基于土地利用變化的新疆塔城地區(qū)碳排放特征分析

和海秀, 周洪華,2, 白如霄

〔1.新疆生產(chǎn)建設兵團第九師農(nóng)業(yè)科學研究所(畜牧科學研究所), 新疆, 塔城 834600;2.中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所/荒漠與綠洲國家重點實驗室, 新疆, 烏魯木齊 830011〕

人類活動導致的CO2排放增加是影響全球氣候變化的主要誘因之一，CO2對溫室效應的貢獻率達60%[1]。2017年全球化石燃料及工業(yè)CO2排放總量達3.68×1010t C，較2016年增加了2%，其中，中國碳排放量增長約3.5%，且全球碳排放量在繼續(xù)增加[2]。中國在2009年已成為了世界第一大碳排放國。為減緩全球氣候變化，《巴黎協(xié)定》提出了盡快達到溫室氣體排放的全球峰值，并在2050年實現(xiàn)全球碳中和。2020年9月，中國宣布力爭2030年前CO2排放達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。因此，中國碳減排壓力巨大，碳達峰和碳中和任務面臨嚴峻挑戰(zhàn)[3-5]，積極推動一系列科學的節(jié)能減排政策和措施將是實現(xiàn)中國碳達峰、碳中和目標的重大舉措。然而，全國各地土地利用類型不同，社會經(jīng)濟發(fā)展程度各異，導致了區(qū)域碳排放量與變化特征各不相同。為此，開展區(qū)域碳排放研究，精細刻畫區(qū)域碳排放時空演變特征及其規(guī)律，對于各區(qū)域科學制定適宜的節(jié)能減排措施，穩(wěn)步實現(xiàn)碳達峰、碳中和國家戰(zhàn)略目標具有重要意義。

土地利用變化改變了地表生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)，是影響區(qū)域碳排放變化的關鍵驅動因素之一[6]。隨著全世界采取各種積極政策和措施，2020年全球化石燃料的CO2排放量較2019年減少了2.40×109t C，但土地利用改變導致的排放量仍達6.00×109t C，且全球因毀林產(chǎn)生了1.60×1010t C的CO2排放[7]。研究發(fā)現(xiàn)，土地利用類型的改變顯著影響區(qū)域碳排放[8]，且建設用地的擴張對區(qū)域碳排放變化影響最顯著[9]。目前，國內關于土地利用變化對區(qū)域碳排放影響的研究仍相對較少，相關成果主要集中在西南、東南、東部和中部地區(qū)，如四川[10]、重慶[11]、安徽[7]、江蘇[12]以及福建[13]和河南[14]等地，擬或是對全國范圍的評估[6,15-16]，關于中國西北部土地利用變化對碳排放的影響研究涉及極少。

新疆塔城地區(qū)位于中國西北部，與哈薩克斯坦接壤，邊境線長540.6 km，是中國重要的邊防區(qū)，也是新疆重要的農(nóng)牧產(chǎn)品生產(chǎn)基地和能源資源開發(fā)基地，同時還是中國西北唯一一個國家級沿邊重點開發(fā)開放試驗區(qū)。近年來，伴隨著塔城地區(qū)社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，區(qū)內土地利用類型改變顯著，是新疆乃至西北干旱區(qū)社會—經(jīng)濟—生態(tài)發(fā)展的典型縮影。本研究基于1980—2020年塔城地區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，分析塔城地區(qū)近40 a來的碳排放變化時空特征，探討塔城地區(qū)的碳排放效應，以期為科學制定區(qū)域碳減排措施及低碳調控政策提供基礎和依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

塔城地區(qū)地處新疆維吾爾自治區(qū)的西北部(82°16′—87°21′E,43°25′—47°15′N)，北部是西準噶爾山地，南部為北天山山地，中東部是準噶爾盆地，西北部與哈薩克斯坦接壤，屬中溫帶干旱和半干旱氣候。轄區(qū)總面積1.05×105km2，下轄塔城市、烏蘇市、沙灣縣、額敏縣、裕民縣、托里縣、和豐縣，常住人口約9.11×105人[17]。塔城地區(qū)是中國通往中亞的重要通道之一，擁有中國和哈薩克斯坦陸路交界的重要國家一類口岸——巴克圖口岸，它是距首府烏魯木齊最近的口岸，是“一帶一路”向西開放的重要門戶和中國進行國際貿易的黃金通道，被譽為“中亞商貿走廊”。塔城地區(qū)水資源相對較豐富，年均總徑流量約1.94×108m3。年均降雨量290 mm，蒸發(fā)量1 600 mm。日照2 800～3 000 h，無霜期130～190 d。區(qū)內礦產(chǎn)資源豐富，金屬、非金屬礦產(chǎn)達40余種。動植物資源也極其豐富，擁有多種國家一級和二級保護動植物。近年來由于經(jīng)濟的快速發(fā)展，塔城地區(qū)的土地利用類型發(fā)生了顯著的變化。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

塔城地區(qū)1980年土地利用數(shù)據(jù)來源于Landsat-MSS遙感影像數(shù)據(jù)，1990，2000，2010年土地利用數(shù)據(jù)來源于Landsat-TM/ETM遙感影像數(shù)據(jù)，2020年土地利用數(shù)據(jù)主要使用Landsat 8遙感影像數(shù)據(jù)。所有影像數(shù)據(jù)為30 m×30 m，數(shù)據(jù)下載于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心https:∥www.resdc.cn/。本研究土地利用數(shù)據(jù)投影采用Albers正軸等面積雙標準緯線圓錐投影，對獲取的數(shù)據(jù)通過人機交互式目視判讀解譯獲取，基于全國土地利用現(xiàn)狀分析進行重分類，并結合野外調查驗證，數(shù)據(jù)綜合精度達94%以上。

社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)及能源數(shù)據(jù)等主要來源于《塔城地區(qū)統(tǒng)計年鑒》《伊犁地區(qū)統(tǒng)計年鑒》《新疆輝煌50年》等。

2.2 數(shù)據(jù)分析

(1) 碳吸收與碳排放量估算。土地利用類型一級分類包括耕地、林地、草地、建設用地、水域和未利用地，其中耕地和建設用地表現(xiàn)為碳源，產(chǎn)生碳排放；林地、草地、水域和未利用地表現(xiàn)為碳匯，在碳循環(huán)過程中主要起碳吸收作用[16]。碳排放和碳吸收計算方法如下[6]：

(1)

(2)

Cne=Ce-Cs

(3)

式中：Cs為碳吸收總量(t);Ai分別為林地、草地、水域和未利用地面積(m2);αi為第i種土地利用類型的碳吸收系數(shù)；Ce為耕地和建設用地的碳排放總量(t);B為耕地面積(m2)；b為耕地的碳排放系數(shù)；Cb為建設用地的碳排放量(t)；mj為化石能源消費量；j為煤炭、油類和電力等能源類型；βj為標準煤換算系數(shù);rj為碳排放系數(shù)。相關碳排放/吸收系數(shù)和轉化系數(shù)采用經(jīng)驗數(shù)值(表1)[7]。Cne為凈碳排放總量。各土地利用類型和能源種類碳排放系數(shù)為IPCC采用的碳收支計算系數(shù)，已在中國廣泛使用[6]。

表1 塔城地區(qū)主要土地利用類型碳排放系數(shù)和主要能源碳排放轉化系數(shù)

(2) 碳排放效應評估。土地利用碳排放效應指土地利用格局改變產(chǎn)生的碳排放結果，它反應碳排放對生態(tài)環(huán)境影響的程度[7]。本研究結合碳足跡、碳生態(tài)承載力和生態(tài)赤字/生態(tài)盈余3個指標來評估排放效應[7]。碳足跡主要衡量人類經(jīng)濟活動對自然界的影響；碳生態(tài)承載力主要衡量區(qū)域內能吸收人類活動排放的CO2所需生物生產(chǎn)性土地面積，本研究中水域和未利用地的碳吸收量比例較小，因此忽略，主要計算林地和草地。生態(tài)赤字/生態(tài)盈余指一個地區(qū)的碳生態(tài)承載力與碳足跡的差值，當碳生態(tài)承載力小于碳足跡時，表現(xiàn)為生態(tài)赤字，反之當碳承載力大于碳足跡時，表現(xiàn)為生態(tài)盈余。具體計算方法如下[6]:

(4)

(5)

Ed=Cf-Ec

(6)

式中：Cf為碳足跡(hm2)；Cb為能源碳排放量(t);Pf和Pg分別為森林和草地碳吸收比例(%); EPf和EPg分別為全球森林和草地碳吸收能力(C/hm2)(表2)[6]；Ec為生態(tài)承載力;Cs為不同土地利用方式的碳吸收量(t)。Ed為正值時，為生態(tài)盈余；Ed為負值時，為生態(tài)赤字。

表2 塔城地區(qū)主要生物生產(chǎn)性土地碳吸收系數(shù)

3 結果與分析

3.1 土地利用變化

塔城地區(qū)2020年土地利用類型中，草地面積最大，占行政區(qū)總面積的43.91%，各縣市均有大面積分布；其次為未利用地，占行政區(qū)總面積的39.94%，主要分布在和豐縣；耕地占行政區(qū)總面積的10.72%，林地和水域占比含量相對較少，分別為2.82%和2.04%，建設用地面積最小，為行政區(qū)總面積的0.57%。

時間變化上(圖1)，以1980年為基準。1980—1990年10 a間塔城地區(qū)耕地增加率最高，為0.15%，其次為建設用地，增加率為0.11%，水域面積減少率最大，為1.46%；2 000時，塔城地區(qū)建設用地增加率最高，達35.32%，其次為林地，增加率達12.88%，耕地略有減少，減少率為7.09%；2010年時，塔城地區(qū)建設用地和耕地較1980年增加最多，增加率分別為87.51%和32.82%，其次為草地，增加率為11.53%，而林地、水域和未利用地面積均在減少，減少率分別為43.79%，49.69%和13.25%；到2020年時，建設用地和耕地較1980年呈持續(xù)增加趨勢，增加率分別為111.10%，42.65%，草地增加率為9.49%，林地、水域和未利用地較1980年呈持續(xù)減少趨勢，減少率分別為44.39%，48.91%和13.62%。

圖1 塔城地區(qū)各區(qū)內土地利用的變化率(以1980年為基準)

空間變化上(圖1)，在1980—2020年的近40 a間，額敏縣草地面積增加率最高，較1980年增加了62.51%，其次為林地和耕地，分別增加了10.68%和8.13%，增加率最少的為建設用地，增加率僅為2.81%；未利用地面積減少率最大，較1980年減少了63.28%，其次為水域，減少了17.99%。和豐縣在1980—2020年建設用地和水域面積增加最多，分別為708.50%和661.93%，其次為草地和耕地，增加率分別為66.92%和33.42%；林地和未利用地面積呈減少趨勢，減少率分別為43.94%和11.89%。沙灣縣1980—2020年，耕地增加率最高，為76.64%，其次為建設用地，增加率為39.97%；林地、草地和水域均呈現(xiàn)出減少趨勢，減少率分別為70.07%，20.70%和58.35%。塔城市1980—2020年林地和建設用地增加率最高，分別為210.43%和114.51%，其次為耕地、草地和水域，增加率分別為17.13%，11.65%和27.61%；未利用地呈減少趨勢，2020年較1980年減少率達88.97%。托里縣1980—2020年建設用地和水域面積較1980年增加率最高，分別為115.55%和145.40%，其次為草地，增加率為8.06%；耕地、林地和未利用地均呈減少趨勢，減少率分別為11.23%，31.85%和13.19%。烏蘇市1980—2020年耕地和建設用地增加率最快，分別較1980年增加了102.97%，212.87%，其次為未利用地，增加率為3.94%；林地、草地和水域面積均呈減少趨勢，減少率分別61.46%，10.66%和50.19%。裕民縣1980—2020年建設用地和水域面積較1980年增加最快，分別為98.16%和76.30%，其次為草地和耕地，增加率分別為17.31%和3.68%；林地和未利用地均呈減少趨勢，減小率分別為55.92%和38.61%。

3.2 碳排放特征

塔城地區(qū)凈碳排放量主要受碳排放量和碳吸收量共同影響。由圖2可知，1980—2020年，碳排放量呈明顯的增加趨勢，2020年碳排放量達1.02×107t，較1980年增加了2.22倍；而碳吸收量呈減少趨勢，2020年碳吸收量為2.25×106t，較1980年減少了28.65%。耕地一直都是塔城地區(qū)碳排放中具決定作用的碳源，1980—2020年耕地碳排量一直呈增加的趨勢，尤其是2010年后，耕地碳排放量較1980年顯著增加，2020年較1980年增加了42.65%。1990年后建設用地的碳排放量也較1980年顯著抬升，到2010年建設用地碳排放量占總碳排放量的18.78%，2020年建設用地碳排放量上升到占碳排放量的45.98%。碳吸收量方面，林地和草地是塔城地區(qū)碳吸收的主要碳匯。水域和未利用地碳吸收量很小，比例不到2%。1980—2000年林地碳吸收量是草地的2.35～2.66倍。2000年后，由于林地的大面積減小和草地面積的增加，林地碳吸收量顯著下降，僅略高于草地碳吸收量。

圖2 1980—2020年塔城地區(qū)碳排放/吸收量變化

塔城地區(qū)凈碳排放量表現(xiàn)出顯著的空間差異(圖3)。1980—2000年，沙灣縣和額敏縣年凈碳排放在5.00×105t左右，烏蘇市和塔城市年凈碳排放量在7.00×104t至1.70×105t，托里縣、和豐縣和裕民縣的凈碳排放量為負，即碳吸收量高于碳排放量。2000年后，塔城地區(qū)凈碳排放量顯著增加。2010年時沙灣縣年凈碳排放量達到2.00×106t以上，烏蘇市和額敏縣年凈碳排放量為1.27×106t，7.23×105t，塔城市、裕民縣及和豐縣的年凈碳排放量在2.03×104～1.68×105t之間。2020年時除沙灣縣外，烏蘇市也步入年凈碳排放量大于2.00×106t行列，相繼成為塔城地區(qū)的主要碳源區(qū)，和豐縣的年凈碳排放量大于5.00×105t，塔城市和裕民縣年凈碳排放量也呈增加趨勢，但仍低于2.00×104t。托里縣在1980—2020年的40 a間，年凈碳排放量一直為負，即碳吸收量大于碳排放量，在塔城地區(qū)表現(xiàn)為碳匯效應。

圖3 1980—2020年塔城地區(qū)凈碳排放量空間分布

3.3 碳排放效應

塔城地區(qū)1980—2020年，碳足跡顯著增加，碳生態(tài)承載力在1980—2000年相對較穩(wěn)定，變化不明顯。但2000年后，碳生態(tài)承載力顯著降低，2010年碳承載力較1980年減少8.90%，2020年較1980年減少了10.42%(圖4)。2010年前塔城地區(qū)的碳生態(tài)承載力顯著大于碳足跡，碳排放效應表現(xiàn)為生態(tài)盈余；但2020年時碳生態(tài)承載力僅為碳足跡的61.62%，碳排放效應表現(xiàn)為生態(tài)赤字，生態(tài)赤字量達到8 516.75 km2。

圖4 塔城地區(qū)1980—2020碳排放效應

塔城地區(qū)碳排放效應也呈現(xiàn)出空間差異(圖5)。1980年時，整個塔城地區(qū)都表現(xiàn)為生態(tài)盈余；1990年和2000年除塔城市外，其余各縣市的碳排放效應也均表現(xiàn)為生態(tài)盈余，塔城市的生態(tài)赤字在100 km2以內；2010年，沙灣縣的碳排放效應生態(tài)赤字為800.78 km2，其余各縣市碳排放效應也均為生態(tài)盈余；到2020年，僅托里縣和裕民縣的碳排放效應為生態(tài)盈余，沙灣縣、烏蘇市、和豐縣、塔城市和額敏縣均出現(xiàn)生態(tài)赤字，沙灣縣的生態(tài)赤字達到4 199.44 km2，其次為和豐縣和烏蘇市，生態(tài)赤字分別達3 529.64 km2，3 353.01 km2，塔城市的生態(tài)赤字為473.88 km2，額敏縣的生態(tài)赤字相對較小，為54.29 km2。

圖5 塔城地區(qū)碳排放效應空間分布

4 討論與結論

全球碳排放濃度隨著人類活動的增加而逐年上升[18]。作為全球最大碳排放國，2017年碳排放總量已占全球比重23.87%[5]。最新研究顯示，中國對全球變暖的貢獻率達8.6%[19]。準確掌握和了解區(qū)域碳排放特征及其效應是科學制定“雙碳”目標下的區(qū)域節(jié)能減排、低碳協(xié)調發(fā)展政策的重要前提和基礎。本文基于1980—2020年的土地利用數(shù)據(jù)，精細刻畫了塔城地區(qū)碳排放時空特征及碳排放效應，分析發(fā)現(xiàn)，在時間變化上，塔城地區(qū)碳排放量呈增加趨勢，碳吸收量呈降低趨勢，導致凈碳排放量顯著增長。已有研究表明，土地利用方式的變化是驅動區(qū)域碳排放改變的關鍵因素[6]。本文分析表明，耕地面積和建筑面積的持續(xù)擴張是導致塔城地區(qū)碳排放量增加的主要原因，這與眾多區(qū)域碳排放特征研究結果基本一致[6,8-9]，其中2010年之前，耕地碳排放量對塔城地區(qū)凈碳排放總量起決定性作用，2010年后，耕地和建設用地均成為導致塔城地區(qū)凈碳排放總量增長的決定因素。碳吸收量主要受林地、草地、水域和未利用地的影響[6]。本文研究顯示，林地和草地是塔城地區(qū)最主要的碳匯，解釋了塔城地區(qū)碳吸收量的98%，且1980—2020年，林地面積持續(xù)下降是造成碳吸收量減少的關鍵因素。在空間變化上，塔城地區(qū)凈碳排放量呈現(xiàn)出明顯的空間異質性，其中：沙灣縣 >烏蘇市 >額敏縣 >和豐縣 >裕民縣 >塔城縣 >托里縣。沙灣縣和烏蘇市是決定塔城地區(qū)凈碳排放量的關鍵區(qū)域，解釋了塔城地區(qū)凈碳排放的67.20%，屬于塔城地區(qū)的主要碳源區(qū)，其次和豐縣和額敏縣也是塔城的碳源區(qū)，解釋了塔城地區(qū)凈碳排放量的20.89%。托里縣是塔城地區(qū)的碳匯區(qū)。塔城地區(qū)的碳排放效應也呈現(xiàn)出顯著的時空差異性，其中2010年之前塔城地區(qū)碳排放效應均表現(xiàn)為生態(tài)盈余，但2010年后，由于建設用地的快速擴張和耕地的持續(xù)增加，導致碳足跡顯著增加，而林地的持續(xù)減少導致碳生態(tài)承載力降低，最終造成塔城地區(qū)碳排放的生態(tài)赤字。其中，沙灣縣是塔城地區(qū)生態(tài)赤字最嚴重的區(qū)域，其次為和豐縣和烏蘇市，托里縣和裕民縣在1980—2020年一直都處于碳排放的生態(tài)盈余。這進一步證實，中國碳排放具有顯著的空間分異和集聚效應[5]，各區(qū)域內土地利用方式、社會經(jīng)濟各異，在制定降碳減污方案時應充分考慮區(qū)域碳排放時空特征，因地制宜地制定切實可行的政策與措施，切記一刀切。

碳達峰、碳中和已成為中國應對氣候變暖的重大戰(zhàn)略決策[19]。盡管中國正穩(wěn)步推進碳減排工作，但在保持經(jīng)濟中高速增長的同時實現(xiàn)低碳循環(huán)發(fā)展，對中國而言依舊是嚴峻的挑戰(zhàn)，實現(xiàn)“雙碳”目標緊迫而艱巨[5]。“十四五”時期是實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的重要機遇期，推動能源消費結構性改善和減污降碳政策落實到區(qū)縣，是改善生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的關鍵舉措[5]。根據(jù)塔城地區(qū)碳排放時空特點，沙灣縣和烏蘇市將是未來塔城地區(qū)碳減排重點關注和調控區(qū)，其次為和豐縣、額敏縣和塔城市。未來塔城地區(qū)的節(jié)能減排政策需主要實現(xiàn)區(qū)域土地利用方式的調整和經(jīng)濟結構的轉變： ①必須避免建設用地的無限制擴張，減少化石類能源消耗，逐步采用能替代化石能源的綠色工業(yè)能源，實現(xiàn)綠色工業(yè)和制造業(yè)； ②嚴格控制耕地面積，遏制耕地面積的持續(xù)擴張，積極實施退耕還林政策，增加林地面積。