沈世民，郭雪飛 ，李福燕

(1.河北地質(zhì)大學(xué)，河北 石家莊 050031；2. 邯鄲學(xué)院，河北 邯鄲 065000)

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河北省土地利用變化的碳排放效應(yīng)探究

沈世民1，郭雪飛1，李福燕2

(1.河北地質(zhì)大學(xué)，河北 石家莊 050031；2. 邯鄲學(xué)院，河北 邯鄲 065000)

摘要：指出了土地利用是低碳經(jīng)濟和碳排放研究的重要切入點，也是進行碳排放調(diào)控的重要工具之一。開展土地利用碳排放探究，有助于從土地利用規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)控及國土開發(fā)與整治等領(lǐng)域全面引導(dǎo)經(jīng)濟社會的低碳發(fā)展。以河北省作為研究對象，運用arcgis10.2、Envi5.0及二氧化碳計算模型作為數(shù)據(jù)處理方法，通過分析近20年來河北省土地利用、覆蓋變化所釋放的碳量，得出了結(jié)論：河北省1990～2007年因未對土地利用進行合理規(guī)劃，從而導(dǎo)致大量碳排放。并且預(yù)測分析了到2020年土地利用變化導(dǎo)致的碳排放量，為今后河北省土地利用降低碳排放提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：城市化； 土地利用結(jié)構(gòu)； 碳排放量； 二氧化碳計算模型

1引言

碳排放影響著全球氣候的變化，其成分是形成溫室氣體的主要元素，對人類生活與生存環(huán)境具有嚴(yán)重影響，引起國內(nèi)外社會各界的廣泛關(guān)注。當(dāng)前我國經(jīng)濟正處于快速增長時期，煤炭在工業(yè)上的大量使用以及土地的不合理開發(fā)利用使得我國已成為全球溫室氣體第二大排放國。近20年來，根據(jù)河北省政府實施《河北省土地利用總體規(guī)劃(2006-2020年)》顯示河北省耕地面積年均減少2.58萬hm2，其中耕地的等級大多為中低產(chǎn)田。一方面，城市化導(dǎo)致建設(shè)用地占用耕地逐年增加，另一方面，對生態(tài)環(huán)境其重要調(diào)節(jié)作用的草地、濕地、湖泊等其他土地利用類型也在逐年減少。對已發(fā)表的論文文獻(xiàn)進行綜合分析后，得出國內(nèi)城市化進程中土地利用存在嚴(yán)重問題[1-3]。

本文以河北省區(qū)域為研究對象，分析了河北省1990～2008年河北省主要的土地利用變化，測算出土地變化產(chǎn)生的碳排放情況。并分析碳排放造成的影響。最后預(yù)測2020年河北省碳排放量，為河北省發(fā)展低碳城市提供參考。

2研究區(qū)域概況

河北省位于華北平原地區(qū)，西面靠山，東面臨海。由于原始數(shù)據(jù)缺失，本研究區(qū)域不包括張家口圍場、承德、唐山的一些區(qū)域，研究區(qū)域地處北緯36°05′～41°56′，東經(jīng)113°33′～118°22′之間。本省內(nèi)環(huán)北京和天津，經(jīng)濟、城市發(fā)展建設(shè)受到其輻射并相互滲透，構(gòu)成了內(nèi)環(huán)京津的京津冀共同發(fā)展經(jīng)濟區(qū)。根據(jù)河北省第二次土地調(diào)查統(tǒng)計顯示[4]，全省建設(shè)用地201.1萬hm2、耕地656.1萬hm2，與第一次的調(diào)查對比耕地面積減少33.5萬hm2、牧草減少了36萬hm2。城市化的發(fā)展使得河北省土地類型在逐年發(fā)生演變，建設(shè)用地大量擴張，耕地、草地、水域和林地逐年減少。

3數(shù)據(jù)來源與處理方法

3.1數(shù)據(jù)來源

本文采用Krasovsky系列遙感數(shù)據(jù)，采用1990、2000和2008年的TM遙感數(shù)據(jù)。在地理信息技術(shù)的GIS和RS的2S支持下取得土地利用空間信息。首先對遙感數(shù)據(jù)進行前期處理，在相關(guān)地圖的輔助下，借助于arcgis10.2軟件和Envi5.0軟件進行分析和統(tǒng)計。

3.2處理方法

3.2.1土地利用處理方法

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣在土地利用變化方面的應(yīng)用。馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣原理為：事物在發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程中，由一個時刻的某一狀態(tài)轉(zhuǎn)為后一時刻的另一狀態(tài)所發(fā)生的可能的概率，即導(dǎo)致狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移的概率。如果某物的狀態(tài)有n種，那么它的某一狀態(tài)本身具有n個對應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，如果將事物所具有的n個狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率制作成一個矩陣，可得到一個n行n列的矩陣。假定某事物在發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程有n個狀態(tài)，即A1，A2，…，An。記Pij為從狀態(tài)Ai轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)Aj的概率，則矩陣：

3.2.2碳排放計算模型

根據(jù)IPCC(政府間氣候變化專業(yè)委員會)規(guī)定將我國土地利用類型擬劃為耕地、林地、草地、建設(shè)用地和水域等，本研究主要討論這幾類土地在轉(zhuǎn)變過程中的碳排放與碳吸收變化量。碳排放量計算公式為[6～11]：

Fi=ki·(Ni+ Mi)

(1)

式中：Fi為第i種土地利用方式的碳排放量(t)；Ki為第i種土地利用方式的面積(hm2)；Ni為第i種土地利用變化的碳排放(吸收)系數(shù)(t/hm2); Mi為第i種土地利用保持的碳排放系數(shù)(t/hm2)。根據(jù)賴力研究的中國土地利用變化探究和經(jīng)驗公式選用的不同土地利用變化碳排放系數(shù)見表1、表2。

表1　土地保持碳排放核算參數(shù)　tC/hm2·a

注：本文采用的是賴力研究中國土地利用的碳排放效應(yīng)中核算的參數(shù)[12]，“-”、“+”分別表示碳排放和碳積蓄

根據(jù)探究表明土地在保持本來生態(tài)系統(tǒng)時，林業(yè)對碳的固定效果最佳，而其他土地利用類型都是參與碳排放，根據(jù)目前研究局限，水域中的水田和特定的固碳植物不在研究中，因此會在這產(chǎn)生一些誤差。

表2　土地轉(zhuǎn)移碳排放核算參數(shù)　tC/hm2·a

注：本文采用的是賴力研究中國土地利用的碳排放效應(yīng)中核算的參數(shù)[12]

4結(jié)果討論與分析預(yù)測

4.1河北省土地利用結(jié)構(gòu)變化

從表3和圖1可以看出1990～2008年近20年期間內(nèi)，各土地利用類型不斷的發(fā)生轉(zhuǎn)化。草地、建設(shè)用地均在增加，林地呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。

在1990～2000年期間，土地類型轉(zhuǎn)化面積最多的是旱地及一些不可利用的土地類型，為751.39×103hm2，表明河北省的土地利用開發(fā)力度加大，土地過渡利用且趨勢嚴(yán)峻。其中在土地轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生碳排放最多的是建設(shè)用地，其轉(zhuǎn)化面積凈增加189.23×103hm2。而能固定碳的土地類型林地，其轉(zhuǎn)化面積凈增加-87.88×103hm2。河北省1990～2000年的10年中盲目的城市擴張，沒有合理的規(guī)劃，導(dǎo)致非農(nóng)用地大量增加，從而使生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞，碳排放量加大。在2000～2008年8年期間內(nèi)，土地轉(zhuǎn)化最多的旱地、不可利用土地仍然被過度開發(fā)利用。建設(shè)用地凈增加為155.89×103hm2，林地凈增加面積為215.23×103hm2。相比于1990～2000年這10年，建設(shè)用地趨于減緩，而林地面積增加，河北省在城市化進程中開始注重環(huán)境保護。但是由于林地與建設(shè)用地的碳排放(吸收)系數(shù)比接近1∶120，因此在城市加速擴展的同時，經(jīng)濟的高速發(fā)展，環(huán)境依舊十分脆弱。

從表4可以看出 ，除了林地和建設(shè)用地碳排放相對有所增加外，其他所有土地利用類型的碳排放都在減少。其中水域的碳排放減少的最多為7×106t，其他土地類型相對減少的程度較小。固碳能力最強的林地因大面積由草地轉(zhuǎn)化而來，因此未形成固碳能力，因此碳排放在增加。雖然建設(shè)用地占得面積小，但是由于其碳排放強度高，因此碳排放總量依舊處于第一位。

表3　1990～2008年土地利用轉(zhuǎn)移面積　103hm2

圖1　河北省1990～2008年土地利用

表4　河北省碳排放總量　　　105t

4.2分析預(yù)測

根據(jù)國務(wù)院近日批準(zhǔn)的《河北省土地利用總體規(guī)劃(2006年—2020年)》明確規(guī)定，到2020年全省可增建設(shè)用地183×103hm2，林地新增399×103hm2。

根據(jù)1990～2008年研究顯示草地轉(zhuǎn)化為林地約占總轉(zhuǎn)化的面積的80 %，因此選用草地轉(zhuǎn)移林地的參數(shù)，而建設(shè)用地則大部分由草地和水域轉(zhuǎn)化而來，因此根據(jù)比率8/11進行保守計算，得到2020年碳排放量約為613×105t。相比于過去的近20年間，土地導(dǎo)致的碳排放量持續(xù)增加，但增加量在減少見圖2。

因此可以看出，在2020年的規(guī)劃中，土地的規(guī)劃，起到了碳減排的功效，整體向環(huán)境友好型社會發(fā)展。

圖2　河北省碳排放預(yù)測

5結(jié)論與建議

5.1結(jié)論

通過研究河北省1990～2008年的土地利用結(jié)構(gòu)變化得出河北省碳排放的總量見表5。

表5　1990～2008年土地利用轉(zhuǎn)移導(dǎo)致碳排放總量　104t

根據(jù)以上分析表明，建設(shè)用地是主要的碳源，而林地、草地是主要的碳匯。土地利用變化的特征表現(xiàn)在碳源增長迅猛而碳匯增長緩慢。2000～2008年河北省因土地利用變化導(dǎo)致的碳排放相較于1990～2000年增長了100萬t，因旱地與一些不可利用土地變化差異較大為進行相應(yīng)計算。因此河北省在土地利用的碳減任務(wù)嚴(yán)峻。

5.2促進碳減排的相關(guān)建議

整體結(jié)果顯示在城市化加速發(fā)展河北，建設(shè)用地的不合理規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境的任意破壞，其碳排放呈增長趨勢。體現(xiàn)了在建設(shè)現(xiàn)代化城市過程中，過于追求經(jīng)濟的高速發(fā)展，帶來的環(huán)境與發(fā)展之間的不協(xié)調(diào)。要實現(xiàn)山區(qū)經(jīng)濟的低碳發(fā)展，應(yīng)從“減排”和“增匯”兩個方面優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，必須從以下幾個方面著手。

5.2.1適度造林與合理經(jīng)營

河北省依托太行山，并且林地對于碳匯起著重要的作用，應(yīng)該加大環(huán)境的投資，在山區(qū)進行封山造林。在城市的建設(shè)中，應(yīng)以建設(shè)綠色城市，大量植樹造林，把建設(shè)宜居城市作為目標(biāo)。此外植樹造林與林業(yè)的管理和經(jīng)營是形成陸地碳匯的一個重要原因，因此，對廢棄地進行造林或再造林對增大碳匯有明顯作用[13]。

5.2.2加大科技建設(shè)，實現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)田管理

開墾有助于土壤的通氣能力提高，有利于土壤中碳的礦化，耕作對SOM產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此實現(xiàn)現(xiàn)代化的耕作管理能提高土壤中的碳與氮的礦化速率[14]。同時合理的耕種可以降低農(nóng)用地中碳的流失量，增強土壤碳匯的能力。在旱地耕作方面，通過輪作提高農(nóng)用地中土壤碳匯能力，采用長綠牧草的輪作的方式達(dá)到土壤碳含量增加的目的[15]。

5.2.3加強土地政策監(jiān)管，合理規(guī)劃建設(shè)用地

加強土地使用管理，嚴(yán)格審查建設(shè)用地規(guī)劃項目，確立法律機制，要求建設(shè)用地與造林聯(lián)動機制，做到既建設(shè)又綠化的目的，同時提高科學(xué)技術(shù)，改變生產(chǎn)、加工方式。河北承擔(dān)北京與天津的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，大量的碳排放產(chǎn)業(yè)入住河北，提高技術(shù)水平，引進先進的生產(chǎn)技術(shù)，力求做到原料—生產(chǎn)—深加工—回收—再生產(chǎn)的循環(huán)模式。鋼鐵、水泥等企業(yè)采用電力加熱等清潔方式，代替煤炭等化石能源的燃燒。建立專門化的廢物處理中心，提高廢物再利用與處理能力。

5.2.4提高農(nóng)村能源利用效率，樹立涉農(nóng)主體的低碳意識

大力推進新農(nóng)村建設(shè)，建設(shè)集中型、節(jié)約型新農(nóng)村，倡導(dǎo)綠色生態(tài)觀念，宣傳植樹護林，增加村舍的綠化面積。健全集體供暖設(shè)施，關(guān)停、整改污染重產(chǎn)業(yè)。健全公共交通設(shè)施，打通過最后一公里，提倡綠色出行。

5.2.5京津冀一體化，根據(jù)功能區(qū)進行碳排放設(shè)定

根據(jù)京津冀一體化功能區(qū)的規(guī)劃，將承德、張家口設(shè)為生態(tài)保護和生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展區(qū)，因此在減排過程中，這兩個市應(yīng)該承擔(dān)更多的減排任務(wù)；廊坊、唐山作為優(yōu)化調(diào)整區(qū)在規(guī)劃上做到減、排相當(dāng)?shù)乃?；石家莊、保定、滄州作為南部制造業(yè)與耕作業(yè)區(qū)，應(yīng)承擔(dān)較少的碳排放任務(wù)；秦皇島、唐山、滄州的東部濱海臨港產(chǎn)業(yè)發(fā)展區(qū)，在規(guī)劃上注重濕地的保護，承擔(dān)部分減排任務(wù)。

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收稿日期：2016-04-19

作者簡介：沈世民(1990—)，男，河北地質(zhì)大學(xué)碩士研究生。

中圖分類號：F301.24

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944(2016)12-0070-04

Process of Urbanization in Hebei Province,Carbon Emissions from Land Use Change Effects

Shen Shimin1,Guo Xuefei1,Li fuyan2

(1.HebeiEGOUniversity,Shijiazhuang050031,China;2.HandanCollege,Handan065000,China)

Abstract:Land use is an important aspect in the research of low-carbon economy and carbon emission, and is also one of the important tools for carbon emission regulation and control. Research on land use carbon emission is helpful to promote the developing of low-carbon economy through land use planning, industrial structure regulation and control land territorial development, renovation and management. The paper took Hebei Province as the object of study, using the methods of Arcgis10.2 ,Envi5.0 and Carbon dioxide calculation model for data process,through analyzing Hebei Province’s carbon released quantity of land use during the last 20 years,such as land cover change,finding that because Hebei Province have no reasonable planning for land use, resulting in a large number of carbon emissions from 1990 to 2007.What’s more,the forecast of carbon emissions resulting from land use change in 2020 provided the basis for land use in Hebei Province to cut carbon emissions in the future.

Key words:surbanization; land use structure; carbon emissions; calculation model of carbon dioxide