基于小尺度的高寒牧區(qū)碳排放估算
——以甘南州合作市為例

王錄倉，高 靜

(西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 蘭州 730070)

基于小尺度的高寒牧區(qū)碳排放估算
——以甘南州合作市為例

王錄倉*，高 靜

(西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 蘭州 730070)

碳排放是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題。縱觀碳排放計(jì)算,關(guān)鍵涉及到兩個(gè)環(huán)節(jié)：一是研究尺度的選擇，二是評(píng)估參數(shù)(即碳排放/吸收系數(shù))的確定。高寒牧區(qū)還必須充分考慮牲畜碳排放。以甘南州合作市為例，將研究尺度縮小到41個(gè)行政村，并采用最新的土地二調(diào)數(shù)據(jù),對(duì)土地利用碳排放和碳匯、生活和牲畜碳排放進(jìn)行了系統(tǒng)地測(cè)算。結(jié)果表明: (1)從土地利用的角度考察，合作市總碳排放表征為“碳虧”態(tài)勢(shì)。總碳排放量為24374.82 t/a，其中土地利用碳排放量為4908.21 t/a，牲畜代謝碳排放量為3703.94 t/a，城鄉(xiāng)居民生活碳排放量為15762.67 t/a。而碳匯量?jī)H為1949.74 t/a，“碳虧”量為22425.08 t/a。(2)牲畜是高寒牧區(qū)呼吸碳排放的主體，其碳排量為3703.94t/a，其中牛是碳排放的主體，其碳排量占90%以上。(3)城鄉(xiāng)居民生活碳排量為15762.67t/a，城鎮(zhèn)明顯高于農(nóng)村，生存型碳排放強(qiáng)度高于發(fā)展型碳排放強(qiáng)度。(4)碳排放局分布勢(shì)面與碳匯分布局勢(shì)面基本呈反向分布態(tài)勢(shì)，但總的碳排放格局取決于碳排放而非碳匯，空間分布表現(xiàn)為從城區(qū)—半農(nóng)半牧區(qū)—純牧區(qū)逐級(jí)遞減的趨勢(shì)。

生存型碳排放; 發(fā)展型碳排放; 呼吸釋碳; 合作市

土地利用和覆蓋變化(LUCC)的碳排放對(duì)全球碳循環(huán)的影響已成為目前國內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)問題[1- 5]。人類活動(dòng)對(duì)碳循環(huán)的影響實(shí)質(zhì)就是通過改變土地利用方式進(jìn)而改變?nèi)藶榈哪茉聪M(fèi)格局,從而影響到碳排放的數(shù)量和速率[6- 7]。在過去250a間,大氣CO2濃度增加(31±4)%,其中LUCC是其主要影響因素[8]。在中國過去300a間，由于LUCC，陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量也隨之發(fā)生了變化[9]。這種變化不僅是全國性的，也體現(xiàn)在各省(區(qū))[10- 11]。由于土地利用變化導(dǎo)致溫室氣體排放的作用機(jī)理較復(fù)雜,它既可以發(fā)揮碳源作用,也可以發(fā)揮碳匯作用[12]。草地是主要的土地利用方式之一，全世界草地面積約占地球陸地面積的51%，中國西部六省區(qū)草地面積約為2. 7×108hm2，占全國草地總面積的70%[13]。世界觀察研究所(WWI)在《牲畜與氣候變化》報(bào)告中指出,牲畜及其副產(chǎn)品至少排放了相當(dāng)于325.64 億tCO2的溫室氣體,占世界總排放的 51%[14]。由于高寒牧區(qū)整體上處于以傳統(tǒng)游牧經(jīng)濟(jì)為主的狀態(tài),因此草地畜牧業(yè)對(duì)碳排放具有至關(guān)重要的作用。

縱觀碳排放計(jì)算,涉及到兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：一是研究尺度的選擇。現(xiàn)有研究大多涉及全球、全國或省區(qū),一般通過對(duì)遙感影象解譯來獲得源數(shù)據(jù)，但受大尺度地理事物復(fù)雜性的影響,不可避免地將土地利用類型誤判或?qū)⑿K土地利用類型進(jìn)行歸并，影響了研究精度。本研究將尺度縮小到市域，并采用最新土地“二調(diào)”數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)源造成誤測(cè)。二是評(píng)估參數(shù)(即碳排放/吸收系數(shù))的選擇，現(xiàn)有的評(píng)估參數(shù)大多依托國家或國際組織提供的評(píng)估參數(shù)，部分專項(xiàng)研究通過實(shí)測(cè)來獲得參數(shù),無論是那種方法,都無法很好的解決參數(shù)的適用性與可比性難題。本文通過文獻(xiàn)檢索，盡可能地選擇可比性較強(qiáng)的同類型區(qū)，以實(shí)測(cè)值為依據(jù)。對(duì)于高寒牧區(qū)，除了考慮一般性的碳排放外，更要考慮牲畜因素。

1 研究區(qū)概況

合作市位于青藏高原東北邊緣,境內(nèi)平均海拔2850—3500m，寒冷陰濕，長(zhǎng)冬無夏。年平均氣溫1.1℃，降雨量630mm。平均天然草地產(chǎn)草量(干草)1300kg/hm2，每hm2草場(chǎng)載畜量2.4個(gè)羊單位?，F(xiàn)轄6個(gè)鄉(xiāng)、4個(gè)街道辦事處、8 個(gè)社區(qū)居委會(huì)、39 個(gè)村委會(huì)、258個(gè)村民小組。國土面積26.7 ×104hm2,其中: 草場(chǎng)面積17.6 ×104hm2，耕地面積1 ×104hm2。全市總?cè)丝?.58 萬人,其中: 城鎮(zhèn)人口5.18 萬人,占總?cè)丝诘?0.4%；藏族人口4.6 萬人,占總?cè)丝诘?4%。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

土地利用類型及面積數(shù)據(jù)利用合作市第二次土地調(diào)查資料(2008)，其它經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)據(jù)源于《合作市統(tǒng)計(jì)年鑒》(2011)。

2.2 不同土地利用類型的碳排放估算

一個(gè)區(qū)域的碳收支平衡取決于碳排放(碳源)和碳吸收(碳匯)兩方面(圖1)。土地利用碳排放包括直接碳排放(生存型碳排放)和間接碳排放(發(fā)展型碳排放)兩個(gè)方面。前者主要是指LUCC類型轉(zhuǎn)變導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)類型更替造成的碳排放,后者是指土地經(jīng)營(yíng)方式轉(zhuǎn)變所驅(qū)動(dòng)的碳排放。論文著重測(cè)算由人類活動(dòng)所引起的主要土地利用類型的碳排放量和碳吸收量。

圖1 高寒牧區(qū)碳排放構(gòu)成示意圖Fig.1 The Carbon Internal structure in alpine pastoral

2.2.1 土地利用碳排放

對(duì)于耕地、林地、草地、水域、未利用地等5種類型土地的碳排放量估算，采用直接碳排放系數(shù)法，其估算公式是：

E=∑ei=∑Si×δi

(1)

式中,E為碳排放總量；ei為各種土地利用類型產(chǎn)生的碳排放量；Si為各種土地利用類型對(duì)應(yīng)的土地面積；δi為各種土地利用類型的單位面積碳排放系數(shù)，排放為正，吸收為負(fù)；i=1,2,3,…，分別代表各種不同土地利用類型。

已有的研究將土地類型分為6大類來計(jì)算,本文由于研究區(qū)域尺度相對(duì)較小,加之有翔實(shí)的土地“二調(diào)”數(shù)據(jù)支持。為使計(jì)算結(jié)果更加可靠,一方面對(duì)土地利用類型參照“二調(diào)”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行細(xì)分；另一方面，對(duì)于土地利用類型碳排放系數(shù)的確定，首選有實(shí)測(cè)值的同類研究案例，如無實(shí)測(cè)值時(shí)，則考慮地區(qū)、地域的可比性(表1)。

2.2.2 牲畜呼吸碳排放量

畜牧業(yè)在合作市經(jīng)濟(jì)體系中，占有重要的地位。牲畜從草地上攝取的營(yíng)養(yǎng)元素的80%—95%通過糞尿返還給土壤。畜糞中的C一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥烙袡C(jī)碳(SOC),另一部分則通過呼吸排放到大氣中。在放牧草地生態(tài)系統(tǒng)中,大約17%—72%的生物C在草地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)[15]。

牲畜呼吸釋碳量(t/a)=年均飼養(yǎng)總數(shù)×ei(t/a)。式中，ei是i類牲畜呼吸的平均釋碳量(表2)。

表1 合作市各類用地年碳排放

表2 合作市各類牲畜碳排放系數(shù)和碳排放量

2.2.3 城鄉(xiāng)居民生活碳排放量

碳排放量根據(jù)IPCC 碳排放計(jì)算指南[24]。

Eif=k×Cif×Rif×Pif×Oif

(2)

式中，Eif為i種燃料燃燒產(chǎn)生的CO2量(tCO2);Cif為i種燃料的消費(fèi)量(t);Rif為i種燃料的熱量轉(zhuǎn)換系數(shù)(TJ /103t);Pif為i種燃料的單位含碳量(tC);Oif為i種燃料的氧化系數(shù);k為CO2和C的質(zhì)量比，取44/12。

Eic=Iic×Cic

(3)

式中,Eic為第i類居民家庭消費(fèi)產(chǎn)生的間接生活碳排放量(kg CO2);Iic為居民家庭第i類消費(fèi)的年支出量(元);Cic為第i類家庭消費(fèi)的CO2排放系數(shù)(kg CO2/元)。計(jì)算結(jié)果見表3和表4。

表3 合作市居民生活耗能統(tǒng)計(jì)表

表4 合作市居民人均消費(fèi)性支出及其碳排放

3 結(jié)論與討論

(1)合作市總碳排放表征為“碳虧”態(tài)勢(shì)

碳排量中，土地利用碳排放量為4908.21t/a，牲畜代謝碳排放3703.94t/a，城鄉(xiāng)居民生活碳排放量為15762.67t/a，而碳匯量?jī)H為1949.74 t/a，碳虧22425.08t/a(表6)。合作市地處高寒牧區(qū)，高寒缺氧的特殊環(huán)境，決定了土地利用方向和強(qiáng)度，決定了天然植被的類型和分布態(tài)勢(shì)。根據(jù)全國第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)成果，合作市土地總面積209121.69hm2，農(nóng)用地203276.14hm2，占土地總面積的97.18%。其中：耕地面積15006.05hm2，占總土地面積的7.18%；林地27072.73hm2，占12.95%；牧草地157395.94hm2，占75.26%，建設(shè)用地2073.07hm2，占土地總面積的0.99%。未利用土地(包括裸土地、裸巖、石礫地、田坎)僅占總土地面積的3.72%。全市土地利用率為97.80%,而土地墾殖率僅為6.09%，建設(shè)用地率為0.81%?？梢姾献魇型恋乩媒Y(jié)構(gòu)中，農(nóng)用地比重大且嚴(yán)重偏好牧草地，因此草地利用狀況應(yīng)是碳排放的關(guān)鍵性因子。但由于草地的貯碳能力相對(duì)較弱，且不穩(wěn)定，因此盡管草地所占比例很大，但與林地相比，其碳匯量(332.88 t/a)僅為林地(1576.69t/a)的21%。從自然環(huán)境基質(zhì)上講，高寒嚴(yán)酷環(huán)境限制了碳匯效應(yīng)更強(qiáng)的森林生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育，而與高寒環(huán)境相適應(yīng)的草地生態(tài)系統(tǒng)則廣泛分布，但由于其天生的弱碳匯能力，因此對(duì)區(qū)域整體碳匯的貢獻(xiàn)度并不高，這決定了高寒牧區(qū)盡管分布有大量的草地，但無法改變碳虧的狀況。但另一方面，高寒草甸草原是高寒草原上最主要草地類型,在低溫、濕潤(rùn)的環(huán)境中,高寒草甸土壤有機(jī)碳密度和儲(chǔ)量巨大[25]。據(jù)Yang等的研究結(jié)果,高寒草甸平均土壤碳密度為9.05 kg/m2,有機(jī)碳平均貯存量為23.17×104kg/hm2[26]。由于高寒牧區(qū)草地畜牧業(yè)是主體，因此與草地面積相對(duì)應(yīng)的牲畜釋碳量相對(duì)較大，在牲畜釋碳量中，貢獻(xiàn)最大的是牛，其碳排放量占牲畜碳排總量的98%以上，這與牲畜種群結(jié)構(gòu)大致吻合(表2)。如果再考慮動(dòng)物的反芻釋碳量，則牛的釋碳量將會(huì)更大。Prochnow研究表明，牲畜從草地上攝取的營(yíng)養(yǎng)元素的 80%—95%通過糞尿返還給土壤。畜糞中的C一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥烙袡C(jī)碳(SOC)，另一部分則通過呼吸排放到大氣中。在放牧草地生態(tài)系統(tǒng)中，大約17%—72%的生物C在草地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)[27]。根據(jù)FAO(食品與農(nóng)業(yè)組織)統(tǒng)計(jì)，家畜排放的溫室氣體量占18%[28]。一頭體重250kg的牛每天排放200 L的CH4，內(nèi)蒙古白絨山羊在牧草旺盛期可產(chǎn)生CH419.02g/d[29]。減少反芻動(dòng)物溫室氣體排放量，要從提高單產(chǎn)，減少養(yǎng)殖數(shù)量，降低動(dòng)物糞便產(chǎn)生量等三個(gè)方面入手[30]。

從城鄉(xiāng)居民生活碳排放看，在表現(xiàn)出共性的同時(shí)，也存在著一定的差異性?？傮w而言，由于整體社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)育水平較低，消費(fèi)能力有限，由食品、衣著、住房引致的碳排放占主導(dǎo)，其中城鎮(zhèn)又以住房為主，而農(nóng)牧村則以食物為主。這從城鄉(xiāng)居民家庭消費(fèi)的恩格爾系數(shù)差異上可以得到佐證。2011年，合作市城鎮(zhèn)居民家庭恩格爾系數(shù)為35.16，農(nóng)牧民家庭恩格爾系數(shù)為57.25，農(nóng)牧村是城市的1.63倍。除了摩托車、電話機(jī)外，城鎮(zhèn)居民消費(fèi)耐用品(如洗衣機(jī)、電冰箱、移動(dòng)電話、彩色電視機(jī))的比例遠(yuǎn)高于農(nóng)牧村，城鎮(zhèn)居民還擁有很多高檔耐用消費(fèi)品，如家用電腦、淋浴熱水器、攝像機(jī)等，而農(nóng)村居民家庭中這些消費(fèi)品的數(shù)量非常少。這在一定程度上也映射出農(nóng)牧村的生活壓力遠(yuǎn)高于城鎮(zhèn)地區(qū)。通過比較發(fā)現(xiàn)，無論是城鎮(zhèn)居民還是農(nóng)村居民，其生活碳排放強(qiáng)度均小于全國平均水平(表5)。反映了經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)育水平對(duì)排放的基礎(chǔ)性作用。

合作市位于高寒牧區(qū)，雖然是甘南州府所在地，但目前仍然處在傳統(tǒng)牧業(yè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)狀態(tài)。在生活水平低下的背景下，由生存引致的碳排放是主體，而由消費(fèi)和發(fā)展引致的碳排放相對(duì)較弱。同時(shí)城鄉(xiāng)間在碳排放構(gòu)成中還存在著一定的差異，城鎮(zhèn)居民直接碳排放與間接碳排放比例為1∶1.8；而農(nóng)村居民的這一比例為1∶6.7。這表明，在廣大的農(nóng)牧村，由于自然條件嚴(yán)酷，生存壓力大，由生存而引發(fā)的碳排放更占主導(dǎo)地位。

表5 合作市碳排放與全國比較

表6 合作市各行政村(街道辦)碳排放量

高寒缺氧的特殊環(huán)境，導(dǎo)致整個(gè)牧區(qū)的采暖期長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月，在能源替代性非常差的條件下，為了保證采暖和炊事用能，廣大農(nóng)牧村群眾主要依靠畜糞和薪草等生物質(zhì)能源。盡管國家和省、州出臺(tái)了許多政策，采取了一系列措施保護(hù)生態(tài)環(huán)境，但受傳統(tǒng)游牧生產(chǎn)生活方式的深刻影響和其它能源輸入的制約,雖然部分牧戶已推廣使用了太陽灶、沼氣池、節(jié)能灶、太陽能光電板,但無法改變能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)仍嚴(yán)重偏好生物用能的現(xiàn)狀。農(nóng)牧民仍然通過燒畜糞、草皮等來解決燃料問題。農(nóng)牧村能源消費(fèi)中,畜糞是主體(約占31.4%)、其次是薪柴和草皮(分別占30.7%和占12.6%)[31]。因此在農(nóng)村居民碳排放構(gòu)成中，由畜糞、草皮和秸桿等利用引致的碳排放量占77.35%，僅畜糞一項(xiàng)就占58.8%。盡管草-畜-糞的循環(huán)利用模式對(duì)碳排放有一定削減作用，但在目前的開發(fā)利用水平[32]下，畜糞的燃燒仍然造成了大量的碳排放。相比較而言，城鎮(zhèn)和近郊地區(qū)的能源多樣性和替代性較強(qiáng)，煤碳成為城市工業(yè)生產(chǎn)、城市采暖的主要能源，其引致的碳排放占城鎮(zhèn)居民碳排放總量的39.45%。

(2)碳排放格局與碳匯格局基本呈反向分布態(tài)勢(shì)，但總的碳排放格局取決于碳排放而非碳匯，空間分布表現(xiàn)為從城區(qū)—半農(nóng)半牧區(qū)—純牧區(qū)逐級(jí)遞減的趨勢(shì)。

從碳匯的分布格局看，與林地和草地的分布格局具有高度的一致性。尤其是森林集中分布的洮河谷地(如勒秀鄉(xiāng)峽村)和太子山區(qū)(如卡加道鄉(xiāng)土房村)是典型的碳匯高值區(qū)，兩個(gè)純牧鄉(xiāng)(佐蓋多瑪鄉(xiāng)和佐蓋曼瑪鄉(xiāng))也是碳匯的重要區(qū)域。而人口密度較大、耕地較多的城區(qū)、郊區(qū)和大夏河及其支流(格河)谷地則成為碳匯的低值區(qū)(圖1,圖2)。也就是說，以自然生態(tài)系統(tǒng)為主的林地及草地分布區(qū)，表現(xiàn)出較高的碳匯功能，而人口較為密集和耕地較多區(qū)域，則為碳源。

從總碳排放看，即使在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)育水平低下、人類活動(dòng)擾動(dòng)較弱、自然環(huán)境屏蔽性強(qiáng)的高寒牧區(qū)，總的碳排放仍然大于碳匯。除太子山區(qū)的土房村和洮河谷地的峽村外，其余各鄉(xiāng)(街道辦)均表現(xiàn)為“碳虧”狀態(tài)。從人類活動(dòng)的角度講，盡管高寒缺氧環(huán)境一定程度上限制了人類的進(jìn)入性和人類活動(dòng)的強(qiáng)度，但由于州府所在地的政治地位和農(nóng)牧交匯區(qū)的地域經(jīng)濟(jì)特征，合作市仍然吸引了相當(dāng)數(shù)量的人口和經(jīng)濟(jì)要素，在自然和經(jīng)濟(jì)承載力均有限的條件下，由于全社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，不可避免地驅(qū)動(dòng)了人類消費(fèi)水平的持續(xù)提高。即使在生產(chǎn)水平和消費(fèi)水平依然低下的背景下，仍排放出大量的碳，并且生存型碳排放正在向發(fā)展和消費(fèi)型碳排放轉(zhuǎn)型。

圖2 合作市碳匯分布圖Fig.2 The distribution of carbon sinks in Hezuo

圖3 合作市碳排放分布圖Fig.3 The distribution of carbon emission in Hezuo

可以直觀的看出，全市生活碳排放表現(xiàn)出明顯的空間分異，即從城區(qū)向邊遠(yuǎn)純牧區(qū)，碳排放強(qiáng)度大致由高向低遞減，基本表征為圈層分異格局。城區(qū)和近郊鄉(xiāng)村碳排放水平高，而向半農(nóng)半牧區(qū)過渡時(shí)，碳排放水平有所下降，碳排放最少的是典型的純牧區(qū)(如佐蓋多瑪鄉(xiāng)和佐蓋曼瑪鄉(xiāng))。

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The estimates of carbon emission based on small-scale in alpine pastures: a case study of Hezuo in Gannan Autonomous Prefecture, China

WANG Lucang*, GAO Jing

CollegeofGeographyandEnvironmentalScience,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou730070,China

Carbon emissions are the hot issues of the current domestic and international research. Throughout the calculation of carbon emissions, the key involves two aspects: First, the choice of research scale, second, the definition to assessment parameters (carbon emission / absorption coefficient). The alpine pastoral must also full consider Livestock carbon emissions. The paper carried out a systematic calculation of land use carbon emissions and carbon sinks, which combined characteristics of alpine pastures and the lastest second national survey data of land use,by the way of scale-down to the 41 administrative villages. The results show that: (1) The total carbon emissions characterization show as "carbon deficit" situation. The total carbon emissions24374.82t/a, Land-use carbon emissions 4908.21t/a, the livestock metabolism carbon emissions 3703.94t/a, and urban -rural residents living carbon emissions 15762.67 t/a. Carbon sinks only have 1949.74 t/a,the amount of "carbon deficit "reaches to 22425.08t/a. (2)In the alpine pastoral, livestock is the main body of breathing carbon emissions, carbon emissions for 3703.94 t/a, which the cattle are the main factors of the carbon emissions, more than 90% of its carbon emissions.(3)Urban-rural residents living carbon emissions reaches to 15762.67 t/a, the towns significantly higher than rural areas, This suggests that the survival-type carbon emission intensity is higher than the development of carbon emission intensity.(4)From the city-semi-agricultural and semi-pastoral areas- pure pastoral areas, the spatial pattern of carbon emission shows a decreasing trend.

survival-type carbon emission; developing-style of carbon emission; breathing carbon emissions; Hezuo City

國家自然基金地區(qū)項(xiàng)目(41261042); 2011年度省屬高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目; 2010年度甘肅省高校研究生導(dǎo)師基金項(xiàng)目(1001- 22); 西北師范大學(xué)青年教師科研能力提升計(jì)劃-骨干項(xiàng)目(SKQNGG10029)

2013- 01- 28; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2014- 03- 13

10.5846/stxb201301280176

*通訊作者Corresponding author.E-mail: Wanglc007@nwnu.edu.cn

王錄倉，高靜.基于小尺度的高寒牧區(qū)碳排放估算——以甘南州合作市為例.生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(21):6337- 6345.

Wang L C, Gao J.The estimates of carbon emission based on small-scale in alpine pastures: a case study of Hezuo in Gannan Autonomous Prefecture, China.Acta Ecologica Sinica,2014,34(21):6337- 6345.