基于碳收支核算的郑州市碳排放压力分析及预测

侯丽朋, 赵荣钦, 刘 英, 刘秉涛, 丁明磊, 张战平

(1.华北水利水电大学 资源与环境学院, 郑州 450045; 2.郑州航空工业管理学院土木建筑工程学院, 郑州 450046; 3.华北水利水电大学 环境与市政工程学院, 郑州 450045)



基于碳收支核算的郑州市碳排放压力分析及预测

侯丽朋1, 赵荣钦1, 刘 英2, 刘秉涛3, 丁明磊1, 张战平1

(1.华北水利水电大学 资源与环境学院, 郑州 450045; 2.郑州航空工业管理学院土木建筑工程学院, 郑州 450046; 3.华北水利水电大学 环境与市政工程学院, 郑州 450045)

区域碳收支核算是全球气候变化研究的关键内容。城市碳收支核算不仅有助于建立区域碳平衡分析的理论框架，而且对于区域温室气体清单编制及低碳发展模式的选择也具有十分重要的意义。以郑州市为例，在对碳收支及碳排放压力进行核算分析的基础上，采用线性回归方法和最小二乘法对郑州市2030年的碳排放进行了预测研究，并提出了郑州市低碳城市发展的政策建议。主要结论如下：(1) 郑州市碳收支呈明显不匹配现象，碳排放总量及其增速明显超过了碳吸收。其中，能源活动和农作物分别是主要的碳源和碳汇途径，两者各占碳排放/吸收比重的80%以上；(2) 郑州市碳排放强度呈下降趋势。这表明，随着节能减排和区域发展模式的转型，区域碳排放效率明显提升；但总体而言，郑州市经济增长与碳排放的关系处于弱脱钩状态，经济发展仍然依赖于能源消耗及碳排放增长；(3) 预测发现，2030年碳排放量虽比2012年大幅度增长，但碳排放效率逐渐提升，预期碳排放增长率不断下降。

碳收支; 郑州市; 碳排放压力; 预测

近年来，气候变化已经成为人类社会普遍关注的全球性问题[1]。碳收支核算是全球气候变化研究的内容之一[2-5]。前期研究主要侧重于对自然生态过程的碳循环、碳收支及碳平衡的研究[6-8]。城市是人类各种产业活动集中分布的区域，科学地评估城市碳收支状况不仅有助于建立科学的城市碳收支清单，全面认识全球气候变化规律，而且对于低碳城市发展策略制定也具有重要的实践意义。近年来，国内外众多学者对碳收支进行了研究.国外学者分别以美国奥克兰市[9]、凤凰城[10]、韩国Chuncheon，Kangleung 和Scoul 等城市[11]为例分析了城市植被的碳吸收动态及其对人为碳排放的补偿效果[12]；Marchi[13]建立了区域碳循环模拟的框架，并对意大利Siena省进行了实证研究；Stephen[14]对墨西哥城市系统的碳流通和碳平衡进行了分析；Christen等[15]对温哥华的Sunset 社区的碳平衡状况进行了模拟分析。国内学者也开展了区域碳收支[16]、碳循环、碳平衡[17-18]及碳补偿[19]的研究。赵荣钦等[20]构建能源消费碳排放模型，并对江苏省的碳收支进行了核算分析[21]；孙建卫等[22]以区域投入产出分析为基础，对生产我国满足国民经济最终消费的产品(服务)量所需要的直接或间接碳排放量进行了分析，并对碳排放及各部门之间的碳关联进行了分析；谢鸿宇等[23]通过对陆地生态系统的碳循环进行分析，结合能源热量转换和碳排放数据，基于净生态系统生产量(NEP)计算了各种化石能源及电力的生态足迹；赖力等[24]结合Bicknell 的投入产出模型思路，对江苏经济的需求、进口、出口以及积累等各项生态性土地及化石能源地占用做出了估算。另外，一些学者开展了区域层面土地利用碳收支核算及低碳土地利用模式研究[25-26]。上述相关研究为区域碳收支核算提供了思路及方法借鉴。

总体而言，前期城市碳收支研究一方面主要是关于能源消费碳排放的核算研究，关于城市碳收支的集成研究与碳压力评估还需要加强；另一方面关于沿海发达城市的研究较多，对中西部城市的研究相对较少。郑州市处于城市化快速发展的阶段，能源消耗量急剧上升，人类活动对区域碳收支的影响不断加深，在我国中部城市具有较好的代表性。鉴于此，本文开展郑州市碳收支和碳排放压力分析，一方面为郑州市碳收支清单和城市低碳策略的制定提供实践指导，另一方面也为全国其他城市的低碳发展研究提供参考借鉴。

1　材料与方法

1.1数据来源

本研究采用郑州市2000—2012年的能源消费、土地利用、人口、工业生产等相关数据，对郑州市能源活动、工业生产、农业生产过程、废弃物处置的碳排放及碳吸收量进行了核算。研究采用数据主要来自历年的《中国能源统计年鉴》、《中国城市统计年鉴》、《中国城市建设统计年鉴》、《河南统计年鉴》、《郑州统计年鉴》等。

1.2研究方法

(1) 碳收支核算方法。碳排放主要来自于四个方面：能源消费、工业生产、农业生产及城市废弃物。能源消费碳排放主要是指煤、石油、天然气、电力和热力等消费的碳排放；工业生产碳排放主要包括钢铁、水泥、玻璃、合成氨等产品生产过程的碳排放；农业碳排放主要来自于畜牧养殖及水稻种植；城市废弃物处置碳排放主要来自固体废弃物(焚烧释放CO2，填埋释放CH4)及城市废水，以上各项碳排放相关计算方法和参数详见文献[27]。

碳吸收主要来自于农作物用地、城市森林、草地及城市水域。其中森林和草地的碳吸收率分别采用3.810，0.948 t/hm2，农作物的碳吸收采用下列计算公式：

CA=∑CAi

(1)

CAi=rai×YBi=rai×YEi/μi

(2)

式中：CA——农作物总碳吸收；CAi——第i类农作物碳吸收；rai——第i类农作物碳吸收率；YEi——第i种农作物的经济产量；YBi——第i种农作物的生物产量；μi——第i种农作物的经济系数。各种作物的碳吸收率和经济系数见文献[27]。

水域碳吸收主要包括水域固碳、水域干湿沉降和水生生物光合作用的碳吸收，其计算公式及参数见参考文献[27]。

(2) 碳排放压力分析方法。基于上述计算结果，选取下列指标对郑州市碳排放压力进行分析：单位碳排放产值、碳排放强度、脱钩指数、碳排放的GDP弹性。

碳排放产值体现单位碳排放产生的经济价值，定义为GDP与碳排放的比值；碳排放强度表现为碳排放与GDP的比值，表示每增加一个单位GDP所需的碳排放量。

脱钩指数计算公式如下[28]：

(3)

式中：DR——脱钩指数；EP——环境压力变量；DF——经济驱动力变量；t0，t1——研究时间段的起止时间。以GDP的可比价代表经济驱动变量，碳排放代表环境压力变量。一般而言，脱钩指数越低，说明脱钩程度越大，表明GDP的增长越不依赖于能源消费碳排放的增长。若DRt0,t1小于1，则为相对脱钩；如果DRt0,t1小于1同时EPt0/EPt1小于1，则为绝对脱钩，即实现了碳排放绝对量的减少。

碳排放的GDP弹性是碳排放变化率与GDP变化率的比值，利用弹性系数、GDP变化和碳排放变化率三个指标可以确定碳排放与GDP的脱钩程度。

(3) 碳排放预测方法。考虑到城市碳排放及其快速增长主要受能源消费、城市化发展及人口消费的影响，因此，本文选取能源消费量、人口、城市建成区面积三个指标，建立三元线性回归方程对郑州市碳排放进行预测分析：

Y=a+b1x1+b2x2+b3x3

(4)

式中：Y——城市碳排放量预测值；x1——能源消费量；x2——人口数量；x3——城市建成区面积；b1，b2，b3——三个指标对应的的回归系数，其值可应用最小二乘法解标准方程得到：

L11b1+L12b2+L13b3=L1Y；

L21b1+L22b2+L23b3=L2Y；

L31b1+L32b2+L33b3=L3Y。

上述方程中：

用三阶行列式解上述方程组得：

2　结果与分析

2.1郑州市碳收支核算结果分析

通过前文的计算公式，对郑州市各项碳排放进行了核算并汇总分析，研究发现，郑州市碳收支具有以下特征。

(1) 郑州市碳收支呈明显不匹配现象，碳排放明显增长，而碳吸收增长速度较慢。2000年郑州市碳排放840万t，2012年碳排放2 888万t，增长了2.44倍；2000年碳吸收量40万t，2012年碳吸收54万t，增长了35%(表1)；郑州市碳排放及碳吸收均逐年增长，但是碳排放增长速度大于碳吸收，主要原因在于郑州市处于城市快速发展的阶段，能源消费量急速上升，人类活动对城市碳收支的影响不断加深。因此，由人类活动产生的碳排放量急速上升。

(2) 能源活动是郑州市碳排放的主要来源。郑州市历年能源活动碳排放占总碳排放比重均在80%以上，能源活动碳排放主要来自于工业企业能源消费及城市交通，其比重2000年为85%，2012年为85%，比重最小值为82%(2007年)(表1)，总体上其比重呈现先上升后下降的趋势；主要原因在于城市能源活动核算对象为城市工业企业能源消费及城市交通系统，郑州市处于经济上升期，一方面快速工业化带来了较大的能源消费需求，另一方面随着机动车辆逐年增多，城市能源活动碳排放逐年增加且比重较大。

(3) 农作物用地碳吸收是主要的碳汇来源。2000年农作物碳吸收比重为91%，2012年为90%，最大值94%(2001年，)最小值79.3%(2008年)(表1)，农作物碳吸收比重呈现下降趋势，农作物碳吸收是主要的碳汇，其比重均在80%(除2008年)以上；森林碳吸收比重总体上呈现先上升后下降的趋势，最大值18.6%(2008年)；草地碳吸收比重2000年0.55%，2012年为2%，增长了大约3倍(表1)，但其比重仍然很小；水域碳吸收比重<1%。究其原因，郑州市是重要的粮食生产基地，农作物用地面积较大，因此碳吸收主要来自于此；城市水域碳吸收量及其比重均很少，主要原因在于郑州市为内陆城市，城市辖区内水域面积较小。

(4) 工业生产和城市废弃物的碳排放也成为重要的碳源。工业生产碳排放比重2000年为7%，2012年为8%，最大值为10.85%(2007年)，比重呈现先上升后下降的趋势，工业生产的碳排放量在总碳排放量中所占比重逐年减少；农业生产碳排放所占比重最小，不足1%，农业生产碳排放来源于水稻种植及畜牧养殖，郑州市水稻种植面积较小且畜牧养殖业较规模化，因此农业碳排放较少；城市废弃物碳排放主要来自于固体废弃物的焚烧填埋及城市废水，其比重2000年为8%，2012年为7%，总体上其值呈现下降但很稳定(5%～8%)的特征，随着城市废弃物处置方式更加合理化，其碳排放量及比重均会逐年下降(表1)。

表1　2000-2012年郑州市碳收支汇总　万t

结合郑州市各县市的数据，可以得到郑州市碳排放的区域差异。2012年，郑州市金水区碳排放量最多，为440.29万t，惠济区碳排放量最少，为48.25万t(图1)。这是因为金水区是郑州市经济最发达的区域，不仅工业发展，而且城市建设和扩展速度较快，因此在城市化过程中带来了较多的碳排放.惠济区位于郑州北部的沿黄地区，生态环境较好，主要以农产品、蔬菜和花卉业为主，是郑州市重要的生态保护区，因此相对碳排放较低.而郑州市周边县市中，巩义、新郑等市工业较为发达，特别是煤炭、铝土矿和有色金属等重工业占比较大，而导致了该地区有较大的能源消费需求。

图1　2012年郑州市各辖区碳排放

2.2郑州市碳排放压力分析

郑州市2000年碳排放强度为1.18 t/万元，碳排放产值为0.85万元/t，2012年碳排放强度为0.52 t/万元，而碳排放产值为1.93万元/t；碳排放强度下降率56%。碳排放强度逐年下降而碳排放产值呈现上升趋势，郑州市碳循环效率在增加，即每排放1 t碳产生的单位GDP在增加(图2)。

郑州市经济增长与碳排放的脱钩指数有如下特征：

图2　2000-2012年郑州市碳排放强度及碳排放产值

(1) 2000年经济增长与碳排放的脱钩指数为1.06，2012年其值为0.92，大多数年份其值<1(图3)，总体上脱钩指数呈下降趋势，脱钩程度越来越大，说明随着经济的发展，GDP的增长不仅仅依靠能源的大量耗费及碳排放的持续增长。

(2) 郑州市碳排放压力在增大，大多数年份环境压力变量EP值大于1，但经济驱动力变量(以GDP衡量)的增长速度快于EP的变化，因此大多数年份中DR值小于1，但是经济增长与碳排放实现绝对脱钩的年份只有2009年(环境压力变量<1且脱钩指数<1)，所以，郑州市经济增长主要依靠能源大量消费及碳排放的增加。

郑州市碳排放的GDP弹性研究发现：(1) 2000—2012年，除2004年、2005年、2012年为扩张性耦合、2009年为强脱钩外，其余年份，经济增长与碳排放处于弱脱钩状态(表2)，说明碳排放受经济增长驱动较弱，在这些年份期间，GDP与碳排放均增长，但是GDP的增长率大于碳排放的增长率。

(2) 从GDP增长率与碳排放增长率变动情况来看，2000—2011年碳排放增长率均小于GDP的增长率，碳排放及GDP的增长率均呈现先上升后下降的趋势，主要原因在于，在此期间郑州市处于经济腾飞时期，政府大量招商引资发展经济，能源消费量急速上升，因此，碳排放及GDP均处于增长阶段。2008年脱钩指数仅为0.13(表2)，脱钩状态较为理想，2008年奥运会期间，全国各城市响应“绿色奥运”的号召，加快绿色城市建设，因此2008至2009年碳排放量很少，与此同时，郑州市于奥运期间大量引进建设项目，加快城市建设，经济快速发展，所以GDP的增长快于碳排放的增长，脱钩指数较低。

图3　2000-2012年郑州市经济增长与碳排放的脱钩指数

(3) GDP增长率的变化反映了宏观经济的动态变化，碳排放增长率的变化反映了节能减排调控政策的波动，上述结果说明，郑州市碳排放与经济增长的脱钩程度受到经济运行状况及节能减排政策的共同影响，且节能减排政策的影响将会越来越大。

表2　2000-2012年郑州市碳排放的GDP弹性

2.3郑州市碳排放预测分析

由上述研究可知，郑州市城市碳排放主要与城市工业企业能源消费、人口及城市建设有关，因此选取“能源消费、人口、城市建成区面积”三个指标对郑州市碳排放进行预测，其线性关系模型如下：

Y=-1290.85+0.85x1+1.72x2+1.21x3

其中的自变量可以通过趋势外推方法或者其他的回归分析方法求得。

预测误差的综合指标有平均绝对误差、均方误差和标准误差，根据上述模型，其计算结果如下：

按照回归模型预测误差分析，13个预测值中(样本范围内)与实际值的误差稳定在±3%(除2000年)上下，因此该回归预测模型是比较可靠的，可以用来预测未来碳排放的变化。

按照本文的预测模型，郑州市碳排放将呈现明显的线性增长。预测结果发现，郑州市2030年碳排放量为5 655.48万t(表3)。这表明，现在的经济发展模式还不足以满足未来大幅度碳减排的需要，并难免会造成碳排放的大幅增长。另外，预测结果也发现，如果按照未来15a的经济发展轨迹，2030年的郑州市碳排放虽然比2012年大幅度增长，但郑州市碳排放效率会逐渐提升，碳排放增长率也将不断下降。尽管如此，今后的低碳转型还需要依赖于较强的低碳管制，不论是低碳技术、能源结构调整、产业淘汰等，在将来都是重要的碳减排策略.2014年《中美联合气候变化公报》中中国承诺到2030年前后碳排放达到峰值，但对于郑州市而言，要实现这一目标，还任重道远，需要政府的大力推动和企业的积极参与，共同推动经济社会的低碳转型。

对碳排放压力的预测结果发现：2016年郑州市碳排放3 350.68万t，2030年碳排放达5 655.48万t(表3)，其增长率69%，相较于2000—2012年的碳排放增长率，2016—2030年，碳排放的增长率一直处于下降状态，尽管郑州市碳排放压力在增大，但是碳排放的效率处于上升状态；2016年郑州市单位碳排放强度0.54t/万元，2030年达到0.49t/万元，降幅为11%，2016年单位碳排放产值1.85万元/t，2030年其值为2.05万元/t(表3)，增长率11%。在预测模型下，郑州市碳排放强度逐年下降，而碳排放产值逐年上升，由此可见，随着郑州市能源利用效率的提升和产业结构的转型，郑州市碳排放效率将会不断提升。

表3　2016-2030年郑州市碳排放及碳排放压力预测

3　结论与建议

(1) 郑州市碳收支呈现明显不匹配现象：碳排放增长显著，从2000—2012年碳排放量增长了2.44倍，而碳吸收量的增长很缓慢，为35%,碳吸收量不足以补偿碳排放；(2) 郑州市能源活动碳排放是其主要碳源，农作物碳吸收是主要的碳汇，二者所占碳排放/碳吸收的比重均在80%以上；(3) 郑州市碳排放强度逐年下降，碳排放效率明显提升；(4) 多数年份郑州市经济增长与碳排放处于弱脱钩状态，未实现经济增长与碳排放的绝对脱钩，经济发展仍依赖能源的消耗及碳排放的增加；(5) 按未来15 a的经济发展轨迹进行预测，2030年郑州市碳排放虽比2012年大幅度增长，但其排放效率逐渐提升，碳排放增长率也不断下降。

综合上述研究，对郑州市低碳经济发展提出如下建议：(1) 降低煤炭等传统高污染能源的使用比例，提高能源使用效率，重点改善城市能源消费结构和效率，全力发展低碳和无碳能源，促进能源供应的多样化；(2) 优化城市结构，发展公共交通，提高交通的通达性，抑制交通碳排放的过快增长；(3) 推广农业固碳，保护耕地、水域及湿地，植树造林，培植高碳吸收植物；(4) 调整产业结构，推进高碳产业向低碳逐步转型，在郑州市迎接东部产业转移中加强低碳技术和产业的引进：(5) 郑州市应尽快建立低碳能源系统、低碳技术体系和低碳产业结构，建立与低碳发展相适应的生产方式、消费模式和鼓励低碳发展的政策、法律体系和市场机制，最终实现经济社会的低碳转型。

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Carbon Emission Pressure and Its Prediction of Zhengzhou City Based on Carbon Budget Estimation

HOU Lipeng1, ZHAO Rongqin1, LIU Ying2, LIU Bingtao3, DING Minglei1, ZHANG Zhanping1

(1.School of Resources and Environment, North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou450045,China; 2.SchoolofCivilEngineering,ZhengzhouInstituteofAeronauticalIndustryManagement,Zhengzhou450046,China; 3.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450045,China)

Urban carbon budget estimation is one of the key topics of the study on global climate change. Carrying out the carbon budget estimation of cities not only helps build the theoretical framework of regional carbon balance analysis，but also has great significance for the compilation of regional greenhouse gas inventory and the choice of low-carbon development pattern. Zhengzhou City was chosen as an example and the carbon emissions in the year 2030 was predicted by adopting the liner regression method and the least squre method.The low-carbon urban development policy suggestions were put forward on the basis of urban carbon budget study. The main conclusion are as follows. (1) The carbon emission and the carbon sink were not matching obviously. The carbon emission and its growth rate were significantly more than the carbon sink. Among them, the energy activities and the crops were the main source of carbon emission and carbon sink, respectively, and both of which accounted for more than 80% of the emission/sink. (2) The carbon intensity of Zhengzhou presented the decline trend, suggesting that carbon intensity improved significantly along with the implementation of policies of the energy conservation and emission reduction and the transformation of the regional pattern of development. However, the economic growth and the carbon emission were in the weak decoupling state and the development of economic still relied on the consumption of energy and the emission of carbon. (3) According to the prediction we find that there will be a substantial increase of the carbon emission in 2030 compared with the emissions of 2012, but the carbon efficiency will enhance gradually and the expected emission growth rate will decline.

carbon budget estimation; Zhengzhou; carbon emission pressure; prediction

2015-04-27

2015-05-14

国家自然科学基金(41301633);河南省教育厅人文社会科学研究项目(2015-GH-088);华北水利水电大学大学生创新计划项目(201492)

侯丽朋(1991—),女,河南永城人，硕士研究生,主要研究方向为城市碳排放和可持续发展。E-mail：1589330278@qq.com

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

X502

A

1005-3409(2016)02-0207-06