西部地區縣域碳排放核算及主體功能區解析
——以四川省為例

王 正,周 侃,樊 杰,3,*

1 中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101

2 中國科學院大學,北京 100049

3 中國科學院科技戰略咨詢研究院,北京 100190

改革開放以來,我國經濟快速增長、能源消費量和碳排放量大幅增加,中國成為世界最大的能源消費和碳排放國[1],能源消費碳排放量約占世界的30%[2],中國在減緩全球氣候變化、降低碳排放量中扮演重要角色[3—4],為應對日益嚴峻的全球氣候變化挑戰,2020年9月中國政府在聯合國大會上承諾將在2060年實現碳中和。主體功能區是刻畫我國國土空間有序開發和保護格局的藍圖[5—7],作為重要的政策實施單元,主體功能區的應對氣候變化政策直接對減少碳排放、降低碳排放強度、增加碳匯提出了要求；同時人口規模和經濟增長是碳排放的重要驅動因素[8—9],主體功能區產業、投資、人口、環境等政策也通過對引導產業結構優化升級、合理調控產業轉移、引導人口集疏影響人口和經濟要素進而作用于碳排放。科學評估碳排放的主體功能區效應,有利于發揮主體功能區在減少碳排放、增加碳匯、實現碳中和的關鍵作用。碳排放的主體功能區解析則是認知其效應的基礎性工作。

《IPCC國家溫室氣體清單編制指南》是現行所有清單算法的基本模板,計算的核心思想是利用人類活動水平與排放系數相乘估算區域溫室氣體排放量。研究表明,目前全球人類活動導致的溫室氣體排放仍以碳為主,占到溫室氣體排放總量的76%,碳排放中又有86%來自化石能源消耗[10],另一方面,省級能源消費數據相較易于獲取,因此以能源消費碳排放量表征區域碳排放成為眾多學者的優先選擇[11]。故學者研究多以能源消費二氧化碳排放表征區域碳排放[12—13],本文所稱碳排放皆為能源消費二氧化碳排放。囿于能源消費數據可獲取性和方法論限制,目前關于我國碳排放的研究集中在省級及以上空間尺度[14—17],而省內各市各縣資源稟賦和社會經濟發展水平的差異必然帶來碳排放差異,各市縣減排政策應有所區別,且各市縣發展定位不同,碳排放的政策約束顯然不能“一刀切”。在縣級尺度碳排放核算,不同學者進行了諸多有益的理論和實踐探索,汪浩等將市級碳排放量利用排放系數和能源消費量計算,縣級采用人口占比分配的方法,結合ArcGIS 空間數據,將京津冀市級二氧化碳排放量自上而下分配至縣級區域[18],發現京津冀碳排放縣域尺度上呈現出分層集聚的特點。趙榮欽等根據各縣三次產業產值和人口占市級對應指標的比重,將河南省市級能源消費量分配至各縣,進而核算河南省縣域能源消費碳排放量,分析發現碳排放具有從市區向周邊縣(區)逐漸降低的特征[19]。朱松麗等人基于省級能源消費數據核算碳排放量,計算省級三次產業碳排放強度(三次產業的單位GDP碳排放量)和人均碳排放量(即能源統計口徑中生活消費部分的人均碳排放)并與各縣三產產值和人口數相乘后相加得到縣域碳排放量[20]。也有學者建立DMSP-OLS夜間燈光指數與碳排放的線性方程,構建了碳排放空間數據集,結合行政區劃矢量邊界建立不同行政等級尺度碳排放數據集[21],分析重慶市[22]和哈長城市群[23]縣域尺度碳排放時空格局,認為碳排放具有顯著的空間集聚現象。利用三次產業產值比重分配省級能源消費量忽略了主體功能區間能源利用效率差異,分配省級碳排放量則未考慮不同主體功能區碳排放強度的差異。因此,本文借鑒譚顯春等[24]引入市級單位GDP能耗數據表征區域能源利用效率的核算方法,采用中國碳核算數據庫提出的能源碳排放系數,選取四川省作為典型案例區進行縣域尺度碳排放核算,解析主體功能區碳排放分異特征,以期為主體功能區視角下碳減排政策提供基礎數據和科學支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

四川省雄踞我國西南部,面積遼闊、人口眾多。截止2019年,四川省國土面積48.61萬km2,常住人口8375.0萬人,成都平原(根據四川省主體功能區劃方案,文中成都平原指四川盆地西部、龍泉山和龍門山-邛崍山之間地區,川南地區位于四川盆地南緣、川渝滇黔交界處,川東北位于川渝陜結合部,攀西地區主要包括攀枝花市和涼山州)自然條件優越,是四川省內城市和人口集中分布區域,成都都市圈是我國城鎮化格局的重要節點；四川盆地是我國農業安全格局中長江流域主產區的重要組成部分；川西高原(四川雅安的邛崍山脈以西的高原和山地的統稱)是青藏高原的重要組成部分,更是我國“兩屏三帶”生態安全戰略格局中黃土高原-川滇生態屏障的重要組成。四川省城市化區域、農業區域、生態區域較為典型,更有利刻畫城市化地區、農業地區、生態地區碳排放的比例關系,因此作為本文的研究案例區。本文統一使用四川省主體功能區劃行政區,下轄181個縣級單元,其中城市化地區90個區縣單元,農產品主產區35個區縣單元,56個重點生態功能區。縣級行政區劃調整問題,則根據地理位置將其劃入相應主體功能區(圖1)。

圖1 四川省主體功能區格局圖

1.2 數據來源及能源分類

以2010年為基期年,四川省分行業分能源消費數據來源于《中國能源統計年鑒》,地市級能耗數據、各縣區常住人口和生產總值來源于《四川省統計年鑒》和各地市統計年鑒,由于縣域和省域統計數據存在差異,本文統一采用各區縣數據加總得到的相應省級數據。《中國能源統計年鑒》涉及能源類型均被納入,由于《IPCC國家溫室氣體清單編制指南》和《省級溫室氣體清單編制指南》中統計的能源消費類型與《中國能源統計年鑒》不完全一致,提供的燃料低位熱值和單位熱值含碳量無法滿足對能源消費全類型的計算,Liu 等學者通過對國內4243個煤礦和602個煤炭樣品的分析檢測,測算出按照《中國能源統計年鑒》中各能源類型的低位熱值和單位熱值含碳量因子[25]。從能源消費碳排放計算的全面性和科學性出發,本文采用Liu及其團隊實際測算值[4,25]。

1.3 方法

采用IPCC參考方法(即方法2)核算省級碳排放量,其公式如下[26]：

(1)

圖2 縣級碳排放量核算流程示意圖

采用ANONA單因素方差分析主體功能區間碳排放強度差異,用最小顯著極差法(LSD)確定顯著性水平(P<0.05時表示有顯著差異)。基尼系數表示各縣區碳排放區域差異程度,計算公式如下：

(2)

(3)

當i與j不相等時,G*指數公式為：

(4)

2 結果與分析

2.1 縣域碳排放時空演進特征

縣級尺度上碳排放整體表現出東高西低的特征,成都平原是碳排放高值區集中分布地,攀西和川南地區部分市轄區也存在碳排放高值區。碳排放中值區則主要分布在高值區的周圍,分布在成都平原、川東北、川南和攀西地區,近年來在川東北和川南地區擴張尤為明顯。碳排放低值區主要分布在四川北部、西部和東南部,近年來碳排放量低值區增加。2010—2017年高值區呈現出以成都為中心向四周擴張的趨勢,在其東南和東北方向上尤為明顯(圖3、圖4)。成都平原人口密集、城市化水平較高,經濟發達,是省內人口和經濟的主要承載區域,必然帶來大量的化石能源消費,因此碳排放量較高。川東北、川南和攀西地區是我國重要的能源化工基地,工業基礎雄厚、工業產值在國民經濟產值中比重較高,工業是化石能源消費和碳排放的主要來源[30—31],因此碳排放量較高。而川西和川北的廣大區域多為高原和山地,人口稀疏、大規模的工業開發活動較少,故碳排放較少。

圖3 2010—2017年縣域碳排放格局

圖4 2010—2017年碳排放量變化

四川省區縣碳排放基尼系數范圍在0.487—0.502,處于差異偏大和高度不平均的臨界值,說明四川省縣域碳排放量區域差異較大,且研究期內碳排放基尼系數僅有小幅波動下降,表明碳排放空間差異并未有明顯改變。

分別計算2010、2014和2017年碳排放Getis-Ord G*指數,并根據G*指數劃分為熱點區、次熱區、次冷區、冷點區四類。熱點圖分析表明,四川省碳排放存在明顯的核心—邊緣結構且呈現出雙核心模式。以成都都市圈為核心,向外逐漸擴散,依次為次熱區、次冷區和冷點區。南部攀枝花市形成次級核心,向北依次向冷區、冷點區遞減。2010年至2017年,兩核心熱點區有向外圍擴張趨勢,成都都市圈為核心的熱點區,都江堰、綿陽安州區、眉山丹棱縣由次熱區轉變為熱點區；次熱區也擴展到宜賓市高縣、長寧縣、興文縣和瀘州市敘永縣。但在川東北和攀西地區,南充市西充縣、嘉陵區和廣安市武勝縣、華鸞市,涼山州會東縣由次熱區轉為次冷區。西昌市則由次冷區轉為冷點區。表明,四川省碳排放高值區由核心向邊緣擴張的現象,主要集中在成都都市圈周圍和川南地區,川東北和攀西地區則有收縮趨勢(圖5)。

圖5 2010、2014、2017年四川省碳排放熱區分布

2.2 主體功能區碳排放特征

2.2.1 主體功能區碳排放量分異特征

高值區分布呈現出團塊集中在城市化地區,重點生態功能區主要以低值區為主。值得注意的是,生態功能區內部出現分異,毗鄰高值區的區縣碳排放量相對較高。碳排放中值區由城市化地區向農產品主產區擴張尤為明顯,具體到地市主要擴張區在巴中、南充、自貢、宜賓、瀘州等地(圖4)。

碳排放量呈現出城市化地區>農產品主產區>重點生態功能區的特征,城市化地區是碳排放主要區域(圖6),其碳排放量占全省比重穩定在76.40%—78.09%,農產品主產區和重點生態功能區碳排放量明顯低于城市化地區,農產品主產區則穩定在15.21%—16.57%,重點生態功能區則穩定在6.70%—7.21%(表1),各主體功能區之間碳排放量差異明顯,主體功能區類型對碳排放量影響顯著。城市化地區是全省推進工業化、城鎮化的主要承載區域,是產業集聚和人口集中分布區,較大的經濟和人口規模必然帶來大量的碳排放。農產品主產區具備較好的農業生產條件,區內耕地廣布,以提供農產品為主要功能,限制大規模、高強度工業開發建設；重點生態功能區則以生態系統保護為重要定位,以提供生態產品、保障生態安全為主要功能,區內林地和草地面積占比較大,限制大規模的工業化和城鎮化開發,故農產品主產區和重點生態功能區碳排放量較低。

表1 2010—2017年各主體功能區碳排放量比重變化/%

圖6 2010—2017年各主體功能區碳排放量

朱松麗、譚顯春等、徐婕等學者開展了對黑龍江、貴州、廣東省、四川省主體功能區碳排放的研究,也發現城市化區域是碳排放的主要功能區,占全省碳排放2/3以上,農產品主產區高于重點生態功能區[24,32—33]。對武漢都市圈主體功能區碳排放量的核算分析也得出了類似的結論[28]。由此可見,各主體功能區的功能定位與碳排放量顯著相關。

2.2.2 主體功能區碳排放變化態勢

采用碳排放量變化貢獻度,即不同主體功能區碳排放增加量(減少量)與總增加量(減少量)的比值,測度各主體功能區對碳排放變化的貢獻。考慮碳排放量2010—2016年不斷增加,2016—2017年碳排放量出現明顯下降(圖6),分為兩階段分析各主體功能區對碳排放變化的貢獻。結果表明,城市化地區在2010—2016年碳排放增加的貢獻度最大,農產品主產區次之,重點生態功能區最低,分別為75.24%、16.43%、8.33%；在2016—2017年碳排放下降的貢獻中,城市化地區貢獻(76.71%)仍然明顯高于農產品主產區(13.63%)和重點生態功能區(9.66%)(表2),說明四川省碳排放變化主要來自城市化地區。

表2 2010—2017年不同主體功能區碳排放量變化統計

分析主體功能區碳排放量內部結構(限于圖幅,僅展示2010和2017年,圖7),發現城市化地區、農產品主產區和重點生態功能區的碳排放均主要來源于第二產業,且研究期內比較穩定。且城市化地區第二產業和第三產業碳排放比重高于農產品主產區和重點生態功能區,這也與城市化地區是工業活動的主要承載區的功能定位相一致。農產品主產區和重點生態功能區居民生活消費產生的碳排放比重高于城市化地區,農產品主產區第一產業碳排放量比中高于其他兩類主體功能區。

圖7 2010和2017年不同主體功能區碳排放內部結構

2.2.3 主體功能區的碳排放強度分異

碳強度是能源利用經濟效率的重要指標,對各主體功能區2010—2017年碳排放強度比較分析發現,2010—2017年三類主體功能區碳排放強度經歷了整體下降的過程,從下降幅度來看,城市化地區下降幅度最大(39.51%),重點生態功能區次之(33.55%),農產品主產區最低(33.14%)(圖8)。碳排放強度存在主體功能區間差異,重點生態功能區的碳排放強度顯著高于城市化地區和農產品主產區(P<0.05),且高于省平均水平,能源利用效率較低。

圖8 2010—2017年主體功能區碳排放強度

3 結論與政策建議

3.1 結論

不同區域根據其主體功能定位在國土空間開發和保護格局中扮演不同角色,其承載的人口和經濟規模差異較大,碳排放在不同主體功能區之間存在明顯差異。主要結論如下：

(1)四川省碳排放高值區集中分布在成都平原和川東北、川南、攀西地區的城市化地區,由于主體功能區空間分布格局,碳排放整體表現出東高西低的特征。四川省縣域碳排放空間差異較大,具有明顯的核心—邊緣結構,以成都都市圈為核心和以攀枝花為次核心,向外依次過度為次熱區、次冷區和冷點區。研究期內碳排放熱點區從成都都市圈不斷向外圍和川南地區擴張,在川東北和攀西地區則具有收縮態勢。

(2)城市化地區是四川省碳排放的主要來源,研究期內其碳排放量占全省比重穩定在75%左右,城市化地區是碳排放變化的主要貢獻區,農產品主產區和重點生態功能區碳排放量占全省比重較小,分別為16%、7%左右,重點生態功能區碳排放強度顯著高于城市化地區和農產品主產區(P<0.05)。

(3)第二產業是三類主體功能區碳排放的主要來源,城市化地區第二產業碳排放比重高于農產品主產區和重點生態功能區,農產品主產區和重點生態功能區居民生活碳排放比重高于城市化地區,農產品主產區第一產業碳排放比重相對較高。

3.2 政策建議

面向控制碳排放總量和降低碳強度目標,根據三類主體功能區碳排放特征,結合功能區定位,不同功能區碳減排政策和措施各有側重。

作為四川省碳排放的主要來源,城市化地區是碳減排的重要陣地,應控制城市化地區碳排放規模,爭取碳排放量早日達到峰值并下降。2017年四川省城市化地區以21%的國土面積承載了約80%的經濟產出,容納全省65%的人口,約3/4的碳排放量,相對于經濟,人口集聚程度較低,應進一步吸納非城市化地區的人口,發揮人口城鎮化的集聚效應對碳排放的抑制作用[34]。進一步倡導城市居民綠色低碳生活,引導居民形成低碳生活理念,控制碳排放量增長。第二產業是城市化地區碳排放的主要部分,應調整產業結構,加快產業升級,走綠色高效的工業發展道路。以單位生產總值能耗較高的重化工業基地為重點、進一步降低碳強度(圖9)。

圖9 主體功能區碳減排政策框圖

農產品主產區和重點生態功能區碳排放主要來源于第二產業,居民生活碳排放占比較高。應嚴格落實主體功能區產業政策,執行高能耗企業退出機制,將不符合農產品主產區和重點生態功能區主體功能定位的工業企業限期遷出。嚴格設置環境準入標準,在承接來自城市化地區的產業轉移時,甄別高能耗高污染企業,規避“污染避難所”效應[35]。農產品主產區和重點生態功能區實施人口退出的主體功能區政策,加快推進人口向城市化地區和區內中心城鎮集聚,整治農村宅基地,加強農村居民供暖等生活基礎設施建設,提高設施利用效率。推進能源革命,因地制宜發展太陽能、風能等清潔能源,引進先進能源利用技術,提高居民生活能源利用效率,降低居民生活的能源消費碳排放強度,進而減少居民生活能源消費量。重點生態功能區應積極引進先進生產技術,提高區內能源利用效率,降低碳排放強度(圖9)。

加強主體功能區區際合作,積極引導農產品主產區和重點生態功能區人口向城市化地區集聚,以發揮城市化地區能源利用效率較高的優勢,同時增加重點生態功能區碳匯空間；城市化地區加強對重點生態功能區的技術支持,提高能源利用效率,降低碳排放強度(圖9)。著眼四川全省,減少區域整體碳排放量。