20年来广东省土地利用碳排放强度与效率空间分异研究

杨国清，朱文锐*，文雅，林英昌

1. 广东工业大学管理学院，广东 广州 510520；2. 华南农业大学资源与环境科学学院，广东 广州 510642

土地利用与覆被变化（LUCC）会影响区域土地利用的碳源碳汇格局（赵荣钦等，2013），是全球气候变化研究的热点问题（姜春等，2016）。LUCC深刻影响陆地碳循环系统，是导致大气CO2浓度增长的主要人为原因之一（Stuiver，1978）。从土地利用视角进行碳排放研究，有助于揭示不同尺度下碳循环的运作机制，从而为社会经济的低碳发展指引方向（赵荣钦等，2012）。同时，土地利用是碳排放研究的关键切入点之一，也是碳排放监测和调控的基础和依托，因此，研究土地利用碳排放具有重要的理论和现实意义（周嘉等，2015）。

针对土地利用碳排放问题，学者从土地利用碳排放影响机理（Sitch et al，2015；葛全胜等，2008；曲福田等，2011）、土地利用碳排放核算模型（Liu et al.，2015；张苗等，2016；杨亮洁等，2017）、碳排放规律（朱宇恩等，2016；董聪等，2018）和土地利用碳效应（黎孔清等，2013；路昌等，2016；韩骥等，2016）等方面分析土地利用碳排放的特点。在省域尺度碳排放研究方面，研究区域集中于江苏省（李颖等，2008）、陕西省（苏雅丽等，2011）、吉林省（李春丽等，2016）、河南省（王喜等，2016）等省份，对广东省土地利用碳排放的研究较少，而现存有关文献的研究领域主要集中在土地利用视角下碳排放与经济增长关系分析（刘继森等，2010；刘洋，2017）、森林和农地碳排放机理剖释（周健等，2013；洪凯等，2017）等方面，对广东省区域碳排放强度和效率研究有待深入。

广东省是改革开放的前沿地区，经济发展程度高，土地利用变化迅速，各区域间土地利用状况差异明显。因此，以广东省为研究区，通过测算不同土地利用下的碳排放量，分析碳排放变化规律以及地区间差异，为广东省区域间差异化碳减排政策制定，以及低碳产业和低碳经济发展提供理论基础。

1 研究区概况、研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

广东省位于中国大陆最南部，东邻福建，西连广西，南临南海，北接江西、湖南，位于北纬20°13′－25°31′和东经 109°39′－117°19′E 之间。土地总面积17.97万平方千米，约占全国的1.87%。位于热带、亚热带季风气候区。地势北高南低，分布着冲积平原、丘陵、水域、滩涂等地形，素有“七山一水两分田”之称。

广东乘改革开放之风，大力发展经济，自1978年来经济增速在各省和自治区中保持第一。2015年，全省实现地区生产总值 72812.55亿元，增速达7.38%。其中，第一产业产值3345.54亿元，对GDP贡献率为4.59%；第二产业产值32613.54亿元，GDP贡献率为44.79%；第三产业产值36853.47亿元，GDP贡献率为 50.61%，第三产业比重历史上首度超过 50%，经济结构持续优化。全省共 21个地级市，分为4个区域，珠江三角洲、粤东、粤西和粤北。2015年，珠三角地区生产总值占全省比重为79.3%，粤东西北地区占20.7%，东翼、西翼、粤北山区分别占 6.9%、7.6%、6.2%。全省常住人口10849.00万人，增速1.17%；城镇人口7454.35万人，全省城市化率为68.71%。

1.2 研究方法

本文研究对象为耕地、林地、草地和建设用地的碳排放量。根据李颖等（2008）和蓝家程等（2012）的研究，耕地、林地和草地的碳排放系数依次为0.422、-0.644、-0.022 t·hm-2，碳排放计算公式为：

式中，Ei代表第i种土地利用方式碳排放量（t）；Ai代表第i种土地利用方式面积（hm2）；fi代表第i种土地利用方式碳排放系数。

建设用地碳排放计算公式（李春丽等，2016）为：

式中，Eb为建设用地碳排放量（t）；n为能源种类数；mi为能源i的消费量（t或m3）；ni为能源i的标准煤换算系数；φi为碳排放系数，等于各种能源的平均低位发热值、碳含量和碳氧化率3种指标的乘积，平均低位发热值、碳含量和碳氧化率的取值参照《综合能耗计算通则》和《省级温室气体清单编制指南》数据。各系数见表1。

1.3 数据来源及数据处理

土地利用现状数据来自《广东国土资源年鉴》（广东国土资源年鉴编委会，2016）。能源消费数据来自中华人民共和国国家统计局网站。人口数据、名义GDP、地区生产总值指数和广东省能源消费总量来自《广东统计年鉴》（广东省统计局，2016）。名义 GDP受到价格波动影响，利用地区生产总值指数把名义 GDP转换成以 2000年为基期的实际GDP；由于年鉴中 2015年地级市生产总值的行业划分和能源消费总量中的行业划分不同，本文将产业部门中的批发和零售业与住宿和餐饮业合并为批发和零售贸易餐饮业，金融和房地产业合并为其他行业；地级市的 2015年能源消费量用地级市能源消费总量表示，地级市能源消费总量计算方法为：按照各地级市六大产业部门（农林牧渔业、工业、建筑业、交通运输仓储和邮政业、批发和零售贸易餐饮业和其他行业）和居民消费（居民消费比重用于分配生活消费能源消费量）占全省比重，分配广东省能源消费总量，进而计算出各地级市能源消费总量。

表1 各类能源标准煤换算系数和碳排放系数Table 1 Standard coal conversion factors and carbon emission factors for various energy sources

2 结果与分析

2.1 1996－2015年广东省土地利用碳排放

根据广东省 1996－2015年土地利用现状数据和能源消费数据，计算得到 1996－2015年广东省不同土地利用方式的碳排放量（表2）。

总体上，广东省土地利用净碳排放量呈不断上升趋势。净碳排放量从1996年的4959.27×104t增加至2015年16099.48×104t，增幅达224.63%，年均增幅为6.04%。以2011年为拐点，广东省净碳排放量变化可分为先增长后稳定两个阶段。第一阶段，从 1996－2010年，广东省城镇化水平大幅度提高，土地利用方式发生巨大变化，林地面积持续减少，建设用地不断增加，能源消费量大幅攀升，因而碳排放总量逐年递增，年均增幅达7.80%。第二阶段，从 2011－2015年，广东省净碳排放量维持较稳定状态。

从土地利用结构上分析，建设用地是主要碳源，碳排放贡献率达92.65%。耕地是另一碳源，但耕地面积占土地利用总面积比例较低，且耕地面积随着城市化进程不断推进而减少，耕地的碳排放贡献从1996年的2.17%下降到2015年的0.63%。另一方面，从碳吸收来看，草地碳吸收量维持在0.01×104t，起到弱碳汇作用。而林地起到主要的碳汇作用，但林地碳吸收和建设用地碳排放之间比例悬殊，无法显著平衡建设用地碳排放量。

表2 1996－2015年广东省土地利用碳排放（吸收）Table 2 Carbon emission (absorption) of different land cover types in Guangdong Province in 1996-2015 104 t

2.2 20 a 广东省碳排放变化地区差异

利用ArcGIS 10.2对广东省21个地级市进行碳排放时空差异分析（图1）。

2.2.1 珠江三角洲

珠江三角洲地区20 a以来耕地、建设用地碳排放和净碳排放3个指标的变化量在全省4个区域内最大，是碳排放量变化的高值区。耕地碳排放变化量占全省变化量的50.89%，建设用地碳排放变化量占比高达 80.28%，净碳排放量变化在全省占77.66%，而林地变化引起的碳排放变化量占比相对较小，为28.15%。

2.2.2 粤北地区

耕地碳排放变化量仅占全省的8.71%，属于低值区；林地碳排放变化量占全省的52.52%，为林地碳排放量变化的高值区，该区域各市林地碳吸收变化量均值是省均值的2.21倍；建设用地碳排放和净碳排放均属全省低值区，两指标变化量全省占比仅为4.22%和6.70%。

2.2.3 粤东地区

该地区耕地碳排放变化量占全省12.68%，属于中值区；林地碳吸收变化量占全省仅6.64%，属低值区；建设用地碳排放变化量和净碳排放变化量全省占比接近，分别为8.36%和8.26%。

2.2.4 粤西地区

耕地碳排放变化值占全省 27.72%，属于中值区；林地碳吸收变化量占比为12.69%；建设用地碳排放变化量和净碳排放变化量全省占比接近，分别为7.14%和7.38%。

广东省20 a以来社会经济飞速发展，土地利用结构发生较大变化，而各区域由于各自发展速度不同，相应的碳排放（吸收）变化量有所差异。规律如下：耕地、建设用地碳排放变化量和净碳排放变化量的变化幅度排序为粤北＜粤东和粤西＜珠江三角洲，林地碳吸收变化量排序为粤东和粤西＜珠江三角洲＜粤北。

2.3 1996－2015年广东省土地利用碳排放效率

净碳排放量是绝对量指标，只有与GDP、人口数量等指标相结合才有横向比较的意义。净碳排放量与GDP的比值，即单位GDP碳排放，是衡量社会发展所产生的碳排放的一个相对量指标。随着地区生产总值的增长，单位 GDP碳排放量越少，反映的是经济结构改善和科学技术进步。

图1 粤东、西、北和珠江三角洲1996－2015年碳收支变化量区域差异Fig. 1 Regional differences in carbon absorption and carbon emission in eastern, western and northern Guangdong and the Pearl River Delta from 1996 to 2015

运用Excel对1996－2015年广东省人均GDP和单位GDP碳排放量进行拟合，结果如图2所示。从图1可知，人均GDP和单位GDP碳排放量呈高度负相关关系（r=-0.987，置信水平为0.01），随着人均GDP的增加，单位GDP碳排放量不断下降，碳排放强度从 1996的 0.73 t·104yuan-1年下降到2015 年的 0.31 t·104yuan-1。

图2 1996－2015年广东省人均GDP和单位GDP碳排放量的关系Fig. 2 Relationship between per capita GDP and carbon emission per unit of GDP in Guangdong Province in 1996-2015

2.3.1 广东省21个地级市碳排放-效率分析

以2015年的人均碳排放量为排放量指标，单位GDP碳排放量为排放效率指标对广东省21个地级市进行K-均值聚类分析，划分结果为以下4类（图3）：高排放-中效率（HE-ME），包括广州、深圳和珠海3个城市；高排放-低效率（HE-LE），包括佛山和中山2个城市；中排放-低效率（ME-LE），包括汕头、惠州、汕尾、东莞、江门、阳江、湛江、茂名、肇庆、潮州和揭阳 11个城市；低排放-高效率（LE-HE），包括韶关、河源、梅州、清远和云浮 5个城市。

为进一步分析广东省21个地级市的GDP和净碳排放在以上4个聚类中的分布，绘制以下簇状柱形图（图4）。

图3 广东省21个地级市碳排放-效率聚类Fig. 3 Carbon emission-efficiency clustering of 21 prefecture-level cities in Guangdong Province

从以上分析可知，广东省地级市碳排放-效率空间分异具有以下特征：高排放-中效率和高排放-低效率的城市都处于珠江三角洲；粤西和粤东城市都归类为中排放-低效率；粤北城市都归类为低排放-高效率。

3 讨论

3.1 碳排放变化规律

土地上所承载人类活动的广度和强度逐渐增加，碳排放量随之不断上升（陈江龙等，2016）。广东省20 a以来经济飞速发展，建设用地面积持续扩张。而得益于政府对环境的保护（Li et al.，2010），林地面积20 a来仅减少了2.88%。但林地碳汇能力有限，难以抵消建设用地庞大的碳排放量。碳源/碳汇比反映不同区域的碳减排压力，碳源/碳汇比越大，表明碳减排压力越高（Gao et al.，2014）。广东省碳源/碳汇比从1996年的8.50上升到2015年的25.91，上升了2.04倍，表明碳减排形势相当严峻。

20 a以来广东省土地利用碳排放总体呈上升趋势，碳排放趋势和吉林省（李春丽等，2016）、河南省（王喜等，2016）、陕西省（李玉玲等，2018）等省份相似。近年来，广东省碳排放量增速明显放缓，究其原因可知，广东省加强工业、交通、建筑等重点领域节能，积极发展绿色低碳产业，淘汰大量高耗能行业的落后产能，碳减排工作取得一定成效。

3.2 碳排放地区分异

区域土地利用结构和能耗水平对土地利用碳排放具有正向影响作用（许思维，2018）。在影响区域土地利用碳排放的各因素中，经济发展因素对碳排放的贡献率最大（吴萌，2017；Dong et al.，2013；Xu et al.，2018）。

珠三角地区社会经济发展速度快，能源消费量高，碳排放量和20 a前相比变化剧烈。而由于珠江三角洲人口大量增加，社会快速发展，自上世纪80年代以来原始森林面积急剧减少。为了保护生态环境，政府积极推动植树造林和退耕还林，培育了大量的次生林，珠三角森林面积仅次于粤北地区，森林碳汇变化量相对较小（Ren et al.，2013）。

粤北山区经济发展迟缓，耕地面积广阔，农业仍然在社会经济发展中发挥重要作用，故20 a来耕地和碳排放量变化微弱。粤北地区森林资源丰富，是广东省重要的碳库，2015年森林面积占广东省55.13%，碳汇量在四大区域中最高，然而近年来森林面积轻微减少。该地区在承接广东省产业转移过程中，应避免接受高污染高能耗企业，注意保护当地林地资源。

图4 4种碳排放-效率类型的地区生产总值和净碳排放量Fig. 4 Gross regional product and net carbon emission for four carbon emission-efficiency groups

粤东和粤西发展速度较一致，各地类碳排放变化量接近。

3.3 碳排放效率

碳排放效率是评价经济发展程度和环境保护水平的指标之一，能够有效反映能源利用状况，为社会经济低碳发展提供参考（徐理，2012）。近年来，中国30省份碳排放强度不断下降（赵巧芝等，2018）。通过计算可知，广东省土地碳排放强度随着人均 GDP增加而逐步下降，和刘洋（2017）研究结果一致。

提高能源利用效率能够从源头处减少碳排放，降低碳排放强度，实现碳减排目标（钟超等，2018）。广东省全面推进节能降耗，提高能源利用效率，能源消费结构发生深刻变化。“十二五”期间，广东原煤消费量占比从2010年的47.1%下降至2015年的42.3%，清洁能源消费量占比从2010年的12.1%上升至2015年的15.5%。但是，即使碳排放强度有所降低，随着 GDP增长，碳排放总量仍然呈相应增加趋势，因此在今后的相当一段时间内，提升碳排放效率仍然是广东省社会经济发展的重点。

产业结构和区域碳排放之间具有很强的相关性（冯梅等，2018）。三大产业在产业结构中的比重会影响区域经济发展方式，第二产业和第三产业占比决定区域能源消耗量及碳排放量（庞庆华等，2018）。第二产业是能源消耗量最大的产业部门，也是碳排放的主要产业部门（张维阳等，2012）。第三产业碳排放明显少于第二产业，而且第三产业的碳排放增速低于其所推动的经济增速（韩坚等，2014）。完善产业结构能够减少经济发展产生的碳排放，将有助于减少碳排放，实现社会经济的可持续发展。

广州、深圳、珠海经济体量大，第三产业发达，产业结构和能源消费结构较为优化，因此碳排放量大，同时碳排放也能达到一定效率水平，归属于高排放-中效率聚类。而经济发展程度较高的佛山和中山为中国制造业基地，经济发展对能源依赖程度较高，碳排放效率低于广州、深圳和珠海，归属于高排放-低效率。粤西和粤东经济较为落后，是广东省重要的能源石化基地，能源消费量和碳排放量大，归类为中排放-低效率聚类。粤北城市群整体上属于欠发达地区，2015年地区生产总值仅占广东省的6.24%，碳排放占比为4.31%，二三产业基础薄弱，碳排放量少，相对容易实现低排放和高碳排放效率。

实现低碳经济的根本方法在于转变经济发展方式（宋德勇等，2009）。广东省各地区应制定切合本区域实际的碳减排措施，推动产业结构优化升级，发展低碳产业，提高能源利用技术，促进低碳示范省建设。

4 结论

（1）1996－2015年，广东省净碳排放呈不断上升趋势，从 1996年的 4959.27×104t增加到 2015年的 16099.48×104t，增幅达 224.63%，年均增幅为6.04%。以2011年为拐点，净碳排放由快速增加转变为增速放缓并趋于稳定。建设用地是主要碳源；林地是主要碳汇，但碳汇量有限，难以显著平衡建设用地碳排放。

（2）珠江三角洲经济发展速度快，土地利用变化剧烈，能源消耗量不断攀升，耕地、建设用地碳排放和净碳排放变化幅度最大；粤北经济发展较为落后，产业结构变动较小，而近年来林地面积有所减少，故耕地、建设用地碳排放和净碳排放变化幅度最小，林地碳吸收变化幅度最大。

（3）广东省人均 GDP和碳排放强度呈高度负相关关系，随着人均 GDP增加，单位碳排放强度显著下降，土地利用碳排放效率明显提升。

（4）广东省 21个地级市按碳排放效率进行划分，可以分为高排放-中效率（HE-ME）、高排放-低效率（HE-LE）、中排放-低效率（ME-LE）和低排放-高效率（LE-HE）四类。城市的经济发展程度高，碳排放相应也高；城市的产业机构较为优化，第三产业发达，碳排放效率较高；而经济较为落后的城市，碳排放低，碳排放效率高。