基于STIPRAT評(píng)估模型的金磚五國(guó)碳排放影響因素分析

張忠華,李東耀,劉奭昕

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130021)

0 引言

金磚五國(guó)由巴西、俄羅斯、中國(guó)、印度和南非組成,是當(dāng)前世界新型經(jīng)濟(jì)體合作組織的重要代表,其組織成員經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展為世界經(jīng)濟(jì)注入了強(qiáng)大活力。2021年,金磚五國(guó)經(jīng)濟(jì)總量約占全球的25.6%。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí),金磚五國(guó)碳排放總量也快速增加,2021年,金磚五國(guó)碳排放總量約占全球的45.8%。在全球共同應(yīng)對(duì)氣候變化的大格局下,金磚五國(guó)在碳達(dá)峰、碳凈零方面所采取的措施將引起高度關(guān)注。

在第26屆聯(lián)合國(guó)氣候大會(huì)上,金磚五國(guó)均明確做出實(shí)現(xiàn)凈零排放或碳中和的預(yù)期時(shí)間目標(biāo)。其中,巴西和南非承諾于2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放,俄羅斯和中國(guó)承諾于2060年實(shí)現(xiàn)碳中和,印度承諾于2070年實(shí)現(xiàn)碳中和。

本文采用1990—2021年相關(guān)數(shù)據(jù),對(duì)金磚五國(guó)經(jīng)濟(jì)、能源消費(fèi)及碳排放情況進(jìn)行分析,并重點(diǎn)就各組織成員國(guó)碳排放影響因素進(jìn)行模型論證。其中,經(jīng)濟(jì)方面主要從經(jīng)濟(jì)總量及人均GDP進(jìn)行分析;能源消費(fèi)主要從總量及2020年終端能源分類消費(fèi)情況進(jìn)行分析;碳排放主要通過對(duì)人均GDP和人均碳排放量分析,論證各組織成員國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與碳排放量是否符合庫(kù)茲涅茨“倒U字形曲線”假說,并與已實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的美國(guó)進(jìn)行對(duì)比。本文采用基于STIPRAT的評(píng)估模型,研究論證各組織成員國(guó)碳排放影響因素,并分析各組織成員國(guó)的模型擬合參數(shù),對(duì)金磚五國(guó)碳達(dá)峰在能源利用、能源供應(yīng)等方面提出建議。

1 經(jīng)濟(jì)發(fā)展分析

1.1 經(jīng)濟(jì)總量

2021年,金磚五國(guó)GDP合計(jì)約為222 079億美元[1](2015年不變價(jià),下同),約占全球經(jīng)濟(jì)的25.6%,全球占比逐年提高。其中,中國(guó)已于2006年超過日本,成為全球第二大經(jīng)濟(jì)體,而印度也已成為全球第六大經(jīng)濟(jì)體,1990—2021年金磚五國(guó)GDP統(tǒng)計(jì)情況如表1所示。2021年,金磚五國(guó)GDP可比增速分別為巴西4.6%、俄羅斯4.8%、中國(guó)8.1%、印度8.9%、南非4.9%[2],在2020年疫情后均表現(xiàn)出高增長(zhǎng)潛力,而中國(guó)和印度的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)趨勢(shì)更為明顯,高于全球平均增速5.8%。

表1 1990—2021年金磚五國(guó)GDP統(tǒng)計(jì)情況(2015年不變價(jià))

1.2 人均GDP

2021年,金磚五國(guó)人均GDP分別為巴西8551美元、俄羅斯10 220美元、中國(guó)11 188美元、印度1961美元、南非5865美元[3],除中國(guó)外,均低于全球人均GDP平均水平。其中,中國(guó)人均GDP一直處于上升趨勢(shì),21世紀(jì)后增速明顯加快;印度人均GDP增長(zhǎng)相對(duì)較為緩慢,主要是經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)明顯滯后于人口增長(zhǎng);俄羅斯經(jīng)歷解體后的大幅振蕩,近期已處于波動(dòng)性增長(zhǎng)態(tài)勢(shì);巴西和南非的增長(zhǎng)情況相對(duì)較為穩(wěn)定。金磚五國(guó)在勞動(dòng)力因素、技術(shù)進(jìn)步及知識(shí)存量等方面,仍與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家存在較大差距。1990—2021年金磚五國(guó)人均GDP與全球人均GDP對(duì)比情況如圖1所示。

圖1 1990—2021年金磚五國(guó)人均GDP與全球人均GDP對(duì)比情況

2 能源消費(fèi)分析

2.1 一次能源消費(fèi)總量

2021年,金磚五國(guó)一次能源消費(fèi)總量約為214.8 EJ,同比增長(zhǎng)6.6%,約占全球一次能源消費(fèi)總量的36.1%。隨著金磚五國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,其一次能源消費(fèi)總量也呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),全球占比不斷增加,如表2所示。受資源稟賦影響,石油方面,巴西和俄羅斯石油資源較為豐富,在滿足自身需求外,還具備出口能力,而中國(guó)和印度對(duì)外依存度不斷提高;天然氣方面,僅俄羅斯能夠滿足自身發(fā)展需要,其他組織成員國(guó)均需進(jìn)口;煤炭方面,俄羅斯和南非在滿足自身需求外還具備出口能力,中國(guó)基本滿足供需平衡,印度煤炭對(duì)外依存度低于石油,巴西煤炭對(duì)外依存度較高。

表2 1990—2021年金磚五國(guó)一次能源消費(fèi)總量

不同資源稟賦導(dǎo)致各組織成員國(guó)用能結(jié)構(gòu)有所差異。其中,巴西一次能源消費(fèi)以石油為主,其次是豐富的水能等可再生能源;俄羅斯一次能源消費(fèi)以天然氣為主,其次為石油;中國(guó)和印度一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)相近,均以煤炭為主,其次為石油和天然氣;南非一次能源消費(fèi)以煤炭為主,其次為石油。由于金磚五國(guó)仍處于工業(yè)化發(fā)展中后期階段,能源消費(fèi)量仍處于上升階段,特別是中國(guó)、印度以煤炭為第一消耗能源的國(guó)家,能源消費(fèi)量增加的同時(shí)將面臨更大的碳排放壓力。

2.2 一次能源人均消費(fèi)量

2021年,金磚五國(guó)一次能源人均消費(fèi)量分別為巴西58.7 GJ(1 EJ=109GJ),俄羅斯214.5 GJ,中國(guó)109.1 GJ,印度25.4 GJ,南非82.8 GJ。除巴西和印度外,其他三國(guó)人均消費(fèi)量均高于全球平均水平75.6 GJ。其原因一方面受一次能源消耗總量影響,另一方面受人口影響。近幾年巴西一次能源消費(fèi)總量均維持在12 EJ左右,而人口總數(shù)則一直呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì);印度龐大的人口基數(shù)導(dǎo)致人均一次能源消耗量偏低。金磚五國(guó)一次能源人均消費(fèi)情況如圖2所示。

圖2 金磚五國(guó)一次能源人均消費(fèi)情況

2.3 終端能源分類消費(fèi)情況

與各組織成員國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求及資源稟賦情況相對(duì)應(yīng),在其終端能源分類消費(fèi)情況中,各國(guó)資源豐富的能源及經(jīng)濟(jì)發(fā)展所亟需能源占比均較高。其中,2020年巴西石油終端能源消費(fèi)占比約為41.5%,可再生終端能源消費(fèi)占比約為31%;俄羅斯天然氣終端能源消費(fèi)占比約為34.5%;中國(guó)的煤炭和石油終端能源消費(fèi)占比均約為26.4%;印度的煤炭終端能源消費(fèi)占比約為32.4%,可再生終端能源消費(fèi)占比約為28.9%;南非的石油終端能源消費(fèi)占比約為37.9%,其次是電力和煤炭。2020年金磚五國(guó)終端能源分類消費(fèi)占比情況如表3所示。

表3 2020年金磚五國(guó)終端能源分類消費(fèi)占比情況 單位:%

對(duì)各組織成員國(guó)電力終端能源消費(fèi)占比分析可知,經(jīng)濟(jì)增速明顯的國(guó)家,其電力終端能源消費(fèi)占比增長(zhǎng)較快,因此有必要探尋清潔能源電力消費(fèi)占比提高對(duì)能源消費(fèi)清潔化程度及節(jié)能減排成效的單向作用。1990—2020年金磚五國(guó)電力終端能源消費(fèi)占比如圖3所示。

圖3 1990—2020年金磚五國(guó)電力終端能源消費(fèi)占比情況

3 碳排放量分析

3.1 碳排放總量

2021年,金磚五國(guó)碳排放總量約為15 532.6×106t,約占全球碳排放總量的45.8%。1990—2021年,金磚五國(guó)碳排放總量占比明顯提高,特別是2011年后占比始終高于40%,顯著高于其對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)占比,其中,中國(guó)在2005年后已成為全球碳排放量最多的國(guó)家[4]。根據(jù)歷史碳排放量已達(dá)最高水平且在碳排放量達(dá)峰后5年左右時(shí)間內(nèi),地區(qū)碳排放量減少10%以上的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[5],金磚五國(guó)均未實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。1991—2021年,金磚五國(guó)碳排放量增速變化情況如圖4所示。

圖4 1991—2021年金磚五國(guó)碳排放量增速變化情況

3.2 人均碳排放量

2021年,金磚五國(guó)人均碳排放量分別為巴西2040.2 kg、俄羅斯11 023.7 kg、中國(guó)7450.6 kg、印度1832.1 kg、南非7309.9 kg,除巴西和印度外,其他三國(guó)均高于全球平均水平4322 kg。與美國(guó)對(duì)比,金磚五國(guó)人均碳排放量均低于美國(guó)平均水平,其中2021年印度人均碳排放量?jī)H約為美國(guó)的0.13倍。從量值上看,金磚五國(guó)人均碳排放量值較達(dá)峰國(guó)家明顯偏低,但比值差距有所減少[6]。1990—2021年金磚五國(guó)與美國(guó)人均碳排放量比值變化情況如表4所示。

表4 1990—2021年金磚五國(guó)與美國(guó)人均碳排放量比值變化情況

3.3 經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與碳排放量的相關(guān)性

1991年,Grossman等通過對(duì)二氧化硫和“煙”2種污染物濃度與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)之間關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn),在國(guó)民收入水平較低的情況下,其濃度隨人均GDP增加而增加,而在國(guó)民收入水平較高的情況下,其濃度隨人均GDP增加而降低,簡(jiǎn)稱庫(kù)茲涅茨“倒U字形曲線”假說。

利用散點(diǎn)圖對(duì)金磚五國(guó)人均碳排放量與人均GDP數(shù)據(jù)的相互關(guān)系進(jìn)行分析,并與美國(guó)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果證明:除俄羅斯外,其他四國(guó)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與碳排放量基本保持達(dá)峰前的正相關(guān)性,且擬合優(yōu)度(R-squared,R2)很高,擬合程度較好;俄羅斯經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與碳排放量的R2較低,經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和碳排放量相關(guān)性與其他四國(guó)有明顯差異;美國(guó)在達(dá)峰前國(guó)家經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與碳排放量保持了正相關(guān)性,達(dá)峰后則呈現(xiàn)較為明顯的負(fù)相關(guān)性,但R2不高。除俄羅斯外,上述國(guó)家碳排放量與人均GDP的關(guān)系均基本符合庫(kù)茲涅茨“倒U字形曲線”假說,且在碳達(dá)峰前,隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng),碳排放量也將不斷增加。1990—2021年金磚五國(guó)及美國(guó)人均碳排放量與人均GDP的散點(diǎn)圖如圖5所示。

圖5 1990—2021年金磚五國(guó)及美國(guó)人均碳排放量與人均GDP的散點(diǎn)圖

3.4 金磚五國(guó)碳排放量情況總體分析

從經(jīng)濟(jì)上看,隨著金磚五國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,其在全球經(jīng)濟(jì)中占比不斷提高,但由于勞動(dòng)力因素、技術(shù)進(jìn)步等方面與歐美國(guó)家的巨大差距,金磚五國(guó)的人均GDP水平仍明顯偏低;從碳排放情況上看,金磚五國(guó)均尚未達(dá)峰,除俄羅斯外,其他四國(guó)碳排放與經(jīng)濟(jì)的相互關(guān)系基本符合庫(kù)茲涅茨“倒U字形曲線”假說,在碳達(dá)峰前隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng),碳排放量也將不斷增加,碳減排面臨巨大壓力。

4 基于STIRPAT評(píng)估模型的碳排放影響因素分析

4.1 數(shù)列穩(wěn)定性分析

實(shí)施經(jīng)濟(jì)計(jì)量和預(yù)測(cè)的基本前提是樣本數(shù)據(jù)反映的統(tǒng)計(jì)特征具有代表性、可延續(xù)性,并稱這些統(tǒng)計(jì)量(均值、方差、協(xié)方差)的取值在未來仍能保持不變的樣本時(shí)間序列為平穩(wěn)序列。在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中,一個(gè)非平穩(wěn)的時(shí)間序列通?？赏ㄟ^差分變換的方法轉(zhuǎn)換成為平穩(wěn)序列。本文應(yīng)用Eviews軟件,利用ADF檢驗(yàn)方法驗(yàn)證1990—2020年(由于2021年部分?jǐn)?shù)據(jù)不全,未考慮2021年)金磚五國(guó)相關(guān)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,已保證在應(yīng)用線性回歸方法時(shí),相關(guān)分析數(shù)據(jù)序列是平穩(wěn)的[7],檢驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 金磚五國(guó)相關(guān)數(shù)據(jù)單位根檢驗(yàn)結(jié)果

由表5可知,1990—2020年金磚五國(guó)的lnCO2、lnEEP、lnGDP及l(fā)nPOP序列均不平穩(wěn),在進(jìn)行一階差分后,均滿足平穩(wěn)性要求。

4.2 基于STIRPAT模型擬合

STIRPAT模型是York和Dietz提出的基于IPAT的隨機(jī)模型[8-10],即將人口規(guī)模P、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平A與技術(shù)水平T隨機(jī)回歸,以分析各因素對(duì)環(huán)境壓力I的影響。其具體模型為

I=a·Pb·Ac·Td·e

(1)

式中:a為模型參數(shù);b、c、d分別為人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與技術(shù)水平的影響系數(shù);e為隨機(jī)誤差項(xiàng)。在對(duì)該模型進(jìn)行對(duì)數(shù)處理后,進(jìn)一步優(yōu)化為

lnI=lna+b′lnP+c′lnA+d′lnT+lne

(2)

式中:b′、c′、d′ 3個(gè)影響系數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)影響因素對(duì)環(huán)境壓力的彈性系數(shù)。

為論證金磚五國(guó)人口、經(jīng)濟(jì)及技術(shù)不同方面對(duì)碳排放量的影響,本文結(jié)合數(shù)列穩(wěn)定性分析結(jié)果,設(shè)定碳排放量CO2為環(huán)境壓力I的指標(biāo)參數(shù),并選取地區(qū)人口總數(shù)POP為人口規(guī)模P的指標(biāo)參數(shù),GDP為經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平A的指標(biāo)參數(shù),電力能源消費(fèi)占比EEP,即能源消費(fèi)的電氣化程度作為技術(shù)水平T的指標(biāo)參數(shù)。

利用SPSS軟件對(duì)金磚五國(guó)碳排放量及其影響因素進(jìn)行線性回歸分析,計(jì)算結(jié)果如式(3)—式(7)所示。其中,巴西、中國(guó)、印度和南非的STIRPAT模型R2均超過0.9,證明擬合后的STIRPAT模型具有很高的擬合度,能夠很好解釋相關(guān)國(guó)家的人口數(shù)量、GDP和電力能源消費(fèi)占比與碳排放量之間的線性關(guān)系;俄羅斯的STIRPAT模型R2約為0.494,擬合可信度不高。

lnI巴西=-6.398+0.243lnP巴西+1.135lnA巴西-0.928lnT巴西(R2=0.957)

(3)

lnI俄羅斯=-46.317+5.479lnP俄羅斯+0.209lnA俄羅斯-0.292lnT俄羅斯(R2=0.494)

(4)

lnI中國(guó)=45.077-4.013lnP中國(guó)+1.053lnA中國(guó)-0.210lnT中國(guó)(R2=0.971)

(5)

lnI印度=-1.993+0.153lnP印度+0.729lnA印度+0.213lnT印度(R2=0.994)

(6)

lnI南非=-0.176-0.616lnP南非+1.288lnA南非+0.352lnT南非(R2=0.976)

(7)

4.3 模型相關(guān)影響因素分析

根據(jù)金磚五國(guó)的STIRPAT擬合模型,在不考慮擬合程度不高的俄羅斯后,其他四國(guó)的共同點(diǎn)就是經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)碳排放量增加均為正向促進(jìn)作用,且巴西、中國(guó)和南非該系數(shù)絕對(duì)值均大于1,影響效果更顯著。人口對(duì)碳排放量的影響各不相同,巴西和中國(guó)的能源消費(fèi)電氣化水平越高,對(duì)碳排放影響到負(fù)向減排作用越明顯,其主要原因?yàn)榘臀魉姷瓤稍偕茉窗l(fā)展較好,中國(guó)近期可再生能源也發(fā)展極快;但印度和南非的能源消費(fèi)電氣化程度提高反而會(huì)對(duì)碳排放呈現(xiàn)正向促進(jìn)作用,其主要原因?yàn)閮蓢?guó)煤電等化石能源發(fā)電占比較高[11-12]。

4.4 對(duì)金磚五國(guó)碳排放建議

STIRPAT模式分析表明,在未實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰前,金磚五國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展必然會(huì)引起碳排放量增加,但通過加大能源消費(fèi)中清潔能源電氣化程度,可以促進(jìn)碳排放量降低。因此,建議金磚五國(guó)結(jié)合各自能源稟賦情況,合理加大電力能源消費(fèi)清潔化程度,即在能源消費(fèi)側(cè)提高水電、風(fēng)電、光伏等能源利用率。此外,也可以進(jìn)一步提高電力能源發(fā)電效率,例如通過降低煤耗率提高燃煤發(fā)電效率,在同等發(fā)電量下減少化石能源使用,必要時(shí)也可考慮近期利用天然氣等碳排放量相對(duì)較低的化石能源替代煤炭[13-14]。

5 結(jié)論

a. 1990—2021年,金磚五國(guó)經(jīng)濟(jì)保持可持續(xù)增長(zhǎng),在全球占比不斷增加,但人均GDP水平較歐美發(fā)達(dá)國(guó)家差距仍明顯,特別是在勞動(dòng)力因素、技術(shù)進(jìn)步等方面仍存在巨大差距。由碳排放量可知,金磚五國(guó)均未實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。

b. 金磚五國(guó)不同資源稟賦導(dǎo)致各組織成員國(guó)用能結(jié)構(gòu)存在較大差異。由于金磚五國(guó)仍處于工業(yè)化發(fā)展中后期階段,能源消費(fèi)量仍處于上升階段,特別是中國(guó)、印度以煤炭為第一消耗能源的國(guó)家,能源消費(fèi)量增加的同時(shí)將面臨更大的碳排放壓力。

c. 通過散點(diǎn)圖對(duì)金磚五國(guó)及美國(guó)的人均碳排放量與人均GDP數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,初步表明,除俄羅斯外,其他四國(guó)均呈現(xiàn)出達(dá)峰前經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與碳排放量的正相關(guān)性,且R2很高,擬合程度較好;美國(guó)在碳達(dá)峰后,隨著人均GDP增加,碳排放量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。上述國(guó)家碳排放量與人均GDP的關(guān)系均符合庫(kù)茲涅茨“倒U字形曲線”假說。

d. 基于STIRPAT評(píng)估模型做線性回歸擬合證明,除俄羅斯外,其他四國(guó)的人口數(shù)量、GDP和電力能源消費(fèi)占比與碳排放量之間存在線性關(guān)系,且擬合程度較高。其中,經(jīng)濟(jì)均對(duì)碳排放量有正向促進(jìn)作用,而清潔電力在能源消費(fèi)占比的提高,則對(duì)碳排放量減少有促進(jìn)作用。應(yīng)考慮采取增強(qiáng)清潔能源在電力供應(yīng)側(cè)占比及提高電力能源發(fā)電效率等措施促進(jìn)各國(guó)碳達(dá)峰盡早實(shí)現(xiàn)。