絲綢之路經濟帶西南四省區溫室氣體排放核算及等級評估

郭玉萍，趙 超，趙先貴

(1.成都理工大學地球科學學院，成都 610059；2.陜西師范大學地理科學與旅游學院，西安 710062)

1 前 言

由溫室氣體濃度增加引起的全球變暖，已經對自然生態系統和人類生存環境產生了嚴重影響，成為國內外研究的熱點之一。隨著《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》[1]和2011年中國《省級溫室氣體編制指南》[2]的出爐，國內外學者在不同尺度上進行了溫室氣體排放研究。Boontiam等[3]評估了2005～2014年韓國家禽和生豬生產對溫室氣體排放的貢獻；Yang等[4]基于環境庫茲涅茨曲線分析了俄羅斯經濟發展對溫室氣體排放的影響，為現階段經濟轉型過程中的國家和地區提供了參考；覃小玲[5]、趙先貴[6]、王曉宇[7]分別核算了深圳、西安和咸陽等地的溫室氣體排放；楊謹[8]、張冬梅[9]、馬彩虹[10]、韋良煥[11]等分別核算了重慶、安徽、湖南、西北五省的溫室氣體排放；胡安兵根據IPCC法估算出2005～2012年四川省農業碳排放總量，研究分析了四川省農業碳排放總量的變化趨勢和主要來源，及目前農業碳排放的原因，據此提出適應四川低碳農業發展的對策建議[12]。

2013年9月和10月，國家主席習近平在出訪中亞和東南亞國家期間，先后提出共建 “絲綢之路經濟帶”和“21世紀海上絲綢之路”的戰略構想，引起國際社會高度關注[13]。2015年發布的《推動共建絲綢之路經濟帶和21世紀海上絲綢之路的愿景與行動》[14]就明確提出要突出生態文明理念，加強生態環境、生物多樣性和應對氣候變化合作，共建綠色絲綢之路。雖然國內關于省級溫室氣體排放的研究已有不少案例，但有關“絲綢之路經濟帶”所在區域系統的溫室氣體排放及等級評估的研究鮮有報道。本文根據IPCC和2011年中國《省級溫室氣體編制指南》，核算了“絲綢之路經濟帶”西南四省區(四川、重慶、云南、廣西)的溫室氣體排放，并進行了動態分析和排放等級評估，以期為研究區域制定減排方案提供依據，為建設綠色絲綢之路提供參考。

2 研究方法

根據《省級溫室氣體清單編制指南》推薦的IPCC法，分別核算了研究區域的能源活動、工業生產過程、農業活動、林業、廢棄物處理五個部門排放的溫室氣體(GHG)，通過累加各個部門排放的溫室氣體量得到整個研究區域的GHG排放總量。

2.1 能源活動

能源活動是我國溫室氣體的重要排放源。由于數據缺失及獲取難度較大，本文只核算了化石燃料燃燒活動引起的GHG排放量和電力調入調出間接引起的GHG排放量兩部分。

化石燃料燃燒活動GHG排放量計算公式：

(1)

式中，CFe為化石燃料燃燒活動CO2排放量(104t)；ACj為燃料j的消費量(104t或108m3)；NCVj為燃料j的低位發熱值(GJ/t)；EFj為燃料j單位熱值含碳量(t c/TJ)；COF為碳氧化因子；44/12是CO2與C分子量的比值；10-3為單位轉換系數。

電力調入調出引起的GHG排放量計算公式：

CFp=ACp×Q×10

(2)

式中，CFp為電力間接引起的CO2排放量(104t)，調入為正，調出為負；ACp為差額電量(108kW·h)；Q為區域電網溫室氣體排放因子(kg/kW·h)。

2.2 特殊工業生產過程

由于石灰生產、鋼鐵生產、電石生產等方面的數據統計較少且難以獲取，故本文特殊工業生產過程只計算水泥生產的溫室氣體排放量，并且只計算原料分解轉化釋放的CO2，因為燃料燃燒所釋放的CO2已包含在能源活動計算中。計算公式為：

Gi=Ec=C×75%×EF

(3)

式中，Gi為工業生產過程GHG排放量，104t CO2e；Ec為水泥生產過程CO2排放量，104t CO2；C為水泥產量，104t；75%為水泥熟料占水泥生產的比例；EF為水泥生產過程CO2排放因子，0.538 t CO2。

2.3 農業活動

農業活動GHG排放量包括稻田甲烷排放、農用地氧化亞氮排放、動物腸道發酵甲烷排放、動物糞便管理甲烷排放、動物糞便管理氧化亞氮排放5個部分。

稻田CH4排放的計算公式：

CFr=∑(EFi×ADi×10-3)

(4)

式中，CFr為稻田CH4排放總量(104t)；EFi為i類型稻田CH4排放因子(kg/hm2)；ADi為i類型稻田的播種面積(104hm2)；10-3是單位轉換系數。

農用地N2O排放包括兩部分：直接排放和間接排放。直接排放是由于農用地氮輸入引起的排放，本文選取的氮輸入為氮肥施用氮和秸稈還田氮。間接排放包括大氣氮沉降引起的N2O排放和氮淋溶徑流損失引起的N2O排放。

農用地N2O直接排放總量計算公式：

CFf1=(Nc×α+Ns)×Ff1

(5)

式中，CFf1為農用地N2O直接排放總量(104t)，Nc為氮肥施用氮總量(104t)，α為校正系數，Ns為秸稈還田氮總量(104t)，Ff1為直接排放因子，根據省級指南取推薦值0.005 6 kg N2O/kg-N輸入量。

農用地N2O間接排放總量計算公式：

CFf2=(Nlp×20%+Nin×10%)×0.01+Nin×20%×0.0075

(6)

式中，CFf2為農用地N2O間接排放總量(104t)，Nlp為禽畜糞便量(104t)，Nin為農用地氮輸入量(104t)，Nin為農用地氮輸入量(104t)。

動物腸道發酵、糞便管理CH4排放總量核算公式：

CFae=∑(EFae,i×APi×10-3)+∑(EFmm,i×APi×10-3)

(7)

式中，CFae為腸道發酵、糞便管理CH4排放總量(t CH4/a)；EFae,i為i類動物腸道發酵的排放因子(kg CH4/cap·a)；APi為i類牲畜的頭數(104cap)；EFmm,i為i類牲畜糞便管理的CH4排放因子(kg CH4/ cap·a)

糞便管理N2O排放核算方法：

CFaN2O=∑(EFaN2O,i×APi×10-3)

(8)

式中，EFaN2O,i為i類牲畜糞便管理N2O排放因子(kg N2O/( cap·a)),不同的糞便特性、管理方式及氣候條件都會引起動物糞便CH4的排放因子的變化，按區域取值；APi為i類牲畜的頭數(104cap)。

2.4 土地利用變化和林業

土地利用變化和林業包括林地轉化為非林地利用方式的變化與林業部分碳貯量的變化。由于林地轉化為非林地部分的數據難以獲取，本文只計算林業部分碳貯量的變化。計算公式為：

×0.5×44/12

(9)

2.5 廢棄物處理部門

廢棄物處理GHG排放量包括固體廢棄物(主要為城市生活垃圾)填埋處理產生的CH4排放量，生活污水和工業廢水處理產生的CH4和N2O排放量幾部分。

固體廢棄物填埋處理CH4排放量計算公式如下：

(10)

式中，CF1表示甲烷排放量(104t CH4/a)；Wt為固體廢棄物總量(104t/a)；Wf為填埋處理率；MCF為甲烷修正因子；DOC為可降解有機碳(kg C/kg 廢棄物)；DOCf為可分解的DOC比例；F為垃圾填埋氣體中甲烷比例；16/12為甲烷/碳分子量比率；R為甲烷回收量(104t CH4/a)；OX為氧化因子。

廢水處理CH4排放的計算公式如下：

×EFi-Ri]

(11)

式中，CFwt為廢水處理CH4排放總量(104t)；T為生活污水中有機物總量(104t BOD)；B0為甲烷最大生產能力，根據省級指南推薦生活污水為每千克BOD可產生0.6kg的CH4，工業廢水為每千克COD產生0.25kg的CH4；MCF為甲烷修正因子，取平均值0.165；i表示不同的工業行業；Ti為工業廢水中可降解有機物的總量(104t COD)；Si為以污泥方式清除掉的有機物總量(104t)；EFi為排放因子(kg CH4/kg COD)；R和Ri分別是生活污水和工業廢水處理的甲烷回收量(104t)；在這里BOD/COD推薦值為0.41。

廢水處理N2O排放的計算公式：

(12)

式中，CFt為廢水處理N2O的排放總量(104t)；P為人口數(104人)；Pr為每年人均蛋白質消耗量(kg/人)；FNPR為蛋白質中的氮含量(kg N/kg 蛋白質)；FNON-CON為廢水中非消耗蛋白質的排放因子；FIND-COM為廢水中工業和商業蛋白質的排放因子；Ns為隨污泥清除的氮(kg N/a)；EFE為廢水的N2O排放因子(kg N2O/kg N); 44/28為N2與N2O的轉換系數。

2.6 溫室氣體排放等級評估

2.6.1 評價方法的構建。

文中提出溫室氣體排放指數的概念，用來衡量區域溫室氣體排放對全球氣候變化的貢獻大小，并作為區域溫室氣體排放等級評估的指標，其方法：

(13)

式中：為溫室氣體排放指數，為區域人均碳足跡與應對全球氣候變化目標的人均碳足跡的比值；為碳足跡密度(即單位面積的碳足跡)與應對氣候變化目標的碳足跡密度的比值。人均2t CO2e 作為各國承擔減排義務的目標得到多數人的認可[15-16]，全球生物承載力為人均1.7hm2，故應對氣候變化目標的碳足跡密度為1.18t/hm2。Gp·max、Ga·max分別為全球人均碳足跡、碳足跡密度的最大值，分別取值15和20。

wi和w2為權重，采用熵權法計算得出。熵權法的原理是根據各指標的測算值所提供的信息量的大小來確定其權重。設有m個評價指標，n個評價對象(本文n為評價的年數)，首先將各個指標的數據進行標準化處理得到yij，然后計算第i年第項指標值(yij)占該指標總值的比重(pij)，如果pij=0，則定義limpij-0pijln(pij)=0，再計算第j項指標的信息熵(ej)，最后計算各指標的權重(wi)，有關計算公式如下：

(14)

(15)

(16)

(17)

2.6.2 等級劃分標準

利用公式(13)對中國部分省域尺度和市域尺度進行試評估，通過對試評估結果的聚類分析，結合考慮四省市的溫室氣體排放總量、人口、面積、生態環境和經濟發展狀況，制定了GHG(溫室氣體)排放指數(GEI)的等級劃分標準(見表1)，用來衡量區域溫室氣體排放水平。

表1 溫室氣體排放等級劃分標準Tab.1 The grading standard greenhouse gas emission

注：各國承擔減排義務的目標為人均2tCO2e，GEI=0.06對應于此值。

3 數據來源

文中研究所需數據，主要來源于2001～2014年四川、重慶、云南和廣西的統計年鑒、農村統計年鑒、《中國林業統計年鑒》《中國環境統計年鑒》、中國環境統計公報、國土資源公報、水資源公報，以及各地統計局、林業廳、環境保護廳、國土資源廳、水利廳等部門的統計數據。碳足跡中涉及到的溫室氣體排放因子來源于《省級溫室氣體清單編制指南》。

4 結果與分析

4.1 溫室氣體排放總量分析

從溫室氣體排放總量來看(表2)，2000～2013年4省區溫室氣體排放總量總體上呈快速增長趨勢，分別增長了143.10%，155.50%，169.69%和133.10%。年均增長分別達到7.07%，7.48%，7.93%和6.73%。其中四川省因為2012～2013年煤炭消費總量和畜禽年末存欄量均有不同程度的下降，造成溫室氣體排放總量開始下降。

從溫室氣體構成來看，四川和廣西研究期內主要溫室氣體排放總量中CO2排放比例最高，其次是CH4，N2O第三。重慶為CO2排放比例最高，其次是N2O，CH4第三。云南為CO2排放比例最高，N2O和CH4大致相當。從三者排放比例的動態變化趨勢來看，四省區主要溫室氣體排放總量中CO2的排放比例呈快速上升趨勢，而CH4和N2O的排放比例在不斷下降。

表2 2000～2013年西南四省區溫室氣體排放總量Tab.2 Total greenhouse gases emissions from 2000 to 2013 in four southwestern provinces (104tCO2e)

從溫室氣體的排放源來看(見圖1)，研究期內四省區溫室氣體排放總量中能源活動仍占主導地位，其次是農業活動，工業生產過程和廢棄物處理分列三四。林業固碳量四省區均在不斷增加，說明自1999年開始試點和推進的退耕還林工程取得實質性成效。但是林業固碳的比重各省份卻在不斷下降，說明林業固碳的增長速度趕不上溫室氣體排放總量的增長幅度，林業固碳能力增長不明顯。林業減排作用最明顯的是云南，其次是四川和廣西，重慶最弱；四川、重慶和云南林業減排作用逐年降低，廣西變化不明顯。

圖1 西南四省區溫室氣體排放源Fig.1 Sources of greenhouse gas emissions in four southwestern provinces

4.2 人均溫室氣體排放比較分析

由圖2可以看出，2000～2013年四省區人均溫室氣體排放量總體上均呈上升趨勢。四川人均溫室氣體排放從2000年的2.02t/人增加至2013年的5.00t/人，增加了146.93%，年均增長7.20%。重慶從2000年的4.24t/人增加至2013年的10.40t/人，增加了145.08%，年均增長7.14%。云南從2000年的2.80t/人增加至2013年的6.86t/人，增加了145.18%，年均增長7.14%。廣西從2000年的2.13t/人增加至2013年的4.47t/人，增加了109.67%，年均增長5.86%。研究期內四川、重慶、云南和廣西人口的增幅為-1.55%，4.25%，10.00%和11.18%，人口增幅遠遠小于人均溫室氣體的增幅，說明人口的增加雖然對溫室氣體的排放有貢獻，但并不是導致溫室氣體排放增加的主要原因。重慶因為排放總量大，人口相對最少，人均溫室氣體排放量始終高于其他省區。

圖2 2000～2013年西南四省區人均溫室氣體排放量Fig.2 Greenhouse gases emissions per capita from 2000 to 2013 in four southwestern provinces

4.3 單位面積溫室氣體排放比較分析

基于生態承載力計算四省區單位面積溫室氣體排放量，由圖3可以看出，2000～2013年四省區單位面積溫室氣體排放量總體上均呈上升趨勢。四川單位面積溫室氣體排放從2000年的2.22t/hm2增加至2013年的6.11t/hm2，增加了175.00%，年均增長8.09%。重慶從2000年的7.25t/hm2增加至2013年的16.59t/hm2，增加了128.68%，年均增長6.57%。云南從2000年的2.81t/hm2增加至2013年的7.15t/hm2，增加了154.08%，年均增長7.44%。廣西從2000年的3.84t/hm2增加至2013年的7.28t/hm2，增加了89.88%，年均增長5.06%。研究期內重慶因為排放總量大，轄區面積相對最小，單位面積溫室氣體排放量遠遠高于其他省區。

圖3 2000～2013年西南四省區單位面積溫室氣體排放量Fig.3 Greenhouse gases emissions unit area from 2000 to 2013 in four southwestern provinces

4.4 萬元GDP溫室氣體排放特征分析

由圖4可以看出，2000～2013年萬元GDP溫室氣體排放量總體上呈下降趨勢。四川萬元GDP溫室氣體排放量從2000年的4.25t/萬元下降到2013年的2.25t/萬元，下降了88.98%，年均下降5.02%。重慶從2000年的6.75t/萬元下降到2013年的3.42t/萬元，下降了97.38%，年均下降5.37%。廣西從2000年的4.87t/萬元下降到2013年的2.58t/萬元，下降了89.5%，年均下降5.03%。云南整體來看呈下降趨勢，從2000年的5.90t/萬元下降到2013年的4.11t/萬元，下降了43.45%，年均下降2.81%。西南四省區GDP溫室氣體排放量，除云南外，其余三地以年均超過5%的速度不斷降低，說明經濟發展的同時，溫室氣體減排技術水平不斷提高，能源利用效率也逐年提高。云南省在研究期內2001～2005年，有一個明顯的反彈上升期，主要原因為能源消費增速大于經濟增速，節能減排效果不明顯。

圖4 2000～2013年西南四省區萬元GDP溫室氣體排放量Fig.4 Greenhouse gases emissions per ten thousand GDP from 2000 to 2013 in four southwestern provinces

4.5 溫室氣體排放等級評估

從表3可以看出，2000～2013年，四川、重慶、云南和廣西的GHG排放指數均呈不斷增長趨勢。其中四川從0.08增長到0.21，增幅為161.61%；重慶從0.21增長到0.50，增幅為134.74%；云南從0.10增長到0.26，增幅為149.64%；廣西從0.11增長到0.22，增幅為96.96%。研究期內，重慶GHG排放指數基期至報告期明顯高于其他省份，四川、云南和廣西相差不大，增幅最大的是四川，最小的是廣西。

GHG排放等級四川2000～2008年為較低(Ⅰc)，2009～2013年為中下(Ⅱa)。重慶2000～2003年為中下(Ⅱa)；2004～2009年為中等(Ⅱb)；2010～2012年為中上(Ⅱc)，2013年為較高等級(Ⅲa)，排放等級跨越了四個等級。云南2000～2005年為較低等級(Ⅰc)，2006～2013為中下(Ⅱa)；廣西2000～2012年為較低等級(Ⅰc)，2013年中下(Ⅱa)。

表3 西南4省區溫室氣體排放等級評估結果Tab.3 The evaluation results of c greenhouse gas emission degrees in four southwestern provinces

5 分析和討論

5.1 不確定性分析

筆者在計算四省區溫室氣體排放的過程中需要收集大量的數據，而部分數據難以獲取或存在統計誤差，致使計算結果與實際情況存在一定誤差。比如能源活動計算中，原油和液化石油氣部分年份數據缺失；火力發電產生的溫室氣體計算中調入調出量難以獲取。農業活動中，農用地氧化亞氮排放計算缺乏糞肥施用量數據，動物腸道發酵溫室氣體排放計算中沒有細分奶牛、非奶牛和水牛，綿羊和山羊，更難以進一步細分為規模飼養、農戶飼養和放牧飼養。土地利用變化和林業溫室氣體排放計算中由于林地轉化為非林地部分的數據難以獲取，本文只計算了林業固碳量。廢棄物處理活動中，城市生活垃圾處理產生的溫室氣體排放計算中部分省份沒有細分為填埋處理和焚燒處理，或有細分但數據量很少，故均按填埋處理計算。

5.2 討論

5.2.1 Stern提出了全球2t/人作為各國承擔減排義務的目標。2014年WWF[17]公布的2010年全球生態承載力為120×108hm2，故應對全球氣候變化目標的單位面積溫室氣體排放量為1.18 t/hm2，而四省區人均和單位面積溫室氣體排放均高于以上兩個全球目標。

5.2.2 能源活動仍然是溫室氣體排放最大的貢獻者。以2013年為例，能源活動占溫室氣體排放總量的比例四川、重慶、云南和廣西分別為80.71%，81.62%，80.14%和76.30%。其中煤炭貢獻量最大，分別為62.13%，81.28%，62.79%和74.92%。

5.2.3 根據全球碳計劃(Global Carbon Project)公布的2013年全球溫室氣體數據顯示[18]，2013年全球人類活動二氧化碳排放量達到360×108t，中國占29%，推算中國二氧化碳排放量約為104.40×108t。中國森林生態系統的年固碳量為3.59×108t，折算為年吸收二氧化碳量為13.16×108t，為我國2013年二氧化碳年排放量的12.61%。2013年林業固碳占比四川、重慶、云南和廣西分別為11.88%，1.66%，17.19%和12.22%，其中只有云南高于此值。研究期內林業固碳量增加了，而固碳比重卻下降了，說明林業固碳的增長速度趕不上溫室氣體排放總量的增長幅度，林業固碳能力增長不明顯。

5.2.4 研究期內，絲綢之路經濟帶西南四省區中重慶溫室氣體排放總量高，而人口相對最少、轄區面積相對最小，致使人均和單位面積溫室氣體排放也是最高，進而造成GHG排放指數和等級最高，因此重慶是絲綢之路經濟帶西南四省區中減排壓力最大的省份。

綜上所述，絲綢之路經濟帶西南四省區減排任務仍然非常艱巨。在今后的發展過程中，應該調整優化能源結構，降低煤炭消費比重，進一步提高非化石能源比重。長期堅持和落實減排政策，這除了要求從源頭上遏制GHG排放總量的增加，還必須加大森林培育力度，鞏固和提高林業固碳能力。重慶由于自然資源稟賦上存在某些 “先天不足”(轄區面積、森林面積等)，減排壓力是絲綢之路經濟帶西南四省區中最大的。

6 結 論

6.1 2000～2013年四省區溫室氣體排放總量總體上呈快速增長趨勢。從溫室氣體構成來看，四省區研究期內CO2排放比例最高，四川和廣西是CH4，N2O分列二三；重慶為N2O第二，CH4第三；云南N2O和CH4大致相當。從溫室氣體的排放源來看，研究期內四省區溫室氣體排放總量中能源活動仍占主導地位，其中煤炭貢獻量最大。林業固碳的增長速度趕不上GHG排放總量的增長幅度，林業固碳能力增長不明顯。

6.2 2000～2013年四省區人均和單位面積溫室氣體排放量均呈不斷增長趨勢，且均高于各國承擔減排義務與應對全球氣候變化目標的人均和單位面積溫室氣體排放，減排任務仍然非常艱巨。

6.3 2000～2013年四省區萬元GDP溫室氣體排放量總體上呈下降趨勢。云南省在研究期內2001～2005年，有一個明顯的反彈上升期，主要原因為能源消費增速大于經濟增速，節能減排效果不明顯。其余三地以年均超過5%的速度不斷降低，說明經濟發展的同時，溫室氣體減排技術水平不斷提高，能源利用效率也逐年提高。

6.4 2000～2013年，四川、重慶、云南和廣西的GHG排放指數均呈不斷增長趨勢。排放等級四川、云南和廣西均由較低(Ⅰc)上升為中下(Ⅱa)；重慶由中下(Ⅱa)上升為較高(Ⅲa)，跨越了四個等級，減排壓力位列絲綢之路經濟帶西南四省區之最。