基于Tapio 脫鉤和LMDI 模型的傳統工業城市工業碳排放問題

胡夢澤 趙 耀

（石家莊鐵道大學,河北 石家莊 050043）

京津冀逐漸成為中國經濟增長第三極，也成為中國碳排放主要區域[1]。2010年和2016年，習近平總書記先后兩次到唐山市視察，提出了“三個努力建成”和“三個走在前列”兩個重要指示，“三個努力建成”中的一項是加快建設成為環渤海地區新型工業化基地。唐山作為一座因煤而建、因鋼而興的重化工業城市，近年來工業化進程持續推進，對京津冀經濟發展的帶動作用越來越大，2019年唐山市被評為“國家工業穩增長和轉型升級成效明顯市”。唐山市工業經濟高速發展的同時，也面臨著巨大的節能減排壓力。河北省統計局數據顯示，“十三五”以來河北省第二產業增加值占京津冀比重超過50%，其中唐山市工業增加值總量、能源消耗總量、碳排放總量均位列河北省第一。因此，分析唐山市工業經濟增長與能源碳排放之間的關系，并甄別不同產業碳排放變化的驅動因素，對實現中國碳減排目標、促進京津冀經濟協同發展、改善河北省環境質量以及制定差異化節能減排政策有重要的現實意義。

本文以唐山市工業行業為研究對象，基于“十三五”時期唐山市規模以上工業企業及18個分行業和4種主要能源消耗量的面板數據，通過IPCC（2006）提供的方法估算唐山市規模以上工業及各產業的二氧化碳排放量，并在此基礎上，結合Tapio研究思路構建碳排放脫鉤模型，對唐山市規模以上工業及6大支柱產業經濟增長與碳排放的脫鉤程度進行測度，進而采用LMDI模型對碳排放變化從行業規模、產業結構、能源強度、能源結構4個方面進行因素分解，分析唐山市工業6大支柱產業碳排放變化的深層次原因。

1 研究設計與數據來源

1.1 CO2排放量測算

目前，我國官方尚未直接公布CO2排放數據，需通過相關核算方法進行估算。本文參照《IPCC 2006年國家溫室氣體清單指南 2019修訂版》第2卷（能源篇）第6節所提供的方法估算化石燃料燃燒產生的CO2排放量，選取原煤、焦炭、柴油和天然氣4種唐山市工業行業所需的主要能源作為基準化石燃料能源。具體二氧化碳排放量計算公式如式（1）。

式（1）中，j代表能源種類，j=1,2,3,4，分別表示原煤、焦炭、柴油、天然氣；Ej表示第j種能源的物理消耗量，單位為噸或萬立方米；CFj表示第j種能源的轉換因子；CCj表示第j種能源的單位熱值含碳量；COFj表示第j種能源的碳氧化率；44/12是二氧化碳和碳的分子量之比；σj表示第j種能源的二氧化碳排放系數，是CFj、CCj、COFj、44/12的乘積。各指標的具體取值如表1所示。

表1 二氧化碳排放系數σj估算

1.2 脫鉤模型

“decoupling”一詞主要用于物理學領域，意為“解耦”。Carter（1966）首次嘗試使用“decoupling”這一物理學概念形容經濟增長與能源消耗之間的關系[2]。經濟合作與發展組織（OECD）正式提出“脫鉤”概念，并將其用于分析農業政策與市場均衡的相互關系[3]，并分析了其成員國環境與經濟之間的脫鉤情況，建立了一系列指標追蹤經濟增長過程中各成員國的環境狀況[4]。Tapio（2005）將經濟學中的彈性概念首次引入脫鉤理論中，構建了較為完整的脫鉤指標體系，并研究了歐洲交通業經濟增長與二氧化碳之間的脫鉤程度[5]。鑒于Tapio彈性分析方法克服了OECD脫鉤模型在基期選擇上的困境，能夠提高脫鉤測度的準確性[6]，本文采用Tapio的研究思路構建唐山市工業經濟增長與碳排放之間的脫鉤模型，公式如式（2）。

式（2）中，ε（CO2,G）表示工業碳排放脫鉤彈性指數，%△CO2表示工業二氧化碳排放量增長率，%△G為工業總產值增長率。t和t-1表示相鄰的兩期。CO2t為第t期的碳排放量，Gt表示第t期的工業總產值。根據脫鉤彈性指數的計算結果來判定脫鉤程度的強弱，具體脫鉤狀態的劃分如表2所示。

表2 Tapio脫鉤指數評價指標表

1.3 因素分解模型

Kaya恒等式最初由日本學者Yoichi提出，主要用于解決溫室氣體排放因素分解問題[7]。本文嘗試使用改進后的Kaya恒等式構造唐山市6大傳統優勢工業產業的碳排放變化因素分解公式，表示影響碳排放變化的因素，具體如式（3）。

式（3）中，j代表能源種類，j=1,2,3,4，分別表示原煤、焦炭、柴油、天然氣；GIP代表唐山市規模以上工業企業總產值，單位為萬元；IP代表各產業的規模以上工業企業總產值，單位為萬元；E代表各產業規模以上工業企業的綜合能源消費量，單位為噸標準煤；Ej代表各產業規模以上工業企業的分品種能源消耗量，單位為噸或萬立方米；Cj代表各產業規模以上工業企業的分品種能源碳排放量；GIP、IP/GIP、E/IP、Ej/E、Cj/Ej分別反映各產業的行業規模、產業結構、能源強度、能源結構、碳排放系數。

因素分解常用的方法有結構分解法（SDA）與指數分解法（IDA）[8]。SDA法基于投入產出表，對數據要求高；IDA法只需使用部門加總數據，數據要求靈活，應用范圍更廣。其中，對數平均迪氏指數分解法（logarithmic mean Divisia index,LMDI）是Divisa指數法的對數形式，因易于建模且在消除殘差的同時還具備因素可逆等優勢而受到廣泛重視[9]。

故本文將上述公式應用于LMDI分解模型，并選取“加法形式”對唐山市工業6大傳統優勢產業碳排放進行分解，進一步探究碳排放變化的驅動因素，公式如式（4）。

式（4）中，ΔC為碳排放變化的總效應，ΔCl為行業規模效應，ΔCm為產業結構效應，ΔCn為能源強度效應，ΔCe為能源結構效應。由于不同種類的能源碳排放系數基本一致，所以碳排放系數相應為0[10]，即 ΔCθ=0 。根據LMDI分解模型，得出各因素的逐年效應計算公式如式（5）～（8）。

1.4 數據來源

本文以唐山市規模以上工業企業和6大傳統優勢產業為研究對象，6大傳統優勢產業由18個分行業構成，具體工業行業分類如表3所示。研究期為2016—2020年，工業總產值、綜合能源消耗量以及4種能源品種消費數據均來自2016—2021年的《唐山統計年鑒》，數據口徑均為規模以上工業企業（本文所提及工業企業均為規模以上，以下不再贅述）；每種能源的單位量平均轉化為熱量值（CFj），即平均低位發熱量，數據取自《綜合能耗計算通則》（GB/T 2589—2020）；單位熱值含碳量和碳氧化率取自《省級溫室氣體清單編制指南》。

2 結果與分析

2.1 工業碳排放量變化及分布

從整體來看，2016—2020年唐山市工業經濟增長，工業碳排放量也呈現上升趨勢。唐山市工業碳排放變化主要分為兩個階段：2016—2017年，工業碳排放量保持平穩，甚至在2017年比上年減少127.98萬噸，主要原因為2017年唐山市政府發布《關于啟動應急減排措施應對重污染天氣過程的通知》，其中要求全市鋼鐵企業球團豎爐、燒結機限產50%，全市焦化企業出焦時間一律延長至36小時以上，這直接導致煤炭能源消費的大幅下降，進而減少了工業碳排放量。相較于第一階段，2018—2020年，工業碳排放量整體增長約450萬噸，主要是由于2018年河北省政府印發了《河北省人民政府關于加快推進工業轉型升級建設現代化工業體系的指導意見》（冀政發〔2018〕4號），其中明確指出唐山市重點發展精品鋼、現代石化、高端裝備、生物醫藥等產業，打造新型工業化基地。故2018年以來，唐山市重工業化特征較為明顯，重工業尤其是高能耗、高排放產業發展比較快，這就導致了工業碳排放量短時間內呈現大幅度增長。總體而言，唐山市工業經濟指標與碳排放量變化趨勢總體一致，這說明唐山市工業碳排放與經濟增長之間暫未實現強脫鉤狀態。

從6大工業支柱產業角度來看，如表3所示，鋼鐵產業始終是最主要的碳排放行業，其占工業碳排放總量的比值在50%以上，且“十三五”期間其碳排放量逐年增加，尤其在2018年，增長率高達近30%。其次是石化產業，2020年的碳排放量相較于2016年增長幅度在40%以上。其中，化學纖維制造業在2016—2019年間始終是石化產業內部碳排放量最多的行業，而在2020年出現了異常波動，其碳排放量由2019年的500多萬噸驟降至0.1萬噸。同時，化學原料和化學制品制造業的碳排放量則呈現相反的變化趨勢，由2019年的30萬噸大幅增加至600多萬噸。建材產業的碳排放量呈現逐年上升趨勢，5年間增長約67%。裝備制造產業碳排放表現為在波動中下降的趨勢，5年間下降比例為17.64%。食品制造產業與醫藥制造產業產生的碳排放占總量的份額較小。從18個工業行業角度可以看出，對碳排放的增加貢獻較大的主要集中在黑色金屬冶煉和壓延加工業、金屬制品業、通用設備制造業、專用設備制造業、化學纖維制造業、非金屬礦物制品業6個工業行業。

2.2 工業能源消費量與工業能源消費結構

工業是唐山市能源消耗的主要產業，其能源消耗量占全市能源消費總量的80%以上。從工業能源消費量角度來看，除2017年有小幅下降之外，唐山市工業能源消費量呈上升趨勢，到2020年，其工業綜合能源消費量已經上升至9 973.65萬噸標準煤，與2016年相比上升了34.38%，說明該地區的經濟發展對能源的依賴性仍然存在。

本文研究的能源類型包括6種，分別是原煤、洗精煤、高爐煤氣、焦炭、柴油、天然氣。將各類型能源的消費折算成標準煤，得到2016—2020年唐山市各類型能源消費量占工業能源消費總量的比重，如圖1所示。可以看到，原煤和焦炭仍然占據絕對的優勢，二者在能源消費總量中的份額一直保持在60%左右。近年來，河北省煤炭消費占能源消費總量的80%以上，唐山市的煤炭消費量目前位列河北省第一。盡管“十三五”以來唐山市鼓勵大力發展清潔能源和可再生能源，但長期以來形成的能源驅動型經濟增長模式短期內很難調整。

圖1 2016—2020年唐山市工業能源消費構成

表3 唐山市工業行業碳排放量 單位：萬噸

2.3 工業經濟增長與碳排放的脫鉤分析

2.3.1 唐山市工業碳排放脫鉤分析

根據式（2）計算出唐山市工業經濟增長與碳排放的脫鉤彈性指數值，并按照Tapio劃分的8種脫鉤狀態對其進行了脫鉤程度的判定，如表4所示。從整體上看，“十三五”時期唐山市工業碳排放脫鉤狀態存在“負脫鉤—連接—脫鉤”的脫鉤優化趨勢，但波動性較大，僅2016年和2019年實現弱脫鉤，處于間歇性脫鉤狀態，尚未出現理想的強脫鉤狀態，說明工業經濟增長與碳排放的關系有待進一步完善。分析其原因，2016年國務院發布《“十三五”節能減排綜合工作方案》（以下簡稱《工作方案》），明確設立各地區、各行業節能減排目標責任評價考核制度，提出加強工業節能，對環保、能耗等不達標或產能嚴重過剩的企業依法進行淘汰。唐山市政府積極響應《工作方案》中的相關要求，將“去鋼鐵產能”列為發展的基本思路。對工業能源消耗需求的減少直接導致碳排放量增速減緩，尤其是2016年，在碳排放增速僅為0.27%的情況下，工業總產值仍保持6.88%的增長速度，呈現出弱脫鉤狀態；到2017年，政策的調控效果開始顯現，工業總產值首次出現10.93%的負增長，工業經濟增長與碳排放從弱脫鉤轉變為弱負脫鉤狀態；但經過短暫的調整階段后，2019年重新回到弱脫鉤狀態（2020年雖為增長連接狀態，但脫鉤彈性指數值十分接近弱脫鉤臨界值0.8）。

表4 唐山市工業碳排放脫鉤彈性指數

2.3.2 分產業碳排放脫鉤分析

根據唐山市工業和信息化局訪談資料，目前唐山市有12個重點產業（4大支柱、4大優勢、4大新興），本文選取經濟貢獻比重較高和能耗、碳排放較嚴重的6大重點產業作為產業層面的分析對象，以期根據不同產業性質為唐山市工業綠色轉型升級提供差異化政策建議。

根據式（2）和表2，計算得出2016—2020年各產業經濟增長與碳排放脫鉤彈性指數，如表5所示。整體來看，6大產業中只有醫藥制造產業基本實現了脫鉤，其他產業間歇性出現強脫鉤或弱脫鉤，脫鉤狀態波動性較大。具體而言，在研究期間內，鋼鐵產業與醫藥制造產業出現弱脫鉤以及強脫鉤的次數最多，共3次；其次是石化產業與食品制造產業，共2次；裝備制造產業與建材產業僅在2019年出現過1次脫鉤狀態。

表5 分產業碳排放脫鉤彈性指數

2.4 工業碳排放變化的驅動因素分解分析

Tapio脫鉤模型可以描述經濟增長與碳排放之間的同步關系，但是無法深入解釋碳排放變化機制。為提出有效的減排路徑，首先需明確碳排放變化的主要影響因素。現利用Python對唐山市工業的6大重點產業進行碳排放驅動因素分解，由于篇幅限制，不再展示各因素的逐年效應值，分解結果如表6所示。從整體上看，2016—2020年，能源強度效應是產業二氧化碳排放變化的主要抑制因素，產業結構效應則是導致產業二氧化碳排放增加的主要驅動因素，但具體產業碳排放變化影響因素的作用方向和程度存在差異，不同產業在因素效應上呈現不同特征。

表6 驅動因素累積效應值

能源強度效應對鋼鐵產業碳排放起主要抑制作用，研究期間內的累積效應值約為-1 361萬t。“十三五”時期，唐山市鋼鐵產業節能減排水平和科技創新能力不斷提高，鋼鐵企業采用新工藝、新技術改造升級，加快發展優特鋼，大力發展鋼材產品精深加工，特別是燒結和焦化脫硫脫硝一體化升級改造項目，達到了國內最先進水平，生產技術的進步和工藝流程的優化提高了能源利用效率，進而在一定程度上降低了二氧化碳排放。其余三個因素均對鋼鐵產業碳排放產生正效應，其中，產業結構效應的正向驅動作用最強，累積效應值約為4 184萬t，主要原因是2016年該因素效應值達到4 342萬t，而2017年后，該因素正向驅動作用逐漸減弱，并出現負效應，說明鋼鐵產業結構優化調整取得了一定成效。

除行業規模效應外，其余三個因素均對裝備制造產業碳排放起到抑制作用，其中能源結構效應的負效應最強，累積貢獻值約為-51萬t。2016年以來，裝備制造產業的能源消耗總量中煤炭消耗占比逐年降低。此外，唐山市在深化政產學研合作方面不懈努力，引進和設立研發機構達到52家，形成了較強的科技吸引力，其中，中車唐山機車車輛有限公司與西南交通大學共建動車、高鐵研發中心，科技創新能力的提升在一定程度上提高了裝備制造產業的能源利用效率。

能源強度效應對石化產業碳排放起抑制作用，且在6大產業中對碳排放抑制作用貢獻最高，累積貢獻值約為-1 548萬t，其余因素均為正效應。“十三五”以來，唐山市石化產業以園區化、精細化、鏈條化、循環化為主攻方向，逐漸提升石油化工煉化能力，持續推進化工工藝裝備水平提升和產品升級，創新發展綠色化工材料，節能技術不斷創新升級。

產業結構效應對建材產業碳排放起主要抑制作用，累積貢獻值約為-26萬t，其余三個因素均為正效應，其中能源強度的正向驅動作用最強。其主要原因是，唐山市加快發展保溫、隔熱及防火性能良好，使用壽命長的新型墻體材料、低輻射鍍膜玻璃、新型節能門窗，開發推廣結構保溫裝飾一體化外墻板，推動了建材產業綠色轉型升級進程，為碳減排做出了一定的貢獻。

對于食品制造產業和醫藥制造產業，能源強度效應和能源結構效應是推動碳排放減少的關鍵因素，其中，能源強度因素的負效應最強。“十三五”期間，河北省加快生物技術創新藥、化學創新藥、中藥創新藥和中藥經典名方的研發與產業化，推進原料藥向綠色化、特色化、專利化發展，不斷提升高端醫療康復器具創新能力和產業化水平，不斷促進產品技術和質量升級。唐山市出臺《唐山市中醫藥發展“十三五”規劃》，醫藥產業創新能力不斷增強，能源利用效率得到提升。唐山市作為首批國家食品安全示范城市，重點發展傳統特色食品等8個領域，通過培育10個食品加工產業集群、打造33個省級農業園區、建設5個食品產業園區，呈現出較高的產業集中度，有助于產業創新能力的提升。

3 結論與建議

本文以唐山市工業為研究對象，采用Tapio脫鉤模型與LMDI分解模型，在分析工業經濟增長與二氧化碳脫鉤關系的基礎上，對影響二氧化碳排放變化的因素進行了分解。結果表明：（1）2016—2020年唐山市工業碳排放量總體呈現上升趨勢。具體而言可分為兩個階段，2016—2017年碳排放量較為平穩，且在2017年出現下降趨勢，2018年后由于唐山市出現重工業化特征，碳排放量上升至一個新的水平。（2）從整體上看，“十三五”時期唐山市工業碳排放脫鉤狀態存在“負脫鉤—連接—脫鉤”的脫鉤優化趨勢，但波動性較大，具體到產業層面，只有醫藥制造產業基本實現了脫鉤，其他產業間歇性出現強脫鉤或弱脫鉤，脫鉤狀態波動性較大。唐山市工業尚未出現理想的強脫鉤狀態，節能減排形勢依然嚴峻。（3）從整體上看，2016—2020年，能源強度效應是產業二氧化碳排放變化的主要抑制因素，產業結構效應則是導致產業二氧化碳排放增加的主要驅動因素。具體而言，能源強度是鋼鐵、石化、食品與醫藥產業碳排放的主要抑制因素；能源結構是裝備制造產業碳排放的主要抑制因素；產業結構是建材產業碳排放的主要抑制因素。

基于上述研究結論，提出如下建議：

（1）唐山市工業行業能源消費長期以煤炭為主，這會導致二氧化碳的過量排放。政府應大力扶持企業通過提高節能創新能力發展潔凈煤技術，鼓勵對清潔能源和可再生能源的開發利用，逐步減少工業企業對煤炭等化石能源的依賴。

（2）唐山市工業行業尚未實現經濟增長與碳排放的強脫鉤狀態，應堅決淘汰部分高污染、高排放、低效率的企業，強力推進資源密集型行業的技術改造，大力發展高新技術產業，重點推進低能耗、高附加值的戰略性新興產業，如高端裝備制造業、新一代信息技術產業、新材料產業、節能環保產業等。

（3）短期內，提高能源利用效率，降低能源消耗強度，是促進唐山市工業碳減排的有效路徑。一方面，應建立健全清潔生產激勵機制，引導企業進行節能技術創新，推動傳統產業從末端治理轉變為清潔生產；另一方面，持續推進工業園區建設，大力發展循環經濟，建設綠色低碳循環的現代工業體系。

（4）長期來看，產業結構的優化調整將是唐山市工業綠色轉型的加速器。應加深新一代信息技術與工業的融合，以高端化、智能化為綠色化轉型提供新動能和新路徑，重構傳統產業的產業鏈格局。集中培植戰略性新興產業鏈，重點發展智能裝備、節能與新能源汽車和智能網聯汽車，推進一批重大裝備產業化，積極開展新能源汽車推廣應用等。