宁夏碳排放驱动因素与碳达峰研究

罗 涛， 董洪光， 高乐红， 刘 腾

(安徽理工大学 经济与管理学院， 安徽 淮南 232001)

0 引言

全球变暖是当今社会面临的一大挑战.2020年1月15日，美国国家航空航天局(NASA)发布短片，披露了2019年全球气温位居历史第二，比19世纪末高1.1 ℃.气温变化给人类的生产生活带来极大威胁，降低碳排放是减少大气污染和应对气候变化的关键所在[1].目前，世界各国针对碳排放问题采取了一系列政策[2].2020年9月，国家主席习近平在第七十五届联合国大会上提出我国碳减排目标为“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”，为实现绿色低碳循环发展的经济体系指明了目标.宁夏是我国西部煤炭资源大区，在长期发展中形成了以煤为主的产业结构和能源消费结构，碳排放强度相对较高.现国家提倡降碳减排，如何在国家双碳目标控制下，顺利实现区域碳达峰成为摆在自治区政府面前亟待解决的问题.

目前国内外学者关于碳排放研究有很多，主要的研究成果分为碳排放测算、碳排放影响因素和碳达峰预测三个方面.碳排放测算方面，主要运用的方法有碳排放因子法(IPCC)[3]、实测法[4]和质量平衡法[5]，其中IPCC法因计算方便且运用简单，为众多学者广泛运用.如：韩媛媛等[6]核算了京津冀地区的工业碳排放，表明人均碳排放北京呈递减趋势，而天津和河北呈现波动上升趋势；Wu等[7]和Balsalobre等[8]分别研究了中国和欧洲国家的碳排放.碳排放影响因素方面，主要研究经济、人口、能源和技术等方面对碳排放的影响.如龚利等[9]研究了人均生产总值对空气质量之间的关系，表明不符合倒U型曲线；Zhao等[10]发现加快中国产业结构的调整可以有效缓解CO2的排放；吴彤等[11]得出了工业碳排放量与企业固定资产、人均工业生产增加值、能源强度和能源结构的关系；Lin等[12]研究了人口、城市化水平、人均GDP、工业化水平和碳排放的关系，得出人口和碳排放的关系最强.在碳达峰预测方面，主要运用的方法有LMDI分解法、GM(1,1)预测模型、STIRPAT模型和情景分析等.LMDI分解法是对各变量进行微分，得出各变量对碳排放的影响，再结合情景分析法进行预测研究[13].GM(1,1)模型通过少量、不完全的信息对事物进行预测[14].如黎孔清等[15]预测湖南省农地投入碳排放在2020年达到430.43万吨.STIRPAT模型是在Kaya的基础上提出的[16]，之后国内学者对其进行改进，在碳排放的研究上取得了丰富的研究成果[17].情景分析法是将各影响因素设置高、中、低三种不同情况，对未来的碳排放进行预测分析.如潘栋等[18]预测中国东部地区达峰时间为2028—2033年，峰值为5018.03×106～549.20×106吨；段福梅[19]预测中国碳排放的峰值在强化低碳模式等五种模式可在2030年达到碳达峰.

综上所述，国内外学者在碳排放方面取得了重要成果，而运用扩展STIRPAT模型研究影响因素并对其预测的文献较少，且对宁夏的研究更少.基于此，本文采用扩展STIRPAT模型，对宁夏碳排放影响因素进行识别，并验证EKC假说，最后采用情景分析法对碳达峰的时间进行预测，指明碳达峰的可能路径，并提出针对性的对策建议，为宁夏回族自治区制订碳达峰相关决策提供科学依据.

1 基础研究

1.1 宁夏能源消费情况

宁夏是我国重要的矿产资源产地之一，其中煤炭储量位居全国第六位，含煤地层分布面积约占宁夏面积的1/3，石油、天然气也有相当储量.截至2020年，宁夏能源消费总量为7923万吨标准煤，其中煤炭占比80.8%.2000—2020年间随着可再生能源的发展，煤炭占能源消费的比重从87.30%下降到81.70%，可再生能源占比从2.80%上升到10.40%[20].其能源消费总量及能源消费增长率如图1所示.

图1 宁夏能源消费总量及能源消费增长率

1.2 研究方法

1.2.1 碳排放的测算方法

为研究宁夏地区的碳排放量，本文根据《联合国政府气候变化专门委员会(IPCC)国家温室气体清单指南》中关于碳排放的计算方法，对宁夏地区碳排放进行计算，计算公式为：

式中：I为二氧化碳排放量，i为一次能源的类型，V为平均低位发热量，C为碳氧化率，QC为能源燃烧时碳氧化率，Q为能源消费量，44和12分别为CO2和C的分子数.二氧化碳排放量和排放强度计算结果如图2所示.

图2 宁夏2000—2020年二氧化碳排放量和碳排放强度

如图2所示，宁夏地区的碳排放量在2000—2020年间处于不断上升的趋势，从2000年的4146.90万吨上升到2020年的21 339.77万吨，年增长8.54%；同时碳排放强度呈现不断下降趋势，从2000的5.23吨/万元下降到2.02吨/万元，年下降4.63%，在2012年后逐渐趋于平稳.

1.2.2 岭回归

岭回归是基于最小二乘法而改进的偏估计法，对于有共线性问题的数据有很好的处理效果.其计算方法如下，多元线性回归模型为：

Y=Xβ+φ，

式中：Y是变量，X是自变量，β是回归系数，φ是误差项.用最小二乘回归多元线性模型为：

β=(XTX)-1XTY.

当X之间存在多重共线性时，函数中XTX为特征值很小的奇异矩阵，使得矩阵(XTX)-1对角线上值很大，得出的参数极不稳定.岭回归就是基于此基础上进行改进，提高参数的稳定性，让回归系数更加切合实际.其公式如下：

β=(XTX+kQ)-1XTY，

(1)

式中：k为岭回归参数，取值范围为0≤k≤1.当k= 0时为无偏估计，当k≠ 0时为有偏估计，所以k的取值要在消除多重共线性影响的同时，取值要尽可能小，一般为岭迹图稳定时的最小值.

1.2.3 STIRPAT模型

STIRPAT模型是研究碳排放的常用模型，研究人口、经济、技术与环境压力的关系.其原始计算公式为：

I=aPbAcTde，

式中：a和e表示模型系数和误差;I表示环境压力;P表示人口规模;A表示经济发展水平;T表示技术水平;b,c,d表示各因素的指数.

对于不同的研究，STIRPAT模型可以对影响因数进行适当分解[21].本文根据相关学者[22]的研究,将变量进行分解，将经济水平分解为城镇化率(U)和人均收入(L)，为验证库兹涅茨假说，将人均收入分解为一次方项、二次方项、三次方项；将技术水平分解为能耗强度(E)和能源消费结构(S)，用ai表示各因素的指数.由于中央及地方政府为实现“节能减排”出台了一系列政策措施，这些措施会进一步降低碳排放，因此本文将引入政策因素(Z)，将2015—2020年设置为1，其余年份为0.将被解释变量取对数之后最终表达式为：

lnI=lna0+a1lnP+a2lnU+a3lnL+a4(lnL)2+a5(lnL)3+a6lnE+a7lnS+a8lnZ+lnω.

(2)

2 模型计算

2.1 数据来源及数据特征描述

本文以宁夏为研究对象，时间跨度为2001—2021年，数据来源于《宁夏统计年鉴》《中国能源统计年鉴》.统计各变量的数据特征如表1所示.

表1 各变量数据描述统计特征

2.2 共线性检验

解释变量之间存在一定相关性时，变量之间会有多重共线性.用普通最小二乘法时,由于存在多重共线性会使估计结果不理想.为得到各变量之间是否存在多重共线性及系数的准确性，运用SPSS22软件对数据进行多元线性回归分析，结果如表2所示.

表2 最小二乘法估计结果

由表2可知:(1)表中有一半变量的显著性大于0.05,表明多元线性回归分析中变量的显著性水平不能通过T检验，结果显示人口规模等五项都大于0.05，说明各变量之间可能存在多重共线性而导致回归失真.(2)通过方差膨胀系数(VIF)进行分析，结果显示除了能源结构和政策因素其他都大于10，说明各变量之间存在严重多重共线性，所以用最小二乘法构建的函数模型较差.为消除多重共线性，得到更加准确的变量系数，以达到更加科学地分析碳排放影响因素，本文运用岭回归分析法进行分析.

2.3 岭回归分析

采用式(1)对数据进行岭回归分析，在岭回归分析过程中，k的取值范围为(0，1)，由结果显示k值在(0，0.3)范围内各变量值趋于稳定.于是在(0，0.3)范围内进一步分析，步长取0.01，其结果显示当k= 0.15时各个变量趋于相对稳定的状态，R2=0.992，说明所选的影响因子可以表示宁夏地区99.2%的碳排放量，结果如表3所示：

表3 岭回归估计结果

由表3可知，能源强度、能源结构和政策因素都通过5%显著性水平检验，其余变量通过了1%显著性检验.F统计量为188.13，且通过了1%的显著性检验，说明岭回归的拟合程度较好.岭回归拟合结果得到各变量与碳排放量之间的系数，代入式(2)得到STIRPAT模型为：

lnI=-7.5443+0.9857lnP+0.5242lnU+0.1058lnL+0.0057(lnL)2+0.0004(lnL)3-0.1312lnE-0.29212lnS+0.0658Z.

(3)

由式(3)可知，由于a3>0、a4>0、a5>0,所以研究数据中碳排放与人均收入之间未呈现出“N”型关系；各变量对宁夏地区碳排放影响程度为人口规模、城镇化率、人均收入、能耗强度、能源结构和政策影响对应每增加1%，碳排放量分别增加0.9857%、0.5242%、0.1058%+0.0057%lnL+0.0004%(lnL)2、-0.1312%、-0.2921%和0.0658%.

对宁夏人口规模、城镇化率、人均收入、能源强度和能源结构等历史数据代入式(3)中进行模拟，将模拟碳排放与历史碳排放进行回归比较，结果发现模型拟合效果较好，因此利用式(3)对宁夏未来的碳排放进行预测是可行的.历史数据拟合结果如图3所示.

图3 宁夏能源消费碳排放预测值与历史值比较

3 宁夏碳达峰预测研究

为确定宁夏碳达峰的时间、峰值和路径等，本文采用情景分析法研究宁夏地区的达峰时间，给当地提供科学的理论依据及实现路径.通过对人口规模等6个影响因素设置了低、中、高3种发展变化值，对未来的预测值则根据该地区的发展变化规律及其发展规划进行设定[23].在设置变化值时，根据各个因素的历史数据变化规律基于中值进行相应的调整，以每五年设置一个预测值，将2021—2050年分为6个阶段.影响因素变化率设定如下：

(1)人口规模因素和城镇化率因素.根据2001—2021年统计年鉴数据可知，宁夏地区的人口规模和城镇化率都处于稳步增长的趋势.人口规模方面，从“十五”到“十三五”每五年的年平均增长率分别为1.48%、1.20%、1.08%、1.52%.因在2016年国家开放“二胎”政策的出台，宁夏的人口自然增长率从2015年的8.04‰上升到2016年的8.97‰，出现较大增幅.现国家出台“三孩”政策，在未来人口的增长率会有所提高，同时依据在国务院发布的《国家人口发展规划》中预测中国到2030年人口将达到峰值，之后人口将会趋于平稳.因此设定宁夏人口中、高速发展的初始增长率分别为1.2%和1.5%.城镇化方面，“十五”到“十三五”每五年的增长率分别为5.37%、2.55%、2.86%、3.30%.且依据宁夏“十四五”规划纲要，2025年城镇化目标为68%，得出年平均增长率为0.92%.再结合我国“一带一路”的建设逐步完善，宁夏作为一个重要枢纽，在对外开放和对内开放型经济试验区的建设进一步加强，宁夏未来的城镇化水平定会逐步提高.综合考虑设定宁夏城镇化中、高初始发展速率分别为1.8%和2.3%.

(2)人均收入.按不变价格计算，宁夏地区人均收入在2000—2020年期间增长了371.67%，年平均增长率为8.06%，近十年的平均增长率为6.58%，且增速有逐年下降的趋势.依据宁夏“十四五”规划纲要，居民可支配收入目标为3.5万元以上，计算出“十四五”期间完成目标的增长率为4.51%.随着国家国民经济的增长，居民的生活水平会不断提高，人均收入也会逐渐上升，但当经济总量的不断增大，增速会相应下降，同时国家提倡高质量发展，其增速也将进一步下降.所以将人均收入低、中、高的初始增长率设定分别为4.05%、5.05%和6.05%.

(3)能耗强度因素和能源消费结构因素.宁夏地区的能耗强度由2000年的5.23吨/万元下降到2020年的2.02吨/万元，下降了61.38%，年平均下降4.65%.能源结构变化在 “十五”到“十三五”期间的年平均变化率为-0.39%、-0.19%、-1.03%、0.73%.但宁夏地区的能源消费仍以煤炭为主，2020年能源消费总量为7933万吨标准煤，煤炭占比81.70%.目前，宁夏地区在大力发展新能源优化能源结构，依据宁夏“十四五”规划，建设百万千瓦级光伏基地和平价风电基地，积极培育储能及新能源汽车产业，实现全链条布局新能源产业，这将对能源结构的优化有积极的作用.到2025年，全区新能源电力装机力争4000万千瓦，可再生能源电力消纳比重达到30%以上，单位地区生产总值煤炭消耗下降目标为15%，这对优化能源结构指明了目标和方向.据此将能耗强度和消费结构的低、中、高的增长速率分别设置为-4.55%、-5.55%、-6.55%和-0.5%、-1%和-1.5%根据以上分析设置碳排放的影响因子的变化率，并设置8种未来的发展情形，即：促低碳情景(M1)、基准情景(M2)、综合情景a(M3)、综合情景b(M4)、综合情景c(M5)、高发展情景(M6)、促经济情景(M7)、粗放情景(M8).对宁夏地区碳排放的趋势进行预测，发展情景设置如表4所示.

表4 宁夏地区碳排放发展情形设置

根据上述碳排放情景模式将各变量所对应的预测值代入式(3)，得到2021—2050年碳排放的预测值，结果如图4所示.

图4 宁夏地区未来碳排放预测值

由图4计算结果可知：宁夏地区要在2030年前达到碳达峰比较困难，在情景模拟中M1的碳排放增长速度最慢也是最早达到碳达峰，时间和峰值分别为2032年和26 466.70万吨.而大部分情景是在2035年左右达到碳达峰.M7情景的碳排放量增长速度最快，达峰时间最长，其达峰时间和峰值分别为2040年和28 624.09万吨,与M1相比碳排放量增加了8.15%.对比情景2和情景7，保持人均收入、能耗强度和能源结构增长速度，降低人口规模和城镇化率的增长速度碳排放量将减少7.64%.在保持能耗强度和能源结构的变化情况下改变其他因素，其他的水平越高碳排放越大；保持经济高增长时，技术的突破和清洁能源的替代有助于碳达峰的实现.

因此，为了宁夏地区在未来控制碳排放量，不仅要提高技术水平，加快清洁能源的普及，改善能源结构，还需放缓经济增速，以高质量的要求发展经济.

4 结论与建议

4.1 结论

本文采用STIRPAT模型对宁夏地区的碳排放的影响因素进行研究，并且设置不同的发展模式对宁夏地区未来的碳排放情况进行预测，得出以下结论：

(1)宁夏的碳排放量还处在快速增长趋势，在2019年时突破2亿吨，在2020年时达到2.13亿吨，其中在“十三五”期间上升了45.70%；宁夏的能源结构较为单一，其中煤炭消费占比超过了80%，使得碳排放强度居高不下.由2000—2020年数据分析可得：在这期间宁夏地区的碳排放量增加了4.14倍，与此同时宁夏的人口数量和城镇化水平快速上升，分别上涨了29.93%和32.42%，进一步促进了当地碳排放的数量.

(2)通过STIRPAT模型分析，所研究的数据中碳排放与经济之间的关系未出现“N”型关系，人口规模、城镇化率、人均收入、能耗强度、能源结构和政策因素对宁夏地区碳排放量的影响结果为各个变量对应每增加1%，碳排放量分别增加0.9857%、0.5242%、0.1058%+0.0057%lnL+0.0004%(lnL)2、-0.1312%、-0.2921%和0.0658%.因此，通过控制各变量的发展情况可以有效地抑制碳排放的增长.

(3)在情景分析中，宁夏地区的碳达峰时间最早为2032年，峰值为26 466.70万吨，最迟达峰时间为2040年，峰值为28 624.09万吨.发现变量因素以低增速发展，不仅加快了达到峰值的时间，也降低了碳排放量；以高增速发展时，碳排放的峰值将增加，达峰时间也将延长.说明政府在对碳排放的重视程度和相关政策调整是决定宁夏是否能够实现碳达峰的重要因数.

4.2 建议

结合经济增长、产业发展、能源结构、现有政策的条件下，随着科技的发展、产业的不断优化、能源利用率的不断提高和清洁能源的不断研发将有助于降低能源的需求量.结合宁夏地区的发展背景，提出以下建议：

(1)优化能源结构，发展绿色低碳产业.宁夏地区的能源消费过于依赖煤炭，在2020年的能源消耗中煤炭占比80.80%，处于一个较高的位置.因此政府需要优化能源消费结构，构建多元化能源结构.应当合理发展天然气，开发利用太阳能资源，协调有序推进风电建设，加快推进水电开发建设.建设红中宁、宁东等百万千瓦级光伏基地和贺兰山等平价风电基地.推进“光伏+”、微电网、风光储一体化、智慧能源等新能源应用新模式新业态发展，推进红寺堡、盐池等风光储一体化建设.

(2)大力推动传统产业转型升级.对于能耗高的传统产业，政府应在严格监控企业碳排放的同时积极引导各企业进行产业升级，推动绿色技术创新，使传统产业实现低碳化、清洁化和高效化的转变.发展新能源、新材料、新一代信息技术、高端装备制造、电子制造等产业，其中重点挖掘新能源产业及其上下游产业链，支撑宁夏可再生能源资源的开发利用.推进绿色制造体系建设，促进全产业链和产品全生命周期绿色发展.发展非资源型低能耗产业，促进服务业健康有序发展，建设完善现代服务业产业链.

(3)加快调整经济结构.加快宁夏地区的经济结构向资源节约型，环境友好型发展.大力发展绿色经济，发展低能耗、高附加值的高新技术产业.严控钢铁、建材、石化等高耗能行业项目建设，提高产业发展质量.严格淘汰能耗不达标的落后产能，全面推行重点行业能效对标，推动经济高质量低碳发展.