基于EKC检验及Tapio模型的建设用地规模和碳排放耦合关系研究---以天津市为例

常青蔡为民

(1.天津工业大学经济与管理学院，天津 300387；2.天津工业大学环境科学与工程学院，天津 300387)

近年来，全球气候持续恶化，各国应对气候变化的意愿更加强烈。中国提出在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。“双碳”目标的提出，为我国能源转型指明了方向，彰显了中国积极应对气候危机的坚定决心及共建地球生命共同体的大国担当[1-3]。土地利用/土地覆被变化是引起区域碳储量变化的重要原因，土地利用结构既能反映一个地区经济结构及产业布局，也能改变区域碳源/碳汇格局，对生态系统产生一定影响[4-6]。建设用地承载着大量高能耗、高碳排的人类活动，是最主要的碳源，建设用地扩张不仅引发交通拥挤、住房紧张等问题，还会侵占林地、草地等重要碳汇，导致生态环境恶化[7-10]。

目前,许多学者从不同的角度研究建设用地与碳排放的关系，为构建低碳的建设用地格局体系提供了参考。杜官印采用STIRPAT模型，分析人口、人均GDP和建设用地对碳排放的影响[11]。於冉、黄贤金基于kaya恒等式及灰色预测等方法对合肥市碳排放峰值及建设用地扩展规模进行了预测[12]。蔡苗苗、吴开亚采用VAR模型分析建设用地面积和碳排放的动态关系[13]。李国煜等采用HM指数建立城镇建设用地利用效率与碳排放的关联框架[14]。张梅等基于夜间灯光遥感影像分析了胡焕庸线两侧建设用地碳排放的时空差异[15]。张润森等、袁凯华等、杨欣等利用EKC假说分析了建设用地扩张与碳排放的内在关系[16-18]。随着“双碳”目标的不断推进及国土空间规划体系的不断完善，构建低碳型土地利用格局成为当下热点，加强建设用地管控更是实现碳减排和碳增汇的有效措施。因此，面对新形势新要求，深入分析建设用地碳排放效应具有重要现实意义。

天津是中国北方最大的工业城市，也是国家第1批低碳试点城市。在绿色城市建设上天津积累了丰富的经验，已具备实现碳中和愿景的良好基础，但也面临重大挑战。随着经济实力的稳步提升，建设用地规模持续增加，高能耗行业依然占据较大比重，生态环境保护面临巨大压力。鉴于此，本文以天津市为研究对象，分析建设用地扩张和碳排放的变化特征，对影响建设用地碳排放的因素进行分解。同时，运用EKC检验及Tapio脱钩模型厘清建设用地规模和碳排放的耦合关系，以期为天津市提高国土空间管控水平及制定深度减排战略提供实证参考，同时为其他城市探索绿色低碳土地利用模式及推动城市高质量发展提供借鉴。

1 研究区概况与数据来源

天津地处太平洋西岸，华北平原北部，东临渤海、北依燕山，位于E116°43′～118°04′，N38°34′～40°15′。2018年底全市生产总值为18809.64亿元，三次产业结构为0.9∶40.5∶58.6，全市常住人口1559.6万人，土地面积11966.45km2，其中，农用地面积6894.41km2，建设用地面积4206.51km2，未利用地面积863.53km2，分别占土地总面积的57.6%、35.2%、7.2%。

本研究所涉及的经济社会数据、土地利用数据及能源消耗数据来源于2010—2019年《天津市统计年鉴》。标准煤转化系数来源于《中国能源统计年鉴》，碳排放系数参考IPCC国家温室气体清单指南及现有研究成果。

2 研究方法

2.1 碳排放测算

通过能源消耗间接计算建设用地碳排放，计算公式：

(1)

式中，C为建设用地碳排放量；i为能源种类；mi为能源消耗量；βi为标准煤转化系数；ki为碳排放系数；各系数取值如表1所示[19-21]。

表1 标准煤转化系数和碳排放系数

本文中，碳排放强度指单位建设用地面积上所承载的碳排放量。具体公式:

(2)

式中，j为年份；Ij为建设用地碳排放强度；Cj为建设用地碳排放量；Sj建设用地面积。

2.2 碳排放驱动因素分解模型

2.2.1 构建kaya恒等式

kaya恒等式将碳排放与能源、经济、人口进行关联，其特点在于数学形式简单，灵活性强，具备可拓展性[22，23]。计算公式:

(3)

式中，C为碳排放总量；Ci、Ei分别表示第i种能源碳排放量和消耗量；E为能源消耗总量；GDP表示国民生产总值；P表示城市常住人口；r为能源碳排放系数；s表示能源结构；m为能源强度，即单位GDP能耗；f为人均GDP。

2.2.2 LMDI因素分解

LMDI因素分解法在kaya恒等式基础上深入分析各影响因素对碳排放的作用方向及贡献程度，其优势在于完全分解、无残差、解释型强[24]。具体分解公式：

ΔC=Ct2-Ct1=ΔCr+ΔCs+ΔCm+ΔCf+ΔCp

(4)

(5)

式中，Ct2和Ct1分别为研究期末和基期建设用地碳排放总量；△C为碳排放变化量；△Cr、△Cs、△Cm、△Cf、△Cp分别为能源碳排放因子、能源结构、能源强度、经济水平及人口规模引起的碳排放变化量；Wi为各能源权重；Cit2、Cit1分别为研究期末和基期各能源碳排放量。

(6)

联立式(3)、式(5)，得各因子贡献值：

(7)

各因素贡献率的表达式：

(8)

式中，θ为某因素对碳排放的累计贡献率；△C1为某因素对碳排放的累计贡献值；△C为综合效应累计贡献值。

2.3 耦合关系分析

2.3.1 EKC检验

环境库兹湿茨曲线是研究“经济—环境”系统的重要分析工具。本研究以2009—2018年为时间序列，将建设用地规模与碳排放总量进行曲线拟合，分别建立一次、二次、三次函数模型。待定系数取值及曲线关系见表2。

表2 建设用地规模与碳排放总量的曲线关系

C=b0+b1l+b2l2+b3l3+ε

(9)

式中，C表示建设用地碳排放量；l表示建设用地面积；b0为常数项,b1、b2、b3为待定系数；ε为随机误差项。

2.3.2 构建Tapio脱钩模型

“脱钩”指的2个变量之间关系减弱或消失，即两者变化速度、变化趋势不一致[26，27]。本研究将脱钩指数用于建设用地规模与碳排放耦合关系研究中，深入分析两者脱钩状态及成因。

(10)

式中，DI为脱钩指数；Zt2和Zt1分别表示研究期末和基期碳排放总量；St2和St1分别表征研究期末和基期建设用地总面积；Vt为碳排放总量变化速度；Kt为建设用地扩张速度。

表3 Tapio脱钩指数

3 结果与分析

3.1 建设用地扩张时序特征

由图1可知，天津市建设用地扩张经历了2个阶段：2009—2012年，该阶段建设用地扩展迅速，其规模从3810.62km2增加到3999.25km2，年均新增建设用地62.88km2，年均增长率为1.65%；2012—2018年，建设用地保持稳定扩张，其规模由3999.25km2增至4206.51km2，年均新增建设用地34.54km2，年均增长率为0.86%。城市发展初期，第二产业占据较大比重，交通用地、居住用地、公共设施用地等需求逐渐增加，由于土地利用较为粗放，致使建设用地扩展速度较快。当经济社会发展到一定阶段，随着城市规划的不断完善及产业结构优化升级，促使土地利用更加集约高效，建设用地扩展速度逐步减缓。

图1 2009—2018年天津市建设用地总量及扩张指数

3.2 碳排放变化分析

3.2.1 碳排放总量分析

由图2可知，建设用地碳排放可大致分为3个阶段。2009—2013年，碳排放量由4811.94万t增加至6880.72万t，年均增长率为9.35%；该阶段煤炭消耗量持续上升由4119.65万t增加到5433.63万t，增长率为7.17%；焦炭、原油、柴油在能源消费结构中也占较大比重，9大能源中，燃料油占比相对较小但作为碳排放系数较高的能源，也是导致碳排放增加的原因之一。2013—2017年，碳排放量稳中有降，5a间碳排放累计减少587.13万t；煤炭消耗量逐年递减，天然气、电力消费量持续增长，为推动城市工业和能源高质量发展做出积极贡献。2017—2018年，随着优质产能重新释放，碳排放量出现小幅回升。

图2 2009—2018年天津市碳排放总量和碳排放强度

3.2.2 碳排放强度分析

建设用地碳排放强度也可大致分为3个时期，其阶段划分与碳排放总量保持一致。2009—2013年碳排放强度从126.28t·hm-2增加至171.16t·hm-2，增长率为7.9%。2013—2017年碳排放强度逐年递减，原因在于碳排放总量逐年递减，建设用地规模逐年增加，单位建设用地面积上承载的碳排放量逐渐减少。2017—2018年碳排放强度有所回升，碳排放增速为4.29%，建设用地面积增速为0.79%，碳排放增速大于建设用地扩张速度。由此可见，碳排放强度在未来一段时间也会出现波动，但整体变化幅度不大。

3.3 碳排放驱动因素分析

由表4可知，4类因素对碳排放的作用方向及作用程度存在明显差异，根据作用方向的差异将碳排放驱动因素分为2类。碳排放的促进因素，即经济水平和人口规模；碳排放的抑制因素，即能源结构和能源强度。

表4 碳排放分解结果

图3 各效应累计贡献率

3.3.1 能源结构效应

能源结构对碳排放的贡献值大多为负，9a间能源结构调整使建设用地碳排放量累计减少405.20万t，对碳排放累计贡献率为-27.35%。发展初期，天津市重工业特征突出，对煤炭、焦炭等传统能源依赖性较强。随着产业结构的持续升级，清洁能源消费比重逐步提高，能源结构低碳化趋势逐步显现。然而，相比于其他3个因素，能源结构对碳排放的影响较小，且波动幅度不大。主要原因在于能源转型是一个漫长的过程，不可能一蹴而就。当前，煤炭消耗的主导地位没有动摇，“退煤”计划面临重重考验。

3.3.2 能源强度效应

能源强度对碳排放的抑制作用较为明显。该因素在研究期内累计引起碳排放减少3727.89万t，对碳排放累计贡献率达-251.60%。研究期内，能源强度对碳排放的影响波动幅度较大，2013—2014年负向效应最明显，贡献值高达-1025.66万t。由此可见，降低能源强度，提高能源利用效率，促使能源需求增速放缓，从而实现碳排放下降。研究初期，粗放型发展模式加剧了经济增长与资源环境的矛盾，由于技术创新滞后，节能设备等资源相对匮乏，致使可再生能源发展空间受限。随着发展理念的转变及技术的不断进步，能效提升潜力被有效挖掘，为深度减排提供了有力保障。

3.3.3 经济水平效应

经济水平的不断提高是能源消费需求持续攀升的动力，是碳排放增加的决定性因素，对碳排放起到正向驱动作用，且贡献值较高。2009—2018年该因素使碳排放量累计增加了4146.78万t，年均引起排放增加460.75万t，对碳排放累计贡献率为279.87%。发展初期第二产业比重大，工业、建筑业等对能源依赖度高，碳排放总量和强度处于较高水平。随着新经济业态加速成长，发展质量得以提升，服务业规模日益壮大。第三产业具备较大的节能潜力，促使能源消耗量呈递减态势。因此，经济水平效应对碳排放的年度贡献值逐渐减小，说明城市在增强综合实力的同时，努力实现经济增长和碳排放脱钩。

3.3.4 人口规模效应

人口规模是碳排放增加的重要因素。研究期内，人口规模增加使建设用地碳排放量累计增加1467.97万t，对碳排放累计贡献率为99.08%。从历年贡献值来看，人口规模对碳排放的影响呈减弱趋势，甚至在2016—2017年表现为负效应，原因在于居民生活方式及消费习惯的改变，有利于减弱人口对碳排放的影响。研究初期，人口增速明显,人地矛盾突出，空间需求、能源需求持续增加，给生态环境造成较大压力。当社会经济发展到一定阶段，人口增速逐步减缓并趋于稳定，人类节约资源、保护环境的意识逐步增强，促使资源高效利用及区域环境质量持续改善。

3.4 建设用地规模和碳排放耦合分析

3.4.1 EKC验证

将碳排放总量与建设用地规模进行EKC验证，拟合结果及曲线图见表5、图4。回归结果表明，碳排放总量和建设用地规模存在倒U型曲线关系，各回归系数均通过1%水平上的检验。对二次函数进行求导可得曲线的拐点为4105.33，表明当建设用地规模达到4105.433km2前，碳排放量逐年增加，随后碳排放开始下降。虽然2018年的数据与该曲线存在一定程度的偏离，但对整体拟合效果未产生重大影响。

表5 建设用地规模与碳排放量库兹涅茨曲线拟合结果

图4 建设用地面积与碳排放的库兹涅兹曲线

3.4.2 脱钩分析

2009—2018年天津市建设用地扩张与碳排放的脱钩状态不稳定，两者存在扩张负脱钩、增长连接及强脱钩3种状态，且以扩张负脱钩和强脱钩状态为主。

2009—2013年碳排放总量与建设用地规模未实现脱钩，建设用地快速扩张对生态环境造成较大压力，致使碳排放效应显著。其中，2009—2011年为扩张负脱钩阶段，其脱钩指数分别为11.002和5.704，这一时期碳排放增速明显高于建设用地扩展速度；2011—2012年为增长连接状态，脱钩指数为0.985，受国家激励政策的影响，天津市转变高能耗的经济发展模式，碳排放增速与建设用地扩张速度逐步减缓；2012—2013年又恢复到扩张负脱钩阶段，究其原因是天津市为改善民生，落实基础设施建设，加大固定资产投资力度，致使环境空气质量有所下降。2013—2017年两者呈现出强脱钩状态，主要因为该阶段城市发展更加注重质量和效益，土地利用更加集约高效，能源低碳化愈发成为共识，各项节能措施使碳排放得到有效控制。由此可见，随着社会经济的持续发展，建设用地扩张使能源需求增加，但碳排放量不会随着建设用地扩张而持续增加，这也一定程度上体现出天津市坚持走绿色发展道路，生态文明建设取得一定成效。2017—2018年，碳排放和建设用地规模再次恢复到未脱钩状态，原因在于经济社会的发展是一个长期性、复杂性的过程，短期内两者脱钩状态依然会呈现出波动趋势，但整体向着良好状态转变。

表6 碳排放总量与建设用地规模脱钩情况

4 结论与讨论

4.1 结论

时间序列上，建设用地经历了迅速扩张及稳定扩张2个阶段。碳排放总量、碳排放强度在研究期内均呈现先增加后减少再增加的趋势，未来仍会出现小范围波动。

LMDI因素分解结果表明，经济水平和人口强度对碳排放起到促进作用，能源结构和能源强度对碳排放起到抑制作用。其中经济增长和能源强度分别是促进和减缓碳排放的关键因素，因此转变经济增长方式、提高能源利用效率是未来控制建设用地碳排放的重点。能源结构对碳排放的抑制作用较弱，主要因为能源转型是一个循序渐进的过程，短期内其减排效应未能充分显现。人口规模对碳排放的促进作用逐渐减弱，得益于居民生活方式及消费习惯的改变。

EKC验证和脱钩分析结果表明，建设用地规模和碳排放总量表现为倒U型的二次曲线关系。研究初期土地利用相对粗放，能源利用效率低，建设用地盲目扩张给生态环境造成较大压力。随着城市规划及土地管理制度的不断完善，城市治理水平明显提高，土地利用逐步走向集约化，建设用地规模和碳排放的相关性逐渐减弱。

4.2 讨论

基于以上结论可以看出，实现“双碳”目标不能抑制经济发展，应通过生态环境的高质量保护来引领经济社会可持续发展。推进产业转型，使建设用地扩张向低碳环保项目倾斜，重构绿色产业链，为经济提供新动能。优化能源消费结构，多渠道推进煤炭替代，利用碳捕集与封存技术，在确需耗煤行业实现净零排放，促使能源转型发挥更大的减排优势。科学制定城市发展规划，合理控制人口规模，提高人口素质是减少个人“碳足迹”的重要举措。加强“双碳”知识普及，使绿色低碳理念深入人心，提升居民幸福指数及城市竞争力。妥善管控建设用地规模，控制土地开发强度，挖掘低效用地潜力是优化国土空间开发格局及加强重要碳汇空间保护的关键举措。因此，坚持问题导向、底线思维，立足当地资源优势、区位优势及发展潜力，探索土地资源节约集约利用新机制，不断推进国土空间碳中和治理能力提升，实现资源环境政策的精准落地。完善绿色低碳技术评估体系，运用3S、大数据等技术手段开展土地利用动态监测、重点领域碳排放监测。基于非化石能源比重、碳排放强度等指标，构建碳中和评估模型，为国土空间格局优化及能源精细化管理提供数据支撑。