魏寧寧 ，云立新 ，黨曉虹，林奕冉

（1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 人文社會(huì)科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266109；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 鄉(xiāng)村振興研究院，山東 青島 266109；3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 公共管理學(xué)院，江蘇 南京 210095）

改革開放以來，我國(guó)經(jīng)歷著并且仍然進(jìn)行著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速增長(zhǎng)[1]，GDP 從1978 年的3 678.7 億元增加到2021 年的1 143 670.0 億元，城鎮(zhèn)化率從1978 年的17.92%增加到2021 年的64.72%?？焖俚墓I(yè)化和城鎮(zhèn)化在帶來我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)的同時(shí)，也帶來能源需求增加和二氧化碳排放量快速增長(zhǎng)等挑戰(zhàn)。根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）2013 年的數(shù)據(jù)，到2040 年，全球能源消費(fèi)平均將繼續(xù)增長(zhǎng)56%，每年增長(zhǎng)2%導(dǎo)致每25 年能耗翻一番。而與此同時(shí)，更多的農(nóng)用地被征收用于建造房屋、廠房、基礎(chǔ)設(shè)施以及填埋固體廢棄物，而這些土地原本是用于耕地、林地和草地等起“碳匯”“氧吧”作用的生態(tài)用地。一方面，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展導(dǎo)致大量二氧化碳的排放和消耗大量氧氣，另一方面，生態(tài)用地的不斷減少導(dǎo)致二氧化碳固定量和氧氣釋放量不斷減少，一旦碳氧平衡被打破，將會(huì)造成全球性的生態(tài)危機(jī)，影響世界各個(gè)國(guó)家和地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展[2]。中國(guó)作為處于快速化發(fā)展階段和能源消耗占比較大的國(guó)家，已多次向國(guó)際社會(huì)提出降低碳排放強(qiáng)度承諾[3]。2022 年政府工作報(bào)告指出，要有序推進(jìn)碳達(dá)峰和碳中和，出臺(tái)碳達(dá)峰行動(dòng)方案，啟動(dòng)全國(guó)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)。因此，對(duì)我國(guó)社會(huì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)的碳氧平衡分析，可為土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置以及不同區(qū)域間生態(tài)補(bǔ)償和碳排放交易等提供指導(dǎo)，同時(shí)對(duì)可持續(xù)發(fā)展和全球氣候變化研究具有重要意義。

目前，有關(guān)碳氧循環(huán)的研究主要集中在碳匯和碳足跡兩個(gè)方面。碳匯研究主要關(guān)注陸地自然生態(tài)系統(tǒng)的碳固定過程，模型主要包括統(tǒng)計(jì)模型和過程模型，統(tǒng)計(jì)模型是基于植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（net primary productivity，NPP）建立回歸方程[4]，例如OBM模型[5]和MIAMI模型[6]等；過程模型基于植被生理生態(tài)學(xué)理論，建立自然生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的相互關(guān)系，例如InTEC 模型[7]和SiB 模型[8]等。碳足跡研究則更多地關(guān)注于社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的碳排放，評(píng)價(jià)模型則是以Life-cycle assessment（LCA）模型及其改進(jìn)型Input-output LCA（IO-LCA）為基礎(chǔ)[9]，例如HUGHES 等[10]計(jì)算了加拿大新斯科舍省城市居民的CO2排放量，王珊珊等[11]基于生命周期模型計(jì)算了中國(guó)人造板產(chǎn)業(yè)碳排放量，黃和平等[12]計(jì)算了江西婺源篁嶺景區(qū)的碳足跡。然而，以往的碳氧循環(huán)研究把自然生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)孤立起來對(duì)待，碳匯研究更多關(guān)注自然生態(tài)系統(tǒng)的碳固定，碳足跡研究關(guān)注的是社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的碳排放，本文把自然生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)結(jié)合起來，從排碳固碳、耗氧釋氧角度評(píng)估社會(huì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)是否處于良性循環(huán)狀態(tài)。研究是建立在以下假設(shè)：社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行需要消耗環(huán)境中的氧氣同時(shí)排放二氧化碳，而自然生態(tài)系統(tǒng)可以固定環(huán)境中的二氧化碳并向環(huán)境中釋放氧氣，因此，可以借助碳氧，把社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)合起來，從碳氧平衡角度評(píng)估社會(huì)生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)是否處于良性循環(huán)狀態(tài)。

1 研究方法

1.1 社會(huì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)碳氧循環(huán)過程

本研究將社會(huì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)的碳氧循環(huán)過程分為兩部分：社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)引起的各種排碳、耗氧過程；自然生態(tài)系統(tǒng)的固碳、釋氧過程（圖1）。社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)引起的排碳、耗氧過程主要考慮人體呼吸、工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)（水泥）和能源消耗3 個(gè)方面；自然生態(tài)系統(tǒng)是固碳重要的“匯”，也是釋氧唯一的“源”，綜合相關(guān)學(xué)者對(duì)生態(tài)用地的概念和分類的研究結(jié)果[13-15]，本文主要考慮林地、草地、耕地、園地、水域5 種生態(tài)用地的固碳釋氧功能。

圖1 社會(huì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)碳氧循環(huán)過程示意圖

1.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)排碳耗氧計(jì)算模型

社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的排碳量、耗氧量計(jì)算模型如表1、表2 所示。

表1 排碳量計(jì)算模型

表2 耗氧量計(jì)算模型

1.3 自然生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧計(jì)算模型

自然生態(tài)系統(tǒng)的固碳量、釋氧量計(jì)算模型見表3。

表3 固碳釋氧量計(jì)算模型

1.4 碳氧平衡模型

社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中由于人們的生活和生產(chǎn)活動(dòng)會(huì)排放二氧化碳和消耗氧氣，而自然生態(tài)系統(tǒng)會(huì)固定二氧化碳和釋放氧氣[13]。因此，社會(huì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)中排碳和固碳之間，耗氧和釋氧之間會(huì)存在平衡系數(shù)，碳平衡系數(shù)和氧平衡系數(shù)如下所示：

式（1）、（2）中：BCC為碳平衡系數(shù)，BCO為氧平衡系數(shù)，分別代表區(qū)域社會(huì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)中碳排放量和碳固定量之比；氧消耗量和氧釋放量之比。如果BCC與BCO小于或等于1，則表示區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)碳排放量能夠被自然生態(tài)系統(tǒng)完全吸收，自然生態(tài)系統(tǒng)的氧釋放量能夠滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的需求，碳氧處于平衡狀態(tài)，社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)處于良性循環(huán)；反之，如果BCC與BCO大于1，則表示區(qū)域社會(huì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)處于碳氧失衡狀態(tài)；如果BCC大于1，BCO小于或等于1，則表示區(qū)域社會(huì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)處于碳失衡狀態(tài)；如果BCC小于或等于1，BCO大于1，則表示區(qū)域社會(huì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)處于氧失衡狀態(tài)。

1.5 數(shù)據(jù)來源與處理

實(shí)證研究中主要測(cè)算中國(guó)2000—2020 年排碳耗氧量、固碳釋氧量以及碳氧平衡狀況，由于數(shù)據(jù)收集原因，碳氧平衡實(shí)證分析中不包括香港、澳門和臺(tái)灣地區(qū)。所需數(shù)據(jù)主要來自如下：①能源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。來源于2001—2021 年《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》、2001—2021 年《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》。②各類生態(tài)用地面積數(shù)據(jù)。來源于2001—2021年《國(guó)土資源統(tǒng)計(jì)年鑒》、2001—2021 年《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》，各省份2001—2021 年統(tǒng)計(jì)年鑒和自然資源部等相關(guān)網(wǎng)站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。③參數(shù)系數(shù)。煤炭、石油和天然氣等能源的標(biāo)準(zhǔn)煤折算系數(shù)，煤炭、石油和天然氣等能源的二氧化碳排放系數(shù)，水泥生產(chǎn)的排碳系數(shù)，氧元素、碳元素、氫元素、二氧化碳之間的物質(zhì)的量之比，各種用地類型的單位面積年均固碳釋氧量等，這些參數(shù)系數(shù)來源于IPCC 2006 年報(bào)告及相關(guān)研究文獻(xiàn)[16-23]。各類參數(shù)值詳見表4。

表4 碳氧平衡參數(shù)值

2 實(shí)證分析

2.1 社會(huì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)碳氧平衡動(dòng)態(tài)分析

2.1.1 社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)排碳耗氧量分析

表5 計(jì)算匯總了2000 年、2005 年、2010 年、2015年和2020 年我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)排碳量和耗氧量。結(jié)果顯示：①隨著我國(guó)人口的逐年增加，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，排碳總量和耗氧總量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。20年來，排碳總量增加了2.3 倍，從2000 年的42 億噸增長(zhǎng)到2020 年的138 億噸。耗氧量從2000 年的36 億噸增長(zhǎng)到2020 年的118 億噸，增加了2.3 倍。②我國(guó)排碳耗氧量主要來自化石能源燃燒，2000 年化石能源燃燒排碳量占到排碳總量的89%，且比重呈增加的態(tài)勢(shì)，到2020 年化石能源燃燒排碳量比重達(dá)到了95%；水泥生產(chǎn)排碳量占比最小，2000 年占比為2%，2020 年占比為2.2%。耗氧量中，2000 年化石能源燃燒耗氧量占到總耗氧量的92%，到2020 年達(dá)到了97%。③中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展是以化石能源大量消耗和環(huán)境污染為代價(jià)的，不符合可持續(xù)發(fā)展的理念。

表5 社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)排碳耗氧量匯總表單位：萬t/a

2.1.2 自然生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧量分析

通過固碳釋氧量估算模型及相關(guān)系數(shù)計(jì)算得出2000年、2005 年、2010 年、2015 年和2020 年我國(guó)自然生態(tài)系統(tǒng)的年固碳總量和年釋氧總量（表6）。

表6 自然生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧量匯總表單位：萬t/a

從表6 可以看出，林地是最主要的固碳釋氧生態(tài)系統(tǒng)，其次是草地生態(tài)系統(tǒng)和耕地生態(tài)系統(tǒng)。從單一用地類型固碳量變化來看，20 年來，林地面積呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)波動(dòng)變化，直接導(dǎo)致其固碳釋氧能力的下降和回升的動(dòng)態(tài)變化；同樣，20 年來，草地面積和耕地面積呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)波動(dòng)下降變化趨勢(shì)，其固碳量和釋氧量不斷減少；20 年來，園地面積有所增加，其固碳量和釋氧量分別增加了0.21 億噸和0.6億噸，但是，園地固碳釋氧的增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能補(bǔ)償林地和草地固碳釋氧的減少量；水域的固碳釋氧量變化不明顯。

2.1.3 社會(huì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)碳氧平衡分析

我國(guó)社會(huì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)碳氧平衡系數(shù)如表7 所示，由表7 可以看出，我國(guó)2000 年碳平衡系數(shù)為0.76，氧平衡系數(shù)為0.32，即我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的排碳量能夠被自然生態(tài)系統(tǒng)所吸收，耗氧量能夠被自然生態(tài)系統(tǒng)釋氧量所補(bǔ)償，此時(shí)，從碳氧平衡的角度看，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系是協(xié)調(diào)的。隨后，由于我國(guó)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，生產(chǎn)活動(dòng)造成大量的碳排放到大氣中，并消耗了空氣中大量氧，與此同時(shí)，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展引起土地利用快速變化，林地和草地生態(tài)系統(tǒng)面積減少，其固碳釋氧量大量減少，直接后果是社會(huì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)碳氧失衡。2005 年碳平衡系數(shù)為1.26，氧平衡系數(shù)為0.53，碳處于失衡狀態(tài)；2010 年碳平衡系數(shù)為1.65，氧平衡系數(shù)為0.68，碳的失衡進(jìn)一步加大；2015 年碳平衡系數(shù)為2.23，氧平衡系數(shù)為0.90，碳的失衡狀態(tài)進(jìn)一步惡化；2020 年碳平衡系數(shù)為2.64，氧平衡系數(shù)為1.08，不但碳的失衡狀態(tài)進(jìn)一步惡化，氧也處于失衡狀態(tài)。

表7 社會(huì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)碳氧平衡匯總表單位：萬t/a

2.2 社會(huì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)碳氧平衡空間分析

為進(jìn)一步了解我國(guó)社會(huì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)碳氧平衡的空間差異，分別測(cè)算出2020 年中國(guó)各省級(jí)行政單位的排碳耗氧量、固碳釋氧量、單位GDP 碳排放強(qiáng)度、單位GDP 耗氧強(qiáng)度以及碳氧平衡狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 2020年中國(guó)各省級(jí)行政單位碳氧平衡系數(shù)匯總表

中國(guó)各省級(jí)行政單位排碳耗氧量差異明顯，排碳量最多的是山東、河北、廣東、江蘇、河南5 個(gè)省份，其排碳量占排碳總量的31.90%，而排碳最少的西藏、青海、海南、寧夏、甘肅5 個(gè)省份，其排碳量只占總排碳量的3.17%。耗氧量最多的依然是山東、河北、廣東、江蘇、河南5 個(gè)省份，其耗氧量占總耗氧量的32.05%；而耗氧最少的西藏、青海、海南、寧夏、甘肅5 個(gè)省份，其耗氧量只占總耗氧量的3.19%。當(dāng)然，各省份的人口數(shù)有差異，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平也不一樣，排碳耗氧量會(huì)有差異。如果從單位GDP 碳排放強(qiáng)度和氧消耗強(qiáng)度來看，山西、寧夏、青海、貴州、新疆5 個(gè)省份的單位GDP 碳排放強(qiáng)度和耗氧強(qiáng)度是最高的，說明這5 個(gè)省份的經(jīng)濟(jì)發(fā)展依然依靠高耗能產(chǎn)業(yè)。

中國(guó)各省份的自然生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧能力差異明顯，內(nèi)蒙古、西藏、新疆、四川和黑龍江是固碳釋氧量最多的省份。當(dāng)然，固碳釋氧能力與各省份的土地面積、地形、地貌、植被和主體功能定位等有關(guān)，但是這從一個(gè)側(cè)面可以得出，固碳釋氧量大省犧牲自身的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，保有大量的林地、草地等生態(tài)用地，為全國(guó)大氣中的碳氧平衡做出了巨大的貢獻(xiàn)，理應(yīng)得到東部沿海發(fā)達(dá)地區(qū)的生態(tài)補(bǔ)償。

2020 年中國(guó)各省份中，社會(huì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)處于碳氧平衡狀態(tài)的只有內(nèi)蒙古、黑龍江、云南、西藏、甘肅、青海、新疆7 個(gè)省份，說明這7 個(gè)省份的社會(huì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)是良性循環(huán)的，不但自身排放的碳能夠被完全吸收，還能為其他排碳大省吸收多余的碳，是維持全國(guó)碳氧平衡的主要貢獻(xiàn)省份。碳失衡的省份有吉林、福建、江西、湖南、廣西、海南、四川、貴州、陜西9 個(gè)省份，這9 個(gè)省份的社會(huì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)處于氧平衡狀態(tài)，但是碳處于碳失衡狀態(tài)。在15 個(gè)碳氧失衡的省份中，碳氧失衡最嚴(yán)重的是上海，其排碳量是固碳量的153 倍，耗氧量是釋氧量的45 倍，說明上海環(huán)境負(fù)外部性非常嚴(yán)重，需要全國(guó)其他省份承擔(dān)環(huán)境成本。

3 結(jié)論與政策建議

3.1 結(jié)論

本文通過碳氧平衡模型的構(gòu)建，對(duì)2000 年、2005 年、2010 年、2015 年和2020 年我國(guó)排碳耗氧量、固碳釋氧量和碳氧平衡狀況進(jìn)行測(cè)度，同時(shí)空間對(duì)比分析了2020年我國(guó)各省份排碳耗氧、固碳釋氧量和碳氧平衡狀況的空間差異，得出以下結(jié)論：①我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)的排碳耗氧主要來源于化石能源燃燒，其次是人口呼吸，最后是水泥生產(chǎn)。②自然生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧主要依靠林地、草地和耕地，二十年來隨著我國(guó)林地、草地面積減少，其固碳釋氧能力大幅下降，雖然園地面積有所增加，園地固碳釋氧量增加，但其增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能抵消林地、草地固碳釋氧量的減少量。③2000 年我國(guó)碳氧處于平衡狀態(tài)，社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)為良性循環(huán)，隨后，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，排碳耗氧量劇增，我國(guó)自然生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧量不足以滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展，自然生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)之間的關(guān)系不協(xié)調(diào)，且不協(xié)調(diào)度逐漸加深。④中國(guó)各省級(jí)行政單位排碳耗氧量和固碳釋氧量差異明顯，排碳耗氧量最多的省份主要集中于我國(guó)東部沿海經(jīng)濟(jì)較好省份，而固碳釋氧量最多的省份主要位于我國(guó)中西部地區(qū)。中國(guó)各省級(jí)單元單位GDP 碳排放強(qiáng)度差異明顯，除了西藏外，其他30 個(gè)省份的單位GDP 碳排放強(qiáng)度高于世界平均水平（0.105 千克/元），與世界上主要發(fā)達(dá)國(guó)家相差甚遠(yuǎn)。全國(guó)只有7 個(gè)省份處于碳氧平衡狀態(tài)，9 個(gè)省份處于碳失衡狀態(tài)，另有15 個(gè)省份處于碳氧失衡狀態(tài)。

3.2 政策建議

從社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)排碳耗氧量和自然生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧量的巨大差距可以發(fā)現(xiàn)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)的關(guān)鍵在于“疏堵結(jié)合”，即控制社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的排碳耗氧量和提高自然生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧量。就排碳耗氧而言，化石能源燃燒是排碳耗氧的最主要部分。因此，一方面，應(yīng)轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，降低能耗水平，盡量減少化石能源的使用比例，尤其是原煤，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)用能清潔化。另一方面，教育引導(dǎo)居民綠色出行，較多乘坐公共交通出行，減少個(gè)人小汽車出行次數(shù)，同時(shí)，提高居民節(jié)約使用生活能源的意識(shí)。就固碳釋氧而言，盡快劃定各級(jí)行政單元的生態(tài)保護(hù)紅線、永久基本農(nóng)田、城鎮(zhèn)開發(fā)邊界等空間管控邊界，避免城鎮(zhèn)開發(fā)建設(shè)過度地侵占生態(tài)空間，對(duì)生態(tài)紅線區(qū)域加強(qiáng)保護(hù)與監(jiān)管。同時(shí)，進(jìn)一步實(shí)施退耕還林、退耕還草工程，擴(kuò)大固碳釋氧源的面積，從而提升生態(tài)用地固碳釋氧的能力。

經(jīng)濟(jì)發(fā)展不但影響到各省份內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，還會(huì)通過空間擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移，影響其他省份的生態(tài)環(huán)境。這表明生態(tài)環(huán)境的影響在空間上存在一定程度的省際轉(zhuǎn)移，探索出省際碳排放交易和碳氧平衡生態(tài)補(bǔ)償將是解決環(huán)境影響區(qū)際轉(zhuǎn)移問題的可取路徑。為了簡(jiǎn)化研究，本文只測(cè)算社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中主要的排碳耗氧活動(dòng)，并沒有把所有的活動(dòng)都考慮在內(nèi)，可能會(huì)與其他相似研究的結(jié)果存在一定的偏差。另外，碳氧平衡計(jì)算模型中涉及的相關(guān)系數(shù)，如生態(tài)用地固碳釋氧系數(shù)等，是借鑒已有研究成果，并未經(jīng)過實(shí)驗(yàn)獲取，這可能會(huì)在一定程度上影響評(píng)價(jià)結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用中要充分考慮各個(gè)方面的排碳固碳量和耗氧釋氧量等，從而更精確地測(cè)算碳氧平衡。