南寧市碳源碳匯結構變化及人文驅動因素研究

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

自工業革命以來，大氣中二氧化碳( CO2) 的濃度持續升高，全球海平面不斷上升。聯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動因子[1]。越來越多的證據表明，人類的活動是氣候變化主導原因。根據國際能源署統計數據，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的物質能量循環的全過程，是決定全球氣候和環境變化的基本要素之一。碳源通常是指產生二氧化碳之源，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，引發全球范圍內物質能量循環失衡，處于一種“碳虧”的狀態；從研究范圍尺度來看，國內外學者研究的范圍主要集中在國家[3]、區域[4，5]、省域范圍[6～8]，少量學者在市域范圍之下有相關研究；從研究內容來看，主要是從碳源碳匯的結構特征、空間演變、區域差異等方面進行。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，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、農田、濕地、草地等不同植被類型為主構成的自然生態系統完成。結合實際，本文擬在模型構建中主要考慮城市中發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，即提取單位面積轉化系數，再乘以不同類型生態系統面積。具體計算公式如下:

(1)

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

2.2 碳源估算模型的建立

在城市根據 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，還包括工業中的水泥生產、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。社會經濟活動的排碳量計算主要依靠統計數據和已有文獻的碳當量轉化系數。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為水泥生產年排放碳總量 ( t/年) ；DW為木材生產年排放碳總量 (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(t/t) ；CP為人體呼吸的碳釋放量 (t/年) ；CP= 年人口總數 (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= 年均飼養牲豬總數 (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= 年均飼養其他大牲畜總數(頭)×其它大牲畜每頭每年呼吸的碳釋放量。CM為年水泥生產量(t)；M為水泥生產碳排放系數。CW為年木材凈消費量(m3) ；W為木材消費碳排放系數。

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據比例關系，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果是否為自然界生態系統所完全吸收[9]，從而根據碳平衡系數和碳供需余缺來指示城市復合生態系統碳平衡的狀態，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，表示當年城市復合生態系統釋碳量與自然生態系統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。考慮到全球年能耗 ( 煤炭、石油) 釋放的 CO2有 1 /3 進入大氣，1 /3 被海洋吸收，1 /3 固定在陸地生態系統中[11]，故設定釋碳量的 1 /3 作為城市復合生態系統碳平衡的目標。

3 研究區域概況

南寧市位于廣西壯族自治區南部偏西，是廣西壯族自治區首府及廣西政治、經濟、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5縣，共84個鎮、15個鄉、3個民族鄉、22個街道。截至2019年底，南寧常住人口781.97萬人，其中市轄區常住人口449.23萬人，南寧地區生產總值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，城市復合生態系統過程受到了威脅(圖1)。

圖1 研究區示意

4 數據來源

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計出版社的《南寧市統計年鑒》鑒收集獲得，部分數據獲得還參考了南寧市《土地利用總體規劃》文本，以及相關學者對于土規的研究成果。模型中濕地范圍主要是考慮河流、湖泊、水庫、坑塘、泥炭地。此部分濕地統計面積政府并未公開，數據來源主要根據文獻調研獲得的基礎數據，再根據濕地分類數據調研后折算而來。城市園林綠地面積來源于中國統計出版社的《廣西統計年鑒》。碳匯固碳系數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、木材消費行為，以及人類和牲畜的呼吸統計數據來源于《南寧市統計年鑒》，模型中能源消耗用到碳排放系數來源于2015頒布的《省級溫室氣體清單編制指南》(發改辦氣候[2011]1041號)，以及國家頒發的《綜合能耗計算通則》(GB/T 2589-2008)標準整理得到，其他碳排放系數則參考IPCC排放計算指南，根據折標準煤參考系數換算得來。在進行能源消費統計時注意產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據以 J 為單位，為使統計數據單位一致，將其全部轉化成標準煤，具體轉化系數為 1× 104t 標準煤等于 2.932 × 105GJ。水泥生產量、人口及牲畜均來自《南寧市統計年鑒》，研究中的未注明出處的數據均為作者自繪。

5 研究結果

據(1)式，將統計好的南寧市各項數據代入，得到南寧市各生態系統固碳量，結果見表1～4。

表1 南寧市碳匯估算模型中的主要參數值 t/hm2年

表2 南寧市碳源估算模型中的主要參數值

5.1 南寧市碳匯固碳量結果分析

從統計結果來看，2016～2018年南寧市各生態系統固碳量總體趨勢呈現增長的趨勢，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% 。從固碳結構數據來看，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年來南寧市各生態系統的固碳總量增長較為緩慢(圖2)。

5.2 南寧市碳源的釋碳結果分析

根據(2)～(7)公式的計算結果，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系統呼吸釋碳量的計算結果見表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、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%，呈現出波動變化的結構趨勢。從釋碳排放結構來看，南寧市主要的釋碳來自于能源消耗、土壤呼吸、水泥生產、木材消耗。其中，能源消耗的主體是燃煤，占到能源消耗結構的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年碳匯固碳結構統計

圖3 南寧市2016～2018年各碳結構統計

5.3 南寧市碳平衡分析

根據上文公式(8)碳平衡系數計算結果(圖 3) 可以看出，2016～2018 年南寧市碳平衡系數分別為: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的昆明市相當，但是遠小于內陸地區鄭州市的碳失衡程度。

5.4 南寧市碳源碳匯結構變化的人文驅動因子分析

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系統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能減排工作目標任務，實施了大量的生態治理和生態恢復政策和工程; 但是持續增長的人口生產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，碳源結構中能源消費增長仍然是碳排放增長的主要驅動力，與發達國家的能源結構相比，低碳能源利用在南寧市能源消費結構中所占比例太低。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，南寧市響應國家節能減排號召，在經濟結構調整、能源利用效率、技術進步和產業升級等方面都有明顯的改善，因而產生一系列節能效應，成為節能減排的主要驅動力。

圖5 南寧市能源強度和碳排放強度變化特征

6 結語

本文主要聚焦城市碳源碳匯主題，總結前人已有研究經驗，在城市范圍內進行碳源碳匯結構演變分析，總結影響南寧市碳源碳匯的人文驅動因素，以期為南寧市節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。