西部地區(qū)縣域碳排放核算及主體功能區(qū)解析
——以四川省為例

王 正,周 侃,樊 杰,3,*

1 中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101

2 中國科學院大學,北京 100049

3 中國科學院科技戰(zhàn)略咨詢研究院,北京 100190

改革開放以來,我國經(jīng)濟快速增長、能源消費量和碳排放量大幅增加,中國成為世界最大的能源消費和碳排放國[1],能源消費碳排放量約占世界的30%[2],中國在減緩全球氣候變化、降低碳排放量中扮演重要角色[3—4],為應對日益嚴峻的全球氣候變化挑戰(zhàn),2020年9月中國政府在聯(lián)合國大會上承諾將在2060年實現(xiàn)碳中和。主體功能區(qū)是刻畫我國國土空間有序開發(fā)和保護格局的藍圖[5—7],作為重要的政策實施單元,主體功能區(qū)的應對氣候變化政策直接對減少碳排放、降低碳排放強度、增加碳匯提出了要求；同時人口規(guī)模和經(jīng)濟增長是碳排放的重要驅(qū)動因素[8—9],主體功能區(qū)產(chǎn)業(yè)、投資、人口、環(huán)境等政策也通過對引導產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級、合理調(diào)控產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移、引導人口集疏影響人口和經(jīng)濟要素進而作用于碳排放。科學評估碳排放的主體功能區(qū)效應,有利于發(fā)揮主體功能區(qū)在減少碳排放、增加碳匯、實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵作用。碳排放的主體功能區(qū)解析則是認知其效應的基礎(chǔ)性工作。

《IPCC國家溫室氣體清單編制指南》是現(xiàn)行所有清單算法的基本模板,計算的核心思想是利用人類活動水平與排放系數(shù)相乘估算區(qū)域溫室氣體排放量。研究表明,目前全球人類活動導致的溫室氣體排放仍以碳為主,占到溫室氣體排放總量的76%,碳排放中又有86%來自化石能源消耗[10],另一方面,省級能源消費數(shù)據(jù)相較易于獲取,因此以能源消費碳排放量表征區(qū)域碳排放成為眾多學者的優(yōu)先選擇[11]。故學者研究多以能源消費二氧化碳排放表征區(qū)域碳排放[12—13],本文所稱碳排放皆為能源消費二氧化碳排放。囿于能源消費數(shù)據(jù)可獲取性和方法論限制,目前關(guān)于我國碳排放的研究集中在省級及以上空間尺度[14—17],而省內(nèi)各市各縣資源稟賦和社會經(jīng)濟發(fā)展水平的差異必然帶來碳排放差異,各市縣減排政策應有所區(qū)別,且各市縣發(fā)展定位不同,碳排放的政策約束顯然不能“一刀切”。在縣級尺度碳排放核算,不同學者進行了諸多有益的理論和實踐探索,汪浩等將市級碳排放量利用排放系數(shù)和能源消費量計算,縣級采用人口占比分配的方法,結(jié)合ArcGIS 空間數(shù)據(jù),將京津冀市級二氧化碳排放量自上而下分配至縣級區(qū)域[18],發(fā)現(xiàn)京津冀碳排放縣域尺度上呈現(xiàn)出分層集聚的特點。趙榮欽等根據(jù)各縣三次產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值和人口占市級對應指標的比重,將河南省市級能源消費量分配至各縣,進而核算河南省縣域能源消費碳排放量,分析發(fā)現(xiàn)碳排放具有從市區(qū)向周邊縣(區(qū))逐漸降低的特征[19]。朱松麗等人基于省級能源消費數(shù)據(jù)核算碳排放量,計算省級三次產(chǎn)業(yè)碳排放強度(三次產(chǎn)業(yè)的單位GDP碳排放量)和人均碳排放量(即能源統(tǒng)計口徑中生活消費部分的人均碳排放)并與各縣三產(chǎn)產(chǎn)值和人口數(shù)相乘后相加得到縣域碳排放量[20]。也有學者建立DMSP-OLS夜間燈光指數(shù)與碳排放的線性方程,構(gòu)建了碳排放空間數(shù)據(jù)集,結(jié)合行政區(qū)劃矢量邊界建立不同行政等級尺度碳排放數(shù)據(jù)集[21],分析重慶市[22]和哈長城市群[23]縣域尺度碳排放時空格局,認為碳排放具有顯著的空間集聚現(xiàn)象。利用三次產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重分配省級能源消費量忽略了主體功能區(qū)間能源利用效率差異,分配省級碳排放量則未考慮不同主體功能區(qū)碳排放強度的差異。因此,本文借鑒譚顯春等[24]引入市級單位GDP能耗數(shù)據(jù)表征區(qū)域能源利用效率的核算方法,采用中國碳核算數(shù)據(jù)庫提出的能源碳排放系數(shù),選取四川省作為典型案例區(qū)進行縣域尺度碳排放核算,解析主體功能區(qū)碳排放分異特征,以期為主體功能區(qū)視角下碳減排政策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

四川省雄踞我國西南部,面積遼闊、人口眾多。截止2019年,四川省國土面積48.61萬km2,常住人口8375.0萬人,成都平原(根據(jù)四川省主體功能區(qū)劃方案,文中成都平原指四川盆地西部、龍泉山和龍門山-邛崍山之間地區(qū),川南地區(qū)位于四川盆地南緣、川渝滇黔交界處,川東北位于川渝陜結(jié)合部,攀西地區(qū)主要包括攀枝花市和涼山州)自然條件優(yōu)越,是四川省內(nèi)城市和人口集中分布區(qū)域,成都都市圈是我國城鎮(zhèn)化格局的重要節(jié)點；四川盆地是我國農(nóng)業(yè)安全格局中長江流域主產(chǎn)區(qū)的重要組成部分；川西高原(四川雅安的邛崍山脈以西的高原和山地的統(tǒng)稱)是青藏高原的重要組成部分,更是我國“兩屏三帶”生態(tài)安全戰(zhàn)略格局中黃土高原-川滇生態(tài)屏障的重要組成。四川省城市化區(qū)域、農(nóng)業(yè)區(qū)域、生態(tài)區(qū)域較為典型,更有利刻畫城市化地區(qū)、農(nóng)業(yè)地區(qū)、生態(tài)地區(qū)碳排放的比例關(guān)系,因此作為本文的研究案例區(qū)。本文統(tǒng)一使用四川省主體功能區(qū)劃行政區(qū),下轄181個縣級單元,其中城市化地區(qū)90個區(qū)縣單元,農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)35個區(qū)縣單元,56個重點生態(tài)功能區(qū)?？h級行政區(qū)劃調(diào)整問題,則根據(jù)地理位置將其劃入相應主體功能區(qū)(圖1)。

圖1 四川省主體功能區(qū)格局圖

1.2 數(shù)據(jù)來源及能源分類

以2010年為基期年,四川省分行業(yè)分能源消費數(shù)據(jù)來源于《中國能源統(tǒng)計年鑒》,地市級能耗數(shù)據(jù)、各縣區(qū)常住人口和生產(chǎn)總值來源于《四川省統(tǒng)計年鑒》和各地市統(tǒng)計年鑒,由于縣域和省域統(tǒng)計數(shù)據(jù)存在差異,本文統(tǒng)一采用各區(qū)縣數(shù)據(jù)加總得到的相應省級數(shù)據(jù)。《中國能源統(tǒng)計年鑒》涉及能源類型均被納入,由于《IPCC國家溫室氣體清單編制指南》和《省級溫室氣體清單編制指南》中統(tǒng)計的能源消費類型與《中國能源統(tǒng)計年鑒》不完全一致,提供的燃料低位熱值和單位熱值含碳量無法滿足對能源消費全類型的計算,Liu 等學者通過對國內(nèi)4243個煤礦和602個煤炭樣品的分析檢測,測算出按照《中國能源統(tǒng)計年鑒》中各能源類型的低位熱值和單位熱值含碳量因子[25]。從能源消費碳排放計算的全面性和科學性出發(fā),本文采用Liu及其團隊實際測算值[4,25]。

1.3 方法

采用IPCC參考方法(即方法2)核算省級碳排放量,其公式如下[26]：

(1)

圖2 縣級碳排放量核算流程示意圖

采用ANONA單因素方差分析主體功能區(qū)間碳排放強度差異,用最小顯著極差法(LSD)確定顯著性水平(P<0.05時表示有顯著差異)。基尼系數(shù)表示各縣區(qū)碳排放區(qū)域差異程度,計算公式如下：

(2)

(3)

當i與j不相等時,G*指數(shù)公式為：

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 縣域碳排放時空演進特征

縣級尺度上碳排放整體表現(xiàn)出東高西低的特征,成都平原是碳排放高值區(qū)集中分布地,攀西和川南地區(qū)部分市轄區(qū)也存在碳排放高值區(qū)。碳排放中值區(qū)則主要分布在高值區(qū)的周圍,分布在成都平原、川東北、川南和攀西地區(qū),近年來在川東北和川南地區(qū)擴張尤為明顯。碳排放低值區(qū)主要分布在四川北部、西部和東南部,近年來碳排放量低值區(qū)增加。2010—2017年高值區(qū)呈現(xiàn)出以成都為中心向四周擴張的趨勢,在其東南和東北方向上尤為明顯(圖3、圖4)。成都平原人口密集、城市化水平較高,經(jīng)濟發(fā)達,是省內(nèi)人口和經(jīng)濟的主要承載區(qū)域,必然帶來大量的化石能源消費,因此碳排放量較高。川東北、川南和攀西地區(qū)是我國重要的能源化工基地,工業(yè)基礎(chǔ)雄厚、工業(yè)產(chǎn)值在國民經(jīng)濟產(chǎn)值中比重較高,工業(yè)是化石能源消費和碳排放的主要來源[30—31],因此碳排放量較高。而川西和川北的廣大區(qū)域多為高原和山地,人口稀疏、大規(guī)模的工業(yè)開發(fā)活動較少,故碳排放較少。

圖3 2010—2017年縣域碳排放格局

圖4 2010—2017年碳排放量變化

四川省區(qū)縣碳排放基尼系數(shù)范圍在0.487—0.502,處于差異偏大和高度不平均的臨界值,說明四川省縣域碳排放量區(qū)域差異較大,且研究期內(nèi)碳排放基尼系數(shù)僅有小幅波動下降,表明碳排放空間差異并未有明顯改變。

分別計算2010、2014和2017年碳排放Getis-Ord G*指數(shù),并根據(jù)G*指數(shù)劃分為熱點區(qū)、次熱區(qū)、次冷區(qū)、冷點區(qū)四類。熱點圖分析表明,四川省碳排放存在明顯的核心—邊緣結(jié)構(gòu)且呈現(xiàn)出雙核心模式。以成都都市圈為核心,向外逐漸擴散,依次為次熱區(qū)、次冷區(qū)和冷點區(qū)。南部攀枝花市形成次級核心,向北依次向冷區(qū)、冷點區(qū)遞減。2010年至2017年,兩核心熱點區(qū)有向外圍擴張趨勢,成都都市圈為核心的熱點區(qū),都江堰、綿陽安州區(qū)、眉山丹棱縣由次熱區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)闊狳c區(qū)；次熱區(qū)也擴展到宜賓市高縣、長寧縣、興文縣和瀘州市敘永縣。但在川東北和攀西地區(qū),南充市西充縣、嘉陵區(qū)和廣安市武勝縣、華鸞市,涼山州會東縣由次熱區(qū)轉(zhuǎn)為次冷區(qū)。西昌市則由次冷區(qū)轉(zhuǎn)為冷點區(qū)。表明,四川省碳排放高值區(qū)由核心向邊緣擴張的現(xiàn)象,主要集中在成都都市圈周圍和川南地區(qū),川東北和攀西地區(qū)則有收縮趨勢(圖5)。

圖5 2010、2014、2017年四川省碳排放熱區(qū)分布

2.2 主體功能區(qū)碳排放特征

2.2.1 主體功能區(qū)碳排放量分異特征

高值區(qū)分布呈現(xiàn)出團塊集中在城市化地區(qū),重點生態(tài)功能區(qū)主要以低值區(qū)為主。值得注意的是,生態(tài)功能區(qū)內(nèi)部出現(xiàn)分異,毗鄰高值區(qū)的區(qū)縣碳排放量相對較高。碳排放中值區(qū)由城市化地區(qū)向農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)擴張尤為明顯,具體到地市主要擴張區(qū)在巴中、南充、自貢、宜賓、瀘州等地(圖4)。

碳排放量呈現(xiàn)出城市化地區(qū)>農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)>重點生態(tài)功能區(qū)的特征,城市化地區(qū)是碳排放主要區(qū)域(圖6),其碳排放量占全省比重穩(wěn)定在76.40%—78.09%,農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和重點生態(tài)功能區(qū)碳排放量明顯低于城市化地區(qū),農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)則穩(wěn)定在15.21%—16.57%,重點生態(tài)功能區(qū)則穩(wěn)定在6.70%—7.21%(表1),各主體功能區(qū)之間碳排放量差異明顯,主體功能區(qū)類型對碳排放量影響顯著。城市化地區(qū)是全省推進工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的主要承載區(qū)域,是產(chǎn)業(yè)集聚和人口集中分布區(qū),較大的經(jīng)濟和人口規(guī)模必然帶來大量的碳排放。農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)具備較好的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件,區(qū)內(nèi)耕地廣布,以提供農(nóng)產(chǎn)品為主要功能,限制大規(guī)模、高強度工業(yè)開發(fā)建設(shè)；重點生態(tài)功能區(qū)則以生態(tài)系統(tǒng)保護為重要定位,以提供生態(tài)產(chǎn)品、保障生態(tài)安全為主要功能,區(qū)內(nèi)林地和草地面積占比較大,限制大規(guī)模的工業(yè)化和城鎮(zhèn)化開發(fā),故農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和重點生態(tài)功能區(qū)碳排放量較低。

表1 2010—2017年各主體功能區(qū)碳排放量比重變化/%

圖6 2010—2017年各主體功能區(qū)碳排放量

朱松麗、譚顯春等、徐婕等學者開展了對黑龍江、貴州、廣東省、四川省主體功能區(qū)碳排放的研究,也發(fā)現(xiàn)城市化區(qū)域是碳排放的主要功能區(qū),占全省碳排放2/3以上,農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)高于重點生態(tài)功能區(qū)[24,32—33]。對武漢都市圈主體功能區(qū)碳排放量的核算分析也得出了類似的結(jié)論[28]。由此可見,各主體功能區(qū)的功能定位與碳排放量顯著相關(guān)。

2.2.2 主體功能區(qū)碳排放變化態(tài)勢

采用碳排放量變化貢獻度,即不同主體功能區(qū)碳排放增加量(減少量)與總增加量(減少量)的比值,測度各主體功能區(qū)對碳排放變化的貢獻?？紤]碳排放量2010—2016年不斷增加,2016—2017年碳排放量出現(xiàn)明顯下降(圖6),分為兩階段分析各主體功能區(qū)對碳排放變化的貢獻。結(jié)果表明,城市化地區(qū)在2010—2016年碳排放增加的貢獻度最大,農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)次之,重點生態(tài)功能區(qū)最低,分別為75.24%、16.43%、8.33%；在2016—2017年碳排放下降的貢獻中,城市化地區(qū)貢獻(76.71%)仍然明顯高于農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)(13.63%)和重點生態(tài)功能區(qū)(9.66%)(表2),說明四川省碳排放變化主要來自城市化地區(qū)。

表2 2010—2017年不同主體功能區(qū)碳排放量變化統(tǒng)計

分析主體功能區(qū)碳排放量內(nèi)部結(jié)構(gòu)(限于圖幅,僅展示2010和2017年,圖7),發(fā)現(xiàn)城市化地區(qū)、農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和重點生態(tài)功能區(qū)的碳排放均主要來源于第二產(chǎn)業(yè),且研究期內(nèi)比較穩(wěn)定。且城市化地區(qū)第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)碳排放比重高于農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和重點生態(tài)功能區(qū),這也與城市化地區(qū)是工業(yè)活動的主要承載區(qū)的功能定位相一致。農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和重點生態(tài)功能區(qū)居民生活消費產(chǎn)生的碳排放比重高于城市化地區(qū),農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)第一產(chǎn)業(yè)碳排放量比中高于其他兩類主體功能區(qū)。

圖7 2010和2017年不同主體功能區(qū)碳排放內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2.3 主體功能區(qū)的碳排放強度分異

碳強度是能源利用經(jīng)濟效率的重要指標,對各主體功能區(qū)2010—2017年碳排放強度比較分析發(fā)現(xiàn),2010—2017年三類主體功能區(qū)碳排放強度經(jīng)歷了整體下降的過程,從下降幅度來看,城市化地區(qū)下降幅度最大(39.51%),重點生態(tài)功能區(qū)次之(33.55%),農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)最低(33.14%)(圖8)。碳排放強度存在主體功能區(qū)間差異,重點生態(tài)功能區(qū)的碳排放強度顯著高于城市化地區(qū)和農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)(P<0.05),且高于省平均水平,能源利用效率較低。

圖8 2010—2017年主體功能區(qū)碳排放強度

3 結(jié)論與政策建議

3.1 結(jié)論

不同區(qū)域根據(jù)其主體功能定位在國土空間開發(fā)和保護格局中扮演不同角色,其承載的人口和經(jīng)濟規(guī)模差異較大,碳排放在不同主體功能區(qū)之間存在明顯差異。主要結(jié)論如下：

(1)四川省碳排放高值區(qū)集中分布在成都平原和川東北、川南、攀西地區(qū)的城市化地區(qū),由于主體功能區(qū)空間分布格局,碳排放整體表現(xiàn)出東高西低的特征。四川省縣域碳排放空間差異較大,具有明顯的核心—邊緣結(jié)構(gòu),以成都都市圈為核心和以攀枝花為次核心,向外依次過度為次熱區(qū)、次冷區(qū)和冷點區(qū)。研究期內(nèi)碳排放熱點區(qū)從成都都市圈不斷向外圍和川南地區(qū)擴張,在川東北和攀西地區(qū)則具有收縮態(tài)勢。

(2)城市化地區(qū)是四川省碳排放的主要來源,研究期內(nèi)其碳排放量占全省比重穩(wěn)定在75%左右,城市化地區(qū)是碳排放變化的主要貢獻區(qū),農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和重點生態(tài)功能區(qū)碳排放量占全省比重較小,分別為16%、7%左右,重點生態(tài)功能區(qū)碳排放強度顯著高于城市化地區(qū)和農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)(P<0.05)。

(3)第二產(chǎn)業(yè)是三類主體功能區(qū)碳排放的主要來源,城市化地區(qū)第二產(chǎn)業(yè)碳排放比重高于農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和重點生態(tài)功能區(qū),農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和重點生態(tài)功能區(qū)居民生活碳排放比重高于城市化地區(qū),農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)第一產(chǎn)業(yè)碳排放比重相對較高。

3.2 政策建議

面向控制碳排放總量和降低碳強度目標,根據(jù)三類主體功能區(qū)碳排放特征,結(jié)合功能區(qū)定位,不同功能區(qū)碳減排政策和措施各有側(cè)重。

作為四川省碳排放的主要來源,城市化地區(qū)是碳減排的重要陣地,應控制城市化地區(qū)碳排放規(guī)模,爭取碳排放量早日達到峰值并下降。2017年四川省城市化地區(qū)以21%的國土面積承載了約80%的經(jīng)濟產(chǎn)出,容納全省65%的人口,約3/4的碳排放量,相對于經(jīng)濟,人口集聚程度較低,應進一步吸納非城市化地區(qū)的人口,發(fā)揮人口城鎮(zhèn)化的集聚效應對碳排放的抑制作用[34]。進一步倡導城市居民綠色低碳生活,引導居民形成低碳生活理念,控制碳排放量增長。第二產(chǎn)業(yè)是城市化地區(qū)碳排放的主要部分,應調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),加快產(chǎn)業(yè)升級,走綠色高效的工業(yè)發(fā)展道路。以單位生產(chǎn)總值能耗較高的重化工業(yè)基地為重點、進一步降低碳強度(圖9)。

圖9 主體功能區(qū)碳減排政策框圖

農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和重點生態(tài)功能區(qū)碳排放主要來源于第二產(chǎn)業(yè),居民生活碳排放占比較高。應嚴格落實主體功能區(qū)產(chǎn)業(yè)政策,執(zhí)行高能耗企業(yè)退出機制,將不符合農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和重點生態(tài)功能區(qū)主體功能定位的工業(yè)企業(yè)限期遷出。嚴格設(shè)置環(huán)境準入標準,在承接來自城市化地區(qū)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移時,甄別高能耗高污染企業(yè),規(guī)避“污染避難所”效應[35]。農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和重點生態(tài)功能區(qū)實施人口退出的主體功能區(qū)政策,加快推進人口向城市化地區(qū)和區(qū)內(nèi)中心城鎮(zhèn)集聚,整治農(nóng)村宅基地,加強農(nóng)村居民供暖等生活基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),提高設(shè)施利用效率。推進能源革命,因地制宜發(fā)展太陽能、風能等清潔能源,引進先進能源利用技術(shù),提高居民生活能源利用效率,降低居民生活的能源消費碳排放強度,進而減少居民生活能源消費量。重點生態(tài)功能區(qū)應積極引進先進生產(chǎn)技術(shù),提高區(qū)內(nèi)能源利用效率,降低碳排放強度(圖9)。

加強主體功能區(qū)區(qū)際合作,積極引導農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和重點生態(tài)功能區(qū)人口向城市化地區(qū)集聚,以發(fā)揮城市化地區(qū)能源利用效率較高的優(yōu)勢,同時增加重點生態(tài)功能區(qū)碳匯空間；城市化地區(qū)加強對重點生態(tài)功能區(qū)的技術(shù)支持,提高能源利用效率,降低碳排放強度(圖9)。著眼四川全省,減少區(qū)域整體碳排放量。