土地整治工程碳效应测算研究——以河北省景县为例

李雅楠，胡永翔，2，尚国琲，2，张霞，2

（1.河北地质大学土地科学与空间规划学院，河北石家庄 050031；2.河北省国际科技合作基地：河北地质大学河北省农业干旱遥感监测国际联合研究中心，河北石家庄 050031）

0 引言

我国当前正处于经济转型的关键时期，基于工业化的产业结构和人口众多的现状，我国大力发展低碳经济和绿色产业。土地利用活动对土壤和植被碳库均会造成不同程度的破坏，同时各种农业投入和机械化生产成为了二氧化碳等碳气体排放的直接碳源［1］。土地整治工程可以改变土地利用结构和利用方式，但在施工过程中能源消耗带来的碳排放对项目区的生态环境和碳平衡产生重要影响。

目前国内学者对于土地整治项目碳效应的研究较少，多集中在土地整治的内涵［2］、政策法规［3］、整治模式［4］和效益评价研究［5］，只有少数对土地整治的碳效应机理［6］和碳效应测算［7，8］进行分析研究。土地整治工程涉及到土地利用结构、利用方式、整治后的农田管理以及工程施工等多种方面，是一项复杂的土地利用系统工程。以往研究多基于土地利用变化带来的碳储量进行测算，无法综合反应土地整治项目对研究区碳平衡的影响状况。因此，本文以河北省景县洚河流镇土地整治项目为例，从工程施工、土地利用结构和农田管护三个角度研究土地整治工程碳效应，实现碳源和碳汇之间的转化，提高土地的生态价值，更好地应对全球气候变化。

1 研究方法

土地整治工程主要包括土地平整工程、灌溉与排水工程、田间道路工程和农田防护与生态环境保持工程。本文主要从工程施工的碳排放效应、土地利用结构碳效应和农田管护碳效应3 个方面进行测算。从时间上看，工程施工的碳排放属于短期碳效应，土地利用结构和农田管护碳效应属于长期碳效应。研究框架如图1所示。

图1 研究框架图Fig.1 Research framework diagram

1.1 工程施工碳效应核算

工程实施过程产生的碳排放主要来源于两个方面：一是平整土地、修建沟渠、翻修道路等施工活动需要大量机械的投入，消耗汽油、柴油等燃料，产生碳排放；另一方面是各种物料的投入，例如石灰、混凝土、钢铁以及PVC 管等，使用这些物料不存在碳排放，但因为运输成本等原因，所用物料均由研究区内工厂生产，在生产这些物料时会产生碳排放。此部分碳效应采用物料衡算法［9］来测算，具体测算模型如下：

式中：C工为工程施工碳排放总量，t；MCi为i种能源及物料的使用量，kg；ECi为i种能源及物料对应的碳排放系数，kg/kg、kg/m3或kg/株。

1.2 土地利用结构碳效应核算

土地利用结构碳效应是指整治前后由于地类转换带来的土地碳储量的变化。两者之间的差值即为土地利用结构碳效应。土地碳储量包括土壤碳储量和植被碳储量。采用生态系统类型法［10］进行测算，具体测算模型如下：

式中：C结为研究区整治项目后总碳储量的变化，t；C后和C前为整治后和整治前土地的碳储量，t；Li为i种土地利用类型整治前后面积的变化，hm2；Si和Pi为i种土地利用类型的土壤碳密度和植被碳密度，t/hm2。

1.3 农田管护碳效应核算

农田管护碳效应分为农田生态系统的碳吸收效应和农田耕作的碳排放效应。农田生态系统的碳吸收效应主要考虑：土地整治后耕地数量的增加以及耕作条件的改善带来的农作物产量的增加，具体测算模型如下：式中：C农为i种农作物的碳吸收量，t；Wi、Hi和fi分别为i种农作物平均含水率、经济系数、碳吸收率；Yi为i种作物的经济产量，t。

农田耕作的碳排放效应主要来源于3 个方面［11］：一是化肥和农药等物资投入；二是在进行灌溉时所消耗的电能；三是机械化作业过程中所消耗的能源，算法与工程碳效应相同，采用物料衡算法来测算，具体测算模型如下：

式中：C耕为农田耕作的碳排放总量，t；Ci为i种农业投入产生的碳排放，t；Ti为i种农业投入的使用量，t；δi为i种农业投入的碳排放系数，t/t。

2 研究区概况及数据来源

2.1 研究区概况

研究区位于河北省景县洚河流镇，地理位置为东经116°09'20″～116°13'44″，北纬37°41'27″～37°46'28″。西起后孟桥、西朱河、司马庄，东至崔屯、宋屯，北起赵将军、六合村，南到颜庄，包括崔屯、大代庄、大王高等39 个村庄，位置如图2 所示。地貌属海陆交替沉积平原，微地貌类型复杂，平均海拔在20.5 m左右。光热条件可满足农作物一年两作“冬小麦夏玉米”种植制度需要。项目于2016 年动工，2020 年验收，涉及规模2 625.01 hm2，总投资额为1 949.845 2 万元。

图2 项目位置图Fig.2 Project location map

2.2 数据来源

工程施工阶段各种物料和能源的使用量均通过河北地质大学土地科学与空间规划学院编制的《景县土地整治项目建设报告书-2020》中的主要材料用量汇总表获得。各个物料和能源的碳排放系数通过IPCC 指南［12］和参考相关文献［13，14］整理得到，见表1。

表1 研究区能源和物料碳排放系数Tab.1 Carbon emission coefficients of energy and materials in the study area

土地利用结构碳效应所需要的土地整治前后土地利用现状数据是在地理空间数据云网站下载遥感影像，然后经解译获取。各地类植被碳密度和土壤碳密度参照前人［15，16］对华北平原或自然条件气候相似地区的研究中整理得到，研究区主要涉及的6个地类的土壤、植被碳密度见表2。

表2 研究区植被碳密度和土壤碳密度t/hm2Tab.2 Vegetation carbon density and soil carbon density in the study area

农田管护碳效应涉及到的农作物经济产量和农业生产物资投入等数据来自河北省统计局的《河北省农村统计年鉴2017》、《河北省农村统计年鉴2021》和中国统计局的《中国县域统计年鉴2017》、《中国县域统计年鉴2021》。农作物的平均含水率、经济系数和碳吸收率的相关参数参考以往研究［17-19］获得，见表3。各种农业生产投入的碳排放系数通过诸多学者［20-22］的研究成果整理得到，见表4。

表3 项目区主要农作物相关参数Tab.3 Related parameters of main crops in the project area

表4 项目区农业生产投入物资碳排放系数Tab.4 Carbon emission coefficient of agricultural inputs in the project area

3 研究结果

3.1 工程施工碳效应

该土地整治项目在工程施工过程中的碳排放量为8 988 t，修建防护林的碳汇量为197 t，最终的净碳排放量为8 791 t，呈现出明显的碳排放状态。其中石灰的碳排放量最多，为5 468 t，占总碳排放的60.84%；然后是混凝土，占总碳排放的29.78%；防护林的碳汇量为197 t，可抵消总碳排放的0.98%，见表5。

表5 土地整治工程能源和物料使用量和碳排放量Tab.5 Energy and material consumption and carbon emission of land consolidation project

3.2 土地利用结构碳效应

土地整治项目完成后，各地类面积变化和增幅情况如图3、4；地类转换导致土地碳储量的变化如表6。土地整治完成后，土地总碳储量增加1 611 t。

表6 土地整治前后土地碳储量变化tTab.6 Changes of land carbon storage before and after land consolidation

图3 各地类面积变化图Fig.3 Variation diagram of local class area

3.3 农田管护碳效应

土地整治项目完成后，研究区的耕地主要以水浇地为主，种植作物为小麦和玉米，采用“冬小麦—夏玉米”的种植模式。2016 年土地整治前小麦和玉米的单产为7.50 和8.70 t/hm2。2020年土地整治完成后，单产增至7.95和9.15 t/hm2。

图4 各地类面积增幅变化图Fig.4 Variation of area increase in each region

经测算，土地整治前农田生态系统碳储量为39 844 t，整治后碳储量为42 506 t，碳汇量增加2 662 t，增长6.68%，其中冬小麦增加1 351 t，夏玉米增加1 311 t，见表7。

表7 土地整治前后农作物碳吸收量变化tTab.7 Changes of crop carbon uptake before andafter land consolidation

整治前后各农业投入量相对应的碳排放值，见表8。由表8中可知，无论是整治前还是整治后，碳排放大部分来源于化肥的使用。由于整治后耕地面积尤其是水浇地面积的增加，导致化肥、农药和灌溉的碳排放均有不同程度的增加，分别增加28、5 和52 t；整治后的耕地机械化程度加强，由农业机械产生的碳排放随之增加26 t。所以土地整治前后，农业生产产生的碳排放总体上成增加的状态，增加111 t。

表8 土地整治前后农业投入碳排放变化Tab.8 Changes of agricultural input carbon emissions before and after land consolidation

4 结果分析

4.1 碳盈亏平衡分析

在土地整治工程完成后，既有短期碳效应，又有长期碳效应，碳源碳汇同时存在。一是工程施工在短期内会产生大量的碳排放；二是整治后由于土地利用结构的改变，土地的碳储量能力会随之提升；三是耕地面积的增加和耕作条件的改善使农作物产量提升，农田生态系统的固碳能力加强；四是农业耕作活动的碳排放较整治前成增加的状态。

因此，在土地整治完成后的一定时间，土地利用结构和农田生态系统增加的碳储量将会抵消掉工程施工和农田耕作增加的碳排放量，从而达到碳平衡状态，以探究整治区达到碳盈亏平衡所需要的时间，本文建立碳盈亏平衡模型，具体测算模型如下：

式中：T为达到碳平衡所需时间，a；C工1为C工中除去防护林的碳排放，t；C林为防护林的碳汇量，t。经测算，研究区达到碳盈亏平衡所需时间为2.06 a。

4.2 生态环境状况分析

土地整治完成后，对生态环境的影响是不可忽视的，本文基于生物丰度指数和生态环境质量指数两个方面考察土地整治对生态环境的影响。生物丰富度W可以反应研究区生物的丰富和贫乏程度；生态环境质量指数EV可以直观地反应出研究区生态环境的质量，本文整理借鉴刘敏［23］、高晶［24］、董建红［25］等人的研究成果，具体测算模型如下：

式中：W为生物丰富度；EV为生态环境质量指数；Ci为第i种地类的生态环境指数；n为地类数目；Aki为t时期地类i的面积，hm2；Ak为区域总面积，hm2。各地类的生态环境指数参考董建红［25］等制定的各二级地类生态环境指数值，如表9。

表9 各地类生态环境指数值Tab.9 Values of ecological environment indices in different regions

通过计算，土地整治前后生物丰度指数、生态环境质量指数的变化如表10所示。由结果可知，土地整治前后无论是生物丰富度还是生态环境质量指数，都没有发生较大变化，说明土地整治工作并没有对研究区的生物丰度和环境质量带来负面消极影响。

表10 整治前后各指标变化情况%Tab.10 Changes of each index before and after remediation

5 结论与讨论

5.1 结论

从土地整治过程中工程施工、土地利用结构和农田管护3个角度出发，构建了土地整治碳效应核算体系，测算了研究区碳效应，得出结论如下。

（1）从测算结果看，工程施工带来的碳排放量为8 791 t；土地利用结构碳效应的碳汇增量为1 611 t；农田管护碳效应中的农田生态系统的碳汇增量为2 662 t，农业耕作增加的碳排放量为111 t。经研究，土地整治项目完成后，没有对研究区的生物丰度和环境质量产生负面影响，短时间内研究区表现为碳排放，经过碳盈亏平衡分析，预计2.06 a之后，达到碳盈亏平衡点，之后表现为长期的碳汇。

（2）工程施工对研究区的碳平衡扰动较大，其中碳排放主要受石灰和混凝土的影响，防护林的碳汇性质可以在一定程度上减少施工带来的碳排放，但影响力较小，所以工程施工整体成碳排放状态。

（3）土地利用结构碳效应中，总体表现为碳储量增加1 611 t，土壤碳储量增加是总碳储量增加的主要原因。耕地和园地面积的增加是总碳储量增加的关键，林地、交通运输用地、水域及水利设施用地和其他土地的损失使碳储量减少。

（4）农田管护碳效应中，农田生态系统碳效应碳吸收量增加2 662 t，主要原因是农作物产量的提高。农业耕作的碳排放量增加111 t，土地整治后耕地面积增加，导致化肥、农药、灌溉面积的增加，机械化作业量的加大，故由此产生的碳排放也相应的增加。

5.2 讨论

（1）由测算结果可以看出，工程施工是整个土地整治项目中碳排放的最大来源。应当根据研究区的实际需求，结合地势条件，科学合理的规划施工方案，尽量减少工程量，降低能源和物料的消耗。同时增加防护林的种植，增加防护林数量。

（2）地类转换带来的土地利用结构碳效应是正向积极的。在各地类中，林地的碳密度是最大的，园地和耕地次之，交通运输用地的碳密度最小，所以在整治过程中，从碳效应角度出发，要尽可能地保护和增加林地、园地和耕地的面积，以达到碳吸收量的最大值。

（3）耕地面积增加必然会导致农业生产投入的增加，从而增加农田耕作碳排放。在农田耕作时，应选择碳排放系数较低的化肥农药品种，合理规划灌溉制度，减少用电量，最大程度的减少碳排放量。