基于VAR模型的城市建设用地扩张对碳排放的影响研究——以南昌市为例

周来友

(新余学院 经济管理学院，江西 新余 338004)

1 问题的提出

近年来，低碳发展、绿色发展越来越受到重视，绿色低碳已成为时代潮流。早在2010年，国家发展和改革委员会将广东、天津等省市作为第一批国家低碳试点地区；随后，2012、2017年又有更多的省市和区域加入低碳试点。《“十二五”控制温室气体排放工作方案》提出“中国2015年将使碳排放强度比2010年下降17%”；国家能源局印发的《能源发展“十三五”规划》强调“发展清洁低碳、安全高效的现代能源体系”[1]。党的十九大报告提出“加快建立绿色生产和消费的法律制度和政策导向，建立健全绿色低碳循环发展的经济体系”。可见，绿色和低碳发展已经成为国家发展战略的重要组成部分。

改革开放40年来，中国城镇化进程不断推进，取得举世瞩目的成就。但是，城市扩张所诱发的生态环境问题也引起了社会各界的广泛关注，城市扩张的经济、社会和环境等效应也是近年来国内外学者研究的热点问题[2]。以经济增长和土地非农化为重要特征的传统城市扩张促使碳排放不断增加，研究表明，城市建设用地扩张带来的土地利用变化及其化石燃料燃烧是引起全球气候变化和温室效应的主要原因之一[3-4]，城市成为人类能源活动和碳排放的集中地[5]，其温室气体排放占全球的80%[4]。温室气体的过度排放导致全球范围内的气候变暖，荒漠化、盐碱化现象不断凸显，海平面上升及全球平均气温上升等大量环境问题日益加剧[6]。

可见，随着中国经济发展和城市扩张的不断推进，要实现绿色低碳发展，碳减排的压力将不断增加。只有弄清楚碳排放的机理，才能做到有的放矢、精准施策。已有研究从不同角度阐释了某一变量对碳排放的影响机制及影响程度，形成了较为丰硕的成果。从城市化或城市扩张的角度研究其对碳排放的影响，也有不少成果，但城市化与碳排放之间的关系非常复杂，特别是其中的影响机制，学术界的研究还不够深入，对于城市化是促进碳排放还是抑制碳排放还未形成共识。本文从城市建设用地扩张的角度，探讨其对碳排放的影响机理和传导路径，并以低碳试点城市南昌为例，对其影响碳排放的程度进行实证检验。

2 城市建设用地扩张对碳排放的作用机制

城市建设用地扩张及其引致的资源集聚，是一种外延型、可见的城市发展模式。城市面积的扩大和蔓延，带来了工业、交通、建筑、人口消费、土地利用变化等诸多方面的碳排放问题。学者们从多个方面探索了城市建设用地扩张对碳排放的影响途径，曾德珩等[7]从城市扩张和城市转型2个角度分析了其对碳排放的影响，认为城市扩张与转型对碳排放的影响是多方面的，城市不同的发展阶段，受到影响的程度也各不相同；王星[8]认为城市化对碳排放的传导路径包括人力资本、技术创新、产业结构和居民消费；熊佳术[6]则认为，土地变迁效应、产业结构调整效应、投资增长、科技进步效应和人力资本积累效应是城市化对碳排放影响的五大路径。可见，城市化或城市建设用地扩张对碳排放的影响机制颇为复杂，其原因在于城市化或城市建设用地扩张本身对碳排放的影响较弱，但由其带来的投资增长、产业结构变化、人口规模变化等对碳排放产生了较大的影响。

基于上述认识及综合学者们的研究成果发现：城市建设用地扩张对碳排放的影响主要通过3条路径实现的。一是“产”的路径，即城市化的过程是产业非农化的过程，产业非农化会影响碳排放；二是“地”的路径，即城市化过程是农用地转变为建设用地的过程，导致碳储量的降低，进而影响碳排放；三是“人”的路径，即城市化过程是人口向城市集聚的过程，城市人口增加影响碳排放。正是城市化这条“产—地—人”的“三化”路径，导致了城市建设用地扩张对碳排放的影响。

产业非农化对碳排放的影响主要表现在产业结构的变化上。随着经济的发展和城市的不断扩张，产业结构从附加值较低的第一产业转变为附加值较高的第二、三产业，而各个产业对能源需求和利用效率又有极大的不同，进而产生不同量的碳排放。当产业结构演进为以第二产业为主时，此时能源需求大幅增加，特别是其中的化石能源消耗大量增加，高能耗、高排放、高污染的产业大多集中在第二产业，此时碳排放量是大幅增加的。当产业结构演进为以第三产业为主时，碳排放量逐渐达到峰值并有所降低，这是因为第三产业对能源消耗相对第二产业来说较少。

土地非农化对碳排放的影响主要表现在土地利用类型的变化上。随着城市建设用地的不断扩张，大量农用地转换为建设用地。而林地、草地、园地等通过光合作用可以吸收大气中的碳，其中土壤也有固碳作用，这些地类转化为建设用地后，其吸收或固定碳元素的作用丧失，导致空气中的碳排放增加；而农田因为受到人为作用的影响，既有固定碳元素的作用，又可以释放二氧化碳，因此，农田转化为建设用地后，对碳排放的影响不确定。

人口非农化对碳排放的影响主要表现在消费模式或习惯的变化上。随着经济的发展和城市的进一步扩张，越来越多的农村人口涌入城市，此时城市人口的规模不断变大。随着城市居民收入的不断提高，其原有的消费模式和习惯也跟着改变，进而对城市的能源消耗和碳排放量有着较大的影响。数据显示，碳排放总量中工业生产导致的碳排放所占权重较大的情形已经悄然发生改变，一些发达国家家庭能源需求量后来居上，甚至已经超过了工业生产的能源消耗量[8]。一些学者对我国的研究表明，人均消费水平对工业化阶段的碳排放量的驱动最大，甚至居民消费贡献了近75%的碳排放份额[9-10]。

尽管本文将城市建设用地扩张对碳排放的影响归为3条路径，但并不等于说这3条路径是相互独立、互不影响的。相反，这3条路径是协调统一、相互影响的，土地非农化对碳排放的影响包含了产业非农化对碳排放影响的一部分，而产业非农化和土地非农化对碳排放的影响最终可以落脚到人口非农化对碳排放的影响。因此，城市建设用地对碳排放的影响程度及方向，还需要看其综合效应。

3 模型设定与数据说明

3.1 碳排放测算模型

根据上文分析，由城市建设用地扩张引起的碳排放总量应以某一个区域的能源、产业结构、人口因素等为依据，并通过一定的模型测算出来。本文参考《省级温室气体清单编制指南》提供的碳排放分解模型的方法，利用《南昌统计年鉴》等相关资料，从终端消费和中间消费的角度汇总计算能源消费总量。具体公式如下：

(1)

3.2 向量自回归模型(VAR模型)

由于本研究所使用的数据为时间序列数据，且研究城市建设用地扩张与碳排放之间的因果关系，因此，本研究使用向量自回归模型(VAR模型)对两者之间的关系进行检验。VAR模型由Sims在1980年提出[11]，是常用的计量经济模型，它是利用模型中所有当期变量对所有变量的若干滞后变量进行回归，从而估计全部内生变量的动态关系。计算公式见公式(2)。

Yt=α1Yt-1+α2Yt-2+…+αpYt-p+εt

(2)

式(2)中，Y表示K维的内生变量向量；α表示相应的系数矩阵；p表示内生变量滞后的阶数。需要注意的是，构建VAR模型时，确定滞后阶数(即p值)最为关键，一般根据常用的信息准则确定。

（f）销户：当用户离职以后，首先由系统管理员在权威数据源停用或注销用户账户，然后把用户状态同步到统一用户身份库，再将用户状态推送至与该用户关联的应用系统中，完成企业门户和各应用系统的统一注销用户账户工作。

3.3 变量说明

3.3.1 二氧化碳排放量(ECO2/E) 城市建设用地扩张的过程也是工业化不断推进的过程，而这一过程中的碳排放主要来自于化石能源消费。上文分析也指出了城市建设用地扩张所带来的直接或间接的碳排放都属于化石燃料燃烧产生的。因此，本文将城镇化石能源消费所产生的碳排放总量作为被解释变量。根据数据的可获性，本文的化石燃料包括煤炭、焦炭、汽油、煤油等，并将这些能源折算成标准煤，再乘以各自的碳排放系数。其中，折算系数和碳排放系数分别来自于《中国能源统计年鉴》和《省级温室气体清单编制指南》。

3.3.2 城市建设用地扩张(F) 城市建设用地扩张是城市空间扩张的一个表征，而空间扩张主要是地域的扩大。因此，本研究将采用建成区总面积表征城市建设用地扩张，随着城市化的不断推进，城市建成区越来越大，其面积也不断增加。

3.4 数据说明

本文的研究对象为1995～2017年间的南昌市，在2010年2月20日的“中国低碳经济合作项目动员大会”上，南昌市被列为发展低碳经济的试点城市，将其作为研究对象具有一定意义。文中数据来源于1996～2018年《南昌统计年鉴》《中国城市建设统计年鉴》和《中国能源统计年鉴》，部分资料参考了国家发展和改革委员会公布的《省级温室气体清单编制指南》。

4 南昌市城市建设用地扩张、碳排放指标的结果与分析

4.1 南昌市城市建设用地扩张

为了能够直观地显示1995～2017年南昌市城市建设用地扩张的变化趋势，本文利用Excel 2007软件，对原始数据进行了Z-score标准化处理，并绘制了1995～2017年南昌市城市建设用地扩张指数变化图。该指数反映的是某年度城市建设用地扩张水平相对于样本期内平均水平偏离的大小[7]，具体如图1所示。

从图1可以看出，南昌市1995～2017年城市建设用地扩张大致可以分为3个阶段：第一阶段为2000年及之前，该期间城市建设用地扩张较为缓慢；第二阶段为2001～2009年，该期间城市建设用地保持稳定扩张；第三阶段为2010年及以后，该期间城市建设用地呈现快速扩张的态势。原因在于第一阶段经济发展较为平稳，且受亚洲金融风暴和1998年住房制度改革的影响，城市建设用地扩张一直缓慢有序扩张；第二阶段随着南昌经济技术开发区、高新区、红谷滩新区等新城区的快速发展，使得城市建设用地得到一定程度的扩张，建成区面积也从108.5 km2增加到201.5 km2，几乎翻了1倍；第三阶段虽然多次受到政府调控影响，但随着南昌大都市战略的实施、赣江新区快速跨越式开发等，城市建设用地呈现出快速扩张态势。

4.2 南昌市碳排放

图2显示了南昌市1995～2017年间碳排放总量趋势，随着南昌市人口和经济的增长，碳排放总量也出现相应的增长。

图1 1995～2017年南昌市城市建设用地扩张曲线

图2 1995～2017年南昌市碳排放总量

总体上看，碳排放总量不断出现波动：1995～2000年碳排放总量出现下降，这主要是因为南昌市经济受到亚洲金融风暴的影响，从而工业生产等受到一定程度的影响；随后，2001～2007年碳排放总量出现较快速度的增长，这期间南昌市第二产业的比重也不断提高，导致碳排放总量不断增加；而2008～2009年间碳排放又出现较大程度的下降，这主要是受到2008年次贷危机的影响，导致南昌市工业生产出现较大幅度下滑；2010年以后碳排放一直稳定在同一水平上，一方面是工业生产得到恢复，另一方面是2010年之后南昌作为低碳城市试点，碳减排压力较大，所以碳排放总量一直保持稳定。

图3表示1995～2017年南昌市人均碳排放量和碳排放强度的变化趋势。从图3中可以看出，与碳排放总量类似，人均碳排放也出现波动，但2015年之后出现较大幅度的下滑，这是因为环境保护越来越受到政府部门重视，加之科技不断进步和人口不断增加，致使人均碳排放出现下降。然而，2017年南昌市人均碳排放量还维持在4 t/人以上的水平上，与发达地区人均碳排放量存在一定差距，因而碳减排压力较大。

5 实证结果与分析

5.1 平稳性检验

为避免非平稳数据造成的伪回归现象，首先应对所使用的时间序列数据进行平稳性检验[12]，本研究采用常用的ADF单位根检验法进行检验。为了消除数据可能存在的异方差问题，本文对变量进行自然对数处理，分别记为LNE、LNF。检验结果见表1。

图3 1995～2017年南昌市碳排放强度和人均碳排放量

表1 ADF检验结果

表1显示，无论对于哪个变量，在5%的显著性水平下，其数据的原序列ADF统计量值均小于5%临界值的绝对值，意味着不能拒绝原序列存在单位根的假设，即各数据原序列存在单位根，为不平稳序列。在各变量的原序列进行一阶差分后，其ADF统计量值均大于5%临界值的绝对值，因而拒绝一阶差分序列存在单位根假设，意味着一阶差分序列不存在单位根，为平稳序列。即各变量为一阶单整序列I(1)，具备进行协整分析的基础。

不过，VAR(1)模型还应满足稳定性的条件，否则后续的分析没有实际意义。检验VAR模型是否稳定的方法是判断其特征根是否均在单位圆内，通过图4可以看到，VAR(1)的特征根均位于单位圆内，满足稳定性要求。

5.2 Johansen协整检验

ADF检验显示LNE和LNF都是一阶单整，可以进一步进行协整检验。为判断城市建设用地扩张与碳排放之间是否存在长期的均衡关系，表2给出了检验结果。

从表2可以看出，在5%显著性水平下，城市建设用地扩张和碳排放之间存在长期均衡关系，也即存在协整关系。

图4 单位根检验

表2 LNE和LNF协整检验结果

5.3 格兰杰因果检验

通过协整检验可以发现，城市建设用地扩张与碳排放之间存在长期均衡的关系，但两者之间的相互关系却无法明确反映出来。此时，需要通过格兰杰因果关系检验，进一步确定两者之间的关系，检验结果见表3。

表3 格兰杰因果关系检验结果

从表3可以看出，在滞后1阶和5%的显著性水平下，碳排放不是城市建设用地扩张的格兰杰原因，而城市建设用地扩张是碳排放的格兰杰原因。也就是说，城市建设用地扩张与碳排放之间存在单向的因果关系，即城市建设用地扩张导致了碳排放的增加，这验证了本文提出的理论分析。

5.4 脉冲响应分析

由于格兰杰因果检验无法提供变量间短期冲击的程度与大小以及这种冲击动态特征等信息，因此，有必要对城市建设用地扩张与碳排放之间的因果关系进行脉冲响应分析，其目的是分析冲击后变量有什么变化，这种变化大小程度如何，以及变量什么时候开始受到影响等。图5给出了城市建设用地扩张冲击引起碳排放总量的响应函数。

图5 脉冲响应分析

图5中的横轴表示滞后阶数，最大为滞后10阶；纵轴表示变量的变化率。由图5可知，城市建设用地对碳排放的影响初期很小，但随着建设用地的不断扩张，影响越来越大，在第5年达到最大，然后逐步下降，并一直保持稳定的状态。可以预期的是，当城市化从成长阶段发展到成熟阶段时，碳排放会逐步减少并保持稳定，这也是经济发展的自然结果。

6 结论与对策建议

6.1 结论

本文采用南昌市1995～2017年关于城市建设用地扩张和碳排放等数据，通过构建碳排放测算模型、VAR模型，利用协整检验、格兰杰因果检验、脉冲分析等研究方法，实证分析了南昌市城市建设用地扩张与碳排放之间的关系。得出以下结论：(1)南昌市城市建设用地在1995～2017年之间大致经历了3个阶段的扩张态势，分别为缓慢扩张、稳定扩张和快速扩张；碳排放总量总体上呈上升趋势，中间出现波动，最后呈现出稳定排放的趋势。(2)城市建设用地扩张与碳排放之间在5%显著性水平上存在长期均衡的关系，即存在协整关系。(3)格兰杰因果检验显示，城市建设用地扩张是碳排放的格兰杰原因，也就是说城市建设用地扩张导致了碳排放，验证了本文的理论分析。(4)脉冲分析显示，城市建设用地扩张对碳排放的影响在初期很小，但经过一段时间后，这种影响逐渐变大，待城市化发展成熟时，这种影响逐渐趋稳，碳排放总量有所下降。

6.2 对策建议

从结论中可以看出，城市建设用地扩张会带来碳排放的增加，而城市建设用地扩张所带来的人口集聚及消费习惯改变、产业结构演进及土地利用类型转换，是碳排放的罪魁祸首。因此，本文提出如下政策建议：(1)控制城市增长边界。着力推进新型城镇化发展和城市高质量发展，走低碳、集约的城镇化发展道路，努力提高城镇发展质量。推动城市发展从外延式扩张向内涵式发展转变，控制城市增长边界，实现集约式发展。(2)加快产业结构升级。产业结构转变是解决碳排放增加的一个重要手段，着力推动产业结构由第二产业和第三产业为主向第三产业为重发展。同时提升技术水平，加大研发投入，推动技术进步，对高能耗产业进行改造升级，逐步降低碳排放总量。(3)提高居民收入水平。着力促进经济发展，提高居民收入水平，不断降低恩格尔系数，推动居民生活质量提高。提倡低碳生活理念，促使居民低碳出行。