基于碳排放的區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的碳效應(yīng)評估及低碳優(yōu)化

基于碳排放的區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的碳效應(yīng)評估及低碳優(yōu)化

0低碳土地利用研究區(qū)域土地利用是導(dǎo)致碳排放的重要因素之一。土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整可以在一定程度上改變土地利用的碳源組合模式。因此,從土地利用角度開展碳排放及其調(diào)控研究,對于構(gòu)建低碳型土地利用格局、推動經(jīng)濟社會低碳發(fā)展具有重要意義。近年來,國內(nèi)外學(xué)者開展了土地利用碳排放的相關(guān)研究,主要集中在土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響、土地利用、能源消費與碳排放的關(guān)系[9,10,11,12,13,14]及低碳土地利用模式與策略等方面,這推動了“低碳土地利用”這一新的研究方向的深入。在此基礎(chǔ)上,土地利用低碳優(yōu)化的研究也逐漸展開,為區(qū)域土地利用總體規(guī)劃提供了實踐指導(dǎo)。土地利用低碳優(yōu)化研究可以從國家、省區(qū)、城市、縣域等不同的層面展開,如:賴力和黃賢金對全國土地利用規(guī)劃綱要進行了低碳優(yōu)化研究;揣小偉等和游和遠等基于省級層面開展了土地利用的低碳優(yōu)化研究;在市縣級層面,國內(nèi)學(xué)者分別以泰興市、蘭州市和武漢市及通榆縣等為例開展了土地利用結(jié)構(gòu)的低碳優(yōu)化研究;另外,鐘學(xué)斌等針對湖北省某土地整理區(qū)的碳損失提出了生態(tài)補償優(yōu)化的方案。以上研究為本工作的開展提供了重要的方法和思路借鑒,但前期研究對建設(shè)用地的劃分不夠細化,而且主要是針對碳儲量或碳排放的單一方面開展的,在土地利用的碳效應(yīng)綜合評估及優(yōu)化方案的對比與模擬預(yù)測研究方面還需要進一步加強。本文以南京市為例,建立了較為詳細的土地利用碳效應(yīng)評估參數(shù),在對土地利用總體規(guī)劃方案的碳效應(yīng)進行評估的基礎(chǔ)上,采用線性規(guī)劃模型,提出了三種面向低碳的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,分析了各種方案的碳減排潛力,并提出了最佳土地利用結(jié)構(gòu)方案及其選取的依據(jù)。1土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化,提高區(qū)域碳排放水平土地利用的“碳效應(yīng)”是指土地利用活動對區(qū)域碳過程的影響,包括直接和間接碳效應(yīng)兩方面。前者是指土地利用對區(qū)域自然碳過程的影響,后者是指土地利用活動通過改變?nèi)祟惤?jīng)濟活動的方式和強度來改變區(qū)域碳過程,土地利用會引起人類經(jīng)濟活動及能源消費的組合方式的改變,從而改變土地利用的碳排放強度和格局。土地利用的碳效應(yīng)有正負之分,正效應(yīng)是指通過人為措施實現(xiàn)碳固定、增加碳匯;負效應(yīng)則是通過土地利用活動直接或間接地增加碳排放。區(qū)域碳效應(yīng)的土地調(diào)控的目標是盡可能地降低區(qū)域的碳排放強度、提高碳匯水平和固碳效率。土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化是實現(xiàn)區(qū)域碳排放調(diào)控的重要工具之一。1)不同土地利用方式的碳源/匯強度差異明顯,通過土地利用方式的調(diào)控,可以限制高碳排放的用地方式、實行差別化的供地機制,從而降低區(qū)域的碳排放強度;2)通過土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化,可以調(diào)整自然及人為過程的碳源/匯強度及其組合關(guān)系,從而通過土地利用格局改變來引導(dǎo)形成區(qū)域低碳型的土地利用模式和布局;3)可以限制建設(shè)用地的過快增長,實現(xiàn)緊湊、集約型的土地利用格局,降低因建設(shè)用地過度擴張帶來的碳排放。因此,土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化不僅有利于實現(xiàn)集約化的土地利用格局,而且對區(qū)域碳排放調(diào)控、引導(dǎo)區(qū)域低碳發(fā)展也具有重要意義。2區(qū)域土地利用低碳優(yōu)化研究方法2.1主要建設(shè)用地的碳積和碳匯在不同土在南京市城市系統(tǒng)碳收支核算研究的基礎(chǔ)上,建立了土地利用與碳過程的對應(yīng)關(guān)系,開展了不同土地利用方式的碳儲量與碳通量的定量分析,初步了解了南京市不同土地利用方式的碳儲量、碳匯及碳排放強度的特征。結(jié)合前期的研究結(jié)果,通過與南京市土地利用規(guī)劃方案的結(jié)合、建設(shè)用地類型的細化和碳評估參數(shù)的調(diào)整和預(yù)測,建立了2005、2010和2020年南京市土地利用碳效應(yīng)評估的基礎(chǔ)參數(shù)(表1)。需要說明的是:1)2020年的參數(shù)是根據(jù)歷年不同土地利用方式的碳蓄積、碳排放和碳匯強度進行趨勢外推的結(jié)果。由于耕地、園地、林地、牧草地、交通用地、水利設(shè)施和其他建設(shè)用地等的碳蓄積主要表現(xiàn)為土壤和植被的碳蓄積,歷年來碳蓄積強度變動不大,因此2020年仍采用2010年的數(shù)值;而其他地類(如城鎮(zhèn)工礦用地和農(nóng)村居民點用地等)由于涉及到人為碳庫的變化特征,歷年來參數(shù)有一定程度的增長,這里按照2005-2009年的增長幅度對2020年的碳蓄積系數(shù)進行了預(yù)測,碳匯和碳排放系數(shù)的設(shè)定方法同上;2)考慮到城市綠化和建筑木材的碳儲量主要集中于居民點用地,因此“水利設(shè)施用地”的碳儲量采用水域的平均碳儲量(102.41t/hm2),“其他建設(shè)用地”的碳儲量取居民點及工礦用地的平均土壤碳儲量(124.76t/hm2);其他建設(shè)用地和水利設(shè)施用地的碳匯暫定為0;3)“城鎮(zhèn)工礦用地”的碳排放系數(shù)按城鎮(zhèn)建設(shè)用地和工礦用地的面積將兩者碳排放系數(shù)加權(quán)(兩者權(quán)重分別為38%和62%)計算得出;4)其他農(nóng)用地的參數(shù)采用土地利用過渡分類中“其他農(nóng)用地”分攤到不同地類的面積加權(quán)(其中,水域、農(nóng)村居民點用地、交通用地和未利用地的權(quán)重分別為78%,3%,6%和13%)計算得到。2.2建設(shè)用地面積選取12種地類的面積作為變量(各變量編號見表1),運用線性規(guī)劃方法,以碳蓄積、碳排放和碳匯為約束目標分別建立了3個基于碳蓄積最大化、碳排放最小化和碳匯最大化的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。以各地類的面積乘以2020年碳蓄積(碳排放或碳匯)系數(shù)并求和作為模型的目標函數(shù)。公式如下式中,F(Xct),F(Xce),F(Xci)分別代表3個目標函數(shù)(總碳蓄積量、總碳排放量和總碳匯量,t);Cti,Cei和Cii分別代表2020年第i類土地利用方式的碳蓄積系數(shù)、碳排放系數(shù)和碳匯系數(shù),t/hm2,(表1)Xi表示第i類土地利用類型的面積(hm2)(Xi>0,i=1,2…12)。因此,式(1)-式(3)表示對Xi進行求解,使三個目標函數(shù)分別達到碳蓄積最大化、碳排放最小化和碳匯最大化。目標函數(shù)確定之后,需要建立各變量Xi的約束條件。根據(jù)《南京市土地利用總體規(guī)劃(2006-2020)》(以下簡稱“《總體規(guī)劃》”)(表2)、《南京市城市總體規(guī)劃(2007-2030)》、《南京市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》(以下簡稱“十二五規(guī)劃”)的主要約束目標和南京市的實際情況,以及對南京市社會經(jīng)濟發(fā)展的預(yù)測值,構(gòu)建各變量的約束方程。首先,各類土地面積之和應(yīng)等于南京市土地總面積,即:ΣXi=658231.30hm2(xi>0)。根據(jù)《總體規(guī)劃》的約束性指標,2020年耕地面積應(yīng)不低于235423.6hm2,考慮到建設(shè)用地的占用,耕地面積會有一定幅度的減少。這里以當前的耕地面積作為上限,設(shè)定約束條件:235423.60hm2≤x1≤242095.3hm2。2009年園地的實際面積為9732hm2,根據(jù)《總體規(guī)劃》,2020年僅為園地面積為9332.4hm2,隨著城市的發(fā)展,人們生活消費對茶葉、蔬菜和水果的需求會進一步加大,因此,2020年可能會比規(guī)劃面積有一定程度的增長。這里將2009年園地面積作為上限,設(shè)定約束條件為:9332.4hm2≤x2≤9732hm2。根據(jù)“十二五”規(guī)劃的森林覆蓋率進行預(yù)測,2020年林地面積預(yù)測為91138.73hm2,該值明顯高于2020年規(guī)劃年的目標值。隨著未來植樹造林的加強,南京市林地面積會有所增長,因此將該值設(shè)為2020年林地的上限,將林地2020年規(guī)劃面積設(shè)置為下限。設(shè)定約束條件為:86183.6hm2≤x3≤91138.73hm2。2009年南京市牧草地面積僅為46.7hm2,這里根據(jù)10a來牧草地的下降趨勢預(yù)測,2020年牧草地面積約為10hm2。設(shè)定約束條件為:10hm2≤x4≤46.7hm2。在規(guī)劃期內(nèi),“其他農(nóng)用地”有一定程度的減少是合理的,這符合土地整理的要求。根據(jù)“其他農(nóng)用地”近年來的下降幅度,這里將2010年其他農(nóng)用地面積下降20%,作為2020年的下限,即:82563.5hm2≤x5≤103204.4hm2。根據(jù)近年來南京市建設(shè)用地的自然增長速度,2010年建設(shè)用地總面積已經(jīng)明顯超過了《總體規(guī)劃》的目標值,根據(jù)預(yù)測,2020年南京市建設(shè)用地將會達到191532.5hm2,將該預(yù)測值作為建設(shè)用地面積的上限,而將《總體規(guī)劃》中2020年建設(shè)用地面積作為下限,這樣更符合南京市發(fā)展的實際情況。因此,設(shè)定約束條件為:179012.5hm2≤x6+x7+x8+x9+x10≤191532.5hm2。根據(jù)《總體規(guī)劃》,南京市2020年城鄉(xiāng)建設(shè)用地的控制指標為132988.4hm2,這包括城鎮(zhèn)工礦用地和農(nóng)村居民點用地,因此可建立約束條件為:x6+x7≤132988.4hm2。根據(jù)《南京市城市總體規(guī)劃(2007-2030)》,南京市常駐人口2020年預(yù)期為1047萬,城市化率86%,則城鎮(zhèn)人口為900.42萬,按照《總體規(guī)劃》,人均城鎮(zhèn)工礦用地的約束面積為122m2,則城鎮(zhèn)工礦用地總面積不能大于109851.24hm2,這里將2010年城鎮(zhèn)工礦用地面積作為下限。約束條件為:71662.2hm2≤x6≤109851.24hm2。根據(jù)《總體規(guī)劃》,2020年居民點面積為52294.2hm2。未來,隨著農(nóng)村人口的減少和新農(nóng)村建設(shè)的加快,農(nóng)村居民點的整理潛力會更大?？紤]到近年來的實際情況和農(nóng)村居民點整理潛力,將居民點整理比例設(shè)定為2020年規(guī)劃農(nóng)村居民點用地的15%。因此,可設(shè)置約束條件:45052.38hm2≤x7≤52294.2hm2。2010年,南京市建設(shè)用地面積實際上已超過規(guī)劃面積的5%以上,考慮到南京市未來10a處于城市化快速發(fā)展的階段,因此,這里將交通運輸用地、水利設(shè)施用地、其他建設(shè)用地等的增長閾值也相應(yīng)放寬5%。而將《總體規(guī)劃》中2020年面積設(shè)置為下限。因此,可建立3個約束方程為:18203hm2≤x8≤19113.2hm2;18940hm2≤x9≤19887hm2;8881.1hm2≤x10≤9325.2hm2。根據(jù)10年來水域面積的變化率,水域面積的年降幅約為0.3~0.5%/a,因此,設(shè)定2020年水域面積比2010年下降3%~5%,即:47967.31hm2≤x11≤48977.14hm2;根據(jù)南京市未利用地面積的下降趨勢推算,2020年未利用地土地面積大約在4100hm2左右(作為未利用地面積的下限),同時,考慮到建設(shè)用地的占用,這里以《總體規(guī)劃》中2020年未利用地面積作為上限。設(shè)置約束條件為:4100hm2≤x12≤5666.5hm2。3結(jié)果與分析3.1規(guī)劃方案的碳匯水平結(jié)合表1的參數(shù),對南京市土地利用總體規(guī)劃方案的碳效應(yīng)進行了評估,得到了基期年和規(guī)劃年的不同土地利用方式的碳蓄積、碳排放和碳匯狀況(表3)。規(guī)劃目標年2020年碳蓄積總量為7235.88萬t,比2005年增加了344.35萬t,這表明規(guī)劃方案起到了一定的碳蓄積效果。其中,城鎮(zhèn)工礦用地的碳蓄積增長最為明顯,增加了339.71萬t,這主要與人為碳庫的單位面積蓄積量的增長有關(guān),特別是,隨著建筑密度的提高,建筑木材、家具和圖書等含碳物質(zhì)的輸入增加了城鎮(zhèn)工礦用地的碳儲存強度。而其他地類的碳蓄積大都保持穩(wěn)定或略有下降。南京市2020年規(guī)劃方案的碳匯為181.08萬t,比2005年減少了3.40萬t,這表明規(guī)劃方案的碳匯效果有所減弱。2005-2020年,耕地減少導(dǎo)致的碳匯損失為10.45萬t;建設(shè)用地擴張導(dǎo)致的碳匯增加量為4.14萬t,這主要歸因于城市綠化覆蓋率的增長使城市碳匯強度不斷提升;林地增加帶來的碳匯增加量為4.67萬t。其余地類的碳匯水平大都基本保持穩(wěn)定。2020年規(guī)劃方案的宗碳排放為3857.81萬t,比2005年增長了1293.90萬t。這主要歸因于建設(shè)用地碳排放的大幅增長。2005-2020年,城鎮(zhèn)工礦用地、水利設(shè)施用地、交通運輸用地和其他建設(shè)用地的碳排放量預(yù)期將分別增長1017.46、115.09、113.77和52.61萬t。另外,農(nóng)村居民點用地的碳排放在規(guī)劃期內(nèi)減少了24.37萬t。其他地類的碳排放變化不大?？梢?與2005年規(guī)劃基期年相比,南京市2020年規(guī)劃方案的碳蓄積增加了344.35萬t,碳排放增加了1293.90萬t,碳匯減少了3.40萬t?？傮w而言,土地利用總體規(guī)劃方案雖然使區(qū)域的總碳蓄積有所提升,但其帶來的預(yù)期碳排放遠遠大于碳蓄積的增加值,同時也將會導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力的降低。3.2城鎮(zhèn)工業(yè)用地根據(jù)前文的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型(式(1)~式(3)),采用Lingo軟件進行求解,可以得到2020年基于碳蓄積最大化、碳排放最小化和碳匯最大化的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案(以下分別稱為:方案1、方案2和方案3)(表4~6)。方案1的總碳蓄積為7336.91萬t,比南京市2020年規(guī)劃方案的碳蓄積多101.02萬t(表4)。該方案不僅實現(xiàn)了碳蓄積的提升,也保證了建設(shè)用地的適度增長。比如,優(yōu)化方案中城鎮(zhèn)工礦用地比2020年規(guī)劃方案多7241.82hm2,交通用地和其他建設(shè)用地面積也比2020年規(guī)劃方案分別多了910.20和444.10hm2,建設(shè)用地的增長主要通過農(nóng)地整理、居民點整理和未利用地的開發(fā)補充來實現(xiàn);同時該方案也保證了南京市耕地面積約束目標的實現(xiàn)。方案2的碳排放總量比南京市2020年規(guī)劃方案減少了73.75萬t,起到了較好的碳減排效果(表5)。由于建設(shè)用地具有較高的碳排放強度,因此該方案主要是通過增加耕地及林地面積,并適度控制城鎮(zhèn)居民點用地的面積來實現(xiàn)的。其中,城鎮(zhèn)居民點用地比規(guī)劃方案少2301.30hm2,而交通用地、耕地、園地和林地比規(guī)劃方案小幅增加?？傮w而言,該方案主要是通過控制高碳排放的土地利用方式的擴展速率來實現(xiàn)碳減排目標的。方案3的碳匯總量比2020年規(guī)劃方案多了4.29萬t,起到了一定的碳增匯效果。但總體來看,增匯效果不明顯(表6)。該方案的建設(shè)用地總量與2020年規(guī)劃方案相差不大,城鎮(zhèn)工礦用地有一定程度的增長,這主要通過農(nóng)村居民點的整理來補充;該方案中耕地、園地、林地和牧草地的面積均比2020年規(guī)劃方案有一定程度的增加。這表明方案3主要是通過增加生產(chǎn)性土地面積來實現(xiàn)碳增匯目標的。3.3從碳蓄積量和碳匯水平看為了解3種方案的碳減排潛力,進一步將不同方案的碳效應(yīng)與2020年規(guī)劃方案進行了對比分析(表7)。與2020年規(guī)劃方案相比,方案1能顯著地增加城市的碳蓄積水平(增加101.02萬t),同時其碳匯水平也有一定程度的提高,但建設(shè)用地的增加帶來了更多的碳排放,其碳排放總量比2020年規(guī)劃方案多了302.61萬t。因此,總體而言,基于碳蓄積最大化的土地優(yōu)化方案不利于從總體上控制南京市的碳排放水平。方案3能在一定程度上增加區(qū)域的碳蓄積量和碳匯水平,兩者分別比規(guī)劃方案下多了87.18和4.29萬t。但在該方案下,碳排放總量也出現(xiàn)了大幅增長,比2020年規(guī)劃方案增長了279.61萬t?？梢?該方案盡管從增加生產(chǎn)性土地面積的角度起到了一定增匯效果,但不利于控制南京市碳排放總量的大幅增長。方案2能夠明顯降低區(qū)域的碳排放水平,比2020年規(guī)劃方案的碳排放總量減少了73.75萬t,同時碳蓄積和碳匯分別比2020年規(guī)劃方案增加了70.72和3.32萬t。因此,從碳減排和增匯的雙重效果來看,基于碳排放最小化的土地利用優(yōu)化方案明顯要優(yōu)于另外2種方案。從碳效應(yīng)評估結(jié)果可見,2020年規(guī)劃方案的總碳排放比2010年增長了867.62萬t,而方案2比2020年規(guī)劃方案的碳排放減少了73.75萬t,對于規(guī)劃方案的預(yù)期碳排放的增加值而言,方案2的碳減排潛力高達8.50%,如果考慮區(qū)域的碳蓄積和碳匯能力的提升,則碳增匯/減排總量可達147.79萬t。這表明基于碳排放最小化的土地利用優(yōu)化方案能起到較好的減排效果。3.4土地利用碳效應(yīng)為了解土地結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的碳排放的區(qū)間分布,進一步分析各種方案的減排效果,本文采用蒙特卡洛模擬方法對土地利用的碳效應(yīng)進行了模擬分析。首先確定不同土地利用類型的面積的分布函數(shù),結(jié)合前文線性規(guī)劃的約束條件,2020年牧草地、其他農(nóng)用地和城鎮(zhèn)工礦用地的規(guī)劃面積位于約束區(qū)間內(nèi)(2.2部分),因此設(shè)定為三角分布,而其他各地類的面積均設(shè)定為約束區(qū)間內(nèi)的均勻分布。結(jié)合表1中2020年的參數(shù),采用crystalball軟件,對土地利用的碳效應(yīng)進行5萬次模擬,得到南京市土地優(yōu)化方案的總碳蓄積、碳匯和碳排放的模擬分布結(jié)果(圖1)。研究發(fā)現(xiàn),在95%的置信度下,土地優(yōu)化方案的總碳蓄積、碳匯和碳排放的分布區(qū)間分別為7101.35~7705.83、179.87~188.86與3623.53~4824.08萬t(表8)。可以看出,碳匯的區(qū)間差最小,而碳排放的區(qū)間差最大,表明不同土地利用結(jié)構(gòu)對區(qū)域碳排放會產(chǎn)生較大的影響。另外,對比發(fā)現(xiàn),方案2的預(yù)期碳蓄積、碳匯和碳排放均位于模擬區(qū)間內(nèi),其中,總碳蓄積和總碳匯十分接近蒙特卡洛模擬的中值結(jié)果,而總碳排放(3784.06萬t)則明顯低于模擬結(jié)果的中值,反而更接近95%置信度下的最小碳排放值(3623.53萬t)。這進一步證實了基于碳排放最小化的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案具有明顯的減排效果,該方案明顯優(yōu)于另外兩種方案。4減少水土流失,按碳排放比例控制通過以上研究結(jié)論,結(jié)合南京市的實際情況,在土地低碳利用方面提出以下政策建議:1)加強生態(tài)管護,增強區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的固碳效率。重點是加強植樹造林,提高森林覆蓋率,增強南京市自然植被對人為碳排放的吸收和補償能力;2)控制建設(shè)用地規(guī)模,發(fā)展緊湊型城市。建設(shè)用地是能源消耗和碳排放強度最高的土地利用方式。因此,應(yīng)加強對建設(shè)用地的總量控制,防止無序建設(shè),提高城市土地利用效率;加強對建設(shè)用地內(nèi)部土地的整理和集約利用;同時對房地產(chǎn)業(yè)應(yīng)適當加強調(diào)控,避免建設(shè)用地無序擴展帶來多余的碳排放;3)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),通過土地結(jié)構(gòu)優(yōu)化引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。盡可能地優(yōu)化組合各類用地的比例關(guān)系(包括第二產(chǎn)業(yè)內(nèi)部各產(chǎn)業(yè)用地的比例關(guān)系),同時通過碳門檻來限制高碳土地利用方式的供應(yīng);控制第二產(chǎn)業(yè)用地特別是高耗能產(chǎn)業(yè)用地的擴展速度,合理規(guī)劃產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和規(guī)模,合理組織城市功能區(qū)布局,避免因城市用地不合理帶來重復(fù)建設(shè)、土地浪費以及過多的交通運輸碳排放;4)實行碳補償制度。碳補償可以考慮在不同地類之間開展,即高碳排放地類對碳匯用地方式進行補償。比如:可對采用低碳技術(shù)或零排放技術(shù)的生產(chǎn)者進行補償,或工業(yè)企業(yè)向所占耕地的原居民的碳補償(即高排放地類對低碳排放用地在不同