遼寧省耕地碳源和碳匯的時空變化

遼寧省耕地碳源和碳匯的時空變化

在聯(lián)合國氣候變化框架（unfcc）中，碳源是指大氣中排放的溫室氣體、氣溶膠或溫室氣體排放的過程或活動，即碳排放。碳匯(carbonsink)是指將溫室氣體從大氣中移除的任一過程、活動或機制,即碳吸收。CO2和CH4的排放源分為自然排放源和人為排放源兩類,自然排放源主要來自土壤和海洋釋放,人為排放源是由人類活動引起的碳排放。在全球碳源量激增的今天,如何更好地計算碳源量對衡量一個國家或地區(qū)的綠色經(jīng)濟發(fā)展水平以及量化國際環(huán)保事務(wù)中的責(zé)任有著重大的意義。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IntergovernmentalPanelonClimateChange,IPCC)的報告:能源消耗和土地利用方式粗放是造成人為碳排放的兩大主要原因。能源消耗可以通過發(fā)展清潔發(fā)展機制(CDM)等措施解決,但是受科技發(fā)展水平的限制,CDM只適用于局部行業(yè)和地區(qū),而實施科學(xué)合理的低碳土地利用方式,能從整體上、全局上解決碳排放量激增的問題。土地利用對碳排放的影響已引起了廣泛的關(guān)注與研究,但相關(guān)研究工作主要側(cè)重于典型陸地生態(tài)系統(tǒng)(如森林、草地、水稻田等),并且國內(nèi)主要研究區(qū)域集中在江浙一帶。遼寧省作為國家老工業(yè)基地減碳任務(wù)重,但碳源碳匯研究幾近空白。本研究以遼寧省為例,通過核算不同的土地利用類型的碳源和碳匯,分析了近年來遼寧省碳源碳匯的變化和特征。1遼寧土地現(xiàn)狀遼寧省位于我國東北地區(qū)的南部,介于118°53′~125°46′E、38°43′4~43°26′N,屬暖溫帶季風(fēng)大陸性氣候,年平均降水量為714.9mm,年平均氣溫4~10℃,全省土地總面積14.81萬km2,其中陸域面積14.75萬km2,海島及灘涂面積0.06萬km2。2009年末遼寧省總?cè)丝?256萬人,人口密度287.4人/km2。2009年,全年生產(chǎn)總值15065.6億元,按可比價格計算,比2008年增長13.1%,生產(chǎn)總值三次產(chǎn)業(yè)構(gòu)成為9.4∶51.9∶38.7。人均生產(chǎn)總值34898元,按可比價格計算,比2008年增長12.9%。2遼寧:農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)、土地及土地行業(yè)能源消耗數(shù)據(jù)以及林地、草地面積來源于2003—2010年《遼寧省統(tǒng)計年鑒》,農(nóng)業(yè)機械總動力、化肥使用量、灌溉面積及主要農(nóng)作物產(chǎn)量等數(shù)據(jù)來源于2003—2010年《遼寧農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》,遼寧省不同土地利用方式土地面積來源于遼寧省國土規(guī)劃局公布的數(shù)據(jù)。3現(xiàn)行土地利用類別分類目前碳排放研究最權(quán)威的成果是IPCC出具的《IPCC國家溫室氣體清單指南》,在《IPCC國家溫室氣體清單指南》中,將土地利用類別分為林地、農(nóng)田、草地、濕地、聚居地和其他土地,與我國現(xiàn)行的土地利用現(xiàn)狀二級分類相對應(yīng)(表1)。3.1碳匯的總量及碳匯系數(shù)林地和草地是碳匯的土地利用類型,本研究采取的核算方法為:Ch=∑Si·Ti,Ch為碳匯的總量,Si為第i種土地利用類型的面積,Ti為第i種土地利用類型的碳匯系數(shù)。碳匯系數(shù)采用方靜云等的研究結(jié)果:林地碳匯系數(shù)為5.7700,草地碳匯系數(shù)為0.0021。3.2累有機物對空氣碳化的影響農(nóng)田對應(yīng)我國的土地利用類型為耕地和園地。耕地既是碳源也是碳匯,作物生長積累有機物時吸收大氣中的CO2,但同時也向大氣中釋放碳,尤其以水稻田為主,向空氣中釋放了大量的CH4。本研究只考慮主要途徑的碳吸收(農(nóng)作物生產(chǎn)過程中光合作用帶來的碳吸收)和碳排放(主要是化肥生產(chǎn)、灌溉和農(nóng)業(yè)機械的碳釋放)。3.2.1作物含碳量的計算作物通過光合作用同化空氣中的CO2、釋放O2,合成碳水化合物供其生長、發(fā)育。因此,農(nóng)作物的干物質(zhì)積累(干物重)反映出其同化能力,可進而推算出作物的含碳量,即在生長季中作物體內(nèi)碳的增加量,這也就是從大氣中固定下來的CO2量。農(nóng)作物生育期碳匯量(Ct)核算公式如下:式中,Ct為作物生育期碳匯總量,Cid為第i種農(nóng)作物生育期對碳的吸收量,Cf為第i種作物合成有機質(zhì)(干質(zhì)量)所需要吸收的碳(碳匯率),Yw為第i種作物經(jīng)濟產(chǎn)量,Dw為第i種作物生物產(chǎn)量,Hi為第i種作物經(jīng)濟系數(shù)。主要農(nóng)作物的經(jīng)濟系數(shù)和碳匯率取值如表2所示。3.2.2灌溉碳源的變化Et=Ef+Em+Ei,Et為農(nóng)作物生育期的碳源總量,Ef為農(nóng)田化肥施用的碳源,Em為農(nóng)業(yè)機械使用的碳源,Ei為灌溉過程帶來的碳源。各項碳源計算公式如下(其中A~D是轉(zhuǎn)化系數(shù)):Ef=Gf×A,Gf為化肥施用量,A=857.54g/kg;Em=(Am×B)+(Wm×C),Am為農(nóng)作物種植面積,Wm為農(nóng)業(yè)機械總動力,B=16.47kg/hm2,C=0.18kg/kW;Ei=Ai×D,Ai為灌溉面積,D=266.48kg/hm2。3.2.3凈碳吸收3.3碳源排放h4聚居地包括商服用地、工礦倉儲用地、住宅用地、交通運輸用地、特殊用地、公共管理與公共服務(wù)用地。這些類別的碳源主要來源于能源消耗和農(nóng)村宅基地牲畜的CH4排放。所以此部分核算中包括兩方面:一是通過行業(yè)能源消耗來核算商服用地、工礦倉儲用地、住宅用地、交通運輸用地的碳源,二是住宅用地中的農(nóng)村宅基地的牲畜的CH4排放。聯(lián)合國糧農(nóng)組織的報告《牲畜的巨大陰影:環(huán)境問題與選擇》中的數(shù)據(jù)顯示,每年由牛、羊、駱駝、馬、豬和家禽排放溫室氣體的CH4量占全球排放總量的18%,可見牲畜的CH4排放是核算碳排放總量時不可忽視的重要部分。農(nóng)場和牲畜養(yǎng)殖地基本都在農(nóng)村或者遠(yuǎn)郊,所以將這部分歸到農(nóng)村宅基地中。3.3.1碳源類型及碳源用量2005年全球能源消費總量114.34億t,其中煤炭、石油、天然氣、核能、水電、生物質(zhì)能源與廢棄物、其他能源分別占25.3%、35%、20.7%、6.3%、2.2%、10.0%和0.5%,煤炭、石油和天然氣是全球消耗量最大的3種能源。本研究通過《遼寧統(tǒng)計年鑒》的能源平衡表找出土地利用類型和行業(yè)的對應(yīng)關(guān)系(表3),核算了行業(yè)的年度煤炭、石油和天然氣能源消耗量從而得到該土地利用類型的碳源量。本研究核算碳源采用計算方法為:Cy=∑Mij·Nj,Cy為碳源總量,Mij為第i種行業(yè)消耗j能源的量,Nj為j種能源的碳源系數(shù),即j分別為煤炭、石油、天然氣。在碳源系數(shù)的選取上,本研究采用取平均數(shù)法,系數(shù)來源如表4所示。3.3.2豬腸道發(fā)酵ch4排放系數(shù)在農(nóng)村宅基地的碳排放核算中,除了人類的生產(chǎn)生活造成的碳排放,牲畜腸道內(nèi)發(fā)酵以及排泄物處理過程中造成大量的溫室氣體CH4的排放。本研究估算的畜禽的品種主要包括大牲畜(黃牛、馬、驢、騾、豬、羊)。胃腸發(fā)酵CH4排放系數(shù)主要來源于IPCC(2006),在IPCC公布的系數(shù)表下面也注明了該系數(shù)存在不確定性,不確定幅度大約為±30%~50%。禽類胃腸發(fā)酵CH4排放量極微,IPCC不予考慮,本研究也忽略其排放量。畜禽排泄物甲烷排放系數(shù)也是來源IPCC(2006)公布的發(fā)展中國家年平均氣溫在15~25℃條件下,畜禽排泄物所產(chǎn)生CH4量。這些排放系數(shù)也存在不確定性波動,范圍為±30%。由于CH4排放個體差異、地區(qū)差異和飼養(yǎng)差異,很難給出一個非常完美的系數(shù)。本研究依照比較權(quán)威的數(shù)據(jù)來源忽略其不確定性的一面,采用IPCC公布的正常值進行計算。待中國新的畜牧業(yè)CH4排放系數(shù)出現(xiàn)后,再對現(xiàn)有的系數(shù)進行相應(yīng)的調(diào)整。大牲畜的胃腸發(fā)酵和排泄物的CH4排放系數(shù)見表5。Eh=∑Qij·Ni,Eh為牲畜的CH4排放總量,Qij為第i種牲畜的第j類甲烷排放系數(shù),即j為胃腸發(fā)酵CH4排放系數(shù)和排泄物CH4排放系數(shù),Ni為第i種牲畜的數(shù)量。核算出的CH4排放量根據(jù)化學(xué)分子量的轉(zhuǎn)換將其換算成為碳源量,加總到農(nóng)村宅基地的碳源總量中。4結(jié)果與分析4.1觀念轉(zhuǎn)變帶來的碳排放總量增長迅速2003—2010年,遼寧省的碳源量逐年增加,從2003年的9276.91萬t增長到2010年的11471.15萬t,增長幅度達(dá)23.75%,碳匯量呈微小下降趨勢,從2003年的3294.38萬t減少到2010年的3288.69萬t,碳赤字從2003年的5982.53萬t增長到2010年的8182.46萬t,地均碳排放量由2003年的6.25t/hm2增長到2010年的7.73t/hm2。遼寧作為東北老工業(yè)基地的重要組成部分,工業(yè)基礎(chǔ)較為雄厚,第二產(chǎn)業(yè)占國民經(jīng)濟比重大,能源消耗多,碳排放量大。近年來,國家制定了重振東北老工業(yè)基地的發(fā)展措施,遼寧的城市化建設(shè)步伐加快,與此同時也帶來了碳源量逐年增加的問題。近年來遼寧省的碳匯量小幅度減少,變化不大,這主要是因為林地、草地面積變化不大。聚居地中的工礦倉儲用地的碳排放量占總碳排放量的比重最高,2010年比重達(dá)77.59%,其次分別是耕地、住宅用地、商服用地、交通運輸用地。王中英等探討了我國國內(nèi)生產(chǎn)總值的增長與碳排放量的關(guān)系,其研究結(jié)果表明我國過分依賴投資的經(jīng)濟增長方式和以第二產(chǎn)業(yè)為主的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)在很大程度上是導(dǎo)致溫室氣體排放增加的主要原因。而遼寧省作為國家老工業(yè)基地,工業(yè)基礎(chǔ)雄厚,所以工礦倉儲用地的碳排放量大。從終端能源消費的角度分析,遼寧省的能源消費以煤炭為主,以2010年為例,煤炭的碳排放量達(dá)到6798.53萬t、占總排放量的62.85%。煤炭的大量使用產(chǎn)生了大量的CO2,石油消耗造成的碳排放從2003年的2534.41萬t到2010年的4010.56萬t,增幅達(dá)到58.24%。近年來我國汽車行業(yè)發(fā)展迅速,私人轎車擁有量迅速上升,以沈陽市為例,2006年,沈陽每天增加機動車約150輛;2007年,每天增加機動車約200輛;2008年,每天增加約250輛。而2009年依照19.8萬輛的汽車銷售來看,每天增加機動車約500輛以上。私人擁有汽車量的大幅度攀升造成汽油、柴油的需求增加,從而石油消耗帶來的碳排放量也呈相應(yīng)態(tài)勢增加。可采取大力發(fā)展清潔能源等措施來取代煤炭和石油,如核能發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電等;在交通設(shè)備上推廣使用液化氫和液化天然氣以及電動車取代汽油和柴油。4.2全國的碳源量有所增加李穎等、張秀梅等和劉英等分別研究了江蘇省和河南省不同土地利用方式的碳排放。遼寧的建設(shè)用地碳源量是商服用地、工礦倉儲用地、住宅用地、交通運輸用地的碳源量加總而來。江蘇、河南、遼寧三地碳源碳匯情況對比情況見表7。從表7可以看出,江蘇、河南、遼寧三地的碳源量近年來不斷增加,江蘇省的碳源量從2003年的9637.71萬t增長到2007年的16440.01萬t,河南省從2003年的7424.48萬t增長到2008年的13023.03萬t,而遼寧省2010年碳源量較2003年增長幅度達(dá)到了23.75%。這和城市化和工業(yè)化的不斷發(fā)展有著密切的聯(lián)系,也印證了全國碳源量不斷增加的趨勢。其中,建設(shè)用地的碳源量占總碳源量的比重最大,以2007年為例,江蘇省建設(shè)用地碳源量占總碳源量比重達(dá)87.40%、河南為94.77%、遼寧為88.72%。三省的林地、草地的碳匯量從2003年到2007年基本保持不變,三省林地、草地面積不同造成了碳匯量的差值。2004年,江蘇、河南、遼寧的地均碳匯量分別為0.920.23、0.38t/hm2,江蘇省的地均碳匯量最高,可見江蘇省制定的“綠色江蘇”和生態(tài)省建設(shè)戰(zhàn)略取得了重大進展。地均碳源量遼寧最高,河南、江蘇次之,其原因有兩點:一是三省的經(jīng)濟發(fā)展水平有差距,以2008年為例,江蘇、遼寧、河南的人均GDP分別為39526、31415、19406元產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的差異加劇了地均碳源量的差距。遼寧省不斷加快產(chǎn)業(yè)調(diào)整步伐,盡管遼寧工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整取得了一定成效,但第二產(chǎn)業(yè)效益仍有惡化的趨勢;第三產(chǎn)業(yè)成為推動遼寧經(jīng)濟發(fā)展的重要力量,但長期以來其第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展很大程度上依賴零售貿(mào)易、餐飲等傳統(tǒng)服務(wù)業(yè),而金融、信息和中介服務(wù)等現(xiàn)代服務(wù)業(yè)競爭力不強。作為全國第一農(nóng)業(yè)大省的河南,近年來高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、服務(wù)業(yè)的發(fā)展勢頭迅猛,但總體來看仍然處于產(chǎn)業(yè)鏈的前端和價值鏈的低端。江蘇省借助長三角經(jīng)濟圈的優(yōu)勢,第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度和程度上明顯高于遼寧省和河南省。工業(yè)和農(nóng)業(yè)的碳源量高于第三產(chǎn)業(yè),所以產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的差異影響了三省地均碳源量。二是本研究在計算碳源總量時核算了牲畜CH4的碳排放,此表列出的江蘇和河南兩地的研究并未統(tǒng)計這一項。5區(qū)域化碳源量現(xiàn)狀結(jié)合以上分析可得出以下結(jié)論:(1)2003—2010年遼寧省的碳源量逐年增加,從2003年的9276.91萬t增長到2010年的11471.15萬t,增長幅度達(dá)23.75%,碳匯量呈微小下降趨勢,從2003年的3294.38萬t減少到2010年的3288.69萬t,碳赤字從2003年的5982.53萬增長到2010年的8182.46萬t,地均碳源量由2003年的6.25t/hm2增長到2010年的7.73t/hm2。(2)遼寧省單位面積碳排放5年來呈明顯上升趨勢,其中,工礦倉儲用地單位面積碳源最大,2010年比重達(dá)77.59%,其次是耕地、住宅用地、商服用地、交通運輸用地。這說明