基于EKC檢驗及Tapio模型的建設用地規模和碳排放耦合關系研究
---以天津市為例

常青蔡為民

(1.天津工業大學經濟與管理學院，天津 300387；2.天津工業大學環境科學與工程學院，天津 300387)

近年來，全球氣候持續惡化，各國應對氣候變化的意愿更加強烈。中國提出在2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和?！半p碳”目標的提出，為我國能源轉型指明了方向，彰顯了中國積極應對氣候危機的堅定決心及共建地球生命共同體的大國擔當[1-3]。土地利用/土地覆被變化是引起區域碳儲量變化的重要原因，土地利用結構既能反映一個地區經濟結構及產業布局，也能改變區域碳源/碳匯格局，對生態系統產生一定影響[4-6]。建設用地承載著大量高能耗、高碳排的人類活動，是最主要的碳源，建設用地擴張不僅引發交通擁擠、住房緊張等問題，還會侵占林地、草地等重要碳匯，導致生態環境惡化[7-10]。

目前,許多學者從不同的角度研究建設用地與碳排放的關系，為構建低碳的建設用地格局體系提供了參考。杜官印采用STIRPAT模型，分析人口、人均GDP和建設用地對碳排放的影響[11]。於冉、黃賢金基于kaya恒等式及灰色預測等方法對合肥市碳排放峰值及建設用地擴展規模進行了預測[12]。蔡苗苗、吳開亞采用VAR模型分析建設用地面積和碳排放的動態關系[13]。李國煜等采用HM指數建立城鎮建設用地利用效率與碳排放的關聯框架[14]。張梅等基于夜間燈光遙感影像分析了胡煥庸線兩側建設用地碳排放的時空差異[15]。張潤森等、袁凱華等、楊欣等利用EKC假說分析了建設用地擴張與碳排放的內在關系[16-18]。隨著“雙碳”目標的不斷推進及國土空間規劃體系的不斷完善，構建低碳型土地利用格局成為當下熱點，加強建設用地管控更是實現碳減排和碳增匯的有效措施。因此，面對新形勢新要求，深入分析建設用地碳排放效應具有重要現實意義。

天津是中國北方最大的工業城市，也是國家第1批低碳試點城市。在綠色城市建設上天津積累了豐富的經驗，已具備實現碳中和愿景的良好基礎，但也面臨重大挑戰。隨著經濟實力的穩步提升，建設用地規模持續增加，高能耗行業依然占據較大比重，生態環境保護面臨巨大壓力。鑒于此，本文以天津市為研究對象，分析建設用地擴張和碳排放的變化特征，對影響建設用地碳排放的因素進行分解。同時，運用EKC檢驗及Tapio脫鉤模型厘清建設用地規模和碳排放的耦合關系，以期為天津市提高國土空間管控水平及制定深度減排戰略提供實證參考，同時為其他城市探索綠色低碳土地利用模式及推動城市高質量發展提供借鑒。

1 研究區概況與數據來源

天津地處太平洋西岸，華北平原北部，東臨渤海、北依燕山，位于E116°43′～118°04′，N38°34′～40°15′。2018年底全市生產總值為18809.64億元，三次產業結構為0.9∶40.5∶58.6，全市常住人口1559.6萬人，土地面積11966.45km2，其中，農用地面積6894.41km2，建設用地面積4206.51km2，未利用地面積863.53km2，分別占土地總面積的57.6%、35.2%、7.2%。

本研究所涉及的經濟社會數據、土地利用數據及能源消耗數據來源于2010—2019年《天津市統計年鑒》。標準煤轉化系數來源于《中國能源統計年鑒》，碳排放系數參考IPCC國家溫室氣體清單指南及現有研究成果。

2 研究方法

2.1 碳排放測算

通過能源消耗間接計算建設用地碳排放，計算公式：

(1)

式中，C為建設用地碳排放量；i為能源種類；mi為能源消耗量；βi為標準煤轉化系數；ki為碳排放系數；各系數取值如表1所示[19-21]。

表1 標準煤轉化系數和碳排放系數

本文中，碳排放強度指單位建設用地面積上所承載的碳排放量。具體公式:

(2)

式中，j為年份；Ij為建設用地碳排放強度；Cj為建設用地碳排放量；Sj建設用地面積。

2.2 碳排放驅動因素分解模型

2.2.1 構建kaya恒等式

kaya恒等式將碳排放與能源、經濟、人口進行關聯，其特點在于數學形式簡單，靈活性強，具備可拓展性[22，23]。計算公式:

(3)

式中，C為碳排放總量；Ci、Ei分別表示第i種能源碳排放量和消耗量；E為能源消耗總量；GDP表示國民生產總值；P表示城市常住人口；r為能源碳排放系數；s表示能源結構；m為能源強度，即單位GDP能耗；f為人均GDP。

2.2.2 LMDI因素分解

LMDI因素分解法在kaya恒等式基礎上深入分析各影響因素對碳排放的作用方向及貢獻程度，其優勢在于完全分解、無殘差、解釋型強[24]。具體分解公式：

ΔC=Ct2-Ct1=ΔCr+ΔCs+ΔCm+ΔCf+ΔCp

(4)

(5)

式中，Ct2和Ct1分別為研究期末和基期建設用地碳排放總量；△C為碳排放變化量；△Cr、△Cs、△Cm、△Cf、△Cp分別為能源碳排放因子、能源結構、能源強度、經濟水平及人口規模引起的碳排放變化量；Wi為各能源權重；Cit2、Cit1分別為研究期末和基期各能源碳排放量。

(6)

聯立式(3)、式(5)，得各因子貢獻值：

(7)

各因素貢獻率的表達式：

(8)

式中，θ為某因素對碳排放的累計貢獻率；△C1為某因素對碳排放的累計貢獻值；△C為綜合效應累計貢獻值。

2.3 耦合關系分析

2.3.1 EKC檢驗

環境庫茲濕茨曲線是研究“經濟—環境”系統的重要分析工具。本研究以2009—2018年為時間序列，將建設用地規模與碳排放總量進行曲線擬合，分別建立一次、二次、三次函數模型。待定系數取值及曲線關系見表2。

表2 建設用地規模與碳排放總量的曲線關系

C=b0+b1l+b2l2+b3l3+ε

(9)

式中，C表示建設用地碳排放量；l表示建設用地面積；b0為常數項,b1、b2、b3為待定系數；ε為隨機誤差項。

2.3.2 構建Tapio脫鉤模型

“脫鉤”指的2個變量之間關系減弱或消失，即兩者變化速度、變化趨勢不一致[26，27]。本研究將脫鉤指數用于建設用地規模與碳排放耦合關系研究中，深入分析兩者脫鉤狀態及成因。

(10)

式中，DI為脫鉤指數；Zt2和Zt1分別表示研究期末和基期碳排放總量；St2和St1分別表征研究期末和基期建設用地總面積；Vt為碳排放總量變化速度；Kt為建設用地擴張速度。

表3 Tapio脫鉤指數

3 結果與分析

3.1 建設用地擴張時序特征

由圖1可知，天津市建設用地擴張經歷了2個階段：2009—2012年，該階段建設用地擴展迅速，其規模從3810.62km2增加到3999.25km2，年均新增建設用地62.88km2，年均增長率為1.65%；2012—2018年，建設用地保持穩定擴張，其規模由3999.25km2增至4206.51km2，年均新增建設用地34.54km2，年均增長率為0.86%。城市發展初期，第二產業占據較大比重，交通用地、居住用地、公共設施用地等需求逐漸增加，由于土地利用較為粗放，致使建設用地擴展速度較快。當經濟社會發展到一定階段，隨著城市規劃的不斷完善及產業結構優化升級，促使土地利用更加集約高效，建設用地擴展速度逐步減緩。

圖1 2009—2018年天津市建設用地總量及擴張指數

3.2 碳排放變化分析

3.2.1 碳排放總量分析

由圖2可知，建設用地碳排放可大致分為3個階段。2009—2013年，碳排放量由4811.94萬t增加至6880.72萬t，年均增長率為9.35%；該階段煤炭消耗量持續上升由4119.65萬t增加到5433.63萬t，增長率為7.17%；焦炭、原油、柴油在能源消費結構中也占較大比重，9大能源中，燃料油占比相對較小但作為碳排放系數較高的能源，也是導致碳排放增加的原因之一。2013—2017年，碳排放量穩中有降，5a間碳排放累計減少587.13萬t；煤炭消耗量逐年遞減，天然氣、電力消費量持續增長，為推動城市工業和能源高質量發展做出積極貢獻。2017—2018年，隨著優質產能重新釋放，碳排放量出現小幅回升。

圖2 2009—2018年天津市碳排放總量和碳排放強度

3.2.2 碳排放強度分析

建設用地碳排放強度也可大致分為3個時期，其階段劃分與碳排放總量保持一致。2009—2013年碳排放強度從126.28t·hm-2增加至171.16t·hm-2，增長率為7.9%。2013—2017年碳排放強度逐年遞減，原因在于碳排放總量逐年遞減，建設用地規模逐年增加，單位建設用地面積上承載的碳排放量逐漸減少。2017—2018年碳排放強度有所回升，碳排放增速為4.29%，建設用地面積增速為0.79%，碳排放增速大于建設用地擴張速度。由此可見，碳排放強度在未來一段時間也會出現波動，但整體變化幅度不大。

3.3 碳排放驅動因素分析

由表4可知，4類因素對碳排放的作用方向及作用程度存在明顯差異，根據作用方向的差異將碳排放驅動因素分為2類。碳排放的促進因素，即經濟水平和人口規模；碳排放的抑制因素，即能源結構和能源強度。

表4 碳排放分解結果

圖3 各效應累計貢獻率

3.3.1 能源結構效應

能源結構對碳排放的貢獻值大多為負，9a間能源結構調整使建設用地碳排放量累計減少405.20萬t，對碳排放累計貢獻率為-27.35%。發展初期，天津市重工業特征突出，對煤炭、焦炭等傳統能源依賴性較強。隨著產業結構的持續升級，清潔能源消費比重逐步提高，能源結構低碳化趨勢逐步顯現。然而，相比于其他3個因素，能源結構對碳排放的影響較小，且波動幅度不大。主要原因在于能源轉型是一個漫長的過程，不可能一蹴而就。當前，煤炭消耗的主導地位沒有動搖，“退煤”計劃面臨重重考驗。

3.3.2 能源強度效應

能源強度對碳排放的抑制作用較為明顯。該因素在研究期內累計引起碳排放減少3727.89萬t，對碳排放累計貢獻率達-251.60%。研究期內，能源強度對碳排放的影響波動幅度較大，2013—2014年負向效應最明顯，貢獻值高達-1025.66萬t。由此可見，降低能源強度，提高能源利用效率，促使能源需求增速放緩，從而實現碳排放下降。研究初期，粗放型發展模式加劇了經濟增長與資源環境的矛盾，由于技術創新滯后，節能設備等資源相對匱乏，致使可再生能源發展空間受限。隨著發展理念的轉變及技術的不斷進步，能效提升潛力被有效挖掘，為深度減排提供了有力保障。

3.3.3 經濟水平效應

經濟水平的不斷提高是能源消費需求持續攀升的動力，是碳排放增加的決定性因素，對碳排放起到正向驅動作用，且貢獻值較高。2009—2018年該因素使碳排放量累計增加了4146.78萬t，年均引起排放增加460.75萬t，對碳排放累計貢獻率為279.87%。發展初期第二產業比重大，工業、建筑業等對能源依賴度高，碳排放總量和強度處于較高水平。隨著新經濟業態加速成長，發展質量得以提升，服務業規模日益壯大。第三產業具備較大的節能潛力，促使能源消耗量呈遞減態勢。因此，經濟水平效應對碳排放的年度貢獻值逐漸減小，說明城市在增強綜合實力的同時，努力實現經濟增長和碳排放脫鉤。

3.3.4 人口規模效應

人口規模是碳排放增加的重要因素。研究期內，人口規模增加使建設用地碳排放量累計增加1467.97萬t，對碳排放累計貢獻率為99.08%。從歷年貢獻值來看，人口規模對碳排放的影響呈減弱趨勢，甚至在2016—2017年表現為負效應，原因在于居民生活方式及消費習慣的改變，有利于減弱人口對碳排放的影響。研究初期，人口增速明顯,人地矛盾突出，空間需求、能源需求持續增加，給生態環境造成較大壓力。當社會經濟發展到一定階段，人口增速逐步減緩并趨于穩定，人類節約資源、保護環境的意識逐步增強，促使資源高效利用及區域環境質量持續改善。

3.4 建設用地規模和碳排放耦合分析

3.4.1 EKC驗證

將碳排放總量與建設用地規模進行EKC驗證，擬合結果及曲線圖見表5、圖4。回歸結果表明，碳排放總量和建設用地規模存在倒U型曲線關系，各回歸系數均通過1%水平上的檢驗。對二次函數進行求導可得曲線的拐點為4105.33，表明當建設用地規模達到4105.433km2前，碳排放量逐年增加，隨后碳排放開始下降。雖然2018年的數據與該曲線存在一定程度的偏離，但對整體擬合效果未產生重大影響。

表5 建設用地規模與碳排放量庫茲涅茨曲線擬合結果

圖4 建設用地面積與碳排放的庫茲涅茲曲線

3.4.2 脫鉤分析

2009—2018年天津市建設用地擴張與碳排放的脫鉤狀態不穩定，兩者存在擴張負脫鉤、增長連接及強脫鉤3種狀態，且以擴張負脫鉤和強脫鉤狀態為主。

2009—2013年碳排放總量與建設用地規模未實現脫鉤，建設用地快速擴張對生態環境造成較大壓力，致使碳排放效應顯著。其中，2009—2011年為擴張負脫鉤階段，其脫鉤指數分別為11.002和5.704，這一時期碳排放增速明顯高于建設用地擴展速度；2011—2012年為增長連接狀態，脫鉤指數為0.985，受國家激勵政策的影響，天津市轉變高能耗的經濟發展模式，碳排放增速與建設用地擴張速度逐步減緩；2012—2013年又恢復到擴張負脫鉤階段，究其原因是天津市為改善民生，落實基礎設施建設，加大固定資產投資力度，致使環境空氣質量有所下降。2013—2017年兩者呈現出強脫鉤狀態，主要因為該階段城市發展更加注重質量和效益，土地利用更加集約高效，能源低碳化愈發成為共識，各項節能措施使碳排放得到有效控制。由此可見，隨著社會經濟的持續發展，建設用地擴張使能源需求增加，但碳排放量不會隨著建設用地擴張而持續增加，這也一定程度上體現出天津市堅持走綠色發展道路，生態文明建設取得一定成效。2017—2018年，碳排放和建設用地規模再次恢復到未脫鉤狀態，原因在于經濟社會的發展是一個長期性、復雜性的過程，短期內兩者脫鉤狀態依然會呈現出波動趨勢，但整體向著良好狀態轉變。

表6 碳排放總量與建設用地規模脫鉤情況

4 結論與討論

4.1 結論

時間序列上，建設用地經歷了迅速擴張及穩定擴張2個階段。碳排放總量、碳排放強度在研究期內均呈現先增加后減少再增加的趨勢，未來仍會出現小范圍波動。

LMDI因素分解結果表明，經濟水平和人口強度對碳排放起到促進作用，能源結構和能源強度對碳排放起到抑制作用。其中經濟增長和能源強度分別是促進和減緩碳排放的關鍵因素，因此轉變經濟增長方式、提高能源利用效率是未來控制建設用地碳排放的重點。能源結構對碳排放的抑制作用較弱，主要因為能源轉型是一個循序漸進的過程，短期內其減排效應未能充分顯現。人口規模對碳排放的促進作用逐漸減弱，得益于居民生活方式及消費習慣的改變。

EKC驗證和脫鉤分析結果表明，建設用地規模和碳排放總量表現為倒U型的二次曲線關系。研究初期土地利用相對粗放，能源利用效率低，建設用地盲目擴張給生態環境造成較大壓力。隨著城市規劃及土地管理制度的不斷完善，城市治理水平明顯提高，土地利用逐步走向集約化，建設用地規模和碳排放的相關性逐漸減弱。

4.2 討論

基于以上結論可以看出，實現“雙碳”目標不能抑制經濟發展，應通過生態環境的高質量保護來引領經濟社會可持續發展。推進產業轉型，使建設用地擴張向低碳環保項目傾斜，重構綠色產業鏈，為經濟提供新動能。優化能源消費結構，多渠道推進煤炭替代，利用碳捕集與封存技術，在確需耗煤行業實現凈零排放，促使能源轉型發揮更大的減排優勢。科學制定城市發展規劃，合理控制人口規模，提高人口素質是減少個人“碳足跡”的重要舉措。加強“雙碳”知識普及，使綠色低碳理念深入人心，提升居民幸福指數及城市競爭力。妥善管控建設用地規模，控制土地開發強度，挖掘低效用地潛力是優化國土空間開發格局及加強重要碳匯空間保護的關鍵舉措。因此，堅持問題導向、底線思維，立足當地資源優勢、區位優勢及發展潛力，探索土地資源節約集約利用新機制，不斷推進國土空間碳中和治理能力提升，實現資源環境政策的精準落地。完善綠色低碳技術評估體系，運用3S、大數據等技術手段開展土地利用動態監測、重點領域碳排放監測?；诜腔茉幢戎亍⑻寂欧艔姸鹊戎笜?，構建碳中和評估模型，為國土空間格局優化及能源精細化管理提供數據支撐。