双强度约束下行业低碳经济增长路径优化研究

公维凤 王传会 周德群 曾昭鹏

（1.南京航空航天大学经济与管理学院，江苏 南京 211106;2.南京航空航天大学能源软科学研究中心，江苏南京 211106;3.临沂大学商学院，山东临沂 276000）

为了应对国际减排压力和适应国内经济发展方式的转变，“十二五”规划指出要放慢经济增长速度，提高服务业增加值比重，大幅降低能耗强度和CO2排放强度，优化能源消费结构等。如何在实现经济增长的同时，尽可能地降低节能减排成本，提高能源利用效率，优化能源消费结构，寻找最优的经济增长和节能减排道路，是关系发展全局的重大战略问题。

许多学者对中国节能减排目标实现与经济增长路径选择进行了研究。在减排成本方面，王灿等［1］认为重工业、电力、煤炭部门是减排成本相对较低的行业，且随着减排率的提高，所有部门成本急剧上升。范英等［2］认为采掘业、石油行业、化学工业、金属冶炼等高排放部门是实现减排较有潜力的部门。陈诗一［3］认为开始减排确实会造成较大的潜在生产损失，但这种损失会逐年降低，最终将低于潜在产出增长，双赢可期。在节能减排目标实现方面，原毅军［4］认为调整经济增长方式和产业结构，可在保持发展经济的同时，实现节能减排目标。林伯强等［5］认为提高能源效率是减排的主要途径，且对经济增长具有拉动作用。王锋等［6］发现经济高速增长情景中的能源结构优化对实现碳强度目标的贡献潜力最大。在碳排放脱钩方面，李忠民等［7］发现改革开放以来CO2与经济发展之间总体处于弱脱钩状态。彭佳雯等［8］认为全国经济增长与碳排放脱钩主要是由经济与能源脱钩造成的，总体碳减排技术水平较低，对经济与碳排放脱钩贡献有限。

已有文献存在以下不足:①以上文献均侧重于碳减排单目标的实现研究，而对于如何实现“十二五”规划中提出的能耗强度和CO2排放强度的双重目标的研究很少;②只分析了CO2排放与经济增长之间的脱钩状态的历史变化趋势，但没有研究在节能减排约束下未来产业结构、能源消费结构、能源利用效率等因素变化对碳排放脱钩状态的影响。为了弥补这些不足，本文结合参数规划和多目标规划的思想，将“十二五”规划中的全国能耗强度、CO2排放强度、产业结构优化等约束条件纳入到同一个框架中，分别建立行业低碳经济增长的常参数多目标优化模型和变参数优化模型。利用所建模型，能够在全国能耗强度和CO2排放强度的约束下，分析行业能耗强度和一次能源消费结构的调整对经济增长路径的影响;并进一步预测全国及各行业的能源消耗、CO2排放与经济增长之间的脱钩状态，以期为“十二五”期间的节能减排政策提供针对性建议。

1 双强度约束下低碳经济增长多目标优化模型

在保持经济增长同时，尽可能地减少能源消耗和CO2排放。我国正处于快速工业化阶段，发展经济仍是今后很长一段时间内的首要任务。因此，全国经济增长应该放在第一位，能源消耗放在第二位，CO2排放放在第三位。赋予经济增长目标优先因子P1，赋予能源消耗目标优先因子 P2，赋予 CO2排放目标优先因子 P3，且 P1＞＞ P2＞＞ P3。一般地，多目标优化模型中的约束条件分为目标约束条件和绝对约束条件。本文模型中的目标约束条件为全国经济增长约束，全国能源消耗约束和全国CO2排放约束;绝对约束条件为产业结构扩张约束和各行业经济增长扩张约束。

1.1 常参数多目标优化模型

（1）三个目标函数。本模型中有最大化全国经济增长、最小化全国能源消耗和最小化全国CO2排放三个目标。

1.2 调整行业能耗强度的变参数多目标优化模型

在常参数多目标模型Ⅰ中，分析期内的各行业能耗强度是一个固定参数，其估计值只是未来可能发生的一种情况，而未来各行业能耗强度是一个变量。要分析各行业能耗强度在其估计值基础上的调整方向和调整幅度，以及各行业能耗强度的变化对经济增长和产业结构优化的影响，需建立行业能耗强度为可变参数的多目标优化模型Ⅱ:

1.3 调整能源消费结构的变参数目标优化模型

1.4 双调整的变参数多目标优化模型

2 情景假设与参数标定

2.1 情景假设

本文建立的四种模型分别对应着以下四种情景。

（1）三目标情景Ⅰ。同时以最大化国内生产总值、最小化能源消耗和最小化CO2排放为目标。假设2010－2015年全国能耗强度和CO2排放强度的降低幅度分别不低于16%和17%;各行业能耗强度的变化趋势与2005－2010年一致;生活用能年均增长率与2005－2010年相同;能源消费结构遵循无后效性的历史演变趋势;三大产业结构的扩张约束在无后效性演变基础上进行初步调整，其中服务业占国内生产总值的比重不低于47%;各行业增加值的增长速度的下限和上限分别以2005－2010年各行业增加值年均增长率为基础进行适当地减小和增大。

（2）调强度情景Ⅱ。在情景Ⅰ基础上，调整各行业的能耗强度。假设2010－2015年各行业能耗强度的降低幅度，在以2005－2010年各行业能耗强度降低率为中心的某一个范围内变化，其他参数均与情景Ⅰ相同。

（3）调结构情景Ⅲ。在情景Ⅰ基础上，调整一次能源消费结构。假设2010－2015年中国一次能源消费结构，在遵循2005－2010年无后效性演变的基础上进行适当调整，其他参数均与情景Ⅰ相同。

（4）双调整情景Ⅳ。在情景Ⅰ基础上，同时调整各行业能耗强度和一次能源消费结构。假设2010－2015年各行业能耗强度的降低幅度，在以2005－2010年各行业能耗强度降低率为中心的某一个范围内变化;假定2010－2015年能源消费结构，在遵循2005－2010年无后效性演变的基础上进行适当调整，其中非化石能源占总能源的比例满足“十二五”规划中不低于11.4%的要求;其他参数与模型Ⅰ相同。

2.2 数据来源与参数标定

所用数据来源于2011年《中国统计年鉴》和《中国能源统计年鉴》。将所有部门划分为六大行业和一个生活部门:农林牧渔业、工业、建筑业、交通运输和仓储邮政业、批发零售和住宿餐饮业、其他行业和生活部门。样本期为2005－2010年，分析期为2010－2015年。从2011年《中国统计年鉴》中可计算2005－2010年全国及各行业增加值（2010年不变价），从2011年《中国能源统计年鉴》中可得2005－2010年各行业及生活能源消耗量，进而可计算2005－2010年各行业能耗强度及其降低率和生活用能年均增长率。

根据样本期内各行业能耗强度的数据个数较少且均为正数等特征，可利用灰色理论中的GM（1，1）模型来预测2015年各行业的能耗强度，进而可计算2010－2015年各行业能耗强度的降低率。各行业能耗强度的变化范围是根据2005－2010年各行业能耗强度的具体变化情况而确定的。已知2010年生活用能量为34 557.94万t标准煤，2005－2010年生活用能年均变化率约为0.064 3，假设2010－2015年生活用能年均变化率与2005－2010年相同，可预测2015年生活用能约为47 193.49万t标准煤。

分无能源规划约束和有能源规划约束两种情况，来预测未来中国一次能源消费结构。无能源规划约束是为了确定常参数多目标优化模型中的各种一次能源消费比例在分析期的标定值，有能源规划约束是为了确定调整能源消费结构的变参数多目标优化模型中的各种一次能源消费比例在分析期可能的变化范围。无能源规划约束对应着三目标情景Ⅰ中的“能源消费结构的演变遵循无后效性的历史变化规律”假设。有能源规划约束对应着调结构情景Ⅲ和双调整情景Ⅳ中的“在情景Ⅰ基础上，调整一次能源消费结构”的假设。

表1 优化模型中部分参数标定Tab.1 Calibration value of some parameters in the programming models

（1）无能源规划约束的能源消费结构预测。若不考虑中长期能源发展规划，而仅基于过去2005－2010年能源消费结构的自然演变规律，来预测未来2015年的自发变化状态，可采用马尔可夫链预测分析法。本文把此情景称为“无能源规划约束情景”。

其中，主对角线上的元素为保留概率元素，表示四种能源消费保持原有份额的概率。主对角线以外的元素概率为转移概率:每行中除保留概率元素外的其他元素为转移概率元素，表示该种能源消费份额向其他能源转化的概率，且每行元素之和等于1;每列中除保留概率元素外的其他元素为吸收概率元素。

利用马尔可夫链模型来预测能源消费结构的基本思路为:首先，根据样本期内每年的能源消费结构及其状态变化，来确定每步状态转移概率矩阵，然后求出平均转移概率矩阵P=［P（1）·P（2）…P（n）］1/n，再预测未来m时刻能源消费结构S（n+m）=S（n）Pm。

本文采用王锋等提出的方法［11］，计算出2005－2010年一次能源消费结构的平均转移概率矩阵为:

由 S（2010）=［0.680 627，0.189 720，0.043 549，0.089 104］，可预测2015年能源消费结构为S（2015）=［0.654 446，0.181 823，0.060 542，0.103 189］。

可见，在无能源规划情景中，2015年煤炭和石油的消费比例均有不同程度的下降，其中煤炭下降幅度较明显，天然气和水核风电均有不同程度的上升。说明，若2010－2015年能源消费结构按2005－2010年的演变趋势变化，则一次能源消费结构的优化程度较明显，只是非化石能源的消费比例为10.32%，没有达到“十二五”规划中不低于11.40%的要求。

（2）有能源规划约束的能源消费结构调整。在无能源规划情景基础上调整能源消费结构，使非化石能源的消费比例不低于11.40%。若2010－2015年水核风电的消费比例的增加仅由煤炭的消费比例的减少来补充，石油和天然气的消费比例的变动依然保持过去调整的基本趋势，则2015年煤炭、石油、天然气、水核风电的消费比例分别为64.36%、18.18%、6.05%、11.40%。而实际上，水核风电的消费比例的增加可能同时由煤炭、石油和天然气的消费比例的减少来补充，所以，有能源规划约束情景可假设为:在仅以煤炭比例的减少来补充水核风电比例的一次能源消费结构的基础上，对各种能源的消费比例进行适当地调整。煤炭比例的下限为仅以煤炭比例的减少来补充水核风电比例时对应的煤炭比例64.36%，水核风电比例的下限为11.40%，石油和天然气比例的下限分别在无能源规划约束的比例上降低2%，例如石油下限为18.18%×（1－2%）=17.82%。煤炭、石油和天然气比例上限均在无规划约束的比例上提高2%，例如煤炭上限为64.36%×（1+2%）=66.75%;水核风电比例上限在11.4%基础上提高2%。此情景称为“有能源规划约束情景”。

本文比较了国内外相关权威机构（DOE/EIA，日本能源经济研究所，国家发改委能源所，国家科委气候变化项目等）公布的各种能源的碳排放系数，最终取其平均值作为各能源的碳排放系数，由CO2与碳之间的分子比值，可计算煤炭、石油、天然气的CO2排放系数分别为2.687 3、2.043 7、1.549 6 t/tce。

3 经济增长与节能减排路径优化分析

将相关数据带入各种多目标优化模型，可得各情景中，各行业经济增长、能源消耗、CO2排放的优化路径，进而可得产业结构和能源消费结构的优化结果。

3.1 行业增加值优化结果分析

从各行业增加值的增长速度看（见表2），在三目标情景Ⅰ中，农业、工业和建筑业的经济增长速度取其扩张约束的下限值，交通运输和仓储邮政业、批发零售和住宿餐饮业、其他行业的经济增长速度取其扩张约束的上限值。说明，当“十二五”期间的各行业能耗强度的变化趋势与“十一五”期间一致，能源消费结构遵循无后效性的演变趋势时，若在保证经济增长的同时尽可能地减少能源消耗和CO2排放，则对交通运输和仓储邮政业、批发零售和住宿餐饮业、其他行业的经济增长较有利，而对农业、工业和建筑业的经济增长较为不利。尤其是对石油加工业、化学工业、金属冶炼及压延业等高耗能、高排放行业的经济增长较为不利，这就意味着，在各行业能耗强度和CO2排放强度一定的情况下，要减少全国能源消耗和CO2排放，就必须减缓这些高耗能、高排放行业的经济增长速度。

情景Ⅱ与情景Ⅰ相比，农业和建筑业的经济增长速度由 3.972 1%、12.740 2% 提高到4.683 0%、15.440 0%，其他的行业的经济增长速度无明显变化。此外，农业、交通运输仓储邮政业、批发零售住宿餐饮业的能耗强度均进一步降低，工业和建筑业的能耗强度均略有上升。也就是说，进一步加强农业、交通运输仓储邮政业、批发零售住宿餐饮业能耗强度的降低幅度，或减缓工业和建筑业能耗强度的降低幅度，对促进农业和建筑业的经济增长较为有利，对其他的行业的经济增长的促进作用不太明显。

情景Ⅲ与情景Ⅰ相比，金融业、房地产业等其他行业的经济增长速度均有所下降。此时能源消费结构得到优化:煤炭、石油、天然气的消费比例均有不同程度的下降，水核风电的消费比例为11.4%，达到了“十二五”规划中对非化石能源消费比例的要求。情景Ⅳ与情景Ⅰ相比，房地产业、金融业等其他行业的经济增长速度均有所减慢，其他所有行业的经济增长变化不大。与情景Ⅱ相比，农业和建筑业的经济增长速度有所减慢，其他所有行业的经济增长速度无明显变化。与情景Ⅲ相比，行业经济增长速度无明显变化，但工业和建筑业的能耗强度降低幅度有所减少。

表2 2010－2015年各行业增加值优化结果Tab.2 Optimal results of added value of all industries form 2010 to 2015 %

从各行业增加值比重上看，各种情景中，第一产业的比重均在7% －7.5%之间，第二产业的比重均在45.5% －45.9%之间，第三产业的比重均在47% －47.2%之间。说明“十二五”期间，第一产业和第二产业的比重均有所下降，其中农林牧渔业和工业的增加值比重下降幅度较大;第三产业比重均能达到“十二五”规划的要求，但进一步上调的潜力不大。

3.2 全国及各行业能源消耗优化情况

在三目标和调整能源消费结构两种情景中，2015年各行业的能耗强度是一个预测的固定值。而在调整行业能耗强度和双调整两种情景中，各行业的能耗强度在一定的范围内变化，是一个可变参数。当各行业的增加值得到最优分配时，各行业能耗强度的最优取值亦得到确定。优化结果显示，在调整能耗强度情景中，各行业能耗强度的最优降低幅度分别为 0.125 5、0.215 4、0.096 3、0.059 1、0.262 5、0.120 0。与三目标情景相比，农业、交通运输和仓储邮政业、批发零售和住宿餐饮业的能耗强度，进一步降低了1.40、0.85、4.83、3.35 个百分点，工业和建筑业的能耗强度进一步上升了0.42、0.90个百分点。这说明，农业、交通运输和仓储邮政业、批发零售和住宿餐饮业的能耗强度还有进一步下降的潜力，工业和建筑业的能耗强度进一步下降的压力较大，甚至可能出现反弹。在双调整情景中，各行业能耗强度的最优降低幅度分别为0.111 5、0.212 6、0.090 0、0.050 6、0.214 2、0.086 5。与三目标情景相比，工业和建筑业的能耗强度进一步上升了0.7、1.54个百分点，比仅调整行业能耗强度情景中上升的幅度还要大，其他的行业的能耗强度的下降幅度没有变化。说明优化能源消费结构能够减缓工业和建筑业能耗强度的降低压力。

各行业增加值乘以能耗强度可得各行业的能源消耗量，进而可计算2010－2015年各行业能源消耗增加量和年均增长率（表略）。

从能源消耗增加量看，在各种情景中，工业、交通运输和仓储邮政业等行业的能源消耗增加量较大，农业和建筑业的能源消耗增加量较小。从能源消耗年均增长率看，批发零售和住宿餐饮业、其他行业和建筑业的能源消耗增长率最大，农业和工业的能耗增长率较小。对于每个行业来说，能源消耗增加量与年均增长率的变化趋势是一致的。农业和建筑业的能源消耗增加量在调整强度情景中均最大，在其他情景中均较小。工业的能源消耗增加量在双调整情景中最大，这是由此情景中的工业能耗强度较大造成的。交通运输和仓储邮政业、批发零售和住宿餐饮业的能源消耗增加量在调整强度情景中均最小，在其他情景中均较大。房地产业和金融业等其他行业的能源消耗增加量在调整能源消费结构和双调整两种情景中最小，在其他情景中较大。

3.3 能源消费结构与CO2排放优化结果分析

由全国能源消耗量与一次能源消费结构，可计算全国CO2排放量。各种情景中全国一次能源消费结构和CO2排放情况见表3。

表3 一次能源消费结构和CO2排放优化结果Tab.3 Optimal results of energy consumption structure and CO2emissions

由表3可知，前两种情景中的能源消费结构均是按无能源规划约束预测的固定值，后两种情景中的能源消费结构在有能源规划约束范围内进行优化调整，与无规划约束情景相比，煤炭的消费比例由65.444 6%降至64.845 8%，石油的消费比例由18.182 3%降至17.818 6%，天然气的消费比例由6.054 2%降至5.935 6%，水核风电的消费比例由10.318 9%升至11.4%，说明水核风电的消费份额的增加是由煤炭、石油和天然气的消费份额的减少共同实现的，其中煤炭的消费比例下降幅度最大，天然气的消费比例下降幅度最小。

总体上看，各种情景中的CO2排放均能得到较好的控制，其中在调整能源消费结构情景中的全国CO2排放量最小，说明优化能源消费结构对减少全国CO2排放的促进作用是非常明显的。

若在三目标情景基础上调整行业能耗强度，全国CO2排放量增加了2 607万t，但获得了7 817亿元的经济效益，即边际增排成本为2.998万元/t，这是由工业和建筑业能耗强度下降幅度的减小和建筑业经济增长速度的提高共同造成的。若在三目标情景基础上优化能源消费结构，则全国CO2排放量减少了12 044万t，但损失了9 640亿元，即边际减排成本为0.800万元/t。若在三目标情景基础上同时调整能耗强度和优化能源消费结构，则工业和建筑业能耗强度的降低幅度有所减少，全国CO2排放量减少了5 956万t。说明优化能源消费结构不仅能够有效地减少全国CO2排放，而且能够缓解工业和建筑业能耗强度的降低压力，但是需要付出一定的经济代价。

3.4 能耗、碳排放与经济增长之间的弹性脱钩分析

本文基于历史数据，利用所建优化模型，来预测各情景中全国及行业能源消耗、CO2排放与经济增长之间的脱钩状态。采用Tapio［9］弹性脱钩指标，将CO2排放与经济增长之间的脱钩弹性分解为:

其中 e（CO2，GDP）、e（E，GDP）和 e（CO2，E）分别为 CO2排放弹性系数、能耗弹性系数和能源碳排放弹性系数。

从全国层面看，2015年全国能耗弹性系数、CO2排放弹性系数在各种情景中均处于0－0.8之间（其中0.8为弱脱钩状态与增长连接状态的临界值，系数越小脱钩程度越大），说明全国能源消耗与经济增长、CO2排放与经济增长之间均处于弱脱钩状态，意味着经济增长、能源消耗与CO2排放之间将更协调发展。2015年全国能源碳排放弹性系数在0.8－1.2之间（其中1.2为增长连接状态与扩张负脱钩状态的临界值，系数越大增长连接程度越大），表示能源消耗与CO2排放之间处于增长连接，这是由中国能源消耗以化石能源为主所致。但两者之间没有处于扩张负脱钩状态，说明各种情景中的能源消费结构均比2010年更加清洁。

从表4可知，全国能源消耗与经济增长之间的弱脱钩程度在调整行业能耗强度情景中最强，全国能源消耗与CO2排放之间的增长连接程度在调整能源消费结构情景中最强，全国CO2排放与经济增长之间的弱脱钩程度在调整能源消费结构情景中最强。说明提高行业能源效率比优化能源消费结构更能促进全国能源消耗与经济增长之间的脱钩;提高行业能源利用效率和优化能源消费结构均能促进全国能源消耗与CO2排放之间的脱钩;优化能源消费结构比提高行业能源利用效率更能促进全国CO2排放与经济增长之间的脱钩。

从行业层面分析能源消耗与经济增长之间的脱钩状态（表略），在各种情景中，农业、工业、批发零售和住宿餐饮业的能耗弹性系数均在0－0.8之间，说明这些行业的能源消耗与经济增长之间处于弱脱钩状态;建筑业、交通运输和仓储邮政业、其他行业的能耗弹性系数均在0.8－1.2之间，说明这些行业的能源消耗与经济增长之间处于增长连接状态。从每个行业来说，农业和建筑业在调整行业能耗强度情景中的脱钩程度较弱，在其他情景中的脱钩程度较强。工业在三目标情景和调整能源消费结构情景中的脱钩程度较强，在其他两种情景中的脱钩程度较弱。交通运输和仓储邮政业、批发零售和住宿餐饮业、其他行业在调整行业能耗强度情景中的脱钩程度较强，在其他情景中的脱钩程度较弱。

表4 全国能源消费、CO2排放与GDP之间的弹性脱钩指标值Tab.4 Elasticity ratio of the decoupling relationship between energy consumption and economic growth，and between CO2 emissions and economic growth，and between CO2 emissions and energy consumption

4 结论与启示

中国目前正处于工业化和城市化进程中，需要谨慎处理经济增长、能源消耗与CO2排放之间的协调关系。本文分析了“十二五”期间行业低碳经济增长路径的优化问题，得出以下结论及建议:

（1）从行业经济增长方面看，调整行业能耗强度和优化能源消费结构对各行业经济增长的影响作用较大，但影响程度存在较大差异。若“十二五”期间各行业能耗强度和能源消费结构遵循2005－2010年的变化趋势，则对交通运输和仓储邮政业、批发零售和住宿餐饮业、房地产业、金融业等行业的经济增长较为有利;对工业和建筑业的经济增长较为不利，尤其是对石油加工业、化学工业、金属冶炼及压延业等高能耗、高排放行业的经济增长较为不利。若进一步加强农业、交通运输仓储邮政业、批发零售住宿餐饮业的能耗强度的降低幅度，或减缓工业和建筑业的能耗强度的降幅，对农业和建筑业的经济增长较为有利。若进一步优化能源消费结构，对交通运输仓储邮政业、批发零售住宿餐饮业、其他行业的经济增长较有利，而对农业、工业和建筑业的经济增长较为不利。

从产业结构看，在各种情景中，产业结构均能够得到优化。第一产业和第二产业的比重均有所下降，其中农林牧渔业和工业的增加值比重下降幅度较大;第三产业比重均不低于47%，但进一步上调的潜力不大。

（2）从能源消耗方面看，工业仍是能源消耗的主力军，调整行业能耗强度和优化能源消费结构对减少全国能源消耗的作用均较大。各种情景中，工业占全国能源消耗的比重均超过75%，全国能源消耗的年均增长速度在5.5%左右。农业、交通运输仓储邮政业、批发零售住宿餐饮业的能耗强度有进一步下降的潜力，但是工业和建筑业的能耗强度进一步下降的压力较大，甚至有所反弹。

从能源消费结构看，各种情景中的能源消费结构均得到不同程度的优化。煤炭、石油、天然气的消费比例均在无规划约束的基础上有所下降，水核风电的消费比例在无规划约束的基础上有所上升。说明水核风电的消费份额的增加是由煤炭、石油和天然气的消费比例的减少共同实现的。

（3）从CO2排放方面看，各种情景中的全国CO2排放均得到有效控制，优化能源消费结构是减少CO2排放的一个有效途径。从减排成本方面看，减缓工业和建筑业的能耗强度的降低幅度，将会增加CO2排放，但能够增加经济收益。若进一步优化能源消费结构，全国CO2排放将减少，工业和建筑业能耗强度的降低幅度有所减少，全国经济增长速度有所减少。说明优化能源消费结构不仅能够有效地减少全国CO2排放，而且能够缓解工业和建筑业能耗强度的降低压力，但需要付出一定的经济代价。

（4）从碳排放脱钩方面看，各种情景中的全国能源消耗与经济增长、CO2排放与经济增长之间均处于弱脱钩状态，这将有利于经济可持续发展。全国能源消耗与CO2排放之间虽处于增长连接状态，但没有处于扩张负脱钩状态，说明在“十二五”期间仍需加大优化能源消费结构的力度。

（编辑:刘照胜）

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