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(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

隨著氣候變化所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，碳減排成為研究熱點(diǎn)。中國(guó)政府在2020 年提出“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，主動(dòng)承擔(dān)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(guò)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(dǎo)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(dǎo)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(wú)關(guān)，而是與伐木所導(dǎo)致的土地利用的變化有關(guān)。土地利用是低碳經(jīng)濟(jì)和碳排放研究的重要切入點(diǎn)，也是調(diào)節(jié)碳排放的重要工具，對(duì)土地利用和碳減排的研究有助于從國(guó)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(dǎo)低碳經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展［4］。因此，除了提出產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)改造等措施外，根據(jù)不同土地利用類型的固碳能力對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整也是對(duì)碳排放控制的重要措施［5，6］。

通過(guò)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法促進(jìn)碳減排已經(jīng)引起諸多研究者的關(guān)注。葉長(zhǎng)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(biāo)線性規(guī)劃模型和FLUS 模型，對(duì)2025 年土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)及空間布局進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬，探究了低碳目標(biāo)下城市土地利用變化趨勢(shì)。劉慧靈等［8］以福州市為研究區(qū)域，采用灰色多目標(biāo)線性規(guī)劃法獲得土地利用優(yōu)化方案，得出低碳經(jīng)濟(jì)導(dǎo)向的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案有利于實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)。張哲［9］利用人群搜索算法的快速尋優(yōu)能力對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型進(jìn)行求解，得出了碳排放最小及碳儲(chǔ)量最大的結(jié)果。盧華杉等［10］采用數(shù)學(xué)計(jì)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(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了多目標(biāo)線性規(guī)劃模型并計(jì)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(cè)時(shí)間短，較少與雙碳戰(zhàn)略時(shí)間相銜接。此外，從研究尺度上來(lái)說(shuō)，已有研究大多在省域、市域（縣域）的尺度上進(jìn)行，較少?gòu)牧饔虺叨冗M(jìn)行研究。

漓江屬珠江流域西江水系，位于桂林市，在當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)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(guó)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(duì)未來(lái)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)具有重要實(shí)踐意義。本研究以桂林漓江流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，在預(yù)測(cè)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(duì)土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)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(lái)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(yáng)朔縣、靈川縣、興安縣、永福縣、平樂(lè)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(yáng)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(lái)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(lái)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(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn）；③通過(guò)對(duì)五期遙感影像進(jìn)行計(jì)算機(jī)解譯（解譯精度達(dá)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(cè) 馬爾可夫模型通過(guò)研究系統(tǒng)不同狀態(tài)的初始概率和轉(zhuǎn)移概率，來(lái)確定系統(tǒng)狀態(tài)的變化趨勢(shì)［12］。基于數(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(zhǎng)對(duì)2030年漓江流域土地利用進(jìn)行預(yù)測(cè)。

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(jìn)行計(jì)算［13］，其計(jì)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(qiáng)度計(jì)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(qiáng)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(duì)碳排放相應(yīng)的時(shí)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(shí)現(xiàn)的目標(biāo)為指導(dǎo)，在其基礎(chǔ)上選取某個(gè)目標(biāo)，通過(guò)構(gòu)建約束條件對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化［15］。由于土地利用本身是一個(gè)變化關(guān)系復(fù)雜的系統(tǒng)，借助線性規(guī)劃模型可以通過(guò)對(duì)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(jì)社會(huì)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(dá)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(shí)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(biāo)函數(shù)設(shè)置。根據(jù)漓江流域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn)以及相關(guān)資料的可獲得性，設(shè)置6 個(gè)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(jì)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］。基于低碳視角，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(biāo)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(cè)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(cè)的漓江流域2030 年的林地面積為下限，上限選取2000 年以來(lái)的歷史最高值。草地以2030 年的草地面積預(yù)測(cè)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(cè)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(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，是漓江流域經(jīng)濟(jì)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(duì)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(guò)對(duì)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(jì)減少了93.073 km2，林地面積累計(jì)減少了43.143 km2；草地面積累計(jì)減少了36.541 km2；水域面積和建設(shè)用地面積分別累計(jì)增加了26.213、145.592 km2；未利用地面積累計(jì)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(zhǔn)，以10 年為1 步長(zhǎng)，通過(guò)Markov 模型對(duì)2030 年漓江流域土地利用進(jìn)行預(yù)測(cè)，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(lái)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(kuò)大且增長(zhǎng)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(cè)（單位：km2）

2.2 漓江流域土地利用碳排放分析及預(yù)測(cè)

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(yùn)用式（1）計(jì)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(zhǎng)趨勢(shì)，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(dá)到了80.855 0×104t，增長(zhǎng)快速，為持續(xù)增長(zhǎng)狀態(tài)。從2000 年到2020 年的增長(zhǎng)速度越來(lái)越快，其中增長(zhǎng)量最大的時(shí)間區(qū)間為2015—2020 年，增長(zhǎng)量達(dá)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(shí)其增長(zhǎng)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(lái)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(shí)，在該時(shí)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(cè)及變化分析 結(jié)合2030 年漓江流域土地利用的預(yù)測(cè)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(zhǎng)趨勢(shì)，且增長(zhǎng)速度越來(lái)越快。

從2020—2030 年漓江流域土地利用轉(zhuǎn)移碳排放量來(lái)看，該時(shí)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(shí)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(biāo)，運(yùn)用LINGO18.0 軟件構(gòu)建優(yōu)化模型。以2030 年為優(yōu)化目標(biāo)年份，在軟件中輸入目標(biāo)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(duì)比2030 年漓江流域土地利用結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)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(biāo)和發(fā)展趨勢(shì)基本相符。2030 年漓江流域土地利用結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)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(cè)結(jié)果減少了74.565 7×104t，優(yōu)化方案通過(guò)調(diào)整漓江流域的土地利用結(jié)構(gòu)達(dá)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(jìn)低碳發(fā)展，需要加強(qiáng)對(duì)林地、草地和耕地的保護(hù)，通過(guò)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(yán)格限制建設(shè)用地的增長(zhǎng)，提高水域和未利用地的利用率。

3 討論

運(yùn)用Markov 預(yù)測(cè)模型模擬預(yù)測(cè)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(guò)程中，Markov 模型更加側(cè)重于對(duì)各類用地?cái)?shù)量變化的預(yù)測(cè)，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(lái)，漓江流域的耕地、林地、草地?cái)?shù)量持續(xù)減少，預(yù)測(cè)未來(lái)會(huì)進(jìn)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(zhǎng)較快，這一研究結(jié)果與前人的研究一致［19］。

基于Markov 預(yù)測(cè)2000—2030 年漓江流域的土地利用碳排放整體呈增加趨勢(shì)，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(duì)廣西土地利用變化及碳排放的研究結(jié)果相似。通過(guò)預(yù)測(cè)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(shí)際發(fā)展情況和相關(guān)規(guī)劃目標(biāo)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(cè)碳排放減少了74.565 7×104t。優(yōu)化方案表明，可以通過(guò)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化達(dá)到減少碳排放的目的，這與葉長(zhǎng)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(fù)原狀。隨著人口的增加和城鎮(zhèn)化建設(shè)的活躍，導(dǎo)致其他用地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)增強(qiáng)，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(xiàn)碳排放量最多的一種。在未來(lái)要想實(shí)現(xiàn)國(guó)家的“雙碳”目標(biāo)和保護(hù)耕地的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略，漓江流域應(yīng)該嚴(yán)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(shí)提高建設(shè)用地的利用率，集約、節(jié)約化利用土地，嚴(yán)格落實(shí)土地管理制度，堅(jiān)守耕地保護(hù)紅線。

4 小結(jié)

通過(guò)對(duì)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(shì)，并通過(guò)Markov 模型和碳排放系數(shù)法，預(yù)測(cè)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(shì)，水域、建設(shè)用地、未利用地面積整體均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。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(kuò)大且增長(zhǎng)速率逐漸增大。

2）2000—2020 年，土地利用保持的碳排放量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，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(cè)到2030 年，由于建設(shè)用地的快速增長(zhǎng)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(dá)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(cè)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(cè)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(duì)于實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)，提高碳匯能力有重要意義。