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2024 , Vol. 39 >Issue 10: 2450 - 2470

DOI: https://doi.org/10.31497/zrzyxb.20241012

其他研究论文

土地利用系统碳效应研究进展与展望：机制、模拟与优化

  • 黄安 , 1, 2, 3 ,
  • 王燕 1 ,
  • 田莉 , 2, 3 ,
  • 刘琳欣儿 4 ,
  • 夏菁 5 ,
  • 梁印龙 2, 3 ,
  • 孙敏轩 6 ,
  • 庄元 7
展开
  • 1.西安建筑科技大学公共管理学院，西安 710055
  • 2.清华大学建筑学院，北京 100084
  • 3.自然资源部智慧人居环境与空间规划治理技术创新中心，北京 100084
  • 4.天津城建大学国际工程学院，天津 300384
  • 5.合肥工业大学建筑与艺术学院，合肥 230031
  • 6.清华大学地球系统科学系，北京 100084
  • 7.包头职业技术学院经济贸易管理系，包头 014030
田莉（1973- ），女，山西长治人，博士，教授，研究方向为城乡规划、土地利用等。E-mail:

黄安（1990- ），男，四川雅安人，博士，副教授，研究方向为土地利用与空间治理等。E-mail:

收稿日期: 2023-10-07

  修回日期: 2024-06-15

  网络出版日期: 2024-10-16

基金资助

国家自然科学基金项目(42201272)

北京高等学校卓越青年科学家项目(JJWZYJH01201910003010)

内蒙古自治区军民融合重点科研项目及软科学研究项目(JMRKX202205)

内蒙古自治区自然科学基金项目(2023LHMS04003)

收起

Research progress of carbon effect in land use system: Mechanisms, simulations and optimization

  • HUANG An , 1, 2, 3 ,
  • WANG Yan 1 ,
  • TIAN Li , 2, 3 ,
  • LIU Lin-xin-er 4 ,
  • XIA Jing 5 ,
  • LIANG Yin-long 2, 3 ,
  • SUN Min-xuan 6 ,
  • ZHUANG Yuan 7
Expand
  • 1. School of Public Administration, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China
  • 2. School of Architecture, Tsinghua University, Beijing 100084, China
  • 3. Technical Innovation Center for Intelligent Human Settlements and Spatial Planning Governance of the Ministry of Natural Resources, Beijing 100084, China
  • 4. International School of Engineering, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China
  • 5. School of Architecture and Art, Hefei University of Technology, Hefei 230031, China
  • 6. Department of Earth System Science, Ministry of Education Key Laboratory for Earth System Modeling, Institute for Global Change Studies, Tsinghua University, Beijing 100084, China
  • 7. Department of Economics and Trade Management, Baotou Vocational & Technical College, Baotou 014030, Inner Mongolia, China

Received date: 2023-10-07

  Revised date: 2024-06-15

  Online published: 2024-10-16

Fold

摘要

土地利用系统作为全球碳系统的重要系统之一，在实现全球碳中和的道路上发挥着举足轻重的作用。通过理论分析法和归纳演绎法，建立了社会—生态系统视角下的土地利用系统碳效应理论分析框架，提出了治理视角下的土地利用系统碳效应内涵机理，总结梳理了土地利用系统碳效应的研究历程、基础测算方法以及模拟预测方法体系，并初步建立了土地利用系统碳中和的优化路径和工具箱。当前，有关土地利用系统碳排放量、碳汇量的测算基础研究已较为成熟，研究重点已从基础研究转向了影响因素全面挖掘、碳减排增汇定量预测模拟以及碳中和路径研究等。但仍存在缺乏碳排放和碳汇基础测算当量系数的区域性校正；理论分析框架缺少治理维度影响因素的考量，进而缺少不同利益主体对土地利用系统碳效应优化的协同治理情景模拟研究；碳效应情景模拟缺少成本与收益分析；碳中和的治理技术与工程技术尚处于研发、试点阶段；尚未形成系统性的土地利用系统碳效应优化路径等不足。未来，可从深化土地利用系统碳效应复杂系统理论框架及视域研究、加强土地利用系统碳效应治理机制与路径研究、拓展土地利用系统碳中和协同路径研究、深入开展土地利用系统碳中和技术创新基础研究与推广应用、深度融合并搭建土地利用系统碳效应与国土空间“规—建—管”体系及平台等方面深入推进土地利用系统碳效应的研究，为“双碳”背景下的国土空间优化调控提供理论支撑和实践借鉴。

关键词： 土地利用系统; 碳效应; 治理; 内涵机制; 测算模拟; 优化路径

本文引用格式

黄安 , 王燕 , 田莉 , 刘琳欣儿 , 夏菁 , 梁印龙 , 孙敏轩 , 庄元 . 土地利用系统碳效应研究进展与展望：机制、模拟与优化[J]. 自然资源学报, 2024 , 39(10) : 2450 -2470 . DOI: 10.31497/zrzyxb.20241012

Abstract

As one of the important subsystems of the global carbon system, the land use system plays a pivotal role in achieving global carbon neutrality. Based on the theoretical analysis and inductive deduction, this paper establishes a theoretical analysis framework for the carbon effect of the land use system from a social-ecological perspective. It summarizes the research history of the carbon effect of the land use system, basic measurement methods, and simulation prediction method systems. Additionally, it initially establishes an optimized path and toolbox for carbon neutrality in the land use system. Currently, basic research on measuring carbon emissions and carbon sequestration in the land use system has matured, and the research focus has shifted from basic research to comprehensive exploration of influencing factors, quantitative prediction and simulation of carbon emission reduction and sequestration enhancement, and carbon neutrality path research. However, several challenges remain: the lack of regional correction for equivalent coefficients in basic carbon emissions and sequestration measurements; the omission of governance dimensions in the theoretical analysis framework, leading to a dearth of collaborative governance scenario simulation studies for optimizing the carbon effect of the land use system among different stakeholders; and the absence of cost-benefit analysis in carbon effect scenario simulations, etc. In the future, more attention should be given to deepen the research on the complex system theoretical framework and perspective of the carbon effect of the land use system, strengthen the research on the governance mechanism and path of the carbon effect of the land use system, and expand the research on the synergistic path of carbon neutrality of the land use system, etc., which will provide theoretical support and practical reference for optimization of national land space in the context of the dual carbon goals.

Key words： land use system; carbon effect; governance; connotation and mechanism; calculation and simulation; optimization path

伴随全球经济的进步与发展，人类生产生活大量排放CO2，导致温室气体大量增加，引发全球变暖、冰川融化、海平面上升、干旱、极端天气等一系列影响全球人类生活的自然灾害发生[1,2]，“地球碳系统的失衡严重阻碍了人类可持续发展的进程”这一论断已成为共识。为此，围绕人类生产生活碳效应的研究，成为全球各界对均衡碳系统救援行动的热点研究领域：如物理学诺奖得主马纳贝等[3,4]和克劳斯等[5]建立了地球气候物理系统模拟、量化变异和预测二氧化碳导致全球变暖的模型；政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）从1990—2022年的6次有关全球变暖的气候变化报告[6]以及2020年习近平总书记从国家层面向世界承诺的“碳达峰和碳中和”的“双碳”目标。实践研究表明，全球人为碳排放400亿t/年，其中，工业、居住、交通等建设用地的化石能源使用碳排放约占86%，在农牧用地上的碳排放约占14%[7]；2016年，全球碳计划项目（Global Carbon Project）研究表明，全球土地利用变化带来的碳排放在1870—2015年中占总量的26.1%[8]。然而，土地利用尤其是自然生态系统（包括陆地、海洋）目前能吸收200亿t，占总碳吸收的50%，其中，森林植被区的碳储量几乎占到了陆地碳库总量的一半[9]。可见，土地利用在碳排放与固碳、碳减排与增汇等领域和研究中起着举足轻重的作用。
在中国“双碳”目标战略实施以及国土空间规划时代背景下，从土地利用视角，系统梳理土地利用系统碳效应相关研究进展，厘清土地利用系统碳效应的内涵机理，总结现有土地利用系统碳效应的测算模拟方法以及优化路径，将会为国土空间规划助力“双碳”目标的实现提供有力支撑。鉴于此，本文首先剖析土地利用系统碳效应的内涵机理；其次，梳理土地利用系统碳效应的研究历程；再次，从土地利用碳效应的测算方法、模拟预测、优化路径等方面综述当前研究现状及存在的不足；最后，探讨与展望未来重点研究方向。

1 基于社会—生态系统框架的土地利用系统碳效应理论分析框架

1.1 土地利用系统碳效应的概念辨析

之所以称之为“土地利用系统”，是出于人地交互关系的考虑，人类为了从仅具备自然属性的原土地上获取各类产品和服务（即土地利用功能），对土地进行不同方式的利用，进而引致一系列的效应[10]。就碳效应而言，远超越数倍于原土地的碳排放量是通过商、住、工、矿、交通等土地利用过程所产生的，且只有通过规范、科学的利用才能实现不同的土地利用过程减碳、增汇[11,12]。从系统论的角度讲，人类利用土地获得产品和服务的过程是一个涉及社会—经济—自然—治理以及要素—格局—过程—功能等多维度、多尺度的复杂系统工程，即土地利用系统[13,14]；而土地利用系统中有关碳排放、碳吸收过程中的物质、能量流动及其交互效应可被统称为土地利用系统碳效应[15⇓-17]。

1.2 社会—生态系统框架视角下土地利用系统碳效应机制解构

建构一个具备普适性、综合性和完整性的理论分析框架，厘清系统形成的内在机理，清晰界定系统边界与变量，是科学测算、预测碳系统变化以及进行碳减排与碳汇的基础[18]，更是学界研究土地利用系统碳效应共同努力的重要方向[19]。为了合理解构这些系统要素之间的复杂交互关系，本文试图引入诺奖得主奥斯特罗姆提出的社会—生态系统（Social-Ecological System，SES）框架解构土地利用系统碳效应的内在机理。SES框架可视为是加入多中心治理系统的社会—生态复杂系统显像化解释理论框架[20]。该框架从资源系统、资源单位、参与者系统、治理系统、行动情景→结果等多个维度识别和解构具有排他性和竞争性的公共资源治理问题、社会—生态过程及其关键变量相互关系，其最大的贡献在于强调了多利益主体治理行动在这一系统框架中的运行机理和重要作用[21]。本文所建构的SES视角下的土地利用系统碳效应理论分析框架如图1所示。
图1 土地利用系统碳效应形成机制

Fig. 1 SES framework of carbon effect of land use system

在特定的社会经济发展需求目标下，政府—市场—公众等不同主体为获取所需土地利用功能（获取粮食、矿产、水源等产品，及居住、商业、交通等服务的能力），遵循一定的治理规则，在以农业、建设用地等为主的土地利用子系统中捕获土地的生产、生活功能，CO2作为废气在此过程中被排放到区域大气环境中，即是CO2排放总量的来源。另一方面，以林地、草地、耕地、水域以及绿地为主的土地利用子系统经过植被光合作用、土壤生物固碳以及水域物理固碳等方式吸收固定大气环境中的CO2，即CO2固存总量[22]。碳排放总量与碳固存总量之间的差值即为留存到大气环境中的CO2净碳总量，这是能量以碳的形式在土地利用系统中流动的过程，即物质空间维度的土地利用系统碳效应。由于不同时间和区域参与者在利用土地生产、生活时的强度差异以及助力土地固碳的生态行动差异，形成了不同情景的治理场域，进而引致大气中净碳留存在时空格局上的差异，即管控治理维度的土地利用碳效应。
当总碳排放量>总碳汇时，净碳大于零，碳系统处于超载状态；当总碳排放量<总碳汇时，净碳小于0，碳系统处于可载状态；当总碳排放无限接近于总碳汇时，则区域碳系统无限趋近于碳中和状态，这一状态即为区域土地利用系统碳效应的最佳状态。净碳值的大小与治理系统的规则、社会经济发展目标、各类土地利用面积大小、生产生活活动强度以及植被量、土壤有机生物量等状况密切相关。其中，治理系统通过政府干预、市场干预、集体组织和公众能动等多中心利益主体的治理行动约束参与者的生产生活行动以达到碳减排增汇以及碳利用等，从而实现碳中和目标。

1.3 土地利用系统碳效应空间刻画

零碳排放是阻止全球变暖的重要途径，这一过程既包括土地利用自然过程的固碳，也包括土地生产生活的利用过程的减排[23]。图2进一步从空间上详细展示了土地利用碳系统循环过程。林地、草地、耕地、水域四类用地通过植物光合作用、土壤生物分解以及水溶解承担着固定大气中的CO2的功能，形成植被、水域和土壤碳库[24]；也通过农（机械化、农药化肥等）牧业（机械、饲料加工等）生产、动植物呼吸以及遗体排泄物等向大气中排放CO2[25]。同时，动植物及其长期形成的化石燃料富集后形成采矿用地，为工业用地供给原料；在工业用地中，通过工业生产、燃料燃烧等向大气中排放CO2以及为居住、交通、商业用地中的通勤、建筑物以及人类生活提供能源、木材和食物等消耗品[26]，待消耗品耗尽后又向大气排放CO2以及影响植被、水域和土壤碳库状况[27]。在一定的社会经济气候发展目标影响下，当大气碳库超过临界值使得全球气候变暖时，以碳减排和增汇为主的多利益主体正向治理行动将在协调四大碳库含量方面发挥至关重要的作用[28]。
图2 土地利用系统碳循环过程

Fig. 2 Carbon cycle process of land use system

综上所述，土地利用系统碳效应包括管控治理形态维度以及物质空间维度的交互关系，进一步细分可分为自然生态过程、社会生态过程以及治理行动过程等交互效应。土地利用系统碳效应的变化不仅与土地利用规模、土地利用转换情况密切相关，且与人类捕获土地生产生活功能、捕获植被—水域—土壤的生态功能、大气碳库状况以及生态治理规则等密切相关。土地利用系统碳效应形成机理从宏观上解释了土地利用系统碳效应运行的基本原理、碳循环过程从空间可视化的视角系统，全面地展示了各子系统之间的交互关系，可为管理和调控土地利用系统碳效应基础要素的选择、测算模拟以及优化路径的建构提供参考。

2 土地利用系统碳效应研究历程

在中国知网以“碳”和“土地利用”为主题词，搜索EI、北大核心、CSSCI、CSCD期刊论文，共计1863篇；以carbon和land use为主题词，搜索Web of Science核心期刊数据库中的论文，共计55326篇，按年统计结果如图3。国际上早在1975年就开始了土地利用碳效应的相关研究，在1995年以后开始逐渐增多，到2007年以后增幅逐渐增大；国内研究起步较晚且少于国际研究，1996年才逐渐开始，2005年逐渐增多，2009年以后增幅逐渐增大。
图3 土地利用系统碳效应研究文献数量

Fig. 3 Number of studies on carbon effects of land use system

结合文献增长趋势、重要事件时间节点以及相关研究重点，本文尝试将土地利用碳系统的研究历程分为以下四个阶段：
第一阶段（1990年以前）：土地利用系统碳效应研究萌芽阶段。该阶段主要是发现全球气候变暖，并初步发现大气中以CO2为主的温室气体是造成全球温升的主要原因[29]。早期的可持续发展概念，以及随后的《寂静的春天》、斯德哥尔摩环境会议、增长的极限等推进可持续发展重要著作和事件中，均重点关注环境对人类的影响[30]，引发了学界对碳效应的关注。这一时期有关土地利用系统碳效应的观点认为：一方面，人类在土地利用变化、大规模城市化、地球表层重新塑造等方面改变了地球环境；另一方面，人类活动改变了大气成分，化石燃料的巨量开采利用造成大气中温室气体浓度快速上升，温室效应进一步加速了全球变化[31]。初期重点关注城镇用地、农业用地和森林用地等土地利用变化如何影响碳循环的初步探索，土地利用系统作为一个非常重要的碳源、汇系统开始走进大众视野，但研究较为零散，缺乏系统性，具体机制和效应尚未明确[32]。
第二阶段（1990—2000年）：土地利用系统碳效应基础研究起步发展阶段。这一阶段，温室气体排放造成全球气候变暖已基本形成共识，IPCC在1990年和1995年发布了两次围绕寻求全球气候变暖的科学评估方法展开的全球气候变暖报告，并逐步开始了全球碳系统平衡的研究和实践[33,34]，如《联合国气候变化公约》《京都议定书》 ① 约定碳排放目标和国际碳交易策略 ② 。在土地利用系统碳效应研究方面，相关研究主要集中在如何科学计算碳排放总量和碳汇总量，重在基础方法研究[35]。碳排放主要通过碳足迹的方法，研究人类生产生活过程中排放的CO2总量，其土地利用类型涉及建设用地空间（商、住、工、交通、农村建设用地等）和农业用地空间（农业生产过程中农机、化肥等的碳排放）[36]。碳汇主要是通过野外观测、采样室内实验的方法研究不同土地利用类型（如林地、草地、耕地、未利用地等）植被碳汇量和土壤固碳量[37]。此外，学者逐步重视不同尺度（局部到全球）下土地利用动态变化与碳循环的关联、土地利用管理实践对碳存储和排放的影响。相关研究开始系统化，建立了多尺度的研究框架；数据获取和分析方法更加多样化，包括遥感技术、地理信息系统等，并初步建立了土地利用碳排放数据库和评估方法以及土地利用系统碳效应预测模型。
第三阶段（2001—2013年）：土地利用系统碳效应基础研究繁荣阶段。这一阶段，国内外有关土地利用碳排放与碳汇的基础研究呈现“繁荣”景象，SCI和知网发文从每年不足100篇逐步跃升至2000篇以上。在基础研究方面，重点集中于如何获得全球统一、区域间可比的碳汇碳排放测算当量，以及如何选择低碳可持续发展路径上。如IPCC第三、四次报告突出了气候变化的物理学基础，寻求固定的换算系数计算全球碳排放和减排效应[38,39]；2006年IPCC发布了《温室气体排放清单》，提供了全面的、权威的碳排放与碳汇当量[40]，内容覆盖能源、工业过程和产品使用、农业林业和其他土地利用、废弃物等多个部分，该清单也在后续研究中不断改进，并成为区域性碳排放与碳汇计算的重要依据[41]。在减排增汇路径研究方面，诸多学者开展了国家层面的减排研究[42]，并形成了诸如《欧盟战略能源技术计划》《哥本哈根协议》的国际和区域间的合作协议；同时，《斯特恩报告》也体现出了气候变化对社会经济发展的影响逐步受到关注。这一阶段的研究更加深入和全面，涉及土地利用变化的碳系统机制、时空变化特征、影响因素、区域差异等多个方面，并尝试建立更为精确的评估和预测模型，揭示了土地利用变化对气候变化的重要影响。
第四阶段（2014年至今）：土地利用碳系统认识逐步成熟、应对方案逐步完善阶段。土地利用系统作为实现“碳中和”重要系统已达成共识，世界各地的政府组织积极探索减少碳排放和应对气候变化的战略，如2016年175国签署的《巴黎协定》和2018年IPCC的《全球升温1.5 ℃特别报告》将未来全球升温控制线分别定为2 ℃和1.5 ℃[43]，中国的“双碳”目标以及IPCC 2022年《影响、适应性、脆弱性》[2]的报告等重要事件，极大地推动了低碳路径应对方案研究阶段的到来。在当量基础计算方法成熟的基础上，土地利用系统碳效应研究重点转向如何充分考虑土地、社会、经济、交通、能源、碳减排增汇等多系统的复杂关联，寻求科学预测方法、全方位全要素的碳减排增汇路径及其碳减排增汇后对其他子系统造成的影响[44,45]。这一阶段更加关注实际应用和政策制定，旨在通过科学合理的土地利用规划和管理来减少碳排放、增加碳汇，应对气候变化。此外，土地利用碳排放的监测和评估技术也得到了进一步发展，为精确核算和监管提供了有力支持。
综上所述，土地利用系统碳效应的研究发展至今已较为成熟，相关研究从土地利用系统碳效应的基础研究转向了如何通过碳减排和增汇均衡地球碳系统，实现“碳中和”目标。土地利用系统碳效应涉及自然、社会、经济以及多利益主体的协调行动等多维度、多要素的复杂系统，随着研究领域和关注点不断扩展和深化，如何科学解构这一复杂系统并实现有效减排增汇成为当前的研究重点和学科发展前沿。

3 土地利用系统碳效应研究方法进展

土地利用系统碳效应研究方法是指定量测算和模拟土地利用系统碳排放、碳汇以及净碳排放量的一系列思路、方法和模型。本文从土地利用系统碳效应的基本测算方法、系统模拟方法以及土地利用系统碳中和优化路径三个方面总结梳理了当前研究进展。

3.1 土地利用系统碳源/汇基本测算方法

基本测算方法是土地利用系统碳效应的基础研究内容，可分为碳排放测算、碳汇测算和净碳（碳中和）测算三大内容[46]。不同学者对土地利用系统碳源/汇的测算方法进行了总结，如“生产消费”视角、“时空分配”视角和“实测”视角[47]，以及从“自下而上”和“自上而下”的视角[16]等总结了碳源/汇的基本测算方法。本文根据测算方法的基本工作原理，从实测视角、强调碳源/汇能量流动视角以及换算系数视角，将土地利用系统碳源/汇基本测算方法分为：野外调查实验法、碳足迹法、当量法三种方法。从单一土地利用空间向多种土地利用空间综合测算转变，净碳则是在碳排放和碳汇的基础上形成。野外调查实验法是对某类土地利用空间中的生产、生活、生态活动与过程进行野外观察、取样、室内分析、归纳总结以及综合测算等步骤和流程，获得土地利用空间中的碳排放和碳汇总量的方法，通常用于单一地类（林地、草地、耕地、水域等）的碳汇量测度[48,49]，是碳排放和碳汇系数获得的基本方法。碳足迹方法是从生命周期的角度揭示不同对象的碳排放过程，具体衡量某种产品全生命周期或某种活动过程中直接和间接相关的碳排放量，强调碳源/汇的过程及流动状态[50]。其计算模型大致可分为以过程分析为基础的“自下而上”模型和以投入产出分析为基础的“自上而下”模型，常用于土地利用转换以及土地利用过程中的能源消费[16,47,51]。
随着土地利用系统碳效应测算当量的形成[40]，土地利用系统碳效应的测算形成了通用表达式：碳排放量/碳汇量=CO2排放当量×P，P值表示某类土地利用面积，或者生产、生活、生态事物数量（如水泥产量、GDP、人口数、生物量等）[52]；但当量法需经过科学的系数区域性校正后，才能获得相对准确的土地利用碳源/汇总量[53,54]，然而，在实际操作过程中，较少学者对当量系数进行严格的校正[55]。在碳中和测算方法方面，主要包括比值法和差值法，其中差值法是由方精云院士[7]提出，认为碳中和（净碳）=人为碳排放量-(海陆碳汇+CCUS)，式中，人为碳排放=化石燃料使用排放+土地利用排放，CCUS（Carbon Capture，Utility，and Storage）是指通过物理、化学和生物学的方法进行CO2捕获、搜集封存与利用。
综上，土地利用系统碳效应的基本测算方法丰富多样，诸多学者利用上述方法进行土地利用系统碳效应的时空演化规律研究，并取得了大量的科学数据成果，如全球碳预算数据库[56]、二氧化碳信息分析中心[57]、全球大气研究排放数据库[58]、中国碳核算数据库[59]等多个大型大气监测数据库。在实际应用中，应根据具体情况选择合适的方法进行计算。同时，为了更准确地核算土地利用的碳排放和碳汇量，可以综合运用多种方法进行计算和验证。土地利用系统碳源/汇基本测算方法总结如表1所示。
表1 土地利用系统碳源/汇基本测算方法

Table 1 Basic measurement method of carbon source/sink in land use system

类别 计算方法 优点 缺点 适用性
碳源/汇测算方法 野外调查实验法[6,48] 基于实测数据进行测算，
数据精确、计算结果可靠		 所需高精度仪器较多，且需要多点布测，观测成本高 适用于微观尺度各类土地利用系统碳源/汇基本测算
碳足迹
方法[51]		 “自下而上”模型（如排放因子法、吸收增量法等）[47]； 以过程分析为主，充分考虑生产、生活、生态土地利用过程中物质能量流动环节及生产消费环节，造成的碳排放与碳吸收量的时空格局，简单易操作，成本低 基于经验主义率定各环节参数，不确定性较大 适用于中观、宏观尺度，在物质、能量流动相对稳定的状态下，进行土地利用碳源/汇测算
“自上而下”模型（如物料平衡法、因子分析法等）[16] 可利用生产、生活、生态投
入强度计算，简单易操作，
成本低		 准确性受利用效率影响较大 适用于中观、宏观尺度，以及社会经济相对稳定的状态下，进行土地利用碳源/汇测算
当量法[52] 简单易用，利用经验系数，直接换算碳源/汇 当量系数的区域性、土地利用强度的差异性较大，需进行校正 适用于中观、宏观尺度土地利用系统碳源/汇
测算
碳中和测算
方法		 比值法[53,54] 直观反映了碳中和程度 忽略了其他温室气体和碳循环过程 适用于评估特定区域的碳中和情况
差值法[7,40] 充分考虑了人类碳排放、海陆碳汇以及人为减碳量，计算较为科学 实施过程较为困难，区域人为固碳量难以估算，且实施成本较高 适用于所有尺度的土地利用系统碳中和计算

3.2 土地利用系统碳效应模拟方法

土地利用系统碳效应模拟是基于碳效应的历史状况，利用系统论的理论和方法，对特定政策情境下区域未来碳系统演化状况进行模拟仿真，目的是为政策制定提供定量化的科学参考[60]。从模拟结果的表现形式，可将目前土地利用系统碳效应模拟分为空间预测模拟、长时间演化趋势模拟以及时空综合模拟三种类型，土地利用系统碳效应预测模型总结如表2所示。
表2 土地利用系统碳效应预测模型

Table 2 Carbon effect prediction model of land use system

类型 名称 简介 模拟尺度
空间预测模拟模型 元胞自动机
模型[61,62]		 由20世纪40年代末由S.Ulan和J.von Neumann提出的元胞自动机模型（CA）为基础框架，加入其他模拟理念（如多智能体模型）或元胞决策算法（CLUE-S、神经网络、Logistics等），在全要素土地利用空间变化预测的基础上，采用当量法计算土地利用净碳、碳排放和碳汇量[63] ·研究尺度：省、市、县尺度；基本单元：地块尺度的栅格单元（1 km以下的栅格单元）
时间演化趋势预测
模型		 系统动力学
模型[64,65]		 由Forrester教授[66]1969年提出，是从系统论的视角建立的定量模拟预测模型。具体是在充分挖掘社会、经济、土地利用、碳排放、碳吸收、净碳等多个关键维度的基础上，建立各维度之间的相互关系，以历史数据为模型构建的基础，建立SD流图，模拟未来土地利用系统碳效应的演化趋势[67] ·研究尺度与基本单元一致：国家、省、市、县
综合
模型		 SD模型+CA模型的结合[68] 通过SD模拟碳效应相关要素的未来长时间演化趋势，并将其结果作为CA的输入参数，通过CA模拟未来土地利用的空间分布状况 ·研究尺度：省、市、县尺度；基本单元：地块尺度的栅格单元（1 km以下的栅格单元）
全球变化分析模型（GCAM）[69] 由美国全球变化联合研究所研发的用于模拟全球气候变化的后果和应对措施的综合评估模型 ·研究尺度：全球、地区、国家等宏观尺度；
基本单元：10 km及以上的栅格单元
国家能源模拟系统（NEMS）[70] 由美国能源信息署研发的国家能源建模系统，主要从复杂系统视角模拟能源系统与经济发展、气候环境之间相互作用关系以及国内、国际能源供应变动带来的影响及应对措施的综合模型
公共地球系统模式（CESM）[71,72] 由美国国家大气中心于2010年发布的新一代地球系统模式，利用耦合器协同大气、海洋、陆面、海冰等分量模式进行气候模拟与应对策略绩效评估
联合地球系统模式CIESM[73] 清华大学联合国内多家高校和科研院在CESM基础上发展的模型
动态全球植被模式（DGVM） 由Krinner等[74]、Li等[75]在2005年提出，用于模拟陆地表面生态系统的碳、水和能源循环的专业模型
（1）空间预测方法。该类模型通常是以元胞自动机模型（CA）为基础框架[61]，加入其他模拟理念（如多智能体模型）或元胞决策算法（CLUE-S、神经网络、Logistics等），在全要素土地利用空间变化预测的基础上，利用当量法计算碳排放量、碳汇量以及碳中和水平，这种模拟方法的研究尺度一般可为省级、市级、县级尺度，预测单元往往是地块尺度的栅格单元（小于1 km），因其能为土地利用规划与政策制定提供空间可视化参考，成为中微观尺度土地利用系统碳效应模拟的主要研究方法[62]。但空间预测结果仅反映了一段时间内的碳效应变化状况，难以反映连续时间内的碳效应变化以及碳效应变化的成本收益状况，且少有学者结合当地的资源禀赋、社会经济发展状况修正碳当量系数[63]，在进行方案比选时往往面临难以抉择的困境。
（2）时间演化趋势预测方法。该类模型往往以全球、地区、国家、省、市、县等尺度封闭区域为研究单元，以历史碳排放量/碳汇量为预测基础，遴选关键影响因素，采用系统动力学（System Dynamic，SD）模型[64]，进行碳排放/碳汇/净碳长时间演化趋势预测模拟，也能根据影响因素设定特定情景，模拟不同情景下的土地利用系统碳效应成本（社会经济发展的负面影响）与收益（净碳减少状况、碳减排增汇状况等）[65]。该方法研究尺度即是预测的基本单元，其最大的优势在于能够模拟某一规划调整、政策变化和战略实施等所带来的土地利用系统碳效应未来的变化状况以及其他相关要素的变化。但由于其无法预测空间特征，使得其应用范围仅仅局限于宏观层面决策模拟。
（3）时空综合预测模型。时空综合模型是同时模拟土地利用系统碳效应的时间演化趋势和空间变化状况的模型，该类模型较为完整地呈现了未来土地利用系统碳效应的时间和空间变化状况，是当前研究的重点方向。根据模拟过程的便捷程度，可将其分为半自动化和全自动化两类。半自动化模型的典型代表为SD与CA相结合的模型，即通过SD模型模拟预测时间演化趋势，并将SD的结果作为CA的输入参数，模拟土地利用的空间分布状况，这类模型有相对成熟的模型软件，常被用于模拟1 km及以下的栅格尺度土地利用碳系统演化状况，其碳排放和固碳计算通常采用当量法，且少有涉及大气环境的碳状况。全自动化模型是以陆面过程模式为核心、同时能模拟碳效应时空演化状况的复杂系统模型，从20世纪60年代开始发展至今已形成了诸多通用性的模型[71]，如：全球变化分析模型（Global Change Analysis Model，GCAM）、国家能源模拟系统（National Energy Modeling System，NEMS）、GLOBAL 2100模型、公共地球系统模式（CESM）及其改进模式联合地球系统模式（CIESM）、动态全球植被模型（Dynamic Global Vegetation Model，DGVM）等陆面过程模式。陆面过程模式是定量描述发生在陆地表层的所有物理、化学、生物过程，及其与大气、海洋、人类活动与环境相互作用过程的数学物理模式，并可通过计算机实现仿真，是数值天气/气候/地球系统模式的核心组成部分，土地利用系统仅仅是该类模型中的一个子系统[72]。该类模型在气候科学领域发展较为完善，常被应用于全球、地区、国家等宏观尺度的陆面过程模拟研究中，但受限于其研究尺度、数据获取以及计算机算力，其基本评估栅格单元的分辨率往往在10 km以上，此外，模型研发时间和经济成本较高，存在较强的推广应用技术壁垒问题[73⇓-75]。
上述三种预测模型对于土地利用系统碳效应预测的时空特征预测结果各有优缺点，在具体实践应用过程中，应根据需求选取适当的模型。诚然，这些模型均在预测结果中获得了相对可靠的预测结果，但限于碳当量系数的区域化校正以及治理情景的成本—收益分析环节的缺失，使得土地利用系统碳效应的模拟方法有待进一步提升完善。

3.3 土地利用系统碳效应优化研究

社会生态系统实现碳中和是应对全球气候变暖的关键抉择，也是土地利用系统碳效应优化研究的终极目标，更是当前全球国际共同努力的方向[23,76]。土地利用系统碳效应的优化研究，即是如何实现土地利用系统碳中和的研究。为了系统梳理前人对土地利用系统碳中和的研究，本文从总体优化路径以及工具箱两个方面总结了当前的研究进展。
（1）土地利用系统碳中和路径
IPCC的“碳中和”概念：是指通过平衡二氧化碳人为排放量与人为的去除量，实现二氧化碳的净零排放，既强调自然系统对二氧化碳排放的消除，也强调人为的去除量[1]。基于前人研究[6,77,78]，结合本文土地利用系统碳效应的SES框架，可将土地利用系统碳中和优化路径总结为以下四大方面（图4）。① 参与者治理能力提升：是在协调多主体利益关系的基础上，针对所有土地空间制定的具有减排和增汇效用的法律法规、保障政策、规划计划、市场投资导向以及公众行为规则等，治理路径是顶层管理设计，对其他路径具有决定性作用；② 人类社会经济系统转变：通过不同利益主体的利用方式转变，向节能、低碳、绿色方向转变人类生产生活方式以达到减排目标，主要涉及建设用地和农用地空间；③ 资源系统转变：自然增汇，基于大自然的解决方案，转变资源系统和资源单位，提升植被、土壤、水域碳汇潜力，主要涉及林、草、耕、水域以及城镇用地中的公园绿地等土地空间面积增加和碳汇能力增强；④ 科技增汇：科技创新动力是关键，可针对所有空间，既包括碳捕获、利用、封存的全过程技术创新，也包括为人类系统转变过程中的生活生产低碳技术研发以及生态系统转变过程中的管理技术、生态修复技术等。四条路径之间相辅相成，紧密联系。
图4 土地利用系统碳中和优化路径

Fig. 4 Carbon neutral optimization path of land use system

（2）土地利用系统碳中和工具箱
基于上述四个方面的内容，本文尝试引入政策工具箱研究范式 ③ [79]，总结梳理现有促进土地利用系统碳中和的具体路径，形成多维度、多层次、多要素的土地利用碳中和政策工具箱。工具箱建构框架如图5所示，工具箱的构建主要考虑四个方面的内容：工具集、工具箱及具体的工具、工具特性、规划应用与提升场景。工具集的确定主要根据碳中和的四大路径予以确定，综合SES框架中的相关要素及特征、土地利用的碳中和提升场景确定若干工具箱和具体工具。表3展示了工具箱的主要内容。
图5 土地利用系统碳中和工具箱建构框架

Fig. 5 Framework of the carbon neutral toolbox for land use system

表3 土地利用系统碳中和工具箱

Table 3 Toolkit for carbon neutrality in land use system

工具集 工具箱 工具 特性及应用场景
治理水平提升工具集 政府制度工具箱[80,81] ·国家战略定位（经济发展、生态环境保护、粮食安全、文化保护、全面协调发展）
·规划制度选择（多规合一制度、参与式规划制度）
·土地发展权制度（主体功能区划定、“城镇—农业—生态空间及保护与开发区划定”、保护与开发规模确定、容积率控制、占补平衡政策、建设用地指标跨区域交易、耕地跨区域保护）
·产权制度保障
·碳交易制度建设[82]……		 ·特性：制度性、权威性
·规划事前阶段：确定规划导向、基础理论和方法论
·规划方案形成阶段：决定规划的主要内容与方向
政府投资工具箱[83] ·城镇公园绿地建设投资
·清洁能源生产基地投资
·公共交通用地建设投资
·绿色产业用地供给投入……		 ·特性：制度性、权威性
·规划方案形成和实施阶段：通过规划批复和建设这些低碳空间，促进碳增汇和减少碳排放
政府管控工具箱[71] ·城镇建设用地指标管控
·高碳排放工业用地供给管控
·高碳排放资源开发准入管控
·高碳排放交通出行管控
·碳排放交易权……		 ·特性：制度性、权威性
·规划方案形成与实施阶段：通过规划管控和禁止这些高碳排放的空间，以促进碳减排
市场干预工具箱[84,85] ·低碳建筑设计与建设
·清洁能源生产投入
·清洁能源产业链群发展
·碳交易平台、市场及配额买卖……		 ·特性：组织性、舆论性、合作性、自下而上等特性
·规划方案制定阶段：市场、集体和公众的基本状况是规划方案制定的基础信息
·规划方案协调阶段：在规划方案初步形成后，通过公示、征求意见、召开发布会等形式，市场、集体和公众的这些主体深入参与到方案的调整过程中，以确保最终方案能最大限度地满足不同利益主体诉求
·规划方案实施阶段：市场、集体和公众是规划实施的核心参与主体，他们的低碳行动将是实现碳中和的关键
集体与社会参与工具箱[70,86,87] ·低碳社区建设
·居民低碳意识培养
·清洁能源生活利用
·绿色交通出行……
资源系统与单位调控工具集 资源系统调控工具箱[88] ·城镇生产、生活空间评估工具
·空间规模与格局优化工具
·农业、生态空间整治工具……		 ·特性：科学性、信息性
·规划事前阶段：通过综合评估方法识别各类空间的碳汇碳排放状况
·规划方案形成阶段：通过空间规模与格局调整形成规划方案
·规划实施阶段：通过土地整治提升农业、生态空间的碳汇能力
资源单位提升工具箱[89] ·植被碳汇功能提升（郁闭度增加、植树造林、禁牧、基于自然恢复方式[90]等）
·土壤碳汇功能提升（改良耕作方式、鼓励施有机肥、休耕轮作等）
·水生态碳汇功能提升（湿地保护与修复、水环境景观改善与治理等）……		 ·特性：科学性、信息性
·规划实施阶段：通过技术改良、增加绿色植被的方式提升各大碳库的碳汇功能，促进碳中和
人类社会经济发展调控工
具集		 社会发展调控工具箱[69,91] ·人口数量调整分析工具
·人口结构调整分析工具……		 ·特性：权威性、组织性
·规划事前阶段：通过历史数据趋势，初步拟定经济和人口发展目标
·规划方案协调阶段：根据碳中和模拟结果，协调已拟定的经济和人口发展目标
经济发展调控工具箱[86] ·人均GDP调整分析工具
·产业定位与调整分析工具……
科技创新工具集 存量碳减工具箱[92,93] ·存量碳捕获技术
·存量碳利用技术
·存量碳封存技术
·存量碳合成淀粉……		 ·特性：科学性、信息性
·规划事前阶段：通过高新技术创新，增强存量碳转化、碳减排、碳增汇的效率，以促进碳中和
碳排放减少技术创新工具
箱[69,91]		 ·工业清洁化生产技术
·农业清洁化生产技术……
在政策工具箱中，工具的特性可分为科学性、合作性、信息性、组织性、舆论性、权威性、制度性等。科学工具是指具有相关领域技术和专业要求的工具[80]。合作工具表示涉众之间自顶向下或自底向上的合作。信息工具是由先进的信息技术支持以及提供基础信息的工具。组织工具是指需要公众一起工作来完成任务的工具。舆论工具是指利用媒体传播信息以达成共识的工具。权威工具体现了以国家权力为基础的公共性、责任感和服务性。制度工具强调遵守法律或规则的特征（例如，法规、司法解释、部门和地方性法规以及其他规范性文件）。
在土地利用碳系统模拟过程中，一旦发现碳排放超过碳增汇的情况，可以借助这些工具，不同程度地优化系统供需要素，以提升土地利用系统碳中和程度。诚然，在不同区域范围内，使用这些工具提升碳中和状况的同时，可能会对土地利用碳系统其他维度指标带来负面影响，这需要在实践过程中对政策工具使用情景进行成本—收益对比分析，最大限度地为当地实现碳中和选择最佳路径。此外，治理维度往往聚焦于可操作性的中微观层面，大范围的土地类型如海洋等则较难实现人类的干预；且治理要素如何量化并加入模型过程中需要进一步实践研究。

4 结论与展望

4.1 研究结论

土地利用系统碳效应的研究非常丰富，有关土地利用碳排放量、碳汇量的测算基础研究已较为成熟，当前研究重点已从基础研究转向了影响因素的全面挖掘、碳减排增汇定量预测模拟、碳中和路径研究等，但尚存在以下几点不足：
（1）在土地利用系统碳排放和碳汇基础测算方面，缺乏当量系数的区域性校正。在碳排放和碳汇计算过程中，大多学者采用了2006年IPCC公布的当量系数，然而IPCC的系数具有较强的综合性，在实践过程中应根据研究区的气候、地形、土壤等自然资源禀赋以及社会经济发展状况予以校正。
（2）理论分析框架缺少治理维度影响因素的考量，进而缺少不同利益主体对土地利用系统碳效应优化的协同治理情景模拟研究。现有研究多从社会经济发展目标和资源环境消耗强度等维度中选取其状态变量或速率变量作为情景设计的调控变量，难以反映政府干预、市场主体和公众行为等多利益主体治理行动对土地利用碳系统的影响。多利益主体的行动在碳中和过程中扮演着何种角色?这些参与主体在多大程度以及何种空间尺度上影响碳中和?这一系列问题尚未有确切答案。
（3）土地利用系统碳效应情景模拟缺少成本与收益分析。实现“双碳”目标，背后一定是存在经济代价的，如何均衡社会经济发展和碳减排增汇这一问题始终是横亘在“双碳”目标道路上的“拦路虎”。因此，在模拟预测过程中，对不同维度和不同空间尺度的成本与收益的对比分析，将有助于识别最优政策情景，建立多情景协同碳中和优化路径。然而，当前鲜有研究系统对比分析不同优化路径之间的成本与收益问题。
（4）土地利用系统碳中和的治理技术与工程技术尚处于研发、试点阶段。在碳减排增汇和存量碳利用中的技术创新是促进土地利用碳中和的关键抓手，当前无论是对低碳生产、低碳社区、低碳生活与出行方式、存量碳利用、自然系统的碳增汇等管理与工程技术都存在过程的复杂性和成本的不可控性，使得新技术的应用与推广仍有一定距离。
（5）尚未形成系统性的土地利用系统碳效应优化路径。土地利用系统碳中和是一个复杂的系统工程，每一个环节都可能为碳中和做出巨大贡献，当前学者多从一个或几个维度进行了精细化的研究，尚未系统总结梳理碳中和的路径、方法及特性。

4.2 展望

土地利用系统作为全球碳系统的重要系统之一，在实现全球碳中和的道路上起着举足轻重的作用。本文总结梳理了土地利用系统碳效应的研究历程、基础测算方法以及模拟预测方法体系；建立了SES视角下的土地利用系统碳效应理论分析框架，提出了治理视角下的土地利用系统碳效应内涵机理，并初步建立了土地利用系统碳中和的优化路径和工具箱。在深入分析土地利用系统碳效应研究进展和不足的基础上，未来需要进一步致力于以下几方面的研究工作：
（1）深化土地利用系统碳效应复杂系统理论框架及视域研究。土地利用系统碳效应是一个涉及土地利用、社会经济、自然状态以及治理等多维度、多层级、多要素的复杂系统网络。本文从SES框架、社会生态交互视域初步建构了其理论框架，揭示了各类土地利用之间的碳效应发生机制，但仍存在诸多不足。未来可从全球可持续发展、区域协同发展、城乡地域系统等视域进一步深化对土地利用系统碳效应的理论框架，并探析它们之间的土地系统碳效应多层级传导机制，全方位、多层级、全流程地揭示土地利用系统碳效应联动机制。
（2）加强土地利用系统碳效应治理机制与路径研究。土地利用碳系统SES框架表明，治理维度是连接土地利用碳系统碳排放与碳汇的关键桥梁。对不同治理情景的土地利用碳系统进行预测模拟，相当于是政策绩效评估前置，将有助于科学规制不同利益主体行动，为政策制定提供定量化的支撑。因此，未来应结合国土空间治理诉求，加强治理要素的量化研究，总结形成土地利用系统碳中和的治理以期为提升区域土地利用系统碳中和治理能力提供基础支撑。
（3）拓展土地利用系统碳中和协同路径研究。如何协同不同维度、不同尺度、不同学科等土地利用系统碳中和的成本与收益状况，将是低成本实现碳中和的重要路径。未来应着眼于国际视角，加大优势区和后进区的碳中和协同；着眼于系统论视角，加强土地利用系统内部与外部碳中和协同；着眼于多学科交叉耦合，探索土地利用系统碳中和多学科交叉研究路径。
（4）深入开展土地利用系统碳中和技术创新基础研究与推广应用。这些创新不仅是工程上的创新，也包括低碳空间布局、产权的许可、基层治理、低碳产业布局以及价值观等方面的重构与创新。更需要“以点带面”到“全面铺开”的工作方式推广较为成熟的土地利用系统碳中和技术。但限于技术、专利等壁垒，往往形成了较为明显的“反公地困局”现象，进而导致“碳中和”目标实现的公共利益受损。未来，应重点研究如何打通碳中和技术到推广应用的实施保障策略，将更多的基础研究推向实践应用。
（5）深度融合并搭建土地利用系统碳效应与国土空间“规—建—管”体系及平台。尽管土地利用系统碳效应的理论、评估方法、预测方法、优化工具等方面的基础研究已取得了诸多丰硕成果，但将这些基础研究应用于实践过程仍需诸多保障手段。未来应重视将该领域的基础研究工作与当前国土空间规划体系及平台建设深度融合，才能全方位、全链条地获得制度、政策、法律、经济等诸多有力支持，保障土地利用碳中和优化路径的顺利实施，促进土地利用系统碳中和治理能力现代化的实现。
此外，加强土地利用系统碳效应的格局、过程、流通等基础研究工作。本文中的土地利用碳效应发生机理、基本测算方法、模拟预测方法以及优化政策工具相关研究重点关注基础理论与方法研究，与其相比，土地利用系统碳效应的格局、过程与流通研究更加重视土地利用碳效应的状态研究，两者相得益彰。但限于篇幅，本文尚未对土地利用系统碳效应的格局、过程、流通等研究进行详细综述，未来可进一步总结梳理土地利用系统格局、过程、流通等领域的研究，以期为土地利用系统碳效应的基础和实践研究提供全面支撑。

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