上海市土地利用碳排放测算与分析

郭自强++吴开亚++周峰

摘要：采用2004-2013年上海市分行业化石能源消费数据，并与主要类型土地利用方式相结合，分析10年间土地利用产生的碳排放量变化情况。结果表明，2004-2013年土地利用碳排放量和碳吸收量均呈稳定上升趋势，增长率分别为42.60%和62.88%，但由于生产性土地面积基数较小，净碳排放量已增加至 3 532.790万t/年。工矿用地是最大碳源，年均碳排放量占比达61.3%；而交通用地的单位面积碳排放量最高，且呈先上升后下降的趋势，在2008年达到峰值3.959 t/km2。碳足迹面积远高于上海市实际面积，2013年生态赤字已达67 516 km2。在区域层面，上海市是高强度点状排放源，碳减排压力较大，并从减源增汇角度对土地低碳利用提出了相应对策。

关键词：土地利用；碳排放；强度；碳足迹；上海市

中图分类号：X144 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）21-5479-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.011

Calculation and Analysis on Carbon Emissions from Land Use in Shanghai

GUO Zi-qiang1，WU Kai-ya2，ZHOU Feng1

（1.School of Resources and Environmental Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；

2.National Innovative Institute for Public Management and Public Policy，Fudan University，Shanghai 200433，China）

Abstract： Using the date of fossil energy consumption in Shanghai between 2004 to 2013，and combined with the main types of land use patterns，this study analyzed the change of carbon emissions generated by land-use in the decade. The results showed that the carbon emissions and carbon absorption of land use showed a steady upward trend from 2004 to 2013，with growth rate of 42.60% and 62.88%，but net carbon emissions have increased to 3.532 790 million tons per years. Industrial land was the biggest source of carbon，the annual carbon emissions accounted for 61.3%. The carbon emissions perunit area of traffic land was the highest，rose at first and dropped latter， and reached the peak value of 3.959 t/km2 in 2008. The area carbon footprint was much bigger than the actual area of Shanghai，the ecological deficit in 2013 reached 67 516 km2. In clued，Shanghai was a high strength punctiform emission source，and its pressure of carbon emission was high. At the end，some suggestions for reduce the carbon emission of land use was put forward.

Key words： land use； carbon emissions； intensity； carbon footprint； Shanghai city

气候变化是21世纪人类面临的最严峻挑战之一。化石能源的过度使用加速了地球表面升温的人为过程，在全球范围内增加了极端天气出现频率，同时也会影响局部大气循环，不利于污染物扩散，为雾霾的产生提供了条件。而土地利用方式的变更会影响到生态系统碳循环过程，使得碳汇地成为碳源地[1]。由于大部分人类经济活动集中于城市区域，加上近些年中国快速的城市化进程，土地利用结构的改变对碳排放和气候变化的影响愈加强烈[2]，所以基于低碳目标的土地利用方式已成为碳减排研究热点[3]。从宏观角度有国家和省际层面碳核算[4，5]及森林、草地等陆地生态系统碳汇过程研究[6，7]；在微观层面有对行业[8]、建筑和交通通勤[9]与碳排放方面研究。

由于城市空间是高度密集的人類活动区域，能源消费量高且分布集中，所以其土地利用方式对碳循环过程的影响有重要作用[10]。而上海市是中国的经济中心，工业化程度高，同时由于地处长江河口，拥有丰富的生物、淡水和湿地资源。因此，本研究以上海市为例，分析2004-2013年上海不同类型土地利用方式的碳排放与吸收情况，对单位面积土地碳排放强度及碳足迹进行对比分析，探讨土地变化对碳排放的影响。

1 研究方法与数据来源

土地利用产生的碳排放是通过终端能源消耗间接估算，根据李璞[11]关于土地利用类型与碳排放项目关系的研究，将主要行业能源消费碳排放与相应土地类型对应。而碳吸收量是由生产性土地面积乘以相应碳汇系数直接计算得出，公式如下：

Ce=∑Ei=∑Nt×βt

Ca=∑Aj=∑Sj×Tj

式中，Ce为总碳排放量（万t），Ei为第i种土地类型所产生的碳排放量（万t），Nt为与土地利用方式所对应行业t种能源总消耗量（万t），βt为能源碳排放系数。Ca为碳吸收量（万t）；Aj为第j种生产性土地碳吸收量；Sj为第j种生产性土地面积；Tj为碳源系数。

研究采用上海国土资源局2004-2013年上海市土地变更数据，以及上海土地利用总体规划。能源消耗数据来自各年份《上海工业能源交通统计年鉴》（2002-2011年）、《上海能源统计年鉴》（2010-2013年）。上海市主要能源碳排放系数采用赵敏等[12]关于上海能源消费碳排放研究（表1）。林地碳汇系数为380.8 t/（km2·年）[13]，草地碳汇系数为94.8 t/（km2·年）[7]，同时根据Cai等[14]关于水稻种植过程甲烷排放评估研究，以水稻种植为主的上海市耕地在抵消碳汇能力后碳源系数为42.9 t/（km2·年）。

2 结果与分析

2.1 上海土地利用现状与能源消费现状分析

上海市自近代以来长期为中国的经济中心，人口众多经济发展水平相对较高，但受地理位置限制可利用土地资源较少，在城市化快速推进的过程中，不断膨胀的城市规模只能占用其他土地资源。从上海市主要土地类型结构变化（图1）可以发现，耕地面积萎缩量最大，其面积所占比例从2004年的47.73%下降到2013年的32.04%。通过耕地的开发改造，其他类型土地面积均有增加，其中建设用地面积上涨最多，独立工矿、居民点和交通用地面积比例共增加了9.33个百分点。但扩张速度最快的土地类型却是园林和草地，得益于上海的城市绿化和新型都市农业建设成果显著，果园、林地和人工草地总面积在10年间增加了2.45倍，截至2013年已占上海市总面积的13.14%。

2013年上海市单位生产总值能耗已降至0.545 t标准煤/万元，处于全国领先水平。但能源消费总量在过去20年中呈不断增长趋势，至2013年已达11 703.67万t标准煤，相比1990年增长了266%。各类能源消费量变化情况差距明显，以1990年各类能源消费量为基数1，对比不同种类能源消费量增速。由图2可以看出，天然气消费量增速最快，2013年消费量已增长了33.64倍。这得益于2004年西气东输工程开始向上海市供气，以及东海平湖油气田和马来西亚LNG项目供给的天然气田，使得上海市有着充裕的天然气供给。另外由于上海航空运输业飞速的发展扩张，航空煤油的大量消费导致煤油增速也较快，至2013年增长了20.5倍。与此相反的是作为传统能源的煤炭消费量23年间只增长了1.43倍，说明上海市能源结构在此期间逐渐发生改变，煤炭等传统高碳基能源逐渐被更加清洁的低碳基能源取代。

2.2 上海市土地利用碳排放量

根据上海市2004-2013年各能源消费部门主要能源品种消费量，并结合相应碳排放转换系数，估算出主要行业碳排放量。同时将各行业碳排放项目与土地利用类型相对应[13]，得出上海市不同土地利用方式的碳排放量（表2）。由表2可以看出，碳排放总量总体呈增长趋势，从2004年的2 493.005万t增加到3 554.623万t，10年间涨幅达到42.60%。各类土地碳排放所占比例中独立工矿所占比例最高，在2004年达到61%，随后呈下降趋势，直至2013年降至60%。其余类型土地碳排放均有增加，交通用地碳排放增长比例最大，达到79%，主要由于近年来汽车市场呈井喷式增长，汽车等移动排放源大量燃烧汽油柴油所致。由于上海市居民生活水平的提高以及娱乐服务业的发展壮大，和生活服务相关的能源活动增加导致城镇用地碳排放量上升明显，其排放量以年均8.06%的速度增长，截至2013年达448.763万t。在农业用地中虽然耕地农作物在生长过程中，吸收大气中的二氧化碳积聚在体内有机物中，但由于其同时也产生甲烷（水稻），所以也为碳源地。另外，由于上海市农业生产的机械化发展，农业生产工具消耗汽油和柴油增加导致农业用地碳排放量也逐年上涨。碳汇地吸收碳总量也呈持续增长趋势，这是因为城市绿化和新型都市农业的发展，林地和草地面积在10年间明显增加，但由于这两类土地面积基数较小，无法改变碳排放总体上涨的趋势。以上结果说明在上海市主要土地利用类型中，工业用地作为主要碳排放源的地位正逐渐被削弱，交通和城镇用地是今后碳减排工作的重点，林地、草地等碳汇地仍需持续保护建设。

2.3 土地利用方式与碳排放强度

为了更加直观对比各类土地碳排放状况，将各碳排放量项目除去对应土地面积，换算出相应土地碳排放强度（图3）。由于交通用地是城市交通运输的载体，多种交通工具在运行使用中呈密集的线状排放源，所以碳排放强度成为最高的土地类型，平均约占总碳排放强度的59%。而独立工矿由于较多的能源消耗，其碳排放强度也维持在较高水平。从2004-2013年纵向对比结果可以看出，城镇用地排放强度增加幅度最大。碳排放强度前期升高因经济快速发展，且这种快速增长是建立在大量能源消耗的基础之上。但随着近年来产业结构的调整以及技术能力的改进，单位产值能耗逐步降低，致使单位面积土地的碳排放量也随之下降。

2.4 土地利用碳足迹

将各土地能源消费碳排放总量除以生产性土地单位面积年碳吸收量，计算出吸收全部碳排放量所需生产性土地面积，即土地能源消费的碳足迹。将碳足迹除去对应土地类型的面积，即得到单位面积碳足迹（km2/km2）。通过对比2004年与2013年碳足跡及单位面积碳足迹可知，上海市土地能源消费碳足迹远大于实际生产性土地面积，以致在2013年生态赤字达到67 516 km2。在各类土地碳足迹中，独立工矿碳足迹最大达到43 395.60 km2，占总碳足迹的57.9%，交通用地和城镇用地次之，而耕地低于其他土地类型（表3）。在单位面积碳足迹中交通用地最高达到56.04 km2/km2，其次是独立工矿和城镇用地，这样的结果与土地总碳排放量和单位面积碳排放强度具有较高的相似性。

3 小结与讨论

3.1 小结

1）以上分析研究表明，由工业用地、城镇用地和交通用地组成的建设用地是上海市的主要碳源，其碳排放量所占比例已达到93%以上。在碳吸收项目中，林地成为上海的主要碳汇地，且其碳吸收量呈持续增加趋势，但相比于能源消耗产生的碳排放量其贡献微弱，无法改变净碳排放量增长的趋势。

2）通过比较上海市碳排放强度和碳足迹发现，上海市总碳排放强度相对处于较低水平，但却处于稳定上涨趋势中，在10年间增长了1.5倍。建设用地中由于交通用地相对面积小，碳排放源呈密集的线状，使得其碳排放强度远高于其他类型土地，且碳排放强度呈先增长后下降类型，在2008年达到峰值3.959万t/km2。由于土地利用总碳足迹达到67 516 km2，产生的生态赤字远高于上海实际面积。

3.2 促进土地低碳利用对策讨论

1）控制建设用地扩张，增强土地碳汇能力。建设用地是碳排放密集型的土地，是工业、交通、城镇居民生活的载体。实现土地低碳利用首先要优化建设用地的功能区划，倡导紧凑型城市发展模式。鼓励现有工业用地进行技术改造和产业升级，发展服务业、高科技产业和新型都市工业。同时需增加土地的碳汇能力，加大退耕还林还湖力度，保护现有林地和滩涂湿地资源，对城市绿化系统持续改善，有计划地、合理地开发农用地资源。

2）提高能源利用效率，优化能源结构。以上海外高桥第三电厂100万kW超临界机组为代表的上海火电系统，发电煤耗率在2013年已降至287 g/（kW·h），虽在全国属一流水平，但相比发达国家仍有进步空间。由于上海市有着广袤的海岸线和滩涂且地势平坦，在沿海区域平均风速达到4.5～5.5 m/s，有着丰富的风力资源。加上近年来国家和上海通过产业扶持和政策补贴，以及国产风电装备研发制造进步和光伏发电成本的下降。上海在风能和太阳能等清洁能源领域中建设成果显著，尤其是海上风能和分布式光伏发电已成为主要新能源。

3）提高城市交通效率，减少交通系统碳排放量。首先应合理规划城市空间结构和功能区划，减少总出行里程。其次应建立便捷、高效的公共交通系统，建设与城市结构、人口布局相适应的轨道交通。同时促进新能源交通汽车发展，布局城市自行车系统，提倡环保节能出行方式，对交通用地低碳化均有重要作用。

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