能源對北京市城市碳循環的影響

邱 莎,曹飛飛,唐明方,鄧紅兵

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

城市土地面積僅占全球陸地總面積的0.5%左右,但全球終端能源消耗產生的CO2排放量75%發生在城市[1-2]。城市的物質代謝不同于自然生態系統,人類活動在其代謝過程中扮演了重要角色[3]。城市尺度碳循環會影響更大尺度的碳過程,世界正處于大規模的城市化浪潮中,快速城市化將導致人類活動在區域和全球碳循環中的作用變得越來越重要[4]。

人類活動是城市碳循環的重要驅動力,尤其是能源活動,極大地干擾了城市原有的碳過程[5]。早期對碳循環的研究主要集中在區域或全球尺度,主要研究對象是自然生態系統[6]。而后有研究認識到,城市地區在全球碳循環中是不可忽視的,隨著城市面積的不斷增加,城市地區將變得越來越重要[7]。學者們主要從城市能源使用[8]和能源相關的碳排放[9]、城市能源代謝[10]、城市能源轉型[11]和城市能源流動過程[12]等方面對城市能源進行研究。此外,一些學者利用城市碳固存和碳排放的相對規模比來評估城市化石燃料使用造成的碳不平衡[13- 14],在此基礎上有學者建立碳不平衡指數和外部依賴性指數來對城市碳代謝進行分析[15]。以上研究為量化能源活動在城市碳循環中的作用提供了很好的借鑒,但大多側重于垂直方向的碳流通,或者僅關注城市能源,用指標量化能源活動在城市系統碳循環中的重要性有待進一步加強。人類活動碳效應指數是用來衡量人類活動對城市碳循環的影響程度[16],其中能源活動對城市碳循環影響最直接也最劇烈,研究能源碳效應可為城市節能減排政策的制定和實施提供參考依據。

北京是中國的首都,也是中國的政治,文化,國際交流和科技創新中心。北京經歷了快速的城市化進程,過去十年經濟蓬勃發展,人口從2005年的1538萬增長到2014年的2152萬,其國內生產總值從2005年的696.95億元增加到2014年的2133.08億元。研究基于核算框架體系,借鑒已有的碳排放系數,探索北京市2005—2014年間碳循環特征。通過分析與能源活動相關的碳通量與總碳通量的比值,用能源碳效應指標從不同方向量化能源對城市碳循環的影響程度。

1 研究方法和數據來源

1.1 城市碳循環構成

能源碳效應是指城市碳循環過程中與能源活動相關的碳通量占總碳通量的比值,用來衡量能源活動對城市碳循環的影響程度。建立一個分析城市碳循環特征的整體核算框架是分析能源碳效應的基礎,城市碳循環模型[17,18]需要包括生物物理和人類相關的碳通量及碳儲量[3],具體的構成見表1。

表1 城市系統碳儲量和碳通量構成

城市碳儲量以各種形式儲存在城市內,包括自然碳庫和人工碳庫[18]。通常,自然碳庫包括土壤,森林,草地和水體,人工碳庫包括建筑物,城市綠地,家具和圖書,人類和動物。其中建筑物碳庫主要核算以房屋木結構和房屋裝修兩種形式儲存在建筑物中的木材碳儲量。

城市碳通量表示通過人為和自然方式,單位時間(包括垂直和水平方向)進出城市系統的碳輸入和輸出量[18]。城市系統的碳輸入分為垂直和水平方向。垂直碳輸入通量包括植被光合作用、農作物生長期內和水體吸收的碳量,植被碳吸收主要為森林,草地和城市綠地。水平碳輸入主要運輸載體有食物,能源,建筑材料,家具和圖書。

城市碳輸出通量也分為垂直輸出和水平輸出。垂直碳輸出主要包括通過能源消耗,工業生產,稻田甲烷碳排放,畜牧業,人類及動物呼吸,植被呼吸,土壤呼吸,水域揮發,秸稈燃燒,固體廢物處理和廢水處理的碳排放。其中畜牧業包括動物腸道發酵、糞便碳排放。水平碳輸出包括儲存在能源產品和食品中的碳。

1.2 能源碳效應指數

人類活動碳效應指數是衡量人類活動對城市碳循環影響程度的指標[16]。

Chum=(CHhum+CVhum)/Ct×100%

(1)

式中,Chum是人類活動碳效應指數,CHhum是人類活動引起的水平碳通量,CVhum人類活動引起的垂直碳通量,Ct是總碳通量,包括輸入和輸出通量。

通過類比人類活動碳效應指數,使用四個指標來分析能源對城市碳循環的總壓力和各個方向壓力,指數如下：

(1)能源碳效應指數是衡量能源活動對城市碳循環影響程度的指標。

Cenergy=(CHenergy+CVenergy)/Ct×100%

(2)

式中Cenergy是能源碳效應指數,CHenergy是以能源為載體的水平碳通量,CVenergy能源消耗引起的垂直碳通量,Ct是總碳通量。

(2)能源消耗碳排放效應指數是衡量能源消耗對城市碳循環影響程度的指標,又稱能源垂直輸出碳效應指數。

Cv-energy=CVenergy/Ct×100%

(3)

Cv-energy是能源消耗碳排放效應指數,CVenergy是能量消耗產生的碳排放量,Ct是總碳通量。

(3)能源水平輸入碳效應指數是衡量以能源形式水平碳輸入對城市碳循環的影響程度的指標。

Ci-energy=CIenergy/Ct×100%

(4)

Ci-energy是能源輸入碳效應指數,CIenergy是以能源形式的水平碳輸入,Ct是總碳通量。

(4)能源水平輸出碳效應指數是衡量以能源形式的水平碳輸出對城市碳循環的影響程度的指標。

Co-energy=COenergy/Ct×100%

(5)

Co-energy是能源水平輸出碳效應指數,COenergy是以能源為載體的水平碳輸出,Ct是總碳通量。

1.3 數據來源

本研究主要依照趙榮欽等人集成的城市碳儲量和碳通量的核算方法體系[18],其中核算城市碳循環過程中所涉及的碳排放與碳吸收過程所采用的方法主要參考IPCC國家溫室氣體清單排放核算提供的經驗系數法(https://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2006gl/),研究中用到的活動水平數據來源于統計年鑒、文獻和統計局網站[19-23]。 碳排放和碳吸收系數盡量選取北京當地因子[24-28],如沒有,則采用華北地區[29]或是中國的平均值[16,30-40]代替。

2 結果分析

2.1 北京市城市系統碳循環分析

2.1.1北京市城市系統碳儲量分析

北京市碳儲量總量從2005年的190.95 Tg C(Tg=1012g)逐漸增加到2014年的203.75 Tg C,平均年增長1.28 Tg C(表2)。

2005年,自然碳儲量占北京市總碳儲量的94%,在2014年下降到90%(圖1)。然而,自然碳儲量仍然是北京市碳儲量的主要組成部分。在研究期間,自然碳庫中土壤是最大的碳庫,占86%—88%,植被是第二大碳庫,占12%—14%(表2)。從2005年到2014年,土壤碳儲量下降了0.49%,自然植被碳儲量在此期間增加了21.12%。

北京市的人為碳儲量從2005年的11.28 Tg C增加到2014年的20.34 Tg C(表2)。在研究期間,存儲在建筑物,城市綠地,家具和圖書,人類和動物中的碳逐漸增加。人為碳儲量增加主要是由于建筑物和城市綠地碳儲量的增加(圖1)。北京市的建筑碳儲量從2005年的8.63 Tg C增加到2014年的16.25 Tg C,北京城市綠地儲存的碳從1.25 Tg C增加到2.58 Tg C(表2)。在研究期間,人為碳庫中在建筑物、城市綠地、家具和書籍以及人類和動物中儲存的碳的比例分別為77%—81%,11%—13%,6%—10%和1%—2%(表2)。

表2 2005—2014年北京市城市碳儲量主要核算項目/(10-2 Tg)

圖1 2005—2014年北京市碳儲量比重變化Fig.1 Change in proportion of carbon storage in Beijing from 2005 to 2014

2.1.2北京市城市系統碳輸入通量分析

總碳輸入在研究期間上下小幅度波動。波動主要受水平碳輸入的影響,而垂直碳輸入在研究期間保持穩定(表3)。

表3 2005—2014年北京市城市碳輸入主要核算項目/(10-2 Tg)

水平碳輸入占碳輸入總量的69%—74%,是總碳輸入通量變化的主要原因(圖2)。來自能源,食品和木制品的碳輸入分別占總碳輸入的65%—70%,2%—4%和1%—2%。

圖2 2005—2014年北京市不同方向碳輸入變化Fig.2 Change in various carbon inputs in Beijing from 2005 to 2014

關于垂直碳輸入,水體和作物生長期間吸收的碳分別占總碳輸入的13%—17%,0.38-0.44%和9%—17%(圖2)。作物生長期間吸收的碳從2005年的8.7 Tg C降至2014年的5.1 Tg C,除了2008年和2011年的增加,作物生長季吸收的碳在所有其他年份都有所減少,尤其是在2010年之后(表3)。植被和作物光合作用吸收的碳每年增加,從2005年的7.55 Tg C增加到2014年的9.33 Tg C,增加了23.58%(表3)。耕地面積從2005年的233400.90hm2減少到2014年的219948.76hm2,導致作物生長期間碳吸收能力下降。雖然綠地的碳吸收能力隨著城市綠化覆蓋率的提高而提高,但研究期間北京的垂直碳輸入普遍下降。

2.1.3北京市城市系統碳輸出通量分析

研究期間內北京市的總碳儲量呈波動降低的趨勢,主要受垂直碳排放量的影響。除了2006年突然增加外,水平碳輸出保持穩定,這是由于以能源為載體的碳輸出增加造成的。

圖3 2005—2014年北京市不同方向碳輸出變化Fig.3 Change in various carbon outputs in Beijing from 2005 to 2014

研究期間內垂直碳輸出在碳輸出通量的變化中起著重要作用,占總排放量的84%—91%(圖3)。垂直碳排放量下降9%,從2005年的68.97 Tg C降至2014年的62.83 Tg C(表4)。垂直碳排放量的下降主要是由于能源消耗和工業生產過程中碳排放的減少所致。就垂直碳排放而言,能源消耗、呼吸和工業排放的碳比例分別為84%—85%,10%—13%和1%—5%(表4)。垂直碳排放主要由人類活動引起,例如化石能源使用,工業生產和人類呼吸。

就水平碳輸出而言,本研究僅考慮食物和能量輸出。以能源為載體的碳輸出是主要成分,占水平碳排放總量的97%—98%(表4)。受國家能源和經濟政策影響,能源碳輸出總體呈波動下降趨勢。

2.1.4北京市城市系統碳凈流量分析

就城市與外部環境的碳交換而言,研究期間的碳輸出量大于碳輸入量(圖4),這使得北京成為碳排放源。 2008年和2011年凈流量變化明顯,分別比上年增加20.89%和43.52%,主要原因是碳排放量的減少(圖4)。

2.2 北京市城市系統能源碳效應分析

在研究期間內,2006年的人類活動碳效應指數最高,達到84.90%(圖5),這表明北京碳流通的高度人工化。 2006年以后,影響程度總體呈下降趨勢,沒有隨著人口的增加而上升。 2006年能源碳效應指數最高,達到79.46%(圖5)。能源相關的碳流通是城市碳通量中最重要的組成部分。能源對城市碳循環的影響從2006年到2014年出現波動性下降(圖5),這表明能源對城市碳循環的影響并未隨著經濟增長而增加。

表4 2005—2014年北京市城市碳輸出主要核算項目/(10-2 Tg)

圖4 2005—2014年北京市碳輸入、輸出和凈通量變化 Fig.4 Change in carbon input, output and net flux in Beijing from 2005 to 2014

垂直輸出能源碳效應高于水平輸出能源碳效應,說明能源對北京市碳循環影響最大的是垂直碳輸出,其次是水平碳輸入(圖6)。水平輸入能源碳效應在2005年到2011年間緩慢增加,2011年以后呈緩慢下降趨勢,表明能源的水平輸入對城市碳循環的影響先逐漸增加后緩慢下降。垂直輸出能源碳效應在2007年到2011年間下降明顯,2011年以后下降放緩并開始回升(圖6)。水平輸出能源碳效應在2006年后呈波動下降趨勢。

3 結論與討論

3.1 北京市碳循環特征

北京市的碳儲量總量從2005年到2014年緩慢增長,北京市碳儲量的主要組成是自然碳儲量,但自然碳儲量所占比重在不斷下降。通過對比郝巖等人對廣元城市碳循環研究,發現廣元自然碳儲量比例高于北京[17],表明當城市具有較高的城市化程度時,人類對城市自然環境的干擾會產生更大的影響。人為碳儲量是總碳儲量增加的主要驅動力。根據目前的趨勢和過去十年的推斷,到2030年,北京市人為碳儲量的比例將增加到總碳儲量的18.12%。為了城市的可持續發展,我們應該更加關注城市化程度高的地區不斷增加的人為碳儲量的處置。

不同城市間主要的碳輸入方式有差異,北京市對外部環境的依賴性較大。北京市的碳輸入主要來自水平輸入,以能源為載體的碳輸入占水平碳輸入的比例最高。而廣元市主要是垂直碳輸入,2006—2012年廣元市的垂直碳輸入占總碳輸入的比例為91%—97%[17]。此外,2006年至2012年,北京的橫向碳輸入量是廣元的36—129倍。從1990到2004年北京市對外部資源的依賴增加了16%,盡管是波動的[41]。從1995年到2015年北京市對外部環境的依賴波動較大,但增加了將近4倍[15]。表明北京的發展在物質方面強烈依賴于外部環境,北京需要加強能源和食品供應管理。此外,在研究期間,北京的垂直碳輸入普遍下降,主要原因是耕地減少導致作物生長期間碳吸收能力下降。

圖5 人類活動和能源活動對城市碳循環的影響程度 Fig.5 The impact extent of human activities and energy on the urban carbon cycle

圖6 各方向能源活動對城市碳循環的影響程度 Fig.6 The impact extent of directional energy on the urban carbon cycle

北京市的總碳輸出量普遍下降,北京市的碳輸出量主要是垂直碳輸出,其碳輸出的主要形式是能源消耗。不同于北京,廣元市碳輸出的主要形式是人類呼吸碳排放,在2006—2012年廣元市呼吸產生的碳輸出占碳輸出總量的45%—54%[17]。北京市的碳不平衡程度是1995年至2010年中國平均水平的兩倍[15]。北京市2014年的城市綠化覆蓋率高達47.40%[19],為了降低城市碳不平衡程度,北京市應該保護自然植被,盡可能增加生態用地面積,增加碳吸收。與2005年相比,2014年北京的垂直碳排放量減少了9%,這主要是由于能源消耗和工業生產過程中碳排放的減少。從2006年到2012年,廣元市的垂直碳排放量增加了28.16%,這主要是由于能源消耗和工業生產過程中碳排放的增加。導致廣元與北京垂直碳排放差異的因素可能是工業化程度、城市化程度、地理位置和自然稟賦的不同。

在本研究中,受數據所限,部分碳核算項(植被、建筑材料、家具、圖書等的碳儲量、植被光合碳吸收、廢棄物碳排放)所用參數是基于華北地區或者全國平均值進行的,對核算結果會有一定的影響。如核算植被碳庫所用的參數是基于全國平均值,有研究發現中國北方城市的植被碳庫占總碳庫的比重為4.9%[32],而本研究中植被碳庫占13.09%,這個結果與北京作為首都植被覆蓋率高的實際情況相符。建筑物碳庫只核算了木材,水體碳儲量核算所使用的參數年代較早,而且部分面積較小的水體沒有統計在內,所以它們的計算值可能低于真實值。

3.2 能源碳效應指數

北京市能源碳效應指數在2006年高達到79.46%,然后表現出波動下降。李娟等人的研究表明能源消耗是北京市1995—2015年碳代謝變化的主要驅動力[15]。從不同方向來分析能源碳效應指數,能源對北京碳循環影響最大的是垂直輸出,其次是水平碳輸入。有研究表明2000—2015年北京市資源和能源的消耗導致對環境壓力加大,資源和能源大部分依賴于外部輸入,在北京市行政邊界內開采獲取的量相對較少[42]。

垂直輸出能源碳效應在2007年到2011年間下降明顯,2011年以后下降放緩并開始稍有回升,這表明在奧運會舉辦前后實施的與能源相關的碳排放監管措施發揮了作用,如首鋼集團搬遷等,然而實現垂直能源碳效應的持續下降需要繼續加強碳管理。北京市在2007年至2015年間進入了一個新的能源使用階段,北京的經濟增長率仍然很快,而直接能源消耗量則在下降[15]。相比之下,能源消耗垂直碳排放量對廣元的影響自2008年以來已經從7.29%增加到13.46%[17]。城市資源稟賦、發展階段和發展水平的差異導致能源對其影響程度差異較大。水平輸入能源碳效應在2005年到2011年間緩慢增加,2011年以后呈緩慢下降趨勢,表明城市對外部能源輸入的依賴程度呈先逐漸增加后緩慢下降的趨勢。

4 結論和政策建議

北京市碳儲量的主要組成是自然碳儲量,人為碳儲量是總碳儲量增加的主要驅動力。不同城市主要的碳輸入方式不同,北京市的發展在很大程度上依賴于外部環境供給,特別是能源的投入,需要加強清潔能源的開發和利用,盡可能保護自然植被和增加生態用地面積增加城市碳吸收。北京市的總碳輸出量普遍下降,北京市的碳輸出量主要是垂直碳輸出,其主要形式是能源消耗。參數的選擇使得碳儲量和碳通量核算具有一定的不確定性。北京市能源碳效應在2006年以后出現逐漸下降的趨勢,根據城市資源稟賦、發展階段和發展水平的不同,能源對不同城市的影響程度不同。能源活動對北京碳循環的最大影響是垂直輸出,其次是水平碳輸入,低碳城市建設需要加強對垂直碳通量和水平碳通量的調節和管理。

致謝：感謝課題組王辰星、沈園、毛舒欣、李嘉珣和李濤對本研究的幫助。