河北省土地利用碳排放時空特征和脫鉤分析

關鍵詞：土地利用碳排放；經濟脫鉤；時空格局

2020 年9 月22 日，習近平總書記提出，我國將“力爭2030 年前實現碳達峰、2060 年前實現碳中和”。碳達峰與碳中和目標的貫徹落實是我國生態文明建設整體布局中的關鍵環節，亦是實現高質量轉型發展的基礎。作為全球最大的發展中國家和碳排放大國，我國面臨著嚴峻的碳減排壓力，這也給各地區碳減排帶來巨大挑戰，尤其是經濟相對不發達地區。河北省作為我國工業大省，人均地區生產總值卻長期落后于全國平均水平，正面臨經濟發展與碳減排雙重壓力，尋求經濟發展下碳減排路徑刻不容緩。因此，研究河北省碳排放時空特征，深入剖析其與經濟增長的關系，對制定科學高效的碳減排方案以及區域可持續發展都具有重要意義。

1 文獻綜述

關于碳排放的核算目前主要有兩種思路，一種是基于化石能源消費數據進行核算，另一種是基于間接數據進行估算[1]。第一種思路通過清單或者投入產出表獲取研究區域的能源消費數據，進而通過碳排放系數將其折算成碳排放量[2-3]。第二種思路主要包括利用夜間燈光數據[4-5]和土地利用類型數據[6-7] 對碳排放量進行估算。利用夜間燈光數據進行碳排放核算，主要通過建立回歸模型，估計出燈光數據與化石能源碳排放統計數據之間的定量關系，進而通過燈光數據對碳排放值進行測算。其核算的碳排放本質上是化石能源碳排放，這種方法主要解決微觀空間尺度上因缺乏完整的能源消耗數據而不能用第一種思路進行碳排放核算的問題，進而可以解決微觀空間尺度上碳排放核算或空間分配問題[8]。利用土地類型進行碳排放核算，則主要基于耕地、林地、建設用地等不同土地利用類型具有不同的碳排放效應的思路，研究不同土地利用類型與碳排放的定量關系，進而核算碳排放值。其中，建設用地碳排放一般利用第一種思路核算或用夜間燈光值估算，其他土地利用類型碳排放則采用不同的系數折算而來。上述兩種思路三種方法中，利用土地利用類型數據進行碳排放核算，同時考慮了碳源和碳匯，計算的是凈碳排放，是研究區域碳排放常用的一種方法。

碳排放脫鉤是指經濟增長與CO2 排放的正相關關系不斷弱化甚至為負的過程，即在經濟增長的條件下，碳排放量逐漸減少。目前已有不少學者對我國碳排放與經濟脫鉤關系進行了大量研究，研究的空間單元主要用全國[9-10]、省[11]、經濟區[12-14]、地級市[15]，除了區域碳排放脫鉤之外，還涉及到各行業、產業或經濟部門碳排放脫鉤關系的研究[16-24]。脫鉤分析一般基于OECD 和Tapio兩種脫鉤分類體系進行。相比而言，Tapio 分類體系對脫鉤狀態的表達更為精細，能更精確地反映碳排放與經濟增長之間的關系[25]。

目前已有部分學者針對河北省土地利用碳排放、碳排放與經濟發展關系相關主題開展了一些研究，形成了一定的研究成果。如：蘇歡等[26] 對2006—2015 年河北省各土地利用類型的碳排放效應以及各市的碳排放空間分布情況進行了綜合評價；武紅等[27] 測算了河北省1980—2009 年能源消費引起的碳排放總量及其與經濟發展的脫鉤關系；許永兵等[28] 分析了1985—2013 年河北省能源消費、經濟增長與碳排放三者之間的關系；武義青等[29]測算了1980—2011 年河北省二氧化碳排放量、排放強度、人均排放量和單位面積排放量并分析了河北省碳排放與能源消費和經濟增長間的相關性。

綜上，已有相關研究為碳排放核算及其與經濟脫鉤關系的分析提供了較為成熟的思路和方法。有關河北省的相關研究，對較長時序的土地利用碳排放核算還需進一步開展；對碳排放與經濟脫鉤的分析均是基于化石能源碳排放開展，近十多年的評價也需進一步開展。因此，本文借鑒已有的研究，核算了2000 年、2005 年、2010 年、2015 年及2018 年河北省各地級市的土地利用碳排放總量，基于Tapio 脫鉤分類體系，對各研究期內碳排放脫鉤狀態進行了評價，最后利用空間統計相關方法分析了碳排放及其與經濟脫鉤關系的時空格局，以期為河北省制定差異化的碳減排政策提供科學依據。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

2.1.1 土地利用碳排放核算方法

根據土地利用碳排放核算的思路[6，7，30]，碳排放分為兩類，一類是直接碳排放，由耕、林、草等非建設用地乘以相應的碳排放系數得來；另一類是間接碳排放，也稱為建設用地碳排放，因為這部分碳排放是指因建設用地上承載人類的生產活動而產生的碳排放，一般采用人類利用的化石能源產生的碳排放量來替代。土地利用碳排放的具體計算過程見公式1～4。

其中：C 為區域凈碳排放量，Ed 和Eind 分別代表直接和間接碳排放量；ei 為第i 類土地凈碳排放量，Li 為第i類土地的面積，λi 為第i 類土地的凈碳排放系數；土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域和未利用地5 個地類，參考已有的研究成果[30]，λ 分別取耕地0.0422、林地-0.0613、草地-0.0021、水域-0.0253、未利用地-0.0005，單位均為kg C /（m2·a）；Eindj 是各地級市建設用地碳排放總量，GDPj 是各地級市的生產總值，GDPh 是河北省生產總值，Sh 是河北省建設用地碳排放總量，Ek 為各種能源消耗量，βk 是各種能源消耗量轉換為標準煤的系數，γk 為各種能源的碳排放系數。本文計算建設用地碳排放所采用的化石能源及其標準煤轉換系數和碳排放系數見表1。

2.1.2 碳排放與經濟脫鉤模型

本文采用Tapio 脫鉤分析范式，構建土地利用碳排放與經濟發展之間的脫鉤模型（公式5）。

2.1.3 空間格局分析方法

（1）重心遷移法

一般性的區域重心是指區域幾何形狀的中心，是在區域空間中各個方向上的力量能夠保持均衡的點。以較低級別區域單元的碳排放為權重對幾何中心坐標值進行加權平均，可以得到更高級別整個區域的碳排放重心。觀察土地利用碳排放重心的遷移，可以幫助了解土地利用碳排放量在區域內部的動態變化方向。

假設河北省第j 個地級市的幾何中心坐標分別為Xj、Yj，Mj 為第j 個地級市的土地利用碳排放量，則河北省土地利用碳排放重心坐標為：

（2）基于標準差橢圓的空間分布及集聚性分析

區域碳排放標準差橢圓的主要參數計算公式見式6～10，其中，σ 表示長短半軸， 和表示各研究區域與平均中心的坐標偏差，w 為各地級市碳排放占全省

碳排放的比重。標準差橢圓本身即為區域碳排放的主要分布范圍，其中心即碳排放重心；旋轉角是順時針偏離正北方向的角度，表示分布方向，橢圓扁率的大小代表分布方向的強弱；標準差橢圓的長半軸反映區域碳排放在主趨勢方向上的離散程度，短半軸反映區域碳排放在次要趨勢方向上的離散程度。

其中：A 代表區域土地利用碳排放的空間集聚度，Sp和S 分別表示土地利用碳排放標準差橢圓的面積和基準橢圓的面積。

2.2 數據來源

考慮數據的可獲得性，本文以2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2018 年為研究時點。各時期土地利用現狀數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心公開的1 km 柵格的中國土地利用遙感監測數據，行政區矢量數據來源于全國地理信息資源目錄服務系統公開的1：100萬全國基礎地理數據庫，河北省及所轄市的GDP 數據來源于《中國城市統計年鑒》，河北省各種能源消耗數據來源于《中國能源統計年鑒》。

3 結果分析

3.1 土地利用碳排放時空特征

3.1.1 河北省土地利用碳排放時間變化趨勢

根據土地利用碳排放核算結果，將各地級市的碳源、碳匯、碳排放總量分別進行加總，得到河北省土地利用碳排放數據，如圖1 所示。碳源包括建設用地和耕地碳排放，碳匯包括林地、草地、水域和未利用地碳排放，碳排放總量指凈碳排放，即碳源總量減去碳匯總量。總體來講，碳源總量遠超過碳匯總量，碳匯對碳排放總量的影響相對有限，因此碳排放總量基本與碳源同步變化。在研究期內，碳源總量持續增加，增速在2010—2015 年間有所放緩。碳匯總量也呈上升趨勢，但在2000—2015年間基本穩定，2015—2018 年有較大幅度的上升。

各地級市的土地利用碳排放總量、碳源總量和碳匯總量分別見圖2～4。與全省情況相似，各地級市碳排放總量主要由碳源總量決定，就某一地區而言兩者趨勢基本一致。相對而言，碳匯總量普遍較低。其中，碳排放總量較高的地區有唐山、石家莊，其次是保定、邯鄲和滄州，其他城市處于較低水平。研究期內，各地級市碳排放量所處相對位置基本沒有變化，只有廊坊在2010 年之后增速明顯加快，2015 年之后，其碳排放總量也有趕超邯鄲、保定的勢頭。碳匯總量最高的地級市是承德，其碳匯總量遠遠超過其他地區，其次是張家口、保定，其他地區處于較低水平。各地的碳匯總量在研究期內大部分時間處于平穩狀態，只有2015 － 2018 年間出現了明顯的波動，其中，張家口和秦皇島碳匯總量有明顯上升趨勢，承德則出現明顯下降趨勢。

以河北省各地級市碳排放總量為樣本數據，繪制研究期內各時期碳排放總量箱體圖（圖5-a）和核密度圖（圖5-b）。可以看出，研究期內，碳排放總量最小值、最大值、中位數、四分位數均呈上升趨勢，但各地級市之間碳排放總量的離散程度卻不斷增加。上述變化趨勢在2010—2015 年間體現較弱。總體來講，各地區碳排放總量變化趨勢大體與全省一致。從分布形態看，除2000 年碳排放總量接近正態分布之外，其他各期均呈右偏狀態，說明大多數地區的碳排放總量集中在均值左側，而碳排總量大于均值的地區占少數。總體而言，各地區間碳排放的不均衡性特征越來越明顯。

3.1.2 河北省土地利用碳排放空間分布特征

（1）空間分布格局

圖6 展示了河北省各地級市的土地利用碳排放總量的空間分布格局，可以看出，河北省土地利用碳排放存在顯著的空間差異。

具體來看，土地利用碳排放量最高的地級市是石家莊和唐山，其次是保定、滄州和邯鄲，再次是廊坊和邢臺，再次是張家口和秦皇島，最后是承德市。北部地區，只有唐山較高；南部地區，只有衡水較低；總體呈現為中南部地區較高，北部地區較低的特征，且各研究期碳排放整體空間分布格局沒有變化。碳排放的空間差異特征與產業類型、工業化及經濟發展水平的差異化分布體現出高度相關性，如石家莊、唐山市、保定市和邯鄲市為傳統工業城市，經濟發展依賴高耗能產業，碳排放量相對較高。尤其唐山和石家莊，作為河北省兩大工業城市，第二產業占比大，采礦、鋼鐵等行業較為發達，導致碳排放量較高。從人均GDP 看，張家口、衡水、承德人均GDP 水平較低，碳排放量也處于較低狀態，而石家莊市，唐山市，廊坊市人均GDP 較高，碳排放量則處于較高狀態；盡管秦皇島市人均GDP 較高，但作為重要旅游城市，其優越的自然環境和生態條件為相對較低的碳排放提供了保障。

另外，河北省碳排放空間分布格局與其經濟發展主要呈現“一線兩廂”特點相似。“一線”即石家莊、保定、廊坊、唐山、秦皇島5 個城市，呈西南—東北走向，構成了河北經濟的隆起帶，一線南北區域則為兩箱，為經濟相對較弱地帶。從碳排放空間分布格局來看，沿“一線”地級市的碳排放總量相對較高，一線兩側，呈相對較低的格局。

（2）空間分布方向及集聚特征

以各地級市土地利用碳排放總量為權重，基于河北省行政區劃圖，利用ArcGIS10.6 制作各研究期的標準差橢圓和重心（圖7），刻畫不同時期土地利用碳排放空間分布方向和重心的演化特征，揭示河北省土地利用碳排放的時空演變規律。

總體來看，河北省碳排放具有明顯的西南—東北方向分布趨勢，各期碳排放標準差橢圓范圍主要分布在邢臺、石家莊、衡水、保定、滄州、廊坊和唐山市內，這同樣與河北省經濟發展主要呈現“一線兩廂”特點及各城市產業結構、工業化、城市化水平的客觀差異有關。

河北省碳排放的重心也大體沿“一線”由西南向東北方向遷移，這一方面是由于為推進煤炭安全技術改造工程，河北省地方煉油企業搬遷至沿海石化基地發展；另一方面，是因為唐山市作為重工業較為發達的城市，對河北省碳排放量變化發展方向有較大影響。從整個研究期看，河北省土地利用碳排放的重心均位于滄州市，處于河北省中部偏東南的位置，這跟河北省主要的工業城市主要分布在偏南部地區，而位于北方地區的張家口和承德行政區域面積較大，但其工業化水平相對較低有關。

從碳排放標準差橢圓的面積以及空間集聚度來看，整個研究期內，河北省碳排放的空間集聚性有小幅的波動，呈現出由高到低再到高、整體下降的趨勢，總體來看，變化幅度不大（表3）。

3.2 土地利用碳排放脫鉤分析

根據公式5，分別計算河北省各地級市2000—2005 年、2005—2010 年、2010—2015 年、2015—2018 年四個時間段的碳排放脫鉤指數，并根據表2 劃分脫鉤狀態，將結果報告于表4。

2000—2005 年，張家口、邢臺等4 個地級市處于弱脫鉤狀態，邯鄲、保定等6 個地級市處于擴張連接狀態，僅承德一個地級市處于擴張性負脫鉤狀態。說明這一時期，隨著經濟的增長，碳排放也同時增加，但除承德之外，其他地區碳排放增速與經濟增速相當甚至較低。總體來講，大部地級市脫鉤狀態尚可。

2005—2010 年，河北省各地級市碳排放脫鉤狀態整體有所改善，張家口、邢臺等4 個地級仍然保持了弱脫鉤狀態，邯鄲、保定等6 個處于擴張連接狀態的地級市轉變為弱脫鉤狀態，承德則由擴張性負脫鉤轉為擴張連接狀態。說明這一階段，隨著“一線兩廂〞戰略深入發展，資源的使用效率不斷提高，經濟結構不斷優化。

2010—2015 年，承德市碳排放脫鉤狀態繼續向好轉變，由擴張連接變為弱脫鉤狀態。其余地級市中，除廊坊保持了的原有的弱脫鉤狀態之外，均由弱脫鉤狀態轉變為擴張連接狀態。說明這一時期，河北省大部分地區經濟發展速度較快，但與此同時，伴隨經濟高速增長的碳排放增速也相應加快。

2015—2018 年，除衡水市保持了原有的擴張連接狀態之外，其余各地級市的碳排脫鉤狀態均轉變為擴張性負脫鉤，這跟我國經濟發展進入新常態以及2018 年國際金融危機導致經濟增速較大幅度下滑有關。

4 結論

本文采用土地利用碳排放方法核算了2000 年、2005年、2010 年、2015 年及2018 年河北省各地級市的土地利用碳排放總量。結果表明，總體而言，研究期內河北省碳匯總量較相對碳源總量較低，碳排放總量主要由碳源總量決定且二者呈同步上升趨勢。在今后相當長的時期內，河北省經濟還將保持在相對較高的增速，因此后續碳減排工作任重道遠；各地級市碳排放變化趨勢與全省趨勢基本一致，從箱體圖和核密度的形態和動態演化來看，各地級市之間碳排放總量的離散程度逐年增加，碳排放的空間不均衡性特征越來越明顯，說明研究期內碳排放量具有明顯的時空差異性。

本文利用碳排放分布圖以及標準差橢圓、重心遷移方法分析河北省碳排放空間格局，結果表明，河北省土地利用碳排放呈現與經濟發展相似的“一線兩廂”特征，即沿“一線”地級市的碳排放總量相對較高，位于“兩箱”的地級市碳排放總量呈相對較低的格局，碳排放的空間差異特征與產業類型、工業化及經濟發展水平的差異化分布體現出高度相關性。研究期內，河北省碳排放的重心均處于中部偏東南的位置，沿“一線”由西南向東北方向略有遷移，這跟主要的工業城市分布偏南部地區有關。

本文采用Tapio 脫鉤分析范式對河北省各地級市2000—2005 年、2005—2010 年、2010—2015 年、2015—2018 年四個時間段的碳排放脫鉤狀態進行了評價。總體而言，研究期內各地級市的脫鉤狀態經歷了由一般向較好發展而后又轉為較差的狀態，經濟增長與碳排放脫鉤形勢不容樂觀。未來一段時間，河北省各地在注重發展經濟的同時，更加注重碳減排，逐步實現河北省高污染高耗能產業的低碳化轉型，達到經濟增長與環境保護雙贏。