黑龍江省哈爾濱市不同土地利用類型的碳排放效應分析

路 昌, 雷國平, 張 慧, 周 浩, 田雅雯，單凱凱，朱丹彤

(1.東北農業(yè)大學 資源與環(huán)境學院, 哈爾濱 150030； 2.哈爾濱市地產交易中心，哈爾濱 150080)

黑龍江省哈爾濱市不同土地利用類型的碳排放效應分析

路 昌1, 雷國平1, 張 慧1, 周 浩1, 田雅雯1，單凱凱1，朱丹彤2

(1.東北農業(yè)大學 資源與環(huán)境學院, 哈爾濱 150030； 2.哈爾濱市地產交易中心，哈爾濱 150080)

本研究以黑龍江省哈爾濱市為研究區(qū)，以2000—2010年土地利用、能源消耗等數(shù)據(jù)為主要依據(jù)對哈爾濱市各類用地進行碳排放效應分析，并在此基礎上構建Logistic模型，預測2011—2020年凈碳排放的變化趨勢。研究結果表明：(1) 從2000—2010年，哈爾濱市的凈碳排放呈明顯增加趨勢，從1023.39萬t增長到3264.64萬t，增長幅度高達219%。(2) 建設用地是主要碳源，占總碳源的99%以上。耕地和林地是主要碳匯，兩者之和占總碳匯的99%以上。(3) 地均碳排放強度表現(xiàn)為增長趨勢，但單位GDP碳排放強度呈下降趨勢。(4) 在未來10 a，哈爾濱市凈碳排放預計將呈現(xiàn)加速增長的趨勢，2020年預計將達到5191.83萬t。依據(jù)相關分析結果，從碳增匯和碳減排角度提出了土地利用的相關措施建議。

碳排放; 土地利用; 哈爾濱市

近些年，全球氣候環(huán)境變暖問題日益突出，碳排放已經成為世界各國環(huán)境組織關注的焦點之一[1]。土地利用方式的轉變是造成氣候環(huán)境變暖的重要因素之一，有研究表明建設用地擴張、未利用地復墾以及濕地退化等變化，在很大程度上增加了CO2的排放量[2-4]。從1950年至今，由不同土地利用類型之間的轉化而引起的C釋放量為(136±50)～156 Pg，占人類總排放量1/3以上[5]。土地利用類型與碳排放之間關系也已經成為國內外學者的研究熱點[6-7]。我國學者更多的關注單一生態(tài)系統(tǒng)(如旱地、水田、草地和林地等)對碳排放量的影響，且研究區(qū)域多位于重慶[8-9]、陜西[10]、無錫[11]及江蘇[12-13]等中南部地區(qū)，對于北部地區(qū)多種土地利用類型對碳排放的綜合影響還有待深入研究。哈爾濱市作為東三省最重要的經濟中心，隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進程的不斷加快，土地利用方式的變化強度也不斷加大，由此產生的現(xiàn)階段及未來碳排放的變化對其發(fā)展將產生重大影響。本文在前人研究的基礎上，分析了哈爾濱市近10 a由于土地利用方式的改變引起的碳排放的變化，同時對未來10 a哈爾濱市凈碳排量放進行了預測。為通過合理調整土地利用類型減少碳排放量奠定理論基礎，同時為實現(xiàn)區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展提供保障。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

哈爾濱市是黑龍江省省會，位于黑龍江省南部，松花江南岸，東經125°42′—130°10′、北緯44°04′—46°40′之間。夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，屬于中溫帶大陸性季風氣候。年降雨量約523 mm，年平均氣溫4.2℃左右，極端最高氣溫38℃，最低氣溫-37.7℃，無霜期142 d。本研究區(qū)為哈爾濱市市域，包括所轄8區(qū)7縣3市，分別為南崗區(qū)、道里區(qū)、道外區(qū)、香坊區(qū)、松北區(qū)、平房區(qū)、呼蘭區(qū)、阿城區(qū)和賓縣、方正縣、依蘭縣、巴彥縣、木蘭縣、延壽縣、通河縣，代管縣級雙城市、尚志市、五常市[13]?？偯娣e為53 067.88 km2，主要土地利用類型為林地和耕地，2010年總人口992.02萬人。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文土地利用變化的基礎數(shù)據(jù)來源于哈爾濱市國土局2000—2010年的土地利用變更統(tǒng)計資料；社會經濟數(shù)據(jù)主要來自相關年份的統(tǒng)計年鑒，包括2001—2011年《哈爾濱市統(tǒng)計年鑒》、《黑龍江省統(tǒng)計年鑒》、《中國能源統(tǒng)計年鑒》以及其它資料和數(shù)據(jù)等。

2 研究方法

本研究對碳排放和碳吸收采用分別估算的方法。其中，碳排放分為建設用地碳排放和農用地碳排放；碳吸收分為耕地碳吸收和其它土地(包括林地、草地、水域和未利用土地)碳吸收。建設用地碳排放、農用地碳排放和耕地碳吸收均采用間接估算法，其他土地碳吸收采用直接估算法。需要說明的是：(1) 哈爾濱市水域類型主要為濕地，因此在計算水域碳吸收時，采用的碳吸收率為中國濕地的平均碳吸收率。(2) 哈爾濱市的園地以喬木為主，為了計算方便，因此在計算碳排放過程中將其歸入林地。(3) 未利用土地主要包括荒草地、沙地和裸地，具有微弱的碳吸收能力，因此本研究把未利用土地的碳吸收考慮在內。

基于Logistic回歸模型對哈爾濱市未來碳排放進行預測。Logistic回歸模型是一種對二分類或者多分類因變量進行回歸分析時經常采用的非線性分類統(tǒng)計方法。建立Logistic回歸模型方程，運用回歸分析方法確定相關指標進行預測，并驗證預測結果的精確性。

2.1 碳排放的計算

(1) 建設用地碳排放。建設用地碳排放的計算采用間接估算法，通過其利用過程中各種化石能源消耗的碳排放系數(shù)進行間接估算，包括生產和生活的碳排放量[14]，計算公式如下：

EC=∑eci=∑Eni·θi·fi

(1)

式中：EC——建設用地碳排放量；eci——各種化石能源碳排放量；Eni——各種化石能源的消耗量；θi——各種化石能源轉換——標準煤的系數(shù)；fi——各種化石能源的碳排放系數(shù)，其中標準煤轉換系數(shù)來自于《中國能源統(tǒng)計年鑒》，碳排放系數(shù)來自于IPCC《國家溫室氣體排放清單指南》(2006)，見表1。

表1 各種能源的標準煤轉換系數(shù)和碳排放系數(shù)

(2) 農用地碳排放。農用地碳排放的計算采用間接估算法，主要分為農業(yè)化肥施用、農業(yè)機械使用和灌溉過程帶來的碳排放，計算公式如下：

Ea=Ef+Em+Ei

(2)

式中：Ea——農用地碳排放量；Ef，Em，Ei——農田化肥生產、農業(yè)機械使用和灌溉過程帶來的碳排放。各項碳排放過程計算公式見趙榮欽等[15],其中的碳排放轉化系數(shù)來自于美國橡樹嶺國家實驗室[16]。

2.2 碳吸收的計算

(1) 耕地碳吸收。耕地碳吸收的計算采用間接估算法，依據(jù)農作物產量數(shù)據(jù)、經濟系數(shù)和碳吸收率，主要估算農作物生育期光合作用過程中合成的碳。在計算過程中，本研究針對哈爾濱市的實際情況，選取的主要農作物為水稻、玉米、大豆、薯類、高粱、谷子、油料、甜菜和煙葉，計算公式如下：

Cd=Cf×Dw=Cf×Yw/Hi

(3)

式中：Cd——耕地碳吸收量；Cf——農作物碳吸收率；Yw——經濟產量；Dw——生物產量；Hi——第i種作物的經濟系數(shù)，其中農作物經濟系數(shù)和碳吸收率[17]見表2。

表2 哈爾濱市主要農作物經濟系數(shù)(H)和碳吸收率(Cf)

(2) 其它土地碳吸收。其它土地碳吸收的計算采用直接碳排放系數(shù)法，計算公式如下：

Ci=Si×Vi

(4)

式中：Ci——第i種土地類型碳吸收，其中，i=1,2,3,4,表示林地、草地、水域、未利用土地；Si——第i種土地類型面積；Vi——第i種土地類型的碳吸收率，其中林地吸收率為3.809 6 t/hm2，草地碳吸收率為0.948 2 t/hm2，水域吸收率為0.024 8 kg/(m2·a)，未利用土地的吸收率為0.000 5 kg/(m2·a)[18-20]。

3 結果與分析

3.1 哈爾濱市不同土地利用類型的變化狀況

依據(jù)統(tǒng)計年鑒，對哈爾濱市2000—2010年各土地利用類型變化量進行分析(表3)。10 a間哈爾濱市變化率最大的是未利用土地，面積持續(xù)減少，從2000年的2.36×105hm2減少到2010年的9.88×104hm2，10 a變化率高達-58.12%；其次是牧草地，牧草地面積減少迅速，從2000年的8.73×104hm2減少到2010年的6.85×104hm2，10 a變化率為-21.54%；由于城市化進程的加快，哈爾濱市建設用地面積持續(xù)快速增加，從2000年的2.34×105hm2增加到2010年的2.69×105hm2，10 a變化率為14.77%；在退耕還林政策以及三北防護林和城市綠地的建設影響下，林地面積持續(xù)增長，但幅度不大，從2000年的2.34×105hm2增加到2010年的2.69×105hm2；耕地面積有所減少，但幅度較小，基本維持在1.80×106hm2；水域面積變化最小，10 a間基本保持在2.02×105hm2。

表3 2000-2010年哈爾濱市土地利用類型面積變化 104 hm2

3.2 哈爾濱市2000-2010年碳排放/吸收構成分析

通過對各年份耕地、林地、草地、水域和未利用地等地類的碳吸收和碳排放的估算，匯總2000—2010年間的凈碳排放量(表4)。

表4 哈爾濱市2000-2010年主要土地利用類型碳排放/吸收情況 萬t

分析表明，碳排放方面，建設用地上人類活動造成的碳排放是最主要碳源，占總碳源的99%以上，而農用地上的農業(yè)生產活動形成的碳排放只占不到1%。

碳吸收方面，耕地和林地對碳吸收貢獻率最大，兩者之和占總碳匯的99%以上，各自占總碳匯的40%以上，哈爾濱市森林覆蓋率達45%，遠遠高于全國其它省市，林地的碳吸收作用非常明顯；草地、水域、未利用土地碳吸收量很小，三者總和占總碳匯的比例不到1%。

3.3 哈爾濱市2000-2010年碳排放/吸收變化分析

研究區(qū)2000—2010年碳排放/吸收變化圖表明(圖1)，哈爾濱市的碳排放總量持續(xù)增長，從2000年的2 792.97萬t增長到2010年的5 714.01萬t，增加2 921.04萬t，增長率高達104.59%。建設用地碳排放快速增長，從2000年的2 763.93萬t增長到2010年的5 663.98萬t，但增長速度呈先放緩后加快的趨勢，從2000—2002年間的8%降低到2002—2004年間的5%又升高到2004—2010年間的7%以上，由于哈爾濱市城市化進程加快，建設用地面積加速增長，石油、煤炭、天然氣等化石能源消耗大量增加。10 a間，農用地碳排放總體呈現(xiàn)快速增長趨勢，增長速度呈現(xiàn)先加快后放緩的趨勢，2004年之前增長率為2%，2004—2006年間，上升到13%，2006年后，年增長率逐漸降低到5%。主要原因是在糧食種植過程中化肥施用量的不斷增加，2010年哈爾濱市農用地化肥施用量為4.36×105t，比2000年增長93.55%。

圖1 2000-2010年哈爾濱市碳排放/吸收變化

2000—2010年間，哈爾濱市碳吸收總量呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，10 a間，增加679.79萬t，增長率為38.42%。其中，耕地和林地的碳吸收量均在逐年增加，但占總碳吸收的比例卻呈現(xiàn)相反的變化趨勢，耕地占總碳吸收的比例逐年增加，由2000年的42.98%增加到2010年的56.81%；而林地占總碳吸收的比例卻逐年減少，由2000年的56.26%減少到42.72%。在2004年之后，耕地取代林地成為碳吸收貢獻率最大的地類，主要原因是隨著社會的發(fā)展，科學技術的進步，農作物單位面積產量不斷提高，農作物的固碳作用日益顯著。草地和未利用土地的碳吸收量呈現(xiàn)逐漸減少趨勢，水域的碳吸收量基本保持不變，由于三者所占碳吸收比例較小，對總碳排放量的變化影響不大。

2000—2010年間，由于碳排放增長遠遠高于碳吸收的增長，哈爾濱市凈碳排放量快速增長，而且增長速度呈逐漸加快的趨勢。2010年，凈碳排放量為3 264.64萬t，10 a間，增長2 241.25萬t，增長率高達219.00%，平均年增長率為13.19%。

3.4 哈爾濱市土地利用碳排放強度分析

研究區(qū)2000—2010年地均碳排放強度變化圖表明(圖2)，10 a間，地均碳排放強度一直保持增長趨勢，從2000年的5.26 t/hm2增長到2010年的10.77 t/hm2。而地均碳排放強度的增長速度則呈逐漸加快的趨勢，年增長率從5%上升到8%。反映出隨著經濟的快速發(fā)展，哈爾濱市每1 hm2土地的碳排放量在快速增加。

2000—2010年間，哈爾濱市地均建設用地碳排放強度一直保持增長趨勢，從2000年的118 t/hm2增長到2010年的210.74 t/hm2，增長趨勢呈加速增長，年增長率從3%上升到7%。主要原因是哈爾濱市作為傳統(tǒng)的工業(yè)城市，工業(yè)碳排放量較大，造成地均建設用地碳排放強度偏高。

研究區(qū)2000—2010年碳排放強度變化圖表明(圖3)，10 a間，哈爾濱市單位GDP碳排放強度呈下降趨勢，2000年為2.79 t/萬元，到2010年已減少到1.56 t/萬元。主要原因是哈爾濱市的總碳排放在不斷增長，但哈爾濱市GDP增長幅度明顯大于總碳排放的增長。“十一五”期間哈爾濱市對經濟結構進行調整的力度加大，社會經濟發(fā)展和人民生活向低碳方式轉變進程加快。由此可以得出，在2010年之后的“十二五”期間，哈爾濱市單位GDP碳排放強度可能會呈現(xiàn)持續(xù)降低的變化趨勢。

圖2 2000-2010年哈爾濱市地均碳排放強度變化

3.5哈爾濱市2011-2020年碳排放預測分析

(1) Logistic模型的建立。Logistic模型廣泛應用于生物、經濟、環(huán)境科學等領域，是一種精確描述研究對象“S”形增長的數(shù)學模型。選用Logistic模型進行預測分析，能較好的反映出碳排放未來的變化趨勢，建立的模型方程為[21]：

圖3 2000-2010年哈爾濱市碳排放強度變化

(1)

初始條件為：

x|t=0=x0

(2)

式中：x——碳排放增量；t——時間；K——碳排放最大容量；r——不定常數(shù)。對模型方程進行積分運算并將初始條件公式(2) 代入公式(1) 中，求解得到：

(3)

(4)

(2) 回歸分析及預測?；貧w分析是確定兩種或兩種以上變數(shù)間相互依賴的定量關系的一種統(tǒng)計分析方法。本研究采用非線性最小二乘法。預測計算：根據(jù)表4中哈爾濱市的凈碳排放數(shù)據(jù)，確定出未來10 a間K的大概取值范圍為[5000，6000]，然后分別選點進行計算，得到表5。

表5 哈爾濱市碳排放量統(tǒng)計檢驗估計

從表5可以看出當K取5 400時，R2=0.985 1，擬合優(yōu)度最高。此時，再將a和r代入公式(4) 得到：

(5)

把時間序列代入公式(5) ，得到哈爾濱市凈碳排放量預測數(shù)值，見表6。

表6 哈爾濱市2011-2020年凈碳排放量預測 萬t

經過預測，結果如表5所示，2020年哈爾濱市凈碳排放量將達到5 191.83萬t。

(3) 預測驗證。利用構建的Logistic模型對哈爾濱市2000—2010年凈碳排放進行預測。預測結果見表7，表7與表4進行對比分析，分析結果表明，哈爾濱市凈碳排放的預測值與實際值誤差的平均值為8%。結果表明，哈爾濱市2011—2020年凈碳排放的預測結果精度較高。

表7 Logistic模型預測的哈爾濱市2000-2010年凈碳排放量 萬t

4 結論與建議

4.1 結 論

(1) 進入21世紀以來，哈爾濱市碳排放迅速增加，碳吸收增長緩慢，碳排放明顯高于碳吸收，并形成了碳赤字。凈碳排放總量呈現(xiàn)加速增加趨勢，10 a間，從2000年的1 023.39萬t增長到2010年的3 264.64萬t，增長幅度高達219.00%，平均年增長量為224.13萬t。

(2) 建設用地是最主要的碳源，占碳排放總量的99%以上，而農用地上的農業(yè)生產活動形成的碳排放占比不到1%。碳源總量從2000年的2 792.97萬t迅速增長到2010年的5 714.01萬t，增長幅度高達104.59%，平均年增長量為292.10萬t。

(3) 耕地和林地是最主要的碳匯，兩者之和占碳吸收總量的99%以上。草地、水域和未利用土地的碳吸收作用微弱，占比不到1%，對碳匯總量的變化影響不大。碳匯總量從2000年的1 769.58萬t增長到2010年的2 449.37萬t，增長幅度僅為38.42%，平均年增長量為67.98萬t。

(4) 2000—2010年間，哈爾濱市的地均碳排放強度和地均建設用地碳排放強度一直保持快速增長趨勢，與此同時，單位GDP碳排放強度則呈現(xiàn)下降趨勢。

(5) 經過預測，哈爾濱市未來10 a凈碳排放呈現(xiàn)增長趨勢,到2020年哈爾濱市凈碳排放量將達到5 191.83萬t。

4.2 建 議

(1) 土地利用方面，應從土地利用總體規(guī)劃的角度合理規(guī)劃未來土地利用布局和方式，對土地利用結構進行優(yōu)化，建立低碳可持續(xù)的土地利用方式。

(2) 碳減排方面，建設用地是最主要的碳源，到2015年，哈爾濱市城鎮(zhèn)化率將達65%以上，哈爾濱市已進入快速城鎮(zhèn)化發(fā)展時期，必須嚴格控制建設用地數(shù)量，提高建設用地的集約利用率，避免城市的盲目擴張，減緩建設用地碳排放的增長速度；農業(yè)方面，要減少工業(yè)化肥的使用，加大農家肥的推廣力度，并構建土地生態(tài)補償機制。

(3) 碳增匯方面，哈爾濱市的耕地和林地的碳吸收作用至關重要，在重點保護耕地的同時，應大力推進退耕還林還草政策的實施，植樹造林，增大城市的碳吸收能力。加強草地和濕地的管理、水土保持和生態(tài)保護。

(4) 能源結構方面，哈爾濱市應優(yōu)化能源消費結構。一是逐步減少傳統(tǒng)化石能源的消耗，開發(fā)并應用提高傳統(tǒng)能源利用的新技術；二是發(fā)展低碳能源和清潔環(huán)保能源，加強太陽能、風能、生物質能等新興能源的研發(fā)和利用；三是加強耗能結構設備的研發(fā)力度，提高設備的能源利用效率，減緩碳排放的增長。

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EffectsofDifferentLandUsePatternsonCarbonEmissioninHarbinCityofHeilongjiangProvince

LU Chang1, LEI Guo-ping1, ZHANG Hui1, ZHOU Hao1, TIAN Ya-wen1, SHAN Kai-kai1, ZHU Dan-tong2

(1.CollegeofResourcesandEnvironment,NortheasternAgriculturalUniversity,Harbin150030,China; 2.HarbiRealEstateTradingCenter,Harbin150030,China)

This research selected the land use data, energy consumption data and other data of Harbin City from 2000 to 2010, and ued direct and indirect estimation method to analyze the effects of different types of land use on the carbon emissions in Harbin City, and got the carbon emissions data from 2000 to 2010. At the same time, based on this basic data, the Logistic model was constructed to predict the net carbon emissions of Harbin City from 2011 to 2020. The results are as following: (1) from 2000 to 2010, the net carbon emissions of Harbin City increased rapidly, from 10 234 thousand tons to 32 646 thousand tons and the growth rate is as much as 219%; (2) construction land is the main carbon emission source, accounting for about 99% of the overall carbon emission, cultivated land and woodland are the major carbon sink, accounting for about 99% of the overall carbon sink; (3) although the intensity of per unit carbon emission is increasing, the intensity of per GDP carbon emission is declining; (4) the net carbon emissions of Harbin City in the future ten years are expected to speedily grow, and will reach to 51 918 thousand tons in 2020. Based on relevant research results, some polices and suggestions of land use are put forward from the perspective of reducing carbon emission and increasing carbon sinks.

carbon emissions; land use; Harbin City

2014-03-22

：2014-03-25

國家科技支撐計劃項目(2008 BAD96 B02)

路昌(1990—),男,山東臨沂人,碩士研究生,研究方向:土地利用與規(guī)劃。E-mail:chang20081990@126.com

雷國平(1963—),男,黑龍江省青岡人,教授,博士生導師,研究方向:土地利用與規(guī)劃。E-mail:guopinglei@126.com

F301.24;X21

：A

：1005-3409(2014)06-0245-06