河北省建筑業碳排放效率時空演化及達峰路徑分析

牛建廣，王斐然，辛伯雄，王明琪，戎密仁

1.河北地質大學 城市地質與工程學院，河北 石家莊 050031；2.河北省地下人工環境智慧開發與管控技術創新中心，河北 石家莊 050031；3.京津冀城市群地下空間智能探測與裝備重點實驗室，河北 石家莊 050031；4. 滄州市人力資源和社會保障局，河北 滄州 061000

0 引言

在2020年9月聯合國大會上，中國提出“要爭取早日實現碳達峰與碳中和”的“雙碳目標”。中國“十四五”規劃中進一步明確要求“到2025年單位國內生產總值能源消耗和二氧化碳排放分別降低13.5%、18%”。因此，在黨中央的統一領導下，全國各省及各行業相應提出內部減排目標。河北省是全國減排重點區域，承擔著巨大減排任務。建筑業作為河北省支柱產業，也是資源消耗和二氧化碳排放的主體。因此，在河北省“十四五”規劃中明確提出“要大力發展節能低碳建筑，新建建筑全面執行綠色建筑標準，加快推進既有建筑節能改造”。因此，對建筑業碳排放進行研究，分析河北省內各地區建筑業碳排放現狀，切實降低二氧化碳排放，對河北省建筑業低碳化發展和 “雙碳目標”的實現具有重大意義。

目前在影響因素及其作用機理的研究方面，有些學者主要通過相關分析[1]、逐步回歸[2]以及Tobit面板回歸[3]等統計學方法對不同影響因素的所屬類別以及影響程度進行研究。而有些學者則選擇采用Kaya恒等式[4]、LMDI模型[5]以及STIRPAT模型[6]等方法，通過對建筑業碳排放進行分解，進一步分析其影響因素以及因素作用機理。

在建筑業碳排放效率及趨勢研究上，主要有兩方面。一是建筑業碳排放效率測算方面。大多數學者主要通過采用全要素效率方法對建筑業碳排放效率進行測算。ZHANG建立了能源效率的DEA模型對中國各省份的建筑業能效進行評價[7]。馮博等通過利用DEA模型對中國建筑業效率分異情況進行分析[8]。尚春靜等則利用其對海南省建筑業碳排放進行核算和分析[9]。二是建筑業碳排放時空演變分析。惠明珠等結合空間計量模型對中國建筑業碳排放效率特征進行研究[10]。孔凡文、李魯波通過將三位趨勢分析法引入對中國建筑業碳排放空間分異進行研究，發現中國建筑業的碳排放分異在空間上呈現由東向西逐步下降趨勢[11]。

綜上所述，目前對于建筑業碳排放的研究主要集中在對于省域建筑業碳排放效率的分析評價，缺乏對于城市尺度的兼顧性。此外，在對其效率的進一步分析中，往往未充分考慮空間因素對其的影響。因此，首先基于“3E”理論從經濟、能源以及環境3個方面對河北省11個地市建筑業碳排放影響因素發展情況進行分析；其次基于考慮非期望產出的SBM模型，分析2000—2019年碳排放效率的時空演變特征；最后利用改進BP神經網絡模型對其二氧化碳未來趨勢進行研究。以期為提高建筑業碳排放效率，推動河北省相關節能減排政策制定與實施提供一定理論支撐。

1 研究方法與數據來源

1.1 建筑業碳排放效率測度模型

為了解決要素松弛問題，Tone將DEA模型中的目標函數引入松弛變量提出了基于非徑向、非角度的SBM模型(Slack-based Measure，SBM)[12]。通過設定非導向以及規模報酬不變，同時設定非期望產出為二氧化碳排放量，可得到基于考慮非期望產出SBM模型的建筑業碳排放效率測算模型如下：

(1)

式(1)中，s表示的是投入產出的松弛量，λ為權重向量，ρb為目標函數，是關于s-、sg、sb嚴格遞減的，并且0≤ρb≤1。對一個特定的決策單元，當且僅當=1，即s-=0，sg=0，sb=0時是有效率的，若ρb<1則說明決策單元是無效率的，在投入產出方面存在改進的必要性。

1.2 建筑業碳排放預測模型

BP神經網絡的本質是對誤差函數的最小值進行求解。首先通過隱含層將輸入層多個節點正作用于輸出層節點，同時對期望輸出與預測輸出之間誤差值求解；若誤差不滿足于規定誤差范圍，則通過反向傳輸對神經網絡權值和閾值進行調整，并經過反復學習與訓練直至誤差滿足期望[13，14]。

粒子群算法(Particle Swarm Optimization，PSO)是Kennedy和Eberhart提出的一種生物啟發式算法[15]，其主要原理是模擬鳥類捕食時的行為，將全局最優解設為食物最多的位置，通過利用鳥群中個體之間相互協作以及信息共享等行為，實現尋得全局最優解的目標。因此，文章針對于BP神經網絡在網絡參數設置上存在的隨機性問題，引入PSO對其網絡參數進行全局尋優，避免預測結果缺乏合理性和科學性，進一步提升整個預測模型的精確度。則PSO-BP神經網絡算法流程如圖1所示。

圖1 PSO-BP神經網絡算法流程圖Fig.1 Flow chart of PSO-BP neural network algorithm

1.3 數據來源

研究期為2010—2019年，以河北省11個地市建筑業為研究對象，數據主要來源于國家統計局官網、《IPCC清單》《河北省經濟年鑒》(2011—2020年)以及河北各城市統計年鑒、統計公報等資料。同時，考慮到數據的真實性、完整性以及可利用性，對數據進行分析與預處理。其中，對缺失值采用插值法進行補齊，對結合相關環境針對性進行分析后的異常值予以剔除與補齊。

2 建筑業碳排放效率的時空演化特征

2.1 建筑業碳排放效率測度體系

根據全要素效率測算要求，并結合以往文獻[16-22]研究結果，選取建筑業碳排放影響因素及效率測度指標如表1。

表1 建筑業碳排放效率測度體系Table 1 Measurement system of carbon emission efficiency in construction industry

2.2 建筑業碳排放效率的時間演化特征

總體來看，2010—2019年河北省建筑業碳排放效率均值逐步下降，由 2010 年的 0.81 降低至2019 年的 0.67，增長率為 -17.28%。碳排放效率為1.00的城市數量由3個減少至2個。從多年均值來看，石家莊碳排放效率值最高，邢臺最低。除石家莊、保定和衡水外，其余城市的建筑業碳排放效率年均變化率均為負。

由表2可知，河北省建筑業碳排放效率可以分為五類：秦皇島、張家口、廊坊的建筑業碳排放效率初始值很高但下降率處于快速，年均增長率為-20.07%、-18.00%、-11.67%，屬高位高速負增長類型；承德、邯鄲、唐山的建筑業碳排放效率初始值較低但下降率處于快速，年均增長率為-14.49%、-12.08%、-18.18%，屬低位高速負增長類型；滄州的建筑業碳排放效率初始值較高且下降緩慢，年均增長率為-2.08%，屬高位低速負增長類型；邢臺的建筑業碳排放效率初始值較低且下降緩慢，年均增長率為-5.67%，屬低位低速負增長類型；石家莊、保定的建筑業碳排放效率初始值較高且增長緩慢，年均增長率分別為0%、 4.26%、2.22%，屬于高位低速正增長類型區域(見表3)。大部分城市如承德、邢臺、邯鄲、衡水等區域建筑業城市的碳排放效率多數年份均未達到最優前沿面，具有較大的提升空間。

表2 2010—2019年河北省各城市建筑業碳排放效率(%)Table 2 Carbon emission efficiency of construction industry in cities of Hebei Province from 2010 to 2019(%)

表3 建筑業碳排放影響因素Table 3 Influencing factors of carbon emissions in construction industry

2.3 建筑業碳排放效率的空間演化特征

2010年京津冀地區建筑業碳排放效率空間分布呈“西部高、東部低”的空間格局。高值區主要集中在西部的石家莊、保定、張家口、廊坊和東北部的秦皇島市，低值區廣泛分布于東部。2019年建筑業碳排放效率主要呈現“中部高、南北低”的分布格局。高、中值區集中連片布局，低值區分散布局。高、中值區域依托中部高值區的石家莊、保定和中值區的廊坊、滄州等市；低值區分散布局在南部的邯鄲、邢臺、衡水以及北部的張家口、承德、唐山、秦皇島(圖2)。

圖2 2010—2019年河北省建筑業碳排放效率的空間格局示意圖Fig.2 Schematic diagram of spatial pattern of carbon emission efficiency of construction industry in Hebei Province from 2010 to 2019

整體來看，2010—2019 年高、中值區主要集中在西南部(石家莊)、環渤海(滄州)一些發展新型節能環保、綠色建筑業的城市，以及中部環京地區(保定、廊坊)建筑業技術發達的城市。低值區主要集中在南部(邯鄲、邢臺、衡水)、北部(唐山、承德)等發展石油化工、煤化工等原材料建筑業以及重型裝備制造業等的城市，碳排放效率多數年份未達到最優前沿面，具有較大的提升空間。各城市間建筑業碳排放效率標準差2010年為0.17，2019 年為0.18，說明建筑業碳排放效率空間差異降低并不顯著。

3 河北省建筑業碳達峰路徑研究

3.1 建筑業碳排放影響因素分析

“3E”理論是指通過尋求能源、經濟與環境三者之間協調、平衡發展途徑，以實現在保證經濟增長與改善環境水平的同時，合理有效地開發利用能源。文章從“3E”理論中能源、經濟與環境三者之間相互關系的角度出發，對初始指標進行選取。由此，構建可得建筑業碳排放影響因素，如表3所示。

3.2 情景參數設置

隨著“雙碳目標”的提出，在黨中央的統籌領導下，河北省在《河北省“十四五”規劃》中明確要求：到2025年，地級市空氣質量優良天數相較于2020年提高10個百分點以上；非化石能源消耗量占比提至11%；單位GDP能耗相較于2020年下降15%。在《河北省人口發展規劃(2018—2035年)》中明確提出：至2035年調控到7 910萬人，人口增速維持穩定低速發展，勞動力資源數量將略微減少。

為充分研究河北省建筑業碳達峰排放量、時間，以及河北省建筑業未來減排路徑及發展趨勢，設置基準、低碳以及強化3種情景。基準情景下，河北省建筑業經濟、環境和能源發展維持近5年歷史平均增長水平。低碳情景下，基于各項政策要求，影響因素變化處于計劃增長水平，著眼于逐步在實現經濟增長的同時完成“雙碳目標”。在強化情景下，要求對于建筑業碳排放存在影響的指標進行強化控制，從能源、經濟、環境3個方面采取重大舉措，期望加快建筑業碳達峰與經濟增長雙重目標。由此得到各指標在不同情景下的控制參數取值(見表4)。

表4 各指標不同情景下控制參數(%)Table 4 Index control parameters in different scenarios(%)

3.3 預測結果及分析

為研究河北省建筑業碳達峰路徑及發展趨勢，利用基于改進BP神經網絡的建筑業碳排放預測模型對不同情景下河北省建筑業碳排放量進行預測。帶入不同情景下各影響因素參數取值，得到在基準、低碳以及強化3種水平下的碳排放趨勢，如圖3所示。

圖3 不同情景下河北省建筑業碳排放趨勢Fig.3 Carbon emission trend of construction industry in Hebei Province under different scenarios

由圖3可知，在基準情景下，河北省建筑業2025年、2030年、2035年碳排放量分別為22 347.94萬噸、36 543.27萬噸和45 063.10萬噸。在低碳情境下，河北省建筑業碳排放量相較于基準情景下在2025年、2030年和2035年分別下降了43.76%、24.08%和45.75%。在強化情景下，河北省建筑業碳排放量相較于基準情景下在2025年、2030年和2035年分別下降了2.67%、37.13%和62.23%。這表明通過縮減建筑業的勞動生產率、房屋竣工面積、PM2.5平均濃度以及能源消耗量，提升河北省空氣質量優良天數比例以及建筑業能源消費中電力消費占比，具有明顯減排效果，有助于實現河北省建筑業經濟與環境平衡發展。

在3種情景中，基準情景下河北省建筑業碳排放量隨增長率逐漸下降，但總體呈現持續上升趨勢，不能在2030年前實現行業達峰；低碳與強化情景下均可以在2030年前實現碳達峰且達峰后呈現緩慢下降趨勢。低碳情境下河北省建筑業碳排放量大約在2030年達到峰值，達峰碳排放量約為27 745.33萬噸，說明在現有政策調控下，河北省建筑業能夠有效實現碳達峰的減排目標；強化情景下河北省建筑業碳排放量在2027年達到峰值，達峰碳排放量約為23 985.48萬噸，說明在政策調控基礎上，建筑業進一步加強內部減排要求，能夠促進行業實現早日達峰，為下一步實現“碳中和”的目標打下堅實基礎。

4 結論及建議

4.1 結論

本次調研首先通過對相關文獻以及官方統計材料進行調查，同時對于河北省建筑業相關數據進行定量核算，并構建河北省建筑業碳排放效率測度體系。其次基于考慮非期望產出的SBM模型，采用ArcGis空間分析、空間自相關模型對于河北省11個地市建筑業從2010—2019年的碳排放效率時空演變關聯特征進行綜合分析，研究得到的主要結論如下：

1)2010—2019年河北省建筑業碳排放效率平均值為0.74，距離生產前沿面存在26%的發展潛力，說明當前河北省建筑業的發展中存在著較大的資源浪費，還具有巨大減排潛力。

2)河北省建筑業碳排放效率存在顯著的空間分異，空間分布格局由2010年的“西部高、東部低”向“中部高、南北低”轉變。河北省建筑業碳排放效率的提升應加強跨地市合作，調整建筑業產業能源消耗與經濟發展結構，推動全省建筑業低碳發展。

3)依據情景研究結果表明，在基準情景下，河北省建筑業碳排放未能實現碳達峰；但在低碳情境下，通過對建筑業的勞動生產率、竣工面積、PM2.5平均濃度、空氣質量優良天數比例、能源消耗量以及電力消費占比等方面減排、控排政策的有效實施，可以在2030年實現達峰目標；且在此基礎上，對建筑業各方面政策進一步收緊，能夠促使達峰時間提前到2027年。

4.2 建議

為提升河北省建筑業碳排放效率，并從建筑業角度探索到“碳達峰”“碳中和”實現路徑，根據調研結論與分析，提出以下政策建議：

1)以政策導向為主導，制定完善節能減排政策。一方面政府應加大低效率地區建筑業的低碳扶持力度，積極宣傳建筑業節能、環保理念，著力推動、引導全省建筑業的綠色發展；另一方面應加大節能減排政策實施力度，制定更為完善的環境治理機制，提高行業準入門檻。

2)以市場機制為載體，建設科學環境治理體系。過度的政府干預對于建筑市場整體活躍度會造成不利影響，因此河北省應建立合理有效的現代化科學環境治理體系。充分發揮市場機制，促使建筑企業積極參與碳交易市場，形成有效市場競爭，推動建筑業碳排放效率提升。

3)以技術升級為根本，發展創新綠色建筑技術。增加對低值地區的建筑業技術創新補貼，推動生產率提高，著力建立建筑綠色技術體系，重點開發節能減排技術和建筑業低碳技術。同時推動中部地區與南、北部地區低碳發展交流平臺，鼓勵低值地區向高、中值地區學習建筑節能技術，進而達到全省建筑業碳排放效率提升，實現“雙碳”目標。