基于多區域投入產出子系統模型的隱含碳排放關聯效應研究

鄧光耀

蘭州財經大學 a.甘肅經濟發展數量分析研究中心、b.統計學院，甘肅 蘭州 730020

隨著經濟的快速增長，中國對各類化石能源的消費量越來越大，而化石能源的消費會產生大量的CO2，進入21世紀以來，中國已經超越美國成為全球CO2排放第一大國[1-2]。為了降低碳排放量，中國政府承諾在2020年碳排放強度比2005年下降40%～45%，在2030年碳排放強度比2005年下降60%～65%。由于各行業產品的生產需要大量的能源投入，而能源消耗會引起碳排放，因此結合行業生產來研究碳排放，也即從隱含碳(embodied carbon)角度來研究碳減排問題是一個值得關注的問題。所謂隱含碳，是指各行業產品生產過程中的直接和間接碳排放之和[1-2]。

目前，一般利用投入產出模型來計算隱含碳。投入產出表可分為單區域投入產出表和多區域投入產出表，對應的模型可分為單區域投入產出模型和多區域投入產出模型。部分研究者利用單區域投入產出模型研究了中國的隱含碳排放[3-6]或者具體某個省份的隱含碳排放[7]；也有部分研究者利用多區域投入產出模型研究了中國與日本[8-10]、中國與美國[11]以及中國與多個國家之間的隱含碳貿易[12-13]，或者中國國內多個區域之間的隱含碳貿易[14-19]；另外還有部分研究者對全球主要國家之間的隱含碳貿易進行了研究[20-22]。從以上文獻可以看到，利用投入產出模型來計算隱含碳，一般先結合各部門總投入和碳排放量計算直接碳排放系數，然后結合列昂惕夫逆矩陣以及投入產出表中最終使用部分產品的消費量和貿易量來計算隱含碳消費量①和隱含碳進出口貿易量，其中從生產側來說一國的碳排放是指隱含碳消費量加上隱含碳出口量，從需求側來說則是隱含碳消費量加上隱含碳進口量。

投入產出子系統模型是研究各產業碳排放關聯效應的一種重要方法。Alcántara和 Padilla[23]利用投入產出子系統模型研究了2000年西班牙服務業的碳排放，指出交通運輸業的碳排放最大。Llop和Tol[24]利用投入產出子系統模型研究了2005年愛爾蘭各行業的溫室氣體排放，指出不但各行業碳排放存在較大差異，而且各行業碳排放的分解效應差異也很大。Piaggio等[25]利用投入產出子系統模型研究了2004年烏拉圭服務業碳排放，指出服務業子系統對其他行業的碳排放產生了很大影響。Fan 等[26]利用投入產出子系統模型研究了中國2012年第二產業的碳足跡，指出第二產業是非第二產業間接碳排放的主要來源，約占后者碳排放的68.28%。雖然以上文獻利用投入產出子系統模型對各國的碳排放進行了產業關聯效應的研究，但是僅僅利用單區域投入產出子系統模型，未涉及利用多區域投入產出子系統模型來研究國家之間的碳排放關聯效應。

本文所做的工作如下：將投入產出子系統模型從單區域推廣到多區域，在推廣的模型基礎上，以中國全部產業為投入產出子系統，研究了中國與世界其他國家(地區)隱含碳排放的關聯效應，并將中國的隱含碳消費、進出口貿易與多區域投入產出子系統模型的內部效應、反饋效應和溢出效應進行了對比分析，已有的文獻只利用單區域投入產出子系統模型對中國(或者其他國家)各產業碳排放的關聯效應進行了研究[23-26]。

1 研究方法

1.1 隱含碳排放的計算

參考Piaggio等[25]、Fan等[26]，本文首先定義直接碳排放系數：

(1)

(2)

其中，Ars是m×m階直接消耗系數矩陣，m為部門總個數，n為國家(地區)總個數。根據EORA26數據庫中投入產出表的結構[27-28]，可得:

AX+Y=X

(3)

其中，X為mn×1階總產出列向量，Y為mn×1階最終使用列向量(將表1中最終使用合并為列向量)。根據公式(3)，可得：

X=(I-A)-1Y=LY,L=(I-A)-1

(4)

(5)

1.2 投入產出子系統模型

(6)

根據Dietzenbacher[29]、鄧光耀和張忠杰[30]、王連和董興志[31]，列昂惕夫逆矩陣可以進一步改寫為：

(7)

其中，Mr=(I-Ar,r)-1，M-r=(I-A-r,-r)-1，Sr,-r=(I-Ar,r)-1Ar,-r，S-r,r=(I-A-r,-r)-1A-r,r，Fr=(I-Sr,-rS-r,r)-1，F-r=(I-S-r,rSr,-r)-1。為了考察國家(地區)r與其他國家(地區)-r之間碳排放的關聯效應，根據投入產出子系統模型的原理[30]，令Y-r,r=0和Y-r,-r=0(即刪除其他國家(地區)-r的最終使用，但是保留國家(地區)r的最終使用)，可得：

(8)

其中，T*為新的隱含碳貿易矩陣。根據公式(8)中的分塊矩陣運算，可得：

(9)

(10)

(11)

(12)

在投入產出子系統模型中令國家(地區)r代表中國，可得中國與世界其他國家(地區)碳排放的關聯效應；類似地，也可以以中國第一(第二、第三)產業為子系統，得到中國第一(第二、第三)產業與中國其他產業以及世界其他國家(地區)碳排放的關聯效應。

2 數據來源

本文中數據均來自于EORA數據庫，為了研究的方便選取了EORA26子數據庫[27-28]。EORA26子數據庫包括1990—2015年190個國家(地區)②26個部門的多區域投入產出表以及碳排放等環境核算賬戶數據，本文選取2015年的數據進行研究。EORA數據庫提供了不同來源的CO2排放量數據，本文采用的是歐盟委員會和荷蘭環境評估局創建的EDGAR數據庫中的數據。另外，由于世界投入產出表編制較為繁瑣，2015年已經是最新數據。

3 實證分析

3.1 中國的隱含碳排放

根據公式(5)可計算得到2015年中國各部門的隱含碳消費和隱含碳進出口，具體結果如表1所示。

表1 2015年中國各部門的隱含碳消費和隱含碳進出口(109kg)

從表1可以看到：(1)從各部門的合計值來看，中國自身消費產品的隱含碳最多，其次是出口產品的隱含碳，進口產品的隱含碳最少。這是因為一方面中國生產的產品一般先用于滿足自身需求，富余部分才用于出口，另一方面中國自身消費的產品一般來源于自身生產，不足部分才從國外進口。另外2015年中國的產品出口量遠大于進口量，因此即使各國碳排放系數存在差異，中國也存在隱含碳凈出口。(2)在26個部門中，2015年中國隱含碳消費量和進出口最多的部門均是電力、燃氣和水的生產供應業。由于各部門生產和居民生活需要消耗大量的電能、煤氣、天然氣以及自來水，因此中國對該部門產品的消費量和進出口均較大。另一方面該部門產品生產時需要消耗大量的能源，而能源的使用會產生大量的CO2。另外，電力、燃氣和水的生產供應業隱含碳進出口均較大的原因是該部門生產多種產品，部分產品不足需要進口，而部分產品有富余用于出口。

為了分析中國隱含碳的進口來源地和出口目的地，本文分別列出2015年中國隱含碳進口來源地前10位和出口目的地前10位，如表2所示。

從表2可以看到：(1)2015年中國隱含碳排放進口來源地中，中國從以下國家(地區)隱含碳進口較多：韓國、美國、俄羅斯、日本、印度、德國、馬來西亞、印度尼西亞、澳大利亞、哈薩克斯坦。2015年中國隱含碳出口目的地中，中國向以下國家(地區)出口的隱含碳較多：美國、日本、中國香港地區、德國、英國、韓國、加拿大、印度、法國、意大利。表3中大部分為經濟發達國家(地區)或者與中國存在領土或領海相鄰的國家(地區)。這是因為中國與經濟發達國家(地區)以及鄰國之間的交通較為便利，因此產品的貿易量較大，隱含碳進出口量較大。(2)中國與部分國家之間的隱含碳進出口貿易量均較大，例如：美國、日本、韓國、德國和印度。這說明中國與這些國家之間雙邊貿易較為活躍，產品存在互補，經濟交流較為密切。

表2 2015年中國隱含碳主要進口來源地和出口目的地(109kg)

3.2 以中國全部產業為子系統時各效應值

3.2.1 內部效應和反饋效應

根據公式(9)，可得到以中國全部產業為子系統時隱含碳排放的內部效應和反饋效應(均為m×1階向量)，計算結果如表3所示。

表3 以中國全部產業為子系統時隱含碳排放的內部效應和反饋效應(109kg)

本文進一步考慮表3中各部門內部效應和反饋效應的合計值占表1中中國隱含碳消費的比例，即(T*rr/T**)×100%，計算結果如圖1所示(第26個部門內部效應和反饋效應的合計值和中國隱含碳消費均為0，不能計算占比，因此圖1中無第26個部門)。

從圖1可以看到：各部門內部效應和反饋效應的合計值占中國隱含碳消費的比例均較高，均在99%以上。占比相對較低的部門是紡織服裝業(5)，占比為90.094%，該部門占比較低的原因是其他國家的最終使用中需要消耗較多的中國的紡織業產品，當刪去其他國家(地區)-r的最終使用對該部門的影響相對與其他部門更大③。

圖1 各部門內部效應和反饋效應的合計值占中國隱含碳消費的比例(%)Fig.1 The total value of internal effects and feedback effects of various sectors in China’ s embodied carbon consumption (%)

3.2.2 溢出效應

由矩陣運算法則可以知道，溢出效應T*r,-r是m×(n-1)階矩陣、溢出效應T*-r,r是向量m(n-1)×1階向量，為了便于敘述，本文按照部門和國別分別整理。以中國全部產業為子系統時，溢出效應T*r,-r、溢出效應T*-r,r按照部門整理的結果如表4所示：

表4 按照部門整理的溢出效應T*r,-r和溢出效應T*-r,r(109kg)

本文進一步考慮各部門溢出效應T*r,-r占中國隱含碳出口的比例(即(T*r,-r/Tr,r)×100%)，以及溢出效應T*-r,r占中國隱含碳進口的比例(即(T*-r,r/T-r,r)×100%)，計算結果如圖2所示(忽略第26個部門)。

從圖2可以看到：對大多數部門，溢出效應T*r,-r占中國隱含碳出口的比例小于溢出效應T*-r,r占中國隱含碳進口的比例，這說明刪去其他國家(地區)-r的最終使用對中國的隱含碳出口的影響更大。例外的部門有食品飲料業(4)，紡織服裝業(5)，運輸設備制造業(10)，其他制造業(11)。另外，公共管理(22)，其他服務業(25)溢出效應T*r,-r占中國隱含碳出口的比例很小。

圖2 各部門溢出效應T*r,-r、T*-r,r占中國隱含碳出口、進口的比例(%)Fig.2 Spillover effects in various sectors,as a percentage of China’ s embodied carbon exports and imports (%)

以中國全部產業為子系統時，溢出效應T*r,-r、溢出效應T*-r,r按照國別整理的結果如表5所示(為了與表2中的結果相對比，表5中的國家(地區)與表2中一致)：

表5 按照國家(地區)整理的溢出效應T*r,-r和溢出效應T*-r,r(109kg)

從表5可以看到：(1)溢出效應T*r,-r按照國別整理，中國對以下國家(地區)溢出效應較大：美國、中國香港地區、日本、德國、英國、韓國、加拿大、法國、澳大利亞、印度。對照表2中隱含碳出口部分的數值和位次，可以發現數值均發生了變化，部分國家(地區)位次也發生了變化，例如中國香港地區在T*r,-r中是第2位，但是在隱含碳出口中是第3位；意大利在T*r,-r中是10名之外，但是在隱含碳出口中是第10位，發生變化的原因是公式(8)中刪除了其他國家(地區)-r的最終使用。(2)溢出效應T*-r,r按照國別整理，中國對以下國家(地區)溢出效應較大：韓國、俄羅斯、美國、日本、印度、德國、印度尼西亞、馬來西亞、澳大利亞、哈薩克斯坦。對照表1中隱含碳進口部分的數值和位次，可以發現數值均發生了變化，部分國家(地區)位次也發生了變化，例如俄羅斯在T*-r,r中是第2位，但是在隱含碳進口中是第3位，發生變化的原因是公式(8)中刪除了其他國家(地區)-r的最終使用。

本文進一步按照出口目的地和進口來源地分析溢出效應T*r,-r與中國隱含碳出口的比例((T*r,-r/Tr,r)×100%)，以及溢出效應T*-r,r與中國隱含碳進口的比例((T*-r,r/T-r,r)×100%)，計算結果如圖3所示。

從圖3可以看到：(1)出口方面。在圖3中各國家(地區)中，中國對馬來西亞的溢出效應T*r,-r與中國對馬來西亞隱含碳出口的比值最小，而中國香港地區最大，這說明刪除其他國家(地區)-r的最終使用對中國向馬來西亞的隱含碳出口影響最大，而中國香港地區最小。(2)進口方面。中國對意大利的溢出效應T*-r,r與中國從意大利隱含碳進口的比值最小，哈薩克斯坦最大，這說明刪除其他國家(地區)-r的最終使用對中國從意大利的隱含碳進口影響最大，而哈薩克斯坦最小。(3)對各國(地區)來說，均有溢出效應T*r,-r與中國隱含碳出口的比例小于溢出效應T*-r,r與中國隱含碳進口的比例，這說明刪除其他國家(地區)-r的最終使用對中國的隱含碳出口影響更大。

圖3 按國別(地區)整理溢出效應T*r,-r、T*-r,r與中國隱含碳出口、進口的比例(%)Fig.3 Sorting out spillover effects T*r,-r、T*-r,rby country (region),and the proportion of exports and imports withembodied carbon in China (%)

根據分塊矩陣的運算法則可以知道，溢出效應T*-r,-r是一個m(n-1)×m(n-1)階矩陣，本文仍按照部門和國別進行整理。另外，本文在此補充按照公式(5)計算得到各部門以及各國的隱含碳消費和進出口貿易T-r,-r。T-r,-r和T*-r,-r按照部門整理的結果如表6所示。

表6 T-r,-r和T*-r,-r按照部門整理的結果(109kg，%)

T-r,-r和T*-r,-r按照國別(地區)整理的結果如表7所示。

從表7可以看到：(1)從T-r,-r來看，除ROW(世界其他地區)外，美國的隱含碳自身消費、進口和出口均最大；從T*-r,-r來看，美國自身消費和進口的隱含碳仍保持最大，但是隱含碳出口最大的是韓國，這說明刪去其他國家(地區)-r的最終使用對各國(地區)的影響程度不一樣。(2)從T*-r,-r與T-r,-r的比值來看，中國香港地區的隱含碳自身消費、進口和出口對應的比值均最大，這說明刪去其他國家(地區)-r的最終使用對中國香港地區的影響最小，可能原因是與其他國家(地區)-r相比，中國香港地區與中國大陸經濟聯系更緊密。另外，哈薩克斯坦的隱含碳自身消費和進口對應的比值均最小，加拿大的隱含碳出口對應的比值最小，這說明刪去其他國家(地區)-r的最終使用對哈薩克斯坦的隱含碳自身消費和進口，以及加拿大的隱含碳出口影響較大。

表7 T-r,-r和T*-r,-r按照國別(地區)整理的結果(109kg，%)

從表7中隱含碳進口或者出口的合計值來看，T-r,-r對應的值均為4 864.989×109kg，T*-r,-r對應的值均為59.337×109kg，這是因為表7中不包括這些國家(地區)與中國的隱含碳進出口貿易，從而這些國家(地區)之間構成一個封閉的整體，例如澳大利亞從加拿大的隱含碳進口等于加拿大向澳大利亞的隱含碳出口，從而對這些國家(地區)隱含碳進口求和等于對隱含碳出口求和。另外，表6中23 568.200等于表7中18 703.211加上4 864.989，67.694等于表7中8.357加上59.337，這說明按照部門或者國別整理T-r,-r和T*-r,-r的結果是一致的。

類似于單區域中的投入產出子系統模型[25-26]，本文也可以以中國第一(第二、第三)產業為子系統，得到中國第一(第二、第三)產業與中國其他產業以及世界其他國家(地區)碳排放的關聯效應，由于研究方法與以中國全部產業為投入產出子系統模型一致，本文不再贅述。

4 結論與啟示

本文利用EORA26數據庫中全球多區域投入產出表數據以及碳排放數據，基于多區域投入產出子系統模型，研究了2015年中國與世界其他國家(地區)隱含碳排放的關聯效應。(1)根據隱含碳排放的計算結果：從部門來看，中國隱含碳消費量和進出口最多的部門均是電力、燃氣和水的生產供應業；從國別來看，中國從韓國的隱含碳進口最多，向美國出口的隱含碳最多。(2)根據投入產出子系統模型的計算結果：從部門來看：內部效應、反饋效應和溢出效應最大的部門仍是電力、燃氣和水的生產供應業；從國別來看：刪除其他國家(地區)的最終使用對中國從意大利的隱含碳進口影響最大，對中國向馬來西亞的隱含碳出口影響最大。

根據以上研究結論，可得以下政策啟示：(1)中國政府在制定節能減排政策時需要注意各行業的差異，應當通過稅收、配額等手段來限制該高能耗、高排放產品(例如等電力、燃氣和水的生產供應業部門產品)的生產和出口規模。與此同時，優化產業結構，大力發展金融業等低碳行業的生產，降低隱含碳排放量的規模。另外，需要推動技術創新，提高能源利用效率，發展清潔能源，從本源上降低碳排放。(2)加強中國與美國等國家節能減排方面的合作，權衡環境與貿易關系，推動低碳經濟發展。例如共享節能減排技術，合作開發水能、風能、太陽能和核能等清潔能源，摒棄傳統的片面強調“出口創匯”忽視環境保護的外貿思想，從而實現對外貿易的可持續發展，加快低碳經濟的建設進程。

附錄：

T-T*的差異

將公式(5)寫成分塊矩陣形式，可得：

(13)

根據分塊矩陣的運算法則，可得：

(14)

(15)

(16)

(17)

根據公式(9)～公式(12)與公式(14)～公式(17)的對應關系，可得：

(18)

(19)

因此，T-T*的差異如下：

(20)

注釋：

① 這里指隱含碳自身消費量，自身消費是指本國(地區)生產的產品供本國(地區)消費，不包括對進口產品的消費，也不包括產品出口到其他國家(地區)被其他國家(地區)消費。

② 在世界投入產出表中，中國特指中國大陸，中國香港和臺灣地區單列。

③ 需要注意的是占比越小，影響越大，在溢出效應的分析中也是如此。