沈世民，郭雪飞 ，李福燕

(1.河北地质大学，河北 石家庄 050031；2. 邯郸学院，河北 邯郸 065000)



河北省土地利用变化的碳排放效应探究

沈世民1，郭雪飞1，李福燕2

(1.河北地质大学，河北 石家庄 050031；2. 邯郸学院，河北 邯郸 065000)

摘要：指出了土地利用是低碳经济和碳排放研究的重要切入点，也是进行碳排放调控的重要工具之一。开展土地利用碳排放探究，有助于从土地利用规划、产业结构调控及国土开发与整治等领域全面引导经济社会的低碳发展。以河北省作为研究对象，运用arcgis10.2、Envi5.0及二氧化碳计算模型作为数据处理方法，通过分析近20年来河北省土地利用、覆盖变化所释放的碳量，得出了结论：河北省1990～2007年因未对土地利用进行合理规划，从而导致大量碳排放。并且预测分析了到2020年土地利用变化导致的碳排放量，为今后河北省土地利用降低碳排放提供依据。

关键词：城市化； 土地利用结构； 碳排放量； 二氧化碳计算模型

1引言

碳排放影响着全球气候的变化，其成分是形成温室气体的主要元素，对人类生活与生存环境具有严重影响，引起国内外社会各界的广泛关注。当前我国经济正处于快速增长时期，煤炭在工业上的大量使用以及土地的不合理开发利用使得我国已成为全球温室气体第二大排放国。近20年来，根据河北省政府实施《河北省土地利用总体规划(2006-2020年)》显示河北省耕地面积年均减少2.58万hm2，其中耕地的等级大多为中低产田。一方面，城市化导致建设用地占用耕地逐年增加，另一方面，对生态环境其重要调节作用的草地、湿地、湖泊等其他土地利用类型也在逐年减少。对已发表的论文文献进行综合分析后，得出国内城市化进程中土地利用存在严重问题[1-3]。

本文以河北省区域为研究对象，分析了河北省1990～2008年河北省主要的土地利用变化，测算出土地变化产生的碳排放情况。并分析碳排放造成的影响。最后预测2020年河北省碳排放量，为河北省发展低碳城市提供参考。

2研究区域概况

河北省位于华北平原地区，西面靠山，东面临海。由于原始数据缺失，本研究区域不包括张家口围场、承德、唐山的一些区域，研究区域地处北纬36°05′～41°56′，东经113°33′～118°22′之间。本省内环北京和天津，经济、城市发展建设受到其辐射并相互渗透，构成了内环京津的京津冀共同发展经济区。根据河北省第二次土地调查统计显示[4]，全省建设用地201.1万hm2、耕地656.1万hm2，与第一次的调查对比耕地面积减少33.5万hm2、牧草减少了36万hm2。城市化的发展使得河北省土地类型在逐年发生演变，建设用地大量扩张，耕地、草地、水域和林地逐年减少。

3数据来源与处理方法

3.1数据来源

本文采用Krasovsky系列遥感数据，采用1990、2000和2008年的TM遥感数据。在地理信息技术的GIS和RS的2S支持下取得土地利用空间信息。首先对遥感数据进行前期处理，在相关地图的辅助下，借助于arcgis10.2软件和Envi5.0软件进行分析和统计。

3.2处理方法

3.2.1土地利用处理方法

土地利用转移矩阵是马尔科夫转移矩阵在土地利用变化方面的应用。马尔科夫转移矩阵原理为：事物在发生转变的过程中，由一个时刻的某一状态转为后一时刻的另一状态所发生的可能的概率，即导致状态发生转移的概率。如果某物的状态有n种，那么它的某一状态本身具有n个对应的状态转移概率，如果将事物所具有的n个状态转移概率制作成一个矩阵，可得到一个n行n列的矩阵。假定某事物在发生转变的过程有n个状态，即A1，A2，…，An。记Pij为从状态Ai转变为状态Aj的概率，则矩阵：

3.2.2碳排放计算模型

根据IPCC(政府间气候变化专业委员会)规定将我国土地利用类型拟划为耕地、林地、草地、建设用地和水域等，本研究主要讨论这几类土地在转变过程中的碳排放与碳吸收变化量。碳排放量计算公式为[6～11]：

Fi=ki·(Ni+ Mi)

(1)

式中：Fi为第i种土地利用方式的碳排放量(t)；Ki为第i种土地利用方式的面积(hm2)；Ni为第i种土地利用变化的碳排放(吸收)系数(t/hm2); Mi为第i种土地利用保持的碳排放系数(t/hm2)。根据赖力研究的中国土地利用变化探究和经验公式选用的不同土地利用变化碳排放系数见表1、表2。

表1　土地保持碳排放核算参数　tC/hm2·a

注：本文采用的是赖力研究中国土地利用的碳排放效应中核算的参数[12]，“-”、“+”分别表示碳排放和碳积蓄

根据探究表明土地在保持本来生态系统时，林业对碳的固定效果最佳，而其他土地利用类型都是参与碳排放，根据目前研究局限，水域中的水田和特定的固碳植物不在研究中，因此会在这产生一些误差。

表2　土地转移碳排放核算参数　tC/hm2·a

注：本文采用的是赖力研究中国土地利用的碳排放效应中核算的参数[12]

4结果讨论与分析预测

4.1河北省土地利用结构变化

从表3和图1可以看出1990～2008年近20年期间内，各土地利用类型不断的发生转化。草地、建设用地均在增加，林地呈现先减少后增加的趋势。

在1990～2000年期间，土地类型转化面积最多的是旱地及一些不可利用的土地类型，为751.39×103hm2，表明河北省的土地利用开发力度加大，土地过渡利用且趋势严峻。其中在土地转化过程中产生碳排放最多的是建设用地，其转化面积净增加189.23×103hm2。而能固定碳的土地类型林地，其转化面积净增加-87.88×103hm2。河北省1990～2000年的10年中盲目的城市扩张，没有合理的规划，导致非农用地大量增加，从而使生态环境受到严重破坏，碳排放量加大。在2000～2008年8年期间内，土地转化最多的旱地、不可利用土地仍然被过度开发利用。建设用地净增加为155.89×103hm2，林地净增加面积为215.23×103hm2。相比于1990～2000年这10年，建设用地趋于减缓，而林地面积增加，河北省在城市化进程中开始注重环境保护。但是由于林地与建设用地的碳排放(吸收)系数比接近1∶120，因此在城市加速扩展的同时，经济的高速发展，环境依旧十分脆弱。

从表4可以看出 ，除了林地和建设用地碳排放相对有所增加外，其他所有土地利用类型的碳排放都在减少。其中水域的碳排放减少的最多为7×106t，其他土地类型相对减少的程度较小。固碳能力最强的林地因大面积由草地转化而来，因此未形成固碳能力，因此碳排放在增加。虽然建设用地占得面积小，但是由于其碳排放强度高，因此碳排放总量依旧处于第一位。

表3　1990～2008年土地利用转移面积　103hm2

图1　河北省1990～2008年土地利用

表4　河北省碳排放总量　　　105t

4.2分析预测

根据国务院近日批准的《河北省土地利用总体规划(2006年—2020年)》明确规定，到2020年全省可增建设用地183×103hm2，林地新增399×103hm2。

根据1990～2008年研究显示草地转化为林地约占总转化的面积的80 %，因此选用草地转移林地的参数，而建设用地则大部分由草地和水域转化而来，因此根据比率8/11进行保守计算，得到2020年碳排放量约为613×105t。相比于过去的近20年间，土地导致的碳排放量持续增加，但增加量在减少见图2。

因此可以看出，在2020年的规划中，土地的规划，起到了碳减排的功效，整体向环境友好型社会发展。

图2　河北省碳排放预测

5结论与建议

5.1结论

通过研究河北省1990～2008年的土地利用结构变化得出河北省碳排放的总量见表5。

表5　1990～2008年土地利用转移导致碳排放总量　104t

根据以上分析表明，建设用地是主要的碳源，而林地、草地是主要的碳汇。土地利用变化的特征表现在碳源增长迅猛而碳汇增长缓慢。2000～2008年河北省因土地利用变化导致的碳排放相较于1990～2000年增长了100万t，因旱地与一些不可利用土地变化差异较大为进行相应计算。因此河北省在土地利用的碳减任务严峻。

5.2促进碳减排的相关建议

整体结果显示在城市化加速发展河北，建设用地的不合理规划、生态环境的任意破坏，其碳排放呈增长趋势。体现了在建设现代化城市过程中，过于追求经济的高速发展，带来的环境与发展之间的不协调。要实现山区经济的低碳发展，应从“减排”和“增汇”两个方面优化产业结构，必须从以下几个方面着手。

5.2.1适度造林与合理经营

河北省依托太行山，并且林地对于碳汇起着重要的作用，应该加大环境的投资，在山区进行封山造林。在城市的建设中，应以建设绿色城市，大量植树造林，把建设宜居城市作为目标。此外植树造林与林业的管理和经营是形成陆地碳汇的一个重要原因，因此，对废弃地进行造林或再造林对增大碳汇有明显作用[13]。

5.2.2加大科技建设，实现现代化农田管理

开垦有助于土壤的通气能力提高，有利于土壤中碳的矿化，耕作对SOM产生严重的影响，因此实现现代化的耕作管理能提高土壤中的碳与氮的矿化速率[14]。同时合理的耕种可以降低农用地中碳的流失量，增强土壤碳汇的能力。在旱地耕作方面，通过轮作提高农用地中土壤碳汇能力，采用长绿牧草的轮作的方式达到土壤碳含量增加的目的[15]。

5.2.3加强土地政策监管，合理规划建设用地

加强土地使用管理，严格审查建设用地规划项目，确立法律机制，要求建设用地与造林联动机制，做到既建设又绿化的目的，同时提高科学技术，改变生产、加工方式。河北承担北京与天津的产业转移，大量的碳排放产业入住河北，提高技术水平，引进先进的生产技术，力求做到原料—生产—深加工—回收—再生产的循环模式。钢铁、水泥等企业采用电力加热等清洁方式，代替煤炭等化石能源的燃烧。建立专门化的废物处理中心，提高废物再利用与处理能力。

5.2.4提高农村能源利用效率，树立涉农主体的低碳意识

大力推进新农村建设，建设集中型、节约型新农村，倡导绿色生态观念，宣传植树护林，增加村舍的绿化面积。健全集体供暖设施，关停、整改污染重产业。健全公共交通设施，打通过最后一公里，提倡绿色出行。

5.2.5京津冀一体化，根据功能区进行碳排放设定

根据京津冀一体化功能区的规划，将承德、张家口设为生态保护和生态产业发展区，因此在减排过程中，这两个市应该承担更多的减排任务；廊坊、唐山作为优化调整区在规划上做到减、排相当的水平；石家庄、保定、沧州作为南部制造业与耕作业区，应承担较少的碳排放任务；秦皇岛、唐山、沧州的东部滨海临港产业发展区，在规划上注重湿地的保护，承担部分减排任务。

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收稿日期：2016-04-19

作者简介：沈世民(1990—)，男，河北地质大学硕士研究生。

中图分类号：F301.24

文献标识码：A

文章编号：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