任小明，周慧杰，郭嘉歡，阮詩(shī)喬

(南寧師范大學(xué)，廣西 南寧 530001)

1 引言

自工業(yè)革命以來(lái)，大氣中二氧化碳( CO2) 的濃度持續(xù)升高，全球海平面不斷上升。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)( IPCC) 第五次評(píng)估報(bào)告指出，人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的大氣 CO2濃度上升是過(guò)去 100 年來(lái)氣候變暖的主要驅(qū)動(dòng)因子[1]。越來(lái)越多的證據(jù)表明，人類(lèi)的活動(dòng)是氣候變化主導(dǎo)原因。根據(jù)國(guó)際能源署統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2007 年中國(guó)已超過(guò)美國(guó)成為全球第一大CO2排放國(guó)[2]。碳作為自然界基本的元素，始終貫穿于地球表層系統(tǒng)的物質(zhì)能量循環(huán)的全過(guò)程，是決定全球氣候和環(huán)境變化的基本要素之一。碳源通常是指產(chǎn)生二氧化碳之源，碳匯主要是指森林吸收并存儲(chǔ)二氧化碳多少的能力。人類(lèi)活動(dòng)致使“碳源”增加，“碳匯”縮小，引發(fā)全球范圍內(nèi)物質(zhì)能量循環(huán)失衡，處于一種“碳虧”的狀態(tài)；從研究范圍尺度來(lái)看，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的范圍主要集中在國(guó)家[3]、區(qū)域[4，5]、省域范圍[6～8]，少量學(xué)者在市域范圍之下有相關(guān)研究；從研究?jī)?nèi)容來(lái)看，主要是從碳源碳匯的結(jié)構(gòu)特征、空間演變、區(qū)域差異等方面進(jìn)行。由于自然地理?xiàng)l件和人文活動(dòng)的不同，地區(qū)間的碳源碳匯時(shí)空變化過(guò)程與影響因素存在較大的差異。城市作為人口、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)高度密集地，是碳排放的主要場(chǎng)所[9]。

2 研究模型的建立

2.1 碳匯估算模型的建立

在城市范圍內(nèi)，碳匯是指植物通過(guò)光合作用吸收 CO2，并從大氣中清除碳的過(guò)程、活動(dòng)或機(jī)制，由森林、農(nóng)田、濕地、草地等不同植被類(lèi)型為主構(gòu)成的自然生態(tài)系統(tǒng)完成。結(jié)合實(shí)際，本文擬在模型構(gòu)建中主要考慮城市中發(fā)揮碳匯功能的土地類(lèi)型，具體分為林地 、城市園林綠地、耕地、園地、草地、以及濕地，其中林地細(xì)分為有林地、疏林和灌木林地、未成林造林地、跡地。計(jì)算過(guò)程主要采用清單計(jì)算法，即提取單位面積轉(zhuǎn)化系數(shù)，再乘以不同類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)面積。具體計(jì)算公式如下:

(1)

式(1)中:SC為城市區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)的固碳總量 ( t/年) ；α表示第j類(lèi)自然生態(tài)系統(tǒng)的單位面積年固碳量 ( t/hm2·年) ；Aj為第j類(lèi)自然生態(tài)系統(tǒng)的總面積 ( hm2) 。

2.2 碳源估算模型的建立

在城市根據(jù) IPCC全球溫室氣體排放清單研究相關(guān)成果[1]，以及中國(guó)《城市溫室氣體清單研究》[10]，本模型構(gòu)建中對(duì)于向大氣釋放 CO2的行為即碳源組成除了能源消費(fèi)，還包括工業(yè)中的水泥生產(chǎn)、木材消費(fèi)行為，以及人類(lèi)和牲畜的呼吸、土壤呼吸等主要過(guò)程。社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的排碳量計(jì)算主要依靠統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和已有文獻(xiàn)的碳當(dāng)量轉(zhuǎn)化系數(shù)。計(jì)算公式如下:

RC=DS+DE+DP+DM+DW+DT

(2)

式(2)中:Rc為城市年釋碳總量 ( t/年) ；DS為城市土壤及水面呼吸年排放碳總量 ( t/年) ；DE為城市能源消費(fèi)年排放碳總量 ( t/年) ；DP為城市人體及主要牲畜呼吸年排放碳總量 ( t/年) ；DM為水泥生產(chǎn)年排放碳總量 ( t/年) ；DW為木材生產(chǎn)年排放碳總量 (t/年)。

式中各項(xiàng)因子的計(jì)算公式具體如下:

(3)

(4)

DP=CP+CZ+CQ

(5)

DM=CM+M

(6)

DW=DW+W

(7)

式(3)～(7)中:V為土壤 ( 或水面) 平均呼吸速率 ( t/hm2·年)[15]；i為植被類(lèi)型；DSA為植被類(lèi)型 (或水面) 的面積 ( hm2) ；Ei為能源j的消費(fèi)量(t標(biāo)準(zhǔn)煤)；j為能源種類(lèi);F|i為能源碳排放系數(shù)(t/t) ；CP為人體呼吸的碳釋放量 (t/年) ；CP= 年人口總數(shù) (人)× 每人每年呼吸的碳釋放量；CZ為豬呼吸的碳釋放量(t/年)；CZ= 年均飼養(yǎng)牲豬總數(shù) (頭) × 每頭豬每年呼吸的碳釋放量；CQ為其它大牲畜呼吸的碳釋放量(t/年)；CQ= 年均飼養(yǎng)其他大牲畜總數(shù)(頭)×其它大牲畜每頭每年呼吸的碳釋放量。CM為年水泥生產(chǎn)量(t)；M為水泥生產(chǎn)碳排放系數(shù)。CW為年木材凈消費(fèi)量(m3) ；W為木材消費(fèi)碳排放系數(shù)。

2.3 碳平衡評(píng)價(jià)模型的建立

城市的碳收支平衡模型即是指通過(guò)分析碳源碳匯數(shù)據(jù)比例關(guān)系，來(lái)綜合判斷釋碳與固碳之間的相互關(guān)系。這樣能夠從宏觀的角度認(rèn)識(shí)人類(lèi)碳排放行為結(jié)果是否為自然界生態(tài)系統(tǒng)所完全吸收[9]，從而根據(jù)碳平衡系數(shù)和碳供需余缺來(lái)指示城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的狀態(tài)，計(jì)算公式如下:

Ec=Rc/Sc

(8)

Uc=Rc-Sc

(9)

式(8)、(9)中:EC代表碳平衡系數(shù)，表示當(dāng)年城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)釋碳量與自然生態(tài)系統(tǒng)所能支持的固碳量的比例；UC代表碳供需余缺，表示釋碳量與固碳量的差值；Rc、Sc的意義同上文。因此，當(dāng)EC> 1，或UC> 0，表示釋碳量大于固碳量; 當(dāng)EC< 1，或UC< 0，表示釋碳量小于固碳量；當(dāng)EC= 1，或UC= 0，表示釋碳量等于固碳量，即碳收支處于平衡狀況?？紤]到全球年能耗 ( 煤炭、石油) 釋放的 CO2有 1 /3 進(jìn)入大氣，1 /3 被海洋吸收，1 /3 固定在陸地生態(tài)系統(tǒng)中[11]，故設(shè)定釋碳量的 1 /3 作為城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的目標(biāo)。

3 研究區(qū)域概況

南寧市位于廣西壯族自治區(qū)南部偏西，是廣西壯族自治區(qū)首府及廣西政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，總面積 22112 km2，西南面與越南社會(huì)主義共和國(guó)毗鄰。南寧市共轄7區(qū)5縣，共84個(gè)鎮(zhèn)、15個(gè)鄉(xiāng)、3個(gè)民族鄉(xiāng)、22個(gè)街道。截至2019年底，南寧常住人口781.97萬(wàn)人，其中市轄區(qū)常住人口449.23萬(wàn)人，南寧地區(qū)生產(chǎn)總值4506.56億元，比2018年增長(zhǎng)5.0%，全市森林覆蓋率48.75%，城市建成區(qū)綠化覆蓋率43.0%，綠地率38.1%，人均公園綠地面積11.5 m2。近年來(lái)，由于城市化的快速擴(kuò)張，人口和建成區(qū)的面積在不斷增長(zhǎng)，城市自然景觀逐步被人文景觀所取代，人類(lèi)干擾活動(dòng)由弱逐漸加強(qiáng)，城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程受到了威脅(圖1)。

圖1 研究區(qū)示意

4 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究碳匯估算模型中南寧市各種林地、耕地、園地、草地面積主要來(lái)源于中國(guó)科學(xué)統(tǒng)計(jì)出版社的《南寧市統(tǒng)計(jì)年鑒》鑒收集獲得，部分?jǐn)?shù)據(jù)獲得還參考了南寧市《土地利用總體規(guī)劃》文本，以及相關(guān)學(xué)者對(duì)于土規(guī)的研究成果。模型中濕地范圍主要是考慮河流、湖泊、水庫(kù)、坑塘、泥炭地。此部分濕地統(tǒng)計(jì)面積政府并未公開(kāi)，數(shù)據(jù)來(lái)源主要根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，再根據(jù)濕地分類(lèi)數(shù)據(jù)調(diào)研后折算而來(lái)。城市園林綠地面積來(lái)源于中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社的《廣西統(tǒng)計(jì)年鑒》。碳匯固碳系數(shù)主要來(lái)自于相關(guān)學(xué)者的研究成果整理得到。研究中碳源模型的能源消費(fèi)、水泥生產(chǎn)、木材消費(fèi)行為，以及人類(lèi)和牲畜的呼吸統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《南寧市統(tǒng)計(jì)年鑒》，模型中能源消耗用到碳排放系數(shù)來(lái)源于2015頒布的《省級(jí)溫室氣體清單編制指南》(發(fā)改辦氣候[2011]1041號(hào))，以及國(guó)家頒發(fā)的《綜合能耗計(jì)算通則》(GB/T 2589-2008)標(biāo)準(zhǔn)整理得到，其他碳排放系數(shù)則參考IPCC排放計(jì)算指南，根據(jù)折標(biāo)準(zhǔn)煤參考系數(shù)換算得來(lái)。在進(jìn)行能源消費(fèi)統(tǒng)計(jì)時(shí)注意產(chǎn)生碳排放的為能源終端消費(fèi)量 ( 均訂正為標(biāo)準(zhǔn)量) ，其中能量單位原始數(shù)據(jù)以 J 為單位，為使統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)單位一致，將其全部轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)煤，具體轉(zhuǎn)化系數(shù)為 1× 104t 標(biāo)準(zhǔn)煤等于 2.932 × 105GJ。水泥生產(chǎn)量、人口及牲畜均來(lái)自《南寧市統(tǒng)計(jì)年鑒》，研究中的未注明出處的數(shù)據(jù)均為作者自繪。

5 研究結(jié)果

據(jù)(1)式，將統(tǒng)計(jì)好的南寧市各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入，得到南寧市各生態(tài)系統(tǒng)固碳量，結(jié)果見(jiàn)表1～4。

表1 南寧市碳匯估算模型中的主要參數(shù)值 t/hm2年

表2 南寧市碳源估算模型中的主要參數(shù)值

5.1 南寧市碳匯固碳量結(jié)果分析

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，2016～2018年南寧市各生態(tài)系統(tǒng)固碳量總體趨勢(shì)呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但年均變化幅度較小，近3年來(lái)基本持平。2016年固碳總量為2595.36萬(wàn)t，2016～2017年增長(zhǎng)26.39萬(wàn)t，2017～2018年增長(zhǎng)17.74萬(wàn)t，年均增長(zhǎng)率0.85% 。從固碳結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來(lái)看，林地和耕地固碳量分別占總量67%和27%，占全市碳匯固碳總量的絕大部分，草地、濕地固碳量相對(duì)較少。總的來(lái)說(shuō)，這3年來(lái)南寧市各生態(tài)系統(tǒng)的固碳總量增長(zhǎng)較為緩慢(圖2)。

5.2 南寧市碳源的釋碳結(jié)果分析

根據(jù)(2)～(7)公式的計(jì)算結(jié)果，南寧市2016～2018年由于各種社會(huì)活動(dòng)引起的釋碳量和自然生態(tài)系統(tǒng)呼吸釋碳量的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。從表中可知，南寧市2016～2018年燃煤、其他能源消耗、木材消費(fèi)、人呼吸、豬呼吸釋碳量略微有所增長(zhǎng)，燃油、水泥生產(chǎn)、其他大牲畜呼吸、土壤及水面呼吸釋碳量輕微下降，釋碳總量基本保持不變。其中，2016年釋碳總量為3302.07萬(wàn)t，2016～2017釋碳增長(zhǎng)了55.27萬(wàn)t，2017～2018年釋碳減少了55.42萬(wàn)t，總量的變化幅度約1.5%，呈現(xiàn)出波動(dòng)變化的結(jié)構(gòu)趨勢(shì)。從釋碳排放結(jié)構(gòu)來(lái)看，南寧市主要的釋碳來(lái)自于能源消耗、土壤呼吸、水泥生產(chǎn)、木材消耗。其中，能源消耗的主體是燃煤，占到能源消耗結(jié)構(gòu)的65%。

表3 2016～2018年南寧市碳匯固碳量情況 104 t

表4 2016～2018年南寧市碳源釋碳量情況 104 t

圖2 南寧市2016～2018年碳匯固碳結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)

圖3 南寧市2016～2018年各碳結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)

5.3 南寧市碳平衡分析

根據(jù)上文公式(8)碳平衡系數(shù)計(jì)算結(jié)果(圖 3) 可以看出，2016～2018 年南寧市碳平衡系數(shù)分別為:1.27、1.28 和 1.25，表示 2016年南寧市釋碳量是固碳量的1.27倍，2017 年為 1.28 倍，2018 年為 1.25倍?？梢?jiàn)，南寧的碳平衡系數(shù)大于1，表示南寧市碳失衡狀況形勢(shì)依然嚴(yán)峻。再?gòu)墓?(9) 供需余缺計(jì)算結(jié)果可以看出，南寧市碳供需余缺均為正值，表明釋碳量遠(yuǎn)大于固碳量，而且 2016～2018 年差值越來(lái)越大，其中碳供需余缺 ( 釋碳量 - 固碳量) 由 2016 年的706.71萬(wàn)t上升到了 2018年的 672.39萬(wàn)t。根據(jù)碳平衡評(píng)價(jià)模型的分析，這里設(shè)定將南寧釋碳量的 1/3 作為其平衡目標(biāo)，由計(jì)算分析可知，即使已經(jīng)將南寧市的碳供需余缺乘以了 1/3，每年的碳供需余缺仍然達(dá)到了 (600 ～700)萬(wàn)t。根據(jù)同時(shí)期其他學(xué)者的研究,鄭州 2010 年釋碳量是固碳量的 5. 65 倍[13]；昆明市全市 2013年釋碳量是固碳量的1.90倍[14]；由此可見(jiàn)，南寧的碳失衡程度與同處于西南地區(qū)的昆明市相當(dāng)，但是遠(yuǎn)小于內(nèi)陸地區(qū)鄭州市的碳失衡程度。

5.4 南寧市碳源碳匯結(jié)構(gòu)變化的人文驅(qū)動(dòng)因子分析

從以上對(duì)南寧市碳源碳匯組成要素的固碳量和釋碳量的分析中可以看出，近 3 年南寧市各自然生態(tài)系統(tǒng)的固碳量雖然有所增加 ，主要原因是雖然從 2016年開(kāi)始南寧在全市范圍了開(kāi)展了一系列節(jié)能減排工作目標(biāo)任務(wù)，實(shí)施了大量的生態(tài)治理和生態(tài)恢復(fù)政策和工程; 但是持續(xù)增長(zhǎng)的人口生產(chǎn)生活需要導(dǎo)致建設(shè)用地增長(zhǎng)過(guò)快，占用大量林地和耕地，以致 于全市碳匯組成要素的固碳量增長(zhǎng)緩慢。在快速城市化的南寧地區(qū)碳匯對(duì)碳源的抵消作用很弱。另一方面，近年來(lái)南寧市釋碳量增長(zhǎng)速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于固碳量，碳源結(jié)構(gòu)中能源消費(fèi)增長(zhǎng)仍然是碳排放增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力，與發(fā)達(dá)國(guó)家的能源結(jié)構(gòu)相比，低碳能源利用在南寧市能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占比例太低。南寧市能源消費(fèi)主要以煤炭占較大比重，占能源消費(fèi)總量的 60% 以上。

圖4 南寧市能源消耗排放及GDP的變化征

從圖4來(lái)看，近3年南寧市GDP增速和碳排放總量逐漸放緩，能源消耗總量在驟然提升，由原來(lái)的473萬(wàn)t增加至471萬(wàn)t，增幅為7.8%，表明南寧市的能源消耗結(jié)構(gòu)中低碳能源的比例在不斷增長(zhǎng)。廣西是木薯種植的大省，木薯種植的面積和產(chǎn)量占全國(guó)60%以上，木薯作為乙醇汽油制作的來(lái)源，是自然碳循環(huán)中的清潔能源；從圖5看，南寧市碳排放強(qiáng)度由2016年的0.89t/萬(wàn)元降低至0.82萬(wàn)元，年均下降為2.6%，遠(yuǎn)低于全國(guó)碳排放強(qiáng)度水平(49.4%)，表明在城市化的快速擴(kuò)展過(guò)程中，南寧市響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召，在經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整、能源利用效率、技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)等方面都有明顯的改善，因而產(chǎn)生一系列節(jié)能效應(yīng)，成為節(jié)能減排的主要驅(qū)動(dòng)力。

圖5 南寧市能源強(qiáng)度和碳排放強(qiáng)度變化特征

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要聚焦城市碳源碳匯主題，總結(jié)前人已有研究經(jīng)驗(yàn)，在城市范圍內(nèi)進(jìn)行碳源碳匯結(jié)構(gòu)演變分析，總結(jié)影響南寧市碳源碳匯的人文驅(qū)動(dòng)因素，以期為南寧市節(jié)能減排工作提供科學(xué)的參考，以及為城市碳源碳匯主題研究提供研究思路。