王小雨 鄧祥征 劉玉潔 史文嬌 周德民

1 首都師范大學 資源環(huán)境與旅游學院，北京，100048 2 中國科學院 地理科學與資源研究所/陸地表層格局與模擬重點實驗室,北京，100101 3 中國科學院大學,北京，100049

0 引言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展水平的持續(xù)增長，能源需求和能源消費也持續(xù)增加，使得全球氣候變暖問題逐漸凸顯[1-2].全球變暖所引起的一系列環(huán)境問題越來越受到人們的關注[3-5]，我國的溫室氣體排放總量將在較長的時期內(nèi)保持增長的趨勢[6].面對氣候變化的現(xiàn)實壓力和國際社會的嚴峻挑戰(zhàn)，減少溫室氣體排放為減少未來氣候變化的壓力提供了機會[7-10].1997年簽署的《京都議定書》中界定的非CO2溫室氣體包括甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)、六氟碳化物(HFC)、全氟化合物(PFC)和六氟化硫(SF6)，它們加起來約占目前全球溫室氣體排放量的25%[11].其中，CH4是主要的溫室氣體之一，也是大氣中含量較多的有機氣體[12]，分析其空間分布及排放來源對于控制溫室氣體排放、減緩溫室效應具有重要意義[13].

大氣中CH4持續(xù)增長將會對地球的輻射均衡產(chǎn)生效應，直接對氣候造成影響[14].一直以來，對CH4的各種排放源和排放因子測定與排放量的估算始終是研究的熱點，并取得了一系列的成果，針對各個排放來源和不同區(qū)域的研究已取得相關進展[15-18].在關注CH4排放量核算和結果的評估研究之外，聚焦于CH4人為排放來源的分析也是目前減排的重要議題，仲冰等[19]研究了我國天然氣行業(yè)甲烷排放控制的相關問題，對天然氣行業(yè)甲烷排放提出對應的建議，宋磊等[20]針對甲烷的排放對中國油氣行業(yè)產(chǎn)生的負面影響開展了相關研究，也有關于畜牧業(yè)甲烷排放源的低碳化發(fā)展的路徑選擇分析[21]，這些研究只針對單一行業(yè)的甲烷排放展開，對于甲烷多排放來源的研究分析較少，且一般集中于區(qū)域的單角度研究，例如盧映杉[22]研究了廣西省區(qū)域供應鏈視角下的CH4排放源及脫鉤效應，劉均滎[23]針對油氣系統(tǒng)的排放源進行了分析，目前對于多行業(yè)部門的CH4排放存在一定的研究空白.

全球大氣研究排放數(shù)據(jù)庫(EDGAR)基于公開的統(tǒng)計數(shù)據(jù)(https://edgar.jrc.ec.europa.eu/)，為大氣建模和政策制定者提供全球人為排放和排放趨勢的獨立估計，同時包括特定部門排放源的網(wǎng)格數(shù)據(jù).EDGAR已成為政策制定者和科學界的參考數(shù)據(jù)集，為他們提供了一致并且可靠的基準.本文對1970—2018年的年平均CH4排放進行了空間和時間變化的分析,基于全國分布的Moran’s I 和熱點分布狀況，分析全國CH4排放的熱點區(qū)域，同時在各個省級尺度中分析不同區(qū)域的CH4排放變化趨勢，并基于不同的行業(yè)部門排放數(shù)據(jù)，進一步分析CH4的排放結構和主要來源.研究結果有助于對溫室氣體排放的管理，并為應對全球氣候變化提供現(xiàn)實依據(jù).

1 數(shù)據(jù)

EDGAR來自歐盟委員會內(nèi)部建立的一種用于估算排放的自下而上的模型[24]，其特定的排放量編制方法得到全世界所有國家一致應用，為研究人員提供了方法學的透明度和國家之間的可比性[25].EDGAR提供所有國家的數(shù)據(jù)，并在全球范圍內(nèi)按0.1°×0.1°的網(wǎng)格進行空間分配[26].EDGAR涵蓋了IPCC(2006)指南中所有的報告類別，并按部門進行詳細劃分.其時間序列每年都會根據(jù)其數(shù)據(jù)源的可用性進行更新，目前的時間覆蓋范圍為1970—2018年，是當前可獲取的空間分辨率較高且時間范圍較長的CH4排放量空間數(shù)據(jù).

2 方法

EDGAR數(shù)據(jù)作為千米級的全球范圍數(shù)據(jù)，對于中國地區(qū)而言，時間上的變化趨勢和空間上的分布特征需要基于具有典型創(chuàng)新性的空間分布特征分析方法.

2.1 Moran’s I

采用全局Moran指數(shù)[27]作為全局空間自相關的指標，分析中國CH4內(nèi)部空間單元排放的空間相關性和差異性，其表達式為

(1)

采用局部Moran指數(shù)對中國CH4排放聚集情況進行局部空間自相關分析，識別CH4排放的高值聚集區(qū)和低值聚集區(qū)，以反映CH4排放的空間依賴性和異質(zhì)性.局部Moran指數(shù)的表達式為

(2)

當Ii大于0時，呈現(xiàn)空間正相關關系；Ii小于0時呈現(xiàn)空間負相關關系.

2.2 熱點分析

(3)

(4)

(5)

3 結果

3.1 1970—2018年CH4時空分布特征

由圖1可以看出，CH4排放的地域分異特征明顯，根據(jù)中國的區(qū)域分類標準：東北地區(qū)，包括遼寧、吉林、黑龍江和內(nèi)蒙古東部5盟市(呼倫貝爾市、通遼市、赤峰市、興安盟、錫林郭勒盟)；華東地區(qū)，包括上海、江蘇、浙江、安徽、福建、江西、山東、臺灣；華北地區(qū)，包括北京、天津、河北、山西和內(nèi)蒙古共計5個省級行政單位；華中地區(qū)，包括河南、湖北、湖南3??；華南地區(qū)，包括廣東、廣西、海南、香港、澳門；西南地區(qū)，包括四川、貴州、云南、西藏、重慶等5個省市區(qū)；西北地區(qū)，包括陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆5個省(自治區(qū)))，華東和華南地區(qū)的CH4排放量較高，各個時間段的平均排放量一般高于5 t·km-2，西北地區(qū)的CH4排放量相對較低，排放量一般處于0～5 t·km-2之間，這主要與排放源的排放強度和空間分異有關，大氣中的甲烷排放由自然排放和人類活動排放兩部分組成，自然濕地作為最大的自然排放源，其空間分布與CH4排放的區(qū)域分異特征具有密切聯(lián)系，這也使得整體上中國的南方比北方的CH4排放量高，且區(qū)域分布范圍較廣.人類活動所產(chǎn)生的CH4排放主要由能源排放(包括石油、天然氣和煤礦開采)、反芻動物、垃圾填埋、水稻田和生物質(zhì)燃燒組成，不同時間階段對于各個排放來源的組成基本不變，各個來源的組成比例具有一定的變化.隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，由人類活動所產(chǎn)生的CH4排放加大了不同區(qū)域之間的排放差異.從1970—2018年的時間變化趨勢來看，整體上變化較為平緩，但在1990—1999年華北地區(qū)開始出現(xiàn)較為明顯的高CH4排放量的區(qū)域分布，且在新疆的西北部開始出現(xiàn)小區(qū)域的CH4排放高于5 t·km-2區(qū)域.在華東地區(qū)，CH4排放連年居于高排放梯隊.值得注意的是2010—2018年的甲烷排放空間與前面的四個時間段相比，不具有明顯的高增長趨勢，這與自然排放源，如濕地的減少具有一定的關系，社會經(jīng)濟的發(fā)展使得人為排放源增加的同時也減少了自然排放源，像華東地區(qū)的江蘇省和浙江省，其CH4排放的高排放區(qū)域相對于1970—1979年的排放區(qū)域略有減少.

基于自然資源部標準地圖服務網(wǎng)站GS(2019)1825號標準地圖制作,底圖邊界無修改

由圖2可見，1970—2018年平均CH4排放量變化曲線總體上呈上升趨勢，平均值達8.33 t·a-1·km-2，21世紀初期出現(xiàn)了高速上升趨勢，使得整個變化曲線呈現(xiàn)平緩上升—急速上升—穩(wěn)定排放3個階段，時間分別對應于1970—2002年、2003—2012年和2013—2018年，第1階段經(jīng)濟發(fā)展處于起步時期，發(fā)展水平相對緩慢，相關能源燃燒和排放量增長也較為緩和，且自然排放源也處于穩(wěn)定狀態(tài)，CH4呈現(xiàn)相對緩慢的增長變化；第2階段出現(xiàn)的快速增長則由于中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，相關煤礦燃料的大量燃燒，自然排放源開始受到影響，造成了自然CH4排放量穩(wěn)定而人為排放量激增的狀態(tài)；第3階段一方面由于自然排放源的減少，另一方面也受到出臺的關于經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境優(yōu)化、氣候變化緩解的相關政策，使得排放速度明顯放緩，不同時間階段CH4排放量的差異性需要考慮不同時期多因素驅(qū)動.中國的空間經(jīng)濟發(fā)展差異能夠體現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)結構的發(fā)展過程中，華東、華南地區(qū)在改革開放后逐漸建立起具有全球價值鏈的產(chǎn)業(yè)集群，其中包含整合勞動力、能源、地理區(qū)位等過程，這與溫室氣體的排放密切相關，而西北地區(qū)產(chǎn)業(yè)主要以內(nèi)向型產(chǎn)業(yè)發(fā)展為主，不同的產(chǎn)業(yè)類型和布局也影響了自然排放源的分布和排放強度，這就使得CH4排放空間差異加大[29].

圖2 1970—2018年平均CH4排放量變化

由圖3可知整體上各個省份之間CH4的排放量分布不平衡，像上海、山西和北京的CH4排放值在不同的時間段內(nèi)明顯高于其他省份，尤其是2000—2009、2010—2018年這3個省的排放值均高于30 t·km-2，且1970—2018年CH4的平均排放量也高于25 t·km-2，江蘇、安徽、山東和河南也有一定量的CH4排放量的分布，時間變化相對平緩.高排放區(qū)域由于其自然環(huán)境條件與產(chǎn)業(yè)結構等進行綜合因素影響，像上海和北京在進入21世紀之后，快速的城市化使得相關產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，相對于自然排放的減少量，能源活動和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等人為排放量的激增造成了整體排放量快速增長的狀態(tài)，而山西省由于得天獨厚的資源稟賦，采礦業(yè)快速發(fā)展，使得CH4排放量尤其突出.

注：由于相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)的缺失，本研究只統(tǒng)計中國大陸地區(qū)省級行政區(qū)

3.2 1970—2018年CH4空間集聚性分析

1970—2018年CH4的空間自相關(圖4)具有明顯的時間分異規(guī)律，從空間上看東部地區(qū)的普遍具有高—高聚集性分布區(qū)域特征，西部地區(qū)的低—低聚集性明顯；從時間變化的角度來看，1970—2018年的高—高聚集和低—低聚集區(qū)域明顯減少，從1970年西北地區(qū)大面積的低—低聚集區(qū)域、東南地區(qū)的高—高聚集區(qū)域逐漸過渡到青海、西藏和四川部分區(qū)域的低—低聚集區(qū)域，以及山西和山東組成的華北平原的部分地區(qū)的高—高聚集區(qū)域.總體上看，高—高聚集區(qū)域隨著時間的演變逐漸減少，這也與CH4的時空分布規(guī)律相契合，CH4排放的空間變化顯示隨著時間的演變高排放區(qū)域逐漸增多，使得高排放區(qū)域聚集性減少，CH4排放的空間異質(zhì)性減弱.低—低聚集區(qū)域也隨著時間的變化逐漸減少，這與西北地區(qū)的高CH4排放區(qū)域的出現(xiàn)相一致.CH4高排放區(qū)域在華東、華南和華北等地區(qū)的逐漸擴展以及西北低值排放區(qū)的逐漸增長，使得全國大面積的高—高聚集區(qū)域和低—低聚集區(qū)域逐漸減少，這是人為排放源占比增長在排放量和排放區(qū)域上的具體表現(xiàn).

注：基于自然資源部標準地圖服務網(wǎng)站GS(2019)1825號標準地圖制作,底圖邊界無修改

CH4的熱點分布(圖5)于我國的華東、華北以及華南地區(qū)，在空間上主要呈現(xiàn)東南部的熱點區(qū)域分布和西北部的冷點區(qū)域分布，中間具有小部分區(qū)域的過渡；時間上的變化也具有明顯特征，主要表現(xiàn)為熱點區(qū)域從1990年開始從南方逐漸北移，過渡區(qū)域也逐漸向北部和西部擴張，冷點區(qū)域從1970年的99%的置信水平逐漸降低至90%.冷點和熱點區(qū)域的移動和縮小與CH4排放空間一致性減弱趨勢保持一致，在1970—1979年、1980—1989年以及1990—1999年的CH4排放早期階段中，熱點區(qū)域在本區(qū)域內(nèi)憑借資源環(huán)境稟賦和經(jīng)濟發(fā)展政策等因素排放的貢獻尤為突出，而隨著時間演變，本區(qū)域不能繼續(xù)滿足發(fā)展的需要，就會考慮向冷點區(qū)域轉移，從而產(chǎn)生這種冷點和熱點區(qū)域面積和位置上的變化.

注：基于自然資源部標準地圖服務網(wǎng)站GS(2019)1825號標準地圖制作,底圖邊界無修改

3.3 行業(yè)排放源分析

參考EDGAR中的部門CH4排放數(shù)據(jù)，基于Crippa等[30-33]完成的能源統(tǒng)計中所描述的時間分布曲線，本文將IPCC中的部門分類對應到我國的溫室氣體清單編制指南所對應的部門中，將數(shù)據(jù)庫中CH4排放的人為排放源歸并為能源活動、工業(yè)生產(chǎn)過程、農(nóng)業(yè)、土地利用變化與林業(yè)、廢棄物處理5個來源，并在ArcGIS中選擇中國行政區(qū)域數(shù)據(jù)對每個部門進行排放總量統(tǒng)計(表1).

從每個部門的排放總量統(tǒng)計(表1)中發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)源中的稻田排放在整個部門的統(tǒng)計中居于最高位，1970—2018年排放總量達到77.28 t·km-2，同時能源活動排放源中的煤炭開采逃逸占居第2位，1970—2018年排放總量達到53.46 t·km-2，相對于這2個主要來源，像土地利用變化與林業(yè)排放源和廢棄物處理排放源則在整體上對CH4排放貢獻較小(圖6).

圖6 1970—2018年行業(yè)排放總量統(tǒng)計圖(x軸標注所代表的部門與表1中的標注保持一致，根據(jù)不同的排放源進行命名和分類，下同)

表1 甲烷排放源部門名稱及其IPCC代碼

選定1970—1979年、1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年、2010—2018年和1970—2018年6個時間段，計算5個CH4排放源中17個部門的排放值與總量占比，并制成堆積柱狀圖，顯示高于5%的部門的標注.可以發(fā)現(xiàn)，總體上在1970—2018年，能源活動中的交通運輸行業(yè)的CH4排放占比高于50%，其中a21(鐵路和其他運輸)部門CH4排放占比最高，達到21%，但不同部門隨時間的變化趨勢存在一定差異，不具有占比穩(wěn)定增長或下降的變化規(guī)律.

在選定的前5個時間階段中，部門10年間會產(chǎn)生巨大變化，像a24(公路運輸)部門在1970—1979年占比17%，而在1980—1989年則占比不足5%，在之后的幾個時間階段中也出現(xiàn)了激增和驟減的現(xiàn)象，而農(nóng)業(yè)和土地利用變化與林業(yè)排放源的占比則較為穩(wěn)定，c11(稻田，施用石灰、施用尿素、源自管理土壤的直接排放、稻米種植排放)、c21(動物腸道發(fā)酵)和c31(動物糞便管理系統(tǒng))的占比較為平緩，前期在1970—1979年、1980—1989年高于5%占比，之后低于該值，在整個時間段內(nèi)呈現(xiàn)逐漸下降的變化趨勢.總體來看，能源活動和工業(yè)生產(chǎn)過程2個排放源，在整個時間段以及在各個時間段內(nèi)的排放占比總值都超過50%，且后期逐漸攀升，而農(nóng)業(yè)、土地利用變化與林業(yè)和廢棄物處理3個傳統(tǒng)排放源在整個時間段內(nèi)呈現(xiàn)出排放占比下降的趨勢，這也從側面反映了社會經(jīng)濟發(fā)展過程中所進行的工業(yè)生產(chǎn)和能源活動對CH4排放增長的貢獻.

4 結論與討論

通過分析1970—2018年我國CH4排放的時空特征及行業(yè)排放來源，發(fā)現(xiàn)隨著時間的推移，CH4排放的高值分布空間范圍逐漸擴大，排放重心由東南部逐漸向西北部地區(qū)過渡，排放量呈現(xiàn)穩(wěn)定增長趨勢；從時間的推演來看，CH4排放量呈現(xiàn)總體增長趨勢，1970—2018年經(jīng)歷了平緩上升—急速上升—穩(wěn)定排放3個階段；從各個省級行政區(qū)域的CH4排放量統(tǒng)計變化來看，江浙滬和京津冀以及中部平原地區(qū)尤其是山西省具有明顯的高CH4排放特征；農(nóng)業(yè)源作為CH4排放的穩(wěn)定來源需要持續(xù)關注，而煤礦開采和交通運輸也是CH4減排需要關注的重點行業(yè)，相對于農(nóng)業(yè)和土地利用變化與林業(yè)等排放源，對能源活動和工業(yè)生產(chǎn)的干預減排效果更明顯.

本研究對CH4排放總量進行了空間化，為了解和研究溫室氣體的空間分布狀況提供基礎.CH4作為增溫潛勢最高的非二氧化碳溫室氣體，其排放源的結構和占比分析為減排提供了關注方向，這對于控制碳排放總量的減少具有重要意義.

圖7 1970—2018年部門排放百分比堆積柱狀圖