甘肃省2000—2009年碳循环研究

肖 玲，赵先贵，栾建伟

(陕西师范大学旅游与环境学院，西安 710062)

0 引言

最新研究表明，自工业化革命以来由于以CO2为主的温室气体排放量的不断增加，未来100年全球气候有进一步变暖的趋势，而且将对自然生态系统和社会经济产生更为显著的负面影响［1－2］。由于对全球生态安全具有重要的现实意义，碳循环成为全球变化领域新的研究热点之一［3］。据近年来对碳循环研究发现，日前己知的碳汇与碳源不能达到平衡，存在一个很大的碳失汇［4］。国外有关碳循环的研究很多，涉及到不同时空尺度的碳循环过程中的主要碳储量和通量的空间格局和时间变化等［5］。在国内，匡耀求等评估了2005—2008年广东省碳源与碳汇现状并分析了增加碳汇的潜力［6］，赵敏研究了上海市的碳源和碳汇［3］。总体上看，前人的研究从地域上偏重于东部，且研究工作多是针对某一年的静态研究，动态和预测的研究很少。中国西部省域的碳平衡研究未见报道。本研究以中国西部的甘肃省为例，定量研究了其2000—2009年间碳源与碳汇动态变化以及碳源与碳汇平衡问题，预测了碳源与碳汇发展的趋势。其研究结果对甘肃省制定碳减排、碳增汇的生态系统管理对策具有一定参考价值。

1 研究方法

1.1 研究区概况

甘肃省地处中国西北内陆地区，位于北纬33°11'～42°57'、东经 92°13'～108°46'之间，东接陕西，东北与宁夏毗邻，南邻四川，西连青海、新疆，北靠内蒙，并与蒙古人民共和国接壤。全省总面积45.4万 km2，总人口2 628万人。甘肃省自然条件复杂，大部分地区气候干燥，属大陆性很强的温带季风气候，省内年平均气温在0°C ～16°C 之间，年降水量36.6 ～734.9 mm，气温差别较大，日照充足。

1.2 碳源的测算方法

根据UNFCCC(联合国气候变化框架公约)对温室气体“源”的定义［3］。综合各种区域碳源的评估方法，本研究的碳源包括全省在化石燃料燃烧、工业生产过程、土壤呼吸、人畜呼吸和生物质转化方面的CO2排放。

1.2.1 化石燃料燃烧的碳排放。化石燃料的燃烧所排放的CO2是重要的人为排放源，计算方法为:

式中:A为某种化石燃料所排放的CO2量;C为某种化石燃料的消费量;Cd为某化石燃料的单位CO2排放量，均以t为单位。Cd参照谢鸿宇等的各种单位化石能源(1 t)的生态足迹表［7］。

1.2.2 工业生产过程的碳排放。考虑到工业生产过程中由燃料燃烧所释放的CO2量已在化石燃料的计算中所包含，所以对工业生产过程CO2排放只计算水泥和石灰等原料分解转化而释放的CO2量［8］。据测算，每生产1 t水泥会产生0.815 t的 CO2，其中0.39 t为燃料燃烧产生的，0.425 t是由原料的分解产生的［9］。每生产1 t石灰大约产生1 t的由原料分解产生的CO2［10］。

1.2.3 土壤呼吸释放的CO2。土壤呼吸指土壤释放CO2的过程。依据孙向阳等对温带森林土壤呼吸的研究，取不同林种的平均值 2.507 kg/(m2·a)［11］。考虑到干旱荒漠草甸和高寒草甸是甘肃省的两种最主要的草地类型［12］，故依据鲍芳等对草原土壤呼吸研究的结果，按其对应面积比例取这两种草地类型的加权平均值作为甘肃省整个草地土壤呼吸速率1.163 kg/(m2·a)［13］。鉴于目前农田土壤呼吸量的研究结果之间的差异较大，而甘肃省的耕地以旱地为主，故这里根据郭李萍等研究的结果取1.095 kg/(m2·a)［14］。甘肃省城市绿地主要由草地和城市林地构成，其中城市林地的主要林分为落叶林，故取两者的平均值为1.650 kg/(m2·a)。考虑到甘肃省荒漠面积较大而不能忽略其土壤呼吸的碳排放，这里也将其考虑在内。根据高艳红等对腾格里沙漠东南缘流沙区的土壤呼吸研究结果，沙漠土壤呼吸的 CO2为 0.15 kg/(m2·a)［15］。

1.2.4 动物呼吸释放的CO2。动物呼吸也是一个较大的碳源，考虑到相关数据的缺乏和所占的比例，对于这部分的估算主要为人畜呼吸。其中，只计算人和人工饲养的大型家畜牛、马、羊、猪。参照陶在朴的不同动物呼吸的 CO2排放系数计算得到:人0.289 t/a，牛2.920 t/a，羊 0.237 t/a，马 2.190 t/a，猪 0.301 t/a［16］。

1.2.5 生物质转化释放的CO2。生物质转化主要计算了较大的碳排放源，如木材消耗、卷烟消费、沼气燃烧、秸秆燃烧等。

木材消费的CO2释放量(t/a)=木材净消费量(m3)×平均木材容积密度((t/m3)×总生物量与茎秆生物量之比×碳与干物质量之比，其中平均木材容积密度取0.4(t/m3)，总生物量与茎秆生物量之比取2.0，碳与干物质量之比取 0.45［6］。

卷烟消费的CO2排放=卷烟消费总量(箱)×卷烟碳排放系数，卷烟CO2排放系数为11 kg/箱。

沼气燃烧的CO2排放估算方法:沼气燃烧的CO2排放=沼气用户×年平均产气量×直接燃烧的CO2排放系数。王东红等对天水麦积区农户沼气的实测得到1座户用沼气池年产沼气375.36 m3左右［17］，直接燃烧的CO2排放系数为 1.14 kg/m3［18］。

农作物秸秆量的估算按:

式中:V为农作物秸秆总量(t);Yi为第i种作物产量(t);di为第i种作物草谷比(t/t);i为农作物品种，包括小麦、玉米和油料作物［19］;作物草谷比参照袁振宏的数据［20］。根据马洪儒等提供的中国农作物秸秆不同利用方式的数据可计算出44%作为传统的生活燃料，16%在田间地头被直接焚烧掉［21］，因此，将60%作为农作物秸秆的燃烧利用率。孙启祥等认为燃烧1 t农作物秸秆可向大气中排放1.6 t的CO2［22］，据此，农作物秸秆燃烧的 CO2排放量Q(t)计算方法可表示为

1.3 碳汇的测算方法

根据UNFCCC对温室气体“汇”的定义［3］，甘肃省主要的碳汇包括林地、草地、农田及城市绿地等各种植被固定CO2的作用。测算方法如下:

式中:Ci为第i类植被光合作用固定的CO2的量;Si为第i类植被的面积;mi为第i类植被相应的碳汇碳吸收系数。根据前人研究报道的各类碳汇碳吸收系数［23－24］，依据甘肃省各林分的比例计算出其加权平均值，即为林地碳汇系数;其他按甘肃省各类碳汇的特征以及碳汇功能的大小及对应土壤呼吸的大小作对比后取最合理接近的值，结果见表1。

表1 甘肃省各类碳汇碳吸收系数 kg/(m2.a)Tab.1 Coefficient of carbon absorbability of different carbon sink in Gansu Province kg/(m2.a)

1.4 数据来源

用于计算的数据主要来源于2001—2009年《甘肃统计年鉴》;2000—2010年的《中国统计年鉴》;甘肃省国土资源厅门户网站公布的当年数据。

2 结果与分析

2.1 碳源动态分析

表2 甘肃省2000—2009年主要碳源测算结果 亿tTab.2 Main carbon source in Gansu Province during 2000—2009 108t

根据上述计算方法，得到2000—2009年甘肃省主要碳源的计算结果(表2)。

从表2可以看出，甘肃省的碳源总量在2000年为4.294 7 ×108t/a，2009 年增加到5.630 7 ×108t/a，10 年间增加了31.11%。从增幅上看，增长最快的为特殊工业过程产生的碳源(128.75%)，其次是化石燃料燃烧(75.26%)，再次是生物质燃烧(32.62%)和土壤呼吸(20.39%)，最低的是人畜呼吸(13.18%)。从碳源的组成上看，以2009年为例，土壤呼吸占碳源总量的66.86%，其次为化石燃料(24.67%)，其它碳源由大到小依次为:人畜呼吸(5.38%)、生物质燃烧(1.76%)、特殊工业过程(1.33%)。

2.2 碳汇动态分析

根据上述碳汇的测算方法和各年的统计数据，得到2000—2009年甘肃省主要碳汇的计算结果(表3)。

表3 甘肃省2000—2009年主要碳汇测算结果 亿tTab.3 Carbon sink in Gansu Province during 2000—2009 108t

从表3可以看出，甘肃省碳汇总量在2000年为3.959 5 ×108t/a，2009 年增加到4.899 1 ×108t/a，10 年间增加了23.73%。从增幅上看，增长最快的为城市园林绿地(200%)，其次是林地(87.23%)，耕地和草地变化不大。从碳汇的组成上看，以2009年为例，草地和林地是碳汇的主要组成部分，分别占43.34%和40.63%，其次为耕地(15.81%)，而城市园林绿地、沙漠和戈壁所占的比重极小(＜1%)。

2.3 碳源碳汇平衡程度评估

甘肃省的碳源碳汇平衡状况见表4。

表4 甘肃省2000—2009年碳源碳汇平衡状况表 亿tTab.4 Balance condition of carbon source and carbon sink in Gansu Province during 2000—2009 108t

从表4看出，甘肃省近10年来碳源碳汇发展很不平衡，碳源增加的幅度远大于碳汇，碳失汇(碳源与碳汇的差值)逐年增加，从2000年的0.335 2×108t/a增加到2009年的0.731 6 ×108t/a，10年间增加了118.16%。

2.4 甘肃省碳源与碳汇的发展趋势预测

利用SPSS软件分析甘肃省2000—2009年碳源、碳汇的发展变化与时间(年份)之间的关系(表2、表3)，可以得到如下发展趋势预测模型:

式中:TY为碳源总量的预测值(104t/a，下同);R2为相关系数;ty1，ty2，ty3分别为化石燃料燃烧、土壤呼吸、特殊工业过程的CO2排放量的预测值;TH，th1分别为碳汇总量、林地碳汇的预测值;x为要预测的年份距2000年的年数(2000年为1)。

假设甘肃省未来几年内的能源消耗模式、土地利用方式等仍保持2000—2009年间的发展态势，则根据上述模型可以预测未来几年碳源、碳汇的发展趋势。根据上述模型预测，2015年甘肃省碳源总量将达到6.719 3×108t/a，其中，化石燃料燃烧的CO2排放量为1.967 3×108t/a;同期碳汇总量为5.548 7×108t/a，林地碳汇为2.634 7×108t/a;碳失汇将达到 1.170 6 ×108t/a。可见，如果不改变现有的发展模式，甘肃碳源碳汇失衡将不断加剧，碳安全面临更严峻的考验。

3 结论

(1)甘肃省碳源总量在2000年为4.294 7×108t/a，2009年增加到 5.630 7×108t/a，10年间增加了31.11%。从增幅上看，增长最快的为特殊工业过程产生的碳源(128.75%)，其次是化石燃料燃烧(75.26%)，再次是生物质燃烧(32.62%)和土壤呼吸(20.39%)，最低的是人畜呼吸(13.18%)。从碳源的组成上看，以2009年为例，土壤呼吸占碳源总量的66.86%，其次为化石燃料(24.67%)，其它碳源由大到小依次为:人畜呼吸(5.38%)、生物质燃烧(1.76%)、特殊工业过程(1.33%)。

(2)甘肃省碳汇总量在2000年为3.959 5×108t/a，2009年增加到 4.899 1×108t/a，10年间增加了23.73%。从增幅上看，增长最快的为城市园林绿地(215.14%)，其次是林地(87.27%)，耕地和草地变化不大。从碳汇的组成上看，以2009年为例，草地和林地是碳汇的主要组成部分，分别占43.34%和40.63%，其次为耕地(15.81%)，而城市园林绿地、沙漠和戈壁所占的比重极小(＜1%)。

(3)甘肃省近10年来碳源、碳汇发展很不平衡，碳源增加的幅度远大于碳汇，碳失汇逐年增加，从2000年的0.335 2 ×108t/a增加到2009年的0.731 6×108t/a，10 年间增加了 118.26%。

(4)根据甘肃省碳源、碳汇随时间变化的预测模型，预测甘肃省2015年碳源总量将达到6.719 3×108t/a，化石燃料燃烧的CO2排放量为1.967 3×108t/a;同期碳汇总量为5.548 7×108t/a，其中林地碳汇为2.634 7×108t/a;碳失汇将达到1.170 6×108t/a。可见，如果不改变现有的发展模式，甘肃碳源碳汇失衡将不断加剧，碳安全面临更严峻的考验。

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