基于LMDI-SMC中国氮氧化物减排绩效动态演化规律研究

王丽琼

泉州师范学院资源与环境科学学院，福建 泉州 362000

氮氧化物 NOx作为对区域大气复合污染具有重要影响的一种污染物，不仅本身为有毒有害气体，还是对流层臭氧和大气气溶胶的重要前体物，同时也是酸雨形成的重要贡献者，对人体健康和生态环境均具有较大的危害。NOx排放被纳为污染物排放总量控制目标，相当学者对其排放的定量分析和时空变化进行研究。氮氧化物排放动因和排放影响上，施亚岚等（2014a）通过情景模拟探讨了最终需求结构变化对氮氧化物排放的综合影响和拉动效应，刘建等（2017）基于回归分析等统计方法研究分析了臭氧前体物（氮氧化物）和气象因子对珠三角臭氧污染的影响；氮氧化物排放的区域格局上，王丽琼（2013）采用全局和局部空间相关分析方法研究中国省际氮氧化物排放强度的空间自相关性和空间异质性，刁贝娣等（2016）运用ESDA（探索性空间方法）分析省域工业 NOx排放的时空分布特征；研究氮氧化物减排方面，王丽琼（2013）基于脱钩理论结合对数平均 Divisia指数分解模型（LMDI法）对各省域减排现状和实现途径进行分析，目前区域经济发展水平、技术条件和能源结构差异等因素影响，各地区的氮氧化物排放量状况和减排进度存在显著差异，有关各地区氮氧化物减排空间动态变化研究甚少，且中国探索均衡、协调和可持续发展的城镇化进程中，探讨各区域氮氧化物减排演变及其与周边背景联系，不仅有利于体现各区域减排的阶段性特征，而且是中国促进区域减排任务合理分解和协调减排的重要战略依据。

脱钩理论最早反映了经济发展与资源消耗、环境冲击的非同步变化状况，OECD认为：在某个时期，当环境压力的增长较其经济驱动因素的增长慢时，就是环境退化与经济增长的脱钩（De Bruyn et al.，1997；Anton，2001）。对数平均 Divisia指数（LMDI）分解法的基本思想是把一个目标变量（如能源消耗或污染物排放量等）的变化分解成若干影响因素的组合，从而定量辨别各个因素影响程度的大小，进而确定其对目标变量影响最大的关键因素（林涛等，2013）。Diakoulaki（2007），Kang et al.（2012）结合对数平均Divisia指数分解模型（LMDI法）和脱钩理论对二氧化碳排放与经济增长脱钩的影响因素和减排绩效进行研究。本文首先参考此文献基于脱钩理论将LMDI因素分解法中通过其他经济驱动因素（能源结构、能源强度、经济结构等）导致氮氧化物排放增加来量化氮氧化物排放与经济增长脱钩系数，通过脱钩系数大小反映氮氧化物减排绩效；其次为揭示各省域氮氧化物减排时空类型转移与区域周围背景之间的内在联系，将空间因素纳入传统的马尔科夫矩阵以考察空间溢出在中国各省域氮氧化物排放脱钩系数动态变化中的作用，分析其减排绩效的时空演变特征，在一定程度上强调了周边区域减排现状对其区域自身减排的影响，为进一步协调区域减排、缩小区域排放差异和加强区域减排合作提供科学的理论和实践支撑作用。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本研究查阅2006－2016年中国能源统计年鉴，将能源消费划分为农业、能源（火力发电、炼焦、炼油和制气）、工业（制造业和建筑业）、交通（终端消费）、商业和其他经济系统（包含居民消费）6大部门，8种能源类型有原煤、焦炭、原油、煤油、燃料油、柴油、汽油和天然气，根据因子排放法（施亚岚等，2014b）基于化石燃料所产生的氮氧化物排放列入清单核算各省市不同产业部门、不同能源类型能源消费氮氧化物排放量。收集 2006－2016年中国统计年鉴中经济系统 6大部门中农业、工业、交通、商业和其他产业的国内生产总值经济数值，西藏、香港、澳门、台湾由于能源数据缺失，不纳入研究范围。

1.2 氮氧化物排放脱钩系数

基于脱钩理论中环境压力增长（ΔNm）与经济驱动因素增长（）关系提出氮氧化物排放与经济增长脱钩系数（王丽琼，2017）：

其中NRm通过Kaya恒等式扩展模型推导如下：

式中，i为产业类型；j为能源类型；N为氮氧化物排放量；EM为能源消费量；G为国内生产总值GDP。

则Kaya扩展模型可表述为：：

式中，Fij为不同产业中不同能源类型的氮氧化物排放系数；Sij为不同产业中不同能源类型消费比重；Iij为第i产业的能源强度；Uij为第i产业GDP所占百分比；G为GDP，故：

式中，N0、Nt分别为基期和t期氮氧化物排放总量。其中，

1.3 基于马尔科夫链的区域趋同性时空演变

空间马尔科夫链（spatial Markov chains，简称SMC）可用于研究地区某一指标的时空演变规律及其在空间的趋同效应。相当学者基于时空加权马尔科夫链研究中国区域经济增长（张伟丽，2015）、中国绿色化发展水平测度（徐凯等，2016）及环渤海地区国内游客旅游消费（孙才志等，2017）等的俱乐部趋同及其演变。本研究为探索中国各省域氮氧化物减排绩效动态演化规律，基于空间马尔科夫链建立区域与周围相邻区域的空间关系（空间权重矩阵），确定每个区域的邻域状态（空间滞后算子），研究能反映各省域氮氧化物减排绩效的排放脱钩系数指标的俱乐部趋同及其演化，分析其空间类型转移的周围背景影响，有利于中国后续探索区域氮氧化物协调减排提供参考建议。

首先，将中国各区域氮氧化物排放脱钩数据离散化为4个等级：低脱钩（脱钩系数低于全国平均的45%）、中低脱钩（脱钩系数位于全国平均的45%－97%）、中高脱钩（脱钩系数位于全国平均的97%－157%）、高脱钩（脱钩系数高于全国平均的157%）。

式中，Dm(t)表示第m个地区在第t年的氮氧化物排放脱钩系数；r代表等级（从低到高依次记为1，2, 3, 4）。

其次，计算相应类型的概率分布及其类型转移概率构建马尔科夫矩阵：

式中，ni表示所有年份中属于类型i的区域数量之和；nij(d)表示当前年份属于类型i区域在d年后转移为类型j的所有区域数之和。

最后，引入空间滞后因子，构建k个k×k的条件状态转移概率矩阵：

2 结果分析

运用LMDI因素分解法中通过其他经济驱动因素导致的氮氧化物排放增加来量化氮氧化物排放与经济增长脱钩系数，如表1所示，其全国均值有较为明显的提升趋势，这表明“十一五”、“十二五”期间全国经济发展中氮氧化物从经济增长方式（能源结构、能源强度、经济结构等驱动因素）方面减排的绩效愈来愈佳。将中国各区域氮氧化物排放脱钩数据根据全国的平均水平离散化为 4个等级，并通过类型转移概率构建氮氧化物排放脱钩马尔科夫矩阵，由表2可知，首先对角线上的元素大于非对角线上的元素，氮氧化物排放脱钩均形成了低脱钩、中低脱钩、中高脱钩及高脱钩4个趋同俱乐部，且对角线上的元素反映了低脱钩、中低脱钩和中高脱钩趋同俱乐部较为稳定，高脱钩趋同俱乐部相对较易发生变迁。其次，从转移概率来看，中低脱钩向中高脱钩转移的概率以及中高脱钩向中低脱钩转移的概率分别为0.278和0.238，中低脱钩和中高脱钩实现跨越式的趋同俱乐部类型转移的概率较小（但不为 0），即趋同俱乐部转移多发生在相邻类型之间；低脱钩和高脱钩有较大可能性发生跨越式的趋同俱乐部类型转移，即低脱钩转移至中高脱钩（0.143）或高脱钩转移至中低脱钩（0.273）的概率较大。

表1 2005－2015年中国氮氧化物排放脱钩系数均值Table1 Average of NOx emission decoupling index in 2005-2015

表2 2005－2015年氮氧化物排放脱钩系数马尔科夫转移矩阵Table2 Non-spatial Markov-chain transitional matrices for NOx emission decoupling index in 2005-2015

表3 2005－2015年氮氧化物排放脱钩类型的空间马尔科夫转移矩阵Table3 Spatial Markov-chain transition matrix for NOx emission decoupling in 2005-2015

将周围相邻区域分成低脱钩、中低脱钩、中高脱钩和高脱钩 4个类型，根据空间马尔科夫链的计算公式，得到空间马尔科夫转移概率矩阵（表3），4种空间滞后关系下，空间马尔科夫转移概率矩阵也具有对角线上元素大于非对角线上元素，说明考虑空间滞后下氮氧化物排放脱钩仍然保持一定的稳定性，即存在趋同俱乐部。考虑其空间背景对区域氮氧化物排放脱钩俱乐部趋同演变的具体影响如下：

（1）当空间滞后类型为低脱钩时，周围的区域氮氧化物排放脱钩均较低，稳定为低脱钩、中低脱钩、中高脱钩及高脱钩的概率分别为60%、44.4%、50%及0%，与其他空间滞后类型相比，低脱钩稳定性最强。而空间滞后类型为中低、中高及高脱钩时，不同类型之间发生转移的概率最高分别为 33.3%（中高脱钩转为中低脱钩）、42.9%（高脱钩转为中低脱钩）及60%（高脱钩转为中高脱钩），说明了空间滞后等级低于期初等级时，脱钩系数类型向下转移的概率变大。

（2）当空间滞后类型为中低脱钩时，中低脱钩向低脱钩、中高脱钩及高脱钩转移的概率分别为14.3%、28.6%及 5.7%，中高脱钩向低脱钩、中低脱钩及高脱钩转移的概率分别为 9.5%、33.3%及7.1%，很显然，中低脱钩和中高脱钩在相邻类型转移的可能性较大而跨越式类型转移概率较小。

（3）当空间滞后类型为中高脱钩时，对角线上元素最大为0.701，空间滞后等级（3级）与期初等级（3级）一致时，脱钩系数保留原级（3级）的概率较大。低脱钩向中低脱钩、中高脱钩及高脱钩转移的概率分别为 37.5%、0%、12.5%，中低脱钩向低脱钩、中高脱钩及高脱钩转移的概率分别为4.5%、29.5%、11.4%，中高脱钩向低脱钩、中低脱钩及高脱钩转移的概率分别为3.9%、20.8%、5.2%，低脱钩、中低脱钩和中高脱钩在此空间滞后等级下跨越式类型转移可能性也较小。

（4）当空间滞后类型为高脱钩时，对角线上元素最大为1.000，非对角线上的概率最大为0.600。中低脱钩的两区域未发生类型转移，中高脱钩只向中低脱钩类型转移，高脱钩也只向中高脱钩类型转移，说明了高脱钩空间滞后类型下，脱钩类型稳定性较好，未形成跨越式类型转移。

（5）不同区域背景在不同类型区域转移中所起作用各不相同。中低脱钩区域若与中低脱钩区域为邻，其类型向上转移为中高脱钩的概率为 28.6%，当其与中高脱钩区域为邻时，其类型向上转移为中高脱钩区域的概率增至 29.6%；中高脱钩区域若与中高脱钩区域为邻，其类型向下转移为中低脱钩的概率为 20.8%，当其与中低脱钩区域为邻时，其类型向下转移为中高脱钩区域概率增至 33.3%，中低脱钩与中高脱钩区域类型升级受周边地区影响较大，这种影响可能是正面的，也可能是负面的。低脱钩及高脱钩区域，其类型向上或向下转移概率与其所处区域背景并无同方向性，其受周边地区影响较小。

图1所示为“十一五”“十二五”期间中国区域氮氧化物排放脱钩系数类型转移的空间分布格局。由图1可知，中国区域氮氧化物排放系数类型两阶段均包含类型向上、平稳和向上转移状态，数量上，2005－2010年处于平稳状态的区域有10个，类型向上转移的区域有8个，类型向下转移的区域有12个；2010－2015年处于平稳状态的区域有11个，类型向上转移的区域有6个，类型向下转移的区域有13个。空间分布上：（1）2005－2010年类型向下转移的区域主要分布在广东、上海、浙江、江苏、北京、天津、辽宁等沿海东部地区，2010－2015年类型向下转移的区域主要分布在青海、甘肃、四川、重庆、贵州、湖南、陕西、江西、安徽等内陆西南和西北地区。（2）2005－2010年类型向上转移的区域则主要分布在云南、贵州、重庆、四川、青海、新疆、内蒙古等内陆西南和西北地区，2010－2015年类型向上转移的区域主要分布在黑龙江、吉林、辽宁、河北、山西等东北三省和黄河中游地区。（3）平稳区域两个时段分布相对分散，其中，广西、福建和湖北两期间均未发生类型转移。以上各种转移状态在空间上均有一定程度的集聚，中国区域氮氧化物排放脱钩在 2005－2010年和2010－2015年间存在着一定程度的趋同现象，且空间分布上两时间段内类型向上转移和向下转移区域某种程度上对置，这是由于西南和西北地区经济较为落后，产业结构较不合理，能源利用效率低，减排潜力相对较大。“十一五”期间经济发展中通过产业结构的优化调整实现了氮氧化物排放控制，其排放脱钩类型向上转移；“十二五”规划中国家明确提出氮氧化物作为全国大气污染物重点总量控制指标后，在全国实行更大力度的氮氧化物减排下，东北三省和河北、山西地区氮氧化物脱钩增大，而西南和西北区域相比于全国其他区域脱钩系数增速减缓，排放脱钩类型相对转为向下转移。

区域氮氧化物减排往往会受到周边环境的影响，为研究区域氮氧化物排放脱钩类型转移与周围相邻区域之间的关系，将区域氮氧化物排放脱钩系数类型转移与周围相邻区域的类型转移进行综合考虑（图1）。从数量上看，2005－2010年周围相邻区域处于平稳状态的有8个，比区域自身处于平稳状态的数量少2个，周围相邻区域类型向上转移的区域有9个，周围相邻区域类型向下转移的区域为 13个，较之区域自身类型向上、向下转移的数量均多了1个；2010－2015年周围相邻区域处于平稳状态的有 14个，比区域自身处于平稳状态的数量多3个，周围相邻区域类型向上转移的区域有10个，周围相邻区域类型向下转移的区域有6个，较之区域自身类型向上、向下转移的数量分别多了 4个和少了5个；在空间分布上，相邻区域的状态转移分布与区域自身一样，也存在着一定程度的趋同现象。其中，2005－2010年周围相邻区域类型向上转移集中分布于云南、四川、贵州、青海、新疆地区，周围相邻区域类型向下转移区域主要分布北部沿海的北京、天津、河北、山东和黄河长江中游的山西、河南、安徽、湖北、江西；2010－2015周围相邻区域类型向上转移集中分布于东北三省黑龙江、吉林、辽宁和河北等地区，周围相邻区域类型向下转移的区域主要分布西南和西北的四川、重庆、甘肃、青海、新疆地区。与自身区域类型转移结合，2005－2010周围相邻区域和区域自身类型同时类型向上转移主要集中分布于西南和西北，东部和中部区域自身或邻居一方或双方类型向下转移；2010－2015年周围邻居和区域自身类型同时向下转移主要集中分布于西南和西北，同时类型向上转移主要集中分布于东北三省和北部沿海，东南部区域周围邻居保持平稳状态。所以，与表3反映的氮氧化物排放脱钩滞后等级变大（小）会影响脱钩系数类型转移的概率一致，相邻区域的氮氧化物排放脱钩类型向上（下）转移加强了区域自身向上（下）排放脱钩类型转移，起着正向或负向的影响，氮氧化物排放脱钩俱乐部趋同现象在考虑区域背景时有所增强，空间集聚性更为明显。

图1 2005－2015年氮氧化物排放脱钩类型转移及邻居转移的空间分布格局Fig.1 Spatial patterns of NOx emission decoupling class transitions of regions and neighbors in 2005-2015

3 建议

首先，类型稳定为低脱钩及向下转移区域集中分布在西北及西南落后地区，加强推进产业结构优化，降低高耗能产业比重，在重点区域转变经济增长方式，积极推行资源节约型、环境友好型的发展方式，经济结构和能源消费结构调整以实现氮氧化物有效减排。

然后，类型稳定为高脱钩高及向上转移区域集中分布在北部沿海及东北地区，大力引导和促进北部沿海经济发达地区现代服务业和高新技术产业的发展，继续实现降低能源消费强度为氮氧化物后续减排的贡献作用，同时采用效率高、低污染物排放的新型设备，以改变多数工业企业设备老化，提高能源加工转化和利用效率，充分发挥东北三省氮氧化物减排潜力。

最后，类型稳定为中低和中高水平交替转移区域集中分布在长江中游及东南沿海地区，能源利用效率、经济结构和能源结构抑制氮氧化物增排作用较为稳定，拥有较高减排能力，技术上加快脱氮技术的研究和应用，严格控制电厂、工业、交通等重点源的NOx末端排放标准，进一步推广清洁能源使用优化能源消费结构，从而实现NOx总量控制。

4 结论

本文通过LMDI分解方法计算2005－2015年各区域氮氧化物排放与经济增长脱钩系数，采用传统的马尔科夫链与空间马尔可夫链方法分别对中国区域氮氧化物排放脱钩系数的时空动态格局变化进行了分析。结果表明，（1）中国氮氧化物排放脱钩系数均值逐渐增大，表明国家社会经济发展中日益重视大气污染物氮氧化物的治理和减排。（2）离散化为4个等级，马尔可夫链方法研究得出中国区域氮氧化物排放脱钩在“十一五”“十二五”间存在一定程度的趋同现象，且处于中低和中高脱钩区域数量较多，低脱钩和高脱钩区域数量较少但逐渐增加，区域减排现状存在着差距。（3）中国氮氧化物排放脱钩趋同过程在空间上并不相互独立，受区域背景影响。中低水平和中高水平区域受区域背景的影响较大，氮氧化物排放脱钩滞后等级与期初等级一致时，其保留原级的可能性较大，滞后等级比期初等级大时，脱钩系数类型向上转移的可能性更大，滞后等级比期初等级小时，脱钩系数类型向下转移的可能性更大，而低脱钩和高脱钩区域受区域背景的影响较小，其类型向上或向下转移概率与其所处区域背景并无同方向性。（4）在空间格局上，“十一五”期间氮氧化物排放脱钩类型向上转移区域主要分布在西南和西北地区，类型向下转移的区域主要分布在沿海东部地区；“十二五”期间在全国污染物更大力度的总量控制下氮氧化物排放脱钩类型向上转移区域主要分布在东北三省和北部沿海地区，类型向下转移的区域主要分布在西南和西北地区，某种程度上形成了空间对置局面。这些区域类型转移受周边环境影响，且相邻区域的类型转移分布与区域自身一样，也存在着一定程度的趋同，并强化了区域氮氧化物排放脱钩的俱乐部趋同现象。