艾比湖流域能源消費碳足跡與植被碳承載力研究

朱旻+王讓會+呂雅

摘要：基于RS與GIS技術，利用遙感數據、統計數據、氣象數據等多元數據，實現了對2008年艾比湖流域能源消費碳足跡、植被碳承載力以及能源消費碳壓力與赤字的空間可視化表達。結果表明，艾比湖流域2008年能源消費總量為294.57萬t標準煤，能源消費碳足跡為33.01萬hm2，生產性土地生態系統凈生產力為303.8萬tC，植被碳承載力為45.76萬hm2，全流域平均能源消費碳壓力為0.721，能源消費碳赤字呈盈余，盈余量為12.75萬hm2。各市、縣的能源消費碳足跡等因子由于產業結構的差異而差異明顯，空間差異性較大。

關鍵詞：能源消費；碳足跡；植被碳承載力；GIS；RS

中圖分類號：X171.1文獻標識碼：A文章編號：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

基金項目：國家科技支撐計劃項目（2012BAC23B01，2012BAD16B0305）；中國沙漠氣象科學研究基金項目（sqj2012006）；國家重點基礎研究發展計劃（“973”計劃）項目（2006CB705809）

以CO2為主要排放源的化石能源消費和人類高強度的對可再生資源開發引起土地利用變化導致的以全球氣溫上升為主要表現形式的全球氣候變化嚴重威脅著全球可持續發展的腳步。未來100年全球變暖的趨勢還會進一步加劇，將會對生態系統和社會經濟產生更為嚴重的負面影響[1-3]。因此，以探索人類活動對地球碳循環的影響以及有效減少碳排放的途徑成為國際學術界研究的熱點問題[4-8]。碳足跡是目前國內外普遍認可公用的定量評價國家、區域碳排放強度的衡量標準，其中聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）提出的碳足跡計算方法是國際公認的碳排放評估方法。隨著中國經濟持續高速增長，中國能源消費大幅度的增長已引起國內外的廣泛關注，國際能源署（IEA）2007年11月發布的報告中稱，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量將超越美國成為世界第一大能源消費國[9]?；诖?，眾多學者對中國的碳排放問題進行了研究分析。張麗峰[10]從中國產業結構、產業內部結構、能源生產結構、能源消費結構、產業能源消費結構與碳排放的關系方面，并結合中國實際提出了減少碳排放的具體措施。孫建衛等[11]以區域投入、產出分析為基礎，對中國碳排放足跡進行了研究。楊蕾蕾等[12]對新疆1995—2007年耕地生態足跡、生態承載力進行了研究并建立了生態超載指數（EOI）。

艾比湖流域位于中國西部干旱半干旱區，生態系統脆弱，自然環境相對惡劣，但有著豐富的礦產、石油、天然氣以及風能、太陽能等可開發利用的清潔能源，是中國西部大開發戰略的重點區域。近年來艾比湖流域經濟發展迅速，在經濟高速發展的背景下，分析發展的可持續性尤為重要。本研究以新疆艾比湖流域為例，分析干旱區綠洲的能源消費碳足跡、植被碳承載力的空間分布情況以及能源消費碳壓力與赤字的空間分布特征，以期為新疆以及西部干旱半干旱區的未來可持續發展提供參考。

1研究方法與數據來源

1.1數據來源

本研究中的各市、縣能源消費總量數據，各行業和人均生活消費能源數據，各市、縣人口數據均來源于《新疆統計年鑒2009》、《博爾塔拉自治州統計年鑒2009》、《伊犁哈薩克自治州統計年鑒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數據均由國際科學數據服務平臺共享獲取，其中TM影像數據軌道號為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數據采用由美國LPDAAC（Land process distributed active archive center） 提供的MODIS植被指數產品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艾比湖流域及周邊13個氣象站點2008年氣象數據采用克里金插值法空間插值而來，站點數據均由中國氣象數據共享網提供。

1.2能源消費碳足跡的計算方法

能源消費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性土地的面積，即碳排放的生態足跡[13]。一般通過計算能源消費碳排放量與林地面積轉換系數的比值估算出能源消費所需要的林地面積來表示碳足跡的強度[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為能源消費的碳足跡，hm2；C 為能源消費的碳排放總量，t；F為碳排放量與林地面積的轉換系數，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種能源消費量，t；NCVi為第i種能源凈燃燒熱值系數，GJ/t；Cei為第i種能源碳排放系數，t/GJ。各類化石能源的轉化系數均采用IPCC（2006）的給定值。對于艾比湖流域電力消費的碳排放量的計算先將電力消費量轉化為煤炭發電的耗煤量再進行計算，轉換系數為0.495 9 kg/（kW·h）[16]。

1.3基于多元數據的區域植被碳承載力的估算

當前對碳承載力定義為某一地區或范圍內所有生產性土地所能吸收的碳排放的最大值。艾比湖流域進行植被碳吸收主要依靠林地、草地以及農田。為與能源消費碳足跡進行比較，將碳承載力轉化為森林土地面積，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、草地和農田的碳承載量，t。

對區域碳承載力的研究大多采用生態系統凈生產力（Net ecosystem productivity，NEP）來表示區域生產性土地碳承載力的大小。在已有的區域凈初級生產力（Net primary productivity，NPP）計算中已證實C-FIX模型在西部干旱半干旱區有著較好的適應性[17-19]，因此選擇C-FIX模型進行艾比湖流域的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施肥效應因子，計算公式由Veroustraete[20]給出；p（Tatm）為歸一化氣溫依賴因子，計算公式由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，本研究中植被覆被類型有山地林地、草地、平原林地、農田等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]計算的不同地區植被光能利用率，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，計算方法采用朱文泉等[23]改進的計算方法；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結果與分析

2.1艾比湖流域能源消費量與結構

艾比湖流域覆蓋了整個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山子區。對于獨山子區由于無法獲取該區具體的統計數據，所以在計算時不考慮該區的能源消費。因此在計算區域能源消費碳足跡時只計算溫泉縣、博樂市、精河縣、烏蘇市、奎屯市以及托里縣南部的能源消費碳足跡。各市、縣2008年區域能源消費碳足跡情況見表1。由表1可知，艾比湖流域2008年能源消費總量為294.57萬t標準煤，以工業消費與生活消費為主，分別占能源消費總量的46.40%、27.19%；主要能源消費發生在博樂市、烏蘇市、奎屯市，分別占能源消費總量的25.68%、28.00%、28.77%；奎屯市和烏蘇市是艾比湖流域工業消費的主要城市，其工業消費量也分別占各自消費總量的60.70%、58.13%；精河縣和溫泉縣生活消費量占各自能源消費總量的比例較高，分別為46.58%和62.70%。

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

2.2艾比湖流域生態系統凈生產力

通過在GIS軟件平臺進行C-FIX模型估算，獲得了2008年艾比湖流域生態系統凈生產力的空間分布情況，其結果如圖2所示。2008年艾比湖流域生產性土地總面積為27.32萬hm2，NEP總量為303.8萬tC，平均為111.20 gC/m2，部分地區生產性土地NEP出現了負值，其主要原因是由于該位置地表植被量較小所導致區域土壤呼吸大于NPP。農田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碳足跡與植被碳承載力

艾比湖流域2008年能源消費碳足跡總量為33.01萬hm2，植被碳承載力為45.76萬hm2。能源消費碳壓力和能源消費碳赤字分別由以下公式計算：

能源消費碳壓力=（7）

能源消費碳赤字=能源消費碳足跡-植被碳承載力 （8）

根據公式（7）、（8）計算艾比湖流域2008年能源消費碳壓力為0.721，能源消費盈余為12.75萬hm2，能源消費量未超出艾比湖流域的植被承載范圍。為與空間化計算結果有可比性，將能源消費碳赤字除以生產性土地面積得到單位面積能源消費碳赤字，負值為盈余。各市、縣能源消費碳壓力、赤字見表2。

對艾比湖流域能源消費碳足跡、植被碳承載力、能源消費碳壓力、能源消費碳赤字進行空間化計算，即將各市、縣的各指標除以各市、縣生產性土地面積，也即獲得各市、縣單位面積能源消費碳足跡、植被碳承載力、能源消費碳壓力、能源消費碳赤字，其中能源消費碳壓力空間化后不變，空間化則直接通過NEP進行轉換實現?？臻g化后的艾比湖流域能源消費碳足跡、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（包含獨山子區）單位面積能源消費碳足跡則高達2.250 3 hm2/hm2，遠超過其他區域。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域主要位于平原地區，農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空間計算平臺對圖3、圖4數據帶入公式（7）、（8）計算，即可實現艾比湖流域能源消費碳壓力與能源消費碳赤字的空間化計算。其結果見圖5、圖6。圖5、圖6圖像屬性值斷點依照表2結果進行劃分以體現空間計算結果與傳統計算結果的差異?？臻g化后的結果主要呈平原壓力弱、赤字小，山地壓力強、赤字高，這主要是由于碳足跡進行空間化時未考慮人口密度對分布的影響，致使各市、縣內部能源消費碳足跡呈平均分布。溫泉縣能源消費碳壓力整體較低，大部分區域小于0.177（圖5）；單位面積能源消費碳赤字浮動則較大，部分區域甚至出現-0.014～1.925 hm2/hm2的分布（圖6）。托里縣南部單位面積能源消費碳壓力與能源消費碳赤字都較低，浮動較小，單位面積能源消費碳壓力主要處于0.180～0.574，單位面積能源消費碳赤字處于-0.206～-0.014 hm2/hm2。博樂市與烏蘇市單位面積能源消費碳壓力與能源消費碳赤字整體較高，都表現出承載力不足，部分平原地區單位面積消費碳赤字甚至超過1.925 hm2/hm2，部分山地地區能源消費碳赤字也處于-0.014～1.925 hm2/hm2。奎屯市單位面積能源消費碳壓力與能源消費碳赤字都為艾比湖流域最高，部分區域單位面積能源消費碳壓力超過6.897，同時單位面積能源消費碳赤字最大，達到2.250 3 hm2/hm2。

3結論

本研究創新的將GIS軟件平臺在空間化計算的優勢運用于能源消費碳足跡、能源消費碳壓力以及能源消費碳赤字的計算；同時為支持數據的空間計算建立了植被碳承載力的轉換公式。實現了以空間分布特征的角度對艾比湖流域各市、縣能源消費的特征進行了分析。通過研究主要得到以下結論：

1）2008年艾比湖流域能源消費總量為294.57萬t標準煤，以工業消費與生活消費為主，分別占能源消費總量的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城市，分別占消費總量的25.68%、28.00%、28.77%。艾比湖流域能源消費碳足跡總量為33.01萬 hm2，其中煤消費碳足跡占94.72%（包含電力消費碳足跡），燃料油消費碳足跡僅占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、縣能源消費碳足跡由于產業發展方向不同差異明顯。2008年艾比湖流域能源消費碳足跡總量為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碳壓力為0.721，能源消費碳赤字呈盈余，盈余量為12.75萬hm2。各市、縣平均能源消費碳壓力從小到大依次為托里縣南部、溫泉縣、精河縣、烏蘇市、博樂市、奎屯市， 能源消費碳壓力分別為0.177、0.180、0.338、0.574、0.953、6.897；單位面積能源消費碳赤字除了奎屯市為正值、其他市、縣都為負值，即呈盈余。

4）艾比湖流域能源消費碳足跡、植被碳承載力、能源消費碳壓力、能源消費碳赤字進行空間化計算之后，實現了能源消費各衡量因子的空間可視化表達，更加精確地區分了不同區域各因子的差異。但未考慮人口密度以及人類活動強度的空間分布特征，未來進行空間化計算時必須考慮同一區域內部人口密度對能源消費足跡的影響，實現區域內部更加細致準確的空間表達。

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