京津冀地区能源消费碳排放因素分解分析

宗刚, 牛钦玺, 迟远英

1. 北京工业大学经济与管理学院, 北京100124 2. 北京工业大学循环经济研究院, 北京100124

京津冀地区能源消费碳排放因素分解分析

宗刚1,2, 牛钦玺2, 迟远英1,*

1. 北京工业大学经济与管理学院, 北京100124 2. 北京工业大学循环经济研究院, 北京100124

宗刚, 牛钦玺, 迟远英. 京津冀地区能源消费碳排放因素分解分析[J]. 生态科学, 2016, 35(2): 111-117.

ZONG Gang, NIU Qinxi, CHI Yuanying. Factor decomposition of carbon emissions from energy consumption of Beijing, Tianjin and Hebei based on LMDI[J]. Ecological Science, 2016, 35(2): 111-117.

京津冀经济快速发展的同时, 环境污染问题也不容忽视。尤其是近年来的雾霾天气, 二氧化碳排放量的加大,给京津冀的发展带来了负面影响。现将京津冀三地区的一次能源消耗量, 利用 LMDI分解法, 将三个地区能源消耗碳排放分解为人口、经济、产业结构、能源强度、能耗结构五方面原因。结果表明, 人口, 经济对碳排放起到拉动作用,能耗强度和产业结构效应对碳排放起到抑制作用; 北京的能耗结构对碳排放起到抑制作用, 天津和河北的能耗结构对碳排放起到拉动作用。

京津冀; 能源消耗碳排放; 因素分解; LMDI

1 前言

京津冀地区的环境问题特别是大气污染问题,近年尤其突出, 严重制约了三地经济和社会的持续发展。环保部公布的2014年4月空气最差的10个城市中, 京津冀地区占9个, 京津冀地区13 个城市空气质量平均超标天数比例为65.2%。[1]

环境问题产生的重要原因是区域经济发展不平衡, 区域环境保护缺乏统一的规制。2014年2月, 中央把京津冀协同发展上升为重要国家战略。作为京津冀一体化的重要组成部分, 京津冀环境保护的一体化, 包括有效的区域环境保护协同和区域环境保护共治, 须在法治的框架和国家治理体系建设的指导下进行, 最大限度地统一各方的步调, 协调各方的行动, 追求最大的共同利益。为了促进京津冀地区经济和社会进一步发展, 促进环境质量整体改善, 必须通过经济、社会和环境保护区域一体化的措施。京津冀环境保护一体化既是对行业和区域分割式发展模式的突破, 也是实现三地可持续协同发展的唯一出路。

目前对京津冀都市圈研究的文章也比较多, 说明京津冀的发展是现在众多学者所关心的问题。从目前的研究内容来看, 分为京津冀的产业协同发展研究和京津冀可持续发展研究。邱凤霞等学者[2–6]从京津冀协同发展一体化的角度来进行研究。王铮等学者[7–11]从低碳、可持续发展角度对京津冀的发展进行了研究。

目前碳排放比较常用的因素分解法有结构性因素分解法和指数因素分解法, 主要是对一些基本的指标进行考察。

指数因素分解法是国际上能源与环境问题的政策制定中被广泛接受的一种分析方法, 其实质是将碳排放的计算公式表示为几个因素指标相乘的形式,并根据不同的确定权重的方法进行分解,以确定各个指标的增量余额。指数分解法由日本教授 Yoichi Kaya 最先提出, 它是通过一种简单的数学公式将经济、政策和人口等因素与人类活动产生的 CO2联系起来[12]。

Ang和 Lee 提出采用两年份相应参数的简单算术平均值作为因子权重的分解方法[13], 该种方法既不会产生太大的余值, 也不会出现计算问题,但是实际应用却很少。后来 Ang等人又提出了对数平均权重分解法(LMDI),用对数平均公式替换了之前的简单算术平均权重计算方法[14], 该法的优点是不产生残差,且允许数据中包含零值。在简单平均分解法的实际应用中, Ang等人提出 LMDI 法以后便成为应用最为广泛的方法。宋杰鲲运用LMDI方法将山东省能源消费碳排放分解为人口、人均财富、产业结构、能源消费强度和能源消费结构等五方面效应,并针对分析结果, 提出了相关建议[6]。张伟基于扩展的Kaya 模型和LMDI 分解法定量分析了人口、经济增长、产业结构、能源强度、能源消费结构五个因素对陕西省能源消费碳排放的影响[16]。范丹将DEA 中基于能源投入的 Shephard 距离函数引入到LMDI 分解模型中, 建立了1995-2010 年中国6 大产业能源消费碳排放7 因素分解模型[17]。

从目前的国家政策及形势来看, 北京正在转变产业结构, 将高耗能企业外迁到天津、河北, 天津则选择性地接北京外来转移企业, 而河北目前第一产业和第二产业的过渡。对京津冀区域碳排放量的研究有助于认清京津冀当前的发展道路。因此, 有必要研究该区域能源消费量的碳排放量, 分析区域碳排放与经济发展的关系及其影响因素, 为京津冀地区乃至未来经济、产业发展提供参考, 为优化区域开发提供依据。

2 京津冀能源消费碳排放量测算

因为二氧化碳的排放主要来自化石能源的燃烧,而京津冀三地区化石能源的燃烧全部来自三产业生产过程中消耗的化石能源, 产生碳排放的是三次产业终端能源消费量, 即生产过程中消费的各种能源在扣除了用于加工转换二次能源消费量和损失量以后的数量。所以从三地区三次产业终端能源消费量,其中包括煤炭、原油、天然气等17中能源。

碳排放计算公式为:

其中iE为第i种能源的消费量,ir为第i种能源的碳排放系数。

因为统计年鉴中的数据均为实物量, 所以先将实物量转换为标准煤, 转换系数采自《2013年中国能源统计年鉴》中各种能源标准煤的参考系数。

根据公式, 分别计算北京、天津、河北的碳排放总量, 以2000年为基期, 到2012年, 计算每年的碳排放总量, 结果如下图所示。

从图 1中可以看出, 京津冀的碳排放量在逐年递增, 碳排放量河北最大, 北京次之, 天津最少。其中河北的二氧化碳排放量从2005年的不到6万万吨增加到了2012年的10万万吨, 其增长速度非常惊人, 这和河北的的产业结构及能源消耗结构有很大的关系。下面运用指数分解法, 将每个因素进行分解, 分析其内在的联系。

图1 京津冀能源消耗二氧化碳排放量Fig. 1 The energy consumption carbon emissions in Beijing-Tianjin-Hebei

3 京津冀能源消费碳排放因素分解模型

本文基于扩展的 Kaya 模型对京津冀能源消费碳排放进行分解, 将碳排放影响因素分为为人口、人均GDP、产业结构、能源强度、能源结构五个因素。扩展的Kaya 模型表达式为:

其中Y表示国内生产总值,P表示人口数量,E表示能源消费量,C为碳排放量;Yi表示第i产业的GDP;Cij为i种能源消费的第j种能源的碳排放量;Ei为第i产业的能源消费量;Eij为第i种产业的第j种能源的消费量 。

定义能源消费碳排放增量为综合效应, 用 ΔC表示。根据LMDI分解模型, 综合效应由五方面效应构成, 即人口效应 ΔCp、人均GDP效应 ΔCa、产业结构效应 ΔCs、能源消费强度效应 ΔCe、能源消费结构效应 ΔCn有:

为了更加清晰的反映各因素效应的贡献, 定义各因素效应贡献度如下:

式中pη、aη、sη、eη、nη分别表示人口效应贡献度、人均GDP效应贡献度、产业结构效应贡献度、能源强度效应贡献度和能源消费结构效应贡献度。

4 京津冀能源消费碳排放因素分解

以2005年为基期, 运用上述的LMDI分解法对北京、天津、河北 2005-2012年的能源消耗碳排放进行因素分解分析, 得到历年的人口、人均 GDP、产业结构、能源强度、能源结构的逐年效应, 结构如表1、表2、表3所示。

表1 北京市2005-2012年能源消费碳排放逐年效应Tab. 1 The energy consumption carbon emissions from 2005 to 2012 year effect in Beijing

表2 天津市2005-2012年能源消费碳排放逐年效应Tab. 2 The energy consumption carbon emissions from 2005 to 2012 year effect in Tianjin

表3 河北省2005-2012年能源消费碳排放逐年效应Tab. 3 The energy consumption carbon emissions from 2005 to 2012 year effect in Hebei

从表1-表3中京津冀2005-2012年间各累积效应可知, 人口效应和人均GDP效应为正, 说明人口和人均 GDP的增长对碳排放的增长有正的拉动作用, 其中三省市的人口效应逐年效应均为正值, 北京的人口效应相比天津和河北的人口效应大很多,说明北京市的人口效应对碳排放的增加具有很大的影响, 而河北的逐年的人口效应很小, 说明河北省人口的增加对碳排放有正效应, 但是影响不是很大。这是因为北京市是我国的首都, 其政治、经济、教育、福利等影响因素使得其外来人口的快速增长,从而导致北京市相关产业能耗的加剧, 所以从人口因素来看, 其对北京市的碳排放具有重要的影响。

从人均GDP效应来看, 人均GDP的增加对碳排放的增加具有正效应, 三地的人均财富效应对碳排放影响的数值都是很大, 说明经济的增加是三地碳排放增加的重要因素。

京津冀三省市的产业结构效应都为负值, 说明京津冀产业结构的调整对碳减排起到了一定的作用。北京已进入工业化后社会, 其产业升级的主要方向是第三产业的中高附加值产品的提升和高新技术的开发; 天津处于工业化后期阶段, 其发展方向是高附加值的重化工业、现代制造业和服务业; 河北属于农业大省、其工业化相对比较落后, 其发展方向是能源产出、工业化的提高和可循环的重工业的发展。因为能源结构和产业结构有很大的关联性,所以对京津冀三地区的产业结构进行分析, 结果如图6～图8所示:

图2 北京市三产业结构图Fig. 2 The three industrial structures in Beijing

图3 天津市三产业结构图Fig. 3 The three industrial structures in Tianjin

图4 河北省三产业结构图Fig. 4 The three industrial structures in Hebei

从图 2可以看出, 北京以第三产业为主, 且逐渐呈增长趋势, 第二产业占比较小, 而第一产业对北京市的贡献极小。从图3, 图4可以看出天津市、河北省以第二产业为主, 第三产业为辅, 相比天津和河北, 天津第二产业和第三产业基本持平, 河北省第二产业对地区经济发展起到极大的作用; 从第一产业来看, 天津市第一产业对地区经济贡献不大,河北省第一产业对地区经济发展起到一定的作用。

从能源强度效应来看, 京津冀三地的历年能源强度存在波动, 北京市2005-2007,2009-2011年的能源强度效应为负值, 2007-2009, 2011-2012年的为正值; 天津市 2005-2009, 2010-2012年为负值, 2009-2010为正值; 河北省2005-2008,2009-2012年为负值, 2008-2009为正值。但从三地区的累积效应来看均为负值, 说明三地区的单位经济增长消耗能源在减少,京津冀科技的进步和减排意识的提高, 使得京津冀经济发展的同时, 其能耗比例在减少, 当前应该继续利用北京科技人才力量的优势, 开发新能源、新技术, 减少能耗, 使得都市圈的发展走可持续发展道路。

从能源结构效应来看, 北京的累积能源结构效应为负, 说明北京的能源结构的调整对北京市的碳减排起到一定的效果, 而天津和河北的能源结构效应为正, 说明和天津、河北的能源消耗对碳排放增长有正关系, 下面来分析一下天津和河北的能源消耗结构。

图5 北京市能源消耗中天然气、石油、煤炭所占比重Fig. 5 The energy consumption as a percentage of natural gas, oil, coal in Beijing

图6 天津市能源消耗中天然气、石油、煤炭所占比重Fig. 6 The energy consumption as a percentage of natural gas, oil, coal in Tianjin

图7 河北省能源消耗中天然气、石油、煤炭所占比重Fig. 7 The energy consumption as a percentage of natural gas, oil, coal in Hebei

从京津冀三地的能源消耗种类来看, 北京市主要以天然气消费为主, 占到一次能源消耗总量的60%左右, 且一直处于增长趋势, 煤炭的消耗量一直在减少; 天津石油和天然气的总量和煤炭的总量基本持平; 河北省主要以煤炭消费为主, 占到全部消耗能源的60%左右从。从图2和表1可以看出, 北京的能源结构的调整, 对碳减排起到一定的效果,这主要和北京的产业结构调整有一定的联系, 北京自2004年采取了“以气代煤”“以油代煤”一系列的优化能源结构的方针, 而且北京处于工业化后期, 逐渐转型为以第三产业为主, 且北京市更倾向于高新技术产业为主, 所以北京的能源结构调整对北京抑制碳排放起到了一定的促进作用; 因为天津属于港口城市, 兼具高新技术工业和重化工业, 滨海新区的发展更加成为京津冀发展的重点, 所以天津市的能源消耗中煤炭石油天然气的消耗量基本持平; 河北省是以能源原材料开采和农产品加工为主, 属于工业大省, 煤炭的消耗量极大, 所以天津和河北的能源结构效应对碳排放的增加有正效应。

为了更加清晰地了解各因素对京津冀碳排放的影响, 分析了各因素的累积效应贡献度, 结果如下图5所示:

因为北京的总效应为负, 天津和河北的总效应为正, 所以从图 5的表示中, 人口因素对碳排放的增加有促进作用, 经济的发展对碳排放的增加有促进作用; 产业结构的调整对京津冀的碳排放的减少有促进作用; 能源强度效应对京津冀碳排放的减少有促进作用; 北京市能源结构的调整对北京的碳排放的减少有促进作用, 河北和天津的能源结构对天津和河北的碳排放的减少有抑制作用。

图8 京津冀五因素累积效应贡献度Fig. 8 The five factors contribution of cumulative effects in Beijing-Tianjin-Hebei

而且从图 5中可以看出, 人口效应对北京市的碳排放影响比天津和河北的效应大很多, 说明人口因素对北京市的碳排放有重要的影响, 而人口因素对天津市和河北省的碳排放虽然有促进作用, 但是影响不是很大; 经济的发展对京津冀三地区的碳排放的增加有极大的影响; 产业结构的调整对北京市的碳减排有极大的作用, 相比来看产业结构因素对天津和河北的影响不是很大; 能源强度效应对京津冀的碳减排有促进作用, 说明京津冀增加单位 GDP消耗能源的量在减少, 从而说明三地的能耗技术在提高; 从能源结构效应来看, 北京市的能源结构对北京的碳排放有抑制作用, 天津和河北的能源结构对碳排放有促进作用, 说明天津和河北的能源结构需借鉴北京市的经验, 采取调整能源结构的方案来减少碳排放。

5 结论与对策

5.1 主要结论

本文根据《中国能源统计年鉴》中京津冀三地区一次能源的消耗量, 测算了 2005-2012年京津冀三地区的碳排放量, 发现三地区的碳排放量一直处于增长趋势。然后运用LMDI因素分解分析法将京津冀的能源消耗碳排放分解为人口、人均GDP、产业结构、能源消耗强度、能源消耗结构五个因素, 得出京津冀三地区的逐年效应、累积效应和贡献度,得到以下结论:

1. 人口效应、经济效应对京津冀三地区的效应均为正值, 产业结构效应和能源强度效应总体来看负值多于正值, 且累积效应为负值, 北京市能源结构效应为负值, 天津市和河北省能源结构效应为正值。

2. 人均GDP是北京碳排放最大的正影响因素,其次是人口因素; 产业结构是北京最大的负影响因素, 其次为能源结构效应和能源强度效应。

3. 能源结构效应是天津市碳排放最大的正影响因素, 其次为经济效应和人口效应, 产业结构效应和能源强度效应是天津市碳排放的负影响因素。

4. 经济效应和能源结构效应是河北省碳排放的正影响因素, 其次是人口因素; 能源强度效应是河北省碳排放最大的负影响效应, 其次是产业结构效应。

5.2 政策建议

根据分析结果表明, 经济的发展对化石能源的需求是碳排放重要的影响因素, 为了减少二氧化碳的排放, 必须结合三地区经济的发展特点改变能源结构的消耗, 而不能通过减缓经济的发展来实现。在京津冀协同发展的背景下, 必须加强合作, 才能推动整个区域的经济的可持续发展。本文给出以下几点建议:

5.2.1 调整产业结构

从研究结果表明, 京津冀的产业结构的调整对区域碳减排起到了一定的作用, 尤其是北京的产业结构调整对北京市的碳减排起到了极大的作用, 相比来看, 天津和河北以第二产业为主, 第三产业为辅。在未来的发展路径中, 京津冀地区应协同发展。就目前京津冀区域整体发展水平来看, 三地在工业化程度上存在不同步性, 天然禀赋也有较大差异,有计划有步骤地实施产业转移势在必行。天津市要利用其制造业的发展优势, 与北京市形成研发和智力知识对接, 延伸制造业的顶端产业链, 提升制造业的附加价值。河北省要利用其土地成本和商务成本的资源优势, 率先在第一产业上与国际接轨, 提升农产品的绿色发展理念, 成为北京市和天津市食品和农产业的服务基地。与此同时, 加强对第二产业的升级改造, 运用北京市、天津市的科技优势, 提升制造业“链环”的加工制造附加价值。拓宽第三产业发展领域, 提升第三产业服务的覆盖区和产业低碳价值, 则是河北省在产业升级中着力提升的重点和点。

5.2.2 优化能源结构

从研究结果表明, 北京市的能源结构调整对碳减排已经起到了一定的作用, 这主要和北京以气以油代煤的发展政策有关。天津和河北目前主要消耗能源还是以煤炭为主, 所以天津和河北的能源结构效应对当地的碳排放有促进作用。在未来的发展规划中, 京津冀应重视减少煤炭的消耗, 以油、气逐步代替煤炭的消耗, 并且积极发展新能源, 开发新技术, 以可再生、绿色的能源来维持经济的发展, 从而达到减排目标。

5.2.3 加强京津冀人口调控, 优化资源配置

人口因素对京津冀经济的发展和碳减排的影响是一个重要的因素, 而人口的调控最关键是解决人口流动的原因。对北京要进行人口、产业准入的标准, 而且北京享有的众多福利可以适当向天津和河北等地进行利益分配, 同时要引导人口、产业向周边城市扩散。例如在首都圈建立快速的交通体系,在京津冀范围内实现城际铁路公交化; 推进公共服务、社会保障一体化。

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Factor decomposition of carbon emissions from energy consumption of Beijing, Tianjin and Hebei based on LMDI

ZONG Gang1,2, NIU Qinxi2, CHI Yuanying1,*
1.School of Economics and Management,Beijing University of Technology,Beijing100124,China2.Insitute of Recycling Economy,Beijing University of Technology,Beijing100124,China

Accompanying with rapid economy development of Beijing, Tianjin, and Hebei, serious environmental pollution problems are emerging. The emissions of haze and carbon dioxide increase rapidly, which have been playing adverse effect on the development of Beijing, Tianjin and Hebei. Based on LMDI decomposition, factors affecting carbon emissions of Beijing, Tianjin and Hebei are decomposed into five aspects as population, economy, industry structure, energy consumption intensity and structure. We find that population and economy play a positive role for carbon emission, while energy consumption intensity and industrial structure play negative effects on carbon emissions. Energy consumption structure was different in regions: it was negative in Beijing, but positive in Tianjin and Hebei.

Beijing, Tianjin and Hebei; the energy consumption of carbon emissions; factor decomposition; LMDI

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.02.017

F062.1

A

1008-8873(2016)02-111-07

2015-01-23;

2015-03-04

智慧能源视角下北京市能源产业优化和大气污染治理协同发展研究(项目编号: JD011012201501)

宗刚, 男, 教授, 博士生导师, 研究方向为产业经济分析、技术经济评价、交通发展政策、区域经济规划、循环经济战略等, E-mail: zonggang1957@sina.com

*通信作者:迟远英, 女, 博士, 教授, 主要从事能源可持续发展，技术创新与低碳节能优化等方面研究, E-mail: goodcyy@126.com