山西省土地利用的碳排放效率及其優(yōu)化策略

李樂樂，徐占軍，楊 娜，張琬淑，付靜吉，余明成

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶來了大量的碳排放。2009年， 我國(guó)成為世界第一大碳排放國(guó)。而山西作為我國(guó)的能源大省，其碳排放強(qiáng)度更是持續(xù)位于全國(guó)最高水平[1]。

二氧化碳的大量排放導(dǎo)致全球氣候變暖，極端天氣頻發(fā)，甚至威脅人類生存。相關(guān)研究表明，化石能源燃燒和土地利用變化是全球主要的溫室氣體排放源[2-3]。針對(duì)能源消耗與碳排放的關(guān)系及土地利用變化與碳排放的關(guān)系研究很多，比如韓召迎等[4]、游和遠(yuǎn)等[5]、呂可文等[6]學(xué)者對(duì)能源消耗與碳排放的關(guān)系進(jìn)行了分析，而南京大學(xué)對(duì)土地利用變化與碳排放的關(guān)系也做了一系列的研究工作[7-8]。但是有關(guān)能源消耗中的碳排放與土地利用關(guān)系的研究不多，然而優(yōu)化我國(guó)土地利用中的能源配置，緩解土地利用中的能源碳排放增長(zhǎng)趨勢(shì)，對(duì)于我國(guó)在宏觀層面上構(gòu)建整個(gè)社會(huì)低碳發(fā)展模式卻有重要意義[9-11]。所以，要實(shí)現(xiàn)土地低碳利用，必須控制土地利用中的能源消耗碳排放水平，在保證一定地均產(chǎn)出的同時(shí)降低地均碳排放水平，從而提高土地利用的碳排放效率。但是目前卻缺乏適宜土地利用的碳排放效率測(cè)算及其低碳優(yōu)化模型。

本研究以能源大省——山西省的11個(gè)地級(jí)市為分析單元，利用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析（DEA）測(cè)算了其土地利用能源消耗的碳排放效率，并針對(duì)碳排放無效的地區(qū)提出了低碳優(yōu)化政策建議，以期對(duì)山西省乃至全國(guó)的低碳減排工作提供借鑒。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

煤類（煤炭、焦炭）、油類（原油、汽油等）、天然氣消費(fèi)等數(shù)據(jù)來自《山西能源統(tǒng)計(jì)年鑒2015》[12]；各個(gè)地區(qū)的人口總數(shù)、3個(gè)產(chǎn)業(yè)增加值以及農(nóng)用地與建設(shè)用地面積來自《山西統(tǒng)計(jì)年鑒2015》[13]。

1.2 土地利用碳排放效率計(jì)算模型

本研究采用DEA來衡量土地利用的碳排放效率。DEA即數(shù)據(jù)包絡(luò)分析，是運(yùn)籌學(xué)上的一種用來衡量相對(duì)效率的方法，其在測(cè)算效率時(shí)主要采用CCR模式與BCC模式[14]。CCR模式與BCC模式的區(qū)別在于，CCR模式是基于固定規(guī)模報(bào)酬，而BCC模式則是基于可變規(guī)模報(bào)酬，因此，二者得出的結(jié)論也是不同的，CCR模式得出的結(jié)論是估算單元的總效率，BCC模式得出的則是估算單元的技術(shù)效率[15-17]。2種模式根據(jù)導(dǎo)向不同還可細(xì)分，具體包括投入導(dǎo)向型和產(chǎn)出導(dǎo)向型2種。其中，前者對(duì)投入水平進(jìn)行控制，目的在于既定的產(chǎn)量下的最小投入，而后者則恰恰相反，它是在投入量既定的情況下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的最大化。本研究應(yīng)用投入導(dǎo)向型的CCR模式與BCC模式來構(gòu)建計(jì)算碳排放效率的基礎(chǔ)平臺(tái)。

以投入為導(dǎo)向的CCR模式，在假設(shè)有n個(gè)DMU的前提下，效率值的分式計(jì)算如下[18]。

式中，Xip表示第p個(gè)DMU中第i項(xiàng)投入；Yjp表示第P個(gè)DMU中第j項(xiàng)產(chǎn)出；Vi是第i項(xiàng)投入權(quán)重；Uj是第j項(xiàng)產(chǎn)出權(quán)重；Hp則是第p個(gè)DMU的效率值（相對(duì)效率）；s.t.為單位時(shí)間內(nèi)的用地投入（hm2/a）；ε為非阿基米德無窮小量。

將式（1）轉(zhuǎn)為CCR對(duì)偶式方程：

式中，θp表示第p個(gè)DMU乘數(shù)；λk表示第k個(gè)DMU參考集的權(quán)重；S-i為松弛變量；S+j為剩余變量，分別表示產(chǎn)出的不足量和投入的無效冗余量。從約束條件可知，找尋n個(gè)DMU的加權(quán)組合使得產(chǎn)出不低于第p個(gè)DMU產(chǎn)出條件下盡可能的減少投入量。

在假設(shè)有n個(gè)DMU的前提下，投入導(dǎo)向型下的BCC模式的線性規(guī)劃表達(dá)式如下。

式中，Xip，Yjp，Vi，Uj，ε 定義與式（1）一致；α 代表截距；Zp則是第p個(gè)DMU的效率值（相對(duì)效率）。利用線性規(guī)劃對(duì)偶理論進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并加入Σnk＝1λk＝1的約束條件，進(jìn)一步獲得BCC對(duì)偶式方程。

則第p個(gè)DMU的規(guī)模效率為：

1.3 土地利用碳排放效率投入產(chǎn)出指標(biāo)體系

在當(dāng)前的生產(chǎn)技術(shù)水平下，土地利用中能源的投入必然會(huì)帶來一定的碳排放，在研究中主要考慮土地利用中能源的消耗對(duì)碳排放產(chǎn)生的影響。國(guó)外REINHARD等[19-21]研究人員也做了類似的研究，他們以非期望產(chǎn)出的環(huán)境污染物或環(huán)境殘余物為投入指標(biāo)，利用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析（DEA）分別進(jìn)行了養(yǎng)殖場(chǎng)的平均綜合環(huán)境效率、平均技術(shù)效率和紙漿、紙張的非參數(shù)生產(chǎn)率等方面的環(huán)境效率分析。在進(jìn)行DEA分析時(shí)，首先應(yīng)該確定效率分析的估算單元（DMU）。本研究中以山西省11個(gè)地級(jí)市為分析單元，把煤炭和焦炭的消耗都計(jì)算為煤類消耗，把各種油包括柴油、燃料油、汽油、煤油等的消耗都作為油類消耗計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，分析總結(jié)認(rèn)為，煤類消耗、油耗、天然氣的消耗可以作為計(jì)算碳排放的投入指標(biāo)。而產(chǎn)出指標(biāo)則確定為各產(chǎn)業(yè)的人均增加值（表1）。投入指標(biāo)的數(shù)量+產(chǎn)出指標(biāo)的數(shù)量＜DMU的個(gè)數(shù)/2，這樣符合DEA分析的需求。

表1 碳排放效率投入產(chǎn)出指標(biāo)

1.4 能源消耗碳排放量計(jì)算方法

鑒于當(dāng)前情況下，我國(guó)還沒有可以直接檢測(cè)碳排放量的相關(guān)數(shù)據(jù)，所以這部分的研究是在能源消費(fèi)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行的測(cè)算。碳排放計(jì)算公式如下[22]。

式中，C為碳排放，ct為第t種能源的碳排放總量，Mt為第t種能源的消費(fèi)總量，Et為第t種能源的碳排放系數(shù)（由政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）給定），Cvt為第t種能源的平均低位的發(fā)熱量。

IPCC標(biāo)出了各種能源的缺省碳排放因子，其中，煤炭為25.8 kg/GJ，焦炭為 29.2 kg/GJ，原油為20.0 kg/GJ，燃料油為 21.1 kg/GJ，汽油為 19.0 kg/GJ，煤油為19.6 kg/GJ，柴油為20.2 kg/GJ，天然氣的缺省碳排放因子為15.3kg/GJ[23]。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，碳排放的能源動(dòng)力大體分為3類：煤炭、石油、天然氣，并給出能源的碳排放系數(shù)[24]。本研究綜合已有文獻(xiàn)，得到煤的碳排放系數(shù)（T/TCE）區(qū)間是[0.680，0.756]，石油的碳排放系數(shù)區(qū)間為[0.478，0.586]，天然氣碳排放系數(shù)區(qū)間為[0.389，0.449]。對(duì)IPCC的缺省碳排放因子進(jìn)行換算，得到本研究各能源的碳排放因子，煤的碳排放因子為0.75 t/tce，焦炭為0.855 t/tce，原油為0.584 t/tce，燃料油為0.618 t/tce，汽油為0.556t/tce，煤油為 0.574t/tce，柴油為 0.591t/tce，天然氣為0.448 t/tce，與國(guó)家發(fā)改委能源研究所的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，以上系數(shù)是合理的[25]。

2 土地利用碳排放效率的計(jì)算及分析

2.1 土地利用的碳排放效率的計(jì)算

本研究將DEA-Solver作為計(jì)算平臺(tái)[26-28]，以總效率、技術(shù)效率、規(guī)模效率和規(guī)模報(bào)酬4項(xiàng)指標(biāo)，計(jì)算了2015年度山西省11個(gè)地級(jí)市的碳排放效率（表2）。

表2 土地利用碳排放效率

2.2 土地利用碳排放效率分析

在11個(gè)DMU中，長(zhǎng)治市和朔州市的總效率有效，陽(yáng)泉市是碳排放總效率最低的城市。碳排放總效率有效地區(qū)的主要特征是土地利用強(qiáng)度不高、土地總產(chǎn)出相對(duì)較低。而處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快、較發(fā)達(dá)的地區(qū)，如太原、陽(yáng)泉、晉城等地表現(xiàn)出的土地利用的碳排放總效率偏低。這表明在山西省內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的地區(qū)，地均產(chǎn)出高效卻伴隨著碳排放無效。

碳排放總效率無效有2個(gè)方面的原因，技術(shù)效率無效和規(guī)模效率無效。其中，技術(shù)效率無效表現(xiàn)為對(duì)投入資源利用率不高而產(chǎn)生的資源浪費(fèi)。從碳排放理解，技術(shù)效率的無效是在考慮規(guī)模報(bào)酬影響下，現(xiàn)有地均各類能源消耗碳排放量作為期望產(chǎn)出的伴隨代價(jià)并沒有實(shí)現(xiàn)期望產(chǎn)出最大[29]。長(zhǎng)治、朔州、晉中3個(gè)市的技術(shù)效率有效，其余的8個(gè)市無效，在這3個(gè)市，長(zhǎng)治和朔州的總效率是有效的，由此可見，總效率無效的地區(qū)技術(shù)效率可能有效。從技術(shù)效率無效的8個(gè)市進(jìn)行分析，8個(gè)市的土地利用碳排放技術(shù)效率都高于總效率，比如陽(yáng)泉市（0.094＞0.005）、忻州市（0.103＞0.058）以及臨汾市（0.143＞0.08）等，所以必定存在著相對(duì)無效的規(guī)模效率來影響著土地利用碳排放總效率的提高。

對(duì)山西11個(gè)地級(jí)市的土地利用碳排放的規(guī)模效率展開分析。規(guī)模效率反映的是11個(gè)市目前的規(guī)模是否最優(yōu)，偏大或偏小的規(guī)模效率都將使得平均投資增加。長(zhǎng)治市和朔州市是規(guī)模效率的有效地區(qū)，其分布與總效率保持一致。而分析其他9個(gè)地級(jí)市可以發(fā)現(xiàn)，在山西省土地利用碳排放總效率無效地區(qū)的規(guī)模效率也一定無效。

與技術(shù)效率相比，要優(yōu)化的規(guī)模效率更加困難。把規(guī)模效率有效與規(guī)模報(bào)酬區(qū)間相結(jié)合，通過DEA-Solve軟件計(jì)算（表2）可以發(fā)現(xiàn)，在山西省長(zhǎng)治和朔州2個(gè)市處于規(guī)模報(bào)酬不變階段，而太原、大同、陽(yáng)泉等7市處于規(guī)模報(bào)酬遞減階段，對(duì)于這9個(gè)城市，要提高碳排放規(guī)模效率，一方面要控制土地利用中碳排放的增長(zhǎng)，另一方面要縮小碳排放的規(guī)模；晉中和呂梁市處于規(guī)模報(bào)酬遞增階段，相對(duì)于規(guī)模報(bào)酬不變和遞減的地區(qū)，山西省處于這一階段的城市相對(duì)較少，一般可以通過擴(kuò)大土地利用碳排放規(guī)模來有效改善這些地區(qū)的規(guī)模效率。

3 土地利用碳排放低碳優(yōu)化與分析

投入冗余、產(chǎn)出不足是土地利用碳排放總效率無效地區(qū)的共性問題。而投入導(dǎo)向性DEA是分析在產(chǎn)出量一定的情況下的最小投入量。所以，可以通過利用DEA模型實(shí)現(xiàn)碳排放無效地區(qū)一定的土地產(chǎn)出條件下的最小碳排放，最終實(shí)現(xiàn)土地利用的低碳優(yōu)化。本研究中提到的低碳優(yōu)化并不是絕對(duì)優(yōu)化，而是一個(gè)相對(duì)優(yōu)化，是指通過減少碳排放和提高土地利用的產(chǎn)出量來提高總效率無效地區(qū)的投入產(chǎn)出水平。DEA作為計(jì)算效率的模型，它對(duì)設(shè)計(jì)具體的優(yōu)化策略方面意義不大，它更適用于國(guó)家或省級(jí)等層面上的宏觀政策分析，根據(jù)其DEA效率優(yōu)化的結(jié)果，可以給出土地利用低碳優(yōu)化的初步設(shè)計(jì)方案。

本研究利用DEA-Solve軟件計(jì)算，得到2015年度山西省9個(gè)非DEA有效的地級(jí)市的DMU優(yōu)化方案（表3）。具體包括2個(gè)方面的內(nèi)容：一方面是需要增加的量，具體有人均第一產(chǎn)業(yè)增加值（S1+），人均第二產(chǎn)業(yè)增加值（S2+），人均第三產(chǎn)業(yè)增加值（S3+）及其不足率，另一方面是需要減少的量，具體有每個(gè)地區(qū)的地均煤炭類消耗的碳排放量（S1-）、地均各種油類消耗的碳排放量（S2-）、地均天然氣消耗的碳排放量（S3-）及其冗余度。

從表3可以看出，在投入優(yōu)化中，需要減少地均煤類消耗的碳排放量（S1-）的城市包括大同、陽(yáng)泉、晉城、忻州4個(gè)地級(jí)市，（S1-）冗余度最高的陽(yáng)泉市達(dá)到了35.70%。這些地區(qū)煤炭產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，燃燒煤類能源成本相對(duì)較低，但是過度消耗煤炭資源卻導(dǎo)致了區(qū)域土地利用碳排放的成本過大[30]。要實(shí)現(xiàn)土地利用的低碳優(yōu)化，就要改變能源結(jié)構(gòu)，努力尋找和選擇碳排放因子較小的低碳能源?？梢钥紤]將太陽(yáng)能、天然氣以及水電等碳排放低甚至不排放的能源在土地的使用過程中進(jìn)行廣泛推行。太原市和晉中市需要降低地均油類消耗的碳排放量（S2-），這2個(gè)市相鄰且在山西省內(nèi)屬于經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)的城市，私家車保有量大（2015年兩市的私家車保有量共占全省私家車保有量的36.38%），大量消耗油類能源，而私家車產(chǎn)出卻相對(duì)較低，這就間接導(dǎo)致地均消耗油類能源碳排放成本過大，從而拉高了S2-。在這些地區(qū)，一方面應(yīng)該有計(jì)劃地降低油類能源排放，另一方面限制私家車數(shù)量增長(zhǎng)速度或者提高私家車的燃油效率。運(yùn)城市、臨汾市和呂梁市的地均煤炭類消耗的碳排放量（S1-）以及地均各種油類消耗的碳排放量（S2-）2項(xiàng)指標(biāo)的冗余度都比較高。除了前面其他城市所述原因外，運(yùn)城、臨汾、呂梁市的第三產(chǎn)業(yè)比例比山西省其他城市低（2015年度3市第三產(chǎn)業(yè)比例分別為43.1%，40.7%和38.6%，而山西省該年度第三產(chǎn)業(yè)的比例為53%）。而第三產(chǎn)業(yè)單位增加值的碳排放量要比第二產(chǎn)業(yè)低，同時(shí)，其地均產(chǎn)出卻遠(yuǎn)高于第一產(chǎn)業(yè)。所以要大力發(fā)展碳排放較低的生活服務(wù)業(yè)，同時(shí)對(duì)碳排放較高而產(chǎn)出率卻比較低的工業(yè)用地進(jìn)行升級(jí)和轉(zhuǎn)換，這同樣適用于山西省內(nèi)其他城市地均排放效率的提高。

表3 山西省11個(gè)地級(jí)市的土地利用碳排放低碳優(yōu)化結(jié)果

從產(chǎn)出優(yōu)化角度來分析，山西省土地利用碳排放總效率無效的地級(jí)市（運(yùn)城市除外）都需要同時(shí)增加人均第一產(chǎn)業(yè)增加值（S1+）和人均第三產(chǎn)業(yè)增加值（S3+）。山西省地處黃土高原，幾百年的植被破壞以及煤礦開采導(dǎo)致生態(tài)破壞嚴(yán)重，土地貧瘠不利于農(nóng)業(yè)耕作。一煤獨(dú)大的單一的產(chǎn)業(yè)使得經(jīng)濟(jì)落后，第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。這就導(dǎo)致山西省以煤礦開采為主的第二產(chǎn)業(yè)比例很高。而且前幾年煤礦發(fā)展的黃金期，地方政府稅收增加進(jìn)而大力進(jìn)行舊城改造、發(fā)展房地產(chǎn)業(yè)，使得大量的農(nóng)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦咄度氲托艿某鞘薪ㄔO(shè)用地和采礦用地。所以，在山西省進(jìn)行土地利用碳排放產(chǎn)出優(yōu)化，首先可以通過對(duì)建設(shè)用地的整治，將碳排放較高的建設(shè)用地轉(zhuǎn)為碳排放較低的第一產(chǎn)業(yè)用地，以控制碳排放總量的增加速度。對(duì)于第二產(chǎn)業(yè)增加值不足的地區(qū)（運(yùn)城市），一方面要提高第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)出量，另一方面則要加大對(duì)第二產(chǎn)業(yè)的科技投入，不斷進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，以降低第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的平均碳排放強(qiáng)度；其次，控制城市建設(shè)用地和采礦用地?cái)?shù)量，提高集約度，以避免粗放利用造成的地均產(chǎn)能不高、碳排放成本過大；在第二產(chǎn)業(yè)用地密集的經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)區(qū)域內(nèi)，要大力鼓勵(lì)發(fā)展地均碳排放效率很高的第三產(chǎn)業(yè)。而且土地資源利用的低碳優(yōu)化應(yīng)與山西省目前大力倡導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)結(jié)合，通過土地“退二進(jìn)三”對(duì)高碳排放低效的采礦用地進(jìn)行用途轉(zhuǎn)換。對(duì)于省內(nèi)經(jīng)濟(jì)中等以及欠發(fā)達(dá)地區(qū)，要提高第三產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)出，必須耦合產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和土地資源配置。

4 結(jié)論

山西是典型的煤炭能源型經(jīng)濟(jì)，經(jīng)過“煤炭十年黃金期”，經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，但是粗放型增長(zhǎng)方式造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題，碳排放強(qiáng)度更是居于全國(guó)前列。本研究在DEA平臺(tái)下，運(yùn)用CCR模式與BCC模式測(cè)算了2015年度山西省各地級(jí)市土地利用的碳排放技術(shù)效率、總效率和規(guī)模效率，并對(duì)非DEA有效的地區(qū)進(jìn)行了低碳優(yōu)化，期望在保證土地產(chǎn)出的同時(shí)降低碳排放水平，提高土地利用的碳排放效率。本研究結(jié)果表明，山西省11個(gè)市中，只有長(zhǎng)治市和朔州市的土地利用碳排放總效率有效；對(duì)其他市的低碳優(yōu)化結(jié)果表明，從投入角度來看，大同市、陽(yáng)泉市、晉城市和忻州市需要減少土地的煤類消耗；太原市和晉中市由于私家車保有量大，油類消耗過高，需減少油類產(chǎn)品的消耗；運(yùn)城市、臨汾市和呂梁市在減少煤類和油類產(chǎn)品消耗的同時(shí)，還需要對(duì)高碳低效的產(chǎn)業(yè)進(jìn)行整合升級(jí)和轉(zhuǎn)換，積極發(fā)展低碳產(chǎn)業(yè)；從產(chǎn)出角度來看，各市都需加大對(duì)第一產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的投入，積極增加第一產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)增加值。投入產(chǎn)出效率分析兼顧了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和低碳環(huán)保，對(duì)實(shí)現(xiàn)土地的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。本研究為進(jìn)一步探索土地的高效低碳利用提供了思路，期望在未來的研究中可將這一思想完善化。