“双碳”目标下中国社会—生态复合系统碳氧平衡时空格局分析

魏宁宁 ，云立新 ，党晓虹，林奕冉

（1.青岛农业大学 人文社会科学学院，山东 青岛 266109；2.青岛农业大学 乡村振兴研究院，山东 青岛 266109；3.南京农业大学 公共管理学院，江苏 南京 210095）

改革开放以来，我国经历着并且仍然进行着工业化和城镇化的快速增长[1]，GDP 从1978 年的3 678.7 亿元增加到2021 年的1 143 670.0 亿元，城镇化率从1978 年的17.92%增加到2021 年的64.72%。快速的工业化和城镇化在带来我国经济高速增长的同时，也带来能源需求增加和二氧化碳排放量快速增长等挑战。根据国际能源署（IEA）2013 年的数据，到2040 年，全球能源消费平均将继续增长56%，每年增长2%导致每25 年能耗翻一番。而与此同时，更多的农用地被征收用于建造房屋、厂房、基础设施以及填埋固体废弃物，而这些土地原本是用于耕地、林地和草地等起“碳汇”“氧吧”作用的生态用地。一方面，工业化、城镇化的快速发展导致大量二氧化碳的排放和消耗大量氧气，另一方面，生态用地的不断减少导致二氧化碳固定量和氧气释放量不断减少，一旦碳氧平衡被打破，将会造成全球性的生态危机，影响世界各个国家和地区的可持续发展[2]。中国作为处于快速化发展阶段和能源消耗占比较大的国家，已多次向国际社会提出降低碳排放强度承诺[3]。2022 年政府工作报告指出，要有序推进碳达峰和碳中和，出台碳达峰行动方案，启动全国碳排放权交易市场。因此，对我国社会—生态复合系统的碳氧平衡分析，可为土地利用结构优化配置以及不同区域间生态补偿和碳排放交易等提供指导，同时对可持续发展和全球气候变化研究具有重要意义。

目前，有关碳氧循环的研究主要集中在碳汇和碳足迹两个方面。碳汇研究主要关注陆地自然生态系统的碳固定过程，模型主要包括统计模型和过程模型，统计模型是基于植被净初级生产力（net primary productivity，NPP）建立回归方程[4]，例如OBM模型[5]和MIAMI模型[6]等；过程模型基于植被生理生态学理论，建立自然生态系统与大气间的相互关系，例如InTEC 模型[7]和SiB 模型[8]等。碳足迹研究则更多地关注于社会经济系统的碳排放，评价模型则是以Life-cycle assessment（LCA）模型及其改进型Input-output LCA（IO-LCA）为基础[9]，例如HUGHES 等[10]计算了加拿大新斯科舍省城市居民的CO2排放量，王珊珊等[11]基于生命周期模型计算了中国人造板产业碳排放量，黄和平等[12]计算了江西婺源篁岭景区的碳足迹。然而，以往的碳氧循环研究把自然生态系统和社会经济系统孤立起来对待，碳汇研究更多关注自然生态系统的碳固定，碳足迹研究关注的是社会经济系统的碳排放，本文把自然生态系统和社会经济系统结合起来，从排碳固碳、耗氧释氧角度评估社会—生态复合系统是否处于良性循环状态。研究是建立在以下假设：社会经济系统的运行需要消耗环境中的氧气同时排放二氧化碳，而自然生态系统可以固定环境中的二氧化碳并向环境中释放氧气，因此，可以借助碳氧，把社会经济系统和自然生态系统结合起来，从碳氧平衡角度评估社会生态复合系统是否处于良性循环状态。

1 研究方法

1.1 社会—生态复合系统碳氧循环过程

本研究将社会—生态复合系统的碳氧循环过程分为两部分：社会经济活动引起的各种排碳、耗氧过程；自然生态系统的固碳、释氧过程（图1）。社会经济活动引起的排碳、耗氧过程主要考虑人体呼吸、工业产品生产（水泥）和能源消耗3 个方面；自然生态系统是固碳重要的“汇”，也是释氧唯一的“源”，综合相关学者对生态用地的概念和分类的研究结果[13-15]，本文主要考虑林地、草地、耕地、园地、水域5 种生态用地的固碳释氧功能。

图1 社会—生态复合系统碳氧循环过程示意图

1.2 社会经济系统排碳耗氧计算模型

社会经济系统的排碳量、耗氧量计算模型如表1、表2 所示。

表1 排碳量计算模型

表2 耗氧量计算模型

1.3 自然生态系统固碳释氧计算模型

自然生态系统的固碳量、释氧量计算模型见表3。

表3 固碳释氧量计算模型

1.4 碳氧平衡模型

社会经济系统中由于人们的生活和生产活动会排放二氧化碳和消耗氧气，而自然生态系统会固定二氧化碳和释放氧气[13]。因此，社会—生态复合系统中排碳和固碳之间，耗氧和释氧之间会存在平衡系数，碳平衡系数和氧平衡系数如下所示：

式（1）、（2）中：BCC为碳平衡系数，BCO为氧平衡系数，分别代表区域社会—生态复合系统中碳排放量和碳固定量之比；氧消耗量和氧释放量之比。如果BCC与BCO小于或等于1，则表示区域社会经济系统碳排放量能够被自然生态系统完全吸收，自然生态系统的氧释放量能够满足社会经济系统的需求，碳氧处于平衡状态，社会生态系统处于良性循环；反之，如果BCC与BCO大于1，则表示区域社会—生态复合系统处于碳氧失衡状态；如果BCC大于1，BCO小于或等于1，则表示区域社会—生态复合系统处于碳失衡状态；如果BCC小于或等于1，BCO大于1，则表示区域社会—生态复合系统处于氧失衡状态。

1.5 数据来源与处理

实证研究中主要测算中国2000—2020 年排碳耗氧量、固碳释氧量以及碳氧平衡状况，由于数据收集原因，碳氧平衡实证分析中不包括香港、澳门和台湾地区。所需数据主要来自如下：①能源统计数据。来源于2001—2021 年《中国能源统计年鉴》、2001—2021 年《中国统计年鉴》。②各类生态用地面积数据。来源于2001—2021年《国土资源统计年鉴》、2001—2021 年《中国统计年鉴》，各省份2001—2021 年统计年鉴和自然资源部等相关网站统计数据。③参数系数。煤炭、石油和天然气等能源的标准煤折算系数，煤炭、石油和天然气等能源的二氧化碳排放系数，水泥生产的排碳系数，氧元素、碳元素、氢元素、二氧化碳之间的物质的量之比，各种用地类型的单位面积年均固碳释氧量等，这些参数系数来源于IPCC 2006 年报告及相关研究文献[16-23]。各类参数值详见表4。

表4 碳氧平衡参数值

2 实证分析

2.1 社会—生态复合系统碳氧平衡动态分析

2.1.1 社会经济系统排碳耗氧量分析

表5 计算汇总了2000 年、2005 年、2010 年、2015年和2020 年我国社会经济系统排碳量和耗氧量。结果显示：①随着我国人口的逐年增加，工业化、城镇化快速发展，排碳总量和耗氧总量呈现逐年增加的趋势。20年来，排碳总量增加了2.3 倍，从2000 年的42 亿吨增长到2020 年的138 亿吨。耗氧量从2000 年的36 亿吨增长到2020 年的118 亿吨，增加了2.3 倍。②我国排碳耗氧量主要来自化石能源燃烧，2000 年化石能源燃烧排碳量占到排碳总量的89%，且比重呈增加的态势，到2020 年化石能源燃烧排碳量比重达到了95%；水泥生产排碳量占比最小，2000 年占比为2%，2020 年占比为2.2%。耗氧量中，2000 年化石能源燃烧耗氧量占到总耗氧量的92%，到2020 年达到了97%。③中国社会经济的高速发展是以化石能源大量消耗和环境污染为代价的，不符合可持续发展的理念。

表5 社会经济系统排碳耗氧量汇总表单位：万t/a

2.1.2 自然生态系统的固碳释氧量分析

通过固碳释氧量估算模型及相关系数计算得出2000年、2005 年、2010 年、2015 年和2020 年我国自然生态系统的年固碳总量和年释氧总量（表6）。

表6 自然生态系统固碳释氧量汇总表单位：万t/a

从表6 可以看出，林地是最主要的固碳释氧生态系统，其次是草地生态系统和耕地生态系统。从单一用地类型固碳量变化来看，20 年来，林地面积呈现动态波动变化，直接导致其固碳释氧能力的下降和回升的动态变化；同样，20 年来，草地面积和耕地面积呈现动态波动下降变化趋势，其固碳量和释氧量不断减少；20 年来，园地面积有所增加，其固碳量和释氧量分别增加了0.21 亿吨和0.6亿吨，但是，园地固碳释氧的增加量远远不能补偿林地和草地固碳释氧的减少量；水域的固碳释氧量变化不明显。

2.1.3 社会—生态复合系统碳氧平衡分析

我国社会—生态复合系统碳氧平衡系数如表7 所示，由表7 可以看出，我国2000 年碳平衡系数为0.76，氧平衡系数为0.32，即我国社会经济活动的排碳量能够被自然生态系统所吸收，耗氧量能够被自然生态系统释氧量所补偿，此时，从碳氧平衡的角度看，我国社会经济系统和自然生态系统之间的关系是协调的。随后，由于我国工业化、城镇化进程加快，生产活动造成大量的碳排放到大气中，并消耗了空气中大量氧，与此同时，经济快速发展引起土地利用快速变化，林地和草地生态系统面积减少，其固碳释氧量大量减少，直接后果是社会—生态复合系统碳氧失衡。2005 年碳平衡系数为1.26，氧平衡系数为0.53，碳处于失衡状态；2010 年碳平衡系数为1.65，氧平衡系数为0.68，碳的失衡进一步加大；2015 年碳平衡系数为2.23，氧平衡系数为0.90，碳的失衡状态进一步恶化；2020 年碳平衡系数为2.64，氧平衡系数为1.08，不但碳的失衡状态进一步恶化，氧也处于失衡状态。

表7 社会—生态复合系统碳氧平衡汇总表单位：万t/a

2.2 社会—生态复合系统碳氧平衡空间分析

为进一步了解我国社会—生态复合系统碳氧平衡的空间差异，分别测算出2020 年中国各省级行政单位的排碳耗氧量、固碳释氧量、单位GDP 碳排放强度、单位GDP 耗氧强度以及碳氧平衡状态，计算结果见表8。

表8 2020年中国各省级行政单位碳氧平衡系数汇总表

中国各省级行政单位排碳耗氧量差异明显，排碳量最多的是山东、河北、广东、江苏、河南5 个省份，其排碳量占排碳总量的31.90%，而排碳最少的西藏、青海、海南、宁夏、甘肃5 个省份，其排碳量只占总排碳量的3.17%。耗氧量最多的依然是山东、河北、广东、江苏、河南5 个省份，其耗氧量占总耗氧量的32.05%；而耗氧最少的西藏、青海、海南、宁夏、甘肃5 个省份，其耗氧量只占总耗氧量的3.19%。当然，各省份的人口数有差异，经济发展水平也不一样，排碳耗氧量会有差异。如果从单位GDP 碳排放强度和氧消耗强度来看，山西、宁夏、青海、贵州、新疆5 个省份的单位GDP 碳排放强度和耗氧强度是最高的，说明这5 个省份的经济发展依然依靠高耗能产业。

中国各省份的自然生态系统固碳释氧能力差异明显，内蒙古、西藏、新疆、四川和黑龙江是固碳释氧量最多的省份。当然，固碳释氧能力与各省份的土地面积、地形、地貌、植被和主体功能定位等有关，但是这从一个侧面可以得出，固碳释氧量大省牺牲自身的经济发展，保有大量的林地、草地等生态用地，为全国大气中的碳氧平衡做出了巨大的贡献，理应得到东部沿海发达地区的生态补偿。

2020 年中国各省份中，社会—生态复合系统处于碳氧平衡状态的只有内蒙古、黑龙江、云南、西藏、甘肃、青海、新疆7 个省份，说明这7 个省份的社会—生态复合系统是良性循环的，不但自身排放的碳能够被完全吸收，还能为其他排碳大省吸收多余的碳，是维持全国碳氧平衡的主要贡献省份。碳失衡的省份有吉林、福建、江西、湖南、广西、海南、四川、贵州、陕西9 个省份，这9 个省份的社会—生态复合系统处于氧平衡状态，但是碳处于碳失衡状态。在15 个碳氧失衡的省份中，碳氧失衡最严重的是上海，其排碳量是固碳量的153 倍，耗氧量是释氧量的45 倍，说明上海环境负外部性非常严重，需要全国其他省份承担环境成本。

3 结论与政策建议

3.1 结论

本文通过碳氧平衡模型的构建，对2000 年、2005 年、2010 年、2015 年和2020 年我国排碳耗氧量、固碳释氧量和碳氧平衡状况进行测度，同时空间对比分析了2020年我国各省份排碳耗氧、固碳释氧量和碳氧平衡状况的空间差异，得出以下结论：①我国经济社会系统的排碳耗氧主要来源于化石能源燃烧，其次是人口呼吸，最后是水泥生产。②自然生态系统的固碳释氧主要依靠林地、草地和耕地，二十年来随着我国林地、草地面积减少，其固碳释氧能力大幅下降，虽然园地面积有所增加，园地固碳释氧量增加，但其增加量远远不能抵消林地、草地固碳释氧量的减少量。③2000 年我国碳氧处于平衡状态，社会生态系统为良性循环，随后，随着经济快速发展，排碳耗氧量剧增，我国自然生态系统固碳释氧量不足以满足社会经济系统的发展，自然生态系统与经济社会系统之间的关系不协调，且不协调度逐渐加深。④中国各省级行政单位排碳耗氧量和固碳释氧量差异明显，排碳耗氧量最多的省份主要集中于我国东部沿海经济较好省份，而固碳释氧量最多的省份主要位于我国中西部地区。中国各省级单元单位GDP 碳排放强度差异明显，除了西藏外，其他30 个省份的单位GDP 碳排放强度高于世界平均水平（0.105 千克/元），与世界上主要发达国家相差甚远。全国只有7 个省份处于碳氧平衡状态，9 个省份处于碳失衡状态，另有15 个省份处于碳氧失衡状态。

3.2 政策建议

从社会经济系统排碳耗氧量和自然生态系统固碳释氧量的巨大差距可以发现，社会经济系统与自然生态系统协调的关键在于“疏堵结合”，即控制社会经济系统的排碳耗氧量和提高自然生态系统的固碳释氧量。就排碳耗氧而言，化石能源燃烧是排碳耗氧的最主要部分。因此，一方面，应转变经济发展方式，调整能源结构，降低能耗水平，尽量减少化石能源的使用比例，尤其是原煤，实现产业用能清洁化。另一方面，教育引导居民绿色出行，较多乘坐公共交通出行，减少个人小汽车出行次数，同时，提高居民节约使用生活能源的意识。就固碳释氧而言，尽快划定各级行政单元的生态保护红线、永久基本农田、城镇开发边界等空间管控边界，避免城镇开发建设过度地侵占生态空间，对生态红线区域加强保护与监管。同时，进一步实施退耕还林、退耕还草工程，扩大固碳释氧源的面积，从而提升生态用地固碳释氧的能力。

经济发展不但影响到各省份内的生态环境，还会通过空间扩散和转移，影响其他省份的生态环境。这表明生态环境的影响在空间上存在一定程度的省际转移，探索出省际碳排放交易和碳氧平衡生态补偿将是解决环境影响区际转移问题的可取路径。为了简化研究，本文只测算社会经济系统中主要的排碳耗氧活动，并没有把所有的活动都考虑在内，可能会与其他相似研究的结果存在一定的偏差。另外，碳氧平衡计算模型中涉及的相关系数，如生态用地固碳释氧系数等，是借鉴已有研究成果，并未经过实验获取，这可能会在一定程度上影响评价结果。在实际应用中要充分考虑各个方面的排碳固碳量和耗氧释氧量等，从而更精确地测算碳氧平衡。