黃河流域資源型城市碳排放影響因素與達峰預測研究

崔艷芳，張國興，2

（1.華北水利水電大學 管理與經(jīng)濟學院，河南 鄭州 450046；2.華北水利水電大學 黃河流域生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展研究中心，河南 鄭州 450046）

1 引 言

資源型城市作為重要的能源保障基地為中國經(jīng)濟發(fā)展做出了重要貢獻，但其經(jīng)濟發(fā)展模式的高污染、高排放特征明顯。利用中國碳排放數(shù)據(jù)庫（CEADs）2019年的數(shù)據(jù)計算，中國1／3的碳排放來自資源型城市，其人均碳排放量比非資源型城市高16.1%，單位GDP能耗是非資源型城市的1.6倍?？梢?，資源型城市的碳減排壓力巨大。然而，當前學術(shù)界對碳排放的研究多為工業(yè)、建筑業(yè)以及交通運輸業(yè)等［1－4］，研究區(qū)域多集中于全國、省域、縣域等層面［5－8］，對資源型城市碳排放研究相對較少，對黃河流域資源型城市的研究更為少見。黃河流域生態(tài)環(huán)境脆弱，流域內(nèi)城市中半數(shù)以上屬于資源型城市［9］，緩解經(jīng)濟發(fā)展與節(jié)能減排之間的矛盾是黃河流域資源型城市當前亟待解決的問題。探討黃河流域資源型城市碳排放的影響因素并進行達峰預測，進而提出針對性的減排建議，對于雙碳背景下推動黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展及地區(qū)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型具有重要意義。

2 研究方法

2.1 碳排放的核算方法

由于缺少部分地級市能源消費的相關統(tǒng)計信息，因此無法使用聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）公布的方法估算碳排放量?？紤]到數(shù)據(jù)來源的一致性，參考已有文獻，對黃河流域資源型城市碳排放量采用如下方法估算［10］：

式中：C為碳排放量；G為國內(nèi)生產(chǎn)總值；T為能源消耗強度；2.493為標準煤的二氧化碳排放系數(shù)。

2.2 擴展STIRPAT模型

STIRPAT模型是Dietz等［11］在IPAT模型的基礎上發(fā)展而來的，計算公式為

式中：I、P、A、T1分別為環(huán)境指標、人口、富裕度、技術(shù)，其中富裕度用人均GDP表示，技術(shù)用能源消耗強度表示；a為模型系數(shù)；b、c、d分別為各自變量的指數(shù)；e為隨機誤差項。

為降低自變量間的異質(zhì)性影響和便于后續(xù)分析，York等［12］對STIRPAT模型取自然對數(shù)，使式（2）變?yōu)?/p>

中國城鎮(zhèn)化水平隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展不斷提升，城鎮(zhèn)人口創(chuàng)造了較高的經(jīng)濟收入，但也造成了嚴重的環(huán)境污染。同時，地區(qū)碳排放與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系，近年來資源型城市積極進行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型以緩解第二產(chǎn)業(yè)帶來的環(huán)境壓力。參考已有文獻［13］在衡量富裕度和技術(shù)水平時分別引入城鎮(zhèn)化率（U）和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)（S），將STIRPAT模型擴展為

式中：β1、β2、β3、β4、β5為系數(shù)。

2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型

BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型由輸入層、隱含層和輸出層三部分構(gòu)成，輸入和輸出層節(jié)點數(shù)為指標數(shù)量，指標選取基于STIRPAT模型，故輸入層和輸出層指標數(shù)量分別為5和1。對BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型隱含層神經(jīng)元數(shù)量的確定，參照如下經(jīng)驗公式［14］進行計算：

式中：n和m分別為輸入、輸出層節(jié)點個數(shù)；h為常數(shù)，取值范圍為［1，10］。

2.4 數(shù)據(jù)來源

本文根據(jù)《全國資源型城市可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（2013—2020年）》選取黃河流域37個資源型城市，相應數(shù)據(jù)來源于各?。▍^(qū)）2001—2021年統(tǒng)計年鑒，部分數(shù)據(jù)來源于EPS數(shù)據(jù)庫，個別缺失數(shù)據(jù)采用插值法補齊，并以2000年為基期對價格指標進行平減處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 碳排放影響因素分析

3.1.1 碳排放現(xiàn)狀分析

黃河流域資源型城市2000—2020年碳排放量整體呈現(xiàn)波動上升的態(tài)勢（見圖 1），但在2013—2016年出現(xiàn)短暫下降，可能是《全國資源型城市可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（2013—2020年）》的出臺使資源型城市加強對生態(tài)問題的重視，進而帶來碳排放量短期下降的現(xiàn)象。2016年后碳排放量又開始緩慢上升。為探討其影響機制，進一步對其影響因素進行深入分析。

圖1 黃河流域資源型城市2000—2020年碳排放量

3.1.2 影響因素分析

本文首先選擇ADF檢驗方法對序列的平穩(wěn)性進行檢驗，由表1可知，相關變量二階差分的ADF檢驗均達到5%的顯著水平，進而通過Johansen檢驗證實變量間存在協(xié)整關系，即變量間存在長期均衡關系。

表1 ADF單位根檢驗結(jié)果

人口、富裕度和技術(shù)三者間存在一定的相互影響和制約，且檢驗發(fā)現(xiàn)解釋變量間存在嚴重的多重共線性（見表 2），為解決該問題，本文采用嶺回歸方法進行分析。嶺回歸是在最小二乘法的基礎上進行的算法改進，是專用于共線性數(shù)據(jù)分析的回歸方法。通過測算，確定嶺參數(shù)k為0.02，回歸結(jié)果見表3。

表2 普通最小二乘法回歸結(jié)果

表3 嶺回歸估計結(jié)果

STIRPAT模型具體可以表示為

根據(jù)式（6）可以得出：人口規(guī)模、人均GDP、城鎮(zhèn)化率及單位GDP能耗對黃河流域資源型城市碳排放量的增加有促進作用，以上因素每增大1%，碳排放量分別平均增大1.275%、0.449%、0.43%、0.025%；產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化對碳排放量的增加有抑制作用，其每增大1%將引起碳排放變動－0.856%。人口規(guī)模對碳排放的影響最大，這與以往學者針對黃河流域的研究結(jié)論相同［3，15］，可能因為人口增長不僅會直接增加對能源資源的消耗，還會通過增加對其他商品、服務等的需求間接加大對能源資源的消耗。能源消耗強度對碳排放的影響最小，王瑛等［16］認為能源消耗強度對經(jīng)濟發(fā)達、人才充足、科技能力強的地區(qū)碳排放影響更明顯，而資源型城市技術(shù)水平相對較低，促進能源消耗強度降低的因素中技術(shù)含量不足，導致能源消耗強度對資源型城市碳排放影響最小。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化對碳排放的抑制作用顯著，說明積極進行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)是資源型城市實現(xiàn)碳減排的重要途徑。整體來看，黃河流域資源型城市技術(shù)進步對碳排放的抑制作用無法抵消人口和經(jīng)濟因素帶來的增大作用。

3.1.3 穩(wěn)健性檢驗

為驗證以上回歸結(jié)果的可靠性，參考已有文獻［9］，將黃河流域37個資源型城市分為上、中、下游，并運用k＝0.02的嶺回歸對不同區(qū)位的碳排放影響因素進行分析，回歸結(jié)果見表4。研究發(fā)現(xiàn)，在不同地理區(qū)位解釋變量對碳排放的影響與基準回歸結(jié)果基本一致，也驗證了基準回歸結(jié)果的有效性。

表4 穩(wěn)健性檢驗回歸結(jié)果

3.2 碳排放情景分析

使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型預測時，隱含層和輸出層的傳遞函數(shù)分別選擇tansig和purelin，訓練函數(shù)為trainlm。先將樣本隨機分為15組訓練樣本和6組測試樣本，進一步通過多次訓練調(diào)整確定隱含層節(jié)點數(shù)。最終確定該模型結(jié)構(gòu)為5－4－1，其訓練樣本平均絕對誤差為11.27，平均相對誤差為0.008，均方誤差為167.92，R2為0.99，訓練結(jié)果及測試結(jié)果良好（見圖2、圖 3）。

圖2 BP網(wǎng)絡訓練結(jié)果

圖3 BP網(wǎng)絡測試結(jié)果

情景分析在預測碳排放未來變化趨勢時應用十分普遍，本文參考以往學者的相關研究和發(fā)布的相關政策文件設置各解釋變量的變動參數(shù)。通過分析可知，人口、經(jīng)濟、技術(shù)水平均對碳排放具有重要影響，但考慮到在既定的政策方針和經(jīng)濟形勢下人口因素和經(jīng)濟因素很難進行人為調(diào)控，因此本文通過調(diào)節(jié)技術(shù)水平參數(shù)預測不同情景下的碳排放情況。

（1）人口規(guī)模。通過對黃河流域37個資源型城市2000—2020年的人口規(guī)模統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，當前研究區(qū)域的人口總量呈波動上升趨勢，但增長趨勢在逐漸放緩，人口年均增長率在“十一五”“十二五”“十三五”期間分別為0.97%、0.33%、0.05%。參考劉媛等［17］、張現(xiàn)苓等［18］的研究結(jié)果，并結(jié)合黃河流域資源型城市人口發(fā)展的實際情況，將人口規(guī)模年均增速設定為：2021—2025年為0.2%，2026—2030年為0.05%，2031—2035年為－0.05%。

（2）人均GDP。人均GDP增速與經(jīng)濟增速具有高度一致性，基于當前供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革背景，隨著時間的推移中國經(jīng)濟將長期維持在中低速增長。參考《中國與新氣候經(jīng)濟報告》以及有關學者對經(jīng)濟發(fā)展趨勢的研究與預測［19－20］，并結(jié)合研究區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展實際情況，本文對預測期內(nèi)人均GDP變化速率進行合理設置（見表 5）。

表5 黃河流域資源型城市經(jīng)濟發(fā)展年均參數(shù)變化速率設置 %

（3）城鎮(zhèn)化率。部分學者認為中國到2035年城鎮(zhèn)化率為70%左右［21－22］，杜修立等［23］認為2035年中國城鎮(zhèn)化率將達到77.29%。本文綜合參考以上學者觀點，并結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況，對預測期內(nèi)城鎮(zhèn)化率變化速率進行合理設定（見表 5）。

（4）第三產(chǎn)業(yè)占比。2000—2020年黃河流域資源型城市第三產(chǎn)業(yè)占比呈現(xiàn)波動上升趨勢，從2000年的32%增長到2020年的44%。潘金玉等［24］認為中國到2030年第三產(chǎn)業(yè)占比將達到62.5%；中國社科院宏觀經(jīng)濟研究中心課題組［25］認為2030年中國第三產(chǎn)業(yè)占比將超過60%。綜合考慮黃河流域的資源稟賦和農(nóng)業(yè)發(fā)展等實際情況，第三產(chǎn)業(yè)占比很難達到全國平均水平。本文對預測期內(nèi)不同情景下第三產(chǎn)業(yè)占比變化速率進行合理設置（見表 6）。

表6 黃河流域資源型城市不同情景下第三產(chǎn)業(yè)占比、單位GDP能耗年均變化速率設置 %

（5）單位GDP能耗。根據(jù)《中國能源展望2030》，未來對能源的需求將逐漸放緩，單位GDP能耗也會不斷下降?！丁笆奈濉惫?jié)能減排綜合工作方案》明確，全國單位GDP能耗到2025年要比2020年下降13.5%。然而由于節(jié)能減排邊際效應遞減，碳減排難度日益增加，因此單位GDP能耗的下降速率也會不斷降低。考慮黃河流域是中國重要的化工、能源基地的實際情況，單位GDP能耗的下降幅度很難達到全國平均水平。本文對預測期內(nèi)的單位GDP能耗變化速率進行合理設置（見表 6）。

在以上設置的4種情景下，黃河流域資源型城市碳排放量的變化趨勢存在明顯差異（見圖 4）?；鶞是榫跋沦Y源型城市碳排放量增長最快，雖然增速在持續(xù)下降，但至2035年碳排放仍沒有明顯達峰跡象，可能是技術(shù)水平低速增長導致產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化較慢，使整體能源效率增長幅度受限。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和能源消耗強度降低兩種情景是在基準情景的基礎上分別提高了第三產(chǎn)業(yè)占比上升速度和單位GDP能耗下降速度。在這兩種情景下，碳排放增速從2023年開始明顯放緩，且分別于2030年和2032年實現(xiàn)碳達峰，碳減排效果優(yōu)于基礎情景，說明技術(shù)水平稍有突破就能顯著抑制碳排放量的增加。同時，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化情景下的碳減排效果更佳，說明大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)的節(jié)能減排效用更突出，這與上文影響因素的分析結(jié)果一致。技術(shù)突破情景是建立在綠色科技創(chuàng)新高速發(fā)展使單位GDP能耗和第三產(chǎn)業(yè)占比變化速度均顯著提高的基礎上。該情景下資源型城市碳排放量的增速明顯降低，并于2026年前后提前實現(xiàn)碳達峰，說明實現(xiàn)技術(shù)突破性發(fā)展是黃河流域資源型城市實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展與節(jié)能減排目標的最優(yōu)策略。

圖4 不同情景下黃河流域資源型城市碳排放量趨勢

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié) 論

本文運用擴展STIRPAT模型考察了人口規(guī)模、人均GDP、城鎮(zhèn)化率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和單位GDP能耗等因素對黃河流域資源型城市2000—2020年碳排放量的影響，并使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡構(gòu)建碳排放模型分析在不同情景下的碳排放趨勢，得出如下結(jié)論。

（1）黃河流域資源型城市2000—2020年碳排放整體呈現(xiàn)波動上升的態(tài)勢。其中，2013—2016年出現(xiàn)短暫的下降，但2016—2020年又波動上升。通過分析認為2013—2016年碳排放的短暫下降可能是受《全國資源型城市可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（2013—2020年）》的影響。

（2）人口規(guī)模、人均GDP、城鎮(zhèn)化率以及單位GDP能耗對黃河流域資源型城市碳排放量的增加有促進作用，其中人口規(guī)模對碳排放的促進作用最顯著，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化對碳排放量的增加有抑制作用。

（3）在不同情景下黃河流域資源型城市碳排放量的變化趨勢呈現(xiàn)明顯差異。在基準情景下，黃河流域資源型城市碳排放增長最快，未能在2030年前實現(xiàn)碳達峰；在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化情景和能源消耗強度降低情景下，黃河流域資源型城市分別于2030年和2032年實現(xiàn)碳達峰；在技術(shù)突破情景下碳排放量增長最慢，且在2026年提前實現(xiàn)碳達峰。

4.2 建 議

在既定的政策方針和經(jīng)濟形勢下人口因素和經(jīng)濟因素很難進行人為調(diào)控，因此黃河流域資源型城市未來應重點通過技術(shù)突破來實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展與節(jié)能減排雙重目標，具體建議如下。

（1）推動城市轉(zhuǎn)型、加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。實現(xiàn)黃河流域的高質(zhì)量發(fā)展必須以經(jīng)濟增長為前提，因此資源型城市應在不影響經(jīng)濟發(fā)展的前提下，積極引導城市轉(zhuǎn)型發(fā)展，加速推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的合理化和高級化。

（2）大力開發(fā)清潔能源、優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)。受資源稟賦等因素的影響，黃河流域資源型城市的能源消費以煤炭類為主，優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)是從根本上解決黃河流域資源型城市碳排放和能源消耗之間矛盾的關鍵著力點。

（3）鼓勵節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新、提高能源利用效率。優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)是一個循序漸進的過程，因此在節(jié)能減排道路上還應積極鼓勵節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新，積極引進國外先進節(jié)能技術(shù)設備以及科學的管理經(jīng)驗，促進能源利用效率提升。