基于IPCC排放因子法估算碳足跡的京津冀生態(tài)補償量化

閆 豐，王 洋，杜 哲，陳 影，陳亞恒

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基于IPCC排放因子法估算碳足跡的京津冀生態(tài)補償量化

閆 豐，王 洋，杜 哲，陳 影，陳亞恒※

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源學(xué)院，保定 071001）

構(gòu)建合理的生態(tài)補償量化標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系著京津冀區(qū)域的健康發(fā)展。采用IPCC排放因子法計算京津冀地區(qū)2006－2015年的碳足跡，結(jié)果表明：10 a間京津冀地區(qū)碳足跡變化趨勢分為2個階段，2006到2013呈現(xiàn)快速增長趨勢，年增長率約為8.5%，2013年之后基本保持不變；考慮森林、草地、農(nóng)用地的固碳能力的前提下，測算了京津冀地區(qū)2006－2015年的碳承載力，結(jié)果表明：2009年京津冀地區(qū)的碳承載力有明顯增高，之后基本保持平穩(wěn)，略有提升；為了對比不同區(qū)域內(nèi)（人口和區(qū)域面積）碳赤字對生態(tài)的影響，提出了碳赤字敏感度，進而利用碳赤字敏感度構(gòu)建了生態(tài)補償因子的概念，并據(jù)此確定京津冀三區(qū)生態(tài)補償?shù)牧炕瘶?biāo)準(zhǔn)，結(jié)果表明：河北和北京每年都應(yīng)得到天津支付的一定額度的生態(tài)補償，其中河北2012年應(yīng)獲得補償最多（161億元），北京2013年最多（61.5億元）。研究結(jié)果對加快建立完善的京津冀橫向生態(tài)補償機制有參考意義。

碳；生態(tài)；排放控制；碳承載力；生態(tài)補償量化；京津冀

0 引 言

中國共產(chǎn)黨第十八次全國代表大會明確將生態(tài)文明建設(shè)納入中國特色社會主義事業(yè)“五位一體”總體布局，提出“建立反映市場供求和資源稀缺程度、體現(xiàn)生態(tài)價值和代際補償?shù)馁Y源有償使用制度和生態(tài)補償制度”[1]。加快建立完善生態(tài)補償機制，不僅關(guān)系著各區(qū)域之間相互促進和相互推動，是國強民富不可缺少的重要措施。近年來諸多學(xué)者在生態(tài)補償方面進行了有益探索[2-9]，也取得一定成效。近年來中央和有關(guān)省市在生態(tài)補償方面進行了有益探索，也取得一定成效。但由于中國生態(tài)補償工作尚處于起步階段，實踐中還存在諸多不盡如人意之處[10-14]。例如生態(tài)補償量化標(biāo)準(zhǔn)模糊、較低，生態(tài)補償渠道單一。

碳足跡從不同角度定義有不同的表述方式，有學(xué)者用二氧化碳當(dāng)量值計算碳足跡，也有學(xué)者用吸收1t二氧化碳需要的林地或草地的面積表示碳足跡[15]，它的核算方法有多種，IPCC排放因子法[16]可以使用能源礦物燃料排放量計算碳足跡，這種方法數(shù)據(jù)容易收集。生態(tài)補償額度量化研究目前是熱點，段鑄等[6]從財政視角構(gòu)建京津冀橫向生態(tài)補償機制，用條件價值法和機會成本法對京津冀橫向生態(tài)補償量化標(biāo)準(zhǔn)進行了量化，但實際測算結(jié)果并不理想，甚至從某種程度上增加生態(tài)風(fēng)險。關(guān)于測算碳足跡的研究較多[17-26]，但將其同生態(tài)補償量化標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合起來的論文發(fā)表較少，胡小飛等[7]從碳足跡角度對江西省域內(nèi)城市間橫向補償做了研究，以碳赤字的絕對量作為參考衡量城市間的補償問題，但沒有考慮人口和區(qū)域面積問題。

生態(tài)環(huán)境保護、交通一體化、產(chǎn)業(yè)對接協(xié)作是京津冀協(xié)同發(fā)展的重點方向。京津冀區(qū)域碳排放量約占中國的20%[19]，是中國碳排放量最大的都市圈之一，區(qū)域內(nèi)各種能源消耗量巨大，碳排放量與能源消費量密切相關(guān)，由于京津城市高耗能產(chǎn)業(yè)向周邊轉(zhuǎn)移，使得河北省碳排放量節(jié)節(jié)升高，近幾年霧霾天氣肆虐、空氣污染嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境問題日漸成為制約京津冀區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。研究該區(qū)域碳足跡-碳承載力演變規(guī)律，早日構(gòu)建合理的生態(tài)補償量化標(biāo)準(zhǔn)對京津冀低碳協(xié)同發(fā)展政策的實施具有重要意義。

本文采用IPCC排放因子法進行碳足跡測算，同時考慮森林、草地和農(nóng)作物的固碳能力計算區(qū)域內(nèi)碳承載力，進而兩者相減得到區(qū)域內(nèi)碳赤字，并提出了碳赤字敏感度和生態(tài)補償因子概念，考慮研究區(qū)人口和面積，綜合衡量區(qū)域間的生態(tài)補償標(biāo)準(zhǔn)量化問題，能科學(xué)的體現(xiàn)出區(qū)域間的相對差值，對京津冀生態(tài)補償機制的建立有積極的促進作用。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要來源于：中華人民共和國統(tǒng)計局官網(wǎng)公布的2006―2015年中國統(tǒng)計年鑒中有關(guān)京津冀能源消耗量、林地和草地面積、不同農(nóng)作物的種植面積、省內(nèi)面積和人口等數(shù)據(jù)，文中涉及的能源消耗包括煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、天然氣、電能消費，涉及的主要農(nóng)作物蔬菜、甜菜、糖料、花生、油料、棉花、薯類、豆類、玉米、小麥、稻谷、谷物的含水率、經(jīng)濟系數(shù)等引自相關(guān)文獻。

1.2 研究方法

該研究碳足跡指由企業(yè)機構(gòu)、活動、產(chǎn)品或個人引起的溫室氣體排放的集合，所有溫室氣體排放用二氧化碳當(dāng)量值來表示。將京津冀作為研究對象，以研究區(qū)各種能源消耗量為基礎(chǔ)，利用IPCC排放因子法計算碳排放量，通過核算碳匯時考慮了研究區(qū)內(nèi)的植被、草地和農(nóng)作物的面積，計算研究區(qū)內(nèi)的碳赤字，揭示京津冀2006―2015年間碳吸收和碳排放時空變異格局，綜合考量研究區(qū)內(nèi)人口數(shù)量與區(qū)域面積的影響，提出碳赤字敏感度和生態(tài)補償因子概念，將碳赤字同生態(tài)補償機制有效結(jié)合起來，構(gòu)建生態(tài)補償量化標(biāo)準(zhǔn)模型，為研究區(qū)的生態(tài)補償工作和碳交易提供基礎(chǔ)理論。

1.2.1 碳足跡計算模型

研究碳足跡是一項復(fù)雜的工作，排放主體眾多且基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取難度大，導(dǎo)致得到準(zhǔn)確的碳足跡十分困難，但碳排放的主要來源還是以各種能源的消耗為主，通過查閱國家和各省級的統(tǒng)計年鑒得到主要能源的消耗量數(shù)據(jù)，將各種能源的消耗量轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)煤，利用IPCC排放因子法推斷出碳的排放量，進而通過一系列公式轉(zhuǎn)化成碳足跡，具體過程如下：

式中C為能源利用碳足跡，t/a;α為第種能源轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)煤的折煤系數(shù)，見表1；A為第種能源的消耗量，t/a；為1 t標(biāo)準(zhǔn)煤的碳排放量，查閱相關(guān)文獻取值為0.732 6 t；44/12為二氧化碳和C的分子量比率。

表1 各種能源的折煤系數(shù)[7]

1.2.2 碳承載力計算模型

區(qū)域碳匯研究涉及方面廣泛，包括森林、灌木、草地、濕地、農(nóng)作物等各類綠色植被的固碳能力，文中選取區(qū)域內(nèi)森林、草地、農(nóng)作物作為主要計算參考核算碳承載力，如下：

式中C為碳承載力，t/a；C為森林的固碳能力，t/a；C為草地的固碳能力，t/a；為農(nóng)作物的固碳能力，t/a。

1）森林碳匯的計算模型

式中為區(qū)域內(nèi)森林的面積，hm2；為森林平均NEP，反應(yīng)的是1公頃森林一年的固碳能力，取值為3.809 6 t/(hm2·a)。

2）草地碳匯的計算模型

式中為區(qū)域內(nèi)草地總面積，hm2，為草地平均NEP，反應(yīng)的是1公頃草地一年的固碳能力，取值為0.9482 t/(hm2·a)[8]。

3）農(nóng)作物碳匯的計算模型

式中λ為修正系數(shù)，考慮農(nóng)作物秸稈再利用及焚燒的量，取值0.07；為生物量和碳量的轉(zhuǎn)化系數(shù)，查閱文獻，取0.5；p為第種農(nóng)作物的經(jīng)濟產(chǎn)量，t/a；ω為第種農(nóng)作物經(jīng)濟產(chǎn)量的含水率，見表2；O為第種農(nóng)作物經(jīng)濟產(chǎn)量與生物量之比，即經(jīng)濟系數(shù)，見表2。

表2 各種農(nóng)作物經(jīng)濟系數(shù)和經(jīng)濟產(chǎn)量含水率[26-30]

注： 農(nóng)作物經(jīng)濟系數(shù)和含水率多在一個區(qū)間內(nèi)，計算時取算術(shù)平均值。

Note: The economic coefficient and water content of crops are more than one interval, then arithmetic average is used in calculation.

1.2.3 碳赤字敏感度計算模型

區(qū)域內(nèi)碳赤字由碳足跡與碳承載力的差值可得：

式中C某區(qū)域的碳赤子，t/a。

碳赤字為正值表明該區(qū)域碳排放超過碳承載力，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境有惡化趨勢；為負值說明該區(qū)域碳吸收能力大于碳排放能力，生態(tài)環(huán)境一般較好。

區(qū)域內(nèi)碳赤字敏感度計算如下：

式中為某區(qū)域的碳赤字敏感度，t/(人·hm2·a)；為區(qū)域內(nèi)人口數(shù)量；為區(qū)域內(nèi)土地面積，hm2。

碳赤字敏感度是關(guān)于碳赤字、研究區(qū)人口和面積的函數(shù)，與碳赤字成正比，與人口和面積成反比。碳赤字敏感度越小說明該區(qū)域受碳排放影響越小，生態(tài)環(huán)境越趨于安全，反之則反。

1.2.4 生態(tài)補償因子的計算模型

溫室氣體過度排放會造成某個區(qū)域的生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞，因此從碳足跡角度來衡量區(qū)域間生態(tài)補償量化標(biāo)準(zhǔn)問題是一個值得研究的方向，通過以上的一系列算法得到區(qū)域內(nèi)碳足跡（碳排放）和碳承載力（碳吸收）的數(shù)值，為了便于區(qū)域間橫向?qū)Ρ扔痔岢隽颂汲嘧置舾卸鹊母拍?，目前國家形成了一定?guī)模的碳交易市場，根據(jù)碳交易網(wǎng)（www.tanjiaoyi.com）2013年11月25日至2017年7月25日的數(shù)據(jù)，北京地區(qū)在4a內(nèi)碳交易額35 368.5萬元，碳交易量701.6萬t，折合每噸CO2的價格為50.41元。

區(qū)域間生態(tài)補償應(yīng)以區(qū)域內(nèi)碳赤字敏感度的相對大小作為參考，因此提出生態(tài)補償因子概念，具體算法如下：

生態(tài)補償因子為正值，意味著第區(qū)塊屬于補償主體，應(yīng)補償給其他區(qū)塊相應(yīng)額度的補償款，反之則是補償受體，應(yīng)得到其他區(qū)塊的補償款。生態(tài)補償因子綜合考慮了區(qū)域內(nèi)人口數(shù)量和面積多少對生態(tài)補償?shù)挠绊懀锰汲嘧置舾卸认鄬Υ笮∽鳛楹饬繀^(qū)域間的補償量的標(biāo)準(zhǔn)更具科學(xué)性，而最終補償額度得到的補償額為

2 結(jié)果與分析

2.1 京津冀碳足跡動態(tài)分析

如圖1顯示，河北2006―2015年間碳足跡整體上呈上升趨勢，且前6 a碳排放量有顯著提升，年平均增長率高達8.5%，后4 a碳排放趨于平緩，甚至有小幅度的降低，這與近些年國家逐漸重視能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，大力推廣使用清潔能源有一定關(guān)系；北京碳足跡趨勢圖顯示2006―2015年間碳排放基本保持不變，2010年之后整體趨勢趨于平緩，可以看出北京政府正在努力改善由于化石能源消耗造成的碳排放超標(biāo)問題，數(shù)據(jù)波動也從側(cè)面體現(xiàn)了是在摸索中前進；天津市10 a間碳排放有大幅度增加，僅2009―2010一年間就增長了4 000多萬t，2011年后趨于緩和，但整體碳排放還是較北京多；縱觀京津冀地區(qū)碳足跡變化趨勢圖發(fā)現(xiàn)，河北省碳排放量遠大于北京和天津兩市，甚至出現(xiàn)數(shù)量級的差別，這主要由于河北省人口眾多，幅員遼闊，對化石能源的需求量巨大。2013年左右是一個轉(zhuǎn)折點，之后的2 a里，碳排放量均有不同程度的降低，其中河北省表現(xiàn)尤為突出，2015年比2013年碳排放降低了約5 000萬t。

圖1 2006－2015年間京津冀碳足跡變化趨勢圖

2.2 京津冀碳承載力動態(tài)分析

圖2呈現(xiàn)的是京津冀地區(qū)2006－2015年碳承載力的變化趨勢圖，對比河北、北京、天津地區(qū)碳承載力變化圖，發(fā)現(xiàn)河北省的碳承載力要明顯強于北京和天津兩地，甚至是兩地之和的近8倍（2015年），這與碳足跡趨勢圖一致，河北即是碳排放大省，也是碳匯大省。天津10 a間的碳承載力基本保持在300萬t/a左右，變化甚微；北京10 a間的碳承載力基本保持在1 000萬t/a左右，除在2009年有小幅度提升，其余年份變化較?。缓颖笔≡?009年碳承載力較前一年有明顯的增加（1 500萬t），隨后基本保持在10 000萬t/a左右，略有增加。

圖2 2006－2015年間京津冀碳承載力變化趨勢圖

2.3 京津冀生態(tài)補償額度動態(tài)分析

碳足跡和碳承載力值相減可以得碳赤字值，進而除以人口和面積得到京津冀2006―2015年碳赤字敏感度，見表3。

表3 京津冀地區(qū)2006－2015年碳赤字敏感度詳情表

河北、天津碳赤字在2013年最高，分別為94 648.303 6萬t和25 163.08萬t，而北京極值點出現(xiàn)在2010年，達到17 938.410 8萬t，由于河北地域廣闊，能源消耗量很大，橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)河北的碳赤字要遠遠高于其他兩地，2013年約是北京的5倍、天津的4倍；總體來說京津冀地區(qū)碳赤字在2006―2015年間基本呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，這可能與國家近些年優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，調(diào)整能源布局有密不可分的關(guān)系。

京津冀地區(qū)的補償額度依據(jù)式（8）和式（9）計算可得。圖3用柱狀圖呈現(xiàn)了京津冀地區(qū)10 a間的補償額度變化，其中正值代表需向其他區(qū)域繳納生態(tài)補償款，負值代表應(yīng)得到其他省份補償款。

圖3 2006－2015年京津冀地區(qū)補償額度圖

由圖3可以看出，河北和北京在3個區(qū)域中屬于絕對的補償受體，天津是絕對的補償主體，天津在2009年之前需向其他兩區(qū)支付的補償額度在126～152億元之間，2010年之后激增至200億元左右，增長幅度達42.9%；河北從2006－2015年應(yīng)得天津市生態(tài)補償款額度從113億元增加至155億元，其中極值點出現(xiàn)在2012年（161億元）；北京應(yīng)得天津補償款從2006到2015沒有超過62億元，其中極值點在2008年，僅有12.3億元。結(jié)果表明天津和北京亟須調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展清潔能源，增加綠地面積，繼續(xù)堅持低碳減排，走可持續(xù)發(fā)展的道路。

3 結(jié)論與討論

通過估算研究區(qū)碳足跡和碳承載力狀況，得到區(qū)域碳赤字，進而綜合考量人口和面積因素提出碳赤字敏感度概念，最后提出用于計算區(qū)域間生態(tài)補償額度的生態(tài)補償因子，以此得到京津冀地區(qū)2006－2015年間的補償額度。論文主要結(jié)論如下：1）京津冀地區(qū)2006－2015年間碳足跡先是顯著提升，在2013年之后趨于平穩(wěn)；2）碳承載力在2009年出現(xiàn)波動，前后若干年基本保持平穩(wěn)狀態(tài)；3）京津冀地區(qū)碳赤字同樣呈現(xiàn)先增大后平穩(wěn)的趨勢，其中河北和天津的轉(zhuǎn)折點在2013年，北京的轉(zhuǎn)折點在2010年，單位面積碳赤字普遍規(guī)律呈現(xiàn)天津>北京>河北，人均碳赤字天津>北京≈河北。4）10 a間的碳赤字敏感度河北普遍低于北京和天津，其中天津2015年的碳赤字敏感度約為河北的10倍，北京的3倍。根據(jù)提出的補償標(biāo)準(zhǔn)判斷，天津是絕對的補償主體，2015年河北應(yīng)得到天津的補償額度為154.7億元，北京應(yīng)得補償額度為48.6億元。

提出了一種綜合人口因素和區(qū)域面積因素的生態(tài)補償量化標(biāo)準(zhǔn)，用相對的尺度去衡量區(qū)域間的差異，可比性較強，研究結(jié)果對促進京津冀地區(qū)和諧發(fā)展，構(gòu)建合理的生態(tài)補償機制有一定的理論意義，同時對京津冀地區(qū)碳交易市場具有一定指導(dǎo)作用。在估算碳足跡時只考慮了化石能源和電能的消耗，忽視了工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)耕作過程中產(chǎn)生碳排放，且核算碳匯過程中未考慮濕地、灌木等其他綠色植被，在后續(xù)的研究中應(yīng)精益求精，逐漸接近實際值。生態(tài)補償?shù)拇胧┯卸喾N，不應(yīng)僅僅限于貨幣交換，要綜合財政、稅收、政策、法律、人才分配等多方面才能構(gòu)建完善的補償機制。

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Quantification of ecological compensation in Beijing-Tianjin-Hebei based on carbon footprint calculated using emission factor method proposed by IPCC

Yan Feng, Wang Yang, Du Zhe, Chen Ying, Chen Yaheng※

(071001,)

China has paid more and more attention to the construction of the ecological civilization society. Beijing-Tianjin-Hebei region is a significant ecological and economic circle, so the construction of appropriate quantitative standards for ecological compensation is closely related to the healthy development of Beijing-Tianjin-Hebei region. The carbon footprint of Beijing-Tianjin-Hebei region from 2006 to 2015 was calculated using the emission factor method proposed by IPCC. Results showed a two-stage trend of carbon footprint of Beijing-Tianjin-Hebei region during those 10 years. There was a rapid increase with annual growth rate at about 8.5% from 2006 to 2013, then it maintained in the level after 2013. The carbon footprint of Hebei province was far greater than the other two cities, and even it had the difference in magnitude. Based on carbon sequestration capacity of forest, grassland and cropland, carbon bearing capacity of Beijing-Tianjin-Hebei region from 2006 to 2015 was estimated. The results showed that carbon bearing capacity significantly increased in 2009, and then it maintained in the level despite of a slight increase. The carbon bearing capacity of Hebei province was much stronger than that of Beijing and Tianjin, which was nearly 8 times of the sum of Beijing and Tianjin in 2015, and that was accordance with the carbon footprint trend. Hebei province had a large amount of carbon emission, but also had large carbon bearing capacity. The carbon deficit of Tianjin and Hebei was highest in 2013, with 251.6 million ton and 946.5 million ton respectively. The extreme point of carbon deficit in Beijing appeared in 2010, which reached 179.4 million ton. Horizontal comparison found that carbon budget of Hebei is much higher than the others, about 4 times of Tianjin and 5 times of Beijing in 2013, due to the huge energy consumption. By introducing the concept of sensitivity of carbon deficit, its ecological effects in different regions with various populations and areas were compared. Ecological compensation factors were further proposed to determine quantitative standards of ecological compensation in Beijing-Tianjin-Hebei region. Results showed that Hebei and Beijing belong to the compensation receptor absolutely among these 3 regions, Tianjin was the absolute subject of compensation, Tianjin should pay compensation to the others at 12.6-15.2 billion yuan before 2009, and then surged to 20 billion yuan after 2010 with the growth rate of 42.9%. Hebei was obtained ecological compensation from Tianjin city in 2006-2015, the amount was increased from 11.3 billion yuan to 15.5 billion yuan, of which the extreme point appeared in 2012 (16.1 billion yuan). Beijing’s deserved compensation from Tianjin in 2006-2015 was no more than 6.2 billion yuan, of which the extreme point occurred in 2008, only 1 billion 230 million yuan. A particular quantifiable evaluation model is put forward in this study, and this research could provide results to support the establishment and improvement of apropriate mechanism of ecological compensation in Beijing-Tianjin-Hebei region.

carbon; ecology; emission control; carbon bearing capacity; quantification of ecological compensation; Beijing-Tianjin-Hebei

2017-09-04

2018-01-10

河北省社會科學(xué)基金項目（HB16YJ060）

閆豐，助教，主要從事生態(tài)修復(fù)及土地整治等方面教學(xué)和研究。Email：yanfeng@hebau.edu.cn

陳亞恒，博士，教授，主要從事土地整治、土地管理等方面教學(xué)和研究。Email：chenyaheng@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.002

F062.2

A

1002-6819(2018)-04-0015-06

閆 豐，王 洋，杜 哲，陳 影，陳亞恒. 基于IPCC排放因子法估算碳足跡的京津冀生態(tài)補償量化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(4)：15－20.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.002 http://www.tcsae.org

Yan Feng, Wang Yang, Du Zhe, Chen Ying, Chen Yaheng. Quantification of ecological compensation in Beijing-Tianjin-Hebei based on carbon footprint calculated using emission factor method proposed by IPCC[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 15－20. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.002 http://www.tcsae.org