武汉市碳源碳汇变化监测与评价研究.docx

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武汉市碳源碳汇变化监测与评价研究

摘要

围绕城市建设发展问题，基于地理国情普查和监测数据，充分考虑武汉市社会经济的发展以及土地利用类型的变化等因素，开展碳源碳汇现状与多期变化监测，总结碳排放规律与变化趋势，分析相关碳排放行业的对武汉市碳排放总量的贡献，通过多期指标的对比，形成时间序列的低碳城市综合评价体系，结合GDP数据，分析武汉市碳脱钩状态，并评价武汉市不同区域和行业的碳脱钩类型。

关键词：

碳排放、碳汇、低碳城市

ABSTRACT

Foucusonissuesabouturbanconstructionanddevelopment,carryoutmonitoringaboutcarbonsourceandcarbonsinkbasedongeographicalconditionscensusandmonitoringdata,fullyconsideringthesocialandeconomicdevelopmentofWuhanandthechangeofland-usetype.SummarizethelawofcarbonemissionsandthetendencyandAnalysistherelatedindustry’scontributiontocarbonemissionsinWuhan.Formtimeseriesoflowcarboncitycomprehensiveevaluationsystemthroughmultipleperiodindexcontrast.AnalysiscarbondecouplingstateofWuhanandevaluatecarbondecouplingstateofdifferentareainWuhancombinedwiththeGDPdata.

Keywords：

carbonemission、carbonsink、Low-carboncity

绪论

1.1研究背景

近年来，我国城市化与工业化方面高速发展，传统粗放式的发展模式带来许多资源浪费与环境问题，二氧化碳等温室气体排放量不断增加，大片的森林被砍伐，使得生态失衡、大气污染现象难以改善。

由中国碳排放交易网的统计结果显示，20世纪90年代，全球总的碳排放量中，中国二氧化碳排放量只占11%；而2013年中国人均碳排放量达到了7.6吨/人，接近法国；2014年，中国碳排放量到达世界第一，占比全球的26%。

在巨大的节能减排压力和温室气体排放增长的严峻形势面前，开展节能减排研究、实现可持续发展和低碳发展等问题受到了广泛关注。

1.2目的与意义

1.2.1研究目的

开展碳源碳汇现状与多期变化监测，对2014-2018年武汉市碳源、碳汇时空动态变化情况进行监测。

围绕城市建设发展关注问题，基于地理国情普查和监测数据，对武汉市碳排放进行定量统计与分析，总结碳排放规律与变化趋势；从时间和空间不同角度研究植被碳汇能力，分析变化原因；通过多期指标的对比，形成时间序列的低碳城市综合评价体系，进一步结合GDP数据，分析城市在不同时期的碳脱钩状态，评价武汉市不同区域和不同行业的碳脱钩类型，对低碳城市建设提供参考。

1.2.2研究意义

建设低碳城市，有利于提高资源利用效率、改善生活环境和实现可持续发展。

开展碳源、碳汇与碳平衡的分析，进行低碳城市综合评价，能够反映城市低碳建设情况，评估城市经济发展模式是否合适，对于武汉市推动碳排放权交易、节能减排、实现资源环境与经济的可持续发展具有重要意义。

1.3国内外研究现状

1.3.1国内外研究基础

1）碳排放

碳排放按照排放机制可归纳为城市范围内的直接碳排放、城市向其他地区购买电力和热力所导致的间接碳排放与其他间接碳排放，分别称之为范围1、范围2和范围3碳排放。

随着研究的不断深入，越来越多的研究工作开始由范围1向范围2延伸,对于范围3排放考虑较少，主要是因为很难界定范围3所包含的碳排放内容[1][2][3]。

在全球地方环境理事会、C40等机构和组织的带领下，建立了相对完善的温室气体清单编制体系和方法，我国目前也建立了相对较为成熟的城市碳排放计算方法[4][5][6][7]。

从研究内容来看，当前在城市尺度上的碳排放研究工作集中在碳排放影响因子和减排分析、碳排放清单与总量估算和碳排放空间差异性3个方面。

一直以来碳排放领域的研究热点都是碳排放清单研究，这也是碳排放总量估算的基础，。

景侨楠等[8]通过省级能源平衡表,构建的城市能源消耗碳排放估算方法能够利用省级碳排放数据对省级下城市的碳排放进行估算。

任思达等[9]依据2005-2015年各省矿业经济发展和碳排放的有关数据，通过Tapio模型,完成了国内矿业经济发展情况与碳排放之间的相关性的测度。

2）植被碳汇

植被碳汇分森林碳汇、草地碳汇和耕地碳汇三个方面，代表着植被通过光合作用吸收固定大气中二氧化碳的能力。

在森林碳汇方面，森林存储了陆地生态系统中约60%的碳，是陆地生态系统的主体，它的固碳能力对于缓解大气中CO2含量升高趋势和维持气候稳定具有重要的作用。

3）低碳城市评价指标

低碳城市从起初的强调经济生产和消费，到后来的同时考虑社会生活与管理，说明建设低碳城市是一个复杂的系统工程，涉及了经济、文化、技术、政策、法律等多个方面。

从可持续发展的角度出发，低碳城市评价指标体系可以从经济、社会和环境三个角度来构建。

肖岚等[10]结合低碳城市建设与旅游发展,从人口、经济、社会、资源和环境这五个要素出发构建了低碳城市系统。

陈楠等[11]从六种维度出发，包括宏观范畴、能源、产业、生活、环境和政策，为低碳城市开发了一套评价指标体系进行评估,肯定了低碳城市建设工作中取得的积极效果，也发现了建设中存在的不平衡和部分措施未能起到应有作用的问题。

1.3.2武汉市已有相关研究成果

杨欣等[12]根据IPCC提供的碳排放清单，系统地计算了2001-2009年武汉市城市圈碳排放总量和碳排放密度，并对影响碳排放的原因进行了分析。

2017年，武汉大学在《2017年武汉市地理国情专题监测--低碳城市建设监测》项目中发布了2017年武汉市低碳城市建设的监测报告。

有关武汉市建设低碳城市的研究已经很多，一系列低碳发展指标体系也已经构建。

1.总体方案

2.1研究对象与数据来源

2.1.1研究对象

本文以武汉市碳排放、植被碳汇以及低碳城市建设情况为研究对象，以武汉市为监测区域，结合统计年鉴数据与武汉市地理国情监测数据，对武汉市2014-2018年五年间各区及街道的碳排放、植被碳汇情况进行监测，并在碳源和碳汇监测的基础上对武汉市各区的低碳水平进行评价。

2.2.2数据来源

表2.1碳源数据来源与说明

数据名称

时间

数据来源

武汉市碳排放清单

无

武汉市测绘研究院

市区两级统计年鉴

2014-2018年

武汉市测绘研究院

武汉市地理国情普查与监测数据

2014-2018年

武汉市测绘研究院

人口密度格网数据

2014-2018年

全市人口250米格网化数据，武汉大学遥感学院

交通流量数据

2014-2018年

武汉市测绘研究院

表2.2碳汇数据来源与说明

数据名称

时间

数据来源

市区两级统计年鉴

2014-2018年

武汉市测绘研究院

武汉市地理国情普查与监测数据

2014-2018年

武汉市测绘研究院

人口密度格网数据

2014-2018年

武汉市公安局户籍人口分区分年龄段、

分学历统计数据

武汉市行政区划数据

2015-2018年

全市行政分界数据，包括各区、各街道行政区划数据

林业二类调查数据

2008年

武汉市林业局

表2.3低碳城市评价数据来源与说明

数据名称

时间

数据来源

武汉市碳排放清单

2014-2018年

武汉市测绘研究院

市区两级统计年鉴

2014-2018年

武汉市统计局

武汉市地理国情普查与监测数据

2014-2018年

武汉市测绘研究院

2.2研究内容与研究方法

2.2.1碳排放监测

1）碳排放监测内容

碳排放监测内容包括工业、生活、交通、农业和建筑施工这五个方面的碳排放情况。

其中工业碳排放由工业能源、工业产品生产和工业废弃物三个指标组成，生活碳排放由生活用电、用气与生活废弃物碳排放三个指标组成。

2）碳排放指标

包括不同行业（能源消耗、工业和农业生产、生活用电和用气、交通运输、废弃物处理以及建筑工地）碳排放总量、碳排放密度、人均排放量，如表2.4所示。

3）碳排放监测研究方法

1、武汉市碳排放核算清单和统计方法

武汉市测绘研究院构建了武汉市碳排放清单，如下图所示。

图2.1武汉市碳排放清单

表2.4碳排放指标

指标定义（以年为单位）

指标单位

碳排放

监测指标

能源消耗

各类能源消费碳排放量

吨

每万元GDP能源消耗量（折算为标准煤）

吨标准煤/万元

能源消耗碳排放年均增长速度

%

能源消耗碳排放量

吨

工业生产

工业生产碳排放量

吨

工业生产碳排放年均增长速度

%

农业生产

农业生产碳排放量

吨

各类农业产品碳排放的年均增长速度

%

交通运输

各类车辆保有量

辆

交通运输碳排放量

吨

交通运输碳排放量年均增长速度

%

年度拥堵路段总长度

米

年度拥堵总时长

小时

居民生活用电和用气

居民生活用电和用气量

度、立方米

居民生活用电和用气碳排放量

吨

人均生活用电碳排放量

千克/人

城市废弃物处理

废弃物碳排放量

吨

废弃物碳排放量年均增长速度

%

建筑工地

各建筑工地施工面积

平方米

建筑施工碳排放量

吨

单位建筑面积碳排放量

千克/平方米

分析指标

人均碳排放量

吨/人

万元GDP碳排放量

吨标准煤/万元

碳排放密度

吨/平方千米

对于城市来说，碳排放主要计算方法如下：

（1）能源消耗碳排放

能源消耗碳排放计算公式：

CEE=QE×γ×α

式中：

CEE代表碳排放量；QE代表规模以上工业能源消费量；γ是工业能源折标煤系数，在实际计算中，武汉市统计年鉴中的规模以上工业能源消费量（折标煤）可代表γ×α的值，α为代表碳排放系数。

（2）工业生产过程碳排放

工业生产碳排放量的计算方法通过规模以上工业主要产品产量与碳排放系数计算得到，公式如下：

式中的Cii代表工业生产碳排放量，

代表工业产品产量，

是工业产品的碳排放系数。

（3）废弃物碳排放

废弃物的碳排放量根据垃圾处理过程中产生气体的量计算得到，在武汉市碳排放清单中已经列出了排放系数，所以废弃物碳排放量只需利用废弃物处理量与排放系数相乘即可计算。

（4）交通运输碳排放

根据交通局公布的各种车辆在百公里行程下产生的二氧化碳排放，并根据交通部门蓝皮书及统计年鉴相关资料，可以计算武汉市市内交通产生的碳排放值。

具体计算式如下：

αi代表i类车辆每百公里里程的CO2排放量，Ni表示在本年度武汉市拥有的第i类车辆总数。

（5）建筑施工碳排放

武汉市主要建筑工地类型可以分为拆迁，道路和房屋建筑三类，建筑施工过程中的碳排放量计算方法为：

αi表示第i类建筑工地每平方米建筑面积的碳排放量，Si表示第i类建筑施工工程面积。

2、武汉市碳排放空间化分析方法

本文基于武汉市分区分行业的统计年鉴数据、人口密度格网数据、地理国情监测数据、分区数据、道路数据、交通流量数据等，综合考虑各行业和各分区的碳排放特征，对武汉市的碳排放进行空间化监测和分析。

（1）工业类碳排放空间化

以武汉市各区统计年鉴的工业能源消耗量和工业生产过程碳排放总量为工业生产碳排放空间化分析的统计数据基础，对工业类的碳排放进行空间化。

基本思路是：

首先利用年鉴数据中各区工业总产值将碳排放划分到各区，得到各区工业生产碳排放量。

利用国情普查与监测数据提取各街道“工矿企业”用地对象，统计各街道“工矿企业”用地类型对象的总数量，计算各对象的面积和总面积，利用工矿企业面积比例作为权重指标，计算每个工矿企业工业活动碳排放量。

具体计算方法如下：

Cin=Sin/ΣN1Sin*C（i）

式中，Cin为空间化数据中第i分区第n对象的工业生产碳排放量，Sin为第n个对象的工矿企业用地面积，数据来源于地理国情监测数据成果城镇功能单元BUCA图层。

计算获取每个空间对象的碳排放量以后，利用空间统计方法汇总可获得所属街道和所属分区的工业生产碳排放的空间化分析结果。

（2）农业碳排放空间化

农业生产活动的碳排放空间化分析，以武汉市各区统计年鉴的化肥施用、薄膜使用、农用柴油等数据作为碳排放空间化分析的统计数据基础，利用地理国情监测成果LCA图层的水田和旱地数据，对武汉市农业生产活动碳排放进行空间化估算。

其基本计算公式如下：

式中，Cin为空间化数据中第n街道第i对象的农业生产活动碳排放量，Sin为第i个对象的面积，Cn为第n街道的农业生产活动碳排放总量。

计算获取每个对象的农业用地面积以后，利用空间统计方法可获得所属街道和区的农业生产活动碳排放的空间化分析结果

（3）交通碳排放空间化

利用武汉市道路网数据、综合武汉市统计年鉴和武汉市交通蓝皮书的车辆保有和道路流量数据、武汉市常住人口格网化数据，对交通运输业碳排放进行空间化，其基本计算公式如下：

Cir=（Lir×Wir×Fir）/ΣN1（Lir×Wir×Fir）*C（i）

式中，Cir为空间化数据中第i分区第r条道路的交通运输碳排放量，Lir代表第r条道路的长度，Wir为第r条道路的宽度，Fir为第r条道路的年平均交通流量，C（i）为第i分区的交通运输碳排放总量。

对于无交通流量数据的道路，定义道路周边2km的缓冲区内人口密度作为辅助分析因子，计算道路交通运输排放量。

计算获取每条道路的碳排放量以后，利用空间统计方法可获得所属街道和所属分区的交通运输碳排放的空间化分析结果。

（4）生活类碳排放空间化

生活用电和生活用气的碳排放空间化分析，以武汉市各区统计年鉴的生活用电量和生活用气量作为碳排放空间化分析的统计数据基础，利用地理国情监测数据结合城镇功能单元BUCA图层中在中心城区范围内的“居住小区”对象，和LCA图层中05类在BOUA8中心城区范围外的对象获得每个区的居住范围面积，再结合常住人口格网化数据，对武汉市生活用电和生活用气碳排放进行空间化估算。

其基本计算公式如下：

Cin=（Sin×Pin）/ΣN1（Sin×Pin）*C（i）

式中，Cin为空间化数据中第i分区第n对象的生活用电/用气碳排放量，Sin为第n个对象的居住小区面积，Pin为第n个对象的常住人口密度，C（i）为第i分区的生活用电/用气排放总量。

计算获取每个空间对象的碳排放量以后，利用空间统计方法可获得所属街道和所属分区的生活类碳排放的空间化分析结果。

（5）建筑工程施工碳排放空间化

利用武汉市在建项目在各区分布的面积，对武汉市建筑施工过程碳排放进行空间化估算。

具体计算方法如下：

式中，Ci为空间化数据中第i分区的建筑施工碳排放量，Sij为第i分区第j类建筑工地的建筑施工面积，yj为第j类建筑工地的碳排放系数。

计算获取每个分区的碳排放量以后，利用空间统计方法可以获得所属分区的建筑施工碳排放的空间化分析结果。

4、评价分析

首先，在城市级别上对碳源水平进行评价分析。

城市碳排放主要与各行业的排放能力直接相关，通过计算不同行业（工业、农业、生活用电/用气、垃圾处理、交通运输）碳排放量，分析比较不同行业的碳排放程度大小和对武汉市总体碳排放的影响程度，并与人口与经济数据相结合，从人均碳排放量、万元GDP碳排放量和碳排放密度等指标进行评价。

其次，比较研究城市内部不同区域的碳排放差异，包括各区和各街道。

统计比较不同区域的碳排放总量、碳排放密度、人均碳排放量，结合区域各自的经济结构状况，分析导致碳排放分布差异的内部原因，从而给不同区域的发展规划提供相应的意见和建议。

2.2.2植被碳汇监测

对于武汉市生态系统中碳汇量的估算，采用林业二类调查数据和地理国情普查与检测数据相结合的方法。

林业二类调查数据对武汉市林地的树种组成及分布情况统计得较为详细，但存在数据较老、部分数据缺失的情况。

因此对林业二类调查数据覆盖的区域，根据树种统计信息并进行年龄修正，采用单木生物量模型来计算碳汇量。

而对于林业二类调查数据缺失的区域，首先基于样地实际测量结果统计不同类型生态系统中各碳库的密度，也即单位面积的净碳汇量，再与不同类型生态系统面积相乘，最终求得某特定区域的碳汇量。

其计算公式为：

Q汇=A×r

式中，Q汇为某一植被类型的碳储量，单位为吨，A为不同植被覆盖类型的面积，单位为公顷；r为不同植被覆盖类型单位面积碳储量，单位为吨/公顷。

不同植被覆盖类型的碳密度估算方法如下。

1、林地碳密度估算

生物量模型是计算森林生物量的主要方法，单木生物量模型通过对树木样本的测量，建立树木各部分干重与树木直径、树高等易测量的因子之间的关系表达式，从而利用易测因子来估计生物量。

本项目中采用的回归关系式为：

W=a（D2H）b

式中，W表示生物量，a、b为方程中的估计参数，在武汉市测绘研究院往年的实验中已经获得。

森林碳储量通过计算出的生物量乘以对应含碳量系数0.5得到。

最后除以各植被覆盖类型的面积，获得林地的碳密度。

2、草地、耕地与园地碳密度估算

草地碳密度采用方精云等的研究结果，为3.46tC/hm2；由于武汉的气候、地理环境与广东省相似，都属于亚热带，根据管东生等的研究结果，广州地区的农作物的固碳密度为5.01tC/hm2、园地碳密度结果为3.98tC/hm2，因此本文园地和耕地的碳密度也采用该结果。

图2.2植被碳汇监测流程图

3、评价分析

首先，在城市级别上对碳汇水平进行评价分析。

城市碳汇能力与市域内植被类型的空间分布直接相关，通过统计计算不同植被类型（耕地、园地、林地、草地）的覆盖面积及碳储量，分析比较不同植被类型的碳汇能力和对武汉市总体碳汇水平的贡献程度，并与人口数据结合，评价武汉市碳汇情况。

其次，比较城市内部不同区域的碳汇能力差异，包括各区和各街道。

通过统计比较不同区域的碳储量总量、碳密度、人均碳储量，评价不同区域的碳汇水平、绿化程度，分析导致碳汇能力分布差异的内部原因，从而给不同区域的碳汇发展规划提供相应的意见和建议。

2.2.3低碳城市评价

1、指标体系

本文根据科学性、全面性、代表性、可比性的构建原则，结合武汉市低碳城市监测项目研究成果和经济社会统计数据构建相应的指标体系，综合评价武汉市低碳城市建设和发展水平。

2、指标计算

（1）碳汇/源比

碳汇/源比是城市低碳综合指数中重要的一个指标，计算公式如下：

碳汇/源比=植被碳汇量/碳排放总量

（2）碳脱钩

“脱钩”是描述经济发展时资源消耗和对环境造成影响的相对速率一种现象，脱钩现象从积极到消极分为强脱钩、弱脱钩、扩张脱钩、扩张负脱钩、衰退脱钩和负脱钩等，如下图所示。

图2.3脱钩情形分类

本文中脱钩体系的定义根据OECD方法学进行，首先进行年度数据的归一化处理：

Yi=（Xi-X1）/X1

Y为归一化处理后的数据，X1代表原始数据，i是年份。

脱钩类型指数的计算方法为：

Di=Gi/Yi

式中G为GDP总量的归一化数据，i为年份。

计算出的各年脱钩系数Di可以对各年份的脱钩类型进行分析。

3、标准化处理

本文采用最大-最小化标准化方法解决不同指标量纲不同问题。

4、指标权重计算

指标权重代表着各项指标的相对重要性，在反映区域低碳发展情况时有关键影响，本文中的指标权重采用熵权法计算得出。

首先求出标准化后各区指标值在所有区该项指标值总和中的占比：

第j项指标的熵值：

信息熵冗余度：

指标权重计算：

5、指数计算与分析

各区域的低碳评价指数计算通过线性加权法计算：

其中，Ni为标准化处理后的无量纲指标。

2.2.4总体技术流程

总体的技术路线如下图所示：

2.碳排放研究成果

3.1武汉市2018年碳排放情况

3.1.1武汉市碳排放结构

对武汉市各行业碳排放数据进行统计后得到2018年碳排放总量，为10839.19万吨。

分行业对武汉市2018年碳排放情况进行统计得到武汉市分行业碳排放总量，如图3-1所示。

从图中可以看出，武汉市碳排放以工业碳排放（包括能源消耗、工业生产和工业废气物处理）为主。

2018年度碳排放总量中工业碳排约占52%，其次依次为生活碳排放（包括生活用电和用气、生活废弃物处理）、交通运输业、建筑施工、农业。

图3.12018年武汉市碳排放结构

3.1.2分区碳排放总量

武汉市2018年各区碳排放总量如图3-2所示，从图中可以看出武汉市各区中碳排放总量较大的四个区分别是黄陂区、东湖高新区、经济开发区和新洲区。

其中，东湖高新区和经济开发区（汉南区）两个区的工业碳排放是其主要碳排放来源，分别占83.28%和90.46%。

而在黄陂区和新洲区则以生活碳排放为主，分别占75.00%和74.14%。

图3.22018年武汉市各区碳排放总量

图3.32018年武汉市碳排放总量空间分布图

3.1.3分区碳排放密度

各区碳排放总量除以面积得到碳排放的密度，如图3-4所示。

结果表明中心城区和两个开发区碳排放密度较大，东湖风景区和新城区碳排放密度较小。

图3.42018年武汉市各区碳排放密度

图3.52018年武汉市碳排放密度空间分布图

3.1.4分区人均碳排放

经济开发区（汉南区）人均碳排放密度最高，达到32.87吨/人；高人均碳排放的区域排放强度范围在14-25吨/人，人均碳排放强度最低的是为江汉区，低于2吨/人，由于人口数原因，中心城区的人均碳排放量普遍低于开发区和新城区。

图3.62018年武汉市各区人均碳排放量

图3.72018年武汉市人均碳排放空间分布图

3.2碳排放总量变化分析

武汉市2018年碳排放总量相比于五年前增加了304.19万吨，增加比为2.89%。

2014年至2018年武汉市碳排放统计结果如表3-1所示，五年间碳排放总量变化如图3-13所示。

表3.12014年至2018年武汉市碳排放总量统计结果

碳排放总量变化情况

碳排放总量（万吨）

变化量（万吨）

增加比（减少比）

2014年

10535.32

/

/

2015年

10503.08

-32.23

-0.31%

2016年

10215.41

-287.67

-2.74%

2017年

10520.85

305.44

2.99%

2018年

10839.19

318.34

3.03%

图3.82014-2018年武汉市碳排放总量变化

综合近五年武汉市碳排放总量变化情况可以得出2014-2018年武汉市的碳排放呈先下降后上升的态势这一结论。

具体分析出现这种波动的原因为：

近年来位于青山区的武钢集团出现较为严重的产能过剩，导致2014-2016年武汉市碳排放总量的下降；而2017-2018年，武汉市钢铁行业改革，过剩产能被化解，各项政策推动市场发生积极变化，钢铁行业走势趋好，最终形成了武汉市碳排放总量在年际上表现为先减后增的年际变化。

3.3各区碳排放变化分析

1）各区碳排放量变化分析

对2014-2018年各区碳排放总量进行统计得到图3-14，从图中可以看出，碳排放量较高的是两个开发区和黄陂区，最低的是东湖风景区