基于LMDI的北上津区域能源消费碳排放影响因素分析及脱钩效应研究

马 颖,邵长秀

(中国石油大学(华东)经济管理学院,山东 青岛 266580)

1896年,瑞典科学家提出“二氧化碳排放会导致全球变暖”,直到20世纪70年代该问题在全球才引起广泛关注。兼顾稳定的经济增长和降低碳排放量成为我国经济发展的长期目标,“十三五”规划纲要坚持减缓与适应并行,积极控制碳排放量,落实减排承诺。2020年9月习近平总书记参加七十五届联合国大会时表示,中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,力争二氧化碳排放在2030年达到峰值,在2060年实现碳中和。北京市、上海市、天津市作为我国经济发展前列的地区,同时作为我国直辖市,对中国经济发展有着卓越贡献。然而经济的高速发展伴随着严重的环境问题,以北京市为代表的空气污染问题愈演愈烈。经济强省不能只依托能源消耗带动经济发展,要积极寻求转型升级。因此,深入剖析影响碳排放的驱动因素并探究碳排放和经济发展的脱钩关系,对于提升三市甚至我国的经济发展质量、推进生态文明建设、实现经济与环境协调发展具有重要意义。

2003年英国发布《我们能源的未来:创建低碳经济》,首次明确提出“低碳经济”,将低碳减排与经济效益相结合。目前国内外学者都对碳排放的驱动因素进行了一定的研究。因素分解法主要分为基于投入产出表的结构分解(SDA,structural decomposition analysis)法和以各产业、各部门能源数据为基础按时间序列加以比较的指数分解(IDA,index decomposition analysis)法。运用IDA法时加以改进,产生了对数平均迪氏指数(LMDI,logarithmic mean divisia index)因素分解法。因为LMDI模型可以有效解决传统线性回归模型所产生的残差项问题而被广泛应用,在能源经济领域尤其是碳排放驱动因子分解上被广泛应用。日本学者Kaya将碳排放影响因素分解为能源强度、碳排放强度、经济发展水平和人口规模因素,提出了Kaya恒等式,后被研究者不断加以改进和充实,使其内涵不断丰富[1-3]。国外研究者最早关注能源消费与经济增长之间的关系,从经济学角度分析,能源消费与经济增长之间相互依赖、相互依存[4]。之后,随着理论水平和计量经济的发展改进,研究能源消费、碳排放与经济增长之间的理论模型和实证研究成果越来越多[5-8]。脱钩模型体现的是能源消耗和经济发展之间的变动关系,相比其他关系检验模型来说,更能反映经济和环境压力的相对变化,衡量出节能减排工作的实施成效。

然而,围绕北上津的相关研究相对较少。以下通过改进Kaya恒等式,在碳排放强度、能源强度、经济发展水平、人口规模的基础上,加入能源结构因素,基于LMDI分解方法甄别北上津能源消费碳排放的驱动因素,并利用Tapio脱钩模型探究经济发展和能源消费碳排放之间的同步关系,以期为其他城市或区域的减排提供借鉴,促进经济转型和社会可持续发展。

1 数据来源与理论方法

1.1 数据来源

能源消费量的数据来源:各类能源实物消费量来源于2005—2018年的《中国能源统计年鉴》中的《地区能源平衡表》;各类能源的碳排放参考系数来源于《2006年IPCC国家温室气体清单指南》;各类能源标准煤折算系数来源于《中国能源统计年鉴》;2005—2018年北上津的历年地区生产总值和历年人口数量来源于《国家统计局》的分省年度数据。

1.2 碳排放估算方法

碳排放没有直接测量方法,通常间接计算,计算公式为

碳排放量=各类能源碳排放系数×各类能源标准煤排放量=各类能源碳排放系数×各类能源实物消费量×各类能源标准煤折算系数。

(1)

由于各类能源的热值不同,为了方便比较,计算整体的能源消费量、能源结构等,通常采用标准煤折算系数。碳排放系数是各类能源燃烧和使用中单位能源产生的碳排放量。根据IPCC的假定,在使用各类能源的碳排放系数时认为系数是固定不变的。研究中选取的能源包括原油、煤炭、焦炭、汽油、煤油、柴油、燃料油和天然气8种,各类能源的碳排放系数和标准煤折算系数如表1所列。为了统一计算和便于比较,后述与能源消费有关的数据均已转化为标准煤。

表1 碳排放系数、标准煤折算系数

1.3 LMDI因素分解法

在测算2004—2018年期间北上津地区的碳排放量的基础上,构建LMDI因素分解模型,通过定量的计算,分析碳排放强度、能源结构、能源强度、经济发展水平、人口规模5个影响因素对北上广地区碳排放的影响及各自的贡献大小。

LMDI是一种完全指数分解方法,是Divisia分解法的一种简化形式,基本思路是将分解公式看作关于时间t的连续可微函数,通过对时间t进行微分再积分得到指数分解的形式,假设因素分解公式为

V=x1x2…xn=∏kxk，

(2)

其中:V为目标变量;Xk为因素变量。对式(2)两边关于时间t进行微分:

(3)

对式(3)两边积分一个时间间隔的长度,可得指数分解的加法形式:

(4)

由式(4)可知

ΔV=∑kΔxk，

(5)

其中:

(6)

利用对数平均的方法近似求解式(6)中的积分可得

(7)

可以证明这样得到的指数分解的加法形式没有残差项,基于文献[9-10]中的研究,LMDI分解法适用于能源领域问题的分解研究,因此研究中使用此方法对碳排放进行分解研究。

以碳排放强度、能源结构、能源强度、经济发展水平、人口规模5个影响因素为重点研究其对北上津地区碳排放的影响及贡献大小,因此对北上津地区分开研究时可以构建以下分解模型:

(8)

其中:Ci为各类能源消费所产生的碳排放量;Ei为各类能源的消费量;E为能源消费总和;Y为地区生产总值;P为人口数量。

C=∑iAiBiDFP。

(9)

利用LMDI加法形式进行如下分解:

ΔCA+ΔCB+ΔCD+ΔCF+ΔCP。

(10)

根据式(7)可得

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

其中:式(11)中的ΔCA表示碳排放强度效应；式(12)中的ΔCB表示能源结构效应；式(13)中的ΔCD表示能源强度效应；式(14)中的ΔCF表示经济发展水平效应;式(15)中的ΔCP表示人口规模效应。

1.4 Tapio脱钩理论

应用Tapio脱钩模型,引入脱钩指数和分解因素脱钩指数,判断北上津地区历年经济发展与碳排放的脱钩状态,以及各分解驱动因素对经济发展与碳排放的脱钩状态的影响。脱钩效应研究的是经济发展与碳排放量之间的依赖关系,选取一个指标为脱钩指数作为衡量脱钩状态的标准,脱钩指数表示为

(16)

其中:ΔC表示基期下一年碳排放量与基期碳排放量的差;Ct表示基期下一年碳排放量;ΔG表示基期下一年GDP与基期GDP的差;Gt表示基期下一年GDP。将传统的脱钩模型即式(16),由LMDI加法形式分解式(10)可以将脱钩指数进行分解,即

(17)

表2 脱钩状态

2 分析讨论

因为各类能源碳排放系数在t期和基期保持不变,所以ΔCA=0。北上津地区能源消费碳排放分解结果见表3～表5,经济发展与碳排放的脱钩效应见表6～表8。表3～表8中的列表时间为2006—2018年,因为结果显示的是增量,2006年表示2005—2006年各分解因素的增量,为保持图表的简洁性,简写为2006年。

2.1 北上津地区能源消费碳排放分解因素分析

(1) 北京市能源消费碳排放分解 北京市2005—2018年能源消费碳排放增量的分解结果如表3所列。

表3 北京市能源消费碳排放分解贡献量

由表3可以看出:①2005—2018年,北京市碳排放量变化的总效应增量为-3.992万吨,即碳排放整体呈现减少的趋势。②北京市于2011年首次出现碳排放量负增长,究其原因,能源结构的贡献率达-32.66%,能源强度效应的贡献率更是高达-395.70%,他们的总效应超过了经济发展水平效应与人口规模效应之和,可以看出改善能源消费结构和能源消费强度的降低对碳排放的抑制作用显著。③2015年后,北京市碳排放量整体呈现稳定下降的趋势,通过技术进步等手段,能源消费强度逐渐降低,使得北京市的碳排放量逐渐降低。因此,可以初步判断,北京市碳排放量已经临近或者到达了峰值。

(2) 上海市能源消费碳排放分解 上海市2005—2018年能源消费碳排放增量的分解结果如表4所列。

由表4可以看出:①2005—2018年,上海市碳排放量大体呈现上升趋势,但是近年来增长速度放缓。②2012年和2014年出现碳排放负增长。2012年上海市碳排放量首次出现负增长,较2011年下降了0.91%;2014年和2018年上海市碳排放量再次出现负增长。究其原因,能源强度效应在其中起到了决定性作用。③2015年和2017年出现了人口负增长,可以看出上海市人口几近饱和。

表4 上海市能源消费碳排放因素分解贡献量

(3) 天津市能源消费碳排放分解 天津市2005—2018年能源消费碳排放增量的分解结果如表5所列。

由表5可以看出:①2005—2018年天津市碳排放量整体上呈现先上升后下降的趋势,转折点出现在2014年。可以初步判断,天津市碳排放量基本已经达峰值。②能源强度效应是抑制碳排放量增长的主要因素;经济发展水平效应对碳排放量影响最大,近年来,其影响力有所减弱;人口规模效应对碳排放量的影响在2005—2017年大体呈现先上升后下降的趋势,在2017年甚至出现了人口负增长。③与北京市和上海市不同的是,2005—2009年以及2012年,天津市能源结构效应促进碳排放增长,近年来能源结构抑制碳排放增长,但是效果不是很显著,这是因为虽然天然气在能源消费中的比例有所提高,但是原煤仍占据主导地位,焦炭的比例甚至有所提高,能源消费结构改善效果不明显。

表5 天津市能源消费碳排放因素分解贡献量

(4) 小结 三市能源消费碳排放变化的因素分解贡献量如图1所示。各影响因素在3个地区具有普遍性的同时,也要注意在不同地区的差异性。

由图1可知,经济发展水平一直是促进北上津碳排放最主要的影响因素;人口规模对促进碳排放有一定的作用;能源强度一直是阻碍碳排放最主要的影响因素;能源结构因素在北京市和上海市对阻碍碳排放有一定的作用,但对天津市而言作用并不显著。

2.2 北上津经济发展与碳排放的脱钩效应

研究中的碳排放强度是一个固定的数值,即能源的参考碳排放系数,因此碳排放强度的脱钩指数始终为0。

(1) 北京市经济发展与碳排放的脱钩效应及分解因素的脱钩贡献 对北京市2005—2018年相关数据进行分析,得到北京市历年来经济发展与碳排放的脱钩指数及其分解结果,如表6所列。

从表6可以看出,北京市经济发展与碳排放之间大部分年份呈现弱脱钩状态,即随着经济的发展,碳排放也增加,但是碳排放增加的速度始终低于经济发展的速度。2011年首次出现经济发展与碳排放的强脱钩,即随着经济的发展,碳排放反而减少,这是一种理想的发展状态。此后2013年以及2015—2017年均呈现强脱钩状态,可见北京市近年来经济发展与碳排放之间呈现一种良性的发展关系。

表6 北京市经济发展与碳排放脱钩效应

(2) 上海市经济发展与碳排放的脱钩效应及分解因素的脱钩贡献 对上海市2005—2018年相关数据进行分析,得到上海市历年来经济发展与碳排放的脱钩指数及其分解结果,如表7所列。

由表7可知,上海市经济发展与碳排放之间大部分年份呈现弱脱钩状态,即随着经济的发展,碳排放也增加,碳排放增加的速度低于经济发展的速度。少数年份呈现强脱钩状态,即随着经济发展,碳排放反而减少。2005—2018年,能源结构脱钩指数和经济发展脱钩指数影响最大,且二者势均力敌。

表7 上海市经济发展与碳排放脱钩效应

(3) 天津市经济发展与碳排放的脱钩效应及分解因素的脱钩贡献 对天津市2005—2018年相关数据进行分析,得到天津市历年来经济发展与碳排放的脱钩指数及其分解结果,如表8所列。

由表8可知,天津市经济发展与碳排放的关系,大部分年份呈现弱脱钩状态,这表示随着经济的发展,碳排放也增加,但是碳排放增加的速度低于经济发展的速度;2014—2017年呈现强脱钩状态,表示随着经济发展,碳排放反而减少,这也意味着天津市意识到了发展方式的不合理,并采取措施改善了环境与发展之间的关系,使得脱钩状态有所改善;2018年出现了扩张负脱钩的脱钩状态,这表明天津市经济增长的同时,碳排放大幅增加,这是一种不健康的经济发展状态。能源结构因素年均脱钩指数为-0.080,对脱钩的影响很小,且有正有负,这是因为虽然天然气在能源消费结构中所占的比例有所提高,原煤和焦炭的消费比例有所下降,但是天津市仍然是以煤为主导的消费结构,能源消费结构改善效果不明显。

表8 天津市经济发展与碳排放脱钩效应

(4) 小结 北上津2006—2018年碳排放脱钩指数如图2所示。2006—2018年北上津脱钩指数整体上呈现波动下降的趋势,经济发展与碳排放在大多数年份呈现经济增长而碳排放缓慢增加的弱脱钩状态,少数年份呈现经济增长而碳排放反而减少

图2 北上津2006—2018年碳排放脱钩指数Fig.2 The decoupling index of economic development andcarbon emissions of the three cities from 2006—2018

的强脱钩状态,个别年份呈现经济增长而碳排放中速增加的扩张连接状态。这说明北上津地区经济发展对碳排放的依赖有所降低,但经济发展仍会导致碳排放问题,之后的发展应该加强脱钩。

3 结论和建议

研究以当前国内外及北上津地区的能源消费碳排放为背景,对低碳发展、碳排放、脱钩的相关理论与研究方法进行了回顾;接着以北上津地区的估算碳排放量为基础,利用LMDI因素分解模型将碳排放量进行分解,分析各因素对碳排放的贡献度;然后,应用Tapio脱钩模型研究北上津地区经济发展与碳排放的脱钩关系及各因素的脱钩效应。主要研究结论如下:

(1) 北上津三市能源碳排放量近年来得到了一定的控制,基本呈现出先上升后下降的趋势,转折点出现在2013年左右,这与“十二五”期间国家执行严格的环境规制政策、大力投入减排技术有关。其中,上海市能源碳排放总量最大,北京市能源碳排放量最小且控制的效果最显著。

(2) 能源强度是碳排放的主要抑制因素,近年来北上津能源碳排放量增长抑制是能源强度的降低所带来的,此外,经济发展水平的提高是碳排放增长的主要因素,能源结构及人口规模对减排影响较小。

(3) 北上津经济发展和碳排放整体上呈现弱脱钩向强脱钩转变的过程。北京市、天津市在2013年之后基本表现为强脱钩,这与“十一五”、“十二五”期间节能减排措施有关,同时也表明京津两地能源转型比较成功。经济发展与碳排放增量之间的关系正在减弱,这是经济转型中比较理想的模式,符合“绿色发展”目标。相比较而言,上海市的经济发展与能源碳排放之间的联系比较密切,脱钩指数有所减小,但是还未达到稳定的强脱钩状态。

综上,北上津各地区碳排放驱动因素影响有相同点也有不同点,在制定政策及开展工作时,应当根据各地区实际情况因地制宜。根据结论并结合北上津地区发展现状,提出以下几点对策建议,为北上津地区开展碳排放工作提供参考:①转变经济增长方式,由高速发展转向高质量发展。将经济发展方式进行转变,从粗放型到集约型,将产业升级进行转变,从劳动密集型、资源密集型到资本密集型、技术密集型。②加强能源技术创新,提升能源使用效率。首先，要促进技术创新和技术进步,降低能源强度,提高能源的利用效率。其次,要将新技术在全国加以推广,政府可以通过优惠政策和补贴等方式支持能源新技术在各领域的应用。最后,引进先进的技术,结合本地实际情况加以应用。③持续优化能源结构,促进能源结构多元化、低碳化和清洁化。使用天然气等低碳排放系数的能源,转变以原煤为绝对主导地位的能源消费结构,开发利用各种形式的清洁能源。