湖南省碳排放空间分异与碳平衡分区治理研究★

尹志坚，李 铌

(中南大学建筑与艺术学院,湖南 长沙 410075)

0 引言

“双碳”战略目标下,国土空间规划作为国土资源调控和治理的主要手段,应充分发挥其统筹协调作用,将国土空间规划作为减排技术应用的平台和“双碳”策略实施落实的保障。但目前的国土空间规划体系在“双碳”背景下缺乏科学有效的分区调控传导机制,难以实现“双碳”目标的逐级传导和有效落实。目前在城乡建设研究领域关于“双碳”的研究重点更多的是关注碳排放与城市形态的机理关系、城市减碳技术方法和低碳发展策略等层面的研究,而对于分区调控治理和技术策略的统筹协调与落实治理路径的相关研究则相对缺乏。因此本文以湖南省为例建立一套统一的碳平衡分区技术标准,在空间上科学划分碳平衡功能分区,制定分区调控指南和协调治理机制,以实现国土空间总体规划、城市空间布局、具体项目建设与碳排放调控目标的有效衔接,最终实现国土空间碳排放分区调控与精细化治理。

1 研究背景

1.1 国土空间规划体系在“双碳”目标中发挥着关键作用

在国家双碳目标战略中,城乡建设是重点领域,国土空间规划顺理成章地起到举足轻重的作用。碳中和可以分成两大实现策略,第一是“增汇”,即通过绿地吸收二氧化碳,第二是“减排”,即从源头减少二氧化碳的排放。空间规划已被广泛认可为是控制温室气体排放的有效手段,城乡规划建设领域对于“双碳”目标如何纳入国土空间规划进行了积极探索。本文认为未来应将规划应用为目标发布决策机构、各领域的统筹协调平台、减排技术应用的平台、实施监督反馈的平台等,更好发挥规划“一张图”统筹协调的作用[1]。

1.2 当前国土空间规划体系对于实现“双碳”目标的支撑不足

目前国土空间规划编制已经高度重视城市的低碳发展要求,但国土空间规划对于双碳的控制,在目标上仍存在以指导性、原则性的政策要求为主,缺乏明确的、具体的减排目标等问题。而在国土空间规划的实施传导上也缺少能够有效落实的策略、方法和行动路径。因此目前的国土空间规划体系难以成为保障城市“双碳”目标落实的政策文件和“一张图”指南[2]。国土空间规划与双碳目标密切联系,而关于碳平衡主体功能区没有明确的定义和分级分类标准,城市碳平衡与功能分区缺乏相应的规划传导和协调治理机制,相关方向的研究尚未形成成熟体系,需要有更多相关研究进行完善[3]。

1.3 区域碳收支核算与碳平衡分区已成为当前全球碳减排研究的重要内容之一

学者们从不同研究尺度和方向开展了碳平衡与碳收支的研究。赖力(2010)分析构建了中国土地生态的碳平衡格局,基于土地类型核算了全国的碳收支[4];赵荣钦等(2010)利用能源消费数据计算分析了中国各省产业差异导致的空间碳排放强度特征差异[5];张润森(2012)基于无锡市的用地和能源消耗数据,验证了建设用地扩张与碳排放强度存在库兹涅茨曲线关系(倒U型)[6];揣小伟(2011)结合LUCC数据分析研究了江苏省不同土地利用类型变化数据对生态碳储量的影响[7];赵荣钦等(2014)对中原经济区县域的碳平衡进行了核算分析并提出分区策略[8];曾鹏(2022)对京津冀地区149个区县的低碳发展水平、时空演变格局和集聚分异特征进行了分析,划分了4类发展分区[9]。

2 数据与方法

2.1 数据来源

研究区域选取以湖南省为研究范围,以湖南省122个县级单位为研究对象。研究数据包括:人口数据、用地数据、GDP数据、农业生产数据、畜牧业产量数据、化石能源消耗量数据、林地草地及水域面积数据等。本文使用的碳排放和碳汇数据来源为中国碳核算数据库(CEADs)[10],该数据库包括1997年—2017年中国县级尺度二氧化碳排放清单及2000年—2017年中国县级尺度陆地植被固碳量,数据库县级研究数据较全,符合本文研究要求。其他数据主要来源于《湖南省统计年鉴》。

需要说明的是,在对基础数据进行初步整理时,为保证研究对象的空间连续性,本文对于在空间上联系较为紧密的市辖区各区,将其合并为一个行政单元便于后续统计分析研究[11-12]。

2.2 研究方法

2.2.1 碳生态承载系数

碳生态承载系数(ESC)即表示某一地区的碳汇总量占整体的比例与该地区碳排放总量占整体的比例的比值。赵荣钦等(2014)采用ESC对中原经济区碳生态承载系数进行了计算[8]1425-1437。该比值能够从区域整体的角度反映该区域碳汇能力的相对大小,对于分析某一地区的碳平衡状况具有较大的参考价值。具体计算方法如下:

(1)

其中,CAi为某县域单元的碳汇量;CA为区域整体大的碳汇量;Ci为某县域单元碳排放量;C为区域整体碳排放总量。当ESC>1时,即该地区碳吸收的贡献率大于碳排放,则表明该地区碳补偿率相对较高,生态承载力强;若ESC<1,则表明该地区碳吸收的贡献率小于碳排放,补偿率较低,生态承载力相对较弱。

2.2.2 碳排放经济贡献系数

碳排放的经济贡献系数(ECC)是指一定区域内某一地区的碳排放经济贡献与区域整体的碳排放经济贡献的比值。卢俊宇、黄贤金等(2012)采用ECC对中国各省的碳排放经济贡献系数进行了计算,ECC能够反映某一地区的碳排放经济贡献能力[13]。计算方法如下:

(2)

其中,Gi为某县域单元的GDP;G为区域整体的GDP;Ci为县域单元碳排放总量;C为区域整体碳排放总量;若系数大于1,即该县域单元的碳排放贡献率大于全省贡献率,表示该地区具有较高的能源利用效率和技术生产力;反之,若系数小于1,则说明该县域单元的综合能源利用率较低,碳生产力相对较低。

2.2.3 碳排放强度自相关分析

空间自相关分析可以用来判断区域某一指标在空间上的相关性、聚集或离散程度。其中全局自相关用于分析区域整体的空间分布特征,使用Moran’s I指数来反映该区域碳排放强度的空间自相关程度,值的范围在-1～1之间,计算结果值大于0则说明存在空间自相关关系。若值越接近1说明这一属性的空间集聚作用越强;值越接近-1,表明具有相异属性的空间单元的集聚作用越强;如果值接近或等于0,则可以解释为这些空间单元完全处于随机分布状态。本文采用OpenGeoDa软件计算局部自相关LISA指数(即局部Moran指数),分析区域内空间单元的相邻性关系,以判断局部单元聚类的空间分布格局。

3 实证分析

3.1 湖南省县级尺度碳排放空间分异特征

数据计算结果发现,湖南省2017年全省碳排放总量为3.09亿t,从地市州尺度来看,长沙市碳排放量最高约为6 920万t,占全省的22.21%(见图1)。从县级尺度碳排放的整体空间分布来看,湖南省县级尺度的碳排放空间分布总体分布特征呈现为“东高西低”(见图2)。其中,长沙市辖区的碳排量最高,约为3 748万t,约占湖南省碳排放总量的12%。碳排放量最低的是古丈县,约为14万t。同时,由于张家界、湘西、怀化等大湘西地区的工业基础薄弱,能源消费水平较低,大湘西地区的碳排放总量处于相对较低水平。

从各地市尺度来看,基本呈现市辖区碳排放量较高,周边县(市)碳排放相对减少的特点。市辖区和经济相对发达县(市)碳排放量相对较高,例如长沙市、株洲市、常德市、岳阳市、衡阳市等。而经济较为落后的大湘西地区的古丈县、通道侗族自治县、花垣县、永顺县、会同县等县级单元碳排放总量在全省处于最低水平。

研究发现,湖南省各县级单位碳排放总量与GDP呈现较大的正相关关系(见图3)。生产活动中涉及高碳排放的钢铁、冶炼、加工第二产业,其碳排放总量与第二产业增加值高度相关。此外,各县级尺度单元的碳排放强度在空间分布上也存在明显的差异,即中东部高于西部和南部的特征,长株潭城市群地区形成了碳排放高地。

3.2 湖南省县级尺度碳汇作用空间分异特征

湖南省地处长江中游地区丘陵地区,森林覆盖率相对较高,农作物和植被绿化丰富,碳汇作用较强。计算结果发现2017年湖南省碳汇总量约为0.46亿t,是全省碳排放的14.97%。在空间分布上,湖南省碳汇总量呈现出较不均匀的特点,但总体上属于“西北高、中部低”的情况(见图4)。其中,各县市的碳汇总量存在较大差异,湘西北、湘东北和湘南部的县(市)相较其他地区碳汇总量较高,主要是因为该地区为山地丘陵地区,植被覆盖率相对较高,或农业种植面积较大,因此总体碳汇量处于较高水平。而湘北洞庭湖流域地区,和株洲、湘潭地区碳汇水平在全省处于较低水平。

3.3 湖南省县级尺度碳平衡空间分析

3.3.1 碳补偿率分析

利用碳排数据与碳汇数据的差值,可以计算得到湖南省县级尺度的净碳排放量,分析县级尺度的碳平衡状态。结果发现,湖南省净碳排放量在空间分布式上存在“湘西北西南净碳汇、湘东湘中高碳排的格局”(见图5),其中,永顺县的净碳排放量最低,为-54.58万t,其次沅陵县、桑植县、通道侗族自治县、绥宁县、古丈县、安化县、城步苗族自治县、龙山县、会同县、新宁县的年碳汇量超过碳排放量,实现负碳排放。

碳补偿率较低的地区集中在长株潭地区以及岳阳、常德、衡阳和郴州的市辖区。其中长沙市辖区净碳排放量最高,达到了3 716万t,其次是长沙县和株洲市辖区。从图5可以发现,这些碳补偿率低于0.5的地区基本位于京广铁路沿线,是湖南省重要交通运输线路和主要城镇发展轴线。

对湖南省全省县级单位进行碳排放和碳汇的碳氧平衡对比核算分析发现,人均GDP与碳补偿率呈负相关关系。数据表明湖南省全省碳补偿率为74.85%,即湖南省全省总碳吸收量远不足以填补全省产生的碳排放,存在较大碳缺口。碳补偿率低于50%的区域集中位于湘中地区(见图5),碳补偿率超过200%的地区则基本位于大湘西地区。

3.3.2 碳排放生态承载系数分析

全省县域单元生态承载系数ESC<1的地区共36个,主要位于湘中地区长株潭都市圈附近(见图5)。湖南省碳排放生态承载系数差异明显,东部以及湘中地区的生态承载系数偏低,湘西地区生态承载系数普遍处于较高水平,其中长株潭城市群ESC<0.5,说明碳排放占比远超过碳汇占比,生态承载压力大。其中,张家界、湘西自治州、怀化等地ESC>2.5,说明这些地区的碳汇占比远超过碳排放占比,这表明湘西山区的林地及粮食种植区的耕地具有较高的碳汇能力和较低碳排放强度,生态承载能力强。

3.3.3 碳排放经济贡献系数分析

从全省的单位GDP碳排放量分布差异图(如图6所示)可以看出,湘中、湘南以及全省市辖区地区,单位GDP碳排放量较高。单位GDP碳排放较低的地区,即小于0.5万t/万元的县级单位主要位于湘北的益阳、常德等地。市辖区中,单位GDP碳排放最高的是永州市冷水滩区,达到了1.67万t/万元,说明冷水滩区工业能源消耗量大,产出效率不高。最低的是长沙市辖区,只有0.59万t/万元,说明长沙市产业结构已向三产转型,能源利用率高,单位能源消耗的GDP产出效益较高。

从全省县级尺度碳排放经济贡献系数空间差异图(如图6所示)可以看出,各县级单位经济贡献系数集中分布在0.5～1.5之间。其中,碳排放经济贡献系数ECC>1的地区,主要位于湘中、湘南和湘西部分地区,碳排放经济贡献系数最高的地区是汝城县,达到了2.91,其次是宜章县、桂东县、嘉禾县、临武县和涟源市,均位于1.5以上。碳排放经济贡献系数最低的是南县、祁东县、安化县和沅江市等,均低于0.5。

3.3.4 碳排放强度空间自相关分析

湖南省县域单元的单位面积碳排放强度与碳排放总量在空间分布上的特征均存在明显差异。同时,单位GDP碳排放强度指标在空间上的空间差异性更为明显,即经济发展水平越高,碳排放总量越大,单位GDP碳排放强度则越低;反之,经济发展水平越低,碳排放总量越低,单位GDP碳排放强度则偏高。这说明,在湖南省经济发展水平较高的地区已具有较高的能源利用效率。

空间自相关分析结果显示,湖南省县域单元单位GDP碳排放强度的全局自相关Moran’s I指数达到了0.592(见图7),说明了区域碳排放强度空间聚集现象较为明显。永州和郴州南部地区“高-高”聚集特征显著,是高碳排放强度聚集区;益阳、常德和张家界等地“低-低”聚集显著,属于低碳排放强度聚集区。空间自相关性Moran’s I指数分析结果说明湖南县域空间单元与相邻地区存在较强的碳排放强度相关联性,且高高聚集和低低聚集在全省空间范围呈现南北对立的空间格局。

4 碳平衡分区结果与优化调控

4.1 分区依据

4.1.1 高碳控制区

高碳控制区即碳补偿率小于50%,或碳排放总量大于200万t,且同时单位GDP碳排放量大于1 t/万元的区域。该类区域第二产业特别是加工制造工业较为发达,综合能源消费量较高,导致碳排放总量处于全省较高水平,是全省范围内的主要碳排放来源。该类区域的产业结构偏重工业,主导产业存在高耗能和能源依赖,规模以上工业能源消费量偏高,但能源利用效率低,碳排强度较高的地区,是全省的重点减碳控制区。

4.1.2 碳平衡区

碳平衡区即碳补偿率在80%～120%之间,净碳排放在-50万t～50万t之间。该区域的碳汇量和碳排量基本持平,生态系统的碳汇作用基本能够吸纳区域自身所排放的二氧化碳,从而达到碳汇和碳排相对平衡的状态,该类地区可以视为已基本实现碳中和。

4.1.3 生态碳汇区

生态碳汇区即碳补偿率大于120%,单位GDP碳排放强度小于1 t/万元,净碳排放量小于-50万t的区域。该区域自然生态系统良好,陆地植被覆盖产生的碳汇作用显著高于碳排放量,开发强度较低,人类活动强度低,是全省碳汇的重要来源。

4.1.4 低碳优化区

低碳优化区是指除上述区域以外的地区,即指碳补偿率在50%～80%,单位GDP碳排放强度小于1 t/万元,或净碳排放总量在50万t～200万t的地区。该区域碳排放总量不高,且碳排放强度和碳补偿率都比较低,即碳汇能力不强。但碳排放量不高,该类区域碳中和的压力较小,需要进行能源消费、产业结构和空间布局的优化。

4.2 湖南省县级空间碳平衡功能分区结果

通过上述对全省县级单元碳排放总量、单位面积碳排放强度、净碳排放量、碳补偿率、经济贡献系数以及基尼系数等指数指标的计算,基于碳氧平衡的区域视角,以协调各地区碳中和以及低碳发展为目的,将湖南省全省县级单元划分为4类区域:高碳控制区、低碳优化区、碳氧平衡区以及生态碳汇区(见图8)。

数据表明,得益于湖南省丘陵地区较高的森林林地覆盖率(见图5),湖南省36个县级单位碳吸收量远大于碳排放量,28个县级单位能实现自身碳排放与碳吸收的相对平衡。15个县级单位仍需进一步优化碳排放,22个县级单位碳排放量居高不下。

4.3 分区施策

国家主体功能区规划按开发方式提出了四大主体功能区,本文在国家主体功能区的基础上,按照双碳目标导向,依据碳氧平衡总体指标,在此基础上划分碳平衡二级分区。本文以湖南省为例,划分了以县级为单位的碳平衡分区,在全国范围内,建议构建由“国家碳平衡主体功能区—省级碳平衡分区—市级碳平衡分区—县级碳平衡分区—碳平衡管控单元”五级组成的国土空间规划碳平衡分区调控分级传导精细治理机制。

通过上述分析方法和结果将湖南省县级尺度行政单位分为“高碳控制区、低碳优化区、碳氧平衡区以及生态碳汇区”四大分区(见表1),总结区域特征,为分区施策提供支撑。

表1 湖南省县级尺度碳平衡分区表

4.3.1 高碳控制区

高碳控制区一般属于重点开发区,具有较好的发展基础和未来发展潜力。因此,高碳控制区应注意提高能源使用效率、采用清洁可再生能源,淘汰高污染、高能耗企业,大力发展绿色低碳产业。同时,在规划层面确定碳排总量的约束性目标,并逐步降低碳排放强度,促进区域向低碳经济转型。

4.3.2 低碳优化区

低碳优化区存在于重点开发区、农产品主产区之中,总体碳排放强度不高。因此,该区域应优化城市生态系统布局和结构,提升区域碳汇水平和碳汇能力,提高区域环境承载力和环境容量。制定环境整治工作,推进区域环境综合保护、修复和治理。

4.3.3 碳平衡区

碳平衡区总体碳汇水平能够达到自给自足,是碳中和的先行区。因此该区域应重视生态保护,制定生态专项规划。进一步优化产业结构,严格控制碳排放增长。重点发展农业作为支柱产业,严格保护耕地。引入绿色低碳技术,进一步促进城市绿色低碳发展。

4.3.4 生态碳汇区

生态碳汇区一般位于禁止开发区内,生态面积占比高,碳汇作用强。因此应加强生态红线保护,防止过度开发,严格限制工业污染企业准入,实施最严格的生态保护制度。注意生态退化和生态破坏行为。大力发展生态旅游产业,提升区域整体生态价值,为碳交易机制预备充足的碳汇资源。

4.4 碳平衡调控治理机制

4.4.1 碳平衡管控单元

依据自然地形和用地产权归属,划分县域尺度以下的碳平衡最小基本管控单元。管控单元与林长制、河长制、田长制直接挂钩,实现山水林田湖草全要素统筹管控。将城市的碳排放主体分解细化,追踪至最小碳排放单元,明确责任人,建立湖南省碳排放ID识别系统,由政府部门发放碳排放许可证,严格追踪、控制城市碳排放,打通碳平衡调控的最后一公里,实现碳平衡的精准化调控和精细化治理。

4.4.2 碳补偿与碳排放交易

湖南省36个县级单位属于生态碳汇区,22个县级单位属于高碳控制区,15个县级单位属于低碳优化区,28个县级单位能实现碳平衡。建议探索在省内建立碳补偿机制,划定两级碳排放控制线,年碳排放量高于一级控制线500万t的县级单位将需支付“碳税”,生态碳汇区从中按碳汇比例分配获得资金补偿。探索建立碳排放权交易平台,年碳排量位于二级控制线100万t以上的高碳控制区单位将从生态碳汇富裕区购买额外碳排放权指标,以实现生态与经济协调发展。

5 总结与讨论

本文通过碳排放的基尼系数、经济贡献系数、碳生态承载系数与区域碳排放强度的自相关分析,将各分区划分为“高碳控制区、低碳优化区、碳氧平衡区、生态碳汇区”,将“双碳”调控目标分解到各平衡区,建立一套碳氧平衡主体功能区分级分类标准、规划建设指南和调控治理机制,并根据各级碳氧平衡主体功能区提出区域差别化的“减碳排增碳汇”调控对策。以期为国土空间规划改革和国土空间规划技术标准体系建设提供借鉴,为在新型城镇化背景下实现减排增汇、生态保护、土地资源的可持续利用和经济协调发展提供参考。

同时,由于碳中和强调的是整体碳氧平衡,而不是局部的平衡,同时区域生态系统在空间上具有外部性,且频繁存在生态功能交换过程,故区域碳氧平衡是一种动态的相对平衡而非静止的绝对平衡。因此,各地区可根据自身的经济发展阶段和生态资源禀赋,设置区域差别化的减碳和增汇目标,从而达到整体的碳氧平衡治理调控。