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所產(chǎn)生碳排放總量的30%；而中國1950～2005年土地利用變化所產(chǎn)生的碳排放量累計為106×108t，占同時期全球范圍內(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，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，有外國學(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，國內(nèi)外學(xué)者對碳排放問題的研究主要集中于對碳排放與經(jīng)濟(jì)增長的關(guān)系以及碳排放機(jī)理的研究，而土地利用變化對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)，而作為國家老工業(yè)基地的遼寧省減碳任務(wù)重，相關(guān)研究相對較少。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)測碳排放的變化趨勢，對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，能夠引起整個系統(tǒng)碳儲量的變化，也就是說碳儲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算，即通過構(gòu)建主要能源消費(fèi)的碳排放模型來計算能源消費(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，僅對本文所選數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，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279.13×104t。從時間上看，2004年較2003年碳排放呈現(xiàn)明顯增長趨勢，到2004年達(dá)到一個高峰，漲幅可達(dá)9.3 %。2004～2005年則呈現(xiàn)下降趨勢，降幅達(dá)5.9%，說明遼寧省回應(yīng)國家節(jié)能減排的要求，并取得一定成果。到2010年呈現(xiàn)逐年增長的趨勢，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率是長呈負(fù)相關(guān)的，過去增長但未來將會下降。根據(jù)Hurst指數(shù)的數(shù)理意義可知，過去10年的增長趨勢意味著未來的持續(xù)衰減趨勢。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，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

圖2 r/s與時滯的關(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)小幅度增長趨勢，牧草地基本未發(fā)生變化。林地的面積在2002～2006年波動上升，2007年開始又有所下降。

根據(jù)《遼寧省統(tǒng)計年鑒》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)而對土地利用類型的變化趨勢與碳排放量變化趨勢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個回歸系數(shù)b1、b2、b3和b4對應(yīng)4個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)計量149.35，大于顯著性水平α=0.05時的臨界值F0.05，4，5=5.192，也大于顯著性水平α=0.01時的臨界值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，很多國內(nèi)外學(xué)者對于土地的碳源、碳匯做出了大量研究。由于人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源開發(fā)等人類活動的影響，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很小。林地面積的波動使得林地的碳吸收效益在2008年時達(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，碳吸收量僅增加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，其變化對于碳排放總量的變化相對并不顯著。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，所以對碳排放總量變化的影響不大。林地碳吸收量的變化顯然對碳排放總量的變化影響最大，林地對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速度約為13%，增速最快。近年來中國汽車市場發(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。以沈陽市為例，2006年，沈陽每天增加機(jī)動車約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)用地擴(kuò)大是遼寧省碳排放增長的重要影響因素。由于遼寧省現(xiàn)階段依然處于工業(yè)化進(jìn)程的增長階段，工業(yè)依然是推動經(jīng)濟(jì)增長的主要動力來源，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，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)社會發(fā)展過程的必經(jīng)階段，不僅促進(jìn)了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且對生態(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，將造成碳排放量的大幅增加。因此在不影響濟(jì)增長的前提下，政策上應(yīng)合理控制非農(nóng)化土地數(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)增長目標(biāo)。

由于林地的碳匯作用對碳排放有影響顯著，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)減排評價體系并制定農(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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