基于碳收支核算的河南省碳排放峰值预测

赵荣钦, 刘 薇,2, 刘 英, 丁明磊, 张战平, 王 杰

(1.华北水利水电大学 资源与环境学院, 河南 郑州 450045; 2.华东师范大学 地理科学学院，上海 200241; 3.郑州航空工业管理学院 土木建筑工程学院, 河南 郑州 450046)



基于碳收支核算的河南省碳排放峰值预测

赵荣钦1, 刘 薇1,2, 刘 英3, 丁明磊1, 张战平1, 王 杰1

(1.华北水利水电大学 资源与环境学院, 河南 郑州 450045; 2.华东师范大学 地理科学学院，上海 200241; 3.郑州航空工业管理学院 土木建筑工程学院, 河南 郑州 450046)

[目的] 对河南省碳排放及碳足迹峰值进行了预测，旨在了解河南省未来碳减排潜力，寻求低碳发展的对策。 [方法] 基于省域层面，以河南省为例，对历年的碳收支和碳足迹状况进行了核算和评估，并通过STIRPAT模型和情景分析方法对河南省碳排放峰值进行预测。 [结果] (1) 河南省碳排放总量从2000年的6.83×107t上升到2012年的1.77×108t，涨幅为159.2%，其中碳排放的行业差异性大，工业占主导地位，不同途径碳排放的增幅具有明显差异，生态系统的碳汇能力呈明显下降趋势。 (2) 河南省2000—2012年能源消费的碳足迹呈逐年增加态势，从2000年的1.71×107hm2上升到2012年的4.42×107hm2。碳足迹的扩大造成了1.68×108hm2的生态赤字。 (3) 在基准和低碳情景下，河南省碳排放峰值有望出现在2040和2035年，在考虑区域碳吸收补偿的前提下，碳排放峰值将分别提前到2035和2025年。 [结论] 河南省碳收支呈现明显的不匹配状态，但在考虑碳补偿的基础上，河南省具有较大的碳减排潜力空间。

碳收支; 碳足迹; 碳排放峰值; 河南省

文献参数： 赵荣钦, 刘薇, 刘英, 等.基于碳收支核算的河南省碳排放峰值预测[J].水土保持通报，2016,36(4)：78-83.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.014

2014年的《中美气候变化联合声明》提出我国将于2030年左右达到碳排放峰值，这是中国应对全球变化的庄严承诺。在中国经济社会发展的新常态下，尽可能控制和减少CO2的排放成为当前中国面临的突出难题，对于我国的碳排放峰值预测也是当下的研究热点之一。目前国内外学术界对碳排放峰值预测大都根据能源消耗量计算碳排放量、碳排放强度对碳排放峰值的研究，主要运用STIRPAT模型、LEAP模型、MARKAL-MACRO模型和EKC曲线等方法预测全国[1]、区域[2]和地方省市[3]的碳排放峰值，在省级层面的峰值预测较少，而且主要是结合碳排放强度等因素设置不同情景下的碳排放峰值，没有有效地结合区域碳收支状况对碳排放峰值进行预测。在碳排放研究领域，近年来关于省域层面碳排放研究较多，如碳排放因素分解[4]、能源消费碳排放[5]、土地利用碳排放[6]等，但大多数研究主要集中在碳排放的时空变化方面，区域碳收支核算体系还不够完整，比如缺少农村生物质能源消费、食物消费和农业耕作活动等过程的碳排放核算等。因此，如何在省级层面开展更为全面的碳排放核算是需要进一步研究的内容，这也是区域低碳经济发展科学决策的前提。碳足迹是对某种活动引起的直接或间接CO2排放量的度量[7]。近年来分别从国家[8]、都市[9]、农作物[10]等方面对碳足迹开展了相关研究，国内一些学者从碳足迹核算[11-12]、碳足迹影响力和感应力[13]、不同产业的碳足迹[14]、土地利用的碳足迹[15]等角度开展了相关研究，使碳足迹成为应对气候变化背景下开展人类活动的环境影响评估的重要手段和方法。总体而言，前期研究更多关注区域能源消费的碳排放，而对区域碳收支核算及其对碳排放峰值的影响则较少关注。本研究将碳收支核算、碳足迹分析与碳排放峰值研究相结合，采用情景分析方法对河南省碳排放及碳足迹峰值进行了预测，旨在了解河南省未来碳减排潜力，寻求低碳发展对策。探索河南省低碳发展路径和前景。

1　数据来源与计算方法

1.1数据来源

采用河南省2000—2012年能源消费、食物消费、土地利用和社会经济等相关数据，主要来自于历年的《中国能源统计年鉴》《中国统计年鉴》《中国交通年鉴》《河南省统计年鉴》和《河南省环境统计年报》等。

1.2计算方法

1.2.1碳收支的核算方法结合国内外相关研究，对河南省工业能源消费、生活能源消费、食物消费、交通能源消费、农业生产活动、废弃物等的碳排放以及陆地生态系统碳汇进行了定量核算。其中碳排放主要包括工业能源消费、生活能源消费、交通能源消费、城镇食物消费、农村食物消费、肠道发酵、动物粪便、灌溉、农机、固体废弃物和废水等的碳排放(表1)[16]。

表1　河南省碳收支核算方法

1.2.2碳足迹的测度方法碳足迹是指吸纳碳排放所需要的生产性土地(植被)的面积，即碳排放的生态足迹[15]。NEP反映了植被的固碳能力，即每1 hm2的植被1 a吸收的碳量[17]。森林和草原的NEP采用谢鸿宇[17]等计算结果(表2)。本研究考虑了农村生物质能的碳排放，因此，在碳足迹计算中也同样考虑农作物的碳吸收，计算方法为：

Cd=CaDw=CaYw/H

(1)

式中：i——第i种农作物类型； Cd——某种作物全生育期对碳的吸收量(104t)； Ca——作物合成单位有机质(干重)所需要吸收的碳，即碳吸收率; Yw——经济产量(104t)； Dw——生物产量(104t)； H——经济系数，中国主要农作物的经济系数和碳吸收率见文献[18-19]。对每种作物的碳吸收进行汇总得到碳吸收总量，除以播种面积即得单位面积碳吸收率，本文采2000—2012年的河南省农作物单位面积碳吸收的平均值(4.05t/hm2)作为农田生态系统的NEP。另外，根据谢鸿宇等[17]的研究思路，计算出河南省森林、草地和农田的碳吸收总量及其比例关系，再根据各自的NEP计算出每吸收1t碳所需要的相应生产性土地的面积(表2)。

表2　主要植被类型的碳吸收系数

采用NEP指标来反映不同植被的碳吸收量，并以此计算出消纳碳排放所需的生产性土地的面积(碳足迹)，计算方法为：

(2)

式中：CF——碳排放总量(Ct)带来的碳足迹(hm2)；Pf，Pg，Pa——森林、草地和农田碳吸收在总量中的比重； NEPf，NEPg，NEPa——森林、草地和农田的NEP(t/hm2)。通过公式(2)可以计算出各类用地能源消费的碳足迹(包括森林、草地和农田3类)，汇总后可以得到河南省能源消费的碳足迹。

1.2.3碳排放峰值的预测方法以人口、人均GDP、城市化水平为变量参数构建STIRPAT模型对河南省碳排放峰值进行模拟和预测。具体扩展模型为：

lnI=lnP+lnA+lnC

(3)

式中：I——碳排放量(104t);P——人口(万人);A——人均GDP(万元/人);C——城市化率(%)。根据建立的STIRPAT扩展模型，在SPSS软件环境下进行岭回归拟合达到岭迹图。结果发现，当K=1的时，各变量回归系数变化趋于稳定，此时拟合的岭回归方程为：

lnI=1.988 5×lnP+0.303 2×lnA+

0.442 7×lnC-10.533 0

(4)

模型的可决系数R2=0.919，拟合优度较高，表明本研究的拟合方程能够较好地模拟区域未来的碳排放特征。

2　结果分析

2.1河南省碳收支核算分析

通过对碳排放项目进行核算，可以得到河南省历年的碳排放情况，城市生活能源消费2000—2005年的数据缺失，考虑到年际变动趋势类似，用2006—2012年的数据的平均增长率前推得到。

2.1.1河南省碳排放总量快速上升碳排放总量从2000年的6.83×107t上升到2012年的1.77×108t，涨幅为159.2%，表明随着河南省经济发展和人口增加，能源消费、食物消费和废弃物的增多等使河南省碳排放总量大幅增加。

2.1.2河南省碳排放的行业差异性大，工业主导特征明显就碳排放构成来看，2012年工业能源消费碳排放占73%，其次为生活能源和废弃物碳排放，分别为10.0%和8.37%，紧接着交通能源消费，为4.52%。其他各项碳排放所占比重相对较低，城镇和农村食物消费碳排放比重合计为2.88%；剩余各项的比重都在1%以下，合计仅占1.38%。工业能源、交通能源和生活能源的碳排放合计占85%以上，表明能源消费特别是工业领域的碳排放是河南省的主要碳排放源。其中，电力、热力的生产业和供应业的碳排放最多，为6.93×107t，其次是石油加工、炼焦及核材料加工业和煤炭开采和洗选业，碳排放分别为1.85×107t和1.08×107t。这是河南省工业碳排放的重要行业排放源。2012年河南省三次产业结构比例为：12.74∶56.33∶30.94，对碳排放项目按三次产业进行归并发现，2012年三次产业的碳排放强度分别为0.32，1.30，0.43 t/万元(2012年河南省生产总值按2000年的可比价进行推算)，其中，第二产业碳排放强度明显高于第一和第三产业。按照当前的碳排放强度水平进行预测，未来第二产业比重每降低1%(同时第三产业比重增加1%)，河南省碳排放总量将会减少1.71×106t。因此，在未来河南省低碳经济发展规划中，工业领域应成为碳减排的重点，应着重通过产业结构调控来降低区域碳排放水平。另外，应通过改善能源结构和发展新能源的措施来进一步加强河南省交通能源和生活物质能源的碳减排，并积极发展废弃物碳排放控制技术，来推动废弃物碳减排。相对而言，食物碳消费属于刚性的碳排放，减排空间不大，不应作为河南省碳减排的重点。

2.1.3河南省不同途径碳排放的增幅具有明显差异2000年以来，各项碳排放中增幅最大的为固体废弃物的碳排放(171%)，其次为交通能源消费碳排放，生活能源碳排放的增幅和工业能源碳排放增幅次之。其他各项碳排放的增幅相对较低，包括肠道发酵和农机碳排放等，另外，农村食物碳排放反而出现了不同程度的下降趋势(图1)。固体废弃物80%以上来源于工业生产的废弃物，因此，未来应进一步加强对固体废弃物的低碳化处理，并通过调控产业结构来降低工业生产废弃物的碳排放。按照废弃物产生量与工业产值比重的关系预测，未来第二产业比重每降低1%点，固体废弃物碳排放将会降低1.17×105t。可见，产业结构调控是约束废弃物碳排放大幅增长的重要措施。

注：1工业能源； 2生活能源； 3交通能源； 4城镇食物； 5农村食物； 6稻田甲烷； 7肠道发醇； 8动物粪便； 9灌溉； 10农机； 11垃圾； 12废水。

图1河南省2000-2012年主要碳排放项目的增幅

2.1.4生态系统的碳汇能力呈现明显的下降趋势用碳排放总量减去碳吸收，可以得到河南省净碳排放状况。分析结果表明，由于碳汇总水平上升下降再上升的趋势，从2000年的5.81×107t上升到2002年的6.01×107t，又下降到2003年的5.22×107t，然后又上升至2012年的7.62×107t。而与此同时碳排放总量却大幅增长，导致河南省净碳排放增长速率明显超过了总碳排放的增长，从2000年的1.03×107t上升到2012年的1.01×108t，上升了9倍多。总体而言，河南省陆地生态系统碳吸收对于碳排放具有一定的补偿效果，但近年来随着碳汇水平的缓慢上升，以及碳排放量的不断增长，碳补偿率从2000年的85.0%下降到2012年的43.1%，这是值得关注的现象。这表明，随着河南省经济发展和碳排放的大幅增长，河南省碳循环压力在逐渐增大。因此，加强陆地生态系统的固碳水平和效率能有效补偿区域自身的碳排放，这对于缓解区域应对气候变化的压力具有重要意义。未来，应适当调控土地利用结构和布局，在土地利用规划中引入碳减排理念，一方面尽可能地优化组合各类用地的比例关系(包括第二产业内部各产业用地的比例关系)，适当限制高碳足迹用地方式的土地供应；另一方面重视发展生态用地，在保证经济发展的前提下尽可能提高生态空间的比重。

2.1.5碳排放强度是指单位经济效益的碳排放，反映了经济发展的环境压力程度对河南省历年的碳排放强度和人均碳排放的变化进行分析(河南省GDP数据采用2000年的可比价)发现，河南省2000年以来碳排放强度呈波动下降趋势，从2000年的1.35 t/万元下降到2012年的0.90 t/万元，降幅达66.7%。这表明河南省经济发展速度超过了碳排放的增长速度，河南省近年来的节能减排工作取得了一定的成效，能源利用效率在逐步提高，河南省人均碳排放呈逐年增加态势，从2000年的0.72 t/人上升到2012年的1.68 t/人。说明随着经济发展和能源消耗量的大幅增长，总碳排放的迅速增长导致了人均碳排放的增加(图2)。

图2　河南省历年碳排放强度和人均碳排放

2.2河南省碳足迹特征分析

根据研究思路，对河南省的碳足迹及其构成进行了测算分析，结果发现： (1) 河南省2000—2012年能源消费的碳足迹呈现逐渐增加的趋势，从2000年的1.71×106hm2上升到2012年的4.42×107hm2，是2000年的2.6倍，平均增幅为0.08%，说明河南省的碳足迹压力在不断增加。 (2) 河南省2000—2012年能源消费的碳足迹都明显大于3类生产性土地的实际面积(表3)，说明河南省自身生态系统的碳吸收不足以补偿能源消费的碳排放，并因此造成了1.68 ×108hm2的生态赤字，该生态赤字是河南省土地面积(1.67×107hm2)的10倍，说明河南省面临着较大的碳排放压力。 (3) 河南省农田碳吸收量要显著大于林地和草地。因此，按照碳吸收的用地比例计算，碳足迹主要以农田为主，占总碳足迹的82%，为2.44 ×107hm2(表3)。这一方面是由于河南省是农业大省，河南耕地省耕地和园地的面积明显大于林地和草地的面积；另外，据前文的计算结果，河南省农田单位面积碳吸收水平也较高，这表明农作物生育期的碳吸收构成了区域碳汇的主要来源。 (4) 河南省2000—2012年能源消费的单位面积碳足迹达到1.75 hm2/hm2，即对河南省平均而言，每1 hm2土地上能源消费碳排放被吸收掉需要的生产性土地面积为1.75 hm2，说明河南省的土地碳排放压力较大，生态系统的碳汇能力有待提高。

表3　河南省2000-2012年碳足迹分析

2.3河南省碳排放和碳足迹峰值预测分析

2.3.1碳排放情景参数设置在碳收支和碳足迹的基础上，结合中国政府2009年提出的碳减排目标(2020年碳排放强度比2005年下降40%～45%)对模型中各变量的变化速率进行设定，并设计出基准情景和低碳情景的碳排放量，以及与之对应的基准情景和低碳情景下的碳足迹。基准情景是根据河南省2000—2012年的碳收支情况，结合发达国家经济社会发展规律和我国未来经济社会发展政策的改变，人口、人均GDP、城市化率和碳吸收的自然增长水平进行各因素变化率的设定而得到的结果；低碳情景是在经济社会新常态下社会经济发展指标预测的基础上，考虑到碳排放的主要影响因素在未来年份的可能变化情况，在基准情景的基础下对主要参数的变化率进行调整的结果。本研究的基准年为2012年，并根据前文设定的碳排放变化速率对2013—2050年的碳排放进行预测。其中，各指标参数的变化率与中国经济社会发展的5 a规划期相对应，将预测分为8个阶段，对应参数从第1阶段到第8阶段的变化率变化情况详见表4。在碳足迹的峰值预测中，森林、草地、农田的碳吸收分别以2000—2012年的平均增长率9‰，-2‰，3%为变化率计算的。

表4　不同情景下参数的变化趋势

2.3.2碳排放及碳足迹峰值预测结果分析依据设置的两种情景模式，运用STIRPAT扩展模型，对河南省的碳排放、净碳排放、碳足迹峰值进行拟合，得出不同情景下的碳排放和碳足迹的峰值大小和时间(图3)。 (1) 基准情景下，河南省碳排放峰值出现在2040年,为3.52×108t，而低碳情景下，碳排放量的峰值出现在2035年,为2.64×108t，分别是2012年的1.99倍和1.49倍，低碳情景下的碳排放量峰值比基准情景减少了8.84×107t，下降比率为25%。表明在低碳发展模型下，河南省具有较大的碳减排空间。 (2) 考虑到碳吸收的补偿作用，基准情景下净碳排放量峰值和低碳情景下的净碳排放量峰值分别提前出现在2035和2025年，在时间和数量上将很大程度上限制了碳排放量的增长，尤其是低碳情景下的净碳排放量峰值是基准情景的70%，仅为2012年的1.43倍，甚至在2049年出现了负值。这表明，在考虑低碳情景的减排潜力和区域碳吸纳水平的基础上，2050年河南省生态系统的碳吸收可以完全补偿碳排放，有望在省级尺度上达到零排放。 (3) 基准情景下的碳足迹将会在2040年达到峰值，为8.75×107hm2；低碳情景下的碳足迹将会在2035年达到峰值，为6.56×107hm2。2050年，碳足迹分别为8.60×107hm2和6.18×107hm2，分别是2012年碳足迹的1.94，1.40倍。据预测，未来碳足迹的增幅将逐渐减少，将有效缓解河南省的土地利用碳排放压力，也是我们追踪碳收支平衡的一个有效方法，将更好地依据区域碳排放压力和生态状况调控碳排放和生态土地利用之间的关系。总体而言，河南省具有较大的碳减排潜力空间，合理控制人口、人均GDP和城市扩展速率，以及充分利用农田、森林等的碳汇作用，将在很大程度上减少碳排放量。因此，未来应在保证经济发展质量的基础上，控制经济增长速度，不断优化调整产业结构和能源结构，切实有效地推动区域低碳转型。

图3　河南省2013-2050年碳排放峰值预测

3　结 论

(1) 河南省碳排放总量从2000年的6.83×107t上升到2012年的1.77×108t，涨幅为159.2%，其中碳排放的行业差异性大，工业占主导地位，不同途径碳排放的增幅具有明显差异，生态系统的碳汇能力呈现明显的下降趋势。

(2) 河南省2000—2012年的碳排放强度呈现逐渐降低的趋势，但人均碳排放强度却在上升。

(3) 河南省2000—2012年能源消费的碳足迹呈逐渐增加趋势，且明显大于3类生产性土地的实际面积，造成了1.68×108hm2的生态赤字，碳排放和碳吸收出现了明显的不匹配现象。

(4) 在基准情景和低碳情景下，河南省的碳排放量峰值分别出现在2040和2035年，在考虑区域碳吸收补偿的前提下，净碳排放量峰值提前为2035和2025年，在时间和数量上都很大程度地限制了碳排放的大幅增长，可见，河南省具有较大的碳减排潜力空间。

(5) 推动经济社会的低碳转型是今后河南省推动生态文明建设、优化产业结构、创建“两型”社会及适应经济新常态的必然选择。为降低区域碳排放强度和碳足迹水平，可采取相应对策： ① 重点加强对碳排放量巨大且增幅较大的部门率先开展低碳技术的应用和推广，如工业能源消耗部门、城市生活能源消费、垃圾焚烧与填埋等，切实降低区域碳排放强度； ② 通过调整产业结构和能源结构，提高能源效率，重点推进电力、煤炭及有色金属等重点耗能行业的碳减排，推动区域产业转型升级，并引领区域低碳发展； ③ 改善农业生产条件，提高农业土壤的碳蓄积水平，加强植树种草，扩大碳汇，提高陆地生态系统的固碳水平和效率，切实有效地补偿区域自身的碳排放； ④ 土地利用是产业活动的载体，土地利用结构调控是实现区域低碳发展的重要措施，未来应通过对土地利用结构、布局、规模和强度的调控，约束高碳土地利用开发利用方式，积极发展碳汇型土地利用方式，切实减少区域生态赤字，引导形成区域低碳土地利用方式和城镇开发格局； ⑤ 加强对碳排放的定量监测和预测，寻求经济社会发展与能源消费碳排放控制的最优模式。

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Prediction of Carbon Emission Peak Value of He’nan Province Based on Carbon Budget Estimation

ZHAO Rongqin1, LIU Wei1,2, LIU Ying3, DING Minglei1, ZHANG Zhanping1, WANG Jie1

(1.SchoolofResourceandEnvironment,NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou,He’nan450045，China; 2.SchoolofGeographicSciences,EastChinaNormalUniversity，Shanghai200241,China; 3.CollegeofCivilConstructionEngineering,ZhengzhouInstituteofAeronauticalIndustryManagement,Zhengzhou,He’nan450046,China)

[Objects] Carbon emission and carbon footprint of He’nan Province were predicted in order to understand the potential of carbon emission reduction in the future and to find low-carbon development strategies. [Methods] Based on the provincial level, taking He’nan Province as an example, this paper analyzed the carbon budget and carbon footprint of He’nan Province, and predicted the carbon emission peak value by STIRPAT model and scenario analysis approach. [Results] (1) The total amount of carbon emissions in He’nan Province increased from 6.83×107t in 2000 to 1.77×108t in 2012 with the increasing rate of 159.2%. The carbon emissions were quite different among different industries, in which, the manufacturing industries contributed the most of total carbon emission. The increasing rate of different types of carbon emissions were obviously different from each other. The carbon sink capacity of terrestrial ecosystems of He’nan Province decreased since 2000. (2) The carbon footprint of energy consumption of He’nan Province increased from 1.71×107hm2in 2000 to 4.42×107hm2in 2012. The expansion of carbon footprint caused the ecological deficit of 1.68×108hm2. (3) Carbon emissions will reach to its peak value in 2040 or 2035 under benchmark or low-carbon scenario, respectively. If the regional carbon compensation was considered, peak values of carbon emissions under benchmark and low-carbon scenario will arrive in advance, in 2035 and 2025, respectively. [Conclusions] The carbon sinks of He’nan Province do not match carbon emissions. If carbon compensation is applied, there is huge room for carbon emission reduction in the future.

carbon budget; carbon footprint; carbon emission peak value; He’nan Province

2015-07-04

2015-09-19

国家自然科学基金项目“城市典型产业空间的碳排放强度与碳代谢效率研究”(41301633)

赵荣钦(1978—),男(汉族)，河南省孟津县人，博士,副教授,主要从事土地利用与碳排放研究。E-mail:zhaorq234@163.com。

A

1000-288X(2016)04-0078-06

F062.1