盧華杉，吳 丹，毛德華

（湖南師范大學資源與環(huán)境科學學院，長沙 410081）

2019 年7 月，世界氣象組織稱，由于目前全球的溫室氣體濃度還在攀升，氣溫升高以及海洋酸化仍在加劇，2015—2019 年很有可能成為有氣溫記錄以來最熱的5 年［1］。目前，溫室效應引起的氣候持續(xù)變暖已經(jīng)成為威脅人類生存的巨大挑戰(zhàn)，應對全球氣候的重大變化是如今全人類關注的重要問題。IPCC 第五次評估報告指出，20 世紀50 年代以來的化石燃料燃燒和土地利用變化等人類活動很大程度上（95%以上可能性）導致了全球大部分地區(qū)氣候變暖［2］。據(jù)估算，1850—1990 年，土地利用變化導致的CO2排放大約是化石燃料燃燒導致的CO2排放的1/2，并且全球土地利用引起的碳排放量是1850—1998 年以來人類活動引起的碳排放總量的 1/3［3，4］。但科學合理的土地利用結(jié)構(gòu)可以將已經(jīng)損耗的碳重新固定在60%～70%［5］。中國是世界上最大的發(fā)展中國家并且發(fā)展速度領先于世界，但多以能源消耗和犧牲環(huán)境為代價。2008 年，中國碳排放已排在世界第一［6］。從2010 年中國發(fā)布了以“通過土地利用調(diào)控來實現(xiàn)節(jié)能減排目標”的“69 號”《通知》可見，從土地利用的角度開展碳排放研究不僅在評估人類活動對環(huán)境的影響方面邁出基礎性一步，而且在推動全球大背景下經(jīng)濟低碳轉(zhuǎn)型和實現(xiàn)全人類可持續(xù)發(fā)展方面更具有戰(zhàn)略意義［7］。

國內(nèi)土地利用低碳研究始于20 世紀90 年代，主要研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)對碳排放的影響［8-10］、不同土地利用類型的碳效應核算［11-13］、土地低碳利用結(jié)構(gòu)評價與優(yōu)化［14-16］、低碳土地利用模式與策略［17-19］等方面。國外土地利用碳排放的研究要比國內(nèi)早，主要研究方向是影響碳排放的土地利用要素分析［20，21］、城市化進程的碳動態(tài)分析［22-24］、城市空間的碳通量模擬［25，26］等。國內(nèi)外學者在碳排放研究領域的成果相當豐碩，也為后繼學者的低碳研究提供了大量可供參考的理論成果和實踐經(jīng)驗。但是學者們針對目前國內(nèi)的土地低碳研究也存在些許不足：一是對于小區(qū)域（如縣域）的理論研究及實際應用較少，而是多集中于大區(qū)域或城市地區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)的低碳研究；二是在不同的土地利用結(jié)構(gòu)碳效應核算研究中，不太關注其他農(nóng)用地、水域、水利設施用地和未利用地的碳匯，導致研究結(jié)果與實際不太吻合。因此，增加縣域中其他農(nóng)用地、水域、水利設施用地和未利用地的碳匯分析，會增強小尺度區(qū)域土地低碳利用的可行性，同時也可為新時期縣鄉(xiāng)等基本規(guī)劃單元的生態(tài)文明建設以及“多規(guī)合一”的國土空間規(guī)劃制定提供一條低碳新思路。

1 研究區(qū)域概況

華容縣隸屬于湖南省岳陽市，地處湖南省的最北面，地理坐標為東經(jīng)112°18′—113°01′，北緯29°10′—29°48′。北倚長江，南臨洞庭湖，境內(nèi)湖泊河流眾多。地貌類型主要為平原、丘陵。在長江經(jīng)濟帶和洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)的建設和發(fā)展中，華容縣發(fā)揮著得天獨厚的社會、經(jīng)濟和自然優(yōu)勢，成為其不可或缺的重要部分［27］。華容縣生態(tài)環(huán)境優(yōu)越，是湖南省園林縣城，森林覆蓋率高達38%。十二五期間，單位GDP 能耗下降了24%?！鞍l(fā)展低碳經(jīng)濟，建設綠色城市”也是十三五期間的奮斗目標。在十四五規(guī)劃到來之際，綠色立體交通走廊正在建設并投入運營之中，沿江地區(qū)的綠色能源產(chǎn)業(yè)也在蓬勃發(fā)展，并以長江水岸生態(tài)景觀產(chǎn)業(yè)為依托打造沿江生態(tài)休閑走廊?？傊A容縣在新時期的長江經(jīng)濟帶中發(fā)揮著獨特的地理優(yōu)勢，其低碳經(jīng)濟總體上發(fā)展態(tài)勢較好。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要來源于《華容縣統(tǒng)計年鑒》《華容縣土地利用總體規(guī)劃（2006—2020）》《華容縣縣城總體規(guī)劃（2006—2020）》《華容縣國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》等資料數(shù)據(jù)，部分數(shù)據(jù)是通過查閱資料文獻以及基礎計算所得。

2.2 碳效應核算

查閱國內(nèi)外相關文獻和資料，結(jié)合《IPCC 溫室氣體排放清單指南》，核算各類碳庫，再依據(jù)各類土地利用類型的碳效應機理，劃分出進行不同碳匯的土地類型。結(jié)合《華容縣2006—2020 年土地利用總體規(guī)劃》中 2006 年、2014 年、2020 年土地利用結(jié)構(gòu)（表1），借鑒和參考土地利用碳效應測算的方法［28-30］，確定碳效應評估參數(shù)（表2、表3），再在此基礎上，估算出華容縣 2006 年、2014 年和 2020 年規(guī)劃年不同土地利用類型的碳儲量、碳排放、碳吸收和轉(zhuǎn)換碳效應等。

表1 華容縣2006年、2014年和2020年規(guī)劃年土地利用結(jié)構(gòu)（單位：hm2）

2.3 多目標線性規(guī)劃模型

運用多目標線性規(guī)劃模型解決多目標、多變量的方案最優(yōu)問題，依據(jù)土地分類系統(tǒng)與2020 年華容縣各類土地利用碳效應評估參數(shù)，選取土地利用類型作為決策變量，對以碳儲量最大化、碳排放最小化、碳吸收最大化為目標的目標函數(shù)求解，得出下一目標年華容縣土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

表2 華容縣2006年、2014年和2020年規(guī)劃年土地利用結(jié)構(gòu)碳儲量和碳排放評估參數(shù) （單位：t/hm2）

表3 華容縣2006 年、2014 年和2020 年規(guī)劃年土地利用結(jié)構(gòu)碳吸收和轉(zhuǎn)變碳效應評估參數(shù) （單位：t/hm2）

2.3.1 模型構(gòu)建 線性規(guī)劃目標函數(shù)方程式如下：

式中，MaxF（Xct）為碳儲量的最大值，MinF（Xce）為碳排放的最小值，MaxF（Xci）為碳吸收的最大值；Xi為各土地利用類型的面積（hm2），Cti為 2020 年各土地利用類型的碳儲量系數(shù)（t/hm2），Cei為 2020 年各土地利用類型的碳排放系數(shù)，Cii為2020 年各土地利用類型的碳吸收系數(shù)（t/hm2）。

2.3.2 決策變量設置 依據(jù)研究需要和華容縣土地利用的現(xiàn)狀特點、土地利用分類系統(tǒng)，選擇10 種土地利用類型作為決策變量。再根據(jù)《華容縣土地利用總體規(guī)劃（2006—2020）》《華容縣縣城總體規(guī)劃（2006—2020）》《華容縣國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》的約束目標和華容縣實際發(fā)展情況構(gòu)建變量（Xi）的限值（表4）。

表4 土地利用結(jié)構(gòu)低碳優(yōu)化決策變量設置 （單位：hm2）

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用碳效應計算結(jié)果與分析

3.1.1 土地利用碳效應計算結(jié)果 碳效應計算結(jié)果是基于 3 期（2006 年、2012 年、2020 年）規(guī)劃年份的基礎計算所得，結(jié)果見表5。由表5 可知，碳儲量方面，2020 年碳儲量將比 2006 年增加 96.00 萬 t，尤其體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)用地方面，其中耕地的碳儲量增加51.75萬t，園地的碳儲量增加110.75 萬t，林地的碳儲量增加54.18 萬t，但是其他農(nóng)用地和水域的碳儲量在減少，分別減少了 12.28 萬、79.99 萬 t，在總量上影響了碳儲量的大幅度增加。碳排放方面，2020 年的碳排放量比2006 增加了31.20 萬t；建設用地的碳排放量為主要增加來源，其中居民點及工礦用地增加了22.64 萬 t，交通運輸用地增加了 2.88 萬 t；農(nóng)用地和其他農(nóng)用地的碳排量增幅不明顯，水域碳排放減少了2.21 萬t。碳吸收方面，2020 年土地利用的碳吸收量與2006 年相比減少了0.72 萬t，減幅較小，減少主要在水域與水利設施用地類型，分別減少4.17萬t和0.24萬t，但林地的碳吸收增加了3.54萬t。轉(zhuǎn)變土地利用的碳效應方面，2020 年土地利用類型轉(zhuǎn)變后的碳排放量為 10.53 萬 t，較 2006 年增加了 9.99 萬 t，主要是建設用地的轉(zhuǎn)變導致碳排放量增加，其中轉(zhuǎn)變?yōu)榫用顸c及工礦用地導致的碳排放量增加了8.94萬t，轉(zhuǎn)變?yōu)榻煌ㄟ\輸用地的碳排放量增加了0.97萬t，轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌ㄔO用地的碳排放量增加了0.23萬t。

3.1.2 土地利用碳效應分析

1）碳儲量方面。碳儲量增大，表明按現(xiàn)有規(guī)劃進行土地經(jīng)營管理，土地利用的碳蓄積能力將會明顯增強。尤其是農(nóng)用地的碳蓄積增幅較大，但是碳蓄積的增長總量不高，主要體現(xiàn)在其他農(nóng)用地和水域的碳儲量在持續(xù)下降。因此，在重視農(nóng)用地生態(tài)保護的同時還應該關注其他農(nóng)用地和水域的治理和保護，如合理利用設施農(nóng)用地，避免田埂坡間的撂荒和水土流失，合理利用和保護水資源。

2）碳排放以及轉(zhuǎn)變碳效應方面。碳排放主要是建設用地的碳排量增加較明顯，土地利用類型的轉(zhuǎn)變碳效應主要是轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO用地而產(chǎn)生的碳排放，二者碳排放總量不高，但是在逐漸增加。華容縣應該在進行資源環(huán)境承載力評價和國土空間開發(fā)適宜性評價的基礎上合理確定城鎮(zhèn)發(fā)展邊界和城鎮(zhèn)規(guī)模，合理控制建設用地的規(guī)模，保持科學合理的漲速。實施土地用途管制制度，嚴格控制農(nóng)用地向建設用地轉(zhuǎn)變。同時，建設用地之上的房建、基建設施也應該盡量用健康、環(huán)保的材料。

3）碳吸收方面。碳吸收總量減少量不大，主要是林地碳吸收量增加。水域和水利設施用地的碳吸收量在減少，一要注意保護水生態(tài)健康；二要減少不合理的圍湖造田；三要合理開發(fā)和利用水利設施用地，可以適當增加水利設施用地的綠化。林地的碳吸收量在增加，表明華容縣退耕還林政策具有明顯的效果，應該進一步保護和合理開發(fā)林地，明確生態(tài)用地的范圍，確定生態(tài)用地的規(guī)模。

表5 華容縣2006 年、2014 年、2020 年規(guī)劃年不同土地利用類型的碳效應 （單位：萬t）

3.2 土地利用結(jié)構(gòu)低碳優(yōu)化方案與分析

運用Lingo 軟件對優(yōu)化模型求解，預測出基于2020 年規(guī)劃目標的下一規(guī)劃目標年碳效應各角度最優(yōu)的3 種土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。為了方便各優(yōu)化方案和規(guī)劃方案橫向?qū)Ρ榷玫阶罴训墓烫挤桨?，所以設定土地利用的綜合碳蓄積量（碳儲量、碳排放量、碳吸收量和轉(zhuǎn)變碳效應量疊加所得）作為對比指標，結(jié)果見表6。預測方案與2020 年原規(guī)劃方案相比，得出以下結(jié)論。

優(yōu)化方案一（碳儲量最大化方案）能明顯增加華容縣的碳儲量，比規(guī)劃方案增加了51.49 萬t。園地和林地面積分別增加了249.12 hm2和147.90 hm2，建設用地增加了155.88 hm2，其中居民點及工礦用地的面積比規(guī)劃方案減少了38.17 hm2，但碳儲量反而比規(guī)劃方案增加了69.11 萬t。原因：一是鄉(xiāng)村振興背景下的新農(nóng)村建設將農(nóng)村居民點進行了科學合理的整理；二是居民點綠化和工礦土地生態(tài)修復提高了居民點和工礦土地的碳綜合蓄積能力。

優(yōu)化方案二（碳排放最小化方案）能降低華容縣的碳排放量，比規(guī)劃方案減少0.63 萬t。其中，居民點及工礦用地面積比規(guī)劃方案減少了230.07 hm2，碳排放量反而減少了0.08 萬t；交通運輸用地面積比規(guī)劃方案減少了234.84 hm2，碳排放量減少了0.75萬t，主要是道路綠化帶和節(jié)能建筑材料增加了碳吸收。這說明在此優(yōu)化方案下，建設用地的瘋狂擴張能得到有效控制，而且建設用地利用也注重生態(tài)環(huán)保，從而實現(xiàn)經(jīng)濟的低碳運行。

優(yōu)化方案三（碳吸收最大化方案）的碳吸收量增加不明顯，比規(guī)劃方案增加了0.20 萬t。在方案三中，耕地、林地、園地分別增加了351.63、221.60、147.90 hm2，說明碳吸收增加是由于耕地、林地、園地的增加導致的。其中，林地的碳吸收量最大，比規(guī)劃方案增加了0.17 萬t，說明植樹造林、退耕還林、生態(tài)林等林地保護措施成效顯著。居民點及城鎮(zhèn)工礦和水利設施用地的碳吸收量也有一定程度的增加，主要是由于建設用地生態(tài)修復、居民點整理和綠化設施建設等原因增加了碳吸收。

表6 3 種土地利用結(jié)構(gòu)最大化方案

總體上，3 種優(yōu)化方案的綜合碳蓄積能力都比2020 年的規(guī)劃方案強，其中方案一（碳儲量最大化方案）的碳綜合蓄積能力最強，為2 304.85 萬t，因此選取方案一作為華容縣土地利用結(jié)構(gòu)低碳優(yōu)化參考。在此優(yōu)化方案下，華容縣下一規(guī)劃期始的土地利用結(jié)構(gòu)：農(nóng)用地總面積為118 329.31 hm2，其中耕地71 223.70 hm2、園地 8 744.80 hm2、林地18 790.87 hm2、其他農(nóng)用地19 569.94 hm2；建設用地總面積為18 337.90 hm2，其中居民點及工礦用地14 207.55 hm2、交通運輸用地1 329.83 hm2、水利設施用地2 459.57 hm2、其他建設用地340.95 hm2。

4 結(jié)論與展望

華容縣的土地利用碳效應分析以及低碳型土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化，本質(zhì)上是將低碳的理念融入到土地經(jīng)營管理中，具體是在土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案之中加入碳效應指標，通過 2006 年、2014 年、2020 年 3 期規(guī)劃年土地利用碳效應狀況分析、構(gòu)建低碳土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案碳效應評價指標、多目標線性規(guī)劃模型對十三五規(guī)劃期末最優(yōu)方案求解后得出以下結(jié)論：①低碳的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化可有助于土地利用的生態(tài)效益，也可為新一輪國土空間規(guī)劃提供一條新的低碳思路。②按照現(xiàn)有《華容縣2006—2020 年土地利用總體規(guī)劃》引領下的土地利用結(jié)構(gòu)，到2020 年末，農(nóng)用地碳儲量明顯增加，建設用地碳排放和轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO用地的碳排放增幅不大，林地為主要碳吸收的土地類型但總量不大，水域的碳蓄積和碳吸收能力不強，有待提高。③華容縣新一輪規(guī)劃最優(yōu)低碳土地利用結(jié)構(gòu)為耕地71 223.70 hm2、園地8 744.80 hm2、林地18 790.87 hm2、其他農(nóng)用地19 569.94 hm2、居民點及工礦用地14 207.55 hm2、交通運輸用地1 329.83 hm2、水利設施用地2 459.57 hm2、其他建設用地340.95 hm2。

基于上述研究結(jié)論，說明華容縣農(nóng)用地的利用方式在朝著低碳方向良好發(fā)展，尤其是農(nóng)用地的生態(tài)保護效果顯著，這在生態(tài)保護優(yōu)先以實現(xiàn)人與自然和諧共生的新時期具有時代的現(xiàn)實意義。不足之處在于不同的土地利用類型所對應的碳效應核算可能存在一定的誤差，部分核算是根據(jù)已有的相關研究成果和經(jīng)驗系數(shù)所得，未對研究區(qū)域的現(xiàn)實情況進行驗證，土地利用結(jié)構(gòu)的低碳優(yōu)化模型只考慮了碳效應最優(yōu)，沒有綜合加入其經(jīng)濟、社會效益的目標函數(shù)。因此，后續(xù)的研究可以進一步嘗試建立基于低碳、經(jīng)濟、社會三者效益綜合最優(yōu)模型；嘗試在新一輪國土空間規(guī)劃中，融入低碳的理念，展開各專題規(guī)劃的碳減排實證研究；結(jié)合生態(tài)空間的開發(fā)，實行基于低碳的國土空間用途管制分區(qū)制度；在博弈分析的基礎上明確政府、農(nóng)民和社會團體機構(gòu)的權(quán)利義務，保護農(nóng)民作為弱勢一方的合法權(quán)益，完善低碳型土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案實施的監(jiān)督機制。