北京市耕地集約利用與碳排放的關(guān)系

北京市耕地集約利用與碳排放的關(guān)系摘要：耕地集約利用過程中常常伴隨耕地功能的變化，本文以北京為研究區(qū)，通過運用主成分分析法，得到1990-2012年耕地綜合集約利用度，發(fā)現(xiàn)期間耕地集約度（白分制）11141.3增加為813通過耕地碳排放綜合系數(shù)法對研究區(qū)耕地碳排放進(jìn)行核算，發(fā)現(xiàn)北京市耕地碳排放逐漸減??；運用相關(guān)性分析的方法對耕地集約利用度與碳排放進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)極顯著的相關(guān)性。從生態(tài)文明及環(huán)境保護(hù)角度，本硏究提出了通過調(diào)整耕地集約利用悄況，來控制碳排放，從而減少污染的建議。關(guān)鍵字：耕地集約利用；主成分分析；相關(guān)性分析；碳排放0引言我國用全球7%的耕地養(yǎng)活了世界22%的人口，糧食產(chǎn)量也實現(xiàn)了〃十一連增S但這背后卻是耕地的過度集約利用、耕地資源的嚴(yán)重透支、生態(tài)環(huán)境的不斷惡化。上地利用變化及其產(chǎn)生的效應(yīng)相關(guān)研究成為全球的研究熱點［1］。近年來，人們逐漸認(rèn)識到農(nóng)用地利用程度的變化可能比耕地而積減少對中國糧食安全以及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的威脅更大，因此要加強(qiáng)農(nóng)用地內(nèi)部利用方式與利用程度變化規(guī)律研究［2］?？紫楸蟮纫院颖笔∏芸h為例，研究了集約化農(nóng)區(qū)上地利用變化對土壤養(yǎng)分的影響［3］。對于碳排放相關(guān)方而的研究，胡輝著重研究了建設(shè)用地、耕地及林地、草地上地利用的碳排放的碳源與碳匯效應(yīng)［4］；余洋應(yīng)用物料衡算法對廣東省碳源排碳量進(jìn)行了訃算［5］：政府間氣候變化專門委員會（IPCC）編制的《國家溫室氣體淸單指南》［6］,給丄地利用的碳排放核算提供了參考?；诖耍狙芯恳员本┦袨檠芯繉ο螅瑯?gòu)建耕地集約利用評價指標(biāo)體系，運用主成分分析法評價2003-2012年北京市耕地集約利用時序變化規(guī)律，并對耕地碳排放進(jìn)行孩算，并用典型相關(guān)性分析法對兩者關(guān)系進(jìn)行分析。1研究區(qū)域概況北京市中心位于北緯39。54々0〃，東經(jīng)口6。25々9〃，全市南北最長170公里，東西最寬160公里。北京全市平均海拔42.5m,年平均氣溫是14.0°C,年均降雨雖:為484mm。北京地區(qū)屬于海河水系，河流均自西北部山地流出，流經(jīng)東部平原，最后匯入渤海。2010年北京市常住人口1961萬人，北京是綜合性產(chǎn)業(yè)城市，綜合經(jīng)濟(jì)實力在全國省級行政區(qū)中領(lǐng)先.地區(qū)生產(chǎn)總值13777.94億元人需幣，人均生產(chǎn)總值70251元人民幣。2研究方法2.1耕地集約利用指標(biāo)體系的構(gòu)建盡管近年來耕地集約利用一直貫穿在上地管理與耕地利用過程中［7］,但目前關(guān)于耕地集約利用尚未有統(tǒng)一明確的龍義。鄧楚雄等將耕地集約利用的內(nèi)涵界泄為：在不影響耕地可持續(xù)利用和農(nóng)產(chǎn)品安全的前提下，合理適度增加相關(guān)生產(chǎn)要素的投入并優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，充分挖掘耕地利用潛力，以最大限度地提髙耕地利用效率與綜合效益（資源、經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)等效益）的土地利用方式。評價指標(biāo)的選取既要符合耕地集約利用的內(nèi)涵又要全面反映研究區(qū)耕地利用的實際.還要與耕地碳效應(yīng)相關(guān)的利用相聯(lián)系，因此本研究遵循代表性、可比性、科學(xué)性、綜合性等原則，選取北京市耕地集約利用評價綜合指標(biāo)體系。表1耕地集約利用評價指標(biāo)體系2.2主成分分析法評價耕地集約利用時序變化2.2.1原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的目的是為了消除因數(shù)據(jù)單位和量綱而帶來的不可比性。因此事先對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。本研究采用標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化法，如式（1）式中：為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值；為原始指標(biāo)值：為j個指標(biāo)的算術(shù)平均值：為樣本標(biāo)準(zhǔn)差。2.2.2主成分的確定以北京市1990-2012年的數(shù)據(jù)為樣本.將標(biāo)準(zhǔn)化后的評價指標(biāo)數(shù)據(jù)構(gòu)建矩陣，采用SAS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過運算得到樣本指標(biāo)矩陣的特征值、方差貢獻(xiàn)率、累積方差貢獻(xiàn)率（見表2）,按照累積方差貢獻(xiàn)率大于90%的原則，提取主成分。其中樣本指標(biāo)矩陣?yán)鄯e方差貢獻(xiàn)率在90%以上，說明這幾個新變量（主成分）已包含原始樣本矩陣中的絕大部分信息,可以用于解決耕地集約利用評價。表2特征值與方差貢獻(xiàn)率注：Fl、F2、F3分別為第2、3主成分2.2.3各卜成分得分通過SAS軟件進(jìn)行編程運算，得到各評價指標(biāo)在各主成分上的荷載：利用各評價指標(biāo)在各主成分上的荷載除以相對應(yīng)的特征值的平方根，求算出主成分的特征向量（主成分表達(dá)式中各指標(biāo)系數(shù)）；將各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值與英對應(yīng)的系數(shù)相乘后累加，如式（3）,計算出齊主成分得分。式中，為區(qū)域第i年第n個主成分綜合得分；k為評價指標(biāo)總數(shù)：為某個區(qū)域第j項指標(biāo)的系數(shù)。2.2.4主成分綜合得分對％主成分相對應(yīng)的特征值作歸一化處理，并以歸一化處理后的值為權(quán)重，與其對應(yīng)的主成分得分相乘后累加，如式（4）,合成主成分綜合得分。式中，為某個區(qū)域第i年主成分綜合得分：為某個區(qū)域第個主成分對應(yīng)的權(quán)重。2.2.5百分制轉(zhuǎn)換為了宜觀反映北京市耕地集約利用程度，將主成分綜合得分按照式（5）折算，得到耕地集約利用評價百分制得分。2.3耕地碳排放量核算對于耕地，由于農(nóng)作物吸收大氣中的CO2,但是短期內(nèi)又被分解并釋放到大氣中去，力［1之農(nóng)作物生產(chǎn)過程中又存在碳源過程，這使得耕地的碳源作用更強(qiáng)，另外耕地上壤的碳排放與碳固持作用因具體耕作方式.利用強(qiáng)度不同而變化，本研究本著估算北京市整體耕地碳排放情況，故將耕地歸為碳源［8］。因此本研究中耕地的碳排放效應(yīng)測算模型采用石洪昕⑼的研究中用到的測算模型：式中：T表示耕地的碳排放量：A代表耕地的而積：代表耕地的碳排放（吸收）系數(shù)，負(fù)值表示碳吸憶英值為0.0497kg/（m2*a）o2.4耕地集約利用與碳排放相關(guān)分析相關(guān)性分析是指對兩個或多個具備相關(guān)性的變量元素進(jìn)行分析，從而衡量兩個變量元素的相關(guān)密切程度。相關(guān)性的元素之間需要存在一泄的聯(lián)系或者概率才可以進(jìn)行相關(guān)性分析。相關(guān)性不等于因果性，也不是簡單的個性化。本研究采用SAS軟件對耕地集約利用綜合指標(biāo)和耕地碳排放量進(jìn)行相關(guān)性分析。3數(shù)據(jù)來源本研究上地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，各集約度評價指標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)如耕地而枳、化肥施用咼、糧食產(chǎn)量等來源于《北京市統(tǒng)計年鑒》，耕地碳排放估算排放系數(shù)來源于石洪昕所做研究［9］。4研究結(jié)果與分析通過以上方法進(jìn)行計算得到北京市1990-2012年耕地綜合集約利用度與耕地碳排放量，見圖圖1北京市耕地綜合集約利用度與耕地碳排放由圖可知，北京市耕地集約利用程度整體呈現(xiàn)上升趨勢。在1990-1996年上升幅度較大:在1997-2001年耕地利用集約程度有所降低，其與北京經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，大面積的農(nóng)用地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，同時農(nóng)用地內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)一步發(fā)生變化有一泄關(guān)系［10］；在2002-2012年耕地集約利用程度呈現(xiàn)較大幅度的上升，其與耕地而積的逐漸減少，而投入及產(chǎn)岀不斷加大有關(guān)。對于耕地碳排放量，因本研究采用的是綜合指標(biāo)核算法，因此耕地碳排放量與耕地而積呈現(xiàn)正相關(guān)性，雖然精確度不髙，但能夠反映岀耕地碳排放的趨勢，即在耕地集約利用過程中.耕地碳排放量有所降低，但耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地?北京城市系統(tǒng)的碳排放量會有所增加，而轉(zhuǎn)為表現(xiàn)碳匯的林地，則系統(tǒng)整體碳排放量會有所降低。北京市耕地集約利用與碳排放的相關(guān)分析，由SAS運行結(jié)果中Pearson相關(guān)系數(shù)來看，北京市耕地集約利用與耕地碳排放之間的相關(guān)系數(shù)為-0.90831,概率＜0.0001，說明兩者相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。表3北京市耕地集約利用度與耕地碳排放相關(guān)分析＜.00015結(jié)論及討論1990-2012年北京市耕地集約利用度呈現(xiàn)先增加后減小又增加的過程，百分制下的集約利用程度由41.3增加為81.3＞增加近一倍。說明耕地的利用程度是不斷加大的，耕地利用承受較大壓力。北京市耕地碳排放效應(yīng)的核算本研究采用的是綜合系數(shù)法，此種方法忽略了耕地既有碳匯又有碳源的功能，簡化了不同利用強(qiáng)度下碳排放(碳吸收)的情況?因此在精確度上有所降低，對于詳細(xì)的耕地碳效應(yīng)，還應(yīng)考慮耕地不同土壤類型的碳儲量，從而計?算耕地碳效應(yīng)。北京市耕地碳排放效應(yīng)與耕地集約利用存在極顯著的相關(guān)性，且呈現(xiàn)負(fù)向相關(guān)性，因此從耕地碳效應(yīng)上可以為減少耕地碳排放提供參考。但本研究對耕地碳排放核算的簡化不能更精確的表述北京市耕地空間上的碳效應(yīng)情況，因此需要進(jìn)行更深入的研究，即對北京市空間上的耕地集約利用及碳效應(yīng)情況進(jìn)行分析。參考文獻(xiàn)：⑴蔡運龍?丄地利用/上地覆被變化研究:尋求新的綜合途徑［J］?地理研究,2001,06:645?652?［2］LiXiubin,WangXiuhong.ChangesinagriculturallanduseinChina:1981—2000［J］.AsianGeographer,2003,22(1):27—42?⑶孔祥斌,張鳳榮，齊偉，徐艷?集約化農(nóng)區(qū)丄地利用變化對土壤養(yǎng)分的影響一一以河北省曲周縣為例［J］?地理學(xué)報,2003,03:333-342.⑷胡輝?廣東省土地利用變化碳排放效應(yīng)研究［D］廣東工業(yè)大學(xué),2014.［5余洋?基于碳減排的廣東省上地利用調(diào)控對策研究［D］廣東工業(yè)大^,2011?⑹EGGLESTONHS,BUENDIAL,MIWAKZetc.2006IPCCGuidelinesforNationalGreenhouseGasInventories［R］.PreparedbyNationalGreenhouseGasInventoriesProgram.Japan:IGES,2006?［7］呂曉，劉新平，李振波，等?耕地集約利用指標(biāo)體系研究：以新疆省為例［J］?廣東土