福建省土地利用变化碳排放时空差异与碳补偿

周 萍, 陈松林, 李 晶, 李晨欣

(1.福建师范大学 地理科学学院, 福建 福州 350007; 2.福建省亚热带资源与环境重点实验室, 福建 福州 350007)

全球气候变化已成为人类社会经济可持续发展面临的主要挑战，温室气体导致的全球气候变暖已成为人们关注的热点问题之一。目前，有关碳排放的研究多集中在碳排放与经济增长关系、碳排放机理等方面[1-3]。然而，人类活动通过改变土地利用方式进而改变能源消费格局，从而影响碳排放的数量和速率。因此土地利用变化是引起区域碳排放的重要因素之一。由于自然条件和人类活动的差异，不同地类具有不同的碳排放强度，土地利用变化必然会对区域“自然—社会”二元碳循环过程产生深远影响[4]。目前关于土地利用碳排放研究主要包括不同土地利用碳排放效应的时空演变[5-6]、土地利用碳排放的特征及影响因素[7-8]、土地利用碳排放与经济发展[9-10]、土地利用碳排放与碳足迹等[11-12]方面，研究方法包括灰色理论模型[13-14]、LMDI模型[15-16]、SBM模型[17]、面板数据回归模型等[18]。而面对生态环境与经济发展的问题，如何将土地利用碳排放的时空差异与经济发展相结合，进行碳补偿，促进低碳经济发展还需进一步展开研究。福建省作为全国首个生态文明先行示范区，在城镇化、工业化的进程中也面临着净碳排放量迅速增长的问题。本文通过研究2005—2020年福建省不同土地利用类型的碳排放、碳补偿等，探明不同土地利用方式下福建省碳排放的时空演变特征，结合碳排放与经济发展关系进行碳补偿分区，为福建省低碳发展提供科学依据。

1 研究区概况

福建省地处中国东南沿海，东隔台湾海峡与台湾地区相望，东北与浙江省毗邻，西北横贯武夷山脉与江西省相连，西南与广东省交界。全省陆域面积1.24×105km2。地势西北高，东南低，山地、丘陵占全省总面积的80%以上，闽西和闽中大山带自东北向西南横贯全省，平原主要分布于沿海地区，气候类型为亚热带海洋性季风气候。福建省是中国六大林区之一，2019年森林覆盖率达66.8%，森林覆盖率全国第一，现辖福州市、厦门市、泉州市、龙岩市、莆田市、漳州市、南平市、三明市、宁德市9个设区市，2020年实现地区生产总值4.39×1012元，人均地区生产总值105 818元，是中国东南沿海经济较发达的省份之一。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http∥www.resdc.cn/)，以2005，2010，2015，2020年Landsat TM/ETM/OLI影像作为主要数据源，空间分辨率为30 m×30 m，通过ArcGIS 10.2对土地利用数据和全省行政单元图进行叠加、裁剪、分类、提取，依据我国土地利用分类系统，结合区域土地利用类型的特征，将福建省土地利用类型划分为6个一级地类：耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地，得到福建省及各设区市的土地利用数据。社会经济数据主要来源于《福建统计年鉴》及各设区市统计年鉴等。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用程度综合体系 土地利用程度指人类活动对土地开发和利用的深度和广度，表现为土地覆被类型变化的频繁程度，对土地利用程度及其变化进行定量分析，可表达该地区土地利用的综合水平和变化趋势[19]，测算公式为：

(1) 土地利用程度综合指数。

(1)

式中：L是土地利用程度综合指数;n是土地利用程度分级数;Ai为第i级土地利用程度分级指数,采用刘纪元提出的土地利用程度分级[20](表1);Ci为对应土地利用程度等级类型占研究区总面积的比例。

(2) 土地利用程度变化量、变化率。

(2)

(3)

式中：La,Lb分别是a时间和b时间土地利用程度综合指数;Cia和Cib分别对应a时间和b时间第i级土地利用面积占研究区总面积的比例;R为土地利用程度变化率。若ΔLb-a>0或R>0,则该区域的土地利用处于发展时期,反之处于调整时期或衰退期。

表1 福建省土地利用程度分级

2.2.2 碳排放测算 在土地利用数据的基础上，计算出不同土地利用的碳排放量，净碳排放量等于碳源与碳汇的差值。耕地的农作物具有碳吸收的功能，但在短时间内又通过呼吸作用释放到空气中去，作为碳汇的功能不明显[21]。因此以林地、草地、水域、未利用地作为碳汇，建设用地、耕地作为碳源。土地利用碳排放测算公式为：

(4)

式中：Ce为碳排放量;ei为第i种土地利用产生的碳排放量(吸收);Ai为第i种土地利用类型的面积,包括林地、草地、水域、未利用地、耕地;αi为第i种土地利用类型的碳排放系数。通过查阅相关文献以及结合区域的实际情况,确定5种土地利用类型的碳排放系数(表2)。

表2 福建省土地利用类型碳排放系数

根据福建省能源消耗情况以及数据的可获取性，选取原煤、焦炭、天然气、汽油、柴油、燃料油、液化石油气、煤油等能源来测算建设用地的碳排放量，测算公式为：

Cb=∑mj×βj×γj

(5)

式中：Cb为建设用地的碳排放量;mj为化石能源消耗量;βj为折算标准煤系数;γj为碳排放系数,其中标准煤换算系数取自于《中国能源统计年鉴》,碳排放系数取自于IPCC碳排放计算值(表3)。

表3 福建省能源碳排放系数

2.2.3 碳排放强度 碳排放强度即单位面积碳排放，表示土地利用的碳排放状况[30]。测算公式为：

Cej=ei/Ai

(6)

式中：Cej为第i种土地利用类型的碳排放强度;ei为对应土地利用类型的碳排放量;Ai为对应土地利用类型的面积。

2.2.4 碳补偿模型 以净碳排放量作为碳补偿基准值确定的依据[31]。若净碳排放量为负值，说明该地区碳汇能力大于碳排放量，生态系统不仅能够吸收本地区的碳排放，而且还能吸附附近地区的碳排放，因此该地区应获得碳补偿资金，反之，则应支付碳补偿资金[32]。测算公式为：

Li=Eci-Sci

(7)

式中：Li为i地区的碳补偿基准值;Eci为i地区碳排放量(t);Sci为i地区的碳吸收量(t)。Li>0时,应支付碳补偿资金,Li<0时,则应获得碳补偿资金。

但由于各地区的经济发展水平、碳排放强度、碳排放效率等存在差异，仅考虑净碳排放量作为碳补偿基准值，可能会造成某些地区需支付的资金过高，使计算的结果存在一定偏差，因此，需对基准值Li进行修正，将每个地区设定一个碳排放阈值Pi[33]，测算公式为：

(8)

式中：Pi为各市的碳排放阈值(t); ECC为碳排放的经济贡献系数[33];D为全省各市碳排放平均值(t);Gi,G分别为各市的生产总值和福建省的生产总值(万元);Ci,C分别为各市的碳排放量和福建省的总碳排放量(t)。

由于不同市域间的碳排放强度也存在时空差异，因此结合不同市域2015年和2020年碳排放强度及其与全省碳排放强度的对比情况，对碳排放量进行修正[32]，测算公式为：

(9)

(10)

赵荣钦等[31]在余光辉等[34]研究基础上对模型进行适当的修正，得到碳补偿价值的计算方法：

(11)

式中：Mi为i地区获得或支付的碳补偿资金(万元);α为单位碳价(元/t);γ为生态补偿系数。其中α的计算公式为:

(12)

式中：Pmax,Pmin分别为目前国内碳汇价格的最大值和最小值[35];GP1为福建省2020年人均生产总值(万元/人)；GP2为全国2020年人均生产总值(万元/人)。

γ则通过改进后的Peal生长曲线模型[36-37]来表示:

(13)

式中：γi为第i个地区的碳补偿系数;Ai为碳补偿能力,等于i地区生产总值与福建省生产总值之比; e为自然对数的底数;t为2020年福建省的恩格尔系数。

3 结果与分析

3.1 土地利用状况

3.1.1 土地利用现状及变化 对9个市的6个一级地类面积进行统计，得到福建省及其各设区市的土地利用情况(表4—5)。2020年底福建省土地总面积为1.22×107hm2，土地利用类型以林地、耕地、草地为主，其中林地面积所占比重最大，约61.82%，主要分布在宁德、南平、三明和龙岩，4个市的林地面积约占71.97%；其次是耕地和草地，分别占土地总面积的16.85%，15.10%，耕地主要分布在泉州、南平、三明和漳州，草地主要分布在龙岩、南平、宁德和三明；水域、建设用地、未利用地则分别占1.64%，4.50%，0.09%，水域主要分布在福州、泉州、宁德和漳州，建设用地主要分布在福州、泉州、龙岩和漳州，未利用地主要分布在泉州、龙岩、南平和宁德。

表4 2005—2020年福建省各土地利用类型面积及比例变化

表5 2020年福建省各市域各土地利用类型面积及比例

2005—2020年，福建省土地利用结构不断发生变化，土地利用变化表现为耕地、林地面积减少，其余4种土地利用类型面积均呈不同程度的增长，其中建设用地变化幅度最大，从2005—2020年面积增长186 619.12 hm2，变化率达51.32%；其次是水域用地，面积增长33 896.24 hm2，变化率达20.33%；而耕地、林地则分别减少93 775.51，67 275.35 hm2。

3.1.2 土地利用程度 福建省及其各市域的土地利用程度综合指数和土地利用程度变化率见图1。如图1所示，2005—2020年，福建省土地利用程度综合指数呈上升趋势，土地利用程度变化率为0.009 6，大于0，表明福建省总体土地利用水平处于发展期，但15 a间土地利用程度综合指数变化量仅增加2.14，总体土地利用程度变化不大。

图1 福建省2005—2020年土地利用程度综合指数和土地利用程度变化率

从各个市域来看，4个年份中，各市的土地利用程度变化率均大于0，土地利用程度变化呈上升状态，福州市、泉州市、莆田市、厦门市、漳州市这5个沿海城市的土地利用程度综合指数均高于福建省整体水平，其中厦门市土地利用程度综合指数最高，达到287.96，变化量和变化率也最高，在2005—2010年，土地利用程度综合指数变化量和变化率分别达到7.72，0.028 2，建设用地占全市土地面积的比例从2005年18.99%增长到2020年的30.81%，说明随着厦门市经济快速发展，城市化进程加快，城市建成区面积不断增大。龙岩、南平、宁德、三明市的土地利用程度综合指数均低于全省整体水平，其中三明市最低，2020年的土地利用程度综合指数仅为215.97，2005—2020年的变化量和变化率分别为0.97，0.004 6，土地利用程度变化小。

3.2 土地利用碳排放变化特征分析

3.2.1 土地利用碳排放总体特征分析 福建省2005—2020年碳源、碳汇以及净碳排放量见表6。2005—2020年福建省土地利用净碳排放呈明显的增长趋势，从2005年1.74×107t增长到2020年5.145×107t，增长3 406.19 t，增幅达196.00%。其中，2005—2010年增加1.75×107t，增长率为100.81%，2010—2015年增加5.35×106t，增长率为15.31%，2015—2020年增长1.12×107t，增长率为27.75%，增长速度在2005—2010年达到最快，而后逐渐放缓。

表6 福建省土地利用碳排放 104 t

土地利用的净碳排放量受到碳汇和碳源的影响。碳源主要包括建设用地和耕地，以建设用地为主。建设用地碳排放量由2005年2.12×107t增长至2020年5.53×107t，增长1.61倍，其中2005—2010年增长速度最快达83.00%。这也是土地利用净碳排放量在2005—2010年迅速增长的主要原因。2005—2020年福建省耕地面积减少，耕地碳排放量也随之减少，但耕地的碳排放较弱，对整体碳排放量影响较小。从碳汇来看，林地在碳汇中起着主要作用，碳汇量从2005年4.78×106t减少至2020年的4.75×106t。

分拨中心的流程如图1-1分拨流程图。但是具体的入站和出站的时间分别是：入站时间早晨10：00南京车，晚上8：00杭州大件，晚上10：00上海车，在下午期间，会不定时来其他各地的退换货；出站时间是第二天的凌晨3：00异地全部发车，早晨6：00绍兴同城全部发车。

3.2.2 土地利用碳排放时空特征分析

(1) 土地利用碳排放量及强度的时空分析。从福建省各市域碳排放量的空间分布(图2)来看，福州市和泉州市处于碳排放量的高值区域。两个市的碳排放量占整个省的48.35%，作为福建省经济发展的重点区域，泉州市和福州市2020年分别实现地区生产总值1.02×1012,1.00×1012元，成为福建省内2个GDP总量超过万亿的城市。经济快速发展也带来了建设用地以及建设用地承载的人类活动消耗的能源量的增长。2020年泉州市和福州市的能源消费量占整个省的45.26%，与碳排放量的比例相当；三明市、漳州市处于碳排放量中高值区域；龙岩市、宁德市处于中值区域；厦门市处于中低值区域；南平市、莆田市则处于低值区域，南平市碳排放量低的主要原因是林地和草地土地利用面积比例大，分别占福建省的22.45%，20.95%，以及经济发展水平较低，2020年GDP仅达2.01×1011元，能源消耗量仅占1.92%。从时间尺度来看，2005—2020年除南平市的碳排放量有所下降外，其余各市均呈不同程度增加，其中泉州和福州增长幅度最大，从6.29×106t增长至2.54×107t，增长近4倍。

福建省各市的碳排放强度见图2。除厦门市外，福建省各市的碳排放强度与碳排放量的空间分布具有高度相似性，厦门市碳排放强度大主要因为经济发展水平高，2020年GDP达6.38×1011元，但土地利用面积较小，导致碳排放总量较少。

图2 2005—2020福建省土地利用碳排放格局

(2) 土地利用碳吸收量及强度的时空分析。从福建省各市域碳吸收量的空间分布(图3)来看，碳吸收量高值区域主要分布在闽北和闽西地区，闽东南则是碳吸收量较低值区域，其中三明市、南平市处高值区域，龙岩市处中高值区域。3个城市的碳吸收量占整个区域的60.78%，林地、草地土地利用面积所占比例大，分别占全省的61.60%，54.00%。福州市由于水域面积比重大，占全省的25.11%，碳吸收量相对较多。从时间尺度来看，除莆田市的碳吸收量有所增加外，其余各市的碳吸收量基本不变；从碳吸收强度来看，各市的碳吸收强度与碳吸收量的空间分布存在一定差异性，受各种土地利用面积影响，龙岩市的碳吸收强度处于高值区域，而三明市、南平市、福州市处于中高值区域，泉州市、莆田市处于中值区域，宁德市处于中低值区域，漳州市、厦门市处于低值区域。

图3 2005—2020福建省土地利用碳吸收格局

(3) 土地利用净碳排放量及强度的时空分析。从福建省各市域净碳排放量的空间分布(图4)来看，净碳排放量与碳排放量的空间分布具有高度一致性，净碳排放高值区域分布在经济发展水平高、能源消耗量高、碳排量高的福州市和泉州市，以及中高值区域的漳州市，3个市的净碳排放量占整个省的66.03%；三明市虽碳吸收量高，但碳排放量高，导致净碳排量处于中值区域；南平市、龙岩市由于碳吸收量高，碳排放量低，净碳排放量处于较低值区域；厦门市则由于土地利用面积较小，处于较低值区域。除厦门市外，各市的净碳排放量强度与净碳排放量的空间分布相似。2005—2020年除南平市、莆田市外，其余各市的净碳排量均呈不同程度的增加，其中泉州市和福州市增长幅度最大，增长近4.5倍，净碳排放量的增加主要是建设用地面积不断扩大，在建设用地利用过程中能源消耗的增加，最终导致碳排放量的快速增加。

图4 2005—2020福建省土地利用净碳排放格局

(4) 土地利用碳补偿率的时空分析。碳补偿率是碳吸收量与碳排放量的比值，碳补偿率越高，说明碳汇能力越强。从福建省市域空间的碳补偿率空间分布(图5)来看，各市域的碳补偿率与净碳排放强度的空间分布具有一定关联性，碳汇能力弱的区域主要分布在净碳排放强度高的厦门、泉州和福州市，2020年3个市的GDP处于福建省前三位，人口密度大，产业结构以二、三产业为主，建设用地面积及其碳排放量大，林地面积小，3个市的林地面积仅占全省林地面积的17.19%，较高的碳排放量加上较低的碳吸收量导致该区域碳补偿率低，碳汇能力弱。碳汇能力强的区域主要分布在净碳排放强度低的南平市，2020年南平市的GDP处于全省末位，南平市绝大部分处于山区，人口密度小，林地面积大，占全省林地面积的22.45%，碳吸收能力强。2005—2020年，除南平市、莆田市外，其余各市的碳汇能力均不同程度地下降，其中福州市、泉州市下降幅度最大，快速地工业化、城市化，建设用地扩张，林地、草地等生态用地减少，综合导致碳排放量的增加，碳吸收量减少，碳汇能力减弱。

图5 2005—2020福建省土地利用碳补偿率格局

图6 2020福建省土地利用碳补偿价值格局

表7 福建省各市域土地利用碳补偿价值

4 讨论与结论

4.1 讨 论

(1) 福建省的耕地、建设用地主要集中在福州市、泉州市和漳州市等地区，与国内外其他地区已有研究结果类似[7,38]，土地利用程度高，人口密集，经济发展水平高，能源消耗量大的地区，产生的碳排放量大，且林地所占面积小，碳吸收量少，导致区域碳补偿率低，碳汇能力弱。林地、草地主要集中在宁德市、南平市和三明市等地区，该地区多处于山地地区，土地利用程度低，城镇发展水平低，林地面积比重大，主要承担生态功能，碳吸收量大，碳汇能力强。

(2) 从区域经济发展、碳补偿率、碳补偿价值来看，要实现区域协调以及低碳发展，需要福州市、泉州市等碳补偿区向经济发展水平低、净碳排放量小、碳补偿率高的受偿区支付碳补偿资金，不断缩小经济差距，努力实现区域内部公平发展，依靠碳补偿从低碳层面推动区域低碳协调发展[39]。同时土地利用的净碳排放量受到碳汇和碳源的影响，而林地作为主要的碳汇对碳的吸收量远远低于建设用地的碳排放量，无法实现碳平衡，为此，要控制好化石能源的消耗，调整能源消费结构，发展清洁能源，减少碳源的排放，提高林地、草地的面积，逐步实现碳平衡。

(3) 本研究结合IPCC以及参考相关文献，选择与福建省自然条件相近地区的碳排放系数，构建合理的土地利用碳排放核算体系，数据结果与已有研究一致[40]，并进一步构建碳补偿模型，进行碳补偿价值分区，研究结果有一定合理性，但福建省作为一个森林植被覆盖率高的省份，不同植被的碳吸收能力存在差异，在未来的研究中应进一步将林地碳排放的计算进行细化[25,41]。其次，在进行碳补偿价值分区时，以市域为单位，不利于各地区提出更有针对性的低碳发展对策，未来应深入到更小的县域尺度，同时结合城市产业结构的低碳优化，提出针对性的低碳发展对策[42]。

4.2 结 论

(1) 2005—2020年福建省的土地利用净碳排放量呈明显增长趋势，增长速度先快，而后逐渐放缓。建设用地为主要碳源，其碳排放量增长近1.61倍，林地为主要的碳汇，碳吸收量随着土地利用面积的减少而减少。碳汇对碳的吸收量远远低于碳源的碳排放量，无法实现碳平衡，导致净碳排放量大。

(2) 从福建省各市域净碳排放量、碳补偿率的空间分布来看，净碳排放量高值区域主要分布在以福州市、泉州市、漳州市为主的碳排放量大，碳吸收量小，碳补偿率低的区域，净碳排量低值区域主要分布在以南平市为主碳排放量少，碳补偿率高的区域。

(3) 碳补偿价值与各市净碳排放量的空间分布具有高度相似性，依据福建省各市域碳补偿价值的不同，可以将福建省各市分为高补偿区、中补偿区、低补偿区、受偿区，中高补偿区主要是福建省经济发展水平高，碳排放量大，碳补偿率低的区域，受偿区则是经济发展水平低，碳排放量少，碳补偿率高的区域。为此，要实现区域协调发展以及低碳发展，需要通过建立以政府为主导区域横向碳补偿体制，不断缩小经济差距，努力实现区域内部公平发展，依靠碳补偿从低碳层面推动区域低碳协调发展，同时高碳排放的区域也应提高能源利用率，调整能源消费结构，从源头上减少碳排放。