湖南市域化石能源消費碳排放時空格局及驅動因素

劉賢趙,高長春,宋 炎,張 勇,宿 慶,田艷林

1 湖南科技大學建筑與城鄉規劃學院, 湘潭 411201 2 湖南科技大學生命科學學院, 湘潭 411201

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湖南市域化石能源消費碳排放時空格局及驅動因素

劉賢趙1,*,高長春1,宋 炎1,張 勇1,宿 慶2,田艷林1

1 湖南科技大學建筑與城鄉規劃學院, 湘潭 411201 2 湖南科技大學生命科學學院, 湘潭 411201

研究碳排放時空格局演變及其影響因素對指導碳減排具有重要意義。利用2008—2013年湖南省14地市規模以上工業企業終端能源消費數據,運用IPCC提供的參考方法和對數平均迪氏指標分解模型(Logarithmic Mean Divisia Index, LMDI)對湖南市域碳排放量、人均碳排放量、碳排放強度的時空格局及碳排放量變化的影響因素進行了研究。結果表明：1) 2008—2013年湖南市域碳排放量隨時間變化趨勢不一,大致呈3種類型變化；累積碳排放量居前3位的市域依次是婁底、岳陽和湘潭,三者累積碳排放量占全省同期的48.92%,而吉首、張家界和懷化3市的累積碳排放量合計僅占全省的2.59%。2) 湖南市域能源消費碳排放量、人均碳排放量存在相似的空間差異,二者均表現為東高西低的格局,且具有較強的相關性,碳排放量高的市域,人均碳排放量也較高；2008—2013年湖南市域碳排放強度呈下降趨勢,屬于低強度區的市域由2008年的4個增加到2013年的7個,碳排放強度的空間分布與市域產業類型有關。3) 能源結構、能源強度對碳排放的增長主要起抑制作用,但能源結構的貢獻很小,碳排放量的降低主要是由能源強度引起的；經濟發展是碳排放增長的最主要因素,在2008—2010年和2011—2013年兩個時段其累積貢獻值分別為74.285和27.579；人口規模對碳排放的驅動較小,在2011—2013年對碳排放增加產生的累積貢獻值僅為2.252。湖南當前及未來碳減排的重點是加快發展清潔能源與提高能效并重,優化能源結構和促進產業結構升級,從戰略層面促進湖南“四大區域”協調發展。

化石能源；碳排放；時空格局；湖南市域

氣候變化不僅是生態環境問題,更是對區域經濟社會可持續發展的嚴峻挑戰[1]。IPCC第四次評估報告認為,過去50年全球平均氣溫的升高,90%以上與人類活動產生的溫室氣體有關,而傳統的化石能源消費產生的CO2等溫室氣體是造成全球溫室效應的主要原因[2]。因此,降低CO2等溫室氣體排放、減緩氣候變暖進程已成為全球面臨的共同課題。我國改革開放30多年來,經濟持續快速增長,城市化和工業化快速推進,導致化石能源消費長期處于高位增長態勢,由此引發能源消費碳排放迅速增長。據2012年國際能源署(IEA)的統計數據顯示,中國能源消費碳排放量已于2007年的60.37×108t超過美國,成為世界上最大的碳排放國[3]。盡管目前尚未被列入為京都議定書第一批限定的碳減排國家的行列,但中國碳排放問題卻引起了世界各國的關注。作為負責任的大國,中國政府承諾到2020年單位GDP碳排放量在2005年的基礎上下降40%—45%,并將其作為約束性指標納入國民經濟和社會發展中長期規劃中。

目前,國內外諸多學者對能源消費碳排放的區域差異、碳排放驅動因素和經濟發展與碳排放的關系以及碳減排路徑等方面做了大量的研究[4-16]。彭覓等[12]采用1998—2007年30個省份的能源消耗、工業產業、交通和生活數據,從省域層面上分析了碳排放總量和單位GDP碳排放量的空間差異和變動情況。李國志等[17]對我國30個省份CO2排放量進行了測算,將其分為低排放、中排放和高排放3個區域并進行比較,發現3個區域的CO2排放存在明顯差異,并且差異性不斷擴大。原嫄等[18]基于多國數據,對全球尺度下產業結構對區域碳排放的影響進行了研究,指出第二產業份額對碳排放的影響強度為恒正值,而服務業的影響強度則逐步降低。譚丹等[19]采用灰色關聯度方法分析了中國東、中、西部3大區域生產總值與碳排放之間的關系,進而解釋了碳排放存在差異的原因。李衛兵等[20]基于STIRPAT模型,對全國和東、中、西部地區的碳排放驅動因素進行了深入考察,結果表明,人口、富裕程度、第二產業發展和能源強度都會對碳排放產生影響,而城市化水平、第三產業對碳排放的影響并不顯著,EKC曲線不適用中國的碳排放和經濟發展水平。蔣金荷[21]利用對數平均迪氏指標分解模型(LMDI)定量分析了影響中國1995—2010年碳排放變化的因素,指出影響碳排放變化最大的因素是經濟發展。Ferdinand等[22]也采用LMDI法對美國1990—2004年的碳排放量進行因素分解,發現人均GDP、能源結構、能源強度是影響碳排放的主要因素。Ang[23]利用分析架構模型對中國1953—2006年碳排放進行了研究,認為技術轉讓與對國外先進技術的吸收能力對碳排放具有抑制作用,而化石能源消耗增加、收入提高以及貿易開放廣度對碳排放具有促進作用。也有多位學者開展了湖南省能源消費碳排放的研究[24-27]。如趙先超等[25]基于碳均衡視角,利用碳排放、碳吸收、凈排放測算模型,估算模擬并分析了湖南省碳排放與碳吸收的時空差異,得出化石燃料燃燒碳排放是湖南省最主要的碳源；黃誠和陳曉紅[26]在擴展Kaya恒等式的基礎上,運用LMDI模型和DPSIR框架對湖南省1998—2011年碳排放的驅動因素進行研究,并構建了測度湖南省碳排放的脫鉤效應指數；尹向飛[27]利用STIRPAT擴展模型,基于1985—2007年數據探討了人口、消費、年齡結構和產業結構對湖南省碳排放的影響,并提出了相關對策和建議。

盡管上述成果對湖南市域碳排放的研究具有一定的借鑒作用,但多數研究主要集中在國家層面、東中西部三大區以及單個的省份[16,28-35],而且關于湖南省能源消費與碳排放的相關分析也并不十分深入,不能具體反映某個市域的碳排放特征。而我國區域資源稟賦、產業結構、能源消費、人口以及經濟發展水平存在明顯的空間差異,即使在省域內部也存在顯著的不同。因此,較粗的碳排放數據難以精確反映區域格局特征,更不利于尋求合理的碳減排政策的制定。而對區域碳排放格局的研究來說,細化到市域尺度既是制定差異化精準減排政策和目標的需要,又是對現有碳排放研究在更小尺度上的延伸。

湖南作為中部六省之一,位于中國中南部(108°47′—114°5′E,24°8′—30°08′N),地處長江經濟帶腹地,轄長沙、株洲、湘潭、常德、益陽、婁底、邵陽、衡陽、岳陽、永州、懷化、郴州、張家界和吉首等14個地市,既是我國中部地區兩型社會建設綜合配套改革試驗區,又是國家產業轉移的重要承接地。近年來,隨著工業化、城市化進程的加快和人民生活水平的不斷提高,湖南經濟增長對能源的需求和由此產生的碳排放將會明顯增加。而湖南缺煤少油少氣的事實和環境現狀,要求湖南走低碳高效的綠色發展之路。然而,湖南各市域經濟發展、產業結構和能源消費等差異較大,碳排放格局也明顯不同。因此,在經濟新常態的背景下,迫切需要查清各市域碳排放的時空格局及其影響因素,以便有針對性的提出與該地區相適應的碳減排政策及發展低碳經濟的措施。本文借助IPCC提供的碳排放估算方法和LMDI模型,分析湖南市域2008—2013年的碳排放時空格局及其驅動因素,對發展綠色湖南、建立一套適合兩型社會的碳減排策略具有一定的指導意義。

1 數據來源與研究方法

1.1 碳排放量估算

利用《IPCC國家溫室氣體清單指南》中提供的基準方法,根據各地市規模以上工業企業實際消耗的8種化石終端能源(原煤、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油和天然氣)的消耗總量估算湖南各市域2008—2013年(因2008年以前湖南市域尺度的能源消耗數據難以獲取)的CO2排放量(未考慮加工與轉換的火力發電、供熱、煉焦和煉油導致的碳排放及生活能源消費碳排放,下文述及的碳排放均指CO2排放),其計算公式如下：

(1)

式中,CE為市域各類化石能源消耗產生的碳排放量；Ei為第i類化石能源的消耗量；ei和pi分別為第i類化石能源的標準煤折算系數(取自《中國能源統計年》)和碳排放系數(取自IPCC參考值)；n為能源種類,44/12表示CO2與碳的分子量之比。8種化石能源的碳排放計算參數如表1。

表1 8種主要化石能源的碳排放計算參數

1.2 數據來源與處理

8種化石能源消耗數據、人口數據和社會經濟數據均來自2009—2014年《湖南省統計年鑒》,市域空間數據來源于國家基礎地理信息中心1∶400萬數據庫；各市域經濟數據按2008年不變價進行計算,以剔除價格因素變動產生的影響。

1.3 碳排放驅動因素分解方法

為探討湖南市域碳排放的驅動因素以及各因素對碳排放的影響程度,作者基于Kaya恒等式將湖南各市域碳排放總量與各個影響因素之間的關系表示為：

(2)

式中,POP、GDP、PE和CO2依次為人口總數、地區國內生產總值、能源消費總量(即上述8種終端能源)和碳排放量。令F=CO2/PE,表示能源結構水平；T=PE/GDP,表示能源強度；G=GDP/POP,表示經濟發展水平；P=POP,表示人口規模。

定義從基年(用0表示)到t年的碳排放量變化值為總效應(ΔCO2tot),根據無殘差項的LMDI模型,將碳排放總效應ΔCO2tot可分解為其它因素不變情況下的能源結構(指一次和二次能源)效應(ΔCO2F)、能源強度效應(ΔCO2T)、經濟發展效應(ΔCO2G)和人口規模效應(ΔCO2P)引起的碳排放變化,用式表示如下：

(3)

其中,ΔCO2F、ΔCO2T、ΔCO2G和ΔCO2P分別計算如下:

能源結構效應：

(4)

能源強度效應：

(5)

經濟發展效應：

(6)

人口規模效應：

(7)

2 結果與分析

2.1 湖南市域碳排放的時間格局特征

圖1顯示,2008—2013年湖南各市域能源消費碳排放呈現出不同的變化趨勢。根據增長速率和碳排放量變化的差異可劃分為3種類型:①高速增長型(圖1),初始碳排放量大,中后期維持高排放,碳排放年均增長率顯著高于全省平均水平(2.37%),重工業化的經濟結構特征明顯,代表市域為岳陽(年均增長率7.14%)、婁底(年均增長率9.02%),其中婁底碳排放量在2013年占全省的22.48%；②中速下降型(圖1),初始碳排放量較低,隨后呈中速下降趨勢,碳排放為負增長,代表市域為懷化(年均增長率-6.15%)、吉首(年均增長率-5.07%)和邵陽(年均增長率-4.67%)；③先升后降型,即以2011年為分界點,在此以前碳排放量呈增加趨勢,而在此之后則呈減少趨勢(圖1),碳排放年均增長率變化在0.29%—7.83%。根據初期碳排放量的差異,該類型又分為3種情況：一是初始碳排放量較大,隨后中低速增加,中后期下降但維持在較高排放,代表市域有湘潭(年均增長率3.88%)、衡陽(年均增長率2.37%)和郴州(年均增長率4.72%)；其次是初期碳排放量中等,隨后低高速增加,中后期下降但仍維持中等排放,代表市域有長沙(年均增長率0.29%)、株洲(年均增長率3.39%)、常德(年均增長率7.83%)和益陽(年均增長率2.94%)；三是初期碳排放量低但隨后中速增加,中后期下降且維持低排放,代表市域為張家界(年均增長率4.63%)和永州(年均增長率4.03%)。

圖1 2008—2013年湖南省各市域碳排放量變化Fig.1 Variations in carbon emissions at the city-level in Hunan Province from 2008 to 2013

從累積碳排放量來看(表2),2008—2013年湖南市域累積碳排放最高的是婁底,其次是岳陽,湘潭以13550.6×104t位居第三,三者累積碳排放總量占全省同期累積碳排放總量的48.92%；累積碳排放靠后的3個市域依次是吉首、張家界和懷化,它們的累積碳排放量合計為3351.0×104t,僅占全省同期的2.59%。能源消費碳排放量的高低一般與產業結構密切相關。婁底、岳陽、湘潭3市累積碳排放量較大與其傳統的鋼鐵、石化、有色冶金等高耗能產業導致的能源消費量居全省前列有關。如2013年婁底、岳陽、湘潭規模工業綜合能源消費量分別為1097.02×104、1029.35×104、654.85×104t標準煤,分別占全省規模工業能源消費量比重的16.3%、22.6%和15.3%[36],而在有碳排的能源中,煤炭的碳排放系數僅次于焦炭(表1),從而導致婁底、岳陽、湘潭的累積碳排放量較高；張家界、吉首與懷化多為旅游型城市上,支柱產業多為第一產業或第三產業,經濟發展對耗能產業的依賴較小,使得該區域成為湖南省碳排放的低值區。

表2 2008—2013年湖南市域化石能源消費累積碳排放量/104 t

2.2 湖南市域碳排放的空間格局特征

為揭示湖南市域能源消費碳排放的空間特征,對計算獲取的湖南市域碳排放橫截面數據進行分類歸檔,并運用ArcGIS 10.2軟件制圖,分別對2008年和2013年湖南市域碳排放總量、市域人均碳排放量和市域碳排放強度進行空間格局分析。

2.2.1 市域碳排放總量的空間格局變化

圖2結果顯示,湖南市域能源消費碳排放存在顯著的空間差異,碳排放總體上呈東高西低的格局。從2008年各市域碳排放量來看,碳排放量最高的是岳陽(3492.3×104t),其次是婁底(3390.0×104t),二者碳排放分別屬于超重型和重型；長沙(1318.0×104t)、株洲(1104.8×104t)、湘潭(1959.6×104t)、衡陽(1804.3×104t)、郴州(1849.6×104t)碳排放屬于中型,邵陽、懷化、永州、吉首、常德、益陽與張家界的碳排放量處于76.9—960.2×104t,明顯低于全省平均值1307.4×104t,屬于輕型碳排放,碳排放量最低的為張家界(76.9×104t)。2013年除長沙、懷化、吉首等市域外,多數市域碳排放較2008年均有不同程度的增加。其中,婁底碳排放量由原來的重型跨入超重型,湘潭、郴州兩市則由中型碳排放轉變為重型碳排放,常德、益陽由輕型碳排放轉變為中型碳排放。除中型碳排放的市域數量保持不變外,輕型碳排放的市域由2008年的7個下降到2013年的5個,重型以上碳排放的市域由2008年的14.3%上升到2013年的26.6%,這與部分市域第二產業比重過大以及在追求經濟增長時過度依賴消耗化石能源這種粗放的經濟增長方式導致的高排放有關,同時也暗示湖南碳減排的形勢不容樂觀,進一步削減碳增量、控制碳總量將是湖南較長一段時間內需要考慮的現實問題。

圖2 2008年和2013年湖南市域能源消費碳排放空間格局Fig.2 Spatial carbon emission patterns caused by energy consumption at the city-level of Hunan Province in 2008 and 2013

2.2.2 市域人均碳排放量的空間格局變化

人均碳排放是反映人口對有限碳排放空間占有程度的指標,能體現能源使用和碳排放的公平性[37]。圖3顯示,湖南省人均碳排放也存在明顯的市域差異,總體上表現出與市域碳排放量相似的空間格局,即人均碳排放量顯示出東高西低的特征。2008年,婁底的人均碳排放量最高(8.10 t),其次是湘潭(6.67 t)、岳陽(6.64 t),人均碳排放量明顯高于全省14地市的平均值(2.71 t),屬湖南省人均碳排放高值區；而湖南西北部、西部以及西南部,市域人均碳排放量普遍較低,常德、吉首、張家界、懷化、邵陽和永州6市的人均碳排放位于0.35—1.65 t之間,明顯低于全省平均值,屬湖南人均碳排放低值區,最低值出現在湘西的吉首(0.35 t)；益陽、長沙、株洲、衡陽、郴州5市的人均碳排放量處于1.86—3.71 t之間,圍繞平均值上下波動,屬湖南人均碳排放中值區。2013年市域人均碳排放空間格局基本未發生變化(與2008年相比),但各市域之間人均碳排放的差異性明顯加大。如婁底的人均碳排放量由2008年的8.1 t增加到13.6 t,而吉首的人均碳排放則由2008年的0.35 t減少到0.32 t,前者是后者的42倍,且婁底、湘潭和岳陽從2008年的高值區跨入到2013年的超高值區,人均碳排放量的變差系數由2008年的0.91上升到2013年的1.06。

圖3 2008年和2013年湖南市域人均碳排放空間格局Fig.3 Spatial patterns of per capita carbon emissions at the city-level in Hunan Province in 2008 and 2013

2.2.3 市域碳排放強度的空間格局變化

碳排放強度是指生產萬元GDP所釋放的碳排放量,是衡量經濟結構合理性和經濟發展中科學技術水平的重要指標,也可以理解為相對碳排放效率(與碳排放強度為負向特征)。圖4顯示,湖南省碳排放強度在地理空間上也表現出顯著的市域差異,但變化規律并不明顯。2008年,婁底的碳排放強度最大(6.42 t),其次是岳陽(3.28 t)、湘潭(3.28 t)、郴州(2.38 t)、衡陽(1.80 t)、益陽(1.70 t)、株洲(1.41 t)、邵陽(0.96 t)、常德(0.95 t)、長沙(0.84 t)、懷化(0.73 t)、永州(0.63 t)、吉首(0.43 t),張家界市的碳排放強度最小(0.42 t)。其中,婁底、岳陽、湘潭、郴州4市的碳排放強度變化在2.38—6.42 t之間,明顯高于全省14地市碳排放強度的平均值(1.77 t),屬于湖南省超高強度區和高強度區；懷化、永州、吉首、張家界4市的碳排放強度處于0.42—0.84 t之間,明顯低于全省14地市的平均值,屬湖南省低強度區；其它6市則為中強度區,碳排放強度基本與平均值持平(圖4)。上述碳排放強度的這種空間格局與各市產業類型密切相關,2008年屬于超高強度區和高強度區的婁底、岳陽、湘潭和郴州4市,其產業均以傳統重工業為主(如湘潭市的冶金、有色、化工等高排放行業占63%,遠高于全省36%的平均水平),經濟發展主要依賴石油化工、煤炭、鋼鐵、建材等高耗能產業,從而導致碳排放強度居高不下；而處于低強度區的懷化、永州、吉首、張家界4市絕大多數都為旅游型城市,其經濟發展對耗能產業的依賴較小,使得該區域成為湖南省碳排放的低值區[38]。2013年,各市域碳排放強度較2008年均有不同程度的下降(表3),除婁底仍屬超高強度區外,岳陽已進入高強度區,低強度區的市域由2008年的4個增加到7個(圖4),表明作為兩型社會建設試驗區的湖南對低碳發展產生了較大的推動作用。

圖4 2008年和2013年湖南市域碳排放強度空間格局Fig.4 Spatial patterns of carbon emission intensity at the city-level in Hunan Province in 2008 and 2013

年份Year長沙株洲湘潭衡陽邵陽岳陽常德張家界益陽郴州永州懷化婁底吉首20080．841．412．991．800．963．280．950．421．702．380．630．736．420．4320130．410．751．881．210．912．260．690．291．151．710．420．665．460．25DA/%-58．11-46．81-37．12-32．78-5．21-31．10-27．37-30．95-32．36-28．15-33．33-9．59-14．95-41．86

DA：降幅

2.3 湖南市域碳排放驅動因素分解

根據湖南市域碳排放量的變化特征,作者將2008—2013年劃分為2008—2010年和2011—2013年兩個時段,利用式(3)對上述兩個時段各市域的碳排放增量進行因素分解,設定ΔCO2tot的絕對值為1,得到ΔCO2F、ΔCO2T、ΔCO2G和ΔCO2P分解量的相對變化值如表4。

表4 2008—2013年湖南市域碳排放增量因素分解

2.3.1 能源結構效應對碳排放的影響

能源結構是碳排放的抑制因素之一。表4顯示,2008—2013年能源結構效應對碳排放的驅動具有一定的波動性。其中,長沙、衡陽、益陽、永州等市域的能源結構效應對碳排放的影響由2008—2010年的正向驅動轉變為2011—2013年的負向驅動,湘潭、邵陽、婁底則由同期的負向驅動轉變為正向驅動；而懷化、吉首兩市的能源結構對碳排放始終為正向作用,其它市域則始終為負向驅動。能源結構效應對碳排放增長的影響與各市域高碳能源消耗(原煤、焦炭屬于高碳能源,其碳排放系數遠高于其它能源)占消耗能源總量的變動比例有關；能源結構效應為正時,末年的高碳能源所占比例比基期年有所升高,反之則降低(表5)。除邵陽、張家界、郴州、永州與懷化外,其它市域均符合這一規律。此外,從表4還可以看出,湖南各市域能源結構效應對減少碳排放的作用不大,在2008—2010年與2011—2013年兩個時段的累計貢獻僅分別為-1.111和-0.340,這可能與湖南省能源消費結構長期以化石燃料為主(2008—2013年原煤消費在能源消耗總量中的平均比重達63.78%)、清潔能源和其它能源為輔有關[39]。因此,要更好地發揮能源結構效應,應減少對傳統化石能源的消費,加快發展新能源。

表5 2008—2013年湖南市域高碳能源占總能源消費的比例

Δ1是2010年與2008年高碳能源占總能源消費比例的差；Δ2是2013年與2011年高碳能源占總能源消費比例的差

2.3.2 能源強度效應對碳排放的影響

能源強度效應對湖南省多數市域碳排放的變化具有明顯的抑制作用,2008—2010年和2011—2013年能源強度對碳排放量變化的累計貢獻值分別為-65.699和-37.493(表4),表明能源強度是影響能源消費碳排放變化的重要因素。由于衡陽、常德、益陽3市能源消費總量增加帶來的碳排放增量(衡陽612.59×104t、常德421.80×104t、益陽313.42×104t)較大,使得能源強度效應對三者碳排放累積增量的影響在2008—2010年表現為正向,而其它市域則在整個研究期內均表現出持續的抑制作用(表4),這主要得益于同期湖南省加速推進特色新型工業化以及節能技術改造使得工業部門的能源利用效率提高進而導致碳排放量的減少[24]。綜觀表4,在2008—2013年,能源強度效應對碳排放量變化抑制作用最強的是株洲,其次是長沙、郴州、懷化、吉首和永州。原因是長沙、株洲位于湖南省經濟活力與經濟實力最強的長株潭城市群核心區域,又是國家兩型社會綜合配套改革試驗區,“十一五”和“十二五”期間加速推進了特色新型工業化進程和節能降耗技術改造,大幅降低能源消耗強度和碳排放強度,能源消費增速放緩甚至在2010年后有所下降,從而使碳排放增長明顯減緩；懷化、吉首和永州近年來確立了旅游強市的戰略目標,經濟發展對耗能產業的依賴較小,GDP增速遠高于化石能源消費增長速度；而郴州位于京廣鐵路和京珠高速沿線,經濟較為發達,加上近年第三產業發展較快,大批高能耗、高污染企業被關停,導致能源強度大幅下降,從而對碳排放產生明顯的抑制作用[40]。

2.3.3 經濟發展效應對碳排放的影響

經濟發展效應對湖南各市域能源消費碳排放量的增長表現出很強的正向驅動作用(表4),成為影響碳排放量增加的最重要因素,其累計貢獻值在2008—2010年和2011—2013年分別為74.285和27.579。從總體上看,2008—2013年湖南省6年間GDP實際增長85.43%,人均GDP實際增長87.05%,各市域實際GDP增長均在50.29%以上?？焖俚慕洕鲩L帶來了終端能源消費量的迅速增加,進而使能源消費碳排放量的增長呈加速態勢；加上湖南第二產業所占比重較大(由2008年的43.5%上升至2013年的47.0%),產業結構調整和能源利用效率成效不顯著,外延式和粗放型經濟增長主要依靠消耗大量的化石能源,從而導致經濟發展對碳排放在兩個階段都具有較大的正向效應[41]。從經濟發展對各市域碳排放變化的驅動程度看,2008—2010年,長沙、株洲經濟發展對碳排放具有顯著的正向作用,二者經濟發展效應引起的碳排放貢獻值達9.460和30.999,分別是常德的10.3倍和33.8倍(表4),原因是長沙、株洲兩市位于湖南省經濟實力最強的長株潭城市群核心區域,依托湘江新區、兩型社會試驗區和國家自主創新示范區三大平臺積極參與長江中游城市群合作與建設,對兩市經濟發展起到了較強的推動作用。在2011—2013年,多數市域經濟發展對碳排放增長的驅動作用明顯減弱,這可能是受2011年以來我國經濟下行壓力加大(2011—2013年全國GDP增速分別為10.4%、7.8%、7.7%)以及為實現經濟“軟著陸”而采取的宏觀經濟調控措施的影響[42],導致湖南經濟發展放緩。值得關注的是,在此期間,岳陽、郴州、永州3市的經濟發展驅動作用顯著增強(表4),其原因是,岳陽屬于環洞庭湖新型城鎮群區,在把洞庭湖區建設成為湖南經濟社會發展新引擎中發揮著橋頭堡的作用,由此帶動了該市經濟的快速增長；而郴州、永州是大湘南國家承接產業轉移示范區的中心城市,與珠三角、港澳臺、北部灣和東南亞的對接融合有利于郴州、永州在更大范圍、更寬領域和更高平臺上發展經濟,進而使能源消費碳排放量快速增長[43]。

2.3.4 人口規模對碳排放的影響

人口規模效應對碳排放的影響程度較小,但作用方向并非始終為正(表4)。2008—2010年,僅長沙、株洲、岳陽3市人口規模對碳排放產生正向作用,其他市域則為負向作用,人口規模對碳排放增長貢獻最大的是長沙。這與長沙市域農村勞動力的非農轉移導致人口快速增加直接相關。據統計,2010年長沙、株洲、岳陽人口較2008年分別增加了9.1%、1.2%和0.4%,長沙城市化率提高了近7.0%,而同期其它市域人口不增長。人口的迅速增加和快速城市化一方面使長沙城鎮規模急劇擴張,直接引起能源消費的增長；另一方面,通過改變居民生產方式和消費模式間接促進能源消費量的增加,從而導致碳排放量上升。2011—2013年,盡管各市域人口規模對碳排放的影響均為正向效應,但對碳排放增加的貢獻仍較小,全省累積貢獻相對值僅為2.252,這可能與此期間各市域人口年均增長率上升幅度較小(<1%)有關。

3 討論與結論

目前關于能源消費碳排放的研究,主要集中在國家、區域和省域3個層面,從市域尺度探討碳排放的相關報道較少。本文運用IPCC提供的參考方法和LMDI因素分解模型對工業化與城市化快速推進的湖南市域能源消費碳排放時空格局及其碳排放量的變動進行了因素分解。

(1)2008—2013年湖南市域能源消費碳排放隨時間呈不同的變化趨勢,基于增長速率和碳排放量變化的差異可歸納成3種類型：高速增長型(岳陽、婁底)、中速下降型(懷化、吉首、邵陽)和先升后降型(湘潭、衡陽、郴州、長沙、株洲、常德、益陽、張家界、永州)。6年間累積碳排放量居前3位的市域依次是婁底、岳陽和湘潭,三者累積碳排放量占全省同期的48.92%；累積碳排放量較低的3個市域依次為吉首、張家界和懷化,其累積碳排放量合計為3351.0×104t,僅占全省的2.59%。盡管能源消費碳排放變化受同期人口、經濟增長、技術進步和能源消費結構等多種因素的綜合影響,但在一定程度上,能源消費碳排放量與產業結構密切相關。據統計,2008—2013年湖南省第二產業終端能源消費占全省的85%以上,且工業能源消費在能源消耗總量中占絕對地位。如石油化工、有色冶金、水泥建材等不僅消耗能源最多,而且碳排放強度也最高(約為農業能源消費的34.9倍)[24]。岳陽、婁底、湘潭3市之所以累積碳排放量、人均碳排放量、碳排放強度均維持在較高水平,與其第二產業多為高碳排放產業密不可分(湘潭高排放行業占63%,遠高于全省36%的平均水平),而張家界、吉首與懷化多為非高耗能、非高排放的第一產業或第三產業,經濟發展對耗能產業的依賴較小,因而碳排放量較低。這也從側面說明湖南省碳減排的重點在高排放區,而不是低排放區。

(2)湖南市域能源消費碳排放量存在明顯的空間差異,總體上表現為東高西低的格局。2008年,碳排放量最高的是岳陽(3492.3×104t),其次是婁底(3390.0×104t)、湘潭(1959.6×104t)、郴州(1849.6×104t)、衡陽(1804.3×104t)、長沙(1318.0×104t)、株洲(1104.8×104t)、益陽(970.6×104t)、常德(960.2×104t)、邵陽(537.8×104t)、懷化(469.8×104t)、永州(372.6×104t)、吉首(96.9×104t),張家界碳排放量最低(76.9×104t)；2013年除中型碳排放的市域數量不變外,輕型碳排放的市域由2008年的7個下降到5個,重型碳排放以上的市域由2008年的14.3%上升到26.6%,這可能與湖南目前正處于城市化和工業化快速推進階段以及部分城市因第二產業比重過大而在追求經濟增長過程中過度依賴消耗大量能源導致高碳排放有關。因此,進一步削減碳增量、控制碳總量將是湖南較長一段時間內亟待解決的現實問題。湖南市域人均碳排放也存在明顯的區域差異,在空間格局上表現出與市域碳排放量極為相似的特征,即碳排放量高的市域,人均碳排放量一般也較高,如岳陽、婁底、湘潭3市既屬于碳排放量(超)重型區,也屬于人均碳排放量(超)高值區,這說明湖南當前處于工業化中期的城市,其碳排放總量與人均碳排放量具有較強的相關性。2008—2013年湖南市域碳排放強度顯著下降,屬于低強度區的市域由2008年的4個增加到2013年的7個,表明湖南兩型社會建設對低碳發展產生了積極的推動作用,但碳排放強度的空間差異性更加明顯。2008年,碳排放強度由大到小依次是婁底(6.42 t)、岳陽(3.28 t)、湘潭(3.28 t)、郴州(2.38 t)、衡陽(1.80 t)、益陽(1.70 t)、株洲(1.41 t)、邵陽(0.96 t)、常德(0.95 t)、長沙(0.84 t)、懷化(0.73 t)、永州(0.63 t)、吉首(0.43 t)和張家界(0.42 t)。碳排放強度空間分布與市域產業結構具有一定的關聯性,2008年婁底、岳陽、湘潭、郴州4市之所以成為碳排放的(超)高強度區,其原因在于它們的產業均以傳統重工業為主,經濟發展對于高耗能產業的依賴性較大,這也暗示該地區是湖南省未來碳減排潛力最大的區域；而處于低強度區的懷化、永州、吉首、張家界4市絕大多數都屬于旅游型城市,經濟發展對耗能產業的依賴較小,對于這類地區,進一步推動技術進步和做大做強第三產業是提高能源消費碳排放效率的主要途徑；其它6市(長沙、常德、株洲、衡陽、益陽和邵陽)則為中強度區,碳排放強度基本與全省平均值持平,處于高強度向低強度的過渡區域。

(3)能源消費碳排放變化是人口規模效應、經濟發展效應、能源結構效應和能源強度效應綜合作用的結果。其中,能源結構效應和能源強度效應對碳排放起負向作用,但前者貢獻很小,在2008—2010年與2011—2013年兩個時段累計貢獻值僅為-1.111和-0.340,碳排放量的下降主要是由能源強度效應引起的；經濟發展效應是碳排放增長的正向決定因素,其累積貢獻值在上述兩個時段分別為74.285和27.579,而人口規模效應對碳排放增加的驅動較小,2011—2013年其累積貢獻值僅為2.252。上述結果表明,經濟發展是拉動湖南省碳排放增長的最主要因素,而能源強度下降則是抑制碳排放的主要推動力量,如何協調經濟增長與碳排放之間的矛盾是湖南經濟社會低碳發展的關鍵所在。此外,以高碳能源為主的能源消費結構調整成效不顯著(2008—2013年湖南省原煤消費在能源消耗總量中的平均比重達63.78%),沒能對降低碳排放產生明顯的促進作用,同時,湖南省通過調整高碳型產業結構和提高能源效率來減少碳排放的空間還較大。

基于以上結論,湖南省在碳減排時建議做好以下工作：一是優化城市功能分區,明確功能定位,從戰略層面促進湖南“四大區域”協調發展；二是優化能源消費結構,加快發展清潔能源與提高能效并重,減少對傳統化石能源的消費；三是嚴控化工、冶煉、建材等高能耗高排放行業的盲目發展,積極促進旅游產業、新型服務業和戰略性新興產業等的快速發展,以便更好地發揮產業結構效應在碳減排中的作用。

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Temporal-spatial carbon emission patterns caused by fossil energy consumption at the city level in Hunan Province, China and the factors driving their composition

LIU Xianzhao1,*,GAO Changchun1,SONG Yan1, ZHANG Yong1,SU Qing2,TIAN Yanlin1

1CollegeofArchitectureandUrbanPlanning,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201,China2CollegeofLifeScience,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201,China

To reduce carbon emission, there is a need to explore the spatio-temporal evolution patterns of carbon emissions and the factors that influence this process. The terminal energy consumption data of industrial enterprises above a designated size in 14 cities in Hunan Province, China, from 2008 to 2013, were used to study the temporal-spatial patterns and the factors influencing carbon emissions, per capita carbon emissions, and carbon emission intensity at the city scale in Hunan Province. These factors were analyzed using the reference approach provided by the IPCC and the Logarithmic Mean Divisia Index (LMDI). The results showed that 1) from 2008 to 2013, different cities had different carbon emission growth trends, which could be classified into three categories. The top three cities for cumulative carbon emissions were Loudi, Yueyang, and Xiangtan, and their total cumulative carbon emissions accounted for 48.92% of the province′s total carbon emissions over the study period. In contrast, the total cumulative carbon emissions from Jishou, Zhangjiajie, and Huaihua accounted for only 2.59%. 2) The city-level carbon emissions and per capita carbon emissions in the eastern cities were higher than those in the western cities of Hunan Province. Furthermore, carbon emissions and per capita emissions were strongly correlated. The cities with high carbon emissions had higher per capita carbon emissions. However, carbon emission intensities from each city in Hunan Province decreased over the period, and the number of cities classified as being in a low-carbon-emission intensity region increased from four in 2008 to seven in 2013. The spatial distribution of carbon emission intensity was related to the type of industry in the city. 3) The energy structure and energy intensity factors could reduce carbon emission growth, but the energy structure contribution was very small and the reduction in carbon emissions was mainly caused by energy intensity. Economic development had the strongest positive impact on carbon emissions, and its cumulative contribution values were 74.285 and 27.579 during 2008—2010 and 2011—2013, respectively. Population size had a small effect on carbon emission, and its cumulative contribution to carbon emissions was only 2.252 in 2011—2013. The focus of current and future carbon emission reduction in Hunan is to accelerate the development of clean energy, improve energy efficiency, promote the optimization and upgrading of energy and industrial structures, and, at a strategic level, to enhance the coordinated development of the four regions in Hunan.

fossil energy; carbon emission; temporal-spatial pattern;city level in Hunan Province

10.5846/stxb201511212362

教育部人文社科項目(14YJAZH050)；湖南省社會科學基金項目(14YBA170)

2015- 11- 21; 網絡出版日期:2016- 08- 30

劉賢趙,高長春,宋炎,張勇,宿慶,田艷林.湖南市域化石能源消費碳排放時空格局及驅動因素.生態學報,2017,37(7):2476- 2487.

Liu X Z,Gao C C,Song Y, Zhang Y,Su Q,Tian Y L.Temporal-spatial carbon emission patterns caused by fossil energy consumption at the city level in Hunan Province, China and the factors driving their composition.Acta Ecologica Sinica,2017,37(7):2476- 2487.

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xianzhaoliu@sina.com