绿色低碳背景下中国产业结构调整分析

张恪渝++廖明球++杨军

摘要中国作为世界第一的一次能源消费国以及最大的二氧化碳排放国，在巴黎世界气候大会上承诺于2030年以前单位碳强度较2005年降低60%—65%；此外，在《“十三五”规划纲要》中中国政府也明确提出，在“十三五”时期，碳排放强度较2005年基础上降低40%—45%的目标。在此背景下，本文基于最新的投入产出表构建了产业结构优化模型。通过行业的生产结构矩阵，构建出行业的能源结构消耗矩阵及碳排结构矩阵，旨在能源消耗量与二氧化碳排放量的双重约束下，得到中国2020年最优的产业结构调整方案，并计算了基于现有科技水平下中国最大的碳排潛力。线性规划的结果显示：①中国 2020年最优的产业结构调整方案可以满足国民经济总产出量最大化的目标，年均增长约为8%；且相比目标年份（2005年）二氧化碳强度下降46.93%，能源强度下降26.04%，达到“十三五”规划中的气候变化目标。在保证经济最低增速（6.5%）的前提下，中国二氧化碳的排放总量可以比优化方案再多下降约14%。②建筑业、交通运输及仓储业仍然是中国重要的支柱产业，在国民经济整体的占比份额仍需扩大。③从生产的角度看，中国产业结构必须全面向第三产业服务业转型，全面提高国民经济中第三产业的比重，尤其是加大生活服务业类部门的产出量。④为了满足“绿色、低碳”的约束限制，半数以上的二产部门的生产规模都应有所降低，尤其是能源部门和金属加工业部门。

关键词I-0表；优化模型；产业结构调整；碳排潜力

中图分类号F223；F416文献标识码A文章编号1002-2104（2017）03-0116-07doi：10.3969/j.issn.1002-2104.2017.03.014

化石能源的使用极大地促进了中国经济的发展，但于此同时也对环境产生了较为深远的影响。IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）最新的报告指出，大气中二氧化碳浓度的快速增加，是全球气候变暖的主要原因，且1983—2012年是过去1 400年以来最热的30年。进入新千年以后，中国因极端气候所带来的影响愈发明显，由此也蒙受了巨大的经济损失。根据中国气象局统计，中国气象灾害所造成的直接经济损失是同期全球平均水平的8倍，相当于国内生产总值的1%。因此，中国政府分别在巴黎世界气候大会及《“十三五”规划纲要》中提出了改善大气环境、降低碳排强度的目标。由于二氧化碳的排放主要源于化石能源的燃烧，而清洁能源如风电、水电等并不直接排放二氧化碳，因此使用清洁（新）能源技术可以从本质上解决二氧化碳的排放问题。但由于技术的成熟度与使用成本等因素，清洁能源并不可能在短期内在中国各行业部门中大量普及。因而，在现有能源技术水平下，如何进行产业结构调整以控制中国的能源强度及碳排强度受到了政府部门及学界的广泛关注。同样基于节能、减排的产业结构调整也与中国政府“十三五”规划中所倡导的经济绿色、低碳的发展行为相一致，因此有着重要的意义。本文主要利用投入产出表构建相应的优化模型，得到2020年（即“十三五”规划最后一年）中国最优的产业结构并计算出相应的最大碳排潜力。

1文献综述

国内外文献中将产业结构、能源消耗与碳排放一并进行分析的方法大致可分为两大类。第一大类是使用数据包络分析（Data Envelopment Analysis，DEA）及其衍生方法，通过结构分解或指数分解，将行业效率的变化分解为技术效应和结构效应，然后找出影响产出、能源或者碳排效率的原因。段文斌、余泳泽[1]基于SFA（Stochastic Frontier Analysis）方法，分析中国工业部门分行业的效率并将其进行结构分解，测量它们与能源强度之间的联系。宋德勇、卢忠宝[2]采用twostage LMDI（Logarithmic Mean Divisia Index）法，测算出了中国各个产业部门碳排放的波动性，并发现了排放量存在的周期性规律。周五七[3]使用全局（Global）DEA模型同样对中国工业部门进行效率分解，发现能源相对价格的提高可以显著降低高能耗行业的能源强度。顾阿伦、吕志强[4]则使用IOSDA（IO Structural Decomposition Analysis）方法分析了经济结构变动对中国碳排的影响。结果表明，基础性行业大多是高耗能的行业，因此中国未来节能减排的重点需要逐步降低第二产业的比重，但在具体的政策上对各行业应有所区别。

另一大类将产业结构、能耗与碳排纳入同一框架内考量的方法是投入产出方法。早在上个世纪70年代，Leontief[5]就提出了一种环境投入产出模型（Environmental IO model），将环境污染与环境治理纳入到同一体系中。赵欣娜、雷明[6]编制了中国2007年绿色投入产出表（Green IO table），在此基础上分析了能源FDI诱发效应以及能源经济连锁效应等。苑立波、葛守中[7]在浙江省投入产出表的基础上建立了浙江省“碳排”投入产出表及其基本模型，给出了直接综合碳排系数、完全综合碳排系数等反映碳排放强度的表达式，可以从行业层面上分析碳排放的基本情况。Wei Yiming[8]等基于投入产出模型，以能耗量最低为目标对中国能源需求进行了情景分析。

张恪渝等：绿色低碳背景下中国产业结构调整分析中国人口·资源与环境2017年第3期通过文献综述可以发现，虽然DEA及其相关模型可以有效地对产业效率进行分析，但它不能考虑到产业之间复杂的关联，也不能清晰地反应出如何对产业结构进行调整。而现有的投入产出方面的文献，并没有在《巴黎协定》的背景下，回答如何在“绿色、低碳”双重约束下中国产业结构调整的方向。 因此，本文将使用投入产出模型，通过它核心的生产结构矩阵，计算出中国各产业部门的能源强度矩阵及碳排强度矩阵，然后基于部门的生产、能耗及碳排三大结构矩阵，构建中国产业结构优化模型，并计算出对应的行业碳排量，为中国经济低碳发展模式下，产业结构如何调整提出一些建议。

2优化模型构建

2.1能源消耗矩阵及碳排矩阵

一般的投入产出模型，根据里昂惕夫[9]所提的行模型原理，中间使用+最终使用=总产出，其矩阵表达形式为：

AX+Y=X（1）

其中，X为各部门的总产出矩阵；Y为部门的最终需求矩阵；A矩阵就是中间消耗矩阵。其每一元素的计算公式为：

（2）式代表了j部门每生产一单位产品需要消耗i部门产品的数量。

根据公式（1）可以得到总产出X与净产出Y（即最终需求）之间的关系：

由于（I-A）鏈接了部门间投入与产出的结构，因此本文将其定义为国民经济的生产结构AP。

对于能源使用结构，中国并没有官方的分行业统计数据，所以需要通过一定的方法计算出各行业、部门的能源消耗量。本文只考虑各行业部门生产过程中所消耗的能源量，因此可以根据投入产出表中能源部门产品的分配数量进行拆分，具体拆分方法见张恪渝[10]。由此可以得到部门的能源强度矩阵E，其元素emj代表部门j每生产一单位产品消耗第m种能源的数量，即是用能源m的直接消耗量除以部门j的总产量，j=1，2，…，N；m=1，2，…，M。

接着定义行业能源结构矩阵

其中，β为各能源换算成标准煤的转化系数（具体数值见表1）；EβT代表了各部门生产出单位产出一共消耗能源的总量，即能源的复合消耗率，是一个1×n的向量。

最后，本文使用IPCC所提出的按能源燃烧热值进行碳排系数计算的方法，对中国分行业的碳排强度进行核算。具体方法阐述及计算过程见陈诗一[11]、徐达丰[12]。根据部门的能源强度矩阵E，可以得到相应的部门二氧化碳强度矩阵C，其元素cmj代表部门j每生产一单位产品消耗第m种能源所相应排放的二氧化碳数量，即是用能源m的直接碳排量除以部门j的总产量，j=1，2，…，n；m=1，2，…，M。

其中，emj为能源强度矩阵E中的元素；fm为IPCC所提供的分能源碳排放系数；12/44 为碳在二氧化碳中所占比例。

因此，行业碳排结构矩阵可以定义为

其中，i是一个系数全为1的标量（scaler），i=（1，1，…，1）T，其维度为m×1；C×i表示各部门生产单位产出所排放出的二氧化碳总量，是n×1的矩阵。

2.2优化模型设计

绿色、低碳发展，其本质上就是在保证一定量经济产出的情况下，尽量将能源消耗量与二氧化碳排放数量控制在一定的范围。因此，基于传统线性规划模型的范式，中国低碳经济优化模型可以表示为：

具体来说，目标函数为最大化中国各部门的总产出量。因此，

其中，x作为决策变量，xj代表了按照部门j的总产出。i依旧为标量，加入的目的是为了方便矩阵表达。目标函数f是将中国所有部门的产出进行加总，代表了最大化国民总产出量。

约束条件为：

其中，ef为能源总量约束。将能源结构矩阵AE乘上总产出x再进行加总，代表了将所有部门生产活动消耗的能源量进行加总，不超过给定的临界值。加入能源总量约束的原因在于经济的低碳发展不光是对一国的碳排放总量进行限制，同样也需要保证合理的能源消耗结构。

其中，cf为碳排总量约束。和能源约束类似，将碳排结构矩阵ACE乘上总产出x再进行加总，目的在于将所有部门生产活动所排出的二氧化碳总量进行控制，不超过既定的目标。

其中，yf为经济增长下限。通过生产结构矩阵AP，将所有部门的总增加值控制在既定底线之上。

其中，lj和uj分别表示部门j产量的下界与上界。原因在于现实情况中，多数部门的产出量不可能从0到无穷的范围内变化，最多只能进行小范围调整，否则会影响整体经济的运行。因此人为的给个别行业的变动加入上下界，可以让优化的结果更符合实际情况。此外，加入这一约束的另一个目的在于剔除可行解集合中出现的极端状况（例如一国只有个别部门有产出，其他部门产量均为零）。

3数据及实证分析

3.1数据来源

本文使用的投入产出表是基于国家统计局所颁布的“2012年中国投入产出表”。基于研究目的本文将原始的139个部门合并为41个（见表2）。此外，为了数据结构的准确性，本文使用最新行业的增加值及最终需求数据通过混合RAS[13]方法将2012年数据升级，得到2014年的投入产出的中间结构（由于2015年的部分数据还没有颁布，因此2014年的生产结构是我们可以升级到的最新投入产出结构），并以此为基期进行分析。

能源数据主要来源于《中国能源统计年鉴（2015）》，其种类的划分包括了煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然气、电力这9种主要的能源形式。本文所使用的能源数据仅指各部门生产过程中消耗的化石能源数量，是终端消费量与各部门分摊的损失量（包括加工转换损失量）之和，即能源使用量=终端消费量+损失量（包含加工转换损失）。其中，使用终端消费量是为了剔除一次、二次能源所带来的重复计算，而对损失量进行弥补则是为了更好地反映真实数值。

对于二氧化碳排放的界定，本文只计入部门生产时燃烧化石能源所排放的二氧化碳数量，而不包括非燃烧活动所产生的。即不包含化学反应所产生的二氧化碳量，也不包含人与动物呼吸所排出的量。

本文所构建的优化问题是按照现有的经济结构与科技水平，以“十三五”规划中最低经济增长速度（年均6.5%）作为经济约束；以2020年巴黎会议所要求达到的能源强度、碳排强度为目标，回答如何进行产业结构调整可以使中国经济在绿色、低碳的发展模式下，国民总产出达到最大。

3.2实证结果分析

2020年中国41部门产出量变化及碳排强度变化见表3、表4。各部门产出量的表现可以从表3得到：

（1）从整体看，相比于基年，中国2020年第一产业农林牧渔等部门占整体经济的比重变化不大，增长约为5.07%；而二产部门产出量降低的趋势较为明显，需要下降至原有产能的46.4%，说明节能减排的约束对于制造业部门整体产生了巨大影响；三产服务业产出占比则有了较为明显的增加，达到37%。

（2）从具体行业情况分析，2020年中国行业产出量排名前5位的部门分别为建筑业，化学工业，食品制造及烟草加工业，批发和零售业以及通用、专用设备制造业。而相对增长幅度（与基年相比）排名前5的部门为邮政业，金融业，卫生、社会保障和社会福利业，批发和零售业，增幅比例最大的部门全部为第三产业部门。而相比2014年产

出量需要下降（减少产能）的部门有5个，分别为煤炭开采和洗选业，石油加工、炼焦及核燃料加工业，非金属矿物制品业，金属冶炼及压延加工业以及电力、热力的生产和供应业。其中，降低幅度最高的是金属冶炼及压延加工业，比例达到50%左右。需要减少产能的部门全部集中于第二产业。

我们继续通过式（9）-（11）可以计算出各行业2020年的二氧化碳排放量和碳排强度，可以看出：

（1）从各行业的CO2排放总量看，2020年优化方案中化学工业的碳排放总量排名第一，占比约20.6%。此外，在优化模型中，除去交通运输部门外，CO2排放量前10的全都属于第二产业部门。其中，煤炭开采和洗选业，非金属矿物制品业，电力、热力生产和供应业等6个行业的碳排量相比基年都要有所降低；碳排量下降最大的部门为电力、热力生产和供应业，降低了48.2万t，降幅约为79%。这个结果说明在二氧化碳排放总量的约束条件下，工业部门是“碳排放大户”这一点依旧没有改变，但整体的排放数量相比2014年有了大幅降低。而一产农林牧渔业的排放比例从0.87%上升至4.2%，表明一产的“碳减排”潜力并不大。三产部门中只有仓储运输业相比基年降低碳排

放水平，其他部门或多或少都有不同程度的放松。

（2）碳生产率（增加值/单位碳排放量）排在前5位的是批发和零售业、信息传输和软件业、教育、金融业以及房地产业，全部属于第三产业部门；在前十位的也只有仪器仪表及文化办公用机械制造业和通信设备、计算机以及其他电子设备制造业这两个部门属于二产的制造业。这些行业大多属于低排放部门，且增加值相比其他行业较高。

从碳强度变化的角度分析（见表4），优化方案相比于基年，二产中有半数部门的碳强度都有所下降。尤其是能源部类中所包含的5个产业，非金属矿及其他矿采选业碳生产率升高得尤其明显。其中，石油加工及炼焦业与电力、热力的生产和供应业需要提高近两倍碳生产率才能达成约束条件要求。而三产部门碳排强度的变化，只有金融业，教育，居民服务业，房地产业以及研究、试验发展业5个部门有所降低，其余各部门都有所增加。

因此，通过技术研发等手段提高第二产业部门整体的碳生产率水平，尤其是能源类部门以及基础的重工业部门，对中国实现减排目标意义重大。若能大力改善上述行业的碳生产率，则会有事半功倍的效果：能够在保证经济

总量增长的前提下，更有效地控制二氧化碳排放。交通运输及仓储业是三产中唯一碳排放总量排进前十的部门，从经济产出量看也排在优化结果的第8位（比起基年需要提升约50%的产出量），属于中国经济发展的支出产业之一。如果未来可以将新能源、新材料等高新技术在交通运输部门多加推广及应用，减少该部门的碳排放压力，很大程度上会有助于中国经济的低碳发展。

经测试，基于优化模型的结果，中国2020年二氧化碳强度整体比基年（2014年）下降18.1%，对比目标年（2005年）则下降46.93%；而能源强度可以下降26.04%，满足了“十三五”规划中所提出的单位GDP温室体气减排目标。

3.3碳减排潜力估计

上述结论是基于总量控制的优化模型（非限制模型），得到中国2020年最优的产业结构。同样使用2014年的生产结构、能源结构以及碳排放结构，加入强制性“减排”的政策性因素，即逐步减少式（10）中对CO2排放总量的限制。目的就是在优化模型得不到可行解前（即不能满足最低经济增长），测算中国最多能够减少多少二氧化碳排放量。碳排放总量减少比例的步长值设定为α，α∈[0.99-0.5]。即将式（10）改为

在重复优化步骤之前，先将式（12）中部门产出量变动的上下限放宽至 50%。结果如图2所示，横轴表示政策强制規定下二氧化碳排放量的减少比例，纵轴为GDP增速（下降）比例。在保持最低经济增速（6.5%）的前提下，中国最多能承受的二氧化碳排放量约为非限制优化问题结果的86%。如果继续对二氧化碳的排放总量进行控制，将不能完成“十三五”规划所要达到的经济增长最低目标。

总体来说，相比于非限制模型的优化模型结果，除了研究与试验发展业这个部门需要增加产能以外，其余40个部门都要控制产能。尤其是燃气生产和供应业、非金属矿及其他矿采选业、石油和天然气开采业等15个部门，其总产出量都需要减少60%左右，可见这些部门与碳排放量的联系十分密切，为减排政策重点调节的行业。

4结论及建议

本文基于最新投入产出表中的生产结构，推导出中国分行业的能源使用结构及碳排放结构，然后搭建出“经济-能源-碳排放”三位一体的结构优化模型，分析了中国2020年最优的产业结构调整方案与最大碳减排潜力，得到以下结论：

（1）鉴于中国庞大的劳动力存量情况， 低于6.5%的经济增长速度很可能使得就业压力问题凸显。因此，在构建能耗总量与碳排放总量双重约束优化模型时，必须进一步对最低经济增速加以要求。

（2）根据现有经济、能源科技水平，中国可以实现“十三五”规划中碳排放强度目标。按照最优的规划方案，经计算中国2020年单位GDP碳排放总量将比2005年下降46.93%，相比“十二五”期间下降18.1%。如果以最大化减排为目标，碳排放总量还可以进一步下降约14%。

（3）产业结构调整的核心是促进资源环境依赖较少的行业发展。而对于有高耗能、高排放特征的行业，需要以提高生产技术水平或以提升产品增加值为前提，否则就应减少其产能。这样才能缓解中国的环境压力，促进国民经济绿色、可持续发展。

从优化模型的整体方案看，根据部门间碳强度的不同进行调整，是中国产业结构调整的逻辑主线。二产制造业产出增加幅度最大的几个部门，主要集中在模块化架构产品或属于大型复杂设备领域，是中国制造业优势的主要体现，因此需要加大投入，增加其产能。这也与“十三五”规划中对于中国制造业的定位相一致。而能源生产相关的部门以及一些基础性生产部门，其碳生产率低，但又属于整个国民经济链条的上游，并不能简单地遏制其产能。因此最好的方法就是使用低碳技术，集中优势资源形成规模经济，从而促进这些行业的发展。在三产服务业中，几乎所有的部门相比基期都应增加产能，且生活服务业包含的几个部门增幅最大。这从侧面反映出中国生产服务业的可能效率并不够高，如在保证碳生产率及能源效率的前提下发展低碳经济，必须加大生活服务业的产出量，尽量提高生产服务业的效率。

（编辑：刘照胜）

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收稿日期：2016-09-29

作者简介：张恪渝，博士后，主要研究方向为计量经济方法与CGE模型。Email：zkyjesu@126.com。

通讯作者：杨军，博士，教授，博导，主要研究方向为农业经济理论与政策和CGE模型建模。Email：yangjunuibe@163.com。

基金项目：国家社会科学基金项目“中国低碳经济统计数据库及其量化模型研究”（批准号：14BTJ026）；国家自然科学基金项目“企业财务制度效率的自强化机制理论与实证研究”（批准号：71572008）。