土地利用变化对碳排放的影响

曲福田 卢 娜，2 冯淑怡

(1．南京农业大学公共管理学院，江苏南京210095;2．江苏大学财经学院，江苏 镇江212013)

土地利用变化对碳排放的影响

曲福田1卢 娜1，2冯淑怡1

(1．南京农业大学公共管理学院，江苏南京210095;2．江苏大学财经学院，江苏 镇江212013)

大气中温室气体浓度增加是人类面临的严峻挑战。土地利用变化已成为仅次于化石能源燃烧的第二大温室气体排放源。本文在界定土地利用变化碳排放作用机制及内涵的基础上，从农用地向非农用地转换、农用地内部土地利用以及非农用地内部土地利用三个方面综述了土地利用变化对碳排放的影响。农用地向非农用地的转换会增加碳排放量。农用地内部土地利用变化方面，农田转换为森林或草地能够使土壤和植被碳储量增加，但是土壤碳汇集速率存在一定的差异;农田、森林和草地管理措施对生态系统碳循环的影响目前还存在争议，但基本观点是合理的管理措施能够减少碳排放量。非农用地内部土地利用变化方面，从能源消耗角度考虑，二产用地向三产用地转换会减少碳排放量。因此合理组织土地利用对帮助我国实现碳减排承诺，发展低碳经济有重要意义。

土地利用变化;碳排放;土壤碳储量

气候变化，特别是全球气候变暖是当今人类面临的严峻挑战，是国际社会公认的全球性环境问题。已有研究表明，化石燃料的大量燃烧和非持久性的土地利用等人类活动由于改变了碳素循环的平衡性，导致大气中CO2浓度升高，是造成气候变暖的主要原因［1－2］。由于土地利用变化导致温室气体排放的作用机理更加复杂，不确定性因素更多，因此这一因素成为全球气候变化研究的热点和难点之一。土地利用变化既可以发挥碳源作用，又可以发挥碳汇作用，但事实表明大多数的土地利用变化增加了向大气中排放CO2的总量。1850－1990年间，土地利用变化导致124 Pg碳释放到大气中，约相当于同期化石燃料燃烧释放量的一半［3］。但是Lal认为科学合理的土地利用和管理方式可以重新固定大约60% －70%已耗损的碳［4］，土地利用对减缓碳排放量的增加可以做出一定的贡献。本文将在已有研究的基础上，综述不同的土地利用变化方式对碳排放的影响，以期为如何通过合理组织土地利用来增加碳汇功能，减缓碳排放提供参考依据。

1 土地利用碳排放作用机制及内涵

土地利用碳排放作用机理目前还无统一的说法，但是可以依据已有的生态系统与碳素循环的相关研究进行总结。Houghton认为陆地与碳素循环之间的关系可以分为两大类:一类是影响呼吸、生长以及腐烂分解速率等生理代谢的机制，包含CO2浓度增加，氮沉降以及气候变化等;另一类是恢复机制，包含土地利用和管理的变化对其的影响［5］。Campbell等认为陆地与大气之间碳的净通量主要取决于两个过程:一是土地利用和其他人类活动引起的地表覆被的变化，包含森林砍伐、退耕还林、农田管理等活动;二是自然干扰过程，包含CO2大气浓度的升高、氮沉降和气候变化等过程［6］。以上两位学者关于陆地与碳素循环之间的作用机制虽然描述不完全一致，但是本质是相同的。其中都包括土地利用与管理这一作用机制。赖力将土地利用碳排放机制分为三类:一是自然干扰机制;二是土地利用/覆被类型转变机制;三是土地管理方式转变机制［7］。杨景成认为土地利用对生态系统碳贮量的影响主要取决于生态系统类型(如森林生态系统、草地系统或农田系统等)和土地利用方式(如耕作制度、种植制度和化肥投入等)的变化［8］。

土地利用/覆被变化可划分为两类:转换(Conversion)与渐变(Modification)。转换是指一种土地利用类型向另一种土地利用类型的改变，改变之后生态系统的物理环境和植被功能也发生变化，如林地转变为农田或草地等;渐变则是指某种土地利用类型，其生态系统内部的变化过程，但是物理环境或植被功能不会发生完全的变化，如对森林进行采伐、农田施肥等农田管理措施的变化。结合以上两种土地利用变化类型，本文将土地利用碳排放机制细分为两大类:土地利用类型转换机制与土地利用类型保持机制(侧重于土地管理方式变化引起的土地利用变化)。未包含自然干扰机制主要是因为自然干扰过程不是土地利用的直接反映。

结合土地利用碳排放的作用机制，土地利用碳排放可分为土地利用类型转换碳排放和土地利用类型保持碳排放，总称为土地利用直接碳排放。土地是具有承载功能的，人类的活动，包括经济建设、城市扩展和能源消耗等活动都与土地利用密切相关，并且最终都要落实到不同的土地利用方式上［9］。因此将土地所承载的人类活动引起的碳排放就归纳为土地利用间接碳排放。故土地利用碳排放可分为直接碳排放和间接碳排放两大类，如图1所示。土地利用直接碳排放与间接碳排放并不是完全不相关，两者之间存在一定的交叉点，如直接碳排放类型中的二三产业用地配置变化引致的碳排放变化本质上指的是建设用地所承载的不同产业对能源消耗的差异所引起的，即从土地利用类型考虑归属于直接碳排放，而从碳源角度考虑则归属于间接碳排放。

2 土地利用变化对碳排放的影响

土地利用和土地利用/覆被变化可以直接影响陆地生态系统与大气之间温室气体交换及碳循环过程。本文将分别从农地向非农用地转换、农地内部土地利用变化和非农用地内部土地利用变化对碳排放的影响三个方面对相关文献进行回顾总结。其中，农地与非农用地之间相互转换对碳排放的影响包含直接碳排放和间接碳排放;农地内部土地利用对碳排放的影响主要是直接碳排放，另有部分间接碳排放，包含用地类型转换和管理措施变化对碳排放的影响;非农用地内部土地利用对碳排放的影响主要是产业用地配置变化对能源消耗需求差异所引致的碳排放变化，归属于间接碳排放。

2．1 农地向非农用地转换对碳排放的影响

我国快速的工业化和城市化进程导致不断有大量的农用地，特别是耕地转换为建设用地。在这一转换过程中，植被大量减少，植被对空气中碳的固化作用大大减弱;同时植被残体也将排放大量碳素，土壤对有机碳的固化吸收作用也减弱，故农用地转换为建设用地将导致碳排放量的大幅度增加［10］。姜群鸥研究表明黄淮海平原耕地向建设用地的转移是造成植被碳储量减少的主要原因［11］。也有学者认为这一转换过程是发挥碳汇作用的，如陈广生等认为农田是碳源，城市(不包括城市森林和草地)无植被呼吸，即非工业化碳排放是零，因此我国的农地非农化过程可能会减少碳排放量，但这个结论目前还未有明确的证据［12］。因此在有证据支撑的情况下，从植被对碳的固化作用角度考虑，农用地向建设用地转换会直接造成大量的碳排放。

图1 土地利用碳排放框架图Fig．1 Carbon emissions by land use change

也有学者从能源消耗角度对比分析农用地和建设用地两种用地类型的间接碳排放量。卢娜研究结果表明2008年我国农用地碳排放量仅占不同地类碳排放总量的1．84%;居民点用地及工矿用地和交通用地的碳强度分别为 33．64 t/hm2、47．81 t/hm2，远远大于农用地的 0．03 t/hm2［13］。李颖从宏观角度分析了江苏省土地利用方式变化的碳排放效应，结果表明建设用地对碳排放贡献率高达96%以上［14］。以上研究说明了农用地向建设用地转换会导致间接碳排放量的大量增加。

2．2 农地内部土地利用变化对碳排放的影响

2．2．1 森林、农田、草地和湿地的相互转换

(1)森林向农田、草地转换。森林生态系统是最大的陆地碳库，在全球碳循环中发挥着举足轻重的作用。Houghton对大气中由于土地利用/覆被变化导致的CO2增加的机理和贡献率进行了研究，研究结果表明森林的砍伐和森林向农用地、草地的转变都会导致CO2等温室气体由陆地生物圈向大气中大量释放，但CO2的释放速率受人类利用方式的影响［15］。由于农田耕种措施的采用加速了土壤有机质的分解速率，故森林转换为农田后会有一定比例的土壤有机碳排放到大气中，但是不同研究结果表明受农田管理措施和作物种类的影响，该排放比例并不统一［16］。王义祥将森林向农田转化引起土壤有机碳损失的原因归纳为四点:一是土壤有机质更易于分解;二是呼吸作用和植物残体分解增强;三是物种改变使土壤中碳素分配比例降低;四是土壤易受到侵蚀而流失碳素［17］。因此森林向农田转换不仅会造成大气中温室气体的增加，而且土壤有机碳储量也会有一定的损失。

在大多数情况下，森林的地上(植被)和地下(根系)生物量都是高于草地的，因此，森林向草地转化的过程是碳排放的过程。但也有研究表明森林转换为草地后，其土壤碳储量并不是一直处于减少趋势，大致8年以后草地表层土壤的碳含量能够恢复到转换前森林的土壤碳含量水平［18］。还有研究表明森林转换为草地后，也有可能增加或减少土壤的有机碳库，即土壤是发挥碳源作用还是碳汇作用主要取决于草地类型［19］、管理措施［20］及区域降水量和取样深度［21］等。由此可看出有关森林向草地转换对土壤碳储量的影响还没有一致的结论。

(2)农田向森林、草地转换。众多研究表明农田向森林、草地生态系统转换有利于增加土壤、植被中的有机碳储量。但是，碳在土壤中汇集的时间和速率差别很大，这与恢复植被的生产力和土壤物理、生物学状况以及土壤有机质输入及物理干扰历史有关［8］。我国众多学者对退耕还林后土壤碳储量变化进行了研究。研究结果表明退耕还林初期，土壤有机碳储量表现出下降趋势，随后逐渐恢复甚至高于农田土壤碳储量［22－23］。有关耕地向草地转换对土壤碳储量影响的研究较少。Gebhart等发现美国中部平原地区的耕地转换为草地之后，30 cm厚度土壤中有机碳含量增加 110 g/m2·a［24］。

(3)草地向森林、农田转换。草地转换为耕地或林地后，地上部生物量与土壤层变化情况不尽相同。草地转换为耕地后地上部生物量变化不大，但是土壤层由于受到人类活动的干扰而遭到破坏，引起土壤耕作层碳损失。Wang等研究发现有机碳流失主要发生在耕层30 cm深度，30 cm以下有机碳没有变化［25］。

草地转换为人工林地后，土壤有机碳储量在10年内迅速降低，主要是由于造林过程中对土壤的干扰造成的，之后变化速度减缓并随着地表植被和落叶等残体的增加，其土壤碳储量会不断提高到林地土壤碳储量水平［26］。在干旱、半干旱地区，由于人为干扰强烈、气候变化或过度放牧等原因会造成大量木本植物在草地扩散，这个过程是一个比较缓慢，而且不易察觉的土地利用/覆被变化过程。草地向木本植物这种土地覆被类型转化的后果是土壤养分和碳含量的空间异质性增加，土壤碳含量发生变化。Houghton认为木本植物入侵能够增加植被碳储量，估算结果表明由于木本植物入侵能够使全球在20世纪90年代每年大约固碳0．04 Pg［27］。也有研究表明木本植物入侵能够增加土壤碳储量［28］或维持不变［29］。Jackson的研究却出现相反的研究结果，他认为木本植物入侵草地的过程中生态系统是发挥碳源作用的［30］。可以看出，草地被人为转换为林地后其土壤碳储量会增加;而被木本植物自然入侵后其土壤碳储量的变化研究结论还不一致。

(4)湿地变化。湿地是陆地生态系统重要的碳库之一，其碳储量约占全球陆地生态系统碳库的10%［31］。资料表明，我国的CH4排放源主要来自稻田，约占全国CH4总排放量的一半［32］。有研究认为湿地对CH4的释放量不足以抵消其对CO2的吸收量，因此自然湿地系统是发挥碳汇功能的［33］。郝庆菊研究结果表明如果只考虑CH4和N2O两种气体的综合增温潜力，水田综合增温潜力占沼泽湿地的0．27－0．32，旱田综合增温潜力占沼泽湿地的0.05－0．24，即三江平原沼泽湿地开垦有助于降低温室效应［34］。由于湿地对CO2的吸收和CH4的排放过程较为复杂，故湿地是发挥碳源功能还是碳汇功能还存在较大的争议。

2．2．2 农用地管理措施变化

(1)森林、草地管理措施变化。森林的管理措施包含森林收获、森林砍伐、森林恢复以及森林退化等。森林收获在大多数情况下不会对土壤碳产生影响或影响很小，主要取决于植被类型［16］。Detwiler认为森林的砍伐和燃烧不会导致土壤碳损失，有时还会使之增加，土壤碳减少的原因不是因为砍伐，而是砍伐后土地的利用，如砍伐后变为农田或草地［35］。Johnson总结了48个火烧后森林有机碳的变化，结果表明在10年后土壤有机碳增加，在短期内则没有影响［36］。在森林恢复过程中，固氮物种和化肥(氮肥、磷肥)的施用能够显著增加土壤碳汇集［37－38］。但是土壤碳汇集速率差异较大，主要是由恢复前耕种历史及其空间异质性引起的［39］。由于人类对森林资源的需求，使得原始林转化为次生林，从而打破了原始林相对封闭的养分循环，使原始林面临养分限制的威胁;同时这个转化过程也会造成大量的碳排放到大气中［40］。

世界范围内的草地多存在过度放牧和粗放管理等问题。许多研究表明草地的过度放牧和粗放管理造成大量土壤有机质以CO2形式排放到大气中［41］。由于草地的土壤有机质含量是相当可观的，因此改善草地管理措施不仅能够提高牧草产量，而且能够增加土壤有机质含量。

(2)农田管理措施变化。农田系统也是陆地生态系统一个重要的碳库，除了土壤温度、水分、光照、微生物等因素，农田管理措施的变化对农田系统温室气体排放和土壤碳储量也有着较显著的促进或抑制作用。农田系统CO2排放主要是通过土壤和植被的呼吸作用将植被通过光合作用固定的CO2排放到大气中;在厌氧条件下，土壤有机碳以及一部分植被光合作用固定的碳则以CH4形式向大气中释放［42］。土壤有机质至关重要，因为其既能决定作物产量，同时也是大气CO2的源和汇。农田管理措施通过改变土壤的温度和湿度、根系生长状况以及作物残茬的数量和质量来影响土壤有机质的变化，从而影响土壤有机碳储量。本文将分别综述耕作和施肥措施对温室气体排放和土壤碳储量的影响。

保护性耕作核心内容是指少、免耕和秸秆还田。一般认为少免耕一方面由于节省燃料而能够减少CO2释放量;另一方面由于减缓了土壤有机质的分解速率，导致土壤呼吸作用减弱从而减少CO2排放量［43］。但是美国德克萨斯州不同种植体系下耕作试验却表明常规耕作转为免耕后虽然可以使土壤碳储量增加，但CO2释放量与常规耕作相同甚至更多［44］。许多研究表明，较传统耕作，保护性耕作减少了对土壤的扰动，有利于土壤中CH4的氧化，从而能够减少CH4的排放量。伍芬琳［45］、胡立峰［46］研究表明翻耕或旋耕都促进稻田CH4排放，在无稻全年休闲地CH4排放通量最低。但Rex等的研究表明较深松和翻耕，玉米大豆轮作体系中，免耕排放了更多的CH4［47］。总体而言保护性耕作能够降低碳排放量。

国内外许多研究表明保护性耕作能够增加土壤有机碳含量。Andreas对比分析了加拿大西部的35个少耕试验，结果表明土壤平均每年能够多固定320±150 kg/hm2碳［48］。国内的王成已等通过统计分析，表明长期保护性耕作，农田表土有机碳含量总体呈上升趋势;与少免耕相比，秸秆还田更有利于促进表土有机碳积累［49］。另外合理轮作可以加速土壤碳汇集，在轮作中加入常绿牧草可增加土壤碳含量，且不同作物间的轮作对土壤碳汇集影响不同，如水稻连作土壤碳汇集高于水稻/玉米轮作［50］。但也有研究表明，免耕与少耕对提高土壤碳储量作用不明显［51］，特别是对深层土壤有机碳储量影响不大［52］。总体而言，保护性耕作较传统耕作能够提高土壤碳储量是得到广泛认同的。

有机肥和无机肥单施或配施对土壤CO2、CH4的排放都有显著的影响。Jones观测试验表明增施有机肥，土壤CO2排放量是不施肥的1．6倍［53］;但是 Richard的研究表明长期增施氮肥能够降低土壤微生物的活性而减少CO2的排放［54］。长期单施化肥较有机无机肥配施相比，CO2排放强度提高了55% －85%［55］。CH4排放量大小受施入有机肥的C/N比影响较大，随着含碳量和C/N比的降低而减少［56］。需要注意的是化肥生产是以燃烧化石燃料为代价的，每生产1单位的氮肥要释放1－1．5单位的碳［57］。如果考虑化肥生产过程中对能源的消耗而产生的温室气体排放和化肥施用导致的温室气体排放，采用测土配方施肥技术由于减少了化肥施用量而能降低温室效应。如卢娜采用生命周期评价方法分析太湖流域生产1t水稻，较传统施肥技术，采用测土配方施肥技术能够将温室效应指数降低6．32%，且温室气体减少量主要来源于农资阶段化肥生产过程中对能源消耗的减少［13］。

化肥施用通过两条途径改变土壤有机质动态和碳储量，一是能够提高作物产量，增加土壤中作物残茬等有机质输入，进而提高土壤有机碳含量;二是影响土壤微生物量及其活性，加速作物残茬的分解和土壤矿化的速度，降低土壤有机碳含量。但是微生物活性的提高促进了作物对养分的吸收，从而增加了作物残茬和根有机质的输入。因此施肥能够提高土壤有机碳储量，但如果过分依赖化肥，在提高土地利用强度的同时忽视了有机肥的施用，会使土壤肥力下降［58］。众多研究表明有机肥和无机肥配施的土壤固碳潜力较大［59－60］。

许多研究认为合理的管理措施是引起植被和土壤碳储量增加的主要原因之一，是陆地生态系统未知“碳汇”的重要来源之一［61］。关于不同管理措施对生态系统碳循环影响的研究结论不尽相同，但是基本观点是合理的管理措施(如免耕、科学施肥等)能够通过增加系统碳吸收量或减少碳损失量来固定更多的碳，从而减少碳排放量。

2．3 非农用地内部土地利用变化对碳排放的影响

本文所说的非农用地主要指的是建设用地，其土地利用变化指的是二三产业用地配置变化。在变化过程中，其土壤和植被碳储量受影响较小或几乎不受影响，故较少考虑。由于我国还未公布二三产业用地规模数据，因此目前还未有研究直接依据产业用地规模数据来分析产业用地配置变化对碳排放的影响。一些学者通过问卷调查法［62］、土地用途产业类别法和原土地分类统计法［63］获取产业用地数据。受研究范围和数据获取的限制，以上方法的普适性不高。因为产业用地的配置变化将直接导致产业结构的调整，而不同用地类型所承载的不同产业的能源消耗水平是存在较大差异的，从而碳排放量也存在显著差别。第二产业是我国的物质生产部门，我国在工业化发展初期建立的高能耗、高污染、高排放的产业无疑是碳排放的主要来源，特别是重工业生产;第三产业是非物质生产部门，劳动力使用高于生产资料的使用，对能源的消耗需求小于第二产业，并且对能源效率提高的贡献较大，所以碳排放量较小［64］。因此从能源消耗角度考虑，二产用地配置向三产转移一定程度上是会降低碳排放量的。众多学者从能源消耗角度间接分析产业结构调整对碳排放的影响。马艳等通过理论模型与实证分析得出产业结构调整是影响碳排放的重要因素之一［65］。魏楚等进一步发现以“退二进三”为主导的产业结构调整在一定程度上能够改善能源利用效率，减少碳排放量［66］。卢娜研究表明“退二进三”产业结构调整可以降低碳强度，但是二产用地向三产用地转换对降低处于不同经济发展阶段地区碳强度的贡献是存在一定差异的，即不同地区不能只依靠“退二进三”来实现节能减排目标，还应特别注重二产，特别是重工业能源利用效率的提高［13］。总之，从能源消耗角度考虑，二产用地向三产用地转换会减少向大气中的碳排放量，但对不同地区碳强度的影响是存在一定差异的。

3 结语

土地利用变化是仅次于化石能源燃烧，造成大气中温室气体浓度增加的重要原因，对陆地生态系统碳循环有显著影响，因此其所受关注程度不断增强，成为一个研究的热点。农用地向建设用地的转换会增加碳排放量。我国目前正处于工业化和城市化的快速发展阶段，有大量的农用地转变为建设用地，因此为减缓碳排放应限制建设用地的过度扩展。森林向农田、草地转化会造成植被温室气体的大量排放，但是受多因素限制，其土壤有机碳含量变化趋势及速率不尽相同。农田转化为森林或草地会增加植被和土壤中的有机碳储量，但是土壤碳汇集速率存在一定的差异。20世纪80年代以来我国实行的“退耕还林还草”政策，吸纳了一定比例的人为源碳排放，为减缓碳排放量增加做出了一定的贡献。关于农田、森林和草地管理措施对生态系统碳循环的影响目前还存在争议，但是基本观点是合理的管理措施不仅能够提高作物、林木或牧草的产量，而且可以稳定，甚至增加土壤碳储量，通过增加碳吸收量或减少碳损失量来减少碳排放量。从能源消费角度考虑，二产用地碳排放量高于三产用地，因此“退二进三”成为一些地区实现节能减排目标的产业发展战略，但是对不同地区的贡献还是存在一定差异的。由于土地利用变化内涵较为广泛，目前已有研究多是从各自领域对某一方面的土地利用变化对碳排放的影响进行分析，还缺乏一个系统的分析框架进行全面深入的研究;另外由于人类活动的复杂性，关于定量化研究管理措施对碳排放的影响较少，有待于今后开展长期的试验来进行定量化研究。

作为负责任的大国，我国确定了“十二五”期间单位GDP能耗下降16%及单位GDP碳排放强度下降17%的目标［67］。根据国家发改委能源研究所的低碳情景设定，土地利用结构优化的碳减排潜力约为常规低碳政策的1/3［10］。在土地利用/覆被变化过程中，如果所有适当的管理措施都能够实施，全球每年能够增加5．65－8．71 Pg碳固定(包括淡水和陆地生态系统的管理)［68］。因此土地利用结构调整和土地管理措施等土地利用变化对我国实现减排承诺，发展低碳经济可以发挥至关重要的作用，不可忽视。

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Effects of Land Use Change on Carbon Emissions

QU Fu-tian1LU Na1，2FENG Shu-yi1
(1．College of Public Administration，Nanjing Agricultural University，Nanjing Jiangsu 210095，China;2．School of Finance and Economics，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China)

The increase of greenhouse gas in the atmosphere is now one of the greatest challenge to human beings．Following the burning of fossil fuels，land use change has become the second largest source of greenhouse gas emissions．This paper explored the mechanisms of carbon emissions caused by land use change and reviewed the effects of land use change，including the conversion of farmland to construction land，internal changes of land use in farmland and internal changes of land use in construction land on carbon emissions．The conversion of farmland to construction land increases carbon emissions．Regarding internal changes of land use in farmland，the conversion of cultivated land to forestland or grassland increases the carbon storage in vegetation and soil，while the rate of carbon accumulation in soil varies;the effects of cultivated land，forestland and grassland management practices on ecosystem carbon cycle are still under debate．However，it is generally recognized that appropriate management practices could reduce carbon emissions．Regarding internal changes of land use in construction land，from the perspective of energy consumption，the conversion of construction land used for the secondary industry to the tertiary industry reduces carbon emissions．Therefore appropriate land use is extremely necessary for achieving carbon emission reduction commitments and for developing low carbon economy in China．

land use change;carbon emission;soil carbon storage

X22

A

1002－2104(2011)10－0076－08

10．3969/j．issn．1002－2104．2011．10．012

2011－08－26

曲福田，博士，教授，主要研究方向为资源经济与可持续发展。

冯淑怡，博士，教授，主要研究方向为资源经济与可持续发展。

国家自然科学基金重点项目“农村发展中生态环境管理研究”(编号:70833001);教育部“新世纪优秀人才支持计划”(编号:NCET－10－0494);中央高校基本科研业务费“自主创新重点研究项目”。

(编辑:田 红)