李文慧，李振國(guó)，余光輝，張 勇，莫宏偉

（湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南湘潭 411201）

0 引言

隨著全球人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，化石能源的消耗日益增加，氣候變化問(wèn)題成為各國(guó)關(guān)注重點(diǎn)，IPCC 報(bào)告指出人類生產(chǎn)生活中排放的溫室氣體是加劇氣候變暖的重要驅(qū)動(dòng)力[1-2]。碳足跡是指某種活動(dòng)引起的或某種產(chǎn)品生命周期內(nèi)積累的直接或間接CO2排放量的度量[3-5]。長(zhǎng)沙作為湖南省省會(huì)，同時(shí)也是長(zhǎng)株潭城市群的核心城市，掌握長(zhǎng)沙碳排放來(lái)源和碳足跡動(dòng)態(tài)變化情況，可以了解長(zhǎng)沙碳排放的結(jié)構(gòu)、來(lái)源以及時(shí)間維度的變化，同時(shí)也是低碳減排，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和建設(shè)“兩型社會(huì)”的重要參考和重要過(guò)程。

1 研究方法

IPCC 排放因子法是指聯(lián)合國(guó)氣候變化委員會(huì)編寫(xiě)的國(guó)家溫室氣體清單指南，其優(yōu)點(diǎn)是詳細(xì)、全面地考慮了幾乎所有的溫室氣體排放源，并提供了具體的排放原理和計(jì)算方法[5-6]。本文采用IPCC 法計(jì)算長(zhǎng)沙市碳足跡，分析長(zhǎng)沙市2013—2017 年碳足跡動(dòng)態(tài)變化，計(jì)算長(zhǎng)沙市碳承載力年度變化情況。

1.1 碳排放計(jì)算方法

本文主要從能源消耗和工業(yè)生產(chǎn)兩個(gè)方面估算碳排放量。能源消耗主要為煤炭、天然氣、石油等化石能源碳足跡；工業(yè)生產(chǎn)主要以水泥生產(chǎn)產(chǎn)生的碳足跡為主。計(jì)算過(guò)程如下：

式中，F(xiàn) 表示研究區(qū)域的碳足跡（萬(wàn)t），E 為能源碳足跡（萬(wàn)t），Ei為第i 種能源的消費(fèi)量（萬(wàn)t），αi為第i 種能源的折煤系數(shù)[7]，βi為第i 種能源的二氧化碳排放系數(shù)[8]，具體見(jiàn)表1。44/12 為碳原子與二氧化碳的轉(zhuǎn)換系數(shù)[9]，S 為水泥工業(yè)碳足跡（萬(wàn)t），Sy為水泥產(chǎn)量（萬(wàn)t），D 為水泥分解時(shí)產(chǎn)生的CO2系數(shù)，采用相關(guān)研究結(jié)果中間值0.427[9]。

表1 主要能源的折煤系數(shù)和CO2 排放系數(shù)

1.2 碳承載力計(jì)算方法

碳承載力為區(qū)域內(nèi)各類植被吸收、固定CO2的量[3，7]。主要計(jì)算林地、草地、農(nóng)作物三種植被的固碳能力。計(jì)算公式如下：

式中，C 為區(qū)域總碳承載力（萬(wàn)t），Cf為林地的碳承載力（萬(wàn)t），Cp為農(nóng)作物的碳承載力（萬(wàn)t）。

林地碳承載力計(jì)算公式：

式中，Cf為林地的碳承載力（萬(wàn)t），M 為林地的面積（hm2），MNEP為1 hm2林地一年的固碳量，據(jù)吳慶標(biāo)等人[10]的估算結(jié)果，取值為2.84（t/hm2）。

農(nóng)作物碳承載力計(jì)算公式：

式中，Cp為農(nóng)作物的碳承載力（萬(wàn)t），λ 為校正系數(shù)，取值為0.05[4]，Cc為生物量和固碳量的轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值0.5[4]，Pi為第i 種作物的產(chǎn)量（t），Yi為第i 種作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)。選擇長(zhǎng)沙市幾種主要農(nóng)作物，經(jīng)濟(jì)系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 主要農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)

1.3 碳足跡強(qiáng)度計(jì)算方法

碳足跡強(qiáng)度是某地區(qū)碳足跡與地區(qū)GDP 的比值，碳足跡強(qiáng)度越大，表明環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展越不協(xié)調(diào)，GDP的增長(zhǎng)以較大的能源消費(fèi)為代價(jià)[11]。碳足跡強(qiáng)度也可以用來(lái)說(shuō)明能源的利用效率。計(jì)算公式：

式中，F(xiàn)q表示碳足跡強(qiáng)度（t/ 萬(wàn)元），F(xiàn) 表示區(qū)域碳足跡（萬(wàn)t），G 表示地區(qū)生產(chǎn)總值（萬(wàn)元）。

人均碳足跡是地區(qū)碳足跡除以地區(qū)人口數(shù)，人均碳足跡可以表示平均每人所產(chǎn)生的碳足跡。計(jì)算公式：

式中，F(xiàn)r表示人均碳足跡（t），F(xiàn) 表示區(qū)域碳足跡（萬(wàn)t），P 表示地區(qū)總?cè)丝跀?shù)。

2 長(zhǎng)沙市碳足跡分析

2.1 碳足跡動(dòng)態(tài)變化

依據(jù)碳足跡計(jì)算模型計(jì)算2013—2017 年長(zhǎng)沙市主要化石能源的碳足跡和水泥產(chǎn)業(yè)碳足跡，見(jiàn)表3。數(shù)據(jù)顯示，2013—2017 年長(zhǎng)沙市碳足跡總量也呈下降趨勢(shì)。碳足跡總量從2013 年的3 925.79 萬(wàn)t 下降到了2017 年的2 723.02 萬(wàn)t。主要化石能源和水泥產(chǎn)業(yè)碳足跡都出現(xiàn)下降趨勢(shì)，在化石能源碳足跡中，原煤碳足跡占比最大，從2013 年的2 806.22 萬(wàn)t 下降到2017年的1 836.88 萬(wàn)t，但是，原煤消費(fèi)量在能源結(jié)構(gòu)中的比重沒(méi)有明顯變化。2013—2017 年，原煤碳足跡在化石能源碳足跡中的占比一直在80%以上。

表3 2013—2017 年長(zhǎng)沙市主要化石能源和水泥產(chǎn)業(yè)碳足跡（萬(wàn)t）

2.2 碳足跡結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

長(zhǎng)沙市2013—2017 年的碳足跡有所下降，但是能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯改變。碳足跡一直以化石能源碳足跡為主，占比都在80%以上，見(jiàn)圖1。據(jù)美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室CO2信息分析中心（CDIAC）數(shù)據(jù)顯示，水泥生產(chǎn)過(guò)程CO2排放僅次于化石能源，其排放的溫室氣體99%以上為CO2[12]。長(zhǎng)沙市碳足跡中，水泥產(chǎn)業(yè)碳足跡量雖然有所降低，但在碳足跡總量中的占比一直保持在20%左右，僅次于煤炭碳足跡，水泥碳足跡所占的比重不容忽視。

圖1 2013—2017 年長(zhǎng)沙市碳足跡結(jié)構(gòu)

2.3 碳承載力分析

通過(guò)林地承載力的計(jì)算模型，計(jì)算得出2013—2017 年長(zhǎng)沙市的林地碳承載力，見(jiàn)表4。

表4 2013—2017 年長(zhǎng)沙市林地碳承載力（萬(wàn)t）

結(jié)合2013—2017 年長(zhǎng)沙市各類農(nóng)作物的種植產(chǎn)量，通過(guò)上述農(nóng)作物碳承載力的計(jì)算模型，計(jì)算得到2013—2017 年長(zhǎng)沙市主要農(nóng)作物的碳承載力，見(jiàn)表5。

表5 2013—2017 年長(zhǎng)沙市主要農(nóng)作物碳承載力（t）

長(zhǎng)沙市碳承載力主要包括林地碳承載力和主要農(nóng)作物碳承載力。圖2 顯示，2013—2017 年長(zhǎng)沙市碳承載力總體呈上升趨勢(shì)，碳承載力從594.09 萬(wàn)t 上升到了696.67 萬(wàn)t，年均增長(zhǎng)率為3.4%，其中，林地碳承載力的增幅比較大，增長(zhǎng)率為19%，而農(nóng)作物碳承載力在五年期間波動(dòng)較小，基本保持穩(wěn)定。在碳承載力總量中，以林地碳承載力為主，林地碳承載力占到了碳承載力總量的90.52%～92.01%，而農(nóng)作物的碳承載力相對(duì)較小。

圖2 2013-2017 年長(zhǎng)沙市碳承載力動(dòng)態(tài)變化

2.4 凈碳足跡分析

凈碳足跡為某一地區(qū)碳足跡與碳承載力之差額，當(dāng)碳足跡大于碳承載力時(shí)，凈碳足跡為正值；兩者相等表示碳平衡；后者大于前者表示碳承載力盈余[5]。當(dāng)凈碳足跡值為正值時(shí)，地區(qū)出現(xiàn)碳赤字，說(shuō)明生態(tài)環(huán)境所承受壓力比較大；反之當(dāng)凈碳足跡值為負(fù)值時(shí)，說(shuō)明地區(qū)碳盈余，碳排放處于一個(gè)安全范圍內(nèi)。通過(guò)2013—2017 年長(zhǎng)沙市碳足跡和碳承載力數(shù)據(jù)可以得到長(zhǎng)沙市凈碳足跡，見(jiàn)圖3。

由圖3 可知，2013—2017 年長(zhǎng)沙市凈碳足跡呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但一直處于碳赤字狀態(tài)，碳排放量一直處于超載狀態(tài)。

圖3 2013—2017 年長(zhǎng)沙市凈碳足跡動(dòng)態(tài)變化

2.5 人均碳足跡分析

人均碳足跡為地區(qū)碳足跡與人口總量之比，可以反映地區(qū)碳足跡的壓力。結(jié)合長(zhǎng)沙市人均碳足跡和人口總量核算長(zhǎng)沙市人均碳足跡，見(jiàn)圖4。

由圖4 可知，2013—2017 年長(zhǎng)沙市人均碳足跡呈下降趨勢(shì)，但下降速度逐漸放緩。長(zhǎng)沙市的人均碳足跡在2013 年時(shí)達(dá)到了5.44 t/人，雖然人均碳足跡逐年下降，但是2017 年人均碳足跡仍然有3.44 t/ 人，而全球的人均碳足跡標(biāo)準(zhǔn)為2.0 t/人[2]，仍遠(yuǎn)超全球標(biāo)準(zhǔn)。以現(xiàn)在人均碳足跡的下降趨勢(shì)，至少在2022 年長(zhǎng)沙市人均碳足跡才可以達(dá)到全球標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 2013—2017 年長(zhǎng)沙市人均碳足跡

2.6 碳足跡強(qiáng)度分析

碳足跡強(qiáng)度為區(qū)域碳足跡與地區(qū)生產(chǎn)總值之比，根據(jù)長(zhǎng)沙市碳足跡總量和年度GDP 總量，核算出2013—2017 年長(zhǎng)沙市碳足跡強(qiáng)度（圖5）。

由圖5 可知，2013—2017 年長(zhǎng)沙市碳足跡強(qiáng)度逐年下降，但下降速度逐年降低。從2013 年的0.55 t/萬(wàn)元下降到了2017 年的0.27 t/ 萬(wàn)元。碳足跡強(qiáng)度的下降，說(shuō)明了單位產(chǎn)出所對(duì)應(yīng)的碳排放量降低，長(zhǎng)沙市的能源利用效率越來(lái)越高。但是碳排放量降低的速度放緩，表明能源利用效率的提高并不能完全解決碳排放的問(wèn)題。

圖5 2013—2017 年長(zhǎng)沙市碳足跡強(qiáng)度動(dòng)態(tài)變化

3 總結(jié)

2013—2017 年長(zhǎng)沙市碳足跡總體呈下降趨勢(shì)。在碳足跡中，能源碳足跡比重最大，而能源碳足跡中又以煤炭能源碳足跡為主；同時(shí)碳足跡中，水泥行業(yè)碳足跡量在長(zhǎng)沙市碳足跡中的比重較高。長(zhǎng)沙市能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)決定了長(zhǎng)沙市人均碳足跡和碳足跡強(qiáng)度較高的特點(diǎn)。短期內(nèi)降低碳足跡量和碳足跡強(qiáng)度，僅依靠提高能源利用效率手段很難實(shí)現(xiàn)，還需要不斷尋求新能源，改變能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，逐漸改變能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

2013—2017 年長(zhǎng)沙市碳承載力呈上升趨勢(shì)，長(zhǎng)沙市碳承載力以林地碳承載力為主，林地碳承載力占到了碳承載力總量的90.52%～92.01%。2013—2017 年長(zhǎng)沙市凈碳足跡呈下降趨勢(shì)，但凈碳足跡一直為正值，說(shuō)明長(zhǎng)沙市一直處于碳赤字狀態(tài)。未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)長(zhǎng)沙市凈碳足跡還會(huì)持續(xù)下降，但仍處于碳赤字狀態(tài)。