中國典型城市群城鎮化碳排放驅動因子

蘇王新,孫然好

1 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室, 北京　100085 2 桂林理工大學旅游學院, 桂林　541004

作為生產、生活和人口的集聚地,城市是能源消費的主體[1]。城市群作為推進國家新型城鎮化的戰略舉措,是國家參與全球競爭與國際分工的主要地域單元,具有規模效應、集聚效應、輻射效應和聯動效應[2- 4]。現階段,我國正處于城市化和工業化的快速發展階段,城鎮化進程中的人口轉移對能源資源和碳排放的沖擊是顯而易見的,經濟增長對能源消費的剛性需求也將會保持高位增長態勢,由此產生的碳排放將會對經濟、社會和環境的持續發展形成較大壓力[5- 6]。IEA(2009)數據顯示2007年中國成為世界上碳排放最大的國家,中國面臨著巨大的減排壓力,2015年巴黎氣候大會中國在“國家自主貢獻”中承諾碳排放強度減排目標,即2030年單位國內生產總值CO2排放比2005年下降60%—65%。那么如何在推進新型城鎮化的過程中,不斷優化城鎮化發展格局,提升城鎮化的發展質量,建立一種益于節約能源和資源的發展模式,降低城鎮化的資源和環境成本,走低碳發展道路,是現今面對的嚴峻問題。

目前對于能源使用導致的碳排放的驅動因素有多種不同的分析方法,例如因素分解法、向量自回歸法、相關性分析法等[7]。因素分解法包括結構分解法(SDA)和指數分解法(IDA)。指數分解法(IDA)是對各個解釋變量的微分展開的一種分析方法,其中的Laspeyres指數分解法和Divisia指數分解法是能源研究領域應用普及率最高的兩種研究方法[8-10]。Laspeyres指數測量的是某一領域一組條目在歷史上的百分率變化情況,使用的權重是根據基期的價值確定的,主要包括修正的Fisher理想指數和Shapley/Sun方法。Laspeyres指數法在20世紀70年代末、80年代初得到廣泛應用,該方法的主要優點是簡單直觀、易于理解、便于操作[11- 12]。

國際上對城市化和碳排放的研究主要分為發達國家城市低碳轉型和發展中國家低碳城市化兩類[13- 14]。相關研究認為人口的城市集聚、城市化生活方式以及城市形態等都是影響城市碳排放的驅動因素[15- 16],碳排放強度是評價一個國家或地區碳減排效果的理想指標[17],能源強度是分析人類行為對氣候變化影響的主要指標[18],也有研究認為一個國家或地區碳排放的推動力有4大因素[19],即人口、人均GDP、單位GDP的能源用量、單位能源用量的碳排放量。國內碳排放研究始于20世紀90年代,關于能源消耗、碳排放的研究,多數是在國家尺度、省域尺度上進行[20- 22],而以城市群作為對象的研究還比較缺乏,對典型城市群城市碳排放的對比分析較少[1]。因此,本研究以中國五大城市群主要城市為研究對象,分析人口、經濟、能源結構和能源強度對城市碳排放的影響,為城市群碳排放權交易的政策制定以及城市群發展模式研究提供保障。

1　數據來源及研究方法

1.1　數據來源

選取長三角城市群的上海市、珠三角城市群的廣州市、京津冀城市群的北京市和天津市、長江中游城市群的武漢市和成渝城市群的重慶市為研究對象。2000—2014年市轄區年末總人口、市轄區地區生產總值、市轄區人均地區生產總值、三產業占地區生產總值的比重等來源于《中國城市統計年鑒(2001—2015)》,統計數據“市轄區”包括所有城區,不包括轄縣和轄市；統計人口為年末戶籍人口。能源消耗總量、各種能源的消耗量(煤炭、焦炭、石油、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、液化石油氣和天然氣)數據來自《中國能源統計年鑒(2001—2015)》,統計數據均為終端消費量。

1.2　研究方法

世界能源需求的80%—85%來源于化石燃料,80%—90%的碳排放來源于化石燃料能源消耗[23]。因此,化石燃料能源所產生的碳排放是碳排放研究的重點。目前,碳排放量的測算方法主要有實測法、物料衡算法和排放系數法等[24],因排放系數法公認程度高、數據較易獲得[25],在學術界中應用最多。在碳排放系數的確定方面,各個機構和學者的標準各不相同,本文采用的碳排放系數如表1所示。碳排放量的測算選取煤炭、焦炭、石油、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、液化石油氣和天然氣等10類主要化石能源,以各類能源的消費總量乘以各自的平均低位發熱量與CO2排放系數獲得CO2的排放量,表達式如下：

式中,C為各類化石能源CO2排放總量；NCVi表示第i種能源的平均低位發熱量,單位是KJ/kg；CEFi表示第i種能源CO2排放系數,單位是t-C/TJ。

表1　各類能源的平均低位發熱量與二氧化碳排放系數[26]

本文采用的是完全分解模型,由Sun在1998年提出[26],按照Dhakal[27]中的方法計算能源使用的碳排放量,研究能源使用導致碳排放的驅動因素。將15年的統計資料每2a作為一個時間點共分7個時間段(2000—2002年、2002—2004年、2004—2006年、2006—2008年、2008—2010年、2010—2012年、2012—2014年),差分解求4個影響碳排放的驅動因子效應。

(1)

式中,C為總的碳排放量(千t)；E為最終能源消費量(t標準煤)；GRP為地區生產總值(百萬元)；P為年末總人口數(百萬)；C/E為碳強度效應(CI)；E/GRP能源強度效應(EI)；GRP/P為人均地區生產總值(PC)。CI、EI、PC和P是解釋變量。從t年到0年排放量的增加值為：

Ct-C0=CIt×EIt×PCt×Pt-CI0×EI0×PC0×P0

(2)

C=CIeffect+EIeffect+Income effect+Population effect

2　結果分析

2.1　城市化特征分析

碳排放強度CI是衡量能源利用質量和碳排放效率的一個重要指標,用單位能耗的碳排放量來表征,其作為一個正向指標碳排放強度CI值越大,說明碳排放就越多。相關研究表明能源強度、能源類型和經濟結構等因素都會影響碳排放強度[28- 30]。由圖1a可知,碳排放強度CI在北京、上海、重慶的趨勢是下降的,在天津的趨勢是上升的,而在廣州和武漢是趨于平穩的狀態,說明各城市群能源消耗中各種能源的比重和碳排放量的變化存在著較顯著的差異性。

經濟活動的能源強度EI用單位地區生產總值的能耗來表示,是衡量一個國家或地區能源使用效率的重要指標之一[31]。一般來說,能源強度的不斷降低與技術進步、能源結構改善等有密切的關系。由圖1b可知,15年間各大城市群的能源強度的整體趨勢在下降,且城市群之間能源強度的差距在逐漸縮小,能源強度EI作為一個逆向指標,說明各大城市群的能源效率在逐漸提高。中國目前正處于經濟快速增長的城市化與工業化進程中,通過提高能源使用效率來避免不必要的浪費和降低能源強度,從而延長既定供給量下的能源使用期及實現可持續發展。

人均地區生產總值PC可以表示一個經濟體大致所處的經濟發展階段,不同的經濟發展階段有著不同的能源消費特征。中國目前處于快速城市化與工業化階段,經濟發展迅速,能源需求總量大、增速快且呈剛性特征[32]。由圖1c可知,人均地區生產總值PC呈倍數級增長,廣州、北京、上海和天津的增速基本一致,增速較快,武漢次之,最后是重慶。說明各大城市群的經濟宏觀上都在增長,可能是影響碳排放的因素。

在數據期間的人口總數變量是一個相對穩定的值,然而城市化的人口沖擊非常明顯,有研究認為人口變動、經濟發展和技術變動等都是人類影響氣候變化的決定因素,人口老化、城市化、家庭規模縮小等都是影響未來氣候變化的重要人口因素[33]。為了充分展示城市化人口轉移帶來的能源和碳排放影響,人口總數變量P用城市人口數量來代替。由圖1d可知,人口P呈現平穩的增長態勢,重慶市由于人口基數較大,而單獨成組,北京、上海、天津、廣州和武漢的人口基數基本相當,人口增速基本一致。

圖1　六個城市的碳排放強度、能源強度、人均地區生產總值、人口總量Fig.1　Carbon intensity, Energy intensity, per capita GRP, Total population in the six cities(廣州市和武漢市的CI用其所在的廣東省和湖北省的數據來代替)

2.2　碳排放的驅動效應分析

(1)城市群碳排放驅動效應的總體分析

各個城市群的經濟效應、能源強度效應對碳排放的驅動效應都非常明顯。如圖2所示,人口規模效應對各城市群碳排放增長有正向影響,但其貢獻率較其他效應低一些。經濟效應在各城市群中均處于正向效應,能源強度效應均處于負向效應(除重慶市第2、3段,武漢市的第2段),兩者的驅動影響因子非常的顯著,說明經濟的增長對碳排放是具有促進作用的,能源強度對碳排放是具有抑制作用的,這與多數研究結論一致[34- 36]。碳強度效應在各大城市群之間是有正向有負向,正負間波動變化比較大,碳強度效應對碳排放的影響具有不確定性。近年來各大城市群均面臨著人口規模快速增加的問題,城市基礎設施、房屋建設中消耗的鋼筋水泥等都需要消耗大量能源,并且在城市化的過程中人們的消費規模和消費習慣也發生著巨大的改變,這些因素都會導致能源消耗及碳排放的增加。相比其他3個影響效應,人口效應對碳排放的驅動效應波動不是很大,均處于一個相對平穩的變化態勢,除北京的第5段(2008—2010年段)和武漢的第6段(2010—2012年)之外均處于正向,說明人口效應對碳排放是具有促進作用的。

(2)不同城市的碳排放驅動因素

由圖2可以看出,天津和廣州的4個碳排放的影響效應整體上呈現增長趨勢,北京和上海的4個碳排放的影響效應趨于平穩；武漢和重慶的4個碳排放的影響效應在整體上是先減小后增大。各城市群碳排放的經濟效應相對比較明顯,且出現了拐點。各城市群的能源強度效應對碳排放的影響在逐漸增大,上海市的能源強度效應在各大城市群中的影響為最大,廣州市的最小。北京、上海和天津的4個碳排放的影響效應在整體上要比廣州、武漢和重慶的4個碳排放的影響效應更加顯著。各大城市群中的人口規模效應對碳排放的正向驅動效應處于一個平穩的狀態,相對其他3個驅動效應,其對碳排放的影響效應也最小。

圖2　6個城市的碳強度效應、能源強度效應、經濟效應和人口效應Fig.2　 CI effect, EI effect, Income effect and Population effect in the six cities

(3)城市碳排放驅動要素的時間特征

北京市的第3段(2004—2006年),經濟效應和能源強度效應均出現了較大的轉折波動,其余時間段二者的波動趨于相對較平穩的水平。天津市的經濟效應對碳排放的驅動效應最大,在第6段(2010—2012年)出現了正向峰值拐點,碳強度效應在第5段(2008—2010年)出現了正向的轉變,能源強度效應對碳排放的驅動效應在逐漸增大。值得注意的是,在第5段(2008—2010年)人口規模效應的波動較大,原因在于北京市的常住人口中外來務工人員所占比例較大,并隨著經濟波動而變化。

上海市在2000—2015年間,經濟效應是促進碳排放增長的主導因素,能源強度是抑制碳排放增長的關鍵因素,這與相關研究結果一致[37]。經濟效應在第3段(2004—2006年)出現拐點,影響效應開始逐漸下降,能源強度效應則處于持續增長狀態。產業結構、能源結構的優化有利于控制碳排放,而重工業化與能源結構的高碳化則會增加碳排放。因此在能源強度下降的同時,調整產業結構和能源結構對上海市碳減排至關重要[38]。

重慶市2000—2006年能源強度的抑制貢獻值與經濟效應的拉動貢獻值之間的差距逐漸縮小,2006年以后經濟發展使抑制貢獻值與拉動貢獻值之間的差距又不斷擴大,使經濟效應成為首要的碳排放促進因素。經濟效應呈現先增加后降低的情況,且在2008—2010年段出現了拐點。能源強度效應,對重慶市碳排放的影響效應總體上為負值。有研究表明,人口數量對重慶市能源消費碳排放量影響最大。第三產業比重每增加1%,能源消費碳排放將會減少0.093%[39]。

武漢市的經濟效應和能源強度效應對碳排放具有顯著影響。武漢市的經濟效應處于折線上升的態勢,可能與城市經濟跨越式增長有關系[40]。碳強度效應處于正負間折線波動的狀態,說明碳強度效應對碳排放的影響具有很強的不確定性。2000—2006年能源強度的抑制貢獻值與經濟效應的拉動貢獻值之間的差距逐漸縮小,2006年以后經濟發展使抑制貢獻值與拉動貢獻值之間的差距又不斷擴大,導致城市總體碳排放的增長。

廣州市的經濟效應處于梯形上升的態勢,說明經濟效應對城市碳排放的影響在逐漸增大。人口效應整體趨于平穩的正效應狀態,碳強度效應處于正負間折線波動的狀態,說明碳強度效應對碳排放的影響具有不確定性。能源強度效應的絕對值的總體趨勢是在增大的。2006—2008年段,經濟效應下降的主要原因在于加入WTO以來廣東省通過大量吸引外商投資來嵌入全球價值鏈分工體系,實施出口導向的發展戰略,從而獲得了大量的“全球化紅利”[41]。自2008年全球金融危機爆發以來,受到外需萎縮和國內要素價格不斷攀升的影響,廣東省的出口貿易規模銳減,部分中小企業倒閉或停產,從而導致其能源消耗增量降低、能源消費的碳排放增量有所下降。

3　討論

現有對于城市碳排放的研究多以單因素分析為主,包括城市化過程中人口和經濟增長、城市擴張、低碳技術進步和體制政策創新,以及城市所依賴的能源結構等[42- 45]。碳排放核算主要包括生產和消費兩方面,生產碳排放賬戶包括工業、建筑業、交通運輸業及商業等方面,消費碳排放賬戶涵蓋人類衣、食、住、行、娛樂的相關活動[36,46- 49]。在碳排放測算方面,由于測算方法、碳排放系數標準和能源統計口徑均有不同,使得碳排放測算結果不一致[24]。因素分解法以各個要素之間的數學關系進行解剖,探討經濟、人口、產業結構、能源結構、國際貿易、外商直接投資等對碳排放的影響。本案例研究表明,該方法能夠為碳排放的驅動因子和貢獻提供可行的方法支撐。

本文因素分解的能源強度因素,6個城市均處于下降接近的狀態,能源強度效應在碳排放方面具有負向作用,因而可以在促進我國典型城市群的節能減排時進一步完善和優化各地區的能源結構,提高能源的利用效率。因素分解的人均地區生產總值因素,6個城市均處于增長狀態,收入效應在碳排放方面具有正向作用,可通過加快產業結構的優化升級,建立城市群低碳法律體系,完善節能減排的市場化機制,加強城市群間科技研發的聯動支持力量等措施來促進城市群節能減排的實施,同時為后續城市的發展提供更加可持續的空間。

本文僅限于整體城市問題的研究,并未考慮到城市土地利用的變化。相關研究表明全球能源相關CO2排放的年平均占有率只有85%,剩余的15%是來自土地利用變化[50],本研究尚有改進空間。生物燃料、新型能源等的能源消耗碳排放并未計算在內,也沒有分部門和分產業的進行碳排放的計量。在后續的研究中,擬進一步完善城市土地利用變化對城市碳排放的影響,加強分行業碳排放研究；進而對碳排放驅動機制開展多學科聯合研究,深入了解碳排放的影響因素、作用機制和演變過程,積極研究不同區域的碳排放差異特征及其成因,提出科學合理的碳減排政策以及相應的保障技術。

4　結論

(1)各城市群能源消耗中各種能源的比重和碳排放量的變化存在著顯著的差異性；各城市群的能源強度在逐漸降低,且城市群之間能源強度的差距在逐漸縮小；各大城市群的人均地區生產總值PC呈倍數級增長,人口P呈平穩增長。

(2)15年間的7個時間段內北京、天津、上海、廣州、武漢和重慶的經濟效應、碳強度效應、能源強度效應對碳排放的驅動效應都非常明顯。其中經濟效應和人口效應具有正向效應,也即經濟的增長和人口增加都對碳排放是具有促進作用的；能源強度效應具有負向效應,也即能源強度對碳排放是具有抑制作用的；而碳強度效應對碳排放的影響則具有不確定性。

(3)各城市群的經濟效應總體上都出現了拐點,能源強度效應都在增大,不同的城市群的四個碳排放的影響效應(能源強度效應、碳排放效應、經濟效應和人口效應)存在著明顯的差異性。廣州和天津的4個碳排放的影響效應整體上是逐漸增大；北京和上海的4個碳排放的影響效應趨于平穩對稱；武漢和重慶的四個碳排放的影響效應是先減小后增大。

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