湖南省碳排放空間分異與碳平衡分區治理研究★

尹志堅，李 鈮

(中南大學建筑與藝術學院,湖南 長沙 410075)

0 引言

“雙碳”戰略目標下,國土空間規劃作為國土資源調控和治理的主要手段,應充分發揮其統籌協調作用,將國土空間規劃作為減排技術應用的平臺和“雙碳”策略實施落實的保障。但目前的國土空間規劃體系在“雙碳”背景下缺乏科學有效的分區調控傳導機制,難以實現“雙碳”目標的逐級傳導和有效落實。目前在城鄉建設研究領域關于“雙碳”的研究重點更多的是關注碳排放與城市形態的機理關系、城市減碳技術方法和低碳發展策略等層面的研究,而對于分區調控治理和技術策略的統籌協調與落實治理路徑的相關研究則相對缺乏。因此本文以湖南省為例建立一套統一的碳平衡分區技術標準,在空間上科學劃分碳平衡功能分區,制定分區調控指南和協調治理機制,以實現國土空間總體規劃、城市空間布局、具體項目建設與碳排放調控目標的有效銜接,最終實現國土空間碳排放分區調控與精細化治理。

1 研究背景

1.1 國土空間規劃體系在“雙碳”目標中發揮著關鍵作用

在國家雙碳目標戰略中,城鄉建設是重點領域,國土空間規劃順理成章地起到舉足輕重的作用。碳中和可以分成兩大實現策略,第一是“增匯”,即通過綠地吸收二氧化碳,第二是“減排”,即從源頭減少二氧化碳的排放。空間規劃已被廣泛認可為是控制溫室氣體排放的有效手段,城鄉規劃建設領域對于“雙碳”目標如何納入國土空間規劃進行了積極探索。本文認為未來應將規劃應用為目標發布決策機構、各領域的統籌協調平臺、減排技術應用的平臺、實施監督反饋的平臺等,更好發揮規劃“一張圖”統籌協調的作用[1]。

1.2 當前國土空間規劃體系對于實現“雙碳”目標的支撐不足

目前國土空間規劃編制已經高度重視城市的低碳發展要求,但國土空間規劃對于雙碳的控制,在目標上仍存在以指導性、原則性的政策要求為主,缺乏明確的、具體的減排目標等問題。而在國土空間規劃的實施傳導上也缺少能夠有效落實的策略、方法和行動路徑。因此目前的國土空間規劃體系難以成為保障城市“雙碳”目標落實的政策文件和“一張圖”指南[2]。國土空間規劃與雙碳目標密切聯系,而關于碳平衡主體功能區沒有明確的定義和分級分類標準,城市碳平衡與功能分區缺乏相應的規劃傳導和協調治理機制,相關方向的研究尚未形成成熟體系,需要有更多相關研究進行完善[3]。

1.3 區域碳收支核算與碳平衡分區已成為當前全球碳減排研究的重要內容之一

學者們從不同研究尺度和方向開展了碳平衡與碳收支的研究。賴力(2010)分析構建了中國土地生態的碳平衡格局,基于土地類型核算了全國的碳收支[4];趙榮欽等(2010)利用能源消費數據計算分析了中國各省產業差異導致的空間碳排放強度特征差異[5];張潤森(2012)基于無錫市的用地和能源消耗數據,驗證了建設用地擴張與碳排放強度存在庫茲涅茨曲線關系(倒U型)[6];揣小偉(2011)結合LUCC數據分析研究了江蘇省不同土地利用類型變化數據對生態碳儲量的影響[7];趙榮欽等(2014)對中原經濟區縣域的碳平衡進行了核算分析并提出分區策略[8];曾鵬(2022)對京津冀地區149個區縣的低碳發展水平、時空演變格局和集聚分異特征進行了分析,劃分了4類發展分區[9]。

2 數據與方法

2.1 數據來源

研究區域選取以湖南省為研究范圍,以湖南省122個縣級單位為研究對象。研究數據包括:人口數據、用地數據、GDP數據、農業生產數據、畜牧業產量數據、化石能源消耗量數據、林地草地及水域面積數據等。本文使用的碳排放和碳匯數據來源為中國碳核算數據庫(CEADs)[10],該數據庫包括1997年—2017年中國縣級尺度二氧化碳排放清單及2000年—2017年中國縣級尺度陸地植被固碳量,數據庫縣級研究數據較全,符合本文研究要求。其他數據主要來源于《湖南省統計年鑒》。

需要說明的是,在對基礎數據進行初步整理時,為保證研究對象的空間連續性,本文對于在空間上聯系較為緊密的市轄區各區,將其合并為一個行政單元便于后續統計分析研究[11-12]。

2.2 研究方法

2.2.1 碳生態承載系數

碳生態承載系數(ESC)即表示某一地區的碳匯總量占整體的比例與該地區碳排放總量占整體的比例的比值。趙榮欽等(2014)采用ESC對中原經濟區碳生態承載系數進行了計算[8]1425-1437。該比值能夠從區域整體的角度反映該區域碳匯能力的相對大小,對于分析某一地區的碳平衡狀況具有較大的參考價值。具體計算方法如下:

(1)

其中,CAi為某縣域單元的碳匯量;CA為區域整體大的碳匯量;Ci為某縣域單元碳排放量;C為區域整體碳排放總量。當ESC>1時,即該地區碳吸收的貢獻率大于碳排放,則表明該地區碳補償率相對較高,生態承載力強;若ESC<1,則表明該地區碳吸收的貢獻率小于碳排放,補償率較低,生態承載力相對較弱。

2.2.2 碳排放經濟貢獻系數

碳排放的經濟貢獻系數(ECC)是指一定區域內某一地區的碳排放經濟貢獻與區域整體的碳排放經濟貢獻的比值。盧俊宇、黃賢金等(2012)采用ECC對中國各省的碳排放經濟貢獻系數進行了計算,ECC能夠反映某一地區的碳排放經濟貢獻能力[13]。計算方法如下:

(2)

其中,Gi為某縣域單元的GDP;G為區域整體的GDP;Ci為縣域單元碳排放總量;C為區域整體碳排放總量;若系數大于1,即該縣域單元的碳排放貢獻率大于全省貢獻率,表示該地區具有較高的能源利用效率和技術生產力;反之,若系數小于1,則說明該縣域單元的綜合能源利用率較低,碳生產力相對較低。

2.2.3 碳排放強度自相關分析

空間自相關分析可以用來判斷區域某一指標在空間上的相關性、聚集或離散程度。其中全局自相關用于分析區域整體的空間分布特征,使用Moran’s I指數來反映該區域碳排放強度的空間自相關程度,值的范圍在-1～1之間,計算結果值大于0則說明存在空間自相關關系。若值越接近1說明這一屬性的空間集聚作用越強;值越接近-1,表明具有相異屬性的空間單元的集聚作用越強;如果值接近或等于0,則可以解釋為這些空間單元完全處于隨機分布狀態。本文采用OpenGeoDa軟件計算局部自相關LISA指數(即局部Moran指數),分析區域內空間單元的相鄰性關系,以判斷局部單元聚類的空間分布格局。

3 實證分析

3.1 湖南省縣級尺度碳排放空間分異特征

數據計算結果發現,湖南省2017年全省碳排放總量為3.09億t,從地市州尺度來看,長沙市碳排放量最高約為6 920萬t,占全省的22.21%(見圖1)。從縣級尺度碳排放的整體空間分布來看,湖南省縣級尺度的碳排放空間分布總體分布特征呈現為“東高西低”(見圖2)。其中,長沙市轄區的碳排量最高,約為3 748萬t,約占湖南省碳排放總量的12%。碳排放量最低的是古丈縣,約為14萬t。同時,由于張家界、湘西、懷化等大湘西地區的工業基礎薄弱,能源消費水平較低,大湘西地區的碳排放總量處于相對較低水平。

從各地市尺度來看,基本呈現市轄區碳排放量較高,周邊縣(市)碳排放相對減少的特點。市轄區和經濟相對發達縣(市)碳排放量相對較高,例如長沙市、株洲市、常德市、岳陽市、衡陽市等。而經濟較為落后的大湘西地區的古丈縣、通道侗族自治縣、花垣縣、永順縣、會同縣等縣級單元碳排放總量在全省處于最低水平。

研究發現,湖南省各縣級單位碳排放總量與GDP呈現較大的正相關關系(見圖3)。生產活動中涉及高碳排放的鋼鐵、冶煉、加工第二產業,其碳排放總量與第二產業增加值高度相關。此外,各縣級尺度單元的碳排放強度在空間分布上也存在明顯的差異,即中東部高于西部和南部的特征,長株潭城市群地區形成了碳排放高地。

3.2 湖南省縣級尺度碳匯作用空間分異特征

湖南省地處長江中游地區丘陵地區,森林覆蓋率相對較高,農作物和植被綠化豐富,碳匯作用較強。計算結果發現2017年湖南省碳匯總量約為0.46億t,是全省碳排放的14.97%。在空間分布上,湖南省碳匯總量呈現出較不均勻的特點,但總體上屬于“西北高、中部低”的情況(見圖4)。其中,各縣市的碳匯總量存在較大差異,湘西北、湘東北和湘南部的縣(市)相較其他地區碳匯總量較高,主要是因為該地區為山地丘陵地區,植被覆蓋率相對較高,或農業種植面積較大,因此總體碳匯量處于較高水平。而湘北洞庭湖流域地區,和株洲、湘潭地區碳匯水平在全省處于較低水平。

3.3 湖南省縣級尺度碳平衡空間分析

3.3.1 碳補償率分析

利用碳排數據與碳匯數據的差值,可以計算得到湖南省縣級尺度的凈碳排放量,分析縣級尺度的碳平衡狀態。結果發現,湖南省凈碳排放量在空間分布式上存在“湘西北西南凈碳匯、湘東湘中高碳排的格局”(見圖5),其中,永順縣的凈碳排放量最低,為-54.58萬t,其次沅陵縣、桑植縣、通道侗族自治縣、綏寧縣、古丈縣、安化縣、城步苗族自治縣、龍山縣、會同縣、新寧縣的年碳匯量超過碳排放量,實現負碳排放。

碳補償率較低的地區集中在長株潭地區以及岳陽、常德、衡陽和郴州的市轄區。其中長沙市轄區凈碳排放量最高,達到了3 716萬t,其次是長沙縣和株洲市轄區。從圖5可以發現,這些碳補償率低于0.5的地區基本位于京廣鐵路沿線,是湖南省重要交通運輸線路和主要城鎮發展軸線。

對湖南省全省縣級單位進行碳排放和碳匯的碳氧平衡對比核算分析發現,人均GDP與碳補償率呈負相關關系。數據表明湖南省全省碳補償率為74.85%,即湖南省全省總碳吸收量遠不足以填補全省產生的碳排放,存在較大碳缺口。碳補償率低于50%的區域集中位于湘中地區(見圖5),碳補償率超過200%的地區則基本位于大湘西地區。

3.3.2 碳排放生態承載系數分析

全省縣域單元生態承載系數ESC<1的地區共36個,主要位于湘中地區長株潭都市圈附近(見圖5)。湖南省碳排放生態承載系數差異明顯,東部以及湘中地區的生態承載系數偏低,湘西地區生態承載系數普遍處于較高水平,其中長株潭城市群ESC<0.5,說明碳排放占比遠超過碳匯占比,生態承載壓力大。其中,張家界、湘西自治州、懷化等地ESC>2.5,說明這些地區的碳匯占比遠超過碳排放占比,這表明湘西山區的林地及糧食種植區的耕地具有較高的碳匯能力和較低碳排放強度,生態承載能力強。

3.3.3 碳排放經濟貢獻系數分析

從全省的單位GDP碳排放量分布差異圖(如圖6所示)可以看出,湘中、湘南以及全省市轄區地區,單位GDP碳排放量較高。單位GDP碳排放較低的地區,即小于0.5萬t/萬元的縣級單位主要位于湘北的益陽、常德等地。市轄區中,單位GDP碳排放最高的是永州市冷水灘區,達到了1.67萬t/萬元,說明冷水灘區工業能源消耗量大,產出效率不高。最低的是長沙市轄區,只有0.59萬t/萬元,說明長沙市產業結構已向三產轉型,能源利用率高,單位能源消耗的GDP產出效益較高。

從全省縣級尺度碳排放經濟貢獻系數空間差異圖(如圖6所示)可以看出,各縣級單位經濟貢獻系數集中分布在0.5～1.5之間。其中,碳排放經濟貢獻系數ECC>1的地區,主要位于湘中、湘南和湘西部分地區,碳排放經濟貢獻系數最高的地區是汝城縣,達到了2.91,其次是宜章縣、桂東縣、嘉禾縣、臨武縣和漣源市,均位于1.5以上。碳排放經濟貢獻系數最低的是南縣、祁東縣、安化縣和沅江市等,均低于0.5。

3.3.4 碳排放強度空間自相關分析

湖南省縣域單元的單位面積碳排放強度與碳排放總量在空間分布上的特征均存在明顯差異。同時,單位GDP碳排放強度指標在空間上的空間差異性更為明顯,即經濟發展水平越高,碳排放總量越大,單位GDP碳排放強度則越低;反之,經濟發展水平越低,碳排放總量越低,單位GDP碳排放強度則偏高。這說明,在湖南省經濟發展水平較高的地區已具有較高的能源利用效率。

空間自相關分析結果顯示,湖南省縣域單元單位GDP碳排放強度的全局自相關Moran’s I指數達到了0.592(見圖7),說明了區域碳排放強度空間聚集現象較為明顯。永州和郴州南部地區“高-高”聚集特征顯著,是高碳排放強度聚集區;益陽、常德和張家界等地“低-低”聚集顯著,屬于低碳排放強度聚集區。空間自相關性Moran’s I指數分析結果說明湖南縣域空間單元與相鄰地區存在較強的碳排放強度相關聯性,且高高聚集和低低聚集在全省空間范圍呈現南北對立的空間格局。

4 碳平衡分區結果與優化調控

4.1 分區依據

4.1.1 高碳控制區

高碳控制區即碳補償率小于50%,或碳排放總量大于200萬t,且同時單位GDP碳排放量大于1 t/萬元的區域。該類區域第二產業特別是加工制造工業較為發達,綜合能源消費量較高,導致碳排放總量處于全省較高水平,是全省范圍內的主要碳排放來源。該類區域的產業結構偏重工業,主導產業存在高耗能和能源依賴,規模以上工業能源消費量偏高,但能源利用效率低,碳排強度較高的地區,是全省的重點減碳控制區。

4.1.2 碳平衡區

碳平衡區即碳補償率在80%～120%之間,凈碳排放在-50萬t～50萬t之間。該區域的碳匯量和碳排量基本持平,生態系統的碳匯作用基本能夠吸納區域自身所排放的二氧化碳,從而達到碳匯和碳排相對平衡的狀態,該類地區可以視為已基本實現碳中和。

4.1.3 生態碳匯區

生態碳匯區即碳補償率大于120%,單位GDP碳排放強度小于1 t/萬元,凈碳排放量小于-50萬t的區域。該區域自然生態系統良好,陸地植被覆蓋產生的碳匯作用顯著高于碳排放量,開發強度較低,人類活動強度低,是全省碳匯的重要來源。

4.1.4 低碳優化區

低碳優化區是指除上述區域以外的地區,即指碳補償率在50%～80%,單位GDP碳排放強度小于1 t/萬元,或凈碳排放總量在50萬t～200萬t的地區。該區域碳排放總量不高,且碳排放強度和碳補償率都比較低,即碳匯能力不強。但碳排放量不高,該類區域碳中和的壓力較小,需要進行能源消費、產業結構和空間布局的優化。

4.2 湖南省縣級空間碳平衡功能分區結果

通過上述對全省縣級單元碳排放總量、單位面積碳排放強度、凈碳排放量、碳補償率、經濟貢獻系數以及基尼系數等指數指標的計算,基于碳氧平衡的區域視角,以協調各地區碳中和以及低碳發展為目的,將湖南省全省縣級單元劃分為4類區域:高碳控制區、低碳優化區、碳氧平衡區以及生態碳匯區(見圖8)。

數據表明,得益于湖南省丘陵地區較高的森林林地覆蓋率(見圖5),湖南省36個縣級單位碳吸收量遠大于碳排放量,28個縣級單位能實現自身碳排放與碳吸收的相對平衡。15個縣級單位仍需進一步優化碳排放,22個縣級單位碳排放量居高不下。

4.3 分區施策

國家主體功能區規劃按開發方式提出了四大主體功能區,本文在國家主體功能區的基礎上,按照雙碳目標導向,依據碳氧平衡總體指標,在此基礎上劃分碳平衡二級分區。本文以湖南省為例,劃分了以縣級為單位的碳平衡分區,在全國范圍內,建議構建由“國家碳平衡主體功能區—省級碳平衡分區—市級碳平衡分區—縣級碳平衡分區—碳平衡管控單元”五級組成的國土空間規劃碳平衡分區調控分級傳導精細治理機制。

通過上述分析方法和結果將湖南省縣級尺度行政單位分為“高碳控制區、低碳優化區、碳氧平衡區以及生態碳匯區”四大分區(見表1),總結區域特征,為分區施策提供支撐。

表1 湖南省縣級尺度碳平衡分區表

4.3.1 高碳控制區

高碳控制區一般屬于重點開發區,具有較好的發展基礎和未來發展潛力。因此,高碳控制區應注意提高能源使用效率、采用清潔可再生能源,淘汰高污染、高能耗企業,大力發展綠色低碳產業。同時,在規劃層面確定碳排總量的約束性目標,并逐步降低碳排放強度,促進區域向低碳經濟轉型。

4.3.2 低碳優化區

低碳優化區存在于重點開發區、農產品主產區之中,總體碳排放強度不高。因此,該區域應優化城市生態系統布局和結構,提升區域碳匯水平和碳匯能力,提高區域環境承載力和環境容量。制定環境整治工作,推進區域環境綜合保護、修復和治理。

4.3.3 碳平衡區

碳平衡區總體碳匯水平能夠達到自給自足,是碳中和的先行區。因此該區域應重視生態保護,制定生態專項規劃。進一步優化產業結構,嚴格控制碳排放增長。重點發展農業作為支柱產業,嚴格保護耕地。引入綠色低碳技術,進一步促進城市綠色低碳發展。

4.3.4 生態碳匯區

生態碳匯區一般位于禁止開發區內,生態面積占比高,碳匯作用強。因此應加強生態紅線保護,防止過度開發,嚴格限制工業污染企業準入,實施最嚴格的生態保護制度。注意生態退化和生態破壞行為。大力發展生態旅游產業,提升區域整體生態價值,為碳交易機制預備充足的碳匯資源。

4.4 碳平衡調控治理機制

4.4.1 碳平衡管控單元

依據自然地形和用地產權歸屬,劃分縣域尺度以下的碳平衡最小基本管控單元。管控單元與林長制、河長制、田長制直接掛鉤,實現山水林田湖草全要素統籌管控。將城市的碳排放主體分解細化,追蹤至最小碳排放單元,明確責任人,建立湖南省碳排放ID識別系統,由政府部門發放碳排放許可證,嚴格追蹤、控制城市碳排放,打通碳平衡調控的最后一公里,實現碳平衡的精準化調控和精細化治理。

4.4.2 碳補償與碳排放交易

湖南省36個縣級單位屬于生態碳匯區,22個縣級單位屬于高碳控制區,15個縣級單位屬于低碳優化區,28個縣級單位能實現碳平衡。建議探索在省內建立碳補償機制,劃定兩級碳排放控制線,年碳排放量高于一級控制線500萬t的縣級單位將需支付“碳稅”,生態碳匯區從中按碳匯比例分配獲得資金補償。探索建立碳排放權交易平臺,年碳排量位于二級控制線100萬t以上的高碳控制區單位將從生態碳匯富裕區購買額外碳排放權指標,以實現生態與經濟協調發展。

5 總結與討論

本文通過碳排放的基尼系數、經濟貢獻系數、碳生態承載系數與區域碳排放強度的自相關分析,將各分區劃分為“高碳控制區、低碳優化區、碳氧平衡區、生態碳匯區”,將“雙碳”調控目標分解到各平衡區,建立一套碳氧平衡主體功能區分級分類標準、規劃建設指南和調控治理機制,并根據各級碳氧平衡主體功能區提出區域差別化的“減碳排增碳匯”調控對策。以期為國土空間規劃改革和國土空間規劃技術標準體系建設提供借鑒,為在新型城鎮化背景下實現減排增匯、生態保護、土地資源的可持續利用和經濟協調發展提供參考。

同時,由于碳中和強調的是整體碳氧平衡,而不是局部的平衡,同時區域生態系統在空間上具有外部性,且頻繁存在生態功能交換過程,故區域碳氧平衡是一種動態的相對平衡而非靜止的絕對平衡。因此,各地區可根據自身的經濟發展階段和生態資源稟賦,設置區域差別化的減碳和增匯目標,從而達到整體的碳氧平衡治理調控。