长江经济带能源消费碳排放与经济增长实证分析——基于弹性脱钩模型

邢 红

(南通师范高等专科学校,江苏 南通 226500)

1 引言

能源消费与经济增长关系始终是经济学领域关注的热点。经济发展促使人们对能源消费的依赖不断增强,造成了能源的过度消耗和大量的碳排放,既影响了经济的健康发展,又不利于生态环境的保护。

因此,考察能源消费、碳排放、经济增长三者之间的复杂关系逐渐成为学术界的研究热点。本文借助NoteExpress软件,在CNKI上分别以“能源消费、碳排放、经济增长”为关键词和篇名,共搜索到114篇文献,其中刊文量最高的是《统计与决策》,为7篇;其次是《生态经济》、《长江流域资源与环境》,均为4篇;第三是《资源科学》、《科技管理研究》、《河北经贸大学学报》、《干旱区资源与环境》、《工业技术经济》等,均为3篇。共有81篇论文，累计受180项各级各类基金资助,有关能源消费、碳排放与经济增长的研究已取得丰硕成果。

从研究方法看,定量考察能源消费、碳排放与经济增长三者关系的理论模型越来越多,主要有:①以EKC模型、Grange因果检验模型为代表的计量经济方法,主要对三者之间相互影响进行对比分析。李金克等[1]利用EKC模型研究了我国经济增长与碳排放量之间的关系,认为我国将在2025年经过库兹尼茨曲线拐点;牛叔文[2]、翟石艳等[3]分别以亚太8国、我国长三角为研究对象,基于面板数据模型、ARDL和Granger模型进行分析,认为三者之间存在着长期均衡关系。②以动态CGE模型、投入—产出模型等投入—产出法,主要分析与预测各种因素对能源消费、碳排放与经济增长的影响。郭正权等[4]构建动态CGE模型对我国2007—2030年经济增长、能源消费与碳排放的发展趋势与变化特征进行了预测,认为在模拟期内我国经济增长速度逐渐放缓,能源强度和碳排放强度将不断降低;付雪等[5]编制了能源—碳排放—经济地区间投入—产出表,应用线性规划方法给出经济增长最大化和碳减排双目标下各地区分产业碳排放指标与结构调整规划,模型结果表明应削减能源消耗并将重工业转移出中国地区。③将脱钩模型与LMDI模型、Laspeyres等因素分解模型相结合,考察能源消费结构、能源强度、经济发展等因素对碳排放变化的贡献。盖美等[6]利用弹性脱钩分析探讨辽宁沿海经济带能源碳排放与经济增长的脱钩关系及演变趋势,认为辽宁沿海经济带整体脱钩关系从扩张型负脱钩向弱脱钩转变;刘博文等[7]运用LMDI分解法和Tapio脱钩指标分析了我国区域产业增长和CO2排放的脱钩弹性和脱钩努力程度,结果表明产业结构和能源结构调整仍是未来我国实现脱钩的重要途径;涂红星等[8]基于Tapio模型,实证研究了我国工业经济增长与碳排放的脱钩关系,运用LMDI方法将碳排放强度变化的主要因素分解为能源强度、能源结构和工业结构。

长江经济带横跨我国东、中、西三大区域,包括上海、江苏、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重庆、四川、云南、贵州等11个省份,已成为我国除沿海开放地区外经济密度最大的地带。虽然2014年我国才正式提出长江经济带发展战略,但众多学者对长江经济带碳排放进行了系统研究,主要集中在碳排放的核算及情景分析[9]、脱钩状态及驱动因素[10]、空间关联性[11]、区域差异与贡献度[12]等方面。但目前基于能源消费碳排放与经济增长关系的研究不多,王健等[13]基于Tapio脱钩模型与面板数据EKC曲线从经济增长水平和增长方式两个维度检验了长江经济带经济增长与CO2排放之间的关系;黄勤等[14]利用LMDI模型将长江经济带能源消费碳排放的驱动因素分解为经济规模、产业结构、能源强度和能源结构四大效应,并分析了碳排放的空间差异。这些研究成果对长江经济带能源消费、碳排放与经济增长三者关系的研究奠定了良好的基础,但仍存在不足,主要是:①在核算碳排放时大多仅考虑了煤炭、石油、天然气等少数几种能源[1,14-16],或只测算了终端能源消费及其引起的直接碳排放,忽略了电力、热力加工转化的能源消费与间接碳排放,导致碳排放量估算偏小或不精确;②既往研究主要着眼于对历史时期能源消费与经济增长关系的脱钩分析,而对未来脱钩发展趋势研究偏少。本文试图克服既往研究的不足,全面估算长江经济带生产、生活能源消费的碳排放量,基于弹性脱钩模型研究能源消费、碳排放与经济增长之间的关系，借助等维灰色递补GM(1,1)模型对未来长江经济带能源消费碳排放与经济增长的脱钩关系进行预测,为实现长江经济带“生态优先、绿色发展”提供针对性的建议。

2 研究方法与数据

2.1 碳排放量核算

由于我国目前尚未建立有关碳排放量的统计体系,因此无法直接获取长江经济带碳排放量的相关数据,本文借鉴IPCC推荐的方法,根据能源消费数量与能源碳排放系数进行估算。2010年,由于各省市地区能源平衡表内容发生了重大变化,根据《中国能源统计年鉴》统计口径,参照万庆等[17]做法对相关能源种类进行了适当合并,并扣除终端能源消费量中用于工业原料或材料的能源消费(未直接燃烧产生的碳排放)。本研究核算的能源种类包括:原煤、洗精煤、其他洗煤、型煤、焦炭、焦炉煤气、其他煤气、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、液化石油气、炼厂干气、天然气、热力、电力和其他等18种能源。

表1 各能源折标系数与碳排放系数

注:折标系数来源于2016年《中国能源统计年鉴》,除其他能源外,各能源碳排放系数取自参考文献[19-21]中的平均值。

根据IPCC《国家温室气体排放清单指南》中碳排放计算方法,长江经济带碳排放计算公式为:

(1)

式中,C为CO2排放总量(t);Eij为第i部门第j种能源的实物消费量(t);αj为第j种能源折标系数(kgce/kg,气体为kgce/m3);βj为第j种能源碳排放系数(kg/kgce),各能源折标系数、碳排放系数见表1。

对电力和热力的碳排放系数,本文借鉴查建平等[22]的计算方法,采用式(2)与式(3)进行折算:

(2)

(3)

2.2 脱钩模型构建

较常用的脱钩评价模型主要有Tapio模型和OECD模型。与OECD模型相比,Tapio模型对时间基期选择要求低、不需要大量的基础数据支持、可定量描述经济增长与碳排放的相互关系等优点,能清晰地反映各要素的脱钩状态,目前已在资源消耗、碳排放与经济增长的关系研究中得到广泛应用[6,10]。

表2 Tapio脱钩效应模型的8种脱钩关系

基于Tapio指数的一般形式[23],本文定义能源消费碳排放与经济增长的脱钩指数表达式为:

(4)

式中,ε为弹性脱钩指数;C为CO2排放量;ΔC为当期相对于上期CO2排放的变化量;G为地区国民生产总值;ΔG为当期相对于上期地区生产总值的变化量。根据脱钩弹性指数的不同特征,将脱钩状态分为8种类型(表2)。一般认为,实现经济低碳化发展的最理想状态是强脱钩状态,其余7种状态均属于不可持续发展状态。

2.3 等维递补GM(1,1)灰色预测模型

本文构建等维递补GM(1,1)预测模型分别对2016—2025长江经济带能源消费碳排放与经济增长三个子系统进行预测,通过预测分析未来10年碳排放脱钩效应所折射出的碳排放与经济增长之间的变化。GM(1,1)模型是对原始数据进行处理,使其由不平稳的随机数列转变为有规律的时间数列,并在此基础上建立模型。

对原始数据做一次累加生成处理:设原始数据x(0)=(x(0)(1),x(0)(2),x(0)(3),…x(0)(n)),对其进行一次累加,得:

x(1)=(x(1)(1),x(1)(2),x(1)(3),…x(1)(n))

(5)

对灰色预测模型GM(1,1)进行事前检验,即对x(0)进行准光滑性检验、对x(1)进行准指数规律检验,只有通过上述两个检验,才能建立有效的GM(1,1)模型。

建立GM(1,1)方程：

(6)

式中,a、u为常数,可通过最小二乘法拟合得到。

(7)

式中,Y为列向量Y=[x(0)(2),x(0)(3),…x(0)(n)]T,B为构造数据矩阵。

(8)

(9)

(10)

(11)

当p≥0.95且c≤0.35时,模型预测精度为一级;当0.8≤p<0.95且0.35≤c<0.5时,模型预测精度为二级;当0.7≤p<0.8且0.5≤c<0.65时,模型预测精度为勉强;当p≤0.7且c≥0.65时,模型预测精度为不合格,此时不能用来进行预测,必须用残差序列建模进行修正才能保证预测精度。因为GM(1,1)模型中的灰参数估计值一旦被确定以后,则不再改变,因此其动态时变性质被忽视,故该模型一般只适用于短期预测,远期预测效果不够理想。为提高GM(1,1)模型的预测效果,本文采用等维递补GM(1,1)模型。预测原理是在建立模型时可先通过精度最好的GM(1,1)模型预测一个值,再将其补充到已知的原始数列{X(0)}中去,同时去掉X(0)(1)使序列保持等维,然后用新数列按照上述方法对下一个值进行预测,逐个滚动直到完成预测目标,以此通过时间推移使未来的扰动因素不断进入系统,从而对系统施加影响。因为考虑到与预测期接近的数据更为有效,因此该模型预测精度一般比全数据GM(1,1)模型有显著提高[24]。

2.4 数据来源及处理

本文所涉及的数据主要包括两方面:碳排放测算与脱钩特征分析。其中，碳排放测算中涉及到的18种能源消费数据来源于1996—2016年的《中国能源统计年鉴》、《中国电力年鉴》、《新中国60年统计资料汇编》和长江经济带11省市的统计年鉴；脱钩特征分析中涉及的11省市GDP数据、各产业数据均来自1996—2016年的《中国统计年鉴》和各省市的统计年鉴。为了使数据具有可比性,GDP以1995年为基期进行平减,对少数缺失值利用SPSS采用线性插值法进行补充。

3 实证分析

3.1 长江经济带能源消费碳排放变化趋势

1995—2015年长江经济带能源消费量、能源消费强度和根据式(1)估算的碳排放量及其碳排放强度变化趋势见图1。从图1可见,长江经济带能源消费量与碳排放量的变动趋势大体一致。1995—2012年长江经济带碳排放量逐年递增,从1995年的32064.7万t上升到2012年的95775.64万t,年均增长率为6.65%,后3年碳排放量基本稳定,仍保持较高的碳排放水平。另一方面,1995—2015年碳排放强度和能源消费强度均下降了60%以上,且两者下降趋势大体一致,表明长江经济带发展过程中的经济发展对能源的依赖程度在逐渐降低。

图1 1995—2015年长江经济带能源消费及碳排放变动

碳排放的产业差异:由图2可知各产业碳排放量差异较大,工业碳排放量从1995年的23600.32万t上升到2015年的64227.90万t,占碳排放总量的70%左右;其次是生活能源消费碳排放量,从1995年的4443.95万t上升到2015年的10157.83万t,占碳排放总量的10%,表明未来长江经济带碳减排应着力关注工业和生活消费两大部门。此外,交通运输仓储和邮政业、其他三产、批发零售和餐饮住宿业的碳排放量虽然较少,但是1995—2015年碳排放增量均已达到5—6倍,增速在六大产业中分居前三位,表明第三产业的碳排放增长不容忽视。

图2 1995—2015长江经济带各产业碳排放

碳排放的能源品种差异:从图3可知,在各能源消费品种中电力和原煤碳排放占有绝对优势,电力碳排放量从1995年的8117.24万t上升到2015年的28594.25万t,并且从2011年起一直维持在每年28000万t碳排放量的较高水平,年均增长率为6.50%;其次是原煤,1995—2001年原煤略有下降,之后一直以3.74%的速度递增,到2012年原煤碳排放量达到峰值的24361.75万t,近年来碳排放量下降基本维持在20000万t左右,两者碳排放量仍超过总排放量的1/2以上。这主要是因为我国能源资源构成中煤炭占比超过80%,电力中火电占比为80%左右,意味着以煤炭为主的能源资源构成导致未来很长时间内碳排放量将居高不下。因此,必须采取有效措施推进能源消费结构多样化、提高优质能源消费占比、改变化石能源的传统使用方式,切实减少碳排放量,实现低碳生产、清洁生产。

图3 1995—2015长江经济带各类能源消费碳排放

图4 1995—2015长江经济带11省市能源消费碳排放

碳排放的空间差异:由图4可知,样本期内各省市碳排放总量呈上升趋势,年均增长5.54%,2015年碳排放总量达到94225.44万t。其中,增幅位于前三位的依次是重庆(3.3倍)、江苏和浙江(2.95倍),尤其是江苏和浙江的碳排放量不但增速快,而且两省的碳排放绝对值约占总量的1/3,主要是因为东部地区人口众多,生活能源消费需求量大，同时江浙沪为长江经济带龙头,各产业发展水平很高,沿江长期发展高耗能的重化工产业,导致碳排放量居高不下。其次,湖南、四川碳排放量分居第三、四位,成为中西部地区碳排放中心。2015年碳排放量前六位的省市碳排放总量达到67003.51万t,占长江经济带总量的71%(与黄国华等[18]的研究结果大体一致)。此外,江西、重庆、云南等中西部地区碳排放量较少,2015年的碳排放总量为16722.66万t,不足长江经济带碳总量的20%,可见长江经济带碳排放的聚集度很高,高投入、高消耗、高排放的状况没有得到根本扭转,经济发展对能源消费的依赖性仍很强。

3.2 能源消费碳排放与经济增长的脱钩分析

时间演变特征:根据式(4)计算得到长江经济带各年份碳排放脱钩指数(表3)。从表3可见,长江经济带所有年份的经济总量都在不断增长,但碳排放量增长状况各年份不完全相同,导致长江经济带碳排放与经济增长的脱钩状态在不断变化。根据脱钩关系特征,本文将1995—2015年分为4个阶段分析:1995—2000年,长江经济带能源消费碳排放与GDP脱钩基指数呈波动下降趋势,基本处于较理想的脱钩或强脱钩状态。其中,1999—2000年弹性脱钩指数已下降到-0.0537,这可能与长江经济带大力贯彻实施“关停并转十五小”企业的决定有关。2000—2006年,长江经济带碳排放脱钩指数一路攀升,2000—2001年碳排放脱钩指数为0.3341,为较理想的弱脱钩状态,而在2004—2005年碳排放脱钩指数已上升到1.4580,表现为扩张负脱钩状态,且其间多个年份表现为增长连结状态,主要与该阶段长江经济带集中开工建设大量的“高投入、高能耗、高排放”重化工有关。2006—2010年,该阶段碳排放脱钩指数先下降后缓慢回升,但总体处于弱脱钩状态,脱钩状态略有改善,原因是长江经济带开始实施低碳发展战略,导致碳排放速度略有下降。2010—2015年,碳排放脱钩指数波动下降,并多次出现强脱钩的理想状态,原因是长江经济带正处于产业转型升级中,导致单位产值的能耗水平逐渐下降。此外,长江经济带上升为国家发展战略,强调“共抓大保护,不搞大开发”的政策促进了弹性脱钩值下降。

表3 1995—2015年长江经济带能源消费碳排放与GDP脱钩情况

空间差异特征:从长江经济带总体角度看,长江经济带11省市脱钩状况存在较大差异,且处于不断改善过程中(图5)。由表4可知,在第一阶段(1995—2000年)各省市碳排放与GDP脱钩情况较理想,江苏、江西等5省达到了强脱钩状态,上海、浙江等5省市达到了弱脱钩状态,只有重庆市(1.316)为扩张负脱钩状态;第二阶段(2000—2006年)脱钩状况严重恶化,所有省市均没有达到强脱钩状态,弱脱钩状态减少为3个,6省市为增长连结状态,湖南和云南恶化为扩张负脱钩状态。第三阶段(2006—2010年)脱钩恶化状态有所改善,无扩张负脱钩现象,多表现为弱脱钩和增长连结,其中湖南和云南的脱钩状况明显改善。第四阶段(2010—2015年)脱钩状态进一步改善,湖北、湖南和云南改变为强脱钩,其余各省市均为弱脱钩,整个经济带的碳排放压力均较小。在各阶段中上海一直处于较理想的弱脱钩状态,这主要是因为上海在长江经济带中起着龙头作用,其产业结构已经由“二三一”转变为“三二一”,且在第三产业中低能耗的高新技术产业不断发展壮大,产值已经接近1/3;以云南为代表的西部地区脱钩状况改善较明显,主要是因为西南地区水电资源丰富,降低了煤炭和火电的消费量,碳排放量较少;另一方面,西部大开发、长江经济带上升为国家发展战略,给该地区营造了良好的外部发展环境。

图5 1995—2015长江经济带能源消费碳排放与GDP脱钩空间差异

表4 1995—2015年11省市能源消费碳排放与GDP脱钩情况

产业差异特征:1995—2015年长江经济带六大产业能源消费碳排放与GDP脱钩情况见表5。由表5可知,4个阶段中六大产业的碳排放脱钩状况存在着较大的差异,且呈现出逐渐改善的状态。第一阶段(1995—2000年)农林牧渔业和工业处于强脱钩状态,建筑业和其他第三产业处于弱脱钩状态,交通运输仓储业和批发零售住宿餐饮业则处于增长连结状态;第二阶段(2000—2006年)脱钩状态恶化,脱钩状态已不存在,交通运输仓储业恶化最严重,转变为扩张负脱钩状态,其他各产业碳排放压力均增大,处于增长连结状态;第三阶段(2006—2010年)脱钩状态有所改善,农林牧渔业、工业和交通运输仓储业转变为弱脱钩状态;第四阶段(2020—2015年)脱钩状态进一步改善,扩张负脱钩状态已不存在,大体呈现为较理想的弱脱钩和强脱钩状态。

4个阶段中,农林牧渔业和工业都经历了“增加—减少”的过程,表现为弱脱钩状态;建筑业、交通运输仓储业、批发零售住宿餐饮业虽然也经历了“增加—下降”的过程,但是基本表现为增长连结甚至是扩张负脱钩状态,最终表现为弱脱钩状态;而其他第三产业较差,基本处于增长连结的状态,意味着必须关注未来其他第三产业发展过程中碳排放压力的不断增大,应及早提高其他三产的能源利用效率,减少碳排放。

表5 1995—2015年长江经济带六大产业能源消费碳排放与GDP脱钩情况

3.3 碳排放与经济增长脱钩效应预测

本文分别以1995—2015年长江经济带能源消费量、碳排放量、GDP为原始序列,根据式(5)—式(10)建立能源消费量、碳排放量、GDP等维灰色递补GM(1,1)模型并预测,逐一进行模型检验(表6)。结果表明,本文所建立的GM(1,1)模型精度较高,可以以此为依据建立等维递补灰色预测GM(1,1)对长江经济带能源消费量、碳排放量及GDP进行中长期预测(表7)。

表6 灰色预测精度检验

表7 2016—2026长江经济带能源消费、碳排放量、GDP及其弹性脱钩指数预测

根据式(4)分别构造能源消费与碳排放、能源消费与GDP的脱钩指数,记为ε(ce)、ε(eg)。由表7可知,未来10年长江经济带能源消费量将增加1倍,超过30亿t标煤;碳排放量增加了1倍以上,达到233216.14万t,无疑会对长江经济带的能源生产和能源消费造成巨大的压力;得益于长江经济带国家战略的实施,未来该经济带前景较乐观,预计经济总量将超过7万亿元。就三者的脱钩状态而言,能源消费与GDP脱钩状态较稳定,弹性脱钩指数从2016—2017年的0.760波动下降到2025—2026年的0.588,基本处于比较理想的弱脱钩状态;而碳排放与能源消费的弹性脱钩指数均超过了0.8,表现为增长连结状态,表明未来长江经济带碳排放增速与能源消费增速大体一致,减排的压力不容小觑。由于经济增长速度将超过碳排放增长速度,碳排放与GDP表现为较理想的弱脱钩状态。其中，2016—2023年弹性脱钩指数呈波动下降,到2023年下降到最低值0.5613,之后将开始缓慢回升达到0.6209,整个预测期内不但未能实现碳排放压力减小、GDP增长的强脱钩理想状态,而且与强脱钩理想状态尚有较大距离,表明未来长江经济带必须尽快推动产业结构升级、改变现有的能源消费结构以摆脱碳排放压力增大、脱钩状态恶化等一系列后果。因此,必须尽快实施相应政策,切断经济增长对能源消费的依赖,大力促进低碳经济发展。

4 结论

通过测算得到以下主要结论:①1995—2015年长江经济带碳排放总量逐年递增,到2012年达到最高值95775.64万t,之后一直维持较高的碳排放水平。上述碳排放量主要来自工业与生活消费两大部门,分别约占70%、10%;原煤与电力的碳排放量约占各类能源消费碳排放总量的1/2;江浙、湖南与四川分别成为东、中、西部地区的碳排放中心,尤其是江浙的碳排放量约占总量的1/3,碳排放的空间集聚度非常高。②1995—2015年长江经济带碳排放与经济增长脱钩状态大体分为4个阶段:第一阶段弹性脱钩指数波动下降,表现为较理想的弱脱钩状态;第二阶段弹性脱钩指数一路攀升,严重恶化为增长连结或扩张负脱钩状态;第三阶段弹性脱钩指数开始下降,脱钩状态有所改善;第四阶段脱钩状态进一步改善,基本表现为弱脱钩或强脱钩状态。③通过等维灰色递补GM(1,1)模型预测,2016—2026年长江经济带能源消费、碳排放量和GDP均持续增长,由此导致能源消费与经济增长、碳排放与经济增长均呈现弱脱钩状态,而碳排放与能源消费呈现增长连结状态,上述状态与理想的强脱钩状态均有一定的距离,未来长江经济带碳排放压力将渐增。