張思齊,陳銀蓉
(華中農業大學 公共管理學院,武漢430070)
城市建設用地擴張與能源消耗碳排放相關效應
張思齊,陳銀蓉
(華中農業大學 公共管理學院,武漢430070)
通過收集武漢市2001—2013年建設用地與能源消耗數據,采用IPCC碳排放估算方法、Tapio脫鉤分析、反彈效應分析等方法,分析了建設用地和能源消耗碳排放在時間序列上的變化特征,探究了二者的相關效應。結果表明:武漢市2001—2013年建設用地逐年不斷擴張,2001—2005年擴張緩慢,2006—2013年開始快速擴張;能源消耗碳排放2001—2006年快速增長,2007—2013年增長速度出現波動;建設用地擴張與能源消耗碳排放僅5年表現脫鉤,并未達到完全脫鉤;推動能源消耗碳排放增長的主要因素是建設用地擴張效應與財富效應,它們幾乎抵消了技術進步所帶來的減排效應。顯示城市建設用地擴張與能源消耗碳排放之間依然存在明顯的相關效應,為實現低碳發展,武漢市城市建設用地的有序擴張和減排工作還需要進一步加強。
建設用地擴張;碳排放;脫鉤分析;反彈效應;武漢市
城市是社會經濟發展的重要載體,建設用地擴張是城市化在空間上的表現。隨著城市的擴張,更多的土地轉變為建設用地,土地供需緊張、大氣污染和溫室效應等問題加劇。研究表明土地利用變化碳排放是全球第二大碳源[1]。在各種用地類型中,城市建設用地的碳排放總量與強度均表現明顯,建設用地擴張是影響城市碳排放的重要因素之一[2]。
土地利用變化研究是低碳經濟和碳排放研究的重要切入點[3]。最常用估算能源消費碳排放的方法是IPCC碳排放系數估算法,趙敏[4]、趙榮欣[5]等均運用此方法估算出了不同地區的碳排放,同時建設用地和碳排放的相關研究也不斷深入,盧娜[6]通過LMDI指數分解法發現影響不同地區建設用地碳強度的產業不同;毛熙彥等[7]同樣借助LMDI分解法和擴展KAYA恒等式,探討了我國建設用地對碳排放增長的影響;杜官印[8]研究了建設用地的環境影響彈性系數,發現建設用地與碳排放之間存在穩定的正向關系;李穎等[9]計算了江蘇省建設用地每變化1 km2的邊際碳源/匯效應為6.769 2 t;張潤森等[10]研究發現無錫市1996—2008年建設用地總量與碳排放強度之間存在庫茲涅茨曲線關系;張梅等[11]則借助了ArcGIS等工具展開土地利用與碳排放之間的空間分析。另外關于建設用地擴張和碳排放的脫鉤研究也有許多成果,主要集中在宏觀層面以及部分產業層面的環境壓力與其驅動因素之間的脫鉤分析[12],更多分析了環境壓力與經濟增長之間的脫鉤關系,分別研究碳排放與經濟增長,建設用地擴張與經濟增長的文獻較多,如彭佳雯等[13]通過構建經濟與能源碳排放脫鉤分析模型,探討了我國經濟增長與能源碳排放的脫鉤程度。鐘太洋等[14]基于IPAT方程探究了經濟增長與建設用地之間的脫鉤。孫耀華等[15]運用Tapio脫鉤指標測度出多數省區碳排放與經濟增長之間呈現弱脫鉤。關于建設用地與碳排放間的脫鉤分析較少。反彈效應研究來源于能源經濟學領域,該方法常用于研究能源消耗和污染問題。近年來,在碳排放研究方面也有學者運用到這一理論[16],但在研究土地利用方面對該理論的運用很少。綜上,對城市建設用地與碳排放的關系研究中關于省域地區、關于經濟增長的研究較為豐富,直接研究城市建設用地擴張與能源消耗碳排放相關效應的文獻較少,針對這方面的相關研究還有很大空間拓展。本文選擇武漢市作為研究對象,首先結合現狀分析和脫鉤分析,判斷建設用地和能源消耗碳排放之間是否具有一定的相關性,然后借鑒能源經濟學知識,研究在當前經濟技術的背景下,建設用地擴張對能源消耗碳排放的影響大小,進一步分析建設用地擴張和能源消耗碳排放的相關效應,探究節能減排的關鍵影響因素,控制建設用地擴張是否對抑制能源消耗碳排放有較大的積極作用。
武漢市地處長江中下游,地理坐標為東經113°41′—115°05′,北緯29°58′—31°22′,具有優越的地理位置,長江、漢江穿城而過,形成“武漢三鎮”的格局,俗稱“江城”,全境面積約8 494 km2,濕地水資源豐富,是我國重要的交通樞紐和國際空港,科教綜合實力居全國大城市第3位。近年來武漢市經濟發展迅速,2013年常住人口達1 022萬人,戶籍人口達822.05萬人,全市GDP達9 051.27億元,在全國15個副省級城市中穩居第4,同比增長10.0%,第一、二、三行業生產總值分別為335.40億元,4 396.17億元,4 319.70億元,同比增長4.5%,10.3%,10.0%。隨著2004年國家中部崛起戰略的提出,武漢市成為中部崛起的重要戰略支點。同時,作為我國“兩型社會”與“低碳城市”的試點城市,城市工業不斷由傳統粗放式發展走向現代化集約式發展,改變發展方式,調整產業結構,重點打造高新技術制造業中心、服務業中心和貫通南北鏈接東西的交通樞紐基地,并加強生態環境的保護,落實淘汰落后產能企業。武漢也是“8+1”城市圈的領頭羊,是長江經濟帶的重要組成部分。因此,探究該區域建設用地與碳排放的相關效應具有典型意義。
1.2.1 IPCC碳排放系數估算法 能源消耗碳排放是建設用地上的最主要的碳排放來源。在研究時間內,武漢市人口變動并不劇烈,年均增長速度不足2%,較之于能源消耗碳排放,人類呼吸碳排放幾乎可以忽略,因此本文在研究建設用地承載的碳排放時,僅關注能源消耗碳排放。選用IPCC推薦估算能源消費碳排放的方法計算城市建設用地上的能源消耗碳排放量,能源消耗碳排放量計算公式為:

式中:E為能源消耗碳排放量;λi為第i種能源碳排放系數;Qi為能源消耗量。
1.2.2 脫鉤分析法 脫鉤一般用來描述多種事物相互關聯程度減弱或是消失的過程,要實現永續發展,就要實現環境壓力與經濟發展的“脫鉤”[17]。常用脫鉤分析方法有OECD法和Tapio法。兩種方法均需計算脫鉤指數,前者對所需數據要求較低,更加易于操作,但對脫鉤狀態分類較粗略[18]。為了更加精準細致地反映不同因素間的脫鉤關系,本文選擇Tapio脫鉤指數作為分析模型。Tapio脫鉤模型的關鍵是找到合適的指標計算脫鉤指數。Tapio脫鉤指數DI計算公式:

式中:Vt表示計算期碳排放變化速度,即環境壓力增長率;Kt表示計算期建設用地擴張速度,即經濟驅動力增長率;Zt與Zt-1表示計算期與上一期能源消耗碳排放總量;St與St-1表示計算期與上一期的建設用地面積總量。將DI這一指標引申用以探究能源消耗碳排放與建設用地擴張間的關系。
1.2.3 反彈效應分析法 反彈效應來源于能源經濟學,表示技術進步一方面提高能源使用效率節約能源,但另一方面促進經濟增長,又增加了能源需求,最終二者抵消作用,導致技術進步帶來的能源效率提升不會減少而會增加能源消費,即Khazzoom-Brookes假說[19]。本文雖然沒有直接研究能源消耗,但是本文所研究的能源消耗碳排放與能源消耗息息相關,受此啟發,借助IPAT分解模型構建反彈效應研究模型,分析在經濟不斷增長、科技不斷進步的城市之中,建設用地擴張對能源消耗碳排放間的影響效應力的大小,探討建設用地擴張是否也能抵消由于技術進步所減少的碳排放效應。
反彈效應研究模型:

式中:I表示環境壓力,即能源消耗碳排放;L表示建設用地擴張效應,即建設用地面積;A表示財富效應,即單位建設用地規模以上工業總產值;T表示技術效應,即單位規模以上工業總產值對應的能源消耗碳排放量。
反彈效應研究模型的建立來源于IPAT分解模型,該模型為I=P·A·T,I表示環境壓力,I的3個直接影響因素是人口效應(P)、財富效應(A)和技術效應(T)[16]。一方面由于研究時間內武漢市人口變動的幅度較小,逐年變化率小于2.5%,另一方面由于城市建設用地承載了城市工業發展,本文研究的環境壓力I為能源消耗碳排放,其主要來自工業的能源消耗,因此本文不考慮人口效應P的影響,將環境壓力I即能源消耗碳排放的3個直接影響因素定義為建設用地擴張效應L;財富效應A和技術效應T。其中能源消耗碳排放I可結合公式(1)和2001—2013年武漢市規模以上工業能源消耗量計算得來,規模以上工業總產值恰好可以在一定程度上代表能源消耗碳排放的財富效應A,單位規模以上工業總產值對應的能源消耗碳排放量則可反映能源消耗的效率,代表技術效應T。
1.2.4 反彈效應完全分解法 在反彈效應研究模型的基礎上運用反彈效應完全分解法分析各因子對環境壓力作用的效應,該分解方法在研究能源消耗碳排放中有不少應用[17]。
建設用地擴張效應、財富效應和技術效應貢獻的能源消耗碳排放計算公式如下:


碳排放效應指碳排放逐年變化量ΔI,計算公式如下:

式中:I表示環境壓力,即能源消耗碳排放;L表示建設用地擴張效應,即建設用地面積;A表示財富效應,即單位建設用地規模以上工業總產值;T表示技術效應,即單位規模以上工業總產值對應的能源消耗碳排放量;k表示年份。
建設用地擴張的快慢可以表達為建設用地擴張速度,趙可等[20]在研究城市建設用地擴張的驅動力時,林目軒等[21]在研究長沙市區建設用地擴張的時空特征時,均采用了建設用地年均增長率來表示建設用地擴張速度,本文沿用這一定義,將建設用地擴張速度定義為一年時間內建設用地擴張面積與原面積之比,并且將碳排放強度定義為研究區域單位土地面積的平均碳排放量[11,22]。將碳排放年均變化率定義為碳排放變化速度[23]。
文中運用IPCC碳排放系數估算法計算能源消耗碳排放,所需的歷年武漢市規模以上工業能源消耗量相關數據來自于2001—2013年《武漢統計年鑒》,碳排放系數則從《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》中獲取。脫鉤分析和反彈效應分析所需的建設用地面積和能源消耗碳排放相關數據,則由2001—2013年《中國城市統計年鑒》和相關計算得來。反彈效應分析還需要的規模以上工業總產值來源于2001—2013年《武漢統計年鑒》。
2.1.1 建設用地擴張分析 武漢市2001—2013年的市轄區建設用地面積總體變化趨勢表現為不斷上升,在此基礎上結合圖1,將建設用地擴張狀態劃分為兩個階段,其中第一個階段2001—2005年,建設用地面積增長較慢,年均增加面積為3.49 km2,年均面積增長率為1.48%;第二個階段2006—2013年,建設用地開始快速擴張,變化曲線走勢陡峭,年均增加面積為78.38 km2,年均面積增長率為17.62%。
2.1.2 能源消耗碳排放變化特征分析 結合2001—2013年的武漢市能源消費數據和公式(1),可計算出2001—2013年武漢市歷年的能源消耗碳排放量與逐年累計的碳排放強度(表1)。整體而言,武漢市能源消耗碳排放呈增長趨勢,其變化按趨勢劃分大致可分為兩個階段。2001—2006年為快速增長期,總量增加1 081萬t,增幅達到90.54%;2007—2013年為波動增長期,有4年出現小幅下滑,但截至2013年總量仍然增加了356萬t,增幅達到15.65%,碳排放強度也分為兩個階段,2001—2003年逐年增長,2004—2013年呈現出不斷下滑態勢。

圖1 2001-2013年武漢市建設用地變化
影響能源消耗碳排放的主要因素是能源消耗量和能源結構,結合圖2分析2001—2013年武漢市主要能源消耗,其中煤炭、原油、焦爐煤氣和焦炭的碳排放系數分別是0.755 9,0.585 7,0.354 8,0.855 0萬t CO2/萬t ce,即表示每消耗相當于1萬噸標準煤熱量的能源釋放多少萬噸CO2。從2001年以來,可以看出具有較高的碳排放系數的煤炭消耗量一直保持較快增長,直至2006年,才出現減少趨勢,之后其消耗量不斷波動變化,并未出現大幅增長,其他類型的能源消耗變化呈現穩定增長,2006年“中部崛起”戰略、2007年“兩型社會”試點、2011年工業倍增計劃實施,加速工業轉型升級,這些政策均可能是促使武漢市能源消耗量與能源結構變化的原因。

圖2 2001-2013年武漢市主要能源消耗量變化
Tapio脫鉤指數可以看成一種彈性系數,表示了兩種要素變化率的相對大小(表2),在本文中即指碳排放變化速度和建設用地擴張速度的比值。
脫鉤狀態分析計算結果如表3所示,在過去12年中,5年顯示建設用地與能源消耗碳排放脫鉤,其他年份均為擴張負脫鉤,即未脫鉤狀態,在2006年建設用地從緩慢擴張變為快速擴張,發生階段性變化,其與能源消耗碳排放間的脫鉤狀態也從持續擴張負脫鉤變為多次出現脫鉤的狀態,可以看出短期建設用地快速擴張容易導致其與能源消耗碳排放發生脫鉤,長期來看這種脫鉤難以持續,能源消耗所帶來的碳排放變化速度一旦增加,建設用地擴張和碳排放又立即轉變為未脫鉤狀態,說明建設用地擴張和碳排放之間并未實現真正意義上的脫鉤。

表1 武漢市2001-2013年能源消耗碳排放與碳排放強度萬t/km2

表2 Tapio脫鉤指數劃分
進一步分析發現,無論是脫鉤年份還是未脫鉤年份,建設用地擴張速度始終大于0,但未脫鉤年份碳排放變化速度較大,脫鉤年份碳排放變化速度很小或為負值,如果碳排放變化速度很小則呈現弱脫鉤,如果碳排放變化速度為負則呈現強脫鉤。因此影響脫鉤的關鍵在于能否有效控制碳排放變化速度。另外,由所得數據來看,擴張負脫鉤集中在研究區間前段,研究區間后段年份多為脫鉤狀態,表現出隨著時間變化建設用地面積與碳排放總量具有脫鉤趨勢,基本可以判斷建設用地和能源消耗碳排放之間尚未脫鉤,其相關關系有待進一步研究。

表3 2002-2013年武漢市能源消耗碳排放總量與建設用地總量間脫鉤情況
依據反彈效應研究模型,如公式(3)所示,能源消耗碳排放效應可以分解為建設用地擴張效應、財富效應和技術效應。利用反彈效應完全分解法可以計算出2001—2013年歷年建設用地擴張、財富和技術效應在能源消耗碳排放效應中所占的大小,結果反映在表4中。

表4 2002-2013年武漢市建設用地效應擴張、財富效應和技術效應 萬t
在反彈效應分析中,正效應代表增加的碳排放,負效應代表減少的碳排放。在影響能源消耗碳排放效應的3大因素中,建設用地擴張效應均為正,且2005年之后,正效應持續快速擴大;財富效應在大多數年份也表現為強烈的正效應,僅2006年、2009年、2010年出現負效應,這里負效應的出現主要是因為單位建設用地規模以上工業總產值在這3年出現下滑,而這一指標的下滑均是由于規模以上工業總產值的增長幅度小于建設用地擴張的幅度,導致二者的相對比值減小,這樣導致的負效應是難以持久的,建設用地的快速擴張極有可能帶來未來工業的擴張,并且如果單位建設用地規模以上工業總產值持續減小,城市工業很可能處于衰退狀態,這樣導致的減排效應對社會經濟發展沒有好處;技術效應則除了2010年出現正效應外,其他年份均表現為負效應,且負效應在2008年達到峰值,2010年出現正效應的原因在于當年的單位工業總產值碳排放出現增長,而其他年份單位工業總產值碳排放均在不斷下降,2010年單位工業總產值碳排放增長的原因是當年碳排放增長速度超過了工業總產值的增長速度。
由此顯示建設用地擴張和財富增長可以極大的驅動碳排放增加,從而對能源消耗碳排放帶來較大的正效應,隨著技術提升,單位規模以上工業總產值對應的能源消耗碳排放逐漸減少,技術效應可以在一定程度上緩解能源消耗碳排放的增長,但碳排放總量并不會因此減小,總體的碳排放效應依然為正,建設用地擴張和財富增長可以幾乎完全抵消技術進步所帶來碳排放的減少。同時要達到控制能源消耗碳排放的目的,單純依靠技術進步,能源利用效率提高所帶來的負的技術效應很難實現碳排放總量的減少,而正的財富效應表示工業和經濟的良好發展,減小財富效應在能源消耗碳排放中的作用不利于工業和經濟的健康發展,因此控制建設用地擴張效應、城市建設集約化發展是節能減排的一個更為有效的方式。
綜上所述,城市建設用地擴張承載了工業和經濟的發展,也帶來了大量的能源消耗碳排放。雖然建設用地擴張不會直接增加能源消耗,導致碳排放的產生,但是建設用地擴張在一定程度上可以使得工業規模擴大,尤其當建設用地盲目擴張,擴張代價成本較低時。因此本文在通過脫鉤分析確定建設用地與能源消耗碳排放尚未脫鉤之后,較為創新地運用了能源經濟學中反彈效應這一概念,展開分析建設用地面積、單位建設用地規模以上工業總產值、單位規模以上工業總產值碳排放對應的建設用地擴張效應、財富效應和技術效應對能源消耗碳排放的影響,并得出了相應結論,對節能減排提出了相關建議。現代社會碳排放的產生在很大程度上與能源消耗相關,經過本文的探究與思考,認為未來結合能源經濟學知識會對碳排放的研究和管理具有很大的幫助,是后續研究的一個可行方向。
(1)時間序列上,伴隨著建設用地擴張,能源消耗碳排放總體表現為增長;建設用地出現階梯式增長,碳排放也由此出現階段性增長變化。2001—2005年是建設用地的緩慢擴張階段,2006—2013年是建設用地的快速擴張階段;2001—2006年是能源消耗碳排放的快速增長階段,2007—2013年是能源消耗碳排放的波動增長階段。
(2)脫鉤分析表明,在研究時間范圍內,2006—2010年、2012年建設用地擴張和能源消耗碳排放發生脫鉤,2002—2005年、2011年和2013年均未達到脫鉤,短期建設用地快速擴張容易引起脫鉤現象,長期來看這種脫鉤難以持續,建設用地與碳排放間具有脫鉤趨勢,但未完全脫鉤,脫鉤產生的關鍵在于能否有效控制碳排放變化速度。
(3)反彈效應分析結果表明,建設用地擴張和財富增長對能源消耗碳排放具有極大的正效應,其正效應帶來的能源消耗碳排放的增加幾乎抵消了技術發展的減排作用,抑制財富增長可能對工業和經濟產生不良影響,相較而言,控制建設用地擴張、城市建設集約化發展對節能減排更為可行有效。
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Correlation Effect of City Construction Land Expansion and Energy Consumption Carbon Emission
ZHANG Siqi,CHEN Yinrong
(School of Public Administration,Huazhong Agricultural University,Wuhan430070,China)
Through collecting the data of construction land and energy consumption in Wuhan City from 2001 to 2013,we used IPCC carbon emission estimation method,Tapio decoupling analysis method,rebound effect analysis method and so on to analyze the characteristics of the construction land and the carbon emission of energy consumption in time series in order to explore the relevant effect of the two processes.The results showed that:(1)the construction land expansion continued through 2001 to 2013 in Wuhan City,the expansion from 2001 to 2005 was slow,and was rapid from 2006 to 2013;(2)the growth of energy consumption carbon emission was rapid from 2001 to 2006,then fluctuated through 2007 to 2013;(3)construction land expansion and energy consumption carbon emission achieved decoupling for only 5 years,and didn′t achieve complete decoupling;(4)the main factors for the growth of energy consumption carbon emissions were construction land expansion effect and wealth effect,they almost offset the effect of technology progress.The expansion of urban construction land and energy consumption carbon emission still exist significant correlation effect.In order to realize low carbon development,orderly expansion of the urban construction land of Wuhan City and the work of reducing carbon emission need to be further strengthened.
construction land expansion;carbon emissions;decoupling analysis;rebound effect;Wuhan City
X24;F301.2
A
1005-3409(2017)01-0244-06
2016-01-30
2016-02-20
國家社會科學基金“基于系統仿真的城市土地利用碳排放分析與低碳利用調控研究”(14BGL218)
張思齊(1993—),女,湖北宜昌人,碩士,研究方向為土地利用規劃與管理。E-mail:2538885626@qq.com
陳銀蓉(1963—),女,湖南長沙人,教授,博士生導師,主要從事土地利用規劃與管理、區域經濟與城鎮發展研究。E-mail:chyinrong@126.com