全国碳市场重点排放单位空间分布特征及管控对策

李广宇，王晓萌，任慧，翟明洋，王肖惠，周长波**，李明奎

1.生态环境部环境发展中心

2.鲁东大学资源与环境工程学院

3.中国人民大学

全球气候变化是人类社会面临的共同挑战。中国高度重视应对气候变化，2020 年碳排放强度比2005 年下降48.4%，超额完成了向国际社会承诺的到2020 年下降40%～45%的目标，累计减少排放二氧化碳约58 亿t[1]。中国在减缓全球气候变化方面发挥着关键作用，承诺力争于2030 年前实现二氧化碳排放达到峰值、2060 年前实现碳中和。实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，需要规划、立法、行政政策、市场机制和科技进步等共同作用[2-3]。建立全国碳排放权交易市场（简称全国碳市场），是利用市场机制控制温室气体排放的重大举措[4]。全国碳市场是全球覆盖碳排放量规模最大的碳市场，于2021 年7 月正式启动上线交易。目前，全国碳市场覆盖范围仅为发电行业重点排放单位和二氧化碳1 种温室气体，其中，重点排放单位是发电行业年度排放达到2.6 万t 二氧化碳当量（综合能源消费量约1 万t 标准煤）及以上的燃煤电厂企业或者其他经济组织。全国碳市场第一个履约周期期间出现了碳排放报告数据失真失实等问题，加强对重点排放单位碳排放数据质量管理等监管被生态环境部列为重要任务[5]。

燃煤电厂分布空间分异显著，电力行业碳排放量具有显著省际差距和区域不平衡[6-9]。燃煤电厂分布热点地区是碳排放数据质量监管及减排政策实施的重点区域，可通过实施技术经济策略来减少碳排放[10-12]。重点排放单位年度碳排放达到特定规模，国家对其碳排放报告与核查等环节实施分级管理。行政区是重点排放单位碳排放数据质量监督管理的单元，生态环境部负责制定技术规范、对地方进行监督管理和指导，省级生态环境主管部门负责组织开展碳排放配额分配和清缴、碳排放报告的核查等，并进行监督管理，设区的市级生态环境主管部门具体实施以上工作[4]，但目前鲜见重点排放单位在行政单元分布特征的研究。

各级生态环境部门分级负责行政区内重点排放单位碳排放的管理工作。基于行政单元对重点排放单位分布进行空间分析，识别重点排放单位的集聚区域，分析碳排放管理的影响因素，可以帮助监管部门制定有效的监管策略。重点排放单位承担碳排放数据质量的主要责任，其煤样和煤质检测数据是碳排放报告出现问题的重要节点[5]。2021 年，全国煤炭年度产量和进口量分别为41.3 亿和3.23 亿t，可认为产煤地区电厂燃煤为本土煤炭；其中，山西、内蒙古、陕西、新疆、贵州、安徽6 省（区）煤炭产量占全国的85.8%，煤炭供给呈集中分布态势，煤炭质量具有显著地区差异[13-16]，而煤炭质量会直接影响碳排放[8,11]。社会经济发展水平、产业结构等影响煤炭能源生产利用方式和效率等，如部分传统能源开采和消耗多的省份以煤炭为主的能源利用方式相对粗放[17]。

综合重点排放单位数量及是否为国家煤炭基地、国家煤电基地等影响碳排放管理的因子对行政单元进行空间划分，结合不同区域社会经济发展水平、产业结构等进行关联分析，可为生态环境部门确定重点监管区域和实施精准监管提供依据，对电力行业制定碳减排策略也有重要意义。笔者在对纳入全国碳市场的重点排放单位空间化基础上，运用全局自相关和空间自相关分析模型，探索重点排放单位在不同行政单元的空间分布特征，并运用分组分析方法将全国城市划分为若干区域，针对性分析了各区域碳排放监管策略。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源与预处理

重点排放单位名录来源于生态环境部发布的《纳入2019—2020 年全国碳排放权交易配额管理的重点排放单位名单》[18]。该名单中重点排放单位共计2 225 家，依据重点排放单位的名称及地址数据，应用百度坐标拾取系统获取其精确坐标值（WGS-84 坐标系）。当重点排放单位无法通过名称进行精确坐标获取时，根据地址使用Google Earth 对企业位置进行补充查找和人工校正。行政边界数据来自国家基础地理信息中心。

以国家规划煤炭矿区、国家大型煤炭基地所在城市表征煤炭来源，以国家大型煤电基地所在城市表征煤电重要生产区域。国家规划煤炭矿区的城市清单来自《全国矿产资源规划（2016—2020 年）》，该文件规划了13 个大型煤炭基地，保有资源储量约占全国保有资源储量的85%，其中国家规划煤炭矿区位置以城市为单元，共涉及87 个城市[19]。《能源发展战略行动计划（2014—2020 年）》提出重点建设晋北、晋中、晋东、神东、陕北、黄陇、宁东、鲁西、两淮、云贵、冀中、河南、内蒙古东部、新疆等14 个亿吨级大型煤炭基地，锡林郭勒、鄂尔多斯、晋北、晋中、晋东、陕北、哈密、准东、宁东等9 个千万千瓦级大型煤电基地[20]。城市全社会用电量、第二产业占比、人均国内生产总值（GDP）等数据来自《中国城市统计年鉴（2021 年）》。

1.2 研究方法

1.2.1 空间自相关分析

空间自相关是一个区域单元上的某种地理现象或某属性值与邻近区域单元上同一现象或属性值的相关程度，是确定空间邻域中变量的局部和全局关联的最常见方法之一。空间自相关分析包括全局空间自相关与局部空间自相关，分别采用全局Moran'sI和局部Moran'sI指数计算[21]。

1.2.1 .1 全局Moran'sI指数

全局Moran'sI指数主要衡量全局层面的空间自相关，用于反映重点排放单位在全国行政单元分布的空间依赖或空间差异等总体特征，即重点排放单位数量相当的行政区是否在地理空间上倾向于集聚，其公式为：

式中：xi、xj分别为在i、j处的属性值；为属性的平均值；n为观测个数；wij为空间权重，当i和j邻接时Wij=1，否则Wij=0。I取值为[-1，1]，取值大于0 表示空间正相关，说明高值（或低值）在空间上显著集聚；取值小于0 为空间负相关；取值等于0 则表示空间不相关。

1.2.1 .2 局部Moran'sI指数

全局空间自相关分析会掩盖小范围内局部不稳定性，局域空间自相关用来度量每个空间单元与周边之间的局部空间关联和空间差异程度，以揭示与地理位置相关的空间依赖性。局部Moran'sI指数计算结果以空间关联局部指标（LISA）集聚图显示。LISA 图呈现出4 类显著的集聚区域：高高集聚、低低集聚、高低集聚和低高集聚。其中，高高集聚和低低集聚的空间正相关聚类能够从宏观层面发现重点排放单位分布的显著性热点和冷点，可为重点排放单位监管的空间范围划定提供科学参考，高低集聚和低高集聚的空间负相关聚类的识别则可以针对重点排放单位数量与周边有显著差异的区域单元实施精准治理。局部Moran'sI指数计算公式为：

式中：u为区域属性的平均值；m0为区域属性的方差。当局部Moran'sI通过检验达到显著性水平，有显著的正向空间自相关时，说明该地区与它周边区域的属性值相似，形成空间集聚。其中，当该地区与相邻区域的属性值都较高时，即高值聚集形成热点，可用高高集聚表示；当该地区与相邻区域的属性值都较低时，即低值聚集形成冷点，可用低低集聚表示；如果该地区本身属性值高而周围地区的属性值低（高低集聚）或是其本身属性值低周围区域的高（低高集聚），即有显著的负向空间自相关时，则为空间异质。

1.2.2 空间聚类分析

空间聚类分析将空间关系引入传统经典聚类，通过衡量不同空间要素之间的相似性，把具有较高相似度的空间要素划分至同一分组，较高相异度的空间要素划分为不同分组，进行空间要素的划分。空间聚类分析会执行一个分类过程来查找数据中存在的自然聚类，给定要创建的组数，寻找一个能够使每个组中的所有要素都尽可能相似但各组之间尽可能不同的解。

燃煤电厂的空间分布与经济发展、煤炭资源、电网覆盖范围等要素有关，且排放效率相近的电厂空间上分布较为集中[22-26]。由于城市是重点排放单位碳排放的管理单元，空间聚类分析在城市尺度进行。本文聚类参数选择重点排放单位数量、是否为国家规划煤炭矿区和国家大型煤炭基地、是否为国家大型煤电基地3 个直接因子，表征城市重点排放单位规模、煤炭来源、煤电生产等，基于ArcGIS平台，运用Grouping Analysis 工具实现空间聚类，并结合实际情况对聚类结果进行调整。空间约束参数选用CONTIGUITY_EDGES_CORNERS，表示面要素（行政区域单位）之间的拓扑关系只有在共享一条边或一个折点才属于同一个组。分组有效性通过F统计量来测量，最大F统计量值指明在组相似性和组差异之间具有最佳性能的解决方案[27]。

2 结果与讨论

2.1 重点排放单位空间分布总体特征

重点排放单位的空间分布特征如图1 所示。总体上，重点排放单位空间分布不均衡，主要集中在华东地区和华北地区，尤其是山东、江苏、内蒙古、浙江、河南、山西和新疆（含新疆维吾尔自治区和新疆生产建设兵团），7 省（区）的重点排放单位数占全国的比例达54.20%。从火电发电量和火电装机容量看，除以上7 省（区），广东、四川、云南的年火电发电量也较高，10 省（区）占全国火电发电总量比例达52.99%；山东、江苏、广东、内蒙古、河南、山西、浙江、新疆8 省（区）占全国火电装机容量比例为53.61%。在全社会用电量方面，山东、广东、江苏、浙江、河北、内蒙古、河南、新疆、四川占全国全社会用电量比例为56.19%。西藏没有重点排放单位。海南、青海、北京、甘肃、上海、天津、云南、重庆、贵州、湖南、宁夏、福建、广西、湖北、江西15 省（区、市）重点排放单位数量较少，占全国的比例仅为20.00%。由此可见，重点排放单位的数量、发电量和装机容量等在省级行政单元空间分布较为集中，这些区域也是碳排放的集中区域和重点排放单位碳排放监管的重点。

图1 重点排放单位在省域单元的空间分布特征Fig.1 Spatial distribution of China's key emission units at provincial level

2.2 城市和县域尺度重点排放单位空间分布特征

对城市、县域尺度重点排放单位数量进行全局空间自相关分析，结果显示，在0.01 显著性水平下，全局Moran'sI分别为0.37、0.18，表明城市、县域水平重点排放单位并非随机分布，呈现一定的空间关联特征，即空间上存在集聚分布。

从城市尺度看，304 个城市内有重点排放单位，主要分布在我国的东部、中部和西北地区。数量排名前15 的城市依次是苏州、鄂尔多斯、滨州、潍坊、榆林、重庆、济宁、嘉兴、无锡、淄博、杭州、昌吉、烟台、吕梁、天津，其重点排放单位有451 家，占全国总量的20.67%。其中，苏州、鄂尔多斯重点排放单位数量分别超过50 家和40 家。重点排放单位数量少于3 家的城市有156 个，其重点排放单位加和占全国总量比例仅为6.02%〔图2（a）〕。从分布情况看，高高集聚呈集中连片分布，从内蒙古巴彦淖尔、包头、乌兰察布经山西、河南、山东延伸至江苏和浙江的大部分地市，该连片区域是重点排放单位监管需重点关注的集中区域。低低集聚也呈现集中连片分布，可分为4 个片区：西藏、云南、四川西部、甘肃、陕西南部片区；江西、湖南、贵州东部、广西和广东西部片区；新疆西南部；海南。高低集聚区呈分散分布，即23 个城市与其周围地区呈现显著的高低空间自相关特征，分布在新疆、甘肃、山西、湖北、云南、贵州、湖南、江西、福建、广东及广西，也是区域重点排放单位监管的核心地区。在高高集聚的城市片区内部及边缘，少数城市重点排放单位数量较少，与其周围地区呈现显著的低高集聚特征，包括河北的张家口、秦皇岛、廊坊、衡水，河南的安阳和濮阳，江苏的宿迁，浙江的丽水及安徽东部部分城市等。

图2 重点排放单位在城市和县域尺度统计特征Fig.2 Statistics on key emission units at city level and country level

从县域层面看，1 104 个县区单元内有重点排放单位，重点排放单位主要分布在我国东部沿海的山东、江苏、浙江、广东，中部的河南、河北、陕西，西部的内蒙古、新疆等地的县区。拥有超10 家重点排放单位的县区数量为9 个，拥有超6 家重点排放单位的县区数量为51 个，主要分布在江苏、浙江、山东和广东等发达地区，少数分布在内蒙古、陕西和新疆的资源富集地区。588 个县区仅拥有1 家重点排放单位，266 个县区拥有2 家重点排放单位，占重点排放单位县区总数的比例为77.36%〔图2（b）〕。从分布情况看，高高集聚区由3 大片区组成，分别为山东—江苏—浙江—安徽东部、内蒙古中部—山西中西部—陕西北部、新疆北部。西藏、青海南部、甘肃南部、山西南部、四川、云南、贵州东部、广西、湖南、江西、湖北、福建的大部分区县呈现显著的低低集聚特征。高低集聚的区域主要分布在我国中部、南部和西南部，这些区域周边区县基本没有重点排放单位。

2.3 区域划分及管控建议

综合城市重点排放单位数量、煤炭来源、煤电生产等指标，全国重点排放单位可划分为7 个区域（表1）。结合各区域重点排放单位分布特征及社会经济发展状况、产业结构、城市用电量等情况（表2），分析了各区域重点排放单位管控对策。

表1 重点排放单位空间聚类Table 1 Space clustering of key emission units

表2 重点排放单位碳排放的关联因素统计Table 2 Statistics on related factors of carbon emissions from key emission units

区域1 共29 个城市，占重点排放单位总量比例约4.2%，每个城市平均仅有3.24 家重点排放单位。该区域覆盖面积大，从内蒙古阿拉善盟，经甘肃、宁夏、青海，延伸至新疆中部地区，重点排放单位分布极为分散。区内海西州、塔城、阿克苏、平凉、海北州、武威、酒泉等城市均存在煤矿区，通过本地矿区与重点排放单位燃煤低位发热量、元素碳含量、水分等参数比对，可对重点排放单位碳排放数据质量进行简易快速评估。区内人均GDP 超过10 万元的克拉玛依、五家渠、海西州、阿拉善盟、嘉峪关、石河子等第二产业占比均超50%，工业用电需求大，可探索将重点排放单位发电与重要工业企业用电进行一致性分析。区域内城市社会经济发展水平和全社会用电量总体不高，多个城市全社会用电量、人均GDP 和第二产业占比均较低，企业减排意识和管理能力水平偏低，如新疆纳入全国碳市场第一个履约周期的发电行业重点排放单位有10 家未完成履约，该区域需积极开展重点排放单位碳排放数据质量管理帮扶，做好重点排放单位监管与供热供暖等民生保障等方面的平衡。

区域2 共29 个城市，占重点排放单位总量比例约15.19%，每个城市平均有11.66 家重点排放单位。区域2 包括4 个部分：山西和陕西部分城市、宁夏中东部、鄂尔多斯和乌海；新疆北部；内蒙古东部的锡林郭勒；安徽南部的阜阳和淮南。区域内包括新疆、宁东、陕北、神东、晋中、晋东、晋北、黄陇、两淮9 个国家大型煤炭基地及锡林郭勒、鄂尔多斯、晋北、晋中、晋东、陕北、哈密、准东、宁东9 个千万千瓦级大型煤电基地。鄂尔多斯、榆林、朔州和大同四大产煤城市2021 年原煤总产量约15.7 亿t，占全国的38%[28]。区域煤炭的产销地重合，从煤种看，山西煤类主要以气煤、焦煤、贫煤、无烟煤为主，陕西低变质烟煤占比最大，新疆以低变质程度的烟煤（长焰煤、不黏煤和气煤）为主，宁东基地主要煤种为不黏煤，两淮煤类以气煤和焦煤为主[29-30]。通过对空间集聚县域内重点排放单位的煤质参数和碳排放情况的监测比较，可识别碳排放异常，提出应强化重点排放单位集中县市的生态环境部门、企业等人员的基础能力培训。区域近七成城市的第二产业占比超40%、工业用电量占全社会用电量比例在70%以上，其中鄂尔多斯、榆林人均GDP、重点排放单位数量均较高，可依托这些重点地区开展重点排放单位碳排放管理试点示范，带动区域整体碳排放管理水平提升。此外，由于煤炭资源赋存与煤炭利用效率呈负相关，需进一步提高区域煤炭利用效率[31]。

区域3 共53 个城市，占重点排放单位总量比例约18.20%，城市重点排放单位数量平均值为7.64 家。区域3 包括内蒙古中东部、黑龙江、吉林、辽宁、河北北部、北京和天津等。内蒙古呼伦贝尔、赤峰、通辽、包头等城市露天煤炭资源丰富，煤炭的产销地重合，种类由褐煤向无烟煤过渡[32]。黑龙江、吉林、辽宁均有外来及本地煤炭，黑龙江煤炭资源较为丰富，西部、中部、东部分别以褐煤、低变质烟煤及气煤、焦煤为主，吉林煤种主要为焦煤、瘦煤和1/3 焦煤，辽宁煤种主要为长焰煤、气煤和1/3 焦煤，通过区分本地和外来煤炭，有助于进行碳排放分类监管[33]。不同城市经济发展社会水平差异显著，大约80%城市第二产业占比低于40%、人均GDP 低于6 万元，应加强该类城市重点排放单位碳排放质量监督帮扶。京津冀的北京、天津、石家庄及大连、长春、吉林等重点排放单位数量较多，确定外来煤炭来源有助于更好地进行碳排放监管。

区域4 共25 个城市，占重点排放单位总量比例约11.73%，城市重点排放单位数量平均值约为10.74 家。区域4 包括河北中南部、河南北部、山东西部、安徽北部等，内有河南大型煤炭基地，除濮阳外其余城市内均有矿区。区域内第二产业占比介于30%～40%和大于40%城市分别有10 个和15 个。从煤质看，河南以焦煤、无烟煤为主，河北以长焰煤、肥煤为主，山东、安徽均以气煤、肥煤为主，通过确定重点排放单位煤炭来源，有助于进行企业碳排放的分类监管。

区域5 共31 个城市，占重点排放单位总量比例约25.53%，城市重点排放单位数量平均值约为18.32 家，仅7 个城市重点排放单位少于10 家。区域5 包括山东中东部、江苏、浙江北部和安徽部分地区，无本地煤炭供给。该地区应重点关注煤炭源地对碳排放的影响，如江苏煤炭供给总量的约75%来自山西煤炭基地[34]，可将山西煤质参数作为检验江苏重点排放单位碳排放数据质量的参考。该地区重点排放单位分布集中，城市全社会用电量和工业用电量远高于其他区域，社会经济发展水平高，第二产业占比普遍较高，应加强先进技术和管理经验的推广应用，降低碳排放水平。强化区域市级和县级生态环境部门及重点排放单位人员的技术能力集中培训，有助于提升碳排放管理的整体效能。

区域6 共15 个城市，占重点排放单位总量比例约2.83%，城市重点排放单位数量平均值约为4.20 家。区域从宜宾—泸州—遵义向西南延伸至云南红河哈尼族彝族自治州，内有云贵大型煤炭基地。区域社会经济发展水平相对较低，全社会用电量低，超过50%城市第二产业占比低于40%，不利于新技术应用和碳排放管理水平提升。西南地区煤质较差，煤电机组烟气污染物与碳排放强度显著高于全国平均水平，需要加强区域减污降碳协同的技术、资金和政策支持[35]。

区域7 共122 个城市，占重点排放单位总量比例约22.29%，城市重点排放单位数量平均值约为4.07 家。区域主要位于我国中部、南部、东南沿海地区，为煤炭短缺地区，无本地煤炭供给。区域内11 个城市重点排放单位数量超过10 家，分别为重庆、广州、绍兴、九江、乐山、武汉、东莞、泉州、合肥、宜春、百色，而重庆、广州、深圳、东莞、佛山、成都、武汉、福州等城市全社会用电量和工业用电量较高，为碳排放监管需要重点关注的规模较大或工业发达城市。通过铁路、水路和公路等运输体系分析重点排放单位煤炭资源流动路径和煤炭来源，识别煤种类型有助于分析碳排放报告合理性，如华东地区70%的煤炭调入量和华南地区90%的煤炭调入量都是通过港口完成，云贵地区通过公路外运的煤炭量主要输往广西、湖南和川渝等地[36]。

3 结论

（1）重点排放单位空间分布不均衡，集中在华东地区和华北地区，尤其是山东、江苏、内蒙古、浙江、河南、山西和新疆7 省（区）占比较高，这些区域也是碳排放集中区域和重点排放单位碳排放监管重点。

（2）重点排放单位分布在约81.94%的城市和38.06%的县域区域内，且在城市、县域尺度具有空间正自相关性。高高集聚区呈集中连片分布，包括内蒙古中部、山西、河南北部、安徽北部、山东中东部、江苏和浙江的大部分地市；低低集聚区可分为4 个连片分布区域，主要分布在我国中部、南部和西南部地区；低高集聚区主要在高高集聚区域内部和边缘；高低集聚区分布较分散。

（3）综合城市重点排放单位数量、煤炭来源、电力生产等，将全国城市划分为7 个区域，并结合各区域社会经济发展状况、用电量、产业结构等提出了各区域管控策略。区域1、2 和6 重点排放单位主要使用本地煤炭，可通过对比分析本地矿区与重点排放单位的煤质参数，评估碳排放数据质量。区域3 和4 重点排放单位使用本地矿区煤炭或外来煤炭，区分煤炭来源有助于对重点排放单位进行分类监管。区域5 和7 主要使用外来煤炭，应关注煤炭来源对碳排放的影响。同时，区域1 和3 经济发展水平总体不高，应强化重点排放单位碳排放数据质量管理帮扶。区域2、4 和5 重点排放单位分布集中，经济发展水平相对较高，可以加强先进技术和管理经验的推广应用。