科技創(chuàng)新、產業(yè)結構與制造業(yè)碳排放的耦合協調時空演變分析

劉靜，崔蘭花，齊巧玲

（1. 河北工業(yè)大學 馬克思主義學院，天津 300401；2. 河北工業(yè)大學 圖書館，天津 300401；3. 河北工業(yè)大學 人工智能與數據科學學院，天津 300401）

步入“十四五”，中央經濟工作會議將“做好碳達峰、碳中和工作”作為經濟社會發(fā)展的重點任務。黨的二十大報告指出，有計劃分步驟實施碳達峰行動，深入推進能源革命，加強煤炭清潔高效利用，加快規(guī)劃建設新型能源體系，積極參與應對氣候變化全球治理?？梢哉f，科技創(chuàng)新與產業(yè)結構升級是實現碳減排的主要驅動力[1]，同時碳減排目標約束也對科技創(chuàng)新與產業(yè)結構升級轉型形成倒逼作用。而制造業(yè)作為中國工業(yè)經濟增長的主要支撐力，作為京津冀碳排放的重點行業(yè)，在制造強國和經濟高質量發(fā)展的背景下，制造業(yè)的碳減排工作不僅對于綠色制造具有戰(zhàn)略指導作用，而且為實現中國2030 年碳達峰目標提供了重要保障。因此，本文以京津冀為研究對象，準確識別京津冀制造業(yè)碳排放狀況，探尋科技創(chuàng)新、產業(yè)結構與制造業(yè)碳排放三者之間的耦合關系，并據此提出合適的制造業(yè)綠色低碳發(fā)展路徑，這對京津冀落實節(jié)能減排政策、推動制造業(yè)綠色轉型升級以及經濟高質量發(fā)展具有重要的理論意義和現實意義。

1 文獻綜述

目前國內外學者關于碳排放的研究主要集中于以下方面：①有關碳排放的測算。國際上碳排放核算體系分為自上而下和自下而上兩種類型，碳排放的測算方法主要有排放系數法、實測法和物料衡算法，其中排放系數法應用最為廣泛。對于碳排放系數的標準，機構間有所差異，其中比較有影響的機構有政府間氣候變化專門委員會（IPCC）、國家科委氣候變化項目、國家發(fā)改委能源研究所、美國橡樹嶺國家實驗室、日本能源研究所等。國內現有關于碳排放測算方面的研究主要采用IPCC 清單分析法、生命周期法和基于生產線的碳排放測算方法。韓穎等[2]利用IPCC 清單分析法計算了我國鋼鐵工業(yè)碳排放量；尚春靜等[3]、張秀媛等[4]基于生命周期法分別測算了北京地區(qū)低層住宅建筑和公共交通行業(yè)的碳排放；趙建安等[5]以生產線作為實證研究對象來考察水泥生產CO2排放系數，將生料法與熟料法一并進行測算，探討水泥生產減排的方向。②有關碳排放影響因素的研究。EHRLICH 等[6]基于社會經濟視角，通過建立IPAT恒等式來研究人類活動對碳排放的影響。進入21 世紀后，TALUKDAR 等[7]以44 個國家為研究樣本得出第二產業(yè)比重增加會顯著影響碳排放增加的結論，提出產業(yè)結構是影響碳排放的重要因素；ANG[8]提出LMDI（對數平均迪式指數分解）模型，并被廣泛應用于碳排放領域；COLE 等[9]提出產業(yè)結構的不合理是中國低碳經濟發(fā)展的主要屏障。國內學者魯萬波等[10]、劉玉珂等[11]運用LMDI 方法實證研究產業(yè)結構變化對碳排放規(guī)模的影響；原嫄等[12]對碳排放和產業(yè)結構之間的關系做了多國的橫向對比分析，提出第二產業(yè)對碳排放有較大影響，同時碳排放量會隨著產業(yè)結構的變化而變化的觀點；龐慶華等[13]以長江經濟帶為例，從多系統的角度對其碳排放、產業(yè)結構和環(huán)境規(guī)制之間的關系進行了研究。此外，還有學者從外商直接投資[14]、國際貿易因素[15]、碳稅價格和政策[16-17]、產業(yè)投資[18]等角度研究碳排放的影響因素。③有關碳排放與經濟環(huán)境的關系研究。HOLTZ-EAKIN 等[19]通過分析碳排放與GDP 之間的關系得出邊際碳排放隨著經濟的增長呈下降趨勢的結論；DALTON 等[20]運用PET 模型研究了美國碳排放與人口老齡化的關系，認為碳排放會隨著人口老齡化而出現下降的趨勢；寧學敏[21]研究了1988—2007 年中國碳排放量和商品出口之間的關系，得出兩者之間存在長期協整關系的結論；孫耀華等[22]、郭炳南等[23]運用Tapio 脫鉤模型分別對中國和長三角地區(qū)CO2排放與經濟發(fā)展之間的脫鉤關系進行了研究；宋祺佼等[24]以2011 年我國34 個低碳試點城市為例，研究了城市低碳發(fā)展與新型城鎮(zhèn)化的耦合協調關系；曹麗斌等[25]通過分析中國地級市產業(yè)結構與CO2排放的耦合一致性特征，得出四種類型城市第二產業(yè)與碳排放之間存在耦合一致性關系；張翱祥等[26]利用耦合協調模型分別對碳排放效率與產業(yè)結構高級化和合理化的耦合協調度進行了研究，并運用Tobit 模型對其影響因素做了分析。

通過文獻梳理可以看出，國內外學者對碳排放的研究多集中于碳排放自身的影響因素以及產業(yè)結構或科技創(chuàng)新等單一因素與碳排放之間的關系，而缺乏從系統耦合角度對制造業(yè)碳排放的探討。本文的貢獻在于：其一，將科技創(chuàng)新、產業(yè)結構與制造業(yè)碳排放作為一個整體來研究其時空耦合協調演變態(tài)勢；其二，把碳排放研究范圍具體至制造業(yè)，構建了制造業(yè)碳排放與科技創(chuàng)新、產業(yè)結構系統耦合機理，擴展了綠色低碳經濟理論，為實現碳達峰、碳中和目標提供了可借鑒的分析框架。

2 研究方法與指標選取

2.1 研究方法

2.1.1 耦合協調度模型

根據物理學中耦合的概念，本文構造了科技創(chuàng)新—產業(yè)結構—制造業(yè)碳排放耦合模型，以反映三大系統的耦合情況，即：

式中：C表示耦合度，U1、U2、U3分別表示科技創(chuàng)新、產業(yè)結構和制造業(yè)碳排放三大系統的評價指數。但由于耦合度僅表示了科技創(chuàng)新、產業(yè)結構和制造業(yè)碳排放之間的相互作用程度，而無法反映耦合協調水平，在此本文通過建立耦合協調度模型來反映系統間的綜合關系，公式如下：

式中：T表示綜合協調指數；α、β、γ為待定系數，且α+β+γ=1，借鑒龐慶華等[27]、田澤等[28]的研究，最后把α、β、γ的值確定為1/3；D為耦合協調度，取值在0 ～1 之間。本文將三大系統的耦合協調度劃分為四個等級，具體評價標準如表1 所示。

2.1.2 Tobit模型

由于本文測算出的耦合協調度值均在[0, 1]之間，因此采用Tobit 模型對影響科技創(chuàng)新、產業(yè)結構與制造業(yè)碳排放的耦合協調度因素進行分析。Tobit 模型的一般形式如下：

2.2 指標選取

基于相關學者對耦合協調度的研究成果，同時考慮到數據的有效性和可獲得性，本文建立了如表2 所示的三大系統綜合評價指標體系。數據樣本為2010—2019年京津冀13 個地區(qū)的面板數據。原始數據主要來源于《中國能源統計年鑒》（2011—2020 年）、《中國統計年鑒》（2011—2020 年）、《北京統計年鑒》（2011—2020 年）、《天津統計年鑒》（2011—2020 年）、《河北經濟年鑒》（2011—2020 年）。為排除因價格因素對樣本造成的影響，所有涉及價格的變量均按2010 年為基期進行平減處理。

表2 科技創(chuàng)新—產業(yè)結構—制造業(yè)碳排放系統評價指標體系

2.2.1 科技創(chuàng)新

科技創(chuàng)新是區(qū)域經濟發(fā)展的重要推動力，在此主要從科技創(chuàng)新投入和科技創(chuàng)新產出兩個層面來衡量。其中科技創(chuàng)新投入包括R&D 人員全時當量和R&D 經費支出兩個指標；科技創(chuàng)新產出包括發(fā)明專利授權數和技術市場年成交額兩個指標。這四個統計指標均可以從統計年鑒或者統計公報直接獲取。

2.2.2 產業(yè)結構

產業(yè)結構是衡量國家或地區(qū)經濟發(fā)展水平的重要體現，在此主要從產業(yè)結構高級化和產業(yè)結構合理化兩個層面來衡量。產業(yè)結構高級化主要包括第三產業(yè)產值占比和勞動生產率兩個指標；產業(yè)結構合理化用就業(yè)—產值偏離度來衡量。其中，第三產業(yè)產值占比可直接從統計年鑒或統計公報獲取，其余指標均經過二次計算所得。勞動生產率為地區(qū)生產總值與從業(yè)人員數量的比值。就業(yè)—產值偏離度計算公式為：

式中：P為就業(yè)—產值偏離度，用于反映三次產業(yè)就業(yè)與產值結構的差異程度；L為從業(yè)人數；G為地區(qū)生產總值；L1、L2、L3分別為三次產業(yè)從業(yè)人數，G1、G2、G3分別為三次產業(yè)產值。

2.2.3 制造業(yè)碳排放

制造業(yè)碳排放主要從碳排放水平和碳排放效率兩個層面進行衡量。其中，碳排放水平包括人均碳排放量和碳排放強度兩個指標；碳排放效率主要從碳排放經濟貢獻率角度進行衡量。要得到以上三個指標的具體數據，其中碳排放量的計算是關鍵，在此根據碳排放系數法來計算。由于制造業(yè)生產過程主要涉及原煤、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然氣8 種能源投入，因此本文主要根據這八種能源的碳排放量來計算制造業(yè)碳排放量，各種能源對應的標準煤折算系數和碳排放系數主要參考李志國等[29]的研究，具體數據見表3。

表3 8種能源碳排放系數

二氧化碳排放量計算公式采用《IPCC 國家溫室氣體清單2006》中公布的測算方法進行測算，公式如下：

式中：C為碳排放量，i為能源種類，Ci為能源i的碳排放量，Mi為能源i的消費量（萬噸），Ni為折算標準煤系數，ECi為能源i的碳排放系數。根據碳排放量就可以算出人均碳排放量、碳排放強度以及碳排放經濟貢獻率。

式中：GDPj表示j地區(qū)的GDP；GDP表示京津冀的GDP；Cj表示j地區(qū)的制造業(yè)碳排放量；C表示京津冀整體的制造業(yè)碳排放量。若ECCj＞1，則表明j地區(qū)制造業(yè)碳排放經濟效率相對較高；若ECCj＜1，則表明j地區(qū)制造業(yè)碳排放的經濟效率相對較低。

3 實證分析

3.1 耦合協調度時間序列演變分析

從2010—2019 年京津冀科技創(chuàng)新—產業(yè)結構—制造業(yè)碳排放耦合協調度的均值（圖1）可以看出，2010—2019 年京津冀地區(qū)系統耦合協調度水平呈現逐漸上升的發(fā)展趨勢，由2010 年的0.261 上升至2019 年的0.346。從具體地區(qū)來看，在樣本觀測期間北京系統耦合協調度均值最高，為0.574；其次是天津，為0.456；河北最低，為0.250。

圖1 2010—2019年京津冀科技創(chuàng)新—產業(yè)結構—制造業(yè)碳排放耦合協調度時間序列變動趨勢圖

從圖2 可以看出，不同地區(qū)系統耦合協調度變化態(tài)勢以及變動幅度有所差異，其中北京和天津的耦合協調度呈現波動上升的趨勢，由2010 年的0.547 和0.421 波動上升到2019 年的0.619 和0.523，年均增長率分別為1.38%和2.45%；河北各地區(qū)中，石家莊的變化幅度最大，其耦合協調度由2010 年的0.235 上升到2019 年的0.345，年均增長率為4.35%；唐山、邯鄲的耦合協調度由2010 年的0.125 和0.198 上升到2019 年的0.162 和0.264，年均增長率分別為2.91%和3.24%。部分地區(qū)如承德、張家口、秦皇島、保定、滄州、衡水、廊坊和邢臺變化幅度不大。

圖2 2010年和2019年京津冀不同地區(qū)科技創(chuàng)新—產業(yè)結構—制造業(yè)碳排放耦合協調度和年均增長率變動趨勢圖

造成不同地區(qū)時序變動幅度存在差異的原因主要是因為北京和天津產業(yè)結構較為合理，科技創(chuàng)新水平較高，環(huán)境保護力度也在加大，因此推動了系統耦合協調度的發(fā)展；石家莊的科技創(chuàng)新水平相對較高，產業(yè)結構相對合理，可以說科技創(chuàng)新與產業(yè)結構對制造業(yè)碳排放的效應存在較大增長空間，因此耦合協調度變化幅度較大。而唐山和邯鄲，作為重工業(yè)發(fā)展地區(qū)，在工業(yè)化快速推進的過程中，科技創(chuàng)新能力沒有及時發(fā)揮作用，產業(yè)結構還存在不平衡，重工業(yè)發(fā)展模式遺留的結構性問題還需進一步調整，由此導致了唐山和邯鄲系統耦合協調發(fā)展水平不高和增長率不高。

3.2 耦合協調度空間格局演變分析

為了更好地剖析京津冀各地區(qū)科技創(chuàng)新、產業(yè)結構與制造業(yè)碳排放的耦合協調度空間格局演變趨勢，本文運用Mapinfo 軟件，以2010 年和2019 年為時間節(jié)點，對京津冀系統耦合協調度進行了空間可視化處理，如圖3 所示。

圖3 2010年和2019年京津冀科技創(chuàng)新、產業(yè)結構與制造業(yè)碳排放耦合協調度空間格局演變圖

從圖3 可以看出，從耦合協調類型空間演變看，2010年京津冀系統耦合協調度空間格局存在區(qū)位差異，北京和天津處于中度協調階段，河北省各地區(qū)均處于低度協調階段。2019 年京津冀系統耦合協調度空間格局區(qū)位差異有所變化，處于低度協調階段的地區(qū)不斷向中度協調階段躍遷，呈現出以北京為核心的梯度擴散趨勢。其中，北京為第一梯度；第二梯度主要包括天津、石家莊、保定、秦皇島、廊坊、滄州、張家口、衡水和邢臺；承德、邯鄲和唐山則為第三梯度。具體來看，北京由2010 年的中度協調類型躍遷至2019 年的高度協調類型，較高的耦合協調度水平表明北京的科技創(chuàng)新水平和產業(yè)結構優(yōu)化程度為制造業(yè)低碳發(fā)展提供了基礎；處于中級協調類型的地區(qū)增加至9 個，分別為天津、石家莊、保定、秦皇島、廊坊、滄州、張家口、衡水和邢臺，主要原因在于，近年來各級政府在轉變經濟發(fā)展模式、優(yōu)化產業(yè)結構和增強環(huán)境保護力度方面所做的努力。承德、邯鄲和唐山三個地區(qū)耦合協調度變化不大，表明其在系統耦合發(fā)展方面還存在短板，其原因可能是相對于京津冀其他城市而言，承德、邯鄲和唐山在工業(yè)化快速推進的過程中，沒能很好地協調科技創(chuàng)新、產業(yè)結構與制造業(yè)碳排放的關系，對重工業(yè)發(fā)展模式遺留的結構性問題還需要進一步調整。

3.3 耦合協調發(fā)展影響因素分析

為探尋京津冀科技創(chuàng)新—產業(yè)結構—制造業(yè)碳排放耦合協調水平的影響因素，本節(jié)以前面得到的京津冀各地區(qū)耦合協調度作為被解釋變量，以人力資本投入、政策扶持力度、技術進步水平和能源消費結構等相關指標作為解釋變量進行分析。①人力資本投入（HUM）。運用公式HUM=∑LkEk來計算人力資本投入。其中，Lk表示第k種學歷的受教育年限，Ek表示第k種學歷的勞動力與總勞動力的比值。②政策扶持力度（POL）。采用人均政府財政支出來反映各地區(qū)的政策扶持力度。③技術進步水平（REG）。采用專利授權數來反映各地區(qū)技術進步水平。④能源消費結構（ES）。將八種一次能源折算成標準煤，以一次能源消費量中煤炭折算的標準煤所占比重來反映各地區(qū)能源消費結構。在指標選取的基礎上，構建Tobit 回歸模型如下：

式中：Dit表示第i個地區(qū)在第t個時期的耦合協調度，α0為常數項，ρ表示空間自回歸系數，W表示空間權重矩陣，β1、β2、β3、β4為各解釋變量的回歸系數，εit為隨機誤差項。之后運用Stata 軟件對Tobit 模型進行回歸，回歸結果見表4。

表4 耦合協調度影響因素的Tobit回歸結果

從表4 可以看出：①人力資本投入的回歸系數為0.217，且在5%的顯著性水平上顯著，表明人力資本投入與耦合協調度呈顯著正相關。人力投入的增加，會通過技術擴散作用優(yōu)化勞動、資本、能源要素的有效配置，從而促進系統耦合協調度的提升。②政策扶持力度的回歸系數為0.108，且通過了10%的顯著性檢驗，表明政策扶持力度與系統耦合協調度呈顯著正相關。從直接路徑來看，財政支出的增加會加大人力資本存量、提高科技創(chuàng)新能力；從間接路徑來看，財政支出增加會增加政府稅收，在預算軟約束下，政府通過征收“環(huán)保稅”倒逼制造業(yè)碳排放減少。另外，財政支出的增加還會提升市場對生產要素的優(yōu)化配置，使產業(yè)結構趨于合理。③技術進步水平的回歸系數為0.205，且通過了10%的顯著性檢驗，表明技術進步水平與耦合協調度正相關。技術進步是改變系統耦合協調發(fā)展的重要途徑，技術進步水平較大越有利于增加系統耦合協調度。④能源結構的回歸系數為-0.124，未通過顯著性檢驗，表明能源結構與系統耦合協調度呈負相關但不顯著。能源結構不合理，會導致制造業(yè)碳排放的增加，也會影響產業(yè)結構的優(yōu)化，因此，大力調整能源結構是京津冀產業(yè)政策的重點。⑤空間自回歸系數為0.162，且在5%顯著性水平上顯著，表明京津冀系統耦合協調度存在一定的空間溢出效應，因此要利用空間溢出作用，加強示范區(qū)建設，提高系統耦合協調度。

4 結論及建議

4.1 結論

本文以2010—2019 年京津冀13 個地區(qū)為研究對象，運用耦合協調度模型分析科技創(chuàng)新、產業(yè)結構和制造業(yè)碳排放之間耦合協調度的時空演化特征，并運用Tobit 回歸模型分析系統耦合協調度的影響因素，研究結論如下：

（1）從時間序列變化來看，京津冀科技創(chuàng)新—產業(yè)結構—制造業(yè)碳排放耦合協調度均值呈現波動上升的發(fā)展趨勢，但不同地區(qū)系統耦合協調度變化態(tài)勢以及變動幅度有所差異。

（2）從空間格局演變來看，京津冀科技創(chuàng)新—產業(yè)結構—制造業(yè)碳排放耦合協調度存在明顯的空間差異性，北京地區(qū)耦合協調度明顯優(yōu)于其他地區(qū)，河北地區(qū)耦合協調度整體水平有待進一步提升。

（3）從影響因素來看，人力資本投入、政策扶持力度和技術進步水平對京津冀系統耦合協調度均存在正向影響，能源消費結構對系統耦合協調度存在負向影響。

4.2 建議

基于上述研究結論，在國家碳達峰碳中和目標下和京津冀協同發(fā)展戰(zhàn)略持續(xù)推進的大背景下，提出進一步提升系統耦合協調度的對策建議。

（1）提升人力資本存量和質量，加快制造業(yè)綠色轉型升級。從時空演化分析可知，京津冀耦合協調度整體不高，未來仍存在較大的優(yōu)化空間。從影響因素分析來看，人力資本投入對系統耦合協調度影響最大。黨的二十大報告中強調，教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰(zhàn)略性支撐。因此在新發(fā)展理念的指導之下，京津冀各方主體應加強深度合作，進一步加大人力資本投入力度，積極推動制造業(yè)綠色轉型升級。首先，優(yōu)化京津冀人才培養(yǎng)機制。地方政府應加大對人才培養(yǎng)的資金投入力度，增加科技和教育建設的財政支出，鼓勵和倡導企業(yè)加大研發(fā)投入，建立產學研合作服務平臺，加快形成產學研深度融合的人才培養(yǎng)機制，提升人力資本存量。其次，完善京津冀人才政策體系。京津冀一定要充分考慮地區(qū)間的相互關聯性，打破地區(qū)分割和行政利益藩籬，強化政策扶持力度，通過制定京津冀人才協同培養(yǎng)政策和更加有效的人才激勵政策，培養(yǎng)人才的同時留住人才，提高人力資本質量。

（2）加大綠色技術研發(fā)及應用，加速科技創(chuàng)新滲透。從時空演化分析可知，京津冀科技創(chuàng)新—產業(yè)結構—制造業(yè)碳排放耦合協調度存在明顯的空間差異性。從影響因素分析來看，技術進步水平對系統耦合協調度具有正向影響，能源消費結構對系統耦合協調度存在負向影響。因此應加大綠色技術研發(fā)及應用，加強綠色制造體系建設，利用科技創(chuàng)新的優(yōu)勢從兩個維度有序優(yōu)化能源消費結構。在空間維度上，根據不同地區(qū)的實際情況，因地制宜，制定制造業(yè)綠色低碳發(fā)展技術路線。具體來說，張家口、承德應利用科技創(chuàng)新的優(yōu)勢，積極開發(fā)風電技術、開展煤炭清潔利用技術，實現能源清潔化；唐山和邯鄲應重點推進減污降碳技術開發(fā)應用，實施清潔能源替代，推進鋼鐵、化工等行業(yè)的節(jié)能減排改造；在時間維度上，推動新能源占比較高的能源生產企業(yè)、清潔技術占比較高的制造業(yè)等有條件的企業(yè)率先達到減排降碳的目的。

（3）加強生態(tài)文明示范區(qū)建設，引領制造業(yè)綠色低碳發(fā)展。從影響因素分析來看，空間自相關系數對京津冀系統耦合協調度存在顯著正向影響。京津冀應積極推進科技創(chuàng)新—產業(yè)結構—制造業(yè)碳排放耦合協調發(fā)展試點地區(qū)建設，加強生態(tài)文明示范區(qū)建設，引領制造業(yè)綠色低碳發(fā)展。首先，通過資金投入、政策傾斜、技術支持等多種方式，提升試點地區(qū)科技創(chuàng)新能力，優(yōu)化產業(yè)結構，降低制造業(yè)碳排放強度，充分發(fā)揮系統協同減排降碳的重要效果，發(fā)揮空間溢出效應，進而促進系統耦合協調可持續(xù)發(fā)展。其次，應當充分考慮各地區(qū)間的關聯性，從頂層設計的角度合理制定產業(yè)結構規(guī)劃、技術創(chuàng)新方案等，增強京津冀各地區(qū)間的要素流動，切實推進京津冀制造業(yè)綠色轉型升級以及經濟高質量發(fā)展。