甘肅省2000—2009年碳循環研究

肖 玲，趙先貴，欒建偉

(陜西師范大學旅游與環境學院，西安 710062)

0 引言

最新研究表明，自工業化革命以來由于以CO2為主的溫室氣體排放量的不斷增加，未來100年全球氣候有進一步變暖的趨勢，而且將對自然生態系統和社會經濟產生更為顯著的負面影響［1－2］。由于對全球生態安全具有重要的現實意義，碳循環成為全球變化領域新的研究熱點之一［3］。據近年來對碳循環研究發現，日前己知的碳匯與碳源不能達到平衡，存在一個很大的碳失匯［4］。國外有關碳循環的研究很多，涉及到不同時空尺度的碳循環過程中的主要碳儲量和通量的空間格局和時間變化等［5］。在國內，匡耀求等評估了2005—2008年廣東省碳源與碳匯現狀并分析了增加碳匯的潛力［6］，趙敏研究了上海市的碳源和碳匯［3］。總體上看，前人的研究從地域上偏重于東部，且研究工作多是針對某一年的靜態研究，動態和預測的研究很少。中國西部省域的碳平衡研究未見報道。本研究以中國西部的甘肅省為例，定量研究了其2000—2009年間碳源與碳匯動態變化以及碳源與碳匯平衡問題，預測了碳源與碳匯發展的趨勢。其研究結果對甘肅省制定碳減排、碳增匯的生態系統管理對策具有一定參考價值。

1 研究方法

1.1 研究區概況

甘肅省地處中國西北內陸地區，位于北緯33°11'～42°57'、東經 92°13'～108°46'之間，東接陜西，東北與寧夏毗鄰，南鄰四川，西連青海、新疆，北靠內蒙，并與蒙古人民共和國接壤。全省總面積45.4萬 km2，總人口2 628萬人。甘肅省自然條件復雜，大部分地區氣候干燥，屬大陸性很強的溫帶季風氣候，省內年平均氣溫在0°C ～16°C 之間，年降水量36.6 ～734.9 mm，氣溫差別較大，日照充足。

1.2 碳源的測算方法

根據UNFCCC(聯合國氣候變化框架公約)對溫室氣體“源”的定義［3］。綜合各種區域碳源的評估方法，本研究的碳源包括全省在化石燃料燃燒、工業生產過程、土壤呼吸、人畜呼吸和生物質轉化方面的CO2排放。

1.2.1 化石燃料燃燒的碳排放。化石燃料的燃燒所排放的CO2是重要的人為排放源，計算方法為:

式中:A為某種化石燃料所排放的CO2量;C為某種化石燃料的消費量;Cd為某化石燃料的單位CO2排放量，均以t為單位。Cd參照謝鴻宇等的各種單位化石能源(1 t)的生態足跡表［7］。

1.2.2 工業生產過程的碳排放。考慮到工業生產過程中由燃料燃燒所釋放的CO2量已在化石燃料的計算中所包含，所以對工業生產過程CO2排放只計算水泥和石灰等原料分解轉化而釋放的CO2量［8］。據測算，每生產1 t水泥會產生0.815 t的 CO2，其中0.39 t為燃料燃燒產生的，0.425 t是由原料的分解產生的［9］。每生產1 t石灰大約產生1 t的由原料分解產生的CO2［10］。

1.2.3 土壤呼吸釋放的CO2。土壤呼吸指土壤釋放CO2的過程。依據孫向陽等對溫帶森林土壤呼吸的研究，取不同林種的平均值 2.507 kg/(m2·a)［11］。考慮到干旱荒漠草甸和高寒草甸是甘肅省的兩種最主要的草地類型［12］，故依據鮑芳等對草原土壤呼吸研究的結果，按其對應面積比例取這兩種草地類型的加權平均值作為甘肅省整個草地土壤呼吸速率1.163 kg/(m2·a)［13］。鑒于目前農田土壤呼吸量的研究結果之間的差異較大，而甘肅省的耕地以旱地為主，故這里根據郭李萍等研究的結果取1.095 kg/(m2·a)［14］。甘肅省城市綠地主要由草地和城市林地構成，其中城市林地的主要林分為落葉林，故取兩者的平均值為1.650 kg/(m2·a)。考慮到甘肅省荒漠面積較大而不能忽略其土壤呼吸的碳排放，這里也將其考慮在內。根據高艷紅等對騰格里沙漠東南緣流沙區的土壤呼吸研究結果，沙漠土壤呼吸的 CO2為 0.15 kg/(m2·a)［15］。

1.2.4 動物呼吸釋放的CO2。動物呼吸也是一個較大的碳源，考慮到相關數據的缺乏和所占的比例，對于這部分的估算主要為人畜呼吸。其中，只計算人和人工飼養的大型家畜牛、馬、羊、豬。參照陶在樸的不同動物呼吸的 CO2排放系數計算得到:人0.289 t/a，牛2.920 t/a，羊 0.237 t/a，馬 2.190 t/a，豬 0.301 t/a［16］。

1.2.5 生物質轉化釋放的CO2。生物質轉化主要計算了較大的碳排放源，如木材消耗、卷煙消費、沼氣燃燒、秸稈燃燒等。

木材消費的CO2釋放量(t/a)=木材凈消費量(m3)×平均木材容積密度((t/m3)×總生物量與莖稈生物量之比×碳與干物質量之比，其中平均木材容積密度取0.4(t/m3)，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［6］。

卷煙消費的CO2排放=卷煙消費總量(箱)×卷煙碳排放系數，卷煙CO2排放系數為11 kg/箱。

沼氣燃燒的CO2排放估算方法:沼氣燃燒的CO2排放=沼氣用戶×年平均產氣量×直接燃燒的CO2排放系數。王東紅等對天水麥積區農戶沼氣的實測得到1座戶用沼氣池年產沼氣375.36 m3左右［17］，直接燃燒的CO2排放系數為 1.14 kg/m3［18］。

農作物秸稈量的估算按:

式中:V為農作物秸稈總量(t);Yi為第i種作物產量(t);di為第i種作物草谷比(t/t);i為農作物品種，包括小麥、玉米和油料作物［19］;作物草谷比參照袁振宏的數據［20］。根據馬洪儒等提供的中國農作物秸稈不同利用方式的數據可計算出44%作為傳統的生活燃料，16%在田間地頭被直接焚燒掉［21］，因此，將60%作為農作物秸稈的燃燒利用率。孫啟祥等認為燃燒1 t農作物秸稈可向大氣中排放1.6 t的CO2［22］，據此，農作物秸稈燃燒的 CO2排放量Q(t)計算方法可表示為

1.3 碳匯的測算方法

根據UNFCCC對溫室氣體“匯”的定義［3］，甘肅省主要的碳匯包括林地、草地、農田及城市綠地等各種植被固定CO2的作用。測算方法如下:

式中:Ci為第i類植被光合作用固定的CO2的量;Si為第i類植被的面積;mi為第i類植被相應的碳匯碳吸收系數。根據前人研究報道的各類碳匯碳吸收系數［23－24］，依據甘肅省各林分的比例計算出其加權平均值，即為林地碳匯系數;其他按甘肅省各類碳匯的特征以及碳匯功能的大小及對應土壤呼吸的大小作對比后取最合理接近的值，結果見表1。

表1 甘肅省各類碳匯碳吸收系數 kg/(m2.a)Tab.1 Coefficient of carbon absorbability of different carbon sink in Gansu Province kg/(m2.a)

1.4 數據來源

用于計算的數據主要來源于2001—2009年《甘肅統計年鑒》;2000—2010年的《中國統計年鑒》;甘肅省國土資源廳門戶網站公布的當年數據。

2 結果與分析

2.1 碳源動態分析

表2 甘肅省2000—2009年主要碳源測算結果 億tTab.2 Main carbon source in Gansu Province during 2000—2009 108t

根據上述計算方法，得到2000—2009年甘肅省主要碳源的計算結果(表2)。

從表2可以看出，甘肅省的碳源總量在2000年為4.294 7 ×108t/a，2009 年增加到5.630 7 ×108t/a，10 年間增加了31.11%。從增幅上看，增長最快的為特殊工業過程產生的碳源(128.75%)，其次是化石燃料燃燒(75.26%)，再次是生物質燃燒(32.62%)和土壤呼吸(20.39%)，最低的是人畜呼吸(13.18%)。從碳源的組成上看，以2009年為例，土壤呼吸占碳源總量的66.86%，其次為化石燃料(24.67%)，其它碳源由大到小依次為:人畜呼吸(5.38%)、生物質燃燒(1.76%)、特殊工業過程(1.33%)。

2.2 碳匯動態分析

根據上述碳匯的測算方法和各年的統計數據，得到2000—2009年甘肅省主要碳匯的計算結果(表3)。

表3 甘肅省2000—2009年主要碳匯測算結果 億tTab.3 Carbon sink in Gansu Province during 2000—2009 108t

從表3可以看出，甘肅省碳匯總量在2000年為3.959 5 ×108t/a，2009 年增加到4.899 1 ×108t/a，10 年間增加了23.73%。從增幅上看，增長最快的為城市園林綠地(200%)，其次是林地(87.23%)，耕地和草地變化不大。從碳匯的組成上看，以2009年為例，草地和林地是碳匯的主要組成部分，分別占43.34%和40.63%，其次為耕地(15.81%)，而城市園林綠地、沙漠和戈壁所占的比重極小(＜1%)。

2.3 碳源碳匯平衡程度評估

甘肅省的碳源碳匯平衡狀況見表4。

表4 甘肅省2000—2009年碳源碳匯平衡狀況表 億tTab.4 Balance condition of carbon source and carbon sink in Gansu Province during 2000—2009 108t

從表4看出，甘肅省近10年來碳源碳匯發展很不平衡，碳源增加的幅度遠大于碳匯，碳失匯(碳源與碳匯的差值)逐年增加，從2000年的0.335 2×108t/a增加到2009年的0.731 6 ×108t/a，10年間增加了118.16%。

2.4 甘肅省碳源與碳匯的發展趨勢預測

利用SPSS軟件分析甘肅省2000—2009年碳源、碳匯的發展變化與時間(年份)之間的關系(表2、表3)，可以得到如下發展趨勢預測模型:

式中:TY為碳源總量的預測值(104t/a，下同);R2為相關系數;ty1，ty2，ty3分別為化石燃料燃燒、土壤呼吸、特殊工業過程的CO2排放量的預測值;TH，th1分別為碳匯總量、林地碳匯的預測值;x為要預測的年份距2000年的年數(2000年為1)。

假設甘肅省未來幾年內的能源消耗模式、土地利用方式等仍保持2000—2009年間的發展態勢，則根據上述模型可以預測未來幾年碳源、碳匯的發展趨勢。根據上述模型預測，2015年甘肅省碳源總量將達到6.719 3×108t/a，其中，化石燃料燃燒的CO2排放量為1.967 3×108t/a;同期碳匯總量為5.548 7×108t/a，林地碳匯為2.634 7×108t/a;碳失匯將達到 1.170 6 ×108t/a。可見，如果不改變現有的發展模式，甘肅碳源碳匯失衡將不斷加劇，碳安全面臨更嚴峻的考驗。

3 結論

(1)甘肅省碳源總量在2000年為4.294 7×108t/a，2009年增加到 5.630 7×108t/a，10年間增加了31.11%。從增幅上看，增長最快的為特殊工業過程產生的碳源(128.75%)，其次是化石燃料燃燒(75.26%)，再次是生物質燃燒(32.62%)和土壤呼吸(20.39%)，最低的是人畜呼吸(13.18%)。從碳源的組成上看，以2009年為例，土壤呼吸占碳源總量的66.86%，其次為化石燃料(24.67%)，其它碳源由大到小依次為:人畜呼吸(5.38%)、生物質燃燒(1.76%)、特殊工業過程(1.33%)。

(2)甘肅省碳匯總量在2000年為3.959 5×108t/a，2009年增加到 4.899 1×108t/a，10年間增加了23.73%。從增幅上看，增長最快的為城市園林綠地(215.14%)，其次是林地(87.27%)，耕地和草地變化不大。從碳匯的組成上看，以2009年為例，草地和林地是碳匯的主要組成部分，分別占43.34%和40.63%，其次為耕地(15.81%)，而城市園林綠地、沙漠和戈壁所占的比重極小(＜1%)。

(3)甘肅省近10年來碳源、碳匯發展很不平衡，碳源增加的幅度遠大于碳匯，碳失匯逐年增加，從2000年的0.335 2 ×108t/a增加到2009年的0.731 6×108t/a，10 年間增加了 118.26%。

(4)根據甘肅省碳源、碳匯隨時間變化的預測模型，預測甘肅省2015年碳源總量將達到6.719 3×108t/a，化石燃料燃燒的CO2排放量為1.967 3×108t/a;同期碳匯總量為5.548 7×108t/a，其中林地碳匯為2.634 7×108t/a;碳失匯將達到1.170 6×108t/a。可見，如果不改變現有的發展模式，甘肅碳源碳匯失衡將不斷加劇，碳安全面臨更嚴峻的考驗。

［1］方精云，王少鵬，岳超，等.“八國集團”2009意大利峰會減排目標下的全球碳排放情景分析［J］.中國科學，2009，39(10):1339 －1346.

［2］徐大豐.我國碳排放結構的區域差異分析［J］.江西社會科學，2010(4):79－82.

［3］趙敏.上海碳源碳匯結構變化及其驅動機制研究［D］.上海:華東師范大學，2010:1－102.

［4］周廣勝.全球碳循環［M］.北京:北京氣象出版社，2003:4－135.

［5］Zewei Miao，Richard G，Lathrop Jr，et al.Simulation and Sensitivity Analysis of Carbon Storage and Fluxes in the New Jersey Pinelands［J］.Environmental Modelling ＆Software，2011，26(9):1112 －1122.

［6］匡耀求，歐陽婷萍，鄒毅，等.廣東省碳源碳匯現狀評估及增加碳匯潛力分析［J］.中國人口·資源與環境，2010，20(12):154 －158.

［7］謝鴻宇，陳賢生，林凱榮，等.基于碳循環的化石能源及電力生態足跡［J］.生態學報，2008，28(4):1729－1735.

［8］陳紅敏.包含工業生產過程碳排放的產業部門隱含碳研究［J］.中國人口·資源與環境，2009，19(3):25－30.

［9］汪瀾.論中國水泥工業 CO2的減排［J］.中國水泥，2006(4):34－36.

［10］呂鴻雁.石灰生產項目環評中應注意的幾個問題［J］.黑龍江環境通報，2010，34(3):93 －94.

［11］孫向陽，喬杰，譚笑.溫帶森林土壤中的CO2排放通量［J］.東北林業大學學報，2001，29(1):34 －39.

［12］張凱，郭鈮，王潤元，等.甘肅省兩種主要草地類型的光譜反射特征比較［J］.農業工程學報，2009，25(2):142－143.

［13］鮑芳，周廣勝.中國草原土壤呼吸作用研究進展［J］.植物生態學報，2010，34(6):713 －726.

［14］郭李萍.農田溫室氣體排放通量與土壤碳匯研究［R］.北京:中國農業科學院，2000:1 －78.

［15］高艷紅，張志山，劉立超，等.水熱因子對沙漠地區土壤呼吸的影響［J］.生態學報，2009，29(11):5595－5598.

［16］陶在樸.生態包袱與生態足跡——可持續發展的重量及面積觀念［M］.北京:經濟科學出版社，2003:26－267.

［17］王東紅，楊仲儒，孫小兵.農村戶用沼氣池產氣能力測試及效益評價［J］.農業科技與信息，2010(23):50.

［18］劉葉志.戶用沼氣能源溫室氣體減排的環境效益評價［J］.長江大學學報(自然科學版)，2009，6(1):81 －84.

［19］劉敏.甘肅省農村地區生物質能源環境經濟益研究［D］.蘭州:蘭州大學，2010:1－42.

［20］袁振宏.生物質能利用原理與技術［M］.北京:化學工業出版社，2005:46－87.

［21］馬洪孺，張運真.生物質桔桿發電技術研究進展與分析［J］.水利電力機械，2006，28(12):9 －13.

［22］孫啟祥.從生命周期角度評估木材的環境友好性［J］.安徽農業大學學報，2001，28(2):170 －175.

［23］何勇.中國氣候、陸地生態系統碳循環研究［M］.北京:氣象出版社，2006:41 －45.

［24］Zhao M，Kong Z H，Escobedo F J，et al.Impacts of Urban Forests on Offsetting Use in Hangzhou，China［J］.Journal of Environment Management，2010，91(4):807－813.