1970—2018年中國甲烷排放量時(shí)空分布特征及行業(yè)排放源分析

王小雨 鄧祥征 劉玉潔 史文嬌 周德民

1 首都師范大學(xué) 資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京，100048 2 中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所/陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京，100101 3 中國科學(xué)院大學(xué),北京，100049

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的持續(xù)增長，能源需求和能源消費(fèi)也持續(xù)增加，使得全球氣候變暖問題逐漸凸顯[1-2].全球變暖所引起的一系列環(huán)境問題越來越受到人們的關(guān)注[3-5]，我國的溫室氣體排放總量將在較長的時(shí)期內(nèi)保持增長的趨勢(shì)[6].面對(duì)氣候變化的現(xiàn)實(shí)壓力和國際社會(huì)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，減少溫室氣體排放為減少未來氣候變化的壓力提供了機(jī)會(huì)[7-10].1997年簽署的《京都議定書》中界定的非CO2溫室氣體包括甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)、六氟碳化物(HFC)、全氟化合物(PFC)和六氟化硫(SF6)，它們加起來約占目前全球溫室氣體排放量的25%[11].其中，CH4是主要的溫室氣體之一，也是大氣中含量較多的有機(jī)氣體[12]，分析其空間分布及排放來源對(duì)于控制溫室氣體排放、減緩溫室效應(yīng)具有重要意義[13].

大氣中CH4持續(xù)增長將會(huì)對(duì)地球的輻射均衡產(chǎn)生效應(yīng)，直接對(duì)氣候造成影響[14].一直以來，對(duì)CH4的各種排放源和排放因子測(cè)定與排放量的估算始終是研究的熱點(diǎn)，并取得了一系列的成果，針對(duì)各個(gè)排放來源和不同區(qū)域的研究已取得相關(guān)進(jìn)展[15-18].在關(guān)注CH4排放量核算和結(jié)果的評(píng)估研究之外，聚焦于CH4人為排放來源的分析也是目前減排的重要議題，仲冰等[19]研究了我國天然氣行業(yè)甲烷排放控制的相關(guān)問題，對(duì)天然氣行業(yè)甲烷排放提出對(duì)應(yīng)的建議，宋磊等[20]針對(duì)甲烷的排放對(duì)中國油氣行業(yè)產(chǎn)生的負(fù)面影響開展了相關(guān)研究，也有關(guān)于畜牧業(yè)甲烷排放源的低碳化發(fā)展的路徑選擇分析[21]，這些研究只針對(duì)單一行業(yè)的甲烷排放展開，對(duì)于甲烷多排放來源的研究分析較少，且一般集中于區(qū)域的單角度研究，例如盧映杉[22]研究了廣西省區(qū)域供應(yīng)鏈視角下的CH4排放源及脫鉤效應(yīng)，劉均滎[23]針對(duì)油氣系統(tǒng)的排放源進(jìn)行了分析，目前對(duì)于多行業(yè)部門的CH4排放存在一定的研究空白.

全球大氣研究排放數(shù)據(jù)庫(EDGAR)基于公開的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(https://edgar.jrc.ec.europa.eu/)，為大氣建模和政策制定者提供全球人為排放和排放趨勢(shì)的獨(dú)立估計(jì)，同時(shí)包括特定部門排放源的網(wǎng)格數(shù)據(jù).EDGAR已成為政策制定者和科學(xué)界的參考數(shù)據(jù)集，為他們提供了一致并且可靠的基準(zhǔn).本文對(duì)1970—2018年的年平均CH4排放進(jìn)行了空間和時(shí)間變化的分析,基于全國分布的Moran’s I 和熱點(diǎn)分布狀況，分析全國CH4排放的熱點(diǎn)區(qū)域，同時(shí)在各個(gè)省級(jí)尺度中分析不同區(qū)域的CH4排放變化趨勢(shì)，并基于不同的行業(yè)部門排放數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析CH4的排放結(jié)構(gòu)和主要來源.研究結(jié)果有助于對(duì)溫室氣體排放的管理，并為應(yīng)對(duì)全球氣候變化提供現(xiàn)實(shí)依據(jù).

1 數(shù)據(jù)

EDGAR來自歐盟委員會(huì)內(nèi)部建立的一種用于估算排放的自下而上的模型[24]，其特定的排放量編制方法得到全世界所有國家一致應(yīng)用，為研究人員提供了方法學(xué)的透明度和國家之間的可比性[25].EDGAR提供所有國家的數(shù)據(jù)，并在全球范圍內(nèi)按0.1°×0.1°的網(wǎng)格進(jìn)行空間分配[26].EDGAR涵蓋了IPCC(2006)指南中所有的報(bào)告類別，并按部門進(jìn)行詳細(xì)劃分.其時(shí)間序列每年都會(huì)根據(jù)其數(shù)據(jù)源的可用性進(jìn)行更新，目前的時(shí)間覆蓋范圍為1970—2018年，是當(dāng)前可獲取的空間分辨率較高且時(shí)間范圍較長的CH4排放量空間數(shù)據(jù).

2 方法

EDGAR數(shù)據(jù)作為千米級(jí)的全球范圍數(shù)據(jù)，對(duì)于中國地區(qū)而言，時(shí)間上的變化趨勢(shì)和空間上的分布特征需要基于具有典型創(chuàng)新性的空間分布特征分析方法.

2.1 Moran’s I

采用全局Moran指數(shù)[27]作為全局空間自相關(guān)的指標(biāo)，分析中國CH4內(nèi)部空間單元排放的空間相關(guān)性和差異性，其表達(dá)式為

(1)

采用局部Moran指數(shù)對(duì)中國CH4排放聚集情況進(jìn)行局部空間自相關(guān)分析，識(shí)別CH4排放的高值聚集區(qū)和低值聚集區(qū)，以反映CH4排放的空間依賴性和異質(zhì)性.局部Moran指數(shù)的表達(dá)式為

(2)

當(dāng)Ii大于0時(shí)，呈現(xiàn)空間正相關(guān)關(guān)系；Ii小于0時(shí)呈現(xiàn)空間負(fù)相關(guān)關(guān)系.

2.2 熱點(diǎn)分析

(3)

(4)

(5)

3 結(jié)果

3.1 1970—2018年CH4時(shí)空分布特征

由圖1可以看出，CH4排放的地域分異特征明顯，根據(jù)中國的區(qū)域分類標(biāo)準(zhǔn)：東北地區(qū)，包括遼寧、吉林、黑龍江和內(nèi)蒙古東部5盟市(呼倫貝爾市、通遼市、赤峰市、興安盟、錫林郭勒盟)；華東地區(qū)，包括上海、江蘇、浙江、安徽、福建、江西、山東、臺(tái)灣；華北地區(qū)，包括北京、天津、河北、山西和內(nèi)蒙古共計(jì)5個(gè)省級(jí)行政單位；華中地區(qū)，包括河南、湖北、湖南3?。蝗A南地區(qū)，包括廣東、廣西、海南、香港、澳門；西南地區(qū)，包括四川、貴州、云南、西藏、重慶等5個(gè)省市區(qū)；西北地區(qū)，包括陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆5個(gè)省(自治區(qū)))，華東和華南地區(qū)的CH4排放量較高，各個(gè)時(shí)間段的平均排放量一般高于5 t·km-2，西北地區(qū)的CH4排放量相對(duì)較低，排放量一般處于0～5 t·km-2之間，這主要與排放源的排放強(qiáng)度和空間分異有關(guān)，大氣中的甲烷排放由自然排放和人類活動(dòng)排放兩部分組成，自然濕地作為最大的自然排放源，其空間分布與CH4排放的區(qū)域分異特征具有密切聯(lián)系，這也使得整體上中國的南方比北方的CH4排放量高，且區(qū)域分布范圍較廣.人類活動(dòng)所產(chǎn)生的CH4排放主要由能源排放(包括石油、天然氣和煤礦開采)、反芻動(dòng)物、垃圾填埋、水稻田和生物質(zhì)燃燒組成，不同時(shí)間階段對(duì)于各個(gè)排放來源的組成基本不變，各個(gè)來源的組成比例具有一定的變化.隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，由人類活動(dòng)所產(chǎn)生的CH4排放加大了不同區(qū)域之間的排放差異.從1970—2018年的時(shí)間變化趨勢(shì)來看，整體上變化較為平緩，但在1990—1999年華北地區(qū)開始出現(xiàn)較為明顯的高CH4排放量的區(qū)域分布，且在新疆的西北部開始出現(xiàn)小區(qū)域的CH4排放高于5 t·km-2區(qū)域.在華東地區(qū)，CH4排放連年居于高排放梯隊(duì).值得注意的是2010—2018年的甲烷排放空間與前面的四個(gè)時(shí)間段相比，不具有明顯的高增長趨勢(shì)，這與自然排放源，如濕地的減少具有一定的關(guān)系，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使得人為排放源增加的同時(shí)也減少了自然排放源，像華東地區(qū)的江蘇省和浙江省，其CH4排放的高排放區(qū)域相對(duì)于1970—1979年的排放區(qū)域略有減少.

基于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站GS(2019)1825號(hào)標(biāo)準(zhǔn)地圖制作,底圖邊界無修改

由圖2可見，1970—2018年平均CH4排放量變化曲線總體上呈上升趨勢(shì)，平均值達(dá)8.33 t·a-1·km-2，21世紀(jì)初期出現(xiàn)了高速上升趨勢(shì)，使得整個(gè)變化曲線呈現(xiàn)平緩上升—急速上升—穩(wěn)定排放3個(gè)階段，時(shí)間分別對(duì)應(yīng)于1970—2002年、2003—2012年和2013—2018年，第1階段經(jīng)濟(jì)發(fā)展處于起步時(shí)期，發(fā)展水平相對(duì)緩慢，相關(guān)能源燃燒和排放量增長也較為緩和，且自然排放源也處于穩(wěn)定狀態(tài)，CH4呈現(xiàn)相對(duì)緩慢的增長變化；第2階段出現(xiàn)的快速增長則由于中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，相關(guān)煤礦燃料的大量燃燒，自然排放源開始受到影響，造成了自然CH4排放量穩(wěn)定而人為排放量激增的狀態(tài)；第3階段一方面由于自然排放源的減少，另一方面也受到出臺(tái)的關(guān)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境優(yōu)化、氣候變化緩解的相關(guān)政策，使得排放速度明顯放緩，不同時(shí)間階段CH4排放量的差異性需要考慮不同時(shí)期多因素驅(qū)動(dòng).中國的空間經(jīng)濟(jì)發(fā)展差異能夠體現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程中，華東、華南地區(qū)在改革開放后逐漸建立起具有全球價(jià)值鏈的產(chǎn)業(yè)集群，其中包含整合勞動(dòng)力、能源、地理區(qū)位等過程，這與溫室氣體的排放密切相關(guān)，而西北地區(qū)產(chǎn)業(yè)主要以內(nèi)向型產(chǎn)業(yè)發(fā)展為主，不同的產(chǎn)業(yè)類型和布局也影響了自然排放源的分布和排放強(qiáng)度，這就使得CH4排放空間差異加大[29].

圖2 1970—2018年平均CH4排放量變化

由圖3可知整體上各個(gè)省份之間CH4的排放量分布不平衡，像上海、山西和北京的CH4排放值在不同的時(shí)間段內(nèi)明顯高于其他省份，尤其是2000—2009、2010—2018年這3個(gè)省的排放值均高于30 t·km-2，且1970—2018年CH4的平均排放量也高于25 t·km-2，江蘇、安徽、山東和河南也有一定量的CH4排放量的分布，時(shí)間變化相對(duì)平緩.高排放區(qū)域由于其自然環(huán)境條件與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行綜合因素影響，像上海和北京在進(jìn)入21世紀(jì)之后，快速的城市化使得相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，相對(duì)于自然排放的減少量，能源活動(dòng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等人為排放量的激增造成了整體排放量快速增長的狀態(tài)，而山西省由于得天獨(dú)厚的資源稟賦，采礦業(yè)快速發(fā)展，使得CH4排放量尤其突出.

注：由于相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的缺失，本研究只統(tǒng)計(jì)中國大陸地區(qū)省級(jí)行政區(qū)

3.2 1970—2018年CH4空間集聚性分析

1970—2018年CH4的空間自相關(guān)(圖4)具有明顯的時(shí)間分異規(guī)律，從空間上看東部地區(qū)的普遍具有高—高聚集性分布區(qū)域特征，西部地區(qū)的低—低聚集性明顯；從時(shí)間變化的角度來看，1970—2018年的高—高聚集和低—低聚集區(qū)域明顯減少，從1970年西北地區(qū)大面積的低—低聚集區(qū)域、東南地區(qū)的高—高聚集區(qū)域逐漸過渡到青海、西藏和四川部分區(qū)域的低—低聚集區(qū)域，以及山西和山東組成的華北平原的部分地區(qū)的高—高聚集區(qū)域.總體上看，高—高聚集區(qū)域隨著時(shí)間的演變逐漸減少，這也與CH4的時(shí)空分布規(guī)律相契合，CH4排放的空間變化顯示隨著時(shí)間的演變高排放區(qū)域逐漸增多，使得高排放區(qū)域聚集性減少，CH4排放的空間異質(zhì)性減弱.低—低聚集區(qū)域也隨著時(shí)間的變化逐漸減少，這與西北地區(qū)的高CH4排放區(qū)域的出現(xiàn)相一致.CH4高排放區(qū)域在華東、華南和華北等地區(qū)的逐漸擴(kuò)展以及西北低值排放區(qū)的逐漸增長，使得全國大面積的高—高聚集區(qū)域和低—低聚集區(qū)域逐漸減少，這是人為排放源占比增長在排放量和排放區(qū)域上的具體表現(xiàn).

注：基于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站GS(2019)1825號(hào)標(biāo)準(zhǔn)地圖制作,底圖邊界無修改

CH4的熱點(diǎn)分布(圖5)于我國的華東、華北以及華南地區(qū)，在空間上主要呈現(xiàn)東南部的熱點(diǎn)區(qū)域分布和西北部的冷點(diǎn)區(qū)域分布，中間具有小部分區(qū)域的過渡；時(shí)間上的變化也具有明顯特征，主要表現(xiàn)為熱點(diǎn)區(qū)域從1990年開始從南方逐漸北移，過渡區(qū)域也逐漸向北部和西部擴(kuò)張，冷點(diǎn)區(qū)域從1970年的99%的置信水平逐漸降低至90%.冷點(diǎn)和熱點(diǎn)區(qū)域的移動(dòng)和縮小與CH4排放空間一致性減弱趨勢(shì)保持一致，在1970—1979年、1980—1989年以及1990—1999年的CH4排放早期階段中，熱點(diǎn)區(qū)域在本區(qū)域內(nèi)憑借資源環(huán)境稟賦和經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策等因素排放的貢獻(xiàn)尤為突出，而隨著時(shí)間演變，本區(qū)域不能繼續(xù)滿足發(fā)展的需要，就會(huì)考慮向冷點(diǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生這種冷點(diǎn)和熱點(diǎn)區(qū)域面積和位置上的變化.

注：基于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站GS(2019)1825號(hào)標(biāo)準(zhǔn)地圖制作,底圖邊界無修改

3.3 行業(yè)排放源分析

參考EDGAR中的部門CH4排放數(shù)據(jù)，基于Crippa等[30-33]完成的能源統(tǒng)計(jì)中所描述的時(shí)間分布曲線，本文將IPCC中的部門分類對(duì)應(yīng)到我國的溫室氣體清單編制指南所對(duì)應(yīng)的部門中，將數(shù)據(jù)庫中CH4排放的人為排放源歸并為能源活動(dòng)、工業(yè)生產(chǎn)過程、農(nóng)業(yè)、土地利用變化與林業(yè)、廢棄物處理5個(gè)來源，并在ArcGIS中選擇中國行政區(qū)域數(shù)據(jù)對(duì)每個(gè)部門進(jìn)行排放總量統(tǒng)計(jì)(表1).

從每個(gè)部門的排放總量統(tǒng)計(jì)(表1)中發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)源中的稻田排放在整個(gè)部門的統(tǒng)計(jì)中居于最高位，1970—2018年排放總量達(dá)到77.28 t·km-2，同時(shí)能源活動(dòng)排放源中的煤炭開采逃逸占居第2位，1970—2018年排放總量達(dá)到53.46 t·km-2，相對(duì)于這2個(gè)主要來源，像土地利用變化與林業(yè)排放源和廢棄物處理排放源則在整體上對(duì)CH4排放貢獻(xiàn)較小(圖6).

圖6 1970—2018年行業(yè)排放總量統(tǒng)計(jì)圖(x軸標(biāo)注所代表的部門與表1中的標(biāo)注保持一致，根據(jù)不同的排放源進(jìn)行命名和分類，下同)

表1 甲烷排放源部門名稱及其IPCC代碼

選定1970—1979年、1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年、2010—2018年和1970—2018年6個(gè)時(shí)間段，計(jì)算5個(gè)CH4排放源中17個(gè)部門的排放值與總量占比，并制成堆積柱狀圖，顯示高于5%的部門的標(biāo)注.可以發(fā)現(xiàn)，總體上在1970—2018年，能源活動(dòng)中的交通運(yùn)輸行業(yè)的CH4排放占比高于50%，其中a21(鐵路和其他運(yùn)輸)部門CH4排放占比最高，達(dá)到21%，但不同部門隨時(shí)間的變化趨勢(shì)存在一定差異，不具有占比穩(wěn)定增長或下降的變化規(guī)律.

在選定的前5個(gè)時(shí)間階段中，部門10年間會(huì)產(chǎn)生巨大變化，像a24(公路運(yùn)輸)部門在1970—1979年占比17%，而在1980—1989年則占比不足5%，在之后的幾個(gè)時(shí)間階段中也出現(xiàn)了激增和驟減的現(xiàn)象，而農(nóng)業(yè)和土地利用變化與林業(yè)排放源的占比則較為穩(wěn)定，c11(稻田，施用石灰、施用尿素、源自管理土壤的直接排放、稻米種植排放)、c21(動(dòng)物腸道發(fā)酵)和c31(動(dòng)物糞便管理系統(tǒng))的占比較為平緩，前期在1970—1979年、1980—1989年高于5%占比，之后低于該值，在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)逐漸下降的變化趨勢(shì).總體來看，能源活動(dòng)和工業(yè)生產(chǎn)過程2個(gè)排放源，在整個(gè)時(shí)間段以及在各個(gè)時(shí)間段內(nèi)的排放占比總值都超過50%，且后期逐漸攀升，而農(nóng)業(yè)、土地利用變化與林業(yè)和廢棄物處理3個(gè)傳統(tǒng)排放源在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)出排放占比下降的趨勢(shì)，這也從側(cè)面反映了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中所進(jìn)行的工業(yè)生產(chǎn)和能源活動(dòng)對(duì)CH4排放增長的貢獻(xiàn).

4 結(jié)論與討論

通過分析1970—2018年我國CH4排放的時(shí)空特征及行業(yè)排放來源，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的推移，CH4排放的高值分布空間范圍逐漸擴(kuò)大，排放重心由東南部逐漸向西北部地區(qū)過渡，排放量呈現(xiàn)穩(wěn)定增長趨勢(shì)；從時(shí)間的推演來看，CH4排放量呈現(xiàn)總體增長趨勢(shì)，1970—2018年經(jīng)歷了平緩上升—急速上升—穩(wěn)定排放3個(gè)階段；從各個(gè)省級(jí)行政區(qū)域的CH4排放量統(tǒng)計(jì)變化來看，江浙滬和京津冀以及中部平原地區(qū)尤其是山西省具有明顯的高CH4排放特征；農(nóng)業(yè)源作為CH4排放的穩(wěn)定來源需要持續(xù)關(guān)注，而煤礦開采和交通運(yùn)輸也是CH4減排需要關(guān)注的重點(diǎn)行業(yè)，相對(duì)于農(nóng)業(yè)和土地利用變化與林業(yè)等排放源，對(duì)能源活動(dòng)和工業(yè)生產(chǎn)的干預(yù)減排效果更明顯.

本研究對(duì)CH4排放總量進(jìn)行了空間化，為了解和研究溫室氣體的空間分布狀況提供基礎(chǔ).CH4作為增溫潛勢(shì)最高的非二氧化碳溫室氣體，其排放源的結(jié)構(gòu)和占比分析為減排提供了關(guān)注方向，這對(duì)于控制碳排放總量的減少具有重要意義.

圖7 1970—2018年部門排放百分比堆積柱狀圖