土地利用结构、经济发展与土地碳排放影响效应研究*——以乌鲁木齐市为例

樊高源，杨俊孝

(1.南京农业大学公共管理学院，江苏南京 210095；2.新疆农业大学管理学院,乌鲁木齐 830052)

·生态农业·

土地利用结构、经济发展与土地碳排放影响效应研究*
——以乌鲁木齐市为例

樊高源1，杨俊孝2※

(1.南京农业大学公共管理学院，江苏南京 210095；2.新疆农业大学管理学院,乌鲁木齐 830052)

目的在测算乌鲁木齐市土地利用碳排放的基础上，分析其土地利用结构、经济发展与土地碳排放间的关联效应，为乌鲁木齐市低碳土地利用提供参考。方法改进型灰色关联度模型、环境EKC模型。结果(1)土地利用净碳排放总量递增趋势，净碳放量的持续上升显著地受建设用地碳排放增长的影响；(2)不同地类结构变化对土地利用碳排放影响效应呈现不同特点，建设用地对碳排放影响效应呈下降趋势，而耕地则在上升；(3)经济发展促进了碳排放增长，但在2014～2015年之间达到拐点，验证了环境库兹涅兹曲线的存在。结论(1)推动增汇减排工作，抑制农用地转用，增加陆地生态碳吸收量；(2)发展低碳经济，提高能源利用效率和改善能源利用结构，降低建设用地碳排放；(3)深入推行“多规合一”，提高土地利用宏观调控效率和低碳生态城市建设。

土地利用 碳排放效应 EKC曲线 灰色关联度模型 乌鲁木齐市

0 引言

温室气体排放导致的全球变暖对生态系统可持续性已造成严重威胁，当前政府大力提倡发展低碳型经济。研究表明，土地利用/覆被变化(LUCC)在陆地生态系统碳循环中有着强烈的碳源效应[1-2]，土地利用碳排放是仅次于化石燃烧的全球第二大碳排放源，对全球气温升高具有显著促进效应[3]。区域工业化、城镇化的快速推进带来经济高速增长的同时，也对土地利用结构及其碳排放等造成强烈影响。土地利用变化对土地利用碳排放造成深刻影响，因此基于土地利用的碳排放成为时下热点，如陆地生态系统碳收支平衡的核算[4-6]，土地利用覆被变化与碳排放的作用机理、关联效应研究[7-11]、土地利用碳排放影响因素的研究[12-13]、土地利用碳排放与经济发展之间的关系[14-16]等方面。然则对于土地利用结构变化以及经济发展对土地利用碳排放综合关联效应鲜有系统性探讨。土地利用结构变动是以经济发展为前提，经济发展是土地利用结构变动的直接因素，城市化、工业化的进程对不同土地利用类型的需求导致了土地利用结构的急剧变动。土地利用结构变动的直接结果是导致了主要碳汇用地面积持续减少，碳源地面积持续增加；社会经济发展的直接结果是人口集聚、资源消耗过度，导致建设用地碳足迹持续上升。而农用地特别是耕地大量减少，导致农业生态系统碳汇能力持续下降；建设用地面积的持续扩张使得承载于其上的资源利用、能源消耗等活动日益剧烈，导致能源消耗的碳排放持续增长。文章立足干旱区城市乌鲁木齐市，分析土地利用碳排放变动趋势，对其经济增长及土地利用结构变化与土地利用碳排放间的影响效应进行研究，以期为乌鲁木齐市在经济发展中合理的土地利用提供建议。

1 研究方法与数据来源

1.1 土地利用碳排放测算

土地利用碳排放包括直接和间接碳排放，直接碳排放主要是耕地、园地、林地、牧草地、水域及未利用地的碳排放，间接碳排放指建设用地碳排放。其中，耕地同时具有碳源和碳汇效应，因此对耕地碳排放的测算分别从碳源和碳汇两方面计算。

耕地在碳排放上主要考虑以下3类：一是农用物资的生产和使用导致的碳排放，主要包括化肥、农药、农膜、农用柴油；二是灌溉过程电能消耗造成的碳排放；三是翻耕对土壤有机质的破坏造成土壤碳氮流失。耕地在碳汇上较为成熟的方法是生物量换算法，即通过农作物的经济产量来换算其碳汇总量。因此耕地碳排放计算公式为：

(1)

式(1)中，Ea表示耕地碳排放量；Ti为各种碳源；δi为碳源折算系数。其中化肥、农药、农膜、柴油、翻耕及灌溉排放系数分别取0.895 6、4.934 1、5.18、0.592 7、312.6和266.48kg C/kg[17-22]。

耕地碳吸收采用生物量法计算公式为：

(2)

式(2)中，Ca表示碳汇量；ci、Dwi、ri、Hi表示第i种农作物合成单位有机碳的碳吸收量、生物产量、含水量及经济系数，文中碳吸收率、含水量及经济系数见王秀兰[23]、韩昭迎等[24]研究。

对于园地、林地、牧草地、水域及未利用地的碳排放，该文采用直接碳排放系数法计算，其公式为：

Ebj=Sj×ηj

(3)

式(3)中，Ebj为第j类土地利用类型碳排放量；Sj为第j类土地利用类型面积；ηj第j类土地利用类型碳排放系数。根据研究文献和研究区实际，对于园地、林地、牧草地、水域和未利用地的碳排放系数分别取-0.524、-0.577、-0.066、-0.303和-0.005 t C/(hm2·年)[25-30]。建设用地作为人类现代经济社会的主要载体，其碳排放量主要是承载在建设用地上的城乡居民生产生活消耗、交通工具燃料消耗、工业企业对化石能源的生产和消耗等。其计算公式为：

(4)

式(4)中，Ec为建设用地碳排放量;em为第m中能源消耗所产生的碳排放量;Am为第m中能源消耗量;σm为第m种能源折标煤系数;φm为第m种能源碳排放系数。σm、φm取值见表1。

表1 各种能源折标煤系数和碳排放系数

1.2 灰色关联度模型

20世纪80年代邓聚龙[31]提出的灰色系统理论，随后发展出灰色关联度模型。该模型在测度因素之间发展的相似或相异程度中能够很好地解决“小样本、贫信息、外延明确、内涵不明确”的问题，并且能够明显的规避回归分析中的种种弊病和不足，因此得到广泛应用。模型认为被比较因素与影响因素之间变化趋势具有一致性，则二者具有较高关联程度；反之，认为关联程度较低[32]。由于传统的灰色关联度模型只能反映正相关关系，无法反映负相关关系，该文根据土地利用碳排放研究的实际，运用改进的灰色关联度模型，分析土地利用结构变化对碳排放量的正负关联效应[33]。

设碳排放量为比较数列X0={x0(t)}，t=1，2，…，n，各地类面积为参考数列Xi={xi(t)}，t=1，2，…，n，i=1，2，…，7，式中t表示年份，i表示土地地类。具体计算方法为：

(1)对比较数列和参考数列做一次累减：

Y0=x0(t+1)-x0(t)；Yi=xi(t+1)-xi(t)

(5)

(2)求相对变化率：

(6)

(3)求X0与Xi的关联系数ε及比较数列与参考数列的关联度ξ：

(7)

式(5)～(7)中，Yi(t)与Y0(t)同号取正异号取负，∣ξi∣≤1，ξi大于零时表示正相关，∣ξi∣值越大相关性越强。

1.3 数据来源

土地数据来源于《新疆国土资源综合统计资料册》(1996～2008年)乌鲁木齐市国土资源局土地利用变更调查资料(2009～2013年)。社会经济与能源消耗、人口等数据来自相关年份《乌鲁木齐市统计年鉴》、《新疆统计年鉴》。历年化肥施用量、灌溉面积、农作物播种面积及产量、农药、农膜、农用柴油来源于《乌鲁木齐市统计年鉴》(1996～2013年)。

为研究不同地类土地利用碳排放，将土地分类统一按《土地利用现状分类》(1984年)重新进行划分调整，并将水利设施用地单独划出至建设用地。同时从提高研究结果的可操作性和精确性出发，该研究根据各地类定义范围对一些地类进行了调整，调整后的土地类型分为7类，即耕地、园地、林地、牧草地、水域、未利用地、建设用地(居民点及工矿用地、交通运输用地、水利设施用地)。

2 土地利用碳排放效应分析

2.1 研究区土地利用情况

图1 乌鲁木齐市土地利用结构状况

截止2013年，乌鲁木齐土地总面积为128.745万hm2(不含兵团)，农用地面积86.486万hm2，其中耕地6.431万hm2，占土地总面积的5.00%；园地0.152万hm2，占土地总面积的0.12%；林地7.778万hm2，占土地总面积的6.04%；牧草地72.124万hm2，占土地总面积的56.02%。建设用地8.007万hm2，其中城镇村及工矿用地5.636万hm2，占土地总面积的4.38%；交通运输用地1.346万hm2，占土地总面积的1.05%；水域及水利设施用4.000万hm2，占土地总面积的3.11%；未利用地31.276万hm2，占土地总面积的24.29%(图1)。

各地类结构为适应经济社会发展的需要总是处于不断变化中，随着新型工业化、城镇化的推进，城市发展必然导致建设用地的强烈需求。乌鲁木齐市在经济发展中，政府通过土地征收进行城镇化建设，由于耕地育成率低于转出率，经济在快速发展的同时，耕地数量和质量出现持续下降。因此，严格实行城乡建设用地增减挂钩、限制农用地尤其是耕地的转用成为了政府绩效考核的一部分。各项用地中耕地、园地变动幅度最大，其中耕地面积自1997年呈现逐年总体下降趋势，其间虽出现小幅回升，但从总体趋势来看其面积仍将处于减少或不变处境，至多出现小幅增长；园地则是先增后减，由1996年的0.124万hm2上升至2008年的峰值0.336万hm2，之后处于逐年减少状况；林地、牧草地面积变化幅度较大，但林地面积总体处于增长现象，牧草地面积则逐年下降；而城乡建设用地中的居民点及工矿用地、交通运输用地增幅较为迅速。各地类中水域及水利设施变化用地较为稳定，变化幅度不大。受城镇化趋势影响，自1996年以来，农用地面积整体处于下降趋势，历年未利用地经开发面积也呈下降趋势。总体而言各地类用地结构变化十分明显，受工业化、城镇化等非农建设因素影响，建设用地面积增幅远大于农用地面积下降幅度。

2.2 土地利用碳排放量分析

根据式(1)～(4)，可得乌鲁木齐市不同地类土地利用碳排放量及其变化特征。由表2知，乌鲁木齐市土地利用净碳排放量总体呈逐年上升趋势，由1996年的643.42万t上升到2013年的2 161.05万t，年均递增率达7.39%。净碳放量的持续上升显著地受建设用地碳排放的影响，碳排放源中建设用地贡献了约99.40%，是最主要的碳排放源，其排放主要来自于承载建设用地上的居民生活、能源消费等能源资源消耗引起，这些很显著的表征了乌鲁木齐市作为西部干旱区城市，在产业发展中的资源、技术和资本等方面限制，决定了乌鲁木齐传统化石能源消费为主的资源禀赋特点，而在发展高科技行业、绿色产业等低碳产业发展上滞后的能源消耗格局。耕地作为同时兼具碳汇和碳源效应的地类，总体上呈现出碳汇效应，但其碳汇效应整体上呈递减趋势，主要是农业机械化以及化肥、农药、地膜等因素导致的耕地碳排放激增导致。受播种面积影响，耕地碳汇效应在1996～2013年间碳吸收量呈波动性“下降-上升-稳定”趋势，由-17.09万下降到2008年的-10.33万t，之后平稳上升并趋于稳定。林地在研究期间碳汇效应逐年递增，而同期牧草地碳汇效应则趋于下降趋势，园地也是出现“上升-下降”的趋势，这些变化显著受各地类面积增减影响。其他具有碳吸收能力的地类如水域以及未利用地由于土地利用面积相对较为稳定，碳汇能力并未出现较明显变化。

表2 不同地类碳排放量变化 万t

3 实证分析

3.1 土地利用结构变化对土地利用碳排放的影响效应

1996～2013年间，受国家城镇化、工业化趋势以及西部大开发等相关政策影响，同时乌鲁木齐属于典型的能源消费型城市，其土地利用碳排放效应变化十分明显。乌鲁木齐市该文将研究期间划分为“1996～2000”、“2001～2005”、“2006～2010”、“2011～2013”4个阶段，由式(5)～(7)得出不同阶段的土地利用结构变化碳排放效应。由表3、图2知，耕地在前3阶段对碳排放的影响效应均为负效应，而在2011～2013则为正效应，在不同阶段，伴随着耕地数量的减少，耕地对土地利用碳排放的负效应逐渐下降，其碳排放影响效应依次为1996～2000(-0.963 1)、2001～2005(-0.922 7)、2006～2010(-0.449 4)、2011～2013(0.987 3)。耕地在其碳源与碳汇的双重功能下，整体碳汇能力虽然在上升，但是耕地的源汇比在逐年下降，耕地虽是最大的碳汇，但是对于在碳排放总量占绝对优势的建设用地而言十分微小；随着耕地数量的减少以及农用物资的大量施用等现代农业生产趋势，如农用塑料薄膜、化肥农药等的大量使用以及农业机械化的发展，造成耕地质量下降以及面源污染日趋严重，导致耕地对碳排放的影响逐渐表现出促进效应。园地在1996～2000、2011～2013期间对碳排放变化表现为负效应，2001～2005、2006～2010期间为正效应，且在2001～2005的关联效应最大，达到0.957，研究期间园地面积的增加是促进其碳汇量增加的关键，因此对土地利用碳排放量造成较大的正效应，而其他时段由于园地面积变化小幅度减少，但对土地利用碳排放的影响效应并不明显。林地、牧草地在各个阶段面积有增有减，对土地利用碳排放的影响效应也处于不断变化中；建设用地各地类在前两个阶段为正效应，而到后两个阶段则转变为负效应。研究期间，建设用地各类建设用地面积持续上升，导致大量的碳排放产生，其原因在于：乌鲁木齐市实施“蓝天工程”等清洁生成模式之前，建设用地的持续扩张导致的高碳排放。而在其实施技术改进、清洁生产、节能减排等政策和技术手段后，建设用地碳排放虽然在上升，但是碳排放强度相比增加，碳排放增长趋势得到一定的缓解，因此对整个土地利用净碳排放均有极高的影响效应。

表3 土地利用结构变化与土地利用碳排放量关联效应

图2 土地利用结构变化与土地利用碳排放关联度变化

图3 土地利用碳排放与人均GDP变化关系

3.2 经济发展对土地利用碳排放的影响效应分析

环境库兹涅兹假说认为环境污染与经济发展之间存在着多项式的函数关系，即倒“U”型，它表征经济收入在提高到一定水平后，环境压力会随着收入的进一步提高而出现下降趋势。限于经济发展水平的不同程度，实际情况中也有呈现出“U”型、“N”型、倒“N”型等多种函数关系。该假说认为经济发展水平在达到一定程度之前，环境质量不得不经历一个叫糟糕的过程的逻辑[34]。其基本模型是：

(8)

式(8)中，a、b、c为系数；Et为t时刻的环境压力，常用的指标有污染物排放总量、强度等因素，该文研究选取土地利用净碳排放强度(t/hm2)表示；Yt为t时刻的经济产出，该文选取人均国内生产总值(万元/人)。

通过运用Eview6.0分析得出土地净碳排放与人均GDP的回归结果，R2=0.988，模型拟合度较高，并通过t统计量检验，Sig.=0.00，其回归方程为：

由回归方程得知，乌鲁木齐市土地利用净碳排放总量与人均GDP之间呈现倒“U”趋势(图3)，其碳排放的拐点在2014年(7.126，2 229.134)和2015年(7.867，2 216.999)之间，拐点临界值为(7.307，2 230.554)，即当人均GDP达到7.307万元临界水平后，随着人均GDP的进一步发展，土地利用净碳排放总量将会出现下降趋势。在人均GDP达到7.307万元之前，碳排放强度将会随着人均GDP的增长而出现协同增长。根据研究结果，在经济发展达到一定程度后，其经济发展水平与土地利用净碳排放总量之间存在明显环境EKC现象，该结论符合Andreoni等[35]的研究结论，即经济发展在达到一定规模时其环境治理效果具有正向递增效应。而事实上是，乌鲁木齐市在其经济发展过程中每年置于环境保护的投资也呈逐年递增趋势，表明乌鲁木齐市在经济发展中立足低碳城市建设，致力于环境污染的治理的宏观政策，对碳排放总量控制起到积极作用。

4 结论与建议

4.1 结论

该文基于建设用地能源消耗视角对乌鲁木齐市土地利用碳排放进行研究，在测算乌鲁木齐市在土地利用净碳排放量的基础上，分析了土地利用结构变化、经济发展对土地利用净碳排放的影响效应，可知：

(1)乌鲁木齐市土地利用净碳排放总量递增趋势，净碳放量的持续上升显著地受建设用地碳排放的影响。碳汇上，各地类碳汇能力差异性明显，其中耕地、林地碳汇能力持续上升，园地出现“上升-下降”趋势，牧草地持续下降趋势，建设用地碳排放量持续上升。

(2)农用地碳排放显著受地类面积变动影响，其中耕地的碳汇能力最大，园地、林地、牧草地对土地利用碳排放的影响效应呈正负波动性变化，原因在于不同地类在发展不同时期因经济发展和生态建设需求而出现了不同程度的变动；能源利用效率、技术进步等因素对建设用地各地类具有较强影响，如能源效率改善和技术进步后建设用地对土地利用碳排放强度的影响效应为负效应。

(3)在未达到较高经济发展水平的情况下，经济的持续增长促进了土地利用碳排放增长，但在达到拐点之后，碳排放呈现下降趋势。表明碳排放发展并不随着经济持续增长而持续上升，验证了乌鲁木齐市土地利用过程中环境库兹涅兹曲线的存在。

4.2 建议

(1)增汇减排，加强对土地利用的宏观调控与布局，抑制农用地转用，着力提高土地利用碳汇能力。低碳化发展不仅要求从碳源上有效遏制碳排放，还应尽可能增加碳汇，通过造林、生态系统的恢复、建立农林复合系统、加强森林可持续管理等措施可增加陆地生态碳吸收量，同时提高城区绿化覆盖率，进一步增加全市林地面积，并结合干旱区城市实际情况，在生态用水供给能力范围内积极开展碳汇林建设。

(2)提高能源利用效率和改善能源利用结构，降低建设用地碳排放，从整体上降低净碳排放的增长趋势，通过调整产业结构、加快技术研发、完善激励政策和动员全民参与，实现低碳城市建设。要将发展非化石能源作为调整能源结构、建设低碳城市的重要抓手，大力推进太阳能光伏发电、风电等能源项目建设；大力推广天然气等清洁能源的应用，拓展应用领域，提高普及率。实施清洁生产，最大限度地控制工业生产过程中的能源浪费和温室气体排放，加强发展农村沼气建设和城市垃圾焚烧发电、填埋气发电等项目建设。

(3)抓住乌鲁木齐市建设“低碳试点城市”契机，大力推行低碳经济，加强经济发展中的环境污染治理力度，深入推行乌鲁木齐市城市发展规划、土地利用总体规划、生态规划的协调与融合，实现“多规合一”，宏观统筹经济发展、土地利用与碳排放3者之间的关系，确保“多规”确定的保护性空间、开发边界、城市规模等重要空间参数一致，并在统一的空间信息平台上建立控制线体系，以实现优化空间布局、有效配置土地资源、提高政府空间管控水平和治理能力的目标，致力于提高土地利用宏观调控效率和低碳生态城市建设。

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STUDYONEFFECTOFLANDUSESTRUCTURE,ECONOMICDEVELOPMENTANDLANDCARBONEMISSION*——ACASESTUDYOFURUMQI

FanGaoyuan1,YangJunxiao2※

(1.School of Public Administration，Nanjing Agricultural University,Nanjing，Jiangsu 210095，China；2.School of Management,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052，China)

On the basis of calculating the land use carbon emission in Urumqi,this paper analyzed the correlation effect between land use structure/economic development and carbon emissions,so as to provide the basis for low-carbon land use in the study area,using the methods of the improved gray relational model and environment EKC model.The results showed that (1) the total net land use carbon emissions showed an increasing trend,and it was significantly affected by the emissions of construction land; (2) The effect of different land types on the carbon emissions showed different characteristics.The effect of construction land on carbon emission declined,while the effects of the cultivated land was rising; (3) economic development promoted carbon emissions growth,but reached the inflection point in the 2014～2015 years,which was verified as the existence of environmental Kuznets curve.Finally,it suggested (1) strengthening the emission reduction by increasing the exchange rate,restraining the conversion of agricultural land and increasing the amount of terrestrial ecological carbon absorption; (2) developing low-carbon economy,improving energy efficiency and improving the structure of energy utilization,and reducing carbon emissions from construction land; (3) carrying out "multi regulation and one" in depth to improve the efficiency of land use macro-control and low-carbon eco city construction.

land use; carbon emission effect; improved GE model; EKC curve; Urumqi city

10.7621/cjarrp.1005-9121.20171024

2017-05-01

樊高源(1989—)，男，河南信阳人，博士生。研究方向：土地资源可持续利用

※通讯作者：杨俊孝(1964—)，男，陕西白水人，硕士、教授。研究方向：土地经济与管理、土地资源可持续利用。Email：yjx6436@sohu.com

*资助项目：新疆高校产学研创新项目“干旱区土地利用碳排放效应研究——以乌鲁木齐市为例”(XJAUCXY-YJS-20141005)

X592

A

1005-9121[2017]10177-08