南寧市碳源碳匯結(jié)構變化及人文驅(qū)動因素研究

任小明，周慧杰，郭嘉歡，阮詩喬

(南寧師范大學，廣西 南寧 530001)

1 引言

自工業(yè)革命以來，大氣中二氧化碳( CO2) 的濃度持續(xù)升高，全球海平面不斷上升。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會( IPCC) 第五次評估報告指出，人類活動導致的大氣 CO2濃度上升是過去 100 年來氣候變暖的主要驅(qū)動因子[1]。越來越多的證據(jù)表明，人類的活動是氣候變化主導原因。根據(jù)國際能源署統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2007 年中國已超過美國成為全球第一大CO2排放國[2]。碳作為自然界基本的元素，始終貫穿于地球表層系統(tǒng)的物質(zhì)能量循環(huán)的全過程，是決定全球氣候和環(huán)境變化的基本要素之一。碳源通常是指產(chǎn)生二氧化碳之源，碳匯主要是指森林吸收并存儲二氧化碳多少的能力。人類活動致使“碳源”增加，“碳匯”縮小，引發(fā)全球范圍內(nèi)物質(zhì)能量循環(huán)失衡，處于一種“碳虧”的狀態(tài)；從研究范圍尺度來看，國內(nèi)外學者研究的范圍主要集中在國家[3]、區(qū)域[4，5]、省域范圍[6～8]，少量學者在市域范圍之下有相關研究；從研究內(nèi)容來看，主要是從碳源碳匯的結(jié)構特征、空間演變、區(qū)域差異等方面進行。由于自然地理條件和人文活動的不同，地區(qū)間的碳源碳匯時空變化過程與影響因素存在較大的差異。城市作為人口、經(jīng)濟活動高度密集地，是碳排放的主要場所[9]。

2 研究模型的建立

2.1 碳匯估算模型的建立

在城市范圍內(nèi)，碳匯是指植物通過光合作用吸收 CO2，并從大氣中清除碳的過程、活動或機制，由森林、農(nóng)田、濕地、草地等不同植被類型為主構成的自然生態(tài)系統(tǒng)完成。結(jié)合實際，本文擬在模型構建中主要考慮城市中發(fā)揮碳匯功能的土地類型，具體分為林地 、城市園林綠地、耕地、園地、草地、以及濕地，其中林地細分為有林地、疏林和灌木林地、未成林造林地、跡地。計算過程主要采用清單計算法，即提取單位面積轉(zhuǎn)化系數(shù)，再乘以不同類型生態(tài)系統(tǒng)面積。具體計算公式如下:

(1)

式(1)中:SC為城市區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)的固碳總量 ( t/年) ；α表示第j類自然生態(tài)系統(tǒng)的單位面積年固碳量 ( t/hm2·年) ；Aj為第j類自然生態(tài)系統(tǒng)的總面積 ( hm2) 。

2.2 碳源估算模型的建立

在城市根據(jù) IPCC全球溫室氣體排放清單研究相關成果[1]，以及中國《城市溫室氣體清單研究》[10]，本模型構建中對于向大氣釋放 CO2的行為即碳源組成除了能源消費，還包括工業(yè)中的水泥生產(chǎn)、木材消費行為，以及人類和牲畜的呼吸、土壤呼吸等主要過程。社會經(jīng)濟活動的排碳量計算主要依靠統(tǒng)計數(shù)據(jù)和已有文獻的碳當量轉(zhuǎn)化系數(shù)。計算公式如下:

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

(2)

式(2)中:Rc為城市年釋碳總量 ( t/年) ；DS為城市土壤及水面呼吸年排放碳總量 ( t/年) ；DE為城市能源消費年排放碳總量 ( t/年) ；DP為城市人體及主要牲畜呼吸年排放碳總量 ( t/年) ；DM為水泥生產(chǎn)年排放碳總量 ( t/年) ；DW為木材生產(chǎn)年排放碳總量 (t/年)。

式中各項因子的計算公式具體如下:

(3)

(4)

DP=CP+CZ+CQ

(5)

DM=CM+M

(6)

DW=DW+W

(7)

式(3)～(7)中:V為土壤 ( 或水面) 平均呼吸速率 ( t/hm2·年)[15]；i為植被類型；DSA為植被類型 (或水面) 的面積 ( hm2) ；Ei為能源j的消費量(t標準煤)；j為能源種類;F|i為能源碳排放系數(shù)(t/t) ；CP為人體呼吸的碳釋放量 (t/年) ；CP= 年人口總數(shù) (人)× 每人每年呼吸的碳釋放量；CZ為豬呼吸的碳釋放量(t/年)；CZ= 年均飼養(yǎng)牲豬總數(shù) (頭) × 每頭豬每年呼吸的碳釋放量；CQ為其它大牲畜呼吸的碳釋放量(t/年)；CQ= 年均飼養(yǎng)其他大牲畜總數(shù)(頭)×其它大牲畜每頭每年呼吸的碳釋放量。CM為年水泥生產(chǎn)量(t)；M為水泥生產(chǎn)碳排放系數(shù)。CW為年木材凈消費量(m3) ；W為木材消費碳排放系數(shù)。

2.3 碳平衡評價模型的建立

城市的碳收支平衡模型即是指通過分析碳源碳匯數(shù)據(jù)比例關系，來綜合判斷釋碳與固碳之間的相互關系。這樣能夠從宏觀的角度認識人類碳排放行為結(jié)果是否為自然界生態(tài)系統(tǒng)所完全吸收[9]，從而根據(jù)碳平衡系數(shù)和碳供需余缺來指示城市復合生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的狀態(tài)，計算公式如下:

Ec=Rc/Sc

(8)

Uc=Rc-Sc

(9)

式(8)、(9)中:EC代表碳平衡系數(shù)，表示當年城市復合生態(tài)系統(tǒng)釋碳量與自然生態(tài)系統(tǒng)所能支持的固碳量的比例；UC代表碳供需余缺，表示釋碳量與固碳量的差值；Rc、Sc的意義同上文。因此，當EC> 1，或UC> 0，表示釋碳量大于固碳量; 當EC< 1，或UC< 0，表示釋碳量小于固碳量；當EC= 1，或UC= 0，表示釋碳量等于固碳量，即碳收支處于平衡狀況?？紤]到全球年能耗 ( 煤炭、石油) 釋放的 CO2有 1 /3 進入大氣，1 /3 被海洋吸收，1 /3 固定在陸地生態(tài)系統(tǒng)中[11]，故設定釋碳量的 1 /3 作為城市復合生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的目標。

3 研究區(qū)域概況

南寧市位于廣西壯族自治區(qū)南部偏西，是廣西壯族自治區(qū)首府及廣西政治、經(jīng)濟、文化中心，總面積 22112 km2，西南面與越南社會主義共和國毗鄰。南寧市共轄7區(qū)5縣，共84個鎮(zhèn)、15個鄉(xiāng)、3個民族鄉(xiāng)、22個街道。截至2019年底，南寧常住人口781.97萬人，其中市轄區(qū)常住人口449.23萬人，南寧地區(qū)生產(chǎn)總值4506.56億元，比2018年增長5.0%，全市森林覆蓋率48.75%，城市建成區(qū)綠化覆蓋率43.0%，綠地率38.1%，人均公園綠地面積11.5 m2。近年來，由于城市化的快速擴張，人口和建成區(qū)的面積在不斷增長，城市自然景觀逐步被人文景觀所取代，人類干擾活動由弱逐漸加強，城市復合生態(tài)系統(tǒng)過程受到了威脅(圖1)。

圖1 研究區(qū)示意

4 數(shù)據(jù)來源

本研究碳匯估算模型中南寧市各種林地、耕地、園地、草地面積主要來源于中國科學統(tǒng)計出版社的《南寧市統(tǒng)計年鑒》鑒收集獲得，部分數(shù)據(jù)獲得還參考了南寧市《土地利用總體規(guī)劃》文本，以及相關學者對于土規(guī)的研究成果。模型中濕地范圍主要是考慮河流、湖泊、水庫、坑塘、泥炭地。此部分濕地統(tǒng)計面積政府并未公開，數(shù)據(jù)來源主要根據(jù)文獻調(diào)研獲得的基礎數(shù)據(jù)，再根據(jù)濕地分類數(shù)據(jù)調(diào)研后折算而來。城市園林綠地面積來源于中國統(tǒng)計出版社的《廣西統(tǒng)計年鑒》。碳匯固碳系數(shù)主要來自于相關學者的研究成果整理得到。研究中碳源模型的能源消費、水泥生產(chǎn)、木材消費行為，以及人類和牲畜的呼吸統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于《南寧市統(tǒng)計年鑒》，模型中能源消耗用到碳排放系數(shù)來源于2015頒布的《省級溫室氣體清單編制指南》(發(fā)改辦氣候[2011]1041號)，以及國家頒發(fā)的《綜合能耗計算通則》(GB/T 2589-2008)標準整理得到，其他碳排放系數(shù)則參考IPCC排放計算指南，根據(jù)折標準煤參考系數(shù)換算得來。在進行能源消費統(tǒng)計時注意產(chǎn)生碳排放的為能源終端消費量 ( 均訂正為標準量) ，其中能量單位原始數(shù)據(jù)以 J 為單位，為使統(tǒng)計數(shù)據(jù)單位一致，將其全部轉(zhuǎn)化成標準煤，具體轉(zhuǎn)化系數(shù)為 1× 104t 標準煤等于 2.932 × 105GJ。水泥生產(chǎn)量、人口及牲畜均來自《南寧市統(tǒng)計年鑒》，研究中的未注明出處的數(shù)據(jù)均為作者自繪。

5 研究結(jié)果

據(jù)(1)式，將統(tǒng)計好的南寧市各項數(shù)據(jù)代入，得到南寧市各生態(tài)系統(tǒng)固碳量，結(jié)果見表1～4。

表1 南寧市碳匯估算模型中的主要參數(shù)值 t/hm2年

表2 南寧市碳源估算模型中的主要參數(shù)值

5.1 南寧市碳匯固碳量結(jié)果分析

從統(tǒng)計結(jié)果來看，2016～2018年南寧市各生態(tài)系統(tǒng)固碳量總體趨勢呈現(xiàn)增長的趨勢，但年均變化幅度較小，近3年來基本持平。2016年固碳總量為2595.36萬t，2016～2017年增長26.39萬t，2017～2018年增長17.74萬t，年均增長率0.85% 。從固碳結(jié)構數(shù)據(jù)來看，林地和耕地固碳量分別占總量67%和27%，占全市碳匯固碳總量的絕大部分，草地、濕地固碳量相對較少。總的來說，這3年來南寧市各生態(tài)系統(tǒng)的固碳總量增長較為緩慢(圖2)。

5.2 南寧市碳源的釋碳結(jié)果分析

根據(jù)(2)～(7)公式的計算結(jié)果，南寧市2016～2018年由于各種社會活動引起的釋碳量和自然生態(tài)系統(tǒng)呼吸釋碳量的計算結(jié)果見表4。從表中可知，南寧市2016～2018年燃煤、其他能源消耗、木材消費、人呼吸、豬呼吸釋碳量略微有所增長，燃油、水泥生產(chǎn)、其他大牲畜呼吸、土壤及水面呼吸釋碳量輕微下降，釋碳總量基本保持不變。其中，2016年釋碳總量為3302.07萬t，2016～2017釋碳增長了55.27萬t，2017～2018年釋碳減少了55.42萬t，總量的變化幅度約1.5%，呈現(xiàn)出波動變化的結(jié)構趨勢。從釋碳排放結(jié)構來看，南寧市主要的釋碳來自于能源消耗、土壤呼吸、水泥生產(chǎn)、木材消耗。其中，能源消耗的主體是燃煤，占到能源消耗結(jié)構的65%。

表3 2016～2018年南寧市碳匯固碳量情況 104 t

表4 2016～2018年南寧市碳源釋碳量情況 104 t

圖2 南寧市2016～2018年碳匯固碳結(jié)構統(tǒng)計

圖3 南寧市2016～2018年各碳結(jié)構統(tǒng)計

5.3 南寧市碳平衡分析

根據(jù)上文公式(8)碳平衡系數(shù)計算結(jié)果(圖 3) 可以看出，2016～2018 年南寧市碳平衡系數(shù)分別為:1.27、1.28 和 1.25，表示 2016年南寧市釋碳量是固碳量的1.27倍，2017 年為 1.28 倍，2018 年為 1.25倍。可見，南寧的碳平衡系數(shù)大于1，表示南寧市碳失衡狀況形勢依然嚴峻。再從公式 (9) 供需余缺計算結(jié)果可以看出，南寧市碳供需余缺均為正值，表明釋碳量遠大于固碳量，而且 2016～2018 年差值越來越大，其中碳供需余缺 ( 釋碳量 - 固碳量) 由 2016 年的706.71萬t上升到了 2018年的 672.39萬t。根據(jù)碳平衡評價模型的分析，這里設定將南寧釋碳量的 1/3 作為其平衡目標，由計算分析可知，即使已經(jīng)將南寧市的碳供需余缺乘以了 1/3，每年的碳供需余缺仍然達到了 (600 ～700)萬t。根據(jù)同時期其他學者的研究,鄭州 2010 年釋碳量是固碳量的 5. 65 倍[13]；昆明市全市 2013年釋碳量是固碳量的1.90倍[14]；由此可見，南寧的碳失衡程度與同處于西南地區(qū)的昆明市相當，但是遠小于內(nèi)陸地區(qū)鄭州市的碳失衡程度。

5.4 南寧市碳源碳匯結(jié)構變化的人文驅(qū)動因子分析

從以上對南寧市碳源碳匯組成要素的固碳量和釋碳量的分析中可以看出，近 3 年南寧市各自然生態(tài)系統(tǒng)的固碳量雖然有所增加 ，主要原因是雖然從 2016年開始南寧在全市范圍了開展了一系列節(jié)能減排工作目標任務，實施了大量的生態(tài)治理和生態(tài)恢復政策和工程; 但是持續(xù)增長的人口生產(chǎn)生活需要導致建設用地增長過快，占用大量林地和耕地，以致 于全市碳匯組成要素的固碳量增長緩慢。在快速城市化的南寧地區(qū)碳匯對碳源的抵消作用很弱。另一方面，近年來南寧市釋碳量增長速度卻遠遠大于固碳量，碳源結(jié)構中能源消費增長仍然是碳排放增長的主要驅(qū)動力，與發(fā)達國家的能源結(jié)構相比，低碳能源利用在南寧市能源消費結(jié)構中所占比例太低。南寧市能源消費主要以煤炭占較大比重，占能源消費總量的 60% 以上。

圖4 南寧市能源消耗排放及GDP的變化征

從圖4來看，近3年南寧市GDP增速和碳排放總量逐漸放緩，能源消耗總量在驟然提升，由原來的473萬t增加至471萬t，增幅為7.8%，表明南寧市的能源消耗結(jié)構中低碳能源的比例在不斷增長。廣西是木薯種植的大省，木薯種植的面積和產(chǎn)量占全國60%以上，木薯作為乙醇汽油制作的來源，是自然碳循環(huán)中的清潔能源；從圖5看，南寧市碳排放強度由2016年的0.89t/萬元降低至0.82萬元，年均下降為2.6%，遠低于全國碳排放強度水平(49.4%)，表明在城市化的快速擴展過程中，南寧市響應國家節(jié)能減排號召，在經(jīng)濟結(jié)構調(diào)整、能源利用效率、技術進步和產(chǎn)業(yè)升級等方面都有明顯的改善，因而產(chǎn)生一系列節(jié)能效應，成為節(jié)能減排的主要驅(qū)動力。

圖5 南寧市能源強度和碳排放強度變化特征

6 結(jié)語

本文主要聚焦城市碳源碳匯主題，總結(jié)前人已有研究經(jīng)驗，在城市范圍內(nèi)進行碳源碳匯結(jié)構演變分析，總結(jié)影響南寧市碳源碳匯的人文驅(qū)動因素，以期為南寧市節(jié)能減排工作提供科學的參考，以及為城市碳源碳匯主題研究提供研究思路。