基于小尺度的高寒牧區碳排放估算
——以甘南州合作市為例

王錄倉，高 靜

(西北師范大學地理與環境科學學院， 蘭州 730070)

基于小尺度的高寒牧區碳排放估算
——以甘南州合作市為例

王錄倉*，高 靜

(西北師范大學地理與環境科學學院， 蘭州 730070)

碳排放是目前國內外研究的熱點問題。縱觀碳排放計算,關鍵涉及到兩個環節：一是研究尺度的選擇，二是評估參數(即碳排放/吸收系數)的確定。高寒牧區還必須充分考慮牲畜碳排放。以甘南州合作市為例，將研究尺度縮小到41個行政村，并采用最新的土地二調數據,對土地利用碳排放和碳匯、生活和牲畜碳排放進行了系統地測算。結果表明: (1)從土地利用的角度考察，合作市總碳排放表征為“碳虧”態勢。總碳排放量為24374.82 t/a，其中土地利用碳排放量為4908.21 t/a，牲畜代謝碳排放量為3703.94 t/a，城鄉居民生活碳排放量為15762.67 t/a。而碳匯量僅為1949.74 t/a，“碳虧”量為22425.08 t/a。(2)牲畜是高寒牧區呼吸碳排放的主體，其碳排量為3703.94t/a，其中牛是碳排放的主體，其碳排量占90%以上。(3)城鄉居民生活碳排量為15762.67t/a，城鎮明顯高于農村，生存型碳排放強度高于發展型碳排放強度。(4)碳排放局分布勢面與碳匯分布局勢面基本呈反向分布態勢，但總的碳排放格局取決于碳排放而非碳匯，空間分布表現為從城區—半農半牧區—純牧區逐級遞減的趨勢。

生存型碳排放; 發展型碳排放; 呼吸釋碳; 合作市

土地利用和覆蓋變化(LUCC)的碳排放對全球碳循環的影響已成為目前國內外學術界研究的熱點問題[1- 5]。人類活動對碳循環的影響實質就是通過改變土地利用方式進而改變人為的能源消費格局,從而影響到碳排放的數量和速率[6- 7]。在過去250a間,大氣CO2濃度增加(31±4)%,其中LUCC是其主要影響因素[8]。在中國過去300a間，由于LUCC，陸地生態系統的碳儲量也隨之發生了變化[9]。這種變化不僅是全國性的，也體現在各省(區)[10- 11]。由于土地利用變化導致溫室氣體排放的作用機理較復雜,它既可以發揮碳源作用,也可以發揮碳匯作用[12]。草地是主要的土地利用方式之一，全世界草地面積約占地球陸地面積的51%，中國西部六省區草地面積約為2. 7×108hm2，占全國草地總面積的70%[13]。世界觀察研究所(WWI)在《牲畜與氣候變化》報告中指出,牲畜及其副產品至少排放了相當于325.64 億tCO2的溫室氣體,占世界總排放的 51%[14]。由于高寒牧區整體上處于以傳統游牧經濟為主的狀態,因此草地畜牧業對碳排放具有至關重要的作用。

縱觀碳排放計算,涉及到兩個關鍵環節：一是研究尺度的選擇。現有研究大多涉及全球、全國或省區,一般通過對遙感影象解譯來獲得源數據，但受大尺度地理事物復雜性的影響,不可避免地將土地利用類型誤判或將小塊土地利用類型進行歸并，影響了研究精度。本研究將尺度縮小到市域，并采用最新土地“二調”數據，避免數據源造成誤測。二是評估參數(即碳排放/吸收系數)的選擇，現有的評估參數大多依托國家或國際組織提供的評估參數，部分專項研究通過實測來獲得參數,無論是那種方法,都無法很好的解決參數的適用性與可比性難題。本文通過文獻檢索，盡可能地選擇可比性較強的同類型區，以實測值為依據。對于高寒牧區，除了考慮一般性的碳排放外，更要考慮牲畜因素。

1 研究區概況

合作市位于青藏高原東北邊緣,境內平均海拔2850—3500m，寒冷陰濕，長冬無夏。年平均氣溫1.1℃，降雨量630mm。平均天然草地產草量(干草)1300kg/hm2，每hm2草場載畜量2.4個羊單位。現轄6個鄉、4個街道辦事處、8 個社區居委會、39 個村委會、258個村民小組。國土面積26.7 ×104hm2,其中: 草場面積17.6 ×104hm2，耕地面積1 ×104hm2。全市總人口8.58 萬人,其中: 城鎮人口5.18 萬人,占總人口的60.4%；藏族人口4.6 萬人,占總人口的54%。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

土地利用類型及面積數據利用合作市第二次土地調查資料(2008)，其它經濟社會數據源于《合作市統計年鑒》(2011)。

2.2 不同土地利用類型的碳排放估算

一個區域的碳收支平衡取決于碳排放(碳源)和碳吸收(碳匯)兩方面(圖1)。土地利用碳排放包括直接碳排放(生存型碳排放)和間接碳排放(發展型碳排放)兩個方面。前者主要是指LUCC類型轉變導致生態系統類型更替造成的碳排放,后者是指土地經營方式轉變所驅動的碳排放。論文著重測算由人類活動所引起的主要土地利用類型的碳排放量和碳吸收量。

圖1 高寒牧區碳排放構成示意圖Fig.1 The Carbon Internal structure in alpine pastoral

2.2.1 土地利用碳排放

對于耕地、林地、草地、水域、未利用地等5種類型土地的碳排放量估算，采用直接碳排放系數法，其估算公式是：

E=∑ei=∑Si×δi

(1)

式中,E為碳排放總量；ei為各種土地利用類型產生的碳排放量；Si為各種土地利用類型對應的土地面積；δi為各種土地利用類型的單位面積碳排放系數，排放為正，吸收為負；i=1,2,3,…，分別代表各種不同土地利用類型。

已有的研究將土地類型分為6大類來計算,本文由于研究區域尺度相對較小,加之有翔實的土地“二調”數據支持。為使計算結果更加可靠,一方面對土地利用類型參照“二調”標準進行細分；另一方面，對于土地利用類型碳排放系數的確定，首選有實測值的同類研究案例，如無實測值時，則考慮地區、地域的可比性(表1)。

2.2.2 牲畜呼吸碳排放量

畜牧業在合作市經濟體系中，占有重要的地位。牲畜從草地上攝取的營養元素的80%—95%通過糞尿返還給土壤。畜糞中的C一部分轉變為土壤有機碳(SOC),另一部分則通過呼吸排放到大氣中。在放牧草地生態系統中,大約17%—72%的生物C在草地生態系統內部循環[15]。

牲畜呼吸釋碳量(t/a)=年均飼養總數×ei(t/a)。式中，ei是i類牲畜呼吸的平均釋碳量(表2)。

表1 合作市各類用地年碳排放

表2 合作市各類牲畜碳排放系數和碳排放量

2.2.3 城鄉居民生活碳排放量

碳排放量根據IPCC 碳排放計算指南[24]。

Eif=k×Cif×Rif×Pif×Oif

(2)

式中，Eif為i種燃料燃燒產生的CO2量(tCO2);Cif為i種燃料的消費量(t);Rif為i種燃料的熱量轉換系數(TJ /103t);Pif為i種燃料的單位含碳量(tC);Oif為i種燃料的氧化系數;k為CO2和C的質量比，取44/12。

Eic=Iic×Cic

(3)

式中,Eic為第i類居民家庭消費產生的間接生活碳排放量(kg CO2);Iic為居民家庭第i類消費的年支出量(元);Cic為第i類家庭消費的CO2排放系數(kg CO2/元)。計算結果見表3和表4。

表3 合作市居民生活耗能統計表

表4 合作市居民人均消費性支出及其碳排放

3 結論與討論

(1)合作市總碳排放表征為“碳虧”態勢

碳排量中，土地利用碳排放量為4908.21t/a，牲畜代謝碳排放3703.94t/a，城鄉居民生活碳排放量為15762.67t/a，而碳匯量僅為1949.74 t/a，碳虧22425.08t/a(表6)。合作市地處高寒牧區，高寒缺氧的特殊環境，決定了土地利用方向和強度，決定了天然植被的類型和分布態勢。根據全國第二次土地調查數據成果，合作市土地總面積209121.69hm2，農用地203276.14hm2，占土地總面積的97.18%。其中：耕地面積15006.05hm2，占總土地面積的7.18%；林地27072.73hm2，占12.95%；牧草地157395.94hm2，占75.26%，建設用地2073.07hm2，占土地總面積的0.99%。未利用土地(包括裸土地、裸巖、石礫地、田坎)僅占總土地面積的3.72%。全市土地利用率為97.80%,而土地墾殖率僅為6.09%，建設用地率為0.81%。可見合作市土地利用結構中，農用地比重大且嚴重偏好牧草地，因此草地利用狀況應是碳排放的關鍵性因子。但由于草地的貯碳能力相對較弱，且不穩定，因此盡管草地所占比例很大，但與林地相比，其碳匯量(332.88 t/a)僅為林地(1576.69t/a)的21%。從自然環境基質上講，高寒嚴酷環境限制了碳匯效應更強的森林生態系統的發育，而與高寒環境相適應的草地生態系統則廣泛分布，但由于其天生的弱碳匯能力，因此對區域整體碳匯的貢獻度并不高，這決定了高寒牧區盡管分布有大量的草地，但無法改變碳虧的狀況。但另一方面，高寒草甸草原是高寒草原上最主要草地類型,在低溫、濕潤的環境中,高寒草甸土壤有機碳密度和儲量巨大[25]。據Yang等的研究結果,高寒草甸平均土壤碳密度為9.05 kg/m2,有機碳平均貯存量為23.17×104kg/hm2[26]。由于高寒牧區草地畜牧業是主體，因此與草地面積相對應的牲畜釋碳量相對較大，在牲畜釋碳量中，貢獻最大的是牛，其碳排放量占牲畜碳排總量的98%以上，這與牲畜種群結構大致吻合(表2)。如果再考慮動物的反芻釋碳量，則牛的釋碳量將會更大。Prochnow研究表明，牲畜從草地上攝取的營養元素的 80%—95%通過糞尿返還給土壤。畜糞中的C一部分轉變為土壤有機碳(SOC)，另一部分則通過呼吸排放到大氣中。在放牧草地生態系統中，大約17%—72%的生物C在草地生態系統內部循環[27]。根據FAO(食品與農業組織)統計，家畜排放的溫室氣體量占18%[28]。一頭體重250kg的牛每天排放200 L的CH4，內蒙古白絨山羊在牧草旺盛期可產生CH419.02g/d[29]。減少反芻動物溫室氣體排放量，要從提高單產，減少養殖數量，降低動物糞便產生量等三個方面入手[30]。

從城鄉居民生活碳排放看，在表現出共性的同時，也存在著一定的差異性。總體而言，由于整體社會經濟發育水平較低，消費能力有限，由食品、衣著、住房引致的碳排放占主導，其中城鎮又以住房為主，而農牧村則以食物為主。這從城鄉居民家庭消費的恩格爾系數差異上可以得到佐證。2011年，合作市城鎮居民家庭恩格爾系數為35.16，農牧民家庭恩格爾系數為57.25，農牧村是城市的1.63倍。除了摩托車、電話機外，城鎮居民消費耐用品(如洗衣機、電冰箱、移動電話、彩色電視機)的比例遠高于農牧村，城鎮居民還擁有很多高檔耐用消費品，如家用電腦、淋浴熱水器、攝像機等，而農村居民家庭中這些消費品的數量非常少。這在一定程度上也映射出農牧村的生活壓力遠高于城鎮地區。通過比較發現，無論是城鎮居民還是農村居民，其生活碳排放強度均小于全國平均水平(表5)。反映了經濟社會發育水平對排放的基礎性作用。

合作市位于高寒牧區，雖然是甘南州府所在地，但目前仍然處在傳統牧業經濟社會狀態。在生活水平低下的背景下，由生存引致的碳排放是主體，而由消費和發展引致的碳排放相對較弱。同時城鄉間在碳排放構成中還存在著一定的差異，城鎮居民直接碳排放與間接碳排放比例為1∶1.8；而農村居民的這一比例為1∶6.7。這表明，在廣大的農牧村，由于自然條件嚴酷，生存壓力大，由生存而引發的碳排放更占主導地位。

表5 合作市碳排放與全國比較

表6 合作市各行政村(街道辦)碳排放量

高寒缺氧的特殊環境，導致整個牧區的采暖期長達7個月，在能源替代性非常差的條件下，為了保證采暖和炊事用能，廣大農牧村群眾主要依靠畜糞和薪草等生物質能源。盡管國家和省、州出臺了許多政策，采取了一系列措施保護生態環境，但受傳統游牧生產生活方式的深刻影響和其它能源輸入的制約,雖然部分牧戶已推廣使用了太陽灶、沼氣池、節能灶、太陽能光電板,但無法改變能源消費結構仍嚴重偏好生物用能的現狀。農牧民仍然通過燒畜糞、草皮等來解決燃料問題。農牧村能源消費中,畜糞是主體(約占31.4%)、其次是薪柴和草皮(分別占30.7%和占12.6%)[31]。因此在農村居民碳排放構成中，由畜糞、草皮和秸桿等利用引致的碳排放量占77.35%，僅畜糞一項就占58.8%。盡管草-畜-糞的循環利用模式對碳排放有一定削減作用，但在目前的開發利用水平[32]下，畜糞的燃燒仍然造成了大量的碳排放。相比較而言，城鎮和近郊地區的能源多樣性和替代性較強，煤碳成為城市工業生產、城市采暖的主要能源，其引致的碳排放占城鎮居民碳排放總量的39.45%。

(2)碳排放格局與碳匯格局基本呈反向分布態勢，但總的碳排放格局取決于碳排放而非碳匯，空間分布表現為從城區—半農半牧區—純牧區逐級遞減的趨勢。

從碳匯的分布格局看，與林地和草地的分布格局具有高度的一致性。尤其是森林集中分布的洮河谷地(如勒秀鄉峽村)和太子山區(如卡加道鄉土房村)是典型的碳匯高值區，兩個純牧鄉(佐蓋多瑪鄉和佐蓋曼瑪鄉)也是碳匯的重要區域。而人口密度較大、耕地較多的城區、郊區和大夏河及其支流(格河)谷地則成為碳匯的低值區(圖1,圖2)。也就是說，以自然生態系統為主的林地及草地分布區，表現出較高的碳匯功能，而人口較為密集和耕地較多區域，則為碳源。

從總碳排放看，即使在社會經濟發育水平低下、人類活動擾動較弱、自然環境屏蔽性強的高寒牧區，總的碳排放仍然大于碳匯。除太子山區的土房村和洮河谷地的峽村外，其余各鄉(街道辦)均表現為“碳虧”狀態。從人類活動的角度講，盡管高寒缺氧環境一定程度上限制了人類的進入性和人類活動的強度，但由于州府所在地的政治地位和農牧交匯區的地域經濟特征，合作市仍然吸引了相當數量的人口和經濟要素，在自然和經濟承載力均有限的條件下，由于全社會經濟的發展，不可避免地驅動了人類消費水平的持續提高。即使在生產水平和消費水平依然低下的背景下，仍排放出大量的碳，并且生存型碳排放正在向發展和消費型碳排放轉型。

圖2 合作市碳匯分布圖Fig.2 The distribution of carbon sinks in Hezuo

圖3 合作市碳排放分布圖Fig.3 The distribution of carbon emission in Hezuo

可以直觀的看出，全市生活碳排放表現出明顯的空間分異，即從城區向邊遠純牧區，碳排放強度大致由高向低遞減，基本表征為圈層分異格局。城區和近郊鄉村碳排放水平高，而向半農半牧區過渡時，碳排放水平有所下降，碳排放最少的是典型的純牧區(如佐蓋多瑪鄉和佐蓋曼瑪鄉)。

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The estimates of carbon emission based on small-scale in alpine pastures: a case study of Hezuo in Gannan Autonomous Prefecture, China

WANG Lucang*, GAO Jing

CollegeofGeographyandEnvironmentalScience,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou730070,China

Carbon emissions are the hot issues of the current domestic and international research. Throughout the calculation of carbon emissions, the key involves two aspects: First, the choice of research scale, second, the definition to assessment parameters (carbon emission / absorption coefficient). The alpine pastoral must also full consider Livestock carbon emissions. The paper carried out a systematic calculation of land use carbon emissions and carbon sinks, which combined characteristics of alpine pastures and the lastest second national survey data of land use,by the way of scale-down to the 41 administrative villages. The results show that: (1) The total carbon emissions characterization show as "carbon deficit" situation. The total carbon emissions24374.82t/a, Land-use carbon emissions 4908.21t/a, the livestock metabolism carbon emissions 3703.94t/a, and urban -rural residents living carbon emissions 15762.67 t/a. Carbon sinks only have 1949.74 t/a,the amount of "carbon deficit "reaches to 22425.08t/a. (2)In the alpine pastoral, livestock is the main body of breathing carbon emissions, carbon emissions for 3703.94 t/a, which the cattle are the main factors of the carbon emissions, more than 90% of its carbon emissions.(3)Urban-rural residents living carbon emissions reaches to 15762.67 t/a, the towns significantly higher than rural areas, This suggests that the survival-type carbon emission intensity is higher than the development of carbon emission intensity.(4)From the city-semi-agricultural and semi-pastoral areas- pure pastoral areas, the spatial pattern of carbon emission shows a decreasing trend.

survival-type carbon emission; developing-style of carbon emission; breathing carbon emissions; Hezuo City

國家自然基金地區項目(41261042); 2011年度省屬高校基本科研業務費專項資金項目; 2010年度甘肅省高校研究生導師基金項目(1001- 22); 西北師范大學青年教師科研能力提升計劃-骨干項目(SKQNGG10029)

2013- 01- 28; 網絡出版日期:2014- 03- 13

10.5846/stxb201301280176

*通訊作者Corresponding author.E-mail: Wanglc007@nwnu.edu.cn

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