基于能源代謝分析的南昌市能源消費碳排放綜合生態效率研究

黃和平,王麗影

1 江西財經大學鄱陽湖生態經濟研究院, 南昌 330013 2 江西財經大學旅游與城市管理學院, 南昌 330032

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基于能源代謝分析的南昌市能源消費碳排放綜合生態效率研究

黃和平1,*,王麗影2

1 江西財經大學鄱陽湖生態經濟研究院, 南昌 330013 2 江西財經大學旅游與城市管理學院, 南昌 330032

有關能源消費的代謝機理及生態效率研究是當前生態經濟研究領域中的重點和難點,也是政府決策部門、相關行業及人群關注的熱點。基于能源代謝分析理念,構建了基于相對變量的城市能源消費碳排放綜合生態效率度量模型,對2000—2013年南昌市能源消費結構、碳排放量及其生態效率進行了測算與分析。結果表明：(1) 南昌市在2000—2013年,能源消費量和碳排放量整體上呈“N”型曲線上升的一致性變化特征,主要經歷了快速增長、短暫下降、恢復平穩增長3個階段,且煤炭是南昌市能源消費和碳排放的主要來源,短時期內難以改變；(2) 南昌市的能源消費效率和碳排放效率整體上在不斷優化；(3) 南昌市能源消費碳排放綜合生態效率經歷了較大的波動變化,整體上的生態效率分值并不高；仍需要加大節能減排力度,全面優化南昌市能源消費結構。

能源代謝分析；碳排放；能源消費；綜合生態效率；南昌市

近年來,中國經濟的高速增長帶來能源消耗的急劇增加,隨之帶來的碳排放也快速增長。2007年,我國能源消費碳排放量首次超過美國,成為全球最大的碳排放國[1- 2]。能源消耗和CO2排放量不斷增加,帶來了嚴重的生態破壞、資源短缺和環境污染等一系列嚴重問題,這些問題又反過來抑制中國經濟的可持續發展。2009年哥本哈根氣候大會上,我國政府提出2020年單位國內生產總值CO2排放比2005年下降40%—45%的減排目標[3- 4]。而在能源消費結構中,城市是能源消費及碳排放的主體。據估計城市碳排放占全球碳排放總量的78%[5],在致力于低碳經濟發展道路中,城市能源消費碳排放生態效率的研究占舉足輕重的地位。

能源代謝分析(Energy metabolism analysis,EMA)作為物質代謝分析或物質流分析(MFA)的深化或一部分,其分析方法類似于物質代謝分析[6- 7]。Niza等提出物質流分析是闡釋國家、區域和城市代謝的有力工具,基于投入和產出將建筑、交通、消費和廢物處理等過程與活動系統聯系起來有助于理解城市代謝過程[8]；David Browne等通過能源流賬戶、能源代謝比率分析及能源足跡等分析工具對愛爾蘭城市-區域尺度的可持續發展進行了估算[9]；Tatjana Kuznecova等基于能源代謝分析的角度,提出了城市環境恢復力的度量方法[10]。在核算方法上,王越等運用工業代謝分析方法對某農藥化學工業園能源代謝系統進行量化分析并得出結論：提升能源轉化水平、改善能源利用效率是優化該工業園能源系統的2個有效途徑,可減少能源代謝過程中的資源消耗與環境壓力[11]；劉曄等從能源代謝角度用社會代謝的多尺度整合分析方法(MSIAMS)研究了中國區域社會和生態系統的能源代謝特征[12]；針對碳排放研究在城市尺度核算的薄弱環節,以及城市代謝研究在社會經濟子系統碳基能源轉移分析上的缺陷,張麗君等基于碳足跡與城市代謝闡釋城市碳基能源代謝的內涵,界定其核算范疇與邊界,構建了城市復合生態系統碳基能源4種范疇不同代謝過程的核算方法體系,并以北京市為案例,闡明了基于地理邊界、足跡區及地理邊界+等3種核算方法的特點[13]；戴剛等通過社會代謝多尺度綜合評估(MSIASM)方法,采用生物-經濟壓力和不同組織尺度下的體外能代謝率、能源密度指標,并將能源消費碳排放融入評估框架,評價了中國四大直轄市2004年至2010年的社會代謝及其綜合發展狀況,其中能源消費碳排放的加入較好補充了MSIASM在生態評估方面的弱勢[14]。由上可知,能源代謝及效率分析是一種多層級、多尺度系統分析能源區域消費與利用格局的綜合分析理念,對能源消費生態效率的研究意義重大。

借鑒世界可持續發展工商業聯合會給定的生態效率的概念,即：通過提供具有價格優勢的服務和商品,在滿足人類高質量生活需求的同時,將整個生命周期中對環境的影響降到至少與地球的估計承載力一致的水平上,簡單說來,就是影響最小化,效益最大化[15]。將其移植于能源消費領域,就是通過提供具有價格優勢的能源消費服務和商品,在滿足人類對高質量能源需求的同時,將能源消費整個生命周期中對環境的影響降到最低。鑒于能源消費系統的輸入端和輸出端分別為能源消耗和碳排放,代表兩端的資源效率和環境效率分別為能源消耗效率和碳排放效率,為避免混淆,兩者綜合起來則為能源消費的碳排放生態效率或能源消費碳排放綜合生態效率。

由此可見,能源代謝分析能清楚地解構能源消耗類型、結構及排放通量,它是生態效率研究的基礎工作,其分析過程則為生態效率的度量提供了基本參數。

南昌市是中部唯一的低碳試點省會城市,但近年南昌經濟高速發展在改善人們生活的同時,也帶來了能源消耗和碳排放的快速增加。粗放型經濟增長模式帶來了一系列的問題：消費結構不合理、能耗增加帶來污染物同比增加、產業結構不合理等,嚴重阻礙低碳經濟的轉變[16]。基于此,本文在能源代謝分析理念的基礎上,對輸入端——南昌市能源消費和輸出端——能源消費產生的碳排放分別計算,最后把兩者結合對綜合生態效率進行實證研究分析,以此歸納南昌市能源消費碳排放綜合生態效率變化規律,為實現城市低碳經濟發展提供理論參考和決策依據,這對提高鄱陽湖生態經濟區社會經濟發展可持續性也具有重要的理論指導和實踐應用價值。

1 研究方法與數據來源

1.1 碳排放公式

依據2006年聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)提供的碳排放計算公式,將南昌市能源消費碳排放量計算公式確定為：

(1)

式中,Ci為能源消費碳排放總量(×104t),i表示能源的種類,Si為第i種能源的消費量(×104t),折算成標準煤計算,Pi為第i種能源碳排放系數。根據南昌市能源消費現狀,選取原煤、焦炭、天然氣等9種主要的能源消耗種類進行計算分析[17]。主要能源消費碳排放系數來源于IPCC碳排放計算指南缺省值(表1)。

表1 各種能源折標準煤系數和碳排放系數

1.2 城市能源消費碳排放綜合生態效率度量模型的構建

能源消費碳排放效率是生態效率的一種形式,即是關于能源消費和碳排放的生態效率。為避免與能源消費效率和CO2排放效率混淆,這里將兩者整合的能源消費碳排放生態效率稱為能源消費碳排放綜合生態效率。借鑒世界可持續發展工商業聯合會(WBCSD)定義的生態效率的概念,其公式可表達為：

(2)

從公式(2)中可以看出,分子所代表的是因能源消費所帶來的福利或服務,這里用能源消費領域增加值來指示,考慮到難以將能源消費領域的增加值從社會總產值或地區生產總值中分離出來,故這里還是用地區生產總值代替；分母所指的是能源消耗或環境負荷,環境負荷即能源消耗所產生的CO2排放。相應地,按照單要素指標法,能源消費碳排放生態效率可以分為能源消費效率和CO2排放效率。如果能源消費碳排放生態效率是能源消費領域增加值與環境負荷增長速率的比值,即相當于彈性系數的倒數,則是一個無量綱表達式,這里分別用x和y表示：

(3)

(4)

式中，x即能源消費效率,y即CO2排放效率,x和y分別從源頭輸入端(減少原生能源的消耗)和末端輸出端(減少CO2排放這一污染物的產生)的角度用模型結合來表征南昌市的能源消費碳排放綜合生態效率。

本文在量化能源消費效率和CO2排放效率基礎上,參照上述研究成果,提出基于相對變量的集能源消費效率和CO2排放效率合成的能源消費碳排放綜合生態效率,其表達公式為：

(5)

1.3 各數據的相對化和標準化處理

按照上述對能源消費效率和CO2排放效率的公式定義,可知公式是一個無量綱的表達式,需要對上述公式(3)和公式(4)做相應的相對化處理,根據本文的情況,公式(3)和公式(4)可分別具體表達為公式(6)和公式(7)：

(6)

(7)

根據上述生態效率度量模型的要求,能源消費效率和CO2排放效率的值位于[0,1]之間,因此需要對能源消費效率和CO2排放效率進行標準化處理,消除變量間的量綱關系,使數據具有可比性。本文選用MIN-MAX標準化方法。由于上述處理的指標均為正向型指標,其標準化方法見公式(8)：

(8)

式中,R表示標準化后的值,xi表示指標原始數據值。

1.4 數據來源

本研究中能源消費及碳排放量計算中采用的原始數據均來自于2001—2014年《南昌市統計年鑒》,各種能源折標準煤參考系數和碳排放折算系數來源于《中國能源統計年鑒》,并利用統計軟件對南昌市能源消費效率和CO2排放效率進行相對化和標準化處理以消除量綱影響。

2 實證分析

2.1 南昌市能源消費及碳排放分析

根據上述研究方法中提出的能源消費碳排放量計算公式以及折標準煤系數,計算得出南昌市能各能源的CO2排放量和能源消費總量,如表2(其中總量已按標準煤系數進行換算)所示。

表2 南昌市2000—2013年各能源碳排放量和能源消耗總量/×104 t

從表2可以看出,南昌市CO2排放量與能源消費量保持相同增長趨勢,能源消耗的快速增長帶動CO2排放量同比增長,具體分為3個階段：第一階段,2000—2007年,能源消耗和CO2排放量平均年增速分別為12.6%、12.5%,增速明顯,該階段主要源于南昌市近年來積極從老工業城市向發展二三產業轉型,二三產業的快速發展,使得能源消耗和CO2排放量也急劇上升；第二階段,2008—2009年,能源消耗和碳排放呈下降趨勢,究其原因,主要是上一階段,能源消耗和碳排放過快增長,人們逐漸意識到能源的過度消耗和環境污染破壞,積極著手申請轉型,向低碳經濟城市發展,2009年,南昌被列為中部唯一低碳試點省會城市。此階段有所緩解；第三階段,2010—2013年,能源消耗和碳排放都恢復到平穩增長的階段。具體來看,除了柴油和燃料油的碳排放呈下降的趨勢,其余能源消耗的碳排放量都呈增長走向。石油的碳排放量少,主要歸因于南昌當地的礦產資源主要是煤炭,石油資源匱乏；天然氣的碳排放量是所有能源消耗的碳排放量中最少的一個,一方面因為天然氣是清潔能源,碳排放量少,另一方面,由于經濟和一些外部條件,2005年天然氣才投入使用,且上文分析中得知,CO2排放量與能源消耗量呈同比增長趨勢,可知天然氣這種低碳能源所占目前總能源消費的比重非常低,電力雖呈現遞增趨勢,但相比較于煤炭,其所占能源消耗的比重也非常低；而煤炭的碳排放量整體上仍在不斷增長,且煤炭的碳排放量是所有能源消耗中碳排放量最多的能源,占總能源碳排放量平均值的85%以上,這說明雖然南昌在積極地向低碳循環經濟發展模式轉型,但其長期以來以煤炭為主的能源消費結構在短時期還難以動搖。在今后的能源消費使用中,天然氣和電力等低碳能源還需大力挖掘開發推廣,能源消費結構的調整和優化任重而道遠。

2.2 南昌市能源消費碳排放綜合生態效率的測算分析

以上述模型中公式(2)為計算基礎,再根據公式(6)、公式(7)和公式(8)對計算出的數據進行相對化和標準化處理,再根據公式(5)計算得到南昌市能源消費碳排放綜合生態效率歷年變化情況,并繪制出南昌市綜合生態效率的變化走勢圖(圖1)。

圖1 南昌市2000—2013年能源消費碳排放綜合生態效率變化圖Fig.1 The change of Comprehensive Eco-efficiency of Energy Consumption in Nanchang from 2000 to 2013

具體來看,在2000—2013年期間,南昌市能源消費碳排放綜合生態效率經歷了較大的波動變化,整體上值并不高,大多數年間值都低于1。2001—2008年,整體上呈上升趨勢,并在2008年達到最大值1.414,究其原因,近年來人們的節能減排意識逐漸明晰化,加之《南昌低碳城市發展規劃》的出臺,一系列低碳節能減排工作的實施,使得綜合生態效率得到很大的優化提升。2009—2013年呈現出先下降后緩慢上升的狀態,主要是雖然人們的節能減排意識越來越強烈,政府也出臺了一些政策來改善,但從前面的能源消費表格中也證實,南昌市能源消費結構長期以來以煤炭為主,天然氣和電力等能源近年來才開始使用,占總使用比重非常小。南昌從老工業城市向二三產業的快速轉型,經濟的高速發展帶動能源消耗高速增長,雖然近年來在努力的調整能源消費結構,煤炭的消耗相對于往年都在減少,但煤炭本身的消費基數大,煤炭的消耗總量依舊在增長,因而南昌市的節能減排還需要加大力度,能源消費碳排放綜合生態效率需要繼續優化提高。

3 結論與討論

3.1 結論

本文在能源代謝分析理念基礎上,建立基于相對變量的城市能源消費碳排放綜合生態效率度量模型,對南昌市2000—2013年能源消費碳排放及其綜合生態效率進行測算與分析,主要得出以下幾點結論：

(1) 南昌市在2000—2013年,能源消費總量和碳排放總量整體上呈上升趨勢,從圖中可以看出是一個“N”型曲線的走向,主要經歷了快速增長、短暫下降、恢復平穩增長3個階段,具體看,天然氣、電力等低碳能源使用所占比例還很低,煤炭是南昌市能源消費和碳排放的主要來源,短時期內難以改變,南昌市能源消費結構的調整需要加大力度；

(2) 南昌市能源消耗與碳排放整體上呈現同步增長的趨勢,同比碳排放量大于能源消費量,能源消費效率和碳排放效率有很大的提升空間；

(3) 南昌市整體綜合生態效率值不高,還需大力優化能源消費結構,提高區域能源消費碳排放綜合生態效率的關鍵是能源消費效率和碳排放效率的協同發展,逐步走向低碳經濟發展的軌道。

3.2 討論

(1) 本文在研究擬借鑒前人相關研究成果的基礎上,提出了基于相對變量的集能源消耗效率和碳排放效率合成的能源消費碳排放綜合生態效率,構建計算公式,并以南昌市近14年的數據為例對公式進行了檢驗,克服了以往表達公式中不具有統計的特性。研究表明,南昌市能源消費與碳排放呈現同比增長模式,綜合生態效率的優化取決于能源效率和碳排放效率的改善,所以要遵循低碳經濟發展方向,當務之急是先提高能源消費效率和碳排放效率,提高廢物再生資源化水平,從而提高綜合生態效率。

(2) 本文在計算各效率中,以GDP的值代替能源消費領域的增加值,使得經濟效率的概念就模糊不清,難以創新性地表現出綜合生態效率,目前的研究還存在一定的欠缺,今后還需繼續完善,為南昌市的低碳經濟發展提供更精確的指導實踐。

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EMA-based analysis on the eco-efficiency of carbon emission of energy consumption: A case study of Nanchang

HUANG Heping1,*, WANG Liying2

1InstituteofPoyangLakeEco-Economics,JiangxiUniversityofFinance&Economics,Nanchang330013,China2SchoolofTourismandUrbanManagement,JiangxiUniversityofFinance&Economics,Nanchang330032,China

Eco-efficiency of carbon emissions derived from energy consumption is a key issue in the field of ecological economic research, as well as a hot topic that has attracted government decision-making departments and has caught the attention of industry professionals and the public. Based on the concept of energy metabolic analysis (EMA), the ecological efficiency measurement model of carbon emissions from city energy consumption was established, and the energy consumption and carbon emissions of Nanchang from 2000 to 2013 were calculated and analyzed. The eco-efficiency of carbon emissions from energy consumption in Nanchang was also analyzed. The results showed that: (1) In 2000—2013, the energy consumption and carbon emissions of Nanchang had been increasing as an N-shape curve on the whole, mainly exhibiting three stages, including rapid growth, short-term decline, and steady growth. Coal was the main source of the city′s energy consumption and carbon emissions, which would be difficult to change in the short term; (2) The energy consumption efficiency and carbon emission efficiency of Nanchang were improving on the whole; (3) The comprehensive ecological efficiency of energy consumption in Nanchang did not greatly improve, suggesting the ongoing need to increase the intensity of energy-saving emission reduction efforts, and to optimize the energy consumption structure.

Energy metabolism analysis (EMA); carbon emissions; energy consumption; Comprehensive ecological efficiency (CEE); Nanchang

國家自然科學基金項目(41661113)；教育部人文社科規劃基金項目(14YJA790013)；江西省教育廳科技項目(GJJ14339)；江西省經濟社會發展智庫項目(16ZK15)；江西省學位與研究生教育教學改革研究項目(JXYJG- 2016-064)

2016- 06- 03;

2017- 01- 16

10.5846/stxb201606301336

*通訊作者Corresponding author.E-mail: hphuang2004@163.com

黃和平,王麗影.基于能源代謝分析的南昌市能源消費碳排放綜合生態效率研究.生態學報,2017,37(12):4191- 4197.

Huang H P, Wang L Y.EMA-based analysis on the eco-efficiency of carbon emission of energy consumption: A case study of Nanchang.Acta Ecologica Sinica,2017,37(12):4191- 4197.