基于统计数据郑州市全口径碳汇估算研究

李源清， 张晓东， 胡 娜， 任 歌,2，李美玲， 翟仲溪， 林 鸿,2

(1.郑州计量先进技术研究院，河南 郑州 450000； 2.中国计量科学研究院，北京 100029)

1 引 言

为应对二氧化碳对国际气候变暖[1～3]的影响，2020年9月22日，习近平总书记在七十五届联合国大会一般性辩论讲话中首次提出了“中国二氧化碳排放量争取在2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的“双碳”发展战略目标。自此以后，关于如何快速有效实现“双碳”目标成为了全国人民热议的焦点。随着《全国碳排放权交易管理办法(试行)》于2021年2月1日正式实施，我国成功建立起碳交易市场体系，表明“碳减排”和“碳汇”将成为衡量和检验“双碳”目标路径发展的重要参数。其中，“碳汇”作为实现“碳中和”目标的唯一方法，如何全面、准确、有效地实现“碳汇”估算，对国家和企业的长期战略发展、城市的生态评估具有重要意义。目前的“碳汇”估算研究主要关注全球或者大区域尺度范围(如陆地生态系统和海洋生态系统等)，其估算内容不全面，会造成“碳汇”估算结果的不准确(尤其是陆地生态系统)。例如，2020年10月28日发表在《Nature》上的相关研究就指出：2010—2016年我国估算的陆地生态系统年均CO2吸收量远低于此研究的估算结果(约11.1亿吨)[4]。这是因为目前我国的碳汇估算对象主要是森林资源(如乔木林、经济林、竹林等)和草地资源(如内蒙古草原)，但是还有许多城市区域的碳汇资源并未被计算在内[5]。以郑州市为例，其森林山地面积占39.73%，而农田和城建区面积则分别达到44.4%和15.87%，若不考虑农田和城市绿化碳汇资源(占比60.27%)，碳汇估算结果一定会被低估。因此，本研究旨在通过结合国家统计数据和不同类型的碳汇估算方法，计算评估郑州市全口径碳汇情况，分析说明农田和城市绿化等非森林碳汇资源对碳汇估算结果的影响情况，为制定全面、准确、有效的全口径碳汇估算方法提供数据基础。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

本文所用数据包括第七次(2007年)、第八次(2013年)和第九次(2018年)河南省森林资源清查数据；2018年郑州市农业情况统计年鉴数据，包含农作物产量、各县市农业生产条件、农业和化学情况；2018年郑州市园林绿化及环境卫生统计年鉴数据。

2.2 研究方法

本研究碳汇估算只考虑植被部分，均不考虑土壤碳库的变化。郑州市森林、农田和城市绿化碳汇估算分别采用生物量转换因子(biomass expansion factor，BEF)法、碳储量变化法[6,7]、农作物参数模型法[8,9]、光合速率法[10]。

2.2.1 郑州市森林碳汇计算方法

森林资源包括乔木林、疏四散林(疏林、四旁木和散林)、竹林、经济林和灌木林，森林碳汇计算公式为:

(1)

ΔCArbor/Sparse=∑[(V2018-V2013)×D×BEF×

(1+R+α+β)×CF]

(2)

ΔCBamboo=(A2018-A2013)×B×(1+α)×CF

(3)

式中：CForest为森林碳汇；ΔCArbor为2013～2018年5年乔木林碳储量变化；ΔCSparse为2013～2018年5年散生木、四旁树和疏林碳储量变化；ΔCArbor/Sparse为2013～2018年5年乔木林，或者散生木、四旁树和疏林碳储量变化；ΔCBamboo为2013～2018年5年竹林(经济林、灌木林)碳储量变化；V2018为2018年乔木林(疏四散)蓄积量；V2013为2013年乔木林(疏四散)蓄积量；D为木材密度，t/m3；BEF为生物量扩展因子；R为根茎比；α为凋落物占比；β为枯倒物占比；CF为含碳率；A2018为2018年竹林(经济林、灌木林)面积；A2013为2013年竹林(经济林、灌木林)面积；B为竹林(经济林、灌木林)单位面积生物量，t/hm2。具体计算参数信息[11,12]见表1。

表1 森林碳汇计算参数Tab.1 The calculation parameters of forest carbon sink

2.2.2 郑州市农田碳汇计算方法

农业生产过程受人为干扰较为明显，农田碳汇计算需考虑农业生产过程碳投入量，计算公式如式(4)所示。其中郑州市农业生产投入品主要为化肥、农药、农膜、柴油、翻耕、灌溉等，其碳排放系数[8]分别为每千克化肥排放0.860千克碳、每千克农药排放4.934千克碳、每千克农膜排放5.180千克碳、每千克柴油排放0.593千克碳、每公顷翻耕面积排放312.600千克碳、每公顷灌溉面积排放20.476千克碳。

(4)

式中：CFarmland为农业碳汇；μ为农作物的产量；W为农作物含水率；E为农作物经济系数；λ为农作物碳吸收率；U为农业生产投入品使用量；δ为农业生产投入品碳排放系数。

具体计算参数信息[8]见表2。

表2 农田碳汇计算参数Tab.2 The calculation parameters of farmland carbon sink

2.2.2 郑州市绿化碳汇计算方法

郑州市城市绿化主要包括乔木和灌木，另外城市绿化往往需要人工养护，同样应该考虑养护碳投入，因此城市绿化计算公式为：

(5)

表3 城市绿化碳汇计算参数Tab.3 The calculation parameters of urban green carbon sink

表4 城市绿化碳排放计算参数Tab.4 The calculation parameters of urban green carbon emission

3 结果与分析

本文假设2018年森林不同类别占比与2013年一致，根据河南省第七次森林资源连续清查结果和张亚龙给出的2013年郑州市森林资源清查结果[11]，推算出2018年第九次郑州市森林资源情况。森林碳汇计算结果如图1所示，2018年郑州市森林碳汇量约为21.68万吨，乔木林和疏四散林碳汇量占比较大，而竹林、经济林和灌木林的占比极少。其中，灌木林和经济林碳汇能力表现为负值，表明2018年期间灌木林和经济林的碳储量不增反减，这是因为2013～2018年郑州市的灌木林和经济林面积每年递减[11]。2018年乔木林和疏四散林的碳汇量分别达到约14.3万吨和7.59万吨，约占森林碳汇的65.94%和35.00%。其中，森林地上部分、地下部分、凋落物和枯倒物的碳汇量分别为约16.02万吨、3.94万吨、1.38万吨、0.31万吨，约占森林碳汇的73.99%、18.22%、6.36%和1.43%。凋落物和枯倒物虽然占比较少，但是仍有约1.69万吨，估算全口径森林碳汇时，仍然不能省略此部分。由于郑州市的山地面积(天然林覆盖面积)较少，导致郑州市森林组成主要是以杨树为代表的人工林，因此郑州市乔木林优势树种碳汇排名由大到小分别为杨树、泡桐、栎类、刺槐、硬阔、柏木、软阔、油松、榆树，其中杨树、泡桐、栎类和刺槐4种合计13.51万吨，占森林碳汇一半以上，约为62.35%。

图1 2018年森林碳汇Fig.1 2018 carbon sink of forest

郑州市地处华北平原，农作物主要以冬小麦和夏玉米轮作种植，2018年郑州市小麦和玉米的固碳量合计约为106.89万吨，农田碳汇贡献度为73.19%(见图2)。郑州市周边县区(如中牟县)靠近市区，常年从事瓜果、蔬菜等经济作物的种植，因此，郑州市的瓜果和蔬菜固碳量次之，约为56.08万吨，农田碳汇贡献度为38.37%。另外，淮河的多条支流经过郑州市域，通常河边区域沙土为主，适合种植花生和红薯等农作物，因此，花生和红薯的固碳量排名第三，约为12.79万吨，农田碳汇贡献度为8.76%。其他农田碳汇资源如谷子、豆子、烟叶、棉花、芝麻等固碳量较少，不做讨论。如图2所示，农业生产过程投入品碳排放由大到小分别为化肥、翻耕、农膜、柴油、农药、灌溉，其中化肥、灌溉、农膜的碳汇贡献度占绝大部分，约为-27.96万吨(占-19.14%)，因为小麦和玉米在种植之前需要进行大规模的土地翻耕，而在种植过程中又需要施用大量的化肥。此外，由于周边县区通常以温室大棚的形式进行水果、蔬菜的种植，需要用到大量农膜搭建温室大棚。

图2 2018年农田碳汇Fig.2 2018 carbon sink of farmland

郑州市绿化类型主要包括道路旁、公园、绿地等，树种类型多样，通常由乔木、灌木和草木自由组合。毛洁等[13]指出郑州市绿化乔木、绿化灌木、绿化草木三者之比约为5:4:1，由于绿化草木占比少、生物量少且生长周期短，对城市绿化碳汇影响较小，因此只考虑城市绿化乔木和灌木碳汇资源。目前缺少郑州市绿化资源统计信息，本文基于戈朋瑞[14]的研究计算出郑州市主要绿化乔木的株密度以及绿化灌木的平均面积密度(见表4)。相比农田碳排放，郑州市绿化养护碳排放量相对较少，约为0.056万吨，对郑州城市绿化碳汇贡献度约为-0.25%(图3)。虽然郑州市绿化灌木数量较多，占郑州市绿化树种数量的40%，但是由于灌木株高较低导致生物量含量不高，最终2018年郑州市绿化灌木固碳量约为2.92万吨，城市绿化碳汇贡献度约为12.77%。郑州市绿化乔木整体固碳量较高，但是城市绿化乔木主要树种之间的固碳量差别却不是很大，这主要是因为城市绿化设计讲究多元化[15,16]。乔木树种如栾树、银杏、悬铃木、女贞等功能类型相对比较单一，绝大多数用于道路边绿化带，因此，随着郑州市中心城区的不断扩展，2018年栾树、银杏、悬铃木和女贞等树种的固碳量约12.85万吨，城市绿化碳汇贡献度约为56.16%。其它绿化乔木树种多用于园林绿化，彼此间的数量差距较小导致树种固碳量差距不明显。

图3 2018年城市绿化碳汇Fig.3 2018 carbon sink of urban green

郑州市2018年全口径碳汇总量约为190.62万吨(见图4)，其中森林碳汇量21.68万吨、农田碳汇量146.05万吨、城市绿化碳汇量22.89万吨。由于郑州市碳汇资源的组成结构差别较大，占郑州市域面积44.4%的农田贡献了郑州市76.61%碳汇量，而城市绿化和森林碳汇相差不大，分别占12.01%和11.38%。其中农业产生的秸秆约占农田碳汇的50%，若采用焚烧等方式进行处理的话，会造成农业碳汇量的缩水。综上所述，郑州市的碳汇总量主要来自农田，森林和城市绿化占比相对较少，若只估算森林资源，郑州市碳汇结果将被低估约88%。因此，对郑州市进行碳汇估算时，不能够只针对森林部分，需要同时对农田、森林和城市绿化3个方面进行全口径碳汇估算。

图4 2018年郑州市全口径碳汇Fig.4 2018 all carbon sink resources of Zhengzhou

4 结 论

(1) 郑州市地处平原，农田资源较多(即使扣除秸秆焚烧碳排放)，城市绿化面积逐年增加，森林碳汇量相对较少，因此，无论是碳汇核算还是城市生态评估，不应只针对林业资源，为提升碳汇准确度需对郑州市全口径碳汇进行估算。

(2) 本文基于相关统计数据进行碳汇估算研究，基础数据不够完善，一些参数采用平均值或借鉴相关研究结果，因此，估算结果存在误差。另外，生态系统年龄组成、结构组成非常复杂，碳汇估算通常没有真实值能应用于结果验证，因此碳汇估算的不确定度评估存在难点。

(3) 基于统计数据和参数的碳汇估算时间分辨率存在缺陷，往往需要进行大量的实地调研，工作量较大。城市区域的基础参数缺失情况严重，且没有考虑土壤碳库变化，未来应建立城市区域内具有代表性的生态系统通量站点，结合相关模型或许能够实现准确、全面的高时空分辨率城市碳汇估算。