基于能源消費的礦業城市二氧化碳排放 多維度比較研究

王　柯，張建軍,2，周向莉，劉金芳，朱曉磊

(1.中國地質大學(北京)土地科學技術學院，北京 100083；2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京 100083)

實現礦業城市的綠色低碳發展是我國發展低碳經濟所必須面臨的問題，本文將我國75個典型礦業城市從生命周期和資源類型兩個維度進行分類，利用2015年礦業城市能源二氧化碳排放數據、人口數據和經濟數據(GDP)來對比不同礦業城市二氧化碳排放的差異，并運用數理統計方法來探索不同類型礦業城市二氧化碳排放與經濟發展水平之間的關系。研究結果表明，二氧化碳排放高值城市和低值城市在空間上較為集中，且二者差距較大；成熟型的煤炭型城市二氧化碳排放普遍較高，成熟型的有色金屬型城市或非金屬礦型城市二氧化碳排放普遍較低；不同類型礦業城市分能源類型二氧化碳排放占比情況異中有同，并且在不同程度上滿足二氧化碳排放與經濟發展之間的正相關性。要實現礦業城市的低碳發展，應緊抓高碳排的礦業城市，穩定住低碳排礦業城市，加快礦業城市的經濟轉型，提高礦產資源開采、生產和利用效率。

礦業城市；二氧化碳排放；生命周期；資源類型；經濟發展

二氧化碳排放引起的全球變暖是目前人類面臨的嚴峻挑戰之一。在最近的一次聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)評估報告中指出，每萬億公噸二氧化碳排放會導致全球平均地表溫度上升0.8～2.5 ℃[1]。2015年召開的第21屆聯合國氣候變化大會(COP21)提出了控制全球升溫低于工業化水平之前的2 ℃以內的長期目標[2]，但根據目前各國自主決定貢獻(Intended Nationally Determined Contributions，INDC)，到2030年仍然存在15G～17 Gt的二氧化碳當量的減排缺口[3]，二氧化碳減排工作已刻不容緩。多數城市依靠開發自身豐富的礦產資源發展經濟，成為典型的礦業城市[4]。礦業城市的發展一方面帶動了我國整體經濟水平的提升，另一方面也導致生態環境問題日益凸顯。中國二氧化碳排放近年來增長較快[5]，平均地面氣溫在近百年來升高幅度約0.8 ℃[6]，且90%左右的二氧化碳排放來源于能源消耗[7]。因此，無論是迫于國際上的減排壓力，還是國內的生態環境壓力，我國必須制定更為有效的減排方案。針對我國礦業城市眾多，環境問題突出的特點，將二氧化碳排放研究的視角聚焦在礦業城市上是必要的，也是我國實現低碳發展的必經之路。目前有關城市二氧化碳排放的研究較多，但多集中在經濟發達的大城市[8-11]，以礦業城市為研究視角的研究較少。對礦業城市二氧化碳排放的研究目前大多集中在基于能源二氧化碳排放的單個礦業城市上[12-13]，且多為煤炭型城市[14-16]，針對不同類型礦業城市二氧化碳排放的對比研究較少。

基于前人的研究，本文以75個礦業城市為研究對象，以生命周期和資源類型為礦業城市的分類依據，利用2015年各礦業城市的能源消費數據，估算出各城市的二氧化碳排放量，對礦業城市的二氧化碳排放進行多維對比，并探索不同類型礦業城市二氧化碳排放與經濟發展之間的關系，以期為礦業城市的低碳發展提供有力的理論支撐和經驗借鑒。

1　研究對象

本研究根據國務院2013年印發的《全國資源型城市可持續發展規劃(2013～2020年)》，在公布的126個地級資源型城市中選取了75個礦業型城市作為研究對象(剔除了森工型城市和數據缺失的城市)，并從生命周期和資源類型兩個角度對75個礦業城市進行分類。從生命周期的角度上，按照資源保障能力和經濟社會可持續發展能力，將礦業城市劃分為成熟型、成長型、衰退型和再生型[17](表1)。從資源類型上，按照資源儲量將礦業城市劃分為煤炭型、油氣型、鐵礦型、有色金屬型和非金屬礦型[18](表2)。

表1　不同生命周期礦業城市

表2　不同資源類型礦業城市

2　方法與數據

2.1　二氧化碳排放量的估算

基于IPCC推薦的二氧化碳排放清單估算方法[19]，本文利用原煤、焦炭、原油、燃料油、汽油、煤油、柴油和天然氣等我國主要的化石燃料的消費量來估算二氧化碳排放量，計算公式見下式。

式中：ECO2為二氧化碳排放量；ACi為第i類能源的消費量；NCVi為第i類能源的平均低位發熱量；Ci為第i類能源的單位熱值含碳量；Oi為第i類能源的碳氧化率(表3)；44/12為碳轉化為二氧化碳系數。

表3　二氧化碳排放計算相關指標

資料來源：《綜合能耗計算通則》(GB/T 2589—2008);《省級溫室氣體清單編制指南》(發改辦氣候〔2011〕1041號)。

2.2　數據來源

能源消費數據來源于2016年各礦業城市的統計年鑒,城市人口(年末戶籍人口)、GDP數據(當年價格)來自《中國城市統計年鑒2016》。

2.3　分析方法

本文通過對2015年截面數據的統計分析，來實現礦業城市二氧化碳排放差異的多維比較；通過數理統計方法(相關性系數和置信橢圓)來分析不同類型礦業城市二氧化碳排放與經濟發展之間的相關關系[20]。

3　結果分析

3.1　不同類型礦業城市二氧化碳排放對比分析

3.1.1總量、人均和單位GDP排放對比分析

從二氧化碳排放總量上來看，排放高值礦業城市和低值礦業城市分布較為集中，且部分礦業城市之間差距顯著，例如：排放總量最高的朔州市是最低的臨滄市的255倍(圖1(a))。二氧化碳排放總量較高的礦業城市主要集中在山西、陜西、河北、內蒙古和山東等以華北省份為主的北方地區(如朔州市、榆林市、唐山市、鄂爾多斯市、長治市、邯鄲市和東營市等)，生命周期類型多為成熟型和成長型，且資源類型以煤炭型為主。成熟型煤炭城市的資源開發處于較為穩定階段，資源保障能力強，可通過開發煤炭資源發展經濟，而煤炭作為高碳排放的礦產資源，其開采、加工、消費整個生命周期都會產生較高的二氧化碳排放[21]。成長型煤炭礦業城市的資源開發正處于上升階段，資源保障潛力大[22]，經濟發展迅速的同時，也消耗大量的能源。二氧化碳排放總量較低的地級市主要集中在云南、甘肅、四川和廣西等西南和西北地區(如臨滄市、武威市、保山市和雅安市等)，其生命周期類型多為成熟型，資源類型以有色金屬型和非金屬礦型為主。此類城市經濟發展普遍較為落后，且依賴的資源類型較為低碳，因此二氧化碳排放總量普遍較低。

從人均碳排放來看，人均碳排放高值和低值礦業城市的分布與碳排放總量較為相似，并且部分礦業城市人均碳排放差距較大(圖1(b))。從分類對比上來看，人均碳排放較高礦業城市的生命周期多處于成熟型和成長型，且主要資源類型為煤炭。值得注意的是新疆的克拉瑪依市，由于該市人口相對稀少，導致該市人均碳排放較高。石嘴山市等衰退型礦業城市由于前期的過度開發，資源趨于枯竭，生態環境相對較差，且人口相對較少，導致人均碳排放排名靠前。人均碳排放較低的礦業城市類型與排放總量較低的礦業城市類型較為一致，多為成熟型的有色金屬型/非金屬礦型礦業城市。

從單位GDP排放量來看，單位GDP排放高值和低值礦業城市的差異較大(例如：最高的朔州市是最低的宿遷市的186倍)，且分布與總量和人均碳排放的空間分布大體一致(圖1(c))。從分類對比上來看，單位GDP排放量與人均碳排放情況較為相似，高值礦業城市普遍為成熟型的煤炭城市，部分高值礦業城市為衰退型的煤炭城市；低值礦業城市普遍為成熟型的有色金屬型或非金屬礦型礦業城市。

3.1.2分能源類型二氧化碳占比分析

從生命周期分類角度來看，不同類型礦業城市的分能源類型二氧化碳占比情況同中有異(圖2(a))。相似點在于：煤炭(原煤+焦炭)二氧化碳排放在四種生命周期類型的礦業城市中均位居首位，占比超過80%，是礦業城市的主要碳源；汽油、煤油、柴油和天然氣四種能源的排放占比在四種類型的礦業城市中都比較小。不同點在于：成長型和衰退型礦業城市煤炭的二氧化碳排放占比較再生型和成熟型礦業城市高10%左右；再生型和成熟型城市超過10%的二氧化碳排放來自于原油和燃料油；再生型礦業城市原煤的二氧化碳排放占比相較其他三類礦業城市小的多，可見再生型礦業城市在能源結構上有所改善。

圖1　礦業城市二氧化碳排放對比

圖2　不同能源類型二氧化碳排放對比

從資源類型分類的角度來看，不同類型礦業城市分能源類型二氧化碳的占比情況也存在一些異同點(圖2(b))。具體來說，煤炭的二氧化碳排放依然是五類礦業城市的主要碳源，但油氣型礦業城市煤炭的二氧化碳排放占比相對較少，這主要是因為此類城市擁有豐富的油氣資源，在資源選擇時也更偏向于自身豐富的資源；汽油、煤油、柴油和天然氣四種能源的二氧化碳排放占比依然是五類礦業城市排放最低的；鐵礦型礦業城市的焦炭二氧化碳占比相對其他類型礦業城市顯著較高，這主要是因為焦炭是煉鐵的主要能源[23]。

3.2　二氧化碳排放與經濟發展相關關系分析

為消除變量內部異常值的影響，本文在進行相關性分析之前，對各變量進行了自然對數變換處理，以便更好地反映經濟發展與二氧化碳排放之間的相關關系。本文使用人均碳排放量作為二氧化碳排放指標，以人均GDP作為經濟發展指標，分別進行相關性分析，以對比不同類型礦業城市二氧化碳排放與經濟之間相關性的差異。

從樣本總體來看，人均碳排放量與人均GDP的Pearson相關系數達到0.628，呈現顯著的正相關(表4)，可見整體上我國礦業城市二氧化碳排放與經濟發展還處于同向發展的階段。

表4　分生命周期Pearson相關系數

注：*表示在0.1水平(雙側)上顯著相關，**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關。

從生命周期分類的角度，對人均碳排放和人均GDP之間的關系進行對比，發現不同生命周期礦業城市存在一定差異(圖3)。根據散點的分散程度和置信橢圓的扁平程度可以看出，再生型礦業城市置信橢圓更為扁長，相關系數較高，可見二氧化碳排放與經濟發展之間的相關關系較強；成熟型和成長型礦業城市相對于再生型礦業城市來說相關系數較低，但依然呈現顯著的正相關；衰退型礦業城市的散點較為離散，置信橢圓更接近于圓形，相關系數較低，不存在顯著線性相關性。

從不同資源類型分類角度來看，不同類型城市二氧化碳排放和經濟發展之間均具有顯著相關性，但相關程度略有差異(圖4)。鐵礦型、油氣型、有色金屬型和非金屬礦型礦業城市的置信橢圓較為扁長，四類城市Pearson相關系數均達到0.8左右(表5)，人均碳排放和人均GDP之間均具有顯著線性正相關；煤炭型礦業城市置信橢圓的長軸與短軸之比較小，相關性相對較弱，但人均碳排放和人均GDP之間依然呈現顯著正相關。

注：置信橢圓的置信區間為95% 圖3　不同生命周期經濟與二氧化碳排放分布圖

注：置信橢圓的置信區間為95% 圖4　不同資源類型經濟與二氧化碳排放分布圖

表5　分資源類型Pearson相關系數

資源類型人均GDP與人均排放的相關系數煤炭型0.521(**)鐵礦型0.796(**)油氣型0.859(*)有色金屬型0.804(**)非金屬礦型0.85(**)

注：*表示在0.1水平(雙側)上顯著相關，**表示在0.01 水平(雙側)上顯著相關。

4　結　論

通過對我國礦業城市二氧化碳排放的多維對比研究，得到如下結論。

1) 我國二氧化碳排放的高值和低值礦業城市分布較為集中，且城市之間的二氧化碳排放差異顯著。無論是二氧化碳排放總量、人均碳排放還是單位GDP碳排放，碳排放高的礦業城市大多集中以在華北省份為主的北方地區，而碳排放低的礦業城市大多集中在西南地區和西北地區，且高值礦業城市的二氧化碳排放量都數十倍于低值礦業城市。

2) 我國二氧化碳排放較高的礦業城市多為成熟型的煤炭型城市，排放較低的礦業城市多為成熟型的有色金屬型/非金屬礦型礦業城市，因此我國碳減排的工作應重點向成熟型的煤炭型礦業城市傾斜。

3) 不同類型礦業城市分部門二氧化碳排放占比情況異中有同。無論何種類型的礦業城市，煤炭消費產生的二氧化碳是礦業城市的主要碳源，而汽油、煤油、柴油和天然氣四種能源的排放占比較小。調整能源結構是我國二氧化碳減排的有效途徑。

4) 我國礦業型城市二氧化碳排放與經濟發展水平整體上呈現顯著正相關。不同類型的礦業城市也均不同程度的滿足二氧化碳排放與經濟發展之間的正相關性。

[1]PACHAURI R K,MEYER L A.Contribution of Working Groups I,II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[J].Journal of Romance Studies,2014,4(2):85-88.

[2]ROGELJ J,DEN E M,H?HNE N,et al.Paris Agreement climate proposals need a boost to keep warming well below 2℃[J].Nature,2016,534:631-639.

[3]BOYD Rodney,TURNER Joe,WARD Bob.Intended nationally determined contributions:what are the implications for greenhouse gas emissions in 2030?[J].2015,120(3):561-599.

[4]朱訓.中國礦業城市的幾個問題[J].中國礦業,2015,24(8):1-7.

[5]屈超,陳甜.中國2030年碳排放強度減排潛力測算[J].中國人口·資源與環境,2016,26(7):62-69.

[6]任國玉,初子瑩,周雅清,等.中國氣溫變化研究最新進展[J].氣候與環境研究,2005,10(4):701-716.

[7]CHUAI X,HUANG X,WANG W,et al.Land use,total carbon emissions change and low carbon land management in Coastal Jiangsu,China[J].Journal of Cleaner Production,2014,103:77-86.

[8]趙冠偉,陳健飛,崔海山,等.1992—2007年廣州市能源消費碳排放研究[J].資源與產業,2010,12(6):179-184.

[9]張麗峰.北京碳排放與經濟增長間關系的實證研究——基于EKC和STIRPAT模型[J].技術經濟,2013,32(1):90-95.

[10]WANG Yang,GE Xiaoling,LIU Junliang,et al.Study and analysis of energy consumption and energy-related carbon emission of industrial in Tianjin,China[J].Energy Strategy Reviews,2016,10:18-28.

[11]趙敏,張衛國,俞立中.上海市能源消費碳排放分析[J].環境科學研究,2009,22(8):984-989.

[12]劉晨躍,高志剛.資源型城市碳排放庫茲涅茨曲線研究——以烏魯木齊為例[J].資源與產業,2014,16(5):1-7.

[13]羅廣芳,張建軍,李勝男,等.礦業城市能源消費碳排放變化及其影響因素研究[J].中國礦業,2015,24(8):53-58.

[14]黃芳.煤炭資源型城市碳排放特征研究:以平頂山市為例[J].中國礦業,2015,24(10):83-87.

[15]羅廣芳.礦業城市煤炭供應鏈碳排放研究[D].北京:中國地質大學(北京),2016.

[16]李玉平,張璐璇,駢煒,等.資源型城市能源消費碳排放足跡的動態變化及對策分析——以邢臺市為例[J].湖北農業科學,2016(11):2971-2974.

[17]國務院.全國資源型城市可持續發展規劃(2013—2020年)[EB/OL].http:∥www.gov.cn/zwgk/2013-12/03/content_2540070.htm.

[18]張萌.資源型城市分類及生態調控機理與過程[D].北京:中國礦業大學(北京),2015.

[19]LANZA R,MARTINSEN T,MOHAMMAD A K W,et al.2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories[M].Tokyo:Global Environmental Strategies for IPCC,2006.

[20]李建豹,黃賢金,吳常艷,等.中國省域碳排放的空間格局預測分析[J].生態經濟:中文版,2017,33(3):46-52.

[21]朱漢雄.煤炭相關二氧化碳排放量的估算與分析[D].上海:復旦大學,2013.

[22]李江蘇,唐志鵬.再生型資源型城市產業的結構性增長研究——以唐山市為例[J].地理研究,2017,36(4):707-718.

[23]王維興.提高焦炭質量的技術途徑[J].中國鋼鐵業,2006(10):27-29.