基于LMDI的珠三角能源碳足跡因素分解

彭俊銘 吳仁海

(1.中山市環(huán)境監(jiān)察分局，廣東 中山528400;2.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州510275)

基于LMDI的珠三角能源碳足跡因素分解

彭俊銘1，2吳仁海2

(1.中山市環(huán)境監(jiān)察分局，廣東 中山528400;2.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州510275)

如何控制區(qū)域碳排放增長是當(dāng)前全球關(guān)注的熱點。分解各因素對碳足跡的作用及影響權(quán)重，找出其主導(dǎo)因素，對推動碳減排開展有積極意義。本文結(jié)合IPCC碳排放因子，計算出1998－2009年珠江三角洲能源碳足跡，然后基于Kaya恒等式，運用LMDI對珠三角能源碳足跡進(jìn)行因素分解。結(jié)果表明:珠三角能源碳足跡從1998年11272萬噸上升到2009年的24905萬噸，總體呈現(xiàn)快速增長趨勢;經(jīng)濟(jì)規(guī)模的擴大是珠三角碳足跡快速增長的主要推動力，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)受經(jīng)濟(jì)規(guī)模、國家政策與國際金融環(huán)境影響;人口增長對珠三角碳足跡的增長也起到推動作用;能源效率的提高，是抑制珠三角碳足跡增長的最重要因素;研究期間珠三角能源結(jié)構(gòu)變化不大，導(dǎo)致能源結(jié)構(gòu)效應(yīng)的作用表現(xiàn)并不顯著;發(fā)展低碳產(chǎn)業(yè)、提高能源效率是抑制珠三角能源碳足跡快速增長的主要手段，適度控制經(jīng)濟(jì)及人口規(guī)模也是必須的。

能源碳足跡;IPCC排放因子;LMDI分解法;珠江三角洲

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第四次評估報告［1］證實，全球氣候系統(tǒng)變暖是毋庸置疑的。該報告認(rèn)為，自20世紀(jì)中葉以來，大部分已觀測到的全球平均溫度升高很可能是由于人為溫室氣體濃度增加所導(dǎo)致。如何控制碳足跡增長成為全球共同關(guān)注的焦點。分析碳足跡的影響因素，并從中找出相應(yīng)的控制對策，是當(dāng)前碳足跡研究熱點之一。日本學(xué)者Yoichi Kaya［2］在一次IPCC研討會上提出了著名的Kaya恒等式，把碳排放分解成能源碳排放強度、能源結(jié)構(gòu)、能源效率、人均GDP和人口規(guī)模五方面因素的乘積，很好地解釋了碳排放變化的影響因素，得到了廣泛認(rèn)同。此后，許多學(xué)者基于Kaya恒等式對碳足跡影響因素開展了大量研究［3－5］。不同學(xué)者對不同區(qū)域研究得到的影響碳排放的主導(dǎo)因素并不一樣。Sue J.Lin等［6］認(rèn)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中過于依賴以電力、石油為主的“富碳”能源，是臺灣過去20年CO2排放持續(xù)增長的主要因素。Juan和Emilio［4］研究發(fā)現(xiàn)，國際人均碳排放的不平等主要歸因于人均收入水平的不平等，能源碳排放強度的影響很小，這一點在中國和印度表現(xiàn)較為顯著。郭朝先［7］則認(rèn)為經(jīng)濟(jì)規(guī)模的擴張是中國碳排放高速增長的最主要原因。本文結(jié)合IPCC的能源碳排放因子，計算珠江三角洲的能源碳足跡，然后基于Kaya恒等式的因素分解，運用指數(shù)分解分析法對珠三角能源碳足跡各影響因素的作用方向和影響權(quán)重進(jìn)行分析，以期為實現(xiàn)珠三角碳減排提出對策和建議。

1 研究方法

1.1 碳足跡計算

本文基于IPCC的碳排放因子進(jìn)行能源碳足跡計算?！?006年IPCC國家溫室氣體清單指南》(以下簡稱《IPCC指南》)把表示人類活動發(fā)生程度的信息稱為活動數(shù)據(jù)(Activity Data)，把用于量化單位人類活動所造成的排放物量或清除量的系數(shù)稱為排放因子(Emission Factors)［8］。由此得到一下基本模型:

1.1.1 活動數(shù)據(jù)

在能源碳足跡計算中，活動數(shù)據(jù)即為各種能源的消費量。

基于不重不漏的原則，兼顧考慮珠三角能源消費特點，本文選取的用于碳足跡計算的能源指標(biāo)包括原煤、焦炭、汽油、柴油、煤油、燃料油和液化石油氣的消費量，共7項。

1.1.2 排放因子

排放因子是消費單位能源所產(chǎn)生的CO2的排放量，這里實際上是指CO2排放因子。CO2排放因子和燃燒技術(shù)關(guān)系不大(《IPCC指南》，基于燃料中的碳100%氧化的假設(shè)制訂排放因子)，主要取決于能源的種類，即能源的碳含量和能源的平均低位發(fā)熱量。各種能源的通用碳含量因子依據(jù)《IPCC指南》提供。

一般情況下，計算各種能源的消費量時，將能源的折算為標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量。低位發(fā)熱量等于29 307 kJ的能源，稱為1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤(1kgce)。

綜上所述，七種能源指標(biāo)的碳含量和折標(biāo)煤系數(shù)如表1所示。

表1 常見能源碳含量和折標(biāo)煤系數(shù)Tab.1 Default carbon content and standard coal coefficient of common energies

綜上所述，本文的能源碳足跡計算公式如下:

其中，TCO2指能源消費造成的CO2總排放量;

Ei指第i種能源的消費量(實物量);

Si和Ci分別指第i種能源的折標(biāo)煤系數(shù)和碳含量，見表1;H指單位標(biāo)準(zhǔn)煤的平均低位發(fā)熱量，即29307 kJ/kg;Oi指第i種能源的碳氧化率，這里默認(rèn)所有能源的碳氧化率為100%;

12為C的原子量，44為CO2的分子量。

1.2 對數(shù)平均迪氏指數(shù)分解法(LMDI)

指數(shù)分解分析運用統(tǒng)計指數(shù)的基本原理，旨在考察某一影響因素的變化對目標(biāo)產(chǎn)生的單一影響。通過該方法可以考察各影響因素對目標(biāo)的作用方向和影響程度［9］。對于在能源與環(huán)境問題的應(yīng)用，指數(shù)分解分析分離了各種可能機制對污染變化的貢獻(xiàn)，并且通過對各可能機制進(jìn)行分解，達(dá)到追溯污染變化趨勢的原因，找出間接影響污染指標(biāo)的深層次因素［10］。

很多學(xué)者針對指數(shù)分解分析法做了大量研究［11－12］。其中，Ang［13］提出了對數(shù)平均迪氏指數(shù)分解法(logarithmic mean Divisia index method，簡稱 LMDI法)，解決了指數(shù)分解分析法原有的殘值和零值問題。LMDI法基于這么一個函數(shù):

對于任何一個因式分解Wt=Xt×Yt，結(jié)合函數(shù)L(x，y)有

其中，W 表示目標(biāo)函數(shù)，X、Y 表示影響因素，Xt、Yt、Wt分別表示t時期X、Y、W的值(t=0時，表示基期的值)，△WX、△WY分別表示單獨受X、Y作用時，W的變化值。通過比較△WX和△WY可以得到X和Y單獨作用時對W的影響權(quán)重。

2 珠江三角洲能源碳足跡狀況

2.1 研究對象及區(qū)域

碳足跡(Carbon Footprint)概念起源于生態(tài)足跡(Ecological Footprint)，但其內(nèi)涵又與之不同。碳足跡一般是指人類各種活動所造成的CO2排放總量，本質(zhì)上是碳排放的量度。目前，對碳足跡定義還沒有統(tǒng)一認(rèn)識，不同學(xué)者和組織［14－15］對其有不同的理解，其主要分歧點在于碳足跡的范圍是否包含全部溫室氣體的排放。

針對這個分歧，本文區(qū)分了“廣義碳足跡”和“狹義碳足跡”的區(qū)別。本文認(rèn)為“廣義碳足跡”指自然界中所有排放途徑(包括人類活動和自然界活動，如化石燃料燃燒、動植物的生命活動排放、自然揮發(fā)等)所造成的所有溫室氣體(包括 CO2、CH4、NOx等)的排放量。而“狹義碳足跡”，則特指能源活動所帶來的CO2排放量，也稱為“能源碳足跡”。狹義的“碳足跡”，實際上已經(jīng)占所有溫室氣體排放總量的大部分份額，是當(dāng)前碳減排工作的重點。考慮到條件的限制，本文研究的是能源碳足跡(Energy Carbon Footprint，ECF)，即特指能源活動造成的CO2排放總量。

本文的研究區(qū)域為廣義的珠江三角洲，即包括廣州、深圳、珠海、佛山、江門、東莞、中山、惠州和肇慶九個城市的全部區(qū)域。研究時間為1998－2009年。

2.2 能源碳足跡計算

1998－2009年珠江三角洲九個城市原煤、焦炭、汽油、柴油、煤油、燃料油和液化石油氣的消費量、地區(qū)GDP以及人口數(shù)量等數(shù)據(jù)來源包括:歷年珠三角九市的統(tǒng)計年鑒、《廣東省統(tǒng)計年鑒》和《數(shù)說廣東六十年1949－2009》。珠三角能源消費狀況如圖1所示。

圖1 珠江三角洲能源消費狀況Fig.1 Energy consumption of Pearl River Delta

研究期間，珠三角能源消費量呈顯著的增長趨勢，年均增長率約為7.4%，其最高值出現(xiàn)在2008年，達(dá)到10 204萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，2009年則略有下降。原煤占珠三角能源消費總量比例幾乎都保持在50%以上，該比例還存在小幅增長趨勢，可見對煤炭的依賴性很強。

根據(jù)式(2)能源碳足跡的計算方法，計算得到1998－2009年珠三角區(qū)域能源碳足跡狀況(圖2)。珠三角能源碳足跡從1998年的11 272萬 t上升到2009年的24 905萬 t，其中2008年為最高值，達(dá)到25 928萬 t。

圖2 珠江三角洲能源碳足跡變化趨勢Fig.2 Change of energy carbon footprint in Pearl River Delta

對比圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，珠三角能源碳足跡變化趨勢與能源消費十分相像，都是1999－2007年一直保持快速上升趨勢，2008年增長明顯放緩，2009年則略有回落。這說明了能源碳足跡與能源消費關(guān)聯(lián)度非常高，主要原因是珠三角各市能源消費結(jié)構(gòu)類似，均以煤炭為主，石油類能源次之，而且研究期間，能源結(jié)構(gòu)變化不大。總的來說，珠三角能源碳足跡增長顯著，年均增長率約為7.5%。從區(qū)域分布情況看，廣州和東莞的碳足跡貢獻(xiàn)值最高，分別超過了9 000萬t和5 000萬t CO2，深圳、佛山、珠海、江門年碳足跡量也超過了1 000萬t CO2。上述幾個城市，除深圳以外均有大型火力發(fā)電廠，這是能源碳足跡偏高的主要原因。

3 珠三角能源碳足跡影響因素分析

要分析珠三角能源碳足跡的影響因素，首先必須把能源碳足跡的各項影響因素完整地分解出來。這其中當(dāng)以Kaya恒等式應(yīng)用范圍最廣。Kaya恒等式基本結(jié)構(gòu)如下:

其中，C為能源碳足跡;Ci為能源i的碳足跡;Ei為能源i的消費量;E為能源消費總量;Y為研究區(qū)域GDP;P為研究區(qū)域的人口數(shù)量。

此外，這里定義:

Ii=Ci/Ei，為消費單位能源i的CO2排放量，表征能源碳排放強度因素;

Si=Ei/E，為能源i占總能源消費的份額，表征能源結(jié)構(gòu)因素;

F=E/Y，為單位GDP能源消費，表征能源效率因素;

R=Y/P，為人均GDP，表征經(jīng)濟(jì)因素;

P為人口數(shù)量，表征人口因素。

上述五大因素單獨作用引起的能源碳足跡變化，分別稱為能源強度效應(yīng)、能源結(jié)構(gòu)效應(yīng)、能源效率效應(yīng)、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、人口效應(yīng)。

然后，運用LMDI法計算出各效應(yīng)的作用方向和影響權(quán)重。這五大效應(yīng)的計算公式分別為:

計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，能源強度效應(yīng)恒等于0。出現(xiàn)這種情況，主要是因為IPCC在制訂排放因子時把燃燒效率都假定為100%，所以能源碳排放強度只決定于能源種類。那么，對于同一種能源來說，能源碳排放強度是不變的，即Ii，0。則有△CI，t恒等于 0。為此，忽略能源強度效應(yīng)，僅對能源結(jié)構(gòu)、能源效率、經(jīng)濟(jì)、人口四個因素及總效應(yīng)進(jìn)行計算及分析。計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 珠三角能源碳足跡因素分解示意圖Fig.3 Sketch map of energy carbon footprint's factor decomposition in Pearl River Delta

由圖3可見，能源結(jié)構(gòu)效應(yīng)累積貢獻(xiàn)值一直為正值，說明能源結(jié)構(gòu)因素對能源碳足跡的增加起推動作用，但數(shù)值很小，其影響權(quán)重非常小。能源效率效應(yīng)累積貢獻(xiàn)值為負(fù)值，說明能源效率提高對CO2減排起到積極作用，而且數(shù)值很大，說明能源效率因素對能源碳足跡的影響非常大。經(jīng)濟(jì)因素和人口因素都對能源碳足跡增長起推動作用，其中經(jīng)濟(jì)因素是主要推動力，其影響權(quán)重遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人口因素。兩者的累積貢獻(xiàn)值均呈現(xiàn)明顯增長趨勢。

圖4 珠三角能源結(jié)構(gòu)效應(yīng)年貢獻(xiàn)值Fig.4 Contributions of energy structure effect in Pearl River Delta

3.1 能源結(jié)構(gòu)因素

把能源結(jié)構(gòu)的累積貢獻(xiàn)值分解為年貢獻(xiàn)值，即把每年累積貢獻(xiàn)值減去前一年累積貢獻(xiàn)值，得到當(dāng)年貢獻(xiàn)值，結(jié)果如圖4所示。

由上圖可以看出，珠三角能源結(jié)構(gòu)對能源碳足跡的年貢獻(xiàn)值有較大的浮動性，總體上呈現(xiàn)推動作用。其中2002、2004年能源結(jié)構(gòu)效應(yīng)出現(xiàn)負(fù)值，主要原因是這兩年煤炭消費在珠三角能源消費中所占比例有所下降，分別從2001年的54.81%下降到2002年的54.48%，以及從2003年的56.44%下降到2004年54.97%。由此可見，降低珠三角能源消費對煤炭的依賴，有助于減少珠三角的CO2排放。

3.2 能源效率因素

把能源效率累計貢獻(xiàn)值分解為年貢獻(xiàn)值(見圖5)。

研究期間，能源效率效應(yīng)一直為負(fù)值(基準(zhǔn)年除外)，說明了能源效率因素對減少CO2排放起到了積極作用。根據(jù)能源效率效應(yīng)的變化趨勢，研究期間可分為兩個階段。第一階段為1999－2004年，該時期能源效率效應(yīng)有一定波動，但年貢獻(xiàn)值絕對值不高，普遍低于1 000萬t。第二階段為2005－2009年，該期能源效率效應(yīng)的年貢獻(xiàn)值絕對值迅速增加，至2008年達(dá)到峰值，接近2 500萬t，2009年則有所回落。第二階段能源效率效應(yīng)的減排作用在顯著增強，主要原因是“十一五”規(guī)劃剛要規(guī)定，“十一五”期間我國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低20%左右。珠三角各市響應(yīng)該規(guī)定，積極采取措施淘汰落后產(chǎn)能，特別是關(guān)停許多小火電廠、水泥廠、鋼鐵工業(yè)等高污染落后產(chǎn)能，提高能源效率的同時，大幅度削減了這些行業(yè)所造成的CO2排放。

由此可見，發(fā)展低碳產(chǎn)業(yè)，提高能源效率，是珠三角控制CO2排放的有效手段。

圖5 珠三角能源效率效應(yīng)年貢獻(xiàn)值Fig.5 Contributions of energy efficiency effect in Pearl River Delta

3.3 經(jīng)濟(jì)因素

把經(jīng)濟(jì)因素的累計貢獻(xiàn)值分解為年貢獻(xiàn)值，見圖6。

圖6 珠三角經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的年貢獻(xiàn)值Fig.6 Contributions of economic effect in Pearl River Delta

圖7 珠三角人口效應(yīng)的年貢獻(xiàn)值Fig.7 Contributions of demographic effect in Pearl River Delta

由圖6可見，研究期間，能源效率效應(yīng)一直為正值(基準(zhǔn)年除外)，且年貢獻(xiàn)值巨大，說明了經(jīng)濟(jì)規(guī)模擴大是CO2排放量增長的主要推動力。

經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的變化趨勢可分為三個階段。該階段，1999－2004年，珠三角經(jīng)濟(jì)效應(yīng)年貢獻(xiàn)值保持迅速增長，這與該階段珠三角人均GDP增長率不斷上升有直接關(guān)系。第一階段實際上是經(jīng)濟(jì)因素的規(guī)模效應(yīng)最典型的體現(xiàn)。第二階段，2005－2007年，珠三角經(jīng)濟(jì)效應(yīng)年貢獻(xiàn)值依然保持持續(xù)增長，但增長速度明顯放緩，最大同比增長率不超過5%。本階段主要處于“十一五”規(guī)劃時期，“十一五”規(guī)劃綱要明確提出了“降低單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗20%”、“主要污染物排放總量減少10%”等約束性指標(biāo)，進(jìn)一步明確了經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境協(xié)調(diào)的發(fā)展方向，不再盲目追求GDP的快速增長。人均GDP增速略有回落，扭轉(zhuǎn)了經(jīng)濟(jì)效應(yīng)迅速增長的勢頭，國家政策的調(diào)控作用顯著。第三階段，2008－2009年，珠三角經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的年貢獻(xiàn)值出現(xiàn)了明顯的回落。第三階段是一個較為特殊的時期，國際金融危機背景下，國際經(jīng)濟(jì)普遍低迷。珠三角對外貿(mào)易占經(jīng)濟(jì)總量中的比重較大，受國際金融危機影響，珠三角經(jīng)濟(jì)增長明顯放緩，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效應(yīng)出現(xiàn)明顯的下降。

綜上所述，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)受經(jīng)濟(jì)規(guī)模、國家政策、國際金融環(huán)境影響。因此，要抑制珠三角碳足跡快速增長，就必須適度控制珠三角的經(jīng)濟(jì)規(guī)模，并制訂相應(yīng)環(huán)境經(jīng)濟(jì)政策以削弱經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的影響。

3.4 人口因素

把人口因素的累計貢獻(xiàn)值分解為年貢獻(xiàn)值，見圖7。

從圖7可以看出，珠三角人口效應(yīng)年貢獻(xiàn)值的變化與人口數(shù)量的變化基本是一致的。人口規(guī)模的擴大，對珠三角碳足跡增長起推動作用。Birdsall［16］認(rèn)為人口增長對CO2排放的影響主要有兩方面:一是人口增加，通過需求引導(dǎo)生產(chǎn)擴大，能源消費增長導(dǎo)致碳排放增長;二是人口增長導(dǎo)致森林破壞，改變土地利用方式。雖然進(jìn)入21世紀(jì)以來，珠三角人口增長緩慢，但由于人口基數(shù)巨大，由人口數(shù)量引起的能源碳足跡增加量也相當(dāng)可觀。人口效應(yīng)是僅次于經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的能源碳足跡增長的主要推動力。

由此可見，合理控制人口規(guī)模，對控制珠三角CO2排放具有積極的意義。

4 結(jié)論

通過計算珠三角能源碳足跡，并分析其影響因素，可以得到以下五點結(jié)論:①珠三角能源碳足跡總體呈現(xiàn)快速增長趨勢，且年排放量巨大，最高值超過25 000萬噸CO2。②珠三角人均碳足跡略低于全國平均水平，但處于上升趨勢;而珠三角的單位GDP碳足跡雖遠(yuǎn)低于全國平均水平，但距離發(fā)達(dá)國家的水平仍有較大差距。③經(jīng)濟(jì)因素的規(guī)模效應(yīng)是珠三角碳足跡快速增長主要推動力，人口規(guī)模擴大對珠三角碳排放的增長也起到推動作用。④能源效率的提高，是抑制珠三角CO2排放增長的最重要因素。⑤研究期間珠三角能源結(jié)構(gòu)變化不大，能源結(jié)構(gòu)效應(yīng)的作用表現(xiàn)并不顯著。

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Decomposition of Pearl River Delta's Carbon Emissions Based on LMDI Method

PENG Jun-ming1，2WU Ren-hai2
(1.Zhonshan Environmental Monitoring Branch，Zhongshan Guangdong 528400，China;2.School of Environmental Science and Engineering，Sun Yat-sen University，Guangzhou Guangdong 510275，China)

How to control the growth of regional carbon emissions is the focus of the world.It is significant for carbon emissions control and reduction to identify the factors affecting energy carbon footprint and find out the key factor.Based on IPCC carbon emission factors，the energy carbon footprint of Pearl River Delta from 1998 to 2009 was calculated.Based on Kaya equation，the factors of energy carbon footprint in Pearl River Delta were decomposed with LMDI method.It was found that the energy carbon footprint in Pearl River Delta has risen from 112.72 million tons in 1998 to 249.05 million tons in 2009.Economic factor was the most important for the growth of carbon footprint，while economic effect was affected by economic scale，national policy and international financial environment.Population growth acted as a promoting factor for the energy carbon footprint.Energy efficiency was the key factor to inhibit the growth of carbon footprint.The effect of energy structure was insignificant due to its slight changes during the research period.Developing low-carbon industry and improving energy efficiency would be the primary means to reduce carbon footprint in Pearl River Delta，and to control the economy scale and population size would also be required.

energy carbon footprint;IPCC emission factor;LMDI method;Pearl River Delta

X196

A

1002－2104(2012)02－0069－06

10.3969/j.issn.1002－2104.2012.02.011

(編輯:常 勇)

2011－09－30

戴潔，工程師，主要研究方向為低碳經(jīng)濟(jì)。

湯慶合，工程師，主要研究方向為低碳經(jīng)濟(jì)。

上海市科委項目(編號:10dz0581500)。