基于土地利用变化的吕梁市碳排放量变化研究

白雨霞

（长安大学土地工程学院，陕西 西安 710054）

0 引言

随着人类活动的增加，大气中释放出越来越多的二氧化碳等温室气体，温室效应、环境污染、能源利用率低等一系列环境问题随之产生。土地利用与碳排放研究对土地利用总体规划、产业结构升级、节能减排、低碳经济发展、供给侧结构性改革深化、国家能源安全保障、社会经济可持续发展具有重要意义。

目前国际研究的热点集中在通过建立区域尺度数据库、模拟工具箱、开展自然生态系统及人类活动下碳排放、碳循环和固碳机制等方面。国内学者则围绕土地利用变化引起的碳排放开展了广泛的研究，并取得了丰富的成果，主要表现在以下几个方面：碳排放机理、碳排放效应、碳排放核算模型、碳排放影响因素等方面［1］。当前，被广泛应用的碳排放核算模型主要有样本调查、模型估算、遥感估算等［2］。学者们从全国、省域、市域等不同尺度出发研究土地利用的碳排放，如周嘉等通过碳排放系数法对研究区30 个省级行政区的土地利用产生的碳排放与碳吸收情况进行测算研究［3］；郑永超等采用土地利用类型数据和能源消费数据，通过构建碳排放模型及计算相关指数，对宁夏16 年来不同土地利用碳排放效应进行了分析［4］。基于碳排放视角，不同学者对碳排放的影响因素进行了一系列研究［5］，如何小钢对中国工业行业碳排放影响因素进行研究，发现投资规模会对碳排放产生影响［6］。

本研究从不同土地利用方式的碳排放与碳吸收入手，研究吕梁市2005—2020 年不同土地利用方式的碳排放量变化情况，探讨合理利用土地、优化土地利用结构的理论意义及实际价值，以期为吕梁市的土地利用结构规划提供思路。

1 研究区概况、数据来源与方法

1.1 研究区概况

吕梁市位于山西省中部西侧，因吕梁山脉纵贯全境而得名。地理坐标为北纬36°43'～38°43'，东经110°22'～112°19'，西隔黄河与陕西省榆林市相望，东与太原市和晋中市相邻，南与临汾市接壤，北与忻州市为邻。面积2.1 万km2，占全省总面积的13.5%。全市基本属于温带大陆性季风气候区，冬寒夏暑，四季分明。市境总面积21 140 km2，下辖1个市辖区、10 个县，代管2 个县级市。离石区是吕梁市政府所在地，是全市政治、文化和交通中心。

1.2 数据来源

数据使用的吕梁市2005年、2015年、2020年三期土地利用数据，均由地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn）的Landsat8遥感影像数据经过解译处理得来，数据精度为30 m，所选取的影像遵循时间相近、云量最少的原则，使用ENVI 软件进行校正、融合、镶嵌、裁剪、监督分类等处理，识别为耕地、林地、草地、水体、建设用地、未利用地6个地类。

1.3 研究方法

1.3.1 动态度模型。土地利用动态度是指某一区域内某一时间段内某种土地利用类型面积变化程度及不同地类之间相互转换的趋势，主要用于反映不同空间在一定时期内的数量变化程度［7］。土地利用动态度的计算公式为式（1）。

式中：K 为研究期的土地利用动态度；Ua、Ub分别为研究期初和研究期末研究区内某地类的面积；T为研究期时长。

1.3.2 转移矩阵。土地利用转移矩阵是在马尔科夫模型的基础上建立起来的，用于反映研究期初到研究期末各地类的转移方向与规模［7］。土地利用转移矩阵的数学表达形式为式（2）。

式中：Sij为由地类i转为地类j的面积，m2。

1.3.3 碳排放模型。土地利用碳排放是指人类在土地及土地上的生产要素进行改造的过程中产生的碳排放过程［8］。耕地、建设用地是碳排放的主要来源，林地、草地是碳吸收的主力军。碳排放计算公式为式（3）。

式中：E 为碳排放总量，t；ei为不同类型土地的碳排放量，t；Ti为不同类型土地的面积，m2；di为不同类型土地的碳排放系数，t/m2。

参考相关研究［9-10］，本研究将吕梁市的耕地、林地、草地、水体和未利用地的碳吸收系数分别确定为：0.459 5 t/（hm2·a），0.612 5 t/（hm2·a），0.022 t/（hm2·a），0.025 3 t/（hm2·a），0.005 t/（hm2·a）；耕地与建设用地的碳排放系数分别为0.42 t/（hm2·a），0.733 t/（hm2·a）。

2 土地利用与碳排放时空分析

2.1 土地利用动态度分析

对2005年、2015年、2020年这三期土地利用数据进行交叉分析，得到的统计数据如表1 所示，2005—2015年，面积变化最多的是建设用地，达到了612.170 km2；变化幅度最大的是未利用地，为20.34%，不过由于该地类面积基数小，面积数量变化并不大；耕地、林地、水域面积均有所减少。2015—2020 年，除林地和建设用地少量增加，其余地类面积依然有微弱幅度的减少。总体来看，2005—2020年，耕地、林地、水域、面积减少，减少幅度分别为0.37%、0.37%、1.57%；草地、建设用地、未利用地面积有所增加，且建设用地面积增加幅度较大，达到了14.32%，增加面积达到了613.167 3 km2。

表1 2005—2020年土地利用动态度变化

2.2 土地利用转移矩阵

借助ArcGIS 空间叠加功能，得到2005—2020年吕梁市土地利用转移矩阵。由表2 可知，各类土地的转入转出方向，其中，耕地、林地、草地的转出幅度较大，耕地的主要转出方向为林地、草地和建设用地；林地的主要转出方向为耕地、草地和建设用地；草地的主要转出方式为耕地、林地和建设用地。

表2 2005—2020年土地利用转移矩阵 单位：km2

2.3 碳排放量与碳吸收量

基于各土地利用类型的碳排放系数，计算出2005 年、2015 年、2020 年吕梁市土地利用碳排放量与碳吸收量，结果如表3 所示。由于吕梁市林地面积较大，各年份的碳吸收总量远大于碳排放总量。从总体趋势上来看，吕梁市碳排放量总体呈现上升趋势，碳吸收量则逐年下降趋势。

3 结论

本研究基于土地利用数据，对吕梁市2005—2020 年的土地利用变化与碳排放变化进行研究。2005—2020年，吕梁市各土地利用类型之间的相互转换较为显著，建设用地的变化尤为明显，呈明显增加趋势。经分析发现，建设用地的碳排放对碳排放总量贡献最大；林地碳吸收量则是碳汇的主要来源。导致这种现象的主要原因可能是吕梁地区经济发展滞后，近年来通过城镇化建设来发展经济，建设用地扩张加剧。研究结果还表明吕梁市碳排放量与碳吸收量均呈现逐年增加的态势，但土地利用碳吸收并不能作为主要的碳吸收方式，吕梁市能源消耗较大，主要应该从技术方向入手，节能减排，转变能源结构，提倡使用绿色能源，从而减缓碳排放量的增加趋势，进一步达到保护生态环境的目的。