遼寧省土地利用變化對(duì)碳排放量的影響分析

關(guān) 偉，吳如馨

(1.遼寧師范大學(xué) 海洋經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展中心，遼寧 大連 116029；2.遼寧師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116029)

為應(yīng)對(duì)全球氣候變化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，控制溫室氣體尤其是減少碳排放日漸成為學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)。土地利用變化對(duì)碳排放的影響是引起全球范圍內(nèi)大氣中CO2濃度增加的主要人類活動(dòng)之一，是繼化石燃料之后全球?qū)τ谔寂欧艡C(jī)制研究的又一關(guān)注點(diǎn)。Haughton估算結(jié)果顯示，全球1850～1998年土地利用變化所產(chǎn)生的碳排放量超過人類活動(dòng)所產(chǎn)生碳排放總量的30%；而中國(guó)1950～2005年土地利用變化所產(chǎn)生的碳排放量累計(jì)為106×108t，占同時(shí)期全球范圍內(nèi)土地利用變化所產(chǎn)生碳排放總量的12%[1]。不論是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)布局、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整，還是能源消耗、資源開發(fā)等其他一系列活動(dòng)，都與土地利用有著密不可分的關(guān)系[2]，事實(shí)上，土地利用能夠間接影響該地區(qū)的碳排放水平。同時(shí)，有外國(guó)學(xué)者研究證明陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)是引起碳源、碳匯變化的重要原因，其變化在很大程度上受到土地利用變化的影響[3-4]。

綜合相關(guān)文獻(xiàn)資料，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)碳排放問題的研究主要集中于對(duì)碳排放與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的關(guān)系以及碳排放機(jī)理的研究，而土地利用變化對(duì)碳排放影響的研究較少。從研究結(jié)論可以看出，大氣中CO2濃度增加的重要影響因素分別為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式、能源結(jié)構(gòu)改善以及能源利用效率[7-10]，土地利用變化卻沒有受到相應(yīng)的重視。從研究區(qū)域范圍上看，典型陸地生態(tài)系統(tǒng)(如森林、草地、水稻田等)的碳循環(huán)是碳排放問題研究的主要方面[19]。中國(guó)研究區(qū)域主要集中在江浙農(nóng)田及人口密集城市地區(qū)，而作為國(guó)家老工業(yè)基地的遼寧省減碳任務(wù)重，相關(guān)研究相對(duì)較少。本研究以遼寧省為例，通過核算不同土地利用類型的碳排放量、預(yù)測(cè)碳排放的變化趨勢(shì)，對(duì)近年來遼寧省土地利用變化和碳排放量的關(guān)系進(jìn)行分析研究。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

IPCC組織的碳排放核算清單表明碳排放的途徑主要包括能源燃燒、農(nóng)業(yè)排放、工業(yè)生產(chǎn)排放、生活廢棄物排放、碳逃逸排放、土地利用變化等，其中能源燃燒產(chǎn)生的碳排放量占總排放量的76%左右[11]。土地利用變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能具有顯著影響，能夠引起整個(gè)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的變化，也就是說碳儲(chǔ)量的增加或是減少很大程度上取決于生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和土地利用方式的改變[10，20]。本文在分析耕地、林地、牧草地、建設(shè)用地面積的變化趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論了土地利用變化與碳排放量的關(guān)系。

根據(jù)IPCC的研究標(biāo)準(zhǔn)，林地、牧草地和耕地的碳排放系數(shù)分別為-0.644，-0.02，0.422t/hm2，碳排放公式為：

Ei=Ai×Fi

(1)

式中：Ei為第i種土地利用方式的碳排放量(t)；Ai為第i種土地利用方式的面積(hm2)；Fi為第i種土地利用方式的碳排放(吸收)系數(shù)(t/hm2)。

建設(shè)用地的碳排放主要以終端消費(fèi)能源的碳排放量來計(jì)算，即通過構(gòu)建主要能源消費(fèi)的碳排放模型來計(jì)算能源消費(fèi)的碳排放量：

Ct=∑(Ch+Ce+Cb)

(2)

式中：Ct為碳排放總量；Ch、Ce、Cb分別為終端消費(fèi)能源(電力除外)、電力消費(fèi)和農(nóng)村生物能消費(fèi)產(chǎn)生的碳排放。具體各項(xiàng)的計(jì)算方法見式(3)-式(5)：

(3)

式中：Ch為終端消費(fèi)能源碳排放總量(104t)；Qhi為第i種終端消費(fèi)能源量(104t(108m3))；NCVi、Cfi、Mfi均采用IPCC的給定值；NCVi為能源凈發(fā)熱值(TJ/Gg)；Cfi為缺省CO2排放因子(t/TJ)；Mfi為缺省CH4排放因子(t/TJ)。1/1000 為單位換算系數(shù)，12/44、12/16分別為CO2和CH4所含碳量的轉(zhuǎn)化系數(shù)。其中，Cfi=Ai×Bi，Ai為缺省碳含量(kg/GJ)，Bi為缺省氧化碳因子。

Ce=Qe×De×Ee

(4)

式中：Ce為電力消費(fèi)碳排放量(104t)，Qe為年度電力消費(fèi)量(104t)，De為碳排放系數(shù)，由于遼寧省發(fā)電主要能源是煤，因此本篇論文采取不同學(xué)者研究得出的煤炭排碳系數(shù)均值(0.717 235tC/t)，Ee為供電標(biāo)準(zhǔn)煤炭消耗(104t/kw/h)，即供電過程中的耗煤量。

Cb=∑Qbi×Dbi×Ebi

(5)

式中：Cb為農(nóng)村生物能源碳排放量(104t)；Qbi為第i種能源消費(fèi)量(本篇論文主要涉及3種，即薪柴、沼氣和秸稈)；Dbi為碳排放系數(shù)，這里取幾種化石燃料排碳系數(shù)的均值(0.564 867tC/t)，Ebi為標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)。

表1 遼寧省2002～2011年終端消費(fèi)能源碳排放量

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)主要來源于2002～2011年《遼寧省統(tǒng)計(jì)年鑒》以及2002～2011年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)。碳排放模型采用IPCC提供的模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于R/S分析的碳排放總量

如圖1所示，2002～2011年遼寧省碳排放呈現(xiàn)出明顯增加的趨勢(shì)，僅對(duì)本文所選數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得到碳排放從2002年9 276.91×104t增加到2011年的11 789.12×104t，漲幅可達(dá)27.1%，平均每年增長(zhǎng)279.13×104t。從時(shí)間上看，2004年較2003年碳排放呈現(xiàn)明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)，到2004年達(dá)到一個(gè)高峰，漲幅可達(dá)9.3 %。2004～2005年則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，降幅達(dá)5.9%，說明遼寧省回應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的要求，并取得一定成果。到2010年呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，這是由于遼寧省城市化進(jìn)程加快，工業(yè)發(fā)展迅速，從而使土地利用方式也發(fā)生了相應(yīng)的巨大變化。

用R/S分析方法對(duì)遼寧省2002～2011年的碳排放總量進(jìn)行分析(圖2)。以r/s值為縱軸時(shí)滯為橫軸作圖，得到R2=0.9365，說明數(shù)據(jù)擬合度高。根據(jù)回歸結(jié)果，可知Hurst指數(shù)H=0.4915<0.5。由此判斷，遼寧省碳排放量的增長(zhǎng)率是長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān)的，過去增長(zhǎng)但未來將會(huì)下降。根據(jù)Hurst指數(shù)的數(shù)理意義可知，過去10年的增長(zhǎng)趨勢(shì)意味著未來的持續(xù)衰減趨勢(shì)。因此，在今后的至少10年之內(nèi)，遼寧省的碳排放量將呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這體現(xiàn)了遼寧省為節(jié)能減排，發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)做出的努力。

圖1 2002～2011年遼寧省碳排放量變化趨勢(shì)

圖2 r/s與時(shí)滯的關(guān)系

表2 遼寧省2002～2011年碳排放總量的r/s分析結(jié)果

2.2 基于多元回歸分析的土地利用類型變化對(duì)碳排放總量的影響

從圖3中可以看出，耕地和建設(shè)用地面積呈現(xiàn)小幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)，牧草地基本未發(fā)生變化。林地的面積在2002～2006年波動(dòng)上升，2007年開始又有所下降。

根據(jù)《遼寧省統(tǒng)計(jì)年鑒》的能源平衡表和IPCC提供的碳排放模型核算出土地利用類型的碳源量(表3)。進(jìn)而對(duì)土地利用類型的變化趨勢(shì)與碳排放量變化趨勢(shì)采用多元回歸方程進(jìn)行分析(表4)。

圖3 遼寧省土地利用類型變化

Fig.3ChangesoftypesoflandutilizationinLiaoningProvince

由表4可知，a=1507601.45，4個(gè)回歸系數(shù)b1、b2、b3和b4對(duì)應(yīng)4個(gè)變量分別是耕地碳源量x1、林地碳源量x2、牧草地碳源量x3、建設(shè)用地碳源量x4，b1=11.92，b2=460.97，b3=0，b4=0.50，于是得到模型：

表3 遼寧省2002～2011年不同土地利用類型碳排放量與碳排放總量

表4 多元回歸分析結(jié)果

Y=1507601.45+11.92x1+460.97x2+0.50x4

相關(guān)系數(shù)和相關(guān)系數(shù)平方分別為R=0.993，R2=0.987，該結(jié)果表明數(shù)據(jù)擬合度好?？傮w回歸的F統(tǒng)計(jì)量149.35，大于顯著性水平α=0.05時(shí)的臨界值F0.05，4，5=5.192，也大于顯著性水平α=0.01時(shí)的臨界值F0.01，4，5=11.392。因此，F(xiàn)值通過檢驗(yàn)。

3 結(jié)論與討論

3.1 不同土地利用類型的碳源、碳匯討論

由文獻(xiàn)可知，很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于土地的碳源、碳匯做出了大量研究。由于人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源開發(fā)等人類活動(dòng)的影響，森林面積被迫大幅度減少，進(jìn)而耕地面積及建筑用地面積增加。通過對(duì)于LUCC導(dǎo)致的大氣中CO2濃度增加的機(jī)理和貢獻(xiàn)率進(jìn)行的研究，Haughton等學(xué)者得出結(jié)論，森林向農(nóng)田、草地的轉(zhuǎn)變或森林退化都會(huì)導(dǎo)致CO2等溫室氣體由生物圈向大氣中大量釋放[3]。人類活動(dòng)是致使大氣中CO2濃度的增大和加劇全球的溫室效應(yīng)的重要影響因素。有研究表明，農(nóng)田轉(zhuǎn)換成森林可以減少土壤向大氣的N2O排放量；濕地轉(zhuǎn)換成耕作土壤后，由于轉(zhuǎn)化后土壤的濕度不同，可能增加或減少土壤向大氣的N2O排放量[4]。根據(jù)郝慶菊研究的結(jié)果，沼澤濕地開墾為旱田后由CH4排放源轉(zhuǎn)變?yōu)檩^弱的CH4吸收匯，但NO2排放量顯著上升，開墾為水田后CH4、N2O排放量都降低。如果只考慮CH4和N2O兩種氣體的綜合碳排放潛力，濕地開墾為農(nóng)田有助于降低溫室氣體的排放，但對(duì)于大氣中其他溫室氣體的影響則尚不明確。1850～1990年，由土地利用變化產(chǎn)生并釋放到大氣中的碳約124Pg，占同時(shí)期化石燃料燃燒碳排放量的50%，其中108Pg碳來自于森林生態(tài)系統(tǒng)的退化，其余16Pg碳主要來自于農(nóng)業(yè)耕種和草場(chǎng)過度放牧[12-14]。李穎以江蘇省為例，從宏觀角度分析了土地利用方式變化與碳排放量的關(guān)系，結(jié)果表明建設(shè)用地和耕地面積的變化對(duì)于碳排放量的增加有顯著影響，是主要碳源，而其中建設(shè)用地碳排放量占排放總量的96%以上；少量草地和林地則影響碳排放量的減少，是主要碳匯[19]。

本文中，由多元回歸分析結(jié)果可知，林地和牧草地主要發(fā)揮了碳匯的作用，但牧草地的作用相對(duì)很小。林地面積的波動(dòng)使得林地的碳吸收效益在2008年時(shí)達(dá)到最大。但是碳排放量的增加明顯大于碳吸收量的增加，說明由于林地和牧草地面積增加所產(chǎn)生的碳吸收量無法抵消由于耕地和建設(shè)用地面積和能耗增加帶來的碳排放量。另外，每增加1hm2土地面積的林地，碳吸收量?jī)H增加0.644t，而每增加1hm2土地面積的建設(shè)用地，碳排放量平均增加41.109t。雖然建設(shè)用地單位面積碳排放量在逐年增加，并且成為大氣中碳排放量增加的最主要原因，但由于建設(shè)用地面積基數(shù)大，所以其碳排放量和吸收量的基數(shù)也大，其變化對(duì)于碳排放總量的變化相對(duì)并不顯著。耕地面積基數(shù)大，而且由于其既是碳源又可以發(fā)揮碳匯作用，所以對(duì)碳排放總量變化的影響不大。林地碳吸收量的變化顯然對(duì)碳排放總量的變化影響最大，林地對(duì)于碳吸收的多少很大程度上影響著碳排放量的最終結(jié)果。這也從側(cè)面說明了林地是最重要的碳匯。

3.2 遼寧省土地利用對(duì)策討論

據(jù)研究結(jié)果顯示，建設(shè)用地的碳排放量占碳排放總量的90%以上，是最大的碳排放源，其中居民點(diǎn)及工礦用地碳排放量占排放總量的80%以上，排量最多，而煤炭的大量消耗是導(dǎo)致碳排放總量居高不下的主要原因。2011年遼寧省煤炭消耗所產(chǎn)生的碳排放量達(dá)到6 934.50×104t，占總排放量的62.63%；石油消耗所產(chǎn)生的碳排放量從2002年的2 460.59×104t增長(zhǎng)到2011年的4 030.88×104t，增幅達(dá)到63.82%。交通用地碳排放量年均增長(zhǎng)速度約為13%，增速最快。近年來中國(guó)汽車市場(chǎng)發(fā)展迅速，尤其以私家車數(shù)量攀升幅度最大，從而致使石油消耗帶來的碳排放量也呈相應(yīng)增加態(tài)勢(shì)。以沈陽市為例，2006年，沈陽每天增加機(jī)動(dòng)車約150輛；2007年，每天增加約200輛；2008年，約250輛。到2009年，依照19.8萬輛的汽車銷售來看，每天增加機(jī)動(dòng)車約500輛以上。由此可見，由經(jīng)濟(jì)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大引起的建設(shè)用地?cái)U(kuò)大是遼寧省碳排放增長(zhǎng)的重要影響因素。由于遼寧省現(xiàn)階段依然處于工業(yè)化進(jìn)程的增長(zhǎng)階段，工業(yè)依然是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿碓?，其主體地位在短期內(nèi)難以改變，所以建設(shè)用地的面積在短期之內(nèi)也不會(huì)有所下降。因此，為有效減少化石燃料燃燒所產(chǎn)生的大量CO2排放，改善能源結(jié)構(gòu)、大力發(fā)展清潔能源以取代煤炭和石油等化石燃料的措施勢(shì)在必行，如利用水利、風(fēng)力、潮汐能和太陽能發(fā)電；還應(yīng)注重不同產(chǎn)業(yè)能源利用效率的提高，確保碳排放從源頭上得到遏制，而非僅僅以間接方式進(jìn)行吸收處理；而在交通工具改進(jìn)方面可以推廣使用電動(dòng)車，用液化氫和液化天然氣取代汽油和柴油。另外，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，應(yīng)該積極從建設(shè)用地內(nèi)部著手，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，回應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排、發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的要求，從而減少碳排放。土地非農(nóng)化這一經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過程的必經(jīng)階段，不僅促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且對(duì)生態(tài)環(huán)境也造成了一定影響。從能源消費(fèi)角度考慮，土地非農(nóng)化，即建設(shè)用地的增長(zhǎng)，將造成碳排放量的大幅增加。因此在不影響濟(jì)增長(zhǎng)的前提下，政策上應(yīng)合理控制非農(nóng)化土地?cái)?shù)量并不斷提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的綠色經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)目標(biāo)。

由于林地的碳匯作用對(duì)碳排放有影響顯著，為有效減少碳排放，需要加大林地面積。耕地及建設(shè)用地的碳源量占據(jù)碳源總量的很大比例，但因?yàn)榕c居民生活息息相關(guān)，加上農(nóng)業(yè)技術(shù)更新、應(yīng)用較慢以及建設(shè)用地利用率較低等限制條件，決定了耕地和建設(shè)用地面積不能大幅減少，所以其碳源作用將不會(huì)顯著減小。這就更要求林地種植技術(shù)不斷進(jìn)步[15-16]。另外，農(nóng)業(yè)用地作為碳源及碳匯的結(jié)合，對(duì)于碳排放總量具有較為明顯的影響。研究表明，加強(qiáng)灌水管理措施、提高復(fù)種指數(shù)、改進(jìn)施肥、降低撂荒頻率、合理的作物輪作、作物品種的合理選擇(旱地/水田)、免耕等都能夠提高土壤的碳儲(chǔ)量，減少農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放[17]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)新技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)出和碳排放的影響尤為重要。環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)新技術(shù)之一——測(cè)土配方施肥技術(shù)能夠在提高化肥利用率、降低化肥施用量的同時(shí)大大提高作物產(chǎn)量，從而直接和間接地減少溫室氣體排放量，減小對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)影響。由此可以獲得一些政策啟示：第一，以行政管理的手段建立農(nóng)業(yè)減排評(píng)價(jià)體系并制定農(nóng)業(yè)減排目標(biāo)，推進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)能減排不斷發(fā)展；第二，以政策引導(dǎo)手段制定相關(guān)農(nóng)業(yè)減排的激勵(lì)機(jī)制，促進(jìn)農(nóng)業(yè)減排的快速發(fā)展；第三，以政府扶持手段對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)土地利用新技術(shù)加大支持力度，擴(kuò)大農(nóng)業(yè)減排空間[18]。

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