基于STIRPAT模型的中国碳排放EKC验证及影响因素分析

刘志红

（宜春学院经济与管理学院 江西宜春 336000）

本研究基于IPAT理论改进的STIRPAT模型，以1971-2014年长时间序列为研究样本，验证碳排放总量和人均碳排放量与人均GDP之间库兹涅茨典线假说EKC曲线。并用研究样本时间碳排放实际值与模型拟合值进行比较，验证碳排放拐点预测的有效性。依据估计模型分析影响碳排放的因素，提出尽早实现碳排放峰值的路径和对策。

一、数据说明与模型构建

（一）数据说明。碳排放方面数据主要来源于国际能源署（IEA）数据库，时间跨度为1971-2015年。选取IEA数据库作为文章研究数据来源主要是由于中国与IEA有合作协议，国家统计局每年向IEA提供能源生产和消费方面的数据，因此IEA公布的碳排放数据与中国国家统计局数据具有很好的可比性，但时效性相对较差[1]。为消除价格波动影响，文中未作特别说明情况下，使用的经济数据都是以2005年为不变价，基于购买力平价（PPP）计算的美元。城市化率、第二产业占比、能源结构、能源强度等数据主要来自世界银行数据库。

（二）模型构建。

1.模型基础。EKC理论旨在验证环境质量和经济发展之间的关系。但现有文献一般用人均GDP或人均收入表征经济发展，用污染物排放总量或人均排放量表征环境质量。基于此，本文分别考察碳排放总量和人均碳排放量与人均GDP的关系，模型表示为：

该模型是环境库兹涅茨曲线假说的基本模型，但通过文献分析可知，经济发展与环境之间的关系呈现多种结论，因此，可以设定三次项模型表示为：

模型（1）和（2）中，TCt表示第t年区域碳排放总量，PCt表示第t年的人均碳排放量，PGDPt表示第t年的人均GDP，et表示模型的残差项。当β1≠0，β2=0，β3=0时，碳排放总量（人均碳排放量）和人均GDP为线性关系，环境库兹涅茨曲线假说不成立。当β1＞0，β2＜0，β3=0时，碳排放总量（人均碳排放量）和人均GDP为倒“U”型关系，境库兹涅茨曲线假说成立。当b1＞0，b3≠ 0时，碳排放总量（人均碳排放量）和人均GDP为多种类型的非线性关系，环境库兹涅茨曲线假说不成立。

2.扩展模型。20世纪70年代美国生态学家埃里奇（Ehrlich）和康默纳（Comnoner）提出 IPAT 模型以评估人口（P）、经济发展水平（A）及技术水平（T）对环境（I）的影响，其表达式为I=PAT。但IPAT模型中环境变化只受自变量同比例影响，因此模型本身具有极大的局限性[2]。由此，Dietz对模型进行了改进，建立了IPAT随机模型，即STIRPAT（stochastic impacts by regression on population,affluence,and technology）模型。模型可表示为：

模型中，a为模型的系数，α、β、γ为各变量的指数，e为误差。模型（3）两边取对数，可得双对数模型，可表示为：

STIRPAT模型允许增加其他控制变量来分析其对环境的影响，但是增加的变量须与式（3）指定的乘法形式具有概念上的一致性[14]。环境质量除了受经济发展及水平影响外，同时还受产业结构、人口结构、能源结构、技术水平等异质性因素的影响。通过文献分析可知，基于样本空间区域和样本时间序列以及模型等选择的差异，EKC曲线存在“N”、倒“N”型、“U”型和倒“U”型等形状。因此，以期更全面刻画人均GDP与碳排放总量和人均碳排放量之间的关系，文章构建扩展的三次STIRPAT模型和二次STIRPAT模型。结合EKC模型（2）、模型（3）和模型（4），加入城市化率、产业结构、能源结构和能源强度等控制变量，同时为在回归中避免多重共线性、减少数据的剧烈波动以及消除时间序列中异方差的影响，在回归中对碳排放总量、人均碳排放量、人均GDP和能源强度等变量取对数处理，其他变量为无量纲变量。构建实证模型，可以表示为：

由于人口增长率相对较低，且相较而言人口结构尤其是城镇和乡村人口结构对人均碳排放的影响更大，单一的人口规模在当前城市化进程中显然不是最为理想的解释变量。因此将人口规模替换为城镇化率，预期其符号为正。CITYt人口结构指标，指t时期的城镇常住人口占总人口的比率，为人口结构的代理变量，反映了人口结构变化对环境的影响。INDUt为产业结构指标，指t时期工业产值占GDP的比值，为产业结构的代理变量，反映了经济发展水平对环境的影响。工业产业为高耗能产业，工业产值比重越大，碳排放量越多，理论上该指标的系数为正。ESt能源结构指标，指t时期煤炭占一次能源的比重，为能源结构的代理变量，反映了资源禀赋程度。煤炭的碳排放方系数高于其他能源，理论上该指标的系数为正。EIt为能源强度指标，指t时期单位GDP产出所耗费的能源数量，为技术水平的代理变量，在相同的经济水平和能源消费结构前提下，碳排放总量和人均碳排放水平与节能减排技术的发展程度密切相关，理论上该指标的系数为正。在实证研究中，先对模型（6）进行逐步回归，以期建立可能的“最优”回归方程和可能的曲线形状。为保证模型的稳健性，同时对二次模型即模型（5）和三次模型即模型（6）进行回归检验，根据模型相关变量的系数的统计显著性和比较F值 以及调整R2进行判定。

二、结果与分析

（一）碳排放EKC曲线验证。在进行模型回归前，对lnTCt、lnPCt、lnPGDPt、lnPGDPt2、lnPGDPt3、lnEIt、CITYt、INDUt、CSt等变量进行ADF检验，结果显示都为一阶单整平稳序列，满足协整检验的条件。对相关变量进行Johansen协整检验表明，以上变量之间存在协整关系（篇幅所限，单整和协整检验步骤和结果未在文中列出）。基于协整检验结果，利用Stata14.0软件，在0.05的概率水平下，对模型（6）进行逐步回归，回归显示人均GDP 的三次项未被模型接受。同时为稳健起见，对三次模型和二次模型分别进行回归，如表1和表2所示。模型（5）的二次曲线要优于模型（6）的三次曲线，表明中国人均GDP与人均碳排放量，人均GDP与碳排放总量都呈倒“U”型关系，中国的碳排放EKC假说成立。根据二次曲线性质和拐点理论，中国碳排放总量峰值的理论拐点为人均GDP28591美元，与日本、韩国、芬兰等国家达到碳排放总量峰值时的人均GDP较为一致。在人均GDP保持年均5%增速情况下，要经过17年即2031年左右碳排放总量达到峰值。人均碳排放峰值的理论拐点为76108美元，远高于其他国家人均碳排放达到峰值时的人均GDP。在人均GDP保持年均5%增速情况下，要经过37年即2051年左右人均碳排放达到峰值。根据世界银行数据，我国2014年人均GDP为12344.3美元，目前仍未能越过拐点并且离拐点还有较长的距离，碳排放总量和人均碳排放处于逐年上升阶段，这与林伯强、蒋竺均等[5]的研究结论类似。

碳排放总量的峰值要早于人均碳排放量峰值到来。一方面是由于随着城市化进程的加快，城镇居民人均碳排放水平要高于农村居民，人均碳排放量将有逐步走高的趋势。另一方面是由于随着经济的发展、居民生活水平的提高，后期碳排放总量的增长主要源于消费性碳排放而不是工业化进程中的生产性碳排放，居民人均生活碳排放呈现出逐年增加的趋势[4]。因此，在GDP保持低速增长或低于碳强度下降幅度的情况下，碳排放总量将保持继续增长的可能性，人均碳排放量相对于碳排放总量而言，在短期内更加难以达到峰值。这也说明我国承诺争取在2030年左右碳排放总量达峰而不是人均碳排放量达到峰的现实可行性和策略的科学性。

表1 人均碳排放与人均GDP回归结果

表2 碳排放总量与人均GDP回归结果

根据表1和表2可得碳排放总量与人均GDP和人均碳排放量与人均GDP的回归结果方程：

将中国1971-2014年各指标数据代入式（7）和式（8），进一步验证模型的拟合程度，拟合值与人均碳排放量和碳排放总量实际值进行对比，各年碳排放总量和人均碳排放量基本吻合，误差绝对值均小于8%，验证了中国人均碳排放量和碳排放总量估计模型的科学性。图1中，y轴的主坐标表示碳排放总量，单位为百万吨，次坐标为人均碳排放量，单位为吨。由图1可知，总体来看，碳排放总量和人均碳排放量实际值和拟合值的折线图高度吻合。以2000年为临界点，2000-2014年中国碳排放总量增长幅度要大于人均碳排放量增长幅度，碳排放总量有先于人均碳排放量达到峰值的可能性。

图1 中国碳排放总量和人均碳排放量拟合图（1971-2015）

（二）碳排放影响因素分析。表1和表2中，模型（5）各变量系数符号符合经济学意义且都显著，且两模型控制变量系数方向一致，大小接近，系数的符号与本文的预期高度吻合，进一步说明了模型的稳健性。

1.经济发展对碳排放量的增加具有显著的促进因素。在当前技术水平下，尤其是对于经济相对落后的发展中国家来说，经济要发展，人民生活水平得到提高则意味着能源投入量和CO2等污染物排放量的增加。从发达国家发展历程来看，要达到较高的经济发展水平或达到较高的人均GDP水平，发达国家必然处于或曾经经历了较高的人均能源消费量和CO2等污染物排放量。文章实证研究显示，在其他控制变量一定的情况下，中国人均GDP增加1个单位将使人均碳排放量和碳排放总量分别增加3.33和5.20个单位。表明在现有技术水平下，经济的增长是碳排放增加的首要因素，且人均GDP对碳排放总量的影响要大于对人均碳排放量的影响。

2.降低能源强度是促进减排的首要可行性因素。能源强度变量对人均碳排放量和碳排放总量的影响显著，存在正相关关系，节能减排技术的发展能实现碳排放量的减少和峰值的早日到来。能源强度下降1个单位将影响人均碳排放量和碳排放总量分别下降1.20和1.34个单位。因此加快产业转型升级，实施创新驱动，增加经济发展中的科技含量，降低单位GDP产出能耗对节能减排具有十分重要的意义。

3.理论上，优化能源结构能有效地促进碳减排，对碳排放峰值目标的实现起到决定性作用，但我国能能结构的现实决定了在短期内其作用有限。能源结构变量对人均碳排放量的影响较为显著，在其他变量保持不变的情况下，煤炭能源占一次能源的比重每下降1个百分点将使人均碳排放量和碳排放总量分别下降0.75和0.19个百分点，能源结构对人均排放量的影响要大于对碳排放总量的影响，这主要是因为我国能源结构中以煤炭为主。居民生活碳排放主要来源于热力和电力等消费的间接碳排放，而这些消费所产生间接间接碳排放主要来自于煤炭的燃烧。但由于我国能源结构中煤炭占近70%的比重，中国能源结构在较长的一段时间内将仍以煤为主，能源结构的变化对我国碳排放总量和人均碳排放量的影响十分有限[5]。

4.城市化水平和第二产业占GDP产值比重与碳排放量为正相关关系，但影响程度较弱。城市化水平提高1%使人均碳排放量和碳排放总量上升0.05%，第二产业占GDP产值下降1%使人均碳排放量和碳排放总量下降0.02%。但我国仍处于城市化和工业化的中后期阶段，城市化水平将会有20个百分点左右的提升空间，第二产业占GDP产值比重也将有20个百分点左右的下降幅度，因此城市化和产业结构调整对我国碳排放的影响作用也不容小觑。

三、结论与对策建议

（一）结论。

1.碳排放EKC假说在中国成立，碳排放总量峰值的出现要早于人均碳排放峰值。回归结果显示二次曲线模型要优于其他模型，表明碳排放总量与人均GDP、人均碳排放量与人均GDP之间均存在倒“U”型关系。预测中国碳排放总量和人均碳排放达到峰值时对应的人均GDP分别为28591美元和76108美元。在现有技术水平和能源结构的基准情形下，人均GDP保持5%增速的情况下，我国碳排放总量和人均碳排放量峰值分别出现在2031年和2051年。在实施节能减排倒逼机制的节能情形下，我国碳排放总量和人均碳排放量峰值可能会早于预测时间到来。碳排放总量峰值要早于人均碳排放峰值的到来，这与芬兰、日本等国的情况相似。一是由于我国城市化水平较低，随着城市化进程和城市人口的增加，人均碳排放量将有逐步走高的趋势。二是由于随着经济的发展、居民生活水平的提高，后期碳排放量的增长主要源于消费性碳排放而不是生产性碳排放。

2.经济增长是碳排放的首要正向促进因素，对碳排放总量的影响要大于对人均碳排放量的影响。实证研究显示，在其他控制变量一定的情况下，中国人均GDP增加1个单位将使人均碳排放量和碳排放总量分别增加3.33和5.20个单位。降低单位GDP碳排放强度，提高能源使用效率是实现碳减排和尽早实现碳排放峰值的关键。据IEA统计，2014年，我国碳排放强度为1.10kgCO2/美元（2005年汇率计算），而世界碳排放强度平均水平为0.44kgCO2/美元，我国碳排放强度为美国的3倍多，为日本的近5倍，我国碳排放强度具有很大的下降空间。实施技术创新，发展节能减排技术，提高能源使用效率是国家实施可持续发展战略的重要组成部分。

3.降低能源强度，提高能源效率是降低碳排放量，兑现我国在国际社会的碳排放承诺最为有效和可行的举措。一方面，实证研究显示能源强度下降1个单位将影响人均碳排放量和碳排放总量分别下降1.20和1.34个单位。与发达国家比较而言，我国能源强度处于较高的水平，具有较大的下降空间，加大节能技术创新力度，提高能源效率是碳减排的有效方式之一。另一方面，尽管经济规模、能源结构和产业机构对碳排放量和人均碳排放具有正向驱动作用， 但我国仍处于社会主义初级阶段和以煤炭为主的能源结构现实使得通过以上因素促进碳减排，实现碳减排目标在短期内不具有现实可行性。

4.能源结构对碳排放具有较大的正向促进作用，对人均碳排放量的影响要大于对碳排放总量的影响。在其他变量保持不变的情况下，煤炭能源占一次能源的比重每下降1个百分点将使人均碳排放量和碳排放总量分别下降0.75和0.19个百分点。煤炭占我国能源结构比重近70%，理论上，优化能源机构，降低煤炭在能源结构中的比重，实现主体能源由油气替代煤炭、非化石能源替代化石能源的双重更替进程，加大天然气和非化石能源在能源结构中的比重，将对我国实施节能减排，实现碳排放量的总量控制和碳排放峰值的提前到来具有十分重要的作用。但由于我国传统能源产能结构性过剩问题突出，可再生能源发展面临多重瓶颈等问题，煤炭占能源结构的比重在短期内难以大幅度降低，如我国《能源发展“十三五”规划》中，2020年煤炭消费比重仍将达到60%。因此，能源结构的变化对我国碳排放总量和人均碳排放量的影响十分有限。

（二）对策建议。党的十八大报告指出：“人民日益增长的物质文化需要同落后的社会生产之间的矛盾这一社会主要矛盾没有变”。因此，我国仍将以经济建设为中心不动摇，保持经济的稳定增长。在环境污染问题日趋严重，碳排放空间收到严重外部约束的新常态下，如何实现经济的稳定增长，降低单位GDP碳排放强度，尽早实现碳排放峰值的到来，处理好经济发展和环境保护之间的关系，是“美丽中国”建设中必须面临的重大问题。根据实证分析，为保证经济稳定增长，有效控制和减少碳排放，兑现我国在世界气候大会上的承诺，经济发展过程中应注意以下方面。

1.注重经济发展质量，实施经济发展规模增量控制。经济发展仍是我国碳排放量增加的首要驱动因子。新常态下经济要发展，环境要保护，经济发展方式需要从规模速度型粗放增长转向质量效率型集约增长。在调整经济结构和实施技术创新驱动过程中，经济的发展需要在扩大GDP增量的同时转向调整现有存量，实施保增长、优存量的深度调整。

2.引导居民绿色消费，倡导低碳生活。实证研究表明，我国碳排放总量峰值的出现要早于人均碳排放峰值，反映了后期我国碳排放量的增加主要来源于居民生活消费碳排放。随着经济的发展，居民收入和生活消费水平的提高，在较长的时期内我国人均碳排放量将持续增加。另外，城镇化进程快速发展，人口城镇化、生活方式城市化将使生活消费碳排放进一步增加。所以，在城镇化进程中，倡导低碳生活方式，引导绿色消费，加强节能意识对于节能减排，实现绿色发展具有重要的意义。

3.降低单位GDP碳排放强度，提高能源效率，实施创新驱动。实现碳排放与经济增长之间的脱钩，关键在于提高能源效率，降低单位GDP能源强度和碳排放强度，经济的发展主要依靠技术创新驱动而不是资源驱动。一是要降低以煤炭为代表的高碳能源比率，实施能源结构低碳清洁化；二是优化产业结构，提高智能产业和服务产业对经济增长的贡献度；三是实施技术创新驱动经济发展，加速低碳技术的研发。