基于SBM模型的土地集約利用碳排放效率分析與低碳優(yōu)化

張 苗，甘臣林，陳銀蓉

（華中農(nóng)業(yè)大學公共管理學院，湖北 武漢 430070）

基于SBM模型的土地集約利用碳排放效率分析與低碳優(yōu)化

張 苗，甘臣林，陳銀蓉

（華中農(nóng)業(yè)大學公共管理學院，湖北 武漢 430070）

研究目的：尋找以碳排放作為成本的適度土地集約利用水平，構(gòu)建城市土地集約利用的低碳優(yōu)化策略。研究方法：模型法，對比分析法。研究結(jié)果：（1）在空間分布上，東、中部地區(qū)具有較高的土地集約利用水平和碳排放效率值；（2）在省際分布上，土地集約利用水平與其碳排放效率值高低并不一致，僅有14%的省份處于高土地集約利用水平和高碳排放效率的理想狀態(tài)；（3）技術(shù)效率不足是造成東、中部地區(qū)總效率低下的原因，技術(shù)效率不足和規(guī)模效率不足是西部地區(qū)總效率低下的原因。研究結(jié)論：全國29個省份的城市土地集約利用碳排放效率存在差異，需結(jié)合東、中、西地區(qū)區(qū)域城市土地利用與經(jīng)濟發(fā)展特點，差別化地構(gòu)建低碳土地利用優(yōu)化策略。

土地利用；土地集約利用碳排放；效率分析；SBM

1　引言

城市化進程的加快導致越來越多的農(nóng)用地轉(zhuǎn)為非農(nóng)用地，有限的土地資源對城市的發(fā)展產(chǎn)生阻礙，土地集約利用被認為是解決城市盲目擴張引起的土地低效利用、空間布局不合理和資源浪費等的有效辦法［1］；勞動、資本和技術(shù)等要素的投入是提高土地集約利用水平的前提，建設(shè)用地作為城市發(fā)展最重要的載體，以上要素的投入集中在建設(shè)用地上，研究表明建設(shè)用地成為所有土地利用類型中最大的碳源［2-5］，而農(nóng)用地向非農(nóng)用地的轉(zhuǎn)換也會增加碳排放量［6］，土地集約利用對碳排放的影響在于一方面減少了作為碳匯的農(nóng)用地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換從而減緩了土地利用碳排放，另一方面因增加勞動資本等要素投入促進了作為碳源的建設(shè)用地的碳排放。土地集約利用的水平和階段決定了土地集約利用對土地利用碳排放表現(xiàn)為促進還是減緩作用［7-8］，研究表明在土地利用的資本集約階段，提高土地利用水平會促進土地利用碳排放增加［9］，土地利用碳排放作為提高土地集約利用水平的“成本”，成為一種環(huán)境負擔和外部性損失，因此尋找到以碳排放作為成本的適度土地集約利用水平成為土地低碳和經(jīng)濟利用的關(guān)鍵，與兼顧“集約”和“低碳”的新型城鎮(zhèn)化理念相一致，而理想的土地集約利用碳排放效率可以幫助實現(xiàn)研究目的。

本文擬在已有文獻研究的基礎(chǔ)上，研究以碳排放作為成本的適度土地集約利用水平，尋找理想的土地集約利用碳排放效率，具體思路為采用全國第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)并基于所有土地利用類型的碳排放量，運用SBM模型，估算各地區(qū)土地集約利用的碳排放效率，并對總效率小于1的碳排放無效地區(qū)土地集約利用提出低碳優(yōu)化策略，兼顧土地集約利用的碳排放權(quán)利與義務。

2　研究方法介紹

2.1土地集約利用計算模型

城市土地集約利用水平的計算公式如下：

式（1）中，F(xiàn)p為省份P的城市土地集約利用水平，fi為第i個指標的權(quán)重，Bip為省份P的第i個指標無量綱值，D為總指標數(shù)。

2.2SBM模型

碳排放作為一種環(huán)境負擔與外部性損失，是土地集約利用時產(chǎn)生“好”產(chǎn)出的成本，也是提高土地集約利用水平時所不期望的一種產(chǎn)出，因此需要在土地集約利用碳排放效率分析模型中解決非期望“壞”產(chǎn)出納入效率分析的問題。傳統(tǒng)的DEA（Data Envelopment Analysis）不能處理非期望產(chǎn)出的問題，或者經(jīng)過其他解決途徑處理時會存在破壞真實性與效率結(jié)果不精確的問題。

國外學者曾提出多種構(gòu)想來解決“非期望產(chǎn)出”問題，如Hailu A.等［10］將非期望產(chǎn)出視作投入變量，Seiford L.M.等［11］將非期望產(chǎn)出乘以負一，F(xiàn)?re R.等［12］運用距離函數(shù)方法，而Tone K.［13］提出了SBM（Slack Based Measure）模型，SBM模型同時從投入和產(chǎn)出兩個角度對無效率狀況進行測量，屬于非導向模型，不但解決了徑向模型（DEA）對無效率的測量不包含松弛變量的問題，還可以將非期望產(chǎn)出直接納入產(chǎn)出［14］，考慮本文要解決的實際問題，最終采用SBM模型。

假設(shè)總數(shù)量為n的省份，城市土地集約利用中存在I種投入、O1種期望產(chǎn)出和O2種非期望產(chǎn)出，根據(jù)Tone的研究成果，第k個省份包含非期望產(chǎn)出的SBM模型［14］數(shù)學表達如下：

約束條件為：

2.3指標選取

土地集約利用的測度指標因研究目的不同而相異［1］，本文所指的土地集約利用特指城市土地集約利用。在選取測度指標時，如果既用投入的勞動與資本指標又用產(chǎn)出指標，不僅容易造成指標之間具有較強的相關(guān)性，對其他的衡量指標也是一種弱化，最終影響土地集約利用水平的正確測度［15-16］。綜上，考慮已有文獻研究和數(shù)據(jù)的可獲得性及SBM模型中對投入產(chǎn)出指標的數(shù)量限制［14］，選取勞動、資本和技術(shù)的代表性指標依次為地均二、三產(chǎn)業(yè)從業(yè)人數(shù)、地均城鎮(zhèn)固定資產(chǎn)二、三產(chǎn)業(yè)投資額和地均R&D（Research and Development）經(jīng)費，對土地集約利用水平的指標進行測度，并根據(jù)中國處于城市化加速期分析三種投入指標對提高土地集約利用水平的重要性，采用MATLAB軟件（1—9尺度成對比較法）計算權(quán)向量并作一致性檢驗（CR = 0.0426≤0.1），確定三個指標的權(quán)重（表1）。

為實現(xiàn)土地集約利用水平與其碳排放效率分析之間的可比較性，將碳排放效率計算中的投入指標與衡量土地集約利用水平的三項指標保持一致（表1）?？紤]對土地的投入帶來的土地利用收益和已有文獻研究［15-17］，SBM模型的產(chǎn)出指標選擇二、三產(chǎn)業(yè)增加值和社會消費品零售總額，土地利用過程中的碳排放既是一種成本投入又是一種非期望的產(chǎn)出，最終采用相對指標形式的產(chǎn)出指標（表1），其中前2個指標屬于“好”的期望產(chǎn)出，第3個指標屬于“壞”的非期望產(chǎn)出，并設(shè)定SBM模型中W1= 2/3，W2= 1/3。

計算城市土地集約利用水平時，為了消除指標之間的量綱影響，考慮衡量指標為正向指標，采用式（4）進行標準化處理。

表1　土地集約利用測度指標與SBM投入產(chǎn)出指標Tab.1 Indices of urban land intensive use and the input-output indices of SBM in analysis

表2　土地利用和能源消耗類型碳排放系數(shù)Tab.2 The carbon emissions coefficient of land use and energy consumption type

式（4）中，X′ij表示指標標準值，Xij表示指標原始值，Ximin表示第i項指標的最小值，Ximax表示第i項指標的最大值（SBM模型的投入產(chǎn)出指標無需標準化）。

3　數(shù)據(jù)來源與統(tǒng)計描述

3.1土地利用碳排放量計算

本文將耕地和建設(shè)用地作為碳源，園地、林地、草地、水域作為碳匯［18］，其中耕地、園地、林地和草地通過面積和對應的碳排放系數(shù)（表2）進行計算（式（5））；建設(shè)用地上的碳排放［19］是根據(jù)人類社會生產(chǎn)和生活活動在建設(shè)用地上所消耗的能源，包括煤炭、焦炭、原油等所產(chǎn)生的碳排放量進行測算（式（6）），對應碳排放系數(shù)見表2，并據(jù)此計算土地利用總碳排放量（式（7））。

式（5）中，Ei為除建設(shè)用地以外的第i種土地類型的碳排放量，si為對應的土地面積，δi為第i種土地類型對應的碳排放系數(shù)。

式（6）中，Ej為建設(shè)用地所承載的能源碳排放總量，ej為建設(shè)用地承載的第j種能源消耗量，δj表示第j種能源的碳排放系數(shù)。

式（7）中，E為土地利用總的碳排放量，Ei和Ej同上。

3.2其他數(shù)據(jù)來源及統(tǒng)計描述

土地利用數(shù)據(jù)采用全國第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)，來源為中國國土資源部官方網(wǎng)站，因西藏數(shù)據(jù)暫未公布，所以不列入分析范圍。第二次全國土地調(diào)查數(shù)據(jù)截止時間是2009年末，因此社會經(jīng)濟和能源數(shù)據(jù)采用2010年的相關(guān)年鑒①全國各省（市）二調(diào)數(shù)據(jù)于2014年陸續(xù)在中國國土資源部官方網(wǎng)站公布，截至目前，僅有少數(shù)省（市）對外公布了2010年至今在二調(diào)基礎(chǔ)上進行了變更統(tǒng)計的土地面積數(shù)據(jù)，大多數(shù)省份的土地面積數(shù)據(jù)仍為一調(diào)基礎(chǔ)上的變更數(shù)據(jù)，為保持統(tǒng)計口徑的一致性，本文采用二調(diào)數(shù)據(jù)，因二調(diào)截止時間為2009年末，并應保持社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)與其時間相一致，因此收集2010年相關(guān)統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)。，主要參考《中國統(tǒng)計年鑒（2010）》、《中國科技統(tǒng)計數(shù)據(jù)（2010）》和《中國能源統(tǒng)計年鑒（2010）》。因青海省市轄區(qū)和建成區(qū)面積統(tǒng)計口徑不一致以及香港、澳門和臺灣數(shù)據(jù)未收錄在統(tǒng)計年鑒中，也不列入分析范圍。

根據(jù)指標定義，將收集齊全的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行運算得出6個投入產(chǎn)出指標值，具體統(tǒng)計描述見表3。

表3　29個省份指標值統(tǒng)計描述Tab.3 Statisticial description of index value in 29 provinces

4　土地集約利用水平與其碳排放效率分析

4.1土地集約利用水平及其碳排放效率值

由式（1）計算得各省的土地集約利用水平；基于DEA-Solve運算平臺［14，22］，計算得各省的土地集約利用碳排放效率值。按照東、中、西部區(qū)域內(nèi)的總效率從大到小排序，結(jié)果見表4。其中總效率揭示了土地集約利用中投入實現(xiàn)產(chǎn)出的效率高低，為本文所尋找的土地集約利用碳排放效率；技術(shù)效率表明在給定的投入組合條件下，土地集約利用所能獲得的相對最大產(chǎn)出；規(guī)模效率揭示了在技術(shù)水平不變的前提下，土地集約利用實現(xiàn)已有產(chǎn)出水平所需的相對最少投入，及其是否處于最適規(guī)模。結(jié)果表明僅有北京、江蘇、廣東、江西、廣西和云南6個省份處于有效的土地集約利用碳排放效率狀態(tài)。

4.2土地集約利用水平及其碳排放效率空間分布

為了直觀顯現(xiàn)兩者空間分布情況，采用聚類分析［27］的方法分別對土地集約利用水平與其碳排放總效率、技術(shù)效率和規(guī)模效率數(shù)值進行聚類分析，根據(jù)分類結(jié)果取其分為4類的結(jié)果，并根據(jù)數(shù)值高低依次命名為Ⅰ等、Ⅱ等、Ⅲ等和Ⅳ等，其中Ⅰ等代表具有較高的土地集約利用水平（碳排放效率），反之，Ⅳ等則代表較低的土地集約利用水平（碳排放效率）。分等后的土地集約利用水平及其碳排放效率空間分布見圖1。

圖1（a）表明，東部和中部大部分省份具有較高的土地集約利用水平，西部省份土地集約利用水平較低；圖1（b）表明，東中部大部分省份碳排放效率值較大，西部地區(qū)省份碳排放效率值較低。

表4　土地集約利用水平及其碳排放效率值Tab.4 Intensity values and efficiency values of carbon emission of urban land intensive use

由式（3）可知總效率為技術(shù)效率與規(guī)模效率的乘積（取值范圍［0，1］），大小取決于兩者中較小的一個，由圖1（c）、1（d）與圖1（b）可知，東部省份總效率值與技術(shù)效率值高低保持一致，中部地區(qū)除黑龍江外，總效率值與技術(shù)效率值高低保持一致，西部地區(qū)除甘肅、寧夏和內(nèi)蒙古之外，總效率值與技術(shù)效率值保持一致，表明東、中部和西部大部分省份的技術(shù)效率不足是導致總效率低下的主要原因。

4.3土地集約利用水平與其碳排放效率一致性分析

結(jié)果表明在空間分布上土地集約利用度與其碳排放效率值大小分布一致，但兩者是否在省際角度上保持一致需要進一步分析，從而判斷29個省份的土地集約利用水平高低是否必然地對應著土地集約利用過程中碳排放效率的高低。

按照土地集約利用水平從大到小順時針排列，并根據(jù)式（4）將土地集約利用水平標準化，一致性比較如圖2。圖2表明，并不是較高的土地集約利用水平伴隨著較高的碳排放效率，如上海市土地集約利用水平全國最高，但處于碳排放無效狀態(tài)；全國只有20%的省份碳排放效率為1，僅有北京、江西、云南和江蘇4個省份處于所尋求理想的有效碳排放效率下的土地集約利用狀態(tài)，能夠兼顧集約與低碳。那么當前在追求土地集約利用的同時，若期望實現(xiàn)土地的低碳利用，則需要合理優(yōu)化土地集約利用投入與產(chǎn)出。

圖2　土地集約利用與其碳排放總效率一致性Fig.2 Consistency between urban land use intensity and its efficiency of carbon emission

圖1　全國土地集約利用度及其碳排放效率空間分布Fig.1 Spatial distribution of urban land use intensity and its efficiency of carbon emission in China

5　土地集約利用低碳優(yōu)化策略

本文將碳排放效率的相對有效定義為土地低碳利用。固定規(guī)模報酬下的SBM模型同時給出了各省份實現(xiàn)碳排放總效率有效時的投入產(chǎn)出改進值。投入冗余表明同其他總效率有效省份相比在保持產(chǎn)出不變的條件下該省份投入可以減少的數(shù)量；非期望產(chǎn)出冗余表明在保持投入不變的條件下可以減少的數(shù)量；期望產(chǎn)出不足表明在保持投入不變條件下可以增加的數(shù)量［24］。

對于東部地區(qū)，投入改進：政府部門可制定薪酬和福利優(yōu)惠的鼓勵政策引導農(nóng)村勞動力向中、西部轉(zhuǎn)移，鼓勵二、三產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員（含高校畢業(yè)生）向中、西部轉(zhuǎn)移來減少地均二、三產(chǎn)業(yè)人數(shù)；加快能源消費結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化是減少碳排放的重要保證，減少第二產(chǎn)業(yè)的投資額并將第二產(chǎn)業(yè)的投資額轉(zhuǎn)移到第三產(chǎn)業(yè)來減少地均城鎮(zhèn)固定資產(chǎn)二、三產(chǎn)業(yè)投資額；加快研究成果轉(zhuǎn)化，將更多的科研成果應用于實際，提高R&D經(jīng)費的使用效率，特別是環(huán)渤海地區(qū)的天津、遼寧和山東。產(chǎn)出改進：增加社會消費品零售總額主要靠拉動內(nèi)需實現(xiàn)，在東部地區(qū)拉動內(nèi)需可采取以拉動農(nóng)村消費為突破口，通過諸如提高農(nóng)產(chǎn)品價格、增加政府補貼等提高農(nóng)民收入拉動內(nèi)需。

對于中部地區(qū)，投入改進：中部地區(qū)大部分省份是中國的農(nóng)業(yè)大省，需保證耕地上有充足的農(nóng)業(yè)勞動力，尤其是現(xiàn)在耕地被撂荒現(xiàn)象較為嚴重，減少地均二、三產(chǎn)業(yè)從業(yè)人數(shù)可以采取控制農(nóng)村第一產(chǎn)業(yè)勞動力向城市二、三產(chǎn)業(yè)勞動力轉(zhuǎn)移，對從事農(nóng)耕的農(nóng)民給予獎勵和補貼，使農(nóng)民的農(nóng)業(yè)收入水平盡量不低于從事二、三產(chǎn)業(yè)帶來的非農(nóng)收入水平；關(guān)于地均城鎮(zhèn)固定資產(chǎn)二、三產(chǎn)業(yè)投資額和地均R&D經(jīng)費投入的改進建議參考東部地區(qū)。產(chǎn)出改進：對于中部地區(qū)拉動內(nèi)需可采取的措施有增加就業(yè)崗位，推進農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移，同時對居民傳統(tǒng)的消費觀念進行引導，鼓勵正確的消費。

對于西部地區(qū)，規(guī)模效率不足是造成中、西部4個省份總效率低下的主要原因，改善投入產(chǎn)出匹配度以提高規(guī)模效率可以有效改進西部省份的土地集約利用碳排放總效率。

對于非期望產(chǎn)出地均凈碳排放量的改進，投入改進主要是基于減少碳源碳排放的角度，而增加碳匯可采取諸如大量植樹造林，科學管理林地面積，鼓勵種植碳吸收能力較強的樹種和優(yōu)勢樹種種植，并培育混合樹種林區(qū)，建立低碳經(jīng)濟林區(qū)，保護濕地，鼓勵人工濕地建設(shè)等措施。

6　結(jié)論

本文以全國29個省份為研究對象，計算了土地集約利用水平，并基于所有土地利用類型的碳排放量，構(gòu)建SBM模型，估算了各地區(qū)土地集約利用的碳排放總效率、技術(shù)效率與規(guī)模效率，并對總效率小于1的碳排放無效率地區(qū)給出優(yōu)化方案，研究結(jié)論如下：

（1）在空間分布上，東、中部地區(qū)的省份具有較高的土地集約利用水平，西部地區(qū)發(fā)展不均，50%以上土地集約利用水平較低，與東、中、西地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平相吻合。

（2）全國80%以上省份的土地集約利用碳排放總效率相對無效，從總效率數(shù)值大小上看，東、中部地區(qū)碳排放效率值較大，與東、中部地區(qū)具有較高的土地集約利用水平相一致，但全國僅有14%的省份處于高土地集約利用水平和高土地集約利用碳排放效率的理想狀態(tài)，土地集約利用水平與其碳排放效率高低并不完全一致。

（3）導致全國86%的省份總效率低下的主要原因是技術(shù)效率不足。在空間分布上，東、中部地區(qū)技術(shù)效率不足是造成總效率低下的主要原因；西部地區(qū)總效率低下的原因既包括技術(shù)效率不足也包括規(guī)模效率不足。

（4）在土地集約利用低碳優(yōu)化中，產(chǎn)出改進的寬度和幅度小于投入改進，投入的改進要根據(jù)中國經(jīng)濟發(fā)展情況和新型城鎮(zhèn)化的進度，東部地區(qū)要鼓勵農(nóng)村勞動力，二、三產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員向中、西部轉(zhuǎn)移，減少第二產(chǎn)業(yè)的投資額并將第二產(chǎn)業(yè)多余的投資額轉(zhuǎn)移到第三產(chǎn)業(yè)，加快研究成果轉(zhuǎn)化，將更多的科研成果應用于實際，提高R&D經(jīng)費的使用效率；中部地區(qū)則要提高農(nóng)民收入水平，使農(nóng)民的農(nóng)業(yè)收入水平盡量不低于從事二、三產(chǎn)業(yè)帶來的非農(nóng)收入水平，保證農(nóng)用地上的勞動力；西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，提高投入產(chǎn)出的匹配度，降低碳排放量，實現(xiàn)土地的低碳利用。

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（本文責編：陳美景）

Carbon Emission Efficiency Analysis and Low Carbon Optimization for Urban Land Intensive Use based on SBM Model

ZHANG Miao， GAN Chen-lin， CHEN Yin-rong
（College of Public Management， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， China）

The purpose of this study is to analyze the efficiency values of carbon emission from urban land intensive use and design optimization strategies for urban land use. Methods of modeling and comparative analysis were employed to evaluate the urban land use intensity and calculate the total efficiency values， technical efficiency values， and scale efficiency values of carbon emission from urban land intensive use in all provinces. The results indicate that: 1）The provinces whose intensity values of urban land use are large are mainly located in eastern and central China， consistently with its efficiency value of carbon emission. 2）More than 80% provinces in China have the relatively ineffective efficiency of carbon emission from urban land intensive use， and there are only 14% provinces whose high efficiency of carbon emission from urban land intensive use are consist with their high intensity values of urban land use. 3）The main reason for the low total efficiency in eastern and central China is the imperfect technical efficiency of carbon emissions from urban land intensive use， while in western China both the imperfect technical efficiency and the imperfect scale efficiency have great effect on the low total efficiency. The paper concludes that the intensity values of urban land intensive use aredifferent in 29 provinces， and we should fully consider the characteristics of urban land use and economy development in the Eastern， the Middle and the Western， and design the optimization strategies respectively.

land use； carbon emission of urban land intensive use； efficiency analysis； SBM model

F301.2

A

1001-8158（2016）03-0037-09

10.11994/zgtdkx.20160317.150411

2015-09-25；

2015-11-06

國家社科基金（14BGL218）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項基金資助（2662013SC41）；教育部人文社會科學研究青年項目（15YJC630011）。

張苗（1989-），女，山東萊蕪人，博士研究生。主要研究方向為土地利用與管理。E-mail: zhangmiao45@126.com