基于碳收支核算的鄭州市碳排放壓力分析及預測

侯麗朋, 趙榮欽, 劉 英, 劉秉濤, 丁明磊, 張戰平

(1.華北水利水電大學 資源與環境學院, 鄭州 450045; 2.鄭州航空工業管理學院土木建筑工程學院, 鄭州 450046; 3.華北水利水電大學 環境與市政工程學院, 鄭州 450045)

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基于碳收支核算的鄭州市碳排放壓力分析及預測

侯麗朋1, 趙榮欽1, 劉 英2, 劉秉濤3, 丁明磊1, 張戰平1

(1.華北水利水電大學 資源與環境學院, 鄭州 450045; 2.鄭州航空工業管理學院土木建筑工程學院, 鄭州 450046; 3.華北水利水電大學 環境與市政工程學院, 鄭州 450045)

區域碳收支核算是全球氣候變化研究的關鍵內容。城市碳收支核算不僅有助于建立區域碳平衡分析的理論框架，而且對于區域溫室氣體清單編制及低碳發展模式的選擇也具有十分重要的意義。以鄭州市為例，在對碳收支及碳排放壓力進行核算分析的基礎上，采用線性回歸方法和最小二乘法對鄭州市2030年的碳排放進行了預測研究，并提出了鄭州市低碳城市發展的政策建議。主要結論如下：(1) 鄭州市碳收支呈明顯不匹配現象，碳排放總量及其增速明顯超過了碳吸收。其中，能源活動和農作物分別是主要的碳源和碳匯途徑，兩者各占碳排放/吸收比重的80%以上；(2) 鄭州市碳排放強度呈下降趨勢。這表明，隨著節能減排和區域發展模式的轉型，區域碳排放效率明顯提升；但總體而言，鄭州市經濟增長與碳排放的關系處于弱脫鉤狀態，經濟發展仍然依賴于能源消耗及碳排放增長；(3) 預測發現，2030年碳排放量雖比2012年大幅度增長，但碳排放效率逐漸提升，預期碳排放增長率不斷下降。

碳收支; 鄭州市; 碳排放壓力; 預測

近年來，氣候變化已經成為人類社會普遍關注的全球性問題[1]。碳收支核算是全球氣候變化研究的內容之一[2-5]。前期研究主要側重于對自然生態過程的碳循環、碳收支及碳平衡的研究[6-8]。城市是人類各種產業活動集中分布的區域，科學地評估城市碳收支狀況不僅有助于建立科學的城市碳收支清單，全面認識全球氣候變化規律，而且對于低碳城市發展策略制定也具有重要的實踐意義。近年來，國內外眾多學者對碳收支進行了研究.國外學者分別以美國奧克蘭市[9]、鳳凰城[10]、韓國Chuncheon，Kangleung 和Scoul 等城市[11]為例分析了城市植被的碳吸收動態及其對人為碳排放的補償效果[12]；Marchi[13]建立了區域碳循環模擬的框架，并對意大利Siena省進行了實證研究；Stephen[14]對墨西哥城市系統的碳流通和碳平衡進行了分析；Christen等[15]對溫哥華的Sunset 社區的碳平衡狀況進行了模擬分析。國內學者也開展了區域碳收支[16]、碳循環、碳平衡[17-18]及碳補償[19]的研究。趙榮欽等[20]構建能源消費碳排放模型，并對江蘇省的碳收支進行了核算分析[21]；孫建衛等[22]以區域投入產出分析為基礎，對生產我國滿足國民經濟最終消費的產品(服務)量所需要的直接或間接碳排放量進行了分析，并對碳排放及各部門之間的碳關聯進行了分析；謝鴻宇等[23]通過對陸地生態系統的碳循環進行分析，結合能源熱量轉換和碳排放數據，基于凈生態系統生產量(NEP)計算了各種化石能源及電力的生態足跡；賴力等[24]結合Bicknell 的投入產出模型思路，對江蘇經濟的需求、進口、出口以及積累等各項生態性土地及化石能源地占用做出了估算。另外，一些學者開展了區域層面土地利用碳收支核算及低碳土地利用模式研究[25-26]。上述相關研究為區域碳收支核算提供了思路及方法借鑒。

總體而言，前期城市碳收支研究一方面主要是關于能源消費碳排放的核算研究，關于城市碳收支的集成研究與碳壓力評估還需要加強；另一方面關于沿海發達城市的研究較多，對中西部城市的研究相對較少。鄭州市處于城市化快速發展的階段，能源消耗量急劇上升，人類活動對區域碳收支的影響不斷加深，在我國中部城市具有較好的代表性。鑒于此，本文開展鄭州市碳收支和碳排放壓力分析，一方面為鄭州市碳收支清單和城市低碳策略的制定提供實踐指導，另一方面也為全國其他城市的低碳發展研究提供參考借鑒。

1　材料與方法

1.1數據來源

本研究采用鄭州市2000—2012年的能源消費、土地利用、人口、工業生產等相關數據，對鄭州市能源活動、工業生產、農業生產過程、廢棄物處置的碳排放及碳吸收量進行了核算。研究采用數據主要來自歷年的《中國能源統計年鑒》、《中國城市統計年鑒》、《中國城市建設統計年鑒》、《河南統計年鑒》、《鄭州統計年鑒》等。

1.2研究方法

(1) 碳收支核算方法。碳排放主要來自于四個方面：能源消費、工業生產、農業生產及城市廢棄物。能源消費碳排放主要是指煤、石油、天然氣、電力和熱力等消費的碳排放；工業生產碳排放主要包括鋼鐵、水泥、玻璃、合成氨等產品生產過程的碳排放；農業碳排放主要來自于畜牧養殖及水稻種植；城市廢棄物處置碳排放主要來自固體廢棄物(焚燒釋放CO2，填埋釋放CH4)及城市廢水，以上各項碳排放相關計算方法和參數詳見文獻[27]。

碳吸收主要來自于農作物用地、城市森林、草地及城市水域。其中森林和草地的碳吸收率分別采用3.810，0.948 t/hm2，農作物的碳吸收采用下列計算公式：

CA=∑CAi

(1)

CAi=rai×YBi=rai×YEi/μi

(2)

式中：CA——農作物總碳吸收；CAi——第i類農作物碳吸收；rai——第i類農作物碳吸收率；YEi——第i種農作物的經濟產量；YBi——第i種農作物的生物產量；μi——第i種農作物的經濟系數。各種作物的碳吸收率和經濟系數見文獻[27]。

水域碳吸收主要包括水域固碳、水域干濕沉降和水生生物光合作用的碳吸收，其計算公式及參數見參考文獻[27]。

(2) 碳排放壓力分析方法。基于上述計算結果，選取下列指標對鄭州市碳排放壓力進行分析：單位碳排放產值、碳排放強度、脫鉤指數、碳排放的GDP彈性。

碳排放產值體現單位碳排放產生的經濟價值，定義為GDP與碳排放的比值；碳排放強度表現為碳排放與GDP的比值，表示每增加一個單位GDP所需的碳排放量。

脫鉤指數計算公式如下[28]：

(3)

式中：DR——脫鉤指數；EP——環境壓力變量；DF——經濟驅動力變量；t0，t1——研究時間段的起止時間。以GDP的可比價代表經濟驅動變量，碳排放代表環境壓力變量。一般而言，脫鉤指數越低，說明脫鉤程度越大，表明GDP的增長越不依賴于能源消費碳排放的增長。若DRt0,t1小于1，則為相對脫鉤；如果DRt0,t1小于1同時EPt0/EPt1小于1，則為絕對脫鉤，即實現了碳排放絕對量的減少。

碳排放的GDP彈性是碳排放變化率與GDP變化率的比值，利用彈性系數、GDP變化和碳排放變化率三個指標可以確定碳排放與GDP的脫鉤程度。

(3) 碳排放預測方法。考慮到城市碳排放及其快速增長主要受能源消費、城市化發展及人口消費的影響，因此，本文選取能源消費量、人口、城市建成區面積三個指標，建立三元線性回歸方程對鄭州市碳排放進行預測分析：

Y=a+b1x1+b2x2+b3x3

(4)

式中：Y——城市碳排放量預測值；x1——能源消費量；x2——人口數量；x3——城市建成區面積；b1，b2，b3——三個指標對應的的回歸系數，其值可應用最小二乘法解標準方程得到：

L11b1+L12b2+L13b3=L1Y；

L21b1+L22b2+L23b3=L2Y；

L31b1+L32b2+L33b3=L3Y。

上述方程中：

用三階行列式解上述方程組得：

2　結果與分析

2.1鄭州市碳收支核算結果分析

通過前文的計算公式，對鄭州市各項碳排放進行了核算并匯總分析，研究發現，鄭州市碳收支具有以下特征。

(1) 鄭州市碳收支呈明顯不匹配現象，碳排放明顯增長，而碳吸收增長速度較慢。2000年鄭州市碳排放840萬t，2012年碳排放2 888萬t，增長了2.44倍；2000年碳吸收量40萬t，2012年碳吸收54萬t，增長了35%(表1)；鄭州市碳排放及碳吸收均逐年增長，但是碳排放增長速度大于碳吸收，主要原因在于鄭州市處于城市快速發展的階段，能源消費量急速上升，人類活動對城市碳收支的影響不斷加深。因此，由人類活動產生的碳排放量急速上升。

(2) 能源活動是鄭州市碳排放的主要來源。鄭州市歷年能源活動碳排放占總碳排放比重均在80%以上，能源活動碳排放主要來自于工業企業能源消費及城市交通，其比重2000年為85%，2012年為85%，比重最小值為82%(2007年)(表1)，總體上其比重呈現先上升后下降的趨勢；主要原因在于城市能源活動核算對象為城市工業企業能源消費及城市交通系統，鄭州市處于經濟上升期，一方面快速工業化帶來了較大的能源消費需求，另一方面隨著機動車輛逐年增多，城市能源活動碳排放逐年增加且比重較大。

(3) 農作物用地碳吸收是主要的碳匯來源。2000年農作物碳吸收比重為91%，2012年為90%，最大值94%(2001年，)最小值79.3%(2008年)(表1)，農作物碳吸收比重呈現下降趨勢，農作物碳吸收是主要的碳匯，其比重均在80%(除2008年)以上；森林碳吸收比重總體上呈現先上升后下降的趨勢，最大值18.6%(2008年)；草地碳吸收比重2000年0.55%，2012年為2%，增長了大約3倍(表1)，但其比重仍然很小；水域碳吸收比重<1%。究其原因，鄭州市是重要的糧食生產基地，農作物用地面積較大，因此碳吸收主要來自于此；城市水域碳吸收量及其比重均很少，主要原因在于鄭州市為內陸城市，城市轄區內水域面積較小。

(4) 工業生產和城市廢棄物的碳排放也成為重要的碳源。工業生產碳排放比重2000年為7%，2012年為8%，最大值為10.85%(2007年)，比重呈現先上升后下降的趨勢，工業生產的碳排放量在總碳排放量中所占比重逐年減少；農業生產碳排放所占比重最小，不足1%，農業生產碳排放來源于水稻種植及畜牧養殖，鄭州市水稻種植面積較小且畜牧養殖業較規模化，因此農業碳排放較少；城市廢棄物碳排放主要來自于固體廢棄物的焚燒填埋及城市廢水，其比重2000年為8%，2012年為7%，總體上其值呈現下降但很穩定(5%～8%)的特征，隨著城市廢棄物處置方式更加合理化，其碳排放量及比重均會逐年下降(表1)。

表1　2000-2012年鄭州市碳收支匯總　萬t

結合鄭州市各縣市的數據，可以得到鄭州市碳排放的區域差異。2012年，鄭州市金水區碳排放量最多，為440.29萬t，惠濟區碳排放量最少，為48.25萬t(圖1)。這是因為金水區是鄭州市經濟最發達的區域，不僅工業發展，而且城市建設和擴展速度較快，因此在城市化過程中帶來了較多的碳排放.惠濟區位于鄭州北部的沿黃地區，生態環境較好，主要以農產品、蔬菜和花卉業為主，是鄭州市重要的生態保護區，因此相對碳排放較低.而鄭州市周邊縣市中，鞏義、新鄭等市工業較為發達，特別是煤炭、鋁土礦和有色金屬等重工業占比較大，而導致了該地區有較大的能源消費需求。

圖1　2012年鄭州市各轄區碳排放

2.2鄭州市碳排放壓力分析

鄭州市2000年碳排放強度為1.18 t/萬元，碳排放產值為0.85萬元/t，2012年碳排放強度為0.52 t/萬元，而碳排放產值為1.93萬元/t；碳排放強度下降率56%。碳排放強度逐年下降而碳排放產值呈現上升趨勢，鄭州市碳循環效率在增加，即每排放1 t碳產生的單位GDP在增加(圖2)。

鄭州市經濟增長與碳排放的脫鉤指數有如下特征：

圖2　2000-2012年鄭州市碳排放強度及碳排放產值

(1) 2000年經濟增長與碳排放的脫鉤指數為1.06，2012年其值為0.92，大多數年份其值<1(圖3)，總體上脫鉤指數呈下降趨勢，脫鉤程度越來越大，說明隨著經濟的發展，GDP的增長不僅僅依靠能源的大量耗費及碳排放的持續增長。

(2) 鄭州市碳排放壓力在增大，大多數年份環境壓力變量EP值大于1，但經濟驅動力變量(以GDP衡量)的增長速度快于EP的變化，因此大多數年份中DR值小于1，但是經濟增長與碳排放實現絕對脫鉤的年份只有2009年(環境壓力變量<1且脫鉤指數<1)，所以，鄭州市經濟增長主要依靠能源大量消費及碳排放的增加。

鄭州市碳排放的GDP彈性研究發現：(1) 2000—2012年，除2004年、2005年、2012年為擴張性耦合、2009年為強脫鉤外，其余年份，經濟增長與碳排放處于弱脫鉤狀態(表2)，說明碳排放受經濟增長驅動較弱，在這些年份期間，GDP與碳排放均增長，但是GDP的增長率大于碳排放的增長率。

(2) 從GDP增長率與碳排放增長率變動情況來看，2000—2011年碳排放增長率均小于GDP的增長率，碳排放及GDP的增長率均呈現先上升后下降的趨勢，主要原因在于，在此期間鄭州市處于經濟騰飛時期，政府大量招商引資發展經濟，能源消費量急速上升，因此，碳排放及GDP均處于增長階段。2008年脫鉤指數僅為0.13(表2)，脫鉤狀態較為理想，2008年奧運會期間，全國各城市響應“綠色奧運”的號召，加快綠色城市建設，因此2008至2009年碳排放量很少，與此同時，鄭州市于奧運期間大量引進建設項目，加快城市建設，經濟快速發展，所以GDP的增長快于碳排放的增長，脫鉤指數較低。

圖3　2000-2012年鄭州市經濟增長與碳排放的脫鉤指數

(3) GDP增長率的變化反映了宏觀經濟的動態變化，碳排放增長率的變化反映了節能減排調控政策的波動，上述結果說明，鄭州市碳排放與經濟增長的脫鉤程度受到經濟運行狀況及節能減排政策的共同影響，且節能減排政策的影響將會越來越大。

表2　2000-2012年鄭州市碳排放的GDP彈性

2.3鄭州市碳排放預測分析

由上述研究可知，鄭州市城市碳排放主要與城市工業企業能源消費、人口及城市建設有關，因此選取“能源消費、人口、城市建成區面積”三個指標對鄭州市碳排放進行預測，其線性關系模型如下：

Y=-1290.85+0.85x1+1.72x2+1.21x3

其中的自變量可以通過趨勢外推方法或者其他的回歸分析方法求得。

預測誤差的綜合指標有平均絕對誤差、均方誤差和標準誤差，根據上述模型，其計算結果如下：

按照回歸模型預測誤差分析，13個預測值中(樣本范圍內)與實際值的誤差穩定在±3%(除2000年)上下，因此該回歸預測模型是比較可靠的，可以用來預測未來碳排放的變化。

按照本文的預測模型，鄭州市碳排放將呈現明顯的線性增長。預測結果發現，鄭州市2030年碳排放量為5 655.48萬t(表3)。這表明，現在的經濟發展模式還不足以滿足未來大幅度碳減排的需要，并難免會造成碳排放的大幅增長。另外，預測結果也發現，如果按照未來15a的經濟發展軌跡，2030年的鄭州市碳排放雖然比2012年大幅度增長，但鄭州市碳排放效率會逐漸提升，碳排放增長率也將不斷下降。盡管如此，今后的低碳轉型還需要依賴于較強的低碳管制，不論是低碳技術、能源結構調整、產業淘汰等，在將來都是重要的碳減排策略.2014年《中美聯合氣候變化公報》中中國承諾到2030年前后碳排放達到峰值，但對于鄭州市而言，要實現這一目標，還任重道遠，需要政府的大力推動和企業的積極參與，共同推動經濟社會的低碳轉型。

對碳排放壓力的預測結果發現：2016年鄭州市碳排放3 350.68萬t，2030年碳排放達5 655.48萬t(表3)，其增長率69%，相較于2000—2012年的碳排放增長率，2016—2030年，碳排放的增長率一直處于下降狀態，盡管鄭州市碳排放壓力在增大，但是碳排放的效率處于上升狀態；2016年鄭州市單位碳排放強度0.54t/萬元，2030年達到0.49t/萬元，降幅為11%，2016年單位碳排放產值1.85萬元/t，2030年其值為2.05萬元/t(表3)，增長率11%。在預測模型下，鄭州市碳排放強度逐年下降，而碳排放產值逐年上升，由此可見，隨著鄭州市能源利用效率的提升和產業結構的轉型，鄭州市碳排放效率將會不斷提升。

表3　2016-2030年鄭州市碳排放及碳排放壓力預測

3　結論與建議

(1) 鄭州市碳收支呈現明顯不匹配現象：碳排放增長顯著，從2000—2012年碳排放量增長了2.44倍，而碳吸收量的增長很緩慢，為35%,碳吸收量不足以補償碳排放；(2) 鄭州市能源活動碳排放是其主要碳源，農作物碳吸收是主要的碳匯，二者所占碳排放/碳吸收的比重均在80%以上；(3) 鄭州市碳排放強度逐年下降，碳排放效率明顯提升；(4) 多數年份鄭州市經濟增長與碳排放處于弱脫鉤狀態，未實現經濟增長與碳排放的絕對脫鉤，經濟發展仍依賴能源的消耗及碳排放的增加；(5) 按未來15 a的經濟發展軌跡進行預測，2030年鄭州市碳排放雖比2012年大幅度增長，但其排放效率逐漸提升，碳排放增長率也不斷下降。

綜合上述研究，對鄭州市低碳經濟發展提出如下建議：(1) 降低煤炭等傳統高污染能源的使用比例，提高能源使用效率，重點改善城市能源消費結構和效率，全力發展低碳和無碳能源，促進能源供應的多樣化；(2) 優化城市結構，發展公共交通，提高交通的通達性，抑制交通碳排放的過快增長；(3) 推廣農業固碳，保護耕地、水域及濕地，植樹造林，培植高碳吸收植物；(4) 調整產業結構，推進高碳產業向低碳逐步轉型，在鄭州市迎接東部產業轉移中加強低碳技術和產業的引進：(5) 鄭州市應盡快建立低碳能源系統、低碳技術體系和低碳產業結構，建立與低碳發展相適應的生產方式、消費模式和鼓勵低碳發展的政策、法律體系和市場機制，最終實現經濟社會的低碳轉型。

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Carbon Emission Pressure and Its Prediction of Zhengzhou City Based on Carbon Budget Estimation

HOU Lipeng1, ZHAO Rongqin1, LIU Ying2, LIU Bingtao3, DING Minglei1, ZHANG Zhanping1

(1.School of Resources and Environment, North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou450045,China; 2.SchoolofCivilEngineering,ZhengzhouInstituteofAeronauticalIndustryManagement,Zhengzhou450046,China; 3.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450045,China)

Urban carbon budget estimation is one of the key topics of the study on global climate change. Carrying out the carbon budget estimation of cities not only helps build the theoretical framework of regional carbon balance analysis，but also has great significance for the compilation of regional greenhouse gas inventory and the choice of low-carbon development pattern. Zhengzhou City was chosen as an example and the carbon emissions in the year 2030 was predicted by adopting the liner regression method and the least squre method.The low-carbon urban development policy suggestions were put forward on the basis of urban carbon budget study. The main conclusion are as follows. (1) The carbon emission and the carbon sink were not matching obviously. The carbon emission and its growth rate were significantly more than the carbon sink. Among them, the energy activities and the crops were the main source of carbon emission and carbon sink, respectively, and both of which accounted for more than 80% of the emission/sink. (2) The carbon intensity of Zhengzhou presented the decline trend, suggesting that carbon intensity improved significantly along with the implementation of policies of the energy conservation and emission reduction and the transformation of the regional pattern of development. However, the economic growth and the carbon emission were in the weak decoupling state and the development of economic still relied on the consumption of energy and the emission of carbon. (3) According to the prediction we find that there will be a substantial increase of the carbon emission in 2030 compared with the emissions of 2012, but the carbon efficiency will enhance gradually and the expected emission growth rate will decline.

carbon budget estimation; Zhengzhou; carbon emission pressure; prediction

2015-04-27

2015-05-14

國家自然科學基金(41301633);河南省教育廳人文社會科學研究項目(2015-GH-088);華北水利水電大學大學生創新計劃項目(201492)

侯麗朋(1991—),女,河南永城人，碩士研究生,主要研究方向為城市碳排放和可持續發展。E-mail：1589330278@qq.com

趙榮欽(1978—),男,河南孟津人,博士后,副教授,主要從事土地利用與碳排放研究。E-mail:zhaorq234@163.com

X502

A

1005-3409(2016)02-0207-06