基于耗散结构视角的产业系统低碳化熵变因素分解

沈　辉，路正南

(江苏大学 管理学院，江苏 镇江 212013)

基于耗散结构视角的产业系统低碳化熵变因素分解

沈辉，路正南

(江苏大学 管理学院，江苏 镇江 212013)

文章利用2003—2013年中国工业部门相关统计数据和LMDI分解技术，对产业系统碳排放强度熵变因素进行分解，研究发现：我国产业系统碳排放强度下降的主要驱动因素是技术进步，其次是产业结构，能源结构效应最弱，即产业系统“技术熵”的作用强于“结构熵”。

产业系统；低碳化；耗散结构；熵变模型

0　引言

碳排放问题既关系到环境保护又关系到能源节约，减少碳排放是实现可持续发展的内在要求，也已成为全球共识。作为发展中大国，中国目前碳排放总量已位居世界第二，其中工业碳排放占到90%以上。为了实现“2020年单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%～45%”的承诺，以及保持经济持续发展，降低单位GDP的碳排放强度就成为我国一个重要的战略性选择，因此，以我国产业部门为研究对象分析影响碳排放强度变化的主要因素，成为政府部门科学制定产业发展规划和碳减排政策的首要前提。

从系统论的角度看，产业是由相关企业或经济元按照生产联系进行分工合作所组成的一个复杂系统，系统内部成员以各种产品（或服务）的生产为主线，构筑了相互作用的产业链网组织，并通过与外界的资源交换（包括物质交换、信息交换等）保证系统的运行。也就是说，产业系统通过与外界进行物质能量交换来维持生产活动，具有典型耗散结构开放性、不平衡性、存在涨落的基本特征，而在耗散结构研究中，通常用“熵（Entropy）”这一概念来表示系统状态，恰好与因素分解中的结构特征需求相契合，以此为基础可以进行我国产业系统碳排放强度熵变的理论分析。因此，本文从耗散结构视角分析产业系统低碳化熵变的驱动因素，对贡献率进行量化，旨在通过对中国产业部门碳排放强度的影响因素进行分解，明晰我国产业部门碳排放强度变化规律，探索中国特色的低碳发展之路。

1　理论基础与模型构建

1.1理论基础

熵变理论中“熵”的概念是由德国物理学家Clausius首先提出的，在自然科学中主要用来描述系统的有序程度。“熵”作为一个表示系统状态的概念，其蕴含的基本思想是：当系统内部各要素之间发生相互作用，或者由于外部环境的干扰达到一定程度时，系统会出现熵值变化现象。

根据碳排放强度的定义，可以用“CI=C/GDP”来表示，其中CI表示碳排放强度，C表示碳排放量，GDP表示经济产出。类似于耗散结构中能量传导过程的“dS=dQ/T”，产业系统的熵变过程可以表示成“dCI=dC/GDP”，所以用熵变理论分析产业系统低碳化问题是合适的。“熵”的概念使耗散结构的表述更加科学和客观，但是目前熵变理论在社会科学领域的应用还需进一步扩展和深化，一些文献只是完成了根据理论来构建和验证数理模型的工作，并没有说明或比较系统熵变过程中各变量的影响及贡献。为此，本文通过计算我国产业系统碳排放强度熵变因素的贡献率大小，既弥补了现有理论研究的不足，也为实现我国产业系统的低碳发展目标指明了有效途径。

1.2产业系统碳排放强度熵变模型构建

碳排放强度（CI）是指一段时间内的碳排放量与国内生产总值（以下简称GDP）的比值，表达式为：

式中，Cij为第i产业第j种能源的碳排放量；Eij为第i产业第j种能源消费量；Rij为第i产业第j种能源的碳排放系数；ESij为第i产业第j种能源消费比重，即能源结构；EIi为第i产业的能源强度；ISi为第i产业增加值占GDP的比重，即产业机构。

尽管理论上只要保证经济增长速度高于碳排放增长速度就可实现碳排放强度的下降，但是这并不意味着随着经济增长，降低碳排放强度的目标就能自发实现。根据上述表达式，我国产业系统低碳化的影响因素包括碳排放因子、能源结构（ES）、能源强度（EI）和产业结构（IS）。由于各类能源的碳排放系数变化非常小，本文未将碳排放因子纳入后续分析范围。

如前文所述，产业系统是不断变化和发展的，具有不确定性（王正明等，2012）；从耗散结构理论来分析，这种不确定性可以用“熵”来描述。产业系统碳排放强度熵变模型可表示为：

其中，CI0为某产业部门初始时刻的碳排放强度，CIT为该产业部门T期的碳排放强度。

2　研究设计

2.1研究方法

指数分解是研究事物变化特征及其变化机理的方法之一，主要包括：Laspeyres指数分解与Divisia指数分解等。本文将运用LMDI分解技术对影响系统碳排放强度熵变的因素进行分析。设指标权重ωi=(CIT-CI0)／(lnCIT-lnCI0)，则产业系统碳排放强度的熵变模型变化为：

本文将产业系统低碳化的熵变因素分解为“结构熵”和“技术熵”两个方面。依据上文分析，用“ΔES+ΔIS”来表示“结构熵”；由于技术进步是中国能源强度下降的主要推动力（林伯强和杜克锐，2014），现有文献大多把能源强度（利用效率）作为技术进步的代理变量（例如涂正革，2012），因此本文用ΔEI来表示“技术熵”。

2.2数据来源

我国对工业行业的统计制度较为完善，故本文选择我国工业部门中28个行业的数据，所使用的数据来源于历年《中国统计年鉴》、《中国能源统计年鉴》和《中国工业经济统计年鉴》。在此对数据选取和处理过程做如下说明：（1）将国内生产总值、工业增加值等指标折算到2003年的价格水平；（2）为避免重复计算，能源消费中一次能源只统计煤炭、石油和天然气三大类化石能源。

3　产业系统碳排放强度熵变因素解析

3.1测算结果与比较分析

我国在2003—2013年间的产业系统碳排放强度熵变因素分解结果如表1所示。分解结果显示，技术进步的平均贡献率为96.518%，产业结构的平均贡献率为3.721%，能源结构的平均贡献率为-0.238%。由此看出，技术进步对产业系统碳排放强度的影响最大，其次是产业结构，能源结构的贡献最小且为负值。这表明技术熵在促进我国产业系统低碳化发展过程中起到了主要作用，而结构熵尚未发挥应有作用，尤其是目前的能源消费结构优化对降低产业系统碳排放强度具有较大潜力。

表1　2003—2013年中国产业系统低碳化熵变因素分解　（单位：%）

纵向来看，无论是技术熵还是结构熵，贡献率均有升有降，但技术进步始终起着绝对的主要作用，相对而言，结构熵中的产业结构因素与能源结构因素对我国产业系统的碳排放强度的影响较小，且都存在贡献率为负的情况。可能是由于我国产业系统中主要耗能行业的投入产出变化较小，工业部门以煤炭为主的能源消费状态也没有得到明显改善，对新能源技术的开发和商业化应用较为缓慢，所以结构调整对产业系统低碳化发展的贡献较小。

3.2分行业解析

上文从纵向角度做了分析，接下来将从产业系统的28个部门进行分行业的横向分析，对产业系统碳排放强度熵变的行业差异进行解析，统计结果如表2所示。从技术熵对各行业的贡献及差异来看，黑色金属冶炼及压延加工业对技术进步的依赖性最高，平均贡献率达到27.51%，此外，技术进步对非金属矿物制品业的影响也较大（24.55%）。

从产业结构熵来看，石油加工、炼焦及核燃料加工业受产业结构变化的影响非常大，平均贡献率达到101.87%，其次为化学原料及化学制品制造业（31.00%）和化学纤维制造业（11.26%）。不过，产业结构熵对一些部门的碳排放强度贡献率为负值，表明产业结构熵对这些行业碳排放强度的下降产生了消极影响，其中黑色金属冶炼及压延加工业的产业结构熵贡献率为-65.20%，受到的负面影响最大，其次是交通运输设备制造业和通用设备制造业，其平均贡献率分别为-6.70%和-4.81%。

从能源结构熵来看，黑色金属冶炼及压延加工业能源结构熵的贡献率最高，为30.62%，其次是非金属矿物制品业（21.55%）。有意思的是，虽然上文对产业系统的整体分析结果表明能源结构的贡献率最低，但是由表2的结果可以看出，能源结构熵在各行业均起到了积极的作用。并且，其作用程度与技术熵的作用程度基本保持一致，也就是说，当技术熵对某个行业碳排放强度的下降起到较大影响时，能源结构熵所起的作用往往也较大。

表2　分行业的产业系统碳排放强度熵变因素解析

4　结论与政策建议

4.1结论

基于耗散结构视角探究我国产业系统碳排放强度熵变因素，建立了由“技术熵”和“结构熵”构成的产业系统低碳化熵变模型，结合我国2003—2013年的统计数据，并运用LMDI分解技术对技术熵和结构熵的影响效应进行测度和解析，识别关键影响因素以及行业差异。研究结果表明：

（1）技术熵是我国产业系统碳排放强度的下降主要驱动因素，技术进步的年平均贡献率达到96.518%，其中黑色金属冶炼及压延加工业和非金属矿物制品业所受影响最大。

（2）产业结构熵对碳排放强度的下降也能起到一定的促进作用，只是影响程度相对较低，年平均贡献率为3.721%。并且，产业结构熵对不同行业的影响存在很大差异：对石油加工、炼焦及核燃料加工业的正向影响最大，年平均贡献率达到101.87%；对黑色金属冶炼及压延加工业起到的抑制作用最大，年平均贡献率为-65.20%。

（3）能源结构熵对产业系统碳排放强度熵变所起的作用十分有限，年平均贡献率仅为-0.238%，其作用主要体现在黑色金属冶炼及压延加工业、非金属矿物制品业、化学原料及化学制品制造业和石油加工、炼焦及核燃料加工业。

4.2政策建议

（1）加快低碳技术创新，重点针对碳排放较高的行业进行技术开发。一是，加强跟发达国家的技术交流与合作，引进国际上先进的节能减排技术；二是，鼓励和引导企业、科研院所通过产学研等方式加强自主研发力度，政府除了提供必要的财政支持，还要发挥服务职能推动科技成果的转化以及知识产权的保护；三是，对现有生产技术进行升级和改造，提高能源利用效率。

（2）优化产业结构，扶持高新技术低碳产业。首先，大力发展现代服务业和高新技术产业，逐步扭转目前经济发展重工业化的局面；其次，在工业部门内部支持低能耗部门的发展，控制高碳产业特别是“重化工业”的比重，调整产业链向低碳化转型；最后，淘汰落后产业，对设备落后、无法达到环保要求的企业进行清理和整顿，坚决摒弃粗放式发展的老路。

（3）调整能源消费结构，大力发展清洁能源。短期内我国很难改变以煤炭为主的能源消费格局，因此需要逐步调整目前能源结构过分依赖煤炭的局面，利用可再生能源来替代化石能源，这样既可以缓解化石能源压力，也能降低碳排放强度。为此，政府在调整能源消费结构时应当因地制宜地发展清洁能源，例如，在农村建立沼气工程，在东南沿海地区发展核电，在中西部地区发展太阳能。另一方面，政府还应当建立相关的制度对发展和利用可再生能源的企业进行补贴。

[1]Li J,Han Y,Feng Z.Research on Model of Harmony Sustainable De⁃velopment Between ECS and SRS:From Perspective of Resource En⁃tropy[J].Canadian Social Science,2009，(5).

[2]Ang B W.The LMDI Approach to Decomposition Analysis:A Practi⁃cal Guide[J].Energy Policy,2005,33(7).

[3]王正明,温桂梅,路正南.基于耗散结构系统熵模型的产业有序发展研究[J].中国人口·资源与环境,2012,22(12).

[4]李恒川,路正南.中国产业系统非期望产出率熵变层级结构关系研究——基于PLS回归的层级因素分解技术[J].中国人口·资源与环境,2015,25(3).

[5]张妍,杨志峰,何孟常,胡廷兰.基于信息熵的城市生态系统演化分析[J].环境科学学报,2005,25(8).

[6]国务院发展研究中心课题组.转变经济发展方式的战略重点[M].北京:中国发展出版社,2010.

[7]林伯强,杜克锐.理解中国能源强度的变化:一个综合的分解框架[J].世界经济,2014,(4).

（责任编辑/易永生）

F425

A

1002-6487（2016）21-0054-03

国家自然科学基金资助项目（71173094）

沈辉（1979—），男，山东德州人，博士研究生，研究方向：可持续发展的能源战略。路正南（1960—），男，江苏武进人，教授，博士生导师，研究方向：可持续发展的能源战略。