天津市滨海新区土地利用变化碳排放效应研究

天津市滨海新区土地利用变化碳排放效应研究xxx摘要：土地利用变化引起的碳排放是影响全球温室气体含量的第二大原因。为了分析土地利用变化的碳排放效应，本文以天津市滨海新区为例，利用该区 1994 年、2000 年、2005 年、2010 年的 TM 影像和 2013 年的 OLI 影像资料，借助目视解译以及 GIS 空间叠加分析功能，获取了滨海新区近 20 年的土地利用/覆被变化数据，并基于碳排放测算模型，运用相应数理统计方法，测算并分析了研究区主要土地利用方式的碳排放状况。结果表明：（1）研究期内，滨海新区总陆域面积（含滩涂）总体呈增加趋势，净增 560.44km2，主要源于水域和湿地以及建设用地面积的增加；（2）滨海新区碳排放总量持续增加，由216.8925 万 t 增加到 422.0914 万 t，年均增长率和碳排放动态度分别为 3.57%和 4.73%，增长态势较为显著；（3）建设用地和耕地为主要碳源，水域和湿地以及林地为主要碳汇，但碳源/碳汇比值在 69.25 至 102.63 之间，滨海新区碳汇量远远不能抵消其碳源量，二者比例相差悬殊；（4）滨海新区碳排放强度下降态势迅猛，由 12.8597t/万元下降到 0.5858t/万元，年均降幅高达 15.00%。关键词：碳排放；效应；土地利用变化；天津市滨海新区Effects of Carbon Emissions from Land-Use Changein Tianjin Binhai New AreaAbstract: It is the second leading factor of global greenhouse gases for carbon emissions caused by land use change. To analyze the effects of land use change emissions in Tianjin Binhai New Area(TBNA), firstly we got the remote sensing TM images in 1994, 2000, 2005, 2010 and the OLI image in 2013 of TBNA, then based on the visual interpretation and GIS spatial overlay analysis function, as well as carbon emissions calculation model and appropriate mathematical statistics, we got nearly 20 years data of land use/cover change in TBNA since it been nominated in development planning, then estimated the 20-year carbon emissions status from major land use in the area and have some analysis on it. The results showed that: (1) during the study period, with a net increase of 560.44 km2, the total land area of TBNA (including the tidal flat ) showed a trend of increase, mainly due to the increased construction land and water and wetlands; (2) The author proposed the index of carbon emission dynamic degree; during the past 20 years, the total carbon emissions continue to increase, from 216.8925 104t till up to 422.0914 104t, with an average annual growth rate of carbon emissions and the dynamic degree of 3.57% and 4.73%, the growth is more significant; (3) construction land and arable land are the main carbon source, while water and wetlands and woodlands are the main carbon sink, however, far from TBNA carbon sinks to offset its carbon amount, carbon source/carbon sink ratio between the two disparities, with the figure from 69.25 to 102.63; (4) theres a rapid downward trend in carbon intensity during the study period, from 12.8597 t/104 yuan fell to 0.5858 t/104 yuan, with an average annual decline of 15.00%.Keywords: Carbon Emissions; Effects; Land-Use Change; Tianjin Binhai New Area目 录1 引言 .12 研究区概况 .23 数据来源及研究方法 .33.1 数据来源 .33.1.1 基础数据来源 .33.1.2 研究区域范围界定 .33.1.3 土地利用类型界定 .33.2 研究方法 .43.2.1 遥感影像数据预处理 .43.2.2 土地利用相关数据提取 .43.2.3 碳排放测算模型 .44 结果分析 .64.1 天津滨海新区 1994-2013 年土地利用变化情况 .64.2 天津滨海新区 1994-2013 年土地利用碳排放测算及分析 .84.2.1 碳排放总况分析 .94.2.2 碳源、碳汇效应分析 .104.2.3 碳排放强度分析 .115 结论及讨论 .135.1 结论 .135.2 讨论 .14参考文献： .16致谢 .191 引言当下，全球性环境问题层出不穷，温室效应首当其冲，据研究，土地利用变化引起的碳排放对全球温室气体含量的影响仅次于人类燃烧化石燃料 1，而土地是人类活动所依赖的空间载体，亦是陆地生态系统碳排放的载体，由此，展开土地利用碳排放相关研究将有着十分重要的现实意义。自20世纪90年代以来，国内外关于土地利用碳排放的研究陆续展开，日臻完善。关于国外研究，初期主要集中在土地利用/覆被变化对陆地生态系统碳循环影响的分析和测算方面，Havlin等（1990） 2，Tate 等（2000） 3，Bolin & sukumar等 4，Campbell（2000） 5等以物化性质为着眼点，分析了土地利用变化对生态系统碳循环的影响；Houghton等（2008） 6分析了1850-2000年各种类型的土地利用变化导致的碳排放效应。2000年以来，经济全球化效应日益显著，相应的能源消耗量增势迅猛，土地利用碳排放研究向城市区域倾斜，Churkina等（2008） 7尝试从自然和人文两个角度构建了城市系统碳循环及其影响的综合评价模型；Svirejeva Hopkin 等（2006,2008） 8,9在2006年对城市土地利用变化的碳动态过程进行了模拟，并统筹全球与区域的视角，于2008年提出基于人口密度空间分布的双参数“r分布”模型，对城市化进行情景预测，同时以此为基础对城市年碳平衡予以估算；Peter等（2012） 10采用基于EDGRA的2000年度14种资源活动的CO 2、CH 4、N 2O、SF 6基础数据，对亚洲的 3535个人口规模在5万以上的城市的温室气体排放状况进行了核算。国内土地利用碳排放研究起步晚于国外，近些年来研究趋热。从研究尺度来看，目前的土地利用碳排放研究多集中于国家尺度以及省区尺度，城市组织级的研究则集中于北京、上海、广州等一线城市，其他城市的研究尚不多见。国家尺度下的土地利用碳排放效应研究以葛全胜等的研究为先驱代表，纵深300年历史，从宏观方面探究了中国土地利用的总碳排放量、总碳储量变化及省级区域差异 11；赖力、卢娜等研究人员均做了较为全面的论述，前者以20年为研究时间序列，综合评价了研究期内中国土地利用变化对陆地生态系统碳蓄积的影响，尝试构建了中国土地利用的综合碳排放核算清单，并对新一轮全国土地利用总体规划纲要的碳排放效果进行了评估、优化和情景展望 12；后者以土地利用类型转换、土地利用结构调整以及土地利用技术选择为切入点，分别从宏观、中观和微观三个层次探讨了土地非农化、土地利用结构调整、土地利用技术变化等对碳排放的影响，并提出了相应的政策建议 13；曲福田等主要立足于宏观层面，从土地利用变化角度切入，在农用地向非农用地转换、农用地内部土地利用以及非农用地内部土地利用三个方面综述了相应碳排放的影响 14；张婷等详细阐述了陆地生态系统碳储量的主要生态机制，并从土地利用变化和土地管理两方面对土地利用碳排放效应进行了论述 15。区域尺度下的土地利用碳排放效应研究主要集中在碳排放效应分析及碳排放时空格局研究，省域组织级的研究以江苏、陕西、广东、四川、湖南、湖北、浙江等为代表 16-23，城市组织级的研究则较少，仅有上海、重庆、武汉、南昌以及江苏部分城市进行了相应区域土地利用碳排放的核算与分析 24-29。此类研究总体上存在一定的共性，多集中在碳排放总量分析、碳源碳汇分析以及土地利用的碳排放区域差异方面，在测算方法上主要采用了碳排放测算模型，核算方法较为成熟。在天津区域范围内，仅有黄蕊等在上海、北京和天津碳排放的比较研究中，涉及到天津碳排放问题，然而也只是以能源碳排放、水泥工业碳排放、森林碳汇量为着眼点，计算了北京、上海、天津的净碳排放量；孙志威等采用2006IPCC指南中的计算方法对天津市 2000-2008年的能源消费碳排放量进行了测算，并基于对数平均迪氏指数法对能源消费碳排放因素进行了分解分析；邓娜等以天津为例，编制了城市温室气体清单，并予以分析 30-32。然而天津滨海新区乃至天津在基于土地利用的碳排放研究领域尚属空白。本研究将着力于纵向发掘，以时间序列为出发点，对天津市滨海新区近20年（1994-2013）的土地利用变化碳排放效应进行分析研究，以期尝试性地为天津市滨海新区优化土地利用结构、碳减排、碳增汇及发展低碳经济提供一些参考。2 研究区概况天津市滨海新区地理坐标介于北纬3840至3900 、东经 11720至11800之间，位于华北平原东北部、海河流域下游的天津东部沿海地区，东临渤海，北与河北省丰南县相接，南以河北省黄骅市为界。辖区沿海呈南北向带状分布，全区陆域面积2270平方公里（包含东丽区的无瑕街和津南区的葛沽镇），海岸线153km，常驻人口263.52万 33。滨海新区地处环渤海经济圈的核心地带，是国家级新区和国家综合配套改革试验区，被誉为“中国经济的第三增长极”。“天津市滨海新区”于1994年3月天津市十二届人大二次会议上提出，2005年5月正式被纳入国家发展战略布局，2009年11月正式成立，2013年9月宣布撤销塘沽、汉沽、大港三区工委和管委会，统归天津滨海新区区委、区政府管理，2014年1月对街镇行政区划和部分功能区进行了重新调整。自1994年提出建成滨海新区以来，辖区依托国家及天津市政府的优惠政策，积极发挥自身的区位及产业基础优势，其经济增长极的龙头带动作用日益凸显。滨海新区在经济上取得飞速发展的同时，土地利用结构也发生了较大变化。土地是人类活动恒久的空间载体，尤在倡导生态文明建设的今天，探讨天津市滨海新区土地利用变化的碳排放效应将对该区乃至整个环渤海经济圈的低碳发展有着重要意义。3 数据来源及研究方法3.1 数据来源3.1.1 基础数据来源本研究从中科院地理空间数据云网站获取了1994、2000、2005、2010年Landsat TM影像以及2013 年Landsat8 OLI影像等作为基础数据，影像数据分辨率为30m和15m，成像时间均为7-10月份，无云或少云（含云量在0.35以下），利于土地利用类型的提取。研究涉及的GDP数据、人口数据从天津滨海新区统计年鉴中获得。由于天津滨海新区自身发展的特殊性，自1994年以来行政区划有所变动，相关统计数据口径不一，难以获取精准数据；另，已有研究利用遥感影像作为基础数据提取滨海新区土地利用类型，并进行了相关分析 34-37。故本文拟采用遥感影像资料及其他相关数据，借助GIS空间分析和数理统计方法进行数据提取及分析，有一定的科学依据，可为本研究提供数据支持。3.1.2 研究区域范围界定天津市滨海新区自设立至今，行政管理机制几经调整，在2009年11月正式成立时，宣布东丽区的无瑕街以及津南区的葛沽镇不再划入滨海新区行政区范围，但仍为其产业规划区域。据此分析，无瑕街与葛沽镇所产生的碳排放对整个滨海新区仍有着较大影响，故本文从产业功能角度出发，将此两区域考虑在研究范围内，对滨海新区的土地利用碳排放状况进行分析。3.1.3 土地利用类型界定由于我国土地资源分类标准不尽统一，本文根据研究区土地利用现状，依据前人研究基础，主要参考在适用性方面具有极重要现实意义的1992-1995年“国家资源环境遥感宏观调查与动态研究”重大项目所建立的中国土地资源分类系统 38，同时还参考了2006IPCC 国家温室气体清单指南 、2007年最新土地利用现状分类国家标准(GB/T21010-2007）以及部分国外学者相关研究39-40，将研究区土地利用类型确立为耕地、林地、草地、建设用地、水域和湿地及未利用地，具体分类详见表1。表1 碳排放视角下天津市滨海新区土地利用类型界定Table 1 Land use patterns in Tianjin Binhai New Area from the perspect of carbon emission一级类 二级类耕地 水田，旱地林地 有林地，灌木林，疏林地，其他林地草地 高覆盖度草地，中覆盖度草地，低覆盖度草地建设用地城镇用地，农村居民点，采矿用地，风景名胜及特殊用地，其他建设用地水域和湿地河渠，湖泊，水库，盐田，坑塘，咸水养殖，淡水养殖，滩涂，滩地，水工建筑用地未利用地 空闲地，沙地，盐碱地，裸土地，裸岩，其他未利用地3.2 研究方法3.2.1 遥感影像数据预处理本研究利用天津滨海新区行政区划图，1:50万地形图，1994、2000、2005、2010年Landsat TM影像以及2013年Landsat8 OLI影像等作为基础数据，首先参照地形图，运用ERDAS9.2软件对所有遥感影像进行几何校正，使误差控制在一个象元点之内；然后运用ArcGIS10.1软件将行政区划图矢量化，赋予其地理坐标系统，并将其与地形图、TM影像、OLI影像进行配准，使三者的投影和比例尺保持一致，所对应的地物位置相同，分辨率相同。3.2.2 土地利用相关数据提取在对遥感影像进行预处理后，根据各年份滨海新区扩建实情，基于ArcGIS10.1软件对矢量图层边界适时予以调整，将矢量图层转换成coverage文件，然后运用ERDAS 9.2软件将其转换成aoi文件，并提取出滨海新区各个时期的单波段影像，以保证信息的完整性；依据土地分类需要，选取5、4、3波段对1994、2000、2005、2010年的TM影像进行多波段融合，同时选取6、5、2波段对2013年的OLI 影像进行多波段融合；最后基于ERDAS和ArcGIS工作平台，采用监督分类和目视解译相结合的人机交互式解译方法，对1994-2013年的遥感影像进行解译，同时结合实地调研对分类结果予以修正，绘制较为精确的土地类型分布图。3.2.3 碳排放测算模型2006IPCC国家温室气体清单指南 为国家组织级的碳排放提供了测算标准，测算类别涵盖能源，工业过程和产品使用，农业、林业和其他土地利用，废弃物以及其他方面，不适于区域组织级的土地利用碳排放核算。此前，国内已有诸多研究人员运用碳排放系数法进行了省区级的土地利用碳排放效应研究16-29，故本研究拟采用该法，具有一定的科学依据。碳排放测算模型： iifAeE式中各项指标意义如下：E碳排放总量，单位为万 t；e i第i 种土地利用类型产生的碳排放（吸收）量，单位为万t；A i第i种土地利用类型面积，单位为km 2；f i第i种土地利用方式的碳排放（吸收) 系数。农田生态系统兼具碳源效应与碳汇效应，因此，耕地的碳排放系数可据农业生产的CO 2排放系数及其对CO 2的吸收系数计算，取二者差值即可；建设用地承载着诸多的人类生产和生活活动，消耗有大量能源，仅利用其面积进行该地类碳排放测算会产生些许偏差，但因统计年鉴中相关数据或口径不一，或数据缺失，故本研究依据统一标准，同样采用碳排放系数法进行建设用地的碳排放测算。各种土地利用类型的碳排放系数及出处见表2。表 2 各种碳源（碳汇）的碳排放 /吸收系数Table 2 Coefficient of carbon emission (absorbability) of different carbon source (sink)名称 参数值 数据来源 平均值 单位农作物C排放系数 0.0504 Cai Zu-Cong，et al41农作物C吸收系数 -0.0007 何勇等 420.0497 kg/(m2a)林地C吸收系数 -0.0581 方精云等 43 -0.0581 kg/(m2a)草地C吸收系数 -0.0021 方精云等 -0.0021 kg/(m2a)（1）-0.0257 赖力水域和湿地碳排放系数 -0.0372 段晓男等 44-0.0315 kg/(m2a)建设用地碳排放系数5.5603 赖力 5.5603 kg/(m2a)未利用地碳排放系数-0.0005 赖力 -0.0005 kg/(m2a)与此同时