基于LMDI-SMC中國氮氧化物減排績效動態演化規律研究

王麗瓊

泉州師范學院資源與環境科學學院，福建 泉州 362000

氮氧化物 NOx作為對區域大氣復合污染具有重要影響的一種污染物，不僅本身為有毒有害氣體，還是對流層臭氧和大氣氣溶膠的重要前體物，同時也是酸雨形成的重要貢獻者，對人體健康和生態環境均具有較大的危害。NOx排放被納為污染物排放總量控制目標，相當學者對其排放的定量分析和時空變化進行研究。氮氧化物排放動因和排放影響上，施亞嵐等（2014a）通過情景模擬探討了最終需求結構變化對氮氧化物排放的綜合影響和拉動效應，劉建等（2017）基于回歸分析等統計方法研究分析了臭氧前體物（氮氧化物）和氣象因子對珠三角臭氧污染的影響；氮氧化物排放的區域格局上，王麗瓊（2013）采用全局和局部空間相關分析方法研究中國省際氮氧化物排放強度的空間自相關性和空間異質性，刁貝娣等（2016）運用ESDA（探索性空間方法）分析省域工業 NOx排放的時空分布特征；研究氮氧化物減排方面，王麗瓊（2013）基于脫鉤理論結合對數平均 Divisia指數分解模型（LMDI法）對各省域減排現狀和實現途徑進行分析，目前區域經濟發展水平、技術條件和能源結構差異等因素影響，各地區的氮氧化物排放量狀況和減排進度存在顯著差異，有關各地區氮氧化物減排空間動態變化研究甚少，且中國探索均衡、協調和可持續發展的城鎮化進程中，探討各區域氮氧化物減排演變及其與周邊背景聯系，不僅有利于體現各區域減排的階段性特征，而且是中國促進區域減排任務合理分解和協調減排的重要戰略依據。

脫鉤理論最早反映了經濟發展與資源消耗、環境沖擊的非同步變化狀況，OECD認為：在某個時期，當環境壓力的增長較其經濟驅動因素的增長慢時，就是環境退化與經濟增長的脫鉤（De Bruyn et al.，1997；Anton，2001）。對數平均 Divisia指數（LMDI）分解法的基本思想是把一個目標變量（如能源消耗或污染物排放量等）的變化分解成若干影響因素的組合，從而定量辨別各個因素影響程度的大小，進而確定其對目標變量影響最大的關鍵因素（林濤等，2013）。Diakoulaki（2007），Kang et al.（2012）結合對數平均Divisia指數分解模型（LMDI法）和脫鉤理論對二氧化碳排放與經濟增長脫鉤的影響因素和減排績效進行研究。本文首先參考此文獻基于脫鉤理論將LMDI因素分解法中通過其他經濟驅動因素（能源結構、能源強度、經濟結構等）導致氮氧化物排放增加來量化氮氧化物排放與經濟增長脫鉤系數，通過脫鉤系數大小反映氮氧化物減排績效；其次為揭示各省域氮氧化物減排時空類型轉移與區域周圍背景之間的內在聯系，將空間因素納入傳統的馬爾科夫矩陣以考察空間溢出在中國各省域氮氧化物排放脫鉤系數動態變化中的作用，分析其減排績效的時空演變特征，在一定程度上強調了周邊區域減排現狀對其區域自身減排的影響，為進一步協調區域減排、縮小區域排放差異和加強區域減排合作提供科學的理論和實踐支撐作用。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本研究查閱2006－2016年中國能源統計年鑒，將能源消費劃分為農業、能源（火力發電、煉焦、煉油和制氣）、工業（制造業和建筑業）、交通（終端消費）、商業和其他經濟系統（包含居民消費）6大部門，8種能源類型有原煤、焦炭、原油、煤油、燃料油、柴油、汽油和天然氣，根據因子排放法（施亞嵐等，2014b）基于化石燃料所產生的氮氧化物排放列入清單核算各省市不同產業部門、不同能源類型能源消費氮氧化物排放量。收集 2006－2016年中國統計年鑒中經濟系統 6大部門中農業、工業、交通、商業和其他產業的國內生產總值經濟數值，西藏、香港、澳門、臺灣由于能源數據缺失，不納入研究范圍。

1.2 氮氧化物排放脫鉤系數

基于脫鉤理論中環境壓力增長（ΔNm）與經濟驅動因素增長（）關系提出氮氧化物排放與經濟增長脫鉤系數（王麗瓊，2017）：

其中NRm通過Kaya恒等式擴展模型推導如下：

式中，i為產業類型；j為能源類型；N為氮氧化物排放量；EM為能源消費量；G為國內生產總值GDP。

則Kaya擴展模型可表述為：：

式中，Fij為不同產業中不同能源類型的氮氧化物排放系數；Sij為不同產業中不同能源類型消費比重；Iij為第i產業的能源強度；Uij為第i產業GDP所占百分比；G為GDP，故：

式中，N0、Nt分別為基期和t期氮氧化物排放總量。其中，

1.3 基于馬爾科夫鏈的區域趨同性時空演變

空間馬爾科夫鏈（spatial Markov chains，簡稱SMC）可用于研究地區某一指標的時空演變規律及其在空間的趨同效應。相當學者基于時空加權馬爾科夫鏈研究中國區域經濟增長（張偉麗，2015）、中國綠色化發展水平測度（徐凱等，2016）及環渤海地區國內游客旅游消費（孫才志等，2017）等的俱樂部趨同及其演變。本研究為探索中國各省域氮氧化物減排績效動態演化規律，基于空間馬爾科夫鏈建立區域與周圍相鄰區域的空間關系（空間權重矩陣），確定每個區域的鄰域狀態（空間滯后算子），研究能反映各省域氮氧化物減排績效的排放脫鉤系數指標的俱樂部趨同及其演化，分析其空間類型轉移的周圍背景影響，有利于中國后續探索區域氮氧化物協調減排提供參考建議。

首先，將中國各區域氮氧化物排放脫鉤數據離散化為4個等級：低脫鉤（脫鉤系數低于全國平均的45%）、中低脫鉤（脫鉤系數位于全國平均的45%－97%）、中高脫鉤（脫鉤系數位于全國平均的97%－157%）、高脫鉤（脫鉤系數高于全國平均的157%）。

式中，Dm(t)表示第m個地區在第t年的氮氧化物排放脫鉤系數；r代表等級（從低到高依次記為1，2, 3, 4）。

其次，計算相應類型的概率分布及其類型轉移概率構建馬爾科夫矩陣：

式中，ni表示所有年份中屬于類型i的區域數量之和；nij(d)表示當前年份屬于類型i區域在d年后轉移為類型j的所有區域數之和。

最后，引入空間滯后因子，構建k個k×k的條件狀態轉移概率矩陣：

2 結果分析

運用LMDI因素分解法中通過其他經濟驅動因素導致的氮氧化物排放增加來量化氮氧化物排放與經濟增長脫鉤系數，如表1所示，其全國均值有較為明顯的提升趨勢，這表明“十一五”、“十二五”期間全國經濟發展中氮氧化物從經濟增長方式（能源結構、能源強度、經濟結構等驅動因素）方面減排的績效愈來愈佳。將中國各區域氮氧化物排放脫鉤數據根據全國的平均水平離散化為 4個等級，并通過類型轉移概率構建氮氧化物排放脫鉤馬爾科夫矩陣，由表2可知，首先對角線上的元素大于非對角線上的元素，氮氧化物排放脫鉤均形成了低脫鉤、中低脫鉤、中高脫鉤及高脫鉤4個趨同俱樂部，且對角線上的元素反映了低脫鉤、中低脫鉤和中高脫鉤趨同俱樂部較為穩定，高脫鉤趨同俱樂部相對較易發生變遷。其次，從轉移概率來看，中低脫鉤向中高脫鉤轉移的概率以及中高脫鉤向中低脫鉤轉移的概率分別為0.278和0.238，中低脫鉤和中高脫鉤實現跨越式的趨同俱樂部類型轉移的概率較小（但不為 0），即趨同俱樂部轉移多發生在相鄰類型之間；低脫鉤和高脫鉤有較大可能性發生跨越式的趨同俱樂部類型轉移，即低脫鉤轉移至中高脫鉤（0.143）或高脫鉤轉移至中低脫鉤（0.273）的概率較大。

表1 2005－2015年中國氮氧化物排放脫鉤系數均值Table1 Average of NOx emission decoupling index in 2005-2015

表2 2005－2015年氮氧化物排放脫鉤系數馬爾科夫轉移矩陣Table2 Non-spatial Markov-chain transitional matrices for NOx emission decoupling index in 2005-2015

表3 2005－2015年氮氧化物排放脫鉤類型的空間馬爾科夫轉移矩陣Table3 Spatial Markov-chain transition matrix for NOx emission decoupling in 2005-2015

將周圍相鄰區域分成低脫鉤、中低脫鉤、中高脫鉤和高脫鉤 4個類型，根據空間馬爾科夫鏈的計算公式，得到空間馬爾科夫轉移概率矩陣（表3），4種空間滯后關系下，空間馬爾科夫轉移概率矩陣也具有對角線上元素大于非對角線上元素，說明考慮空間滯后下氮氧化物排放脫鉤仍然保持一定的穩定性，即存在趨同俱樂部。考慮其空間背景對區域氮氧化物排放脫鉤俱樂部趨同演變的具體影響如下：

（1）當空間滯后類型為低脫鉤時，周圍的區域氮氧化物排放脫鉤均較低，穩定為低脫鉤、中低脫鉤、中高脫鉤及高脫鉤的概率分別為60%、44.4%、50%及0%，與其他空間滯后類型相比，低脫鉤穩定性最強。而空間滯后類型為中低、中高及高脫鉤時，不同類型之間發生轉移的概率最高分別為 33.3%（中高脫鉤轉為中低脫鉤）、42.9%（高脫鉤轉為中低脫鉤）及60%（高脫鉤轉為中高脫鉤），說明了空間滯后等級低于期初等級時，脫鉤系數類型向下轉移的概率變大。

（2）當空間滯后類型為中低脫鉤時，中低脫鉤向低脫鉤、中高脫鉤及高脫鉤轉移的概率分別為14.3%、28.6%及 5.7%，中高脫鉤向低脫鉤、中低脫鉤及高脫鉤轉移的概率分別為 9.5%、33.3%及7.1%，很顯然，中低脫鉤和中高脫鉤在相鄰類型轉移的可能性較大而跨越式類型轉移概率較小。

（3）當空間滯后類型為中高脫鉤時，對角線上元素最大為0.701，空間滯后等級（3級）與期初等級（3級）一致時，脫鉤系數保留原級（3級）的概率較大。低脫鉤向中低脫鉤、中高脫鉤及高脫鉤轉移的概率分別為 37.5%、0%、12.5%，中低脫鉤向低脫鉤、中高脫鉤及高脫鉤轉移的概率分別為4.5%、29.5%、11.4%，中高脫鉤向低脫鉤、中低脫鉤及高脫鉤轉移的概率分別為3.9%、20.8%、5.2%，低脫鉤、中低脫鉤和中高脫鉤在此空間滯后等級下跨越式類型轉移可能性也較小。

（4）當空間滯后類型為高脫鉤時，對角線上元素最大為1.000，非對角線上的概率最大為0.600。中低脫鉤的兩區域未發生類型轉移，中高脫鉤只向中低脫鉤類型轉移，高脫鉤也只向中高脫鉤類型轉移，說明了高脫鉤空間滯后類型下，脫鉤類型穩定性較好，未形成跨越式類型轉移。

（5）不同區域背景在不同類型區域轉移中所起作用各不相同。中低脫鉤區域若與中低脫鉤區域為鄰，其類型向上轉移為中高脫鉤的概率為 28.6%，當其與中高脫鉤區域為鄰時，其類型向上轉移為中高脫鉤區域的概率增至 29.6%；中高脫鉤區域若與中高脫鉤區域為鄰，其類型向下轉移為中低脫鉤的概率為 20.8%，當其與中低脫鉤區域為鄰時，其類型向下轉移為中高脫鉤區域概率增至 33.3%，中低脫鉤與中高脫鉤區域類型升級受周邊地區影響較大，這種影響可能是正面的，也可能是負面的。低脫鉤及高脫鉤區域，其類型向上或向下轉移概率與其所處區域背景并無同方向性，其受周邊地區影響較小。

圖1所示為“十一五”“十二五”期間中國區域氮氧化物排放脫鉤系數類型轉移的空間分布格局。由圖1可知，中國區域氮氧化物排放系數類型兩階段均包含類型向上、平穩和向上轉移狀態，數量上，2005－2010年處于平穩狀態的區域有10個，類型向上轉移的區域有8個，類型向下轉移的區域有12個；2010－2015年處于平穩狀態的區域有11個，類型向上轉移的區域有6個，類型向下轉移的區域有13個。空間分布上：（1）2005－2010年類型向下轉移的區域主要分布在廣東、上海、浙江、江蘇、北京、天津、遼寧等沿海東部地區，2010－2015年類型向下轉移的區域主要分布在青海、甘肅、四川、重慶、貴州、湖南、陜西、江西、安徽等內陸西南和西北地區。（2）2005－2010年類型向上轉移的區域則主要分布在云南、貴州、重慶、四川、青海、新疆、內蒙古等內陸西南和西北地區，2010－2015年類型向上轉移的區域主要分布在黑龍江、吉林、遼寧、河北、山西等東北三省和黃河中游地區。（3）平穩區域兩個時段分布相對分散，其中，廣西、福建和湖北兩期間均未發生類型轉移。以上各種轉移狀態在空間上均有一定程度的集聚，中國區域氮氧化物排放脫鉤在 2005－2010年和2010－2015年間存在著一定程度的趨同現象，且空間分布上兩時間段內類型向上轉移和向下轉移區域某種程度上對置，這是由于西南和西北地區經濟較為落后，產業結構較不合理，能源利用效率低，減排潛力相對較大。“十一五”期間經濟發展中通過產業結構的優化調整實現了氮氧化物排放控制，其排放脫鉤類型向上轉移；“十二五”規劃中國家明確提出氮氧化物作為全國大氣污染物重點總量控制指標后，在全國實行更大力度的氮氧化物減排下，東北三省和河北、山西地區氮氧化物脫鉤增大，而西南和西北區域相比于全國其他區域脫鉤系數增速減緩，排放脫鉤類型相對轉為向下轉移。

區域氮氧化物減排往往會受到周邊環境的影響，為研究區域氮氧化物排放脫鉤類型轉移與周圍相鄰區域之間的關系，將區域氮氧化物排放脫鉤系數類型轉移與周圍相鄰區域的類型轉移進行綜合考慮（圖1）。從數量上看，2005－2010年周圍相鄰區域處于平穩狀態的有8個，比區域自身處于平穩狀態的數量少2個，周圍相鄰區域類型向上轉移的區域有9個，周圍相鄰區域類型向下轉移的區域為 13個，較之區域自身類型向上、向下轉移的數量均多了1個；2010－2015年周圍相鄰區域處于平穩狀態的有 14個，比區域自身處于平穩狀態的數量多3個，周圍相鄰區域類型向上轉移的區域有10個，周圍相鄰區域類型向下轉移的區域有6個，較之區域自身類型向上、向下轉移的數量分別多了 4個和少了5個；在空間分布上，相鄰區域的狀態轉移分布與區域自身一樣，也存在著一定程度的趨同現象。其中，2005－2010年周圍相鄰區域類型向上轉移集中分布于云南、四川、貴州、青海、新疆地區，周圍相鄰區域類型向下轉移區域主要分布北部沿海的北京、天津、河北、山東和黃河長江中游的山西、河南、安徽、湖北、江西；2010－2015周圍相鄰區域類型向上轉移集中分布于東北三省黑龍江、吉林、遼寧和河北等地區，周圍相鄰區域類型向下轉移的區域主要分布西南和西北的四川、重慶、甘肅、青海、新疆地區。與自身區域類型轉移結合，2005－2010周圍相鄰區域和區域自身類型同時類型向上轉移主要集中分布于西南和西北，東部和中部區域自身或鄰居一方或雙方類型向下轉移；2010－2015年周圍鄰居和區域自身類型同時向下轉移主要集中分布于西南和西北，同時類型向上轉移主要集中分布于東北三省和北部沿海，東南部區域周圍鄰居保持平穩狀態。所以，與表3反映的氮氧化物排放脫鉤滯后等級變大（小）會影響脫鉤系數類型轉移的概率一致，相鄰區域的氮氧化物排放脫鉤類型向上（下）轉移加強了區域自身向上（下）排放脫鉤類型轉移，起著正向或負向的影響，氮氧化物排放脫鉤俱樂部趨同現象在考慮區域背景時有所增強，空間集聚性更為明顯。

圖1 2005－2015年氮氧化物排放脫鉤類型轉移及鄰居轉移的空間分布格局Fig.1 Spatial patterns of NOx emission decoupling class transitions of regions and neighbors in 2005-2015

3 建議

首先，類型穩定為低脫鉤及向下轉移區域集中分布在西北及西南落后地區，加強推進產業結構優化，降低高耗能產業比重，在重點區域轉變經濟增長方式，積極推行資源節約型、環境友好型的發展方式，經濟結構和能源消費結構調整以實現氮氧化物有效減排。

然后，類型穩定為高脫鉤高及向上轉移區域集中分布在北部沿海及東北地區，大力引導和促進北部沿海經濟發達地區現代服務業和高新技術產業的發展，繼續實現降低能源消費強度為氮氧化物后續減排的貢獻作用，同時采用效率高、低污染物排放的新型設備，以改變多數工業企業設備老化，提高能源加工轉化和利用效率，充分發揮東北三省氮氧化物減排潛力。

最后，類型穩定為中低和中高水平交替轉移區域集中分布在長江中游及東南沿海地區，能源利用效率、經濟結構和能源結構抑制氮氧化物增排作用較為穩定，擁有較高減排能力，技術上加快脫氮技術的研究和應用，嚴格控制電廠、工業、交通等重點源的NOx末端排放標準，進一步推廣清潔能源使用優化能源消費結構，從而實現NOx總量控制。

4 結論

本文通過LMDI分解方法計算2005－2015年各區域氮氧化物排放與經濟增長脫鉤系數，采用傳統的馬爾科夫鏈與空間馬爾可夫鏈方法分別對中國區域氮氧化物排放脫鉤系數的時空動態格局變化進行了分析。結果表明，（1）中國氮氧化物排放脫鉤系數均值逐漸增大，表明國家社會經濟發展中日益重視大氣污染物氮氧化物的治理和減排。（2）離散化為4個等級，馬爾可夫鏈方法研究得出中國區域氮氧化物排放脫鉤在“十一五”“十二五”間存在一定程度的趨同現象，且處于中低和中高脫鉤區域數量較多，低脫鉤和高脫鉤區域數量較少但逐漸增加，區域減排現狀存在著差距。（3）中國氮氧化物排放脫鉤趨同過程在空間上并不相互獨立，受區域背景影響。中低水平和中高水平區域受區域背景的影響較大，氮氧化物排放脫鉤滯后等級與期初等級一致時，其保留原級的可能性較大，滯后等級比期初等級大時，脫鉤系數類型向上轉移的可能性更大，滯后等級比期初等級小時，脫鉤系數類型向下轉移的可能性更大，而低脫鉤和高脫鉤區域受區域背景的影響較小，其類型向上或向下轉移概率與其所處區域背景并無同方向性。（4）在空間格局上，“十一五”期間氮氧化物排放脫鉤類型向上轉移區域主要分布在西南和西北地區，類型向下轉移的區域主要分布在沿海東部地區；“十二五”期間在全國污染物更大力度的總量控制下氮氧化物排放脫鉤類型向上轉移區域主要分布在東北三省和北部沿海地區，類型向下轉移的區域主要分布在西南和西北地區，某種程度上形成了空間對置局面。這些區域類型轉移受周邊環境影響，且相鄰區域的類型轉移分布與區域自身一樣，也存在著一定程度的趨同，并強化了區域氮氧化物排放脫鉤的俱樂部趨同現象。