康韻婕， 鄭國(guó)璋， 楊建平

1.山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院， 山西 臨汾 041000 2.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730000

0 引言

山西省礦產(chǎn)豐富，資源眾多，長(zhǎng)久以來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展高度依賴(lài)資源，尤其是能源資源的開(kāi)采，以致生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化.近年來(lái)，由于受?chē)?guó)際國(guó)內(nèi)兩個(gè)市場(chǎng)的影響，山西省這種依賴(lài)資源的經(jīng)濟(jì)發(fā)展不再可持續(xù)，開(kāi)始探尋經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，特別是2017年國(guó)務(wù)院發(fā)布關(guān)于支持山西省進(jìn)一步深化改革的指示，要求提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，推進(jìn)生態(tài)保護(hù)和環(huán)境治理.因此如何降低對(duì)能源資源的依賴(lài)，有效減少碳排放，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)綠色升級(jí)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用成為當(dāng)前與未來(lái)一段時(shí)期山西省各級(jí)政府部門(mén)面臨的現(xiàn)實(shí)而又長(zhǎng)遠(yuǎn)的問(wèn)題.

碳足跡是產(chǎn)品或活動(dòng)在全生命周期內(nèi)所排放的直接和間接CO2的總和，自2009年由Wiedmann[1]等提出以來(lái)，已廣泛用于能源、旅游、物流、食品消費(fèi)等領(lǐng)域的研究.國(guó)內(nèi)和國(guó)際碳足跡研究側(cè)重于兩個(gè)方面：①基于人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的碳排放量的研究[2～4]；②由于碳足跡是從生態(tài)足跡的概念[5]發(fā)展而來(lái)，因此將其視為生態(tài)足跡的一部分來(lái)研究.近年來(lái)，碳足跡研究逐漸延伸到土地利用領(lǐng)域.國(guó)際上，Terry L.Sohl[6]等人使用土地利用變化模擬框架，研究了美國(guó)溫室氣體通量，并尋求解決方案；Raymond R.Tan[7]在生命周期模型的基礎(chǔ)上，建立了模糊線性規(guī)劃模型方法，從土地利用足跡、水足跡、碳足跡三個(gè)績(jī)效指標(biāo)，研究了菲律賓能源作物種植中產(chǎn)生的碳債務(wù)；RA Houghton[8]從農(nóng)田、牧場(chǎng)、泥炭地和種植園等不同土地利用類(lèi)型方面，研究了美國(guó)、非洲、亞洲等熱帶地區(qū)由于熱帶森林退化產(chǎn)生的凈碳排放和影響因素.在國(guó)內(nèi)，路漫其[9]等人利用碳足跡方法和k均值聚類(lèi)分析了安徽省土地利用的碳足跡.方精云[10]等人探索了我國(guó)1981年～2000年森林、草地、灌木和農(nóng)作物等不同植被的碳匯.曹永強(qiáng)[11]等人利用碳足跡模型和GIS研究了河北省的土地利用變化.總體上，不管是國(guó)際還是國(guó)內(nèi)，均是基于碳足跡概念，通過(guò)建立各種方法，研究土地利用變化的碳足跡與影響因素，并探尋破解途徑與方案.

1 研究區(qū)概況

山西省地處華北地區(qū)，黃河中游東岸，介于34°34′N(xiāo)～40°44′N(xiāo)，110°14′4E～114°33′E之間.東西兩側(cè)是山地和丘陵隆起，中間為盆地沉降，平原點(diǎn)綴其中.山西省深居內(nèi)陸，由于外圍邊緣山脈阻擋了濕潤(rùn)水汽的進(jìn)入，是較典型的大陸性氣候，各地年平均氣溫在4.2 ℃～14.2 ℃之間，年降水量在358 mm～621 mm之間，季節(jié)分布不均，夏季降水量約占年降水量的60 %.據(jù)2017年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)山西省人口為3 702.35萬(wàn)，經(jīng)濟(jì)主要以第二、三產(chǎn)業(yè)為主，分別占地區(qū)生產(chǎn)總值的41.3 %和53.5 %.山西省鋼鐵、機(jī)械、紡織等工業(yè)在全國(guó)占重要地位，是中國(guó)重要的能源基地和老工業(yè)基地，旅游資源豐富，被譽(yù)為古代建筑的博物館.

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用山西省土地利用類(lèi)型面積數(shù)據(jù)和能源消耗數(shù)據(jù)，兩者均來(lái)自《中國(guó)國(guó)土資源統(tǒng)計(jì)年鑒(2013—2017)》、《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒(2013—2017)》、山西省自然資源廳網(wǎng)站和中國(guó)自然資源部網(wǎng)站.

2.2 研究方法

2.2.1 碳排放測(cè)算方法

文中將土地利用類(lèi)型分為四種類(lèi)型：耕地、林地、牧草地和建設(shè)用地.耕地既有碳吸收作用又有碳排放作用，考慮到農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳效率保持平衡狀態(tài)，作為碳匯的效果不明顯，常設(shè)定作物的碳匯為零[12].林地和牧草地利用植物光合作用吸收并儲(chǔ)存二氧化碳，以減少溫室氣體在大氣中的濃度，因此視為碳匯.因此，本文中的耕地和建設(shè)用地為碳源，林地和草地是碳匯，碳排放的計(jì)算公式如下[10,13]

E=∑ei=∑Aiγi

(1)

式中:E為碳排放總量(t)；ei為第i種土地利用類(lèi)型的碳排放量(t)；Ai為第i種土地利用類(lèi)型的面積hm2；γi為第i種土地利用類(lèi)型的碳排放/碳吸收系數(shù)(t/hm2)，排放為正，吸收為負(fù).碳排放系數(shù)分別是耕地0.422 t/hm2、林地-0.644 t/hm2、牧草地-0.02 t/hm2[14].

本文中的建設(shè)用地主要包括住宅用地、工礦用地和交通用地.建設(shè)用地產(chǎn)生的碳排放量近似于居民生活消耗化石燃料產(chǎn)生的碳排放量.因此，只用建設(shè)用地的面積數(shù)據(jù)計(jì)算建設(shè)用地上的碳排放量，其結(jié)果不夠精確.文中基于建設(shè)用地上的各項(xiàng)能源資源消耗量數(shù)據(jù)和主要能源資源的碳排放系數(shù)(表1),使用式(2)計(jì)算得到各項(xiàng)能源資源的碳排放總量，其即為建設(shè)用地的碳排放量計(jì)算公式如下[14,15]：

Ee=∑eei=∑Niθiφi

(2)

式中：Ee為建設(shè)用地碳排量(t)；eei為第i類(lèi)能源消耗產(chǎn)生的碳排放量(t)；Ni為第i類(lèi)能源的消耗量(t)；θi為第i類(lèi)能源的標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)；φi為第i類(lèi)能源的碳排放系數(shù)(表1).

所有患者均給予常規(guī)對(duì)癥治療,吸氧、服用阿司匹林、阿托伐他汀,控制血壓、血糖,根據(jù)顱內(nèi)壓情況酌情給予甘露醇脫水治療,并給予改善微循環(huán)、抗感染維持水、電解質(zhì)平衡等治療。在此基礎(chǔ)上,對(duì)照組給予依達(dá)拉奉注射液(吉林省輝南長(zhǎng)龍生化藥業(yè)股份有限公司,國(guó)藥準(zhǔn)字H20080592)30 mg加入生理鹽水100 m L中靜脈滴注,2次/d。觀察組在對(duì)照組基礎(chǔ)上服用丁苯酞軟膠囊(石藥集團(tuán)恩必普藥業(yè)有限公司,國(guó)藥準(zhǔn)字H20050299)0.2 g/次,3次/d。14 d為1個(gè)療程,1個(gè)療程后評(píng)價(jià)療效[3]。

表1 主要能源碳排放系數(shù)表Tab.1 Main energy carbon emission coefficient table

2.2.2 碳足跡計(jì)算方法

文中采用謝鴻宇[16]、藍(lán)家程[17]的研究方法，首先使用前文得到的山西省建設(shè)用地能源資源的碳排放數(shù)據(jù)和四種土地利用類(lèi)型碳吸收數(shù)據(jù)，計(jì)算出土地利用碳吸收比值，然后再利用NEP(凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力,反映1 hm2植被的年碳吸收量)得到具有碳吸收性質(zhì)土地消除能源消耗排放的CO2所需要的土地面積.具體公式為：

(3)

式中：M為總能源消耗碳足跡(hm2)；Mi為第i類(lèi)能源消費(fèi)碳足跡(hm2)；ef，eg分別為林地、牧草地的碳吸收比例；NEPf，NEPg是全球平均林地、牧草地的碳匯容量，其值分別為3.809 6 t/hm2,0.948 2 t/hm2.

3 結(jié)果與分析

3.1 山西省土地利用碳排放總體分析

根據(jù)公式(1)和公式(2)，結(jié)合山西省相關(guān)能耗數(shù)據(jù)和山西省多年土地利用結(jié)構(gòu)變化數(shù)據(jù)，計(jì)算出山西省2012年～2016年不同土地利用類(lèi)型的碳排放量(表2).

表2 山西省2012年～2016年不同土地利用類(lèi)型碳排放量/104 tTab.2 Carbon emission scale of different land use types in Shanxi province from 2012 to 2016 (carbon emission /104t)

2012年～2016年山西省建設(shè)用地的碳排放量介于21 960 萬(wàn)t～24 000 萬(wàn)t之間，約占凈排放的99 %，林地和牧草地的碳吸收總量?jī)H為320萬(wàn)t左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能抵消建設(shè)用地的碳排放.因此，山西省當(dāng)前的土地利用結(jié)構(gòu)決定了建設(shè)用地為主要碳源.就年變化而言，2012年～2016年山西省耕地的碳排放量略有下降，但變化不大，大體保持在171萬(wàn)t左右.以2014年為界點(diǎn)，之前建設(shè)用地的碳排放幾乎呈直線升高，年均增加527.16 萬(wàn)t，年均增長(zhǎng)2.4 %，這可能與2011年山西省貫徹實(shí)施第十二個(gè)五年計(jì)劃工業(yè)迅速發(fā)展有關(guān).2014年后山西省實(shí)施了國(guó)務(wù)院2014年～2015年度節(jié)能減排和低碳發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃，建設(shè)用地的碳排放逐漸下降，降幅約為3.8 %，年均下降437 萬(wàn)t，表明山西省逐漸重視經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，且實(shí)施的減排措施獲得了一定的成效.表2顯示，過(guò)去五年來(lái)，林地和牧草地的碳吸收量逐漸下降.綜上所述，盡管2014年以來(lái)山西省的耕地和建設(shè)用地碳排放量呈減少趨勢(shì)，但同期林地與牧草地的碳吸收量亦在下降，碳排放量仍遠(yuǎn)大于碳吸收量，山西省的土地利用結(jié)構(gòu)不甚合理，需要進(jìn)一步優(yōu)化以減少碳排放量.

3.2 山西省土地利用碳足跡分析

前文表明，耕地作物作為碳匯的效果不顯著，所以只把林地和牧草地作為碳匯，使用公式(3)計(jì)算出林地和牧草地從能源資源消耗中吸收二氧化碳需要的土地面積.

近五年，山西省2012年的總碳足跡最小，為127.63 萬(wàn)hm2，之后略有增加，但變化不大(表3).在各種能源資源類(lèi)型中，煤炭資源的碳足跡遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余五種，平均約占總碳足跡的87.2%，在SPSS 22中通過(guò)相關(guān)分析得出二者的相關(guān)性達(dá)到0.96.煤炭資源碳足跡大是造成山西省總碳足跡高的關(guān)鍵原因，總碳足跡隨煤炭資源消耗的變化而變化.雖然山西省天然氣、煤油、柴油和汽油的碳足跡在增加，但占比甚小，可以忽略不計(jì).可以看出，山西省消耗煤炭資源產(chǎn)生的碳足跡遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于消耗油類(lèi)資源和天然氣資源產(chǎn)生的碳足跡，所以基于煤炭資源的能源消費(fèi)模式是碳足跡總量大的主要原因.

表3 山西省2012年～2016年土地利用碳足跡表/104 hm2Tab.3 Carbon footprint table of land use in Shanxi province from 2012 to 2016 (carbon footprint/104 hm2)

3.3 土地可持續(xù)利用影響因素分析

3.3.1 土地利用結(jié)構(gòu)不合理

從土地利用結(jié)構(gòu)的角度看(表4)，2012年～2016年山西省耕地、林地和牧草地的面積逐年下降，建設(shè)用地面積逐年增加，速度相對(duì)較快.林地和牧草地是碳吸收主要功能性土地類(lèi)型，其面積卻在不斷減少，建設(shè)用地在碳排放總量中所占比重最大，其面積卻在逐年增加.因此，減少建設(shè)用地面積或限制建設(shè)用地，方可推動(dòng)山西省土地可持續(xù)利用，改善惡化的生態(tài)環(huán)境.

表4 山西省2012年～2016年主要土地利用結(jié)構(gòu)表/104 hm2Tab.4 Main land use structure table of Shanxi province from 2012 to 2016 (unit:104hm2)

3.3.2 高能耗、低效率的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式

研究表明，現(xiàn)代工業(yè)化發(fā)展所消耗大量能源資源是引起區(qū)域碳排放不斷上升的重要因素之一，能源資源消耗產(chǎn)生的CO2排放量約占到CO2排放總量的90 %以上[9].上文中山西省能源資源碳排放量的計(jì)算結(jié)果表明，山西省能源資源消耗產(chǎn)生的碳排放量占碳排放總量的99 %以上，因此，本文從經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的角度分析了其對(duì)山西省土地可持續(xù)利用的影響.

碳排放壓力可作為衡量土地可持續(xù)利用的指標(biāo)[18]，從表5可以看出，山西省的碳排放壓力在2012年～2014年呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，雖2014年～2016年有所下降，但平均地均碳排放強(qiáng)度是地均碳吸收強(qiáng)度的69.5倍，山西省面臨著巨大的碳排放壓力.山西省單位GDP碳排放在2012年～2016年呈緩慢下降，約下降了6.15 %，低于山西省6.92 %的GDP增長(zhǎng)率.這表明，山西省尚未實(shí)現(xiàn)徹底碳減排，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)過(guò)程中還存在高能耗、低效率的情況.山西省需要轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，改善單位面積土地利用率，不斷探索土地利用潛力.

表5 山西省2012年～2016年碳排放強(qiáng)度表Tab.5 Carbon emission intensity table of Shanxi province from 2012 to 2016

3.3.3 能源結(jié)構(gòu)與能源效率

表1顯示，主要能源類(lèi)型的碳排放系數(shù)均不相同，而碳排放系數(shù)的大小直接影響各類(lèi)能源的碳排放量.平均碳排放系數(shù)是能源消耗總碳排放量與總能源消耗量之比，其值反映了能源結(jié)構(gòu)變化時(shí)能源碳排放量的變化[19].當(dāng)碳排放量比較高的能源資源消耗比重有所降低時(shí)，平均碳排放系數(shù)就會(huì)變小.在各類(lèi)資源的碳排放系數(shù)中，焦炭的碳排放系數(shù)位居首位、原煤其次、燃料油再次、天然氣排在最末.故要有效降低碳排放量，實(shí)現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用，需降低煤炭資源的使用量，適當(dāng)增加天然氣資源.

由圖1可知，山西省煤炭資源消耗量占到總能源資源消耗量的84.0 %以上，煤炭能源排碳量亦占到總能源排碳量的87.0 %左右.因此，以煤炭消費(fèi)為主的能源結(jié)構(gòu)顯著影響山西省土地可持續(xù)利用，2012年～2016年汽油和柴油的消耗量比較穩(wěn)定，煤油和燃料油占比較小可以忽略不計(jì)，天然氣增加的趨勢(shì)明顯.山西省的平均碳排放系數(shù)比較平穩(wěn)而且下降趨勢(shì)明顯，數(shù)值在0.745～0.755之間緩慢下降.上述分析表明，雖然山西省的減排還面臨著較大的壓力，實(shí)現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用任重道遠(yuǎn)，但山西省的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)還是向著合理化方向發(fā)展.

圖1 山西省2012年～2016年能源碳排放量與平均碳排放系數(shù)圖Fig.1 Energy carbon emission and average carbon emission coefficient of Shanxi province from 2012 to 2016

4 結(jié)論與討論

土地資源作為人類(lèi)生存和發(fā)展的物質(zhì)載體，具有不可再生性和數(shù)量有限性特征.探索土地的可持續(xù)利用是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展的先決條件.本文從碳足跡的角度定量分析了山西省土地利用現(xiàn)狀，探討了土地可持續(xù)利用的影響因素，得出以下結(jié)論：

(1)總體上，山西省建設(shè)用地上的能源消費(fèi)是造成碳排放量大的主要原因.林地與牧草地320萬(wàn)t左右的總碳吸收量遠(yuǎn)不能抵消介于21 960 萬(wàn)t～24 000 萬(wàn)t之間的建設(shè)用地產(chǎn)生的碳排放量.煤炭的碳足跡大是山西省總碳足跡高的主要原因，占總碳足跡的87.2 %，總碳足跡隨煤炭資源消耗變化而變化.

(2)從土地利用結(jié)構(gòu)分析，建設(shè)用地作為碳源，其面積不斷擴(kuò)大.而作為碳匯的林地、牧草地，其面積逐漸縮小，產(chǎn)生的碳吸收量不足以消除產(chǎn)生的碳排放量.由此說(shuō)明山西省的土地利用結(jié)構(gòu)不合理，需要進(jìn)一步優(yōu)化以減少碳排放.

(3)從經(jīng)濟(jì)發(fā)展層面上看，山西省2012年～2016年GDP上升幅度6.92 %大于碳排放強(qiáng)度下降幅度6.15 %，說(shuō)明經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中存在高耗能情況，平均地均碳排放強(qiáng)度是地均碳吸收強(qiáng)度的69.5倍，山西省面臨著巨大的碳排放壓力.

“碳足跡”是一種新的衡量溫室氣體對(duì)人類(lèi)生活產(chǎn)生影響的指標(biāo).文中通過(guò)引用李穎[18]、蘇雅麗[15]和藍(lán)家程[17]等人的碳足跡和碳排放計(jì)算方法，對(duì)山西省耕地、林地、牧草地和建設(shè)用地利用現(xiàn)狀進(jìn)行了碳足跡分析，所用評(píng)價(jià)指標(biāo)簡(jiǎn)單實(shí)用，更便于政府提出相應(yīng)對(duì)策.本文建設(shè)用地的碳排放估算存在一定的不確定性，建設(shè)用地碳排放量通過(guò)化石能源消耗產(chǎn)生的碳排放量間接獲取，未考慮建設(shè)用地上其他因素產(chǎn)生的碳排放，例如：垃圾焚燒、秸稈焚燒等，由于數(shù)據(jù)的獲取限制，勢(shì)必對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響.這還有待于研究更加精確的計(jì)算方法來(lái)完成.