寧夏自治區(qū)土地利用變化及碳排放效應(yīng)

鄭永超, 文 琦

(寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 銀川 750021)

自中國改革開放以來，工業(yè)發(fā)展迅速，但也迅速成為碳排放量大國。如何在發(fā)展的過程中做好節(jié)能減排，是我國值得關(guān)注的問題。碳排放一方面是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展必然的產(chǎn)物，另一方面也是生態(tài)環(huán)境變化尤其是全球氣溫升高重要原因，而土地利用類型變化是影響一個地區(qū)碳排量的重要原因。最早進(jìn)行土地利用類型變化對碳排放量影響的研究是20世紀(jì)90年代，Houghton R A等對全球某些區(qū)域土地利用的變化對大氣中二氧化碳量的影響進(jìn)行研究[1-2]，我國在21世紀(jì)初以來對土地利用變化對碳排放量影響的研究逐漸豐富，主要有葛全勝等人對我國過去三百年以來土地利用類型和植被覆蓋面積增減導(dǎo)致的碳排放量變化的研究[3]；李穎等對江蘇省各類土地利用類型變化導(dǎo)致碳排放量改變作了研究[4]；趙榮欽等在江蘇省能源消費和土地利用類型的變化分別對碳排放量的影響進(jìn)行研究[5]，后來眾多學(xué)者在不同省份和不同市縣層面都對土地利用類型變化對碳排放的影響進(jìn)行分析[6-10]，并且在后來的研究中逐漸關(guān)聯(lián)其他因素對碳排放的影響和碳排放量變化對生態(tài)環(huán)境等要素的影響。

現(xiàn)如今對于土地利用碳排放的研究已經(jīng)逐漸豐富到各個層面，接下來的一部分研究應(yīng)更多關(guān)注一些特殊自然條件區(qū)域與區(qū)域之間的差異性。寧夏自治區(qū)由于其獨特的社會、經(jīng)濟(jì)、地理環(huán)境等特點與其他地方相比具有一定的獨特性。近些年來，寧夏土地整治工作逐步推進(jìn)，城鄉(xiāng)融合發(fā)展進(jìn)展迅速。本文根據(jù)寧夏自治區(qū)土地利用變更數(shù)據(jù)及能源消費資料，運用碳排放計量模型對寧夏2000—2016年不同土地利用碳排放效應(yīng)進(jìn)行研究，以期可為寧夏自治區(qū)制定碳減排政策、構(gòu)建低碳土地利用模式和完成生態(tài)文明建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

寧夏自治區(qū)處在黃河上游，東鄰陜西，北部接內(nèi)蒙古，西南、南部和東南部與甘肅相連。南北相距約456 km，東西相距約250 km，總面積為6.64萬km2，轄5個市。從地形分布來看，自北向南為賀蘭山地、寧夏平原、鄂爾多斯草原、黃土高原、六盤山地等，平均海拔在1 000 m以上。寧夏自治區(qū)是中國水資源最少的省區(qū)，大氣降水、地表水和地下水都十分貧乏，且空間上、下分布不均，時間上變化大。寧夏近幾年，完成營造林1 000 km2，荒漠化治理600 km2，城市建成區(qū)綠地率達(dá)37.2%，森林覆蓋率達(dá)14.6%，全區(qū)城鎮(zhèn)化率提高到58.9%。

本文土地利用類型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于2000—2016年的《寧夏統(tǒng)計年鑒》。能源消耗數(shù)據(jù)來源于2000—2016年的《中國能源統(tǒng)計年鑒》。收集到的土地利用數(shù)據(jù)主要包括耕地、園地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和其他用地合計數(shù)據(jù)，建設(shè)用地包含有城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運輸用地。為顯著表現(xiàn)各種土地利用類型變化特征，本文以兩年為一個時間點進(jìn)行研究分析。

1.2 研究方法

本文的土地利用類型根據(jù)《寧夏統(tǒng)計年鑒》中對于自然資源狀況土地利用劃分和第二次全國土地調(diào)查，結(jié)合寧夏本地主要土地利用類型，將土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和其他用地7類。土地利用變化碳排放有直接碳排放和間接碳排放。土地利用直接碳排放主要是指直接將土地作為勞動對象，因為土地利用方式的變化而導(dǎo)致的碳排放；土地利用間接碳排放是指將土地作為一個載體，在土地上進(jìn)行的人為活動導(dǎo)致的碳排放。研究區(qū)域是寧夏自治區(qū)，本文不考慮寧夏不同縣(市)域間碳排放與吸收系數(shù)的差別。

1.2.1 土地利用類型碳排放估算模型 本文采用直接碳排放估算方法與間接碳排放估算方法相結(jié)合的對不同土地利用類型的碳排放量進(jìn)行計算。

土地利用類型直接碳排放估算采用直接碳排放系數(shù)法對不同的土地利用類型的碳排放量進(jìn)行估算[11-12]，計算公式見式(1)：

Ek=∑ei=∑Tiδi

(1)

式中：Ek是直接碳排放量；ei是不同的土地利用類型的碳排放量；Ti為各土地利用類型面積；δi是各類不同土地利用類型的碳排放和碳吸收系數(shù)，碳排放是正數(shù)，碳吸收是負(fù)數(shù)。式中的i代表了本文所涉及的7種不同的土地利用類型。本文所采用的各種土地利用類型的直接碳排放系數(shù)采用前人的研究上[13-19]根據(jù)寧夏實際情況確定系數(shù)(表1)。

表1 不同土地利用類型碳排放系數(shù)

建設(shè)用地的碳排放量采用間接估算的方法。建設(shè)用地承載了大量的人類活動消耗的能源，不能直接利用建設(shè)用地面積數(shù)據(jù)計算[13]。本文通過計算在建設(shè)用地進(jìn)行的生產(chǎn)生活活動所排放的碳排量來間接表示建設(shè)用地的碳排放量。根據(jù)寧夏的實際情況，本文選擇了煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然氣8種能源(本文認(rèn)為電力的排放因子為零，寧夏區(qū)內(nèi)以火電為主，電力碳排放量包含在煤炭、焦炭的碳排放量中)，2000—2016年寧夏能源消費量(表2)。建設(shè)用地的碳排放量計算公式見式(2)[20-21]：

Ex=∑ej=∑mj·nj·εj

(2)

式中：Ex是建設(shè)用地的碳排放量；ej是13種能源中第i種能源的碳排放量；mj是第i種能源的消耗量；nj是第i種能源的標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)換系數(shù)；εi是第i種能源的碳排放系數(shù)。

1.2.2 不同土地利用類型與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)關(guān)系分析 碳排放風(fēng)險指數(shù)計算。土地利用類型的改變會對本區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險造成影響，本文構(gòu)建不同土地利用類型的碳排放生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，用于表征研究區(qū)內(nèi)綜合碳排放風(fēng)險的相對大小[21-22]。計算公式見式(3)：

(3)

式中：CRI是寧夏土地利用碳排放風(fēng)險指數(shù)；Sj是研究區(qū)第j類土地類型面積；S是研究區(qū)總面積；Pj是第j類土地利用土地利用類型的碳排放系數(shù)；j=1,2,3，…，7。碳排放生態(tài)風(fēng)險指數(shù)越大，表示碳排放風(fēng)險程度越高，反之，則越低[22]。值得注意的是本公式SjPj是土地利用的碳排放量，因此在計算建設(shè)用地的部分可以直接用建設(shè)用地碳排放量表示。

表2 2000-2016年寧夏回族自治區(qū)能源消費量

碳排放壓力指數(shù)計算。本文為了能反映人類社會對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的擾動影響，計算研究區(qū)域的碳足跡壓力指數(shù)：陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源與碳匯效應(yīng)之比[23]。計算公式見式(4)：

(4)

式中：Cp是碳足跡壓力指數(shù)；Cm是不同土地利用方式的碳源；Cs是不同的土地利用方式的碳匯。當(dāng)Cp≤1時，說明該區(qū)域土地利用類型碳排放小于等于碳吸收，表明該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳平衡穩(wěn)定，當(dāng)Cp>1時，說明該區(qū)域土地利用類型碳排放大于碳吸收，說明該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳平衡失調(diào)，給當(dāng)?shù)氐奶佳h(huán)生態(tài)系統(tǒng)造成的壓力過大。

1.2.3 土地利用動態(tài)度模型 為定量化分析寧夏土地利用變化情況，研究引入土地利用動態(tài)度模型[24]。見式(5)

(5)

式中：K代表單一土地利用動態(tài)度；Ua和Ub為研究時段初、末的面積；T為研究時段長度。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用類型面積變化分析

根據(jù)寧夏2000—2016年不同土地利用類型面積動態(tài)變化統(tǒng)計結(jié)果顯示(表3)，寧夏不同土地類型主要為耕地、林地、牧草地，而園地、水域、建設(shè)用地較少，由大到小排序依次為牧草地>耕地>林地>其他土地>建設(shè)用地>水域>園地。2000—2016年不同類型土地面積增長幅度中，耕地、林地、園地、建設(shè)用地、水域的為正增長，牧草地、其他用地為負(fù)增長，由大到小序依次為林地>建設(shè)用地>園地>水域>耕地>其他用地>牧草地。寧夏2000—2016年16 a間的耕地、園地、林地、水域、建設(shè)用地的土地利用動態(tài)度是正值，牧草地與其他用地為負(fù)值。其中林地的土地利用動態(tài)度為9.85%，土地利用類型變化率是177.38%，面積增加了49.1萬hm2，變化最明顯，說明寧夏的退耕還林效果顯著；建設(shè)用地的土地利用動態(tài)度是4.31%，土地利用類型變化率是77.64%，面積增加了15.38萬hm2，變化較大，說明寧夏的城市化發(fā)展迅速，城市面積在研究時間段內(nèi)得到了快速拓展；牧草地的面積減少達(dá)34.77萬hm2，在所有土地類型中減少最多，土地利用動態(tài)度是-0.79%，土地利用類型變化率為-14.26%，說明在寧夏林地、建設(shè)用地等擴(kuò)張的過程中侵占了部分的牧草地；其他土地的土地面積也總體減少，這也與寧夏的林地、建設(shè)用地等面積增加有關(guān)。耕地的面積在2000—2008年呈現(xiàn)持續(xù)減少趨勢，與寧夏實行退耕還林政策有關(guān)，但在2010—2016年面積增加，與寧夏后期實行耕地保護(hù)制度，“堅守18億畝耕地紅線”有關(guān)；總體上來看耕地的面積略有增加，但變化不大。園地與水域的面積分別增加了1.68萬hm2，2.63萬hm2，土地利用動態(tài)度分別是2.8%和0.97%，土地利用類型變化率分別是50.45%和%17.53，這與寧夏的城市擴(kuò)張，增加一定城市景觀有關(guān)。

2.2 土地利用碳排放效應(yīng)分析

土地的碳排放受到碳源和碳匯的影響，本文中的碳源為碳排放量為正值，向大氣排放二氧化碳的土地利用類型，碳匯為碳排放量為負(fù)值，吸收二氧化碳的土地利用類型。2000—2016年寧夏不同土地利用類型的碳排放統(tǒng)計分析(表4)。結(jié)果顯示，2000—2016年，寧夏的碳排放量呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢，從2000年的579.81萬t上升到2016年的1 734.26萬t，增長率達(dá)到了199.11%，年均增長了12.44%。在研究的7種土地利用類型中，耕地和建設(shè)用地是碳源，園地、林地、牧草地、水域和其他用地是碳匯。作為碳源的建設(shè)用地和耕地的碳排放量都非常大，是寧夏的主要碳源，其中在2000—2002年耕地的碳排放量貢獻(xiàn)率最高，達(dá)59.83%～73.44%，2004—2016年建設(shè)用地對碳排放量的貢獻(xiàn)率最高，達(dá)50.98%～73.68%。耕地的碳排放與耕地土地面積的變化具有同步性，在2000—2008年呈現(xiàn)持續(xù)減少趨勢，在2010—2016年碳排放量增加，總體來看耕地的碳排放量變化不大，上升幅度是0.3%，建設(shè)用地的碳排放量也隨著其面積的增加呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢，上升幅度是676.44%，從長遠(yuǎn)來看，隨著寧夏城市化的快速推進(jìn)，建設(shè)用地會繼續(xù)成為寧夏的第一碳源。作為碳匯的土地利用類型中，林地和牧草地的吸收二氧化碳的量較大，是寧夏的主要碳匯，其中林地對吸收二氧化碳的貢獻(xiàn)率最大，達(dá)74.97%～90.16%，吸收二氧化碳量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，增加了177.38%，牧草地對吸收二氧化碳的貢獻(xiàn)率第二，達(dá)8.21%～22.1%，但吸收二氧化碳量呈現(xiàn)逐年減少的趨勢，減少了14.26%。園地、水域、其他用地也是寧夏主要的碳匯，對于吸收二氧化碳的貢獻(xiàn)率分別為0.7%～1.07%，0.8%～1.68%，0.07%～0.18%，園地與水域吸收二氧化碳量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，分別增加了50.45%和14.92%，其他用地的吸收二氧化碳量逐年下降，減少了8.71%。

表3 2000-2016年寧夏土地利用類型動態(tài)變化

表4 2000-2016年寧夏不同土地利用類型的碳排放

從總體來看，碳源的碳排放量遠(yuǎn)大于碳匯的碳吸收量，碳源的碳排放量與碳匯的碳吸收量在2000—2016年都呈現(xiàn)增長趨勢，但是碳排放量增長了179.9%，碳吸收量增長了130.65%，而且碳排放量在16 a間增加了1 449.92萬t，碳吸收量增加了295.47萬t，碳排放量與碳吸收量的比值也從3.56上升到4.32，逐漸升高的比值不利于區(qū)域的節(jié)能減排和低碳發(fā)展。在碳源中，建設(shè)用地因為承載了人們大量的生產(chǎn)生活，在占有面積為3.82%～6.79%的情況下貢獻(xiàn)了26.56%～73.68%的碳排放量，因此對于碳源，減排的重點是在城市化過程中應(yīng)優(yōu)化城市的生產(chǎn)生活結(jié)構(gòu)，將“低碳”的理念運用于城市的發(fā)展建設(shè)中。在碳匯中，牧草地的占有面積雖然最大，達(dá)到了40.35%～47.06%，但是碳吸收貢獻(xiàn)率為8.21%～22.1%，林地的占地面積為5.34%～14.82%，碳吸收貢獻(xiàn)率達(dá)74.97%～90.16%，因此對于碳匯，減排的重點在于保持或增加現(xiàn)有的林地的同時，優(yōu)化林地與草地的結(jié)構(gòu)，并提高草地的使用結(jié)構(gòu)，提高其碳吸收能力。碳排放的增長率在2012年以后逐漸放緩，說明寧夏在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)發(fā)展注重節(jié)能減排，并且已經(jīng)初見成效。

2.3 土地利用類型碳排放風(fēng)險分析

生態(tài)風(fēng)險是指生態(tài)系統(tǒng)及其組分所受到系統(tǒng)外要素對其構(gòu)成威脅的可能性，這些威脅會造成生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的破壞，導(dǎo)致影響生態(tài)系統(tǒng)的安全健康。而碳排放量作為生態(tài)系統(tǒng)的一部分，其過多的排放勢必會危及區(qū)域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)的安全健康，甚至?xí)θ蛏鷳B(tài)系統(tǒng)造成危害。對寧夏的土地利用類型碳排放風(fēng)險指數(shù)研究(圖1)。結(jié)果顯示，從總體來看，寧夏的碳排放風(fēng)險指數(shù)是逐步上升的，并且從2012年后一直保持在一個較高的水平，根據(jù)線性趨勢線預(yù)測，在未來的幾年中寧夏的碳排放風(fēng)險指數(shù)會繼續(xù)升高，這與寧夏近幾年來的快速的城市化，工業(yè)化，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化大量使用能源有關(guān)。碳排放風(fēng)險指數(shù)的增長率從2006—2012年的21.9%～41.9%降到2012—2016年的5.34%～6.71%，說明這幾年寧夏在發(fā)展過程中注重節(jié)能減排，同時也與林地的大量增加有關(guān)。

圖1 2000-2016年寧夏土地利用碳排放風(fēng)險指數(shù)變化

圖2 2000-2016年寧夏土地利用碳排放壓力指數(shù)變化

生態(tài)壓力指對生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)生物個體或種群的生長及生殖造成影響的外界干擾，會對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。碳排放量作為外界干擾，會對生態(tài)系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定造成影響。對寧夏的土地利用類型碳排放風(fēng)險指數(shù)研究(圖2)。 結(jié)果顯示，從總體來看，2000—2016年寧夏的碳排放壓力指數(shù)一直都大于1，16 a間寧夏的碳匯效應(yīng)一直小于碳排放強度，說明該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳平衡一直處于失調(diào)的狀態(tài)，給當(dāng)?shù)氐奶佳h(huán)生態(tài)系統(tǒng)造成的壓力過大。其動態(tài)變化是先降后升然后又降的波浪形，而從2000年與2016年兩個節(jié)點上來看在這16 a間碳排放壓力指數(shù)是上升的，通過線性趨勢線預(yù)測，在未來的幾年中寧夏的碳排放壓力指數(shù)會繼續(xù)升高。2000—2004年寧夏碳排放壓力指數(shù)明顯減少，這主要與寧夏實行了“退耕還林”政策，碳匯效應(yīng)增加有關(guān)。在2004—2012年碳排放壓力指數(shù)大幅度增加，在2012年達(dá)到最大值，這與當(dāng)時寧夏快速發(fā)展，城市迅速擴(kuò)張，建設(shè)用地擴(kuò)大，碳排放量增加有關(guān)。2012—2016年的碳排放壓力指數(shù)降低，說明寧夏在后續(xù)的城市發(fā)展過程中注重節(jié)能減排，優(yōu)化了能源結(jié)構(gòu)，但是由于經(jīng)濟(jì)的繼續(xù)發(fā)展，碳排放壓力指數(shù)可能還會小幅度增加。

3 結(jié)論與討論

(1) 2000—2016年的寧夏回族自治區(qū)不同土地利用類型中，牧草地、耕地、林地面積較大，而園地與水域面積相對較少。2000—2016年，寧夏的林地、建設(shè)用地、耕地、園地和水域的面積增加，其中林地和建設(shè)用地的增加最多，這與退耕還林政策和寧夏的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、城市快速擴(kuò)張有關(guān)，牧草地和其他用地面積減少，這說明在其他土地類型增加的過程中不同程度的占用了牧草地和其他用地。

(2) 2000—2016年的寧夏回族自治區(qū)的不同土地利用類型中，建設(shè)用地和耕地為碳源，其中建設(shè)用地為最大的碳源，且每年的碳排放量的增長幅度很大。最主要的原因是寧夏這幾年來城市的擴(kuò)張，第二產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，消耗了大量的能源，導(dǎo)致寧夏的碳排放量逐年增長。林地、園地、牧草地、水域、其他用地是碳匯，碳匯的碳吸收量逐年增加，主要原因是林地面積的增加和樹木在成長過程中吸收二氧化碳的能力增強。碳匯的碳吸收量與碳源的碳排放量每年的差距逐漸增大。

(3) 在寧夏2000—2016年的土地利用類型碳排放中，碳排放風(fēng)險指數(shù)和壓力指數(shù)研究都是屬于持續(xù)增加的趨勢。碳排放風(fēng)險指數(shù)在2010—2012年大幅上升之后，2012—2016年增加幅度不大，說明寧夏在2012年后開始注重節(jié)能減排，如寧夏的電力消耗在2000—2016年16 a間由115.32億kW·h增加到886.91億kW·h，電力已經(jīng)發(fā)展成為寧夏重要的能源之一。碳排放壓力指數(shù)在2000—2004年下降，這與寧夏退耕還林，林地面積大量增加有關(guān)，在2004—2012年碳排放壓力指數(shù)大幅度增加，2012年后實行節(jié)能減排，碳排放壓力指數(shù)下降，說明寧夏在關(guān)注碳排放問題，實行節(jié)能減排后效果顯著。

根據(jù)前述研究結(jié)果并結(jié)合研究區(qū)實際，提出促進(jìn)寧夏土地資源低碳可持續(xù)利用的建議。(1) 優(yōu)化寧夏的土地利用結(jié)構(gòu)，控制建設(shè)用地的擴(kuò)張，減少碳源，并防止建設(shè)用地在擴(kuò)張的過程中過度占用牧草地情況。同時，提高森林與牧草的覆蓋率，提升林地與牧草地的碳吸收能力，促進(jìn)其他土地向草地、林地、耕地轉(zhuǎn)換，增加碳匯。(2) 由于寧夏最主要的碳源是建設(shè)用地，因此除了控制建設(shè)用地擴(kuò)張面積外，還需要對能源總量進(jìn)行把控，把能源的使用總量控制在寧夏資源環(huán)境所能承載的能力范圍內(nèi)。優(yōu)化寧夏產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，對于碳排放量較高的產(chǎn)業(yè)應(yīng)該進(jìn)行轉(zhuǎn)換升級，大力發(fā)展能耗小，碳排放量小的產(chǎn)業(yè)；并逐漸擺脫能源以化石能源為主的現(xiàn)狀，開發(fā)太陽能，風(fēng)能等新能源。(3) 耕地作為寧夏第二大碳源，碳排放量也非常巨大，因此應(yīng)該加強農(nóng)田耕作的管理。加強農(nóng)田土壤保持耕作管理，改進(jìn)施肥、滴水管理措施、提高復(fù)種指數(shù)、實施合理的作物輪作和減少耕地作業(yè)等以提高土壤的碳儲存能力。大力發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)，施用有機肥，提高土壤的有機碳蓄積效果。目前，土地利用碳排放的估算存在一定的不確定性，雖然現(xiàn)在有很多模型方法來計算土地利用的碳排放量，但是土地利用導(dǎo)致碳排放量的變化和對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的影響是一個復(fù)雜的過程，當(dāng)前的研究還不能完全充分的解釋這個過程；在計算建設(shè)用地是，僅考慮了化石能源的碳排放，未考慮農(nóng)村生物質(zhì)能燃燒帶來的碳排放。未來研究會通過遙感數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)結(jié)合的方式更加精確測算區(qū)域的碳排放能力。