宋洪磊 (安徽師范大學(xué)，安徽蕪湖241000)

自20世紀(jì)中期以來(lái)，全球氣候變化的問(wèn)題日益受到國(guó)際社會(huì)的關(guān)注?，F(xiàn)有的氣候變化預(yù)測(cè)結(jié)果表明，至21世紀(jì)末，全球氣候系統(tǒng)還將持續(xù)變暖，全球平均地表溫度將可能上升1.1～6.4 ℃，全球平均海平面可能提高 0.18～0.59 m［1］。氣候變化不僅會(huì)導(dǎo)致全球平均氣溫升高、海平面上升等問(wèn)題，還會(huì)影響全球水熱循環(huán)格局，進(jìn)而造成氣象災(zāi)害頻發(fā)，使人類(lèi)的生產(chǎn)和生活面臨極大的威脅和挑戰(zhàn)。土地利用變化是影響溫室氣體排放的重要原因。最初我國(guó)學(xué)者［2－6］主要研究在大尺度范圍下林地、草地和濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量，并明確林地、草地和濕地在碳循環(huán)中起著重要的碳匯作用。近年相關(guān)研究［7－10］主要集中在土地利用變化對(duì)碳循環(huán)的影響及碳排放效應(yīng)時(shí)空格局分析方面。經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)導(dǎo)致建設(shè)用地大幅擴(kuò)張，而引起的大量碳排放是影響土地利用碳排放變化的主要因素。目前，建設(shè)用地碳排放量多以能源消耗的視角進(jìn)行估算，結(jié)合其他土地類(lèi)型的碳排放量，以行政區(qū)劃為單元，研究土地利用碳排放時(shí)空特征，這種方式可以直觀地從總體上揭示出區(qū)域內(nèi)土地利用碳排放量的高低變化，卻無(wú)法更為詳細(xì)地揭示碳排放量與土地利用類(lèi)型的關(guān)系以及空間變化特征。該文擬從土地利用直接和間接碳排放2個(gè)方面建立土地利用碳排放量估算模型，在對(duì)安徽省銅陵縣2000～2013年土地利用碳排放效應(yīng)估算的基礎(chǔ)上，借助和參照生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的概念，提出碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的概念，并將研究區(qū)劃為1 km×1 km的單元網(wǎng)格，運(yùn)用Arc-GIS9.3中的地統(tǒng)計(jì)分析，將銅陵縣土地利用碳排放風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行空間可視化表達(dá)，分析土地利用碳排放空間分布特征，以期為區(qū)域土地可持續(xù)利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

銅陵縣位于安徽省南部，長(zhǎng)江下游南岸，地理坐標(biāo)為30°33'36″～31°19'48″N，117°26'16″～118°26'24″E，東鄰繁昌、南陵，南接青陽(yáng)、貴池，西北隔江與樅陽(yáng)、無(wú)為相望。全縣土地總面積為84 533.48 hm2，東西寬28.50 km，南北長(zhǎng)31.10 km。下轄4鄉(xiāng)4鎮(zhèn)，分別是東聯(lián)鄉(xiāng)、西聯(lián)鄉(xiāng)、胥壩鄉(xiāng)、老洲鄉(xiāng)、五松鎮(zhèn)、順安鎮(zhèn)、鐘鳴鎮(zhèn)和天門(mén)鎮(zhèn)?？h域地勢(shì)大體上為南高北低，由南向北依次分為低山區(qū)、丘陵區(qū)、洲圩區(qū)。地處北亞熱帶季風(fēng)區(qū)，在季風(fēng)氣候的影響下，區(qū)域性氣候顯著。縣境內(nèi)河流屬長(zhǎng)江水系，長(zhǎng)江由西南往北再東折，西南以青通河與池州市分界，東北隔黃滸河與蕪湖市為鄰?？h內(nèi)礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量豐富，礦種齊全。2013年末全縣總?cè)丝?90 182人，其中非農(nóng)業(yè)人口數(shù)為54 184人，占全縣總?cè)丝诘?8.67%。

2 資料與方法

2.1 資料來(lái)源 銅陵縣2000～2013年土地利用變更數(shù)據(jù)來(lái)自于銅陵市國(guó)土資源局，2000～2013年銅陵縣能源消費(fèi)數(shù)據(jù)來(lái)源于銅陵市統(tǒng)計(jì)局和《銅陵市統(tǒng)計(jì)年鑒》，2000、2005和2010年3期銅陵縣TM影像下載于USGS。按照《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》(全國(guó)農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會(huì)，1984)和《全國(guó)土地分類(lèi)(過(guò)渡期間使用)》對(duì)2000～2013年土地利用變更數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸納，將銅陵縣土地類(lèi)型劃分為7種，分別是耕地、園地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和其他土地。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用類(lèi)型碳排放估算方法。土地利用碳排放包括土地利用直接碳排放和間接碳排放。土地利用直接碳排放又可以細(xì)分為土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)變的碳排放和土地利用類(lèi)型保持的碳排放。前者是指土地利用/覆被類(lèi)型轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型更替造成的碳排放;后者是指土地經(jīng)營(yíng)管理方式轉(zhuǎn)變或生態(tài)系統(tǒng)碳匯所驅(qū)動(dòng)的碳排放［11］。土地利用的間接碳排放主要指的是各類(lèi)土地利用類(lèi)型上所承載的全部人為源碳排放［12］。

對(duì)耕地、園地、林地、牧草地、水域和其他用地等6種土地利用類(lèi)型將采用直接碳排放系數(shù)法計(jì)算，其估算公式為:

式中:Ei為第i種土地利用的碳排放量;Si為第i種土地利用面積;ζi為第i種土地利用類(lèi)型的單位面積上的碳排放系數(shù)，排放為正，吸收為負(fù);i為 1、2、3、4、5、6，分別表示 6 種不同的土地利用類(lèi)型。通過(guò)閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)整理前人相關(guān)研究成果［13－18］，確定了該研究不同土地利用類(lèi)型的碳排放系數(shù)(表1)。

土地利用的間接碳排放主要表現(xiàn)為建設(shè)用地上所有人為作用造成的碳排放，一般是通過(guò)各種能源的消耗量、轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)及其碳排放系數(shù)來(lái)間接計(jì)算。該文參考徐國(guó)泉等［19］人提出的碳排放量分解模型計(jì)算方法，建立建設(shè)用地的碳排放量的估算公式:

式中:Eη為建設(shè)用地的碳排放量，ei為第i種能源對(duì)應(yīng)的碳排放量，Ei為第i種能源的消耗量，μi為第i種能源轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)，εi為第i種能源的碳排放系數(shù)。

表1 不同土地利用類(lèi)型的碳排放系數(shù)

2.2.2 監(jiān)督分類(lèi)。監(jiān)督分類(lèi)是遙感影像分類(lèi)方式之一，是利用已知地物的信息對(duì)未知地物進(jìn)行分類(lèi)的方法［20］。最大似然法是監(jiān)督分類(lèi)中最常用的分類(lèi)方法。該文將在ENVI4.7軟件下，采用最大似然法，對(duì)銅陵縣2000、2005和2010年3期TM影像進(jìn)行解譯，解譯結(jié)果見(jiàn)圖1。

2.2.3 碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。為建立土地利用類(lèi)型與綜合區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)之間的經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系，利用各類(lèi)型的面積比重，構(gòu)造各土地利用類(lèi)型的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)［21］。該文參考生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的構(gòu)造方法，提出土地利用類(lèi)型碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的概念，用于表征1個(gè)樣地內(nèi)綜合碳排放風(fēng)險(xiǎn)的相對(duì)大小，并建立計(jì)算土地利用類(lèi)型碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的公式:

式中:CRI為樣地碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，Si為樣地內(nèi)第i種土地利用面積，S為樣地總面積，Pi為第i種土地利用類(lèi)型的碳排放系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用碳排放效應(yīng)分析 通過(guò)計(jì)算，得到銅陵縣不同土地利用類(lèi)型的碳排放量及碳源、碳匯的變化過(guò)程(表2和圖2)。

從表2可知，銅陵縣土地利用碳排放量總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，從2000年4.08萬(wàn)t增長(zhǎng)到2013年的223.09萬(wàn)t，增加了219.01萬(wàn)t，增幅達(dá)到近54倍。

建設(shè)用地是主要的碳源，其碳排放量從2000年3.04萬(wàn)t增加到2013年的222.21萬(wàn) t，增長(zhǎng)了219.17萬(wàn) t，對(duì)碳排放總量的貢獻(xiàn)率高達(dá)92.26%，而耕地對(duì)于碳排放總量的貢獻(xiàn)率僅為7.74%。林地、水域、園地、草地和其他用地是碳匯，其中林地和水域是主要的碳匯，從2000～2013年這13年間，林地的碳吸收量維持在1.20萬(wàn)～1.24萬(wàn)t，水域的碳吸收量維持在0.71萬(wàn)～0.74萬(wàn)t，林地是最主要的碳匯，對(duì)碳吸收總量的平均貢獻(xiàn)率達(dá)到60.52%，其次是水域，對(duì)碳吸收總量的平均貢獻(xiàn)率達(dá)到36.56%，而園地、牧草地和其他用地3者對(duì)碳吸收總量的平均貢獻(xiàn)率僅為2.92%，遠(yuǎn)低于林地和水域的碳匯能力。

從圖2中可知，2000～2013年銅陵縣土地利用碳排放量年變化顯著，先后經(jīng)歷了3個(gè)階段:①第1階段為2000～2007年，此階段銅陵縣土地利用碳排放總量緩慢增長(zhǎng)，同時(shí)這一階段碳排放處于13年間的低水平階段，這7年間的年平均碳排放量為13.12萬(wàn)t。②第2階段為2007～2011年，這一時(shí)期銅陵縣土地利用碳排放總量處于快速發(fā)展的狀態(tài)，碳排放量從2007年的39.13萬(wàn)t增長(zhǎng)到2011年的303.58萬(wàn)t，增長(zhǎng)近7倍，同時(shí)碳排放總量在2011年達(dá)到歷史最高。③第3階段為2011～2013年，這一時(shí)段內(nèi)銅陵縣土地利用碳排放總量開(kāi)始逐年下降，由2011年的303.58萬(wàn)t下降到2013的223.09萬(wàn) t，減少了80.49 萬(wàn) t。從總體上看，2000 ～2013年間碳凈排放量和碳排放總量的變化趨勢(shì)基本是吻合的，均是先增后減。

表2 2000～2013年銅陵縣不同土地利用類(lèi)型碳排放量 萬(wàn)t

3.2 土地利用碳排放風(fēng)險(xiǎn)空間格局分析 在碳排放風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)采樣的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS9.3軟件中的地統(tǒng)計(jì)分析模塊，采用普通克里格差值法進(jìn)行整個(gè)研究區(qū)表面模擬預(yù)測(cè)，同時(shí)檢查模型的合理性，從而得到研究區(qū)碳排放風(fēng)險(xiǎn)分布圖(圖3)，以直觀地描述銅陵縣土地利用碳排放風(fēng)險(xiǎn)空間分布狀況。

由圖3可知，2000年銅陵縣土地利用碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為［－0.487 0，2.780 0］，與2005年和2010年相比，2000年碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)總體最低，說(shuō)明2000年銅陵縣土地利用碳排放風(fēng)險(xiǎn)程度最小，但這是在低水平發(fā)展的背景下形成的，并不是一種合理的發(fā)展模式。2005年銅陵縣土地利用碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為［－0.487 0，7.810 0］，最高的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)比最低的高8.297 0，碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為4.721 1 ～7.810 0 的區(qū)域主要分布在銅陵縣縣城所在地，其用地類(lèi)型為城鎮(zhèn)用地;碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為－0.487 0～0.138 2的區(qū)域主要分布在遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)及工礦的地方，用地類(lèi)型多為水域和林地，這些地區(qū)起到重要的碳匯作用;碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.138 2～5.358 6的區(qū)域主要在城鎮(zhèn)及工礦用地和水域及林地之間的過(guò)渡地帶。由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和能源消耗的增加，相比2005年，2010年銅陵縣建設(shè)用地的碳排放強(qiáng)度已明顯增加，導(dǎo)致土地利用碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)整體提高，2010年銅陵縣土地利用碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)范圍為［－1.366 1，171.556 0］，碳排放風(fēng)險(xiǎn)為負(fù)的區(qū)域縮小，相反碳排放風(fēng)險(xiǎn)為正的區(qū)域在不斷擴(kuò)大?？傊瑥臅r(shí)序上看，2000～2010年銅陵縣土地利用碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在不斷加大;從空間分布上看，銅陵縣土地利用碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)從城鎮(zhèn)向外推進(jìn)的過(guò)程中呈現(xiàn)出由高到低的變化趨勢(shì)，碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較大的區(qū)域主要是沿著城鎮(zhèn)及工礦用地分布，碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較小的區(qū)域主要是沿著遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)及工礦用地的水域和林地分布，這種分布格局說(shuō)明城鎮(zhèn)及工礦用地在增加區(qū)域碳排放風(fēng)險(xiǎn)的過(guò)程起到重要貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

(1)銅陵縣在2000～2013年里土地利用碳排放量大體上顯現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)，從2000年4.08萬(wàn)t增長(zhǎng)到2013年的223.09 萬(wàn) t，增加了219.01 萬(wàn) t，增幅達(dá)到近54 倍。

(2)耕地和建設(shè)用地表現(xiàn)為碳源作用，銅陵縣耕地的碳排放量隨著耕地面積的減少在不斷降低，但對(duì)土地利用碳排放量的影響很小，而建設(shè)用地碳排放量和凈排放量變化的趨勢(shì)幾乎吻合。因此，相比于耕地，建設(shè)用地碳排放量對(duì)銅陵縣土地利用碳排放量的貢獻(xiàn)起著決定性的作用。

(3)林地、水域、園地、草地和其他用地是碳匯，其中林地和水域是主要的碳匯，從2000～2013年這13年間，林地的碳吸收量維持在1.20萬(wàn)～1.24萬(wàn)t，水域的碳吸收量維持在0.71萬(wàn)～0.74萬(wàn)t，林地是最主要的碳匯，對(duì)碳吸收總量的平均貢獻(xiàn)率達(dá)到60.52%，其次是水域，對(duì)碳吸收總量的平均貢獻(xiàn)率達(dá)到36.56%。

(4)從時(shí)間上看，2000～2010年銅陵縣土地利用碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在不斷變大，這主要是由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶動(dòng)能源消耗量的增加所致;從空間分布上看，銅陵縣土地利用碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與土地利用類(lèi)型的空間分布有極大的相關(guān)性，從城鎮(zhèn)向外推進(jìn)的過(guò)程中呈現(xiàn)出由高到低的變化趨勢(shì)，碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較大的區(qū)域主要是沿著城鎮(zhèn)及工礦用地分布，碳排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較小的區(qū)域主要是沿著遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)及工礦用地的水域和林地分布，這種分布格局說(shuō)明城鎮(zhèn)及工礦用地在增加區(qū)域碳排放風(fēng)險(xiǎn)的過(guò)程中具有重要的貢獻(xiàn)作用。

［1］牛文元，王毅.2009年中國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告—探索中國(guó)特色的低碳道路［M］.北京:科學(xué)出版社，2009.

［2］周玉榮，于振良，趙士洞.我國(guó)主要森林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量和碳平衡［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2000(5):518－522.

［3］方精云，陳安平.中國(guó)森林植被碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)變化及其意義［J］.植物學(xué)報(bào)，2001(9):967－973.

［4］劉子剛，張坤民.濕地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)存功能及其價(jià)值研究［J］.環(huán)境保護(hù)，2002(9):31－33.

［5］周濤，史培軍，王紹強(qiáng).氣候變化及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)中國(guó)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響［J］.地理學(xué)報(bào)，2003(5):727－734.

［6］劉紀(jì)遠(yuǎn)，王紹強(qiáng)，陳鏡明，等.1990～2000年中國(guó)土壤碳氮蓄積量與土地利用變化［J］.地理學(xué)報(bào)，2004(4):483 －496.

［7］劉英，趙榮欽，焦士興.河南省土地利用碳源/匯及其變化分析［J］.水土保持研究，2010(5):154－157.

［8］曲福田，盧娜，馮淑怡.土地利用變化對(duì)碳排放的影響［J］.中國(guó)人口·資源與環(huán)境，2011(10):76－83.

［9］李穎，黃賢金，甄峰.江蘇省區(qū)域不同土地利用方式的碳排放效應(yīng)分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008(S2):102 －107.

［10］彭文甫，樊淑云，潘薈交，等.區(qū)域土地利用變化的碳排放效應(yīng)及時(shí)空格局研究［J］.生態(tài)經(jīng)濟(jì)，2013(9):28 －33.

［11］李紅霞.基于粒子群算法的低碳土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置研究［D］.武漢:武漢大學(xué)，2011.

［12］董祚繼.低碳概念下的國(guó)土規(guī)劃［J］.城市發(fā)展研究，2010(7):1－5.

［13］CAI Z C，KANG G D，TSURUTA H，et al.Estimate of CH4emissions from year-round flooded rice field during rice growing season in China［J］.Pedosphere，2005，15(1):66 －71.

［14］方精云，郭兆迪，樸世龍，等.1981－2000年中國(guó)陸地植被碳匯的估算［J］.中國(guó)科學(xué)，2007，37(6):804 －812.

［15］管東生.廣州市森林生態(tài)系統(tǒng)的特征及其對(duì)碳氧平衡作用的研究［M］//中國(guó)地理學(xué)會(huì)自然地理專(zhuān)業(yè)委員會(huì).全球變化區(qū)域影響研究.北京:人民教育出版社，2000.

［16］賴力.中國(guó)土地利用碳排放效益研究［D］.南京:南京大學(xué)，2010.

［17］石洪昕.四川省廣元市土地利用變化的碳排放效應(yīng)研究［D］.西安:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2012.

［18］段曉男，王效科，逯非，等.中國(guó)濕地生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀和潛力［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2008(2):463－469.

［19］徐國(guó)泉，劉則淵，姜照華.中國(guó)碳排放的因素分解模型及實(shí)證分析:1995 －2004［J］.中國(guó)人口·資源與環(huán)境，2006(6):158 －161.

［20］韋玉春.遙感數(shù)字圖像處理教程［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［21］臧淑英，梁欣，張思沖.基于GIS的大慶市土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2005(4):141－145.