廣東省碳源碳匯現狀評估及增加碳匯潛力分析3

匡耀求 歐陽婷萍 鄒 毅 劉 宇 李 超 王德輝

(1.中國科學院廣州地球化學研究所,廣東廣州510640;2.綜合開發研究院,廣東深圳518029)

廣東省碳源碳匯現狀評估及增加碳匯潛力分析3

匡耀求1歐陽婷萍1鄒 毅1劉 宇2李 超1王德輝1

(1.中國科學院廣州地球化學研究所,廣東廣州510640;2.綜合開發研究院,廣東深圳518029)

以生態系統為研究對象,分析生態系統內部各種溫室氣體排放源,得到2005-2008年廣東省主要排放源CO2排放量估算結果,2005年為6.19億t,2008年達到7.4億t。首要排放源是化石燃料燃燒,其次是土壤呼吸。兩者占總排放量的77%-79%。其中土壤呼吸的排放量比較穩定,基本上保持在2.27億t左右(或6 200萬t碳),而化石燃料燃燒的排放量呈現出明顯的增長趨勢,從2005年的2157億t CO2(或7 021萬t碳)增加到2008年的3.44億t CO2(或9 375萬t碳),4年增長了33.52%。其他排放源由大而小依次為:生物質轉化、工業過程和人畜呼吸。2005-2008年全省主要碳匯總的CO2吸收量變化于2.53億-2.56億t(CO2)之間。2008年,全省最大的碳匯是林地,年固碳量達4 831萬t碳,約合17 715萬t CO2;其次為耕地,年固碳量為1 418萬t碳,約合5 201萬t CO2。這兩類固碳地吸收的CO2占了全省碳匯的90%。源匯相抵后,全省凈排放量從2005年的3.63億t增加到2008年的4.86億t。人均CO2排放量從2005年的3.95 t/人增加到2008年的5.09 t/人。單位G DP排放量則從2005年的1 625 kg/萬元下降到2008年的1 361 kg/萬元。在此基礎上分析了增加碳匯的潛力。其中推廣冬種綠肥每年可增加吸收CO22 155萬t。將全省現有未成林地全部實行封山育林,約2年后每年可以增加吸收CO21 000萬t。同時還建議利用海洋的生物生產力增加碳匯。

溫室氣體;碳源;碳匯;廣東省

國際能源署的數據顯示,到2007年,我國已經成為世界頭號溫室氣體排放大國,能源燃燒溫室氣體排放占全球比重達到20.8%,2007年溫室氣體凈增量已占全球的4611%[1],在國際社會面對的減排壓力與日俱增。2009年底在哥本哈根召開的聯合國氣候變化大會上,中國政府向世界作出了到2020年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%-45%的鄭重承諾,并作為約束性指標納入了國民經濟和社會發展中長期規劃。為將碳減排目標落實到具體區域,國家發展與改革委員會就省級區域排放配額分配方案征求各地意見。為在地區談判中爭取盡可能對廣東省有利的碳排放份額,2010年4月3日,廣東省發展與改革委員會召集省內相關領域的專家學者就“省級區域碳排放權配額分配”開展研究,并根據各自的研究基礎進行了具體分工。鑒于我們在碳源、碳匯領域已有的工作基礎[2-9],分配我們承擔廣東省碳源、碳匯現狀及增匯潛力研究工作。通過省發改委的協調,補充收集了新的數據,在原有工作基礎上,對2005-2008年全省主要排放源的碳排放情況進行了計算和分析,于4月8日提交了初步研究成果。7月19日,國家發展與改革委員會下發了《關于開展低碳省區和低碳城市試點工作的通知》,將包括廣東省在內的5省8市列入國家低碳試點范圍。廣東省發展與改革委員會在這些研究基礎上根據國家低碳省試點工作的有關要求制定了《廣東省開展國家低碳省試點工作實施方案》并組織成立了廣東省低碳發展專家委員會。11月2日上午,廣東省政府在廣州召開了開展國家低碳省試點工作啟動大會,對低碳試點工作進行了動員和部署。本文就是在這樣的背景下完成的。

1 碳源的現狀評估

1.1 碳源現狀評估方法

一個地區的碳源通常是指這個地區的溫室氣體排放清單。計算溫室氣體排放清單一般有兩種思路。一種只考慮人類活動排放的溫室氣體,不考慮自然排放源(如土壤呼吸等),目前IPCC采用的是這種方法[10],只是狹義的碳源。另外一種是以生態系統為研究對象,分析生態系統內部所有溫室氣體的排放源,既包括人類活動如化石燃料燃燒、工業生產過程、土地利用變化等等,也包括自然系統的排放,是廣義的碳源。本文采取第二種方法,將廣東省的陸域視為一個獨立的生態系統,系統地研究全省在能源消費、工業生產、土壤呼吸、人畜呼吸、生物質轉化及植被變化等過程中CO2的排放量。

能源消費是最重要的CO2排放源,這里參考IPCC推薦的方法,即能源利用導致的溫室氣體的排放量,由能源利用量及其排放因子決定[10-11]:

其中,EGHG,fuel代表某種化石燃料所排放的某種溫室氣體量,這里只考慮了CO2一種溫室氣體;FSfuel表示某種化石燃料的消耗量,以T J或t為單位;EFGHG,fuel則指某種化石燃料使用時的溫室氣體排放系數,不同能源的CO2排放系數見表1;SEfuel為某種能源利用的熱效率(燃燒效率)。

表1 不同能源的CO2排放系數Tab.1 CO2emission coefficients of different kind of energy

根據以往文獻,工業生產過程中水泥、鋼鐵、石灰生產等行業的排放量占工業生產過程溫室氣體排放量的90%以上[13]。由于缺少其他工業生產活動的CO2排放系數,這里以這三項產品的CO2排放量作為工業生產排放總量,計算方法類似于公式(1),即某項工業產品的產量與其對應的CO2排放因子決定了該工業生產活動CO2的排放量,以下其他幾種排放源的計算方法同樣如此,不過與公式(1)不同之處在于不必考慮能源利用效率問題,只需獲得排放因子即可[3,8,14]。

土壤呼吸是指土壤釋放CO2的過程,從嚴格意義上來講是指未受擾動的土壤產生CO2的所有代謝作用,包括三個生物學過程(土壤微生物呼吸、活根系呼吸和土壤動物呼吸)及一個非生物學過程(含碳物質的化學氧化作用)。根據植被類型分為耕地土壤、林地土壤、園地土壤、牧草地土壤等,以當年統計年鑒公布的各類土壤類型面積及廣東省國土廳公布的數據為依據,采用各類土壤平均呼吸速率估算廣東省森林等植被土壤的呼吸量[2,9,15]。

Raich和Schlesinger在全球尺度上對陸地生態系統土壤呼吸的研究認為:植物的根系呼吸占土壤呼吸總量的30%-70%,故在成熟森林中,根系呼吸量在土壤總呼吸量中所占的比例取50%是適宜的[16]。考慮到我國成熟林并不多,林地根系呼吸占土壤總呼吸量的比值取45%,這與方精云等人[15]的觀點也是一致的。另外,熱帶草原根系呼吸占土壤總呼吸的40%,溫帶草原為30%[17]。廣東大部分地區屬亞熱帶,所以草地的根系占土壤總呼吸的比值取兩者的中間值35%。由于根系呼吸的這一部分碳量已包含在植物群落的呼吸消費量之中,因此,在計算陸地生態系統的碳排放量時,從土壤釋放到大氣層中的CO2量應為土壤呼吸量減去根系呼吸消費量。

由于缺乏相關數據,人畜呼吸只考慮了人和廣東飼養較多的大型動物豬、牛的排放量。不同動物呼吸的CO2排放系數可見相關文獻[18],在此取人、豬、牛的排放系數分別為 :0.079(t·a-1)、0.082(t·a-1)、0.796(t·a-1)。

生物質轉化分析了主要的排放源如木材消耗、沼氣利用、秸稈燃燒、森林火災等所導致的CO2排放。

木材消費的碳釋放量(t·a-1)=木材凈消費量(m3)×平均木材容積密度(t·m-3)×總生物量與莖稈生物量之比×碳與干物質量之比

木材凈消費量(m3)=采伐量+進口量-出口量

其中:平均木材容積密度取0.4(t·m-3),總生物量與莖稈生物量之比取2.0,碳與干物質量之比取0.45。

1.2 碳源現狀評估結果

根據以上原則和計算方法,得到2005-2008年廣東省主要排放源CO2排放量估算結果見表2。

由表2可知,全省CO2的排放總量在2005年為6.19億t,近年來還在保持明顯的增長勢頭,2008年達到7.4億t。首要的排放源是化石燃料的燃燒,其次是土壤呼吸。兩者占了總排放量的77%-79%。其中土壤呼吸的CO2排放量比較穩定,基本上保持在2.27億t左右(或6 200萬t碳),而化石燃料燃燒的排放量還在呈現出明顯的增長趨勢,從2005年的2157億t CO2(或7 021萬t碳)增加到3.44億t CO2(或9 375萬t碳),4年增長了33.52%。其他排放源由大而小依次為:生物質轉化、工業過程和人畜呼吸。

2 碳匯的現狀評估

目前,我省的碳匯主要表現為各類生態系統中的植被通過光合作用將空氣中的CO2轉化為生物質而固定下來,部分埋藏在地下或以有機質的形式賦存在土壤中。能夠固定CO2的植被主要分布在林地、耕地、園地、草地和城市園林綠地等具有一定生態功能的土地利用類型中。廣東省各類固碳地2005-2008年CO2吸收量估算結果見表3。

從表3可以看出,2005-2008年全省主要碳匯總的CO2吸收量變化于2.53億-2.56億t(CO2)之間,前期隨著城鎮建設用地的快速增加,固碳地面積逐年減少,碳匯呈減少趨勢,到2006年達到最低值(2.533 5億t),隨著科學發展觀的逐步推行和發展方式的逐漸轉變,近年來土地利用的集約化程度大大提高,固碳地面積逐年減少的趨勢得到抑制,廣東省的碳匯得以穩定下來,并隨著固碳地結構的改善而有所增加,2008年達到2.547 7億t(CO2)。

表2 2005-2008年廣東省主要排放源CO2排放量估算結果Tab.2 Estimation of CO2emission from main sources in Guangdong Province for the year of 2005-2008

2008年,全省最大的碳匯是林地,年固碳量達4 831萬t碳,約合17 715萬t CO2;其次為耕地,年固碳量為1 418萬t碳,約合5 201萬t CO2。這兩類固碳地吸收的CO2占了全省碳匯的90%。

表3 2005-2008年廣東省主要碳匯CO2吸收量估算結果Tab.3 Estimation of CO2sequestration by main sinks in Guangdong Province for the year of 2005-2008

3 碳排放強度

通過對全省各類碳源與碳匯的定量估算,我們得到2005-2008年廣東省CO2凈排放量與排放強度如表4。從表4可以看出,全省CO2凈排放量已從2005年的3.63億t增加到2008年的4.86億t。其中2006年比2005年增加了0.53億t,2007年比2006年增加了0.46億t,2008年比2007年增加了0.23億t。人均CO2排放量也呈明顯的增長趨勢,2005年為3.95 t/人,2006年為4.48 t/人,2007年為4.89 t/人,2008年達到5.09 t/人,均略高于同期全國平均水平(2005年-2008年分別為3.89 t/人,4.28 t/人,4.58 t/人,4.91 t/人[1])。但是單位 G DP排放量有明顯的下降趨勢,從2005年的1 625 kg/萬元下降到2008年的1 361 kg/萬元,4年下降了16.23%,年均下降4.33%。如果保持這樣的趨勢,到2020年單位 G DP的CO2排放量可以下降到836 kg/萬元,比2005年下降48.5%。

4 增加碳匯的潛力分析

溫室氣體,尤其是CO2,在大氣中停留的時間很長,一般為50-200年[19],而且它一旦進入大氣就幾乎無法回收,只有靠自然過程讓它逐漸消失。但是氣候反應的過程是很遲緩的,如果任其自然,即使現今把化石燃料的使用量大幅減少,地球還是會因過去排放的累積而承受嚴重的長期暖化后果,并對氣候產生長久影響,因此,我們增強碳匯功能,主要可通過調整植被結構和改變土地利用方式來實現。

表4 2005-2008年廣東省CO2凈排放量與排放強度Tab.4 Net emission and emission intensity of CO2in Guangdong Province for the year of 2005-2008

4.1 調整植被結構

森林是陸地生態系統碳匯功能的主體,森林中的樹木在生長過程中從大氣中吸收并固定大量的碳,是大氣碳循環中的一個主要的“庫”,是一個龐大的CO2回收器,1 hm2森林,每年吸收CO211-30 t[20]。在所有固碳地中森林生態系統碳匯功能最強,尤其是天然林生態系統具有較強的保護性組分碳,碳匯穩定性強,所以要擴大森林生態系統的面積,尤其是天然林面積是林業區劃中首先應當考慮的。人工造林應該選擇固碳樹種,并營造混交林,控制火災,同時在宜林荒山、荒地、海岸、平原四旁等地要盡可能多植樹。另外為了改善廣東省森林固碳量相對較低的現狀,可以因地制宜的改變不同種類植被的種植比例,比如可以適當增加木麻黃林、疏林灌木林、針葉混交林、針闊葉混交林等平均凈生產量較高的植被的覆蓋面積。

4.2 改善土地利用方式

土地利用變化過程對碳匯/源的影響包括自然過程和人為過程兩個方面。自然過程受制于自然植被本身光合作用和呼吸作用等增加生物量與生產力的生理過程及環境條件。人為過程通過改變植被碳和土壤有機碳的動態過程而實現,包括生物量收獲、殘體的處理和土壤擾動及植被組成改變或改變環境條件等方面[21]。增加生態系統的碳匯功能主要應從增加輸入量、減少輸出量和增加穩定性去實現。在一定區域尺度,還應該合理選擇土地利用方式。Kern和Johnson提出了三種增加生態系統土壤碳匯的管理原則,即維持現有土壤有機質的水平、恢復退化土壤中有機質含量水平、擴大土壤有機質庫的容量[22]。增加生態系統碳匯的輸入量可以通過提高植被生產力和減少收獲部分(如秸桿還田、冬種綠肥等)去實現。通過提高生物量和減少收獲部分可以增加土壤有機碳輸入部分,增加植被和土壤碳庫,這些過程將進一步增加土壤有機碳和生態系統的碳貯量。減少生態系統碳的輸出包括減少土壤呼吸、控制水土流失和減少土壤和巖石中碳的淋溶流失。土壤呼吸受土壤溫度影響較大,增加土壤的植被覆蓋度能減弱溫度對土壤呼吸的影響。增加土壤有機碳穩定性包括增加土壤有機碳的腐殖質化、土壤穩定性碳及保護性組分碳貯量。土壤有機碳穩定性與土壤團聚體密切相關,農田耕作破壞土壤結構,使有機碳穩定性降低,所以通過減少耕作可以增加有機碳穩定性。在人類土地利用的實際過程中,往往是多種土地利用方式并存,且土地利用過程擔負著滿足人類多種需求的功能。單純為增加生態系統碳貯量來選擇土地利用方式或制定措施顯然是不現實的。事實上,增加生態系統的碳貯量要求又往往與增加土壤肥力、提高土地生產能力和土壤的環境調節能力的要求相一致。因此,增強生態系統碳匯功能的措施與實現提高土壤其他功能的措施并不矛盾。

在農田、草地與森林幾種土地利用方式中,森林的固碳能力是最強的,所以要首先要提高現存森林生態系統的生產力。進行人工林的合理經營采伐,造林或采伐活動中歸還所有殘體,減少對土壤擾動。同時要停止毀林,保護天然林生態系統。毀林和嚴重破壞天然次生林生態系統是歷史上導致生態系統碳成為大氣碳源的重要原因。所以在增加森林土地利用的碳匯措施選擇中,保護森林生態系統是首要的選擇。而水土流失是導致土壤有機碳遷移的主要過程,退化土地土壤有機碳貯量較低,通過造林或種植多年生植物可以控制水土流失,恢復退化的土地,提高土壤有機碳貯量。

草地生態系統過度放牧或割草是導致生態系統生產力下降的主要原因,應采取保護措施,減少放牧或割草,能提高草地生產力、增加生態系統的碳貯量。通過合理灌溉、施肥、防治病蟲害和火災,選擇高產草種,對退化草地禁牧,促進其自然演替,控制水土流失,也能提高草地生態系統碳貯量。

對于農田生態系統,耕作是破壞土壤有機碳穩定性的重要原因,因此合理耕作、部分實行少耕或免耕,盡可能減少收獲量,實行糧草輪作,秸桿還田,冬種綠肥,提高地力,增施有機肥,提高肥料效率,調整作物布局,選擇高產植物,種植越冬作物,提高作物養分利用和產量,這些都能增加土壤有機碳的穩定性而提高生態系統碳貯量。

保護低承載力土地,實行輪作種植,把低產農田變成草地或森林,實行農林復合、林草復合經營方式,能夠提高土地有機碳輸入、增加土壤有機碳貯量,提高農田有機碳穩定性。通過土地利用方式的變化提高土壤有機碳貯量和穩定性均能夠實現增加土壤有機碳和生態系統碳匯功能的目標。

4.3 廣東增加碳匯的主要潛力

(1)大規模種植綠肥每年可增加吸收CO22 155萬t。冬季由于熱量不足,種植耐寒品種的糧食作物成本高,收效小,因此,很多農田在冬季處于荒蕪狀態。如果播上綠肥種子,無需增加管理成本就可以生產綠肥,春季還田后不但可以提高土壤肥力,而且還將大量的有機碳儲存到了土壤中。冬種綠肥是吸收CO2和減少化肥用量、改良土壤、提高地力的有效措施,應該采取切實措施,大力推廣綠肥種植。以光葉紫花苕為例,按45 kg/hm2播種,粗放型管理鮮草產量可達3萬 kg/hm2以上,折合干物質量約為7 500 kg/hm2,相當于固碳3 000 kg/hm2。2008年,廣東省有水田195.95萬hm2,如果在農閑的冬季全部種上綠肥,每年可吸收CO22 155萬t(或587.8萬t碳)。相當于全省一年薪柴燃燒釋放的CO2或石灰生產過程釋放的CO2或全省2/3人口呼吸釋放的CO2。

(2)增加城市園林綠地面積和改善城市綠化狀況。需要全面查清全省城市建成區總面積和園林綠地面積以及植被分布結構的現狀,才能定量評估增加城市園林綠地面積和改善城市綠化狀況對增加碳匯的潛力。可以通過遙感調查配合模型分析來完成,需要設置專門課題研究。

(3)調整森林植被結構的碳匯潛力。灌木林地的碳匯功能比較強,通過封山育林可以增加灌木林地的面積。如果將2008年1 741 230 hm2的未成林地全部實行封山育林,約2年后每年可以增加碳匯1 000萬t(CO2當量)。

(4)利用海洋的生物生產力增加碳匯。廣東是沿海省份,沿岸海域面積遼闊,而且最近30年來由于大量污水排入近海,使得主要江河入海口附近海域高度富營養化,每年都有赤潮發生,對沿海海洋環境和海洋生態造成巨大影響。如果通過人工干預,引入適宜的海藻種屬(如滸苔)進入特定的海域,在適宜的條件下會迅速繁殖,既可以消化海水中的富營養物質,又可以吸收大量溫室氣體,打撈起來后可以加工生產成為生物質飼料、燃料等。可以達到凈化海洋環境、增加碳匯和提高生物生產力等多種環境功效。2008年奧運前夕,在青島海域出現的滸苔爆發幾乎在一夜之間,人們看到海面鋪滿了綠色的滸苔。這可能是目前地球上碳匯功能最強、最快速的固碳方式。當然,人類要利用這種方式,則還需要開發相應的打撈和處理技術。

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Present Situation of Carbon Source and Sink and Potential for Increase of Carbon Sink in Guangdong Province

KUANG Yao2qiu1OUYANG Ting2ping1ZOU Yi1LIU Yu2LI Chao1WANG De2hui1
(1.Guangzhou Institute of Geochemistry,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou Guangdong 510640,China;2.China Development Institue,Shenzhen Guangdong 518029,China)

The annual CO2emission from the main sources in Guangdong Province during the period from 2005-2008 has been estimated,through the examination of various greenhouse gas emission sources in the ecological system within the border of Guangdong Province,which was 6.19×108t for 2005,and reached 7.4×108t in 2008.The primary source of emission isfossil fuel combustion;next is soil respiration.Emission from both accounts for 77%-79%of the total.Among them,emission from soil respiration is relatively stable,almost kept at around 2.27×108t(or 6 200×104t C)every year,while that fromfuel combustion shows an obvious increasing trend from 2157×108t CO2(or 7 021×104t C)in 2005 to 3144×108t CO2(or 9 375×104t C)in 2008,an increase of 33152%in 4 years.Other emission sources are asfollows in the decreasing order:biomass transformation,industrial process and human and livestock respiration.The total annual carbon sequestration by the main carbon sinks in the whole province during the period from 2005-2008 varies from 2153-2156×108t(CO2).The biggest carbon sink in 2008 is the forest land,with an annual carbon sequestration of 4 831×104t C,equivalent to 17 715×104t CO2;next is the farmland,with an annual carbon sequestration of 1 418×104t C,equivalent to 5 201×104t CO21The CO2uptaken by these two types of carbon sinks accounts for 90%of all the carbon sinks in the province.The net emission of the whole province increased from 3163×108t in 2005 to 4186×108t in 2008 after balancing the sources and sinks.Per capita CO2emission increased from 3195 t/capita in 2005 to 5109 t/capita in 2008,while per unit G DP CO2emission decreasedfrom 1 625 kg/104yuan(RMB)in 2005 to 1 361 kg/104yuan(RMB)in 2008.Potentialsfor the increase of carbon sinks are then discussed.T o popularize growing green manure during winter may increase carbon sequestration at about 2 155×104t CO2every year.If all the newly established open forests in the whole province are fenced for forest conservation,an annual carbon sequestration of 1 000×104t CO2may be expected in two years.Meantime,it is suggested that the biological productivity of the near2shore sea can be exploited to increase carbon sink.

greenhouse gas;carbon source;carbon sink;Guangdong Province

F062

A

1002-2104(2010)12-0056-06

10.3969/j.issn.1002-2104.2010.12.012

2010-08-10

匡耀求,研究員,博導,主要研究方向為地球系統科學與可持續發展。

3廣東省科技計劃重大項目 (No.2008A030203003)、廣東省軟科學計劃重點項目(No.2007A070300004)資助。

(編輯:劉呈慶)