中國八大綜合經濟區碳排放效率與產業結構升級的耦合發展研究

鄭玉雯，薛偉賢，張青芬

（1.西安工程大學管理學院，西安 710699；2.西安理工大學經濟與管理學院，西安 710048）

0 引言

黨的二十大對“雙碳”工作作出全面部署、提出明確要求，要把系統觀念貫穿“雙碳”工作全過程，注重處理好發展與減排的關系。這意味著，經濟活動中排放的二氧化碳總量可被視作不可或缺的稀缺要素，這一要素總量既有額度限制，又須持續減少，直至碳中和目標達成[1,2]。實現經濟增長，提高碳排放效率是重要途徑[3]，產業結構升級是突破口[4,5]。在新時代背景下，提高碳排放效率與產業結構升級耦合發展水平成為高質量發展的新要求，更能清晰地反映地區經濟綠色發展質量。

本文的研究與以下三個方面的文獻密切相關：一是碳排放效率測度，現有文獻主要基于單要素和全要素視角展開[6]。在單要素視角下，碳排放效率以GDP和碳排放的比值衡量[7,8]；在全要素視角下，數據包絡分析（Data Envelopment Analysis，DEA）及其擴展模型應用最為廣泛。二是產業結構升級評價。新近文獻提出現代產業結構升級包括產業結構合理化、產業結構高級化以及經濟結構服務化傾向三個層面[9]。三是碳排放效率與產業結構升級耦合發展水平測度。現有研究較多關注產業結構與碳減排的單向關系[10]，部分研究運用擴展耦合模型檢驗了產業結構升級對碳減排、碳效率提升的促進作用以及碳效率對產業結構升級的反向促進作用[11]。多采用灰色預測模型、ARIMA模型、BP神經網絡模型等對二者的耦合演進水平進行預測[12]。

鑒于此，本文運用耦合度模型對2011—2022 年中國八大綜合經濟區碳排放效率與產業結構升級的耦合發展水平進行測度，在此基礎上運用Markov 鏈模型揭示其耦合發展規律，進一步地，利用ARIMA-GM 組合模型預測2023—2027 年中國八大綜合經濟區碳排放效率與產業結構升級的耦合發展水平，以細致探明我國不同區域碳排放效率與產業結構升級耦合水平及演進趨勢，為我國區域間協同制定“雙碳”行動方案與產業結構升級政策并穩步有序落實提供現實依據與決策支持。

1 研究設計

1.1 研究方法

1.1.1 耦合度模型

本文運用耦合度模型測度碳排放效率和產業結構升級的耦合發展水平[13]。以D代表碳排放效率與產業結構升級的耦合度，具體判別標準及劃分類型見表1。

表1 耦合度的判別標準及劃分類型

1.1.2 Markov鏈模型

引入分布動態學框架[14]，構建耦合度轉移的Markov鏈模型，揭示八大綜合經濟區碳排放效率與產業結構升級耦合發展規律。

其次，構造可變時長的俱樂部趨同指數，表示為：

其中，為第k俱樂部在d年時長下的趨同程度，ratk表示該俱樂部的規模占比。

最后，根據表1的劃分類型及標準，借助式（1）計算八大綜合經濟區、30 個省份碳排放效率與產業結構升級耦合度在不同時間跨度下的轉移概率。為簡化表達，將表1中耦合度的10種細分類型按耦合度由低至高的順序依次進行編號，標記為1至10。

1.1.3 碳排放效率、產業結構升級的測度方法

（1）碳排放效率測度模型——基于總體技術環境全要素增長視角

首先，八大綜合經濟區內各省份視為最小決策單元（DMU），每個DMU投入N種要素，得到M種期望產出和I種非期望產出，每一時期t=1,2,…,T，每一決策單元產出的投入向量為(yk,bk,xk)，則包含非期望產出的DEA模型為：

其中，是技術前沿面每一橫截面的權重，≥0 意味著生產技術規模報酬不變。

其次，設定非期望產出的非徑向、非角度DDF模型：

式（3）測度了DMU的總體非效率水平，ω為與投入產出要素數量相關的權重向量；g為方向向量；β為比例因子，其值為期望產出擴張、非期望投入與產出減少的比例。DDF值越小，其投入產出效率越高；當DDF值為0時，處在生產前沿上。

最后，對投入要素、期望產出、非期望產出按1 3 等權重賦權，依據Luenberger生產率指數形式定義碳排放效率（CEE）為：

（2）產業結構升級水平的測度——基于產業結構高級化與合理化視角

產業結構高級化值（H）的計算公式為：

其中，K表示三個產業，以每一產業增加值占GDP的比重作為空間向量的分量之一，構成一組三維向量，表示為X0=(x1，0,x2，0,x3，0)。

運用改進的產業結構泰爾指數indr衡量產業結構合理化水平，計算公式為：

其中，Li，j，t Li，t表示第j產業就業人數在總就業人數中的占比；Yi，j，t Yi，t表示第j產業產值占總產值的比重；indr表示產業結構的非均衡態程度，indr越大，產業結構越不合理，indr越小，產業結構越合理。由于兩個指標對于產業結構升級水平提升具有同等重要作用，對二者分別賦權0.5，加權求和后得到產業結構升級指數（IU）。

1.1.4 ARIMA-GM組合預測模型

自回歸移動平均模型（ARIMA）和灰色預測模型（GM）均為單變量方程模型，ARIMA-GM 組合模型可以全面獲取原始建模數據序列所包含的信息，提高預測效果。運用熵權法對各模型賦權加總計算得到組合模型的擬合以及預測結果，表達式為：

其中，wi為兩個模型各自的權重，yi為兩個模型各自的擬合及預測結果，Y為組合模型的擬合及預測結果。

1.2 樣本選擇

本文以中國八大綜合經濟區的30 個省份（不含西藏和港澳臺）為樣本，八大綜合經濟區地理區域范圍及劃分，見表2。

表2 八大綜合經濟區地理區域范圍及劃分

1.3 指標選取與數據說明

先測算碳排放效率。投入指標選取各省份固定資本形成總額、年末三次產業從業人員數、能源消費總量，數據來源于《中國統計年鑒》、各省份統計年鑒；期望產出指標選取各省份GDP，數據來源于《中國統計年鑒》；以各省份碳排放總量為非期望產出指標。各省份碳排放數據借鑒杜立民（2010）[15]的計算方法，根據各省份化石燃料燃燒消耗量及對應的碳排放系數折算得到，計算公式為C=∑Ci∑ei×εi，其中，ei為各類能源消耗量，εi為二氧化碳排放因子，煤炭、焦炭、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然氣、水泥的CO2排放系數分別為1.647tCO2/t、2.848tCO2/t、3.045tCO2/t、3.174tCO2/t、3.15tCO2/t、3.064tCO2/t、21.670tCO2/m3、0.527tCO2/t，能源消費數據來源于《中國能源統計年鑒》。再測度產業結構升級水平，用到三次產業產值數據、就業人數，數據來源于《中國統計年鑒》、各省份統計年鑒。測度前運用最大最小值方法對指標測度值進行標準化處理。研究時期選取為2011—2022年。

2 實證結果分析

2.1 耦合度結果測度及特征分析

2.1.1 測度結果分析

2011—2022 年，全國碳排放效率與產業結構升級耦合度逐年遞增，從2011年的0.188增長到2022年的0.398，年均增長率為7.1%；從協調發展類型轉變來看，全國碳排放效率與產業結構升級耦合發展從嚴重失調轉為輕度失調發展階段。各省份碳排放效率與產業結構升級耦合度整體偏低，僅北京和天津處在勉強協調發展階段，其他28個省份均處在失調發展階段。這表明雖然我國碳減排與產業結構調整相互促進的作用成效正逐步顯現，但仍存在較大改善空間。

從碳排放效率與產業結構升級耦合度的排名來看，北部沿海綜合經濟區、長江中游綜合經濟區和大西南綜合經濟區依次位于前三位，特別是北部沿海綜合經濟區，耦合度不僅略高于全國平均水平，而且與其他綜合經濟區相比亦偏高。從協調類型來看，北部沿海綜合經濟區處于瀕臨失調發展階段（均值為0.462）；東部沿海綜合經濟區、長江中游綜合經濟區、黃河中游綜合經濟區、大西南綜合經濟區、大西北綜合經濟區和東北綜合經濟區均處于輕度失調發展階段（均值介于0.315～0.349）；南部沿海綜合經濟區處于中度失調發展階段（均值為0.261）。總的來說，八大綜合經濟區碳排放效率與產業結構升級耦合發展水平存在較大提升空間。

從各省份來看，除天津、北京以外，其他省份碳排放效率與產業結構升級耦合度均值均低于0.5，處于失調狀態，說明全國碳排放效率與產業結構升級的相互促進作用亟待調整。從排名來看，天津、北京、寧夏依次排名前三位，排名后5 位的省份為河南、上海、甘肅、江蘇、廣東。從協調發展類型來看，天津、北京達到勉強協調發展階段；湖南、內蒙古、廣西、四川、寧夏5 個省份處于瀕臨失調發展階段；河北、山東、福建、江西、湖北、陜西、貴州、云南、新疆、遼寧、黑龍江11個省份處于輕度失調發展階段；上海、江蘇、浙江、海南、安徽、山西、河南、重慶、甘肅、青海、吉林11 個省份處于中度失調發展階段；廣東處于嚴重失調發展階段。

2.1.2 耦合特征分析

2011—2022 年八大綜合經濟區碳排放效率與產業結構升級耦合特征見下頁圖1。根據圖1（a），北部沿海綜合經濟區耦合度自2016 年起呈向外層擴展的趨勢，2019—2022年，北京、河北、天津的耦合發展水平逐步提高，北京在2022 年達到優質協調發展階段。北京是全國的政治、經濟和文化中心，具有總部經濟優勢；京津冀城市群及區域經濟一體化建設的不斷推進將助力北部沿海綜合經濟區碳減排協同發力。根據圖1（b），東部沿海綜合經濟區的上海、江蘇和浙江在2013—2016年耦合度較高，其他年份整體偏低。東部沿海綜合經濟區是全國具有影響力的多功能制造中心，上海、江蘇和浙江3 個省份競爭優勢顯著，“東部地區率先發展”的國家戰略推進3個省份現代化發展起步較早，起步階段對減污降碳重視程度不夠，成為較長時期內3個省份耦合度偏低的主要原因，加之東部沿海綜合經濟區是我國紡織行業的重要集聚區，紡織業屬于重污染型行業，增大了碳減排難度。根據圖1（c），南部沿海綜合經濟區在2013—2022年碳排放效率與產業結構升級耦合發展水平整體偏高。南部沿海綜合經濟區與港澳臺地區鄰近，屬于外向型經濟發展基地，近年來傳統制造業比重逐漸降低，加之環境保護投入較高，在發展經濟的同時能夠較好地減排。在圖1（d）中，長江中游綜合經濟區耦合度呈明顯的階梯型結構，江西和湖南兩省耦合度偏高，湖北和安徽較低。江西和湖南農業生產條件優良，而湖北和安徽則具有以鋼鐵和有色冶金為主的原材料基地，這顯然成為梯層型結構的主要原因。根據圖1（e）至圖1（h），黃河中游綜合經濟區、大西南綜合經濟區、大西北綜合經濟區和東北綜合經濟區耦合發展水平普遍具有較大的偏離程度，意味著各綜合經濟區應充分發揮本地優勢，處理好碳減排和產業升級的關系。黃河中游綜合經濟區地處內陸，具有豐富的煤炭和天然氣，需注重提高資源利用效率；東北綜合經濟區中東北三省具有相同的自然條件和資源稟賦，東北三省也是全國重型裝備制造基地，需以系統觀為指導，協同落實振興東北老工業基地的政策，以培育高技術產業為新的增長點，做好產業轉型升級；大西南和大西北綜合經濟區均具有全國旅游基地的先天優勢，需以交通運輸碳減排為突破口。

圖1 八大綜合經濟區碳排放效率與產業結構升級的耦合發展特征

2.2 耦合發展規律

依據表1的劃分標準與細分類型，計算30個省份碳排放效率與產業結構升級耦合度在不同時間跨度下（以2016年為界）的轉移概率。為簡化描述，將耦合度10種細分類型由低到高依次編號為1、2、…、10。見下頁表3。

表3 Markov鏈轉移矩陣

八大綜合經濟區30個省份碳排放效率與產業結構升級耦合演進具有明顯的階段特征。總體上以保持原有耦合類型以及向鄰近細分類型轉變為主，未有耦合發展水平越級或下降的現象。2011 年有3 個省份處于中度失調發展類型、14個省份處于輕度失調發展類型，13個省份處于瀕臨失調發展類型；到2022年，處于中度失調發展類型的省份還有3個；輕度失調發展類型中，71.5%的省份仍處于該發展類型，向鄰近類型轉化的概率為28.5%；瀕臨失調發展類型向輕度協調發展類型過渡的占比為46.15%。跨越發展類型實現轉移的省份有寧夏、黑龍江、廣西、內蒙古4 個省份。同樣地，不同階段主對角線（起止年份相同類型對應的元素）及其相鄰左右兩側較高的概率值也進一步證實耦合度具有穩定性的特征。

2.3 耦合發展水平的預測

2.3.1 模型檢驗

考慮到選取的ARIMA和GM模型均為短期預測模型，擬合較長預測時間會導致信息失真以及預測結果不可靠，將2011—2019年的數據作為訓練集，基于2020—2022年數據使用MATLAB軟件對模型效果進行檢驗，見圖2。ARIMA-GM組合模型預測結果與2011—2019年預測集的數據最為接近。ARIMA預測模型相對誤差介于1.17%～2.69%，平均相對誤差為1.94%；GM預測模型相對誤差介于3.14%～3.39%，平均相對誤差為3.35%；ARIMA-GM組合預測模型相對誤差介于0.43%～1.21%，平均相對誤差為0.74%。即ARIMA-GM組合預測模型具有較高的準確度，預測效果較好，選用該組合預測模型的預測結果更具可靠性。

圖2 預測模型檢驗結果

2.3.2 情景設定

分情景模擬2023—2027年八大綜合經濟區碳排放效率與產業結構升級耦合演進趨勢：

情景1（現狀維持型）：保持現有的發展狀態，不采取任何措施，維持現有的碳減排政策和產業結構不變。

情景2（碳排放效率提升加強型）：通過政策引導強化提升碳排放效率，碳排放效率每年提升1%。

情景3（產業結構升級加強型）：通過政策引導強化實現產業結構升級，產業結構升級水平每年提升1%。

情景4（全面協調加強型）：綜合情景2 和情景3，通過政策引導全面提升碳排放效率和產業結構升級水平，碳排放效率和產業結構升級水平每年分別提升1.5%。

2.3.3 情景預測

運用ARIMA-GM組合預測模型對八大綜合經濟區在4種情景下碳排放效率與產業結構升級耦合演進趨勢，結果如下：

情景1：在現狀維持型發展狀態下，八大綜合經濟區碳排放效率與產業結構升級耦合度呈“穩中有進”發展趨勢。2027 年，北部沿海綜合經濟區、長江中游綜合經濟區、大西南綜合經濟區和東北綜合經濟區演進至協調發展階段，但仍以勉強協調和初級協調發展類型為主；東部沿海綜合經濟區、南部沿海綜合經濟區、黃河中游綜合經濟區和大西北綜合經濟區仍處于失調發展階段，但整體耦合發展水平有所提升。

情景2：在碳排放效率提升加強型狀態下，八大綜合經濟區碳排放效率與產業結構升級耦合度較情景1 均有所提高。2027年北部沿海綜合經濟區演進至中級協調發展階段，黃河中游綜合經濟區從失調發展階段轉為勉強協調發展階段，其他6個經濟區耦合發展水平也實現了不同程度的提高。

情景3：在產業結構加強型狀態下，較通過政策引導加強碳排放效率的提升，產業結構加強型狀態下八大綜合經濟區碳排放效率與產業結構升級耦合度均有明顯提高，且較情景1 有所提高。2027 年北部沿海綜合經濟區轉變為良好協調發展階段，黃河中游綜合經濟區、長江中游綜合經濟區、大西南綜合經濟區和東北綜合經濟區均演進為初級協調發展階段。

情景4：通過政策引導全面提升碳效率和產業結構，綜合了情景2和情景3的所有改進措施，這一情景下八大綜合經濟區碳排放效率和產業結構升級耦合發展趨勢最好。整體來看，八大綜合經濟區耦合度均得到穩步提高，從全國層面看碳減排系統和產業結構升級系統之間實現了最大力度的相互改善。這說明，未來在保持現有發展優勢的同時，需要不斷關注碳減排與產業結構調整工作的協調性，注重二者間的協調發展。

3 結論及建議

本文主要研究結論如下：第一，全國碳排放效率與產業結構升級耦合度逐年遞增，各綜合經濟區則差異較大。北部沿海綜合經濟區、長江中游綜合經濟區、大西南綜合經濟區相對較高，其余五個綜合經濟區偏低；從耦合類型來看，北部沿海綜合經濟區處于瀕臨失調階段，東部沿海綜合經濟區、長江中游綜合經濟區、黃河中游綜合經濟區、大西南綜合經濟區、大西北綜合經濟區和東北綜合經濟區處于輕度失調發展階段，南部沿海綜合經濟區處于中度失調發展階段。第二，從耦合發展規律看，八大綜合經濟區碳排放效率與產業結構升級耦合發展水平具有明顯的階段性特征，整體上以保持原有耦合類型以及向鄰近細分類型轉變為主，未有耦合發展水平越級或下降的現象。2011年，中國30個省份中，3個省份處于中度失調發展類型，14個省份處于輕度失調發展類型，13 個省份處于瀕臨失調發展類型；2022年，處于中度失調發展類型的省份有3個；輕度失調發展類型中，71.5%的省份依舊不變，向鄰近類型轉化的概率為28.5%；瀕臨失調發展類型向輕度協調發展類型過渡的占比為46.15%。第三，從耦合演進水平預測情況看，2023—2027 年，四類情景下八大綜合經濟區碳排放效率與產業結構升級耦合發展水平均將得到不同程度提升。全面協調加強型情景下耦合發展水平提升最為顯著，這反映出該情景下碳減排系統和產業結構升級系統之間實現了最大力度的相互改善；碳排放效率提升加強型和產業結構加強型情景下，八大綜合經濟區的耦合發展水平較現狀維持型情景均有所提升，體現出未來八大綜合經濟區需不斷增強碳減排與產業結構調整的協調性。

依據上述結論提出以下建議：首先，需要明確各區域在全國“雙碳”目標中的角色定位，避免出現“一刀切”現象，分地區制定碳減排標準；其次，充分發揮區域的地理鄰近與溢出效應，促進區域間和區域內能源資源要素流動，因地制宜地通過優化資源配置推進產業結構升級；最后，多方聯動、多措并舉地統籌各區域“雙碳”目標的有序實現。