的《河北省農村統計年鑒2017》、《河北省農村統計年鑒2021》和中國統計局的《中國縣域統計年鑒2017》、《中國縣域統計年鑒2021》。農作物的平均含水率、經濟系數和碳吸收率的相關參數參考以往研究［17-19］獲得，見表3。各種農業生產投入的碳排放系數通過諸多學者［20-22］的研究成果整理得到，見表4。

表3 項目區主要農作物相關參數Tab.3 Related parameters of main crops in the project area

表4 項目區農業生產投入物資碳排放系數Tab.4 Carbon emission coefficient of agricultural inputs in the project area

3 研究結果

3.1 工程施工碳效應

該土地整治項目在工程施工過程中的碳排放量為8 988 t，修建防護林的碳匯量為197 t，最終的凈碳排放量為8 791 t，呈現出明顯的碳排放狀態。其中石灰的碳排放量最多，為5 468 t，占總碳排放的60.84%；然后是混凝土，占總碳排放的29.78%；防護林的碳匯量為197 t，可抵消總碳排放的0.98%，見表5。

表5 土地整治工程能源和物料使用量和碳排放量Tab.5 Energy and material consumption and carbon emission of land consolidation project

3.2 土地利用結構碳效應

土地整治項目完成后，各地類面積變化和增幅情況如圖3、4；地類轉換導致土地碳儲量的變化如表6。土地整治完成后，土地總碳儲量增加1 611 t。

表6 土地整治前后土地碳儲量變化tTab.6 Changes of land carbon storage before and after land consolidation

圖3 各地類面積變化圖Fig.3 Variation diagram of local class area

3.3 農田管護碳效應

土地整治項目完成后，研究區的耕地主要以水澆地為主，種植作物為小麥和玉米，采用“冬小麥—夏玉米”的種植模式。2016 年土地整治前小麥和玉米的單產為7.50 和8.70 t/hm2。2020年土地整治完成后，單產增至7.95和9.15 t/hm2。

圖4 各地類面積增幅變化圖Fig.4 Variation of area increase in each region

經測算，土地整治前農田生態系統碳儲量為39 844 t，整治后碳儲量為42 506 t，碳匯量增加2 662 t，增長6.68%，其中冬小麥增加1 351 t，夏玉米增加1 311 t，見表7。

表7 土地整治前后農作物碳吸收量變化tTab.7 Changes of crop carbon uptake before andafter land consolidation

整治前后各農業投入量相對應的碳排放值，見表8。由表8中可知，無論是整治前還是整治后，碳排放大部分來源于化肥的使用。由于整治后耕地面積尤其是水澆地面積的增加，導致化肥、農藥和灌溉的碳排放均有不同程度的增加，分別增加28、5 和52 t；整治后的耕地機械化程度加強，由農業機械產生的碳排放隨之增加26 t。所以土地整治前后，農業生產產生的碳排放總體上成增加的狀態，增加111 t。

表8 土地整治前后農業投入碳排放變化Tab.8 Changes of agricultural input carbon emissions before and after land consolidation

4 結果分析

4.1 碳盈虧平衡分析

在土地整治工程完成后，既有短期碳效應，又有長期碳效應，碳源碳匯同時存在。一是工程施工在短期內會產生大量的碳排放；二是整治后由于土地利用結構的改變，土地的碳儲量能力會隨之提升；三是耕地面積的增加和耕作條件的改善使農作物產量提升，農田生態系統的固碳能力加強；四是農業耕作活動的碳排放較整治前成增加的狀態。

因此，在土地整治完成后的一定時間，土地利用結構和農田生態系統增加的碳儲量將會抵消掉工程施工和農田耕作增加的碳排放量，從而達到碳平衡狀態，以探究整治區達到碳盈虧平衡所需要的時間，本文建立碳盈虧平衡模型，具體測算模型如下：

式中：T為達到碳平衡所需時間，a；C工1為C工中除去防護林的碳排放，t；C林為防護林的碳匯量，t。經測算，研究區達到碳盈虧平衡所需時間為2.06 a。

4.2 生態環境狀況分析

土地整治完成后，對生態環境的影響是不可忽視的，本文基于生物豐度指數和生態環境質量指數兩個方面考察土地整治對生態環境的影響。生物豐富度W可以反應研究區生物的豐富和貧乏程度；生態環境質量指數EV可以直觀地反應出研究區生態環境的質量，本文整理借鑒劉敏［23］、高晶［24］、董建紅［25］等人的研究成果，具體測算模型如下：

式中：W為生物豐富度；EV為生態環境質量指數；Ci為第i種地類的生態環境指數；n為地類數目；Aki為t時期地類i的面積，hm2；Ak為區域總面積，hm2。各地類的生態環境指數參考董建紅［25］等制定的各二級地類生態環境指數值，如表9。

表9 各地類生態環境指數值Tab.9 Values of ecological environment indices in different regions

通過計算，土地整治前后生物豐度指數、生態環境質量指數的變化如表10所示。由結果可知，土地整治前后無論是生物豐富度還是生態環境質量指數，都沒有發生較大變化，說明土地整治工作并沒有對研究區的生物豐度和環境質量帶來負面消極影響。

表10 整治前后各指標變化情況%Tab.10 Changes of each index before and after remediation

5 結論與討論

5.1 結論

從土地整治過程中工程施工、土地利用結構和農田管護3個角度出發，構建了土地整治碳效應核算體系，測算了研究區碳效應，得出結論如下。

（1）從測算結果看，工程施工帶來的碳排放量為8 791 t；土地利用結構碳效應的碳匯增量為1 611 t；農田管護碳效應中的農田生態系統的碳匯增量為2 662 t，農業耕作增加的碳排放量為111 t。經研究，土地整治項目完成后，沒有對研究區的生物豐度和環境質量產生負面影響，短時間內研究區表現為碳排放，經過碳盈虧平衡分析，預計2.06 a之后，達到碳盈虧平衡點，之后表現為長期的碳匯。

（2）工程施工對研究區的碳平衡擾動較大，其中碳排放主要受石灰和混凝土的影響，防護林的碳匯性質可以在一定程度上減少施工帶來的碳排放，但影響力較小，所以工程施工整體成碳排放狀態。

（3）土地利用結構碳效應中，總體表現為碳儲量增加1 611 t，土壤碳儲量增加是總碳儲量增加的主要原因。耕地和園地面積的增加是總碳儲量增加的關鍵，林地、交通運輸用地、水域及水利設施用地和其他土地的損失使碳儲量減少。

（4）農田管護碳效應中，農田生態系統碳效應碳吸收量增加2 662 t，主要原因是農作物產量的提高。農業耕作的碳排放量增加111 t，土地整治后耕地面積增加，導致化肥、農藥、灌溉面積的增加，機械化作業量的加大，故由此產生的碳排放也相應的增加。

5.2 討論

（1）由測算結果可以看出，工程施工是整個土地整治項目中碳排放的最大來源。應當根據研究區的實際需求，結合地勢條件，科學合理的規劃施工方案，盡量減少工程量，降低能源和物料的消耗。同時增加防護林的種植，增加防護林數量。

（2）地類轉換帶來的土地利用結構碳效應是正向積極的。在各地類中，林地的碳密度是最大的，園地和耕地次之，交通運輸用地的碳密度最小，所以在整治過程中，從碳效應角度出發，要盡可能地保護和增加林地、園地和耕地的面積，以達到碳吸收量的最大值。

（3）耕地面積增加必然會導致農業生產投入的增加，從而增加農田耕作碳排放。在農田耕作時，應選擇碳排放系數較低的化肥農藥品種，合理規劃灌溉制度，減少用電量，最大程度的減少碳排放量。