中國(guó)縣域能源消費(fèi)碳排放估算及其空間分布*

劉 暢 蘇 筠 黎玲玲

(1.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875；2.南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

工業(yè)革命以來(lái)，氣候變暖的主要人為原因是二氧化碳的排放[1]。減少碳排放、發(fā)展綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)，受到多國(guó)政府的重視。中國(guó)作為碳排放大國(guó)，已深入?yún)⑴c全球環(huán)境治理，已在2015年巴黎舉行的全球氣候大會(huì)中做出承諾：2030年單位生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降60%～65%[2]。2017年，隨著美國(guó)退出《巴黎協(xié)定》，包括中國(guó)在內(nèi)的其他國(guó)家的排放空間可能被壓縮，減排負(fù)擔(dān)增加，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)區(qū)域的策略調(diào)整變得更迫切[3]。

因?yàn)槌叨刃?yīng)的存在，需通過(guò)多尺度的碳排放估算及研究，才能制定系統(tǒng)、全面且有針對(duì)性的減排和低碳政策。尺度效應(yīng)，是指改變尺度認(rèn)識(shí)地理事物和現(xiàn)象或分析地理問(wèn)題時(shí)，所關(guān)注的重點(diǎn)和得出的結(jié)論有一定的差異[18]。因此，在特定的空間尺度描述和提取信息，所得到的特征和機(jī)理在其他尺度上并不一定存在，結(jié)論不可簡(jiǎn)單外推應(yīng)用，需通過(guò)多尺度的研究才能全面把握內(nèi)在規(guī)律[19]。

中國(guó)國(guó)土遼闊、轄2 000多個(gè)縣域，縣域之間在經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源利用效率存在巨大差異，估算縣域的碳排放量和排放強(qiáng)度，可為制定有針對(duì)性的區(qū)域減排政策提供依據(jù)，但受限于估算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的難獲取性，目前缺乏縣級(jí)尺度的研究。

本研究擬改進(jìn)傳統(tǒng)的碳排放估算方法，將排放因子法與人口權(quán)重分配法相結(jié)合，估算縣域碳排放量及其碳排放強(qiáng)度，分析中國(guó)當(dāng)前縣域碳排放量的空間分布，同時(shí)對(duì)縣域進(jìn)行分類，了解各區(qū)域的縣域碳排放發(fā)展類型。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

中國(guó)現(xiàn)行的行政區(qū)劃包括省級(jí)、地級(jí)、縣級(jí)、鄉(xiāng)級(jí)行政區(qū)。其中，縣級(jí)行政區(qū)主要包括縣、自治縣、旗、自治旗、縣級(jí)市、市轄區(qū)等?？紤]到自治縣及旗、自治旗主要是民族地區(qū)命名方式的不同，都可歸為“縣”，因此本研究的縣域包括縣、縣級(jí)市、市轄區(qū)3類。一個(gè)地級(jí)市所在地可能包括多個(gè)市轄區(qū)，但各區(qū)面積較小，為便于數(shù)據(jù)獲取和分配，每個(gè)地級(jí)市的市轄區(qū)統(tǒng)一計(jì)算。

首先采用聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(IPCC)的排放因子法估算省級(jí)區(qū)域的能源消費(fèi)碳排放量，再根據(jù)人口數(shù)據(jù)對(duì)各省進(jìn)行自上而下的縣域碳排放量的分配；根據(jù)縣域碳排放量和GDP，進(jìn)一步計(jì)算碳排放強(qiáng)度。主要數(shù)據(jù)包括：(1)行政區(qū)劃底圖。資料來(lái)自自然資源部的國(guó)家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)網(wǎng)站(https://www.tianditu.gov.cn/)，使用2015年的縣級(jí)、省級(jí)兩種行政區(qū)劃圖。由于中國(guó)港澳臺(tái)地區(qū)的數(shù)據(jù)暫缺，本研究共包括31個(gè)省級(jí)單元及其下轄2 170個(gè)縣域。(2)2015年31個(gè)省區(qū)的能源消耗量，不同能源種類的排放因子系數(shù)。能耗數(shù)據(jù)來(lái)自各省統(tǒng)計(jì)年鑒的能耗數(shù)據(jù)模塊。排放因子等能源相關(guān)系數(shù)來(lái)自《2006年IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》。(3)各縣域人口占全省的比重。人口密度柵格數(shù)據(jù)來(lái)自哥倫比亞大學(xué)社會(huì)經(jīng)濟(jì)中心(SEDAC)網(wǎng)站(http：//sedac.ciesin.columbia.edu)，表征地區(qū)常住人口密度，柵格分辨率為30 m×30 m。

1.2 縣域碳排放量及排放強(qiáng)度的估算方法

1.2.1 能耗法估算分省碳排放量

排放因子即能耗法進(jìn)行估算碳排放量是較成熟的一種方法，其本質(zhì)即從區(qū)域生產(chǎn)端進(jìn)行核算，將常見(jiàn)能源類型的消耗量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)使用其碳排放系數(shù)，將所有能耗質(zhì)量轉(zhuǎn)化為理想狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)煤質(zhì)量，計(jì)算其燃燒產(chǎn)生的碳(碳元素)質(zhì)量。標(biāo)準(zhǔn)煤的二氧化碳排放系數(shù)使用國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)能源研究所推薦的2.457，乘12/44換算得到碳排放系數(shù)。具體為：

3.1 原料準(zhǔn)備。第一步是備料，把日常生活中廉價(jià)而易得的布頭、廢舊衣服(以純棉布最好)拆洗干凈，裁剪成大小適當(dāng)?shù)某叽?。第二步是做“褙子”，即用刷子在布料上涂刷自制的面粉漿糊，將布料逐層裱糊在一起。第三步是剪樣，用硬紙板畫(huà)出各種尺碼鞋墊的大小，拓在“褙子”上，先用鉛筆畫(huà)個(gè)樣，再用剪刀裁下模子。第四步是搭面，用糨糊在裁好的模子上貼一層新的白棉布，作為鞋墊上納繡圖案的“面子”。這樣，鞋墊的“骨子”就做好了。

(1)

式中：CE省為省區(qū)的碳排放量，103t；n為能源種類序號(hào)，能源包括煤、油品、熱力等；En為能源消耗量，103t；cn為能源的標(biāo)準(zhǔn)煤折算系數(shù)；B為碳氧化率，%。

中國(guó)各省區(qū)2015年碳排放量估算結(jié)果見(jiàn)表1，

表1 中國(guó)各省區(qū)2015年碳排放量估算結(jié)果

合計(jì)排放2 709 958×103t。美國(guó)國(guó)家橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室二氧化碳信息分析中心(CDIAC)的數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)2014年碳排放總量為2 806 634×103t。以CDIAC估算結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)值，誤差為3.4%，估算結(jié)果具有可信度，可作為后續(xù)計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2.2 依據(jù)省內(nèi)人口權(quán)重進(jìn)行縣域碳排放分配

使用ArcGIS工具對(duì)從SEDAC獲取的高精度人口密度數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，得到省級(jí)和縣域的人口密度加和數(shù)據(jù)，并將單位面積的人口密度轉(zhuǎn)化為人口數(shù)量。使用Raster Calculator工具按照式(2)進(jìn)行運(yùn)算，得到縣域的碳排放量。

CE縣=P縣/P省×CE省

(2)

式中：CE縣為縣域的碳排放量，103t；P縣為縣域內(nèi)的人口密度轉(zhuǎn)換的人口總量；P省為省域內(nèi)的人口總量。

該方法運(yùn)算方便，且可滿足研究中國(guó)碳排放量分布格局的要求。DE AZEVEDO等[20]建立的1970—2015年巴西碳排放數(shù)據(jù)庫(kù)中，在國(guó)家碳排放降尺度分配的過(guò)程中，使用了與碳排放相關(guān)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行分配，因人口密度是影響經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的主要因素(GDP是后續(xù)需要進(jìn)行分析研究的指標(biāo)，所以不作為分配權(quán)重因子)，本研究使用人口密度為權(quán)重因子進(jìn)行分配，實(shí)際上即從消費(fèi)端對(duì)碳排放進(jìn)行估算，具有一定的可靠性。

1.2.3 碳排放強(qiáng)度的計(jì)算

碳排放強(qiáng)度表示一個(gè)地區(qū)產(chǎn)生單位GDP需要排放的碳。為體現(xiàn)生產(chǎn)效率差異，引入了碳排放強(qiáng)度，即碳排放量與GDP總量的比值。碳排放強(qiáng)度越低，意味著碳排放效率較高，即排放較少的碳、產(chǎn)出更多的GDP。

2 結(jié)果分析

2.1 縣域的碳排放量及其空間分布

使用自然斷點(diǎn)法將中國(guó)縣域的碳排放量分為10級(jí)，碳排放量最低21×103t，最高64 032×103t，平均1 287×103t。由表2可看出，大多數(shù)縣域處在前3級(jí)碳排放量較少的類別中，占總個(gè)數(shù)的79.36%，但其碳排放總量卻只占全國(guó)的44.12%。而碳排放量較高的縣域個(gè)數(shù)較少，6～10級(jí)共有80個(gè)縣域，占總個(gè)數(shù)的3.69%，但其碳排放量卻占到了總量的26.86%。

由圖1可見(jiàn)，碳排放量差異較大，整體呈現(xiàn)東高西低。高碳排放中心是華北地區(qū)的京津市轄區(qū)及華東地區(qū)的上海市轄區(qū)，同是中國(guó)直轄市的市轄區(qū)，但其經(jīng)濟(jì)輻射帶動(dòng)能力的不同，導(dǎo)致周邊地區(qū)的碳排放量不同。華南地區(qū)的珠三角地區(qū)，以成都市轄區(qū)、昆明市轄區(qū)為主的西南地區(qū)，環(huán)渤海地區(qū)的山東省境內(nèi)及遼東半島均為高碳排放區(qū)域，他們大多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)且人口稠密，生產(chǎn)消費(fèi)活動(dòng)頻繁。此外，東北地區(qū)的碳排放量也普遍較高，與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與支柱產(chǎn)業(yè)類型相關(guān)。而西北地區(qū)和青藏地區(qū)，則相對(duì)碳排放量較低，這與當(dāng)?shù)氐娜丝诿芏鹊?、?jīng)濟(jì)較落后直接相關(guān)。

2.2 縣域的碳排放強(qiáng)度及其空間分布

計(jì)算每個(gè)縣域的碳排放強(qiáng)度，同樣分為10級(jí)。由表3可知，大多數(shù)縣域的碳排放強(qiáng)度位于前4個(gè)級(jí)別，即0.01～<1.05 t/萬(wàn)元，共占總個(gè)數(shù)的81.58%，而碳排放強(qiáng)度高的地區(qū)個(gè)數(shù)較少，且多為縣，碳排放強(qiáng)度最高的兩個(gè)縣分別位于西藏自治區(qū)山南市和青海省果洛州。

由圖2可見(jiàn)，中國(guó)縣域的碳排放強(qiáng)度呈現(xiàn)西部及西北高、東部及東南低。除西部地區(qū)外，東北、華北地區(qū)也存在一定數(shù)量的中高碳排放強(qiáng)度的縣域。東北三省的西部地區(qū)(即大興安嶺周邊)及太行山以西的山西省境內(nèi)，都是高碳排放強(qiáng)度區(qū)域，整體分別處于1.05～<2.80、2.03～<6.52 t/萬(wàn)元的區(qū)間內(nèi)。

表2 中國(guó)縣域碳排放量分級(jí)(2015年)

圖1 中國(guó)縣域碳排放量的空間分布(2015年)Fig.1 The spatial distribution of carbon emissions in county units of China (2015)

表3 中國(guó)縣域碳排放強(qiáng)度分級(jí)(2015年)

而在西部地區(qū)，西疆、藏南、寧夏回族自治區(qū)南部和青海省全境的碳排放強(qiáng)度均較高。西疆的碳排放強(qiáng)度多處于1.45～<6.52 t/萬(wàn)元區(qū)間內(nèi)；藏南地區(qū)分布在4.05～<12.68 t/萬(wàn)元的極高碳排放強(qiáng)度區(qū)域；寧夏回族自治區(qū)南部碳排放強(qiáng)度均處于2.80～<6.52 t/萬(wàn)元，而青海省境內(nèi)的大多縣域碳排放強(qiáng)度均高于1.05 t/萬(wàn)元。此外，甘肅省境內(nèi)存在明顯的碳排放強(qiáng)度差異，甘東南地區(qū)出現(xiàn)了碳排放強(qiáng)度高于1.05 t/萬(wàn)元的區(qū)域，而其余區(qū)域的碳排放強(qiáng)度均較低。

2.3 基于碳排放量與碳排放強(qiáng)度的縣域分類

通過(guò)繪制縣域的距平四象限圖，將縣域分為高/低碳排放量-高/低碳排放強(qiáng)度的4種類型，結(jié)果見(jiàn)表4。中國(guó)有相當(dāng)多的“雙低”縣域有待發(fā)展；高碳排放量-低碳排放強(qiáng)度類縣域數(shù)明顯多于“雙高”縣域的數(shù)量，這些縣域隨碳排放量升高，碳排放強(qiáng)度逐漸降低，碳排放與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步具有正向促進(jìn)作用；已存在一定數(shù)量發(fā)展模式較綠色的縣域，雖然碳排放量較高但同時(shí)碳排放強(qiáng)度已在降低。

由圖3可見(jiàn)：1、2類縣域主要分布在中國(guó)的東部、南部；1類縣域經(jīng)濟(jì)條件較好，但整體的發(fā)展模式較落后，主要分布在東北三??；2類縣域碳排放效率很高，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)且產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、支柱產(chǎn)業(yè)較合理，分布在中國(guó)部分華北地區(qū)及東部、東南沿海地區(qū)，中部也有少量分布；3類縣域則在全國(guó)除東南沿海區(qū)域均有分布，是中國(guó)主要的碳排放模式；4類縣域經(jīng)濟(jì)落后且碳排放效率低下，主要分布在中國(guó)西北的西藏自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)和青海省，同時(shí)山西省境內(nèi)也有較多分布。

表4 中國(guó)縣域分類結(jié)果

圖2 中國(guó)縣域碳排放強(qiáng)度的空間分布(2015年)Fig.2 The spatial distribution of carbon emission intensity in county units of China (2015)

圖3 中國(guó)縣域分類空間分布(2015年)Fig.3 The spatial distribution of classification results (2015)

2.4 不同碳排放特征的縣域應(yīng)采取不同的發(fā)展策略

不同類別的縣域，形成碳排放特征的原因有所差別，因此需要采取不同的發(fā)展策略。如山西省是中部地區(qū)較集中分布了4類縣域的省份。梁紅巖等[21]110使用山西省2005—2013年市級(jí)面板數(shù)據(jù)測(cè)算山西省各市的全要素能源效率，發(fā)現(xiàn)晉中、運(yùn)城、忻州及長(zhǎng)治都是能源損失較大區(qū)域，存在很大的節(jié)能空間。而導(dǎo)致山西省在中部地區(qū)出現(xiàn)過(guò)多的高碳排放強(qiáng)度縣域的原因主要與其城鎮(zhèn)化水平低、工業(yè)技術(shù)落后導(dǎo)致能源利用率低有關(guān)，且長(zhǎng)治、晉中等作為居民主導(dǎo)型城市，其居民低碳意識(shí)、低碳城市建設(shè)落后、低碳技術(shù)創(chuàng)新能力弱，也是導(dǎo)致碳排放強(qiáng)度過(guò)高的原因[21]112，[22]。

2類縣域具有高碳排放量-低碳排放強(qiáng)度的特征，且通常具有相似的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。昆山市是江蘇省蘇州市轄區(qū)的一個(gè)縣級(jí)市，以電子信息、裝備制造、冶金業(yè)等工業(yè)類型為支柱產(chǎn)業(yè)。2005年，正式啟動(dòng)開(kāi)發(fā)區(qū)創(chuàng)建全國(guó)首批生態(tài)工業(yè)園區(qū)工作。2006年，昆山市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)以節(jié)地、節(jié)水、節(jié)電為重點(diǎn)，大力推動(dòng)清潔生產(chǎn)，通過(guò)重點(diǎn)企業(yè)扶持發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，淘汰落后設(shè)備裝置和工藝技術(shù)，減少?gòu)U物產(chǎn)量，降低園區(qū)企業(yè)能耗[23]。2008年大力推廣低碳經(jīng)濟(jì)，實(shí)行土地集約利用機(jī)制，提高開(kāi)發(fā)區(qū)、工業(yè)園區(qū)綜合容積率，單位面積產(chǎn)出強(qiáng)度大幅提高。同時(shí)，提升金融等第三產(chǎn)業(yè)的比重，2015年昆山市的第三產(chǎn)業(yè)占比達(dá)到44%，高于全國(guó)平均水平。所以，實(shí)現(xiàn)碳排放模式的轉(zhuǎn)化，首先是產(chǎn)業(yè)模式的調(diào)整，第三產(chǎn)業(yè)是相較第二、第一產(chǎn)業(yè)更低碳、更高效的產(chǎn)業(yè)類型；其次是在現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)下，更新產(chǎn)業(yè)組織形式、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，貫徹低碳發(fā)展新理念，引入新技術(shù)，嚴(yán)格控制能源消耗，實(shí)現(xiàn)高碳排放量-低碳排放強(qiáng)度的發(fā)展模式[24]。

目前整體看，中低收入、處于發(fā)展提速的中西部縣域發(fā)展仍需預(yù)留一定的碳排放空間；對(duì)于高收入的東部縣域，則要提出更高的減排要求。發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和治理碳排放的政策應(yīng)該從區(qū)域上綜合考慮，充分考慮各地區(qū)城鎮(zhèn)化的節(jié)能減排演化路徑差異，推進(jìn)區(qū)域間的有效合作。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 將傳統(tǒng)的碳排放因子法與人口權(quán)重分配法相結(jié)合，估算了2015年中國(guó)2 170個(gè)縣域的碳排放量。結(jié)果顯示，縣域的平均碳排放量為1 287×103t，但差異較大，空間分布上整體呈現(xiàn)東高西低；81.58%的縣域的碳排放強(qiáng)度在0.01～<1.05 t/萬(wàn)元，空間分布上呈現(xiàn)西部及西北高、東部及東南低。

(2) 3類縣域數(shù)量最多(占45.81%)，在全國(guó)除東南沿海區(qū)域均有分布；2類縣域分布在中國(guó)部分華北地區(qū)及東部、東南沿海地區(qū)，中部也有少量分布；1類縣域主要分布在東北三??；4類縣域主要分布在中國(guó)西北的西藏自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)和青海省，同時(shí)山西省境內(nèi)也有較多分布。

(3) 整體看，中低收入、處于發(fā)展提速的中西部縣域發(fā)展仍需預(yù)留一定的碳排放空間；對(duì)于高收入的東部縣域，則要提出更高的減排要求。

(4) 人口密度數(shù)據(jù)存在一定的精度問(wèn)題，但由于距離2010年人口普查已數(shù)年，同時(shí)考慮到在ArcGIS計(jì)算中的便捷，使用人口密度柵格數(shù)據(jù)進(jìn)估算。估算方法中的碳排放的分配方法，采用了“將省級(jí)碳排放量按照人口分配到縣域”的方法，雖然Nature子刊有文章也使用了類似方法，具有一定的參考性與可靠性。但該方法對(duì)于這種“消費(fèi)側(cè)排放”的計(jì)算未考慮能源消費(fèi)彈性的差異，即抹殺了城市/鄉(xiāng)村、不同收入群體、消費(fèi)習(xí)慣之間的碳排放差異，存在一定誤差。建立精確的碳排放格網(wǎng)化估算模型，可建立更完善的相關(guān)指標(biāo)評(píng)估體系，是日后可深入的方向。