基于STIRPAT模型的甘肃省碳达峰预测

牛 君，程智超

(甘肃政法大学 经济学院，兰州 730070)

一、引言

目前，全球气候变化形势严峻，我国作为全球第一碳排放大国，碳排放量长期处于“高增速”“高总量”阶段，亟须采取相应解决措施。习近平总书记在2020年第七十五届联合国大会一般性辩论会和气候雄心峰会上发表讲话，指出我国要在2030年左右达到碳达峰，2060年实现碳中和。实现碳达峰是实现碳中和的前提和基础，因此，为兑现“双碳”承诺，积极探索碳达峰实现时间与峰值量十分必要。

甘肃省是我国重要的能源基地，但是由于种种原因导致甘肃省面临的“减排”挑战非常艰巨，尤其表现在以下几个方面：人口总量以及城镇化率呈上升趋势，人口增长与推进城镇化过程需要大量能源支持；生态环境较为脆弱，地区生产总值较低，人均GDP与能源强度下降速度也落后于其他大部分省份；产业结构不合理，第二产业能源消耗大于一、三产业消耗总量。目前，甘肃省地方政府、相关部门和重要行业在“中国共产党甘肃省第十四次党代会”会议精神的指引下，正在研究和制定控制碳排放和应对气候变化等方面的措施，寻求低碳发展的新模式。然而，CO2减排既是气候问题也是发展问题，这对甘肃省寻求低碳发展战略提出了更高要求。故此，深入研究甘肃省碳排放影响因素并预测其碳达峰时间，对甘肃省能源转型和经济高质量发展，并在全国“双碳”目标的实现中贡献甘肃智慧和甘肃力量具有重要意义。

国内外学者对碳达峰有关问题做出了大量研究，主要涉及以下三大领域。

在碳排放驱动因素方面，徐国泉[1]认为在碳排放的贡献因子中，经济发展的影响最显著。林伯强、蒋竺均[2]使用STIRPAT模型及LMDI分解法，证明能源强度、产业结构对CO2排放有显著影响。王锋等[3]认为人口数量、人均GDP、经济结构均可导致CO2排放量增加，而能源强度和CO2排放呈现负相关，并且在各影响因素中人均GDP的影响最大。李波等[4]对农业碳排放的影响因素进行探究，结果表明效率、结构以及城镇化程度能够显著减少CO2排放。张传平[5]则指出，在工业中能源强度是减少碳排放的一个重要驱动因子。黄蕊[6]等使用STIRPAT模型研究江苏省的碳排放与各因素之间的关系。刘元欣等[7]采用固定效应面板分位数模型发现，人均GDP、能源强度和人口数量对CO2排放的影响较大。

在CO2峰值预测方面，学者们采用了不同的模型。张军莉[8]对我国近年来关于碳排放预测所采取的模型进行归纳汇总，并对这些模型的运用现状进行总结，如IPAT方程、成本分析与经济模型、灰色预测模型、LEAP模型等。在这些模型中，LEAP建模复杂，IPAT方程和随机回归模型更加简便实用。其中席细平[9]就利用IPAT模型对未来江西省碳排放峰值出现的时间进行预测。YORK R等[10]对IPAT恒等式进行研究评估之后，在其基础上提出了目前广泛使用的STIRPAT模型，该模型能够更加方便有效地对CO2排放量进行计算。基于此，我国学者渠慎宁[11]及王利兵[12]就采用该模型对我国未来碳排放峰值进行预测，从而得出我国总体碳排放趋势。邓小乐等[13]使用该模型将西北五省作为研究对象，最后预测碳达峰实现的时间和峰值。

在分析我国碳达峰前景方面，NIU S W[14]指出如果我国GDP增长以每年0.1%的速度下降，则预计2035年之前将出现峰值。ZHANG X L[15]对全球能源模型C-GEM进行模拟，研究得出在加速努力情景下，我国预计2030年左右实现碳达峰，峰值约为10亿吨。LI F F[16]通过灰色(GM(1，1))模型对碳排放量进行预测，研究指出当碳排放强度在一定区间内时，我国将在2030年前达到碳排放峰值。WANG H K[17]采用蒙特卡罗方法和库兹涅茨曲线预测我国将于2021—2025年之间实现碳达峰，碳排放峰值在13兆～16兆吨之间。王珂珂[18]等在鲸鱼优化算法的基础上建立了改进后的极限学习模型，针对我国2019—2024年的CO2排放量和强度进行预测，结果表明我国将在2031年实现碳达峰。

综上所述，国内外学者对我国碳排放峰值的预测时间均在2030年左右，但根据不同模型和数据计算所得的碳排放峰值差异明显，并且我国的研究大多针对国家层面，对省级层面来说关注度不够。国家层面的碳达峰目标难以具体分化为各个省级层面的目标，导致各省在制定减排政策时缺乏相关理论依据。

为此，笔者通过排放系数法将研究视角聚焦于甘肃省，对其2005—2019年化石能源消费产生的CO2排放量进行测算，运用LMDI分解法识别影响甘肃省碳排放的因素，选取STIRPAT拓展模型分析甘肃省能源消费总量与碳排放总量，并通过OLS岭回归进行检验，结合情景分析法进行分析，增加研究的可信度，从而预测甘肃省2020—2044年碳达峰时间以及达峰量，以期为甘肃省实现CO2排放控制目标，同时为我国实现碳达峰提供一定的决策依据。

二、研究方法及数据来源

(一)CO2排放量测算

本文采用IPCC所公布的碳排放量公式计算甘肃省碳排放量：

(1)

式(1)中，C表示碳排放总量，Ei表示i种能源的消耗量，Ii表示i种能源的碳排放系数，Fi表示i种能源转化为标准煤的系数，如需换算为CO2的碳排放量，则将碳排放量乘以44/12。

(二)LMDI方法

LMDI方法可以将变量全部分解且没有残差项，因此在研究环境等问题时经常使用，据已有学者研究，经济发展、人口规模、能源强度对CO2排放均有显著影响，据此对影响甘肃省CO2排放的因素进行分解，计算公式为

(2)

式(2)中，C表示CO2排放量，Ei表示能源消费量，Gi表示地区生产总值，Pi表示人口规模。Ti为CO2排放量/能源消耗量，代表碳排放强度，Ei/Gi为能源消费量与人均GDP之比，代表能源强度，Ai表示人均GDP。本文将公式(2)通过加法形式改进为各因素效应影响之和：

ΔCO2=CO2(t)-CO2(0)=Te+Ee+Ae+Pe。

(3)

各碳排放因素效应表达式为

(4)

(5)

(6)

(7)

(三)STIRPAT模型

STIRPAT模型为IPAT模型的拓展式：

I=aPbAcTde。

(8)

式(8)中，a为模型系数，b、c、d为方程的弹性系数，e为方程误差。该模型在研究碳排放等问题中能够更加简便地研究各因素的影响效应。

除人口规模、经济发展、碳排放强度与能源强度外，相关学者还研究其他碳排放因素，其中城镇化率与第二产业占比也是碳排放因素中的研究热点[19]，为此结合本文LMDI模型，参考赵慈[20]等学者变量选取加入城镇化率和第二产业占比。具体各变量含义如表2所示，将模型改进为

表2 模型各变量含义

ln I=a+bln P+cln A+dln T+eln Ps+

fln Is+g。

(9)

(四)情景设置

借鉴国家发改委能源研究所的情景设置方法，通过预估人口规模、人均 GDP、能源强度、城镇化率和产业结构未来的不同变化，设置中速、低速、高速3种情景模式。

为了保证各情景的设定与甘肃省未来发展趋势相符合，在情景要素变化率的设定上对照以往各因素的变化率，以2019年为基数年，通过以往的发展趋势预测未来25年各个指标的情况以及碳排放量。以5年为一阶段则将25年分为5个阶段，对不同阶段的不同情境进行设定，具体要素变化率设置如表3所示。

表3 各因素变化率设置 %

1.人口规模

我国目前人口发展趋势仍处于逐年增加的态势，“十三五”时期，甘肃省平均人口年增长率为0.35%。因此，本文将0.35%设定为中速发展下第一阶段的人口增长速度。《国家人口发展规划(2016—2030年)》预计，2030年我国人口将达到最高值，未来我国人口增长总体呈现下降趋势，故此，设定中、低、高速模式第二阶段人口增长率平均分别下降50%、30%、70%，之后每一阶段下降15%。

2.人均GDP

将中速发展模式中第一阶段设定为近5年平均增长率的一半(2.8%)，低速和高速模式分别为近5年最低和最高增长率的一半。中、低、高模式下第二、三阶段的增长速率分别为第一阶段的50%、60%、40%，第四、五阶段与第二、三阶段增长速率相同。

3.能源强度

中速发展模式下设定增长速率为近5年增长速率的平均值(-2.44%)，低速和高速发展模式设定增长速率分别为近5年增长速率最低值(-2.04%)和最高值(-7.48%)的一半。

4.城镇化率

《甘肃省新型城镇规划(2021—2035年)》提出，到2035年甘肃省城镇化率将达到70%，2019年，甘肃省城镇化率为48.49%，平均年增长率为1.3%。因此将中速发展模式设定为第一阶段1.3%，低速和高速模式为甘肃省近5年城镇化率的最低值(1.68%)和最高值(3.8%)的一半。随着城镇化程度变高，之后增长速率会逐渐降低，设定中、低、高速城镇化率每年分别降低0.2%、0.1%、0.4%。

5.第二产业占比

中速发展模式第一阶段设定为近5年第二产业占比增速平均值的一半。低速发展模式和高速模式第二产业占比增速分别设置为近5年最低值和最高值的一半，之后中、低、高模式分别逐年降低20%、30%、10%。

(五)数据来源

本文选取2005—2019年为研究区间，其中人口规模、人均GDP、城镇化率、第二产业比4项指标来源于《甘肃发展年鉴》，化石燃料消费量来源于《甘肃发展年鉴》中的甘肃省能源平衡表，碳排放量指标数据由能源消费量结合排放系数法计算所得。

三、实证结果与分析

(一)碳排放测算结果与分析

根据碳排放量测算模型计算得到2005—2019年甘肃省碳排放总量(见表4)。

表4 2005—2019年甘肃省碳排放量测算结果

由表4可以看出，甘肃省2005—2019年共15年中能源消费总量持续上升，但增幅逐渐减少，说明的发展必不可少地依赖于能源消费，但近年来能源产业转型升级和清洁能源的开发使用对有效控制能源消费和碳排放产生了较大积极作用。

从2015年起甘肃省CO2排放增长率呈下降趋势，尤其是2016年呈负增长，说明《甘肃省“十三五”能源发展规划》起到了良好的效果①，在“十三五”期间，甘肃省大力完善电网和基站建设，提高清洁能源创造能力和输送能力，成效显著，但在双碳目标下，甘肃省依然需要加快减排步伐。

(二)LMDI分解结果分析

对各变量进行平稳性检验，结果如表5所示，各变量的检验统计量均显著，即模型中的变量均平稳，可以进行回归。

表5 ADF单位根检验结果

根据LMDI分解法逐年计算，结果如表6所示。

表6 LMDI模型分解结果

在碳排放强度方面，2005—2019年，碳排放强度对甘肃省CO2排放量累计贡献7 244.7吨。从表6可以看出，大部分年份的碳排放强度贡献效应为正，这也代表能源消费结构对CO2排放量的影响作用，说明高碳能源消耗越多，CO2排放量就越多，呈正向关系。分析结果表明，甘肃省有必要对能源消费结构进行优化，努力发展低碳能源，减少碳排放量。

由表6可以看出，能源强度对CO2排放量具有很大贡献，2005—2019年年内贡献值均为负数，说明随着能源强度增长速率由低到高CO2排放也逐渐减少。能源强度能够反映能源的利用效率，能源强度越低，能源效率就越高，降低能源强度也是碳减排的关键步骤。

在研究期内，人均GDP对CO2排放量的贡献值全部为正，贡献总值达36 406吨，综合效应为171.77%。在总效应中占最大比值，是4个因素中最重要的因素。经济的发展必然带来能源消耗的增加，因此如何达到经济平稳发展与减少能源消耗平衡至关重要。

人口规模对CO2排放有促进作用，即使甘肃省人口数量增长速率较为缓慢，也可以看出人口数量与CO2排放量呈现正向变动。但由于我国目前人口老龄化问题以及三胎政策，想要通过控制人口来减少CO2的排放量较为困难。

(三)STIRPAT模型实证分析

结合本文计算出的碳排放量以及碳排放强度，通过SPSS对模型进行多元回归拟合，检测模型共线性，输出结果显示变量之间存在多重共线性。为消除共线性的影响，本文对模型进行岭回归处理。根据各变量的数据，通过公式(9)得到岭回归选取参数结果(如图1、图2所示)。

图1 岭回归图

图2 k值对应的R2图

为了确定k值，观察图1、图2可得，当k=0.16时，图1中各变量系数趋于稳定，且在图2中，当k=0.16时，R2处于较高水平，因此选取k=0.16为合理的参数参加拟合方程。对回归方程进行系数检验，调整后的R2为99.5%，拟合效果较好，并且由表7和表8可得预测模型检验的p值为0.00，且所有自变量在5%的置信水平下通过了显著性检验，预测模型较为科学合理，因此得到拟回归方程为

表7 甘肃省碳排放预测模型方差分析表

表8 甘肃省碳排放预测模型回归拟合结果

ln I=-15.24+0.19ln P+2.61ln A-

0.26ln T+0.46ln Ps+0.04ln Is。

(10)

由方程解释变量的系数可以看出，除能源强度为“抑碳因子”外，其他因素均为“促碳因子”。从解释变量系数的绝对值可以看出，对CO2排放量的影响作用从大到小依次为人均GDP、城镇化率、能源强度、人口规模、第二产业占比。

进行时间序列预测时，需要设计相关因素在未来一段时间的估计值，预测结果可能出现较大误差，因此为检验模型的预测能力，将甘肃省2005—2019年实际数值代入方程(10)，将预测值与实际值进行比较。经计算得出15年内平均误差率只有3.8%，且由图3可以看出，实际碳排放曲线与预测碳排放曲线拟合程度高，说明该模型能够有效预测甘肃省未来25年的碳排放值。

图3 碳排放量预测值与实际值

(四)碳排放峰值与时间预测分析

根据以上3种模式下各指标的具体数据，结合本文得出的预测方程，可以得到3种模式中甘肃省2020—2044年碳排放预测值(如图4所示)。

图4 2020—2044年甘肃省3种模式下能源消耗碳排放趋势

由图4可以看出，在低速发展模式下2020—2044年之间CO2排放呈现上升趋势，未出现峰值。中速发展模式下，于2039年达到峰值，峰值为14 278.68万吨，转换成CO2排放量为52 355.16万吨。高速发展模式下，2029年达到峰值，峰值为12 666.93万吨，转换成CO2排放量46 445.41万吨。在低速发展模式下的累计CO2排放最少，但到2044年已经趋近于高速发展模式，低、中、高3种模式下25年累计CO2排放量分别为313 018.18万吨、331 627.36万吨、318 415.46万吨。

甘肃省在高速发展模式下达峰时间最早，峰值最低。2029年之前，高速发展模式下的CO2排放量最高，但从拐点之后开始显著下降，CO2排放量明显低于其他两种模式。当甘肃省处于高速发展状态时，人口增长、能源消耗等速度都在快速增长，与此同时，甘肃省整体的社会发展以及技术进步的增加速度也在上升，碳排放与经济的发展以及城镇化率可能出现库兹涅茨倒U形曲线。这也可以说明调整产业结构、降低能源强度、加强技术进步等对减排有显著作用，这些因素的快速发展能够抵消人口增长、推进城镇化、经济高速发展所带来的CO2大量排放的现象。这种模式下经济高速发展和降低环境污染之间并非存在不可调和的矛盾，更加有利于甘肃省尽早达到碳达峰的同时降低碳达峰峰值，实现经济和低碳齐驱并进。因此，推进技术进步、调整能源结构、产业结构与发展经济需要得到同等的重视。

在中速发展模式下，甘肃省也实现了碳达峰目标，但与高速发展模式相比推迟了10年，且碳达峰峰值较高。在中速发展模式下，各要素变化速率设定以近5年平均值为主，在人口规模、经济发展、能源强度、城镇化率、产业结构方面反映当前甘肃省的社会经济发展状况。因此，甘肃省若维持当前状况，将晚于国家2030年碳达峰目标9年，甘肃省在经济发展的同时要兼顾调整能源结构、产业结构等，才能早日实现甘肃省碳达峰目标。

在低速发展模式下，甘肃省直至2044年都未出现CO2排放峰值，在研究期间CO2一直保持上升趋势。该模式下人口增长速率和经济发展速度以及城镇化率相比其他模式较为缓慢，技术进步和第二产业占比也在缓慢下降，这些变化是以牺牲经济发展为代价进行减排，但这并没有做到从本质上减少碳排放，虽然缓慢的人口增长速度和能源消耗速度会使碳排放量减少，但在该情景中产业结构和技术进步等方面同样发展缓慢。总体的碳排放反而在不断增加，后期发展过程中低速发展模式的CO2排放已经超越高速发展模式并逐渐趋向于中速发展模式。结果显示，低速发展模式用牺牲经济和城市发展为代价并不能从根源上减少CO2排放，和高速发展模式相比，加快技术进步、调整第二产业占比、优化能源结构才是真正的减排之道。

3种模式对比之后发现，首先，当第二产业占比下降、能源结构优化和技术进步水平发展速度快于经济发展、城镇化水平、人口发展速度时才能够真正实现减排放不减发展。其次，表明经济发展不一定会导致CO2排放急剧增长，短期来看发展经济、推进城镇化、人口增长均会带来碳排放，但长期来看技术进步、产业结构和能源结构对CO2排放才起着决定性作用。

综上，甘肃省在高速发展的情景下可以在2029年之前达到碳排放量峰值，说明若甘肃省一直保持经济的高速发展，有望在2030年前实现碳达峰的目标并且可以为国家整体2030碳达峰目标实现贡献甘肃力量(提前一年实现碳达峰目标)。

四、结论与政策建议

(一)结论

文章通过碳排放系数法对甘肃省2005—2019年的能源消费碳排放量进行测算，运用LMDI分解法识别影响碳排放的因素，采用STIRPAT模型和岭回归来分析甘肃省能源排放的影响因素，最后通过情景分析法对2020—2044年3种情景下甘肃碳排放峰值大小以及时间进行预测，最终得出结论如下：通过计算碳排放预测回归方程发现，人口规模、人均GDP、城镇化率和第二产业占比4个因素对甘肃省碳排放的影响是正向的，能源强度对碳排放的影响是负向的。从各因素影响的大小来看，对甘肃省能源消费碳排放影响最大的是人均GDP，然后依次为城镇化率、能源强度、人口规模因素、第二产业占比。不同发展模式下，甘肃省碳排放峰值及达峰时间各有不同。在低速发展模式下，甘肃省在2044年之内没有出现能源消费碳排放的拐点，在未来的发展中压力较大。在中速发展模式下，甘肃省在2039年实现碳达峰，碳排放峰值为14 278.68万吨，虽然能够实现碳达峰，但总体排放量较高。在高速发展模式下，甘肃省可于2029年实现碳达峰，碳排放峰值为12 666.93万吨。甘肃省的碳排放预测结果显示，在3种情景达峰时间最快、峰值最低的为高速发展情景，该情景对碳达峰的实现最为有利。

(二)政策建议

通过对甘肃省未来CO2排放量演变趋势进行预测可知，在低速和中速发展模式下，2030年之前难以实现CO2排放量达峰目标，而要实现目标，甘肃省经济社会发展必须进入高速发展模式。因此，必须在城镇化、经济发展模式、技术进步、产业结构等方面采取一定的措施。

1.适度控制人口规模增长，加快新型城镇化进程

人口规模是促进甘肃省碳排放的正向驱动因素，但甘肃省相较于我国其他省份人口基数排名靠后，人口增长速度较慢。随着国家“三孩”政策的放开，人口增长速度可能在一定时期内保持快速增长。因此，甘肃省要适度控制人口增长速度，防止过快增长。

城镇化进程能够显著增加碳排放量，甘肃省应当优化城乡结构，在推进城镇化的同时实现低碳减排的目标。甘肃省目前城镇化率仅有48.49%，未来一段时间仍会继续推进城镇化进程。要加快“三农”工作重心向全面推进乡村振兴转移，不断深化农业农村改革，统筹推动“五个振兴”，努力促进农业高质高效、农村宜居宜业、农民富裕富足。首先，要制定相对宽松的农村人口流动方案，加快农村人口迁移速度。其次，要加强农村建设，对农村基础设施进行维护和改善，建设宜居的农村环境。在此基础上，要积极寻找适合农村开发的项目来促进农村经济发展，共享新型城镇化的结果。再次，无论是在农村还是城市中，都要宣传低碳环保理念，助力甘肃省实现碳达峰的目标。

2.发展绿色经济，提升人均GDP

虽然人均GDP能够显著促进甘肃省碳排放，但甘肃省同东、中部省份相比经济发展仍然比较落后，经济发展模式主要以资源能源消耗型发展为主，人均GDP在全国排名靠后，发展压力巨大。这就要求甘肃在2030年之前的这段时间内，为了实现碳达峰的目标，在保持经济高速发展的同时，发展模式必须向资源节约型的绿色经济发展模式转变，在发展经济和低碳减排之间达到平衡。其中在发展绿色经济过程中，以“一核”“三带”建设为抓手，通过突出区域特色，走出具有甘肃特色的绿色经济发展道路。在甘肃省中部地区壮大先进制造、数据信息等重点产业，大力发展中医药种植、马铃薯、高原夏菜等特色农业，推进以兰白城市群为重点的一小时核心经济圈建设和城乡一体化生态产业示范区。在河西地区大力推进包括太阳能、风能等清洁能源及其新材料产业，发展节水型绿色、特色高效农业，发展文化旅游、戈壁农业等优势产业，建设河西走廊干旱区绿色生态经济带，促进经济绿色转型。在陇东南地区重点发展综合能源和先进装备制造以及旅游、保健养生等产业，建设绿色合作经济带。

3.加快技术进步，降低能源强度

能源强度是碳排放的抑制因素，技术进步则是降低能源强度的主要方法。虽然，甘肃省已经在增加对新能源的开发和使用，但缺乏核心技术是减排路上的一大障碍。为此，甘肃省各级政府必须以强科技、强工业、强省会、强县域“四强”行动为抓手，首先要加大在绿色低碳技术方面的科技投入，至少达到全国平均水平，在此基础上强化关键技术研发。其次，要通过技术进步和模式创新，做大做强新能源、新材料、通信技术等战略性新兴产业，提升省内各级各类园区承载能力，降低能耗，推动“双碳”目标的尽快实现。再次，要积极引导高校人才、成果与经济社会发展密切结合，加大研发投入，提高人才待遇，促进成果转化，通过科技创新催生新的低碳业态。除此之外，甘肃省还应加强与其他省份之间的交流和协作。从其他省份的减排过程中吸取经验和教训，努力吸收和消化新技术、新观念，从中探索适合甘肃省的技术发展模式。

4.调整产业结构，发展新兴低碳产业

要把落实“双碳”目标纳入经济社会发展全局，扎实推进绿色低碳发展，加快传统产业改造，培育战略性新兴产业。从甘肃省的产业结构上来看，第二产业占主导地位，而在第二产业中工业为主要的碳排放来源是其碳排放持续增加的一个主要因素。首先，要从能源产业入手，建设以河西地区新能源为基础的产业聚集区、以传统能源产业优化升级为主的陇东综合能源基地，最终形成全国重要的能源供应基地。其次，要加强对石油化工、煤炭电力等传统重化高碳工业以及传统制造业的改造，优化工业园区布局，将清洁、高效、低碳3个指标放于首位。再次，持续培育半导体材料、氢能、储能、电池及智能制造等新兴产业，优化布局、强化扶持，加快构筑产业体系新支柱。最后，依托厚重的历史文化和丰富的旅游资源，促进文化旅游融合发展，建设国际知名的旅游目的地。

综上所述，从目前甘肃省的CO2排放趋势和预测不同模式的达峰时间来看，未来一段时间能源消费和碳排放量会继续增加，甘肃省依然面对着非常大的减排压力，如果要在2030年与国家同步实现碳达峰，甘肃省经济发展必须以高速发展模式为主。对此，文章提出在未来将近十年甘肃省高速发展模式应采取的政策措施，即通过适度控制人口规模、发展绿色经济、加快技术进步、调整产业结构等措施来加快新型城镇化进程，提升人均GDP，降低能源强度，发展新兴低碳产业，进而推动“2030碳达峰”目标的实现。

注 释：

①《甘肃省“十三五”能源发展规划》提出，到2020年单位地区生产总值CO2排放强度较2015年下降17%。