肖 玲，趙先貴，欒建偉

(陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，西安 710062)

0 引言

最新研究表明，自工業(yè)化革命以來(lái)由于以CO2為主的溫室氣體排放量的不斷增加，未來(lái)100年全球氣候有進(jìn)一步變暖的趨勢(shì)，而且將對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生更為顯著的負(fù)面影響［1－2］。由于對(duì)全球生態(tài)安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，碳循環(huán)成為全球變化領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)之一［3］。據(jù)近年來(lái)對(duì)碳循環(huán)研究發(fā)現(xiàn)，日前己知的碳匯與碳源不能達(dá)到平衡，存在一個(gè)很大的碳失匯［4］。國(guó)外有關(guān)碳循環(huán)的研究很多，涉及到不同時(shí)空尺度的碳循環(huán)過(guò)程中的主要碳儲(chǔ)量和通量的空間格局和時(shí)間變化等［5］。在國(guó)內(nèi)，匡耀求等評(píng)估了2005—2008年廣東省碳源與碳匯現(xiàn)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］?？傮w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(duì)某一年的靜態(tài)研究，動(dòng)態(tài)和預(yù)測(cè)的研究很少。中國(guó)西部省域的碳平衡研究未見(jiàn)報(bào)道。本研究以中國(guó)西部的甘肅省為例，定量研究了其2000—2009年間碳源與碳匯動(dòng)態(tài)變化以及碳源與碳匯平衡問(wèn)題，預(yù)測(cè)了碳源與碳匯發(fā)展的趨勢(shì)。其研究結(jié)果對(duì)甘肅省制定碳減排、碳增匯的生態(tài)系統(tǒng)管理對(duì)策具有一定參考價(jià)值。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

甘肅省地處中國(guó)西北內(nèi)陸地區(qū)，位于北緯33°11'～42°57'、東經(jīng) 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?jī)?nèi)蒙，并與蒙古人民共和國(guó)接壤。全省總面積45.4萬(wàn) km2，總?cè)丝? 628萬(wàn)人。甘肅省自然條件復(fù)雜，大部分地區(qū)氣候干燥，屬大陸性很強(qiáng)的溫帶季風(fēng)氣候，省內(nèi)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(cè)算方法

根據(jù)UNFCCC(聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約)對(duì)溫室氣體“源”的定義［3］。綜合各種區(qū)域碳源的評(píng)估方法，本研究的碳源包括全省在化石燃料燃燒、工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程、土壤呼吸、人畜呼吸和生物質(zhì)轉(zhuǎn)化方面的CO2排放。

1.2.1 化石燃料燃燒的碳排放?；剂系娜紵欧诺腃O2是重要的人為排放源，計(jì)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(fèi)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(tài)足跡表［7］。

1.2.2 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的碳排放?？紤]到工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中由燃料燃燒所釋放的CO2量已在化石燃料的計(jì)算中所包含，所以對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程CO2排放只計(jì)算水泥和石灰等原料分解轉(zhuǎn)化而釋放的CO2量［8］。據(jù)測(cè)算，每生產(chǎn)1 t水泥會(huì)產(chǎn)生0.815 t的 CO2，其中0.39 t為燃料燃燒產(chǎn)生的，0.425 t是由原料的分解產(chǎn)生的［9］。每生產(chǎn)1 t石灰大約產(chǎn)生1 t的由原料分解產(chǎn)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(guò)程。依據(jù)孫向陽(yáng)等對(duì)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］?？紤]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(jù)鮑芳等對(duì)草原土壤呼吸研究的結(jié)果，按其對(duì)應(yīng)面積比例取這兩種草地類型的加權(quán)平均值作為甘肅省整個(gè)草地土壤呼吸速率1.163 kg/(m2·a)［13］。鑒于目前農(nóng)田土壤呼吸量的研究結(jié)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(jù)郭李萍等研究的結(jié)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(gòu)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(nèi)。根據(jù)高艷紅等對(duì)騰格里沙漠東南緣流沙區(qū)的土壤呼吸研究結(jié)果，沙漠土壤呼吸的 CO2為 0.15 kg/(m2·a)［15］。

1.2.4 動(dòng)物呼吸釋放的CO2。動(dòng)物呼吸也是一個(gè)較大的碳源，考慮到相關(guān)數(shù)據(jù)的缺乏和所占的比例，對(duì)于這部分的估算主要為人畜呼吸。其中，只計(jì)算人和人工飼養(yǎng)的大型家畜牛、馬、羊、豬。參照陶在樸的不同動(dòng)物呼吸的 CO2排放系數(shù)計(jì)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(zhì)轉(zhuǎn)化釋放的CO2。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化主要計(jì)算了較大的碳排放源，如木材消耗、卷煙消費(fèi)、沼氣燃燒、秸稈燃燒等。

木材消費(fèi)的CO2釋放量(t/a)=木材凈消費(fèi)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(zhì)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(zhì)量之比取 0.45［6］。

卷煙消費(fèi)的CO2排放=卷煙消費(fèi)總量(箱)×卷煙碳排放系數(shù)，卷煙CO2排放系數(shù)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(chǎn)氣量×直接燃燒的CO2排放系數(shù)。王東紅等對(duì)天水麥積區(qū)農(nóng)戶沼氣的實(shí)測(cè)得到1座戶用沼氣池年產(chǎn)沼氣375.36 m3左右［17］，直接燃燒的CO2排放系數(shù)為 1.14 kg/m3［18］。

農(nóng)作物秸稈量的估算按:

式中:V為農(nóng)作物秸稈總量(t);Yi為第i種作物產(chǎn)量(t);di為第i種作物草谷比(t/t);i為農(nóng)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(shù)據(jù)［20］。根據(jù)馬洪儒等提供的中國(guó)農(nóng)作物秸稈不同利用方式的數(shù)據(jù)可計(jì)算出44%作為傳統(tǒng)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(nóng)作物秸稈的燃燒利用率。孫啟祥等認(rèn)為燃燒1 t農(nóng)作物秸稈可向大氣中排放1.6 t的CO2［22］，據(jù)此，農(nóng)作物秸稈燃燒的 CO2排放量Q(t)計(jì)算方法可表示為

1.3 碳匯的測(cè)算方法

根據(jù)UNFCCC對(duì)溫室氣體“匯”的定義［3］，甘肅省主要的碳匯包括林地、草地、農(nóng)田及城市綠地等各種植被固定CO2的作用。測(cè)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(yīng)的碳匯碳吸收系數(shù)。根據(jù)前人研究報(bào)道的各類碳匯碳吸收系數(shù)［23－24］，依據(jù)甘肅省各林分的比例計(jì)算出其加權(quán)平均值，即為林地碳匯系數(shù);其他按甘肅省各類碳匯的特征以及碳匯功能的大小及對(duì)應(yīng)土壤呼吸的大小作對(duì)比后取最合理接近的值，結(jié)果見(jiàn)表1。

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

1.4 數(shù)據(jù)來(lái)源

用于計(jì)算的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于2001—2009年《甘肅統(tǒng)計(jì)年鑒》;2000—2010年的《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》;甘肅省國(guó)土資源廳門戶網(wǎng)站公布的當(dāng)年數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳源動(dòng)態(tài)分析

表2 甘肅省2000—2009年主要碳源測(cè)算結(jié)果 億tTab.2 Main carbon source in Gansu Province during 2000—2009 108t

根據(jù)上述計(jì)算方法，得到2000—2009年甘肅省主要碳源的計(jì)算結(jié)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(zhǎng)最快的為特殊工業(yè)過(guò)程產(chǎn)生的碳源(128.75%)，其次是化石燃料燃燒(75.26%)，再次是生物質(zhì)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(zhì)燃燒(1.76%)、特殊工業(yè)過(guò)程(1.33%)。

2.2 碳匯動(dòng)態(tài)分析

根據(jù)上述碳匯的測(cè)算方法和各年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得到2000—2009年甘肅省主要碳匯的計(jì)算結(jié)果(表3)。

表3 甘肅省2000—2009年主要碳匯測(cè)算結(jié)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(zhǎng)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(píng)估

甘肅省的碳源碳匯平衡狀況見(jiàn)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(lái)碳源碳匯發(fā)展很不平衡，碳源增加的幅度遠(yuǎn)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(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

利用SPSS軟件分析甘肅省2000—2009年碳源、碳匯的發(fā)展變化與時(shí)間(年份)之間的關(guān)系(表2、表3)，可以得到如下發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型:

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

假設(shè)甘肅省未來(lái)幾年內(nèi)的能源消耗模式、土地利用方式等仍保持2000—2009年間的發(fā)展態(tài)勢(shì)，則根據(jù)上述模型可以預(yù)測(cè)未來(lái)幾年碳源、碳匯的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)上述模型預(yù)測(cè)，2015年甘肅省碳源總量將達(dá)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(dá)到 1.170 6 ×108t/a?？梢?jiàn)，如果不改變現(xiàn)有的發(fā)展模式，甘肅碳源碳匯失衡將不斷加劇，碳安全面臨更嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

3 結(jié)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(zhǎng)最快的為特殊工業(yè)過(guò)程產(chǎn)生的碳源(128.75%)，其次是化石燃料燃燒(75.26%)，再次是生物質(zhì)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(zhì)燃燒(1.76%)、特殊工業(yè)過(guò)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(zhǎng)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(lái)碳源、碳匯發(fā)展很不平衡，碳源增加的幅度遠(yuǎn)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(jù)甘肅省碳源、碳匯隨時(shí)間變化的預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)甘肅省2015年碳源總量將達(dá)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(dá)到1.170 6×108t/a?？梢?jiàn)，如果不改變現(xiàn)有的發(fā)展模式，甘肅碳源碳匯失衡將不斷加劇，碳安全面臨更嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

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