雙碳戰(zhàn)略背景下漓江流域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化

黃連坤，邵 亞，陳家鴻，梁藝耀

（桂林理工大學地球科學學院，廣西 桂林 541004）

隨著氣候變化所帶來的環(huán)境問題日益嚴重，碳減排成為研究熱點。中國政府在2020 年提出“雙碳”戰(zhàn)略目標，主動承擔碳減排任務(wù)。陸地系統(tǒng)碳排放主要有兩種途徑：一種途徑是化石燃料的燃燒和工業(yè)生產(chǎn)過程中直接排放的CO、CO2等溫室氣體；另一種途徑是由于土地利用變化所導致的CO2等溫室氣體碳源和碳匯的變化［1］。Houghton［2］的研究表明，1850—2000 年由于土地使用和管理的變化導致碳通量向大氣釋放了156 PgC。Detwiler［3］的研究表明，土壤中碳的減少與森林砍伐和燃燒無關(guān)，而是與伐木所導致的土地利用的變化有關(guān)。土地利用是低碳經(jīng)濟和碳排放研究的重要切入點，也是調(diào)節(jié)碳排放的重要工具，對土地利用和碳減排的研究有助于從國土空間規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等領(lǐng)域全面引導低碳經(jīng)濟社會發(fā)展［4］。因此，除了提出產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級改造等措施外，根據(jù)不同土地利用類型的固碳能力對土地利用結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化調(diào)整也是對碳排放控制的重要措施［5，6］。

通過土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法促進碳減排已經(jīng)引起諸多研究者的關(guān)注。葉長盛等［7］基于南昌市4 期土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合灰色多目標線性規(guī)劃模型和FLUS 模型，對2025 年土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)及空間布局進行預(yù)測模擬，探究了低碳目標下城市土地利用變化趨勢。劉慧靈等［8］以福州市為研究區(qū)域，采用灰色多目標線性規(guī)劃法獲得土地利用優(yōu)化方案，得出低碳經(jīng)濟導向的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案有利于實現(xiàn)碳減排目標。張哲［9］利用人群搜索算法的快速尋優(yōu)能力對土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型進行求解，得出了碳排放最小及碳儲量最大的結(jié)果。盧華杉等［10］采用數(shù)學計量方法估算出華容縣土地利用結(jié)構(gòu)的碳效應(yīng)狀況，構(gòu)建了低碳土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化碳效應(yīng)評價指標，建立了多目標線性規(guī)劃模型并計算出華容縣土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。從以上研究可以看出，以往低碳視角下土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究，土地利用預(yù)測時間短，較少與雙碳戰(zhàn)略時間相銜接。此外，從研究尺度上來說，已有研究大多在省域、市域（縣域）的尺度上進行，較少從流域尺度進行研究。

漓江屬珠江流域西江水系，位于桂林市，在當?shù)亟?jīng)濟和旅游服務(wù)行業(yè)快速發(fā)展的影響下，漓江流域的城鎮(zhèn)化步伐加快，土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯改變［11］。因此，在國家雙碳戰(zhàn)略背景下，研究漓江流域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化對未來實現(xiàn)碳中和目標具有重要實踐意義。本研究以桂林漓江流域為研究區(qū)域，在預(yù)測的2030 年土地利用碳排放量的基礎(chǔ)上，利用線性規(guī)劃模型對土地利用結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以期為漓江流域?qū)崿F(xiàn)碳減排提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

漓江流域（24°38′10″—25°53′59″N，110°07′39″—110°42′57″E）地處廣西壯族自治區(qū)東北部、湘桂走廊西南端、南嶺山脈西部（圖1）。流域范圍包括桂林市6 區(qū)6 縣1 市（秀峰區(qū)、疊彩區(qū)、象山區(qū)、七星區(qū)、雁山區(qū)、臨桂區(qū)、陽朔縣、靈川縣、興安縣、永?？h、平樂縣、恭城瑤族自治縣以及荔浦市）。東與湖南省、廣西賀州市接壤，東北連桂林市灌陽縣，西臨柳州市融安縣，北連桂林市龍勝縣、資源縣、全州縣三縣，南靠廣西梧州市。流經(jīng)區(qū)域?qū)儆谏降厍鹆甑貐^(qū)及典型喀斯特巖溶地貌，全年氣溫比較高，熱量豐富，年平均氣溫19.2 ℃，平均降雨量1 941.5 mm，植被覆蓋度高，類型豐富多樣。

圖1 漓江流域

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究包括的主要數(shù)據(jù)有：①漓江流域矢量邊界數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型（Digital elevation model，DEM）分辨率為30 m 數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http：//www.gscloud.cn）；②2000 年、2005 年、2010年、2015 年和2020 年五期的遙感影像數(shù)據(jù)（30 m），數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn）；③通過對五期遙感影像進行計算機解譯（解譯精度達85%以上），得到2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2020 年漓江流域土地利用數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 馬爾可夫模型預(yù)測 馬爾可夫模型通過研究系統(tǒng)不同狀態(tài)的初始概率和轉(zhuǎn)移概率，來確定系統(tǒng)狀態(tài)的變化趨勢［12］?；跀?shù)據(jù)的可獲得性以及模型模擬精度的綜合考慮，選擇10 年為1 步長對2030年漓江流域土地利用進行預(yù)測。

1.3.2 碳排放核算模型

1）碳排放系數(shù)法。碳排放核算模型采用碳排放系數(shù)法按照土地利用保持型和土地利用轉(zhuǎn)移型碳排放分別進行計算［13］，其計算式如下。

式中，Ci表示碳排放量；Ai表示i種土地利用類型的面積；Pi表示i種土地利用類型的碳排放系數(shù)。

土地利用轉(zhuǎn)移的碳排放強度計算式如下。

式中，Pi表示第i種土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳排放強度；C1i表示土地利用類型轉(zhuǎn)變前的碳密度，C2i表示轉(zhuǎn)變后的碳密度，碳密度為植被碳密度和土壤碳密度的和；N為陸地生態(tài)系統(tǒng)對碳排放相應(yīng)的時間周期，選取為20 年，為土地利用轉(zhuǎn)變后的碳匯［14］；Ii表示土地利用轉(zhuǎn)變后的碳匯。

2）土地利用碳排放系數(shù)確定。根據(jù)漓江流域的自然條件特征選取相應(yīng)的植被碳密度和土壤碳密度，并結(jié)合賴力［1］的研究結(jié)果確定土地利用各類型的碳排放系數(shù)（表1）、土地利用轉(zhuǎn)移碳排放系數(shù)（表2）。

表1 土地利用碳排放系數(shù)（單位：t/hm2）

表2 土地利用轉(zhuǎn)移碳排放系數(shù)（單位：t/hm2）

1.3.3 線性規(guī)劃模型 線性規(guī)劃模型是一種優(yōu)化模型，它是以區(qū)域土地利用要實現(xiàn)的目標為指導，在其基礎(chǔ)上選取某個目標，通過構(gòu)建約束條件對土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化［15］。由于土地利用本身是一個變化關(guān)系復雜的系統(tǒng)，借助線性規(guī)劃模型可以通過對約束條件的限定，較大程度規(guī)避土地利用變化中的不利因素，使優(yōu)化結(jié)果與經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展相符合，可信度較高［16］。線性規(guī)劃模型的表達式如下。

式中，F(xiàn)(x)表示xi、ci乘積的最大值或最小值。xi表示根據(jù)漓江流域土地利用實際情況所構(gòu)建的函數(shù)決策變量，ci表示不同地類保持的碳排放系數(shù)。

1）決策變量與目標函數(shù)設(shè)置。根據(jù)漓江流域的經(jīng)濟發(fā)展特點以及相關(guān)資料的可獲得性，設(shè)置6 個決策變量：X1表示耕地面積；X2表示林地面積；X3表示草地面積；X4表示水域面積；X5表示建設(shè)用地面積；X6表示未利用地面積。

本研究在保證經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的基礎(chǔ)上，最大程度地降低土地利用結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的二氧化碳排放量［17］?；诘吞家暯?，結(jié)合不同土地利用類型的碳排放系數(shù)，調(diào)整碳源地和碳匯地的比重，合理優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)。根據(jù)漓江流域各地類碳排放系數(shù)構(gòu)建碳排放量最小化目標優(yōu)化模型如下。

2）約束條件設(shè)置。耕地是保證糧食安全的基礎(chǔ)，以預(yù)測的漓江流域2030 年的耕地面積為下限。林地是漓江流域最主要的碳匯地，故以預(yù)測的漓江流域2030 年的林地面積為下限，上限選取2000 年以來的歷史最高值。草地以2030 年的草地面積預(yù)測值為下限，上限取2020 年的草地面積。水域以漓江流域2030 年的預(yù)測值為上限，以2020 年漓江流域的水域面積為下限。建設(shè)用地是社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)，是漓江流域經(jīng)濟發(fā)展的前提，但其又是最主要的碳源地。建設(shè)用地以2020 年漓江流域的建設(shè)用地面積為下限。土地資源對于漓江流域十分重要也很稀缺，應(yīng)提高土地利用的效率，故選取漓江流域2020 年的未利用地面積為上限。

2 結(jié)果與分析

2.1 2000—2030 年土地利用變化分析

通過對5 期遙感影像的目視解譯，得到2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2020 年漓江流域的土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，2000—2020 年漓江流域耕地面積累計減少了93.073 km2，林地面積累計減少了43.143 km2；草地面積累計減少了36.541 km2；水域面積和建設(shè)用地面積分別累計增加了26.213、145.592 km2；未利用地面積累計增加了1.141 km2（表3、圖2）。以漓江流域2020 年土地利用數(shù)據(jù)為基準，以10 年為1 步長，通過Markov 模型對2030 年漓江流域土地利用進行預(yù)測，結(jié)果表明，到2030 年漓江流域的耕地面積減少至3 466.174 km2，林地面積和草地面積分別減少至11 422.214、1 688.594 km2，而水域、建設(shè)用地和未利用地將分別增加至232.909、642.319、4.360 km2。由變化數(shù)據(jù)可知，在漓江流域未來的土地利用中，耕地、林地和草地面積將繼續(xù)減少，而水域以及建設(shè)用地面積將繼續(xù)擴大且增長速率逐漸增大。

表3 2000—2030 年土地利用面積的現(xiàn)狀與預(yù)測（單位：km2）

2.2 漓江流域土地利用碳排放分析及預(yù)測

2.2.1 2000—2020 年漓江流域土地利用碳排放分析 結(jié)合漓江流域不同土地利用類型的碳排放系數(shù)，運用式（1）計算得到漓江流域各類用地在2000—2020 年保持的土地利用碳排放量（表4）。從表4 可以看出，漓江流域在2000—2020 年各類土地利用保持的碳排放量呈增長趨勢，碳排放量從2000年的163.631 3×104t增加到2020年的244.486 3×104t，增量達到了80.855 0×104t，增長快速，為持續(xù)增長狀態(tài)。從2000 年到2020 年的增長速度越來越快，其中增長量最大的時間區(qū)間為2015—2020 年，增長量達到了53.165 9×104t。漓江流域最主要的碳源地是建設(shè)用地，最主要的碳匯地是林地。在各類用地保持的碳排放量中，建設(shè)用地的排放量占比最大，同時其增長量也最大。

表4 2000—2020 年漓江流域土地利用保持的碳排放量（單位：104 t）

從保持碳排放量來看，2030 年漓江流域耕地、草地的碳排放量低于2020 年的碳排放量，水域、建設(shè)用地的碳排放量高于2020 年的碳排放量，林地的碳匯量降低，未利用地的碳匯量升高，這一特征與2020—2030 年漓江流域的土地利用結(jié)構(gòu)變化基本保持一致。同時，在該時期內(nèi)漓江流域的土地利用保持碳排放變化較大，增加了74.110 2×104t，主要是建設(shè)用地的快速增加引起的。

2.2.2 2020—2030 年漓江流域土地利用碳排放預(yù)測及變化分析 結(jié)合2030 年漓江流域土地利用的預(yù)測結(jié)果、土地利用碳排放系數(shù)和土地利用碳排放轉(zhuǎn)移系數(shù)得到2000—2020 年漓江流域土地利用轉(zhuǎn)移碳排放量（表5）及2020—2030 年漓江流域土地利用轉(zhuǎn)移碳排放量（表6），2020—2030 年漓江流域土地利用凈碳排放量為322.858 3×104t，其中建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移造成的碳排放量為360.212 2×104t，土地利用轉(zhuǎn)移碳源量明顯增加。由此可知到2030 年，漓江流域土地利用碳排放量繼續(xù)保持增長趨勢，且增長速度越來越快。

從2020—2030 年漓江流域土地利用轉(zhuǎn)移碳排放量來看，該時期內(nèi)，耕地、草地轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的碳排放總量均低于2000—2020 年漓江流域?qū)?yīng)類型土地利用轉(zhuǎn)移碳排放量，而林地的碳匯量增加。漓江流域在這一時期內(nèi)，各類用地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移是最大的碳源，各類用地向林地轉(zhuǎn)移是最大的碳匯。

2.3 漓江流域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本研究的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要以減少碳排放量為目標，運用LINGO18.0 軟件構(gòu)建優(yōu)化模型。以2030 年為優(yōu)化目標年份，在軟件中輸入目標函數(shù)及約束條件后即可得到漓江流域2030 年土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。對比2030 年漓江流域土地利用結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果（表7）可以得出，優(yōu)化后耕地、林地、草地的面積都有明顯增加，水域、建設(shè)用地、未利用地的面積明顯減少，這與漓江流域的相關(guān)規(guī)劃目標和發(fā)展趨勢基本相符。2030 年漓江流域土地利用結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)果的碳排放量為318.596 8×104t，優(yōu)化求解結(jié)果的碳排放量為244.031 1×104t，優(yōu)化結(jié)果較預(yù)測結(jié)果減少了74.565 7×104t，優(yōu)化方案通過調(diào)整漓江流域的土地利用結(jié)構(gòu)達到了減少碳排放的目的。優(yōu)化求解結(jié)果表明，要從土地利用角度促進低碳發(fā)展，需要加強對林地、草地和耕地的保護，通過土地綜合整治等方法增加耕地、草地和林地的面積，盤活存量建設(shè)用地，嚴格限制建設(shè)用地的增長，提高水域和未利用地的利用率。

3 討論

運用Markov 預(yù)測模型模擬預(yù)測2030 年漓江流域土地利用數(shù)據(jù)并分析漓江流域2000—2030 年的土地利用變化，在這一過程中，Markov 模型更加側(cè)重于對各類用地數(shù)量變化的預(yù)測，較好地反映了漓江流域土地利用數(shù)量的變化特征［18］。從土地利用變化數(shù)量上分析，自2000 年以來，漓江流域的耕地、林地、草地數(shù)量持續(xù)減少，預(yù)測未來會進一步減少，建設(shè)用地、水域、未利用地面積逐漸增大，特別是建設(shè)用地的數(shù)量增長較快，這一研究結(jié)果與前人的研究一致［19］。

基于Markov 預(yù)測2000—2030 年漓江流域的土地利用碳排放整體呈增加趨勢，其中最主要的碳源是各類用地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移，最主要的碳匯是各類用地向林地轉(zhuǎn)移，這與班垚堯等［20］對廣西土地利用變化及碳排放的研究結(jié)果相似。通過預(yù)測2030 年漓江流域土地利用數(shù)據(jù)和土地利用碳排放并結(jié)合漓江流域的實際發(fā)展情況和相關(guān)規(guī)劃目標建立線性規(guī)劃模型，從而得出漓江流域2030 年的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。優(yōu)化后2030 年的漓江流域土地利用碳排放較預(yù)測碳排放減少了74.565 7×104t。優(yōu)化方案表明，可以通過土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化達到減少碳排放的目的，這與葉長盛等［7］的研究結(jié)論相同。

漓江流域是典型的喀斯特地貌，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，土地利用類型一旦發(fā)生轉(zhuǎn)移就很難再恢復原狀。隨著人口的增加和城鎮(zhèn)化建設(shè)的活躍，導致其他用地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移的趨勢增強，林地是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳匯［21，22］，林地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移是不同土地利用類型向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移中貢獻碳排放量最多的一種。在未來要想實現(xiàn)國家的“雙碳”目標和保護耕地的長遠戰(zhàn)略，漓江流域應(yīng)該嚴格限制林地、耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移，優(yōu)先考慮除林地、耕地外的未利用地等其他用地類型向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移，同時提高建設(shè)用地的利用率，集約、節(jié)約化利用土地，嚴格落實土地管理制度，堅守耕地保護紅線。

4 小結(jié)

通過對漓江流域2000 年、2005 年、2010 年、2015年、2020 年遙感影像的目視解譯結(jié)果，分析其2000—2020 年各類土地利用類型的變化趨勢，并通過Markov 模型和碳排放系數(shù)法，預(yù)測2030 年漓江流域各類用地的碳排放，最后利用線性規(guī)劃模型得出低碳背景下2030 年漓江流域土地利用結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解，得出以下結(jié)論。

1）2000—2020 年，漓江流域的耕地、林地、草地面積整體呈減少趨勢，水域、建設(shè)用地、未利用地面積整體均呈增長趨勢。到2030 年，漓江流域耕地、林地及草地面積將繼續(xù)減少，而水域面積和建設(shè)用地面積將繼續(xù)擴大且增長速率逐漸增大。

2）2000—2020 年，土地利用保持的碳排放量呈增長趨勢，碳排放量從2000 年的163.631 3×104t 增加到2020 年的244.486 3×104t。預(yù)測到2030 年，由于建設(shè)用地的快速增長及林地等主要碳匯地的減少，漓江流域土地利用保持的碳排放量將繼續(xù)增加，達到318.596 8×104t。

3）2020—2030 年漓江流域的土地利用凈碳排放量為322.858 3×104t，是2000—2020 年漓江流域土地利用凈碳排放量的1.3 倍，土地利用轉(zhuǎn)移碳源量明顯增加。

4）2030 年漓江流域土地利用結(jié)構(gòu)預(yù)測的碳排放量為318.596 8×104t，優(yōu)化求解結(jié)果的碳排放量為244.031 1×104t，優(yōu)化結(jié)果較預(yù)測結(jié)果減少了74.565 7×104t，漓江流域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化對于實現(xiàn)碳減排目標，提高碳匯能力有重要意義。