福建省碳超載時空格局演化及弱化路徑

魏庭陽,張 晨,*,繆一祎,4

1 福建師范大學福建省亞熱帶資源與環境重點實驗室, 福州 350007 2 福建師范大學地理科學學院, 福州 350007 3 福建師范大學地理研究所, 福州 350007 4 華東師范大學地理科學學院, 上海 200241

應對氣候變暖已成為全球共同面臨的重大挑戰。2010—2020年全球二氧化碳(CO2)濃度仍呈上升態勢,且與前40年相比增速不降反增[1—2]。中國作為目前全球最大的碳排放國家,2020年碳排放仍同比增長了0.6%[3],且在未來相當長的時間內,中國對能源需求仍將保持增長,但目前國內許多地區的碳承載容量無法消解持續增長的碳排放量,生態環境呈現碳超載現象[4]。中國明確提出爭取2030年前碳達峰[5],2060年前碳中和等中長期戰略目標[6],低碳發展成為我國面臨全球氣候變化問題時的必然選擇。

福建省作為全國生態文明建設先行示范區,在生態文明建設道路上的探索將會成為我國其他地區發展建設的導向和標桿。然而福建碳排放增速已高于碳承載增速,區域碳超載量逐漸由負轉正。福建省國民經濟和社會發展“十四五”規劃建議：促進綠色低碳發展,制定實施力爭碳排放提前達峰行動方案[7]。2021年3月,習近平總書記在福建考察時強調,要把碳達峰、碳中和納入生態省建設布局,科學制定時間表、路線圖。福建如何在經濟趕超發展過程中實現綠色低碳發展,首先需要探明碳承載狀況的時空格局變化規律,為制定碳達峰行動計劃和碳中和實踐方案提供科學參考。

碳承載力起源于環境承載力[8],指某一時期、某一區域能夠提供的用于吸收二氧化碳的生態生產能力,即對二氧化碳吸收固定的最大閾值[9]。以往研究大多聚焦于碳排放和碳承載力單方面動態變化[10—14]。近年來,一些學者在考慮生態系統對人為排放二氧化碳增溫的消減作用基礎上,通過評價碳承載狀況分析現有生態系統能否支撐區域的碳排放[4],當生態系統無法承載區域碳排放時便為碳超載[15]。由于數據可得性以及精度等問題,已有研究多聚焦于國家[9]、省[16]、城市群[17]等較大尺度上的碳承載變化,但區域碳承載變化的驅動機制千差萬別[18],大尺度空間研究得到的結論忽視了區域內部的差異,對于地方管理者而言過于宏觀,如何根據國家、省級下達的“雙碳”目標,確定各設區市、縣區的任務與責任是一個難題。因此,有必要從市域、縣域尺度進一步分析區域碳超載時空動態格局,這既是制定差異化精準碳減排和碳中和措施的實踐需要,也是對現有碳超載研究在更小尺度上的延伸。

綜合上述背景與問題,本研究從市域和縣域尺度出發,通過碳排放量和碳承載力定量測度福建省區域碳超載量,采用傾向值(Slope)分析法判識區域碳超載變化方向與類型;運用探索性空間數據分析法(Exploratory Spatial Data Analysis, ESDA)判別區域碳超載的空間集聚格局及其演變規律;結合地理加權回歸模型(Geographically Weighted Regression Model, GWR),剖析區域碳超載變化的影響因素。旨在揭示市域與縣域碳超載狀態與變化的差異,為福建省各設區市、縣區差異化分配減排責任,協同落實“雙碳”目標的實踐提供導向依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

福建省地處中國東南沿海,位于東經115°51′—120°43′和北緯23°30′—28°22′之間,下轄福州市、廈門市、漳州市、泉州市、三明市、莆田市、南平市、龍巖市、寧德市9個設區市,包括85個縣區(圖1)。福建省東北毗鄰浙江省,西北橫貫武夷山脈與江西省相連,西南與廣東省交界,與中國臺灣省隔海相望,連接長江三角洲和珠江三角洲,擁有經濟特區、自由貿易試驗區、綜合實驗區、21世紀海上絲綢之路核心區等多區疊加優勢。

圖1 研究區地理位置圖Fig.1 The geographic location of study area

福建省林草資源豐富,森林覆蓋率高達66.80%,居全國首位,碳承載力相對較高。2016年6月,福建省被確立為全國首個國家生態文明試驗區,其生態建設備受外界關注。經濟發展方面,2020年福建省地區生產總值為43903億元,位列全國第七。其中,第一產業比重為6.2%,第二產業比重為46.3%,第三產業比重為47.5%。經濟趕超發展帶來能源消費增長,2020年全省共消耗13905.19萬噸標煤,由此產生大量碳排放。

1.2 研究方法

1.2.1 碳排放系數法

本研究采用碳排放系數法[19]定量估算福建省區域碳承載力。根據中國科學院土地資源分類系統[20],筆者選取林地和草地[21]、水域[22]、海洋[23]、未利用地[24]等5種土地利用類型開展區域碳承載力測算,對應的二級分類及其碳承載系數見表1。碳承載力的測算模型如公式(1)：

(1)

式中：C為碳承載力,Ci為第i種土地利用類型的碳承載力,Ai為第i種土地利用類型的面積,Pi為第i種土地利用類型的碳承載系數[19,25—29]。

表1 土地利用類型的碳承載系數

碳超載為碳排放大于碳承載時出現的現象,反之,則為碳可載。計算如公式(2)：

O=I-C

(2)

式中：O為碳超載量,I為碳排放量,C為碳承載力,若O>0,則表示地區出現碳超載現象,若O<0,則為碳可載。

1.2.2 傾向值分析法

Slope分析法是通過對一組隨時間變化的變量進行回歸分析以預測其變化趨勢的方法,可反映要素變化的線性傾向,表示要素變化的方向和大小[30]。近年來,一些學者將此方法引入碳排放變化趨勢研究[31—32]。本研究利用該方法分析福建省區域碳超載變化態勢,如公式(3)：

(3)

式中：n為總年數;Pk為第k年(2000年是第一年);Ck為第k年的碳超載量。若slope大于0,說明區域碳超載的程度隨時間增加而擴大;若slope小于0,說明碳超載的程度隨時間增加而減小。

由于slope值大小表示變化程度快慢,正負表示變化方向,故借鑒李海萍等[31]關于碳排放變動的劃分標準,按照標準差分級將區域碳超載劃分為緩慢變化型、中速變化型、較快變化型、迅猛變化型4個等級;再根據slope值的正負,進一步確定變化方向與類型(詳見表2)。

表2 區域碳超載變化類型劃分

1.2.3 探索性空間數據分析

ESDA是利用統計學原理和圖形及圖表等相互結合對空間信息的性質進行分析、鑒別的一種“數據驅動”方法[33],能夠反映空間地理單元間要素的相互關聯程度。全局Moran′sI指數[34]和局部Moran′sI指數[35]是常用的兩種測度方法。全局Moran′sI指數能夠表明要素在空間上的關聯程度,局部Moran′sI指數可以判別空間中某一單元對其周邊單元的集聚作用。因此,本研究采用單變量全局Moran′sI指數揭示碳超載現象的空間關聯特征;進一步采用單變量局部Moran′sI指數判別局部相鄰縣區碳超載的空間關聯和差異,揭示其長期發展規律。全局Moran′sI指數計算如公式(4)：

(4)

局部Moran′sI指數計算如公式(5)：

(5)

1.2.4 地理加權回歸模型

GWR模型是基于局部光滑思想,用以處理回歸分析中解釋變量空間非平穩性的模型[36]。該模型將數據的地理位置引入回歸系數,實現對回歸系數的局部估計[37]。綜合以往相關研究結論,經濟增長[38]、工業化與城鎮化發展[39—40]、人口增長[41]、對外開放水平[42]等因素對區域碳排放或碳承載力具有顯著影響。因此,本研究立足于福建省發展特點,選取經濟規模、人口規模、產業結構、外商直接投資、城鎮人口比重等指標,運用GWR模型剖析各指標因素對縣區碳超載變化的驅動影響。公式如下：

Yi=β0(ui,vi)+∑j=1βj(ui,vi)Xij+εi

(6)

式中：Yi為因變量,β0(ui,vi)為常數,βj(ui,vi)表示第i個縣區、第j個自變量隨著地理位置(u,v)變化而變化的回歸系數,Xij為自變量,εi為誤差。本研究建立的GWR模型核函數選擇固定距離法,通過最小信息準則來決定最佳帶寬。

1.3 數據來源

2000、2005、2010、2015年福建省85個縣區的碳排放數據來源于中國碳核算數據庫(http://www.Ceads.net/data/inventory-by-apparent-accounting/)。土地利用利用數據來源于中國科學院2000—2015年土地利用/土地覆蓋遙感監測數據集(CNLUCC)。2015年地區社會經濟數據來源于《福建省統計年鑒》[43]、各縣區政府工作報告和統計公報等統計資料,福建省各縣區的行政邊界矢量數據來自全國地理信息資源目錄服務系統的1:100萬全國基礎地理數據庫,行政區劃以2020年為準。

2 結果與分析

2.1 碳超載水平及其變化

2.1.1 市域碳超載水平及其變化

福建省總體呈東南部碳超載、西北部碳可載的空間格局(圖2)。其中,泉州市碳超載總量最大,增速最快,從2000年1002.23萬t CO2上升至2015年的4145.96萬t CO2,年增長率高達20.9%;碳可載量最高的是南平市,且可載量呈上升態勢。漳州市2005年由碳可載轉變為碳超載,自2005年起,福州市、莆田市、泉州市、廈門市、漳州市保持碳超載狀態,這些地區的碳超載量年均值高于福建省平均碳超載量。各設區市的碳超載態勢與區域經濟水平、生態環境狀況密切相關。如泉州市第二產業發達,化石能源消耗量較高,碳排放量大,呈較嚴重碳超載狀態;而南平市是福建省林權改革的主力軍,林木質量近年來有所上升,區域碳承載力有所提升,碳排放量相對也較小,因而總體呈碳可載狀態。

圖2 福建省市域單元碳超載水平(2000—2015年)Fig.2 The levels of regional carbon overload at municipal scale in Fujian Province during the period of 2000—2015

2.1.2 縣域碳超載水平及其變化

2000—2015年,福建省縣區整體呈碳超載量增加態勢,沿海碳超載縣區數量明顯增多(圖3)。時間尺度上,呈碳超載狀態的縣區比重由38.8%增長至54.1%,且有42個(91.3%)縣區的碳超載量超過福建省均值(51.7萬t CO2);碳超載增量最大的是南安市,為766.4萬t CO2。相比之下,呈碳可載狀態的縣區數量有所減少,且64.1%的縣區碳可載量呈下降態勢。空間尺度上,碳超載量高值區集中在東南沿海,西北部縣區多表現為碳可載狀態。碳超載量最大的是晉江市,其碳超載量從443.1萬t CO2上升至1205.3萬t CO2;碳可載量最大的是建甌市,但其碳可載量呈下降趨勢。由碳可載轉為碳超載狀態的縣區主要位于沿海,南平市、三明市的市轄區碳可載量亦呈下降態勢。

圖3 福建省縣域單元碳超載水平(2000—2015年)Fig.3 The levels of regional carbon overload at county scale in Fujian Province during the period of 2000—2015

2.1.3 市域、縣域碳超載變動類型

福建省碳超載變化類型以增大型為主,僅南平市表現為減小型。全省85%的縣區表現為增大型,其中迅猛增大型7個、較快增大型11個、中速增大型36個、緩慢增大型18個。如圖4所示,縣區碳超載變化方向、類型并不與設區市保持一致。如泉州市整體屬于迅猛增長型,但其所轄縣區碳超載變化呈緩慢增長型、中速增長型、較快增長型、迅猛增長型等四種類型,以晉江市、南安市、惠安縣為中心,變化強度呈圈層式向外趨緩。而南平市碳超載變化總體表現為減小型,但其轄域內存在緩慢增長型的縣區。由此可見,不同縣區碳超載對市級層面的發展策略、目標響應程度不同,探究福建省碳超載的弱化路徑需進一步分析縣區碳超載的影響機制。

圖4 福建省市域單元和縣域單元的碳超載變化類型(2000—2015年)Fig.4 The types of the carbon-overload change at municipal scale and county scale in Fujian Province during the period of 2000—2015

2.2 碳超載時空分布特征

2.2.1 全局空間自相關特征

本研究基于縣域尺度對福建省碳超載進行了Moran′sI指數測度。如表3所示,2000—2015年福建省單變量全局Moran′sI指數在1%顯著性水平下均為正值,福建省縣區碳超載存在明顯空間正相關性。但Moran′sI指數值隨時間存在明顯的下降趨勢,由此表明不同縣區碳超載的空間聚集程度逐漸降低,空間異質性日趨增強。

2.2.2 局部空間自相關特征

如圖5所示,區域碳超載的空間關聯表現為正相關,L-L集聚型是最主要的類型,主要分布在南平市、三明市、龍巖市呈碳可載狀態的縣區,這些縣區碳承載力較高,僅有新羅區2015年轉為較低超載狀態。福州市、泉州市、廈門市沿海縣區形成了H-H集聚型,這些縣區工業占比高(2015年85.7%的縣區第二產業占比在53%以上),高碳排放工業(石化、鋼鐵、有色金屬等)集聚,碳排放較大。

表3 福建省縣級尺度碳超載全局Moran′s I指數統計

從聚類變化來看,各縣區的碳超載總體空間格局基本穩定,僅個別縣區集聚類型發生躍遷。2000至2005年,臺江區、龍文區退出H-H集聚型,轉變為不顯著類型;長樂區、建寧縣分別由不顯著型轉為H-H集聚型和L-L集聚型;政和縣則由H-L集聚型轉為L-L集聚型。2005至2010年,長樂區、倉山區退出H-H集聚型,武平縣、連城縣、德化縣退出L-L集聚型,均轉為不顯著類型;屏南縣由不顯著類型轉變為L-L集聚型,新羅區則由L-L集聚型轉為H-L集聚型。2010至2015年,連城縣、新羅區再次轉為L-L集聚型,龍文區再次轉為H-H集聚型。總體上,發生躍遷的縣區多位于集聚區邊緣,呈現出一定的“邊緣效應”。2000—2015年,L-L集聚區呈現擴張態勢,福州H-H集聚區則表現為收縮態勢,這可能是福州市2002年開始生態市建設,綠色發展經驗“外溢”的結果,而廈門市、泉州市作為海西經濟區的重要經濟引擎,沿海縣區工業高度集聚,H-H集聚基本保持穩定。

圖5 福建省縣域單元碳超載空間集聚類型Fig.5 The types of spatial agglomeration of carbon overload at county scale in Fujian Province

2.3 碳超載驅動因素分析

結合碳超載時空格局演化特征,進一步對2015年福建省縣區碳超載的驅動因素進行剖析。根據GWR模型估算結果,R2為0.833,表明采用GWR模型進行驅動因素分析具有合理性。結果如圖6所示,產業結構、外商直接投資對福建碳超載的回歸系數均為正值,人口規模、經濟規模與城鎮化對福建省碳超載的回歸系數呈現出正負差異。

圖6 2015年福建省縣域碳超載驅動因素回歸系數空間分布Fig.6 The spatial distribution of regression coefficients of the factors driving regional carbon overload in 2015

(1)經濟規模效應

經濟規模對區域碳超載水平的影響系數呈現較為明顯的正負值差異,范圍分布在[-0.4601,0.4157]。大部分景區經濟規模提升會加劇區域碳超載,這說明福建省的經濟趕超發展會不可避免地產生更多的碳排放,降低區域碳承載能力。而龍巖市經濟水平相對較低的縣區,隨著經濟增長,經濟規模效應有助于降低經濟發展的平均成本,同時擁有更多的資金投入環境保護與治理,從而可以推動區域節能減排。

(2)人口規模效應

人口規模對區域碳超載水平的影響系數分布在[-3.5056,8.2509],福建省絕大部分縣區的人口規模擴大引致區域碳超載加劇,龍巖市、漳州市以及廈門市、泉州市和三明市的部分縣區尤為顯著,隨著區域人口規模不斷擴大,能源消耗的需求不斷增加,從而產生更多的碳排放,加劇區域碳超載現象。而南平市的松溪、順昌等縣區,人口規模和人口密度均相對較小,人口規模適度增大可以推進供能基礎設施的建設,從而可以提高區域用能效率,在一定程度上可以緩解碳超載問題。

(3)城鎮化效應

城鎮化水平對區域碳超載水平的影響系數范圍為[-0.5350,6.1714],福建省絕大部分縣區的城鎮化進程加劇了區域碳超載問題,其中以龍巖市和三明市的縣區尤為明顯,這些縣區的城鎮人口比重基本低于70%。已有研究表明城鎮化與碳排放之間存在“倒U型”曲線關系,當城鎮化水平達到73.8%,區域碳排放量會隨著城鎮化進一步推進而降低[44]。這說明在城鎮化早中期發展階段,由于建筑業、交通運輸業等大力發展,產生了更多的能源消耗和碳排放,同時建設用地的擴張會帶來林草地的減少,降低區域碳承載能力,從而加劇區域碳超載問題。隨著城鎮化進一步推進,建設用地集約度不斷提高,綠色基礎設施、清潔能源普及度提升,城鎮碳排放量減小,從而緩解區域碳超載問題。

(4)產業結構效應

產業結構對區域碳超載水平的影響系數呈較高的正值,范圍分布在[4.5623,10.1492],表明福建省產業結構調整對區域碳超載弱化具有積極的促進作用。區域產業結構調整對碳超載弱化的推動力從北向南逐漸增高。其中,漳州市、廈門市、泉州市和莆田市的縣區第二產業占比較高,擁有石化、鋼鐵、有色金屬、建材等高耗能工業部門,其產業結構調整對區域碳超載弱化具有較高的影響系數,說明產業結構優化升級是這些縣區實現節能減排、緩解區域碳超載問題的重要途徑。而寧德市的霞浦,南平市的松溪和三明市的泰寧、建寧等呈現碳可載狀態的縣區第二產業比重比較穩定,食品加工、竹木加工、造紙等輕工業部門占比高,碳排放量較小,因此對這些縣區產業結構調整對區域碳超載影響不明顯。

(5)外商直接投資的驅動效應

外商直接投資對區域碳超載水平的影響系數相對較小,范圍分布在[0.0008,0.0339],說明外商投資會在一定程度上加劇福建省碳超載問題。外商直接投資有助于提升南平市的光澤、政和和寧德市的福安、福鼎等縣區的碳可載水平,這可能時由于這些縣區環境規制水平較高,外商帶來的清潔技術有助于區域碳減排[45]。而對于大部分縣區而言,福建第一大外資來源地——中國香港的外資投入傾向于勞動密集型產業,因此會加劇福建區域碳超載問題。

3 結論與建議

推動縣區“雙碳”目標合理分配是化解福建省經濟低碳循環轉型與經濟趕超發展協調難題的關鍵所在。研究基于“定量測度-時空判別-因素剖析”視角,通過碳排放量和碳承載力定量測度了2000年、2005年、2010年、2015年福建省區域碳超載量和碳超載變化類型,判別區域碳超載的空間集聚格局及其演變規律,剖析了縣域碳超載變化的影響因素。主要結論包括以下幾點：

(1)研究期內福建省碳超載呈加劇態勢,縣域尺度上的碳超載區域擴張表現尤為明顯,總體呈碳超載“東南高-西北低”的空間分布格局。2000—2015年,大部分縣區碳超載量持續增大,少數沿海碳可載縣區由南向北逐漸轉變為碳超載狀態,內陸地區南平市和三明市少部分縣區的碳可載量有所提升。

(2)福建省碳超載具有空間集聚性。H-H集聚的縣區主要分布在福州市、廈門市和泉州市,其中福州市的H-H集聚性明顯弱化;L-L集聚的縣區主要分布在南平市、三明市和龍巖市,表現出小規模擴張的態勢。這說明福建省生態文明建設已取得一定成效,未來碳超載治理的重點區域分布在泉州市、漳州市和廈門市等經濟較為發達地區。

(3)福建省碳超載變化以增大型為主,僅南平市表現為減小型。在碳超載變化類型與方向上,市域和縣域尺度均呈現明顯差異。例如,碳超載嚴重的廈漳泉地區,其轄域內縣區碳超載表現為不同速度的增長類型。而南平市雖總體表現為減小型,但其轄域內也存在少部分碳超載增大型縣區。

(4)產業結構、人口規模和城鎮化是福建省碳超載加劇的主要驅動因素,經濟規模和外商直接投資對區域碳超載的影響作用相對較小。其中,產業結構和外商直接投資對所有縣區碳超載均表現為驅動影響,而城鎮化、經濟規模和人口規模對大部分縣區碳超載表現為加劇作用,但對少數縣區的碳超載表現為抑制作用。

基于研究結果,本文為福建省制定低碳發展路徑提供以下幾點政策導向建議：

(1)發展綠色低碳產業。以龍海市、長泰區、泉港區等縣區為重點,嚴格控制化石能源消費,實施可再生能源替代,推進化工、鋼鐵、有色金屬等高碳產業向低碳化轉型。以晉江市、石獅市、薌城區、龍文區、仙游縣等縣區為重點,推動紡織鞋服、建材家具、機械裝備等傳統制造業引入節能環保服務,在綠色轉型中深入推進企業從生產型制造向服務型制造轉變,提高節能減排技術水平。以詔安縣、南安市、永安市、秀嶼區等縣區為重點,加強新興綠色產業發展,支持發展生物醫藥、光電信息、新材料等高新技術產業。

(2)優化人口結構與規模。以新羅區、永定區、薌城區、漳浦縣等縣區為重點,著重人力資本結構優化,引導人力資本向低碳技術、新能源等技術領域流動,帶動綠色產業發展,助力供給側低碳化轉型。以同安區、集美區、海滄區等縣區為重點,倡導低碳消費模式,引導公眾形成低碳生活模式,減少消費側碳排放。以光澤縣、松溪縣、順昌縣等人口規模和密度較小的縣區為重點,加強人力資本投入,強化流動人口吸納能力,合理引導農村人口向縣城、鄉鎮集聚,提升區域用能效率,減少碳排放。

(3)注重城市高質量發展。以梅列區、三元區、新羅區、永定區、福鼎市、福安市等縣區為重點,堅持生態優先理念,優化城市空間布局,提升城市建設集約化水平,穩固綠色生態空間。著重提升城市韌性,加大節能基礎設施建設比重,降低能源需求;發展水電、生物質發電,提升清潔能源自主供應水平。積極發展綠色建筑,嚴格執行建筑節能建設標準,爭取到2025年實現新建城鎮建筑中綠色建筑100%覆蓋,新建城鎮建筑可再生能源替代率達到8%以上。

(4)構建低碳循環金融體系。以光澤縣、順昌縣、武夷山市等縣區為重點,加快構建綠色金融體系,完善綠色融資體系,打造碳基金、碳債券、碳保險等綠色金融產品,為低碳產業發展提供資金支撐。以晉安區、福清市、惠安縣、思明區等經濟發展水平較高的縣區為重點,探索構建低碳產品稅收補貼機制,吸引低碳環保產業;健全綠色收費價格機制,嚴格落實階梯電價、水價、氣價政策,健全實施垃圾、污水處理收費制度,減少居民生活碳排放。