我国天然气消费与碳效率优化的耦合协调研究

李宏勋， 宋 臻， 王晓涵

（中国石油大学（华东）经济管理学院，山东青岛 266580）

1 文献回顾

1.1 关于天然气消费对CO2排放影响的研究

目前，在天然气消费对CO2排放影响的评估方面研究相对较少，研究主要集中于天然气消费能否有效减少CO2排放方面. 一些学者认为天然气消费有助于减少CO2排放，Dong等［1］认为，天然气消费对CO2的排放有显著负面影响，并且天然气消费对CO2排放无论是正向影响还是负向影响，都与单个省份的人均GDP 无关；Su等［2］使用投入产出法发现由天然气替代石油发电有助于减少CO2排放. 但另一些学者认为天然气消费不能有效地减少CO2排放，Dong等［3］通过对14个亚太国家1970—2016年间天然气消费的有效性进行研究发现，从长期来看，在亚太地区，天然气消费会减少CO2排放，但在某些国家（例如印度和菲律宾），天然气消费可能会促进CO2排放. Greiner等［4］研究结果表明，简单增加天然气使用并不能有效减少碳排放，有效减少碳排放的政策措施应该是确保污染严重的技术和资源被更清洁的技术和资源替代；Azam等［5］通过长期弹性和因果关系检验得出天然气对经济增长和CO2减排的作用弱于核能和可再生能源.

1.2 关于碳效率的研究

随着人们对温室效应的关注，碳效率作为一种环境状况评价方式，在学术界被广泛讨论. 国际上常用碳足迹度量生产消费过程中释放的温室气体量，主要由每年的碳排放量，即碳消耗量来评估定义，碳效率就是对主体产生碳足迹效率的一种量化方法［6］. 由于碳效率受到经济发展、消费水平、生产方式等多方面的影响，仅仅采用单一因素的碳排放指标不能准确地描述碳排放的实际表现，众多学者通过构建不同的指标体系来评估碳效率. 王媛等［7］运用熵值法确定碳排放绩效权重，采用系统聚类将我国省域划分为7个区域，结果表明区域分工特征是造成我国省级碳排放绩效区域差异的主要原因. 张雪花等［8］结合主成分分析与DEA模型对我国30个省域的碳效率进行评价，发现有些省份的碳效率下降；余鹏等［9］提出基于极差最大化组合赋权的TOPSIS灰色关联投影动态评价模型对泛长三角区域进行碳效率动态评价；孙作人等［10］基于集聚经济理论研究了产业集聚对城市碳效率的影响，得出不同产业的空间集聚对碳效率有着显著差异性的结论.

1.3 关于耦合协调度在政策应用中的研究

耦合协调度模型使用耦合度阐释若干个子系统之间的相互关系，并进一步使用综合评价指数对整个系统进行综合研究和评价［11］. 该模型简洁、容易计算且能够较好反映不同变量间的关系，被广泛应用于政策研究. 化祥雨等［12］构建耦合协调、空间关联分析和地理加权回归模型对浙江省县域高质量发展耦合协调水平进行分析；韩琭等［13］运用耦合协调度模型测度黄河流域城市群高质量发展与土地利用效率的协调发展水平；史一鸣等［14］测度南京高技术产业的“智能生产与服务网络”体系界壳汇的耦合发展水平；张靖［15］运用耦合协调度模型发现北京市旅游产业与生产文明协同发展的上升趋势明显；曹炜遐和黄艺璇［16］运用耦合协调度模型研究我国文化创意产业与现代农业发展的耦合协调关系.

现有文献主要是针对天然气消费是否能够有效降低CO2排放量，对天然气消费评价的研究涉及不多，缺乏天然气消费与碳效率两者间关系的系统研究. 本研究通过建立天然气消费与碳效率的指标体系测算相应的综合得分，运用耦合协调度模型，探讨天然气消费与碳效率优化的耦合协调关系.

2 我国能源消费碳效率评价

2.1 非期望产出SBM模型介绍

数据包络分析（DEA）由于不需要设定系数及不受投入产出量纲的影响，具有客观性和简洁性的特点，被广泛用于碳效率的评价. 而传统的DEA模型是径向的、角度的，会造成忽略投入或产出的一部分，存在松弛性等问题，易造成偏差. 为了解决这一问题，Tone［17］提出的非期望产出SBM模型，有效解决了传统DEA模型的松弛性问题. 非期望产出SBM模型构造如下：

设某一系统有k个决策单元，每个决策单元有3种投入产出指标，即m种投入指标、s1种期望产出指标和s2种非期望产出指标. Tone提出的SBM模型为：

式中：ρ表示决策单元的效率值，ρ=1，说明决策单元有效率；ρ＜1，说明决策单元无效率，存在改进的空间；i表示投入的数量（i=1，2，…，m）；r表示期望产出的数量（r=1，2，…，s1）；h表示非期望产出的数量（h=1，2，…，s2）；xk表示第k个决策单元的投入值；yk表示第k个决策单元的期望产出值；bk表示第k个决策单元的非期望产出值；、、分别表示投入指标、期望产出、非期望产出松弛量；X、Y、B分别表示投入、期望产出、非期望产出矩阵；∧表示密度向量，代表各要素的权重.

2.2 指标体系构建

基于当前碳效率评价的相关研究［6，8-9，18-20］，根据非期望产出SBM 模型的思路，从投入指标和产出指标两个层面选取指标构建碳效率指标体系（表1）.

表1 碳效率指标体系Tab.1 Carbon efficiency index system

2.3 数据来源

以2000—2020 年间数据为基础，对我国碳效率进行评价. 其中建成区绿化覆盖率及人均绿地面积来自《中国城市建设统计年鉴》；第二产业比重、研发支出比重、国内生产总值来自《中国统计年鉴》；劳动力参与率、资本形成总额来自WDI 数据库；一次能源消费量及CO2排放量来自《BP 世界能源统计年鉴》.

2.4 测算结果

借助MatlabR2017a 软件，应用非期望产出的SBM 模型对我国2000—2020 年的碳效率进行测算，测算结果如图1.

图1 2000—2020年我国碳效率综合得分Fig.1 Comprehensive score of China’s carbon efficiency from 2000 to 2020

2000—2020 年我国碳效率呈现稳步上升的趋势，2019 年、2020 年达到DEA 有效水平. 第二产业比重、劳动力参与率不断下降，建成区绿化覆盖率、人均绿地面积、R＆D经费支出占GDP比重不断上升，碳排放量增速放缓，GDP稳步提升.

SBM模型通过构建前沿面来判断决策单元是否有效. 为恢复2008年的国际金融危机、汶川地震等给我国带来的经济衰退影响，我国政府提出到2010 年底约投入4 万亿元来促进发展. 2009 年资本形成总额及R＆D经费支出相比2008年投入比重高，但GDP增长相对不明显，因此碳效率增长放缓. 鉴于国家对环境保护的力度不断增加，从2017年开始，我国碳效率得分表现较好，由0.790上升到1.000，国内生产总值不断提高，而CO2排放量增长速度相对放缓.

3 我国天然气消费评价

3.1 天然气消费综合评价因素分析

天然气消费是一个综合指标，不能只运用单个指标评价. 基于天然气消费的相关研究［21-26］，得出以下评价天然气消费的10个因素，为天然气消费综合评价做必要的变量支撑.

1）国内生产总值（x1）. 天然气产业是一个长期高投入的产业，需要国民经济因素作为支撑. 国内生产总值（GDP）作为国民经济因素最具代表性的指标，是一个国家或地区所有常住单位在一定时期内生产活动的最终成果［22］. 一般情况下，随着经济的发展，对天然气的需求量会越来越大，因此将GDP作为衡量天然气消费的指标之一.

2）环境保护污染治理投资占GDP比重（x2）. 环境保护污染治理投资占GDP比重表明我国在环境治理方面的决心. 因此用环境保护污染治理投资作为重要指标来衡量天然气消费.

3）总人口数（x3）. 随着2016年我国二孩政策的逐步放开，我国人口总数将进一步增加. 在人均可支配收入不断上涨的情况下，人口的增长将带来天然气消费量的增加，因此将总人口数作为衡量天然气消费的指标.

4）GDP能耗（x4）. 在考察能源消费时，不能仅仅考虑能源消费量，还要看能源消费是否带来了明显的经济增长，因此采用GDP能耗来构建天然气消费指标体系.

5）天然气消费占比（x5）. 储量丰富、价格较低的煤炭一直是我国的主要能源. 但煤炭利用效率低，大多数国家已经放弃使用煤炭，寻求清洁、高效的能源. 我国倡导能源结构升级，天然气作为煤炭的优质替代选择. 在能源需求巨大的情况下，天然气消费量将不断攀升，因此将天然气消费量占能源消费总量的比重来衡量天然气消费.

6）城市化率（x6）. 目前我国处于城镇化进程中，常住人口城镇化率不断上升，使得消费天然气的人口增多，促进了我国民用天然气消费量的增长，因此将城市化率作为衡量天然气消费的重要指标.

7）天然气管道长度（x7）. 我国天然气的主要消费区域为临近天然气产地的区域，随着我国天然气管道不断建设，天然气消费区域将不断扩大. 因此，将城市天然气管道长度作为衡量天然气消费的重要指标.

8）国际天然气价格（x8）. 相对于煤炭的价格，天然气的价格相对较高，故我国工业企业极少采用天然气作为能源. 通常情况下，国际天然气价格与天然气进口量成反比关系. 因此，将国际天然气价格作为影响天然气消费的重要因素.

9）对外依存度（x9）. 随着我国“煤改气”政策的不断推行，天然气对外依存度不断提高. 采用进口量与消费量的比值表示天然气对外依存度，表示天然气消费的安全性. 通常情况下，对外依存度高，表明天然气消费将受制于天然气出口国，从而对我国天然气消费产生负面影响.

10）天然气年产量（x10）. 天然气年产量不足将会使我国天然气供应依赖于进口，而天然气进口带来的风险会使我国天然气消费供应缺口增大，这不利于我国天然气的稳定持续消费，因此应将天然气年产量作为衡量天然气消费的指标.

3.2 基于层间相关性的客观赋值法的天然气消费评价

3.2.1 层间相关性的客观赋值法简介

为了避免层次分析法、专家打分法等主观赋权方法的非客观性对指标的影响，采用层间相关性的客观赋值法（CRITIC）对数据进行赋权. 该方法是Diakoulaki［27］提出的一种客观赋权方法，是基于对比强度和指标之间的冲突性对评价指标进行客观赋权. 对比强度表示同一指标不同评价方案取值的差异性，用标准差的形式表示，标准差越大表明方案的差异性越大，权重越高. 指标之间的冲突性是以指标之间的相关性表示的，如果两个指标之间具有较强的相关性，则冲突性较小，权重较低［28］. CRITIC法结合了熵值法基于指标间离散程度及主成分分析法的相关程度进行赋权，是更加全面的评价方法.

3.2.2 层间相关性的客观赋值法的测算过程

为了消除量纲不同对评价结果的影响，采用极差法对原始数据进行标准化处理. 其中：xij表示第i个样本的第j个指标值，则原始数据矩阵为X=(xij)nm. 另外，设xmax为第j个指标的最大值，xmin为第j个指标的最小值. 具体的标准化方法如下：

若所用指标越大越好（正向指标），则

若所用指标越小越好（负向指标），则

指标差异性用标准差的形式表示，则

相关系数是反映变量间相关关系密切程度的统计变量，rij表示评价指标i和j之间的相关系数，则

指标冲突性用相关系数表示，第j个指标与其他指标的冲突性的量化指标为-rij) .

设Cj表示第j个指标所包含的信息量，则

通常，Cj越大，表明第j个指标所含信息量越大，则该指标的相对重要性就越大. 设Wj为第j个指标的客观权重，则

3.2.3 测算结果

借助Python3.7，应用CRITIC 法确定天然气评价指标权重，结果见表2.

表2 天然气评价指标权重Tab.2 Weight of natural gas evaluation index

运用CRITIC 法得到的天然气评价指标权重对影响天然气消费的数据进行测算，结果如图2. 2000—2020年我国天然气消费综合得分波动上升，2020 年达到0.694，未达到1.000 的原因是在其他因素稳步提升的情况下，对外依存度、国际天然气价格及环境污染治理投资总额占GDP 比重仍存在较大改善空间.

图2 2000—2020年我国天然气消费综合得分Fig.2 Comprehensive score of China’s natural gas consumption from 2000 to 2020

2000—2002 年在其他因素稳步上升的情况下，权重大的国际天然气价格及对外依存度较低，使得天然气消费综合得分上升相对较快. 2003—2008 年我国天然气消费综合得分增速放缓，是因为天然气价格及对外依存度开始上升，GDP能耗下降较快. 2009—2010年环境污染治理投资总额占GDP比重高，表明我国环保意识的加强，因此我国天然气消费综合得分快速增长.

与2010年相比，环境污染治理投资总额占GDP比重下降较快，国际天然气价格上升明显，促使我国天然气消费综合得分在2011 年大幅下降. 2012—2014 年环境污染治理投资总额占GDP 比重、国际天然气价格及对外依存度波动造成我国天然气消费综合得分小幅下降后上升. 2015—2016年虽然环境污染治理投资占GDP 比重减小，对外依存度增大，但是国际天然气价格下降明显，使得我国天然气消费综合得分增加较快. 2017—2018年评价天然气消费的正向指标得分和负向指标得分相互抵消，所以我国天然气消费综合得分变化较小. 2019—2020年天然气消费综合得分上升较快，是因为虽然国际天然气价格、对外依存度、环境污染治理投资存在改进空间，但是其他指标稳步上升.

2016年我国在杭州召开G20峰会，签署《巴黎协定》，承诺在2030年左右实现碳排放峰值. 同时，我国首次发布天然气发展白皮书，提出大规模发展天然气势在必行. 因此，我国天然气消费综合得分从2016年开始不断提高，到2020年得分达到0.694.

4 天然气消费与碳效率的耦合协调模型

4.1 耦合度模型

4.1.1 模型介绍

天然气消费与碳效率之间彼此联系、相互影响，二者协调发展有利于我国社会整体高质量发展. 借鉴王淑佳等［11］的研究，得到天然气消费-碳效率的耦合度如下：假定maxUi为U2，则

式中：C为天然气消费-碳效率耦合度（C越接近1，天然气消费与碳效率耦合度越大，说明二者处于协调状态；C接近0，说明二者耦合度不高，互动性不好，处于失调状态）；U1为碳效率综合得分；U2为天然气消费综合得分.

4.1.2 测算结果

对天然气消费-碳效率耦合度进行测算，结果如图3. 我国2000—2020 年天然气消费-碳效率耦合度整体介于0.570～1.000之间，均值0.739，处于协调状态. 2000—2011 年我国天然气消费综合得分高于碳效率综合得分. 从2012年开始，我国天然气消费综合得分低于碳效率综合得分.耦合度的波动说明二者发展协调状态不稳定，在碳效率及天然气消费稳步提升的同时，应该加强对二者协调发展的关注.

图3 2000—2020年我国天然气消费-碳效率耦合度Fig.3 Coupling degree of natural gas consumption and carbon efficiency in China from 2000 to 2020

2000—2010年，我国天然气消费综合得分与碳效率综合得分差值为0.15～0.23，使得耦合度低于0.80；2011—2016年，二者差值在0.10以下，耦合度表现较好；2012年二者得分仅相差0.02，耦合度达到最高；2017—2020年耦合度未达到良好协调状态，是因为碳效率综合得分明显高于天然气消费综合得分.

我国天然气消费-碳效率耦合度波动的原因是碳效率发展稳步提升，而天然气消费波动相对较大，当天然气消费发展不好，而碳效率稳步提升时，天然气消费-碳效率耦合度就会出现波动状态.

4.2 耦合协调度模型

4.2.1 模型介绍

耦合度只能反映两系统间相互影响的程度，不能真实反映各系统本身的发展状况. 两系统本身发展状况低，但耦合度高的状况时有发生. 为了真实反映天然气消费与碳效率之间的协调发展水平，采用耦合协调度模型：

式中：T为天然气消费与碳效率综合评价指数；C为天然气消费与碳效率的耦合度；α1和α2为参数，天然气消费与碳效率对由两者组成的系统同样重要，因此取α1=α2=0.5；D为耦合协调度. 通过使用耦合度和综合评价指数来判断天然气消费与碳效率的协调发展状况.

4.2.2 测算结果

耦合度协调度的划分标准如表3.

表3 耦合协调度的划分标准Tab.3 Classification standard of coupling coordination degree

对天然气消费-碳效率耦合协调度进行测算，结果如图4. 2000—2020 年我国天然气消费-碳效率耦合协调度总体呈现平稳上升趋势，2020 年达到最大值，由轻度失调状态逐步发展到中级协调状态，这是因为耦合度始终保持高于0.57，但综合评价指数不断提高. 之所以整体未达到良好协调状态，主要是因为天然气综合得分低于0.70，而碳效率综合得分为1.00，二者差别较大. 总的来说，在2000—2017 年主要是耦合度表现较好，在2018—2020 年主要是综合评价指数表现较好.

图4 2000—2020年我国天然气消费-碳效率耦合度、综合评价指数和耦合协调度Fig.4 Coupling degree，comprehensive evaluation index and coupling coordination degree of natural gas consumption and carbon efficiency in China from 2000 to 2020

2000—2007 年我国天然气消费-碳效率耦合协调度低于0.50，处于失调状态. 这主要是因为研究期间耦合度虽然高于0.55，但碳效率综合得分低于0.30，天然气消费综合得分低于0.45，使得综合评价指数较低，导致耦合协调度较低.

2008—2020 年我国天然气消费-碳效率耦合协调度处于协调状态. 2008—2010 年我国天然气消费-碳效率耦合度处于中级协调状态，而耦合协调度处于勉强协调是因为二者的综合评价指数较低. 2011—2014 年我国天然气消费-碳效率耦合协调度稳步提升，处于初级协调状态，主要是因为虽然二者综合评价指数处于0.40～0.55 之间，但是耦合度高于0.89. 从2015 年开始我国天然气消费发展水平明显慢于碳效率，耦合度开始下降，因此直到2020年我国天然气消费-碳效率耦合协调度仍未达到良好协调状态.

5 结论与建议

5.1 结论

1）运用非期望产出的SBM模型测算碳效率，结果表明2000—2020年我国碳效率呈现稳步上升的趋势，2019年和2020年表现最好.

2）我国天然气消费综合得分2000—2020年波动上升，2020年达到0.694. 对外依存度、国际天然气价格作为评价天然气消费的重要指标，具有较大的改善空间.

3）我国2000—2020年天然气消费-碳效率耦合协调度平稳上升，由轻度失调状态逐步发展到中级协调状态，表明我国天然气消费与碳效率在不断协调、协同发展.

5.2 建议

提升天然气消费-碳效率耦合协调度可以从两方面着手：一方面为提高天然气消费综合得分或碳效率综合得分，从而改善综合评价指数；另一方面为二者协同发展，从而改善耦合度. 基于此，提出以下建议：

1）提高科技创新能力，改善能源的转化效率. 我国目前无法完全放弃化石能源消费所带来的经济增长，但可以通过改造提升和优化工艺，大幅度减少化石能源的使用量和CO2排放量. 通过推行节能减排政策，提高污染排放高的企业生产运营成本，推动企业采用节能减排的生产方式. 企业间应该发展循环经济，某些企业的垃圾废料可能成为另外一些企业的生产材料. 在产业聚集到一定程度之后，这种循环经济的优势会显现出来. 企业通过不断发展科技，推动整个行业节能减排，不断提高碳效率综合得分.

2）缓解天然气进口压力，稳步推动天然气消费. 我国不能通过减少天然气的消费来降低对外依存度，而是应增加与天然气相关的研发投入力度，合理开发已探明储量的非常规天然气田，增加国内的天然气产量.针对国际天然气价格持续上升的情况，建立价格及时反应机制，在价格波动时及时调整天然气进口量；应与日本、韩国等天然气进口大国建立贸易合作关系，构建天然气买方市场格局，增强议价能力，减弱国际天然气价格波动对我国天然气进口的影响；同时，我国天然气价格与原油或成品油价格挂钩，不能反映天然气市场供需的真实状况，应加快天然气市场体制改革，建立天然气定价中心，从而不断提高天然气消费综合得分.

3）定期量化监测天然气消费及碳效率的协调关系，提高天然气消费-碳效率耦合协调度. 定期量化监测天然气消费与碳效率发展之间的协调关系，防止天然气消费水平不足影响二者耦合协调度的发展.