土地利用碳排放效应及其低碳管理研究进展

韩　骥，周　翔，象伟宁1华东师范大学上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室，上海　2002412华东师范大学生态与环境科学学院，上海　2002413华东师范大学地理科学学院，上海　200241



土地利用碳排放效应及其低碳管理研究进展

韩骥1，2，*，周翔1，3，象伟宁1，2
1华东师范大学上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室，上海200241
2华东师范大学生态与环境科学学院，上海200241
3华东师范大学地理科学学院，上海200241

摘要:土地利用是造成全球温室气体排放量迅猛增长的重要因素，但由于土地利用的碳排放在时间和空间上受社会经济活动与自然过程的共同作用，相对自然生态系统碳排放的过程和机制更加复杂，因此，其研究也越来越多地受到包括学者、政府决策者、企业、非政府组织等利益相关者的关注，并被诸多能源与生态环境领域的国内外重大科学研究计划列为核心内容。通过对土地利用的直接和间接碳排放效应及其低碳管理的国内外研究进展进行综述，较全面地对上述研究中已取得的成果以及尚存在的不足与挑战进行了总结，并对未来研究应如何完善现有研究的不足提出了几点展望，以期为科学编制低碳目标导向的土地利用规划提供理论基础和实践管理经验，从而全面引导城市的低碳发展。

关键词:碳排放效应;土地利用;低碳管理;研究进展

韩骥，周翔，象伟宁.土地利用碳排放效应及其低碳管理研究进展.生态学报，2016，36(4):1152-1161.

Han J，Zhou X，Xiang W N.Progress in research on land use effects on carbon emissions and low carbon management.Acta Ecologica Sinica，2016，36(4): 1152-1161.

气候变化因其危害的极端严重性，被视作全球面临的十大环境危机之首，成为当前科学界和国际社会普遍关注的焦点问题［1］。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告指出，近50年全球气候系统的快速暖化，主要是由人类活动排放的二氧化碳、甲烷等温室气体的增温效应所致［2］。因此，减少温室气体排放成为人类减缓和适应全球气候变化的基本途径，也是国际社会保护地球环境的共同责任和义务。

作为关联人类社会经济和自然生态环境的耦合系统，土地利用为开展全球环境变化特别是人为碳排放研究提供了重要的综合视角［3］。一方面，作为陆地生态系统碳源/汇的自然载体，土地利用类型与管理方式的转变是造成全球温室气体排放量迅猛增长的重要因素。据相关学者研究估算［3-4］，1850—1998年间，土地利用及其变化引起的直接碳排放约占同期人类活动影响总排放量的1/3，其在全球碳循环过程中的影响不容小视［3］;另一方面，作为人类生产生活碳排放(约占人类活动影响总排放量的2/3)的社会经济空间载体，土地利用自身虽不直接带来此类碳排放，但它不仅为分析碳源的空间分布以及碳源间的空间相互作用提供了天然的研究框架，而且为从宏观上调控社会经济活动碳排放提供了重要的干预途径［5］。因而，近年来从土地利用角度开展人为碳排放核算、机理与缓减策略的相关研究不断增多，但由于土地利用及其变化受经济结构、政治体制、文化观念、技术状况等人为因素以及地形、气候、土壤等自然因素的共同作用与驱动［6］，相对于自然生态系统碳排放的过程和机制而言，土地利用导致温室气体排放的内在机制更加复杂、不确定性因素更多、空间特征更趋多样，因此一直是全球变化研究的热点和难点之一［3，7-8］。全面核算不同尺度土地利用产生的碳排放量、深入解析其内在发生机理，并以此为基础开展低碳目标导向的土地利用优化调控工作，不仅有助于深入理解人类活动与自然过程通过土地利用影响碳排放的内在机制，同时能够辅助从土地利用规划、国土开发整治等视角引导城市的低碳发展，因而已成为全球变化大背景下世界各国推行低碳经济和实现可持续发展的重大战略需求。

为全面把握当前国内外土地利用碳排放研究的主要内容及最新进展，深入理解土地利用碳排放的内在机理，以及人为碳排放的土地调控机制，本文对土地利用的碳排放效应及其低碳管理研究进行综述，组织结构如下:首先，依照研究尺度、主题内容、模型方法等不同分类体系，从核算和机理两方面总结国内外土地利用直接和间接碳排放效应研究的主要内容和最新进展;其次，从宏观和微观两个层面综述当前低碳土地利用管理研究领域的研究进展，前者侧重于宏观层面上以低碳目标为导向的各种用地类型在数量结构和空间格局上的优化配置，后者则主要指微观层面上的土地利用增汇减排管理措施;最后，通过对上述研究中存在的不足与挑战进行总结，以期为科学编制低碳目标导向的土地利用规划和管理策略提供理论基础和实践经验。

1　土地利用的碳排放效应研究进展

土地利用的碳排放效应是指受人类社会干预以实现生产、生态或社会功能的土地向大气中释放产生碳的过程、活动和机制［2］。由于作用机理不同，其排放可细分为直接和间接两类，其中直接碳排放包括土地利用类型转换(主要指导致生态系统类型更替的土地利用变化，如采伐森林、围湖造田、建设用地扩张等)带来的排放以及土地利用类型保持(侧重于土地管理方式的转变，如农田耕作、湿地旱化、种植制度改变等)的排放;间接碳排放则是指土地利用类型上所承载的人类活动排放，包括聚居区的能源消费碳排放、工矿用地承载的工业过程碳排放以及交通用地上的交通工具尾气排放等，是不同类型土地上碳排放的空间强度和分布效果［5，7-8］。下面分别对土地利用直接和间接碳排放效应的国内外研究展开综述。

1.1土地利用的直接碳排放效应研究

1.1.1土地利用直接碳排放效应的核算研究

核算土地利用产生的直接碳排放量是评估土地利用自身的碳排放效应、理解其内在发生学机理并相应开展低碳优化调控的基础性工作，依照研究尺度，其可细分为国家、区域和城市层面的核算研究;而从核算采用的模型方法出发，则包括经验参数模型、机理模型以及样地清查法、遥感估测法等。

自20世纪80年代开始，国际上已在国家和区域尺度广泛开展了土地利用直接碳排放效应的核算研究。在国家层面，以IPCC在1997年和2007年发布的《1996年IPCC国家温室气体清单指南》和《2006年IPCC国家温室气体清单指南》最具影响力和权威性［2，9］。该指南总结了核算土地利用直接碳排放的方法框架和缺省参数，为把握世界各国温室气体排放量提供了重要参考;与此同时，联合国气候变化框架公约(UNFCCC)、国际能源署(IEA)和世界资源研究所(WRI)等先后发布了世界主要国家碳排放的历史数据，极大推动了世界范围内包括土地利用直接碳排放在内的温室气体清单核算研究的发展［10-12］。中国自20世纪90年代起组织开展了多项包括土地利用直接碳排放在内的国家温室气体清单核算研究，如国家发展和改革委员会应对气候变化司基于1994年和2005年情况编制并发布的官方温室气体清单《中华人民共和国气候变化初始国家信息通报》［13］和《中华人民共和国气候变化第二次国家信息通报》［14］，原国家科学技术委员会和美国能源部联合支持的《中国气候变化国别研究》等［15］。总体来看，国家层面上的土地利用直接碳排放核算研究多采用经验参数模型，并可依据清单编制的精细程度和实际的数据可获得性进行不同层次的温室气体清单核算，大大节省了核算工作量和数据需求。

在区域层面，一些学者沿用IPCC国家清单法对区域土地利用直接碳排放进行了核算［16-17］，但由于IPCC核算体系中的缺省参数偏重于全球或国家层面土地利用的总体特征，难以反映不同区域自然条件、土地利用状况及社会经济制度等的差异性和复杂性，因此国内外大部分研究更侧重于采用机理模型、样地清查法、遥感估测法等核算土地利用的直接碳排放。近年来，一些学者以发达国家和发展中国家为对象，采用基于植被-土壤-气候相互关系的机理模型(如，簿记模型、MIAMI等过程模型，CENTURY等生物地球化学模型)模拟土地利用变化对森林、草地、土壤等生态系统的碳循环影响进而核算它们所产生的碳排放量［8，18-19］，这类模型显著提高了核算精度，但存在较大的区域差异性;一些学者在分析土地利用类型的基础上，根据样地清查法测算森林、草地、土壤的碳蓄积量［20-22］，进而推算不同时间节点间因蓄积量变化而产生的碳排放量，目前该方法是森林生态系统碳蓄积和碳排放测算的主流方法，尤其是在北半球中高纬度地区，例如美国、加拿大、俄罗斯、中国、欧洲等均有自己的森林清查和土地利用变化的广泛记录，使得应用生物量清单方法估算碳储量和碳排放量成为可能;还有一些学者则利用卫星遥感与地图数据估算不同土地利用/覆被类型上的生物量进而推算碳储量及其历史变化［23-24］，该方法可以对区域、国家、甚至全球尺度的碳储量及其变化进行估算，但是结果在很大程度上受土地利用/覆被数据的分类精度，以及碳密度参数选择的影响。

在城市层面，由于城市系统的开放性及受社会-经济-自然系统共同作用的复杂性，核算其土地利用直接碳排放量的方法体系相对上述两个尺度都尚不完善，仅有的一些成果也多见于发达国家和地区。总结起来，该领域的研究工作主要包含以下两个方面:一方面，有关土地利用直接碳排放的全面核算研究，北美、欧洲等发达国家的城市在这方面起步较早，成果也较为丰富。有相当数量的城市加入了名为地方环境举措国际理事会(ICLEI)的非政府组织，使用其提供的温室气体评估和预测软件全面核算城市温室气体排放。该软件的优点在于统一了温室气体排放部门的划分和排放因子，支持不同城市间评估结果的比较，且在多伦多、纽约等城市得到很好的应用［25-26］。但由于ICLEI软件目前只对其会员城市开放，而作为非会员的中国，现有的研究多数将IPCC的国家清单法和缺省参数直接用于城市层面的估算［27］，不确定性较大;另一方面，一些学者采用样地清查法研究了土地利用对城市植被和土壤碳库/碳收支的影响进而推算城市自然组分变化所产生的碳排放量，例如Hutyra等［28］基于美国西雅图都市区不同土地利用类型的碳密度实测数据，结合1986年、2007年的土地利用/覆被分布数据，估算获得了该地区因土地利用类型转变所产生的碳排放量。中国在近些年也逐渐展开了相关研究，然而从整体来看，这些成果多限于北京、上海、杭州等少数城市，而且样地清查法由于成本较高只适合小尺度的研究，且结果往往不确定性较大、可比性较差［29］。近年来随着微气象学涡度相关技术的迅速发展，使得城市地表-大气间CO2交换的直接观测得以实现。但全球的相关监测主要集中在发达国家，中国仅在近几年在北京、上海等少数城市开展了CO2通量的监测［30-31］。

1.1.2土地利用直接碳排放效应的机理研究

深入解析土地利用受人类活动影响而直接向大气中释放产生碳的内在机理，能够为制定低碳目标导向的土地利用规划和管理策略提供坚实的科学基础。由于土地利用-覆被变化可划分为转换与渐变两类，因此这类研究可从土地利用类型转换碳排放和土地管理方式转变碳排放两个方面进行归纳。

土地利用类型转换产生碳排放的机理相对较为直观，其主要通过林木采伐、植树造林等活动影响植物生物量、改变植被碳储量，或者通过改变土壤有机物的输入、改变小气候和土壤条件来影响土壤有机碳的分解速率进而改变土壤碳储量［2-3］，多数情况下，土地利用类型的转换同时对植被碳库和土壤碳库造成影响。近年来，国内外研究主要关注城市用地扩张、农业用地内部转化等主要土地利用转换类型产生碳排放的机理。长期以来，作为土地利用-覆被变化研究的热点领域［28］，城市化带来大量工业碳排放的现象备受关注，但相对而言，城市用地扩张影响区域植被碳储量和土壤碳储量的现象却很少引起关注［31］。近年来，这方面的相关研究逐渐增多，例如Hutyra等研究了美国西雅图市不同土地利用开发强度对植被碳储量的影响，发现城市化导致单位面积植被碳密度呈现出从城市外缘向中心区梯度递减的规律性［28］;Xu等采用样地清查法研究了城市化对上海城市土壤有机碳和无机碳的影响，发现城市化后中心城区的土壤有机碳含量有所增加，而城市扩展区的土壤有机碳减少［32］;杨庆媛等研究了城市化进程中耕地向建设用地转换的碳排放效应，发现土壤对有机碳的固化作用、植被对大气碳的固化作用均明显减弱，同时植被残体分解还会向大气中释放大量碳素，因此这种转换表现为碳源［33］。农业用地内部转化是另外一种全球范围内普遍发生的土地利用变化类型，其主要指自然或半自然覆被类型如森林、草地、农田、湿地之间的相互转化，具体来说更为常见的是森林向农田、湿地向农田以及农田向森林和草地的转化。森林生态系统是最大的陆地碳库，其面积的微小变化均可能引起全球陆地生态系统的较大变化，大多数情况下，由于森林生态系统的地上植被和地下根系生物量均显著高于农田，因此森林向农田转化的过程表现出显著的碳源效应［34］，Houghton等通过实证分析验证了森林砍伐特别是热带雨林地区的毁林开荒现象造成大量温室气体由陆地生物圈释放进入大气［3］;此外，森林向农田转化还会引起土壤有机碳的损失，王义祥等［35］通过文献总结将其中原因归纳为两点，一是理化环境改变导致土壤有机质更易于分解，另一方面则是呼吸作用和植物残体分解增强;同时，Davidson等［36］通过分析总结实验数据发现，森林转化为农田全程将导致约30%的土壤有机碳释放进入大气。反过来，一些学者着重研究了退耕还林、还草等宏观环境保护政策的碳增汇效果，认为工程区内自然环境的改善与植被的恢复和再生长显著提高了植被和土壤的固碳能力，如方精云等［24］基于森林草场清查资料估算了我国近20年的陆地植被碳汇动态变化，发现退耕还林政策实施以来，我国森林面积增长22.6%，由此新增固碳能力达1.6 Pg C;而Poeplau等［37］通过分析欧洲不同类型土壤的长期监测数据，发现耕地变为森林、耕地变为草地所增加的平均土壤有机碳储量分别为(21±13)mg/hm2、(18±11)mg/hm2。湿地旱化也是此类研究的一大热点。作为陆地生态系统的重要碳库，虽然湿地生态系统的碳源/汇关系仍存在较大争议［32］，但公认的是如果其遭到破坏或转化为其他土地利用/覆被类型(主要为农田)，将会产生大量碳排放，主要原因是湿地旱化过程中，由于厌氧环境逐渐消失，湿地表层土壤中的大量有机物加速分解，从而释放产生大量的碳进入大气。

土地管理方式转变碳排放指特定土地利用类型(侧重于农业用地)的经营管理方式转变所驱动的碳排放。由于不同土地利用类型承载着各自相应的经营管理活动，其产生碳排放的内在机制存在较大差异，因此可从用地类型视角梳理总结国内外相关研究，以下选取农田与森林这两种主要的农业用地类型作简要阐述。农田生态系统受人类活动的影响最为剧烈，管理措施的变化对农田生态系统碳排放有着显著的促进或者抑制作用［38］，而这种作用主要体现于对农田土壤碳库的影响。Paustian等［39］研究认为，农田土壤碳排放是气候、人为干扰与土壤生物、物理、化学性质等复杂作用的结果，其本质上受微生物周转速率及酶对土壤有机物的作用控制;曹凑贵等［40］研究了不同稻田管理措施对土壤碳排放的影响，发现不合理的灌溉、施肥与耕作方式将影响土壤微环境，改变土壤微生物活性和酶促反应的底物浓度，进而促进土壤有机质的分解和土壤碳排放。齐玉春等［41］系统总结了灌溉对农田土壤碳储量的影响，认为其主要通过改变土壤有机质分解速率、微生物生物量及其活性、根系生物量等影响土壤碳排放强度;此外，Morugan-Coronado等［42］、Liu等［43］还分别研究了不同灌溉频率和灌溉量对土壤呼吸和碳储量的影响。不同耕作方式如翻耕、免耕等，主要通过改变土壤与空气的接触面积或气体在土壤空隙中的扩散速率来影响农田土壤碳排放。Govaerts等［44］通过大量文献调研，发现大多数情况下免耕较传统翻耕显著增加了土壤表层的有机碳含量，且长期免耕更有利于土壤有机碳的积累。不同施肥方式同样对农田有机碳含量具有重要影响，如吕国红等［45］对比分析了无机肥、有机肥以及无机肥秸秆、无机肥有机肥等配施方式对农田土壤有机碳的影响，发现有机肥和无机肥配施最有助于提高土壤有机碳含量。

作为陆地生态系统的主体，森林较其他生态系统具有更高的生物量和生长量，因此对减缓气候变化具有重要作用［46］，而关于经营措施如何影响森林生态系统的固碳能力，已成为全球变化研究领域的前沿课题。森林生态系统碳库主要由森林植被、凋落物和土壤有机质三部分组成，而影响它们的主要经营管理措施包括树种选择、延长轮伐期、施肥等［47］。大量研究表明，选择生长速率快、寿命长的树种造林，是提高森林固碳量的最有效途径［48］。王祖华等通过调查发现，阔叶林的年固碳量分别是杉木林和马尾松林的4.48和4.57倍［46］，且如果按树种的耐阴程度、演替次序等属性进行混合配置造林，固碳效率将会进一步提高;树种选择也会影响森林土壤的有机碳储量。Jandl等［49］、Schulp等［50］的研究均表明阔叶林的土壤有机碳储量明显高于针叶林，这是由于森林土壤的有机碳主要来源于凋落物分解和根部的周转，阔叶林在生长过程中能够分配较多的生物量到根部，因此土壤碳储量较高;而针叶林的凋落物中含有较多难以分解的物质，使其分解速率减缓，导致土壤碳储量较低。延长轮伐期主要通过改变木材蓄积量影响植被碳储量［46］，其理论基础在于林木生长存在一个“顶点”，在这顶点之前林分的生产力逐年提高，但越过顶点之后，其生长速率开始下降，固碳效率也随之下降［51］。当前，许多地区在林木远未到达“生长顶点”之前便进行采伐，导致林木应有的固碳潜力未得到充分利用，因此一些学者［49，51］建议未来应当通过适当延长轮伐期以增加林分的固碳量。施肥影响森林枯枝落叶层和土壤有机碳含量的机制较为复杂，目前尚无定论，但基本观点是适量施肥能够提高林木的生长量和净生态系统生产力［46］。

1.2土地利用的间接碳排放效应研究

1.2.1土地利用间接碳排放效应的核算研究

土地不仅是陆地生态系统碳源/汇的自然载体，更是人类生产生活碳排放的社会经济空间载体［5］。对不同类型土地上所承载的人类活动碳排放研究，主要包含两方面的工作。一是对人类活动碳排放的核算研究。这类研究主要依赖人类活动的统计数据，如能源活动、工业过程和产品使用、废弃物处理等。由于能源活动排放和工业过程和产品使用排放占所有人为碳排放的70%—90%以上［52］，且大多发生在城市建设用地上，与经济发展和人类生活需求、产业结构等因素密切相关，此外，很多国家在国家-区域层面上都有较详细的分行业以及分燃料类别的能源供给和消费数据，因此国内外大部分研究主要针对此类排放展开，研究尺度也多集中于国家和区域。近期的研究有利用IPCC指南方法结合能源平衡表核算能源活动的CO2排放量，并在此基础上分析其区域间的转移、影响因素、区域差异、经济结构和居民生活方式变化对排放的影响等［53-54］。还有分析单个行业(如工业、制造业、电力、交通等)碳排放的区域特征、未来变化情景和区域发展战略的宏观调控效果等［55-56］。另一方面的研究工作则是在上述碳核算研究成果的基础上，分析不同土地利用类型的碳排放强度。例如，赵荣钦等［57］和Chuai等［58］分别对中国的农业、生活与工商、交通、渔业与水利等产业空间的碳排放强度进行了核算，发现生活及工商业、交通产业空间的碳排放强度较高;张秀梅等［59］通过分析江苏省的建设用地碳排放强度在1997—2006年间的变化，发现碳排放强度与人均GDP呈倒U型曲线关系;Ali等［60］在对巴基斯坦Lahore地区过去40年间能源消耗、碳排放、土地利用的特征进行分析的基础上，发现土地利用尤其是城市用地的扩张与碳排放和能源消耗量成正相关;Zhang等［61］在对深圳市2000—2008年碳源碳汇进行核算的基础上，分析了建设用地和交通用地的碳排放强度，发现强度值呈逐年递增的趋势。整体来看，这类碳源碳汇空间强度研究仍停留在土地利用与能源活动碳排放的关联性分析以及时空特征的简单描述等层面，对于低碳土地利用规划和管理决策的实际指导性不强。

1.2.2土地利用间接碳排放效应的机理研究

国内外有关土地利用间接碳排放效应的核算研究已有大量论述，但到目前为止，对于土地利用如何受人类活动驱动从而导致土地利用间接碳排放变化的机理性研究还十分缺乏。由于城市区域仅占全球陆地面积的2.4%，但却承载了全球80%的温室气体排放［62］，因此这方面仅有的少数研究主要关注城市和区域尺度上城市化对区域碳收支的作用机理。Canan等［63］认为城市化过程对区域碳收支的影响体现在直接驱动力和潜在驱动力两方面。直接驱动力包括城市化带来的土地利用变化造成的森林砍伐和农业用地减少等产生的碳排放以及能源消费碳排放，而潜在驱动力则包括人口、经济、技术、制度和文化等人文因素。一些学者尝试从形态学角度研究城市用地空间布局对社会经济活动碳排放的影响，如Ou等［64］基于我国主要一线城市的土地利用、交通网络与能源消费数据，采用空间面板数据回归模型定量研究了社会经济活动碳排放与城市用地规模、空间布局模式以及景观破碎度之间的关系，得到了三点重要发现:一是城市用地规模与人为碳排放量之间呈显著正相关性，这可以解释为随着城市规模的扩大，其承载的产业和人口规模也随之大幅增长，同时由于我国目前的产业结构仍以工业为主，能源利用效率较低，由此产生的能源消费、工业生产以及废弃物处理等的碳排放量巨大［64-65］;二是城市景观破碎度与人为碳排放量之间同样具有显著的正相关性，Ou等［64］认为主要原因是城市组团的离散分布导致组团之间人流和物流的往来更多地依赖于交通工具，导致交通部门的碳排放量显著增长;三是单中心城市空间布局模式的碳排放效应较多中心模式弱，可能的原因是大规模的城市中心组团能够提供更全面、丰富的社会经济服务功能，从而降低市民、企业等实体获取相应服务所需克服的空间阻力［65］。此外，还有一些学者研究了城市职住空间分布对市民交通出行碳排放的影响，如孙斌栋等［66］采用就业-居住空间均衡指数对上海进行了实证分析，发现近年来上海的就业-居住空间均衡性趋于减弱，导致市民的跨区交通出行增加且平均出行距离上升，交通出行的碳排放效应有所增强。

2　低碳土地利用管理研究进展

2.1宏观土地利用低碳优化调控研究

宏观层面上的低碳土地利用管理指通过研究土地利用与能源消费、社会经济以及地理环境等驱动因素之间的相互作用机制，优化土地利用结构及其空间布局以降低碳排放强度、提高碳汇水平和固碳效率，最终实现低碳环保的可持续发展目标。而土地利用间接碳排放效应的机理研究表明，宏观层面上的低碳土地利用管理是一个多要素、多层次体系，涉及复杂的人类社会经济和政治文化等各个方面［63］。

该领域的研究工作在近些年刚刚兴起，目前还处于起步阶段［67］。国内外一些学者尝试利用紧凑型城市、职住空间均衡等理论探讨低碳土地利用的模式，如Makido等［68］研究发现，紧凑型城市中来自交通出行的碳排放量较分散型城市少，提出未来的城市规划应重视提升城市发展的紧凑度;孙斌栋等［66］通过分析就业与居住均衡对交通出行的影响，认为增加城市用地功能的复合性可降低居民交通出行的碳排放。赵荣钦等［69］分析了低碳土地利用的原则、目标以及模式与对策，并重点从土地利用结构、规模、方式和布局等方面提出了低碳土地利用的模式和对策建议。更多学者尝试运用多学科、多技术的研究手段探讨低碳土地利用模式的实现途径。这类实证性研究主要包括两方面的工作:一是针对城市或区域总体用地开展数量结构的优化，如Jing等［70］通过构建包含碳减排目标、经济效益目标等的多目标规划模型，预测了郑州市不同碳排放强度情景下各种用地类型的数量配置，为国土部门开展低碳土地利用调控提供了定量决策支持;赵荣钦等［69］基于南京市土地利用结构的碳效应评估结果，运用线性规划方法，以碳蓄积、碳排放和碳汇为约束目标，分别建立了基于碳蓄积最大化、碳排放最小化和碳汇最大化的土地利用结构优化模型，并在模拟不同方案碳减排潜力的基础上提出了土地利用优化的政策建议;叶浩引入生态学的碳氧平衡理论，评估了用地定额法、生态安全法等土地利用结构调整方案对区域碳氧平衡状况的影响，并相应提出了土地低碳调控的政策建议［71］。另一方面则是针对某一类型土地独立开展低碳规划与调控，如Aydin等［72］基于不同类型社区的碳排放核算数据，运用碳氧平衡理论，以削减居住用地碳排放为目标，构建了包括社区绿地规划、局部环境设计等措施在内的低碳社区规划体系，并在土耳其的伊斯帕尔塔案例中得到了较好的应用;李信仕等［73］在评估沈阳市绿地系统固碳效率的基础上，针对系统目前存在的景观连续性差、空间分布不均等问题，提出应从构建绿色生态廊道、充实城市绿地内涵、加强植物配置规划等方面增强城市绿地系统的碳汇功能。

2.2微观土地利用增汇减排管理研究

土地管理方式转变碳排放的机理研究表明，在微观层面上针对不同农业用地类型，采取科学合理的经营管理措施，不仅能够显著提高陆地生态系统的碳汇水平和固碳效率，同时还能有效削减碳排放。以下分述农田与森林增汇减排管理措施的相关研究。针对农田，国内外学者主要从提高农田生态系统的土壤碳储量、降低水稻等作物生长过程中的CH4排放出发，优化其灌溉方式、耕作方式、施肥方案等经营管理措施。大量研究表明，以下举措能够有效提高农田生态系统的固碳潜力:①灌溉方式，间歇灌溉较长期淹灌，能有效减低水稻种植过程中的CH4排放［40］;②耕作方式，少耕、免耕等保护性耕作方式较传统翻耕，能有效降低土壤有机碳的侵蚀速率，延长土壤有机质的循环周期［74］;秸秆还田能够增加土壤有机质，避免焚烧造成大量碳的释放［45］;③施肥方案，施用禽畜粪便等有机肥较施用传统化肥，能有效提高农田土壤的固碳潜力［45］。针对森林，国内外学者主要从提高森林生态系统的植被和土壤碳储量出发，优化其树种选择、轮伐期选择、施肥方案、间伐和收获等经营管理措施。大量研究表明，以下举措能够有效提高森林生态系统的植被和土壤碳储量:①树种选择，选择生长速率快、寿命长的树种造林;按树种耐阴程度、演替次序等属性进行混交配置造林［46］;②轮伐期选择，适当延长轮伐期以充分利用森林的固碳潜力，但不超过林木生长量顶点［51］;③施肥方案，向氮贫乏林地施加氮肥以提高林木生长量，但施用量不应超过林木的吸收能力［47］;④间伐收获，林木采伐后就地保留残余枝叶以利于土壤有机碳的保存［46］。

3　研究展望

土地利用是导致全球碳排放总量迅猛增长的重要因素，明确其产生直接碳排放和影响间接碳排放的内在机制，并以此为基础开展低碳目标导向的土地利用优化调控工作，不仅是世界各国重点的科技领域，更是社会经济发展的重要战略问题。通过对当前国内外研究的主要内容和最新进展进行总结，可以发现目前土地利用碳排放效应及其低碳管理的相关研究在以下几方面还有待进一步深入和突破。

(1)土地利用碳排放核算研究。已有研究多在国家和区域层面上开展。这些研究通常基于土地利用-覆被、生态环境、能源统计等数据，利用IPCC国家温室气体清单法、机理模型法、样地清查法、遥感估测法等，从不同时间断面来核算土地利用的碳排放量。未来应加强城市尺度(特别是发展中国家城市)的碳排放核算，同时在核算过程中应重视基础能源数据统计口径的统一化、核算框架和流程的标准化以及排放系数的本地化等工作，以便能从长时间尺度上开展不同城市间的对比研究。与此同时，应当在城市层面上进一步建立并扩大样地清查、碳通量监测等长期监测机制，以更准确地获得不同自然和社会经济条件下的土地利用碳排放数据，提高局地碳排放核算的精度。

(2)土地利用碳排放效应的机理研究。过去更多侧重于国家和区域层面土地利用类型与管理方式的转变对典型自然生态系统碳循环的影响分析，而对于城市土地利用如何受人类活动驱动从而导致碳排放变化的机制研究还有待加强。未来研究应从自然-社会复杂系统的视角出发，利用跨学科的知识和技术手段，在充分考虑人文因素的基础上，深入揭示城市不同用地类型的碳循环特征及城市地类转换的碳排放效应;此外，由于城市碳排放模式具有较强的空间异质性，未来应当加强不同城市之间、不同城市功能区之间碳排放过程机制的对比研究。

(3)宏观土地利用低碳优化调控研究。现有的分析主要从城市总体用地的数量结构、单一土地类型的局部设计等角度开展，同时考虑土地本身在数量结构和空间布局两方面的低碳规划，以及评估各种现行或计划施行的土地调控政策的增汇减排效果的系统性研究还十分缺乏。未来应结合城市社会经济发展计划和土地利用总体规划等宏观目标，从人口规模与结构、产业规模与结构、城市空间形态、城市用地复合性等方面入手，在明确影响土地利用碳排放过程的具体干预点和干预途径的基础上，通过构建情景模拟各种政策的低碳管理效果，最终实现土地利用在数量结构和空间布局两方面的低碳优化。

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Progress in research on land use effects on carbon emissions and low carbon management

HAN Ji1，2，*，ZHOU Xiang1，3，XIANG Weining1，2
1 Shanghai Key Laboratory for Urban Ecological Processes and Eco-Restoration，East China Normal University，Shanghai 200241，China
2 School of Ecological and Environmental Sciences，East China Normal University，Shanghai 200241，China
3 School of Geographical Sciences，East China Normal University，Shanghai 200241，China

Abstract:Land use has played an important role in causing rapid increase of greenhouse gas emissions.As reported in the literature，nearly one third of global carbon emissions during the last hundred years has come from changes in land use/ cover and the transformation of land management modes.In this paper，the latter is called the direct effect of land use on carbon emissions.The remaining two thirds of carbon emissions were caused by anthropogenic activities on different types of land.This is defined as indirect effect of land use on carbon emissions.Unveiling the mechanisms of how land use affects carbon emissions and determining the anthropogenic controls and regulatory countermeasures needed to achieve low-carbon targets are key research subjects with strategic importance for socioeconomic development.However，the mechanisms by which land use affects carbon emissions，especially in rapidly urbanizing regions，are still unclear，and are more complicated than those of natural ecosystems.This is because of the complex nature of land-use influenced both by human socio-economic and natural ecological factors.Thus，research relevant to these issues has been attracting more and more attention from stakeholders such as scholars，policymakers，enterprises，and non-governmental organizations.Such research has been targeted as core content in many scientific research programs in the energy and environmental disciplines around the world.In order to have a comprehensive understanding of the state of the art in land use effects on carbon emissions，book=1153,ebook=265and for low carbon management，this paper summarizes the achievements in the existing literature.It also provides a review of the existing gaps and challenges from the perspectives of carbon inventory accounting，mechanisms of both direct and indirect carbon emissions from land use，and carbon mitigation management.It was found that 1)in past decades，a large amount of research has been conducted on land-use-induced carbon-inventory accounting at both country and regional scales，and on the effect of land use on the carbon cycle of some typical natural ecosystems，such as forests and grasslands.In contrast，studies on the mechanisms of land use change driven both by socioeconomic and natural processes，and on their influence on carbon emissions at city scale，lag behind.2)The current literature on low carbon management focuses more on the planning and regulation of specific types of land use，such as urban green space or residential land，or on the optimization of the amount and composition structure of total urban land.Systematic control and regulating principles，together with roadmaps for detailed implementation，have not yet been provided.Future studies aimed at correcting current deficiencies are proposed to provide the theoretical knowledge and practical experience needed for achieving low-carbontarget-oriented，land-use planning.

Key Words:carbon emission effects;land use;low carbon management;research progress

*通讯作者

Corresponding author.E-mail:jhan@re.ecnu.edu.cn

收稿日期:2014-06-27;网络出版日期:2015-07-09

基金项目:国家自然科学基金项目(41401638);上海市浦江人才计划项目(14PJ1402800);上海市教育委员会科研创新项目(14ZS053)

DOI:10.5846/stxb201406271334