2000—2017年江蘇省縣域尺度碳平衡時空變化特征分析

彭 瑞, 吳 丹, 高 潔, 呼和濤力

(1.常州大學 環(huán)境科學與工程學院, 江蘇 常州 213164; 2.常州大學 城鄉(xiāng)礦山研究院, 江蘇 常州 213164)

0 引 言

溫室效應帶來的氣候變化正嚴重影響著人類未來生存,因此,降碳增匯成了當今世界關注的重點話題之一[1]。我國于2020年9月提出了2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”的目標。作為經(jīng)濟總量和經(jīng)濟質(zhì)量都走在全國前列的省份,江蘇省在落實“雙碳”戰(zhàn)略決策上承擔著表率和示范的重要使命[2]。縣域是經(jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉移的基本行政單元,對于實現(xiàn)經(jīng)濟社會發(fā)展全面綠色轉型具有重要意義[3]。開展江蘇省縣域尺度碳平衡研究,摸清碳排放與固碳量家底,分析碳平衡時空變化規(guī)律,對于縣域減排增匯路徑提升具有重要的參考價值。

區(qū)域碳排放和固碳量核算是分析碳平衡的基礎,但我國目前還沒有統(tǒng)一完善的核算體系[4],核算結果亦具有一定的差異[5]。在碳排放/固碳量估算方法上使用較多的是IPCC法[6-7]和遙感反演法[8-9]。在時空分析上主要從不同視角和地理尺度探究碳排放/固碳總量[10]、碳排放效率[11]、碳排放強度[12]、碳收支與碳補償[13-14]、碳足跡[15]、碳壓力和碳中和[16]等;運用STIRPAT(Stochastic Impacts by Regression on Population, Affluence and Technology)模型法、LMDI(Logarithmic Mean Divisia Index)因素分解法、投入產(chǎn)出法等分析經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)、人口等因素對碳排放/固碳量的影響[17-19]。

總體而言,國內(nèi)外學者對于碳排放/固碳量的系統(tǒng)研究已取得豐富成果,對本文研究具有重要借鑒意義。由于縣域尺度統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息不完整且大部分指標數(shù)據(jù)難獲取,目前的研究大多偏重于大尺度、短時期碳排放或碳固定單方面研究[20-21],將兩者結合起來的長時間序列碳平衡變化特征分析亦較少[22-25]。本研究以江蘇省各個區(qū)縣為研究單元,采用公開的能源消費碳排放和植被固碳量統(tǒng)計數(shù)據(jù),系統(tǒng)分析2000—2017年江蘇省縣域尺度碳排放、固碳量特點及碳平衡時空變化特征,旨在為提出更具針對性和可操作性的縣域減排增匯措施和建議提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

江蘇省地處中國東部沿海地區(qū)中部,東臨黃海。地跨北緯30°45′N—35°08′N,東經(jīng)116°21′E—121°56′E,北接山東,西連安徽,東南與上海、浙江接壤,是長江三角洲地區(qū)的重要組成部分。土地面積10.72萬km2,下轄13個設區(qū)市,95個縣(市、區(qū)),其中19個縣、21個縣級市、55個市轄區(qū)。根據(jù)地理位置劃分,江蘇省被劃分為蘇南(南京、無錫、常州、蘇州、鎮(zhèn)江)、蘇中(南通、揚州、泰州)、蘇北(徐州、連云港、淮安、鹽城、宿遷)3個部分。截至2021年末,全省常駐人口8 505.4萬人,城鎮(zhèn)化率73.9%,地區(qū)生產(chǎn)總值11.6萬億元。

1.2 數(shù)據(jù)來源

縣域單元碳排放與固碳量數(shù)據(jù)(2000—2017年)均來源于中國碳核算數(shù)據(jù)庫(CEADs, www.ceads.net),該數(shù)據(jù)庫提供全公開、全透明、全免費的數(shù)據(jù)下載。采用粒子群優(yōu)化-反向傳播(PSO-BP)算法,根據(jù)國家地球物理數(shù)據(jù)中心提供的DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)估算中國縣域CO2排放量[26]。采用MODIS平臺提供的植被凈初級生產(chǎn)力NPP數(shù)據(jù)產(chǎn)品(MOD17A3),通過植被干物質(zhì)與吸收CO2的轉化系數(shù)[27]得到縣域陸地植被固碳量[26]。數(shù)據(jù)以表格形式存儲,具有連續(xù)性、統(tǒng)一性、直觀性、完整性等優(yōu)點。

1.3 研究方法

本研究碳平衡系數(shù)是指區(qū)域年度碳排放量和植被固碳量之比,該指標不僅可以綜合衡量碳排放量與固碳量間的關系,還可評估一段時間內(nèi)區(qū)域人類活動產(chǎn)生的碳排放與自然生態(tài)系統(tǒng)碳吸收間的平衡關系。

當碳平衡系數(shù)>1時,表示區(qū)域內(nèi)碳排放量大于植被固碳量;當碳平衡系數(shù)=1時,表示區(qū)域內(nèi)碳排放量與植被固碳量相互平衡,是比較理想的狀態(tài);當碳平衡系數(shù)<1時,表示區(qū)域內(nèi)排放的二氧化碳可以完全被陸地植被所吸收。分析不同時空尺度下的碳平衡系數(shù)可以為區(qū)域低碳可持續(xù)發(fā)展、空間規(guī)劃、環(huán)境評價體系構建等提供本底參考。

2 結果與分析

2.1 江蘇省縣域碳排放時空特征分析

2000—2017年,江蘇省各設區(qū)市碳排放量逐年增加(圖1)。蘇南地區(qū)碳排放量占比50%左右,年均增長率8.15%;蘇中和蘇北碳排放量占比分別約為20%和30%,年均增長率分別為7.27%、7.17%。3個地區(qū)產(chǎn)生差異的主要原因是,蘇南地區(qū)高能耗產(chǎn)業(yè)發(fā)達、城市化水平高、經(jīng)濟快速發(fā)展等,而蘇中和蘇北地區(qū)工業(yè)發(fā)展相對不發(fā)達。從增長趨勢來看,蘇州、常州、無錫、宿遷、鹽城、鎮(zhèn)江的年均增長率依次為9.24%、8.38%、8.07%、7.90%、7.83%、7.71%,排在江蘇省前六位。徐州、南京、淮安的年均增長率依次為6.52%、6.72%、6.87%,處在江蘇省后三位。蘇州歷年碳排放量最高,約為宿遷的4倍;南京碳排放量位居江蘇省第二位,但其年均增長率較低;宿遷歷年碳排放量在省內(nèi)最低,但其年均增長率較高。

圖1 2000—2017年江蘇省各設區(qū)市碳排放量變化

為了更好地展示碳排放量的空間分布格局,本研究將縣域碳排放量劃分為5個等級(表1)。基于等級劃分標準,江蘇省縣域尺度碳排放總體呈現(xiàn)“南高北低”的空間分布格局。高碳排放區(qū)域主要分布在蘇南地區(qū),如蘇州常熟和昆山、無錫江陰市、南京江寧區(qū)、常州武進區(qū),少數(shù)零星分布于蘇中、蘇北地區(qū)的部分縣域。低排放區(qū)如徐州睢寧縣、淮安洪澤區(qū)和金湖縣、鹽城響水縣,在2000—2017年碳排放量增幅變化不大,這些地方的經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)多為農(nóng)業(yè)或旅游業(yè),高污染的工廠企業(yè)較少。江蘇省縣域碳排放空間分布格局逐漸趨于穩(wěn)定,空間聚集程度逐漸增強。蘇南地區(qū)在2010年后碳排放分布格局變化較小;蘇中、蘇北地區(qū)因經(jīng)濟發(fā)展導致能源消耗量增大,高碳排放區(qū)呈現(xiàn)“由南向北”推進的趨勢。

表1 碳排放量等級劃分標準

從碳排放量等級來看,在總體格局變化不大的基礎上,部分區(qū)縣則表現(xiàn)出更多的不穩(wěn)定性(圖2)。2000年,低排放型縣域個數(shù)有56個,輕度排放型有39個,其中碳排放量最高的是南京江寧區(qū)(476.3萬t),其次是無錫江陰市(465.3萬t);碳排放量最低的是常州鐘樓區(qū)(72.5萬t),其次是南京秦淮區(qū)(76.7萬t)。2005—2010年,碳排放量類型變化最集中的是一般排放型和輕度排放型,輕度排放型縣域個數(shù)由2005年的60個下降到2010年的39個,一般排放型由2005年的17個增長到2010年的42個。此外,2010年比2005年新增了重度排放型,蘇州昆山市和常熟市、無錫江陰市由中度排放型變?yōu)橹囟扰欧判?蘇州張家港市、常州武進區(qū)、南京江寧區(qū)由一般排放型變?yōu)橹囟扰欧判汀?017年多數(shù)縣域碳排放量較2010年均有所增加,一般排放型由2010年的42個上升到2017年的52個。蘇州虎丘區(qū)、連云港海州區(qū)等由一般排放型變?yōu)檩p度排放型,常州金壇區(qū)、鹽城建湖縣、宿遷宿豫區(qū)等12個縣域由輕度排放型變?yōu)橐话闩欧判?蘇州吳江區(qū)由中度排放型變?yōu)橹囟扰欧判汀?/p>

從人均碳排放量與碳排放強度變化看,江蘇省各縣域人均碳排放量總體呈現(xiàn)逐年增長趨勢且南北空間差異較為明顯,而碳排放強度則表現(xiàn)不同。2000—2017年,江蘇省縣域人均碳排放量均值由2000年的3.3 t/人增加到2017年的8.7 t/人;2010年之前增長率達162%, 2010—2017年增速為3.69%。縣域碳排放強度均值表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢,由2000年的3.30 t/萬元增長到2005年的3.46 t/萬元,從2010年的1.91 t/萬元降低至2017年的0.95 t/萬元。碳排放量與人口、經(jīng)濟發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結構等有很大的關系。經(jīng)濟發(fā)達的蘇南地區(qū)盡管碳排放量高,產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化與技術進步帶來能源利用效率的提高,其碳排放強度逐漸降低。

2.2 江蘇省縣域固碳量時空特征分析

2000—2017年,江蘇省各設區(qū)市植被固碳量變化不大(圖3)。蘇北地區(qū)植被固碳總量占比52%左右,年均增長率0.78%;蘇南和蘇中地區(qū)植被固碳總量占比分別為26%和22%,年均增長率分別為-0.08%和-0.14%。3個地區(qū)產(chǎn)生差異的主要原因是,蘇北擁有豐富的自然資源,植被固碳量相對較高[28-30]。蘇南和蘇中地區(qū)快速城鎮(zhèn)化、工業(yè)化導致自然植被面積減少,碳匯吸收量則相對較低。從增長趨勢來看,2000—2017年,徐州、宿遷、連云港、淮安、南京、揚州年均增長率依次為1.23%、1.00%、0.97%、0.90%、0.56%、0.45%,排在江蘇省前六位。蘇州、南通、泰州、無錫的年均增長率依次為-0.54%、-0.39%、-0.25%、-0.18%,處在江蘇省后四位。鹽城和南通植被固碳量高但年均增長率較低,常州植被固碳量雖低但年均增長率為正值。

圖3 2000—2017年江蘇省各設區(qū)市植被固碳量變化

江蘇省縣域尺度植被固碳量總體呈現(xiàn)“四周高中心低”的空間分布特點,研究時段內(nèi)總體空間分布格局變化不大(圖4)?？臻g分布形成以江蘇東部鹽城(大豐區(qū)、射陽縣、東臺市)、南通如東縣為中心的高碳匯帶(390萬～640萬t),西部高碳匯區(qū)(390萬～490萬t)分布在宿遷泗洪縣、淮安盱眙縣,北部形成以宿遷沐陽縣為中心的高碳匯區(qū)(300萬～450萬t)向四周蔓延,南部則是以蘇州吳中區(qū)為中心的高碳匯區(qū)(320萬～420萬t)向兩邊延伸。鹽城大豐區(qū)、射陽縣年均固碳量達600萬t以上,主要因為兩區(qū)縣具有重要的自然保護區(qū),生態(tài)資源較好。植被固碳量低值區(qū)主要分布在市中心區(qū),如徐州泉山區(qū)、南京秦淮區(qū)、蘇州姑蘇區(qū)等。盡管植被固碳量空間分布格局變化較小,其年均增長率差異較大。2000—2017年,固碳量年均增長率蘇北地區(qū)較高,一些經(jīng)濟開發(fā)區(qū)則出現(xiàn)負增長,如常州鐘樓區(qū)、無錫新吳區(qū)、泰州海陵區(qū)等。

圖4 2000—2017年江蘇省縣域植被固碳量空間分布

從植被固碳量分級來看,固碳量在100萬～200萬t范圍內(nèi)的縣域個數(shù)逐年減少,由2000年的30個下降到2017年的25個;在200萬～500萬t范圍內(nèi)的縣域個數(shù)逐年增多,由2000年的33個增長至2017年的39個。研究表明,陸地植被固碳量主要來自森林,其次是農(nóng)田和灌叢[30-31]。江蘇省縣域植被固碳量與其植被覆蓋度和植被類型關系密切。固碳量排名靠前的縣域或擁有較高的森林覆蓋率、或農(nóng)田與濕地面積占比較大。

2.3 江蘇省縣域碳平衡時空特征分析

2000—2017年,江蘇省碳排放總量總體呈上升趨勢,從2000年的1.96億t增長到2017年的6.85億t,增長近249%;在2014年達到峰值(6.99億t)(圖5)。2001—2011年碳排放量增長速度較快,與這一時期經(jīng)濟粗放式高速發(fā)展有關。在2012—2017年間碳排放增長速度明顯減緩,年均增長率為-0.19%,并在2015年出現(xiàn)回落現(xiàn)象,這與近些年的生態(tài)文明理念、高質(zhì)量發(fā)展、美麗江蘇建設等政策有關,有效地促進了產(chǎn)業(yè)結構低碳轉型、減污降碳協(xié)同增效。江蘇省植被固碳量在1.9億t上下浮動,從2000年的1.75億t上升至2017年的1.85億t,上升近5.7%,年均增長率0.33%,總體變化不大。

圖5 2000—2017年江蘇省碳排放量、固碳量、碳平衡系數(shù)變化

2000—2017年,江蘇省縣域碳平衡系數(shù)差異較大,年均增長率為7.3%。在2001—2011年呈快速上升趨勢,碳平衡系數(shù)由1.1上升至3.8,上升近245%,年均增長率13.2%。2011年后其波動范圍穩(wěn)定在3.5～4.0之間,年均增長率為-0.55%。表明江蘇省在低碳發(fā)展方面有所成效,但能源消費產(chǎn)生的碳排放量遠高于植被固碳量,為確保全省如期實現(xiàn)“雙碳”目標,亟需進一步形成節(jié)約資源和保護環(huán)境的產(chǎn)業(yè)結構、生產(chǎn)方式、生活方式,走生態(tài)優(yōu)先、綠色低碳的高質(zhì)量發(fā)展道路。

2000—2017年,江蘇省各設區(qū)市碳失衡狀況逐年嚴重(圖6)。蘇南地區(qū)的碳平衡系數(shù)年均增長率為8.2%,蘇中、蘇北地區(qū)年均增長率分別為7.4%、6.3%。蘇州市碳平衡系數(shù)年均增長率為9.8%,漲幅排全省第一;其次增幅較大的是無錫市(8.26%)和常州市(8.29%);最低的是徐州市(5.2%)。

圖6 2000—2017年江蘇省各設區(qū)市碳平衡系數(shù)變化

從江蘇省縣域碳平衡系數(shù)時空變化格局可以直觀地看出碳失衡嚴重的區(qū)縣分布狀況(圖7)。2000—2017年,碳失衡最嚴重的縣域前六位是南京鼓樓區(qū)和秦淮區(qū)、蘇州姑蘇區(qū)、無錫梁溪區(qū)、揚州廣陵區(qū)、徐州泉山區(qū)。碳平衡狀態(tài)保持較好的是鹽城射陽縣和濱海縣。盡管徐州泉山區(qū)碳失衡狀況在蘇北地區(qū)屬于最嚴重的,但其碳平衡系數(shù)年均增長率(4.45%)在蘇北縣域中最低;揚州寶應縣碳平衡系數(shù)年均增長率(5.23%)在蘇中地區(qū)最低。江蘇省各縣域碳平衡系數(shù)年均增長率最低的是南京秦淮區(qū),僅為3.26%。

圖7 2000—2017年江蘇省縣域碳平衡系數(shù)空間分布

全局來看,江蘇省各縣域碳平衡系數(shù)等級變化較多的發(fā)生于碳平衡系數(shù)<1和10～40這2個等級。其中,碳平衡系數(shù)<1的縣域,由2000年的42個減少至2017年的2個;碳平衡系數(shù)在10～40范圍內(nèi)的區(qū)縣,由2000年的6個增長至2017年的24個?？梢钥闯?隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,江蘇省碳失衡嚴重的區(qū)縣逐年增多且失衡狀況較為嚴重。

3 結 論

本研究基于縣級尺度碳排放與植被固碳量數(shù)據(jù),分析了江蘇省2000—2017年縣域碳排放、固碳量、碳平衡系數(shù)的時空變化特征,主要結論如下:

(1)江蘇省縣域碳排放量在2001—2011年增長速度較快,而后呈現(xiàn)小幅度浮動。碳排放總量從2000年的1.96億t增長到2017年的6.85億t,增長近249%?？傮w呈現(xiàn)“南高北低”的分布格局,且空間聚集程度逐漸增強。以南京市區(qū)、蘇錫常部分縣域、蘇北中心地區(qū)為代表的地區(qū),不僅是江蘇省的高碳排放區(qū),還是碳減排潛力較大的區(qū)縣。

(2)江蘇省植被固碳量從2000年的1.75億t上升至2017年的1.85億t,年均增長率0.34%。高碳匯區(qū)主要分布于自然資源豐富和植被覆蓋率較高的區(qū)縣,如東部沿海縣區(qū)的鹽城(射陽縣、大豐區(qū)、東臺市)、南通如東縣,西部種植業(yè)為主的宿遷泗洪縣和淮安盱眙縣、南部無錫宜興市等。

(3)從時間尺度上看,2000—2017年縣域碳平衡系數(shù)增長起伏變化與碳排放較為相似,部分縣域碳失衡等級隨時間變化而變化。從空間分布上看,江蘇省碳失衡的縣域個數(shù)由2000年的53個增長到2017年的93個,生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力已遠遠不能夠承受碳排放產(chǎn)生的壓力。碳失衡最嚴重的區(qū)縣前六位是南京鼓樓區(qū)和秦淮區(qū)、蘇州姑蘇區(qū)、無錫梁溪區(qū)、揚州廣陵區(qū)、徐州泉山區(qū)。碳平衡狀態(tài)保持較好的是鹽城射陽縣和濱?？h。

從省級層面上看,江蘇省2017年單位面積碳排放量全國排名第3,單位面積植被固碳量位于全國中等位置;碳平衡系數(shù)全國排名第4,高于廣東、浙江等經(jīng)濟發(fā)達省份。從時間尺度上看,盡管近年來江蘇省碳排放量趨于穩(wěn)定,由于重工業(yè)長期占據(jù)經(jīng)濟效益的主導地位,能源消耗量與碳排放量較大,碳減排面臨很大的挑戰(zhàn)。高碳排放的區(qū)縣是碳減排的重點區(qū)域和潛力區(qū)域,建議因地制宜推動產(chǎn)業(yè)綠色低碳轉型,持續(xù)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構與布局,全面提升能源資源利用效率,加強關鍵核心技術攻關,從源頭上降低碳排放。全面構建生態(tài)碳匯鞏固提升體系,強化國土空間規(guī)劃和用途管控,嚴守生態(tài)保護紅線,穩(wěn)定現(xiàn)有森林、濕地等固碳作用;同時,實施重大生態(tài)保護修復工程,開展山水林田湖草一體化保護和修復,提升生態(tài)系統(tǒng)碳匯增量,從減碳和增匯兩方面推進“雙碳”目標實現(xiàn)進程。

因縣域統(tǒng)計數(shù)據(jù)較多且難收集,碳排放與固碳量影響因素復雜,包括經(jīng)濟發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結構、人口密度、技術水平、城鎮(zhèn)化率、土地利用等[32-35],本研究僅就江蘇省各區(qū)縣碳排放量、固碳量、碳平衡時空變化歷史狀況進行了詳細分析,后續(xù)研究將基于因素分解模型篩選主要的影響因素,定量化分析各因素對碳平衡變化的貢獻率,旨在為江蘇省縣域碳平衡環(huán)境評價體系構建及減碳增匯政策制定提供決策參考。