基于IPCC排放因子法估算碳足迹的京津冀生态补偿量化

闫 丰，王 洋，杜 哲，陈 影，陈亚恒



基于IPCC排放因子法估算碳足迹的京津冀生态补偿量化

闫 丰，王 洋，杜 哲，陈 影，陈亚恒※

（河北农业大学国土资源学院，保定 071001）

构建合理的生态补偿量化标准关系着京津冀区域的健康发展。采用IPCC排放因子法计算京津冀地区2006－2015年的碳足迹，结果表明：10 a间京津冀地区碳足迹变化趋势分为2个阶段，2006到2013呈现快速增长趋势，年增长率约为8.5%，2013年之后基本保持不变；考虑森林、草地、农用地的固碳能力的前提下，测算了京津冀地区2006－2015年的碳承载力，结果表明：2009年京津冀地区的碳承载力有明显增高，之后基本保持平稳，略有提升；为了对比不同区域内（人口和区域面积）碳赤字对生态的影响，提出了碳赤字敏感度，进而利用碳赤字敏感度构建了生态补偿因子的概念，并据此确定京津冀三区生态补偿的量化标准，结果表明：河北和北京每年都应得到天津支付的一定额度的生态补偿，其中河北2012年应获得补偿最多（161亿元），北京2013年最多（61.5亿元）。研究结果对加快建立完善的京津冀横向生态补偿机制有参考意义。

碳；生态；排放控制；碳承载力；生态补偿量化；京津冀

0 引 言

中国共产党第十八次全国代表大会明确将生态文明建设纳入中国特色社会主义事业“五位一体”总体布局，提出“建立反映市场供求和资源稀缺程度、体现生态价值和代际补偿的资源有偿使用制度和生态补偿制度”[1]。加快建立完善生态补偿机制，不仅关系着各区域之间相互促进和相互推动，是国强民富不可缺少的重要措施。近年来诸多学者在生态补偿方面进行了有益探索[2-9]，也取得一定成效。近年来中央和有关省市在生态补偿方面进行了有益探索，也取得一定成效。但由于中国生态补偿工作尚处于起步阶段，实践中还存在诸多不尽如人意之处[10-14]。例如生态补偿量化标准模糊、较低，生态补偿渠道单一。

碳足迹从不同角度定义有不同的表述方式，有学者用二氧化碳当量值计算碳足迹，也有学者用吸收1t二氧化碳需要的林地或草地的面积表示碳足迹[15]，它的核算方法有多种，IPCC排放因子法[16]可以使用能源矿物燃料排放量计算碳足迹，这种方法数据容易收集。生态补偿额度量化研究目前是热点，段铸等[6]从财政视角构建京津冀横向生态补偿机制，用条件价值法和机会成本法对京津冀横向生态补偿量化标准进行了量化，但实际测算结果并不理想，甚至从某种程度上增加生态风险。关于测算碳足迹的研究较多[17-26]，但将其同生态补偿量化标准结合起来的论文发表较少，胡小飞等[7]从碳足迹角度对江西省域内城市间横向补偿做了研究，以碳赤字的绝对量作为参考衡量城市间的补偿问题，但没有考虑人口和区域面积问题。

生态环境保护、交通一体化、产业对接协作是京津冀协同发展的重点方向。京津冀区域碳排放量约占中国的20%[19]，是中国碳排放量最大的都市圈之一，区域内各种能源消耗量巨大，碳排放量与能源消费量密切相关，由于京津城市高耗能产业向周边转移，使得河北省碳排放量节节升高，近几年雾霾天气肆虐、空气污染严重，生态环境问题日渐成为制约京津冀区域可持续发展的瓶颈。研究该区域碳足迹-碳承载力演变规律，早日构建合理的生态补偿量化标准对京津冀低碳协同发展政策的实施具有重要意义。

本文采用IPCC排放因子法进行碳足迹测算，同时考虑森林、草地和农作物的固碳能力计算区域内碳承载力，进而两者相减得到区域内碳赤字，并提出了碳赤字敏感度和生态补偿因子概念，考虑研究区人口和面积，综合衡量区域间的生态补偿标准量化问题，能科学的体现出区域间的相对差值，对京津冀生态补偿机制的建立有积极的促进作用。

1 材料与方法

1.1 数据来源

数据主要来源于：中华人民共和国统计局官网公布的2006―2015年中国统计年鉴中有关京津冀能源消耗量、林地和草地面积、不同农作物的种植面积、省内面积和人口等数据，文中涉及的能源消耗包括煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、天然气、电能消费，涉及的主要农作物蔬菜、甜菜、糖料、花生、油料、棉花、薯类、豆类、玉米、小麦、稻谷、谷物的含水率、经济系数等引自相关文献。

1.2 研究方法

该研究碳足迹指由企业机构、活动、产品或个人引起的温室气体排放的集合，所有温室气体排放用二氧化碳当量值来表示。将京津冀作为研究对象，以研究区各种能源消耗量为基础，利用IPCC排放因子法计算碳排放量，通过核算碳汇时考虑了研究区内的植被、草地和农作物的面积，计算研究区内的碳赤字，揭示京津冀2006―2015年间碳吸收和碳排放时空变异格局，综合考量研究区内人口数量与区域面积的影响，提出碳赤字敏感度和生态补偿因子概念，将碳赤字同生态补偿机制有效结合起来，构建生态补偿量化标准模型，为研究区的生态补偿工作和碳交易提供基础理论。

1.2.1 碳足迹计算模型

研究碳足迹是一项复杂的工作，排放主体众多且基础数据获取难度大，导致得到准确的碳足迹十分困难，但碳排放的主要来源还是以各种能源的消耗为主，通过查阅国家和各省级的统计年鉴得到主要能源的消耗量数据，将各种能源的消耗量转化成标准煤，利用IPCC排放因子法推断出碳的排放量，进而通过一系列公式转化成碳足迹，具体过程如下：

式中C为能源利用碳足迹，t/a;α为第种能源转换成标准煤的折煤系数，见表1；A为第种能源的消耗量，t/a；为1 t标准煤的碳排放量，查阅相关文献取值为0.732 6 t；44/12为二氧化碳和C的分子量比率。

表1 各种能源的折煤系数[7]

1.2.2 碳承载力计算模型

区域碳汇研究涉及方面广泛，包括森林、灌木、草地、湿地、农作物等各类绿色植被的固碳能力，文中选取区域内森林、草地、农作物作为主要计算参考核算碳承载力，如下：

式中C为碳承载力，t/a；C为森林的固碳能力，t/a；C为草地的固碳能力，t/a；为农作物的固碳能力，t/a。

1）森林碳汇的计算模型

式中为区域内森林的面积，hm2；为森林平均NEP，反应的是1公顷森林一年的固碳能力，取值为3.809 6 t/(hm2·a)。

2）草地碳汇的计算模型

式中为区域内草地总面积，hm2，为草地平均NEP，反应的是1公顷草地一年的固碳能力，取值为0.9482 t/(hm2·a)[8]。

3）农作物碳汇的计算模型

式中λ为修正系数，考虑农作物秸秆再利用及焚烧的量，取值0.07；为生物量和碳量的转化系数，查阅文献，取0.5；p为第种农作物的经济产量，t/a；ω为第种农作物经济产量的含水率，见表2；O为第种农作物经济产量与生物量之比，即经济系数，见表2。

表2 各种农作物经济系数和经济产量含水率[26-30]

注： 农作物经济系数和含水率多在一个区间内，计算时取算术平均值。

Note: The economic coefficient and water content of crops are more than one interval, then arithmetic average is used in calculation.

1.2.3 碳赤字敏感度计算模型

区域内碳赤字由碳足迹与碳承载力的差值可得：

式中C某区域的碳赤子，t/a。

碳赤字为正值表明该区域碳排放超过碳承载力，该区域生态环境有恶化趋势；为负值说明该区域碳吸收能力大于碳排放能力，生态环境一般较好。

区域内碳赤字敏感度计算如下：

式中为某区域的碳赤字敏感度，t/(人·hm2·a)；为区域内人口数量；为区域内土地面积，hm2。

碳赤字敏感度是关于碳赤字、研究区人口和面积的函数，与碳赤字成正比，与人口和面积成反比。碳赤字敏感度越小说明该区域受碳排放影响越小，生态环境越趋于安全，反之则反。

1.2.4 生态补偿因子的计算模型

温室气体过度排放会造成某个区域的生态环境严重破坏，因此从碳足迹角度来衡量区域间生态补偿量化标准问题是一个值得研究的方向，通过以上的一系列算法得到区域内碳足迹（碳排放）和碳承载力（碳吸收）的数值，为了便于区域间横向对比又提出了碳赤字敏感度的概念，目前国家形成了一定规模的碳交易市场，根据碳交易网（www.tanjiaoyi.com）2013年11月25日至2017年7月25日的数据，北京地区在4a内碳交易额35 368.5万元，碳交易量701.6万t，折合每吨CO2的价格为50.41元。

区域间生态补偿应以区域内碳赤字敏感度的相对大小作为参考，因此提出生态补偿因子概念，具体算法如下：

生态补偿因子为正值，意味着第区块属于补偿主体，应补偿给其他区块相应额度的补偿款，反之则是补偿受体，应得到其他区块的补偿款。生态补偿因子综合考虑了区域内人口数量和面积多少对生态补偿的影响，用碳赤字敏感度相对大小作为衡量区域间的补偿量的标准更具科学性，而最终补偿额度得到的补偿额为

2 结果与分析

2.1 京津冀碳足迹动态分析

如图1显示，河北2006―2015年间碳足迹整体上呈上升趋势，且前6 a碳排放量有显著提升，年平均增长率高达8.5%，后4 a碳排放趋于平缓，甚至有小幅度的降低，这与近些年国家逐渐重视能源结构调整，大力推广使用清洁能源有一定关系；北京碳足迹趋势图显示2006―2015年间碳排放基本保持不变，2010年之后整体趋势趋于平缓，可以看出北京政府正在努力改善由于化石能源消耗造成的碳排放超标问题，数据波动也从侧面体现了是在摸索中前进；天津市10 a间碳排放有大幅度增加，仅2009―2010一年间就增长了4 000多万t，2011年后趋于缓和，但整体碳排放还是较北京多；纵观京津冀地区碳足迹变化趋势图发现，河北省碳排放量远大于北京和天津两市，甚至出现数量级的差别，这主要由于河北省人口众多，幅员辽阔，对化石能源的需求量巨大。2013年左右是一个转折点，之后的2 a里，碳排放量均有不同程度的降低，其中河北省表现尤为突出，2015年比2013年碳排放降低了约5 000万t。

图1 2006－2015年间京津冀碳足迹变化趋势图

2.2 京津冀碳承载力动态分析

图2呈现的是京津冀地区2006－2015年碳承载力的变化趋势图，对比河北、北京、天津地区碳承载力变化图，发现河北省的碳承载力要明显强于北京和天津两地，甚至是两地之和的近8倍（2015年），这与碳足迹趋势图一致，河北即是碳排放大省，也是碳汇大省。天津10 a间的碳承载力基本保持在300万t/a左右，变化甚微；北京10 a间的碳承载力基本保持在1 000万t/a左右，除在2009年有小幅度提升，其余年份变化较小；河北省在2009年碳承载力较前一年有明显的增加（1 500万t），随后基本保持在10 000万t/a左右，略有增加。

图2 2006－2015年间京津冀碳承载力变化趋势图

2.3 京津冀生态补偿额度动态分析

碳足迹和碳承载力值相减可以得碳赤字值，进而除以人口和面积得到京津冀2006―2015年碳赤字敏感度，见表3。

表3 京津冀地区2006－2015年碳赤字敏感度详情表

河北、天津碳赤字在2013年最高，分别为94 648.303 6万t和25 163.08万t，而北京极值点出现在2010年，达到17 938.410 8万t，由于河北地域广阔，能源消耗量很大，横向对比发现河北的碳赤字要远远高于其他两地，2013年约是北京的5倍、天津的4倍；总体来说京津冀地区碳赤字在2006―2015年间基本呈现先增加后减小的趋势，这可能与国家近些年优化产业结构，调整能源布局有密不可分的关系。

京津冀地区的补偿额度依据式（8）和式（9）计算可得。图3用柱状图呈现了京津冀地区10 a间的补偿额度变化，其中正值代表需向其他区域缴纳生态补偿款，负值代表应得到其他省份补偿款。

图3 2006－2015年京津冀地区补偿额度图

由图3可以看出，河北和北京在3个区域中属于绝对的补偿受体，天津是绝对的补偿主体，天津在2009年之前需向其他两区支付的补偿额度在126～152亿元之间，2010年之后激增至200亿元左右，增长幅度达42.9%；河北从2006－2015年应得天津市生态补偿款额度从113亿元增加至155亿元，其中极值点出现在2012年（161亿元）；北京应得天津补偿款从2006到2015没有超过62亿元，其中极值点在2008年，仅有12.3亿元。结果表明天津和北京亟须调整能源结构，发展清洁能源，增加绿地面积，继续坚持低碳减排，走可持续发展的道路。

3 结论与讨论

通过估算研究区碳足迹和碳承载力状况，得到区域碳赤字，进而综合考量人口和面积因素提出碳赤字敏感度概念，最后提出用于计算区域间生态补偿额度的生态补偿因子，以此得到京津冀地区2006－2015年间的补偿额度。论文主要结论如下：1）京津冀地区2006－2015年间碳足迹先是显著提升，在2013年之后趋于平稳；2）碳承载力在2009年出现波动，前后若干年基本保持平稳状态；3）京津冀地区碳赤字同样呈现先增大后平稳的趋势，其中河北和天津的转折点在2013年，北京的转折点在2010年，单位面积碳赤字普遍规律呈现天津>北京>河北，人均碳赤字天津>北京≈河北。4）10 a间的碳赤字敏感度河北普遍低于北京和天津，其中天津2015年的碳赤字敏感度约为河北的10倍，北京的3倍。根据提出的补偿标准判断，天津是绝对的补偿主体，2015年河北应得到天津的补偿额度为154.7亿元，北京应得补偿额度为48.6亿元。

提出了一种综合人口因素和区域面积因素的生态补偿量化标准，用相对的尺度去衡量区域间的差异，可比性较强，研究结果对促进京津冀地区和谐发展，构建合理的生态补偿机制有一定的理论意义，同时对京津冀地区碳交易市场具有一定指导作用。在估算碳足迹时只考虑了化石能源和电能的消耗，忽视了工业生产、农业耕作过程中产生碳排放，且核算碳汇过程中未考虑湿地、灌木等其他绿色植被，在后续的研究中应精益求精，逐渐接近实际值。生态补偿的措施有多种，不应仅仅限于货币交换，要综合财政、税收、政策、法律、人才分配等多方面才能构建完善的补偿机制。

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Quantification of ecological compensation in Beijing-Tianjin-Hebei based on carbon footprint calculated using emission factor method proposed by IPCC

Yan Feng, Wang Yang, Du Zhe, Chen Ying, Chen Yaheng※

(071001,)

China has paid more and more attention to the construction of the ecological civilization society. Beijing-Tianjin-Hebei region is a significant ecological and economic circle, so the construction of appropriate quantitative standards for ecological compensation is closely related to the healthy development of Beijing-Tianjin-Hebei region. The carbon footprint of Beijing-Tianjin-Hebei region from 2006 to 2015 was calculated using the emission factor method proposed by IPCC. Results showed a two-stage trend of carbon footprint of Beijing-Tianjin-Hebei region during those 10 years. There was a rapid increase with annual growth rate at about 8.5% from 2006 to 2013, then it maintained in the level after 2013. The carbon footprint of Hebei province was far greater than the other two cities, and even it had the difference in magnitude. Based on carbon sequestration capacity of forest, grassland and cropland, carbon bearing capacity of Beijing-Tianjin-Hebei region from 2006 to 2015 was estimated. The results showed that carbon bearing capacity significantly increased in 2009, and then it maintained in the level despite of a slight increase. The carbon bearing capacity of Hebei province was much stronger than that of Beijing and Tianjin, which was nearly 8 times of the sum of Beijing and Tianjin in 2015, and that was accordance with the carbon footprint trend. Hebei province had a large amount of carbon emission, but also had large carbon bearing capacity. The carbon deficit of Tianjin and Hebei was highest in 2013, with 251.6 million ton and 946.5 million ton respectively. The extreme point of carbon deficit in Beijing appeared in 2010, which reached 179.4 million ton. Horizontal comparison found that carbon budget of Hebei is much higher than the others, about 4 times of Tianjin and 5 times of Beijing in 2013, due to the huge energy consumption. By introducing the concept of sensitivity of carbon deficit, its ecological effects in different regions with various populations and areas were compared. Ecological compensation factors were further proposed to determine quantitative standards of ecological compensation in Beijing-Tianjin-Hebei region. Results showed that Hebei and Beijing belong to the compensation receptor absolutely among these 3 regions, Tianjin was the absolute subject of compensation, Tianjin should pay compensation to the others at 12.6-15.2 billion yuan before 2009, and then surged to 20 billion yuan after 2010 with the growth rate of 42.9%. Hebei was obtained ecological compensation from Tianjin city in 2006-2015, the amount was increased from 11.3 billion yuan to 15.5 billion yuan, of which the extreme point appeared in 2012 (16.1 billion yuan). Beijing’s deserved compensation from Tianjin in 2006-2015 was no more than 6.2 billion yuan, of which the extreme point occurred in 2008, only 1 billion 230 million yuan. A particular quantifiable evaluation model is put forward in this study, and this research could provide results to support the establishment and improvement of apropriate mechanism of ecological compensation in Beijing-Tianjin-Hebei region.

carbon; ecology; emission control; carbon bearing capacity; quantification of ecological compensation; Beijing-Tianjin-Hebei

2017-09-04

2018-01-10

河北省社会科学基金项目（HB16YJ060）

闫丰，助教，主要从事生态修复及土地整治等方面教学和研究。Email：yanfeng@hebau.edu.cn

陈亚恒，博士，教授，主要从事土地整治、土地管理等方面教学和研究。Email：chenyaheng@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.002

F062.2

A

1002-6819(2018)-04-0015-06

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