基于EKC檢驗及Tapio模型的建設(shè)用地規(guī)模和碳排放耦合關(guān)系研究
---以天津市為例

常青蔡為民

(1.天津工業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387)

近年來，全球氣候持續(xù)惡化，各國應(yīng)對氣候變化的意愿更加強烈。中國提出在2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實現(xiàn)碳中和?！半p碳”目標(biāo)的提出，為我國能源轉(zhuǎn)型指明了方向，彰顯了中國積極應(yīng)對氣候危機(jī)的堅定決心及共建地球生命共同體的大國擔(dān)當(dāng)[1-3]。土地利用/土地覆被變化是引起區(qū)域碳儲量變化的重要原因，土地利用結(jié)構(gòu)既能反映一個地區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)及產(chǎn)業(yè)布局，也能改變區(qū)域碳源/碳匯格局，對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響[4-6]。建設(shè)用地承載著大量高能耗、高碳排的人類活動，是最主要的碳源，建設(shè)用地擴(kuò)張不僅引發(fā)交通擁擠、住房緊張等問題，還會侵占林地、草地等重要碳匯，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化[7-10]。

目前,許多學(xué)者從不同的角度研究建設(shè)用地與碳排放的關(guān)系，為構(gòu)建低碳的建設(shè)用地格局體系提供了參考。杜官印采用STIRPAT模型，分析人口、人均GDP和建設(shè)用地對碳排放的影響[11]。於冉、黃賢金基于kaya恒等式及灰色預(yù)測等方法對合肥市碳排放峰值及建設(shè)用地擴(kuò)展規(guī)模進(jìn)行了預(yù)測[12]。蔡苗苗、吳開亞采用VAR模型分析建設(shè)用地面積和碳排放的動態(tài)關(guān)系[13]。李國煜等采用HM指數(shù)建立城鎮(zhèn)建設(shè)用地利用效率與碳排放的關(guān)聯(lián)框架[14]。張梅等基于夜間燈光遙感影像分析了胡煥庸線兩側(cè)建設(shè)用地碳排放的時空差異[15]。張潤森等、袁凱華等、楊欣等利用EKC假說分析了建設(shè)用地擴(kuò)張與碳排放的內(nèi)在關(guān)系[16-18]。隨著“雙碳”目標(biāo)的不斷推進(jìn)及國土空間規(guī)劃體系的不斷完善，構(gòu)建低碳型土地利用格局成為當(dāng)下熱點，加強建設(shè)用地管控更是實現(xiàn)碳減排和碳增匯的有效措施。因此，面對新形勢新要求，深入分析建設(shè)用地碳排放效應(yīng)具有重要現(xiàn)實意義。

天津是中國北方最大的工業(yè)城市，也是國家第1批低碳試點城市。在綠色城市建設(shè)上天津積累了豐富的經(jīng)驗，已具備實現(xiàn)碳中和愿景的良好基礎(chǔ)，但也面臨重大挑戰(zhàn)。隨著經(jīng)濟(jì)實力的穩(wěn)步提升，建設(shè)用地規(guī)模持續(xù)增加，高能耗行業(yè)依然占據(jù)較大比重，生態(tài)環(huán)境保護(hù)面臨巨大壓力。鑒于此，本文以天津市為研究對象，分析建設(shè)用地擴(kuò)張和碳排放的變化特征，對影響建設(shè)用地碳排放的因素進(jìn)行分解。同時，運用EKC檢驗及Tapio脫鉤模型厘清建設(shè)用地規(guī)模和碳排放的耦合關(guān)系，以期為天津市提高國土空間管控水平及制定深度減排戰(zhàn)略提供實證參考，同時為其他城市探索綠色低碳土地利用模式及推動城市高質(zhì)量發(fā)展提供借鑒。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

天津地處太平洋西岸，華北平原北部，東臨渤海、北依燕山，位于E116°43′～118°04′，N38°34′～40°15′。2018年底全市生產(chǎn)總值為18809.64億元，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)為0.9∶40.5∶58.6，全市常住人口1559.6萬人，土地面積11966.45km2，其中，農(nóng)用地面積6894.41km2，建設(shè)用地面積4206.51km2，未利用地面積863.53km2，分別占土地總面積的57.6%、35.2%、7.2%。

本研究所涉及的經(jīng)濟(jì)社會數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)及能源消耗數(shù)據(jù)來源于2010—2019年《天津市統(tǒng)計年鑒》。標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)化系數(shù)來源于《中國能源統(tǒng)計年鑒》，碳排放系數(shù)參考IPCC國家溫室氣體清單指南及現(xiàn)有研究成果。

2 研究方法

2.1 碳排放測算

通過能源消耗間接計算建設(shè)用地碳排放，計算公式：

(1)

式中，C為建設(shè)用地碳排放量；i為能源種類；mi為能源消耗量；βi為標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)化系數(shù)；ki為碳排放系數(shù)；各系數(shù)取值如表1所示[19-21]。

表1 標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)化系數(shù)和碳排放系數(shù)

本文中，碳排放強度指單位建設(shè)用地面積上所承載的碳排放量。具體公式:

(2)

式中，j為年份；Ij為建設(shè)用地碳排放強度；Cj為建設(shè)用地碳排放量；Sj建設(shè)用地面積。

2.2 碳排放驅(qū)動因素分解模型

2.2.1 構(gòu)建kaya恒等式

kaya恒等式將碳排放與能源、經(jīng)濟(jì)、人口進(jìn)行關(guān)聯(lián)，其特點在于數(shù)學(xué)形式簡單，靈活性強，具備可拓展性[22，23]。計算公式:

(3)

式中，C為碳排放總量；Ci、Ei分別表示第i種能源碳排放量和消耗量；E為能源消耗總量；GDP表示國民生產(chǎn)總值；P表示城市常住人口；r為能源碳排放系數(shù)；s表示能源結(jié)構(gòu)；m為能源強度，即單位GDP能耗；f為人均GDP。

2.2.2 LMDI因素分解

LMDI因素分解法在kaya恒等式基礎(chǔ)上深入分析各影響因素對碳排放的作用方向及貢獻(xiàn)程度，其優(yōu)勢在于完全分解、無殘差、解釋型強[24]。具體分解公式：

ΔC=Ct2-Ct1=ΔCr+ΔCs+ΔCm+ΔCf+ΔCp

(4)

(5)

式中，Ct2和Ct1分別為研究期末和基期建設(shè)用地碳排放總量；△C為碳排放變化量；△Cr、△Cs、△Cm、△Cf、△Cp分別為能源碳排放因子、能源結(jié)構(gòu)、能源強度、經(jīng)濟(jì)水平及人口規(guī)模引起的碳排放變化量；Wi為各能源權(quán)重；Cit2、Cit1分別為研究期末和基期各能源碳排放量。

(6)

聯(lián)立式(3)、式(5)，得各因子貢獻(xiàn)值：

(7)

各因素貢獻(xiàn)率的表達(dá)式：

(8)

式中，θ為某因素對碳排放的累計貢獻(xiàn)率；△C1為某因素對碳排放的累計貢獻(xiàn)值；△C為綜合效應(yīng)累計貢獻(xiàn)值。

2.3 耦合關(guān)系分析

2.3.1 EKC檢驗

環(huán)境庫茲濕茨曲線是研究“經(jīng)濟(jì)—環(huán)境”系統(tǒng)的重要分析工具。本研究以2009—2018年為時間序列，將建設(shè)用地規(guī)模與碳排放總量進(jìn)行曲線擬合，分別建立一次、二次、三次函數(shù)模型。待定系數(shù)取值及曲線關(guān)系見表2。

表2 建設(shè)用地規(guī)模與碳排放總量的曲線關(guān)系

C=b0+b1l+b2l2+b3l3+ε

(9)

式中，C表示建設(shè)用地碳排放量；l表示建設(shè)用地面積；b0為常數(shù)項,b1、b2、b3為待定系數(shù)；ε為隨機(jī)誤差項。

2.3.2 構(gòu)建Tapio脫鉤模型

“脫鉤”指的2個變量之間關(guān)系減弱或消失，即兩者變化速度、變化趨勢不一致[26，27]。本研究將脫鉤指數(shù)用于建設(shè)用地規(guī)模與碳排放耦合關(guān)系研究中，深入分析兩者脫鉤狀態(tài)及成因。

(10)

式中，DI為脫鉤指數(shù)；Zt2和Zt1分別表示研究期末和基期碳排放總量；St2和St1分別表征研究期末和基期建設(shè)用地總面積；Vt為碳排放總量變化速度；Kt為建設(shè)用地擴(kuò)張速度。

表3 Tapio脫鉤指數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 建設(shè)用地擴(kuò)張時序特征

由圖1可知，天津市建設(shè)用地擴(kuò)張經(jīng)歷了2個階段：2009—2012年，該階段建設(shè)用地擴(kuò)展迅速，其規(guī)模從3810.62km2增加到3999.25km2，年均新增建設(shè)用地62.88km2，年均增長率為1.65%；2012—2018年，建設(shè)用地保持穩(wěn)定擴(kuò)張，其規(guī)模由3999.25km2增至4206.51km2，年均新增建設(shè)用地34.54km2，年均增長率為0.86%。城市發(fā)展初期，第二產(chǎn)業(yè)占據(jù)較大比重，交通用地、居住用地、公共設(shè)施用地等需求逐漸增加，由于土地利用較為粗放，致使建設(shè)用地擴(kuò)展速度較快。當(dāng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展到一定階段，隨著城市規(guī)劃的不斷完善及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級，促使土地利用更加集約高效，建設(shè)用地擴(kuò)展速度逐步減緩。

圖1 2009—2018年天津市建設(shè)用地總量及擴(kuò)張指數(shù)

3.2 碳排放變化分析

3.2.1 碳排放總量分析

由圖2可知，建設(shè)用地碳排放可大致分為3個階段。2009—2013年，碳排放量由4811.94萬t增加至6880.72萬t，年均增長率為9.35%；該階段煤炭消耗量持續(xù)上升由4119.65萬t增加到5433.63萬t，增長率為7.17%；焦炭、原油、柴油在能源消費結(jié)構(gòu)中也占較大比重，9大能源中，燃料油占比相對較小但作為碳排放系數(shù)較高的能源，也是導(dǎo)致碳排放增加的原因之一。2013—2017年，碳排放量穩(wěn)中有降，5a間碳排放累計減少587.13萬t；煤炭消耗量逐年遞減，天然氣、電力消費量持續(xù)增長，為推動城市工業(yè)和能源高質(zhì)量發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)。2017—2018年，隨著優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能重新釋放，碳排放量出現(xiàn)小幅回升。

圖2 2009—2018年天津市碳排放總量和碳排放強度

3.2.2 碳排放強度分析

建設(shè)用地碳排放強度也可大致分為3個時期，其階段劃分與碳排放總量保持一致。2009—2013年碳排放強度從126.28t·hm-2增加至171.16t·hm-2，增長率為7.9%。2013—2017年碳排放強度逐年遞減，原因在于碳排放總量逐年遞減，建設(shè)用地規(guī)模逐年增加，單位建設(shè)用地面積上承載的碳排放量逐漸減少。2017—2018年碳排放強度有所回升，碳排放增速為4.29%，建設(shè)用地面積增速為0.79%，碳排放增速大于建設(shè)用地擴(kuò)張速度。由此可見，碳排放強度在未來一段時間也會出現(xiàn)波動，但整體變化幅度不大。

3.3 碳排放驅(qū)動因素分析

由表4可知，4類因素對碳排放的作用方向及作用程度存在明顯差異，根據(jù)作用方向的差異將碳排放驅(qū)動因素分為2類。碳排放的促進(jìn)因素，即經(jīng)濟(jì)水平和人口規(guī)模；碳排放的抑制因素，即能源結(jié)構(gòu)和能源強度。

表4 碳排放分解結(jié)果

圖3 各效應(yīng)累計貢獻(xiàn)率

3.3.1 能源結(jié)構(gòu)效應(yīng)

能源結(jié)構(gòu)對碳排放的貢獻(xiàn)值大多為負(fù)，9a間能源結(jié)構(gòu)調(diào)整使建設(shè)用地碳排放量累計減少405.20萬t，對碳排放累計貢獻(xiàn)率為-27.35%。發(fā)展初期，天津市重工業(yè)特征突出，對煤炭、焦炭等傳統(tǒng)能源依賴性較強。隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)升級，清潔能源消費比重逐步提高，能源結(jié)構(gòu)低碳化趨勢逐步顯現(xiàn)。然而，相比于其他3個因素，能源結(jié)構(gòu)對碳排放的影響較小，且波動幅度不大。主要原因在于能源轉(zhuǎn)型是一個漫長的過程，不可能一蹴而就。當(dāng)前，煤炭消耗的主導(dǎo)地位沒有動搖，“退煤”計劃面臨重重考驗。

3.3.2 能源強度效應(yīng)

能源強度對碳排放的抑制作用較為明顯。該因素在研究期內(nèi)累計引起碳排放減少3727.89萬t，對碳排放累計貢獻(xiàn)率達(dá)-251.60%。研究期內(nèi)，能源強度對碳排放的影響波動幅度較大，2013—2014年負(fù)向效應(yīng)最明顯，貢獻(xiàn)值高達(dá)-1025.66萬t。由此可見，降低能源強度，提高能源利用效率，促使能源需求增速放緩，從而實現(xiàn)碳排放下降。研究初期，粗放型發(fā)展模式加劇了經(jīng)濟(jì)增長與資源環(huán)境的矛盾，由于技術(shù)創(chuàng)新滯后，節(jié)能設(shè)備等資源相對匱乏，致使可再生能源發(fā)展空間受限。隨著發(fā)展理念的轉(zhuǎn)變及技術(shù)的不斷進(jìn)步，能效提升潛力被有效挖掘，為深度減排提供了有力保障。

3.3.3 經(jīng)濟(jì)水平效應(yīng)

經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高是能源消費需求持續(xù)攀升的動力，是碳排放增加的決定性因素，對碳排放起到正向驅(qū)動作用，且貢獻(xiàn)值較高。2009—2018年該因素使碳排放量累計增加了4146.78萬t，年均引起排放增加460.75萬t，對碳排放累計貢獻(xiàn)率為279.87%。發(fā)展初期第二產(chǎn)業(yè)比重大，工業(yè)、建筑業(yè)等對能源依賴度高，碳排放總量和強度處于較高水平。隨著新經(jīng)濟(jì)業(yè)態(tài)加速成長，發(fā)展質(zhì)量得以提升，服務(wù)業(yè)規(guī)模日益壯大。第三產(chǎn)業(yè)具備較大的節(jié)能潛力，促使能源消耗量呈遞減態(tài)勢。因此，經(jīng)濟(jì)水平效應(yīng)對碳排放的年度貢獻(xiàn)值逐漸減小，說明城市在增強綜合實力的同時，努力實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長和碳排放脫鉤。

3.3.4 人口規(guī)模效應(yīng)

人口規(guī)模是碳排放增加的重要因素。研究期內(nèi)，人口規(guī)模增加使建設(shè)用地碳排放量累計增加1467.97萬t，對碳排放累計貢獻(xiàn)率為99.08%。從歷年貢獻(xiàn)值來看，人口規(guī)模對碳排放的影響呈減弱趨勢，甚至在2016—2017年表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)，原因在于居民生活方式及消費習(xí)慣的改變，有利于減弱人口對碳排放的影響。研究初期，人口增速明顯,人地矛盾突出，空間需求、能源需求持續(xù)增加，給生態(tài)環(huán)境造成較大壓力。當(dāng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定階段，人口增速逐步減緩并趨于穩(wěn)定，人類節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的意識逐步增強，促使資源高效利用及區(qū)域環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善。

3.4 建設(shè)用地規(guī)模和碳排放耦合分析

3.4.1 EKC驗證

將碳排放總量與建設(shè)用地規(guī)模進(jìn)行EKC驗證，擬合結(jié)果及曲線圖見表5、圖4。回歸結(jié)果表明，碳排放總量和建設(shè)用地規(guī)模存在倒U型曲線關(guān)系，各回歸系數(shù)均通過1%水平上的檢驗。對二次函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)可得曲線的拐點為4105.33，表明當(dāng)建設(shè)用地規(guī)模達(dá)到4105.433km2前，碳排放量逐年增加，隨后碳排放開始下降。雖然2018年的數(shù)據(jù)與該曲線存在一定程度的偏離，但對整體擬合效果未產(chǎn)生重大影響。

表5 建設(shè)用地規(guī)模與碳排放量庫茲涅茨曲線擬合結(jié)果

圖4 建設(shè)用地面積與碳排放的庫茲涅茲曲線

3.4.2 脫鉤分析

2009—2018年天津市建設(shè)用地擴(kuò)張與碳排放的脫鉤狀態(tài)不穩(wěn)定，兩者存在擴(kuò)張負(fù)脫鉤、增長連接及強脫鉤3種狀態(tài)，且以擴(kuò)張負(fù)脫鉤和強脫鉤狀態(tài)為主。

2009—2013年碳排放總量與建設(shè)用地規(guī)模未實現(xiàn)脫鉤，建設(shè)用地快速擴(kuò)張對生態(tài)環(huán)境造成較大壓力，致使碳排放效應(yīng)顯著。其中，2009—2011年為擴(kuò)張負(fù)脫鉤階段，其脫鉤指數(shù)分別為11.002和5.704，這一時期碳排放增速明顯高于建設(shè)用地擴(kuò)展速度；2011—2012年為增長連接狀態(tài)，脫鉤指數(shù)為0.985，受國家激勵政策的影響，天津市轉(zhuǎn)變高能耗的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，碳排放增速與建設(shè)用地擴(kuò)張速度逐步減緩；2012—2013年又恢復(fù)到擴(kuò)張負(fù)脫鉤階段，究其原因是天津市為改善民生，落實基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加大固定資產(chǎn)投資力度，致使環(huán)境空氣質(zhì)量有所下降。2013—2017年兩者呈現(xiàn)出強脫鉤狀態(tài)，主要因為該階段城市發(fā)展更加注重質(zhì)量和效益，土地利用更加集約高效，能源低碳化愈發(fā)成為共識，各項節(jié)能措施使碳排放得到有效控制。由此可見，隨著社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，建設(shè)用地擴(kuò)張使能源需求增加，但碳排放量不會隨著建設(shè)用地擴(kuò)張而持續(xù)增加，這也一定程度上體現(xiàn)出天津市堅持走綠色發(fā)展道路，生態(tài)文明建設(shè)取得一定成效。2017—2018年，碳排放和建設(shè)用地規(guī)模再次恢復(fù)到未脫鉤狀態(tài)，原因在于經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展是一個長期性、復(fù)雜性的過程，短期內(nèi)兩者脫鉤狀態(tài)依然會呈現(xiàn)出波動趨勢，但整體向著良好狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

表6 碳排放總量與建設(shè)用地規(guī)模脫鉤情況

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

時間序列上，建設(shè)用地經(jīng)歷了迅速擴(kuò)張及穩(wěn)定擴(kuò)張2個階段。碳排放總量、碳排放強度在研究期內(nèi)均呈現(xiàn)先增加后減少再增加的趨勢，未來仍會出現(xiàn)小范圍波動。

LMDI因素分解結(jié)果表明，經(jīng)濟(jì)水平和人口強度對碳排放起到促進(jìn)作用，能源結(jié)構(gòu)和能源強度對碳排放起到抑制作用。其中經(jīng)濟(jì)增長和能源強度分別是促進(jìn)和減緩碳排放的關(guān)鍵因素，因此轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式、提高能源利用效率是未來控制建設(shè)用地碳排放的重點。能源結(jié)構(gòu)對碳排放的抑制作用較弱，主要因為能源轉(zhuǎn)型是一個循序漸進(jìn)的過程，短期內(nèi)其減排效應(yīng)未能充分顯現(xiàn)。人口規(guī)模對碳排放的促進(jìn)作用逐漸減弱，得益于居民生活方式及消費習(xí)慣的改變。

EKC驗證和脫鉤分析結(jié)果表明，建設(shè)用地規(guī)模和碳排放總量表現(xiàn)為倒U型的二次曲線關(guān)系。研究初期土地利用相對粗放，能源利用效率低，建設(shè)用地盲目擴(kuò)張給生態(tài)環(huán)境造成較大壓力。隨著城市規(guī)劃及土地管理制度的不斷完善，城市治理水平明顯提高，土地利用逐步走向集約化，建設(shè)用地規(guī)模和碳排放的相關(guān)性逐漸減弱。

4.2 討論

基于以上結(jié)論可以看出，實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)不能抑制經(jīng)濟(jì)發(fā)展，應(yīng)通過生態(tài)環(huán)境的高質(zhì)量保護(hù)來引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展。推進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，使建設(shè)用地擴(kuò)張向低碳環(huán)保項目傾斜，重構(gòu)綠色產(chǎn)業(yè)鏈，為經(jīng)濟(jì)提供新動能。優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)，多渠道推進(jìn)煤炭替代，利用碳捕集與封存技術(shù)，在確需耗煤行業(yè)實現(xiàn)凈零排放，促使能源轉(zhuǎn)型發(fā)揮更大的減排優(yōu)勢。科學(xué)制定城市發(fā)展規(guī)劃，合理控制人口規(guī)模，提高人口素質(zhì)是減少個人“碳足跡”的重要舉措。加強“雙碳”知識普及，使綠色低碳理念深入人心，提升居民幸福指數(shù)及城市競爭力。妥善管控建設(shè)用地規(guī)模，控制土地開發(fā)強度，挖掘低效用地潛力是優(yōu)化國土空間開發(fā)格局及加強重要碳匯空間保護(hù)的關(guān)鍵舉措。因此，堅持問題導(dǎo)向、底線思維，立足當(dāng)?shù)刭Y源優(yōu)勢、區(qū)位優(yōu)勢及發(fā)展?jié)摿?，探索土地資源節(jié)約集約利用新機(jī)制，不斷推進(jìn)國土空間碳中和治理能力提升，實現(xiàn)資源環(huán)境政策的精準(zhǔn)落地。完善綠色低碳技術(shù)評估體系，運用3S、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段開展土地利用動態(tài)監(jiān)測、重點領(lǐng)域碳排放監(jiān)測。基于非化石能源比重、碳排放強度等指標(biāo)，構(gòu)建碳中和評估模型，為國土空間格局優(yōu)化及能源精細(xì)化管理提供數(shù)據(jù)支撐。