湖南省碳排放重心转移与碳排放空间依赖研究

夏 颖，蔡丽函

（1.安徽理工大学测绘学院， 安徽 淮南 232000；2.湖南科技大学建筑与城乡规划学院， 湖南 湘潭 411100）

经济发展和能源消费改变产业的空间布局格式， 从而影响区域碳排放， 而产业空间布局、 区域差异以及人类经济和能源活动在不同程度上影响能源消费格局[1-2]。 当前， 我国高速增长的经济与能源的刚性需求导致碳排放长期处于高位态势， 如何在城市化和工业化的发展进程中低碳化发展成为中国经济发展的巨大挑战[3-4]。 本文基于市 （州） 域数据计算人均碳排放量， 利用重心模型和空间自相关分析方法， 探讨 2008—2013 年湖南省市 （州） 域碳排放重心变化趋势以及碳排放的空间依赖性， 在一定程度上为湖南省编制碳减排的相关政策提供了参考依据。

1 碳排放重心转移与空间依赖研究区和数据来源

湖南省地处中国的中部 （108°47′～114°5′E，24°8′～30°08′N）， 土地面积为 21.2 万 km2， 全省总人口数量为6 690.6 万人， 有13 个地级市及湘西土家族苗族自治州 （以下简称湘西州）[5]。 城市化迅速发展引起土地利用率/土地覆盖率的变化， 还会使局地或区域气温特征产生变化。 湖南省使用的能源以煤炭为主， 第二产业特别是工业用能在能源消费中居于绝对主导地位[6]。 2013 年， 湖南综合能源消费量为6 733.87 万t 标准煤， 增幅较往年提高了6.8 个百分点[6]。

根据联合国政府间气候变化专门委员会 （Intergovernmental Panel on Climate Change， IPCC） 推荐的参考方法[7]， 本文用以计算人均碳排放的8 种化石能源分别为： 原煤、 焦炭、 原油、 汽油、 煤油、 柴油、 燃料油、 天然气。 湖南省 2008—2013年化石能源消费碳排放量、 各市 （州） 域人口数量均来源于 2009—2014 年 《湖南省统计年鉴》； 化石能源的标准煤折算系数和碳排放系数分别来源于2013 年 《中国能源统计年鉴》和 《IPCC 国家温室气体清单指南》推荐的缺省值 （见第26 页表1），需要指出的是， 天然气的标准煤折算系数单位为kg标准煤/m3， 其他7 种化石能源的标准煤折算系数单位为kg 标准煤/kg， 各种化石能源的碳排放系数单位为kg/kg 标准煤； 用于计算经济重心的经济数据来源于 2009—2014 年 《湖南省统计年鉴》； 湖南省市 （州） 域矢量空间数据取自国家基础地理信息中心 1∶400 万数据库。

表1 化石能源的标准煤折算系数和碳排放系数

2 碳排放重心转移与碳排放空间依赖的研究方法

2.1 人均碳排放量估算

由于缺少各市 （州） 域人均碳排放量的监测数据， 因此本文基于IPCC 推荐的参考方法[7]对湖南省各市 （州） 域2008—2013 年人均碳排放量进行估算： 先计算出各市 （州） 域 8 种化石能源 （原煤、焦炭、 原油、 汽油、 煤油、 柴油、 燃料油和天然气） 消费碳排放量， 再根据各市 （州） 域人口数量进行人均碳排放量的估算。 计算公式为

式中： Ec为湖南省某市 （州） 域化石能源消费碳排放量； n 为能源种类， 此处取 n=8； Ei为第 i 类化石能源的消费量； ei为第i 类化石能源的标准煤折算系数； Pi为第i 类化石燃料的碳排放系数； 44/12为CO2与C 的相对分子质量之比； Cp为人均碳排放量； nPOP为某市 （州） 域的人口数量。

2.2 基于力矩原理的空间重心计算

重心主要用于描述某个指标的时空变化过程及发展趋势， 在物理学中是指物体各部分所受合力均衡的作用点； 若重心发生转移， 则说明合力发生变化， 形成新的均衡点。

设各市 （州） 域中心为 P （Xi， Yi）， 重心为Q， 根据欧氏距离公式可得各市 （州） 域中心P 到重心 Q 的距离为 R。当 Ri→0， 说明第 i 个市 （州） 域离全省碳排放或经济重心的空间距离越近； 当Ri=0， 说明第i 个市（州） 域为全省碳排放或经济重心。

人均碳排放重心是指在区域内各碳排放原子矢量的合力点， 用人均碳排放量代表湖南各市 （州）域质量， 则全省碳排放重心位置即各市 （州） 域人均碳排放质点质量合力的均衡点， 经济重心同理。取各市 （州） 中心城市的经纬坐标 （Xi， Yi） 代表该市 （州）， 设 Mi为第 i 个市 （州） 域的人均碳排放量或人均GDP， 则全省碳排放或经济重心 （以人均GDP 表征） 坐标为计算公式为

在重心位置的各个方向上， 各市 （州） 域产生的人均碳排放量对比应该是均衡的。 但由于各市（州） 域经济水平和增长速度、 化石能源消费结构和强度等多个方面的不一致， 因此碳排放重心处于不断变化中。 人均碳排放重心发生移动， 说明各市（州） 域碳排放变化不同步； 人均碳排放量对比改变， 反映了各市 （州） 域碳排放的变化趋势。

2.3 空间自相关分析

空间自相关是空间单元属性值聚集程度的一种度量， 通过空间权重矩阵建立地理单元与其周边相邻单元之间的空间关系， 并通过空间滞后向量确定每一个地理单元的空间邻域状态， 检验具有某一要素属性值的地理单元之间是否存在显著关联， 以此判断空间依赖性和异质性[8]。

判断是否存在空间依赖性， 一般可通过测算莫兰指数 （Moran's I 指数） 进行检验。 本文采用全局Moran's I 指数测度湖南省各市 （州） 域空间单元与其邻域碳排放的空间关联程度， 其表达式为

式中： n 为市 （州） 域总数； xi和 xj分别为人均碳排放量x 在空间单位i 和j 的观测值；为全部市 （州） 域人均碳排放量的平均值； Cij为区域单元之间的空间权重矩阵， 用以衡量区域之间的相互邻近关系， 通过GeoDa 软件根据Rook 邻接关系得到。 Moran's I 指数的取值范围为 [-1， 1]， 若其值为正， 则表示存在正相关性； 若其值为负， 则表示存在负相关性。 Moran's I 指数的大小代表了区域单元之间关系的密切程度、 空间差异程度。

全局Moran's I 指数的计算结果采用标准化统计量Z 值对其进行统计学显著性分析， 其表达式为

式中： var(I)为Moran's I 指数的理论方差， 为其理论期望。 当Z＞0 时， 表明存在正的空间自相关且存在空间聚集； 当Z＜0 时， 表明存在负的空间自相关且质点处于分散分布； 当Z=0 时， 观测值呈独立随机分布。

显著性水平能够用标准化统计量Z 值的P 值检验获取， 在空间相关性的分析中， P 值表示所观测到的空间模式是由某一随机过程创建而成的概率。α 为显著性水平， 通常取 α=0.05。 查正态分布表，可得 Z∈ [-1.96， 1.96]。 0＜Z≤1.96， 即空间正相关； -1.96≤Z＜0， 即空间负相关。 确定 Z 值的 P值后再进行比较， 若P＜α， 拒绝零假设； 若 P＞α， 接收零假设。

全局空间自相关只能检测湖南省市 （州） 域与其周边市 （州） 域的人均碳排放量具有显著的空间差异， 但由于全局Moran's I 指数人均碳排放量在整体上的空间关联模式， 不能反映观测值的高值或低值的局部空间集聚， 因此需要借助局部指标来研究局部空间关联模式。

本文利用空间关联局部指标 （Local Indicators of Spatial Association， LISA） 检验各市 （州） 域碳排放在局部区域的空间集聚性： 将Moran 散点图划分为4 个象限， 可以判别一个区域与其邻近区域的空间关联模式。 将分布于4 个象限的市 （州） 域分别添加1～4 的属性值， 分别对应湖南省市 （州） 域碳排放的 4 种空间局部依赖关系： 1 为高-高（High-High， HH）； 2 为低-高 （Low-High， LH）；3 为低-低 （Low-Low， LL）； 4 为高-低 （High-Low， HL）。 HH （LL） 表示高 （低） 碳排放市（州） 域存在空间集聚效应的空间正相关关系； HL（LH） 表示本市 （州） 域与相邻市 （州） 域存在空间负相关关系， 且高 （低） 碳排放市 （州） 域被低（高） 碳排放市 （州） 域所包围。

3 碳排放重心转移与碳排放空间依赖的结果分析

3.1 湖南省各市（州）域人均碳排放量

人均碳排放是体现能源消费和碳排放公平性的重要指标。 表2 为2008—2013 年湖南省及其各市（州） 域人均碳排放量。 由表2 可知， 市 （州） 域人均碳排放量总体呈增加趋势， 其中11 个地级市（州） 人均碳排放呈增长趋势。 图1 为2008 年和2013 年湖南省市 （州） 域人均碳排放量对比。

由图1 可知， 湖南省东部地区的人均碳排放量大于湖南省西部地区。 从时间变化来看， 湖南省西部地区人均碳排放量较低的市 （州） 域呈减少趋势， 而中部地区、 东部地区人均碳排放量较高的市（州） 域则呈扩散增多趋势。 2008 年， 低人均碳排放市 （州） 域覆盖了湘西、 张家界、 常德、 怀化、益阳、 邵阳和永州 7 个市 （州）， 但到 2013 年， 常德、 益阳跨入中等人均碳排放行列， 东部市 （州）域的长沙则由原来的中等人均碳排放转变为低人均碳排放； 中等人均碳排放市 （州） 域数量没有变化； 高人均碳排放市 （州） 域则由2008 年的娄底、湘潭和岳阳3 个增加至2013 年的郴州、 娄底、 湘潭和岳阳 4 个。 原因分析： 娄底、 湘潭和岳阳 3 市的第二产业多为钢铁等工业用能， 而张家界、 吉首和怀化多为旅游型城市， 经济发展对耗能产业的依赖较小， 使得该区域成为湖南省碳排放的低值区。湖南省各市 （州） 域之间能源结构、 产业结构各异， 从而使得各市 （州） 域人均碳排放量存在较大的差异， 呈现东部地区高于西部地区的格局。

表2 2008—2013 年湖南省及其各市 （州） 域人均碳排放量 （t/人）

图1 2008 年和 2013 年湖南省市 （州） 域人均碳排放量对比

3.2 湖南省人均碳排放重心转移轨迹

基于重心转移模型与ArcGIS 软件空间分析模块， 可以得出2008—2013 年湖南省人均碳排放重心及经济重心的变化轨迹及趋势线， 具体见第28页图2。

由图 2-a 可知， 2008—2013 年， 湖南人均碳排放重心表现为先向西南移动再向西北移动的特征，整体趋势为向西南移动。 人均碳排放重心由2008年的 （112°25′48″E， 27°46′12″N） 移动到 2013 年的（112°21′6″E， 27°44′16″N）， 移动距离不大。 人均碳排放重心位置的移动是由14 个市 （州） 域质点共同作用决定的， 只有当其中1 个或同一区域内有多个质点密度发生较大变化时， 才有可能出现人均碳排放重心较大的位置移动。 进一步分析发现， 在2008—2011 年这4 年间， 人均碳排放重心转移的幅度较大且变化趋势明显， 其中2008—2010 年这3 年的重心几乎在同一条直线上； 而2011—2013年人均碳排放重心转移幅度和趋势较小。 从整个时间序列看， 湖南省基本形成了 2008—2010 年、2010—2011 年与 2011—2013 年 3 个时段上的人均碳排放重心集聚。 由图 2-b 可知， 2008—2013 年湖南省经济重心逐渐向西南方向移动， 其转移轨迹与人均碳排放重心基本一致， 但其移动范围小于人均碳排放重心。 2008—2010 年与 2012—2013 年，经济重心的转移趋势较大； 而2010—2012 年， 经济重心的转移趋势较小。

图2 2008—2013 年湖南人均碳排放与人均GDP 的重心转移

由转移趋势线及重心变化时间段分析， 人均碳排放重心与经济重心呈同向移动， 表明湖南省的经济增长与碳排放量增长是基本同步的， 经济的发展是影响碳排放增长的重要因素。

3.3 人均碳排放量空间依赖特征及时空演化

3.3.1 湖南省人均碳排放量的全局空间依赖分析

基于 2008—2013 年湖南省各市 （州） 域人均碳排放数据， 得到各年全局Moran's I 指数及其统计检验结果， 见表3。 由表可知， 全部为正值并通过5%水平下的显著性检验， 说明湖南省各市 （州）域人均碳排放量在2008—2013 年间并非处于完全的随机状态， 而是呈现出相似值之间的空间集群形态和空间关联结构， 即各市 （州） 域人均碳排放量具有较强的空间依赖关系 （正自相关关系）， 具有相对较高 （低） 人均碳排放量的市 （州） 域趋向于其他具有较高 （低） 人均碳排放量的市 （州） 域。从表3 还可发现， 随时间变化， Moran's I 指数逐渐减小， 即市 （州） 域人均碳排放量的空间集聚效应在不断减弱， 但市 （州） 域人均碳排放量的空间依赖性是客观存在的。

表3 2008—2013 年湖南省市（州） 域人均碳排放Moran's I 指数及其统计检验结果

3.3.2 人均碳排放量的局部演化分析

因全局空间自相关分析只能检测整体上的空间关联模式， 故本文选取湖南省2008 年和2013 年人均碳排放量数据进行局部空间自相关分析， 借助ArcGIS 软件对Moran 散点进行可视化制图生成Moran 散点图， 利用LISA 集聚图进行显著性检验。

图3 和第 29 页图4 分别为湖南省市 （州） 域人均碳排放量Moran 散点图和LISA 集聚图的空间分布。 由图3 和图4 可知， 各市 （州） 域人均碳排放量的局部空间相互关联特征十分显著。 2008 年HH 和 LL 集聚类型的市 （州） 域为 7 个， 主要分布在 “长株潭城市群” “大湘西生态经济区” 和南部旅游资源较发达且重工业较少的永州市， 2013 年减少到 6 个， 但 HH 集聚型的市 （州） 域在 2008 年和2013 年均不具有统计意义， LL 集聚型的市 （州）域也仅张家界市和湘西州通过5%水平下的显著性检验。 HL 和LH 局部离群型的市 （州） 域主要分布在 “洞庭湖生态经济圈” “大湘南承接国家产业转移示范区” 以及中部能源资源丰富的娄底市， 除属于LH 型市 （州） 域的长沙市、 衡阳市通过检验外，HL 型关联模式的市 （州） 域均未通过检验， 表明HL 型市 （州） 域出现 “凸点” 的概率很小。 此外，从2008—2013 年5 年来非相似空间关联的市 （州）域从7 个增加到8 个， 再次证明了湖南省市 （州）域人均碳排放量的空间异质性在不断增强， 而空间依赖性在减弱。

图3 湖南省市（州） 域人均碳排放量Moran 散点图的空间分布

图4 湖南省市（州） 域人均碳排放量LISA 集聚图的空间分布

对于市 （州） 域人均碳排放量的时空演进， 可进一步采用时空跃迁测度法进行更深入的研究[9-10]。时空跃迁分为4 种类型， 类型Ⅰ表示市 （州） 域的相对跃迁： HHt→LHt+1， HLt→LLt+1， LHt→HHt+1， LLt→HLt+1； 类型Ⅱ表示空间相邻市 （州） 域的跃迁： HHt→HLt+1， HLt→HHt+1， LHt→LLt+1，LLt→LHt+1； 类型Ⅲ表示市 （州） 域与其邻域均发生跃迁： HHt→LLt+1， HLt→LHt+1， LLt→HHt+1，LHt→HLt+1； 类型Ⅳ表示市 （州） 域与其邻域均保持稳定： HHt→HHt+1， HLt→HLt+1， LLt→LLt+1，LHt→LHt+1[11]。

从 2008—2013 年湖南省市 （州） 域人均碳排放量Moran 散点的时空跃迁矩阵 （见表4） 来看，类型Ⅳ最普遍。 2008—2013 年发生类型Ⅳ跃迁的市（州） 域比例达到 100%， 即所有市 （州） 域均发生类型Ⅳ跃迁， 湖南省市 （州） 域人均碳排放的空间格局具有显著的空间锁定或路径依赖特征。

表4 2008—2013 年湖南省市（州） 域人均碳排放量Moran 散点的时空跃迁矩阵

4 结论

通过采用重心模型和空间自相关分析方法， 对湖南省市 （州） 域人均碳排放重心与经济重心转移、 空间依赖性进行了分析， 得出以下3 点结论。

1） 2008—2013 年湖南省人均碳排放重心呈先向西南方向再向西北方向移动的特征， 总体趋势上向西南方向移动， 湖南省经济重心向西南方向移动。 两者移动趋势同步， 表明经济发展对碳排放增长有重要影响。

2） 2008—2013 年湖南省市 （州） 域人均碳排放量存在显著的空间依赖性 （空间自相关）， 人均碳排放量呈现出相似值之间的空间集群形态和空间关联结构； 但全局Moran's I 指标随时间变化呈下降趋势， 说明市 （州） 域人均碳排放量的空间集聚效应在逐渐减弱， 空间差异性在加强。

3） 局部 Moran's I 指标和 LISA 分析表明， 湖南省各市 （州） 域人均碳排放量的局部空间相互关联特征显著， 即形成空间集聚的HH 型和LL 型，但HH 型市 （州） 域在2008 年和2013 年均不具有统计意义； 在HL 和LH 局部离群型市 （州） 域中，除长沙市、 衡阳市通过检验外， 其他市 （州） 域并没有通过。 时空跃迁测度法分析表明， 2008—2013年湖南省市 （州） 域人均碳排放量发生跃迁最普遍的类型是市 （州） 域与其邻域均保持稳定的类型Ⅳ， 说明湖南省市 （州） 域人均碳排放量的空间格局拥有显著的空间锁定或路径依赖特征。