基于STIRPAT模型的陜西省建設用地對能源消費碳排放的影響

摘要：在對陜西省1997 — 2012年能源消費的碳排放和建設用地的變化特征及二者相關性分析的基礎上，基于擴展的STIRPAT模型，選取建設用地、人均GDP和單位GDP能耗為驅動因素構建建設用地碳排放模型。結果表明，1997 — 2012年陜西省能源消費碳排放具有兩階段特征，總體上與建設用地呈現(xiàn)同步增長的趨勢；模型分析顯示建設用地對能源消費碳排放的彈性系數(shù)較高，表明建設用地對碳排放的影響顯著，此外，人均GDP和單位GDP能耗也都是主要的驅動因素；控制建設用地擴張趨勢是碳減排的有效途徑，對于碳減排意義重大，進而提出了一些控制建設用地擴張及碳減排的措施和建議。

關鍵詞：能源消費碳排放；建設用地；STIRPAT模型；陜西省

中圖分類號：F301.2；F205 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）03-0599-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.03.013

Abstract：Based on the correlation analysis of carbon emissions in the process of energy consumption and variation characteristics of construction land in Shaanxi province from 1997 to 2012，construction land， the per capita GDP and energy consumptions per GDP were chosen as the driving factors to build the construction land’s carbon emissions model according to the extended STIRPAT model. The results showed that the carbon emissions of energy consumption from 1997 to 2012 in Shaanxi province had two-stage characteristics， and overall presented the synchronous growth trend with construction land. The high elasticity coefficient of construction land to carbon emissions of energy consumption indicated that construction land had significant effects on carbon emissions，in addition，the per capita GDP and energy consumptions per GDP were also the main driving factors. So controlling the trend of construction land expansion is an effective way to reduce carbon emissions. Moreover some measures and suggestions to reduce the construction land expansion and carbon emission were put forward.

Key words：carbon emissions from energy consumption；construction land；STIRPAT model； Shaanxi province

近年來，由人類活動產(chǎn)生的溫室氣體引起的全球氣候變暖是人類面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，也是國際社會共同關注的重大環(huán)境問題[1]。以化石燃料燃燒產(chǎn)生的能源消費碳排放是人類活動產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體排放的主要形式，土地利用變化是僅次于化石燃料燃燒而使大氣中CO2濃度增加的最主要的人類活動[2]。而土地利用變化主要表現(xiàn)在建設用地的擴張及其他類型土地的減少，建設用地承載著各類經(jīng)濟、社會活動，可以造成直接和間接的碳排放。隨著當前工業(yè)化、城市化的持續(xù)推進，土地利用變化導致的碳排放呈現(xiàn)增多的趨勢，土地利用變化尤其是建設用地的變化對碳排放的影響引起了各界的關注[3]。

目前，國內學者有關土地利用和碳排放的研究頗多，李穎等[2]在對江蘇省1995 — 2004年不同土地利用的碳排放效應研究中，得出建設用地和耕地是主要的碳源，其中建設用地對碳排放的貢獻高達96%以上；劉英等[4]構建了土地利用碳源/碳匯的理論框架和計算模型，分析了河南省1999 — 2008年不同土地利用方式的碳源/碳匯狀況及其強度；此后，多位學者如蘇雅麗等[5]、彭文甫等[6]、趙先超等[3]分別對陜西省、四川省、湖南省的土地利用碳排放效應進行了分析，皆得到建設用地和耕地是主要的碳源。然而有關建設用地變化對碳排放影響的研究較少，針對陜西省建設用地擴張對碳排放影響的研究更少。毛熙彥等[7]擴展了KAYA恒等式，基于LMDI分解法分析了1996 — 2007年中國建設用地增長對于碳排放的影響；杜官印[8]、張樂勤等[9]將建設用地納入碳排放影響因素，運用STIRPAT模型方法分別定量研究了中國和安徽省建設用地擴張對碳排放的影響。

本試驗利用相關數(shù)據(jù)進一步研究建設用地變化與碳排放的關系，在對1997 — 2012年陜西省能源消費碳排放估算的基礎上，分析了能源消費碳排放和建設用地的變化特征及二者的相關性，把建設用地引入碳排放影響因素，立足于STIRPAT模型，構建建設用地碳排放模型，定量測算了建設用地變化對碳排放的邊際貢獻，在省域尺度上研究建設用地對能源消費碳排放的影響，并提出一些碳減排的措施和建議。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西省位于中國西北部，屬于內陸省份，地處105°29′ — 111°15′E，31°42′ — 39°35′N，地勢南北高，中部低，北山和秦嶺將陜西分為三大自然區(qū)：中部是關中平原，北部是陜北高原，南部是秦巴山區(qū)。氣候整體屬大陸季風氣候，橫跨3個氣候帶，南北間差異顯著。橫跨黃河、長江兩大水系，有承東啟西、連接西部的區(qū)位之便。全省現(xiàn)轄西安、銅川、寶雞等10個地級市及楊凌示范區(qū)，土地總面積為20.56萬km2，2012年底總人口為3 753萬人。近些年陜西省經(jīng)濟社會發(fā)展迅速，人均GDP由1997年的4 968元猛增至2012年的38 564元，建設用地面積從7 638.76 km2增長到8 817.96 km2，能源消費總量從3 111萬t標準煤增長到10 626萬t標準煤，伴隨著能源消費量的增加碳排放量自然也增多，因此研究建設用地與能源消費碳排放的關系對陜西省經(jīng)濟社會的低碳發(fā)展具有重要意義。

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源 所采用數(shù)據(jù)中，能源消費數(shù)據(jù)來源于《中國能源統(tǒng)計年鑒》（1998 — 2013年），建設用地面積數(shù)據(jù)主要來源于《陜西省土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)集》和《陜西省國土資源公報》等，建設用地主要包括居民點及工礦用地、交通用地和水利設施用地。其他數(shù)據(jù)均來自《陜西統(tǒng)計年鑒》（1998 — 2013年），其中，為了使GDP和人均GDP等數(shù)據(jù)具有可比性和客觀性，以1997年的CPI為100進行調整，從而消除價格變動的影響，即實際變量=變量當年價×100/CPI價格指數(shù)。

1.2.2 研究方法

1）基于能源消費的碳排放量測算。在計算碳排放量時，建設用地不同于其他土地利用方式，如耕地、林地和草地可以直接用相應的碳排放（吸收）系數(shù)。眾多學者[3-9]在計算建設用地的碳排放量時，往往是基于能源消費的角度，建設用地承載著人類生產(chǎn)和生活活動所消耗的大量能源，研究建設用地與碳排放的影響關系時，碳排放量應使用能源消費的碳排放量。本研究在參考IPCC（即政府間氣候變化專門委員會）編制的《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》[10]中能源消費碳排放計算方法的基礎上，借鑒游和遠等[11]、劉竹等[12]的研究，提出能源消費碳排放量的計算公式：

C=∑Ei×Ci×Fi （1）

式中，C為能源消費的碳排放量，Ei為第i種能源消耗量，Ci為第i種能源的碳排放系數(shù)，F(xiàn)i為第i種能源的平均低位發(fā)熱量。其中，碳排放系數(shù)來源于IPCC清單中的能源缺省碳排放系數(shù)，平均低位發(fā)熱量來源于《中國能源統(tǒng)計年鑒》附錄，具體數(shù)值及能源種類如表1所示。

2）STIRPAT模型。STIRPAT模型的前身是經(jīng)典環(huán)境壓力IPAT等式[13]，即I=PAT，其中I為環(huán)境壓力，P、A、T分別為人口數(shù)量、富裕度和技術。為了使IPAT等式更具有實用性，Dietz等[14]提出了IPAT等式的隨機模型，即人口、富裕度和技術變化對環(huán)境影響的隨機回歸模型，簡稱為STIRPAT模型，其基本形式如下：

I=aPbAcTde （2）

式中，a為模型的系數(shù)，b、c、d分別為人口數(shù)量、富裕度和技術各驅動力的系數(shù)，e為殘差項；當a=b=c=d=e時，該模型即為IPAT等式。在實際應用中，通常將式（2）轉換成對數(shù)形式：

lnI=f+blnP+clnA+dlnT+g （3）

式中，f、g分別為式（2）中a和e的對數(shù)。驅動因素的系數(shù)（b、c、d）表示在其他驅動因素維持不變時，相應的人口、富裕度和技術每變化1%所引起環(huán)境影響變化的百分比，STIRPAT模型是定量分析人文因素對環(huán)境壓力影響的一種較為成熟的模型。

2 結果與分析

2.1 碳排放量估算與建設用地變化

利用表2中的能源消費數(shù)據(jù)，依據(jù)公式（1），經(jīng)計算可得陜西省1997 — 2012年的能源消費碳排放量，結果如圖1所示。由圖1可知，1997 — 2012年陜西省能源消費碳排放量總體呈現(xiàn)增長的趨勢，碳排放量先由1997年的2 765.02萬t減少至2000年的2 329.68萬t，而后猛增至2012年的12 704.23萬t。1997 — 2003年是碳排放量處于相對較為平穩(wěn)的階段，并且是穩(wěn)中有降、平穩(wěn)地推進；2003 — 2012年是能源消費碳排放的快速增長階段，年均增長率達到32.07%，并仍有高速增長的趨勢。

從圖1可以看出，陜西省建設用地面積與能源消費碳排放量均呈現(xiàn)總體上的增長態(tài)勢。建設用地面積由1997年的7 638.76 km2增至2012年的8 817.96 km2，年均增長率為1.03%，相對于碳排放量的變化，建設用地的變化相對較為均勻，且增幅比較平穩(wěn)。兩者在總體上具有同步增長的趨勢，經(jīng)計算，得到建設用地面積和能源消費碳排放量的Pearson相關系數(shù)達到0.986，且在0.01的顯著性水平上通過檢驗，表明兩者具有極顯著的正相關性，建設用地規(guī)模的變化影響著碳排放量的變化。隨著工業(yè)化、城市化的推進和經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，能源消費大量增加，建設用地持續(xù)擴張，建設用地承載著人類生產(chǎn)生活所消耗的大量能源，因此建設用地的擴張將促進能源消費碳排放量的增加。

2.2 建設用地碳排放模型構建

本研究立足于STIRPAT模型，以能源消費碳排放量來表征環(huán)境壓力，由于主要研究建設用地變化對碳排放的影響，故選用建設用地與人均GDP和單位GDP能耗共同作為驅動因素，構建出陜西省建設用地碳排放模型：

C=aLbAcTde （4）

式中，C為能源消費碳排放量（萬t）；L為建設用地面積（km2）；A為富裕度，以實際人均GDP表征（元/人）；T為技術，以能源消費總量與實際GDP總額之比即單位GDP能耗表征（tce/萬元）；a為模型的常數(shù)項，b、c、d分別為L、A、T的指數(shù)項；e為模型隨機項。

為了進行回歸分析以確定有關參數(shù)，將公式（4）兩邊同時取對數(shù)，得到：

lnC=lna+blnL+clnA+dlnT+lne （5）

式中，b、c、d為彈性系數(shù)，表示當L、A、T每變化1%時，分別引起C的b%、c%、d%的變化。

2.3 模型結果分析

根據(jù)公式（5），將碳排放量、建設用地面積、人均GDP、單位GDP能耗時間序列數(shù)據(jù)取對數(shù)后，利用EVIEWS軟件進行普通最小二乘法回歸分析，結果如表3所示。

從表3的回歸結果可見，模型的擬合優(yōu)度達到了98.79%，F(xiàn)統(tǒng)計量通過了1%的顯著性水平檢驗，并且模型回歸系數(shù)中，常數(shù)項和建設用地面積都通過了5%的顯著性水平檢驗，人均GDP和單位GDP能耗更是通過了1%的顯著性水平檢驗，表明模型擬合得非常好，具體形式如下：

lnC=-30.450 2+3.235 0lnL+1.025 7lnA+1.164 9lnT（6）

由公式（6）可知，建設用地對能源消費碳排放的彈性系數(shù)為3.235 0，表示建設用地每增加1%，陜西省能源消費碳排放量將增加3.235 0%，可見建設用地是碳排放主要的驅動力，建設用地的擴張對碳排放具有明顯的增量效應。建設用地的增加將使得建設用地所承載的人類活動強度加劇，如工業(yè)生產(chǎn)、交通出行和建筑業(yè)等，這些都是能源消耗的主要活動，會使碳排放快速的上升。陜西省目前還處于工業(yè)化、城市化快速發(fā)展階段，建設用地的擴張不可避免，建設用地對能源消費碳排放的影響還將持續(xù)，因此控制建設用地的快速擴展，促進建設用地的節(jié)約集約利用將成為碳減排的有效措施。

人均GDP、單位GDP能耗也都是能源消費碳排放的主要驅動力，人均GDP對碳排放的彈性系數(shù)為1.025 7，表示人均GDP每提升1%，能源消費碳排放量將增加1.025 7%。陜西省的經(jīng)濟仍在高速發(fā)展階段，經(jīng)濟發(fā)展對于能源消費的需求較大，并且依賴能源消費的第二產(chǎn)業(yè)比重較高、發(fā)展迅速，進而經(jīng)濟的快速發(fā)展導致的碳排放也較大。單位GDP能耗對碳排放的彈性系數(shù)為1.164 9，隨著技術水平的提高，能源的利用率也在逐步提高，單位GDP能耗逐漸降低，每降低1%，將引起能源消費碳排放量減少1.164 9%，因此，應當加大研究低碳技術的力度，提高能源利用率，以降低單位GDP能耗，減少能源消費的碳排放。

3 結論與討論

本研究在分析陜西省建設用地與能源消費碳排放之間相關性的基礎上，將建設用地納入碳排放的影響因素，基于STIRPAT模型的擴展形式，研究陜西省建設用地變化對能源消費碳排放的影響，結果如下：

1）陜西省1997 — 2012年的能源消費碳排放總體上呈現(xiàn)增長趨勢，具有兩階段特征，2003年以前穩(wěn)中有降、平穩(wěn)推進，之后快速增長。建設用地的增長較為平穩(wěn)，與能源消費碳排放量具有極顯著的相關性，兩者呈現(xiàn)出同步增長的趨勢。

2）基于擴展的STIRPAT模型分析結果顯示，建設用地、人均GDP和單位GDP能耗都是陜西省能源消費碳排放的主要驅動因素，建設用地和人均GDP對碳排放具有增量效應，二者的增長均會使碳排放增加，而單位GDP能耗的下降則會減少碳排放，抑制碳排放的增長。建設用地對碳排放的彈性系數(shù)高達3.235 0，對碳排放量的影響顯著，建設用地是工業(yè)、建筑業(yè)和交通等主要能源消耗部門的集聚區(qū)，承載著大量的能源消費碳排放。因此應當控制建設用地擴張的趨勢，通過完善土地利用總體規(guī)劃和強化土地用途管制，嚴格控制非農(nóng)建設占用農(nóng)用地，加強建設用地審批力度，優(yōu)化土地利用結構，促進建設用地的節(jié)約集約利用。此外，在減少碳排放方面，還可以通過調整產(chǎn)業(yè)結構和能源消費結構，大力發(fā)展風能、水能和太陽能等低碳能源，同時應加大節(jié)能減排技術創(chuàng)新，提高能源利用效率。

3）本研究以建設用地、人均GDP和單位GDP能耗作為驅動因素建立能源消費碳排放的STIRPAT模型，著重研究陜西省的建設用地變化對碳排放的影響，得出控制建設用地過快擴張是碳減排的重要途徑之一，對于減少能源消費碳排放意義重大。但是在研究中沒有區(qū)分建設用地的類型，不同的建設用地結構對于碳排放的影響具有差異，此外在模型的適用方面較為欠缺，需要以后進一步的研究。

參考文獻：

[1] 曲福田，盧 娜，馮淑怡.土地利用變化對碳排放的影響[J].中國人口·資源與環(huán)境，2011，21（10）：76-83.

[2] 李 穎，黃賢金，甄 鋒.江蘇省區(qū)域不同土地利用方式的碳排放效應分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2008，24（S2）：102-107.

[3] 趙先超，朱 翔，周躍云.湖南省不同土地利用方式的碳排放效應及時空格局分析[J].環(huán)境科學學報，2013，33（3）：941-949.

[4] 劉 英，趙榮欽，焦士興.河南省土地利用碳源/碳匯及其變化分析[J].水土保持研究，2010，17（5）：154-157，162.

[5] 蘇雅麗，張艷芳.陜西省土地利用變化的碳排放效益研究[J].水土保持學報，2011，25（1）：152-156.

[6] 彭文甫，樊淑云，潘薈交，等.區(qū)域土地利用變化的碳排放效應及時空格局研究[J].生態(tài)經(jīng)濟，2013（9）：28-33.

[7] 毛熙彥，林 堅，蒙吉軍.中國建設用地增長對碳排放的影響[J].中國人口·資源與環(huán)境，2011，21（12）：34-40.

[8] 杜官印.建設用地對碳排放的影響關系研究[J].中國土地科學，2010，24（5）：32-36.

[9] 張樂勤，陳素平，王文琴，等.安徽省近15年建設用地變化對碳排放效應測度及趨勢預測——基于STIRPAT模型[J].環(huán)境科學學報，2013，33（3）：950-958.

[10] IPCC.2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories[EB/OL].http：//www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2006gl/index.html，2014-11-29.

[11] 游和遠，吳次芳.土地利用的碳排放效率及其低碳優(yōu)化——基于能源消耗的視角[J].自然資源學報，2010，25（11）：1875-1886.

[12] 劉 竹，耿 涌，薛 冰，等.城市能源消費碳排放核算方法[J].資源科學，2011，33（7）：1325-1330.

[13] EHRLICH P R，HOLDRENS J P.The impact of population growth[J]. Science，1971，171：1212-1217.

[14] DIETZ T，ROSA E A.Rethinking the environmental impacts of population，affluence and technology[J]. Human Ecology Review，1994，1：277-300.