南宁市碳源碳汇结构变化及人文驱动因素研究

2020-11-05任小明周慧杰郭嘉欢阮诗乔

绿色科技 2020年18期

任小明，周慧杰，郭嘉欢，阮诗乔

(南宁师范大学，广西南宁 530001)

1 引言

自工业革命以来，大气中二氧化碳( CO2) 的浓度持续升高，全球海平面不断上升。联合国政府间气候变化专门委员会( IPCC) 第五次评估报告指出，人类活动导致的大气 CO2浓度上升是过去 100 年来气候变暖的主要驱动因子[1]。越来越多的证据表明，人类的活动是气候变化主导原因。根据国际能源署统计数据，2007 年中国已超过美国成为全球第一大CO2排放国[2]。碳作为自然界基本的元素，始终贯穿于地球表层系统的物质能量循环的全过程，是决定全球气候和环境变化的基本要素之一。碳源通常是指产生二氧化碳之源，碳汇主要是指森林吸收并存储二氧化碳多少的能力。人类活动致使“碳源”增加，“碳汇”缩小，引发全球范围内物质能量循环失衡，处于一种“碳亏”的状态；从研究范围尺度来看，国内外学者研究的范围主要集中在国家[3]、区域[4，5]、省域范围[6～8]，少量学者在市域范围之下有相关研究；从研究内容来看，主要是从碳源碳汇的结构特征、空间演变、区域差异等方面进行。由于自然地理条件和人文活动的不同，地区间的碳源碳汇时空变化过程与影响因素存在较大的差异。城市作为人口、经济活动高度密集地，是碳排放的主要场所[9]。

2 研究模型的建立

2.1 碳汇估算模型的建立

在城市范围内，碳汇是指植物通过光合作用吸收 CO2，并从大气中清除碳的过程、活动或机制，由森林、农田、湿地、草地等不同植被类型为主构成的自然生态系统完成。结合实际，本文拟在模型构建中主要考虑城市中发挥碳汇功能的土地类型，具体分为林地、城市园林绿地、耕地、园地、草地、以及湿地，其中林地细分为有林地、疏林和灌木林地、未成林造林地、迹地。计算过程主要采用清单计算法，即提取单位面积转化系数，再乘以不同类型生态系统面积。具体计算公式如下:

(1)

式(1)中:SC为城市区域自然生态系统的固碳总量 ( t/年) ；α表示第j类自然生态系统的单位面积年固碳量 ( t/hm2·年) ；Aj为第j类自然生态系统的总面积 ( hm2) 。

2.2 碳源估算模型的建立

在城市根据 IPCC全球温室气体排放清单研究相关成果[1]，以及中国《城市温室气体清单研究》[10]，本模型构建中对于向大气释放 CO2的行为即碳源组成除了能源消费，还包括工业中的水泥生产、木材消费行为，以及人类和牲畜的呼吸、土壤呼吸等主要过程。社会经济活动的排碳量计算主要依靠统计数据和已有文献的碳当量转化系数。计算公式如下:

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

(2)

式(2)中:Rc为城市年释碳总量 ( t/年) ；DS为城市土壤及水面呼吸年排放碳总量 ( t/年) ；DE为城市能源消费年排放碳总量 ( t/年) ；DP为城市人体及主要牲畜呼吸年排放碳总量 ( t/年) ；DM为水泥生产年排放碳总量 ( t/年) ；DW为木材生产年排放碳总量 (t/年)。

式中各项因子的计算公式具体如下:

(3)

(4)

DP=CP+CZ+CQ

(5)

DM=CM+M

(6)

DW=DW+W

(7)

式(3)～(7)中:V为土壤 ( 或水面) 平均呼吸速率 ( t/hm2·年)[15]；i为植被类型；DSA为植被类型 (或水面) 的面积 ( hm2) ；Ei为能源j的消费量(t标准煤)；j为能源种类;F|i为能源碳排放系数(t/t) ；CP为人体呼吸的碳释放量 (t/年) ；CP= 年人口总数 (人)× 每人每年呼吸的碳释放量；CZ为猪呼吸的碳释放量(t/年)；CZ= 年均饲养牲猪总数 (头) × 每头猪每年呼吸的碳释放量；CQ为其它大牲畜呼吸的碳释放量(t/年)；CQ= 年均饲养其他大牲畜总数(头)×其它大牲畜每头每年呼吸的碳释放量。CM为年水泥生产量(t)；M为水泥生产碳排放系数。CW为年木材净消费量(m3) ；W为木材消费碳排放系数。

2.3 碳平衡评价模型的建立

城市的碳收支平衡模型即是指通过分析碳源碳汇数据比例关系，来综合判断释碳与固碳之间的相互关系。这样能够从宏观的角度认识人类碳排放行为结果是否为自然界生态系统所完全吸收[9]，从而根据碳平衡系数和碳供需余缺来指示城市复合生态系统碳平衡的状态，计算公式如下:

Ec=Rc/Sc

(8)

Uc=Rc-Sc

(9)

式(8)、(9)中:EC代表碳平衡系数，表示当年城市复合生态系统释碳量与自然生态系统所能支持的固碳量的比例；UC代表碳供需余缺，表示释碳量与固碳量的差值；Rc、Sc的意义同上文。因此，当EC> 1，或UC> 0，表示释碳量大于固碳量; 当EC< 1，或UC< 0，表示释碳量小于固碳量；当EC= 1，或UC= 0，表示释碳量等于固碳量，即碳收支处于平衡状况。考虑到全球年能耗 ( 煤炭、石油) 释放的 CO2有 1 /3 进入大气，1 /3 被海洋吸收，1 /3 固定在陆地生态系统中[11]，故设定释碳量的 1 /3 作为城市复合生态系统碳平衡的目标。

3 研究区域概况

南宁市位于广西壮族自治区南部偏西，是广西壮族自治区首府及广西政治、经济、文化中心，总面积 22112 km2，西南面与越南社会主义共和国毗邻。南宁市共辖7区5县，共84个镇、15个乡、3个民族乡、22个街道。截至2019年底，南宁常住人口781.97万人，其中市辖区常住人口449.23万人，南宁地区生产总值4506.56亿元，比2018年增长5.0%，全市森林覆盖率48.75%，城市建成区绿化覆盖率43.0%，绿地率38.1%，人均公园绿地面积11.5 m2。近年来，由于城市化的快速扩张，人口和建成区的面积在不断增长，城市自然景观逐步被人文景观所取代，人类干扰活动由弱逐渐加强，城市复合生态系统过程受到了威胁(图1)。

图1 研究区示意

4 数据来源

本研究碳汇估算模型中南宁市各种林地、耕地、园地、草地面积主要来源于中国科学统计出版社的《南宁市统计年鉴》鉴收集获得，部分数据获得还参考了南宁市《土地利用总体规划》文本，以及相关学者对于土规的研究成果。模型中湿地范围主要是考虑河流、湖泊、水库、坑塘、泥炭地。此部分湿地统计面积政府并未公开，数据来源主要根据文献调研获得的基础数据，再根据湿地分类数据调研后折算而来。城市园林绿地面积来源于中国统计出版社的《广西统计年鉴》。碳汇固碳系数主要来自于相关学者的研究成果整理得到。研究中碳源模型的能源消费、水泥生产、木材消费行为，以及人类和牲畜的呼吸统计数据来源于《南宁市统计年鉴》，模型中能源消耗用到碳排放系数来源于2015颁布的《省级温室气体清单编制指南》(发改办气候[2011]1041号)，以及国家颁发的《综合能耗计算通则》(GB/T 2589-2008)标准整理得到，其他碳排放系数则参考IPCC排放计算指南，根据折标准煤参考系数换算得来。在进行能源消费统计时注意产生碳排放的为能源终端消费量 ( 均订正为标准量) ，其中能量单位原始数据以 J 为单位，为使统计数据单位一致，将其全部转化成标准煤，具体转化系数为 1× 104t 标准煤等于 2.932 × 105GJ。水泥生产量、人口及牲畜均来自《南宁市统计年鉴》，研究中的未注明出处的数据均为作者自绘。

5 研究结果

据(1)式，将统计好的南宁市各项数据代入，得到南宁市各生态系统固碳量，结果见表1～4。

表1 南宁市碳汇估算模型中的主要参数值 t/hm2年

表2 南宁市碳源估算模型中的主要参数值

5.1 南宁市碳汇固碳量结果分析

从统计结果来看，2016～2018年南宁市各生态系统固碳量总体趋势呈现增长的趋势，但年均变化幅度较小，近3年来基本持平。2016年固碳总量为2595.36万t，2016～2017年增长26.39万t，2017～2018年增长17.74万t，年均增长率0.85% 。从固碳结构数据来看，林地和耕地固碳量分别占总量67%和27%，占全市碳汇固碳总量的绝大部分，草地、湿地固碳量相对较少。总的来说，这3年来南宁市各生态系统的固碳总量增长较为缓慢(图2)。

5.2 南宁市碳源的释碳结果分析

根据(2)～(7)公式的计算结果，南宁市2016～2018年由于各种社会活动引起的释碳量和自然生态系统呼吸释碳量的计算结果见表4。从表中可知，南宁市2016～2018年燃煤、其他能源消耗、木材消费、人呼吸、猪呼吸释碳量略微有所增长，燃油、水泥生产、其他大牲畜呼吸、土壤及水面呼吸释碳量轻微下降，释碳总量基本保持不变。其中，2016年释碳总量为3302.07万t，2016～2017释碳增长了55.27万t，2017～2018年释碳减少了55.42万t，总量的变化幅度约1.5%，呈现出波动变化的结构趋势。从释碳排放结构来看，南宁市主要的释碳来自于能源消耗、土壤呼吸、水泥生产、木材消耗。其中，能源消耗的主体是燃煤，占到能源消耗结构的65%。

表3 2016～2018年南宁市碳汇固碳量情况 104 t

表4 2016～2018年南宁市碳源释碳量情况 104 t

图2 南宁市2016～2018年碳汇固碳结构统计

图3 南宁市2016～2018年各碳结构统计

5.3 南宁市碳平衡分析

根据上文公式(8)碳平衡系数计算结果(图 3) 可以看出，2016～2018 年南宁市碳平衡系数分别为:1.27、1.28 和 1.25，表示 2016年南宁市释碳量是固碳量的1.27倍，2017 年为 1.28 倍，2018 年为 1.25倍。可见，南宁的碳平衡系数大于1，表示南宁市碳失衡状况形势依然严峻。再从公式 (9) 供需余缺计算结果可以看出，南宁市碳供需余缺均为正值，表明释碳量远大于固碳量，而且 2016～2018 年差值越来越大，其中碳供需余缺 ( 释碳量 - 固碳量) 由 2016 年的706.71万t上升到了 2018年的 672.39万t。根据碳平衡评价模型的分析，这里设定将南宁释碳量的 1/3 作为其平衡目标，由计算分析可知，即使已经将南宁市的碳供需余缺乘以了 1/3，每年的碳供需余缺仍然达到了 (600 ～700)万t。根据同时期其他学者的研究,郑州 2010 年释碳量是固碳量的 5. 65 倍[13]；昆明市全市 2013年释碳量是固碳量的1.90倍[14]；由此可见，南宁的碳失衡程度与同处于西南地区的昆明市相当，但是远小于内陆地区郑州市的碳失衡程度。

5.4 南宁市碳源碳汇结构变化的人文驱动因子分析

从以上对南宁市碳源碳汇组成要素的固碳量和释碳量的分析中可以看出，近 3 年南宁市各自然生态系统的固碳量虽然有所增加，主要原因是虽然从 2016年开始南宁在全市范围了开展了一系列节能减排工作目标任务，实施了大量的生态治理和生态恢复政策和工程; 但是持续增长的人口生产生活需要导致建设用地增长过快，占用大量林地和耕地，以致于全市碳汇组成要素的固碳量增长缓慢。在快速城市化的南宁地区碳汇对碳源的抵消作用很弱。另一方面，近年来南宁市释碳量增长速度却远远大于固碳量，碳源结构中能源消费增长仍然是碳排放增长的主要驱动力，与发达国家的能源结构相比，低碳能源利用在南宁市能源消费结构中所占比例太低。南宁市能源消费主要以煤炭占较大比重，占能源消费总量的 60% 以上。

图4 南宁市能源消耗排放及GDP的变化征

从图4来看，近3年南宁市GDP增速和碳排放总量逐渐放缓，能源消耗总量在骤然提升，由原来的473万t增加至471万t，增幅为7.8%，表明南宁市的能源消耗结构中低碳能源的比例在不断增长。广西是木薯种植的大省，木薯种植的面积和产量占全国60%以上，木薯作为乙醇汽油制作的来源，是自然碳循环中的清洁能源；从图5看，南宁市碳排放强度由2016年的0.89t/万元降低至0.82万元，年均下降为2.6%，远低于全国碳排放强度水平(49.4%)，表明在城市化的快速扩展过程中，南宁市响应国家节能减排号召，在经济结构调整、能源利用效率、技术进步和产业升级等方面都有明显的改善，因而产生一系列节能效应，成为节能减排的主要驱动力。