江阴市土地利用对碳储量的影响及优化研究

2022-10-28赵一行高润艺李海东揣小伟郭晓敏

生态与农村环境学报 2022年10期

赵一行，高润艺，李海东，揣小伟，郭晓敏

(1.河北省地矿局国土资源勘查中心，河北石家庄 050081；2.南京大学地理与海洋科学学院，江苏南京 210023；3.生态环境部南京环境科学研究所，江苏南京 210042；4.自然资源部碳中和与国土空间优化重点实验室，江苏南京 210023；5.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101)

全球变暖对生态环境产生一系列负面影响，低碳减排已成为国际科学界和各国政府关注的焦点[1]。由于经济快速发展和历史遗留的能源结构问题等原因，我国碳排放量位居世界首位[2]。2020年9月，国家主席习近平在第75届联合国大会一般性辩论上宣布中国二氧化碳排放量力争于2030年前达到峰值、2060年前实现碳中和，此后又在多个重大国际场合反复重申，并强调要坚决落实。《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二○三五年远景目标的建议》将“碳排放达峰后稳中有降”列入中国2035年远景目标。中央经济工作会议把做好碳达峰碳中和工作列为2021年重点任务之一，对应对气候变化工作做出明确部署[3]。

土地利用变化对碳排放具有重要影响[4]。植被和土壤在调节全球碳平衡和缓解气候变化方面发挥了重要作用，土地利用变化会导致生态系统植被和土壤的变化，高生物量用地类型如林地、草地等生态用地向低生物量用地类型的转变往往伴随着生态系统碳储量的释放[5]。具体来看，土地利用变化、毁林等活动已经导致了陆地生态系统碳储量向大气的释放。目前，土地利用的碳排放约占全球碳排放总量的10%，是地球系统重要的碳排放来源，而国土空间格局优化是推进碳中和的重要手段之一[6-10]。20世纪90年代以来，土地利用变化及其对气候变化的影响一直是国内外的学术热点[11-15]。目前已有多位学者对此展开研究，如杨庆媛[16]对我国1996—2005年土地利用变化与碳排放的研究表明，土地非农化利用和开发会增加碳排放；赫晓慧等[17]采用灰色预测模型，动态评估了我国中原城市群在不同情景下的碳储量变化趋势，结果显示合理的土地管理政策有助于区域碳蓄积；GAO等[18]发现，造成长江三角洲城市群碳储量损失的主要原因是耕地城市化，且在未来4种城市扩张方式下碳储量都将进一步损失。总体而言，土地利用变化制约着生态系统植被和土壤碳排放，土地利用造成的碳排放占全球碳排放总量的10%，而国土空间格局优化是推进碳减排的重要手段之一。

以土地利用为切入点开展碳源碳汇效应研究，探索低碳用地发展路径与策略，将对碳中和的实现起到积极的推进作用，符合国家绿色发展和生态文明建设战略需求。江阴市作为中国经济最发达的县级市之一，近年来建设用地扩张剧烈，给当地的土地供应和区域低碳发展带来了巨大压力。该研究以江阴市为例，对2000—2015年土地利用变化情况及其对应的碳储量释放展开研究，并以2015年土地利用碳储量为基准，为未来江阴市土地利用优化方案提出相关政策建议。

1 研究区概况与数据处理

1.1 研究区概况

江阴市为江苏省省辖县级市，由无锡市代管，位于无锡市北侧，介于北纬31°40′34″～31°57′36″，东经119°59′～120°34′30″之间，区位条件优越，长期位居全国百强县前列。2020年江阴市实现地区生产总值4 113.75亿元，人均地区生产总值达24.88万元。2022年江阴成为我国GDP十强县，排名第2位。

1.2 数据来源

研究使用的土地利用数据来自于中科院地理科学与自然资源研究所，数据精度为30 m，一级土地利用分类的综合准确率高于93%，二级土地利用分类的综合准确率高于90%。笔者仅使用土地利用一级分类，将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6类。植被碳密度数据主要基于笔者所在课题组近年来的800多个研究项目，几乎涵盖了所有的植被类型，最终形成了全国植被碳密度图[19-20]，笔者从中截取了江阴市的植被碳密度图，在AcrGIS 10.5平台将江阴市植被碳密度图与土地利用类型图进行交叉分析后，对江阴市各用地类型的植被碳密度进行了测算。江苏省地质调查院和中科院南京土壤研究所提供了江阴市140个不同深度土壤剖面的样点数据，包括每个样点的土壤类型、土壤有机碳(TOC)含量、容重、经纬度、土地利用类型、地表景观等信息。

由于研究数据主要来源于2005年左右，为了使数据具有一定的代表性，提高土地结构优化的准确性，故选取2000—2015年作为历史研究期。

1.3 土壤有机碳估算方法

土壤有机碳密度是指单位面积(1 m2)一定厚度土层中的有机碳含量，由于排除了面积因素的影响而以土体体积为基础来计量，土壤碳密度已成为评价土壤中有机碳的重要指标。该研究分别计算表层(0～20 cm)土壤碳密度和碳储量，具体计算方法如下：

(1)首先计算每个样点的碳密度。对于具有一定剖面深度(D)的土壤样点而言，其有机碳密度(CD)计算公式为

CD=TD×ρ。

(1)

式(1)中，CD为深度D处土壤样点的碳密度，kg·m-3；TD为深度D处土壤有机质含量，%；ρ为土壤容重，kg·m-3。

(2)利用ArcGIS 10.5软件将140个土壤样点信息导入数字化后的江阴市土壤图，该图共包含44个土壤亚类，每个土壤斑块包含了数量不等的土壤样点，采取空间插值的方法生成不同时期的全境土壤有机碳密度图。

(3)得到碳密度及各类型土壤面积数据后，即可求出江阴市总土壤碳储量(Ctotal)，其计算公式为

(2)

式(2)中，Ci为不同土壤亚类的碳密度，kg ·m-3；Si为不同土壤亚类的面积，m2。

2 结果与分析

2.1 江阴市土地利用变化

由表1可知，2000—2015年，江阴市土地利用发生较大变化，耕地面积逐年增加，建设用地面积逐年减少；林地和水域面积变化较小，但总体而言有所增加；未利用地面积几乎没有变化；草地面积在2000—2010年期间变化不大，但在2015年有所减少。2000年江阴市耕地占比达67.25%，为江阴市最主要的土地利用类型，建设用地次之，但与耕地面积相比差距较大，仅占22.63%，林地、草地、水域等占比很小，总共只占10%左右。2000—2015年江阴市耕地面积占比持续下降，同时建设用地占比增加。2015年江阴市主要土地利用类型仍然是耕地和建设用地，但两者之间的差距缩小了许多，耕地占比减少到51.71%，建设用地占比则增加到37.46%。2000—2015年林地、草地、水域以及未利用地占比几乎没有变化。

表1 2000—2015年江阴市土地利用类型分布

根据2000—2015年江阴市土地利用转移矩阵(表2)，建设用地的扩张主要是通过占用耕地的方式实现，建设用地转入面积221.20 km2，其中有149.43 km2来自耕地。从空间分布来看，耕地向建设用地的转移主要是在原有建设用地的基础上向外扩张。耕地由于建设用地的扩张大量减少，还有部分耕地转化为林地、水域以及未利用地，转出面积为157.75 km2，转入面积仅为5.84 km2。

表2 2000—2015年江阴市土地利用转移矩阵

从空间分布(图1)来看，2000—2015年面积增长最为明显的是建设用地，主要是在江阴北部以及东部原本的建设用地基础上大面积增加，南部和西部原有的建设用地也向周边扩张。林地和草地仅在江阴中部小面积分布，2000—2010年其空间分布和占地面积基本无变化，但到2015年江阴南部有较明显的一块区域从建设用地和耕地转化为林地。未利用地在2000—2010年间仅在江阴西部有小面积分布，2015年则在北部和东部的建设用地中出现了新的未利用地。

2.2 土地利用变化对植被碳储量的影响

对江阴市植被碳密度数据及土地利用数据进行叠加分析，得出江阴市各土地利用类型的植被有机碳密度。耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地的植被有机碳密度分别为0.55、1.94、0.21、0.35、0.01、0.01 kg·m-2，平均碳密度值为1.79 kg·m-2。各土地利用类型的植被有机碳密度大小依次为林地>耕地>水域>草地>未利用地>建设用地。

根据江阴市土地利用变化转移矩阵以及不同土地利用类型的植被碳储量特征，测算出江阴市土地利用变化对植被碳储量的影响。需要说明的是，对每一类土地利用类型来说，这里计算的碳储量变化值仅代表各类用地增量部分的植被碳储量，并没有考虑土地利用转化前后的碳储量增减(土壤碳储量计算同理)，2000—2015年土地利用变化带来的植被碳储量变化见表3。

如果不考虑土地利用转化前后的植被碳储量增减，由于土地利用变化，2000—2015年江阴市植被有机碳储量减少75 009.49 t，土地利用变化造成了植被有机碳的损失。各土地利用类型转出类型汇总分析结果显示，耕地转出类型合计使植被有机碳储量减少最多，达76 963.41 t，其中耕地转变为建设用地导致植被碳储量减少80 693.98 t，林地、草地的转出使植被有机碳储量分别减少1 206.01、69.30 t。建设用地、水域的转出使植被有机碳储量分别增加3 137.57、24.91 t。其中耕地向建设用地和水域、林地向建设用地和未利用地、草地向建设用地、水域向建设用地的转化使植被有机碳减少，其中建设用地对其他土地利用类型的占用使植被有机碳损失最为严重，应该引起重视。

2.3 土地利用变化对土壤碳储量的影响

将江阴市土壤碳密度数据在ArcGIS 10.5平台进行克里金插值，得到江阴市土壤碳密度分布图(图2)。再利用ArcGIS 10.5软件将土壤碳密度图与土地利用类型图进行叠加分析，分区统计不同土地利用类型表层(0～20 cm)土壤平均碳密度，得到江阴市土壤碳储量(表4)。

表4 江阴市土壤碳储量变化

根据江阴市土地利用转移矩阵以及不同土地利用类型土壤碳密度差异，测算出江阴市土地利用变化对土壤碳储量的影响(表5)。表5显示，如果不考虑土地利用转化前后的土壤碳储量增减，由于土地利用变化，2000—2015年江阴市土壤有机碳储量减少7 641.56 t。各土地利用转出类型汇总分析结果显示：耕地转出类型合计使土壤有机碳储量减少最多，达8 188.48 t，草地转出类型使土壤有机碳储量减少225.28 t，建设用地转出类型使土壤有机碳储量减少60.99 t，未利用地转出类型使土壤有机碳储量减少0.47 t。林地、水域的转出合计使土壤有机碳储量分别增加36.62、797.03 t。其中耕地向林地、水域、建设用地，林地向水域、建设用地，草地向建设用地，建设用地向水域，未利用地向建设用地的转化使土壤有机碳减少，不利于碳汇的形成，其中建设用地对耕地的占用使土壤有机碳损失最为严重，占减少总量的90.50%，应该引起重视。

表5 江阴市土地利用变化对土壤碳储量的影响

2.4 土地利用变化对生态系统碳储量的影响

基于上述研究结果，整理2000—2015年江阴市土地利用变化及其碳储量变化，汇总得到江阴市整体的生态系统碳储量变化(表6)。2000—2015年江阴市生态系统碳储量整体减少8.3万t，其中植被碳储量减少7.5万t，占生态系统碳储量损失的90.75%。耕地是变化最为剧烈的土地利用类型，主要是向建设用地的转出，这也导致了最大的碳储量损失，约8.8万t。虽然仅有0.63 km2的林地发生了变化，但其导致了0.12万t的生态系统碳储量损失。这表明在未来对土地利用管理的过程中，应当进一步重视对林地资源的保护，控制其转出。同时，草地的转出也导致了生态系统碳储量的损失，而其他地类的转出则有助于碳储量的有效蓄积。

表6 江阴市土地利用变化及其对生态系统碳储量的影响

3 基于碳储量最大化的土地利用结构优化

3.1 土地利用结构优化模型构建

土地利用结构优化是指通过土地利用类型、土地管理方式等人为因素改变地表植被类型，间接改变土壤物理结构、土壤微生物、土壤团聚体等性质，从而影响土壤有机碳的含量和稳定性，以期提高土地生态系统有机碳储量。该研究采用线性规划方法，建立土地利用结构优化模型，并提出优化措施。模型将土地利用的碳储量或者碳排放量作为目标函数，将不同土地利用类型的面积作为决策变量，模型的一般表达公式为

(3)

式(3)中，Xj为决策变量，即土地利用类型面积，km2；aij为约束系数；bj为约束常数。

土地利用结构优化的目的是使土地利用结构趋于合理，该研究选取碳储量为目标效益函数，选择不同土地利用类型的面积作为决策变量，根据当地的自然和社会经济状况建立约束条件，进行土地利用结构优化设计。依据前文中确定的主要土地利用类型，选取以下6个决策变量：耕地X1、林地X2、草地X3、水域X4、建设用地X5、未利用地X6。

考虑到生态环境建设的需要，对2030年土地利用结构进行重新调整。

(1)总面积：江阴市为滨港口花园城市，在不发生行政区划变化的前提下，总面积基本保持不变。将江阴市2030年总面积确定为977.60 km2。

(2)耕地：在低碳情景下应强化耕地资源保护，实施严格的耕地保护政策。一方面建设用地的外延扩展必然占用大量的耕地资源，耕地数量保持下降趋势。随着农村人口的下降，农村居民点用地需求从理论上是减少的，可以通过土地复垦将其整理为耕地，所以耕地的减少速度会得到遏制。以基本农田保护为原则并结合2000年以后的耕地变化速度，将2030年江阴市的耕地保有量确定为351.55 km2，此保有量主要是根据粮食需求进行的预测，笔者将其作为耕地的下限，将现有的耕地面积503.39 km2作为2030年耕地面积的上限，据此建立耕地的约束条件方程：351.55≤X1≤505.54。

(3)林地：考虑到生态环境建设要求，森林覆盖率要不断提高，2030年林地面积至少应不低于现有水平(29.54 km2)，将此作为林地面积的下限。根据2000年以后林地面积的平均变化速度，将增加3.27 km2后的林地面积作为2030年林地面积的上限，即32.82 km2, 据此建立林地的约束条件方程：29.54≤X2≤32.82。

(4)草地：江阴市的草地面积较少，且变化缓慢。鉴于草地面积已所剩有限以及政府对生态环境保护的重视，未来草地面积减少的趋势会得到遏制。据此假设2030年草地面积会有所增加，面积不低于1.70 km2。但考虑到经济发展的需要，且依据2000年以后草地面积的平均增长速度，预计2030年草地面积可增加0.34 km2，将增加后的草地面积作为2030年面积的上限，即2.04 km2。据此建立草地的约束条件方程：1.70≤X3≤2.04。

(5)水域：2000—2015年水域面积发生少量的变化，期间有增有减，变化不显著。水域的扩张主要是受近年来水产养殖业发展的影响，许多草地被挖成坑塘；而水域转为耕地是由于随着江苏滨海海岸线的东移，水产养殖用地(尤其是海水养殖用地)转为水田用地。结合2015年实际水域面积，预计2030年水域面积不少于72.58 km2。且根据水域面积的历年变化情况，预计2030年水域面积将增加2.00 km2，将增加后的面积作为上限值74.44 km2，建立水域的约束条件方程：72.58≤X4≤74.58。

(6)建设用地：未来经济增长对城镇用地的需求强劲，城镇用地将保持快速增长的趋势，按照2000年以后建设用地的平均增长趋势预测，2030年建设用地将达到511.34 km2。按照2005—2010年的增长速度，2030年建设用地为521.82 km2。据此建立建设用地的约束条件方程：511.34≤X5≤521.82。

(7)未利用地：江阴市未利用地面积较小，考虑土地利用的高效集约化趋势，江阴市2030年未利用地面积会减少，至少会小于现有未利用地面积，据此建立未利用地的约束条件方程： 0≤X6≤2.05。

3.2 基于碳储量最大化的土地利用结果优化

根据对各地类有机碳密度的计算结果，建立陆地生态系统碳储量最大化的目标函数：max(Z)=4.87X1+6.23X2+5.13X3+4.15X4+4.28X5+4.54X6。根据以上目标函数和各变量的约束条件，采用Lingo 14.0软件对以上方程进行求解，得到2030年江阴市碳储量最大化的土地利用结构优化方案(表7)。

表7 2030年碳储量最大化的土地利用优化方案

由表7可知，在碳储量最大化的目标函数下，碳储量最大为445.25万t。2030年耕地面积减少，林地、草地、建设用地面积均增加，水域用地面积保持不变，未利用面积减少至0。其中，建设用地的碳储量最大，为218.85万t；其次为耕地，碳储量为174.78万t；林地和水域的碳储量分别为20.45万和30.12万t；草地碳储量最少，为1.05万t。