中国八大综合经济区碳排放效率与产业结构升级的耦合发展研究

郑玉雯，薛伟贤，张青芬

（1.西安工程大学管理学院，西安 710699；2.西安理工大学经济与管理学院，西安 710048）

0 引言

党的二十大对“双碳”工作作出全面部署、提出明确要求，要把系统观念贯穿“双碳”工作全过程，注重处理好发展与减排的关系。这意味着，经济活动中排放的二氧化碳总量可被视作不可或缺的稀缺要素，这一要素总量既有额度限制，又须持续减少，直至碳中和目标达成[1,2]。实现经济增长，提高碳排放效率是重要途径[3]，产业结构升级是突破口[4,5]。在新时代背景下，提高碳排放效率与产业结构升级耦合发展水平成为高质量发展的新要求，更能清晰地反映地区经济绿色发展质量。

本文的研究与以下三个方面的文献密切相关：一是碳排放效率测度，现有文献主要基于单要素和全要素视角展开[6]。在单要素视角下，碳排放效率以GDP和碳排放的比值衡量[7,8]；在全要素视角下，数据包络分析（Data Envelopment Analysis，DEA）及其扩展模型应用最为广泛。二是产业结构升级评价。新近文献提出现代产业结构升级包括产业结构合理化、产业结构高级化以及经济结构服务化倾向三个层面[9]。三是碳排放效率与产业结构升级耦合发展水平测度。现有研究较多关注产业结构与碳减排的单向关系[10]，部分研究运用扩展耦合模型检验了产业结构升级对碳减排、碳效率提升的促进作用以及碳效率对产业结构升级的反向促进作用[11]。多采用灰色预测模型、ARIMA模型、BP神经网络模型等对二者的耦合演进水平进行预测[12]。

鉴于此，本文运用耦合度模型对2011—2022 年中国八大综合经济区碳排放效率与产业结构升级的耦合发展水平进行测度，在此基础上运用Markov 链模型揭示其耦合发展规律，进一步地，利用ARIMA-GM 组合模型预测2023—2027 年中国八大综合经济区碳排放效率与产业结构升级的耦合发展水平，以细致探明我国不同区域碳排放效率与产业结构升级耦合水平及演进趋势，为我国区域间协同制定“双碳”行动方案与产业结构升级政策并稳步有序落实提供现实依据与决策支持。

1 研究设计

1.1 研究方法

1.1.1 耦合度模型

本文运用耦合度模型测度碳排放效率和产业结构升级的耦合发展水平[13]。以D代表碳排放效率与产业结构升级的耦合度，具体判别标准及划分类型见表1。

表1 耦合度的判别标准及划分类型

1.1.2 Markov链模型

引入分布动态学框架[14]，构建耦合度转移的Markov链模型，揭示八大综合经济区碳排放效率与产业结构升级耦合发展规律。

其次，构造可变时长的俱乐部趋同指数，表示为：

其中，为第k俱乐部在d年时长下的趋同程度，ratk表示该俱乐部的规模占比。

最后，根据表1的划分类型及标准，借助式（1）计算八大综合经济区、30 个省份碳排放效率与产业结构升级耦合度在不同时间跨度下的转移概率。为简化表达，将表1中耦合度的10种细分类型按耦合度由低至高的顺序依次进行编号，标记为1至10。

1.1.3 碳排放效率、产业结构升级的测度方法

（1）碳排放效率测度模型——基于总体技术环境全要素增长视角

首先，八大综合经济区内各省份视为最小决策单元（DMU），每个DMU投入N种要素，得到M种期望产出和I种非期望产出，每一时期t=1,2,…,T，每一决策单元产出的投入向量为(yk,bk,xk)，则包含非期望产出的DEA模型为：

其中，是技术前沿面每一横截面的权重，≥0 意味着生产技术规模报酬不变。

其次，设定非期望产出的非径向、非角度DDF模型：

式（3）测度了DMU的总体非效率水平，ω为与投入产出要素数量相关的权重向量；g为方向向量；β为比例因子，其值为期望产出扩张、非期望投入与产出减少的比例。DDF值越小，其投入产出效率越高；当DDF值为0时，处在生产前沿上。

最后，对投入要素、期望产出、非期望产出按1 3 等权重赋权，依据Luenberger生产率指数形式定义碳排放效率（CEE）为：

（2）产业结构升级水平的测度——基于产业结构高级化与合理化视角

产业结构高级化值（H）的计算公式为：

其中，K表示三个产业，以每一产业增加值占GDP的比重作为空间向量的分量之一，构成一组三维向量，表示为X0=(x1，0,x2，0,x3，0)。

运用改进的产业结构泰尔指数indr衡量产业结构合理化水平，计算公式为：

其中，Li，j，t Li，t表示第j产业就业人数在总就业人数中的占比；Yi，j，t Yi，t表示第j产业产值占总产值的比重；indr表示产业结构的非均衡态程度，indr越大，产业结构越不合理，indr越小，产业结构越合理。由于两个指标对于产业结构升级水平提升具有同等重要作用，对二者分别赋权0.5，加权求和后得到产业结构升级指数（IU）。

1.1.4 ARIMA-GM组合预测模型

自回归移动平均模型（ARIMA）和灰色预测模型（GM）均为单变量方程模型，ARIMA-GM 组合模型可以全面获取原始建模数据序列所包含的信息，提高预测效果。运用熵权法对各模型赋权加总计算得到组合模型的拟合以及预测结果，表达式为：

其中，wi为两个模型各自的权重，yi为两个模型各自的拟合及预测结果，Y为组合模型的拟合及预测结果。

1.2 样本选择

本文以中国八大综合经济区的30 个省份（不含西藏和港澳台）为样本，八大综合经济区地理区域范围及划分，见表2。

表2 八大综合经济区地理区域范围及划分

1.3 指标选取与数据说明

先测算碳排放效率。投入指标选取各省份固定资本形成总额、年末三次产业从业人员数、能源消费总量，数据来源于《中国统计年鉴》、各省份统计年鉴；期望产出指标选取各省份GDP，数据来源于《中国统计年鉴》；以各省份碳排放总量为非期望产出指标。各省份碳排放数据借鉴杜立民（2010）[15]的计算方法，根据各省份化石燃料燃烧消耗量及对应的碳排放系数折算得到，计算公式为C=∑Ci∑ei×εi，其中，ei为各类能源消耗量，εi为二氧化碳排放因子，煤炭、焦炭、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然气、水泥的CO2排放系数分别为1.647tCO2/t、2.848tCO2/t、3.045tCO2/t、3.174tCO2/t、3.15tCO2/t、3.064tCO2/t、21.670tCO2/m3、0.527tCO2/t，能源消费数据来源于《中国能源统计年鉴》。再测度产业结构升级水平，用到三次产业产值数据、就业人数，数据来源于《中国统计年鉴》、各省份统计年鉴。测度前运用最大最小值方法对指标测度值进行标准化处理。研究时期选取为2011—2022年。

2 实证结果分析

2.1 耦合度结果测度及特征分析

2.1.1 测度结果分析

2011—2022 年，全国碳排放效率与产业结构升级耦合度逐年递增，从2011年的0.188增长到2022年的0.398，年均增长率为7.1%；从协调发展类型转变来看，全国碳排放效率与产业结构升级耦合发展从严重失调转为轻度失调发展阶段。各省份碳排放效率与产业结构升级耦合度整体偏低，仅北京和天津处在勉强协调发展阶段，其他28个省份均处在失调发展阶段。这表明虽然我国碳减排与产业结构调整相互促进的作用成效正逐步显现，但仍存在较大改善空间。

从碳排放效率与产业结构升级耦合度的排名来看，北部沿海综合经济区、长江中游综合经济区和大西南综合经济区依次位于前三位，特别是北部沿海综合经济区，耦合度不仅略高于全国平均水平，而且与其他综合经济区相比亦偏高。从协调类型来看，北部沿海综合经济区处于濒临失调发展阶段（均值为0.462）；东部沿海综合经济区、长江中游综合经济区、黄河中游综合经济区、大西南综合经济区、大西北综合经济区和东北综合经济区均处于轻度失调发展阶段（均值介于0.315～0.349）；南部沿海综合经济区处于中度失调发展阶段（均值为0.261）。总的来说，八大综合经济区碳排放效率与产业结构升级耦合发展水平存在较大提升空间。

从各省份来看，除天津、北京以外，其他省份碳排放效率与产业结构升级耦合度均值均低于0.5，处于失调状态，说明全国碳排放效率与产业结构升级的相互促进作用亟待调整。从排名来看，天津、北京、宁夏依次排名前三位，排名后5 位的省份为河南、上海、甘肃、江苏、广东。从协调发展类型来看，天津、北京达到勉强协调发展阶段；湖南、内蒙古、广西、四川、宁夏5 个省份处于濒临失调发展阶段；河北、山东、福建、江西、湖北、陕西、贵州、云南、新疆、辽宁、黑龙江11个省份处于轻度失调发展阶段；上海、江苏、浙江、海南、安徽、山西、河南、重庆、甘肃、青海、吉林11 个省份处于中度失调发展阶段；广东处于严重失调发展阶段。

2.1.2 耦合特征分析

2011—2022 年八大综合经济区碳排放效率与产业结构升级耦合特征见下页图1。根据图1（a），北部沿海综合经济区耦合度自2016 年起呈向外层扩展的趋势，2019—2022年，北京、河北、天津的耦合发展水平逐步提高，北京在2022 年达到优质协调发展阶段。北京是全国的政治、经济和文化中心，具有总部经济优势；京津冀城市群及区域经济一体化建设的不断推进将助力北部沿海综合经济区碳减排协同发力。根据图1（b），东部沿海综合经济区的上海、江苏和浙江在2013—2016年耦合度较高，其他年份整体偏低。东部沿海综合经济区是全国具有影响力的多功能制造中心，上海、江苏和浙江3 个省份竞争优势显著，“东部地区率先发展”的国家战略推进3个省份现代化发展起步较早，起步阶段对减污降碳重视程度不够，成为较长时期内3个省份耦合度偏低的主要原因，加之东部沿海综合经济区是我国纺织行业的重要集聚区，纺织业属于重污染型行业，增大了碳减排难度。根据图1（c），南部沿海综合经济区在2013—2022年碳排放效率与产业结构升级耦合发展水平整体偏高。南部沿海综合经济区与港澳台地区邻近，属于外向型经济发展基地，近年来传统制造业比重逐渐降低，加之环境保护投入较高，在发展经济的同时能够较好地减排。在图1（d）中，长江中游综合经济区耦合度呈明显的阶梯型结构，江西和湖南两省耦合度偏高，湖北和安徽较低。江西和湖南农业生产条件优良，而湖北和安徽则具有以钢铁和有色冶金为主的原材料基地，这显然成为梯层型结构的主要原因。根据图1（e）至图1（h），黄河中游综合经济区、大西南综合经济区、大西北综合经济区和东北综合经济区耦合发展水平普遍具有较大的偏离程度，意味着各综合经济区应充分发挥本地优势，处理好碳减排和产业升级的关系。黄河中游综合经济区地处内陆，具有丰富的煤炭和天然气，需注重提高资源利用效率；东北综合经济区中东北三省具有相同的自然条件和资源禀赋，东北三省也是全国重型装备制造基地，需以系统观为指导，协同落实振兴东北老工业基地的政策，以培育高技术产业为新的增长点，做好产业转型升级；大西南和大西北综合经济区均具有全国旅游基地的先天优势，需以交通运输碳减排为突破口。

图1 八大综合经济区碳排放效率与产业结构升级的耦合发展特征

2.2 耦合发展规律

依据表1的划分标准与细分类型，计算30个省份碳排放效率与产业结构升级耦合度在不同时间跨度下（以2016年为界）的转移概率。为简化描述，将耦合度10种细分类型由低到高依次编号为1、2、…、10。见下页表3。

表3 Markov链转移矩阵

八大综合经济区30个省份碳排放效率与产业结构升级耦合演进具有明显的阶段特征。总体上以保持原有耦合类型以及向邻近细分类型转变为主，未有耦合发展水平越级或下降的现象。2011 年有3 个省份处于中度失调发展类型、14个省份处于轻度失调发展类型，13个省份处于濒临失调发展类型；到2022年，处于中度失调发展类型的省份还有3个；轻度失调发展类型中，71.5%的省份仍处于该发展类型，向邻近类型转化的概率为28.5%；濒临失调发展类型向轻度协调发展类型过渡的占比为46.15%。跨越发展类型实现转移的省份有宁夏、黑龙江、广西、内蒙古4 个省份。同样地，不同阶段主对角线（起止年份相同类型对应的元素）及其相邻左右两侧较高的概率值也进一步证实耦合度具有稳定性的特征。

2.3 耦合发展水平的预测

2.3.1 模型检验

考虑到选取的ARIMA和GM模型均为短期预测模型，拟合较长预测时间会导致信息失真以及预测结果不可靠，将2011—2019年的数据作为训练集，基于2020—2022年数据使用MATLAB软件对模型效果进行检验，见图2。ARIMA-GM组合模型预测结果与2011—2019年预测集的数据最为接近。ARIMA预测模型相对误差介于1.17%～2.69%，平均相对误差为1.94%；GM预测模型相对误差介于3.14%～3.39%，平均相对误差为3.35%；ARIMA-GM组合预测模型相对误差介于0.43%～1.21%，平均相对误差为0.74%。即ARIMA-GM组合预测模型具有较高的准确度，预测效果较好，选用该组合预测模型的预测结果更具可靠性。

图2 预测模型检验结果

2.3.2 情景设定

分情景模拟2023—2027年八大综合经济区碳排放效率与产业结构升级耦合演进趋势：

情景1（现状维持型）：保持现有的发展状态，不采取任何措施，维持现有的碳减排政策和产业结构不变。

情景2（碳排放效率提升加强型）：通过政策引导强化提升碳排放效率，碳排放效率每年提升1%。

情景3（产业结构升级加强型）：通过政策引导强化实现产业结构升级，产业结构升级水平每年提升1%。

情景4（全面协调加强型）：综合情景2 和情景3，通过政策引导全面提升碳排放效率和产业结构升级水平，碳排放效率和产业结构升级水平每年分别提升1.5%。

2.3.3 情景预测

运用ARIMA-GM组合预测模型对八大综合经济区在4种情景下碳排放效率与产业结构升级耦合演进趋势，结果如下：

情景1：在现状维持型发展状态下，八大综合经济区碳排放效率与产业结构升级耦合度呈“稳中有进”发展趋势。2027 年，北部沿海综合经济区、长江中游综合经济区、大西南综合经济区和东北综合经济区演进至协调发展阶段，但仍以勉强协调和初级协调发展类型为主；东部沿海综合经济区、南部沿海综合经济区、黄河中游综合经济区和大西北综合经济区仍处于失调发展阶段，但整体耦合发展水平有所提升。

情景2：在碳排放效率提升加强型状态下，八大综合经济区碳排放效率与产业结构升级耦合度较情景1 均有所提高。2027年北部沿海综合经济区演进至中级协调发展阶段，黄河中游综合经济区从失调发展阶段转为勉强协调发展阶段，其他6个经济区耦合发展水平也实现了不同程度的提高。

情景3：在产业结构加强型状态下，较通过政策引导加强碳排放效率的提升，产业结构加强型状态下八大综合经济区碳排放效率与产业结构升级耦合度均有明显提高，且较情景1 有所提高。2027 年北部沿海综合经济区转变为良好协调发展阶段，黄河中游综合经济区、长江中游综合经济区、大西南综合经济区和东北综合经济区均演进为初级协调发展阶段。

情景4：通过政策引导全面提升碳效率和产业结构，综合了情景2和情景3的所有改进措施，这一情景下八大综合经济区碳排放效率和产业结构升级耦合发展趋势最好。整体来看，八大综合经济区耦合度均得到稳步提高，从全国层面看碳减排系统和产业结构升级系统之间实现了最大力度的相互改善。这说明，未来在保持现有发展优势的同时，需要不断关注碳减排与产业结构调整工作的协调性，注重二者间的协调发展。

3 结论及建议

本文主要研究结论如下：第一，全国碳排放效率与产业结构升级耦合度逐年递增，各综合经济区则差异较大。北部沿海综合经济区、长江中游综合经济区、大西南综合经济区相对较高，其余五个综合经济区偏低；从耦合类型来看，北部沿海综合经济区处于濒临失调阶段，东部沿海综合经济区、长江中游综合经济区、黄河中游综合经济区、大西南综合经济区、大西北综合经济区和东北综合经济区处于轻度失调发展阶段，南部沿海综合经济区处于中度失调发展阶段。第二，从耦合发展规律看，八大综合经济区碳排放效率与产业结构升级耦合发展水平具有明显的阶段性特征，整体上以保持原有耦合类型以及向邻近细分类型转变为主，未有耦合发展水平越级或下降的现象。2011年，中国30个省份中，3个省份处于中度失调发展类型，14个省份处于轻度失调发展类型，13 个省份处于濒临失调发展类型；2022年，处于中度失调发展类型的省份有3个；轻度失调发展类型中，71.5%的省份依旧不变，向邻近类型转化的概率为28.5%；濒临失调发展类型向轻度协调发展类型过渡的占比为46.15%。第三，从耦合演进水平预测情况看，2023—2027 年，四类情景下八大综合经济区碳排放效率与产业结构升级耦合发展水平均将得到不同程度提升。全面协调加强型情景下耦合发展水平提升最为显著，这反映出该情景下碳减排系统和产业结构升级系统之间实现了最大力度的相互改善；碳排放效率提升加强型和产业结构加强型情景下，八大综合经济区的耦合发展水平较现状维持型情景均有所提升，体现出未来八大综合经济区需不断增强碳减排与产业结构调整的协调性。

依据上述结论提出以下建议：首先，需要明确各区域在全国“双碳”目标中的角色定位，避免出现“一刀切”现象，分地区制定碳减排标准；其次，充分发挥区域的地理邻近与溢出效应，促进区域间和区域内能源资源要素流动，因地制宜地通过优化资源配置推进产业结构升级；最后，多方联动、多措并举地统筹各区域“双碳”目标的有序实现。