基于碳收支核算的河南省碳排放峰值預測

趙榮欽, 劉 薇,2, 劉 英, 丁明磊, 張戰平, 王 杰

(1.華北水利水電大學 資源與環境學院, 河南 鄭州 450045; 2.華東師范大學 地理科學學院，上海 200241; 3.鄭州航空工業管理學院 土木建筑工程學院, 河南 鄭州 450046)

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基于碳收支核算的河南省碳排放峰值預測

趙榮欽1, 劉 薇1,2, 劉 英3, 丁明磊1, 張戰平1, 王 杰1

(1.華北水利水電大學 資源與環境學院, 河南 鄭州 450045; 2.華東師范大學 地理科學學院，上海 200241; 3.鄭州航空工業管理學院 土木建筑工程學院, 河南 鄭州 450046)

[目的] 對河南省碳排放及碳足跡峰值進行了預測，旨在了解河南省未來碳減排潛力，尋求低碳發展的對策。 [方法] 基于省域層面，以河南省為例，對歷年的碳收支和碳足跡狀況進行了核算和評估，并通過STIRPAT模型和情景分析方法對河南省碳排放峰值進行預測。 [結果] (1) 河南省碳排放總量從2000年的6.83×107t上升到2012年的1.77×108t，漲幅為159.2%，其中碳排放的行業差異性大，工業占主導地位，不同途徑碳排放的增幅具有明顯差異，生態系統的碳匯能力呈明顯下降趨勢。 (2) 河南省2000—2012年能源消費的碳足跡呈逐年增加態勢，從2000年的1.71×107hm2上升到2012年的4.42×107hm2。碳足跡的擴大造成了1.68×108hm2的生態赤字。 (3) 在基準和低碳情景下，河南省碳排放峰值有望出現在2040和2035年，在考慮區域碳吸收補償的前提下，碳排放峰值將分別提前到2035和2025年。 [結論] 河南省碳收支呈現明顯的不匹配狀態，但在考慮碳補償的基礎上，河南省具有較大的碳減排潛力空間。

碳收支; 碳足跡; 碳排放峰值; 河南省

文獻參數： 趙榮欽, 劉薇, 劉英, 等.基于碳收支核算的河南省碳排放峰值預測[J].水土保持通報，2016,36(4)：78-83.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.014

2014年的《中美氣候變化聯合聲明》提出我國將于2030年左右達到碳排放峰值，這是中國應對全球變化的莊嚴承諾。在中國經濟社會發展的新常態下，盡可能控制和減少CO2的排放成為當前中國面臨的突出難題，對于我國的碳排放峰值預測也是當下的研究熱點之一。目前國內外學術界對碳排放峰值預測大都根據能源消耗量計算碳排放量、碳排放強度對碳排放峰值的研究，主要運用STIRPAT模型、LEAP模型、MARKAL-MACRO模型和EKC曲線等方法預測全國[1]、區域[2]和地方省市[3]的碳排放峰值，在省級層面的峰值預測較少，而且主要是結合碳排放強度等因素設置不同情景下的碳排放峰值，沒有有效地結合區域碳收支狀況對碳排放峰值進行預測。在碳排放研究領域，近年來關于省域層面碳排放研究較多，如碳排放因素分解[4]、能源消費碳排放[5]、土地利用碳排放[6]等，但大多數研究主要集中在碳排放的時空變化方面，區域碳收支核算體系還不夠完整，比如缺少農村生物質能源消費、食物消費和農業耕作活動等過程的碳排放核算等。因此，如何在省級層面開展更為全面的碳排放核算是需要進一步研究的內容，這也是區域低碳經濟發展科學決策的前提。碳足跡是對某種活動引起的直接或間接CO2排放量的度量[7]。近年來分別從國家[8]、都市[9]、農作物[10]等方面對碳足跡開展了相關研究，國內一些學者從碳足跡核算[11-12]、碳足跡影響力和感應力[13]、不同產業的碳足跡[14]、土地利用的碳足跡[15]等角度開展了相關研究，使碳足跡成為應對氣候變化背景下開展人類活動的環境影響評估的重要手段和方法。總體而言，前期研究更多關注區域能源消費的碳排放，而對區域碳收支核算及其對碳排放峰值的影響則較少關注。本研究將碳收支核算、碳足跡分析與碳排放峰值研究相結合，采用情景分析方法對河南省碳排放及碳足跡峰值進行了預測，旨在了解河南省未來碳減排潛力，尋求低碳發展對策。探索河南省低碳發展路徑和前景。

1　數據來源與計算方法

1.1數據來源

采用河南省2000—2012年能源消費、食物消費、土地利用和社會經濟等相關數據，主要來自于歷年的《中國能源統計年鑒》《中國統計年鑒》《中國交通年鑒》《河南省統計年鑒》和《河南省環境統計年報》等。

1.2計算方法

1.2.1碳收支的核算方法結合國內外相關研究，對河南省工業能源消費、生活能源消費、食物消費、交通能源消費、農業生產活動、廢棄物等的碳排放以及陸地生態系統碳匯進行了定量核算。其中碳排放主要包括工業能源消費、生活能源消費、交通能源消費、城鎮食物消費、農村食物消費、腸道發酵、動物糞便、灌溉、農機、固體廢棄物和廢水等的碳排放(表1)[16]。

表1　河南省碳收支核算方法

1.2.2碳足跡的測度方法碳足跡是指吸納碳排放所需要的生產性土地(植被)的面積，即碳排放的生態足跡[15]。NEP反映了植被的固碳能力，即每1 hm2的植被1 a吸收的碳量[17]。森林和草原的NEP采用謝鴻宇[17]等計算結果(表2)。本研究考慮了農村生物質能的碳排放，因此，在碳足跡計算中也同樣考慮農作物的碳吸收，計算方法為：

Cd=CaDw=CaYw/H

(1)

式中：i——第i種農作物類型； Cd——某種作物全生育期對碳的吸收量(104t)； Ca——作物合成單位有機質(干重)所需要吸收的碳，即碳吸收率; Yw——經濟產量(104t)； Dw——生物產量(104t)； H——經濟系數，中國主要農作物的經濟系數和碳吸收率見文獻[18-19]。對每種作物的碳吸收進行匯總得到碳吸收總量，除以播種面積即得單位面積碳吸收率，本文采2000—2012年的河南省農作物單位面積碳吸收的平均值(4.05t/hm2)作為農田生態系統的NEP。另外，根據謝鴻宇等[17]的研究思路，計算出河南省森林、草地和農田的碳吸收總量及其比例關系，再根據各自的NEP計算出每吸收1t碳所需要的相應生產性土地的面積(表2)。

表2　主要植被類型的碳吸收系數

采用NEP指標來反映不同植被的碳吸收量，并以此計算出消納碳排放所需的生產性土地的面積(碳足跡)，計算方法為：

(2)

式中：CF——碳排放總量(Ct)帶來的碳足跡(hm2)；Pf，Pg，Pa——森林、草地和農田碳吸收在總量中的比重； NEPf，NEPg，NEPa——森林、草地和農田的NEP(t/hm2)。通過公式(2)可以計算出各類用地能源消費的碳足跡(包括森林、草地和農田3類)，匯總后可以得到河南省能源消費的碳足跡。

1.2.3碳排放峰值的預測方法以人口、人均GDP、城市化水平為變量參數構建STIRPAT模型對河南省碳排放峰值進行模擬和預測。具體擴展模型為：

lnI=lnP+lnA+lnC

(3)

式中：I——碳排放量(104t);P——人口(萬人);A——人均GDP(萬元/人);C——城市化率(%)。根據建立的STIRPAT擴展模型，在SPSS軟件環境下進行嶺回歸擬合達到嶺跡圖。結果發現，當K=1的時，各變量回歸系數變化趨于穩定，此時擬合的嶺回歸方程為：

lnI=1.988 5×lnP+0.303 2×lnA+

0.442 7×lnC-10.533 0

(4)

模型的可決系數R2=0.919，擬合優度較高，表明本研究的擬合方程能夠較好地模擬區域未來的碳排放特征。

2　結果分析

2.1河南省碳收支核算分析

通過對碳排放項目進行核算，可以得到河南省歷年的碳排放情況，城市生活能源消費2000—2005年的數據缺失，考慮到年際變動趨勢類似，用2006—2012年的數據的平均增長率前推得到。

2.1.1河南省碳排放總量快速上升碳排放總量從2000年的6.83×107t上升到2012年的1.77×108t，漲幅為159.2%，表明隨著河南省經濟發展和人口增加，能源消費、食物消費和廢棄物的增多等使河南省碳排放總量大幅增加。

2.1.2河南省碳排放的行業差異性大，工業主導特征明顯就碳排放構成來看，2012年工業能源消費碳排放占73%，其次為生活能源和廢棄物碳排放，分別為10.0%和8.37%，緊接著交通能源消費，為4.52%。其他各項碳排放所占比重相對較低，城鎮和農村食物消費碳排放比重合計為2.88%；剩余各項的比重都在1%以下，合計僅占1.38%。工業能源、交通能源和生活能源的碳排放合計占85%以上，表明能源消費特別是工業領域的碳排放是河南省的主要碳排放源。其中，電力、熱力的生產業和供應業的碳排放最多，為6.93×107t，其次是石油加工、煉焦及核材料加工業和煤炭開采和洗選業，碳排放分別為1.85×107t和1.08×107t。這是河南省工業碳排放的重要行業排放源。2012年河南省三次產業結構比例為：12.74∶56.33∶30.94，對碳排放項目按三次產業進行歸并發現，2012年三次產業的碳排放強度分別為0.32，1.30，0.43 t/萬元(2012年河南省生產總值按2000年的可比價進行推算)，其中，第二產業碳排放強度明顯高于第一和第三產業。按照當前的碳排放強度水平進行預測，未來第二產業比重每降低1%(同時第三產業比重增加1%)，河南省碳排放總量將會減少1.71×106t。因此，在未來河南省低碳經濟發展規劃中，工業領域應成為碳減排的重點，應著重通過產業結構調控來降低區域碳排放水平。另外，應通過改善能源結構和發展新能源的措施來進一步加強河南省交通能源和生活物質能源的碳減排，并積極發展廢棄物碳排放控制技術，來推動廢棄物碳減排。相對而言，食物碳消費屬于剛性的碳排放，減排空間不大，不應作為河南省碳減排的重點。

2.1.3河南省不同途徑碳排放的增幅具有明顯差異2000年以來，各項碳排放中增幅最大的為固體廢棄物的碳排放(171%)，其次為交通能源消費碳排放，生活能源碳排放的增幅和工業能源碳排放增幅次之。其他各項碳排放的增幅相對較低，包括腸道發酵和農機碳排放等，另外，農村食物碳排放反而出現了不同程度的下降趨勢(圖1)。固體廢棄物80%以上來源于工業生產的廢棄物，因此，未來應進一步加強對固體廢棄物的低碳化處理，并通過調控產業結構來降低工業生產廢棄物的碳排放。按照廢棄物產生量與工業產值比重的關系預測，未來第二產業比重每降低1%點，固體廢棄物碳排放將會降低1.17×105t。可見，產業結構調控是約束廢棄物碳排放大幅增長的重要措施。

注：1工業能源； 2生活能源； 3交通能源； 4城鎮食物； 5農村食物； 6稻田甲烷； 7腸道發醇； 8動物糞便； 9灌溉； 10農機； 11垃圾； 12廢水。

圖1河南省2000-2012年主要碳排放項目的增幅

2.1.4生態系統的碳匯能力呈現明顯的下降趨勢用碳排放總量減去碳吸收，可以得到河南省凈碳排放狀況。分析結果表明，由于碳匯總水平上升下降再上升的趨勢，從2000年的5.81×107t上升到2002年的6.01×107t，又下降到2003年的5.22×107t，然后又上升至2012年的7.62×107t。而與此同時碳排放總量卻大幅增長，導致河南省凈碳排放增長速率明顯超過了總碳排放的增長，從2000年的1.03×107t上升到2012年的1.01×108t，上升了9倍多。總體而言，河南省陸地生態系統碳吸收對于碳排放具有一定的補償效果，但近年來隨著碳匯水平的緩慢上升，以及碳排放量的不斷增長，碳補償率從2000年的85.0%下降到2012年的43.1%，這是值得關注的現象。這表明，隨著河南省經濟發展和碳排放的大幅增長，河南省碳循環壓力在逐漸增大。因此，加強陸地生態系統的固碳水平和效率能有效補償區域自身的碳排放，這對于緩解區域應對氣候變化的壓力具有重要意義。未來，應適當調控土地利用結構和布局，在土地利用規劃中引入碳減排理念，一方面盡可能地優化組合各類用地的比例關系(包括第二產業內部各產業用地的比例關系)，適當限制高碳足跡用地方式的土地供應；另一方面重視發展生態用地，在保證經濟發展的前提下盡可能提高生態空間的比重。

2.1.5碳排放強度是指單位經濟效益的碳排放，反映了經濟發展的環境壓力程度對河南省歷年的碳排放強度和人均碳排放的變化進行分析(河南省GDP數據采用2000年的可比價)發現，河南省2000年以來碳排放強度呈波動下降趨勢，從2000年的1.35 t/萬元下降到2012年的0.90 t/萬元，降幅達66.7%。這表明河南省經濟發展速度超過了碳排放的增長速度，河南省近年來的節能減排工作取得了一定的成效，能源利用效率在逐步提高，河南省人均碳排放呈逐年增加態勢，從2000年的0.72 t/人上升到2012年的1.68 t/人。說明隨著經濟發展和能源消耗量的大幅增長，總碳排放的迅速增長導致了人均碳排放的增加(圖2)。

圖2　河南省歷年碳排放強度和人均碳排放

2.2河南省碳足跡特征分析

根據研究思路，對河南省的碳足跡及其構成進行了測算分析，結果發現： (1) 河南省2000—2012年能源消費的碳足跡呈現逐漸增加的趨勢，從2000年的1.71×106hm2上升到2012年的4.42×107hm2，是2000年的2.6倍，平均增幅為0.08%，說明河南省的碳足跡壓力在不斷增加。 (2) 河南省2000—2012年能源消費的碳足跡都明顯大于3類生產性土地的實際面積(表3)，說明河南省自身生態系統的碳吸收不足以補償能源消費的碳排放，并因此造成了1.68 ×108hm2的生態赤字，該生態赤字是河南省土地面積(1.67×107hm2)的10倍，說明河南省面臨著較大的碳排放壓力。 (3) 河南省農田碳吸收量要顯著大于林地和草地。因此，按照碳吸收的用地比例計算，碳足跡主要以農田為主，占總碳足跡的82%，為2.44 ×107hm2(表3)。這一方面是由于河南省是農業大省，河南耕地省耕地和園地的面積明顯大于林地和草地的面積；另外，據前文的計算結果，河南省農田單位面積碳吸收水平也較高，這表明農作物生育期的碳吸收構成了區域碳匯的主要來源。 (4) 河南省2000—2012年能源消費的單位面積碳足跡達到1.75 hm2/hm2，即對河南省平均而言，每1 hm2土地上能源消費碳排放被吸收掉需要的生產性土地面積為1.75 hm2，說明河南省的土地碳排放壓力較大，生態系統的碳匯能力有待提高。

表3　河南省2000-2012年碳足跡分析

2.3河南省碳排放和碳足跡峰值預測分析

2.3.1碳排放情景參數設置在碳收支和碳足跡的基礎上，結合中國政府2009年提出的碳減排目標(2020年碳排放強度比2005年下降40%～45%)對模型中各變量的變化速率進行設定，并設計出基準情景和低碳情景的碳排放量，以及與之對應的基準情景和低碳情景下的碳足跡。基準情景是根據河南省2000—2012年的碳收支情況，結合發達國家經濟社會發展規律和我國未來經濟社會發展政策的改變，人口、人均GDP、城市化率和碳吸收的自然增長水平進行各因素變化率的設定而得到的結果；低碳情景是在經濟社會新常態下社會經濟發展指標預測的基礎上，考慮到碳排放的主要影響因素在未來年份的可能變化情況，在基準情景的基礎下對主要參數的變化率進行調整的結果。本研究的基準年為2012年，并根據前文設定的碳排放變化速率對2013—2050年的碳排放進行預測。其中，各指標參數的變化率與中國經濟社會發展的5 a規劃期相對應，將預測分為8個階段，對應參數從第1階段到第8階段的變化率變化情況詳見表4。在碳足跡的峰值預測中，森林、草地、農田的碳吸收分別以2000—2012年的平均增長率9‰，-2‰，3%為變化率計算的。

表4　不同情景下參數的變化趨勢

2.3.2碳排放及碳足跡峰值預測結果分析依據設置的兩種情景模式，運用STIRPAT擴展模型，對河南省的碳排放、凈碳排放、碳足跡峰值進行擬合，得出不同情景下的碳排放和碳足跡的峰值大小和時間(圖3)。 (1) 基準情景下，河南省碳排放峰值出現在2040年,為3.52×108t，而低碳情景下，碳排放量的峰值出現在2035年,為2.64×108t，分別是2012年的1.99倍和1.49倍，低碳情景下的碳排放量峰值比基準情景減少了8.84×107t，下降比率為25%。表明在低碳發展模型下，河南省具有較大的碳減排空間。 (2) 考慮到碳吸收的補償作用，基準情景下凈碳排放量峰值和低碳情景下的凈碳排放量峰值分別提前出現在2035和2025年，在時間和數量上將很大程度上限制了碳排放量的增長，尤其是低碳情景下的凈碳排放量峰值是基準情景的70%，僅為2012年的1.43倍，甚至在2049年出現了負值。這表明，在考慮低碳情景的減排潛力和區域碳吸納水平的基礎上，2050年河南省生態系統的碳吸收可以完全補償碳排放，有望在省級尺度上達到零排放。 (3) 基準情景下的碳足跡將會在2040年達到峰值，為8.75×107hm2；低碳情景下的碳足跡將會在2035年達到峰值，為6.56×107hm2。2050年，碳足跡分別為8.60×107hm2和6.18×107hm2，分別是2012年碳足跡的1.94，1.40倍。據預測，未來碳足跡的增幅將逐漸減少，將有效緩解河南省的土地利用碳排放壓力，也是我們追蹤碳收支平衡的一個有效方法，將更好地依據區域碳排放壓力和生態狀況調控碳排放和生態土地利用之間的關系。總體而言，河南省具有較大的碳減排潛力空間，合理控制人口、人均GDP和城市擴展速率，以及充分利用農田、森林等的碳匯作用，將在很大程度上減少碳排放量。因此，未來應在保證經濟發展質量的基礎上，控制經濟增長速度，不斷優化調整產業結構和能源結構，切實有效地推動區域低碳轉型。

圖3　河南省2013-2050年碳排放峰值預測

3　結 論

(1) 河南省碳排放總量從2000年的6.83×107t上升到2012年的1.77×108t，漲幅為159.2%，其中碳排放的行業差異性大，工業占主導地位，不同途徑碳排放的增幅具有明顯差異，生態系統的碳匯能力呈現明顯的下降趨勢。

(2) 河南省2000—2012年的碳排放強度呈現逐漸降低的趨勢，但人均碳排放強度卻在上升。

(3) 河南省2000—2012年能源消費的碳足跡呈逐漸增加趨勢，且明顯大于3類生產性土地的實際面積，造成了1.68×108hm2的生態赤字，碳排放和碳吸收出現了明顯的不匹配現象。

(4) 在基準情景和低碳情景下，河南省的碳排放量峰值分別出現在2040和2035年，在考慮區域碳吸收補償的前提下，凈碳排放量峰值提前為2035和2025年，在時間和數量上都很大程度地限制了碳排放的大幅增長，可見，河南省具有較大的碳減排潛力空間。

(5) 推動經濟社會的低碳轉型是今后河南省推動生態文明建設、優化產業結構、創建“兩型”社會及適應經濟新常態的必然選擇。為降低區域碳排放強度和碳足跡水平，可采取相應對策： ① 重點加強對碳排放量巨大且增幅較大的部門率先開展低碳技術的應用和推廣，如工業能源消耗部門、城市生活能源消費、垃圾焚燒與填埋等，切實降低區域碳排放強度； ② 通過調整產業結構和能源結構，提高能源效率，重點推進電力、煤炭及有色金屬等重點耗能行業的碳減排，推動區域產業轉型升級，并引領區域低碳發展； ③ 改善農業生產條件，提高農業土壤的碳蓄積水平，加強植樹種草，擴大碳匯，提高陸地生態系統的固碳水平和效率，切實有效地補償區域自身的碳排放； ④ 土地利用是產業活動的載體，土地利用結構調控是實現區域低碳發展的重要措施，未來應通過對土地利用結構、布局、規模和強度的調控，約束高碳土地利用開發利用方式，積極發展碳匯型土地利用方式，切實減少區域生態赤字，引導形成區域低碳土地利用方式和城鎮開發格局； ⑤ 加強對碳排放的定量監測和預測，尋求經濟社會發展與能源消費碳排放控制的最優模式。

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Prediction of Carbon Emission Peak Value of He’nan Province Based on Carbon Budget Estimation

ZHAO Rongqin1, LIU Wei1,2, LIU Ying3, DING Minglei1, ZHANG Zhanping1, WANG Jie1

(1.SchoolofResourceandEnvironment,NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou,He’nan450045，China; 2.SchoolofGeographicSciences,EastChinaNormalUniversity，Shanghai200241,China; 3.CollegeofCivilConstructionEngineering,ZhengzhouInstituteofAeronauticalIndustryManagement,Zhengzhou,He’nan450046,China)

[Objects] Carbon emission and carbon footprint of He’nan Province were predicted in order to understand the potential of carbon emission reduction in the future and to find low-carbon development strategies. [Methods] Based on the provincial level, taking He’nan Province as an example, this paper analyzed the carbon budget and carbon footprint of He’nan Province, and predicted the carbon emission peak value by STIRPAT model and scenario analysis approach. [Results] (1) The total amount of carbon emissions in He’nan Province increased from 6.83×107t in 2000 to 1.77×108t in 2012 with the increasing rate of 159.2%. The carbon emissions were quite different among different industries, in which, the manufacturing industries contributed the most of total carbon emission. The increasing rate of different types of carbon emissions were obviously different from each other. The carbon sink capacity of terrestrial ecosystems of He’nan Province decreased since 2000. (2) The carbon footprint of energy consumption of He’nan Province increased from 1.71×107hm2in 2000 to 4.42×107hm2in 2012. The expansion of carbon footprint caused the ecological deficit of 1.68×108hm2. (3) Carbon emissions will reach to its peak value in 2040 or 2035 under benchmark or low-carbon scenario, respectively. If the regional carbon compensation was considered, peak values of carbon emissions under benchmark and low-carbon scenario will arrive in advance, in 2035 and 2025, respectively. [Conclusions] The carbon sinks of He’nan Province do not match carbon emissions. If carbon compensation is applied, there is huge room for carbon emission reduction in the future.

carbon budget; carbon footprint; carbon emission peak value; He’nan Province

2015-07-04

2015-09-19

國家自然科學基金項目“城市典型產業空間的碳排放強度與碳代謝效率研究”(41301633)

趙榮欽(1978—),男(漢族)，河南省孟津縣人，博士,副教授,主要從事土地利用與碳排放研究。E-mail:zhaorq234@163.com。

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1000-288X(2016)04-0078-06

F062.1