南昌市土地利用变化碳排放分析

南昌市土地利用变化碳排放分析

自20世纪70年代末以来，全球碳环的研究一直受到人们的广泛关注，尤其是对几十年至数百年的人类活动的影响，如石化燃料燃烧和非持续土地利用对碳排放的影响。土地利用变化对全球大气CO2含量增加影响很大,其作用仅次于化石燃料的燃烧。据世界资源组织的碳排放计算器和著名碳循环研究专家的估算:1850—1998年上述两种排放中,土地利用变化及其引起的碳排放是人类活动影响总排放量的1/3(IPCC,2000)。土地利用/覆盖变化通过改变生态系统的结构和功能,来改变生态系统的小气候状况以及理化性质,从而影响掉落物的质量、分解速率、土壤生物组成以及有机质质量等,最终影响到生态系统各部分的碳分配状况。不合理的土地利用,会造成土壤储存和植被含碳减少,进而影响气候变化。而目前的相关研究主要是陆地生态系统(森林、农田等),对于各类土地利用类型的碳排放效应研究甚少。因此,本文以南昌市为例,以服务“森林城乡,花园南昌”、“生态立市,绿色崛起”、“科学发展,和谐平安”为目标,结合南昌市土地利用动态变化和发展规划,探讨南昌市土地利用碳排放效应问题,为南昌市创建国家低碳示范城市提供决策支持和参考依据。一、国家土地利用总体规划南昌市位于东经115°27′~116°35′,北纬28°09′~29°11′,又名豫章、洪城,系江西省省会,也是全省政治、经济、文化、科技、交通中心和鄱阳湖生态经济区核心城市。南昌作为中国第一个低碳试点城市,享有东方爱丁堡之美誉。全市总面积743218.34hm2,根据2005年土地利用变更调查,至2005年末,农用地473761.62hm2,占土地总面积63.74%;建设用地86377.86hm2,占土地总面积11.63%;未利用地183078.86hm2,占土地总面积24.63%。南昌市土地利用总体规划的战略目标是协调土地利用与生态环境建设,加快生态重点工程建设,建设区域生态屏障体系。因此,分析南昌的土地利用变化的碳排放效应具有一定的典型性意义。二、研究方法和数据来源(一)土地利用变化对碳排放的影响《1996年IPCC国家温室气体清单指南》把与碳的汇/源密切相关的土地利用变化和森林分为森林与其他木本生物量的变化、森林和草地的转化、经营土地的废弃、土壤有机碳储量的变化,包括森林、草地与农田的相互转化,木本植物入侵草地以及外来物种入侵引起的土壤覆被变化,旱地与湿地的相互转化,城市与非城市用地的转化。《2006年IPCC国家温室气体清单指南》则引入在《土地利用、土地利用变化和林业优良做法指南GPG-LULUCF》中使用的6种土地利用类别,即林地、农田、草地、湿地、聚集地和其他土地,并从土地利用变化角度考虑不同地类转移的碳排放效应。本文主要以南昌市土地利用现状以及《南昌市土地利用总体规划(2006—2020年)》为基础,讨论耕地、园地、林地、牧草地及建设用地碳排放强度。采用生态系统类型法确定土地生态系统的碳排放强度,对南昌市2006—2020年土地利用变化趋势从时间上和空间上进行比较,概述土地利用变化对碳排放效应的影响。某地类碳排放等于该地类的平均有机碳密度乘以相应的面积,公式如下:T=Σi=1nAi×Vi(i=1,2,3,⋯⋯,n)(1)Τ=Σi=1nAi×Vi(i=1,2,3,⋯⋯,n)(1)式中:T为区域土地生态系统总碳排放;Ai为第i种地类面积;Vi为第i种土地利用方式的碳排放(吸纳)系数。“-”表示碳排放效果。(二)不同土地利用类型碳排放清单采用《南昌市土地利用总体规划(2006—2020年)》中基期年2005年土地利用现状面积、2010年以及规划目标年2020年土地面积;2005年南昌市各县区土地利用现状数据;2010年、2020年各县区各地类控制面积。结合土地利用栅格图分析得出中国土地利用类型的碳排放系数,其中耕地为-0.502tC/(ha·yr),园地为-0.033tC/(ha·yr),林地为0.52tC/(ha·yr),牧草地为-0.191tC/(ha·yr),建设用地为-55.603tC/(ha·yr),水域为0.257tC/(ha·yr),其他未利用地为0.005tC/(ha·yr)。根据土地利用变化及土地利用方式的碳排放系数,可以得出土地利用变化的碳排放强度,进而计算出该区域土地利用类型的综合碳排放核算清单。本文根据前人研究所得经验数据,在全国平均水平的情况下,假设各类土地利用类型的碳碳排放系数不变,得出南昌市2006—2020年土地利用总体规划期间不同年份基于土地利用结构变化的碳排放强度,并探讨耕地、园地、牧草地和建设用地的碳排放以及林地、水域和未利用地的碳吸纳能力。三、结果分析(一)土地利用类型与碳排放根据南昌市2005年土地利用现状和2010年、2020年规划目标数据,以及前文提供的不同地类的碳排放系数,计算得出南昌市2005年、2010年和规划目标年(2020年)各地类的碳排放(表1),其中数据只涉及与碳排放密切相关的几种土地利用方式。从土地利用类型看,2005年南昌市碳排放总量为4.8262Tg,2010年为5.5359Tg。2005—2010年,南昌市土地利用变化碳排放量呈现增长的趋势,2010年比2005年增长0.7097Tg,年均增长0.1419Tg。按照5年计算,年均碳排放总量增长为0.03TgC/yr。从人均碳排放量来看,2005年,南昌市人均碳排放量为-1.07E-06Tg,2010年为-1.10E-06Tg,比2005年多-2.69E-08Tg。在各土地利用类型中,耕地和牧草地的碳排放量在2005—2010年间呈现减少的趋势,园地、建设用地表现为增加,水域和其他未利用地的碳吸收功能减弱,且南昌市主要的碳源是建设用地,其次是耕地。2005—2010年建设用地的面积逐年增加,其碳排放强度也逐年增强;耕地的面积逐年减少,其碳排放量也逐年减少;而林地、水域和其他未利用主要是碳汇,期间林地的面积基本保持不变,其碳吸纳量也保持不变;而水域和其他未利用的面积逐年减少,其碳吸纳量也逐年减少(图1)。2005年南昌市碳排放总量为4.8262Tg,2020年为6.6977Tg,规划期间,南昌市土地利用变化碳排放量呈现增长的趋势,2020年比2005年增长1.8715Tg,年均增长0.1419Tg。按照15年规划期计算,年均碳排放总量增长0.1248TgC/yr,且南昌市主要的碳源是建设用地,其次是耕地。由于2005—2020年建设用地的面积增加,其碳排放强度也表现出增强的趋势;耕地的面积减少,其碳排放量也减少;林地、水域和其他未利用主要是碳汇,规划期间林地的面积基本保持不变,其碳吸纳量也保持不变;而水域和其他未利用的面积减少,其碳吸纳量也减少。因此,如果按照现有规划数据,南昌市土地利用到2020年将表现出碳排放功能,而碳吸纳功能将减少(图2)。由于建设用地要占用耕地、林地、牧草地以及未利用地而使其面积逐渐增加,整个规划期间南昌市碳排放强度最大的土地利用方式亦为建设用地,2005年高达99.52%,2010年高达99.64%,2020年则将达到99.76%。牧草地和园地的占比最小;林地、水域和其他未利用地表现为碳吸纳,而这3种土地利用类型的碳吸纳强度逐年降低。规划期间,耕地、牧草地的碳排放量逐年下降,而建设用地逐年增长,所以要优化南昌市碳排放量最主要的是限制农用地向建设用地的转化,控制建设用地扩张。与延续现有土地利用规划产生的碳排放相比,按照2020年土地利用总体规划所生产的碳排放增加了1.8715Tg。从碳减排的角度来看,南昌市土地利用总体规划,碳排放总量增加,其面临严峻的节能减排任务。(二)土地利用类型面积对碳排放的影响从全市各县区来看,由于用地结构的差异性,其碳排放量也有所不同。在2005—2010年,全市各县区的碳排放依次以南昌县、新建县、进贤县和青山湖区最多,碳排放总量排名基本保持不变。昌南为碳排放最多的区域,其中又以南昌县最为突出。南昌县作为中国百强县之一,其建设用地均居于南昌市第一,而建设用地是碳排放系数最大的土地利用方式,占据总量的99.00%以上。进贤县较南昌县的碳排放量要少,在南昌市排名第三;昌北的碳排放量相对昌南更轻,但随着红谷滩、红角洲新区的发展,其建设用地需求量快速增加,这就导致新建县的碳排放总量居南昌市第二;中心城区碳排放最少,其中主要是湾里区、东湖区和西湖区。从碳排放总量来看(表2),2005年南昌市各县区都表现为碳排放效应,其中南昌县最强,其碳排放量为1.63161Tg;其次是新建县;青云谱区的碳排放量效应最弱,其碳排放量仅为0.11323Tg。从单位面积碳排放量来看,2005年南昌市东湖区、西湖区的单位面积碳排放量最大,为4.1E-05Tg;其次是青山湖区;而安义县的单位面积碳排放量最少,为3.3E-06Tg。从土地利用类型来看,南昌市各县区的土地利用类型中对碳排放总量贡献最大的均为建设用地,这不仅因为建设用地碳排放系数最大,也因为建设用地是各县区的主要用地类型。林地面积虽然居于中间,但是其碳吸纳系数不高,表现出的碳吸纳功能不足以抵消碳排放。土地利用类型面积的多少决定了各县区的土地利用结构,因此减少碳排放量的任务就落在了调整土地利用结构上。2010年南昌市除青云谱区、西湖区和东湖区外,其余各县区的耕地面积均大于建设用地,有些甚至高出两三倍,然而耕地的碳排放量与建设用地的相差很多(表3)。各县区建设用地面积均增加,其碳排放量也随之增加。而南昌县、进贤县、青山湖区、东湖区和西湖区林地的碳吸纳量随着其面积的减少有所降低,其他县区的碳排放量随着林地面积增加而升高。青云谱区的园地和林地面积分别从2005年的56.23、60.21hm2都减少为0hm2,其碳排放和吸纳量也随之都减少为0Tg。东湖区和西湖区位于南昌市中心城区,主要为建设用地,由于2005—2010年期间其建设用地面积没有发生改变,碳排放量也保持不变。从表3可以看出,南昌市各县区在2010年间均表现为碳排放,其中南昌县的碳排放总量最大,单位面积碳排放量也最大;其次是进贤县;东湖区、西湖区和青云谱区相对来说更少。而单位面积碳排放量属东湖区、西湖区最大。2005—2010年期间,南昌市各县区的碳排放总量均表现为增加,南昌县、新建县和青山湖区的增加量居前三,其碳排放总量分别增加了0.17881Tg、0.18343Tg、0.18144Tg;而青山湖区、西湖区的增加量最少,为4.59E-05Tg。东湖区、西湖区主要是建设用地、水域和其他未利用地,由于其建设用地面积与2005年基本保持一致,所以碳排放总量变化小。单位面积碳排放量除安义县外(减少了7.954E-07Tg),其他各县区均增加,新建县、青山湖区和青云谱区增加量位居前三,分别增加5.62E-06Tg、6.56E-06Tg、6.98E-06Tg。而湾里区单位面积的碳排放量增加最少,为5.88E-07Tg(表2、表3)。根据《南昌市土地利用总体规划纲要(2006—2020年)》得出的2020年各种土地利用方式的面积,再结合上述各用地类型的碳排放系数,对南昌市各县区主要土地利用方式的碳排放量进行了预测(表4)。预测结果为:2020年南昌市各县区均表现为碳排放效应,其中南昌县的碳排放总量最大,高达2.20197Tg,碳排放效应最强;其次是新建县;湾里区的碳排放总量最少,为0.14874Tg,碳排放效应最弱。南昌市各县区的土地利用类型中,对碳排放总量贡献最大的依然为建设用地。水域、其他未利用地和林地作为碳源,虽然其面积占各县区总面积的比例也很大,但最终还是不能抵消建设用地所表现出的碳排放效应。因此,在规划中,应尽量合理地减少建设用地面积,增加林地、水域等碳汇土地利用类型的面积。从单位面积碳排放量来看,青山湖区最大,为3.89E-05Tg;其次是东湖区、西湖区,为3.28E-05Tg;而安义县的单位面积碳排放效应最弱,为2.89E-06Tg。从南昌市各县区来看,到2020年,全市各县区碳排放总量除了东湖区、西湖区表现为减少外,其他各县区的碳排放总量均较2010年有所增加。其中南昌县的增加量最大,为0.39156Tg;其次是新建县,为0.31072Tg;而东湖区、西湖区减少了0.00018Tg。规划过程中,由于对各土地利用方式进行了调整,调整结果为除东湖区、西湖区的建设用地面积保持不变外,其他各县区的建设用地面积均增加,再加上东湖区、西湖区水域和其他未利用面积增加,这就导致东湖区、西湖区的碳排放总量减少。规划中,各县区的耕地面积均呈现出减少的趋势,因此耕地的碳排放量亦有所减少。南昌县、进贤县和安义县林地的碳吸纳均增加,而其余县区林地的碳吸纳能力都下降。从总量上来看,规划年2020年各县区的碳排放相对来说均比2010年增加,单位面积碳排放量也均呈现出增加的趋势。南昌县、新建县和青山湖区增加的量最大,东湖区、西湖区、青云谱区、湾里区和安义县、进贤县相对增加的量较少(表3、表4)。四、建立低碳土地2005—2010年南昌市正处于工业化、城市化快速发展时期,土地利用变化对大气二氧化碳含量的增加起着重要的作用。本文仅从土地利用的角度进行简单的分析,未涉及社会经济运行的其他方面有所欠缺。但总体上,耕地、林地等农用地的减少,建设用地的增加,必然带来碳排放的增加。因此,要构建低碳导向的土地利用体系,可以从以下方面着手:(1)适度退耕还林、还水。林地、水域在土地利用方式中表现为碳汇,而耕地表现为碳源。根据生态建设的要求,在保证一定质量和数量耕地的前提下,可以将由于围湖造田、围河造田和毁林造田等所造成的耕地占用,适当地还林、还水,或者进行耕地休耕,这都会使原来的碳源土地利用方式转化为碳汇。南昌市在规划期间,林地和水域面积不断减少,而耕地的减少主要被建设用地占用,这就使得土地利用方式向碳源地转化,导致南昌市碳排放量逐年增加。针对南昌市各县区单位面积碳排放量的差异,在整个规划期间,南昌县和青山湖区面临着艰巨的碳减排任务。要在保证粮食安全和保护耕地的前提下,对各县区提出相应的基于碳减排目标下的各用地类型面积批准条例,进一步达到低碳土地利用的效果。(2)限制建设用地过度扩张。建设用地是主要的碳源,碳排放总量及强度均最高。南昌市年均碳排放量为0.1253Tg,是其他土地利用类型的几十甚至上百倍,是控制碳排放、实现碳减排的重点。因此,控制建设用地规模总量、节约集约使用有利于实现低碳经济发展。当前,南昌市正处在城市化水平快速发展的阶段,建设用地扩张速度很快,例如南昌县、新建县、青山湖区等,其建设用地在规划期间的年均增长量均高于550hm2。经济的健康有效发展需要各种用地的合理分配与布局,因此南昌市需要进一步加强土地管理,优化配置各县区的建设用地。应该在保证各县区经济发展和社会建设的前提下,控制建设占用农用地和其他用地的数量,有利于调节未来土地利用的碳排放量。(3)优化城市用地布局。