基于假设抽取法的中国区域间碳排放关联分析

马 忠， 耿文婷

西北师范大学地理与环境科学学院， 甘肃 兰州 730070

我国燃料燃烧产生的二氧化碳排放量在2006年超过美国，成为世界上最大的二氧化碳排放国[1]. 国务院在2016年颁发的《“十三五”节能减排综合工作方案》中提到节能减排的前景不容乐观. 我国幅员辽阔，区域间联系日益密切，合理分析区域间的碳排放关联效应为区域间节能减排责任分摊提供重要依据.

近年来，学者们对碳排放的研究除了围绕碳排放与经济增长[2-3]以及碳减排[4-5]外，区域间的碳排放关联研究也日趋增多. ZHANG等[6]研究表明，省域能源消费结构、能源强度是我国碳排放变动的主要影响因素. 李国志等[7]研究表明，区域间的人口、经济水平及技术进步的差异是造成我国碳排放区域差异的主要原因. LEI等[8]研究表明，能源生产与消费的逆向分布、能源价格等因素造成区域间的不平等，导致电力传输中的区域间碳排放转移. Pani等[9]研究表明，碳排放系数、能源结构和强度等因素是影响全球碳排放变动的主要因素. HUANG等[10]研究表明，碳排放具有很强的空间依赖性和区域趋同性. WANG等[11]对我国五大城市(北京市、上海市、天津市、重庆市和广州市)的城市发展强度与碳排放之间的关系进行量化研究表明，土地利用强度、经济强度等因素对碳排放有正向影响. CHEN等[12]研究表明，我国煤炭总碳排放量的区域间差异具有周期性波动的特征，原煤排放的浓度及区域内的排放差异是影响我国碳排放总量差异变化的主要因素.

基于投入产出模型的HEM(hypothetical extraction method，假设抽取法)起初用于分析产业部门对经济的影响，后来从经济领域扩展到了资源环境领域. 在关联效应研究中，HEM被广泛应用于研究产业结构变动对产业系统的影响[13]. HEM的关联性分析被广泛用于水资源[14-16]、经济[17-18]、土地资源[19]等领域. 目前HEM已经成为分析经济与环境资源问题的重要方法，并且在碳排放关联分析中崭露头角[20]. Ali[20]运用HEM测算分析了2011年意大利35个部门之间的碳关联. ZHAO等[21]应用环境投入产出模型研究了2005年南非部门隐含碳之间的流动. 钱明霞等[13]以我国产业层面为基础，计算分析了11个产业群的碳排放关联. 李萌[22]分析了建筑业碳排放的碳关联状态及碳转移特征. 魏庆琦等[23]在HEM的基础上，对重庆市22个工业部门碳排放在全国30个区域22个部门之间的转移进行测算与分析.

综上，学者们在碳排放关联研究及HEM的应用中取得了一系列成果，但大都是对单独的某一年份的碳排放的静态研究[24-25]，而针对各区域、各产业群不同年份的动态变化对比分析较为鲜见. 鉴于此，该研究应用HEM，通过最新的2012年中国区域间投入产出表，与2007年对比分析区域间碳排放关联效应以及基于生产和消费的碳排放变化特征，从产业生态系统解析各区域各产业群碳排放的关联关系及变化趋势，以期为中国碳减排政策的制定提供参考.

1 数据来源与方法

1.1 数据来源

采用中国科学院区域可持续发展分析与模拟重点实验室发布的《中国2012年31省区市区域间投入产出表》[26]和《中国2007年30省区市区域间投入产出表》(不包含港澳台地区数据)；能源消费量来自于《中国能源统计年鉴》. 研究计算需要的碳排放量，仅包括消耗一次能源(煤、石油和天然气)所产生的二氧化碳，煤、石油和天然气的碳排放系数参考文献[13]. 同时，根据GB 2589—1981《综合能耗计算通则》，将各类一次能源消费量换算成标煤系数，按1 t煤炭折合0.714 3 t标准煤、1 t石油折合1.428 6 t标准煤、1 m3天然气折合0.001 214 3 t标准煤换算.

1.2 研究方法

1.2.1产业群碳排放强度的计算

碳排放量根据一次能源消耗量的计算公式：

(1)

式中:Csq为q区域s部门的碳排放量，t，s=1,2,…,n；Esjq为q区域s部门的第j种一次能源的消耗量，t；ηj为第j种一次能源的碳排放系数.

假设q区域s部门的总产出为Xsq时，其碳排放强度计算公式：

(2)

1.2.2基于HEM的碳关联度测算

HEM是由Schultz[27]最先提出的，其主要思想是假设把某些产业从经济系统中抽掉，再通过对比抽走这些产业前、后经济系统总产出的变化，分析这些产业对整个经济系统造成的影响，从而测算其重要性. 通过对经济系统进行分块，可以确定相似部门构成的产业群与经济系统其他产业群之间的关联作用[19,27-30]. Duarte等[14]在研究水资源的使用时提出了改进的HEM方法，将关联作用分为4个关联效应，分别为内部效应、复合效应、净后项效应、净前项效应. 基于该研究思路，可将上述4个关联效应指标引入碳关联研究中.

1.2.3传统HEM的碳关联度分析

根据Turner等[31]的方法，构建碳排放的投入产出分析模型：

(3)

基于HEM的碳关联效应分析是以碳排放的投入产出模型为基础，将产业系统分为2个产业群Bs和B-s，对每一个产业群Bs，其产业部门碳排放表示为

(4)

(5)

(6)

TL=u(C-C*)

(7)

(8)

(9)

TL=BL+FL

(10)

为了能清楚地反映碳关联效应的强弱，该研究建立相对指标来反映各产业群的碳关联情况，当某一产业群某一碳关联相对指标大于1时，说明其对产业系统中的碳排放影响大于其他产业群.

1.2.4运用改进的HEM分析碳关联效应

在上述理论基础上，将HEM中的关联作用分解为式(11)～(14)：

(11)

式中，IE为内部效应，是产业群Bs在其内部的碳排放，即为了满足本产业群的最终需求Ys而消耗由本产业群独立生产的产品时所产生的碳排放.

(12)

式中，ME为复合效应，是产业群Bs的一部分产品作为中间投入，用来生产产业群B-s的产品，之后又回到产业群Bs作为中间投入所引起的碳排放，它具有前向和后向双重关联属性(如农产品被工业部门加工成饲料后又被农业部门购买并投入畜牧业生产).

(13)

式中，NFE为净前项效应，是产业群Bs在为其他产业群生产产品过程中的碳排放量，这部分碳排放随着产品的输出而流向其他部门且不会返回，反映的是产业群Bs碳排放的净输出.

(14)

式中，NBE为净后项效应，是产业群Bs为获得最终需求Ys而在对产业群B-s的直接和间接需求中产生的碳排放，表示Bs为满足自身需求而吸收的其他部门产生的碳排放，即碳排放的净输入.

为了从总生产和总消费的角度反映碳排放的联系，分析不同产业群PBE(基于生产的碳排放)和CBE(基于消费的碳排放)，其中，某一产业群的PBE是指该产业群在经济系统中被所有产业群所诱导的碳排放总量，CBE是指该产业群生产最终产品的所有产业群产生的碳排放总量.

PBE=IE+ME+NFE

(15)

CBE=IE+ME+NBE

(16)

在经济系统中，产业群Bs和B-s中的PBE和CBE与现实经济中碳排放总量(TER)具有以下关系：

PBEs+PBE-s=CBEs+CBE-s=TER

(17)

式中，PBEs和CBEs分别为产业群Bs基于生产的碳排放和基于消费的碳排放，PBE-s和CBE-s分别为产业群B-s基于生产的碳排放和基于消费的碳排放.

以NT表示产业群Bs的碳排放净转移量：

NT=NFE-NBE=PBE-CBE

(18)

如NT为正值，表示产业群Bs向系统净输出碳排放；如NT为负值，则表示产业群Bs向系统净吸收碳排放.

1.3 区域和产业群划分

将中国区域间投入产出表中的地区划分为8个区域(见表1)，每个区域包含17个产业群(见表2).

表1 中国八大区域划分

表2 八大区域产业群分类

2 结果与讨论

2.1 中国2012年和2007年各区域各产业群的碳关联度对比分析

图1 2012年各区域各产业群的碳关联度Fig.1 Carbon correlation degree of industrial clusters in different regions in 2012

2012年和2007年各区域各产业群的碳关联度如图1、2所示. 由图1、2可见，从区域来看，中部区域作为碳排放量最大的区域，其产生碳排放较多的产业群有石化工业，金属品冶炼及制品业，电力蒸汽热水、煤气自来水生产供应业和建筑业，其中，建筑业在2012年和2007年的后项碳关联绝对指标值是八大区域中最大的，说明建筑业为满足下游产业群的生产需求产生的碳排放最多. 由此也说明中部区域在所有区域中承担主要的碳减排责任，尤其建筑业是该区域内产生碳排放最多的产业群，因而减排责任分摊比重也较高. 2012年石化工业，商业、运输业和其他服务业总碳关联、前项碳关联和后项碳关联的相对指标值均大于1，表明这些产业群位于产业链的中游位置，上游产业在为其产生碳排放的同时，其也为下游产业的生产产生了大量的碳排放. 该结果与中部区域工业发展战略相吻合，即以推进工业化为突破口，发挥区位和资源优势，将中部区域建立成全国最重要的能源原材料基地. 西北区域蕴藏的丰富能源，决定了电力等能源在西北区域发展中的重要作用. 从绝对指标来看，2012年电力蒸汽热水、煤气自来水生产供应业在与其他产业群的直接和间接关联中产生的碳排放最多(244 722 774 t)，在前项供给中产生的碳排放(242 068 762 t)远多于后项需求产生的碳排放(2 654 012 t)，说明该产业群为满足下游产业生产所供给的碳排放多于为满足上游产业最终需求而产生的碳排放. 2007年西北区域石化工业产生的碳排放最多，并且其在前项供给中产生的碳排放高于后项需求产生的碳排放. 因此，导致西北区域产生碳排放较高的产业群在该区域减排任务中所占的比重也较高，这为政府部门制定碳减排的相关政策提供了一定依据.

图2 2007年各区域各产业群的碳关联度Fig.2 Carbon correlation degree of industrial clusters in different regions in 2007

由图1、2可见，在后项碳关联方面，2012年和2007年中八大区域建筑业和其他服务业的后项碳关联相对指标值均大于1，表明这些产业群为满足上游产业的最终需求产生了较多的碳排放，尤其中部区域、西北区域和西南区域建筑业的后项碳关联相对指标值在2012年和2007年分别为9.446、6.935、8.365和5.428、7.576、5.298，远超过其他区域，反映出这3个区域的建筑业为上游产业产生后向需求的过程中产生或吸收了大量的碳排放，是建筑业最具潜力的三大碳排放区域，在碳减排任务中分摊的比重较高. 由此说明，建筑业消耗的水泥、钢铁等能源材料会产生大量的碳排放. 与2007年相比，东北区域的机械工业，北部沿海区域的石化工业，西北区域的商业、运输业等的后项碳关联相对指标值均由小于1转为大于1，说明这些产业群对上游产业产生后向需求的过程中产生或吸收的碳排放有所增加；相反，北部沿海区域和南部沿海区域的服装纺织业，东部沿海区域和中部区域的金属品冶炼及制品业等的后项碳关联相对指标值均由大于1转为小于1，说明这些产业群对上游产业产生后向需求的过程中产生或吸收的碳排放有所减少. 在前项碳关联方面，2012年和2007年中部区域的电力蒸汽热水、煤气自来水生产供应业的前项碳关联相对指标分别为7.378和7.258，远高于其他区域，说明该产业群位于产业链的上端，为下游产业需求产生了大量的碳排放，也从侧面反映了中部区域的电力蒸汽热水、煤气自来水生产供应业对其他区域的拉动作用较大.

2.2 2012年和2007年中国在区域水平上的PBE和CBE分析

2012年和2007年八大区域的PBE和CBE如图3所示. 由式(17)可以推导出八大区域的PBE和CBE之和应该是相等的[1]，根据计算结果，2012年和2007年八大区域的总PBE分别约为 3 603 437 410 和 3 481 540 725 t，等于这2 a的总CBE. 由表3可见，将2012年和2007年的PBE和CBE分配到各区域，PBE较大的区域通常具有较大的CBE，发达的沿海区域(北部沿海、中部沿海和南部沿海)及发展中区域(中部区域和西北区域)的PBE和CBE较大，该结果与这些区域的经济规模和发展有关. 如2.1节结果显示，沿海区域经济规模发展相对完善，重工业等为满足上、下游产业需求而产生了大量碳排放，导致前项碳关联和后项碳关联绝对指标值偏高，并且碳排放量最大的中部区域的石化工业和电力蒸汽热水、煤气自来水生产供应业等为满足下游产业的生产需求产生的碳排放最多，所以其后项碳关联绝对指标值在2012年和2007年是其他区域中最大的. 结果说明，我国大量碳排放均与发达的沿海区域和发展中区域有关，而京津区域规模较小(仅由2个城市组成)，产业结构相对完善. 因此，2012年和2007年的PBE和CBE两项指标均为最低. 因此,减排责任分摊比重较高的区域多为经济富裕的沿海区域和资源丰富的中部区域和西北区域，而减排责任分摊比重较低的区域多为欠发达区域或工业不发达的区域，其对能源的需求较低，致使产生的碳排放较少.

图3 2012年和2007年中国八大区域的PBE和CBEFig.3 PBE and CBE in different regions of China in 2012 and 2007

2.3 中国2012年和2007年各区域各产业群的PBE和CBE分析

表3 2012年和2007年中国区域水平上的PBE和CBE

各区域各产业群2012年和2007年的PBE和CBE如表4、5所示. 由表4、5可见：各区域石化工业和电力蒸汽热水、煤气自来水生产供应业在2012年和2007年均是PBE最大的2个产业群，表明这些产业群为了满足自身需求而消耗其他产品所产生的碳排放相对较多；对东北、西北等资源丰富的区域，采选业是另一个PBE较大的产业群. 不同区域PBE较小的产业群不同，如2012年食品制造及烟草加工业在东部沿海区域的PBE(3 959 568 t)最小，而其在东北区域的PBE(38 850 305 t)相对较大，东北区域PBE最小的产业群为建筑业(552 524 t)，该结果与东北区域是我国重要的粮食生产基地密切相关.

建筑业和其他服务业的CBE在各区域均较大. WANG等[32]研究发现，在国家层面上，技术产业、建筑业和服务业均是CBE较大的产业群. 农林牧渔产品和服务业、采选业、纺织服装业等CBE均较小，然而对于东部沿海区域和南部沿海区域，在2012年和2007年纺织服装业也是CBE较大的一个产业群. 对于PBE和CBE较大的区域或产业群，其在各区域内部均是碳排放的主要来源，因而在减排任务中所承担的责任较重，所以这些区域应加强实施减排措施以降低碳排放.

对各产业群的PBE和CBE之间的NT(平衡量)，即碳排放净转移量进行测算(见表6). 中国八大区域在2012年和2007年各产业群对产业系统净输出和净吸收的碳具有显著的相似性. 2012年和2007年八大区域的采选业、石化工业、非金属矿物制品业、金属品冶炼及制品业、其他制造业和电力蒸汽热水、煤气自来水生产供应业等向产业系统净输出碳排放，NT值均大于0；而农林牧渔产品和服务业、食品制造及烟草加工业、纺织服装业、机械工业、建筑业

表4 2012年各区域各产业群PBE和CBE

表5 2007年各区域各产业群PBE和CBE

表6 2012年和2007年各区域各产业群碳排放净转移量

和其他服务业等的NT值均为负，从产业系统净吸收碳排放. 以建筑业为例，CBE和NT值通常较大，说明建筑业由于使用了其他产业群的中间投入品而产生的碳排放较多，而自身内部产生的碳排放较少. 该结果为政府部门对制定长期的碳减排策略提供了较好的政策参考价值.

3 结论

a) 与2007年相比，2012年中国八大区域总碳排放量变化趋势稳定，中部区域和西北区域碳排放强度位居八大区域的前两位，说明这2个区域由于自身经济增长导致的碳排放多于其他区域，而产生碳排放较多的原因主要是缺少更先进的清洁生产技术及合理的产业结构.

b) 在我国PBE较大的区域通常CBE也较大，京津区域的PBE和CBE均最小，原因是京津区域规模较小，高耗能产业少，并且产业结构较优化. 发达的沿海区域和中部等发展中区域向整个经济系统净输出碳排放，NT值为正值，表明其为满足其他区域的最终需求而向产业系统净输出碳排放，因而这些区域减排责任分摊比重相对较高.

c) 中国三大沿海区域中，南部沿海区域产生的碳排放最少. 与2007年相比，2012年北部沿海区域的石化工业和交通运输设备制造业对上游产业产生后向需求的过程中产生或吸收的碳排放增多，而服装纺织业产生的碳排放减少.

d) 某些产业群的产品作为其他产业群的中间投入品在产业系统中产生了碳排放，如采选业、石化工业和电力蒸汽热水、煤气自来水生产供应业等；而对于建筑业和其他服务业，为满足上游产业群的最终需求产生的碳排放较多，其CBE大于PBE，并且各区域建筑业在2012年和2007年后项碳关联相对指标值均大于1，尤其中部区域、西北区域、西南区域是建筑业最具潜力的三大碳排放区域.

e) 中国一次能源消费主要以煤炭为主，能源消耗大的部门对产业系统碳排放影响巨大，因此其所占的减排责任分摊比重较高，因此各区域应该着力调整能源结构、极力发展清洁能源，从而减少二氧化碳等温室气体的排放，如中部区域和西北区域应提高建筑业、石化工业的能源利用率，大力发展高新技术产业等.