基于Tapio 脱钩和LMDI 模型的传统工业城市工业碳排放问题

胡梦泽 赵 耀

（石家庄铁道大学,河北 石家庄 050043）

京津冀逐渐成为中国经济增长第三极，也成为中国碳排放主要区域[1]。2010年和2016年，习近平总书记先后两次到唐山市视察，提出了“三个努力建成”和“三个走在前列”两个重要指示，“三个努力建成”中的一项是加快建设成为环渤海地区新型工业化基地。唐山作为一座因煤而建、因钢而兴的重化工业城市，近年来工业化进程持续推进，对京津冀经济发展的带动作用越来越大，2019年唐山市被评为“国家工业稳增长和转型升级成效明显市”。唐山市工业经济高速发展的同时，也面临着巨大的节能减排压力。河北省统计局数据显示，“十三五”以来河北省第二产业增加值占京津冀比重超过50%，其中唐山市工业增加值总量、能源消耗总量、碳排放总量均位列河北省第一。因此，分析唐山市工业经济增长与能源碳排放之间的关系，并甄别不同产业碳排放变化的驱动因素，对实现中国碳减排目标、促进京津冀经济协同发展、改善河北省环境质量以及制定差异化节能减排政策有重要的现实意义。

本文以唐山市工业行业为研究对象，基于“十三五”时期唐山市规模以上工业企业及18个分行业和4种主要能源消耗量的面板数据，通过IPCC（2006）提供的方法估算唐山市规模以上工业及各产业的二氧化碳排放量，并在此基础上，结合Tapio研究思路构建碳排放脱钩模型，对唐山市规模以上工业及6大支柱产业经济增长与碳排放的脱钩程度进行测度，进而采用LMDI模型对碳排放变化从行业规模、产业结构、能源强度、能源结构4个方面进行因素分解，分析唐山市工业6大支柱产业碳排放变化的深层次原因。

1 研究设计与数据来源

1.1 CO2排放量测算

目前，我国官方尚未直接公布CO2排放数据，需通过相关核算方法进行估算。本文参照《IPCC 2006年国家温室气体清单指南 2019修订版》第2卷（能源篇）第6节所提供的方法估算化石燃料燃烧产生的CO2排放量，选取原煤、焦炭、柴油和天然气4种唐山市工业行业所需的主要能源作为基准化石燃料能源。具体二氧化碳排放量计算公式如式（1）。

式（1）中，j代表能源种类，j=1,2,3,4，分别表示原煤、焦炭、柴油、天然气；Ej表示第j种能源的物理消耗量，单位为吨或万立方米；CFj表示第j种能源的转换因子；CCj表示第j种能源的单位热值含碳量；COFj表示第j种能源的碳氧化率；44/12是二氧化碳和碳的分子量之比；σj表示第j种能源的二氧化碳排放系数，是CFj、CCj、COFj、44/12的乘积。各指标的具体取值如表1所示。

表1 二氧化碳排放系数σj估算

1.2 脱钩模型

“decoupling”一词主要用于物理学领域，意为“解耦”。Carter（1966）首次尝试使用“decoupling”这一物理学概念形容经济增长与能源消耗之间的关系[2]。经济合作与发展组织（OECD）正式提出“脱钩”概念，并将其用于分析农业政策与市场均衡的相互关系[3]，并分析了其成员国环境与经济之间的脱钩情况，建立了一系列指标追踪经济增长过程中各成员国的环境状况[4]。Tapio（2005）将经济学中的弹性概念首次引入脱钩理论中，构建了较为完整的脱钩指标体系，并研究了欧洲交通业经济增长与二氧化碳之间的脱钩程度[5]。鉴于Tapio弹性分析方法克服了OECD脱钩模型在基期选择上的困境，能够提高脱钩测度的准确性[6]，本文采用Tapio的研究思路构建唐山市工业经济增长与碳排放之间的脱钩模型，公式如式（2）。

式（2）中，ε（CO2,G）表示工业碳排放脱钩弹性指数，%△CO2表示工业二氧化碳排放量增长率，%△G为工业总产值增长率。t和t-1表示相邻的两期。CO2t为第t期的碳排放量，Gt表示第t期的工业总产值。根据脱钩弹性指数的计算结果来判定脱钩程度的强弱，具体脱钩状态的划分如表2所示。

表2 Tapio脱钩指数评价指标表

1.3 因素分解模型

Kaya恒等式最初由日本学者Yoichi提出，主要用于解决温室气体排放因素分解问题[7]。本文尝试使用改进后的Kaya恒等式构造唐山市6大传统优势工业产业的碳排放变化因素分解公式，表示影响碳排放变化的因素，具体如式（3）。

式（3）中，j代表能源种类，j=1,2,3,4，分别表示原煤、焦炭、柴油、天然气；GIP代表唐山市规模以上工业企业总产值，单位为万元；IP代表各产业的规模以上工业企业总产值，单位为万元；E代表各产业规模以上工业企业的综合能源消费量，单位为吨标准煤；Ej代表各产业规模以上工业企业的分品种能源消耗量，单位为吨或万立方米；Cj代表各产业规模以上工业企业的分品种能源碳排放量；GIP、IP/GIP、E/IP、Ej/E、Cj/Ej分别反映各产业的行业规模、产业结构、能源强度、能源结构、碳排放系数。

因素分解常用的方法有结构分解法（SDA）与指数分解法（IDA）[8]。SDA法基于投入产出表，对数据要求高；IDA法只需使用部门加总数据，数据要求灵活，应用范围更广。其中，对数平均迪氏指数分解法（logarithmic mean Divisia index,LMDI）是Divisa指数法的对数形式，因易于建模且在消除残差的同时还具备因素可逆等优势而受到广泛重视[9]。

故本文将上述公式应用于LMDI分解模型，并选取“加法形式”对唐山市工业6大传统优势产业碳排放进行分解，进一步探究碳排放变化的驱动因素，公式如式（4）。

式（4）中，ΔC为碳排放变化的总效应，ΔCl为行业规模效应，ΔCm为产业结构效应，ΔCn为能源强度效应，ΔCe为能源结构效应。由于不同种类的能源碳排放系数基本一致，所以碳排放系数相应为0[10]，即 ΔCθ=0 。根据LMDI分解模型，得出各因素的逐年效应计算公式如式（5）～（8）。

1.4 数据来源

本文以唐山市规模以上工业企业和6大传统优势产业为研究对象，6大传统优势产业由18个分行业构成，具体工业行业分类如表3所示。研究期为2016—2020年，工业总产值、综合能源消耗量以及4种能源品种消费数据均来自2016—2021年的《唐山统计年鉴》，数据口径均为规模以上工业企业（本文所提及工业企业均为规模以上，以下不再赘述）；每种能源的单位量平均转化为热量值（CFj），即平均低位发热量，数据取自《综合能耗计算通则》（GB/T 2589—2020）；单位热值含碳量和碳氧化率取自《省级温室气体清单编制指南》。

2 结果与分析

2.1 工业碳排放量变化及分布

从整体来看，2016—2020年唐山市工业经济增长，工业碳排放量也呈现上升趋势。唐山市工业碳排放变化主要分为两个阶段：2016—2017年，工业碳排放量保持平稳，甚至在2017年比上年减少127.98万吨，主要原因为2017年唐山市政府发布《关于启动应急减排措施应对重污染天气过程的通知》，其中要求全市钢铁企业球团竖炉、烧结机限产50%，全市焦化企业出焦时间一律延长至36小时以上，这直接导致煤炭能源消费的大幅下降，进而减少了工业碳排放量。相较于第一阶段，2018—2020年，工业碳排放量整体增长约450万吨，主要是由于2018年河北省政府印发了《河北省人民政府关于加快推进工业转型升级建设现代化工业体系的指导意见》（冀政发〔2018〕4号），其中明确指出唐山市重点发展精品钢、现代石化、高端装备、生物医药等产业，打造新型工业化基地。故2018年以来，唐山市重工业化特征较为明显，重工业尤其是高能耗、高排放产业发展比较快，这就导致了工业碳排放量短时间内呈现大幅度增长。总体而言，唐山市工业经济指标与碳排放量变化趋势总体一致，这说明唐山市工业碳排放与经济增长之间暂未实现强脱钩状态。

从6大工业支柱产业角度来看，如表3所示，钢铁产业始终是最主要的碳排放行业，其占工业碳排放总量的比值在50%以上，且“十三五”期间其碳排放量逐年增加，尤其在2018年，增长率高达近30%。其次是石化产业，2020年的碳排放量相较于2016年增长幅度在40%以上。其中，化学纤维制造业在2016—2019年间始终是石化产业内部碳排放量最多的行业，而在2020年出现了异常波动，其碳排放量由2019年的500多万吨骤降至0.1万吨。同时，化学原料和化学制品制造业的碳排放量则呈现相反的变化趋势，由2019年的30万吨大幅增加至600多万吨。建材产业的碳排放量呈现逐年上升趋势，5年间增长约67%。装备制造产业碳排放表现为在波动中下降的趋势，5年间下降比例为17.64%。食品制造产业与医药制造产业产生的碳排放占总量的份额较小。从18个工业行业角度可以看出，对碳排放的增加贡献较大的主要集中在黑色金属冶炼和压延加工业、金属制品业、通用设备制造业、专用设备制造业、化学纤维制造业、非金属矿物制品业6个工业行业。

2.2 工业能源消费量与工业能源消费结构

工业是唐山市能源消耗的主要产业，其能源消耗量占全市能源消费总量的80%以上。从工业能源消费量角度来看，除2017年有小幅下降之外，唐山市工业能源消费量呈上升趋势，到2020年，其工业综合能源消费量已经上升至9 973.65万吨标准煤，与2016年相比上升了34.38%，说明该地区的经济发展对能源的依赖性仍然存在。

本文研究的能源类型包括6种，分别是原煤、洗精煤、高炉煤气、焦炭、柴油、天然气。将各类型能源的消费折算成标准煤，得到2016—2020年唐山市各类型能源消费量占工业能源消费总量的比重，如图1所示。可以看到，原煤和焦炭仍然占据绝对的优势，二者在能源消费总量中的份额一直保持在60%左右。近年来，河北省煤炭消费占能源消费总量的80%以上，唐山市的煤炭消费量目前位列河北省第一。尽管“十三五”以来唐山市鼓励大力发展清洁能源和可再生能源，但长期以来形成的能源驱动型经济增长模式短期内很难调整。

图1 2016—2020年唐山市工业能源消费构成

表3 唐山市工业行业碳排放量 单位：万吨

2.3 工业经济增长与碳排放的脱钩分析

2.3.1 唐山市工业碳排放脱钩分析

根据式（2）计算出唐山市工业经济增长与碳排放的脱钩弹性指数值，并按照Tapio划分的8种脱钩状态对其进行了脱钩程度的判定，如表4所示。从整体上看，“十三五”时期唐山市工业碳排放脱钩状态存在“负脱钩—连接—脱钩”的脱钩优化趋势，但波动性较大，仅2016年和2019年实现弱脱钩，处于间歇性脱钩状态，尚未出现理想的强脱钩状态，说明工业经济增长与碳排放的关系有待进一步完善。分析其原因，2016年国务院发布《“十三五”节能减排综合工作方案》（以下简称《工作方案》），明确设立各地区、各行业节能减排目标责任评价考核制度，提出加强工业节能，对环保、能耗等不达标或产能严重过剩的企业依法进行淘汰。唐山市政府积极响应《工作方案》中的相关要求，将“去钢铁产能”列为发展的基本思路。对工业能源消耗需求的减少直接导致碳排放量增速减缓，尤其是2016年，在碳排放增速仅为0.27%的情况下，工业总产值仍保持6.88%的增长速度，呈现出弱脱钩状态；到2017年，政策的调控效果开始显现，工业总产值首次出现10.93%的负增长，工业经济增长与碳排放从弱脱钩转变为弱负脱钩状态；但经过短暂的调整阶段后，2019年重新回到弱脱钩状态（2020年虽为增长连接状态，但脱钩弹性指数值十分接近弱脱钩临界值0.8）。

表4 唐山市工业碳排放脱钩弹性指数

2.3.2 分产业碳排放脱钩分析

根据唐山市工业和信息化局访谈资料，目前唐山市有12个重点产业（4大支柱、4大优势、4大新兴），本文选取经济贡献比重较高和能耗、碳排放较严重的6大重点产业作为产业层面的分析对象，以期根据不同产业性质为唐山市工业绿色转型升级提供差异化政策建议。

根据式（2）和表2，计算得出2016—2020年各产业经济增长与碳排放脱钩弹性指数，如表5所示。整体来看，6大产业中只有医药制造产业基本实现了脱钩，其他产业间歇性出现强脱钩或弱脱钩，脱钩状态波动性较大。具体而言，在研究期间内，钢铁产业与医药制造产业出现弱脱钩以及强脱钩的次数最多，共3次；其次是石化产业与食品制造产业，共2次；装备制造产业与建材产业仅在2019年出现过1次脱钩状态。

表5 分产业碳排放脱钩弹性指数

2.4 工业碳排放变化的驱动因素分解分析

Tapio脱钩模型可以描述经济增长与碳排放之间的同步关系，但是无法深入解释碳排放变化机制。为提出有效的减排路径，首先需明确碳排放变化的主要影响因素。现利用Python对唐山市工业的6大重点产业进行碳排放驱动因素分解，由于篇幅限制，不再展示各因素的逐年效应值，分解结果如表6所示。从整体上看，2016—2020年，能源强度效应是产业二氧化碳排放变化的主要抑制因素，产业结构效应则是导致产业二氧化碳排放增加的主要驱动因素，但具体产业碳排放变化影响因素的作用方向和程度存在差异，不同产业在因素效应上呈现不同特征。

表6 驱动因素累积效应值

能源强度效应对钢铁产业碳排放起主要抑制作用，研究期间内的累积效应值约为-1 361万t。“十三五”时期，唐山市钢铁产业节能减排水平和科技创新能力不断提高，钢铁企业采用新工艺、新技术改造升级，加快发展优特钢，大力发展钢材产品精深加工，特别是烧结和焦化脱硫脱硝一体化升级改造项目，达到了国内最先进水平，生产技术的进步和工艺流程的优化提高了能源利用效率，进而在一定程度上降低了二氧化碳排放。其余三个因素均对钢铁产业碳排放产生正效应，其中，产业结构效应的正向驱动作用最强，累积效应值约为4 184万t，主要原因是2016年该因素效应值达到4 342万t，而2017年后，该因素正向驱动作用逐渐减弱，并出现负效应，说明钢铁产业结构优化调整取得了一定成效。

除行业规模效应外，其余三个因素均对装备制造产业碳排放起到抑制作用，其中能源结构效应的负效应最强，累积贡献值约为-51万t。2016年以来，装备制造产业的能源消耗总量中煤炭消耗占比逐年降低。此外，唐山市在深化政产学研合作方面不懈努力，引进和设立研发机构达到52家，形成了较强的科技吸引力，其中，中车唐山机车车辆有限公司与西南交通大学共建动车、高铁研发中心，科技创新能力的提升在一定程度上提高了装备制造产业的能源利用效率。

能源强度效应对石化产业碳排放起抑制作用，且在6大产业中对碳排放抑制作用贡献最高，累积贡献值约为-1 548万t，其余因素均为正效应。“十三五”以来，唐山市石化产业以园区化、精细化、链条化、循环化为主攻方向，逐渐提升石油化工炼化能力，持续推进化工工艺装备水平提升和产品升级，创新发展绿色化工材料，节能技术不断创新升级。

产业结构效应对建材产业碳排放起主要抑制作用，累积贡献值约为-26万t，其余三个因素均为正效应，其中能源强度的正向驱动作用最强。其主要原因是，唐山市加快发展保温、隔热及防火性能良好，使用寿命长的新型墙体材料、低辐射镀膜玻璃、新型节能门窗，开发推广结构保温装饰一体化外墙板，推动了建材产业绿色转型升级进程，为碳减排做出了一定的贡献。

对于食品制造产业和医药制造产业，能源强度效应和能源结构效应是推动碳排放减少的关键因素，其中，能源强度因素的负效应最强。“十三五”期间，河北省加快生物技术创新药、化学创新药、中药创新药和中药经典名方的研发与产业化，推进原料药向绿色化、特色化、专利化发展，不断提升高端医疗康复器具创新能力和产业化水平，不断促进产品技术和质量升级。唐山市出台《唐山市中医药发展“十三五”规划》，医药产业创新能力不断增强，能源利用效率得到提升。唐山市作为首批国家食品安全示范城市，重点发展传统特色食品等8个领域，通过培育10个食品加工产业集群、打造33个省级农业园区、建设5个食品产业园区，呈现出较高的产业集中度，有助于产业创新能力的提升。

3 结论与建议

本文以唐山市工业为研究对象，采用Tapio脱钩模型与LMDI分解模型，在分析工业经济增长与二氧化碳脱钩关系的基础上，对影响二氧化碳排放变化的因素进行了分解。结果表明：（1）2016—2020年唐山市工业碳排放量总体呈现上升趋势。具体而言可分为两个阶段，2016—2017年碳排放量较为平稳，且在2017年出现下降趋势，2018年后由于唐山市出现重工业化特征，碳排放量上升至一个新的水平。（2）从整体上看，“十三五”时期唐山市工业碳排放脱钩状态存在“负脱钩—连接—脱钩”的脱钩优化趋势，但波动性较大，具体到产业层面，只有医药制造产业基本实现了脱钩，其他产业间歇性出现强脱钩或弱脱钩，脱钩状态波动性较大。唐山市工业尚未出现理想的强脱钩状态，节能减排形势依然严峻。（3）从整体上看，2016—2020年，能源强度效应是产业二氧化碳排放变化的主要抑制因素，产业结构效应则是导致产业二氧化碳排放增加的主要驱动因素。具体而言，能源强度是钢铁、石化、食品与医药产业碳排放的主要抑制因素；能源结构是装备制造产业碳排放的主要抑制因素；产业结构是建材产业碳排放的主要抑制因素。

基于上述研究结论，提出如下建议：

（1）唐山市工业行业能源消费长期以煤炭为主，这会导致二氧化碳的过量排放。政府应大力扶持企业通过提高节能创新能力发展洁净煤技术，鼓励对清洁能源和可再生能源的开发利用，逐步减少工业企业对煤炭等化石能源的依赖。

（2）唐山市工业行业尚未实现经济增长与碳排放的强脱钩状态，应坚决淘汰部分高污染、高排放、低效率的企业，强力推进资源密集型行业的技术改造，大力发展高新技术产业，重点推进低能耗、高附加值的战略性新兴产业，如高端装备制造业、新一代信息技术产业、新材料产业、节能环保产业等。

（3）短期内，提高能源利用效率，降低能源消耗强度，是促进唐山市工业碳减排的有效路径。一方面，应建立健全清洁生产激励机制，引导企业进行节能技术创新，推动传统产业从末端治理转变为清洁生产；另一方面，持续推进工业园区建设，大力发展循环经济，建设绿色低碳循环的现代工业体系。

（4）长期来看，产业结构的优化调整将是唐山市工业绿色转型的加速器。应加深新一代信息技术与工业的融合，以高端化、智能化为绿色化转型提供新动能和新路径，重构传统产业的产业链格局。集中培植战略性新兴产业链，重点发展智能装备、节能与新能源汽车和智能网联汽车，推进一批重大装备产业化，积极开展新能源汽车推广应用等。