基于土地利用的青岛市碳排放变化特征与预测

张晓光，张赢心，李士美，尹建国

（1. 青岛农业大学 资源与环境学院，山东 青岛 266109；2. 青岛农业大学 园林与林学院，山东 青岛 266109；3. 山东省第四地质矿产勘查院，山东 潍坊 261021）

20世纪以来，在经济持续增长和城市化、工业化快速推动下，人类对自然资源的开发利用不断增强，导致碳排放量一直处于增长态势[1-2]。人类活动导致碳排放量的持续增加是引起全球气候变暖的主要原因，主要体现在两个方面：①对化石燃料的大量消耗导致大气中CO2浓度上升；②土地利用变化影响温室气体排放与吸收[2-5]。自1990 年以来，中国持续降低单位GDP 的CO2排放量，但仍是位居全球新增碳排放量前列的国家之一。城市区域作为经济社会活动的重要载体，承载着经济社会发展所产生的化石燃料燃烧和土地利用与土地覆被变化，是影响气候变化的重要源区[6]。因而，开展不同区域碳排放特征研究，对于固碳减排和缓解气候变化具有重要意义。目前，区域碳排放研究主要集中在碳排放的核算[7-8]、碳排放时空格局演变[5,9-10]以及碳排放影响因素分析和低碳城市发展策略[6,11-12]3 个方面。由于数据可获取性等因素的制约，多数研究集中在国家[13-14]、大地理区域[15-16]、省域[10,12,17]等大尺度碳排放方面，而市域尺度研究相对较少，且多为单个城市碳排放的短时间序列分析或基于能源消耗统计数据的碳排放核算[12,18]，很少涉及城市碳排放的长时间序列分析。

作为全球应对气候变化事业的积极参与者，中国承诺到2030 年左右碳排放量达到峰值[19]。2008 年初，国家住房和城乡建设部首次提出低碳城市的理念，并将上海和保定作为首批低碳试点城市。目前，建设低碳城市成为中国城市建设的重要目标之一，诸多学者也对低碳城市的城市规划、发展路径、政策建议等展开了大量的探讨与分析[20-21]。青岛市是国务院批复确定的中国沿海重要中心城市，社会经济迅速发展，与此同时土地利用格局发生了巨大变化，但其土地利用变化下的长时间序列碳排放特征尚未明确。因此，本文以青岛市土地利用数据为基础，结合1980—2015年能源消费量数据，研究了青岛市35年间土地利用及其碳排放总量的变化特征，并根据目前的发展态势对未来碳排放量进行了马尔科夫链预测。研究结果对山东半岛地区的节能减排和可持续发展具有重要的理论和实践价值，可为区域土地利用调控提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

青岛市位于山东半岛东南部，地理范围为35°35′~37°09′N、119°30′~121°00′E，是国家沿海重要中心城市、国际性港口城市，也是山东省经济中心、一带一路新亚欧大陆桥经济走廊的主要节点城市和海上合作战略支点。青岛市地势东高西低，南北两侧隆起，中间低凹，其中山地约占15.5%、丘陵占2.1%、平原占37.7%、洼地占21.7%；地处北温带季风区，属温带季风气候；下辖市南、市北、四方、李沧、崂山、城阳、黄岛7 个区和即墨、莱西、平度、胶州、胶南5个市，总面积为11 293 km2，人口为939.48万人（2012 年11 月市北区、四方区合并成立新的市北区，黄岛区、胶南市合并成立新的黄岛区；2017年9月即墨撤市设区成为即墨区，为保证数据的前后对应，本文仍按2012年11月调整之前的行政区划）。

1.2 数据来源

本文采用的土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn/），包括1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年的土地利用现状遥感监测数据。其数据生产制作是以各期Landsat TM/ETM遥感影像为主要数据源，通过人工目视解译生成。本文采用的1980—2015年能源消耗数据来源于青岛市统计局和《青岛统计年鉴》[22-26]，利用中科院土地资源分类系统统一不同年份的土地利用数据口径，分为耕地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地6 种土地利用类型[27]。

1.3 不同土地利用类型碳排放量计算

1.3.1 碳排放量计算公式

式中， Di为直接碳排放量；Ek为各土地利用类型面积；θk为各土地利用类型的碳排放（吸收）系数，排放为正值，吸收为负值[28]。

1.3.2 碳排放系数的确定

耕地的净碳排放系数等于农业生产过程中CO2、CH4等温室气体的排放系数与作物生育期间对CO2的吸收系数的差值。根据CAI Z C[29-30]、何勇[31]、肖红艳[32]等的研究，得出耕地的净碳排放系数为0.049 7 kg/(m2·a)。青岛市的林地包括有林地、疏林地、灌木林地、未造成林地、迹地和苗圃，其中有林地面积最大，其次为疏林地，灌木林地、未造成林地、迹地和苗圃所占面积相对较小。根据青岛市的林地特征，林地的碳排放系数取值为-0.058 1 kg/(m2·a)[33]。同时，草地的碳排放系数取值为-0.002 1 kg/(m2·a)[33]。在有积水的条件下，湖泊、湿地为碳汇；积水被排干围垦后，湖泊、湿地中土壤有机物的分解速率大于累积速率，此时的湖泊、湿地为碳源。水域的碳排放系数取值为-0.025 3 kg/(m2·a)[34]。青岛市的未利用地约占全市总面积的3%，包括荒草地、裸岩石砾地、盐碱地、沙地、裸土地、其他未利用地等，其中荒草地占比最大，而其碳排放和碳吸收都较弱，根据赖力[35]的相关研究，碳排放系数取值为-0.000 5 kg/(m2·a)。

1.3.3 建设用地的碳排放量计算

建设用地的碳排放量主要通过其利用过程中的能源消耗产生，主要是指煤炭、焦炭、燃料油、汽油、煤油、柴油、液化石油气和原油等能源的消耗量。其计算公式为：

式中，Et为建设用地碳排放量；Eni为各种能源的消耗量；θi为各种能源转换为标准煤的系数； fi为各种能源的碳排放系数。

煤炭排放系数参考日本能源经济研究所的煤炭排放系数[36-40]。其他能源碳排放系数和标准煤换算系数参考《IPCC国家温室气体清单指南》，如表1所示。

表1 不同类型能源的碳排放系数

2 研究结果与分析

2.1 青岛市土地利用与碳排放量变化特征

1980—2015年耕地面积占比始终最大，期末、期初分别占青岛市土地总面积的64.16%和68.77%；建103t、-5.0×103~0 t、0~1.0×104t、1.0×104~1.0×105t、1.0×105~1.0×106t、＞1.0×106t，依次用1~6级来表示。1980年、2005年、2010年和2015年的碳排放量空间分布如图2所示，可以看出，青岛市的碳吸收区域主要出现在青岛市北部的大泽山山系、东部的崂山山系和南部的珠山山系，而其他区域则主要表现为碳排放。设用地面积始终占据第二位，占青岛市土地总面积的13.06%~17.60%；草地面积为第三位，占比为8.45%~9.62%；林地和水域总面积较少。1980—2015 年青岛市耕地面积不断减少，共减少了5.98%；建设用地面积不断增加，共增加了33.15%；林地、草地、水域、未利用地面积基本保持稳定。

图2 青岛市碳排放量空间分布格局

1980—2015年净碳排放量总体呈上升趋势，但存在波动。1980年青岛市的净碳排放量为2.26×106t，到2005年稳步上升至5.92×106t，2010年净碳排放量出现拐点，骤增至2.36×107t，到2015年净碳排放量下降至1.96×107t。在两大碳源中，以建设用地的碳排放为主，耕地的碳排放占比很小。由图1 可知，青岛市建设用地引起的碳排放量在1980—2000年缓慢增加，在2000—2005年略有下降，在2005—2010年由5.85×106t骤增至2.37×107t，到 2015 年又减少至1.96×107t，这与青岛市总体净碳排放量变化特点是一致的，与建设用地面积变化和能源消耗是密不可分的。

图1 青岛市1980—2015年各种土地利用类型的碳排放量变化

1980—2015 年耕地引起的碳排放量呈下降趋势，这与耕地面积减少有关。林地、草地、水域、未利用地起净碳汇作用，在整个研究期间总体碳吸收量基本保持不变。1980—1995年碳吸收量由4.73×104t增加至5.22×104t，到2000年碳吸收量增加至4.82×104t，2000年后碳吸收量趋于平稳（图1）。为直观显示土地利用碳排放量在空间上的分布特点，按照碳排放量的数值分布情况，将土地利用总碳排放量划分为6个区间：≤-5.0×

2.2 基于土地利用变化的净碳排放量预测

马尔科夫预测法是概率论中利用马尔科夫链的理论和方法来研究随机事件的变化并借此预测未来变化趋势的一种方法[38,41]。马尔科夫模型的适用条件一般是中短期预测，目的在于保证转移概率矩阵的稳定性。考虑到近期土地利用变化对未来的预测影响较大，本文利用2010 年和2015 年的数据进行转移变化分析。根据两个年份土地利用类型变化转移矩阵，计算得到青岛市2010—2015 年初始状态转移概率矩阵，进而得出各种土地利用类型在5 年内转移为其他土地利用类型的概率。以2015年的土地利用类型为初始状态矩阵，时间间隔为5 a，可逐步预测2020年、2025年、2030年的土地利用类型面积，结果见表2，可以看出，与2015年相比，2030年的耕地、林地、草地、水域面积基本保持不变，建设用地面积增加了9 045.76 hm2，未利用地面积减少了287.14 hm2。

表2 青岛市2020—2030年土地利用类型面积预测值/hm2

根据预测的未来各种土地利用类型面积，计算得到各种土地利用类型相应的碳排放量，如表3 所示，可以看出，青岛市净碳排放量是逐年增加的，2020年的净碳排放量为1.99×107t，2025 年的净碳排放量为2.02×107t，2030年的净碳排放量为2.05×107t。

表3 青岛市2020—2030年碳排放量预测值/t

为明确碳排放总量对于未来区域土地利用的参考价值，根据2010—2016年青岛市国民经济生产总值建立线性回归模型（Y=706.94 X+5 114.2，R2=0.996 6），分别预测得到2020 年、2025 年、2030 年的生产总值（12 890.54 亿元、16 425.24亿元、19 959.94亿元），进而计算得到这3年单位生产总值的碳排放量。2005年单位生产总值的碳排放量为2 195 156.70 t，2020 年单位生产总值的碳排放量比2005 年下降了29.77%。国家“十三五”规划中曾提出“2020 年比2005 年单位生产总值的碳排放量下降40%~45%”的目标。该目标是全国的平均参考值，每个地区不完全一致。单纯与该目标值相比，仍有相当的减排空间与潜力。因此，合理利用土地、改善产业结构、控制碳排放总量应成为青岛市近期发展的重要目标之一。

3 结 语

1980—2015 年青岛市净碳排放量总体呈上升趋势，由1980年的2.26×106t上升到2015年的1.96×107t。基于烟台市2000—2011年的土地利用统计数据，王秋贤[42]等测算得到烟台市2000—2011年碳排放量呈快速增加态势，年均增长率为11.79%，2011年净碳排放量达到1.31×107t的结论。樊高源[43]等基于国土资源综合统计资料，测算得到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%。这些结论与青岛市的碳排放量变化特征基本一致。

为研究土地利用变化下青岛市的碳排放特点，本文以遥感提取的青岛市土地利用数据为基础，结合1980—2015年的能源消费量数据，研究了青岛市35年间土地利用变化特点及其碳排放总量。1980—2015年青岛市建设用地和水域面积增加明显，耕地、林地有所减少。净碳排放总量增加了1 730余万t，建设用地增加是碳排放量增加的主要因素，林地是主要的碳吸收来源。根据目前的发展态势，本文利用马尔科夫链对未来碳排放量进行预测发现，2030年碳排放量将达到2 000余万t，因此控制碳排放总量应成为青岛市近期发展的重要目标之一。然而，低碳生态化城市发展作为城市可持续发展的重要途径，依赖降低碳来源、消减碳排放和加强碳捕捉[32]3 个方面的共同作用。研究结果表明，建设用地的增加是城市碳排放量大幅增加的主要原因，因此建议通过构建评价体系研究城市土地利用总体规划方案和建设评价，有利于定量化呈现城市各核心片区的碳排放潜力[44]。