基于碳足跡和碳承載力的新疆碳安全評價

韋良煥, 林 寧, 鞠美庭

(1.南開大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300071; 2.喀什大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 新疆 喀什 844006)

基于碳足跡和碳承載力的新疆碳安全評價

韋良煥1,2, 林 寧2, 鞠美庭1

(1.南開大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300071; 2.喀什大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 新疆 喀什 844006)

[目的] 探索新疆碳足跡和碳承載力的的變化，評價其碳安全程度，為新疆低碳經(jīng)濟的發(fā)展提供理論依據(jù)。[方法] 利用碳足跡理論對新疆2000—2014年的碳足跡、植被碳承載力、凈碳足跡進行計算分析，并利用碳壓力指數(shù)(CTI)構(gòu)建了碳安全評價模型。[結(jié)果] 新疆碳足跡呈上升趨勢，從2000年的1.08×108t上升到2014年的5.04×108t，其中化石能源碳足跡占總碳足跡的比重達到96%；碳承載力不斷增加，草地固碳量所占的比重最大，其次是森林、農(nóng)田、園地和城市綠地；人均凈碳足跡、碳壓力指數(shù)均呈現(xiàn)增長趨勢，導(dǎo)致新疆碳安全程度不斷下降，從2009年開始就處于極不安全的狀態(tài)。[結(jié)論] 化石能源消費的增加是導(dǎo)致新疆碳足跡升高和碳安全程度下降的主要原因，雖然其能源利用率不斷提高，但在未來一段時間仍然面臨嚴峻的生態(tài)環(huán)境問題。

碳足跡; 碳承載力; 碳壓力指數(shù); 碳安全

文獻參數(shù)： 韋良煥, 林寧, 鞠美庭.基于碳足跡和碳承載力的新疆碳安全評價[J].水土保持通報，2017,37(1)：281-285.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.049； Wei Lianghuan, Lin Ning, Ju Meiting. Carbon safety assessment based on carbon footprint and carbon capacity in Xinjiang Uygur Autonomous region[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：281-285.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.049

2009年12月哥本哈根聯(lián)合國氣候變化大會的召開，預(yù)示著全球氣候變暖將是各國未來很長一段時間需要考慮和解決的環(huán)境問題之一。而導(dǎo)致全球氣候變暖的主要原因是大氣中以CO2為代表的溫室氣體的不斷排放。碳足跡作為測算碳排放的一種方法成為國內(nèi)外很多學(xué)者研究的熱點之一。

在國外，碳足跡的研究開始的比較早，分別從概念內(nèi)涵、計算方法以及實例計算開展研究，研究尺度包括個人/產(chǎn)品、家庭、組織機構(gòu)、城市以及國家等包括的產(chǎn)業(yè)部門涵蓋工業(yè)、交通、建筑、供水、醫(yī)療等[1-3]。在國內(nèi)，有很多學(xué)者對碳足跡的內(nèi)涵、核算方法等做了介紹[4-5]，還有學(xué)者對不同區(qū)域、不同尺度的碳足跡進行研究，比如呂靖燁等[6]對中國能源消費碳足跡的動態(tài)變化進行研究，趙榮欽等[7]對中國不同產(chǎn)業(yè)空間的碳足跡和碳排放強度進行了研究，白翠媚等[8]對武漢市土地利用變化的碳排放和碳足跡進行了分析研究，在已有報道中對以碳足跡方法研究某一區(qū)域碳排放的研究較多，涉及碳固定的較少，其中趙先貴[9]、廖啟迪[10]、肖玲等[11]對北京市、廈門市和山東省的碳足跡和碳承載力動態(tài)變化進行了分析研究，這些研究主要都是針對經(jīng)濟較發(fā)達的省市碳平衡的研究，對于經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)的碳平衡研究較少。新疆維吾爾自治區(qū)行政區(qū)包括23個市，7個地區(qū)，5個自治州。68個縣和自治縣，礦產(chǎn)資源豐富，全疆煤炭預(yù)測量為2.19×1012t，占全國的40%，石油、天然氣的資源量分別占到全國的30%和34%，而且油氣勘探開發(fā)的潛力巨大，遠景十分可觀[12]。再加之在西部計劃和對口援疆政策的扶持下，新疆經(jīng)濟迅速發(fā)展，同時也會加劇能源和資源的大量消耗，因此，本文擬在計算新疆能源、特殊工業(yè)碳足跡和植被碳承載力的基礎(chǔ)上，構(gòu)建碳壓力指數(shù)模型用以評價新疆碳安全狀態(tài)，為新疆節(jié)能減排以及低碳經(jīng)濟的發(fā)展提供幫助，同時也可以填補新疆碳安全評價研究的空白。

1 研究方法

1.1 碳足跡

碳足跡是指某種產(chǎn)品或活動在其整個生命周期中所產(chǎn)生的直接和間接的CO2排放量[9]。碳足跡越大，表示該區(qū)域CO2排放量越多。本文主要測算新疆化石能源和工業(yè)水泥的碳足跡，化石能源的種類主要是煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油和天然氣。計算模型如下：

F=N×f=A×Fd=E+I

(1)

式中：F——區(qū)域碳足跡(t)；f——人均碳足跡(t/人)；N——人口數(shù)量(人)；A——區(qū)域面積(hm2)；Fd——碳足跡密度，即單位面積碳足跡(t/hm2)；E——化石能源的碳足跡(t)；I——水泥生產(chǎn)的碳足跡(t)。下同。

E=∑(Ei×Fi)

(2)

式中:Ei——第i種能源的消費量(t)；Fi——第i種能源的CO2排放系數(shù)。

I=Iy×D

(3)

式中:Iy——水泥產(chǎn)量(t)；D——水泥生產(chǎn)過程的CO2排放系數(shù)。

能源的CO2排放系數(shù)采用卞小紅等[13]根據(jù)2006年IPCC數(shù)據(jù)計算的結(jié)果。水泥生產(chǎn)排放的CO2包括化石能源消費排放、碳酸鹽煅燒等方面[14]。其中能源消費的CO2排放已經(jīng)包含在化石燃料消費計算中，這里僅測算碳酸鹽煅燒過程中分解產(chǎn)生的碳足跡。

為了研究能源的利用效率，筆者還計算了萬元GDP碳足跡，即碳足跡與GDP比值。其大小代表了每單位GDP的碳消耗量，將碳排放與經(jīng)濟效益掛鉤，萬元GDP碳足跡越大，代表能源利用效率越低，反之則越大。

1.2 碳承載力

碳承載力是指某一區(qū)域各種植被光合作用固定的CO2的量。植被固碳除了森林及草地外，還需考慮農(nóng)作物的固碳。碳承載力測算模型為：

C=N×c=A×Cd=Cf+Cg+Cp

(4)

式中：C——區(qū)域碳承載力(t);N——人口數(shù)量(人);c——人均碳承載力，即區(qū)域碳承載力總量與其人口的比值(t/人)；Cd——單位面積的碳承載力,即區(qū)域碳承載力總量與其面積的比值(t/hm2)；Cf——森林的固碳量(t)；Cg——草地的固碳量(t)；Cp——農(nóng)作物的固碳量(t)。下同。

森林和草地的固碳量的計算公式為;

Ci=Si×CNEP,i×44/12

(5)

農(nóng)作物固碳量(Cp)采用生物量方法計算，公式為:

(6)

式中：Pi——第i種作物的經(jīng)濟產(chǎn)量(t)，主要為小麥、玉米、稻谷、大豆、棉花和油菜籽、胡麻、葵花、甜菜、薯類以及蔬菜等主要農(nóng)作物；Yi——經(jīng)濟系數(shù)，即經(jīng)濟產(chǎn)量與生物產(chǎn)量之比；β——校正系數(shù)，依據(jù)秸稈進入工業(yè)(造紙、板材)的份額計算，取值為0.05；Cc——生物量與固碳量之間的換算系數(shù)，該文取0.5。

1.3 凈碳足跡

凈碳足跡定義為某一地區(qū)碳足跡與碳承載力的差額，當碳足跡大于碳承載力時，凈碳足跡為正值,表明該區(qū)域為碳源，會增加氣候變暖的趨勢；兩者相等表示碳平衡；后者大于前者表示碳承載力盈余,則說明該區(qū)域為碳匯，有利于遏制氣候變暖。計算公式為:

D=N×d=A×Dd=F-C

(7)

式中：D——某一區(qū)域的凈碳足跡(t)；d——人均凈碳足跡(t/人)；Dd——單位面積凈碳足跡(t/hm2)。下同。

1.4 碳安全評價

碳安全屬于生態(tài)安全范疇，是指某一區(qū)域的環(huán)境、氣候以及人們的正常生產(chǎn)、生活等不受碳排放影響的保障程度。碳安全評價的主要依據(jù)是區(qū)域碳收支平衡對生態(tài)環(huán)境的壓力程度，如果壓力越大，則安全程度越低，反之則越安全[16]。區(qū)域碳安全等級標準的的劃分，主要依據(jù)是碳收支平衡，而碳壓力指數(shù)是衡量碳收支平衡的一個重要指標之一。碳壓力指數(shù)參考生態(tài)壓力指數(shù)[17]，是指某一區(qū)域碳足跡和植被碳承載力的比值，其大小可以反映某一區(qū)域人類活動對生態(tài)環(huán)境造成的影響，碳壓力指數(shù)越大，說明該區(qū)域生態(tài)環(huán)境壓力也越大，反之則越小。計算公式為:

CTI=F/C

(8)

式中：CTI——某一區(qū)域碳壓力指數(shù)；F——區(qū)域碳足跡(t)；C——區(qū)域碳承載力(t)。

根據(jù)碳壓力指數(shù)劃分碳安全評價等級標準，見表1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳足跡和萬元GDP碳足跡的變化

根據(jù)2001—2015年《新疆統(tǒng)計年鑒》[18]的能源消費數(shù)據(jù)和水泥生產(chǎn)量以及GDP值，通過公式(1)，(2)和(3)計算了新疆2000—2014年碳足跡和萬元GDP碳足跡(如表2所示)。從表2可以看出，新疆碳足跡呈上升趨勢，從2000年的1.08×108t上升到2014年的5.04×108t，增幅366.94%，年均增長11.64%。其中化石能源碳足跡從2000年的1.04×108t增長到2014年的4.83×108t，增幅為363.27%，年均增長11.57%，占新疆總碳足跡的96%以上；水泥生產(chǎn)碳足跡增幅為467.40%，年均增長13.20%。

表1 碳安全評價等級劃分標準

另外，新疆GDP從2000年的1 363.56×108元增加到2014年的9 273.46×108元，增幅為580.09%，年均增長14.68%。通過計算萬元GDP碳足跡，新疆萬元GDP 碳足跡從2000—2014年一直呈下降趨勢，從2000年的7.58 t下降到2014年的5.44 t，說明近幾年在國家西部計劃和對口支援的扶持下，新疆經(jīng)濟發(fā)展很快，同時也導(dǎo)致對一次能源的大量消耗，致使能源碳足跡不斷增加；但萬元GDP碳足跡的變化趨勢也表明政府節(jié)能減排政策的實施使得能源利用率不斷上升。

表2 2000—2014年新疆碳足跡構(gòu)成、GDP以及萬元GDP碳足跡

2.2 碳承載力的構(gòu)成和變化

碳承載力的大小代表了一個區(qū)域植被的碳固定能力。作者根據(jù)公式(4),(5)和(6)計算了新疆2000—2014年森林、草地、園地、城市綠地和農(nóng)作物的固碳量如表3所示。

表3 2000—2014年新疆碳承載力構(gòu)成 104 t

從表3可以看出，新疆碳承載力主要由森林、草地、園地、農(nóng)田和城市綠地構(gòu)成，總碳承載力雖在不斷增加，但也不容樂觀。從2000年的1.24×108t增加到2014年的1.28×108t，增幅僅僅只有3.11%；其中森林、草地的碳承載力在這些年變化不大，園地、農(nóng)田和城市綠地的碳承載力在不斷升高。在新疆碳承載力組成中，草地固碳量占總碳承載力的52.27%～54.47%，森林固碳量約占28%左右，農(nóng)田固碳量占1.5%～3.2%，園地固碳量占0.3%～0.5%，城市綠地固碳量占0.03%～0.08%。其中草地固碳量所占的比重最大，其次是森林、農(nóng)田、園地和城市綠地，因此，草地固碳量是新疆碳承載力的重要組成部分。

2.3 人均碳足跡和人均碳承載力

新疆2000—2014年人均碳足跡、人均碳承載力和人均凈碳足跡變化趨勢如圖1所示。從圖1中可以看出新疆2000—2014年人均碳足跡呈現(xiàn)增加趨勢，從2000年的5.84 t增加到2014年的21.94 t,增幅275.71%，年均增長9.92%；而人均碳承載力反而呈現(xiàn)下降趨勢，從2000的6.73 t下降到2014年的5.58 t，因此，從2004年開始，人均碳足跡和碳承載力的差距越來越大，導(dǎo)致人均凈碳足跡快速增長；同期新疆人口從2000年的1 .85×107人增加到2014年的2.30×107人，增幅為24.28%，遠遠小于碳足跡的增長幅度。而應(yīng)對全球氣候變化的年人均碳足跡目標為2.0 t，2007年全球人均碳足跡為4.3 t，中國為3.9 t[10]。到2014年新疆人均碳足跡為21.94 t，是應(yīng)對全球氣候變化人均碳足跡目標的9.97倍，是2007年全球和中國人均碳足跡的4.10和4.63倍。

圖1 2000—2014年新疆人均碳足跡、人均碳承載力和人均凈碳足跡

2.4 碳壓力指數(shù)和碳安全評價

根據(jù)2000—2014年新疆碳足跡和碳承載力計算碳壓力指數(shù)(CTI)如圖2所示。從圖2可以看出，研究期內(nèi)新疆CTI呈上升趨勢，從2000年的0.87增加到2014年的3.93，增幅為352.84%，年均增長11.39%。碳安全狀態(tài)在2000年就已經(jīng)是稍不安全，從2009年開始就處于極不安全的狀態(tài),說明新疆碳安全等級逐年下降，氣候變暖的趨勢也不斷增強。

圖2 2000—2014年新疆碳壓力指數(shù)

3 討 論

由于化石能源在消費的過程中具有一定的流通性，且燃燒產(chǎn)生的溫室氣體CO2在大氣中具有擴散性。因此，某一區(qū)域消費的化石能源碳足跡造成的生態(tài)環(huán)境壓力不可能只由該區(qū)域單獨承擔，且實際計算和分析中能源消費的流通性和氣體的擴散性也很難定量評估；如僅以好壞來區(qū)分發(fā)展狀況,采用“非此即彼”的二元評價模式評價區(qū)域的發(fā)展狀況也不現(xiàn)實[19]。

為了能夠定量評估其碳安全狀態(tài)，作者提出了碳壓力指數(shù)(CTI)。依據(jù)CTI的大小劃分了碳安全評價的六級標準。當CTI<1時，說明區(qū)域能源消費碳足跡小于植被碳承載力，碳安全狀態(tài)良好；當CTI=1時，說明區(qū)域能源消費碳足跡和植被碳承載力相等，此時處于碳安全預(yù)警狀態(tài)；當CTI>1時，說明能源消費碳足跡大于了植被碳承載力，人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響超過了自然環(huán)境的調(diào)控能力，加劇了溫室效應(yīng)，碳安全逐級惡化。趙先貴[9]等計算了北京市CTI從1999年的13.29增加到2009年的17.33，魏媛等[20]計算了貴州市CTI從2002年的1.41上升到2012年的2.34，碳安全等級逐年降低；邱高會[17]、朱莉莎等[21]分析了四川省和天水市的碳安全狀況，它們的碳安全等級分別自2001和2007年以后長期處于6級“極不安全”的狀態(tài)之中；本文計算的新疆碳安全狀態(tài)從2009年開始處于“極不安全”狀態(tài)，與郭鵬程等[22]對新疆生態(tài)安全的評價結(jié)論相一致。說明目前新疆維吾爾自治區(qū)受人類活動的影響，氣候變暖的趨勢逐年增強，面臨的生態(tài)環(huán)境壓力也逐年增大。雖然近幾年由于節(jié)能減排政策的實施，新疆化石能源利用率不斷提高，但是要在新疆發(fā)展低碳經(jīng)濟，實施可持續(xù)發(fā)展，除了提高能源利用料率以外，在調(diào)整能源和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，減少一次能源的使用，不斷開發(fā)無污染或少污染的清潔能源，有效利用生物質(zhì)能的同時，還要植樹造林，增加城市園林綠化設(shè)施，減少溫室氣體的排放。

4 結(jié) 論

(1) 從新疆碳足跡變化可知，一方面，新疆2000—2014年碳足跡呈現(xiàn)上升趨勢，且化石能源碳足跡占總碳足跡的比重最大，達到96%以上，說明新疆化石能源的消費是導(dǎo)致碳足跡升高的主要原因；另一方面，在化石能源碳足跡中煤炭足跡占的比重最高，占化石能源碳足跡的53%～57%。

(2) 新疆2000—2014年碳承載力不斷增加，但增加的速度遠不如碳足跡的增加速度快，這一現(xiàn)象導(dǎo)致其2000—2014年凈碳足跡呈現(xiàn)快速上升趨勢，從2000年的-1.64×107t增加2014年的3.76×108t，增加了23.87倍。從2003年開始，新疆凈碳足跡大于零，碳承載力小于了碳足跡，出現(xiàn)了碳虧損狀態(tài)，不斷加劇了新疆氣候變暖的趨勢。

(3) 2000—2014年新疆人均凈碳足跡、碳壓力指數(shù)均呈現(xiàn)增長趨勢，且到了2014年新疆人均碳足跡遠遠高于應(yīng)對全球氣候變化人均碳足跡9.97倍，高于2007年全球和中國人均碳足跡的4.10和4.63倍，碳壓力指數(shù)也從2000年的0.87增加到2014年的3.93，導(dǎo)致新疆碳安全程度不斷下降。

綜上分析可知，在西部大開發(fā)和國家援疆政策實施以來，新疆的經(jīng)濟快速發(fā)展，能源消費也在不斷增長，導(dǎo)致新疆生態(tài)環(huán)境面臨著較大的壓力。在今后的發(fā)展中，應(yīng)該依托新疆的資源和能源，嘗試調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、實施清潔生產(chǎn)、開發(fā)新能源以及增加城市園林和綠地的建設(shè)，實現(xiàn)新疆十二五規(guī)劃中提出的堅持2個可持續(xù)的發(fā)展，突出生態(tài)文明建設(shè)，注重保護和建設(shè)生態(tài)環(huán)境，推動優(yōu)勢資源科學(xué)合理有序開發(fā)，走資源開發(fā)可持續(xù)、生態(tài)環(huán)境可持續(xù)之路，實現(xiàn)經(jīng)濟效益與生態(tài)效益、環(huán)境效益的有機統(tǒng)一。

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Carbon Safety Assessment Based on Carbon Footprint and Carbon Capacity in Xinjiang Uygur Autonomous Region

WEI Lianghuan1,2, LIN Ning2, JU Meiting1

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,NaikaiUniversity,Tianjin300071,China; 2.CollegeofChemistryandEnvironmentalScience,KashiUniversity,Kashi，XinjiangUygurAutonomousRegion844006,China)

[Objective] The objective of the study is to explain the changes of carbon footprint and carbon capacity and evaluate the carbon security and provide the theoretical basis for the development of low carbon economy in Xinjiang Uygur Autonomous Region. [Methods] Based on the theory of carbon footprint, we calculated the carbon footprint, carbon capacity and net carbon footprint from 2000 to 2014 in Xinjiang Region, and selected carbon ecological pressure index to develop a model for regional ecological security evaluation. [Results] The carbon footprint of Xinjiang Region increased from 1.08×108t to 5.04×108t during the period from 2000 to 2014, and the use of fossil fuel contributed 96% of total carbon foot-print. The carbon capacity increased too, and the carbon quantity of grass was the largest, followed by forest， cultivated land， garden land and urban green space. The net carbon footprint and carbon ecological pressure index increased. Since 2009, it had been in a state of “terribly insecurity”, and the carbon security was decreasing. [Conclusion] The increased consumption of fossil energy is the main cause of the growth of its carbon footprint and the decline of its carbon security. Although the efficiency of energy continued to improve in Xinjiang Region, it is still facing serious eco-environment problems in the future.

carbon footprint; carbon capacity; carbon ecological pressure index; carbon security

2016-05-27

2016-06-12

天津市科技支撐國際合作項目“生物質(zhì)固廢生產(chǎn)纖維素及其高值轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”(13RCGFSF14300)； 天津市科技支撐科技創(chuàng)新體系及平臺建設(shè)項目“生物質(zhì)固廢資源化技術(shù)服務(wù)平臺”(14TXGCCX00012)

韋良煥(1981—),女(漢族),陜西省富平縣人，博士研究生,副教授,主要從事生物質(zhì)固廢資源化研究。E-mail:weilianghuanabc@126.com。

B

1000-288X(2017)01-0281-05

X196