基于碳转移矩阵的土地利用碳排放效应研究.doc

基于碳转移矩阵的土地利用碳排放效应研究.doc 基于碳转移矩阵的土地利用碳排放效应研究 摘要:研究土地利用类型转变所引起的碳排放效应，为调整土地利用结构，实现区域土地低碳利用提供决策基础。运用ArcGIS软件对北部湾经济区1990、2000及2010年3个时期的遥感影像进行处理分析，得出土地利用转移矩阵，进而核算土地利用类型转变的碳排放转移矩阵。结果表明，在整个研究期内，因地类转移造成总净减少的碳排放量达987 550.37 t，经研究发现碳汇地类及未利用地向碳源地类转变、碳源地类间由低排放向高排放地类的转变会导致区域碳排放量明显增加。碳源地类向碳汇地类的转变而减少的碳排放量为631 690.25 t，碳减缓能力与转向地类的碳汇/碳排放能力有一定关系。针对新兴发展区域的土地利用趋势，从低碳经济的发展角度提出了相应的优化措施。 关键词:土地类型转变;转移矩阵;碳排放效应;广西北部湾经济区 中图分类号:F301 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2016)11-2779-06 DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.11.017 The Effects of Land Use Carbon Emission Based on the Carbon Transfer Matrix ―A Case of Guangxi Beibu Gulf Economic Zone LIANG Bao-kun1， LU Ru-cheng1， LI Guan2， LI Qiu-ping1 (1.School of Land Resources and Surveying & Mapping， Guangxi Teachers Education University， Nanning 530001，China; 2.College of Public Administration， Zhejiang University， Hangzhou 310029，China) Abstract: The studies was able to adjust land use structure and to provide a basis for decisions to achieve land use carbon using carbon emissions caused by the effects of the type of change. Based on the TM images of 1990，2000 and 2010，the land use type conversion was gained， and the carbon transfer matrix was calculated. The results indicated that，during the study period，the resulting from class to transfer a total net reduction in carbon emissions was 987 550.37 t，and it was found that the transition from the carbon sinks in class and unutilized land to carbon sources，the carbon sources from low to high emissions could lead to the regional carbon emission with a significant increase. Simultaneously，although the transmission from carbon sources to carbon sinks reduce carbon emissions was 631 690.25 t，and the changes between carbon sinks had some contribution to slow down carbon emissions，there was a certain relationship between the mitigation of carbon and carbon sink/emission capability. Aiming to the land-use trend in the emerging development area，the corresponding optimization measures from the perspective of the development of low-carbon economy was put forward. Key words: land type conversion; transfer matrix; effects of carbon emissions; Beibu Gulf Economic Zone in Guangxi 土地利用变化是造成全球气候变化和碳循环不平衡的重要原因之一，也是除化石燃料燃烧外导致大气中CO2浓度增加的重要原因[1]。为此，国务院在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006―2020年)》中提出如何通过调整土地利用方式实现碳减排是国家重点的科技领域及优先主题，同时也是重要的战略问题。但是，土地利用类型转变的方向以及速度的差异将影响区域碳排放效应。特别是不合理的土地利用方式，会减少植被以及土壤中的含碳量，更多的碳将被释放到大气中，进而导致CO2的浓度加大[2]。 目前，国内外已有诸多学者从不同角度对土地利用碳排放效应进行了研究。在研究土地利用碳排放机理方面，Houghton[3]研究发现森林的砍伐和森林向农用地、草地的转变都会导致CO2等温室气体向大气中大量释放;Leite等[4]发现巴西1994,1995年土地利用变化的碳排放总量是化石燃料燃烧所排放碳量的11倍;赖力[5]将土地利用的碳排放机制分为自然干扰、土地利用/覆盖类型转变和土地管理方式转变三类;杨景成等[6]研究发现土地利用的变化会影响陆地生态系统的结构、功能，而生态系统类型与土地利用方式的转变很大程度上影响着系统碳贮量的变化。在研究碳排放核算方法方面，Dixon等[7]采用模型估算法对不同区域的森林碳累积进行了测算;赵荣钦等[8]通过构建能源消费的碳排放模型对碳排放和碳足迹进行研究;赖力等[9]采用IPCC清单方法，柴敏等[10]采用土地利用类型的碳排放系数计算方法及彭文甫等[11]采用直接碳排放系数法及 修改后的碳排放计算模型均对不同土地利用方式的碳排放进行了估算分析。在研究土地利用碳排放影响因素方面，曲福田等[12]综合论述了不同土地利用方式的变化对碳排放的影响;张兴榆等[13]利用遥感技术研究了环太湖地区的各类土地利用变化对生态系统中碳储量的影响;苏雅丽等[14]以陕西省为例，研究分析了该地区不同土地利用方式的碳排放效益;韦严[15]运用灰度关联分析法评价北部湾经济区不同土地利用方式的碳排放效应。 综上分析可知，前人研究主要侧重于土地利用类型转变中静态规模变化对碳排放的影响，而关注土地利用类型转变过程中各种地类流向、流速变化对碳排放产生的影响较少。经济活动的刺激会导致土地利用类型变化过程剧烈而频繁，地类转变过程对碳排放的影响也更为复杂，尤其是北部湾经济区的新兴发展区域。因此，研究新兴发展区域不同土地利用类型转变的碳排放情况，不仅有助于了解因地类转变所造成的碳排放代价，而且能够为新兴发展区域通过土地利用规模、结构、方式的调控实现区域低碳发展提供理论支撑。 1 研究区概况 广西北部湾经济区地处中国沿海的西南端，由南宁、北海、钦州、防城港4个市所辖行政区域组成，陆地面积为4.25万km2，占广西国土面积的17.96%。该区域地处于东盟经济圈、华南经济圈和西南经济圈的结合部，是中国西部惟一的沿海地区，也是中国与东盟国家既有海上通道、又有陆地接壤的重要战略区域。2013年，北部湾经济区总人口为1 383.37万人，占广西总人口的26.19%，生产总值为4 817.43亿元，占全广西的33.51%。作为重要国际区域经济合作区，北部湾经济区正处于经济社会快速发展的 重要时期，工业化、城市化进程在不断加速，土地利用类型变化剧烈且频繁，因此分析该区域不同地类转变的碳排放效应具有一定的典型意义。 2 研究方法与数据来源 2.1 数据来源与处理 研究采用的数据包括北部湾经济区1990、2000、2010年3个时期TM遥感影像图(30 m空间分辨率)，北部湾经济区行政区划图(矢量);广西统计年鉴(1990,2010年)、各县市部门统计年鉴，南宁、北海、钦州、防城港各市的规划资料和数据统计资料等。 研究采用的分类系统是在全国第二次土地利用调查分类方案的基础上，结合北部湾经济区土地利用特点以及遥感影像分辨率，把二调分类中的地类进行归并得出研究所采用的遥感土地利用分类系统，共分为耕地、园地、林地、建设用地、水域、未利用地。利用Erdas8.7软件对影像进行坐标转换、几何校正、裁剪、人机交互解译、拼接，得到北部湾经济区3个年份的土地利用/土地覆被现状图(图1)，Kappa系数分别为80%(1990年)、77%(2000年)和87.56%(2010年)，均在最低精度70%以上，满足分析的精度要求。 2.2 研究方法 2.2.1 土地利用类型转变的碳排放转移矩阵 土地利用类型转移矩阵是在一定时段内土地利用类型之间相互转移的一种有效的表达方式[16]。利用ArcGIS软件对北部湾经济区1990、2000、2010年3个时期的遥感影像分类结果的土地利用变化空间过程进行融合、交互以及空间的叠加运算处理后，提取土地利用类型转移矩阵，并通过整理计算不同地类的碳排放 系数后得到各类用地转变的碳排放转移矩阵。 2.2.2 土地利用碳排放估算 不同土地利用方式的碳过程明显不同，有些土地利用方式主要表现为碳源，如建设用地，而其他的一些土地利用方式则主要表现为碳汇，如林地、园地和牧草地[17]。据前人研究，耕地的碳排放考虑农业生产的CH4排放系数及对CO2的吸收系数，其差值可得到耕地的碳净排放系数，耕地碳排放取值为0.049 7 kg/(m2?年)[18];园地和林地的碳排放系数分别取值为-0.047 kg/(m2?年)[19]、-5.77 kg/(m2?年)[20]，水域碳排放系数取值在赖力[5]以及段晓男等[21]的研究基础上结合北部湾经济区的地域情况，采用两者的平均值作为水域的碳排放系数，为-0.025 3 kg/(m2?年)。未利用地被视为具有微弱碳吸收能力的碳源，其碳排放系数取值为-0.000 5 kg/(m2?年)[5]。具体采用的碳排放测算公式为: E=?ei=?Ai?δi (1) 式(1)中，E为碳总排放量;ei为第i种土地利用方式产生的碳排放(吸收)量;Ai为第i种土地利用方式对应的土地面积;δi为第i种土地利用方式的碳排放(吸收)系数，排放为正，吸收为负。 建设用地的碳排放量主要通过建设用地利用过程中的能源消耗碳排放系数间接计算[20]，包括生产和生活等总的碳排放量。建设用地碳排放估算公式为: Et=Ef?δf (2) 式(2)中，Et为建设用地碳排放总量;Ef为煤炭消耗标准煤量;δf为碳排放转换系数，取0.732 9 C/t[22]。故由式(2)及研究区历年的 标准煤消耗量可估算出建设用地的碳排放系数为5.056 9 kg/(m2?年)。结合以上学者的研究结果，得出研究区各类碳源(汇)的碳排放(吸收)系数表(表1)，排放为正，吸收为负。 3 结果与分析 3.1 土地利用类型转变情况 在ArcGIS软件的支持下，对北部湾经济区各时期土地利用数据进行空间叠加分析，同时分别将2010年和1990年、2000年和1990年、2010年和2000年的TM影像分类结果图进行叠加处理分析后得到1990,2010年北部湾经济区土地利用类型转移动态变化情况，如表2。 经分析，在近20年的研究时期里，北部湾经济区内各土地利用类型均有不同程度的转变。从数量上看，耕地是该区域各类用地中转移面积最多、转移和新增速度最快的地类，耕地转移面积为158 384.56 hm2，新增面积139 507.39 hm2，转移速度是新增速度的2.27倍。其次转移数量最多的是未利用地，减少量达144 857.16 hm2，但其新增速度仅为转移速度的0.08倍;园地面积总体变化以增加为主，新增面积达99 540.67 hm2，仅次于耕地的新增量，虽然园地在所有地类中面积最小，但其增加幅度最大;林地转移速度大于新增速度，规模有一定的缩小;建设用地未变化部分有157 342.28 hm2，新增量达89 211.63 hm2，仅有12 491.65 hm2发生转移，处于较为强烈的扩张状态;水域的转移和新增面积、转移和新增速度在所有地类中的变化都是最小的。 为了提取各时期地类转移的特征，将研究期分为1990,2000年和2000,2010年两个时期进行纵向对比分析。 1)在1990,2000年间，区域土地利用类型变化差异较为明显。未利用地、林地为主要转出地类，建设用地、园地为主要转入地类。耕地在该时期主要转向建设用地，而新增耕地来源主要有未利用地和林地;未利用地则是减少量最大的地类，主要转向耕地;新增建设用地规模巨大，转入量高达38 074.57 hm2，耕地是建设用地增加的主要来源之一。 2)在2000,2010年间，未利用地、林地仍为主要转出地类，园地、建设用地、林地为主要转入地类。其中，未利用地变化量最多，转出量达71 459.56 hm2，转向耕地的量为56 053.99 hm2;建设用地转入量为51 137.06 hm2，其中由耕地转入了5 070.38 hm2;林地的转出量为31 426.34 hm2，主要转向耕地。 经对比可知，随着北部湾经济区工业化、城市化的快速发展，建设用地转入量呈逐渐增长的趋势。为满足北部湾经济区的社会经济发展对土地的需求，建设用地扩张主要集中在城市和城镇周边，城镇化、工业化的发展吞噬了城镇周边大量耕地。同时，地方政府主要靠开垦未利用地来实现区域内的耕地总量动态平衡，在2000,2010年间，还有部分林地转向耕地。由此可看出整个研究期内，碳源用地规模在持续增加，而碳汇用地规模在不断萎缩，且由于研究期间北部湾经济区处于高速发展时期，建设用地的增加速度远大于林地的增加速度，而具有高碳汇的林地的流失速度也远超其他碳汇地类。由此可知，现阶段经济区的土地利用类型流动方式造成了碳源用地的积聚以及碳汇用地的流失。 3.2 土地利用类型转变过程中碳排放转移情况 根据土地利用类型转移矩阵并结合式(1)和式(2)计算整理，可得 出研究区不同地类转变的碳排放转换矩阵如下表3、表4及表5所示。 通过对以上数据分析可知，在整个研究期内，因地类转移造成的总净减少碳排放量为987 550.37 t，表明随着各地类不同程度的转变导致近20年来碳汇能力的减弱。造成该现象的主要原因是碳汇地类中林地的大量转出及碳源地类建设用地的扩张，因林地的转出导致的碳流失就有3 999 277.01 t。在此期间，北部湾经济区2000年与2010年林地的碳汇与建设用地的碳排放比值分别为9.86和8.05，故可看出建设用地碳排放强度在不断增强，林地的碳汇效应逐年降低，林地的碳汇所能抵消的碳排放变小，最终导致区域碳排放量呈增长趋势。 1)碳汇地类向碳源地类转变对碳排放量的影响。 在整个研究期间，耕地、园地和林地是建设用地最主要的增量来源，虽然林地和园地转移的面积相对耕地较少，但作为主要的碳汇地类，它们的转移造成了大量碳汇损失。经测算可知，1990,2000年间因碳汇地类向碳源地类转变而造成的碳损失达954 754.73 t，2000,2010年间的碳损失达729 164.27 t。虽然还有部分其他地类的转入，能够在一定程度上增强区域的碳汇能力，但因建设用地持续扩张以及其他地类的转入使得建设用地的碳排放强度增强，故林地和园地等地类的碳汇效应所能抵消的碳排放较少。 2)碳源地类向碳汇地类转变对碳排放的影响。 根据表3、表4、表5分析得出，在整个研究期间有一定规模建设用地转向了具有较强碳汇能力的地类，因建设用地转移而减少的碳排放量达631 690.25 t，在一定程度上增强了该区域的碳汇效应，但仍无法抵消因 建设用地扩张及其他碳汇地类转向建设用地所造成的碳排放，使整个区域的碳排放总体上依然呈增长的态势。同时，未利用地转向林地的面积最少，但转变后林地所能造成的碳汇效应却远大于其他碳汇地类，说明转变后所造成的碳排放量与地类转变规模没有较大的关系，却与其转向的地类的碳汇能力有着较大的影响。 3)碳汇地类内部类型转变对碳排放的影响。 在整个研究期内，耕地转向林地、园地和水域的面积分别为27 319.36、59 485.38、4 900.63 hm2，因转移造成的碳排放量由大到小依次是水域>园地>林地;同样，由林地向耕地、园地转变规模大小是园地>耕地，而造成的碳排放量大小是耕地>园地;园地向耕地、林地转变规模大小是耕地>林地，造成碳排放量大小是耕地>林地;水域转向耕地、园地、林地的规模大小是耕地>园地>林地，造成的碳排放量大小是耕地>园地>林地。2002年广西组织实施《广西壮族自治区2002年度退耕还林还草工程 实施方案 关于机房搬迁实施方案高中班级自主管理实施方案公交公司安全生产实施方案成立校园管乐队的实施方案中层管理人员竞聘上岗实施方案 》，开始实行退耕还林还草政策，该举措吸纳了一定比例的人为碳排放，对减缓碳排放量增加具有一定的贡献。经对比分析发现，其他地类转向林地的面积最小，但其所产生的碳汇能力却比其他碳汇地类强很多。 4)碳源地类内部类型转变对碳排放的影响。 经分析可知，在近20年时间里建设用地在持续扩张，没有发生建设用地转向未利用地的现象。1990,2000年间，由未利用地转向建设用地的面积仅为727.22 hm2，2000,2010年间转移的面积增加到了1 529.00 hm2。造成该现象的一个主要原因是经济区城市化的快速发展促进了土地的密集开发、大规模基础设施建设及产业结构的调整，尤其是城市建设用地的 快速扩张使得其必须要占用大量的未利用地，甚至是其他的碳汇地类。虽然未利用地是具有微弱碳汇能力的碳源地类，但随着大量的未利用地转向具有较强碳排放效应的建设用地，总碳排放量将会大大增加。 5)北部湾经济区成立前后土地利用碳排放的变化差异。 北部湾经济区成立于2006年，从成立的前后时期来看，其成立加速了北部湾经济区核心城市的工业化和城市化进程，碳汇地类向碳源地类高度集聚，碳源地类的规模扩大造成了碳排放量剧增。此外，碳汇地类流失规模大于流入规模，造成了碳损失。 综上所述，北部湾经济区城市化和工业化的快速进程会导致大量的碳汇地类转变为建设用地，这样将导致城市土地利用结构不合理，对区域的社会经济可持续发展尤其是低碳城市建设构成巨大挑战。因为在转变的过程中，绿色植被的大量减少削弱了其对空气中碳的固化作用，且植被的残体也会排放大量的碳素，土壤对有机碳的固化吸收作用也会被削弱，所以碳汇地类转变为碳源地类会导致碳排放量的大幅度增加[23]。同时随着不同地类的转变，由碳汇地类转向碳源地类必然导致碳排放量增多，而由碳源地类转向碳汇地类虽然对减少碳排放量有一定贡献，但仍无法完全抵消由建设用地扩张所造成的快速增长的碳排放量;碳汇地类内部间的转变同样会造成一定的碳损失，与转变的规模没有直接关系而主要是与转向的地类的碳汇能力有较大关系。 4 结论与建议 4.1 结论 1)随着研究区城市化和工业化进程的加快，建设用地呈高速扩张趋势。耕地、林地、园地以及未利用地在持续减少，其中耕地转移面积达158 384.56 hm2，是各地类中转移面积最多、转移和新增速度最快的地类。在整个研究期内，碳源用地规模持续增加，新增量高达89 211.63 hm2，而碳汇用地规模不断萎缩，具有高碳汇的林地的流失速度也远超其他碳汇地类，约为其他碳汇地类的6倍。由此可知，现阶段北部湾经济区土地利用类型流动方式造成了碳源用地的积聚以及碳汇用地的流失。 2)从碳源和碳汇地类间的相互转变对碳排放的影响来看，建设用地是主要的碳排放来源，碳汇地类的大量转入必然导致区域碳排放增加，其中因林地的转出所导致的碳流失就达3 999 277.01 t;研究期间，因碳源地类向碳汇地类转变而减少的碳排放量为631 690.25 t，这在一定程度上对减少区域碳排放有重要作用，但受到现阶段土地利用需求所限，仍无法完全抵消由建设用地扩张所造成的快速增长的碳排放量。 4.2 建议 当前北部湾经济区正处于工业化、城市化快速发展的时期，耕地的减少，林地、园地等碳汇地类向建设用地等碳源地类的转变，使得建设用地的规模扩大，必然会导致碳排放的增加。根据对不同土地利用类型转变的碳排放效应的研究，提出以下北部湾经济区土地低碳化利用策略。 1)发挥规划对土地碳减排的指导性作用，通过土地结构调整促进土地低碳化利用[24]。在北部湾经济区现行的土地利用总体规划基础上，根据区域内不同土地利用类型的碳排放及转变过程中的碳排放情况，对土地利用结构进行合理优化。严格控制建设用地的无序扩张，避免建设用地对林地等具有碳汇功能的用地类型的占用。 2)通过土地政策促进土地低碳化利用。通过土地政策来进一步转变 能源消费方式，构建一个可优化的土地利用-碳排放-土地产出低碳土地利 用系统[25]。调整能源结构，努力提高能源利用的技术，提高能源利用的 效率，提倡新能源清洁能源的使用。与此同时，加强区域间城市重大基础 设施的共建共享，避免低水平重复建设所引起的建设用地过度增长带来的 碳排放。 参考文献: [1] VERARDO D J，WATSON R T. 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