2000—2017年江苏省县域尺度碳平衡时空变化特征分析

彭 瑞, 吴 丹, 高 洁, 呼和涛力

(1.常州大学 环境科学与工程学院, 江苏 常州 213164; 2.常州大学 城乡矿山研究院, 江苏 常州 213164)

0 引 言

温室效应带来的气候变化正严重影响着人类未来生存,因此,降碳增汇成了当今世界关注的重点话题之一[1]。我国于2020年9月提出了2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”的目标。作为经济总量和经济质量都走在全国前列的省份,江苏省在落实“双碳”战略决策上承担着表率和示范的重要使命[2]。县域是经济发展和产业转移的基本行政单元,对于实现经济社会发展全面绿色转型具有重要意义[3]。开展江苏省县域尺度碳平衡研究,摸清碳排放与固碳量家底,分析碳平衡时空变化规律,对于县域减排增汇路径提升具有重要的参考价值。

区域碳排放和固碳量核算是分析碳平衡的基础,但我国目前还没有统一完善的核算体系[4],核算结果亦具有一定的差异[5]。在碳排放/固碳量估算方法上使用较多的是IPCC法[6-7]和遥感反演法[8-9]。在时空分析上主要从不同视角和地理尺度探究碳排放/固碳总量[10]、碳排放效率[11]、碳排放强度[12]、碳收支与碳补偿[13-14]、碳足迹[15]、碳压力和碳中和[16]等;运用STIRPAT(Stochastic Impacts by Regression on Population, Affluence and Technology)模型法、LMDI(Logarithmic Mean Divisia Index)因素分解法、投入产出法等分析经济、产业、人口等因素对碳排放/固碳量的影响[17-19]。

总体而言,国内外学者对于碳排放/固碳量的系统研究已取得丰富成果,对本文研究具有重要借鉴意义。由于县域尺度统计数据信息不完整且大部分指标数据难获取,目前的研究大多偏重于大尺度、短时期碳排放或碳固定单方面研究[20-21],将两者结合起来的长时间序列碳平衡变化特征分析亦较少[22-25]。本研究以江苏省各个区县为研究单元,采用公开的能源消费碳排放和植被固碳量统计数据,系统分析2000—2017年江苏省县域尺度碳排放、固碳量特点及碳平衡时空变化特征,旨在为提出更具针对性和可操作性的县域减排增汇措施和建议提供理论依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

江苏省地处中国东部沿海地区中部,东临黄海。地跨北纬30°45′N—35°08′N,东经116°21′E—121°56′E,北接山东,西连安徽,东南与上海、浙江接壤,是长江三角洲地区的重要组成部分。土地面积10.72万km2,下辖13个设区市,95个县(市、区),其中19个县、21个县级市、55个市辖区。根据地理位置划分,江苏省被划分为苏南(南京、无锡、常州、苏州、镇江)、苏中(南通、扬州、泰州)、苏北(徐州、连云港、淮安、盐城、宿迁)3个部分。截至2021年末,全省常驻人口8 505.4万人,城镇化率73.9%,地区生产总值11.6万亿元。

1.2 数据来源

县域单元碳排放与固碳量数据(2000—2017年)均来源于中国碳核算数据库(CEADs, www.ceads.net),该数据库提供全公开、全透明、全免费的数据下载。采用粒子群优化-反向传播(PSO-BP)算法,根据国家地球物理数据中心提供的DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜间灯光数据估算中国县域CO2排放量[26]。采用MODIS平台提供的植被净初级生产力NPP数据产品(MOD17A3),通过植被干物质与吸收CO2的转化系数[27]得到县域陆地植被固碳量[26]。数据以表格形式存储,具有连续性、统一性、直观性、完整性等优点。

1.3 研究方法

本研究碳平衡系数是指区域年度碳排放量和植被固碳量之比,该指标不仅可以综合衡量碳排放量与固碳量间的关系,还可评估一段时间内区域人类活动产生的碳排放与自然生态系统碳吸收间的平衡关系。

当碳平衡系数>1时,表示区域内碳排放量大于植被固碳量;当碳平衡系数=1时,表示区域内碳排放量与植被固碳量相互平衡,是比较理想的状态;当碳平衡系数<1时,表示区域内排放的二氧化碳可以完全被陆地植被所吸收。分析不同时空尺度下的碳平衡系数可以为区域低碳可持续发展、空间规划、环境评价体系构建等提供本底参考。

2 结果与分析

2.1 江苏省县域碳排放时空特征分析

2000—2017年,江苏省各设区市碳排放量逐年增加(图1)。苏南地区碳排放量占比50%左右,年均增长率8.15%;苏中和苏北碳排放量占比分别约为20%和30%,年均增长率分别为7.27%、7.17%。3个地区产生差异的主要原因是,苏南地区高能耗产业发达、城市化水平高、经济快速发展等,而苏中和苏北地区工业发展相对不发达。从增长趋势来看,苏州、常州、无锡、宿迁、盐城、镇江的年均增长率依次为9.24%、8.38%、8.07%、7.90%、7.83%、7.71%,排在江苏省前六位。徐州、南京、淮安的年均增长率依次为6.52%、6.72%、6.87%,处在江苏省后三位。苏州历年碳排放量最高,约为宿迁的4倍;南京碳排放量位居江苏省第二位,但其年均增长率较低;宿迁历年碳排放量在省内最低,但其年均增长率较高。

图1 2000—2017年江苏省各设区市碳排放量变化

为了更好地展示碳排放量的空间分布格局,本研究将县域碳排放量划分为5个等级(表1)。基于等级划分标准,江苏省县域尺度碳排放总体呈现“南高北低”的空间分布格局。高碳排放区域主要分布在苏南地区,如苏州常熟和昆山、无锡江阴市、南京江宁区、常州武进区,少数零星分布于苏中、苏北地区的部分县域。低排放区如徐州睢宁县、淮安洪泽区和金湖县、盐城响水县,在2000—2017年碳排放量增幅变化不大,这些地方的经济支柱产业多为农业或旅游业,高污染的工厂企业较少。江苏省县域碳排放空间分布格局逐渐趋于稳定,空间聚集程度逐渐增强。苏南地区在2010年后碳排放分布格局变化较小;苏中、苏北地区因经济发展导致能源消耗量增大,高碳排放区呈现“由南向北”推进的趋势。

表1 碳排放量等级划分标准

从碳排放量等级来看,在总体格局变化不大的基础上,部分区县则表现出更多的不稳定性(图2)。2000年,低排放型县域个数有56个,轻度排放型有39个,其中碳排放量最高的是南京江宁区(476.3万t),其次是无锡江阴市(465.3万t);碳排放量最低的是常州钟楼区(72.5万t),其次是南京秦淮区(76.7万t)。2005—2010年,碳排放量类型变化最集中的是一般排放型和轻度排放型,轻度排放型县域个数由2005年的60个下降到2010年的39个,一般排放型由2005年的17个增长到2010年的42个。此外,2010年比2005年新增了重度排放型,苏州昆山市和常熟市、无锡江阴市由中度排放型变为重度排放型;苏州张家港市、常州武进区、南京江宁区由一般排放型变为重度排放型。2017年多数县域碳排放量较2010年均有所增加,一般排放型由2010年的42个上升到2017年的52个。苏州虎丘区、连云港海州区等由一般排放型变为轻度排放型,常州金坛区、盐城建湖县、宿迁宿豫区等12个县域由轻度排放型变为一般排放型,苏州吴江区由中度排放型变为重度排放型。

从人均碳排放量与碳排放强度变化看,江苏省各县域人均碳排放量总体呈现逐年增长趋势且南北空间差异较为明显,而碳排放强度则表现不同。2000—2017年,江苏省县域人均碳排放量均值由2000年的3.3 t/人增加到2017年的8.7 t/人;2010年之前增长率达162%, 2010—2017年增速为3.69%。县域碳排放强度均值表现出先增加后减少的趋势,由2000年的3.30 t/万元增长到2005年的3.46 t/万元,从2010年的1.91 t/万元降低至2017年的0.95 t/万元。碳排放量与人口、经济发展、产业结构等有很大的关系。经济发达的苏南地区尽管碳排放量高,产业结构优化与技术进步带来能源利用效率的提高,其碳排放强度逐渐降低。

2.2 江苏省县域固碳量时空特征分析

2000—2017年,江苏省各设区市植被固碳量变化不大(图3)。苏北地区植被固碳总量占比52%左右,年均增长率0.78%;苏南和苏中地区植被固碳总量占比分别为26%和22%,年均增长率分别为-0.08%和-0.14%。3个地区产生差异的主要原因是,苏北拥有丰富的自然资源,植被固碳量相对较高[28-30]。苏南和苏中地区快速城镇化、工业化导致自然植被面积减少,碳汇吸收量则相对较低。从增长趋势来看,2000—2017年,徐州、宿迁、连云港、淮安、南京、扬州年均增长率依次为1.23%、1.00%、0.97%、0.90%、0.56%、0.45%,排在江苏省前六位。苏州、南通、泰州、无锡的年均增长率依次为-0.54%、-0.39%、-0.25%、-0.18%,处在江苏省后四位。盐城和南通植被固碳量高但年均增长率较低,常州植被固碳量虽低但年均增长率为正值。

图3 2000—2017年江苏省各设区市植被固碳量变化

江苏省县域尺度植被固碳量总体呈现“四周高中心低”的空间分布特点,研究时段内总体空间分布格局变化不大(图4)。空间分布形成以江苏东部盐城(大丰区、射阳县、东台市)、南通如东县为中心的高碳汇带(390万～640万t),西部高碳汇区(390万～490万t)分布在宿迁泗洪县、淮安盱眙县,北部形成以宿迁沐阳县为中心的高碳汇区(300万～450万t)向四周蔓延,南部则是以苏州吴中区为中心的高碳汇区(320万～420万t)向两边延伸。盐城大丰区、射阳县年均固碳量达600万t以上,主要因为两区县具有重要的自然保护区,生态资源较好。植被固碳量低值区主要分布在市中心区,如徐州泉山区、南京秦淮区、苏州姑苏区等。尽管植被固碳量空间分布格局变化较小,其年均增长率差异较大。2000—2017年,固碳量年均增长率苏北地区较高,一些经济开发区则出现负增长,如常州钟楼区、无锡新吴区、泰州海陵区等。

图4 2000—2017年江苏省县域植被固碳量空间分布

从植被固碳量分级来看,固碳量在100万～200万t范围内的县域个数逐年减少,由2000年的30个下降到2017年的25个;在200万～500万t范围内的县域个数逐年增多,由2000年的33个增长至2017年的39个。研究表明,陆地植被固碳量主要来自森林,其次是农田和灌丛[30-31]。江苏省县域植被固碳量与其植被覆盖度和植被类型关系密切。固碳量排名靠前的县域或拥有较高的森林覆盖率、或农田与湿地面积占比较大。

2.3 江苏省县域碳平衡时空特征分析

2000—2017年,江苏省碳排放总量总体呈上升趋势,从2000年的1.96亿t增长到2017年的6.85亿t,增长近249%;在2014年达到峰值(6.99亿t)(图5)。2001—2011年碳排放量增长速度较快,与这一时期经济粗放式高速发展有关。在2012—2017年间碳排放增长速度明显减缓,年均增长率为-0.19%,并在2015年出现回落现象,这与近些年的生态文明理念、高质量发展、美丽江苏建设等政策有关,有效地促进了产业结构低碳转型、减污降碳协同增效。江苏省植被固碳量在1.9亿t上下浮动,从2000年的1.75亿t上升至2017年的1.85亿t,上升近5.7%,年均增长率0.33%,总体变化不大。

图5 2000—2017年江苏省碳排放量、固碳量、碳平衡系数变化

2000—2017年,江苏省县域碳平衡系数差异较大,年均增长率为7.3%。在2001—2011年呈快速上升趋势,碳平衡系数由1.1上升至3.8,上升近245%,年均增长率13.2%。2011年后其波动范围稳定在3.5～4.0之间,年均增长率为-0.55%。表明江苏省在低碳发展方面有所成效,但能源消费产生的碳排放量远高于植被固碳量,为确保全省如期实现“双碳”目标,亟需进一步形成节约资源和保护环境的产业结构、生产方式、生活方式,走生态优先、绿色低碳的高质量发展道路。

2000—2017年,江苏省各设区市碳失衡状况逐年严重(图6)。苏南地区的碳平衡系数年均增长率为8.2%,苏中、苏北地区年均增长率分别为7.4%、6.3%。苏州市碳平衡系数年均增长率为9.8%,涨幅排全省第一;其次增幅较大的是无锡市(8.26%)和常州市(8.29%);最低的是徐州市(5.2%)。

图6 2000—2017年江苏省各设区市碳平衡系数变化

从江苏省县域碳平衡系数时空变化格局可以直观地看出碳失衡严重的区县分布状况(图7)。2000—2017年,碳失衡最严重的县域前六位是南京鼓楼区和秦淮区、苏州姑苏区、无锡梁溪区、扬州广陵区、徐州泉山区。碳平衡状态保持较好的是盐城射阳县和滨海县。尽管徐州泉山区碳失衡状况在苏北地区属于最严重的,但其碳平衡系数年均增长率(4.45%)在苏北县域中最低;扬州宝应县碳平衡系数年均增长率(5.23%)在苏中地区最低。江苏省各县域碳平衡系数年均增长率最低的是南京秦淮区,仅为3.26%。

图7 2000—2017年江苏省县域碳平衡系数空间分布

全局来看,江苏省各县域碳平衡系数等级变化较多的发生于碳平衡系数<1和10～40这2个等级。其中,碳平衡系数<1的县域,由2000年的42个减少至2017年的2个;碳平衡系数在10～40范围内的区县,由2000年的6个增长至2017年的24个。可以看出,随着经济社会的快速发展,江苏省碳失衡严重的区县逐年增多且失衡状况较为严重。

3 结 论

本研究基于县级尺度碳排放与植被固碳量数据,分析了江苏省2000—2017年县域碳排放、固碳量、碳平衡系数的时空变化特征,主要结论如下:

(1)江苏省县域碳排放量在2001—2011年增长速度较快,而后呈现小幅度浮动。碳排放总量从2000年的1.96亿t增长到2017年的6.85亿t,增长近249%。总体呈现“南高北低”的分布格局,且空间聚集程度逐渐增强。以南京市区、苏锡常部分县域、苏北中心地区为代表的地区,不仅是江苏省的高碳排放区,还是碳减排潜力较大的区县。

(2)江苏省植被固碳量从2000年的1.75亿t上升至2017年的1.85亿t,年均增长率0.34%。高碳汇区主要分布于自然资源丰富和植被覆盖率较高的区县,如东部沿海县区的盐城(射阳县、大丰区、东台市)、南通如东县,西部种植业为主的宿迁泗洪县和淮安盱眙县、南部无锡宜兴市等。

(3)从时间尺度上看,2000—2017年县域碳平衡系数增长起伏变化与碳排放较为相似,部分县域碳失衡等级随时间变化而变化。从空间分布上看,江苏省碳失衡的县域个数由2000年的53个增长到2017年的93个,生态系统碳汇能力已远远不能够承受碳排放产生的压力。碳失衡最严重的区县前六位是南京鼓楼区和秦淮区、苏州姑苏区、无锡梁溪区、扬州广陵区、徐州泉山区。碳平衡状态保持较好的是盐城射阳县和滨海县。

从省级层面上看,江苏省2017年单位面积碳排放量全国排名第3,单位面积植被固碳量位于全国中等位置;碳平衡系数全国排名第4,高于广东、浙江等经济发达省份。从时间尺度上看,尽管近年来江苏省碳排放量趋于稳定,由于重工业长期占据经济效益的主导地位,能源消耗量与碳排放量较大,碳减排面临很大的挑战。高碳排放的区县是碳减排的重点区域和潜力区域,建议因地制宜推动产业绿色低碳转型,持续优化产业结构与布局,全面提升能源资源利用效率,加强关键核心技术攻关,从源头上降低碳排放。全面构建生态碳汇巩固提升体系,强化国土空间规划和用途管控,严守生态保护红线,稳定现有森林、湿地等固碳作用;同时,实施重大生态保护修复工程,开展山水林田湖草一体化保护和修复,提升生态系统碳汇增量,从减碳和增汇两方面推进“双碳”目标实现进程。

因县域统计数据较多且难收集,碳排放与固碳量影响因素复杂,包括经济发展、产业结构、人口密度、技术水平、城镇化率、土地利用等[32-35],本研究仅就江苏省各区县碳排放量、固碳量、碳平衡时空变化历史状况进行了详细分析,后续研究将基于因素分解模型筛选主要的影响因素,定量化分析各因素对碳平衡变化的贡献率,旨在为江苏省县域碳平衡环境评价体系构建及减碳增汇政策制定提供决策参考。