1990-2018 年新疆“三生”用地时空变化特征及其碳排放效应

2022-03-27 08:49郑艺文刘晓煌熊茂秋李福杰付宇佳张子凡
草业科学 2022年12期
关键词:三生新疆地区排放量

郑艺文,刘晓煌,熊茂秋,李福杰,付宇佳,张子凡,赖 明

(1.中国地质大学(武汉)地质调查研究院, 湖北 武汉 430074;2.自然资源要素耦合过程与效应重点实验室, 北京 100055;3.中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心, 北京 100055;4.中国地质大学(武汉)资源学院, 湖北 武汉 430074;5.中国地质调查局乌鲁木齐自然资源综合调查中心, 新疆 乌鲁木齐 830000;6.中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院,湖北 武汉 430074;7.中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院, 湖北 武汉 430074)

近年来,全球变暖以及一系列气候问题的产生,使得温室气体减排成为国际社会的关注焦点。其中碳排放已成为引起社会、经济、生态问题的一个重要因素[1]。研究表明,在1850-1998 年近150 年,土地利用变化引起的二氧化碳排放量占人类活动影响总二氧化碳排放量的1/3,土地利用变化对温室效应的贡献大约为24%,已成为全球和区域碳排放变化的关键驱动力之一[2-6]。因此土地利用的碳效应分析是碳排放研究的重要切入点,也是进行碳排放调控的重要工具之一[7-8]。

目前国内外许多学者在土地利用的碳排放效应方面开展了大量研究。如通过IPCC 温室气体清单方法[9-10]和相关碳排放系数进行核算碳排放量,分析土地利用碳排放效应的时空动态变化[11-16]。多位学者对各类土地利用方式的碳源和碳汇能力进行估计[17-23]。ISHII 通过对区域土地利用碳效应进行研究,结果表明陆地生态系统碳排放受不同土地利用类型结构的影响差异较大,影响最为显著的是建设用地的扩张[24]。地中海地区城市化进程占用耕地导致土壤有机碳库发生显著变化[25]。另有研究基于土地和产业结构角度分析土地利用碳排放效应的时空分区[26-27]。有学者研究了定量识别城市碳排放的演化路径和关键影响因素[28-29]。张梅等[30]将全国分为六大区域,利用RS、GIS 技术测算各土地利用类型碳排放的时空变化。

鉴于以上诸多学者对土地利用碳排放方面做了丰富研究,奠定了坚实的基础,具有重要的科学意义。但是,现有的研究主要为经济发展热点区域的不同土地利用类型碳排放量核算以及时空动态特征分析,而对于自然条件相对复杂、生态环境较脆弱的经济后发区,区分不同主导功能用地空间的碳排放效应的研究较少。而且,目前新疆地区正处于城镇化、工业化和农牧业现代化的阶段,经济发展速度较快,经济实力显著提升,同时导致新疆地区的土地利用结构发生剧烈变化,生活-生产-生态用地配置失衡日益严重,显著影响了区域碳循环,影响区域环境与可持续发展。因此,通过优化调整土地利用结构、合理利用能源促使新疆发展低碳农业、低碳经济,积极参与碳排放权交易,是当下的重要任务。所以,本文以新疆地区作为研究对象,基于“三生”用地碳排放效应进行分析,以期全面把握土地利用类型转变引起的碳排放效应变化情况、优化配置“三生”用地格局,调控土地利用碳排放,为政府制定相关的减排政策以及构建可持续的国土空间利用和保护格局提供支持。

1 研究区概况

新疆维吾尔自治区地处欧亚大陆腹地,中国西北边陲(34°22′~49°33′ N,73°22′~96°21′ E)。地域辽阔,面积约占全国总面积的1/6,是我国陆地面积最大的省级行政区。由于远离海洋,且四周高山阻隔,该区形成了典型的温带大陆性气候,以干旱少雨、冬季严寒、昼夜温差大为主要气候特点[31]。地貌特征为“三山夹两盆”,北为阿尔泰山,南为昆仑山,天山横亘中部将新疆分为南、北疆两部分,南部有塔里木盆地,北部有准噶尔盆地,天山以南为南疆,天山以北为北疆[32]。随着时代快速发展,新疆迎来了如西部大开发、“一带一路”建设等众多的发展机遇,经济的快速发展和人类活动会改变土地利用强度,进而导致区域碳排放量发生变化。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究的数据主要来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn/)提取的空间分辨率为30 m 的1990、2000、2010 和2018 年土地利用(LUCC)栅格数据,土地利用类型包括农田、林地、草地、河流、湖泊、水库、工矿用地、居民点以及未利用土地等;1990-2018 年新疆地区能源消费数据来源于《中国能源统计年鉴》。

2.2“三生”用地分类方法

以土地用途管制制度为导向,借鉴土地利用的多功能性以及多种“三生”用地的分类方案[33-36],结合新疆地区土地利用类型特征,充分考虑用地的复合功能,确定用地类型的主导功能,将其划分为生活生产用地、生产生态用地、生态生产用地和生态用地。

生活生产用地的土地利用类型一级分类为建设用地,二级分类为工矿用地、城镇和农村居民点、交通用地等,其用途为居住生活和提供二、三产业生产的用地空间。生产生态用地的土地利用类型一级分类为耕地,二级分类为绿洲中正在使用的农田、轮歇地、弃耕地,其用途为以农业生产为主,并可提供生态功能的用地空间。生态生产用地的土地利用类型一级分类为林地和水域,二级分类为自然林带及人工林带和河流、湖泊、水库,其用途为具备提高农业生产发展和生态环境质量作用,且生态效益高于生产效益的用地类型。生态用地的土地利用类型一级分类为草地和未利用地,二级分类为天然草地、栽培草地及改良草地和盐碱地、沙地、裸岩石砾地带等,其用途为人类利用相对较少,提升区域生态环境质量。

2.3 土地利用变化

2.3.1“三生”用地类型空间变化率指数

探索用地功能变化是人为活动和自然关联最密切的问题,其变化过程能够引起区域内生态、资源和经济环境等的变化[37-40]。土地利用变化动态度是指土地利用类型在面积方面的变化幅度,反映了各类土地利用类型在不同时期的变化速度和剧烈程度,对未来土地利用发展趋势具有一定的预测分析功能[41]。因此,本研究基于用地类型动态度方法[42-44]对新疆“三生”用地的变化速率进行分析。

本研究采用单一用地类型变化动态度和综合用地类型变化动态度对“三生”用地的变化强度进行分析。单一“三生”用地变化动态度可以表示区域内某一用地类型的变动速率,公式如下:

式中:P为研究时段内某种土地利用类型的变化动态度;Pα、Pb表示研究初期和末期该土地利用类型的面积;T为研究时段,设定为年。

综合“三生”用地类型变化动态度。综合“三生”用地类型变化动态度可以表示研究区所有用地类型的变动速率,公式如下:

式中:LC为研究时段内研究区的综合土地利用变化动态度;LUi为第i类土地利用类型在研究初期的面积;ΔLUi-j为T时段内第i类土地利用类型转为非i类土地利用类型面积的绝对值。

2.3.2 土 地 利 用 转 移 矩 阵

土地利用转移矩阵可以表示土地利用的结构转换以及变化方向,转移矩阵反映了在研究时段内研究区各种土地利用类型的结构特征、面积变化以及各地类变化转移方向[41]。公式为:

式中:S为土地利用类型面积;n为地类类型数;i和j分别为研究期初和期末各土地利用类型的序号。

2.4“三生”用地碳排放效应

土地利用碳排放可分为间接碳排放量计算和直接碳排放量计算。直接碳排放量核算是根据碳排放系数直接计算耕地、林地、草地、水域和未利用地的碳排放量,间接碳排放量核算是通过各种能源消耗产生的碳排放量来间接估算建设用地的碳排放量。

2.4.1 直 接 碳 排 放 量 计 算

根据碳排放系数法进行核算土地利用碳排放量,主要包括耕地、林地、草地、水域和未利用地,碳排放计算公式为:

式中:Ci表示第i 种地类的碳排放量;Si代表第i 种地类的面积;Vi代表第i种地类的碳排放系数。正值C代表碳排放量,负值C代表碳吸收量。

其中,直接碳排放系数中耕地碳排放系数为0.497 0 t·(hm2·a)-1[45-46],林地和草地碳排放系数分别为-0.581 0 和-0.021 0 t·(hm2·a)-1[17-18,47-49],水域碳排放系数为-0.253 0 t·(hm2·a)-1[18,50-53],未利用地碳排放系数为-0.005 0 t·(hm2·a)-1[21,50]。

2.4.2 间 接 碳 排 放 量 计 算

建设用地包括城镇和农村居住用地、交通运输用地、工矿用地等类型,其碳排放量估算是依据人类在建设用地上的能源消耗所产生的碳排放量。根据间接碳排放系数法,采用联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)能源碳排放系数计算模型,按照各能源的碳排放系数进行核算碳排放量,计算公式为[54]:

式中:QB表示碳支出量(× 104t);Kin代表第i年能源n的碳排放系数;En代表能源n的消耗量(× 104t),按104t 标准煤计算;i表示年份;n表示能源类型;单位tce 表示吨标准煤当量。能源消费的碳排放系数如表1 所列。

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

3 结果与分析

3.1“三生”用地土地利用情况分析

3.1.1“三生”用地土地利用结构

1990、2000、2010、2018 年4 个时期,新疆地区“三生”用地类型的面积特征以生态用地为主,生态用地面积占总面积的90%以上,生态生产用地和生产生态用地次之,生活生产用地最少(图1);其中,4 个时期的生态用地面积占总面积的比重分别为90.89%、90.58%、90.80%和90.11%,生态生产用地占总面积的比重分别为5.39%、5.51%、3.78%和3.83%,生产生态用地占总面积的比重分别为3.47%、3.64%、4.94%和5.23%,生活生产用地占总面积的比重分别为0.25%、0.27%、0.49%和0.53%。总体上呈现生活生产用地和生产生态用地占比增加,生态生产用地和生态用地占比呈整体减少的态势(图1)。

图1 1990-2018 年新疆地区“三生”用地分布Figure 1 Distribution of ecological-living-productive land in Xinjiang from 1990 to 2018

3.1.2“三生”用地动态变化情况

1990-2018 年,新疆地区土地利用动态变化较明显(图2)。随着经济快速发展,研究区城镇化进程大大加快,生活生产用地面积显著增加,增长速率最快,动态度最高,其面积增长了约4 642 km2,增长率高达116%,动态度高达4.15%,其中在2000-2010年期间,增长幅度更为明显,达3 600 km2,动态度高达8.36%;近30 年生产生态用地面积逐年增加,增加 了33 500 km2,增 长 率 达 到59.19%,动 态 度 达2.11%,其中在2000-2010 年期间,面积增长最多,达21 200 km2,动态度高达3.58%;与之相对应,生态生产用地和生态用地总体都呈现减少态势,近30 年间生态生产用地减少了25 400 km2,下降率达到28.93%,动态度为-1.03%,在1990-2000 年以及2010-2018 年期间,有一定幅度增加,但2000-2010年期间,面积大幅度减少,达28 200 km2,动态度达-3.14%;生态用地作为研究区的主要用地类型,变化速度相对较为平缓,其总体呈现减少态势,面积减少了12 700 km2,下降率约为0.86%,动态度仅为-0.03%,是唯一低于综合动态度的用地类型(图1、图2)。研究区近30 年间的综合动态度达0.15%,其中2000-2010 年期间综合动态度最高,约0.35%,说明用地变化主要发生在2000-2010 年(图2)。

图2 1990-2018 年新疆地区土地利用动态度Figure 2 Land use dynamic index in Xinjiang from 1990 to 2018

3.2 土地利用转型分析

基于新疆地区“三生”用地分布图层,经ArcGIS提取得到研究区1990-2018 年“三生”用地转移情况可知,各土地利用类型之间转移频繁。30 年间发生变化面积132 917 km2,占总面积的8.16% (表2)。

根据新疆地区1990-2018 年土地利用转移情况的分析(表2),得出近30 年间生活生产用地急剧扩张,由其他土地类型转化而来的面积为4 642 km2,主要为生产生态用地(1 357 km2)和生态用地(3 148 km2),在转入生活生产用地面积的比例中高达29.23%和67.82%。生产生态用地转变为生活生产用地主要发生在2000-2010 年(550 km2)和2010-2018 年(592 km2),生态用地转变为生活生产用地主要发生在2000-2010 年(2 992 km2)。生产生态用地由其他土地类型转入的面积为3 3497 km2,主要为生态用地转入(32 887 km2),在转入面积的比例中高达98.18%,变化主要发生在2000-2010 年(20 109 km2)。生态生产用地向其他土地类型转出的面积为25 365 km2,主要转入生态用地(23 261 km2),比例高达91.71%,变化主要发生在2000-2010 年(26 466 km2),1990-2000 年和2010-2018 年间,生态用地向生态生产用地转入少量面积。生态用地向其他土地类型转出的面积为12 774 km2,主要转入生产生态用地(32 887 km2)和生活生产用地(3 148 km2)。虽然生态生产用地向生态用地流入较多面积,但是生态用地向生产生态用地流出面积也较大,大于生态生产用地向生态用地的流入面积,总体上生态用地面积缩减。

表2 新疆地区土地利用转移矩阵Table 2 Matrix of land use transfer in Xinjiang

3.3 土地利用碳排放分析

3.3.1 土地利用碳排放核算

根据新疆地区1990-2018 年能源消耗(表3)及土地利用现状数据,计算得到1990-2018 年间土地利用碳排放量(图3)。从碳排放/碳吸收构成分析,“三生”用地碳排放包括生活生产用地间接碳排放和生产生态用地直接碳排放两大类型(图3)。生活生产用地间接碳排放量主要包括工业生产、人类生活等消费能源所产生的碳排放量。碳汇包括生态生产用地碳汇和生态用地碳汇两大类(图3)。碳排放方面,生活生产用地是碳排放的最主要碳源,占总碳源的85.65%~97.26%,并呈现增长态势。碳汇方面,生态生产用地对碳吸收的贡献率较大,占总碳汇的62.10%~70.12%,但新疆地区生态生产用地面积占比较小,使碳吸收作用非常微弱;生态用地的碳吸收能力相对较弱。

表3 各类能源消费情况Table 3 Various types of energy consumption

1990-2018 年,生活生产用地碳排放迅速增长,从1990 年的1 680.48 万t 增长至2018 年的15 912.14 万t,碳排放量在2000-2010 年间上涨趋势尤为明显,年增长率达17.28% (图3)。生产生态用地碳排放量呈现缓慢上升态势,从1990 年的281.49 万t 增长至2018 年的447.95 万t,其在2000-2010 年间年增长率最大,为3.58%,但碳排放能力相对较弱,随着城市化进程不断推进,碳排放贡献不断下降,从1990 年的14.35%下降到2018 年的2.74%。碳汇总量在近30年间呈缓速下降态势,由499.44 万t 下降至398.29万t。其中,生态生产用地碳汇量变化最为明显,在1990-2018 年间碳吸收量约下降了99.80 万t;生态用地碳汇量的变化幅度较小,基本保持稳定(图3)。在1990-2018 年间,新疆地区土地利用净碳排放量呈增长态势,由1 462.53 万t 增长至15 961.80 万t,其在2000-2010 年间年增长率最大(19.47%),在2010 年后略有下降,但仍处于高位,年增长率达到13.68% (图3)。

图3 新疆地区土地利用碳排放量Figure 3 Land use carbon emissions in Xinjiang

3.3.2 土地利用碳排放强度分析

以碳排放强度(碳排放量/区域土地面积)代表地区土地利用碳排放水平。从表4 可知,1990-2018年期间生态生产用地和生态用地碳吸收强度变动不大,平均碳吸收强度分别为39.72 和1.02 t·km-2,生态生产用地碳吸收能力较强但占地面积较小,生态用地占地面积大,但固碳能力相对较弱,所以生态生产用地和生态用地固碳容量十分有限。同期生产生态用地直接碳排放强度态势较稳定,平均碳排放强度为49.70 t·km-2;生活生产用地间接碳排放强度由期初的4 207.90 t·km-2上升到期末的18 423.55t·km-2,增加3.38 倍,在地区碳排放中占主导地位,为主要排放源。

净碳排放强度呈持续增长态势,由期初8.97 t·km-2上升到期末97.93 t·km-2,年增加率高达35.42%(表4)。碳汇强度作用有限,但其用地类型占地面积较大,对净碳排放强度弱化较显著,因此,净碳排放强度呈现出远低于间接碳排放强度的变化趋势。

表4 新疆地区土地利用碳排放/碳吸收强度Table 4 Land use carbon emission/absorption intensity in Xinjiang

3.4“三生”用地变化引起的碳效应分析

间接或直接的土地利用行为会对陆地生态系统碳循环产生影响,即土地利用变化的碳效应,可以通过碳排放增量与碳汇增量的差值来表示。根据各土地利用类型的碳排放系数,估算出新疆地区1990-2018 年“三生”用地动态变化引起的碳效应(表2、表5)。

表5 1990-2018 年新疆地区土地利用类型转变及其碳效应变化Table 5 Land use transfer types and their carbon effects in Xinjiang from 1990 to 2018

1990-2018 年,新疆地区“三生”用地动态变化引起的碳排放增量高出碳汇增量7 671.88 万t。生活生产用地流入生产生态用地1 585 km2,碳排放量减少了1 344.36 万t,同时生产生态用地流入生活生产用地2 942 km2,碳排放量增加了3 773.08 万t,即生活生产用地占用生产生态用地1 357 km2,引起的碳排放增量为2 428.72 万t,碳效应变化主要发生在2000-2010 年间。生活生产用地流入生态生产用地126 km2,碳汇量增加117.72 万t,同时生态生产用地流入生活生产用地263 km2,碳排放量增加295.68万t,即生态生产用地转变为生活生产用地的面积为137 km2,引起碳排放量增加177.96 万t,碳效应变化主要发生在2000-2010 年间。生活生产用地流入生态用地476 km2,碳汇量增加2 067.7 万t,同时生态用地流入生活生产用地3 624 km2,碳排放增加6 858.97 万t,即生态用地转变为生活生产用地的面积为3 148 km2,引起碳排放量增加4 791.27 万t,碳效应变化主要发生在2000-2010 年和2010-2018年间。生产生态用地流入生态生产用地1 602 km2,碳汇量增加26.08 万t,同时生态生产用地流入生产生态用地3 569 km2,碳排放增加45.58 万t,即生态的逆向演变:生态生产用地转变为生产生态用地面积为1 967 km2,引起碳排放量增加19.5 万t,碳效应变化主要发生在2000-2010 年间。生态生产用地流入生态用地48 375 km2,碳汇量损失211.62 万t,同时生态用地流入生态生产用地25 114 km2,碳汇量增加126.71 万t,即生态的逆向演变:生态生产用地转变为生态用地,面积达23 300 km2,引起碳汇量损失84.91 万t,碳效应变化主要发生在2000-2010年间。生产生态用地流入生态用地6 177 km2,碳汇量增加66.9 万t,生态用地流入生产生态用地39 064 km2,碳排放增加236.42 万t,即生态的逆向演变:生态用地转变为生产生态用地面积为32 887 km2,引起的碳排放增加量为169.52 万t,碳效应变化主要发生在2000-2010 年间。

4 讨论与结论

本研究基于新疆地区1990-2018 年“三生”用地动态情况,分析了碳排放效应。研究表明,随着经济社会的快速发展,生活生产用地和生产生态用地需求增加,占用生态用地,同时发生着生态逆向演变,大量生态生产用地转变为生态用地。碳排放效应表现为:净碳排放呈增长趋势,其中生活生产用地的碳排放量增加最为显著,且对净碳排放总量起着决定性作用,以及生态逆向演变造成碳汇损失。土地利用转型和碳效应变化主要发生在2000-2010 年间,由于经济发展速度和城市化进程加快,该阶段新疆地区的城镇化建设、工业发展等活动对土地利用转型影响较大,碳排放效应最为显著,碳排放量大幅增加。2010 年后,随着国家碳减排政策力度的加大和科学技术的进步,土地利用变动以及相应的碳排放效应趋势得到控制,但碳排放量仍处于高位。以上给新疆地区碳减排带来巨大压力,影响其生态建设。为减少新疆地区土地利用净碳排放量,应处理好经济发展、生态保护、耕地保护的关系,重视对碳源的控制,并保障绿地面积以促进碳汇的增加,才能有效减少净碳排放量。

目前,国内外对土地利用碳排放效应的核算方法已经初步达成一致,但是对各土地利用类型的碳排放系数还未形成统一。土地利用对生态系统碳循环的影响是一个极复杂的过程,不同地域不同时期各土地类型的碳排放系数可能存在特殊性和动态性。本文借鉴IPCC 和有关学者的经验数据及系数进行分析存在一定误差。在之后的研究中可以根据新疆地区的实际情况对这些系数进行深入研究,探究出更加适用于新疆地区的碳排放系数。

本研究结论如下:1)在1990-2018 年间,新疆地区土地利用主导功能用地类型以生态用地为主,生态生产用地和生产生态用地次之,生活生产用地最少。其中生活生产用地和生产生态用地面积增长率较快,动态度较大,生活生产用地面积增长率高达116%,动态度高达4.15%;其次生产生态用地增长率达59.19%,动态度达2.11%。生态生产用地面积呈减少态势,下降率达28.93%,动态度为-1.03%;生态用地下降率为0.86%,动态度为-0.03%。其中在2000-2010 年期间,土地利用动态度最大。随着经济快速发展,研究区生活生产用地和生产生态用地扩张显著,分别占用生态用地3 148 和32 887 km2,同时大量生态生产用地(23 261 km2)转变为生态用地。

2)碳排放方面,生活生产用地作为碳排放最主要碳源,碳排放量增长迅速,从1990 年的1 680.48万t 增长至2018 年的15 912.14 万t,其在2000-2010年间年增长率最大,达17.28%;生产生态用地碳排放量从281.49 万t 增长至447.95 万t,其在2000-2010年间年增长率最大,为3.58%。碳汇总量呈缓速下降态势,由499.44 万t 下降至398.29 万t,其中主要为生态生产用地碳吸收量约下降了99.80 万t,生态用地碳汇量基本稳定在150 万t 左右。净碳排放量呈增长态势,由1 462.53 万t 增长至15 961.80 万t,其在2000-2010 年间年增长率最大,为19.47%。

3)生活生产用地为主要排放源,碳排放强度由期初的4207.90 t·km-2上升到期末的18 423.55 t·km-2,增加3.38 倍;生产生态用地碳排放强度变化态势较稳定,平均碳排放强度为49.70 t·km-2。生态生产用地和生态用地碳吸收强度变动不大,平均碳吸收强度分别为39.72 和1.02 t·km-2,碳吸收强度较大的生态生产用地占地面积较小,所以碳汇的固碳容量较有限。净碳排放强度呈持续增长态势,由期初8.97 t·km-2上升到期末97.93 t·km-2。

4)近30 年新疆地区“三生”用地动态变化引起的碳排放增量高出碳汇增量7 671.88 万t。其中生态用地主要转入生产生态用地和生活生产用地,引起的碳排放增加量为4 960.79 万t;生产生态用地主要转入生活生产用地,引起的碳排放量增加2 428.72 万t;生态生产用地主要转入生态用地,引起碳汇量损失84.91 万t。碳排放效应变化主要发生在2000-2010 年。

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