城市產(chǎn)業(yè)碳排放特征及低碳發(fā)展路徑研究

劉墨巖，柏 松

(西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610041)

2020年9月，我國提出了“3060”目標(biāo)，旨在2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”，即實(shí)現(xiàn)二氧化碳的“零排放”.對各行業(yè)進(jìn)行碳排放量的定量核算是碳中和研究的基礎(chǔ)性問題，只有準(zhǔn)確估算碳的排放量，才能科學(xué)提出碳減排的具體措施和目標(biāo)[1-2].

迄今為止，關(guān)于碳排放核算方法體系的研究還處于探索階段，國外針對城市產(chǎn)業(yè)碳排放核算方法體系的研究尚不深入，大多集中在宏觀的碳排放特征方面.Samereh 等研究量化了二氧化碳排放與城市形態(tài)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)城市布局緊湊更有利于降低二氧化碳排放水平[3].Alejandro 等結(jié)合衛(wèi)星圖像和地理信息系統(tǒng)(GIS)方法開展了碳排放核算方法體系的研究[4].Simon 等應(yīng)用7see 系統(tǒng)動力學(xué)建模方法探討了碳排放的定量核算方法[5].與國外研究相比，由于我國“雙碳”目標(biāo)的制定，國內(nèi)學(xué)者更關(guān)注于從宏觀角度對碳排放進(jìn)行綜合分析.李治國等基于IPAT-LMDI 方法開展了城鄉(xiāng)家庭碳排放水平的實(shí)證研究[6].康琛欣等[7]利用IPCC 自上而下的計算方法，對甘肅省交通碳排放量進(jìn)行定量核算.Wang 等建立了估算和預(yù)測城市軌道交通、出租車、公共汽車碳排放量核算的具體方法[8].最近，Zhou 等開發(fā)了一種基于交通軌跡數(shù)據(jù)的自下而上的碳核算方法，并據(jù)此建立了深圳市道路交通二氧化碳排放特征分布地圖[9].Feng 等采用多元回歸方法開展了碳排放特征的相關(guān)研究[10].

總體而言，當(dāng)前國內(nèi)外對碳排放特征及其核算方法體系的研究，主要集中在對宏觀碳排放量的估算分析方法和模型構(gòu)建等方面，以及各種因素對某一行業(yè)碳排放的影響，針對城市中不同行業(yè)、不同產(chǎn)業(yè)碳排放量的定量分析研究相對較少.為此，本研究擬以成都市工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通行業(yè)為研究對象，詳細(xì)探討城市產(chǎn)業(yè)碳排放特征，分析城市產(chǎn)業(yè)減排路徑，為未來城市減碳措施提供參考，也為城市綠色低碳發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型提供思路.

1 研究方法

1.1 交通業(yè)碳排放

本研究結(jié)合交通燃料和交通行駛里程兩種方法來計算居民交通碳排放.前者根據(jù)交通工具消耗燃料量與相應(yīng)碳排放系數(shù)相乘而得.后者基于交通工具里程與其碳排放系數(shù)進(jìn)行核算.參考?xì)W盟TREMOVE 2.4 模型所計算得到的不同交通工具(公交、出租車、電動自行車)的碳排放系數(shù)[1]，詳見表1.對于地鐵、汽車和新能源汽車，根據(jù)《2009 中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略報告—探索中國特色的低碳道路》和《中國能源統(tǒng)計年鑒》的數(shù)據(jù)，得出對應(yīng)的能源碳排放系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)量轉(zhuǎn)化系數(shù)(表2)，采取基于燃料的計算方法.其中公共汽車、出租車、電動自行車的碳排放核算公式為:

表1 不同交通方式的碳排放系數(shù)Table 1 Carbon emission factors of different transportation modes

表2 不同能源的標(biāo)準(zhǔn)量轉(zhuǎn)換系數(shù)和碳排放系數(shù)Table 2 Standard quantity conversion factors and carbon emission factors of different energy sources

其中:Ct1為公共汽車、出租車、電動自行車的居民交通碳排放總量；Dt1i為第i 項(xiàng)交通工具的年總行駛距離；ηt1i為第i 項(xiàng)交通工具的碳排放系數(shù).地鐵、汽車、新能源汽車的碳排放核算公式為如下:

其中:Ct2為地鐵、汽車、新能源汽車的居民交通碳排放總量；Et2i為第i 項(xiàng)交通工具的能源消費(fèi)量；ηt2i為第i 項(xiàng)交通工具的碳排放系數(shù)；EFi為第i 項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)量轉(zhuǎn)化系數(shù).

1.2 工業(yè)碳排放

本研究選取原煤、天然氣、汽油、柴油、燃料油、電力六種主要工業(yè)能源作為估算成都工業(yè)碳排放的基準(zhǔn).參考《2006年IPCC 國家溫室氣體清單指南》[11]與中國碳排放相關(guān)參數(shù)(表1)，得到碳排放測算公式如下:

其中:Ci為城市工業(yè)碳排放總量；Ein為第n 項(xiàng)工業(yè)所用能源的消耗量；ηin為第n 項(xiàng)工業(yè)所用碳排放系數(shù)；EFn為第n 項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)量轉(zhuǎn)化系數(shù).

1.3 農(nóng)業(yè)碳排放

結(jié)合IPCC(2006)推薦指南中方法以及其他學(xué)者研究成果，農(nóng)業(yè)碳排放以化肥、農(nóng)藥、農(nóng)用薄膜、農(nóng)用柴油、農(nóng)業(yè)播種面積和農(nóng)業(yè)灌溉六種碳源進(jìn)行計算.其中碳源排放系數(shù)如表3所示.農(nóng)業(yè)碳排放量計算公式如下:

表3 六類碳源的排放系數(shù)Table 3 Emission coefficients of six types of carbon sources

其中:Ca為城市農(nóng)業(yè)碳排放總量；Ti為第i 項(xiàng)城市農(nóng)業(yè)碳源的量；δi為第i 項(xiàng)城市農(nóng)業(yè)碳源的排放系數(shù).

1.4 數(shù)據(jù)來源及處理

本文測算成都市各產(chǎn)業(yè)碳排放量各項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于《成都統(tǒng)計年鑒2021》[12]、中國軌道交通協(xié)會《城市軌道交通2020年度統(tǒng)計和分析報告》[13]、《四川省統(tǒng)計年鑒(2021)》[14]、《中國能源統(tǒng)計年鑒》[15]、《2020年成都市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》[16]等.數(shù)據(jù)分析使用Microsoft Excel 2022 進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，并繪制曲線圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 交通碳排放量

根據(jù)《成都統(tǒng)計年鑒2021》、中國軌道交通協(xié)會《城市軌道交通2020年度統(tǒng)計和分析報告》等，可以直接得出成都地鐵2020年總能耗以及各種不同交通方式的數(shù)據(jù).由于對于不同交通方式，品牌、車型、時段的乘車人數(shù)差異、道路擁堵情況等的影響，對年均車輛行駛總路程做如下經(jīng)驗(yàn)估算，取公共汽車、出租車、轎車、電動自行車分別為6.9、9、1.5、0.48 萬km/輛.對于汽車和新能源汽車，采取基于燃料的計算方法，取汽油/電力消耗量為8 L/100 km 和15 kW·h/100 km，汽油密度為722 kg/m3.同時，根據(jù)不同的交通方式選用公式(1)和(2)進(jìn)行計算，可得不同交通方式具體碳排放量(表4).

表4 不同交通方式的碳排放量Table 4 Carbon emissions of residents in different transportation modes

由表4 及圖1 可見，成都市交通碳排放總量為407.81×107kg，人均碳排量為268.35 kg.其中汽車碳排放量為295.41×107kg，占交通碳排放總量的72.4%，是最主要的交通碳排放源.而電動自行車由于總數(shù)量較多，用電較為分散且利用率較低，碳排放量為42.37×107kg，約占交通排放總量的10%；近年來在網(wǎng)約車快速發(fā)展的條件下，對出租車使用沖擊較大，出租車使用量呈減少趨勢，僅排放了8.37×107kg；占交通總碳排放量8%的地鐵碳排量為13.77×107kg；公共汽車和新能源汽車兩種交通方式的碳排放量較少，分別為15.25×107kg 和13.77×107kg.

圖1 居民交通方式碳排放量分布Fig.1 Distribution of carbon emission of residents′transportation modes

高瑩(2019)對天津市交通碳排放的研究發(fā)現(xiàn)，天津市人均交通碳排放量為299.58 kg[17]，與本研究268.35 kg/人的結(jié)果相差不大.可能由于成都市近幾年對新能源汽車和氫能源公共汽車車的支持，使得成都市人均交通碳排放量略低于天津市.

推進(jìn)交通運(yùn)輸?shù)吞及l(fā)展，實(shí)行公共交通優(yōu)先，加強(qiáng)軌道交通建設(shè)，鼓勵自行車等綠色出行方式，是國家綠色發(fā)展的重要戰(zhàn)略方向.為了更直觀地反映公共交通出行的重要性，本研究基于《成都統(tǒng)計年鑒2021》和《2020年成都市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》等資料提供的交通出行載客量數(shù)據(jù)，核算了2020年成都市居民乘坐不同交通工具出行的人均碳排放量.其中，汽車和新能源汽車的載客量簡化成為總保有量乘以乘車人數(shù)(按3 人計)進(jìn)行計算，結(jié)果見表5.

表5 2020年成都居民人均交通碳排放量Table 5 Per capita traffic carbon emissions of Chengdu residents in 2020

由表5 可以看出，公共交通人均碳排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于私家車.公共汽車和地鐵兩種方式的人均碳排放量分別為0.14 kg/人和0.27 kg/人；而汽車的人均碳排放量高達(dá)235.08 kg/人，約為公共交通的1000 倍.值得注意的是，成都市新能源汽車的人均碳排放量為204 kg/人，約為燃油汽車的86.66%.原因在于新能源車的載客量多，因而人均碳排放量相對較低。 由于新能源車普及度不高，技術(shù)還未完全成熟，其總碳排放較少.另外，由于新能源汽車的普及度不高，其總碳排放量較少.隨著未來新能源汽車的普及，可在一定程度上削減交通碳排放總量.

根據(jù)相關(guān)資料，成都市將持續(xù)在全市推廣新能源汽車，到2025年底，全市新能源汽車保有量達(dá)到60萬輛，力爭達(dá)到80 萬輛.表6 根據(jù)上述遠(yuǎn)景目標(biāo)預(yù)測了2025年汽車和新能源汽車的數(shù)量以及碳排放量.按照汽車近幾年增長趨勢，估計了2025年的汽車保有量(450 萬輛)，并按規(guī)劃取中值設(shè)定新能源汽車數(shù)量為70 萬輛.可以看出，新能源汽車相對于汽車，在較高的車輛數(shù)占比下(0.05%)，而產(chǎn)生較低的碳排放量(0.04%).假設(shè)在2020年全部應(yīng)用新能源汽車.如表7 可得知，全年將排放282.07×107kg，與實(shí)際相比減少了27.12×107kg 的碳排放量，約減少了8.77%.

表6 2020 和2025年碳排放量對比Table 6 Comparison of carbon emissions in 2020 and 2025

表7 全部應(yīng)用新能源汽車后的減碳情況Table 7 Carbon reduction after applying new energy vehicles

通過對2020 和2025年兩種交通方式的碳排放量的比較，可以看出在碳排放量的占比上，新能源汽車的數(shù)量在2025年將提高至13%，其碳排放量的占比相較2020年將會提高8%.另外，上述結(jié)論是基于新能源汽車在這兩年內(nèi)的能源消耗率一致，然而隨著國家、企業(yè)對新能源汽車的重視，其耗能率將會減少，新能源汽車對碳減排的貢獻(xiàn)將會有著很好的前景.

2.2 工業(yè)碳排放量

根據(jù)《成都統(tǒng)計年鑒2021》得知，成都市規(guī)模以上工業(yè)行業(yè)有37 類，如表8所示.將各種行業(yè)所消耗的原煤、天然氣、汽油、柴油、燃料油、電力的量代入公式(3)，得出具體行業(yè)的碳排放量，如表9所示.

表8 工業(yè)行業(yè)能源碳排放量Table 8 Carbon emissions of industries

表9 工業(yè)行業(yè)分組Table 9 Industrial grouping

為了方便研究，根據(jù)各工業(yè)行業(yè)的年均碳排放量，將37 個行業(yè)中，年均碳排放量在100×107kg 以上、年均碳排放量在10～100×107kg 之間和年均碳排放量在10×107kg 以下的行業(yè)劃分為高碳、中碳和低碳三個類別，具體劃分見表9.

根據(jù)表8、表9 和圖2 可知，規(guī)模以上工業(yè)行業(yè)總碳排放量為1 609.61×107kg.4 個高碳產(chǎn)業(yè)碳排放量為1 037.21×107kg，占到總工業(yè)碳排放量的64%；18個中碳產(chǎn)業(yè)排放量為531.00×107kg；低碳產(chǎn)業(yè)僅排放碳41.41×107kg.其中電力、熱力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)產(chǎn)生的碳排放量最高，達(dá)到588.11×107kg，占到總工業(yè)行業(yè)碳排放的36%.

圖2 三組工業(yè)行業(yè)碳排放量分布及高碳各行業(yè)碳排放量分布Fig.2 Carbon emission distribution of three groups of industries and carbon emission distribution of high carbon industries

圖3 規(guī)模以上工業(yè)產(chǎn)業(yè)能源碳排放量Fig.3 Carbon emissions of industries above Designated Size

邊宇等研究了2015年京津冀城市工業(yè)碳排放量變化，得出京津冀城市的平均碳排放量1 580.07×107kg[18]；沈泉宏等研究武漢地區(qū)2019年工業(yè)碳排放情況，得出武漢的工業(yè)碳排放量為2 799×107kg[19].本研究核算的成都工業(yè)碳排放量為1 609×107kg，介于京津冀城市群和武漢地區(qū)之間.原因是成都市不屬于重工業(yè)城市，因而碳排放遠(yuǎn)低于武漢，與京津冀地區(qū)城市平均值基本相當(dāng).

在京津冀地區(qū)，工業(yè)高碳行業(yè)電力、煤氣及水的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)和黑色金屬冶煉及壓延業(yè)在8 個高碳行業(yè)(碳排放量在320 至5 000×107kg 之間)中分別約占20%和41%.可見成都市的工業(yè)結(jié)構(gòu)偏重電力、電子等方面.

對于工業(yè)企業(yè)的能源結(jié)構(gòu)，將37 類規(guī)模以上工業(yè)行業(yè)所消耗的原煤、天然氣、汽油、柴油、燃料油和電力的量及其碳排放量的計算如表10所示:

表10 規(guī)模以上工業(yè)產(chǎn)業(yè)能源消耗量以及碳排放量Table 10 Energy consumption and carbon emissions of industries above Designated Size

由于能源碳排放量差距較大，因此使用lg(碳排放量)作為縱坐標(biāo)作圖.可以看出，電力的碳排放量在規(guī)模以上工業(yè)產(chǎn)業(yè)能源中占到很大比例，達(dá)到了接近70%，對傳統(tǒng)能源煤和天然氣的用量偏少.相比于武漢，其工業(yè)能源結(jié)構(gòu)主要以煤炭和原油為主，分別碳排放量為1 260.46 和657.58×107kg，而電力僅排放346.77×107kg，占到總排放量的12%.可見，成都的能源結(jié)構(gòu)以電力為主.不僅在工業(yè)中，電力是主要碳排放源，此外對于交通分析可知，電力的使用也占到很大的比例，交通中電力的使用也是當(dāng)前的趨勢.因此在發(fā)電能源方面進(jìn)行發(fā)展改革將是碳減排重要路徑.

2.3 農(nóng)業(yè)碳排放量

將《成都統(tǒng)計年鑒2021》所統(tǒng)計的化肥、農(nóng)藥、農(nóng)用薄膜等數(shù)據(jù)代入公式(4)，由于缺少當(dāng)年農(nóng)業(yè)灌溉面積，故應(yīng)用了2017年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計算，得出農(nóng)業(yè)碳排放總量，如表11所示.

表11 農(nóng)業(yè)六種碳源碳排放量Table 11 Carbon emissions of six carbon sources in agriculture

根據(jù)表11 和圖4，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的碳排放總量為25.65× 107kg.其中化肥是最大的碳排放源，為14.21×107kg，占農(nóng)業(yè)總排放量55.4%；農(nóng)用薄膜產(chǎn)生了6.51×107kg，占25.4%；農(nóng)藥使用的碳排放量占總量8%；農(nóng)業(yè)播種面積所產(chǎn)生的碳最少，僅占總量的0.3%.

圖4 農(nóng)業(yè)六種碳源碳排放量分布Fig.4 Distribution of carbon emissions from six agricultural carbon sources

胡婉玲等對1997－2017年間北京、天津、上海等地的農(nóng)業(yè)碳排放特征進(jìn)行了詳細(xì)研究，獲得上述地區(qū)農(nóng)業(yè)碳排放均值為33.23×107kg，其主要碳排放源為化肥，占到了農(nóng)業(yè)總碳排放量的55.4%，農(nóng)用薄膜次之，占到了25.4%[20].以上數(shù)據(jù)與本研究對成都市分析結(jié)果符合.上述可見，化肥和農(nóng)膜使用的碳排放總量合計約占成都市農(nóng)業(yè)碳排放總量的80%.因此，嚴(yán)格控制化肥和農(nóng)膜的使用，是成都市農(nóng)業(yè)碳減排的重點(diǎn)方向.

2.4 三種行業(yè)碳排放總量

綜合前述城市交通排放源、城市工業(yè)排放源和農(nóng)業(yè)排放數(shù)據(jù)，得出2020年成都三種主要產(chǎn)業(yè)碳排放總量，結(jié)果如表12所示.由表12 可以看出，2020年成都市交通、工業(yè)和農(nóng)業(yè)總碳排放量為2 043.07×107kg.工業(yè)源碳排放量1 609.61×107kg，是占比最大的碳排放源，占總排放量的78.78%；其次是交通出行排放源，總計碳排放量407.81×107kg，占比達(dá)到19.96%；農(nóng)業(yè)源的碳排放量最低，僅為25.65×107kg，占比不足2%.

綜上所述，在成都市碳排放源結(jié)構(gòu)中，工業(yè)是最重要的排放源，因此，在工業(yè)排放源上采取有效減排措施，是減少成都市碳排放的關(guān)鍵.具體來說，一是大力提高工業(yè)企業(yè)能效，加快節(jié)水技術(shù)推廣、提升碳排放重點(diǎn)行業(yè)水效、優(yōu)化工業(yè)用水結(jié)構(gòu).二是對區(qū)域的高碳排放行業(yè)，如石油和天然氣開采業(yè)、非金屬礦物制品，設(shè)備制造業(yè)等重點(diǎn)行業(yè)已有設(shè)備和工藝進(jìn)行升級改造.使用余熱回收設(shè)備、采用新型高效節(jié)能技術(shù)等，降低能源消耗和廢氣排放，提高能源利用效率.三是加強(qiáng)高碳排放行業(yè)的能源管理，例如制定能源消耗指標(biāo)、建立能源管理體系、開展能源審計等，有效控制能源的消耗和二氧化碳排放.

3 結(jié)論

2020年成都市總碳排放量為2 043.07×107kg.工業(yè)排放源是占比最大的碳排放源，占總排放量的78.78%；其次是交通排放源，占比達(dá)到19.96%；農(nóng)業(yè)的碳排放量最低，占比不足2%.工業(yè)排放量為1 609.61×107kg，其中電力在能源消耗碳排放所占比重最大，都接近70%.居民交通排放總量為407.81×107kg，其中汽車排放量最大，占72.4%.電動車和地鐵分別為42.37×107kg 和32.64×107kg，各占10.4%和8.0%，三者合計占交通源90.8%，是交通減排的重點(diǎn)領(lǐng)域.農(nóng)業(yè)排放源總量為25.65×107kg，其中化肥源占比最高，達(dá)55.4%，農(nóng)膜次之，其碳排放量為6.51×107kg，占25.4%.兩者總計占農(nóng)業(yè)碳排放80%，是農(nóng)業(yè)減排的重點(diǎn)方向.在成都市碳排放源結(jié)構(gòu)中，工業(yè)是最重要的排放源，因此，在工業(yè)排放源上采取有效減排措施，是有效減少成都市碳排放的關(guān)鍵.