艾比湖流域能源消費(fèi)碳足跡與植被碳承載力研究

2014-09-22 10:36朱旻王讓會(huì)呂雅

湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年10期

朱旻+王讓會(huì)+呂雅

摘要：基于RS與GIS技術(shù)，利用遙感數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等多元數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)2008年艾比湖流域能源消費(fèi)碳足跡、植被碳承載力以及能源消費(fèi)碳?jí)毫εc赤字的空間可視化表達(dá)。結(jié)果表明，艾比湖流域2008年能源消費(fèi)總量為294.57萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，能源消費(fèi)碳足跡為33.01萬hm2，生產(chǎn)性土地生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力為303.8萬tC，植被碳承載力為45.76萬hm2，全流域平均能源消費(fèi)碳?jí)毫?.721，能源消費(fèi)碳赤字呈盈余，盈余量為12.75萬hm2。各市、縣的能源消費(fèi)碳足跡等因子由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的差異而差異明顯，空間差異性較大。

關(guān)鍵詞：能源消費(fèi)；碳足跡；植被碳承載力；GIS；RS

中圖分類號(hào)：X171.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0439-8114（2014）10-2278-05

Carbon Footprint of Energy Consumption and Carbon Capacity of Vegetation of Ebinur Lake Basin

ZHU Min1，2，WANG Rang-hui1，2，L？譈 Ya1

（1.School of Environmental Science and Technology，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China；

2.Key Open Laboratory ofTree Ring Physical and Chemical Research of China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China）

Abstract： Based on the technology of RS and GIS，data of remote sensing， statistical yearbook， climate in 2008 were used to achieve the spatial visualization of carbon footprint of energy consumption， carbon capacity of vegetation， carbon pressure and carbon deficit of energy consumption in Ebinur lake basin. The energy consumption of Ebinur Lake basin was 294.57×104 tons SCE and carbon footprint was 33.01×104 hm2. The NEP of Ebinur lake basin was 3.038×106 tC and carbon capacity was 45.76×104 hm2.The average carbon pressure in Ebinur Lake basin was 0.721 and the carbon deficit was -12.75×104 hm2. The carbon footprint， carbon pressure and carbon deficit in different cities and counties had a significant spatial difference because of the different structure of industries.

Key words： energy consumption； carbon footprint； carbon capacity of vegetation； GIS； RS

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAC23B01，2012BAD16B0305）；中國沙漠氣象科學(xué)研究基金項(xiàng)目（sqj2012006）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（“973”計(jì)劃）項(xiàng)目（2006CB705809）

以CO2為主要排放源的化石能源消費(fèi)和人類高強(qiáng)度的對(duì)可再生資源開發(fā)引起土地利用變化導(dǎo)致的以全球氣溫上升為主要表現(xiàn)形式的全球氣候變化嚴(yán)重威脅著全球可持續(xù)發(fā)展的腳步。未來100年全球變暖的趨勢(shì)還會(huì)進(jìn)一步加劇，將會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的負(fù)面影響[1-3]。因此，以探索人類活動(dòng)對(duì)地球碳循環(huán)的影響以及有效減少碳排放的途徑成為國際學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)問題[4-8]。碳足跡是目前國內(nèi)外普遍認(rèn)可公用的定量評(píng)價(jià)國家、區(qū)域碳排放強(qiáng)度的衡量標(biāo)準(zhǔn)，其中聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）提出的碳足跡計(jì)算方法是國際公認(rèn)的碳排放評(píng)估方法。隨著中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長，中國能源消費(fèi)大幅度的增長已引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，國際能源署（IEA）2007年11月發(fā)布的報(bào)告中稱，中國2007年的溫室氣體排放量已超越美國躍居世界第一，并且2010年以后中國的能源消費(fèi)量將超越美國成為世界第一大能源消費(fèi)國[9]?；诖耍姸鄬W(xué)者對(duì)中國的碳排放問題進(jìn)行了研究分析。張麗峰[10]從中國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)與碳排放的關(guān)系方面，并結(jié)合中國實(shí)際提出了減少碳排放的具體措施。孫建衛(wèi)等[11]以區(qū)域投入、產(chǎn)出分析為基礎(chǔ)，對(duì)中國碳排放足跡進(jìn)行了研究。楊蕾蕾等[12]對(duì)新疆1995—2007年耕地生態(tài)足跡、生態(tài)承載力進(jìn)行了研究并建立了生態(tài)超載指數(shù)（EOI）。

艾比湖流域位于中國西部干旱半干旱區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，自然環(huán)境相對(duì)惡劣，但有著豐富的礦產(chǎn)、石油、天然氣以及風(fēng)能、太陽能等可開發(fā)利用的清潔能源，是中國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的重點(diǎn)區(qū)域。近年來艾比湖流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，分析發(fā)展的可持續(xù)性尤為重要。本研究以新疆艾比湖流域?yàn)槔?，分析干旱區(qū)綠洲的能源消費(fèi)碳足跡、植被碳承載力的空間分布情況以及能源消費(fèi)碳?jí)毫εc赤字的空間分布特征，以期為新疆以及西部干旱半干旱區(qū)的未來可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1數(shù)據(jù)來源

本研究中的各市、縣能源消費(fèi)總量數(shù)據(jù)，各行業(yè)和人均生活消費(fèi)能源數(shù)據(jù)，各市、縣人口數(shù)據(jù)均來源于《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒2009》、《博爾塔拉自治州統(tǒng)計(jì)年鑒2009》、《伊犁哈薩克自治州統(tǒng)計(jì)年鑒2009》。研究中用于景觀分類的2008年7月2日至8月28日共7景Landsat5 TM影像以及1︰600 000 DEM數(shù)據(jù)均由國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)共享獲取，其中TM影像數(shù)據(jù)軌道號(hào)為146/28、146/29、147/29、144/29、144/30、145/28、145/29。2008年艾比湖流域每月250 m空間分辨率的NDVI數(shù)據(jù)采用由美國LPDAAC（Land process distributed active archive center）提供的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13Q1。艾比湖流域的溫度、降水以及太陽輻射量的空間化是通過對(duì)艾比湖流域及周邊13個(gè)氣象站點(diǎn)2008年氣象數(shù)據(jù)采用克里金插值法空間插值而來，站點(diǎn)數(shù)據(jù)均由中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)提供。

1.2能源消費(fèi)碳足跡的計(jì)算方法

能源消費(fèi)碳足跡是指能夠吸收掉化石能源燃燒所排放的碳所需要的生產(chǎn)性土地的面積，即碳排放的生態(tài)足跡[13]。一般通過計(jì)算能源消費(fèi)碳排放量與林地面積轉(zhuǎn)換系數(shù)的比值估算出能源消費(fèi)所需要的林地面積來表示碳足跡的強(qiáng)度[14]。具體模型[15]如公式（1）、（2）所示。

Cf==Ci/F（1）

C=（Qi×NCVi×Cei）（2）

式（1）、（2）中，Cf為能源消費(fèi)的碳足跡，hm2；C 為能源消費(fèi)的碳排放總量，t；F為碳排放量與林地面積的轉(zhuǎn)換系數(shù)，取6.49 t/hm2，其代表全球平均每公頃森林一年的碳吸收量為6.49 t/hm2；Ci為第i種能源消費(fèi)的碳排放量，t；i表示不同類型的能源；Qi為第i種能源消費(fèi)量，t；NCVi為第i種能源凈燃燒熱值系數(shù)，GJ/t；Cei為第i種能源碳排放系數(shù)，t/GJ。各類化石能源的轉(zhuǎn)化系數(shù)均采用IPCC（2006）的給定值。對(duì)于艾比湖流域電力消費(fèi)的碳排放量的計(jì)算先將電力消費(fèi)量轉(zhuǎn)化為煤炭發(fā)電的耗煤量再進(jìn)行計(jì)算，轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.495 9 kg/（kW·h）[16]。

1.3基于多元數(shù)據(jù)的區(qū)域植被碳承載力的估算

當(dāng)前對(duì)碳承載力定義為某一地區(qū)或范圍內(nèi)所有生產(chǎn)性土地所能吸收的碳排放的最大值。艾比湖流域進(jìn)行植被碳吸收主要依靠林地、草地以及農(nóng)田。為與能源消費(fèi)碳足跡進(jìn)行比較，將碳承載力轉(zhuǎn)化為森林土地面積，如公式（3）所示。

Cc=（CQmf+CQpf+CQm+CQc）/6.49 （3）

式（3）中，Cc為歸一化處理的區(qū)域碳承載力，hm2；CQmf、CQpf、CQm、CQc分別為山地林地、平原林地、草地和農(nóng)田的碳承載量，t。

對(duì)區(qū)域碳承載力的研究大多采用生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力（Net ecosystem productivity，NEP）來表示區(qū)域生產(chǎn)性土地碳承載力的大小。在已有的區(qū)域凈初級(jí)生產(chǎn)力（Net primary productivity，NPP）計(jì)算中已證實(shí)C-FIX模型在西部干旱半干旱區(qū)有著較好的適應(yīng)性[17-19]，因此選擇C-FIX模型進(jìn)行艾比湖流域的NPP估算。具體模型[20]如公式（4）、（5）所示。

NEP=NPP-Rh （4）

NPP=（1-A）×p（Tatm）×CO2fert×ε×fAPAR×c×Sg（5）

式（4）、（5）中， Rh為土壤呼吸速率，gC/m2；A為植被自養(yǎng)呼吸消耗的光合同化物占總同化物的比例；CO2fert為歸一化CO2施肥效應(yīng)因子，計(jì)算公式由Veroustraete[20]給出；p（Tatm）為歸一化氣溫依賴因子，計(jì)算公式由Wang[21]給出；ε為植被在GPP階段的光能利用率，其值與植被覆被類型有關(guān)，本研究中植被覆被類型有山地林地、草地、平原林地、農(nóng)田等4類，各植被覆被類型光能利用率參考董丹等[22]、朱文泉等[23]計(jì)算的不同地區(qū)植被光能利用率，分別取值為0.337、0.312、0.908、0.500 gC/MJ；fAPAR表示植被冠層可吸收的光合作用有效輻射比例，計(jì)算方法采用朱文泉等[23]改進(jìn)的計(jì)算方法；c為植被所能利用的太陽有效輻射占太陽總輻射的比例，一般取值為0.5；Sg為太陽總輻射量，MJ/m2。

土壤呼吸選取Pei等[24]建立的溫度、降水的回歸模型，計(jì)算公式如式（6）所示。

Rh=0.22×[ln（0.314 5p+1）+e0.091 3t]×30×46.5%（6）

式（6）中，p為降水量，mm；t為溫度，℃。

2結(jié)果與分析

2.1艾比湖流域能源消費(fèi)量與結(jié)構(gòu)

艾比湖流域覆蓋了整個(gè)博爾塔拉自治州以及伊犁哈薩克自治州的奎屯市、烏蘇市、托里縣南部以及克拉瑪依市的獨(dú)山子區(qū)。對(duì)于獨(dú)山子區(qū)由于無法獲取該區(qū)具體的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，所以在計(jì)算時(shí)不考慮該區(qū)的能源消費(fèi)。因此在計(jì)算區(qū)域能源消費(fèi)碳足跡時(shí)只計(jì)算溫泉縣、博樂市、精河縣、烏蘇市、奎屯市以及托里縣南部的能源消費(fèi)碳足跡。各市、縣2008年區(qū)域能源消費(fèi)碳足跡情況見表1。由表1可知，艾比湖流域2008年能源消費(fèi)總量為294.57萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，以工業(yè)消費(fèi)與生活消費(fèi)為主，分別占能源消費(fèi)總量的46.40%、27.19%；主要能源消費(fèi)發(fā)生在博樂市、烏蘇市、奎屯市，分別占能源消費(fèi)總量的25.68%、28.00%、28.77%；奎屯市和烏蘇市是艾比湖流域工業(yè)消費(fèi)的主要城市，其工業(yè)消費(fèi)量也分別占各自消費(fèi)總量的60.70%、58.13%；精河縣和溫泉縣生活消費(fèi)量占各自能源消費(fèi)總量的比例較高，分別為46.58%和62.70%。

對(duì)艾比湖流域各市、縣各行業(yè)能源消費(fèi)量進(jìn)行處理，即可獲取各市、縣各行業(yè)的能源消費(fèi)碳足跡，其結(jié)果見圖1。2008年艾比湖流域能源消費(fèi)碳足跡為33.01萬hm2，人均足跡為0.32 hm2。能源消費(fèi)碳足跡主要以煤消費(fèi)碳足跡（包含電力消費(fèi)碳足跡）為主，占總足跡的94.72%，燃料油消費(fèi)碳足跡僅占5.28%。其主要原因是由于艾比湖流域主要以農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活消費(fèi)為主要消費(fèi)源，而電力、煤炭和熱力是其主要消費(fèi)方式，且艾比湖流域的熱力與電力主要依靠煤提供。

2.2艾比湖流域生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力

通過在GIS軟件平臺(tái)進(jìn)行C-FIX模型估算，獲得了2008年艾比湖流域生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力的空間分布情況，其結(jié)果如圖2所示。2008年艾比湖流域生產(chǎn)性土地總面積為27.32萬hm2，NEP總量為303.8萬tC，平均為111.20 gC/m2，部分地區(qū)生產(chǎn)性土地NEP出現(xiàn)了負(fù)值，其主要原因是由于該位置地表植被量較小所導(dǎo)致區(qū)域土壤呼吸大于NPP。農(nóng)田NEP總值為123.3萬tC，平均為262.50 gC/m2；平原林地NEP總值為17.6萬tC，平均為178.03 gC/m2；山地林地NEP總值為29.7萬tC，平均值為169.97 gC/m2；草地NEP總值為133.2萬tC，平均值為67.64 gC/m2。

2.3艾比湖流域能源消費(fèi)碳足跡與植被碳承載力

艾比湖流域2008年能源消費(fèi)碳足跡總量為33.01萬hm2，植被碳承載力為45.76萬hm2。能源消費(fèi)碳?jí)毫湍茉聪M(fèi)碳赤字分別由以下公式計(jì)算：

能源消費(fèi)碳?jí)毫?（7）

能源消費(fèi)碳赤字=能源消費(fèi)碳足跡-植被碳承載力（8）

根據(jù)公式（7）、（8）計(jì)算艾比湖流域2008年能源消費(fèi)碳?jí)毫?.721，能源消費(fèi)盈余為12.75萬hm2，能源消費(fèi)量未超出艾比湖流域的植被承載范圍。為與空間化計(jì)算結(jié)果有可比性，將能源消費(fèi)碳赤字除以生產(chǎn)性土地面積得到單位面積能源消費(fèi)碳赤字，負(fù)值為盈余。各市、縣能源消費(fèi)碳?jí)毫?、赤字見?。

對(duì)艾比湖流域能源消費(fèi)碳足跡、植被碳承載力、能源消費(fèi)碳?jí)毫?、能源消費(fèi)碳赤字進(jìn)行空間化計(jì)算，即將各市、縣的各指標(biāo)除以各市、縣生產(chǎn)性土地面積，也即獲得各市、縣單位面積能源消費(fèi)碳足跡、植被碳承載力、能源消費(fèi)碳?jí)毫?、能源消費(fèi)碳赤字，其中能源消費(fèi)碳?jí)毫臻g化后不變，空間化則直接通過NEP進(jìn)行轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)?？臻g化后的艾比湖流域能源消費(fèi)碳足跡、植被碳承載力具體見圖3、圖4。由圖3可知，博樂市單位面積能源消費(fèi)碳足跡為0.284 0 hm2/hm2，超過烏蘇市的0.183 9 hm2/hm2；奎屯市（包含獨(dú)山子區(qū)）單位面積能源消費(fèi)碳足跡則高達(dá)2.250 3 hm2/hm2，遠(yuǎn)超過其他區(qū)域。艾比湖流域單位面積植被碳承載力從空間上看分布較為均勻，艾比湖流域單位面積植被碳承載力較高的區(qū)域主要位于平原地區(qū)，農(nóng)田用地和林地的單位面積碳承載力較高，在0.35 hm2/hm2以上。

通過GIS空間計(jì)算平臺(tái)對(duì)圖3、圖4數(shù)據(jù)帶入公式（7）、（8）計(jì)算，即可實(shí)現(xiàn)艾比湖流域能源消費(fèi)碳?jí)毫εc能源消費(fèi)碳赤字的空間化計(jì)算。其結(jié)果見圖5、圖6。圖5、圖6圖像屬性值斷點(diǎn)依照表2結(jié)果進(jìn)行劃分以體現(xiàn)空間計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)計(jì)算結(jié)果的差異?？臻g化后的結(jié)果主要呈平原壓力弱、赤字小，山地壓力強(qiáng)、赤字高，這主要是由于碳足跡進(jìn)行空間化時(shí)未考慮人口密度對(duì)分布的影響，致使各市、縣內(nèi)部能源消費(fèi)碳足跡呈平均分布。溫泉縣能源消費(fèi)碳?jí)毫φw較低，大部分區(qū)域小于0.177（圖5）；單位面積能源消費(fèi)碳赤字浮動(dòng)則較大，部分區(qū)域甚至出現(xiàn)-0.014～1.925 hm2/hm2的分布（圖6）。托里縣南部單位面積能源消費(fèi)碳?jí)毫εc能源消費(fèi)碳赤字都較低，浮動(dòng)較小，單位面積能源消費(fèi)碳?jí)毫χ饕幱?.180～0.574，單位面積能源消費(fèi)碳赤字處于-0.206～-0.014 hm2/hm2。博樂市與烏蘇市單位面積能源消費(fèi)碳?jí)毫εc能源消費(fèi)碳赤字整體較高，都表現(xiàn)出承載力不足，部分平原地區(qū)單位面積消費(fèi)碳赤字甚至超過1.925 hm2/hm2，部分山地地區(qū)能源消費(fèi)碳赤字也處于-0.014～1.925 hm2/hm2?？褪袉挝幻娣e能源消費(fèi)碳?jí)毫εc能源消費(fèi)碳赤字都為艾比湖流域最高，部分區(qū)域單位面積能源消費(fèi)碳?jí)毫Τ^6.897，同時(shí)單位面積能源消費(fèi)碳赤字最大，達(dá)到2.250 3 hm2/hm2。

3結(jié)論

本研究創(chuàng)新的將GIS軟件平臺(tái)在空間化計(jì)算的優(yōu)勢(shì)運(yùn)用于能源消費(fèi)碳足跡、能源消費(fèi)碳?jí)毫σ约澳茉聪M(fèi)碳赤字的計(jì)算；同時(shí)為支持?jǐn)?shù)據(jù)的空間計(jì)算建立了植被碳承載力的轉(zhuǎn)換公式。實(shí)現(xiàn)了以空間分布特征的角度對(duì)艾比湖流域各市、縣能源消費(fèi)的特征進(jìn)行了分析。通過研究主要得到以下結(jié)論：

1）2008年艾比湖流域能源消費(fèi)總量為294.57萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，以工業(yè)消費(fèi)與生活消費(fèi)為主，分別占能源消費(fèi)總量的46.40%、27.19%；博樂市、烏蘇市、奎屯市是艾比湖流域主要的能源消費(fèi)城市，分別占消費(fèi)總量的25.68%、28.00%、28.77%。艾比湖流域能源消費(fèi)碳足跡總量為33.01萬 hm2，其中煤消費(fèi)碳足跡占94.72%（包含電力消費(fèi)碳足跡），燃料油消費(fèi)碳足跡僅占5.28%。

2）溫泉縣、博樂市、精河縣、奎屯市、烏蘇市、托里縣南部能源消費(fèi)碳足跡分別為0.94萬、8.85萬、 2.52萬、9.76萬、10.00萬、0.94萬hm2。各市、縣能源消費(fèi)碳足跡由于產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向不同差異明顯。2008年艾比湖流域能源消費(fèi)碳足跡總量為33.01萬hm2，植被碳承載力為45.76萬hm2，2008年艾比湖能源消費(fèi)碳足跡并未超過流域的植被碳承載力。

3）艾比湖流域平均能源消費(fèi)碳?jí)毫?.721，能源消費(fèi)碳赤字呈盈余，盈余量為12.75萬hm2。各市、縣平均能源消費(fèi)碳?jí)毫男〉酱笠来螢橥欣锟h南部、溫泉縣、精河縣、烏蘇市、博樂市、奎屯市，能源消費(fèi)碳?jí)毫Ψ謩e為0.177、0.180、0.338、0.574、0.953、6.897；單位面積能源消費(fèi)碳赤字除了奎屯市為正值、其他市、縣都為負(fù)值，即呈盈余。

4）艾比湖流域能源消費(fèi)碳足跡、植被碳承載力、能源消費(fèi)碳?jí)毫?、能源消費(fèi)碳赤字進(jìn)行空間化計(jì)算之后，實(shí)現(xiàn)了能源消費(fèi)各衡量因子的空間可視化表達(dá)，更加精確地區(qū)分了不同區(qū)域各因子的差異。但未考慮人口密度以及人類活動(dòng)強(qiáng)度的空間分布特征，未來進(jìn)行空間化計(jì)算時(shí)必須考慮同一區(qū)域內(nèi)部人口密度對(duì)能源消費(fèi)足跡的影響，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)部更加細(xì)致準(zhǔn)確的空間表達(dá)。

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