張曉光，張贏心，李士美，尹建國

（1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109；2. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林與林學(xué)院，山東 青島 266109；3. 山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濰坊 261021）

20世紀(jì)以來，在經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長和城市化、工業(yè)化快速推動下，人類對自然資源的開發(fā)利用不斷增強(qiáng)，導(dǎo)致碳排放量一直處于增長態(tài)勢[1-2]。人類活動導(dǎo)致碳排放量的持續(xù)增加是引起全球氣候變暖的主要原因，主要體現(xiàn)在兩個方面：①對化石燃料的大量消耗導(dǎo)致大氣中CO2濃度上升；②土地利用變化影響溫室氣體排放與吸收[2-5]。自1990 年以來，中國持續(xù)降低單位GDP 的CO2排放量，但仍是位居全球新增碳排放量前列的國家之一。城市區(qū)域作為經(jīng)濟(jì)社會活動的重要載體，承載著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展所產(chǎn)生的化石燃料燃燒和土地利用與土地覆被變化，是影響氣候變化的重要源區(qū)[6]。因而，開展不同區(qū)域碳排放特征研究，對于固碳減排和緩解氣候變化具有重要意義。目前，區(qū)域碳排放研究主要集中在碳排放的核算[7-8]、碳排放時空格局演變[5,9-10]以及碳排放影響因素分析和低碳城市發(fā)展策略[6,11-12]3 個方面。由于數(shù)據(jù)可獲取性等因素的制約，多數(shù)研究集中在國家[13-14]、大地理區(qū)域[15-16]、省域[10,12,17]等大尺度碳排放方面，而市域尺度研究相對較少，且多為單個城市碳排放的短時間序列分析或基于能源消耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)的碳排放核算[12,18]，很少涉及城市碳排放的長時間序列分析。

作為全球應(yīng)對氣候變化事業(yè)的積極參與者，中國承諾到2030 年左右碳排放量達(dá)到峰值[19]。2008 年初，國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部首次提出低碳城市的理念，并將上海和保定作為首批低碳試點城市。目前，建設(shè)低碳城市成為中國城市建設(shè)的重要目標(biāo)之一，諸多學(xué)者也對低碳城市的城市規(guī)劃、發(fā)展路徑、政策建議等展開了大量的探討與分析[20-21]。青島市是國務(wù)院批復(fù)確定的中國沿海重要中心城市，社會經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，與此同時土地利用格局發(fā)生了巨大變化，但其土地利用變化下的長時間序列碳排放特征尚未明確。因此，本文以青島市土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合1980—2015年能源消費量數(shù)據(jù)，研究了青島市35年間土地利用及其碳排放總量的變化特征，并根據(jù)目前的發(fā)展態(tài)勢對未來碳排放量進(jìn)行了馬爾科夫鏈預(yù)測。研究結(jié)果對山東半島地區(qū)的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實踐價值，可為區(qū)域土地利用調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

青島市位于山東半島東南部，地理范圍為35°35′~37°09′N、119°30′~121°00′E，是國家沿海重要中心城市、國際性港口城市，也是山東省經(jīng)濟(jì)中心、一帶一路新亞歐大陸橋經(jīng)濟(jì)走廊的主要節(jié)點城市和海上合作戰(zhàn)略支點。青島市地勢東高西低，南北兩側(cè)隆起，中間低凹，其中山地約占15.5%、丘陵占2.1%、平原占37.7%、洼地占21.7%；地處北溫帶季風(fēng)區(qū)，屬溫帶季風(fēng)氣候；下轄市南、市北、四方、李滄、嶗山、城陽、黃島7 個區(qū)和即墨、萊西、平度、膠州、膠南5個市，總面積為11 293 km2，人口為939.48萬人（2012 年11 月市北區(qū)、四方區(qū)合并成立新的市北區(qū)，黃島區(qū)、膠南市合并成立新的黃島區(qū)；2017年9月即墨撤市設(shè)區(qū)成為即墨區(qū)，為保證數(shù)據(jù)的前后對應(yīng)，本文仍按2012年11月調(diào)整之前的行政區(qū)劃）。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用的土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn/），包括1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年的土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)生產(chǎn)制作是以各期Landsat TM/ETM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，通過人工目視解譯生成。本文采用的1980—2015年能源消耗數(shù)據(jù)來源于青島市統(tǒng)計局和《青島統(tǒng)計年鑒》[22-26]，利用中科院土地資源分類系統(tǒng)統(tǒng)一不同年份的土地利用數(shù)據(jù)口徑，分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地6 種土地利用類型[27]。

1.3 不同土地利用類型碳排放量計算

1.3.1 碳排放量計算公式

式中， Di為直接碳排放量；Ek為各土地利用類型面積；θk為各土地利用類型的碳排放（吸收）系數(shù)，排放為正值，吸收為負(fù)值[28]。

1.3.2 碳排放系數(shù)的確定

耕地的凈碳排放系數(shù)等于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中CO2、CH4等溫室氣體的排放系數(shù)與作物生育期間對CO2的吸收系數(shù)的差值。根據(jù)CAI Z C[29-30]、何勇[31]、肖紅艷[32]等的研究，得出耕地的凈碳排放系數(shù)為0.049 7 kg/(m2·a)。青島市的林地包括有林地、疏林地、灌木林地、未造成林地、跡地和苗圃，其中有林地面積最大，其次為疏林地，灌木林地、未造成林地、跡地和苗圃所占面積相對較小。根據(jù)青島市的林地特征，林地的碳排放系數(shù)取值為-0.058 1 kg/(m2·a)[33]。同時，草地的碳排放系數(shù)取值為-0.002 1 kg/(m2·a)[33]。在有積水的條件下，湖泊、濕地為碳匯；積水被排干圍墾后，湖泊、濕地中土壤有機(jī)物的分解速率大于累積速率，此時的湖泊、濕地為碳源。水域的碳排放系數(shù)取值為-0.025 3 kg/(m2·a)[34]。青島市的未利用地約占全市總面積的3%，包括荒草地、裸巖石礫地、鹽堿地、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較弱，根據(jù)賴力[35]的相關(guān)研究，碳排放系數(shù)取值為-0.000 5 kg/(m2·a)。

1.3.3 建設(shè)用地的碳排放量計算

建設(shè)用地的碳排放量主要通過其利用過程中的能源消耗產(chǎn)生，主要是指煤炭、焦炭、燃料油、汽油、煤油、柴油、液化石油氣和原油等能源的消耗量。其計算公式為：

式中，Et為建設(shè)用地碳排放量；Eni為各種能源的消耗量；θi為各種能源轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤的系數(shù)； fi為各種能源的碳排放系數(shù)。

煤炭排放系數(shù)參考日本能源經(jīng)濟(jì)研究所的煤炭排放系數(shù)[36-40]。其他能源碳排放系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)煤換算系數(shù)參考《IPCC國家溫室氣體清單指南》，如表1所示。

表1 不同類型能源的碳排放系數(shù)

2 研究結(jié)果與分析

2.1 青島市土地利用與碳排放量變化特征

1980—2015年耕地面積占比始終最大，期末、期初分別占青島市土地總面積的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級來表示。1980年、2005年、2010年和2015年的碳排放量空間分布如圖2所示，可以看出，青島市的碳吸收區(qū)域主要出現(xiàn)在青島市北部的大澤山山系、東部的嶗山山系和南部的珠山山系，而其他區(qū)域則主要表現(xiàn)為碳排放。設(shè)用地面積始終占據(jù)第二位，占青島市土地總面積的13.06%~17.60%；草地面積為第三位，占比為8.45%~9.62%；林地和水域總面積較少。1980—2015 年青島市耕地面積不斷減少，共減少了5.98%；建設(shè)用地面積不斷增加，共增加了33.15%；林地、草地、水域、未利用地面積基本保持穩(wěn)定。

圖2 青島市碳排放量空間分布格局

1980—2015年凈碳排放量總體呈上升趨勢，但存在波動。1980年青島市的凈碳排放量為2.26×106t，到2005年穩(wěn)步上升至5.92×106t，2010年凈碳排放量出現(xiàn)拐點，驟增至2.36×107t，到2015年凈碳排放量下降至1.96×107t。在兩大碳源中，以建設(shè)用地的碳排放為主，耕地的碳排放占比很小。由圖1 可知，青島市建設(shè)用地引起的碳排放量在1980—2000年緩慢增加，在2000—2005年略有下降，在2005—2010年由5.85×106t驟增至2.37×107t，到 2015 年又減少至1.96×107t，這與青島市總體凈碳排放量變化特點是一致的，與建設(shè)用地面積變化和能源消耗是密不可分的。

圖1 青島市1980—2015年各種土地利用類型的碳排放量變化

1980—2015 年耕地引起的碳排放量呈下降趨勢，這與耕地面積減少有關(guān)。林地、草地、水域、未利用地起凈碳匯作用，在整個研究期間總體碳吸收量基本保持不變。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年后碳吸收量趨于平穩(wěn)（圖1）。為直觀顯示土地利用碳排放量在空間上的分布特點，按照碳排放量的數(shù)值分布情況，將土地利用總碳排放量劃分為6個區(qū)間：≤-5.0×

2.2 基于土地利用變化的凈碳排放量預(yù)測

馬爾科夫預(yù)測法是概率論中利用馬爾科夫鏈的理論和方法來研究隨機(jī)事件的變化并借此預(yù)測未來變化趨勢的一種方法[38,41]。馬爾科夫模型的適用條件一般是中短期預(yù)測，目的在于保證轉(zhuǎn)移概率矩陣的穩(wěn)定性?？紤]到近期土地利用變化對未來的預(yù)測影響較大，本文利用2010 年和2015 年的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)移變化分析。根據(jù)兩個年份土地利用類型變化轉(zhuǎn)移矩陣，計算得到青島市2010—2015 年初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，進(jìn)而得出各種土地利用類型在5 年內(nèi)轉(zhuǎn)移為其他土地利用類型的概率。以2015年的土地利用類型為初始狀態(tài)矩陣，時間間隔為5 a，可逐步預(yù)測2020年、2025年、2030年的土地利用類型面積，結(jié)果見表2，可以看出，與2015年相比，2030年的耕地、林地、草地、水域面積基本保持不變，建設(shè)用地面積增加了9 045.76 hm2，未利用地面積減少了287.14 hm2。

表2 青島市2020—2030年土地利用類型面積預(yù)測值/hm2

根據(jù)預(yù)測的未來各種土地利用類型面積，計算得到各種土地利用類型相應(yīng)的碳排放量，如表3 所示，可以看出，青島市凈碳排放量是逐年增加的，2020年的凈碳排放量為1.99×107t，2025 年的凈碳排放量為2.02×107t，2030年的凈碳排放量為2.05×107t。

表3 青島市2020—2030年碳排放量預(yù)測值/t

為明確碳排放總量對于未來區(qū)域土地利用的參考價值，根據(jù)2010—2016年青島市國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值建立線性回歸模型（Y=706.94 X+5 114.2，R2=0.996 6），分別預(yù)測得到2020 年、2025 年、2030 年的生產(chǎn)總值（12 890.54 億元、16 425.24億元、19 959.94億元），進(jìn)而計算得到這3年單位生產(chǎn)總值的碳排放量。2005年單位生產(chǎn)總值的碳排放量為2 195 156.70 t，2020 年單位生產(chǎn)總值的碳排放量比2005 年下降了29.77%。國家“十三五”規(guī)劃中曾提出“2020 年比2005 年單位生產(chǎn)總值的碳排放量下降40%~45%”的目標(biāo)。該目標(biāo)是全國的平均參考值，每個地區(qū)不完全一致。單純與該目標(biāo)值相比，仍有相當(dāng)?shù)臏p排空間與潛力。因此，合理利用土地、改善產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、控制碳排放總量應(yīng)成為青島市近期發(fā)展的重要目標(biāo)之一。

3 結(jié) 語

1980—2015 年青島市凈碳排放量總體呈上升趨勢，由1980年的2.26×106t上升到2015年的1.96×107t?；跓熍_市2000—2011年的土地利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)，王秋賢[42]等測算得到煙臺市2000—2011年碳排放量呈快速增加態(tài)勢，年均增長率為11.79%，2011年凈碳排放量達(dá)到1.31×107t的結(jié)論。樊高源[43]等基于國土資源綜合統(tǒng)計資料，測算得到烏魯木齊市土地利用凈碳排放量總體呈逐年上升趨勢，由1996 年的643.42萬t上升到2013年的2 161.05萬t，年均遞增率達(dá)7.39%。這些結(jié)論與青島市的碳排放量變化特征基本一致。

為研究土地利用變化下青島市的碳排放特點，本文以遙感提取的青島市土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合1980—2015年的能源消費量數(shù)據(jù)，研究了青島市35年間土地利用變化特點及其碳排放總量。1980—2015年青島市建設(shè)用地和水域面積增加明顯，耕地、林地有所減少。凈碳排放總量增加了1 730余萬t，建設(shè)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來源。根據(jù)目前的發(fā)展態(tài)勢，本文利用馬爾科夫鏈對未來碳排放量進(jìn)行預(yù)測發(fā)現(xiàn)，2030年碳排放量將達(dá)到2 000余萬t，因此控制碳排放總量應(yīng)成為青島市近期發(fā)展的重要目標(biāo)之一。然而，低碳生態(tài)化城市發(fā)展作為城市可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，依賴降低碳來源、消減碳排放和加強(qiáng)碳捕捉[32]3 個方面的共同作用。研究結(jié)果表明，建設(shè)用地的增加是城市碳排放量大幅增加的主要原因，因此建議通過構(gòu)建評價體系研究城市土地利用總體規(guī)劃方案和建設(shè)評價，有利于定量化呈現(xiàn)城市各核心片區(qū)的碳排放潛力[44]。