基于系统动力学的低碳经济发展模式研究：以福建省为例

范太胜

（福州大学阳光学院 工商管理系，福建 福州 350015）

低碳经济是在可持续发展理念指导下，以“低能耗、低污染、低排放”为基础的经济发展模式，是一种实现低碳增长的新型经济发展模式，该模式能真正实现社会经济发展与生态环境保护的双赢局面。在区域经济发展中低碳经济将是各区域经济竞争制高点的关键，低碳经济发展战略将成为各区域经济发展规划的重要导向标。

一、相关文献评述

区域低碳经济发展具有各自的演化轨迹，如何探寻不同区域低碳经济发展的适宜路径和模式，已经成为目前政府和学者趋之若鹜的研究课题。目前国内外学者针对低碳经济的研究主要集中在以下几个方面：一是关于低碳经济发展模式的研究。鲁宾斯德（2005）、张坤民（2009）、闵惜琳（2010）和李锐锋（2012）等认为低碳经济是一种系统性和战略性的经济发展模式[1-2]；贺晟晨（2009）和Toshihiko Na⁃kata(2010)等分别构建了低碳社会的能源系统模型和城市经济环境协调发展系统[3-4]。二是对低碳经济系统关键要素的研究。Shyamal Paul（2004）、G.I·pek Tunc（2009）、孙建卫（2010）和郭朝先（2010）等对碳排放的关键影响因素进行了详细研究[5-8]；Duro J A(2006)、王少鹏（2010）和张友国（2010）等从不同视角研究了碳排放与经济增长的关系[9-11]。三是对低碳经济模型的构建进行研究。谷国锋（2007）、李杰兰（2009）和张圆（2011）等利用SD 模型构建了与经济环境协调发展相关的系统模型[12-14]；谭玲玲（2011）构建了低碳经济发展机制的SD模型[15]。四是关于低碳经济相关系统的政策仿真分析。李勇进（2006）和安贵鑫（2010）等从经济与环境协调发展角度对相关经济环境系统进行了政策仿真分析[16-17]。

目前，学者在低碳经济发展模式研究中主要从低碳经济系统内部关键要素出发，针对影响碳排放的关键要素与碳排放之间的关系进行实证分析。但低碳经济是一个动态的复杂系统，内部存在一定结构和关联性，系统内各关键要素之间关系复杂，因此，利用SD 模型可以有效地模拟低碳经济系统的运行机制，对系统内部的关键系统参数进行调整，可以寻求经济增长与碳排放协调发展的最优低碳经济发展模式，为区域低碳经济发展提供政策依据。

二、区域低碳经济系统内部机制分析

（一）区域低碳经济系统子系统划分

区域低碳经济系统包括能源、经济、社会和环境四个子系统。四个子系统之间相互联系，关系复杂多变。环境子系统主要决定着系统的碳汇能力，社会子系统的人口发展与城镇化水平将影响着环境子系统；能源子系统中的能源消耗取决于人口增长、经济增长、产业结构与产业能源消耗结构，能源消耗的增长对碳平衡产生决定性影响，最终影响环境子系统。经济子系统决定着区域经济的发展水平、能源消耗结构和低碳技术水平，从而对能源子系统产生影响；社会子系统中人口增长、城镇化发展水平和低碳消费意识将直接影响经济子系统和能源子系统。

（二）能源子系统

低碳经济系统中能源子系统是影响碳排放的核心系统，能源消耗和能源利用效率决定着碳排放的增长趋势。目前石化燃料的碳排放占人类活动碳排放的80%以上，是全球温室气体产生的最主要来源，随着经济快速发展，我国各区域能源消耗增长迅速，而且能源消耗结构中化石能源占主导地位，化石能源消耗的高碳排放系数导致我国各区域现阶段碳排放量增长较快。2009年我国已经超越美国成为第一大碳排放国家，碳减排任务日趋艰巨，特别是我国工业行业的能源消耗主要以煤炭为主，能源环境问题十分突出[18]。

（三）经济子系统

经济发展是碳排放的主要驱动因素，在经济发展的不同阶段经济增长与碳排放增长之间存在明显差异，按照环境库兹涅茨曲线（EKC）理论，经济增长与碳排放强度之间呈倒“U”字形曲线关系。区域经济发展初期，经济增长对能源具有强依赖性，经济增长将带来能源消耗和碳排放的高速增长，经济发展到一定阶段后，产业结构调整与低碳技术进步等因素将逐渐提高能源利用效率，区域经济的碳排放水平将逐渐降低。目前学者研究认为经济发展中产业结构调整和低碳技术进步对碳排放的影响最显著。王锋（2010）认为人均GDP增长是我国碳排放增长的最主要驱动因素，生产部门的能源强度是抑制我国碳排放的最重要因素[19]；郑长德（2011）对我国各省的产业结构与碳排放关系进行了实证分析，研究表明经济增长是碳排放增加的主要因素，第二产业对碳排放的影响最大[20]；吴振信(2012)研究结果表明我国产业结构演进和技术进步使得碳排放的总体增速减缓显著，但各省表现呈明显差异[21]。

（四）社会子系统

社会子系统主要通过人口数量增长、人口分布、城镇化水平和生活方式影响着区域低碳经济发展模式。特别是城镇化水平的提高，将直接影响城镇人口数量变化和生活方式的转变，进而通过对区域能源消耗的改变直接影响区域碳排放。国际能源组织的数据表明2010年全球城市的碳排放量占碳排放总量70%，能源消耗67%发生在城市，到2030年城市能源消耗将增加到73%。在城镇化水平较低时期，城镇化率的提高会带来更大规模人口和经济活动的集聚，城市基础设施建设和城市居民能源消耗特征将加快碳排放的增长，这时候城镇化率对碳排放体现更多的是负效应；在城镇化水平较高时期，随着城镇产业结构优化调整升级，城镇整体产出效率的提高，低碳生活方式的改变与技术扩散，将会逐渐降低人均碳排放水平，城镇化率对碳排放体现的正效应关系增强。

（五）环境子系统

人类活动引起地球生态系统中大气CO2浓度的逐渐上升，从而地球生态系统的碳平衡将成为生态环境变化的重要因素。地球生态系统的碳平衡因人类活动逐渐趋向不稳定，地球的碳库包括陆地碳库和海洋碳库，目前陆地碳库受人类影响较大，陆地碳库有森林、草地等，其中以森林为主体，欧盟环保署（EEA）研究认为地球能源消耗的碳排放约有69%被地表植被吸收，森林的固碳能力在全球碳平衡中起着重要作用。低碳经济系统中环境子系统主要是起着碳汇能力的作用，可以抵消碳排放对生态环境系统平衡的破坏，因此提高环境生态系统的碳汇能力和固碳效率至关重要。

三、区域低碳经济系统动力学模型构建

（一）区域低碳经济系统因果反馈分析

系统动力学模型的基本结构是系统的因果反馈结构，根据区域低碳经济系统的内部机制分析，可以绘制出区域低碳经济系统的因果关系流程图（见图1）。

图1 区域低碳经济系统因果反馈关系图

（二）区域低碳经济系统各子系统流图

（1）能源子系统。能源子系统决定着区域低碳经济系统中区域能源消耗总量，区域能源消耗量的变化直接影响区域碳排放量。在该系统中，能源消耗总量由基期能源消耗量和能源消耗变化率决定，能源消耗变化率由能源消耗增长率与能源消耗减少率决定。能源消耗增长率取决于GDP增长率、人口增加对能源消耗的影响和城镇基础设施投入对能源消耗的影响；能源消耗减少率取决于第三产业比例、低碳消费意识对能源消耗的影响和能源消耗弹性系数。能源子系统流图见图2。

图2 区域低碳经济系统能源子系统流图

（2）经济子系统。经济子系统决定着区域能源消耗总量和化石能源消耗比例，从而最终决定着能源子系统的能源消耗总量和环境子系统的碳排放总量。在经济子系统中，产业结构调整通过对GDP 增长率的影响从而影响能源消耗总量，并对第二产业和第三产业的结构比例变化起着一定作用，从而最终决定着化石能源消耗比例的变化。低碳技术的投入逐渐促进低碳技术进步，从而对能源消耗弹性系数产生重要影响。经济子系统与社会子系统之间的相互作用，共同影响着能源子系统中能源消耗量的变化。经济子系统流图见图3。

图3 区域低碳经济系统经济子系统流图

（3）社会子系统。社会子系统通过人口数量的变化和城镇化发展水平的变化决定着能源消耗总量和能源消耗弹性系数。社会子系统中的人口资源属性与经济子系统、环境子系统紧密联系，通过低碳消费意识的变化直接影响着能源消耗弹性系数，因此这里需要考虑人均GDP对低碳消费意识的影响，生态环境因子对低碳消费意识的影响。社会子系统流图见图4。

图4 区域低碳经济系统社会子系统流图

（4）环境子系统。环境子系统最终决定着区域经济系统的碳汇能力，区域经济系统的能源消耗总量取决于能源子系统、经济子系统和社会子系统之间的相互作用，能源消耗总量的增加决定着碳排放量的增加，化石能源消耗比例和低碳消费意识影响着碳排放量减少。环境子系统在区域经济系统中起着碳平衡作用，主要通过森林覆盖率的变化调节区域碳汇能力，降低区域净碳排放量。环境子系统流图见图5。

图5 区域低碳经济系统环境子系统流图

（三）系统参数的确定

根据区域低碳经济系统因果反馈关系，确定福建省低碳经济系统动力学（SD）模型的范围主要涉及能源、经济、社会和环境四个子系统。因此将SD 仿真模型划分为四个模块：能源子模块、经济子模块、社会子模块和环境子模块。能源子模块主要包括能源消耗总量、能源消耗增加率、能源消耗减少率、人口增加对能源消耗的影响、低碳消费意识对能源消耗的影响和能源消耗弹性系数等16个变量；经济子模块包括GDP、GDP 增长率、第二产业比例、第三产业比例、低碳技术进步影响和化石能源消耗比例等23个变量；社会子模块包括人口总量、人均GDP、城镇化率、城镇基础设施投入和低碳消费意识等12 个变量；环境子模块包括碳排放量、森林覆盖率、能源消耗总量增加、碳汇能力增加和生态环境恶化等9个变量。

SD模型系统参数利用《福建省统计年鉴》和《中国能源统计年鉴》1990-2011年历史统计资料取得，对于变量间的不明显关系利用相关统计方法进行计算，某些随时间变化的变量用表函数进行定义描述。

（四）模型有效性检验

模型采用系统动力学VesimPLE5.5 软件进行模拟检验，目的是验证所建立的福建省低碳经济系统SD 模型是否能较好地反映系统的本质特征与运行规律。以1990年为仿真初始年，选取2006-2011年6年数据进行检验，通过系统模拟结果与历史数据比较，检验结果的相对误差介于-4.28%～7.79%，相对误差率不超过8%。因此本模型具有足够有效性，符合系统动力学建模要求，能够用来模拟福建省低碳经济发展的结构状态与演化轨迹，可以通过关键参数的调整与优化进行仿真模拟实验。

四、福建省区域低碳经济系统仿真模拟结果

（一）仿真模式的设定

为了比较在不同政策调整情景下，福建省经济增长与碳排放协调发展之间的变化趋势，本文以建立的SD 模型结构特点和福建省低碳经济系统实际运行情况为依据，根据控制变量的确定原则，最终选择化石能源消耗比例、第二产业比例、第三产业比例、低碳技术进步影响因子和低碳消费意识影响因子5 个指标作为调控变量，设定时间边界为2012-2050年，通过调整各变量或几种变量取值的组合，来模拟福建省低碳经济发展的不同模式，进行调控模拟实验。

本文总结归纳出四种具有代表性的情景模式方案如下：

方案1（维持模式）：保持现有的非低碳经济发展模式不变，对各个控制变量不进行任何调整。

方案2（结构调整优先模式）：产业结构调整和能源消耗结构调整优先、低碳技术进步和低碳消费意识相应调整。

方案3（低碳技术优先模式）：低碳技术进步和低碳消费意识调整优先、产业结构调整和能源消耗结构相应调整。

方案4（系统协调发展模式）：对产业结构调整、能源消耗结构调整、低碳技术进步和低碳消费意识进行综合优化调控。

四种方案中调控变量的参数调整数据见表1。

表1 福建省低碳经济系统SD仿真模拟方案参数调整表

（二）仿真模拟结果分析

方案1（维持模式）：保持现有的发展模式不变，可以看出由于高耗能模式的经济发展导致GDP 在近期保持高速增长，后期GDP增长速率降低明显，到模拟期后期由于能源储量的减少和环境承载力的下降，GDP 增速递减趋势更加明显，碳排放量一直保持高速增长，到2050年尚未达到碳排放高峰，在这种发展模式下很难达到经济发展和碳排放的协调发展（如图6、图7所示）。

方案2（结构调整优先模式）：在产业结构调整和能源消耗结构调整优先的情况下，通过第二产业逐渐向第三产业转移实现产业结构的优化调整，并在产业结构优化同时重视能源消耗结构比例的优化调整；低碳技术进步影响因子和低碳消费意识影响因子随着GDP增长进行相应调整，以保证相适应的优化。在这种模式下GDP的增长速率在调整初期减速较为明显，后期降低速率较缓，如图6、图7所示。这种发展模式下，福建省将在2041年达到碳排放高峰，碳排放高峰时碳排放量为103.53MtC，GDP为11.17万亿元。

方案3（低碳技术优先模式）：低碳技术进步和低碳消费意识调整优先的情况下，碳排放增速的递减速率在近期表现比方案2 较好，但因为第二产业的高耗能因素和化石能源的高碳排放，后期碳排放增速的递减速率比方案2 较差。同时第二产业和第三产业的比例和化石能源比例因GDP增长和低碳技术进步进行了相应的协调变化，由于第二产业的主导地位以及化石能源的高消耗，促使GDP在近期保持较高速的增长，后期因为第二产业比例仍较高导致GDP 增速递减明显，如图6、图7 所示。这种模式下，福建省将在2045年达到碳排放高峰，碳排放高峰时碳排放量为109.97MtC，GDP 为12.61万亿元。

方案4（系统协调发展模式）：该方案是综合考虑到化石能源消耗比例、第二产业比例、第三产业比例、低碳技术进步影响因子和低碳消费意识影响因子5 个指标之间的协调关系，是经过多次仿真模拟得出来的结果，也是方案2和方案3的综合优化方案。可以看出在这种发展模式下，GDP在模拟期内增长递减速率较低，可以实现持续稳定发展，相对其他方案该模式碳排放的增长速率明显低于GDP的增长速率，如图6、图7所示。这种模式可以较快地达到低碳经济系统的均衡协调状态，福建省将在2036年达到碳排放高峰，碳排放高峰时碳排放量为83.78MtC，GDP为9.52万亿元。

图6 GDP增长率模拟曲线

图7 碳排放量增长模拟曲线

综上所述，方案4 是福建省低碳经济的最佳发展模式（见表2），这种系统协调发展模式能够保证GDP 持续快速稳定增长的同时，有效降低碳排放强度，可以尽快到达碳排放高峰，是福建省经济增长与碳排放协调发展的低碳经济最优发展模式。

表2 福建省低碳经济SD系统模拟仿真结果

五、福建省低碳经济发展政策建议

通过对福建省低碳经济系统的SD 模型进行仿真模拟研究，可以寻求经济增长与碳排放的均衡协调发展关系。但仿真模拟的理想结果实现需要系统中各种调控变量能限制在适度可行的范围内，并且变量之间能够保持协调发展关系，因此福建省低碳经济发展要实现经济环境协调下的可持续发展模式需要采取以下系统性政策措施。

（一）优化产业结构与低碳消费意识并行，发展低碳经济模式

福建省目前处于工业化发展阶段，产业结构优化调整在降低碳排放方面作用显著，因此要努力降低第二产业内部高耗能产业的比例，并注重发展能源依赖度低的高新技术产业、战略性新兴产业和现代绿色服务业，从而提升产业结构调整对碳排放减少的正效应。低碳消费意识是推进低碳经济的内在驱动力，只有采用低碳政策引导企业和居民进行低碳消费，做到政府采购低碳、居民消费低碳、企业能源消耗低碳，才能真正促进产业结构优化，克服经济增长驱动的短视行为，真正实现低碳经济模式下的经济持续稳定增长。

（二）调整能源结构与低碳技术发展同步，努力降低碳排放强度

通过提高碳排放强度系数低的能源消耗比例从而调整以化石能源为主的消费结构，可以有效抑制碳排放量的增长速率。今后福建省可以考虑加强清洁能源和可再生能源资源的开发，特别是核电、太阳能、风能、潮汐能和生物质能等新能源的开发，可以逐渐提升低碳能源的消费比例。能源结构变化是一个长期过程，能源效率的提升在能源结构变化的同时对碳排放的抑制将起着比较显著的作用，通过洁净煤炭技术、能源新技术开发和低碳技术创新能力提升将可以提高能源利用效率，实现短期静态能源依赖的碳排放系数降低和长期能源结构变化的碳排放量减少之间的系统平衡。

（三）完善低碳经济发展政策体系，引导实现低碳经济发展的系统协调模式

低碳经济发展需要政府完善低碳发展战略、发展模式、产业政策、能源技术标准、财政税收政策、碳金融和法律保障机制等政策体系，是一个系统工程，不但要有宏观的指导性政策制度，更要有具体的规划方案和政策措施。只有采取有效政策制度和激励措施引导企业和居民进行低碳消费，制定区域可再生能源的发展战略和新能源发展规划，出台具体的限制高耗能产业并鼓励低碳产业发展的产业投资政策，通过政府政策为清洁能源技术发展提供配套支持，激励低碳技术开发和能源技术创新，才能最终实现系统协调下的低碳经济发展模式。

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