城市增长与生活碳排放的理论研究

◎张英杰 霍

一、引言

中国是全球二氧化碳（CO2）排放大国①。最新数据显示，2008年中国碳排放总量达到75.46亿吨，约占全世界碳排放的24%，已经超过美国成为全球第一；尽管中国人口基数较大，其人均碳排放量也已于2008年超过世界平均水平②（图1、图2）。这一事实对我国的碳减排计划形成巨大压力。

图1 2008年全球主要国家碳排放比重

图2 2008年主要国家人均碳排放量（吨/人）

城市是人口、建筑、交通、工业和物流的集中地，也自然成为高耗能和高碳排放的集中地。第二届全球大城市气候峰会公布，全球大城市消耗的能源和温室气体排放量分别占全球总量的75%和80%③。因此，推动城市的低碳发展有利于实现全球范围内的节能减排。我国正处于快速城市化发展的关键时期，宏观经济与能源消耗及碳排放都保持着高速增长，如何促进二者的协调发展，是我国实现可持续发展的核心问题。在这样的背景下，“低碳经济”与“低碳城市”的理念逐渐兴起，并成为社会各界关注的热点。

国内很多学者已经对“低碳城市”的理念与内涵进行了探讨与研究，并从“低碳城市”的发展方式、方法、路径与治理模式等方面，提出了许多有利于中国城市低碳发展的建议（庄贵阳，2007；付允等，2008；辛章平等，2008；吴晓青，2008；刘志林等，2009；戴亦欣，2009）[1]-[6]。相比之下，从经济学的角度，建立计量经济模型探索城市增长的碳排放影响的研究相对较少。此外，从最终消费的角度，城市碳排放可以分为产业和生活两大部分，而目前国内的研究主要集中在产业领域，针对居民生活碳排放的研究也有所不足。尽管生活碳排放占城市碳排放总量的比重相对较小（美国为40%，而中国仅为20%④），但随着第三产业比重的增加与人均收入水平的提高，生活能源消耗与碳排放量也会随之上升；更为重要的是，城市居民的消费模式与生活能源需求的改变，会间接影响产业部门产品与服务的供给，并最终改变产业的能源消耗与碳排放。因此，探究城市的低碳生活模式，不仅有利于减少生活能源消耗与碳排放，更能够推动整个城市的低碳发展。

本文从经济学的研究角度，综述国内外有关城市增长（主要体现为经济增长、人口增长与空间蔓延三个基本特征）与生活碳排放的理论研究成果；并简要介绍当前中国城市生活碳排放的构成及空间分布特点。

二、城市增长与生活碳排放

城市增长往往伴随着经济增长、人口增长和空间蔓延三个基本特征，每一方面都会对城市的能源消耗与碳排放水平产生重要影响。但这种影响并非单方面，而是同时存在着两种相互对冲的作用效果——即规模效应（size effect）和质量效应（quality effect），两种效应的相对强弱，最终决定城市增长对能源消耗与碳排放的综合影响结果（Pfaff,Chaudhuri,Nye，2004[7]）。

城市增长会推动生产和消费规模的扩大，并随之带来更多的能源消耗与碳排放，我们将其称为“规模效应”；与此同时，人们对环境的偏好逐渐上升，加之公共政策激励，生产者和消费者都会更偏好“绿色”的技术、设备和产品，这又会减少能源消耗与碳排放，我们将其称为“质量效应”。在城市增长过程中，质量效应占主导时，城市的能源消耗与碳排放将随之降低，促进城市朝着更加“绿色”的方面发展；反之，当规模效应占主导时，城市的能源消耗与碳排放将不断增加。这种相互对冲的作用效果在城市增长的三个基本特征中均得到充分体现，我们将在后文逐一展开分析。

三、城市经济增长对生活碳排放的影响

1.城市经济增长与生活碳排放的总体关系

描述城市增长与环境质量的经典理论就是“环境库兹涅茨曲线（EKC）⑤”——图3中的倒U型曲线。该理论在描述经济增长与空气污染等城市环境问题的关系时有很好的解释：在城市经济发展的过程中，将由规模效应占主导逐渐转变为质量效应占主导——曲线存在拐点，城市的环境质量随着经济的增长将经历先恶化再改善的过程。

尽管一些国外学者通过实证研究证明了EKC的存在，但该理论在分析碳排放问题时却存在着一定的局限：首先，EKC假设过去的污染物在未来可以消除，但以碳排放为代表的温室气体所产生的环境影响可能是不可逆转的（如大规模的海平面上升而淹没陆地等）；其次，EKC没有考虑酸雨、温室气体等污染物的跨境外部性影响，这些污染物相对于城市内部的空气污染而言，对政府并不具有足够的激励作用。

图3 环境库兹涅茨曲线（EKC）

部分国内学者的研究发现：在中国，经济增长与碳排放之间可能并不存在显著的类似于EKC的二次曲线关系，而是存在S型三次曲线关系（李稻葵等，2009[8]；郑思齐等，2010[9]）。这表明当居民收入较低时，碳排放增长缓慢；在收入水平得到一定程度提高后，碳排放迅速增长直至收入达到较高水平后再逐渐下降（图4）。其中，郑思齐等（2010）发现：目前中国城市几乎全部处于居住碳排放随着收入水平的提高而快速增长的发展阶段（图4中的第二阶段），且造成S型三次曲线关系可能的原因是二氧化碳排放具有较强的全球负外部性，居民对本地二氧化碳排放的感知程度很低。

2.城市经济增长对生活碳排放的增加作用

首先，在微观家庭层面，家庭收入的增加将提高居住和交通碳排放水平。

在居住碳排放方面，郑思齐等（2010）运用计量经济学的方法估计了人均生活用电碳排放的多元线性回归方程，研究发现人均生活用电碳排放的收入弹性是1.447，即人均收入增加10%，人均用电碳排放会增加14.5%——生活用电碳排放要比收入增长更快。这表明家庭收入的增长会提高家庭的居住能耗及相应的碳排放水平。

图4 经济增长与碳排放的S型曲线

在交通碳排放方面，Kahn（2008）[10]针对1996年158个国家的数据的研究发现，汽车拥有量的收入弹性为0.91——人均收入增长10%，汽车拥有率则增长9%以上。一项针对美国都市区家庭的研究同时显示，家庭收入每上涨10%，其年均驾驶里程就会上升14%[10]。这表明，随着家庭收入的增长，私家车的拥有和使用会显著提高，并且表现在私家车拥有率的快速上升和私家车行驶里程的迅速增加两个方面。

其次，在宏观的城市经济层面，Zheng等（2009）[11]针对中国74个主要城市的家庭生活碳排放的研究表明，城市收入水平和碳排放之间存在显著的正相关关系——富裕的城市在用电、私家车、地铁上的碳排放量较高而在出租车上的碳排放量较低。一个可能的解释是在某种能源的使用上存在社会乘数（Social Multiplier）；另外一种解释是富裕的城市建造了需要消耗更多能源的基础设施。

3.城市经济增长对生活碳排放的降低作用

首先，居民在收入不断增加的同时，受教育程度的提高也会促使其更多地关注城市的环境质量——受教育程度越高的人更有耐心和意愿进行有益于环境的长期投资[12]，主动增加对绿色产品的消费，进而刺激产业生产更多的绿色产品，降低城市的整体碳排放水平。

其次，城市经济的增长会保障政府有更充足的资金投入到环保领域，加强对环境的监管与治理。Portney（2003）[13]通过建立一系列的评价指标（包括是否对环保交通措施给予补贴、是否限制停车场的面积等），对比了美国采取不同发展模式的城市数据，发现富裕城市的政府采取环保措施的可能性更大；La Porta（1999）[14]的跨国研究也证实，富裕国家的环境监管制度质量更高。

四、城市人口增长对生活碳排放的影响

城市人口增长对生活碳排放的影响同样是双方面的，二者的相对效应强弱决定着最终的效果。多数的学者更加支持人口增长会导致生活碳排放的增加，而忽视了其可能的对碳排放的降低作用。

1.城市人口增长对生活碳排放的增加作用

第一，城市新增的外来人口在改善自身环境的同时也消耗掉了更多的资源，增加了生活碳排放。Glaeser和Kahn（2008）[15]对美国66个大都市区的研究发现，随着城市人口的不断增加，新增人口的人均碳排放量要高于存量人口，因此城市人口的增加会导致更高的碳排放水平。Zheng等（2009）以国家统计局“2006年中国城市住户调查”（含中国74个主要城市中的25,300个家庭微观样本）的数据为主要基础，估算得出了中国主要城市的家庭生活碳排放水平并且分析了各种影响因素；发现城市人口与用电碳排放、出租车碳排放、公交车碳排放呈显著的正相关关系。

第二，人口增长导致的多样化使城市难以实行环境治理。城市人口的增长不仅增加了城市的规模，也导致了城市文化的多样化。大城市的多元化特征使其更加难于治理，Alesina等人（2003）[16]针对美国城市区域的研究发现：在民族成分复杂的区域，政府对教育、道路和排水系统等的投资较少。

2.城市人口增长对生活碳排放的降低作用

城市人口的增长在一定程度上对生活碳排放有降低作用，主要有得益于大城市的规模经济、集聚优势和多元化的劳动力市场。

第一，大城市可以利用规模经济的优势发展更有利于降低碳排放的“绿色”环保投资（如交通、排水和供水系统）。城市中的许多基础设施工程需要大量的前期投资，其对于新增居民提供服务的边际成本却很低——相比人口散居在许多小城市，人口聚集的大城市的基础设施平均成本更低。

第二，大规模人口的聚集有利于知识溢出和技术进步。大城市作为人口的聚集地，一个突出的优势是借助集聚优势促进产业发展和技术进步，产生更多的科技和政策创新。这些进步与创新会促进清洁技术和新能源的发明和应用，从而有助于降低城市碳排放。

第三，大城市多元化的劳动力市场有利于控制人口的长期增长。多元化经济有利于妇女参加工作，有助于减小家庭规模（Ofek等，1997[17]；Costa等，2000[18]）。从长远角度看来，城市的人口聚集会降低长期的人口膨胀速度——实证研究表明，城市化和人口增长之间存在负相关关系：Arzaghi和Henderson（2005）[19]对110个国家的数据研究发现，国家1965年城市居民占总人口的比例（表征城市化程度的指标），和1965-1995年该国人口增长的百分比之间的相关系数为-0.64。

五、城市空间蔓延对生活碳排放的影响

城市蔓延（urban sprawl）是指居住和就业都向人口密度低的区域转移——正如美国大都市区在二战以后主要的发展都集中在郊区（Pickrell等，1999[20]；Kahn，2000[21]）；1990年，已有78%的美国人口居住在大都市区，而仅有40%的人口居住在都市区的中心城市[22]。城市蔓延对生活碳排放同样有着两种相对的作用效果：在交通和居住两方面都会显著增加生活碳排放；仅在交通方面通过减缓拥堵而降低碳排放。大多数的研究证实，城市蔓延的总体效果将增加城市的生活碳排放。

1.城市空间蔓延对生活碳排放的增加作用

（1）城市空间蔓延对交通碳排放的增加作用

第一，蔓延发展的城市中，私家车的拥有率更高。霍燚等（2010）[23]通过估算北京市38个社区826个居民家庭生活碳排放，并建立计量经济学模型进行影响因素分析，发现家庭随着距城市主中心（天安门）距离的增加，其拥有私家车的可能性显著提高。

第二，蔓延的城市空间会增加私人汽车出行。Bento等（2005）[24]通过建立非集成模型分析城市结构与公共交通的供给对美国114个城市的家庭通勤方式选择与私家车年出行距离的影响，发现城市人口密度越大，居民选择驾车通勤的概率就越低——如果亚特兰大的城市布局可以像波士顿那样紧凑，那么其每年的驾驶量将会减少25%。而从居民出行行为角度，Kahn（2000）[25]的研究发现，规模和收入水平相当的家庭，住在郊区的年均驾驶量比住在中心城市的多31%。

第三，蔓延的城市中居民选择高能耗汽车的可能性更大。美国2001年进行的针对全国家庭旅行调查显示，郊区家庭拥有SUV的比例为19.1%，但中心城市家庭中这一比例为12.1%——即使控制收入水平，郊区居民拥有高耗能和高碳排放水平的SUV汽车的可能性依然高于居住在中心城市的家庭；Fang（2008）[26]的研究也发现居住在高密度地区的居民会更少地选择货车而更多选择小型汽车。

就总体影响效果而言，David Brownstone等（2009）[27]通过建立集成居住密度、车辆使用与燃料消耗的三方面联合模型，利用来自2001年全美家庭出行调查的加州数据，得出了更加严谨的理论分析结果——居住密度上每平方英里减少1000人（其研究样本均值的40%左右），家庭就会增加1200英里的车辆出行距离（4.8%）以及65加仑的燃料消耗（5.5%）——其中45加仑是因为出行距离的增加所致，而额外的20加仑油耗是因为居住密度对所选择车辆类型的间接影响。在国内，Zheng（2009）对中国城市的研究也发现人口密度与出租车碳排放、公交车碳排放呈显著负相关关系：平均每平方公里增加1000人，会减少家庭出租车碳排放0.424吨，减少公交车碳排放0.837吨。

总之，城市空间蔓延总体将增加交通碳排放；如果能够更加倾向于高密度的紧凑发展，就会减少更多的交通碳排放。但要注意的是这种作用效果可能并不显著——居住密度提高40%，也只能降低大约5.8%的交通燃料消耗。而且，提高居住密度40%的情况本身也较难实现——在Bryan等（2007）[28]针对美国建立的历史数据库中可以发现，1950到1990年间，美国456座城市中只有30个人口密度增长超过了40%。但是，对于正在快速城市化的中国而言，注重城市的高密度发展十分必要——目前中国城市总数为661个，城镇人口5.6亿；根据预测，到2020年，中国的城市化率将到达58%-60%，届时中国的城市人口将到达8亿到9亿[29]；如果能够抓住我国当今这一关键的机遇期，提前规划，用“紧凑发展”取代“蔓延”，依然能够降低可观的潜在碳排放。

（2）城市空间蔓延对居住碳排放的增加作用

城市空间蔓延对居住碳排放的影响主要通过影响居民的住宅选择（类型与面积）行为以及城市“热岛效应”改变城市温度而实现的——两种途径作用方向一致，都会增加居住碳排放，但前者的影响作用更大（房屋因素的影响达到了20%，而热岛效应则不足2%）[30]。

首先，城市空间结构影响居民对住宅面积和类型的选择行为。第一，在住宅的面积方面，蔓延的城市中人们更倾向于居住更大面积的住宅，进而导致人均土地消耗量增加。美国房地产专题数据库的数据显示，在同一个都市区且收入相同的人群中，郊区业主比中心城市业主的外部空间大35%，室内空间大6%；Glaeser和Kahn（2008）的研究也证实，同样收入水平的家庭在郊区会拥有更大面积的住房，并由此消耗更多的生活能源而产生更多的碳排放。第二，在住宅的类型方面，蔓延的城市空间会促进人们选择独立的房屋（比如郊区别墅）而非单元房，独立住宅更大的暴露面积，就意味着与外界有更多的热交换，导致消耗更多能源以维持其内部温度。二者都会导致居住碳排放的增加。

Reid Ewing和Fang Rong（2008）[30]针对美国城市的实证研究表明，蔓延的城市中房屋面积要多出23%；在房屋类型的选择上，密集的城市中居民选择连体式住宅的概率是蔓延发展城市中的7倍。同时，大而独立的房屋比连体房屋更耗能——夏季制冷多耗能54%，冬季取暖多耗能26%；面积越大，耗能越大——2000平方英尺的房屋比1000平方英尺夏季多耗能16%，冬季采暖多耗能13%。所以城市蔓延将促使居民选择更大而独立的住宅，大幅度提高了居住碳排放。

其次，城市空间结构通过改变“热岛效应”影响城市温度。

城市“热岛效应”（Urban Heat Islands）是指因为城市大规模人口与活动的聚集将会造成城市地区的温度比周边郊区高出1°C到3°C（Rosenfeld等，1995[31]）。而且，城市规模和密度越大，这种城市和周边郊区之间的温差就会越大（Hogan等，1998；Park，1986；Torok等，2001）[32]-[34]。城市的温度正是影响居住碳排放的一个非常重要的因素：对中国城市而言，一月温度上升8.66度会减少家庭0.29吨二氧化碳排放，且气候条件越适宜的城市（表现为一月气温较高而七月气温较低），其居民生活能耗与碳排放越少。

“热岛效应”对城市温度的提升意味着夏季制冷能耗和碳排放的增加，而冬季采暖能耗和碳排放相对自然情况则有所降低。Reid Ewing和Fang Rong（2008）的实证研究发现，这种升温的总体效果是降低了居住碳排放（所节约的冬季取暖能耗是增加的夏季制冷能耗的两倍以上）；所以，紧凑型城市的“热岛效应”有助于降低居住碳排放。

2.城市空间蔓延对生活碳排放的降低作用

相对于城市蔓延对交通和居住碳排放的增加而言，城市空间的蔓延对生活碳排放的降低作用非常有限，仅仅体现为郊区化发展减缓了原本单中心城市中的交通拥堵情况，减少了拥堵产生的碳排放。Kahn（2009）[35]利用美国100个都市区的居民出行调查数据研究了美国城市居民的平均通勤时间与距离CBD距离之间的关系，对比100个都市区的平均情况与主要三个大城市（芝加哥、洛杉矶、纽约）之间的差异，发现居住和就业的郊区化让大城市居民的通勤时间不再像城市平均水平那样随着距CBD距离的增加而单调增加，而是在距离CBD 8到20英里的范围内通勤时间变短。

六、中国城市生活碳排放构成及空间分布特点

1.中国城市生活碳排放的构成

从最终使用的角度看，碳排放可以分为产业、居住和交通（含产业交通和居民交通）三个主要组成部分。而城市居民生活碳排放主要包括居住与居民交通两部分：其中，居住碳排放主要包括生活用电、冬季供暖和日常炊事（包括三种主要燃料：煤炭，煤气和液化石油气）所产生的碳排放；居民交通碳排放包括私人交通（私家车、出租车）和公共交通（公共汽车、轨道交通），如图5所示。

图5 城市居民生活碳排放构成

郑思齐等（2010）对1999－2006年我国254个地级及地级以上城市（市辖区部分）的居住碳排放进行了测算⑥。在居住碳排放总量的构成方面，我国北方城市和南方城市差异较大。北方城市居住碳排放主要由生活用电与冬季供暖两个部分组成，分别占居住碳排放总量的46.0%和47.2%，而日常炊事产生的碳排放仅占14.5%，比重较小；南方城市由于夏季温度偏高，因此居民往往更多使用空调进行制冷，故生活用电产生的碳排放量较大，占居住碳排放总量的84.9%，而南方城市不存在冬季集中供暖，因此该项数值为零，南方城市日常炊事产生的碳排放仅占15.1%，比重较小。

图6 2006年中国北方城市（左）及南方城市（右）居住碳排放构成

2.中国城市生活碳排放的空间分布特点

图7 显示了我国城市在居住碳排放方面的空间分布特点。从人均值来看，由于北方城市冬季供暖，其人均居住碳排放要略高于南方城市（北方城市人均居住碳排放为0.642吨/人，是南方城市人均居住碳排放的1.7倍）。另外，沿海城市的人均居住碳排放也明显高于内陆城市，这是因为沿海城市经济较为发达，人均收入水平较高，因此人均能源消耗量也比较高。

图7 2006年中国城市居民人均居住碳排放空间分布

七、结语

在全球气候变暖的大背景下，中国城市增长的模式亟需从高污染、高能耗的高碳方式向环保可持续的低碳方式转变。对于正处于快速城市化关键时期的中国而言，城市的经济增长与人口的不断增加是现阶段的客观现实和突出特点。但由政府规划所控制的城市的空间结构，则能够通过影响居民的行为，显著地改变城市的生活碳排放水平。因此，对于国内研究者而言，从城市空间的角度研究城市居民的生活碳排放问题也有着十分突出的现实意义：紧凑型的低碳城市空间的构建，必将成为我国发展低碳城市、降低城市生活碳排放水平的有效措施和关键手段。

注释：

① 碳排放包括二氧化碳和其他碳化物，其中二氧化碳占主体，也是导致全球变暖的主要成分。故本文中的“碳排放”主要指二氧化碳。

② 中国政府目前尚未公布2008年的二氧化碳排放量数据，但已经有许多国际机构对此进行了估算。从历史数据来看，其估算结果与中国政府公布的结果相差不大，因此本文引用了BP（英国石油公司）、USGS（美国地质勘探局）和WTA（世界钢铁协会）的二氧化碳估算数据。

③ 2007年5月14日，第二届全球大城市气候峰会在美国纽约举行，全球46个大城市的市长或市长代表参加峰会，讨论应对全球气候变化的举措，并同时公布上述数据。

④ Glaeser和Kahn（2008）的研究显示，美国城市居民生活碳排放已经占城市碳排放的40%。郑思齐，王锐，Kahn和Glaeser（2009）的林肯土地政策研究院工作报告“The Greeness of China:Household Carbon Dioxide Emissions and Urban Development”中表明：中国城市居民生活碳排放占城市碳排放总量的20%。

⑤ 1995年，格罗斯曼和克鲁格利利用全球环境监测系统数据库中二氧化硫和悬浮颗粒的跨国数据，回归得到了EKC的倒U型形状；他们指明，倒U型曲线的顶点——即环境改善的收入拐点——应该在6000～8000美元之间，这一数据也成为了后来的研究者衡量环境污染的基础。

⑥ 限于数据所得，该研究中没有测算城市居民的交通碳排放。但考虑到：1.交通碳排放占我国城市居民生活碳排放的比重较低，约9%（Zheng,2009）；2.该研究的样本城市数量众多，能够更加全面地展现我国城市的生活碳排放现状，所以选择该研究的结论进行简介。

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