山西省碳足迹与碳承载力动态变化研究

张秀萍，郑国璋

(山西师范大学 地理科学学院，山西 临汾 041000)



山西省碳足迹与碳承载力动态变化研究

张秀萍，郑国璋*

(山西师范大学 地理科学学院，山西 临汾 041000)

摘要：为了解2001-2012年山西省能源使用情况，文章采用《2006年IPCC国家温室气体清单指南》推荐的方法以及碳承载力、净碳足迹的概念和测算模型计算了山西省碳足迹、碳承载力、净碳足迹、碳足迹强度，得出以下结论：碳足迹持续上升，构成碳足迹的三大能源中，煤炭占比例最大，天然气居中，石油占比例最小；碳承载力总体呈增长趋势，农作物是碳承载力的主力；净碳足迹持续增大，山西省碳盈余，促进气候变暖；碳足迹强度减少，能源利用效率提高，说明山西省碳减排政策有很大成效，但是人均净碳足迹及净碳足迹密度都不符合全球碳足迹目标，山西省还要为实现全球气候变化的目标作出努力。此外文章还分析了影响山西省碳足迹的因素，并针对这些因素提出了改进措施。

关键词：碳足迹；碳承载力；净碳足迹；山西省

化石能源开发利用过程中排放大量二氧化碳、甲烷、一氧化二氮等温室气体，这些气体引起的气候变暖已经给生态环境带来一系列负面影响，随着人们环保意识的增强，如何有效减少碳排放成为社会各界普遍关注的问题。在此基础上，碳足迹逐渐成为国内外生态学研究的热点。碳足迹，是对某种活动引起的(或某种产品生命周期内积累的)直接或间接CO2排放量的度量[1]。国外对碳足迹已有很多研究成果：Brown等分析美国2005年100个较大城市的碳足迹，发现较大城市能源利用率比其他城市高[2]；Aichele计算了京都的碳足迹，还与全球各国对比[3]。赵荣钦等对中国各省区化石能源和农村生物质能源的碳排放量进行了估算，并建立了不同产业空间与能源消费碳排放的对应关系[1]；纪芙蓉研究中国的化石能源碳足迹[4]，赵先贵[5]、郭运动[6]、赵欣[7]、焦文献[8]分别研究了陕西省、上海市、江苏省、甘肃省的碳足迹，此外还有学者运用不同方法研究了不同省市能源消费碳排放的影响因素：牛晓耕[9]运用LMDI模型分析河北省能源消费碳排放影响因素，黄蕊[10]运用STIRPAT模型分析重庆市能源消费碳排放影响因素，陈操操[11]基于STIRPAT模型和偏小二乘模型对北京市能源消费碳足迹影响因素进行分析。虽然国内外碳足迹研究取得了不少成果，但也存在诸多问题，表现为已有的研究多关注碳排放，少涉及碳固定；多为静态分析，少动态研究[12]，同时也没有明确的碳排放等级鉴定。

本文运用《2006年IPCC国家温室气体清单指南》提出的碳足迹计算方法[13]，分析山西省2001-2012年能源消费的碳足迹，并为政府提出可供参考的碳减排建议。

1研究方法及数据来源

1.1　碳足迹计算方法

区域净碳足迹等于该区域能源消费产生的碳足迹减去植被碳承载力[12]。山西省能源碳足迹主要来源于煤炭、石油、天然气，根据国家发改委能源研究所的研究成果，煤炭、石油、天然气的碳排放系数分别为0.747 6、0.582 5、0.443 5[14]。碳承载力主要靠林地和农作物，因此本文仅计算林地及农作物的碳承载力。

1.1.1碳足迹

碳足迹根据IPCC 2006指南中的计算方法，如下

F=∑(Ei×Fi)=Fd×N=Fm×S

(1)

式中，F为化石能源碳足迹；Ei、Fi分别为第i种能源的消费量和CO2排放系数；Fd为人均碳足迹；N为人口数量；Fm为碳足迹密度；S表示研究区域的面积。

为研究能源的利用效率，文章还计算了碳足迹强度Fq，它表示产生每一单位的GDP(G)消耗的碳足迹，其值越大，表明环境与经济发展越不协调，计算公式为

Fq=F/G

(2)

1.1.2碳承载力

碳承载力为区域内各类植被吸收、固定CO2的量[12]。本文中植被包括林地以及农作物，碳承载力计算公式为：

C=S×Cm=N×Cd=Ct+Cp

(3)

式中，C为碳承载力；Cm为碳承载力密度；Cd为人均碳承载力；Ct为林地碳承载力；Cp是农作物碳承载力。

林地碳承载力计算公式为：

Ct=Sl×CNEP×44/12

(4)

式中，Ct为林地碳承载力，Sl为林地面积；CNEP为1 hm2林地1 a吸收的二氧化碳的量。依据吴庆标的估算参数[15]，山西省林地的NEP取1.43 t·hm-2·a-1。

农作物碳承载力(Cp)计算公式为：

Cp=β×Cc×44/12×∑Pi/Yi

(5)

式中，β为校正系数，取值0.05；Cc为生物量与固碳量的换算系数，取0.5；Pi为第i种作物的产量，山西省农作物主要为小麦、玉米、谷子、高粱、大豆、棉花和马铃薯；Yi为经济系数，即经济产量与生物产量之比。

1.1.3净碳足迹

净碳足迹等于该区域能源消费产生的碳足迹减去植被碳承载力[12]。净碳足迹值为正，表明该区域碳盈余，促进气候变暖；值为零，则碳收支平衡；值为负，则该区域为碳汇，有利于遏制气候变暖。计算公式：

D=N×d=A×Dd=F-C

(6)

式中，D为净碳足迹；d为人均净碳足迹；Dd为净碳足迹密度。

1.2　数据来源

研究所需能源消费量、土地利用数据、农作物产量、人口、国内生产总值等数据来自山西省(2002-2012年)统计年鉴。碳排放系数取自《省级温室气体清单编制指南》[14]以及《2006年IPCC国家温室气体清单指南》[13]。

2结果分析

2.1　碳足迹、碳承载力、净碳足迹分析

2.1.1碳足迹分析

由图1知，2001-2012年，山西省碳足迹大幅增长，从4 667.87×104t增长到10 588.22×104t，增幅126.83%。构成碳足迹的三大能源中，石油所占比例最小；天然气所占比例居中，却从2004年起出现较大增长；煤炭所占比例最大，可达80%以上，但其比例从2004年开始下降。各类能源所占比例发生变化，是因为2004年山西天然气股份公司与中石油签订了为期20年的天然气“照付不议”供应合同，获得每年20.68×108m3的天然气。另外，从2005年起，省天然气公司管网进一步完善，使得山西省天然气资源的利用量迅速增长。

图1　山西省碳足迹结构及变化趋势Fig.1　Carbon footprint change of Shanxi Province

2.1.2碳承载力的组成及分析

由图2知，山西省总碳承载力呈波动增长趋势，林地碳承载力与总碳承载力变化趋势基本一致。此外，还可知，山西省的碳承载力的主力是农作物，2001-2012年其固碳量缓慢增长，其增幅为91.21%。

图2　山西省碳承载力变化趋势Fig.2　Changes of carbon carrying capacity of Shanxi Province

2.1.3净碳足迹分析

由图3可以看出，山西净碳足迹由2001年的4 309.17×104t，到2012年达10 098.46×104t，增幅134.34%，净碳足迹持续增大，是因为碳足迹始终大于碳承载力，增速也快于碳承载力。净碳足迹为正值，表明山西省为碳源，促进气候变暖。

图3　山西省净碳足迹变化Fig.3　Net carbon footprint change of Shanxi Province

2.2　碳足迹、碳承载力和净碳足迹的人均值分析

由图4可知，2001-2012年，山西省碳足迹与净碳足迹的人均值分别增长104.9%和112.12%，相比碳足迹的增幅，这一时期人口增长幅度很小，仅为10.37%，因此碳足迹和净碳足迹的人均值仍有很大增幅。根据前人研究结果，应对气候变化的全球人均碳足迹目标为2.0 t[15]，而2006年起山西省人均净碳足迹是全球气候变化目标的1倍以上，且倍数呈增长趋势，说明山西省的碳减排任务依然很重大，必须尽快找到符合自身经济发展的减排措施。

图4　山西省碳足迹、碳承载力与净碳足迹人均值变化趋势Fig.4　Percapital change of carbon footprint，carbon carrying capacity and net carbon footprint of Shanxi Province

2.3　碳足迹、碳承载力与净碳足迹密度分析

由图5知，2001-2012年，碳足迹与净碳足迹的密度都大幅增长，碳承载力密度变化不大。净碳足迹密度从2.76增至6.46 t·hm-2，而应对气候变化的碳足迹密度为1.12 t·hm-2[16]，这样山西省净碳足迹密度是全球气候变化目标的2.46~5.77倍，因此山西省碳减排任务还很重大。

图5　山西省碳足迹、碳承载力与净碳足迹的密度变化Fig.5　Density change of carbon footprint，carboncarrying capacity and net carbon footprint of Shanxi Province

2.4　碳足迹强度分析

碳足迹强度值越小，表示能源利用效率越高；反之越低。2012年山西省碳足迹强度比2001年降低66.79%，年均下降5.57%，可见近些年山西省能源利用效率提高，碳减排措施有了很大成效。

3结论

该文对山西省2001-2012年能源消费产生的碳足迹与碳承载力进行分析，得到以下结论:

(1)山西省碳足迹持续上升。构成碳足迹的三大能源中，石油所占的比例最小；煤炭占的比例最大，可达80%以上，但其比例从2004年开始出现下降；天然气占的比例最小，但从2004年起出现较大增长。

(2)山西省碳承载力总体呈增长趋势，农作物是碳承载力的主力。

(3)净碳足迹持续增大，表明山西省为碳源，促进全球气候变暖。

(4)碳足迹强度减少，说明山西省能源利用效率提高，碳减排措施成效大。

(5)碳足迹、净碳足迹的人均值及密度都持续增长，其值都不符合全球气候变化的目标，山西省的碳减排任务还很重大。

4讨论与建议

4.1　碳足迹变化的驱动因子分析

结合前人的研究结果以及山西省现状，文章将山西省碳足迹影响因素概括为以下方面：

(1)产业结构的影响。三大产业中，第二产业碳排放量最大[17]。山西是典型的资源性地区，以第二产业为主，呈现出高耗能、高污染、超重型的特点，这样的产业特点必然导致巨大的碳排放量。

(2)能源消费结构的影响。山西省虽是全国的能源大省，但其能源结构不合理，表现为富煤贫油，优质能源石油完全依赖调入，虽有煤层气、焦炉气、天然气、煤制气等类天然气，但开发并不多。而且山西形成以煤炭加工转换、矿产品初加工为主导的经济结构，即使大多数重工业项目存在巨大的类天然气资源的消耗需求，清洁高效的天然气资源由于价格高也很难切入到山西省的传统重工业项目中。2012年，山西省煤炭消耗量占总能源消耗量的79.74%，远高于全国平均水平，而消耗同样数量煤炭和天然气，煤炭要比天然气多排放50%的CO2。

(3)能源利用效率的影响。2001年到2012年，山西省碳足迹强度总体呈下降趋势，说明能源利用效率提高，减缓了碳排放的增速。

4.2　山西省实现碳减排的建议

(1)优化产业结构。山西应走“三产”加速发展，“二产”低碳发展，“一产”稳定发展的路径[17]，着重优化二产的结构，开发工业旅游；

(2)优化能源结构。加大科技投入，提高煤炭的能源利用效率；发展煤层气、焦炉气、天然气、煤制气“四气合一”建设；黄河流经山西省，宝贵的水力资源可用以兴建大、中型水电站，个别河段可适当发展小水电；发展太阳能、风能、沼气等新能源；

(3)山西省山地、丘陵约占总面积的80%，山地丘陵地区适宜发展林业，据统计2012年山西省林地面积仅占总面积的1.97%，因此山西省可以通过增加林地面积来增加植被固碳量；

(4)合理引导居民消费，鼓励居民向绿色消费和低碳消费发展。

参考文献

[1]赵荣钦，黄贤金，钟太洋．中国不同产业空间的碳排放强度与碳足迹分析[J]．地理学报，2010，65(9)：1048-1057．

[2]Marilyn A，Brown F S，Sayzynski A．The geography of metropolitan carbon footprints[J].Policy and Society， 2009，27(3):285-304．

[3]Aichele R， Felbermayr G．Kyoto and the carbon footprint of nations[J]．Journal of Environmental Economics and Management，2012，63(3)：336-354．

[4]纪芙蓉，赵先贵，朱艳．中国化石能源与电能利用碳排放足迹研究[J]．陕西师范大学学报(自然科学版)，2012，40(1)：77-81．

[5]赵先贵，马彩虹，肖玲，等．陕西省碳足迹时空变化研究[J]．地理科学，2013，33(12)：1537-1542．

[6]郭运功，汪冬冬，林逢春．上海市能源利用碳排放足迹研究[J]．中国人口·资源与环境，2010，20(2)：103-108．

[7]赵欣，龙如银．江苏省碳排放现状及因素分解实证分析[J]．中国人口·资源与环境，2010，20(7)：25-30．

[8]焦文献，陈兴鹏，贾卓．甘肃省能源消费碳足迹变化及影响因素分析[J]．资源科学，2012，34(3)：559-565．

[9]牛晓耕，李素峰，丁欣．基于LMDI模型的能源消费碳排放影响因素分析——以河北省为例[J]．Scientific Research，2011，29(7):118-122．

[10]黄蕊，王铮．基于STIRPAT模型的重庆市能源消费碳排放影响因素研究[J]．环境科学学报，2013，33(2)：602-608．

[11]陈操操，刘春兰，汪浩，等．北京市能源消费碳足迹影响因素分析——基于STIRPAT模型和偏小二乘模型[J]．中国环境科学，2014，34(6)：1622-1632．

[12]肖玲，赵先贵，许华兴．山东省碳足迹与碳承载力的动态研究[J]．生态与农村环境学报，2013，29(2)152-157．

[13]2006年IPCC国家温室气体清单指南.[EB/OL].(2006-12-06)[2014-09-11].http://ishare.iask.sina.com.cn/f/16953034.html．

[14]省级温室气体编制指南[EB/OL].(2006-12-16)[2014-09-12].http://wenku.baidu.com/view/c28d051b52d380eb62946df5.html．

[15]吴庆标，王效科，段晓男，等．中国森林生态系统植被固碳现状和潜力[J]．生态学报，2008，28(2)：517-524．

[16]罗运阔，周亮梅，朱美英．碳足迹解析[J]．江西农业大学学报(社会科学版)，2010，9(2):123-127.

[17]侯博．1991-2011年山西省碳排放特征及其气候影响研究[D]．山西大学环境与资源学院，2013．

(编辑：梁文俊)

Dynamics of carbon footprint and carbon carrying capacity of Shanxi province

Zhang Xiuping，Zheng Guozhang*

(CollegeofGeographcialScience，ShanxiNormalUniversity，Linfen041000，China)

Abstract:In order to know about the situation of energy from 2001 to 2012 of Shanxi Province ，we calculated the carbon footprint，net carbon footprint，carbon carrying capacity and carbon footprint per ten thousand Yuan GDP with the method which was recommended by “the 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories” and the definition of net carbon footprint and calculation models. The results were: Carbon footprint continued to rise．Among the three big energy sources, coal took up the largest proportion, while natural gas took up less proportion, petroleum took up the least; carbon capacity was rising on the whole, and crop was the main; net carbon footprint continued to increase which showed that Shanxi improved the warming of climate; its carbon footprint per ten thousand Yuan GDP intensity decreased showed that the measure has a great effect on reducing carbon emissions. But net carbon footprint per capital and net carbon footprint per unit area didn’t reach the target of global carbon footprint, Shanxi still need to make efforts to reach the goal of global climate change. In addition, it also analyzed the factors that influenced the carbon footprint and gave some improving measures about it．

Key words:Shanxi Province； Carbon footprint； Net carbon footprint； Carbon capacity

中图分类号：X22

文献标识码：A

文章编号：1671-8151(2016)02-0128-05

基金项目：山西师范大学科技开发与应用基金项目(ZK1402)

通讯作者：*郑国璋,博士,教授。Tel:0357-2051825,E-mail:shanxizgz@126.com

作者简介：张秀萍(1988-),女(汉),山西介休人,硕士研究生,研究方向：资源环境与可持续发展研究

收稿日期：2015-11-17修回日期：2015-12-29