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土地利用碳排放动态的检测

来源:创先论文发表网 2016-01-23
  近些年极端气候、自然灾害频发,恶劣的环境问题与全球变暖不无关系,以二氧化碳为主的含碳类温室气体是造成这些环境问题的直接原因。人类社会经济发展的动力主要来源于对资源环境的消耗,这不可避免的会产生大量的温室气体,例如,消耗能源产生的碳排放,生活垃圾、工业废弃物等填埋分解产生的甲烷,农业生产中投入的农药、化肥、农民等农业物质在吸收分解过程中产生的二氧化碳等,种植业中水稻生产产生的甲烷等。经济发展的任何环节都会向大气中排放大量碳,因此,碳可以作为经济发展的投入指标来并结合经济产、社会、生态等产出来测度其碳排放效率。

  我国正处在经济转型升级的关键时期,原有的资源依赖性经济增长方式尚占主导,环境友好型的经济模式还未完全建立,因此,减排压力较大。湖南省是泛珠三角经济带、长江经济带的结合部,更是中部地区重要的经济增长极,2013 年湖南省的地区生产总值达到24 501.7 亿元,增长10.1%,总量排名全国第10 位。其中,第一产业增加值3 099.2 亿元,增长2.8%;第二产业增加值11 517.4 亿元,增长10.9%;第三产业增加值9 885.1 亿元,增长11.4%,三产业增加值占地区生产总值的比重达40.3%,同比提高1.3 个百分点。

  由产业结构可知,第二产业占比达47.0%,仍然是国民经济发展的支柱。然而,高能耗、高污染、高碳排放也是第二产业的突出特点,经济发展方式与产业结构调整的关键之一就在于降低第二产业比重,提升高效益、高附加值、低碳的第三产业比重。根据相关研究,湖南省碳排放呈现逐年增加的态势,且增速不断加快,未来湖南省碳减排的任务依然艰巨,如何在保障经济发展的同时实现低碳目标是困扰其当前发展的关键问题。因此,开展湖南省碳排放的相关研究具有重要的现实意义。

  有关碳排放效率的研究主要有:不同类型的碳排放效率测度(工业碳排放、农业源碳排放、不同产业碳排放等)、土地利用碳排放效率、碳排放权分配效率研究等。碳排放效率测度方面,有学者关注单一产业的碳排放效率问题,例如,周五七等运用SBM 模型对我国30 各主要行政区域1998-2009 年的工业碳排放效率进行测度,潘佳佳等采用LMDI 分解法研究了中国工业碳排放的影响因素,田云等均以农业碳排放为投入研究其对农业经济增长的影响;更多的学者是测度全要素碳排放效率,例如李涛等基于非意愿变量Ruggiero 三阶段模型以我国29 个地区为实例对其1998-2008 年碳排放效率进行评价,赵国浩等建立了基于随机生产前沿面的碳排放效率测度模型,对山西省1995-2010 年的碳排放效率进行研究并与其他地区进行比较,马海良等基于DEA 和生产效率指数对全国三大经济区的全要素能源碳排放效率进行测度,游和远等曾首次从土地利用视角研究碳排放效率。碳排放权分配效率方面研究较少,林坦等运用零和DEA 方法对2009 年欧盟国家间的碳排放权配置效率进行测度,并按照该方法迭代结果,计算了实现碳排放权公平分配的方案,由于区域间碳排放权分配的实例较少且关乎区域发展,因此相关研究十分有限。已有关于碳排放效率评价的方法的应用主要有数据包络分析法、随机前沿面法、回归分析法等,已有方法主要能解决碳排放效率的静态测度问题,即以某一时间节点评价单元的情况为对象分析效率,缺乏对研究时序碳排放效率演变特征的深入分析。

  本文引入Malmquist 指数法分析土地利用碳排放效率的时序演变特征,该方法能够客观地研究评价对象效率在时序间的变化水平及效率影响因素构成,是有效实现动态效率分析的主要方法。根据已有研究的分析,碳排放效率的相关成果存在一定的局限性,主要不足表现在:(1) 集中于某一类碳排放源的研究较多,基于碳排放总量的效率分析很少;(2)研究尺度上主要以全国为研究对象,很少集中于某一特定地区的实际特征展开探讨;(3) 碳排放效率测度基于某一年份的截面数据研究较为丰富,但研究碳排放效率时序演变特征的分析鲜见报端;(4) 忽视土地利用调控对碳排放的影响。

  鉴于此,本文以湖南省为实例着重从以下方面展开研究:(1)以IPCC 给出的主要碳排放源作为分析碳排放效率的基础,参与计算,使其评价结果更客观;(2)选取湖南省为研究对象,对其碳排放效率问题进行系统性的研究,以期建立分析该类问题研究系统;(3)运用Malmquist 方法分析研究区域碳排放效率的动态演变特征;(4)尝试从土地利用的视角分析碳排放效率从而进一步实现碳排放调控。

  1 研究方法

  1.1 碳排放总量测算体系

  根据IPCC 给出的《2006 年温室气体排放清单指南》指南,温室气体来源主要有4 类,分别是:能源消费、农业、工程过程与产品使用、废弃物。这4 类碳排放中,能源消费占比最多,根据IPCC 的相关测算,该项占比的平均水平75%强,结合我国发展特征分析,能源消费占比远高于世界平均水平,接近90%左右;根据有关农业碳排放源测算的学者分析,农业源碳排放占总量的17%强,废弃物处置产生的甲烷也是重要的碳排放来源,但相对较少,仅占总量的约4%左右,此外工业方面尚存在一定水平的碳排放,占总量较低且数据难以获得,本文不予考虑。

  综合以上分析,确定碳排放总量测算包含的主要内容有:能源消费、农业(种植业和畜牧业)、废弃物。(1)能源消费碳排放测算。能源消费碳排放的测算方法参考赵荣钦等学者的研究成果,根据IPCC、国家初始气候信息通报、国家能源局等机构给出的各类能源的碳排放因子,与对应能源消耗量相乘得到。(2)农业碳排放测算。根据田云等学者基于农业物质投入的碳排放测算研究,种植业碳排放源包括如下内容:农药、化肥、农膜、水稻种植,畜牧业碳排放包括两部分,即牲畜的肠道发酵和粪便管理,IPCC 及有关学者均给出了对应的碳排放因子,本文查找对应统计年鉴数据并与相应因子结合,完成该部分测算。(3)废弃物碳排放测算。选取IPCC 在最新指南中推荐的一阶衰减法对研究区域碳排放总量进行分析,对于部分统计年鉴中数据不全的情况,运用插值法补充完整。

  1.2 Malmquist 指数模型

  Malmquist 指数模型是进行动态效率评价的一种典型方法,尤其对于需要测度时间序列上研究对象效率演变的问题十分有效。根据Malmquist 模型,不仅可以分析各研究对象生产技术进步变化的路径,还可以将技术效率变化继续分解为规模效率变化和纯技术效率变化,进一步得出全要素生产效率变化,可以分析出更多有意义的信息。该指数与Fisher 指数和Tomqvist 指数相比,可以把生产率的变化因素分为效率变化与技术变化,可以忽视价格因素,避免由于价格原因导致的效率评价偏差。假设(Xt,Yt )和(Xt+1,Yt+1)分别代表先后连续2 个时期的投入与产出的关系(t和t+1),投入产出在2 个时期的变化就代表了生产率的变化,生产率的变化原因包括技术水平变化和技术效率的变化。TE 是纯技术效率变化水平,是规模报酬可变假定下的技术效率变化水平;TC 是技术变化水平,代表生产前沿面的变化对生产率改进的影响幅度;SE 是规模效率变化水平,代表规模报酬对生产率的作用。如果综合效率指数大于1,则说明综合生产率水平提高;反之,则综合生产率水平降低。如果构成综合效率指数的某一项大于1,则说明该项是综合效率指数提升的因素之一,否则对综合效率指数改善起负面作用。

  2 指标体系与数据来源

  2.1 土地利用碳排放效率评价指标体系

  土地利用碳排放包括2 类,即:直接土地碳排放与间接土地碳排放。直接土地碳排放是指土壤内部生物化学活动导致的自然排放过程,长期存在,可控性不强;间接土地碳排放是指由土地所承载的人类活动产生的碳排放,这类碳排放是人类经济社会发展的必然产物,其受到经济增长的影响较大,是可调控的碳排放类型,也是有关碳排放研究的主要研究内容。根据前文建立的碳排放测算体系,承载碳排放的土地利用类型主要有两类,即:农地和建设用地,本文将这两类用地的碳排放强度(单位面积的碳排放量,单位t/hm2)作为投入指标参与计算。经济增长是测度产出最直接、最客观的指标,本文选取地均三次产业产值作为产出指标测度碳排放投入对应的产出情况。

  2.2 数据来源

  本文实证分析中的数据均来自于各行业统计年鉴(2000-2011 年),具体包括:农业物质投入及水稻播种面积的数据来自历年中国农村统计年鉴,数据缺失省份查找其当年统计年鉴补充完整;能源数据来自历年中国能源统计年鉴给出的各地区能源平衡表;城市垃圾及工业废弃物数据来自国家及各省统计年鉴,参考国研网统计数据库数据补充完整,缺失年份的数据借鉴插值法根据该年份临近数据进行估计;经济数据来自国研网统计数据库的查询结果,由于要进行时序比较,经济数据按2000 年不变价参与计算。

  2.3 处理说明

  根据《土地利用现状分类》及赵荣钦等学者的研究,承载碳排放的土地利用类型包括耕地、牧草地、城镇居民点及工矿用地、农村居民点用地、交通水利及其他用地。研究将根据碳排放载体将其分解到具体的用地类型,值得说明的是畜牧业按照食物来源将牲畜活动分属于耕地和牧草地,用地类型与碳排放源对应关系。

  3 结果分析

  3.1 湖南省碳排放测算

  本文根据IPCC 给出指南,结合研究重点和研究区域特征,对湖南省2000-2011 年碳排放进行测算。

  (1)碳排放总量快速增加。2000 年湖南省碳排放总量为35 045 999.67 t,5 年后,翻了一倍多,2005 年碳排放总量达76 214 406.62 t,2011 年碳排放总量为103 777 937.56 t,较2000 年增长近两倍,年均增长率10.37%,增速略低于GDP 增速。

  (2)能源消费碳排放增加构成碳排放总量增加的主要因素。2000 年能源消费碳排放总量为270 854 05.84t,到2005 年该项碳排放增加一倍多,总量671 394 41.27t,2011 年能源消费碳排放总量为953 005 78.70 t,较2000 年增加多于2 倍,增长率为266.62%,年增速13.42%,增速高于GDP 增速。

  (3)种植业碳排放波动较大,呈现先升后降的趋势,具体而言,2000-2006 年,种植业碳排放持续上升,且增速较快,这主要得益于2003 年后农业政策不断完善尤其是废除农业税等大大激发了农民的种粮积极性,由此引发的农业物质投入飞速增长,碳排放源来源增加,2006 年后,种植业碳排放波动较大,整体呈下降态势,到2011 年碳排放总量已经下降到2 847 563.67t,低于研究时序内各年的种植业碳排放,这样大幅的下降究其原因主要有,城市建设用地扩张,大量农田被侵占,种植业的总量减少,可持续发展理念深入人心,农田保护工作落实得力,农业物质过量投入的现象有所缓解,农田污染得到一定治理。

  (4)畜牧业碳排放持续上升,但增速较慢,2000 年畜牧业碳排放为4 683 184.82 t,2011 年畜牧业碳排放为5 523 005.01 t,总增长17.93%,远小于碳排放总量及能源消费碳排放增加率。结合研究时序内湖南省农业产业结构调整的特征可以发现,畜牧业在第一产业中的比重不断提高,但就生猪出栏量分析,从2000年的3 583.8 万头增加到2011 年的4 044.86 万头。

  (5)废弃物碳排放占总量比例较低,虽然在研究时序内其总量也发生了较大变化,但对碳排放总量的影响很小,2000 年废弃物碳排放总量为80 030.24 t,在研究时序内波动上升,至2011 年达到106 790.18t,总增长率为33.44%。

  3.2 湖南省土地利用碳排放动态效率分析

  根据前文2.3 节所述,将碳排放源分解为农地承载碳排放(耕地、牧草地)和建设用地承载碳排放(城镇居民点及工矿用地、农村居民点用地、交通水利及其他用地),分别计算各DMU 的2 项土地利用碳排放强度,作为Malmquist 模型的投入指标测算,按3.1中说明,将地均三次产业产值作为模型产出指标,运用Matlab 软件计算得到湖南省2001-2011 年间土地利用碳排放效率动态演变路径。结果显示,2001-2011 年,湖南省土地利用碳排放全要素效率保持稳中有升的趋势,特别是2004 年、2007 年、2008 年、2010 年、2011 年,全要素效率均显著上升。2008 年后受到金融危机等经济环境影响,各效率变化指数显著下降。尽管如此,从均值来看,土地利用碳排放效率仍然保持了年均28.32%的增长。土地利用碳排放效率指数小于1 的年份有2002年、2005 年、2009 年,分析其他效率变化指数可知,这3 年的综合技术率变化指数、规模效率变化指数和纯技术效率变化指数均小于1,且综合技术率变化指数均处于其他3 类指数的最小值,由此可以推断综合技术率不足是造成湖南省土地利用碳排放效率指数小于1 的主要因素。2003-2007 年,土地利用碳排放效率指数和技术进步指数均大于1(2005 年稍低但接近于1),而同期的规模效率变化指数连续出现小于1 的情况,因此,这段时期土地利用碳排放效率进步主要源于技术进步。

  事实上,随着科技进步和能源利用效率的不断提升,技术效率将不断得到改善。2003 年后,废除农业税等利农政策的推出使得农业投入不断加大,化肥、农药等过度使用造成了农地碳排放的陡然上升,而产出效率不足以弥补投入,致使规模效率降低。2008-2010 年,土地利用碳排放效率指数呈现先下降后上升的特征。这一时期主要受到金融危机的影响,整体经济效率下降,产能难以削减,市场需求不足导致产出效率较低。技术进步继续维持上升状态,指数大于1,综合技术效率指数2009 年小于1。

  2010 年后,经过多轮经济刺激政策,经济状况企稳回升,金融危机对经济系统运行效率的影响渐渐淡化,可持续发展理念与生态文明建设渐入人心,日益严重的全球变化和气候异常也不断提高人们对环境问题的关注,土地利用碳排放效率及其他指数均开始回归大于1 的状态。

  4 讨论与建议

  本研究基于当前碳排放日益加重的现实情况,选择湖南省作为实例,研究其新世纪初期土地利用碳排放效率的演变特征。首先基于IPCC 给出的碳排放清单,对湖南省碳排放总量进行测算,随后根据土地利用与碳排放的对应关系建立以农地和建设用地碳排放强度为投入指标、以三次产业地均产值为产出指标的土地利用碳排放效率评价体系,并运用Malmquist生产效率模型从技术、规模等多方面测度湖南土地利用碳排放效率的变化。得到的一系列研究结论对湖南省新时期实现减碳增汇、提高土地利用效率具有重要的理论价值和实践意义。根据对湖南省土地利用碳排放效率的研究,为湖南省未来实现碳减排目标提出以下建议。

  (1)加快转变经济增长方式,优化调整产业结构。改革开放以来,传统的资源型经济增长方式是我国过去30 多年的经济增长的主要形式,伴随着经济的飞速增长,资源过度消耗引发的环境问题也接踵而至,给生活环境造成严重影响,尤其造成大量的含碳类温室气体排向大气。传统的经济增长方式已经到了非变不可的阶段,我国亟待转变经济增长依托,建立环境友好型、资源节约型的经济增长模式,大胆实践,开阔创新,对”三高企业”、过剩产能坚决淘汰,切实践行可持续发展战略。

  (2)大力推广新型能源,创新能源利用方式,提高效率。发达国家能源结构中,绿色清洁型能源占比远高于我国,新型能源即污染小、可再生的能源,具体包括太阳能、核能、潮汐能、风能等。不断创新,提高能源利用水平,改进机械设备,减少能源损失,努力提供能源利用率。

  (3)加快农业经营方式创新,切实保护农地生态环境。由于农业政策优势,过度的种粮积极性造成了农地的过度开发,为了提高产量不断加大农药、化肥、农膜等的投入,农地过度开发严重威胁农田生态环境保护,增加了农业生产碳排放总量。从多方面着手保护农地生态环境,降低碳排放,一方面,加大农民培训,积极推广农地保护尝试,引导农民合理使用土地实现农业的可持续发展;另一方面,加大农业科研投入,改善农业经营方式,降低农地物质投入带来的过量碳排放,规范科学种田;此外,加大农田生态环境保护力度,通过制定相应的规章制度严格约束农民的过度使用行为,从政策层面约束农民不合理的耕作行为,切实保护农地,维护国家粮食安全。

  (4)倡导循环经济,科学处置生活及工业废弃物。目前,我国的垃圾分类处理及深度处理的技术和制度设计均不完善,仅在主要城市设置了专门的垃圾分类处理站,大部分三、四线城市和几乎全部的县级城镇对于垃圾处理仍以填埋为主,这一方面造成了资源的浪费,另一方面也会制造更多的碳排放且为生态安全埋下隐患。应大力倡导循环经济,对废弃物实施精细化分类、收集和处理,充分利用废弃物中的可再生物质,重新投入使用,利用化学物理手段对留存废弃物实施彻底的分解,减少废弃物对环境造成的污染,维护生态环境。


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