彭 猛, 吳 劍, 陳柳芮, 王 磊, 許嘉鈺
(1.清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院,北京100084;2.清華大學(xué) 法學(xué)院,北京 100084)
重慶是我國西部大開發(fā)的重要平臺、長江經(jīng)濟(jì)帶上游地區(qū)的核心樞紐城市.作為老工業(yè)基地之一,重慶在汽車、機(jī)械、化工等領(lǐng)域擁有雄厚的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ).直轄以來,當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)在大工業(yè)和高固投的帶動下快速發(fā)展,而能源消費量也伴隨著工業(yè)活動的發(fā)展和集中而持續(xù)攀升[1].統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,重慶市能源消費總量從2000年的2 411萬t標(biāo)準(zhǔn)煤增長到2017年的8 449萬t標(biāo)準(zhǔn)煤,年均增長率達(dá)7.70%,遠(yuǎn)高于全國平均水平4.16%[1].與此同時,由能源開發(fā)利用所引發(fā)的溫室氣體排放及環(huán)境污染等問題也日益突出[2],給重慶市的可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大的挑戰(zhàn)[3].當(dāng)前,一些高碳產(chǎn)業(yè)仍是支撐重慶市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè),與長江經(jīng)濟(jì)帶下游三角洲較發(fā)達(dá)地區(qū)相比,重慶市還面臨著低收入人口總量大、人均生產(chǎn)總值較低、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、創(chuàng)新驅(qū)動能力落后、人才吸引力不足、能源消費強(qiáng)度較高等諸多問題.因此,加快轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、淘汰落后產(chǎn)能、積極推進(jìn)高碳產(chǎn)業(yè)的“低碳化”[4],是實現(xiàn)重慶市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的重要保障[5].
化石能源燃燒是二氧化碳最主要的來源,而能源需求又與經(jīng)濟(jì)、社會和技術(shù)進(jìn)步等要素息息相關(guān)[6].因此,文中選取國家統(tǒng)計局及《重慶統(tǒng)計年鑒》從2000到2017年的歷史數(shù)據(jù),對重慶市地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口、城市化率、能源結(jié)構(gòu)和能源強(qiáng)度的演變情況進(jìn)行總結(jié)梳理.并基于內(nèi)生增長理論結(jié)合多種預(yù)測方法,對上述各項表征地區(qū)宏觀經(jīng)濟(jì)社會及技術(shù)進(jìn)步情況的微觀指標(biāo)發(fā)展至2035年的情景進(jìn)行預(yù)測分析和展望.同時,基于課題組前期以生產(chǎn)函數(shù)理論為基礎(chǔ)的碳排放模型研究成果[6],將各項指標(biāo)的預(yù)測值代入,計算重慶市未來經(jīng)濟(jì)社會在照常發(fā)展趨勢情景下所產(chǎn)生的碳排放量,以期為未來重慶市能源低碳發(fā)展路徑提供一些初步的數(shù)據(jù)支持.
將歷史數(shù)值視為時間序列,結(jié)合圖形識別及數(shù)據(jù)分析法,常見的趨勢外推模型有線性模型、拋物線模型、指數(shù)曲線模型及生長曲線模型,文中主要涉及后2種預(yù)測模型.指數(shù)曲線預(yù)測模型的表達(dá)式為
yt=k+abt,
(1)
其一階差分為
?lnyt=lnyt-lnyt-1≈lnb,
(2)
式中:yt為指標(biāo)預(yù)測值;t為年份;k、a、b為模型參數(shù).指數(shù)曲線模型一階差分的環(huán)比近似為一常數(shù).
生長曲線一般而言可分為發(fā)生、發(fā)展、成熟3個階段,特點如下:在發(fā)生階段,變化速度較為緩慢;在發(fā)展階段,變化速度加快;到成熟階段,變化速度又趨于穩(wěn)定.根據(jù)預(yù)測對象的性質(zhì)不同,生長曲線函數(shù)是描述生長曲線有多種數(shù)學(xué)表達(dá)式,其中應(yīng)用較為廣泛的有Logistic函數(shù)模型[7]和Gompertz函數(shù)模型.Logistic函數(shù)模型表達(dá)式為
(3)
式中:yt為指標(biāo)預(yù)測值;t為年份;K、a、b為待定系數(shù),其中K為生長函數(shù)的極限值.對式(3)進(jìn)行變形后可得
(4)
其對數(shù)形式為
(5)
Gompertz函數(shù)模型表達(dá)式為
yt=Kabt,
(6)
其對數(shù)形式為
lnyt=lnK+btlna.
(7)
Logistic函數(shù)模型變形的對數(shù)形式與Gompertz函數(shù)模型對數(shù)形式的一階差分均環(huán)比近似為一常數(shù).
根據(jù)課題組之前關(guān)于碳排放模型的研究成果[6],基于經(jīng)典的柯布-道格拉斯(C-D)生產(chǎn)函數(shù)理論,可將碳排放量視為產(chǎn)品產(chǎn)量Q,將碳排放的各項驅(qū)動因素視為生產(chǎn)要素Xt,根據(jù)內(nèi)生增長理論,設(shè)驅(qū)動因素Xt=(lnxt+Ct)nt,則可得到碳排放量通用模型為
Q=C0[exp(lnx1+C1)n1]a[exp(lnx2+
C2)n2]b…[exp(lnxt+Ct)nt]mε,
(8)
式中:n為驅(qū)動因素指數(shù),通常是不大于6的自然數(shù);C0為模型的綜合修訂常數(shù);C1、C2、…、Ct為驅(qū)動參數(shù)的修訂常數(shù);a、b、…、m為模型待定參數(shù),可通過多元線性回歸求得.事實上,當(dāng)模型綜合修訂常數(shù)C0等于1,各驅(qū)動因素指數(shù)為1且不考慮其修正常數(shù)(即C1、C2、…、Ct全等于0)時,若認(rèn)為Q與各驅(qū)動要素呈線性關(guān)系(即a、b、c全等于1),則上述方程根據(jù)考慮驅(qū)動因素的不同可變形為IPAT模型或ImPAT模型[8].若Q與各驅(qū)動要素之間存在待定的數(shù)學(xué)關(guān)系時,則上述方程可變形為STIRPAT模型.也就是說,碳排放經(jīng)典的IPAT、ImPAT及STIRPAT模型都可由通用模型推導(dǎo)而來[6],證明了通用模型的實用性.將通用模型兩邊同時取對數(shù)并整理,可得
lnQ=lnC0+a(lnx1+C1)n1+b(lnx2+
C2)n2+…+m(lnxt+Ct)nt+lnε.
(9)
由于經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和化石能源的開發(fā)利用是導(dǎo)致碳排放增加的主要因素,因此,在模型中,用GDP(G)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)(IM)指代經(jīng)濟(jì)發(fā)展驅(qū)動指標(biāo),用人口(P)和城市化率(UR)指代社會驅(qū)動指標(biāo),用能源結(jié)構(gòu)(ES)和能源強(qiáng)度(EI)指代能源驅(qū)動指標(biāo).其中,為使結(jié)果更具有可比性,采用人均碳排放(Qp)和人均GDP(A)來進(jìn)行描述.通常認(rèn)為,碳排放與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、能源強(qiáng)度等因素多呈線性關(guān)系,即其對應(yīng)的驅(qū)動因素指數(shù)為1;而不同地區(qū)人均碳排放量與人均GDP之間的關(guān)系可呈直線型、倒U型、N型和M型等多種形態(tài),因此其對應(yīng)的驅(qū)動因素指數(shù)可為1、2、3、4;同時,人均碳排放量與城市化率呈現(xiàn)正相關(guān)或負(fù)相關(guān),進(jìn)而推定城市化率驅(qū)動指數(shù)等于1或2.據(jù)此,得到模型表達(dá)式為
lnQp=C+b(lnA+C1)n1+c(lnUR+
C2)n2+d(lnEI+C3)+e(lnEs+C4)+
f(nIM+C5)+lnε.
(10)
以2018年作為基準(zhǔn)年,根據(jù)現(xiàn)價GDP和地區(qū)生產(chǎn)總值指數(shù)將重慶市2000至2017年的GDP數(shù)據(jù)進(jìn)行了換算,此后采取分階段復(fù)合增長率分析法,分別預(yù)測了低增長率情景、趨勢增長率情景、高增長率情景(年均增長率分別為4.5%、5.0%、5.5%)下重慶市的GDP發(fā)展情況,結(jié)果見圖1.
圖1 重慶GDP增長趨勢預(yù)測
由圖1可見,重慶市GDP預(yù)測如下:在低增長率情景下,2020年約為2.28萬億元,2035年約為4.54萬億元;在趨勢增長率情景下,2020年約為2.29萬億元,而2035年則可達(dá)4.94萬億元;在高增長率情景下,2020年約為2.29萬億元,而2035年可達(dá)5.10萬億元.由此可見,在高增長率情景和趨勢增長率情景下,重慶市均可實現(xiàn)十八大提出的2035年經(jīng)濟(jì)總量比2020年翻一番的目標(biāo).但由于經(jīng)濟(jì)增長達(dá)到一定程度后,增速會逐漸放緩,所以趨勢增長率情景的預(yù)測結(jié)果更符合重慶市未來GDP的增長情況.
產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)指的是國民經(jīng)濟(jì)各產(chǎn)業(yè)部門之間以及各產(chǎn)業(yè)部門內(nèi)部的構(gòu)成,合理良好的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)是地區(qū)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定增長的重要基礎(chǔ)[9].直轄20多年來,重慶市經(jīng)濟(jì)得到了迅猛的發(fā)展.但在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)方面,第一產(chǎn)業(yè)占比相對較高,第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比不足60%,整體呈現(xiàn)明顯的“大鄉(xiāng)村”和“大工業(yè)”的城鄉(xiāng)二元經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)特點.由于第二產(chǎn)業(yè)中的工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)中的建筑、交通運輸業(yè)都是能源消耗的重要部門,因此選擇第二、三產(chǎn)業(yè)增加值之和在GDP中的占比代表當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu).通常而言,第一產(chǎn)業(yè)在GDP中的占比會隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展逐漸下降,故而第二、三產(chǎn)業(yè)之和在GDP中的占比會逐漸趨向100%,其發(fā)展規(guī)律基本符合S型生長曲線.圖2給出了重慶產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢的預(yù)測.
圖2 重慶產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢預(yù)測
由圖2可見,當(dāng)前重慶市第二、三產(chǎn)業(yè)增加值在GDP中的占比為93.43%,利用Logistics函數(shù)模型對其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展進(jìn)行預(yù)測,到2035年這個數(shù)值將為97.72%;利用Gompertz函數(shù)模型進(jìn)行預(yù)測,到2035年這個數(shù)值將為97.63%.對比北京當(dāng)前第一產(chǎn)業(yè)占比0.4%和上海當(dāng)前第一產(chǎn)業(yè)占比3.2%的發(fā)展水平,同為直轄市的重慶有機(jī)會達(dá)到Logistic函數(shù)模型的預(yù)測結(jié)果.
根據(jù)《2018年重慶市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》,截至2018年底,重慶市常住人口高達(dá)3 102萬人,是我國人口第一大市.但是,重慶對優(yōu)質(zhì)人才的吸引力相對不足,人口外流形勢較為嚴(yán)峻,2017年全市人口凈流出高達(dá)314萬人,約占其戶籍總?cè)丝诘?.3%.
常用的人口增長預(yù)測模型包括指數(shù)模型、S型生長曲線模型和雙曲模型.指數(shù)模型應(yīng)用非常簡便,但是增長速度太快,因此更適合于短期預(yù)測;雙曲模型增長速度較為平緩,更適合于城市化發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入成熟階段的城市人口預(yù)測.在城市發(fā)展的不同階段,其人口增長趨勢不同,整體發(fā)展規(guī)律基本符合S型生長曲線.
重慶市直轄以來,年末常住人口經(jīng)歷了先減后增的過程,2000年為2 849萬人,而后緩慢下跌到2004年的2 793萬人;此后持續(xù)增長,當(dāng)前其常住人口規(guī)模在3 102萬人左右.圖3給出了重慶市人口演變趨勢.
圖3 重慶市人口增長趨勢預(yù)測
由圖3可見,在Logistic函數(shù)模型的預(yù)測下,到2035年重慶市人口將增長到3 428萬人;在Gompertz模型的預(yù)測下,重慶市人口增長較為迅速,到2035年將增長到3 969萬人左右.參考《重慶市人口發(fā)展規(guī)劃(2016—2030)》,到2020年、2030年重慶戶籍人口將達(dá)到3 200萬人.由于常住人口一般少于戶籍人口,且重慶市面臨著嚴(yán)峻的人口外流形勢,所以Logistics模型的預(yù)測結(jié)果相對而言更為合理可靠,即2035年重慶常住人口約為3 428萬人.
城市化率(亦稱城鎮(zhèn)化率)是城市發(fā)展水平的度量指標(biāo)[10],一般采用城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝?包括農(nóng)業(yè)與非農(nóng)業(yè))的比重來表示.近年來,重慶市城市人口占比由2000年的35.6%發(fā)展到2018年的65.5%,城市化水平得到了顯著的提高.當(dāng)前我國城鎮(zhèn)人口在總?cè)丝诘恼急仍?9.0%左右,但上海、北京、天津等3個直轄市的城鎮(zhèn)化率均超過80.0%[5],因此,重慶仍有相當(dāng)大的發(fā)展空間.
利用Logistic和Gompertz函數(shù)模型對人口發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測所得結(jié)果相差不大,后者略低于前者,如圖4所示.在Logistic函數(shù)模型預(yù)測下,預(yù)計到2035年重慶的城鎮(zhèn)化水平將達(dá)到85.78%;在Gompertz函數(shù)模型預(yù)測下,預(yù)計到2035年重慶的城鎮(zhèn)化水平將達(dá)到83.11%.由于當(dāng)前普遍認(rèn)為,當(dāng)城市人口占比達(dá)到90.00%時,就會趨于穩(wěn)定,此時人口不再從農(nóng)村流向城市,而是在產(chǎn)業(yè)之間的進(jìn)行結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)移,因此Gompertz函數(shù)模型的預(yù)測結(jié)果相對而言更為可靠.
圖4 重慶市城市化率變化預(yù)測
由于煤、石油、天然氣等化石能源的開發(fā)利用是二氧化碳最主要的來源,所以文中選用化石能源消費量在能源消費總量中的占比指代能源結(jié)構(gòu).從2000年到2017年,重慶市化石能源消費量由2 114萬t標(biāo)準(zhǔn)煤增長到7 137萬t標(biāo)準(zhǔn)煤,增長了3.38倍,年均增速達(dá)7.42%.但化石能源消費占比整體呈現(xiàn)較大的波動,由2000年的87.70%增長到2006年的91.40%,而后快速下降,直至2011年出現(xiàn)反彈后才又開始逐步下降至2017年的85.47%.不過整體而言,重慶市的能源消費結(jié)構(gòu)還是呈現(xiàn)一個波折下降的態(tài)勢.但我國以煤為主的能源消費格局難以在短期內(nèi)得到較大改善,因此能源結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐是一個循序漸進(jìn)的過程.如圖5所示,根據(jù)指數(shù)遞減模型的預(yù)測結(jié)果,到2035年,重慶市化石能源消費占比會小幅下降至84.53%左右.
圖5 重慶市能源結(jié)構(gòu)變化趨勢預(yù)測
能源強(qiáng)度(即單位GDP能耗)是反映一個國家或地區(qū)能源利用效率的指標(biāo),通常用地區(qū)能源消費總量與地區(qū)生產(chǎn)總值的比值來表示.文中以2018年作為基準(zhǔn)年,對重慶市2000至2017年的GDP數(shù)據(jù)進(jìn)行了換算.與2000年的0.93 t標(biāo)煤·萬元-1相比,2017年重慶市能源消費強(qiáng)度下降至0.47 t標(biāo)煤·萬元-1,能源利用效率有所提高,但仍存在一定的發(fā)展空間.由圖6可見,調(diào)和遞減模型遞減速率最慢,預(yù)計到2035年重慶市能源消費強(qiáng)度為0.26 t標(biāo)煤·萬元-1;指數(shù)遞減模型和雙曲遞減模型預(yù)測結(jié)果差距不大,預(yù)計到2035年重慶市能源消費強(qiáng)度將為0.16 t標(biāo)煤·萬元-1.隨著產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)移,重慶市石油、天然氣供應(yīng)的擴(kuò)大以及水電、太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能(主要是垃圾焚燒發(fā)電)等非化石能源利用的增多,重慶市的能源消費結(jié)構(gòu)會逐步趨向合理,能源利用效率也將得到提高.
圖6 重慶市能源強(qiáng)度變化趨勢預(yù)測
基于課題組之前關(guān)于碳排放模型的研究成果[6],假定重慶人均碳排放量與人均GDP(A)呈現(xiàn)一次或二次關(guān)系,與其他驅(qū)動因素皆為一次線性關(guān)系,則可得到3個碳排放計算模型.模型1:假定重慶市人均碳排放Qp與人均GDP(A)和城市化率(UR)呈線性關(guān)系,即式(10)中n1=n2=1,則碳排放模型表示為
lnQp=C+b2lnA+c2lnUR+
dlnEI+elnEs+flnIM.
(11)
模型2:假定重慶市人均碳排放Qp與人均GDP(A)呈二次項關(guān)系,與其他驅(qū)動因素呈現(xiàn)線性關(guān)系,即式(10)中n1=2、n2=1,則碳排放模型表示為
lnQp=C+b1(lnA)2+b2lnA+c2lnUR+
dlnEI+elnEs+flnIM.
(12)
模型3:假定重慶市人均碳排放Qp與人均GDP(A)和城市化率(UR)均呈二次項關(guān)系,與其他驅(qū)動因素呈現(xiàn)線性關(guān)系,即式(10)中n1=n2=2,則碳排放模型表示為
lnQp=C+b1(lnA)2+b2lnA+c1(lnUR)2+
c2lnUR+dlnEI+elnEs+flnIM.
(13)
式(11)-(13)中歷史碳排放考慮的是由化石能源消費所帶來的碳排放,通過排放系數(shù)法求解.
以2000年到2017年的GDP、人口、城市化率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、能源強(qiáng)度等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分別采用GDP增長模型、人口增長模型、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)(第二、三產(chǎn)業(yè)占比)增長模型、能源結(jié)構(gòu)(化石能源占比)遞減模型、能源強(qiáng)度遞減模型預(yù)測出未來年份能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況,關(guān)鍵節(jié)點年份預(yù)測結(jié)果見表1.
表1 重慶市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情況主要節(jié)點年數(shù)據(jù)
不同能源品種的二氧化碳排放系數(shù)略有不同:煤炭最高,為2.64 t(CO2)·t標(biāo)煤-1;石油次之,為2.08 t(CO2)·t標(biāo)煤-1;天然氣相對較小,為1.63 t(CO2)·t標(biāo)煤-1.將各驅(qū)動因素的歷史值及重慶市由能源消費所產(chǎn)生的歷史碳排放代入地區(qū)碳排放模型,利用最小二乘法對進(jìn)行擬合求解,擬合結(jié)果見表2.
表2 碳排放預(yù)測模型參數(shù)值
根據(jù)多元線性擬合得到的地區(qū)碳排放模型,將各驅(qū)動因素的預(yù)測值代入,計算得到各模型下重慶市未來的人均碳排放量;結(jié)合人口預(yù)測值,可計算得到重慶市未來各年的碳排放總量.圖7給出了重慶市二氧化碳排放總量變化趨勢.
圖7 重慶市二氧化碳排放總量變化趨勢預(yù)測
由圖7可見,3個地區(qū)碳排放模型的預(yù)測結(jié)果都顯示重慶市碳排放總量在上升一段時間后就會開始下降,總體遵循環(huán)境庫茲涅茲變化規(guī)律(EKC曲線).模型1、2、3預(yù)測結(jié)果顯示,重慶市碳排放總量將在2019年、2025年、2020年達(dá)到峰值,分別為1.738、1.757、1.720億t.中國氣候變化自主貢獻(xiàn)文件中提到,全國碳排放將于2030年達(dá)到峰值并爭取提前達(dá)峰,重慶作為直轄市,能源使用效率優(yōu)于全國平均水平,碳排放提前達(dá)峰是可能實現(xiàn)的;但考慮到重慶作為中西部工業(yè)城市,相比東部發(fā)達(dá)地區(qū)社會發(fā)展階段和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)都相對滯后,所以碳排放超前全國太多年達(dá)峰也不太現(xiàn)實.綜上所述,筆者認(rèn)為模型2的預(yù)測結(jié)果更為可靠,即預(yù)計重慶市的碳排放至2025年達(dá)到峰值后會逐漸下降,2025年重慶市碳排放總量約為1.757億t,人均碳排放為4.542 t·(人·a)-1.
1)基于內(nèi)生增長理論,對重慶市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展至2035年的情景進(jìn)行了預(yù)測.采用分階段復(fù)合增長率分析法估計地區(qū)生產(chǎn)總值,預(yù)計到2035年,重慶市GDP將達(dá)到49 403億元;采用S型增長曲線估計產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口總量的變遷和城市化進(jìn)程,預(yù)計到2035年,其第二、三產(chǎn)業(yè)增加值之和占GDP比重將達(dá)到97.72%,人口將達(dá)到3 428萬人,其中城鎮(zhèn)人口占比達(dá)91.17%;利用遞減理論計算能源結(jié)構(gòu)與能耗強(qiáng)度,預(yù)計到2035年,化石能源消費占比將下降至84.53%,能耗強(qiáng)度將下降至0.44萬t標(biāo)煤·萬元-1.
2)利用課題組之前基于柯布-道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)理論得到的碳排放通用模型,構(gòu)建了重慶市地區(qū)碳排放模型,結(jié)果表明:重慶市碳排放總量符合環(huán)境庫茲涅茲效應(yīng)的變化趨勢,預(yù)計在2025年左右,重慶市碳排放量將達(dá)到1.757億t的峰值.