中国产业部门间隐含碳排放流动结构分析——基于复杂网络的视角

宋金昭，邸小龙，王晓平

(西安建筑科技大学 管理学院，陕西 西安 710055)

一、引 言

二氧化碳等温室气体所带来的全球气候变化问题已引起世界各国政府的普遍关注。改革开放以来，中国取得了举世瞩目的经济发展成就，但同时也带来了能源短缺与环境破坏问题。当前，中国已经超过美国成为全球最大的能源消费国和二氧化碳排放地区，中国政府面临着来自国际与国内的双重碳减排压力。

产业部门是拉动中国社会经济发展的重要引擎，同时也是社会能源消费和二氧化碳排放的主要源头。据测算，与产业部门能源消费相关的碳排放占到全社会碳排放总量的90%以上[1]。因此，以产业部门为核心的碳减排控制方式，是中国当前乃至未来低碳经济发展的主导路径。在界定碳排放责任方面，现阶段通用的是生产者责任制，即根据直接碳排放量分配碳减排责任，代表的计算方法为IPCC核算法，此方法忽视了隐含在供应链中的间接碳排放，使相关产业部门承受不平等的政策压力[2]。换言之，产业部门间存在着复杂的生产和消费活动，相当数量的产业部门生产过程中所产生的直接碳排放并非用于满足本部门的最终产品需求，而是伴随着产业链和中间产品的流通，以隐含碳排放的方式流入到下游其他产业部门[3]，从而形成复杂的碳排放流动网络。在国际学术研究中，隐含碳排放被称之为“Embodied Carbon Emissions”。“Embodied”概念最早在国际高级研究机构联合会 (IFIAS) 能源分析工作组会议上提出，目的是为了衡量某种产品或服务整个生产过程中直接和间接消耗的某种资源的总量。原则上，“Embodied”后面可以加任何资源的名称。由于Embodied核算和投入产出经济学极其相似，投入产出经济学中的许多概念被应用到Embodied分析中[4]，“隐含碳排放”的概念也由此产生，即产品和服务在整个生产过程中所排放的直接和间接碳排放。经济活动的本质是生产要素的交换，与直接碳排放相比，隐含碳排放为追踪经济系统中的二氧化碳提供了更为系统的视角[5]，代表的计算方法为投入-产出法。因此，有必要分析隐含碳排放流动网络的结构特征，识别各产业部门在网络中的角色和位置，以及关键的隐含碳排放流动路径，这将有助于设计科学合理的产业间协同减排政策，并为进一步明确各产业部门的碳减排责任打下基础。

近年来，国内外学者从三个层面对中国隐含碳排放转移问题展开了系列研究。就国际贸易层面而言，很多学者认为部分国家通过贸易将碳排放转移至中国，使得中国成为隐含碳排放净出口国，碳排放净出口量约占中国碳排放总量的14.4%，其中3.07%～8.41%的碳排放产生于中国与欧盟的贸易中[6-9]。从国内省域贸易层面来看，大量研究认为，随着中部地区承接了来自东部沿海地区的高碳污染的产业转移，中国碳排放在空间上呈现出从东部地区转移至中西部地区的现象，能源密集型产业是主要贡献者[10-11]。以上研究很好地揭示了不同区域之间隐含碳排放的转移模式，并确定了隐含碳排放的主要贡献者，为区域碳减排政策的制定提供了有效支撑。与区域间碳排放转移类似，产业间同样存在着较为复杂的碳排放流动关系，而当前产业层面的碳排放研究，主要关注特定产业部门的碳排放核算及其影响因素，忽略了从系统的视角揭示各产业部门间的隐含碳排放流动关系[12-16]。Wang等结合投入-产出法、拉动力法和结构路径分析法探究了京津冀区域产业链中的隐含碳排放流，确定了区域间隐含碳排放流动的关键部门及关键路径[17]。此研究是分析中国区域产业间隐含碳排放流动问题的一次突破，为分析中国产业系统隐含碳排放流动问题提供了有价值的参考。然而，由于方法的局限性，使得该研究未能实现产业系统的深层经济联系与产业部门间隐含碳排放顺次流动的有效对接，无法从整体上揭示部门间的交互影响关系。

复杂网络理论是一种分析复杂系统结构特征的有用工具，它有助于挖掘系统各部分之间的关系，提供有关系统组成的有用信息以及其基础组件的功能、作用和影响，已被广泛应用于众多领域[18-20]。在资源领域，Jiang等、Hao等基于复杂的网络理论分别研究了全球贸易中的矿物质流及稀土流，并揭示了流动网络的一些隐匿特征[21-22]。在能源领域，Shi等发现全球产业部门间隐含能源流动结构具有重要的演变规律[23]。而在碳排放领域，仅Jiang等运用复杂网络理论对全球隐含碳排放转移网络的宏观特征进行了描述[5]。将复杂网络理论用于挖掘产业部门间隐含碳排放流动结构的研究甚微。因此，本文以中国产业部门为研究对象，运用复杂网络理论分析产业部门间错综复杂的隐含碳排放流动关系，旨在通过复杂网络的拓扑学特征全面揭示隐含碳排放流动网络的结构形态，提供产业系统碳排放的跨部门协同减排思路。

二、方法与数据

(一)产业部门间隐含碳排放流的核算

化石能源的燃烧是二氧化碳的重要来源，因此本文基于煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、燃料油、柴油和天然气等8类主要化石能源，采用《2006年IPCC国家温室气体排放清单指南》中提供的表观消费量法估算各产业部门的直接碳排放量，其公式如下：

(1)

其中，di为部门i的直接CO2排放量；e为能源种类；ECie为部门i对能源e的消费量；NCVe为能源e的平均低位发热量；CEFe为能源e的二氧化碳排放系数；COFe为能源e的碳氧化率。

根据投入产出理论，部门i的隐含碳排放基本平衡式如下[24]：

(2)

因此，整个投入产出表可用以下矩阵方程表示：

DT+XTZT=YZT

(3)

将式(3)转化处理得到隐含碳排放强度矩阵Z：

Z=D(Y-X)-1

(4)

因此，产业部门间隐含碳排放流动矩阵为：

(5)

(二)复杂网络技术

1.隐含碳排放流动网络的构建

基于隐含碳排放流动矩阵，产业部门间隐含碳排放流动网络(简称：ECEFN)可用G=(N，F)表示，其中产业部门N=(n1，n2，…，nn)作为网络中的节点，产业部门间隐含碳排放流F作为网络中的边，流动量作为边的权重，进行隐含碳排放流动网络的构建。

2.隐含碳排放流动网络的分析指标

(1)平均最短路径

复杂网络中，两产业部门间的距离被定义为连接两部门的最短路径包含的边数，即从部门i至少经过多少条边才能到达部门j。平均最短路径L是ECEFN中任意两个部门距离的平均值，反映ECEFN的连通性。其公式为：

(6)

其中，L为ECEFN平均最短路径；N为网络中产业部门的总数目；dij为部门i与部门j之间的距离。

(2)聚集系数

一个产业部门的聚集系数被定义为所有与之相邻的部门之间的连边数占最大可能连边数的比例，用Ci表示。ECEFN的聚集系数是所有产业部门聚集系数的平均值，反映网络的紧密程度。其公式为：

(7)

其中，C为ECEFN的聚集系数；Ci为部门i的聚集系数；mi为与部门i相连的部门数量；Ei为所有与部门i相连的各部门之间的连边数；n为产业部门的总数量。

(3)点强度

(8)

式(8)中，ωij为部门i到部门j的隐含碳排放流动量；n为从部门i出发的边的数量。

(4)中介中心度

中介中心度是反映某一部门在网络中控制其他部门能力的指标。其定义为：在部门i和部门j之间存在n条最短路径，经过部门k并且连接这两个部门的最短路径数目与这两个部门之间的最短路径总数目之比，其计算公式为：

(9)

其中，Cg(k)表示部门k的中介中心度，gij表示部门i、j之间最短路径数目；gij(k)表示部门i、j之间经过部门k的最短路径数目。

(5)社团检测

现实世界中的许多网络呈现出强大的社团结构，其意味着网络中的节点以某种特定的方式发生聚类，即社团内部各节点间连接较为紧密，社团间的节点连接较为疏松。因此，为发掘碳流动网络拓扑结构的某些隐匿特征，本文采用由Blondel等提出的模块度最大化方法进行社团检测，模块度公式为[25]：

(10)

(三)数据来源

文中的经济和能源相关数据分别来源于2015年《中国投入-产出延长表》和2016年《中国能源统计年鉴》；各类能源的平均低位发热量来自2016年《中国能源统计年鉴》附录4；二氧化碳排放系数来自《2006年IPCC国家温室气体清单指南》；碳氧化率来自《省级温室气体清单编制指南》。由于《中国投入-产出延长表》中的产业部门分类和《中国能源统计年鉴》中分行业能源消费量表的产业部门划分不一致，为确保计算的准确性，参考Jiang的做法，将投入产出表的42个部门归并为30个部门[5]，并使得最终的30个部门在《中国投入-产出延长表》和《中国能源统计年鉴》中分行业能源消费量表中得以一致，归并后的产业部门分类见表1。

表1 产业部门分类

三、研究结果及分析

为了充分展示产业部门间隐含碳排放流动网络的拓扑结构形态，利用Gephi软件绘制了含有829条边的中国产业部门间隐含碳排放流动网络图(图1)，理论上30个产业部门间的投入产出关系应为30×30=900种，但2015年投入产出延长表中实际存在的关系为859种，因此，基于859种投入产出关系核算产业部门间隐含碳排放流动量。此外，本文研究对象为产业部门间隐含碳排放流动情况，即发生了产品或服务生产与消费的分离，而本部门对自身的投入产出不属于此范畴(生产的产品或服务最终被自己消费)，故30个产业部门间的隐含碳排放流动关系应为859-30=829种，隐含碳排放流动网络中为829条边。图1中，圆圈表示各个产业部门；数字表示产业部门编号；圆圈的大小代表点强度，圆圈越大，点强度越大；边的粗度代表隐含碳排放流的权重，边越粗，隐含碳排放流动量越大。

图1 产业部门间隐含碳排放流动网络图

(一) ECEFN的小世界性质分析

小世界网络是指网络中大多数节点彼此不相邻，但是它们可以通过少量的步骤到达彼此。聚集系数和平均最短路径是衡量网络是否具有小世界性质的指标。

经式(6)～(7)计算得到，ECEFN的聚集系数为0.953，表明网络的有效关联数较高，大多数产业部门是高度聚集的；ECEFN的平均最短路径为1.047，表明网络具有较好的连通性，每个部门到其他部门只需要1.047步。因此，ECEFN具有较大的集聚系数及较小的平均最短路径，属于小世界网络。ECEFN的小世界性质意味着网络中各产业部门间的碳排放流动关系较为紧密，对一个部门的影响可能会迅速蔓延到网络中的其他部门，进而导致整个产业系统的变动。换言之，在某些情况下它是非常敏感和脆弱的，这将为产业部门间协同减排提供重要机遇。

(二)ECEFN的关键产业部门分析

从影响强度与“媒介”作用两个角度识别产业部门的重要性。点强度用于衡量产业部门的影响强度，点强度越大，产业部门越重要。中介中心度用于衡量产业部门的“媒介”作用，中介中心度越大，产业部门越重要。在ECEFN中，具有较大点强度或中介中心度的部门为关键产业部门。

1.产业部门的影响强度分析

产业部门点强度的概率分布称为强度分布。在双对数坐标轴下对ECEFN的点强度进行线性拟合(图2)。其中，横坐标为按各部门点强度大小排序后的各产业部门序号，纵坐标为各产业部门的点强度。由图2可知，拟合度较好，ECEFN的强度分布符合双段幂律分布。其中，第一段拟合的R2值为0.893 9，第二段拟合的R2值为0.960 6，均通过了0.05水平的显著性检验。幂律分布是复杂网络中较为普遍的分布，服从幂律分布的网络具有无标度特征，这意味着ECEFN中存在少数产业部门携带大量隐含碳排放。

图2 点强度分布图

进一步分析ECEFN中的少数重要产业部门节点，出强度及入强度排名前10的产业部门见表2。在出强度方面，前10个产业部门共产出2 289 455.84万吨 隐含碳排放，占ECEFN中隐含碳排放流动总量的78.52%。其中，排名前四的产业部门：金属冶炼及压延加工业、电力热力的生产和供应业、石油加工及炼焦业和化学工业，作为重要的能源生产或原料供应者，向其他部门供应了51.93%的隐含碳排放。在入强度方面，前10个产业部门共接收2 065 022.87万吨隐含碳排放，占ECEFN中隐含碳排放流动总量的70.82%。其中，排名前四的产业部门：建筑业、其他服务业、金属冶炼及压延加工业和化学工业。作为隐含碳排放的关键消费部门，从其他产业部门消费了44.20%的隐含碳排放。对比发现，隐含碳排放的供应比消费更为集中。值得注意的是，建筑业的入强度远高于其他部门，说明建筑业对其他部门产生碳排放具有较大的拉动作用，在网络中作为隐含碳排放流动的聚集中心。改革开放以来，中国城镇化进程不断加快，基础设施和住房市场取得快速发展，大量间接能源流入建筑业，使得建筑业成为了隐含碳排放的最大消费者。进一步研究发现，金属冶炼及压延加工业和化学工业是同时具有较大出强度和入强度的产业部门，表明金属冶炼及压延加工业和化学工业既是隐含碳排放的供应中心，又是消费中心，它们在产业链上处于中游，是中间产品的重要生产者与供应者。对ECEFN出强度及入强度的分析有助于挖掘产业部门与隐含碳排放之间的关系，进而促进经济系统碳减排目标的分解。

表2 出强度及入强度排名前10的产业部门

2.产业部门的媒介作用分析

ECEFN中存在点强度较低的产业部门，却因为连接着许多关键部门而变得重要。若要全面降低碳排放，不仅要控制隐含碳排放的来源，还要通过控制媒介来阻止其传播。通过中介中心度的分析可以识别ECEFN中“媒介”作用较强的关键产业部门，各产业部门的中介中心度见图3。

由图3可知，各部门中介中心度的均值为1.367，高于这一均值的部门有14个，从高到低依次是石油加工及炼焦业、金属制品业、非金属矿物制品业、化学工业、金属冶炼及压延加工业、通用设备制造业、专用设备制造业、交通运输设备制造业、电力热力的生产和供应业、燃气生产和供应业、煤炭开采和洗选业、非金属矿及其他矿采选业、电气机械及器材制造业、工艺品及其他制造业，这些部门在ECEFN中控制其他部门隐含碳排放溢出的能力较强。其中金属制品业、非金属矿物制品业、化学工业、金属冶炼及压延加工业、石油加工及炼焦业、通用设备制造业、专用设备制造业和交通运输设备制造业的中介中心度的取值均为2.721，明显高于其他部门，这意味着控制不同部门之间的隐含碳排放流动，使这些部门成为了ECEFN中“媒介”作用较强的关键产业部门。换言之，对这些关键产业部门的冲击很可能导致上游部门和下游部门之间的隐含碳排放流动中断，供应链中的联系将受到破坏，甚至使得整个ECEFN被中断为互不相连的孤立部门。与此同时，这些部门的清洁发展也将有助于提高产业链上的能源使用效率，从而全面降低产业系统的碳排放。

图3 产业部门的中介中心度图

(三) ECEFN的社团结构分析

基于模块化算法，利用Gephi软件对ECEFN进行社团划分，最大模块度为0.241，划分结果较为理想。社团划分情况见图4，图中圆圈表示各个产业部门，数字表示产业部门编号，圆圈的大小代表点强度，圆圈越大点强度越大，边的粗度代表隐含碳排放流的权重，边越粗，隐含碳排放流动量越大。由图4可知，网络中的30个产业部门被划分为四个社团。

图4 产业部门的社团结构图

各社团产业部门组成及隐含碳排放流动情况见表3。在社团内部隐含碳排放流动量方面，从大到小依次是社团Ⅰ、社团Ⅳ、社团Ⅱ、社团Ⅲ，尽管社团Ⅳ内部产业部门数量最多，包括农业、制造业及服务业相关部门，这些部门间的关联性较强，流动关系较复杂，但整体流动量却非最大。相反，社团Ⅰ的产业部门数量虽不是最多，但多为重工业，各部门互为上下游关系，部门间碳排放转移量庞大。因此，社团内部的隐含碳排放流动量大小与产业部门数量和部门间关联关系的多少没有必然联系。在社团间隐含碳排放流动量方面，社团Ⅰ和社团Ⅳ的隐含碳排放流入量远大于其流出量，尤其是社团Ⅳ的这种差距更为明显，因此，它们是ECEFN中隐含碳排放的吸收场所。相反，社团Ⅱ和社团Ⅲ的隐含碳排放流出量远大于其流入量，故其具有较强的隐含碳排放溢出效应，是ECEFN中隐含碳排放的发散场所。由图4可以更直观的看到各个社团之间的隐含碳排放流动关系。产生这种现象的原因为：社团Ⅰ是以金属冶炼及压延加工业/建筑业为核心的产业集群，社团Ⅳ是以交通运输设备制造业/其他服务业为核心的产业集群，这些部门均为产业链上的中下游产业部门，其发展与壮大需要大量消耗来自上游产业部门的能源或原材料。而社团Ⅱ是以煤炭开采和洗选业/化学工业为核心的产业集群，社团Ⅲ是以石油和天然气开采业/石油加工及炼焦业为核心的产业集群，这些部门均为产业链上的上游能源供应部门，是下游产业部门发展的基础支撑性部门。

表3 社团结构表

(四)ECEFN的关键隐含碳排放流动路径分析

根据复杂网络中边权的定义，ECEFN中的边权是指两个部门之间隐含碳排放流动量。边权越大，隐含碳排放流动量越大。对于边权的分析有助于识别ECEFN中主要隐含碳排放流的关系和方向。

边权累计概率分布情况见图5所示。由图5可知，前20%(166条)的边携带了约90%的隐含碳排放流。这表明少量的边控制了大量的隐含碳排放流，从而对整个网络产生巨大的影响。如果这些边被弱化或去除，边上连接的产业部门的隐含碳排放将受到控制，进而蔓延到整个产业系统，有利于降低总体碳排放。因此，这些边是ECEFN中的关键边。进一步研究发现，前1.21%(10条)的边携带了30.05%的隐含碳排放流，其重要程度更为显著，可视为网络中的核心边。权重最大的10条核心边依次是：非金属矿物制品业-建筑业；金属冶炼及压延加工业-建筑业；金属冶炼及压延加工业-电气机械及器材制造业；金属冶炼及压延加工业-金属制品业；石油加工及炼焦业-化学工业；电力热力的生产和供应业-金属冶炼及压延加工业；石油加工及炼焦业-交通运输、仓储和邮政；电力热力的生产和供应业-化学工业；化学工业-其他服务业；金属矿采选业-金属冶炼及压延加工业。可以明显看出，具有较大权重的隐含碳排放流受限于少数产业部门之间，且流向固定，这主要与中国的经济结构及能源分配有关。

图5 边权累计概率分布图

为了进一步寻找ECEFN中的关键隐含碳排放流动路径，本文参考Sun的方法：首先，基于10条核心边，以一条边的投入部门作为本条关键路径的起始部门，捕获与投入部门具有最大边权关系的第二个部门，然后，继续捕获与第二个部门具有最大边权关系的下一个产业部门，此过程一直持续到最后一个部门返回至倒数第二个部门[24]。关键隐含碳排放流动路径识别结果见表4。ECEFN中的关键路径共八条：以金属冶炼及压延加工业、电力热力的生产和供应业、石油加工及炼焦业为起点的路径各有两条，以非金属矿物制品业、金属矿采选业为起点的路径各有一条，所有的路径都以批发零售、住宿餐饮业作为终点。这八条关键路径共传输1 004 232.73万吨隐含碳排放，占ECEFN中隐含碳排放流动总量的34.44%，且关键路径上的隐含碳排放普遍通过建筑业流入第三产业，这主要与中国的城镇化进程密切相关。

表4 关键隐含碳排放流动路径

四、结论与启示

基于2015年中国投入—产出延长表，计算了各产业部门间的隐含碳排放流动量。在此基础上，构建了中国产业部门间隐含碳排放流动网络，借助复杂网络技术指标分析了隐含碳排放流动网络的整体结构特征，识别了各产业部门在网络中的结构角色、部门间的聚类特征以及关键的隐含碳排放流动路径。研究结论及政策启示如下：

第一，网络整体特征分析结果表明，产业部门间隐含碳排放流动网络具有显著的小世界特质，其网络聚集系数为0.953，平均最短路径为1.047，说明大部分产业部门间存在着紧密的隐含碳排放传递关系，任何一个产业部门碳排放非期望产出的变动，都会带来上下游关联产业部门碳排放的连锁反应，进而影响整个产业系统碳排放总产出规模的变化。因此，在当前仅关注重点行业生产碳排放减碳政策的基础上，政府更应该从产业系统全局的角度出发，综合考量产业个体在整个经济系统中所处的位置及扮演的角色，制定跨部门的协同减碳政策，同时借助供给侧和消费侧改革，推进绿色产业结构升级，最终实现系统减碳目标。

第二，网络个体特征分析结果表明，产业部门的点强度呈现双段幂律分布特征，意味着少数产业部门在网络中扮演着重要的角色。其中，电力热力生产和供应业、石油加工及炼焦业处于产业链的上游，是隐含碳排放的重要“供给者”；建筑业、其他服务业处于产业链的下游，是隐含碳排放的重要“接收者”；金属制品业、非金属矿物制品业、石油加工及炼焦业、通用设备制造业、专用设备制造业和交通运输设备制造业处于产业链的中游，起着重要的“桥梁”作用；而金属冶炼及压延加工业、化学工业同时扮演着多重核心角色。因此，在制定产业碳减排政策时，应根据产业个体在网络中的角色定位，采取差异化的低碳发展措施。对于电力热力生产和供应业(出强度385 170.58万吨)、石油加工及炼焦业(出强度327 940.47万吨)等具有较大生产者碳减排责任的产业部门，提高能源综合利用效率，积极推广可再生能源的应用，从碳排放生产端推进能源生产和利用方式变革，优化能源结构；对于建筑业(入强度516 402.50万吨)、其他服务业(入强度296 816.64万吨)等具有较大消费者碳减排责任的产业部门，全面实施绿色建筑全产业链计划，积极宣传低碳消费理念，鼓励低碳生活，从碳排放引致端提升人的绿色低碳消费意识；对于金属制品业(中介中心度2.721)、非金属矿物制品业(中介中心度2.721)等重要的隐含碳排放“传导型”产业部门，鼓励使用先进节能设备，增强自主研发创新能力，同时，对于部分高耗能中间产品，通过进口的方式减少国内生产，实现传导过程低碳化；对于同时具有较大生产-消费者碳减排责任的金属冶炼及压延加工业(出强度489 805.41、入强度243 808.61、中介中心度2.721)、化学工业(出强度311 281.99、入强度231 859.35、中介中心度2.721)，可采取上述措施组合方式实现碳减排。由于隐含碳排放的研究基于需求端考虑，且建筑业的隐含碳排放入强度远大于其他部门，故建筑业的碳减排责任最大。

第三，通过社团检测发现，隐含碳排放流动网络中存在着明显的聚类特征，30个产业部门被划分为四个社团，每个社团均是以特定部门为核心的强关联子网络，四个社团分别为：以金属冶炼及压延加工业/建筑业为核心的社团Ⅰ、以煤炭开采和洗选业/化学工业为核心的社团Ⅱ、以石油和天然气开采业/石油加工及炼焦业为核心的社团Ⅲ、以交通运输设备制造业/其他服务业为核心的社团Ⅳ。从网络全局来看，社团Ⅰ和社团Ⅳ为隐含碳排放的吸收场所，社团Ⅱ和社团Ⅲ为隐含碳排放的发散场所。因此，在制定碳减排政策时，必须综合考虑社团内部结构和社团外部角色，在社团内部根据部门能源流、物质流和技术特征设计碳减排措施，进而通过社团间上下游传导关系，实现社团间协同减排。

第四，通过对隐含碳排放流动网络中的边权分析发现，前20%的边携带了约90%的隐含碳排放流。进一步基于权重较大的10条核心边，识别了八条关键隐含碳排放流动路径，这八条关键路径共传输1 004 232.73万吨隐含碳排放，占隐含碳排放流动总量的34.44%，且关键路径上的隐含碳排放普遍通过建筑业流入第三产业。因此，在制定碳减排政策时，不仅要关注隐含碳排放关键部门，还要关注关键隐含碳排放流动路径，重点剖析这八条关键产业链上的各部门角色，寻求最优减碳措施，使碳减排效果由“点”到“线”，由“线”及“面”，最终实现产业低碳经济的可持续发展。