兰州市土地利用碳排放研究

Research on land-use carbon emissions in Lanzhou City

摘要

目的 分析兰州市2009~2020年土地利用及其碳排放的变化趋势与关联程度，为兰州市实现“双碳”目标和低碳城市建设提供科学依据。 方法 基于兰州市2009~2020年的土地利用变更数据、能源与农用化学品消耗数据，计算土地利用多样化指数与动态度，对兰州市土地利用的变化进行分析；构建土地利用碳排放测算模型，对兰州市土地利用碳排放进行核算与变化趋势分析；选用灰色关联分析法对兰州市土地利用及其碳排放进行关联度分析。 结果 2009~2020年间，兰州市土地利用多样化指数从0.602 9增加到0.647 6；土地利用净碳排放量从2 161.23万t下降到2 113.70万t；耕地、草地、水域、其他用地、林地、建设用地、园地与净碳排放量的灰色关联度分别为0.90、0.91、0.89、0.90、0.90、0.90、0.89。 结论 2009~2020年兰州市土地利用多样化指数呈现增长的趋势，土地利用结构趋于多样化；2009~2020年兰州市碳源与净碳排放量总体呈现下降的趋势，碳汇在2019开始逐渐增长；兰州市碳排放体系中，建设用地是最大的碳源地，林地是最大的碳汇地；兰州市草地、耕地、林地、建设用地面积的变化与净碳排放量变化的关系密切。

Abstract

Objective This paper aimed to analyze the change trend and correlation degree of land use and carbon emission in Lanzhou from 2009 to 2020，providing a scientific basis for Lanzhou achieving the goals of " carbon peaking and carbon neutrality " and building a low-carbon city. Method Based on the data on land use change，energy and agricultural chemical consumption in Lanzhou from 2009 to 2020，land use diversity index and dynamic attitude were calculated to analyze the change in land use in Lanzhou.The calculation model of land-use carbon emissions was constructed to calculate and analyze the change trend of land-use carbon emissions in Lanzhou.Grey correlation analysis method was used to analyze the correlation degree of land use and carbon emission in Lanzhou. Result From 2009 to 2020，the land-use diversity index increased from 0.602 9 to 0.647 6.Net carbon emissions from land use decreased from 21.612,300 tons to 21.137 00 tons.The grey correlation of the net carbon emission with cultivated land，grassland，water area，other land，forest land，construction land and garden land was 0.90，0.91，0.89，0.90，0.90，0.90，0.89，respectively. Conclusion From 2009 to 2020，the land use diversity index showed an upward trend，and the land use structure tended to be diversified.From 2009 to 2020，the carbon source and net carbon emissions in Lanzhou showed a downward trend，while the carbon sink began to increase gradually in 2019.In the system of carbon emission in Lanzhou City，the construction land is the largest carbon source and forest land is the largest carbon sink.The change of net carbon emissions is closely linked to the change of grassland，cultivated land，forest land and construction land area in Lanzhou City.

Graphical abstract

关键词

土地利用 / 碳排放 / 灰色关联度 / 兰州市

Key words

land use / carbon emission / grey correlation degree / Lanzhou City

Author summay

张新宇，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

气候变暖已成为全世界共同面临的重大挑战，气温每升高1 ℃全球粮食产量减产10%^［1］，洪涝灾害和高温干旱等极端天气事件也频频发生^［2］。研究发现气候变暖的主要原因是温室气体的过量排放^［3］，温室气体的主要来源是土地利用变化引起的直接与间接碳排放^［4］，其中土地利用变化所引起的直接碳排放 ^［5-6］仅次于人类社会经济活动中化石燃料所产生的间接碳排放^［3，7］。因此专家学者们围绕土地利用碳排放开展了广泛研究，从土地利用碳排放的机理与效应分析^{［4，8-9］}，到碳排放的测算模型构建与驱动力因子分析^［10-11］，再到基于碳排放进行土地利用结构优化^［12-13］，通过合理增加林地、园地、草地面积，合理分配、集约利用耕地与建设用地，达到提高碳汇、降低碳源的目的。目前土地利用碳排放的研究已趋于成熟。

兰州市作为西北典型重工业城市，要实现“双碳”目标，高耗能、高污染、高排放^［14-15］的“三高”现状必须改变。近年来多位学者已从不同角度对兰州市碳排放情况进行了研究。在土地利用碳排放效应方面，吴丽华^［16］对兰州市2002~2011年土地利用变化与碳排放之间的关系进行了分析，发现兰州市碳收支情况长期失衡。在农业碳排放方面，何炫蕾等^［17］运用LMDI模型对兰州市2003~2015年农业碳排放影响因素进行分析，发现兰州市农业经济发展与碳排放量呈正相关。在工业与能源消费方面，王乃举等^［18］、方婷^［19］和王莉叶等^［20］分别运用LMDI模型、STIRPAT模型对兰州市的工业能源消费碳排放进行驱动力因素分析，发现经济规模与能源结构是影响兰州市能源消费碳排放的重要因素。朱亚红^［21］运用LMDI模型对兰州市2007~2016年碳排放进行因素分解分析，发现经济增长与产业结构对兰州市碳排放起促进作用，技术水平与能源强度起抑制作用；孔佑花^［22］基于STIRPAT模型与系统动力学构建工业碳排放预测模型，发现低碳情景模式最符合兰州市发展，在此情景下2025年兰州市可实现碳达峰。综上所述，学者对兰州市碳排放的研究主要集中在2000~2016年，主要研究了兰州市工业与能源消费碳排放的驱动力因素，缺少对土地利用碳排放的系统分析。2017年兰州市成功获批国家低碳城市试点，先后制订出台《兰州市低碳城市发展规划（2017~2025）》等多项兰州市低碳城市规划指导文件，明确了低碳发展的思路举措和目标任务，兰州市低碳城市建设已迈向正轨。因此研究近年来兰州市土地利用碳排放现状，对于分析兰州市“碳达峰”前景，实现“碳中和”目标具有重要意义。

本文针对兰州市土地利用碳排放效应进行研究，通过分析兰州市2009~2020年的土地利用变更情况，建立兰州市土地利用碳排放核算体系，对研究期内兰州市碳源、碳汇、净碳排放量和土地利用与净碳排放的关联度进行系统分析，以期为兰州市合理配置土地资源，提高土地利用效率，实现节能减排，建设低碳城市提供参考依据。

1 材料与主法

1.1 研究区概况

兰州市位于E 102°55′~104°35′、N 35°34′~37°00′，地处青藏高原向黄土高原过渡地带，平均海拔约1 520 m，属温带大陆性气候。兰州市现辖城关、七里河、西固、安宁、红古5区和永登、榆中、皋兰3县，总面积131.92万hm²。2021年末兰州全市常住人口438.4万人，人口自然增长率1.77%；2021年兰州市地区生产总值首次突破3 000亿元大关，达到3 231.29亿元，同比增长6.1%。

1.2 数据来源

兰州市2009~2020年土地利用变更数据来自甘肃省自然资源规划研究院提供的2009~2020年土地利用变更数据库，同时参考中国多时期土地利用、土地覆盖遥感监测数据分类系统与第3次全国国土调查土地利用现状分类系统，按照2009~2020年兰州市土地利用现状，将土地分为耕地、园地、林地、草地、建设用地（城镇村及工矿用地、交通运输用地）、水域用地和其他用地共7类。

兰州市能源消耗数据与农用化学品消耗数据来源于《兰州统计年鉴（2010~2021）》。

1.3 土地利用结构多样化指数

选用土地利用结构的多样化指数来反映研究区内土地利用类型的丰富程度。用Gibbs-Martin提出的多样化指数定量表达法来进行分析^［23］，计算公式如下：

G=\mathrm{1}-{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{x}_i^{\mathrm{2}}/{\left({\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{x}_i\right)}^{\mathrm{2}}（1）

式中：G表示多样化指数，n表示土地利用分类数量，x_i 表示第i类土地利用类型的面积。土地利用多样化指数越接近1，说明该区域土地类型越丰富。

1.4 土地利用动态度

选用单一土地利用动态度反映单一的土地类型在研究时间段的变化速率，计算公式如下^［24］：

K=\frac{U_b-U_a}{U_a}\times \frac{\mathrm{1}}{T}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（2）

式中：K代表某一研究期内单一地类的土地利用动态度；U_a、U_b 分别表示研究期开始和研究期末某一地类的绝对面积；T表示研究期，即研究期末减去研究期初。

1.5 兰州市土地利用碳排放核算

参考前人研究^{［16，25-28］}，兰州市碳排放效应分为碳源与碳汇两类，其中园地、林地、草地、水域和其他用地的碳排放效应为碳汇效应，建设用地碳和耕地碳排放效应为碳源效应。

园地、林地、草地、水域和其他用地的碳排放量采用直接排放法进行估算，公式为：

C_i=S_i\times K_i（3）

式中，C_i 为第i类土地碳排放量，S_i 为第i类土地面积，K_i 为第i类土地的碳排放系数，碳排放系数参考前人研究结果^［25-28］，见表1。

建设用地碳排放主要由能源消耗产生，本文选取兰州市规模以上工业企业主要能源，即原煤、焦炭、原油、汽油、煤油、燃料油、天然气和电力（火电）消费量作为建设用地碳排放的核算指标^{［10-11，16］}。建设用地碳排放量采用IPCC清单法进行间接排放估算，公式为：

C_e={\sum }_{i=\mathrm{1}}^n\left(B_i\times N_i\times K_i\right)（4）

式中：C_e 为建设用地碳排放总量，B_i 为建设用地第i类能源消耗量，N_i 为第i类能源的标准煤折算系数，K_i 为第i类能源的碳排放系数。各类能源碳排放系数参考IPCC《国家温室气体排放清单指南（2006年）》，各类能源标准煤折算系数参考《中国能源统计年鉴》，见表2。

耕地碳源效应包含农田灌溉与旱地翻耕的碳排放^［29］和农用化学品消耗（包含化肥、农药、农膜、农用柴油）产生的碳排放^{［24，26-28］}。耕地碳排放计算公式为：

C_f={\sum }_{i=\mathrm{1}}^n\left(E_i\times K_i\right)（5）

式中：C_f 为耕地碳排放总量，E_i 为农业生产过程中第i类碳源消耗量，K_i 为第i类碳源的碳排放系数，相关碳排放系数见表3。

兰州市碳排放碳源效应测算模型为：

C_m=C_e+C_f={\sum }_{i=\mathrm{1}}^n\left(B_i\times N_i\times K_i\right)+{\sum }_{i=\mathrm{1}}^n\left(E_i\times K_i\right)（6）

兰州市碳排放碳汇效应测算模型为：

C_n={\sum }_{i=\mathrm{1}}^n{C}_i（7）

兰州市土地利用碳排放效应净碳排放测算模型为：

C=C_m-C_n=C_e+C_f-C_n={\sum }_{i=\mathrm{1}}^n\left(B_i\times N_i\times K_i\right)+{\sum }_{i=\mathrm{1}}^n\left(E_i\times K_i\right)-{\sum }_{i=\mathrm{1}}^n{C}_i（8）

1.6 土地利用类型与碳排放关联程度测算方法

本研究选用灰色关联分析法对兰州市不同土地利用类型与兰州市土地利用净碳排放关联程度进行分析^［26］。步骤如下：

第一步，确定兰州7类用地面积为子序列，土地利用净碳排放量为母序列。

第二步，采用均值法对原始序列进行无量纲化处理。

第三步，对比较数据列与参考数据列进行绝对差值计算，计算公式为：

∆m(q)=\left|y_i^{\left(\mathrm{0}\right)}(q)-x_i^{\left(\mathrm{0}\right)}(q)\right|（9）

第四步，计算比较数列参考数列在不同年份（T）时间的关联系数，计算公式为：

\mathrm{\xi }\mathrm{i}(\mathrm{k})=\frac{\underset{\mathrm{i}}{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}\underset{\mathrm{T}}{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}\left|y(T)-x_i(T)\right|++\mathrm{\alpha }\underset{\mathrm{i}}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\underset{\mathrm{T}}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\left|y(T)-x_i(T)\right|}{\left|y(T)-x_i(T)\right|+\mathrm{\alpha }\underset{\mathrm{i}}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\underset{\mathrm{T}}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\left|y(T)-x_i(T)\right|}（10）

第五步，计算子序列中各个指标的灰色关联度。计算公式为：

r_i=\frac{\mathrm{1}}{q}{\sum }_{T=\mathrm{1}}^q{\xi }_i(T)（11）

2 结果与分析

2.1 兰州市2009~2020年土地利用变化分析

2009~2020年兰州市土地利用变化如图1所示。在兰州市土地利用现状中，草地面积占比最大，之后依次是耕地、林地、建设用地、其他用地、水域面积和园地。

2009~2020年兰州市草地与耕地面积持续减少，草地面积减少最多，从2009年的76.57万hm²缩减到2020年的71.33万hm²，从占兰州市总面积的58.04%下降到54.07%；耕地面积从2009年的28.97万hm²缩减至26.09万hm²，土地垦殖率从21.96%降为19.78%。

2009~2020年园地与林地面积经历由减少到增加的过程。其中2009~2018年间园地与林地面积微减，10 a间分别累计减少0.06万hm²和0.09万hm²；2019年，园地与林地面积大幅度增加，园地面积增加0.98万hm²，林地面积增加4.27万hm²；2020年末，兰州市园地面积从2009年占总面积的0.79%增加到1.39%，林地覆盖率也由2009年的8.06%增加到11.27%。

2009~2020年，兰州市城镇化建设有序进行，建设用地面积持续增加，累积增加2.18万hm²，建设用地率也从5.80%增加到7.46%。

2009~2018年其他用地面积减少0.03万hm²，土地未利用率从4.41%降至4.39%；2019年受土地退化等多方面影响，其他用地面积分别增加了1.43万hm²，2020年末其他用地面积新开发0.47万hm²，面积占比也从2018年的4.39%增长到5.12%。

2009~2020年水域面积受自然与人为双重因素影响，共计减少0.04万hm²，水域面积占比从2009年的0.94%降至0.91%。

由表4可得，兰州市2009~2020年的土地利用多样化指数总体呈现增长趋势，从2009年的0.602 9增加到2020年的0.647 6，兰州市土地利用结构趋于多样化，土地利用朝着更为均衡的方向发展。2019年受兰州市社会经济发展和生态文明建设等因素影响，兰州市草地面积减少，林地、园地、建设用地和其他用地面积增加，土地利用多样化指数达到0.649 8，为研究期间最大值。

为反映兰州市各类土地在研究期间每年的变化速率，引入单一土地利用动态度指数进行表达，结果见表5。由表5可知，兰州市2009~2018年，耕地、园地、林地、草地、水域动态度均呈现负增长，表明研究期内这5类用地面积在减少；其他用地动态度有增有减，变化程度不明显；建设用地的土地利用动态度呈正增长，且为同年7类用地中的最高值，表明2009~2018年兰州市建设用地面积持续增加且增加速度为7种地类中最快。说明这10 a兰州市更加注重城市化发展，城镇化在快速推进。2019年兰州市土地利用结构发生明显变化，园地、林地、其他用地面积大幅度增加，动态度由负增长转为正增长。

2.2 兰州市土地利用碳排放分析

基于兰州市2009~2020年规模以上工企业的各类能源消耗数据，折算为标准煤的能源消耗量见图2。如图2所示，2009~2020年兰州市能源消耗量在波动中整体体呈现下降趋势，从2009年标准煤消耗2 642.66万t下降到2020年的2 543.06万t。2013年兰州市能源消耗是研究期间最大值，为3 092.53万t。

基于兰州市2009~2020年土地利用变更数据、能源与农用化学品消耗数据得到兰州市7类用地的碳排放量。

由表6可知，在兰州市土地利用碳排放体系中，建设用地是主要碳源地，建设用地碳排放占碳源量的99%以上；林地对碳吸收的贡献率最大，林地碳吸收量约占碳汇量的70%。草地、园地分别为第2大、第3大碳汇地；水域与其他用地的碳汇相对稳定，变化幅度不大。2013年以来，受耕地面积减少与有机肥推广替代化肥农药的影响，兰州市耕地碳排放开始逐年下降。

如图3所示，2009~2020年兰州市土地利用净碳排放呈波动变化，整体表现为净碳排放量下降，碳收支失衡。2020年净碳排放量为2 113.70万t，比2009年下降47.53万t。2009~2013年净碳排放处于快速上升阶段，2013年净碳排放出现研究期间峰值，为2 659.66万t，此时建设用地与耕地的碳排放量均为研究期内最高值，分别为2 643.18万t和25.25万t。

如图4所示，兰州市土地利用净碳排放年增长率变化趋势与碳源年增长率变化趋势基本吻合，呈现波动状变化，整体变化趋势为下降。2013年与2018年净碳排放量年增长率与碳源年增长率远高于其他年份，这两年兰州市土地利用净碳排放量分别为“十二五”“十三五”时期净碳排放最大值。2016年出现最大负增长率，此时净碳排放量为研究期间最小值。

研究期间，兰州市碳汇能力在2009~2018年不断降低，碳汇年增长率持续为负。2019、2020年随着园地、林地面积的增加，兰州市碳汇量进入增长阶段，2019年碳汇年增长率急剧升高，达到34.11%，2020年回落至0.67%。

2.3 兰州市土地利用与碳排放灰色关联分析

由表7可知，2009~2020年兰州市7种土地利用类型对土地利用净碳排放影响的大小程度为：草地>耕地>林地>建设用地>其他用地>水域用地>园地。兰州市草地面积占比最多，是第2大碳汇地，与兰州市土地利用净碳排放量关联度最高。耕地是兰州市第二大用地，同时也是次要的碳源地，与土地利用净碳排放的关联度仅次于草地，到达0.90。林地碳汇能力最强，林地面积的增加能够提高碳汇、固定碳源，林地与土地利用净碳排放也有较高的关联度。建设用地碳排放占总碳源的99%以上，但由于建设用地的碳排放主要取决于社会经济发展对能源消耗量的需求，因此建设用地面积的变化与土地利用净碳排放的关联程度较低。

3 讨论

1） 2019~2020年兰州市土地利用结构变化显著，可能与以下原因有关。首先耕地面积的变化可能受以下两点因素的影响：一是《兰州市土地利用总体规划（2006~2020年）》中2020年兰州市耕地面积保有量为23.70万hm²，2020年耕地面积保有量实际为26.09万hm²，做到了严守耕地保护红线，落实耕地保护政策^［30-31］；除此之外，部分“非农化”被用于园地与林地的耕地^［32］被标识，可在需要时通过相应措施恢复为耕地。林地、园地面积扩大可能有以下两方面原因，一是在第3次全国国土调查中明确要求将园地、林地占用的耕地进行属性变更，分别归为园地中的其他园地与林地中的相关二级土地分类下；二是兰州市重点实施的退耕还林工程、三北防护林工程和兰州市碳汇林造林项目，提高了兰州市林地覆盖度，也增强兰州市碳汇能力。

2） 研究发现兰州市净碳排放量总体变化趋势为下降，但兰州市仍将处于碳收支不平衡阶段。与吴丽华^［16］对兰州市2002~2012年土地利用碳排放研究相比较，兰州市土地利用结构发生显著变化，草地、耕地面积缩减最多，林地、建设用地面积增加最多。2019年兰州市碳汇量显著增长，但建设用地与耕地产生的碳排放量仍远超兰州市目前的碳汇能力。周萍等^［34］对福建省土地利用碳排放的研究中认为，林地覆盖度59.04%的福州市与林地覆盖度49.85%的泉州市，虽然具备很强的碳汇能力，但是由于碳排放量远远高于碳吸收量，同样处于碳收支不平衡阶段。因此兰州市实现“碳中和”目标，不仅要通过退耕还林、种植碳汇林、提高城市绿化等方式增加林地覆盖度，提高碳储备能力，更要在源头进行碳减排。

3） 2009~2020年兰州市能源消耗碳排放曲线总体呈现波动式下降。与邹珊珊等^［35］、杨斌^［36］的研究对比发现，兰州市的能源消耗碳排放与河北省工业城市唐山市能源消耗碳排放以及甘肃省能源消耗碳排放在相同时期内变化趋势相同，均为先增加后减少再增加，且2010~2015年间增减幅度与增减速率均大于2016~2020年间的变化；不同之处是兰州市2016~2020年间能源消耗碳排放出现的峰值要低于2009~2015年间出现的峰值，兰州市能源消耗碳排放总体呈现下降的趋势，而甘肃省能源消耗碳排放与唐山市能源消耗碳排放总体呈现上升的趋势，2016~2020年能源消耗碳排放在先降后升后出现的最大值超过2000~2015期间的峰值。对兰州市2009~2020期间能源消耗结构进行分析，发现2016~2020年兰州市煤炭、石油消费量较2009~2015年明显降低，结合兰州市开展的低碳城市试点工作，兰州市在甘肃省率先在工业、建筑业、交通运输业等重点领域施行节能降碳，在此期间兰州市化工、冶金等高污染、高能耗企业不断探索转型升级之路，预示着兰州市能源消耗碳排放已趋于饱和，也体现出兰州市低碳城市建设已初见成效。接下来兰州市为实现“双碳”目标，应贯彻省委省政府提出的“四强”战略，严格“两高”项目准入，对光伏、氢能、生物质能等清洁能源发展加大支持力度，全面打造兰州石化产业绿色发展实践范例，着力建设“双碳”示范城市，在区域“碳中和”与经济健康快速发展中充分发挥省会城市的带头作用。

4 结论

1） 2009~2020年间，兰州市土地利用结构发生显著变化，通过对土地利用结构的不断调整，兰州市土地利用多样化指数从0.602 9增加到0.647 6，土地利用结构趋于多样化，土地利用更为均衡。

2） 2009~2020年兰州市土地利用净碳排放量总体变化趋势为下降，由2009年的2 161.23万t下降到2020年的2 113.70万t，兰州市低碳城市建设初见成效，但碳收支仍将处于长期失衡状态。在兰州市土地利用碳排放体系中，建设用地是主要碳源地，林地是主要碳汇地。

3） 运用灰色关联度分析法对兰州市7种土地利用类型与兰州市土地利用净碳排放量进行分析，发现二者之间存在线性相关关系，相关程度依次为草地、耕地、林地、建设用地、其他用地、水域用地和园地。

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基金资助

甘肃省国土空间规划前期专题研究(XZ-20190606)