京津冀地區能源消費碳排放因素分解分析

宗剛, 牛欽璽, 遲遠英

1. 北京工業大學經濟與管理學院, 北京100124 2. 北京工業大學循環經濟研究院, 北京100124

京津冀地區能源消費碳排放因素分解分析

宗剛1,2, 牛欽璽2, 遲遠英1,*

1. 北京工業大學經濟與管理學院, 北京100124 2. 北京工業大學循環經濟研究院, 北京100124

宗剛, 牛欽璽, 遲遠英. 京津冀地區能源消費碳排放因素分解分析[J]. 生態科學, 2016, 35(2): 111-117.

ZONG Gang, NIU Qinxi, CHI Yuanying. Factor decomposition of carbon emissions from energy consumption of Beijing, Tianjin and Hebei based on LMDI[J]. Ecological Science, 2016, 35(2): 111-117.

京津冀經濟快速發展的同時, 環境污染問題也不容忽視。尤其是近年來的霧霾天氣, 二氧化碳排放量的加大,給京津冀的發展帶來了負面影響。現將京津冀三地區的一次能源消耗量, 利用 LMDI分解法, 將三個地區能源消耗碳排放分解為人口、經濟、產業結構、能源強度、能耗結構五方面原因。結果表明, 人口, 經濟對碳排放起到拉動作用,能耗強度和產業結構效應對碳排放起到抑制作用; 北京的能耗結構對碳排放起到抑制作用, 天津和河北的能耗結構對碳排放起到拉動作用。

京津冀; 能源消耗碳排放; 因素分解; LMDI

1 前言

京津冀地區的環境問題特別是大氣污染問題,近年尤其突出, 嚴重制約了三地經濟和社會的持續發展。環保部公布的2014年4月空氣最差的10個城市中, 京津冀地區占9個, 京津冀地區13 個城市空氣質量平均超標天數比例為65.2%。[1]

環境問題產生的重要原因是區域經濟發展不平衡, 區域環境保護缺乏統一的規制。2014年2月, 中央把京津冀協同發展上升為重要國家戰略。作為京津冀一體化的重要組成部分, 京津冀環境保護的一體化, 包括有效的區域環境保護協同和區域環境保護共治, 須在法治的框架和國家治理體系建設的指導下進行, 最大限度地統一各方的步調, 協調各方的行動, 追求最大的共同利益。為了促進京津冀地區經濟和社會進一步發展, 促進環境質量整體改善, 必須通過經濟、社會和環境保護區域一體化的措施。京津冀環境保護一體化既是對行業和區域分割式發展模式的突破, 也是實現三地可持續協同發展的唯一出路。

目前對京津冀都市圈研究的文章也比較多, 說明京津冀的發展是現在眾多學者所關心的問題。從目前的研究內容來看, 分為京津冀的產業協同發展研究和京津冀可持續發展研究。邱鳳霞等學者[2–6]從京津冀協同發展一體化的角度來進行研究。王錚等學者[7–11]從低碳、可持續發展角度對京津冀的發展進行了研究。

目前碳排放比較常用的因素分解法有結構性因素分解法和指數因素分解法, 主要是對一些基本的指標進行考察。

指數因素分解法是國際上能源與環境問題的政策制定中被廣泛接受的一種分析方法, 其實質是將碳排放的計算公式表示為幾個因素指標相乘的形式,并根據不同的確定權重的方法進行分解,以確定各個指標的增量余額。指數分解法由日本教授 Yoichi Kaya 最先提出, 它是通過一種簡單的數學公式將經濟、政策和人口等因素與人類活動產生的 CO2聯系起來[12]。

Ang和 Lee 提出采用兩年份相應參數的簡單算術平均值作為因子權重的分解方法[13], 該種方法既不會產生太大的余值, 也不會出現計算問題,但是實際應用卻很少。后來 Ang等人又提出了對數平均權重分解法(LMDI),用對數平均公式替換了之前的簡單算術平均權重計算方法[14], 該法的優點是不產生殘差,且允許數據中包含零值。在簡單平均分解法的實際應用中, Ang等人提出 LMDI 法以后便成為應用最為廣泛的方法。宋杰鯤運用LMDI方法將山東省能源消費碳排放分解為人口、人均財富、產業結構、能源消費強度和能源消費結構等五方面效應,并針對分析結果, 提出了相關建議[6]。張偉基于擴展的Kaya 模型和LMDI 分解法定量分析了人口、經濟增長、產業結構、能源強度、能源消費結構五個因素對陜西省能源消費碳排放的影響[16]。范丹將DEA 中基于能源投入的 Shephard 距離函數引入到LMDI 分解模型中, 建立了1995-2010 年中國6 大產業能源消費碳排放7 因素分解模型[17]。

從目前的國家政策及形勢來看, 北京正在轉變產業結構, 將高耗能企業外遷到天津、河北, 天津則選擇性地接北京外來轉移企業, 而河北目前第一產業和第二產業的過渡。對京津冀區域碳排放量的研究有助于認清京津冀當前的發展道路。因此, 有必要研究該區域能源消費量的碳排放量, 分析區域碳排放與經濟發展的關系及其影響因素, 為京津冀地區乃至未來經濟、產業發展提供參考, 為優化區域開發提供依據。

2 京津冀能源消費碳排放量測算

因為二氧化碳的排放主要來自化石能源的燃燒,而京津冀三地區化石能源的燃燒全部來自三產業生產過程中消耗的化石能源, 產生碳排放的是三次產業終端能源消費量, 即生產過程中消費的各種能源在扣除了用于加工轉換二次能源消費量和損失量以后的數量。所以從三地區三次產業終端能源消費量,其中包括煤炭、原油、天然氣等17中能源。

碳排放計算公式為:

其中iE為第i種能源的消費量,ir為第i種能源的碳排放系數。

因為統計年鑒中的數據均為實物量, 所以先將實物量轉換為標準煤, 轉換系數采自《2013年中國能源統計年鑒》中各種能源標準煤的參考系數。

根據公式, 分別計算北京、天津、河北的碳排放總量, 以2000年為基期, 到2012年, 計算每年的碳排放總量, 結果如下圖所示。

從圖 1中可以看出, 京津冀的碳排放量在逐年遞增, 碳排放量河北最大, 北京次之, 天津最少。其中河北的二氧化碳排放量從2005年的不到6萬萬噸增加到了2012年的10萬萬噸, 其增長速度非常驚人, 這和河北的的產業結構及能源消耗結構有很大的關系。下面運用指數分解法, 將每個因素進行分解, 分析其內在的聯系。

圖1 京津冀能源消耗二氧化碳排放量Fig. 1 The energy consumption carbon emissions in Beijing-Tianjin-Hebei

3 京津冀能源消費碳排放因素分解模型

本文基于擴展的 Kaya 模型對京津冀能源消費碳排放進行分解, 將碳排放影響因素分為為人口、人均GDP、產業結構、能源強度、能源結構五個因素。擴展的Kaya 模型表達式為:

其中Y表示國內生產總值,P表示人口數量,E表示能源消費量,C為碳排放量;Yi表示第i產業的GDP;Cij為i種能源消費的第j種能源的碳排放量;Ei為第i產業的能源消費量;Eij為第i種產業的第j種能源的消費量 。

定義能源消費碳排放增量為綜合效應, 用 ΔC表示。根據LMDI分解模型, 綜合效應由五方面效應構成, 即人口效應 ΔCp、人均GDP效應 ΔCa、產業結構效應 ΔCs、能源消費強度效應 ΔCe、能源消費結構效應 ΔCn有:

為了更加清晰的反映各因素效應的貢獻, 定義各因素效應貢獻度如下:

式中pη、aη、sη、eη、nη分別表示人口效應貢獻度、人均GDP效應貢獻度、產業結構效應貢獻度、能源強度效應貢獻度和能源消費結構效應貢獻度。

4 京津冀能源消費碳排放因素分解

以2005年為基期, 運用上述的LMDI分解法對北京、天津、河北 2005-2012年的能源消耗碳排放進行因素分解分析, 得到歷年的人口、人均 GDP、產業結構、能源強度、能源結構的逐年效應, 結構如表1、表2、表3所示。

表1 北京市2005-2012年能源消費碳排放逐年效應Tab. 1 The energy consumption carbon emissions from 2005 to 2012 year effect in Beijing

表2 天津市2005-2012年能源消費碳排放逐年效應Tab. 2 The energy consumption carbon emissions from 2005 to 2012 year effect in Tianjin

表3 河北省2005-2012年能源消費碳排放逐年效應Tab. 3 The energy consumption carbon emissions from 2005 to 2012 year effect in Hebei

從表1-表3中京津冀2005-2012年間各累積效應可知, 人口效應和人均GDP效應為正, 說明人口和人均 GDP的增長對碳排放的增長有正的拉動作用, 其中三省市的人口效應逐年效應均為正值, 北京的人口效應相比天津和河北的人口效應大很多,說明北京市的人口效應對碳排放的增加具有很大的影響, 而河北的逐年的人口效應很小, 說明河北省人口的增加對碳排放有正效應, 但是影響不是很大。這是因為北京市是我國的首都, 其政治、經濟、教育、福利等影響因素使得其外來人口的快速增長,從而導致北京市相關產業能耗的加劇, 所以從人口因素來看, 其對北京市的碳排放具有重要的影響。

從人均GDP效應來看, 人均GDP的增加對碳排放的增加具有正效應, 三地的人均財富效應對碳排放影響的數值都是很大, 說明經濟的增加是三地碳排放增加的重要因素。

京津冀三省市的產業結構效應都為負值, 說明京津冀產業結構的調整對碳減排起到了一定的作用。北京已進入工業化后社會, 其產業升級的主要方向是第三產業的中高附加值產品的提升和高新技術的開發; 天津處于工業化后期階段, 其發展方向是高附加值的重化工業、現代制造業和服務業; 河北屬于農業大省、其工業化相對比較落后, 其發展方向是能源產出、工業化的提高和可循環的重工業的發展。因為能源結構和產業結構有很大的關聯性,所以對京津冀三地區的產業結構進行分析, 結果如圖6～圖8所示:

圖2 北京市三產業結構圖Fig. 2 The three industrial structures in Beijing

圖3 天津市三產業結構圖Fig. 3 The three industrial structures in Tianjin

圖4 河北省三產業結構圖Fig. 4 The three industrial structures in Hebei

從圖 2可以看出, 北京以第三產業為主, 且逐漸呈增長趨勢, 第二產業占比較小, 而第一產業對北京市的貢獻極小。從圖3, 圖4可以看出天津市、河北省以第二產業為主, 第三產業為輔, 相比天津和河北, 天津第二產業和第三產業基本持平, 河北省第二產業對地區經濟發展起到極大的作用; 從第一產業來看, 天津市第一產業對地區經濟貢獻不大,河北省第一產業對地區經濟發展起到一定的作用。

從能源強度效應來看, 京津冀三地的歷年能源強度存在波動, 北京市2005-2007,2009-2011年的能源強度效應為負值, 2007-2009, 2011-2012年的為正值; 天津市 2005-2009, 2010-2012年為負值, 2009-2010為正值; 河北省2005-2008,2009-2012年為負值, 2008-2009為正值。但從三地區的累積效應來看均為負值, 說明三地區的單位經濟增長消耗能源在減少,京津冀科技的進步和減排意識的提高, 使得京津冀經濟發展的同時, 其能耗比例在減少, 當前應該繼續利用北京科技人才力量的優勢, 開發新能源、新技術, 減少能耗, 使得都市圈的發展走可持續發展道路。

從能源結構效應來看, 北京的累積能源結構效應為負, 說明北京的能源結構的調整對北京市的碳減排起到一定的效果, 而天津和河北的能源結構效應為正, 說明和天津、河北的能源消耗對碳排放增長有正關系, 下面來分析一下天津和河北的能源消耗結構。

圖5 北京市能源消耗中天然氣、石油、煤炭所占比重Fig. 5 The energy consumption as a percentage of natural gas, oil, coal in Beijing

圖6 天津市能源消耗中天然氣、石油、煤炭所占比重Fig. 6 The energy consumption as a percentage of natural gas, oil, coal in Tianjin

圖7 河北省能源消耗中天然氣、石油、煤炭所占比重Fig. 7 The energy consumption as a percentage of natural gas, oil, coal in Hebei

從京津冀三地的能源消耗種類來看, 北京市主要以天然氣消費為主, 占到一次能源消耗總量的60%左右, 且一直處于增長趨勢, 煤炭的消耗量一直在減少; 天津石油和天然氣的總量和煤炭的總量基本持平; 河北省主要以煤炭消費為主, 占到全部消耗能源的60%左右從。從圖2和表1可以看出, 北京的能源結構的調整, 對碳減排起到一定的效果,這主要和北京的產業結構調整有一定的聯系, 北京自2004年采取了“以氣代煤”“以油代煤”一系列的優化能源結構的方針, 而且北京處于工業化后期, 逐漸轉型為以第三產業為主, 且北京市更傾向于高新技術產業為主, 所以北京的能源結構調整對北京抑制碳排放起到了一定的促進作用; 因為天津屬于港口城市, 兼具高新技術工業和重化工業, 濱海新區的發展更加成為京津冀發展的重點, 所以天津市的能源消耗中煤炭石油天然氣的消耗量基本持平; 河北省是以能源原材料開采和農產品加工為主, 屬于工業大省, 煤炭的消耗量極大, 所以天津和河北的能源結構效應對碳排放的增加有正效應。

為了更加清晰地了解各因素對京津冀碳排放的影響, 分析了各因素的累積效應貢獻度, 結果如下圖5所示:

因為北京的總效應為負, 天津和河北的總效應為正, 所以從圖 5的表示中, 人口因素對碳排放的增加有促進作用, 經濟的發展對碳排放的增加有促進作用; 產業結構的調整對京津冀的碳排放的減少有促進作用; 能源強度效應對京津冀碳排放的減少有促進作用; 北京市能源結構的調整對北京的碳排放的減少有促進作用, 河北和天津的能源結構對天津和河北的碳排放的減少有抑制作用。

圖8 京津冀五因素累積效應貢獻度Fig. 8 The five factors contribution of cumulative effects in Beijing-Tianjin-Hebei

而且從圖 5中可以看出, 人口效應對北京市的碳排放影響比天津和河北的效應大很多, 說明人口因素對北京市的碳排放有重要的影響, 而人口因素對天津市和河北省的碳排放雖然有促進作用, 但是影響不是很大; 經濟的發展對京津冀三地區的碳排放的增加有極大的影響; 產業結構的調整對北京市的碳減排有極大的作用, 相比來看產業結構因素對天津和河北的影響不是很大; 能源強度效應對京津冀的碳減排有促進作用, 說明京津冀增加單位 GDP消耗能源的量在減少, 從而說明三地的能耗技術在提高; 從能源結構效應來看, 北京市的能源結構對北京的碳排放有抑制作用, 天津和河北的能源結構對碳排放有促進作用, 說明天津和河北的能源結構需借鑒北京市的經驗, 采取調整能源結構的方案來減少碳排放。

5 結論與對策

5.1 主要結論

本文根據《中國能源統計年鑒》中京津冀三地區一次能源的消耗量, 測算了 2005-2012年京津冀三地區的碳排放量, 發現三地區的碳排放量一直處于增長趨勢。然后運用LMDI因素分解分析法將京津冀的能源消耗碳排放分解為人口、人均GDP、產業結構、能源消耗強度、能源消耗結構五個因素, 得出京津冀三地區的逐年效應、累積效應和貢獻度,得到以下結論:

1. 人口效應、經濟效應對京津冀三地區的效應均為正值, 產業結構效應和能源強度效應總體來看負值多于正值, 且累積效應為負值, 北京市能源結構效應為負值, 天津市和河北省能源結構效應為正值。

2. 人均GDP是北京碳排放最大的正影響因素,其次是人口因素; 產業結構是北京最大的負影響因素, 其次為能源結構效應和能源強度效應。

3. 能源結構效應是天津市碳排放最大的正影響因素, 其次為經濟效應和人口效應, 產業結構效應和能源強度效應是天津市碳排放的負影響因素。

4. 經濟效應和能源結構效應是河北省碳排放的正影響因素, 其次是人口因素; 能源強度效應是河北省碳排放最大的負影響效應, 其次是產業結構效應。

5.2 政策建議

根據分析結果表明, 經濟的發展對化石能源的需求是碳排放重要的影響因素, 為了減少二氧化碳的排放, 必須結合三地區經濟的發展特點改變能源結構的消耗, 而不能通過減緩經濟的發展來實現。在京津冀協同發展的背景下, 必須加強合作, 才能推動整個區域的經濟的可持續發展。本文給出以下幾點建議:

5.2.1 調整產業結構

從研究結果表明, 京津冀的產業結構的調整對區域碳減排起到了一定的作用, 尤其是北京的產業結構調整對北京市的碳減排起到了極大的作用, 相比來看, 天津和河北以第二產業為主, 第三產業為輔。在未來的發展路徑中, 京津冀地區應協同發展。就目前京津冀區域整體發展水平來看, 三地在工業化程度上存在不同步性, 天然稟賦也有較大差異,有計劃有步驟地實施產業轉移勢在必行。天津市要利用其制造業的發展優勢, 與北京市形成研發和智力知識對接, 延伸制造業的頂端產業鏈, 提升制造業的附加價值。河北省要利用其土地成本和商務成本的資源優勢, 率先在第一產業上與國際接軌, 提升農產品的綠色發展理念, 成為北京市和天津市食品和農產業的服務基地。與此同時, 加強對第二產業的升級改造, 運用北京市、天津市的科技優勢, 提升制造業“鏈環”的加工制造附加價值。拓寬第三產業發展領域, 提升第三產業服務的覆蓋區和產業低碳價值, 則是河北省在產業升級中著力提升的重點和點。

5.2.2 優化能源結構

從研究結果表明, 北京市的能源結構調整對碳減排已經起到了一定的作用, 這主要和北京以氣以油代煤的發展政策有關。天津和河北目前主要消耗能源還是以煤炭為主, 所以天津和河北的能源結構效應對當地的碳排放有促進作用。在未來的發展規劃中, 京津冀應重視減少煤炭的消耗, 以油、氣逐步代替煤炭的消耗, 并且積極發展新能源, 開發新技術, 以可再生、綠色的能源來維持經濟的發展, 從而達到減排目標。

5.2.3 加強京津冀人口調控, 優化資源配置

人口因素對京津冀經濟的發展和碳減排的影響是一個重要的因素, 而人口的調控最關鍵是解決人口流動的原因。對北京要進行人口、產業準入的標準, 而且北京享有的眾多福利可以適當向天津和河北等地進行利益分配, 同時要引導人口、產業向周邊城市擴散。例如在首都圈建立快速的交通體系,在京津冀范圍內實現城際鐵路公交化; 推進公共服務、社會保障一體化。

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Factor decomposition of carbon emissions from energy consumption of Beijing, Tianjin and Hebei based on LMDI

ZONG Gang1,2, NIU Qinxi2, CHI Yuanying1,*
1.School of Economics and Management,Beijing University of Technology,Beijing100124,China2.Insitute of Recycling Economy,Beijing University of Technology,Beijing100124,China

Accompanying with rapid economy development of Beijing, Tianjin, and Hebei, serious environmental pollution problems are emerging. The emissions of haze and carbon dioxide increase rapidly, which have been playing adverse effect on the development of Beijing, Tianjin and Hebei. Based on LMDI decomposition, factors affecting carbon emissions of Beijing, Tianjin and Hebei are decomposed into five aspects as population, economy, industry structure, energy consumption intensity and structure. We find that population and economy play a positive role for carbon emission, while energy consumption intensity and industrial structure play negative effects on carbon emissions. Energy consumption structure was different in regions: it was negative in Beijing, but positive in Tianjin and Hebei.

Beijing, Tianjin and Hebei; the energy consumption of carbon emissions; factor decomposition; LMDI

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.02.017

F062.1

A

1008-8873(2016)02-111-07

2015-01-23;

2015-03-04

智慧能源視角下北京市能源產業優化和大氣污染治理協同發展研究(項目編號: JD011012201501)

宗剛, 男, 教授, 博士生導師, 研究方向為產業經濟分析、技術經濟評價、交通發展政策、區域經濟規劃、循環經濟戰略等, E-mail: zonggang1957@sina.com

*通信作者:遲遠英, 女, 博士, 教授, 主要從事能源可持續發展，技術創新與低碳節能優化等方面研究, E-mail: goodcyy@126.com