长沙市碳足迹与碳承载力动态分析

李文慧，李振国，余光辉，张 勇，莫宏伟

（湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南湘潭 411201）

0 引言

随着全球人口增长和经济快速发展，化石能源的消耗日益增加，气候变化问题成为各国关注重点，IPCC 报告指出人类生产生活中排放的温室气体是加剧气候变暖的重要驱动力[1-2]。碳足迹是指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[3-5]。长沙作为湖南省省会，同时也是长株潭城市群的核心城市，掌握长沙碳排放来源和碳足迹动态变化情况，可以了解长沙碳排放的结构、来源以及时间维度的变化，同时也是低碳减排，发展低碳经济和建设“两型社会”的重要参考和重要过程。

1 研究方法

IPCC 排放因子法是指联合国气候变化委员会编写的国家温室气体清单指南，其优点是详细、全面地考虑了几乎所有的温室气体排放源，并提供了具体的排放原理和计算方法[5-6]。本文采用IPCC 法计算长沙市碳足迹，分析长沙市2013—2017 年碳足迹动态变化，计算长沙市碳承载力年度变化情况。

1.1 碳排放计算方法

本文主要从能源消耗和工业生产两个方面估算碳排放量。能源消耗主要为煤炭、天然气、石油等化石能源碳足迹；工业生产主要以水泥生产产生的碳足迹为主。计算过程如下：

式中，F 表示研究区域的碳足迹（万t），E 为能源碳足迹（万t），Ei为第i 种能源的消费量（万t），αi为第i 种能源的折煤系数[7]，βi为第i 种能源的二氧化碳排放系数[8]，具体见表1。44/12 为碳原子与二氧化碳的转换系数[9]，S 为水泥工业碳足迹（万t），Sy为水泥产量（万t），D 为水泥分解时产生的CO2系数，采用相关研究结果中间值0.427[9]。

表1 主要能源的折煤系数和CO2 排放系数

1.2 碳承载力计算方法

碳承载力为区域内各类植被吸收、固定CO2的量[3，7]。主要计算林地、草地、农作物三种植被的固碳能力。计算公式如下：

式中，C 为区域总碳承载力（万t），Cf为林地的碳承载力（万t），Cp为农作物的碳承载力（万t）。

林地碳承载力计算公式：

式中，Cf为林地的碳承载力（万t），M 为林地的面积（hm2），MNEP为1 hm2林地一年的固碳量，据吴庆标等人[10]的估算结果，取值为2.84（t/hm2）。

农作物碳承载力计算公式：

式中，Cp为农作物的碳承载力（万t），λ 为校正系数，取值为0.05[4]，Cc为生物量和固碳量的转换系数，取值0.5[4]，Pi为第i 种作物的产量（t），Yi为第i 种作物的经济系数。选择长沙市几种主要农作物，经济系数见表2。

表2 主要农作物的经济系数

1.3 碳足迹强度计算方法

碳足迹强度是某地区碳足迹与地区GDP 的比值，碳足迹强度越大，表明环境与经济发展越不协调，GDP的增长以较大的能源消费为代价[11]。碳足迹强度也可以用来说明能源的利用效率。计算公式：

式中，Fq表示碳足迹强度（t/ 万元），F 表示区域碳足迹（万t），G 表示地区生产总值（万元）。

人均碳足迹是地区碳足迹除以地区人口数，人均碳足迹可以表示平均每人所产生的碳足迹。计算公式：

式中，Fr表示人均碳足迹（t），F 表示区域碳足迹（万t），P 表示地区总人口数。

2 长沙市碳足迹分析

2.1 碳足迹动态变化

依据碳足迹计算模型计算2013—2017 年长沙市主要化石能源的碳足迹和水泥产业碳足迹，见表3。数据显示，2013—2017 年长沙市碳足迹总量也呈下降趋势。碳足迹总量从2013 年的3 925.79 万t 下降到了2017 年的2 723.02 万t。主要化石能源和水泥产业碳足迹都出现下降趋势，在化石能源碳足迹中，原煤碳足迹占比最大，从2013 年的2 806.22 万t 下降到2017年的1 836.88 万t，但是，原煤消费量在能源结构中的比重没有明显变化。2013—2017 年，原煤碳足迹在化石能源碳足迹中的占比一直在80%以上。

表3 2013—2017 年长沙市主要化石能源和水泥产业碳足迹（万t）

2.2 碳足迹结构特点

长沙市2013—2017 年的碳足迹有所下降，但是能源消费结构没有明显改变。碳足迹一直以化石能源碳足迹为主，占比都在80%以上，见图1。据美国橡树岭国家实验室CO2信息分析中心（CDIAC）数据显示，水泥生产过程CO2排放仅次于化石能源，其排放的温室气体99%以上为CO2[12]。长沙市碳足迹中，水泥产业碳足迹量虽然有所降低，但在碳足迹总量中的占比一直保持在20%左右，仅次于煤炭碳足迹，水泥碳足迹所占的比重不容忽视。

图1 2013—2017 年长沙市碳足迹结构

2.3 碳承载力分析

通过林地承载力的计算模型，计算得出2013—2017 年长沙市的林地碳承载力，见表4。

表4 2013—2017 年长沙市林地碳承载力（万t）

结合2013—2017 年长沙市各类农作物的种植产量，通过上述农作物碳承载力的计算模型，计算得到2013—2017 年长沙市主要农作物的碳承载力，见表5。

表5 2013—2017 年长沙市主要农作物碳承载力（t）

长沙市碳承载力主要包括林地碳承载力和主要农作物碳承载力。图2 显示，2013—2017 年长沙市碳承载力总体呈上升趋势，碳承载力从594.09 万t 上升到了696.67 万t，年均增长率为3.4%，其中，林地碳承载力的增幅比较大，增长率为19%，而农作物碳承载力在五年期间波动较小，基本保持稳定。在碳承载力总量中，以林地碳承载力为主，林地碳承载力占到了碳承载力总量的90.52%～92.01%，而农作物的碳承载力相对较小。

图2 2013-2017 年长沙市碳承载力动态变化

2.4 净碳足迹分析

净碳足迹为某一地区碳足迹与碳承载力之差额，当碳足迹大于碳承载力时，净碳足迹为正值；两者相等表示碳平衡；后者大于前者表示碳承载力盈余[5]。当净碳足迹值为正值时，地区出现碳赤字，说明生态环境所承受压力比较大；反之当净碳足迹值为负值时，说明地区碳盈余，碳排放处于一个安全范围内。通过2013—2017 年长沙市碳足迹和碳承载力数据可以得到长沙市净碳足迹，见图3。

由图3 可知，2013—2017 年长沙市净碳足迹呈现下降趋势，但一直处于碳赤字状态，碳排放量一直处于超载状态。

图3 2013—2017 年长沙市净碳足迹动态变化

2.5 人均碳足迹分析

人均碳足迹为地区碳足迹与人口总量之比，可以反映地区碳足迹的压力。结合长沙市人均碳足迹和人口总量核算长沙市人均碳足迹，见图4。

由图4 可知，2013—2017 年长沙市人均碳足迹呈下降趋势，但下降速度逐渐放缓。长沙市的人均碳足迹在2013 年时达到了5.44 t/人，虽然人均碳足迹逐年下降，但是2017 年人均碳足迹仍然有3.44 t/ 人，而全球的人均碳足迹标准为2.0 t/人[2]，仍远超全球标准。以现在人均碳足迹的下降趋势，至少在2022 年长沙市人均碳足迹才可以达到全球标准。

图4 2013—2017 年长沙市人均碳足迹

2.6 碳足迹强度分析

碳足迹强度为区域碳足迹与地区生产总值之比，根据长沙市碳足迹总量和年度GDP 总量，核算出2013—2017 年长沙市碳足迹强度（图5）。

由图5 可知，2013—2017 年长沙市碳足迹强度逐年下降，但下降速度逐年降低。从2013 年的0.55 t/万元下降到了2017 年的0.27 t/ 万元。碳足迹强度的下降，说明了单位产出所对应的碳排放量降低，长沙市的能源利用效率越来越高。但是碳排放量降低的速度放缓，表明能源利用效率的提高并不能完全解决碳排放的问题。

图5 2013—2017 年长沙市碳足迹强度动态变化

3 总结

2013—2017 年长沙市碳足迹总体呈下降趋势。在碳足迹中，能源碳足迹比重最大，而能源碳足迹中又以煤炭能源碳足迹为主；同时碳足迹中，水泥行业碳足迹量在长沙市碳足迹中的比重较高。长沙市能源结构的特点决定了长沙市人均碳足迹和碳足迹强度较高的特点。短期内降低碳足迹量和碳足迹强度，仅依靠提高能源利用效率手段很难实现，还需要不断寻求新能源，改变能源消费结构，逐渐改变能源结构特点。

2013—2017 年长沙市碳承载力呈上升趋势，长沙市碳承载力以林地碳承载力为主，林地碳承载力占到了碳承载力总量的90.52%～92.01%。2013—2017 年长沙市净碳足迹呈下降趋势，但净碳足迹一直为正值，说明长沙市一直处于碳赤字状态。未来较长时期内长沙市净碳足迹还会持续下降，但仍处于碳赤字状态。