晋陕蒙宁地区碳减排系统动力学模型设计与预测研究

吕靖烨，贺文慧

（西安科技大学 管理学院，陕西 西安 716000）

2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会上明确宣布，中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取于2060年前实现碳中和。2020年12月12日，习近平主席在气候雄心峰会上宣布：到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上。在未来的很长一段时间，减排降碳、低碳发展都将是我国生态环境治理甚至国家社会治理的一个重要战略主题。

2019年9月18日，习近平总书记主持召开黄河流域生态保护和高质量发展座谈会，黄河流域发展上升为国家战略。晋陕蒙宁地区是黄河流域重要组成部分，在发展水平、资源环境、产业结构和功能定位等方面存在明显的区域性和产业特征。因此，通过对碳排放影响因素的分析，探寻出一条适合晋陕蒙宁地区的碳减排路径，既是国家和全社会的关注热点，也是学术界的焦点所在。

在碳排放影响因素研究方法方面，国内外专家学者总体采用结构分解法（SDA）和指数分解法（IDA）两大类研究方法。

结构分解法主要有指标体系法和投入产出法等。Wang等[1]使用了结构分解模型对2000—2009年全球13个国家和行政地区碳排放强度及主要影响因素进行了综合分析，结果表明，碳排放强度很可能会被国际贸易因素所抑制。陈红敏[2]通过研究2002年中国各部门的隐含碳排放，设计出了基于投入产出法的扩展隐含碳框架，研究表明，建筑业是隐含碳排放最高的部门，呈现出高排放低增加值的特征，其他社会服务业则与之相反。

拉氏指数分解法是指数分解法中使用最为广泛的方法。Ang[3]运用LMDI分解法进行因素分解，研究结果表明碳排放快速增长主要是由经济增长拉动的，能源强度是降低碳排放最重要的因素。Ehrlich &Holden[4]提出IPAT模型研究了人口规模、人均财富和技术水平对碳排放的作用。宋德勇和卢忠宝[5]研究得出碳排放波动是由于不同经济增长方式差异所导致，“高投入、高排放、低效率”的经济增长模式使得碳排放量明显上升，切实转变增长方式是碳减排的根本途径。李国志和李宗植[6]通过STIRPAT模型研究了不同区域的碳排放，结果表明中国碳排放有明显的路径依赖和区域性。

在选取研究因素方面，基于不同研究目的和侧重点时学者们对影响因素的选取不同（表1）。Mamipour等[7]利用空间杜宾模型研究了影响伊朗30个省份2009—2014年人均CO2排放的因素，结果表明人均GDP的空间溢出和城市化的增长对各省份人均CO2排放具有显著负向影响。徐国泉等[8]用Divisia分解法分解了中国人均碳排放，研究发现能源效率和能源结构在抑制中国人均碳排放时都表现为倒“U”型趋势，这说明我国以煤为主的能源结构没有根本改变，能源效率与能源结构的抑制作用不能抵消由经济增长拉动的碳排放增长。

表1 碳排放影响因素国内外文献研究方法与指标选取

从研究方法来看，国内外学者经常通过Kaya恒等式或因素分解模型来研究碳排放情况，这些方法可以综合分析各影响因素的大小和方向，尤其是LMDI分解法具有对处理结果无残差的优点，被学者们广泛使用。可是由于碳减排问题是一个涉及经济、能源、社会、政策、环境等多方面的复杂系统，使用传统的因素分解方法不能更加全面地模拟表示出各因素间的相互动态反馈关系和复杂结构。本文使用综合动态系统动力学仿真方法，克服单向计算和静态估算所带来的不真实性，从而对碳减排问题进行动态估算和预测。

从研究指标选取来看，很多学者选择了经济增长、能源结构、能源效率、人口规模、国际贸易等指标，将各影响因素对碳排放的贡献度进行了理清，但对产业结构、科技投入、人均能源消耗和碳汇等指标的选取较少，本文对这些主要指标进行综合补充，构建了一个更为全面的包含经济、能源、环境三方面的碳减排系统。

从研究区域来看，大部分文献都是对全中国或某个具体省份的碳排放情况进行研究，还没有文献对晋陕蒙宁地区的碳排放进行过研究。

综上所述，本文以晋陕蒙宁地区的碳排放作为研究对象，通过Vensim软件构建碳减排系统动力学模型，厘清碳减排系统内各因素之间的传导路径，综合考虑产业结构、能源结构、科技投入、固定资产投资等因素，预测晋陕蒙宁地区在2019—2030年的碳排放趋势，为晋陕蒙宁地区完成2030年碳减排碳达峰目标提供科学的对策建议。

1 晋陕蒙宁地区碳减排系统结构分析

1.1 系统边界及变量的确定

选取人均GDP、能源结构、能源强度、人口、人均能耗、科技投入、碳汇、社会固定资产投资和产业结构等作为主要影响因素，构建碳减排系统动力学模型。模型的主要变量如表2所示，将晋陕蒙宁地区的碳减排动力学模型划分为能源、经济、环境三个子系统，子系统之间相互传递信息，又互相影响制约，形成了一个动态平衡系统。

表2 晋陕蒙宁地区碳减排系统主要变量

1.2 碳减排系统的分析

经济子系统：GDP、GDP增长量、科技投入占GDP比值、三次产业产值、三次产业固定资产投资比例、社会固定资产投资。经济子系统重点构建了经济规模变化、三次产业占比变化与碳排放量之间的关系。刻画的主线内容是：我国经济快速增长所直接导致的巨大能源消耗量将是未来拉动我国碳排放快速增长的主要驱动因素，由于第二产业单位增加值所消耗的能源量明显高于第一、第三产业，所以降低第二产业比重促进经济转型有利于能源消耗量的减少，从而减少碳排放量[13]。

能源子系统：能源消费总量、三次产业的能源消费、三大类一次能源消费量及其比例、人口规模及其比例、生活能源消费。能源子系统重点构建了能源消费与碳排放量之间的关系，其中主要强调科技投入技术进步对能源效率提高和能源结构优化方面的重要作用。其构建的主线是：能源消耗主要由居民生活性能源消费和生产性能源消费组成[14]。人口以及城乡居民能耗模式等会直接影响生活能源的消费，进而影响大气碳排放量。晋陕蒙宁地区的人均生活性能源消耗从2004年的0.161吨/人上升至2018年的0.171吨/人。各产业生产能耗受技术水平影响，科技的进步有利于提高能源生产利用率，降低碳排放[15]。

环境子系统：碳排放量、造林面积增加量、碳汇、固碳量。环境子系统重点构建生态环境和碳排放量的关系。其主线是经济发展影响环境后，政府通过增加环保投入来促进生活能耗降低和碳汇增加，达到减少碳排放量的目的[16]。本文用林业面积与固碳量的乘积来表示碳汇[17]。由于林地面积增长不是按照年度统计，因而缺失部分年份的真实数据，常出现连续几年统计数据没有变化的情况，从而无法对其进行相对精确的趋势预测。故本文通过计算得出2004—2018年晋陕蒙宁林地面积年均增长率0.59%，以此数值作为2019—2030年林业面积年增长率。

从上述分析得出经济、能源、环境三个子系统之间存在着复杂的影响制约关系：

首先，经济和环境子系统互相影响，高碳排放重工业的第二产业比重增加会直接造成大量能源消耗和环境污染，环境质量变差又会反作用于我国经济社会发展[18]。经济发展还能促使科技同步发展，减少碳排放。

其次，经济和能源子系统互相影响，经济发展和人口的增长会导致居民生活性能源消费增长，大量能源消费使得环境污染加剧，环境质量变差会促使政府增加环保投入、宣传环保理念和增加碳汇，降低碳排放[19]。

最后，能源与环境子系统互相影响，化石能源大量消耗会加速排放各种环境有害物质，造成严重的环境污染，环境质量变差之后各级政府开始大力优化能源生产消费结构，开发清洁可再生能源[20]。

综合以上分析，促进碳减排应该主要从产业结构、能源结构、人口、低碳技术和碳汇这五个因素出发，但人口和林业增长都属于长期驱动因素，需要进行长期战略规划，因此，选取产业结构、能源结构、科技进步这三个因素作为主要调节因素[21]。

本系统中的存量包括人口规模、GDP和林业面积，流量包括人口增长率和林地增加量，其余变量都是辅助变量。

2 晋陕蒙宁地区碳减排系统构建

2.1 系统因果回路图

根据之前的分析构建出晋陕蒙宁地区碳减排系统因果回路图，如图1所示。

图1 晋陕蒙宁地区的碳排放因果回路

由图1可见，其主要包括四条反馈回路：

回路1：化石能源消耗总量→碳排放量→环境质量→经济发展→科技投入→低碳技术→化石能源消耗比重→化石能源消耗量（正反馈回路）。

回路2：经济发展→二产比重→各产业能耗→能源消耗总量→化石能源消耗量→碳排放→环境质量→经济发展（正反馈回路）。

回路3：碳排放量→环境质量→经济发展→环保投入→造林面积增加量→林业面积→碳汇→碳排放量（负反馈回路）。

回路4：经济发展→环保投入→居民生活用能→能源消耗总量→化石能源消耗总量→碳排放→环境质量→经济发展（正反馈回路）。

模型使用了2004—2018年的历史数据，模拟了2019—2030年各变量的变化趋势。系统设置在初始模拟状态下，2019—2030年设计的主要调节变量三次产业投资比例因素、能源结构因素和科技投入因素维持2018年情况不变。为了便于工作做出以下假设，假设一：三次产业的增加值主要受社会固定资产投资影响。假设二：模型中仅统计能源消耗产生的碳排放量。假设三：只对系统边界内的因素进行模拟，不考虑系统外其他变量。

2.2 碳减排模型流图

根据系统各因果回路反馈机制，构建并导出Vensim软件中的系统仿真流图，系统中共包括流量、存量、辅助变量与常量四种变量，该流图的主要作用是显示出各变量之间的函数关系和系统仿真。晋陕蒙宁地区碳减排模型流图如图2所示。

图2 晋陕蒙宁地区碳减排模型流图

3 系统特征方程和参数的确定及模型有效性检验

3.1 系统特征方程和参数的确定

根据2004—2018年统计年鉴中的相关数据，系统中各产业固定资产投资与各产业产值、科技投入因素与各产业单位增加值能源耗用之间的关系利用计量经济学软件Eviews进行回归得到方程式，通过表函数的形式将不存在线性相关关系的变量考虑进模型，整个模型利用Vensim软件来进行模拟仿真。

模型中涉及的部分方程：

（1）能源消费产生的碳排放量=(煤炭消费量×煤炭排放系数+石油消费量×石油排放系数+天然气消费量×天然气排放系数)×44/12。

（2）林业面积=INTEG(林业面积增加量,5 908.83)。

（3）碳汇=林业面积×固碳量。

（4）碳排放量=能源消费产生的碳排放量-碳汇。

（5）GDP=INTEG(GDP增长量,9 627.31)。

（6）科技投入=科技投入比例×GDP。

（7）人口数量=INTEG(人口变化量,9 970.89)。

（8）居民生活用能=人均生活能源消费×人口数量。

（9）能源消费总量=居民生活用能+第一产业能源消费+第二产业能源消费+第三产业能源消费。

（10）第一产业增加值=第一产业投资额×0.778081+1601.08(R2=0.88591)。

（11）第二产业增加值=第二产业投资额×1.20183+3419.56(R2=0.93825)。

（12）第三产业增加值=第三产业投资额×0.735189+2896.5(R2=0.98853)。

3.2 模型有效性检验

3.2.1 运行检验

由于关于碳减排问题的影响因素较多且它们之间的相互关系较复杂，因而碳减排系统对参数变动不敏感，具有一定稳定性，晋陕蒙宁地区的碳减排系统也该具有这样的稳定性。因此，本文以碳排放量为例设置了仿真步长为一年、半年、一季度的三种步长模式进行仿真，运行结果显示模型对大部分参数的变化不敏感，这说明模型是稳定的（图3）。

图3 碳减排系统不同步长运行检验

3.2.2 历史性检验

将2014—2018年的历史数据与碳减排模型的初始运行结果进行对比，通过计算主要变量的历史实际值与系统模拟结果值之间的相对误差可以对模型有效性进行检验。当相对误差小于15%时，系统动力学理论即认为该模型有效。本文选取能源消耗总量和能源消耗产生的碳排放量以及碳排放强度进行对比，模拟结果见表3～表5，通过与历史数据对比明显看出，选取的三个变量历史实际值与模拟结果值的相对误差最大是7.9%，满足了变量相对误差均不超过15%的要求，即所建模型可信，可进行下一步研究。

表3 能源消耗总量模拟值与实际值的对照表

表4 能源消耗产生的碳排放量模拟值与实际值的对照表

表5 碳排放强度模拟值与实际值的对照表

4 晋陕蒙宁地区碳排放系统情景模拟分析

习近平主席在气候雄心峰会上进行了碳中和宣示：到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上。晋陕蒙宁地区2005年碳排放强度为1.899吨/万元，据此会议要求设定出碳减排目标为到2030年晋陕蒙宁地区的碳排放强度下降到0.665吨/万元以下。

4.1 情景模拟初步设计

情景模拟分析是指在改变影响因素的参数时，观察该因素参数变化对系统其他变量的变动影响，进而确定如何才能实现设计目标。情景模拟分为单维度情景模拟与多维度综合模拟，单维度模拟主要研究单因素变化时对设计目标的贡献影响情况，多维度综合模拟主要研究多个因素同时变化时对设计目标的实现情况（表6）。

表6 情景模拟设计表

4.2 单因素情景模拟

4.2.1 产业结构单因素情景模拟

《2030年的中国》由世界银行和国务院共同发布，该文件表明在2030年中国第二产业所占的比重会下降至34%，第三产业则上升至62%。2019年全国第三产业规模占比为53.9%，而晋陕蒙宁地区的第三产业规模占比为48.6%，可知与全国平均水平相比，晋陕蒙宁地区第三产业占比较低。相较于第二产业，第三产业具有资源消耗少、附加值高、技术密集等特点，因此大力发展第三产业是降低碳排放的重要途径。通过调整产业固定资产投资比例来改变产业结构，然后分析产业投资比例怎样影响碳排放和碳排放强度。初始状态设置如前文所示，情景一、情景二、情景三第二产业固定资产投资占比依次逐年下降、第三产业固定投资占比变化与之相反，具体参数如表7所示。

表7 产业投资比例情景设置

从图4、图5和表8可以看出，对比初始情景看出，随着产业结构调整程度的逐步变大和时间推移，情景一、二、三的碳减排量依次变大，但三种情景模拟下，碳排放强度均未达到目标值，这说明只调整产业结构无法在2030年达到目标。虽然第三产业单位产值产生的碳排放量多于第二产业，从理论角度应该控制第二产业，但是内蒙古和宁夏的工业水平都低于全国平均水平，一味降低第二产业固定资产投资不是适合晋陕蒙宁地区的减排路径，不能忽视第二产业的重要性，而是应该对第二产业中的资源依赖型产业、重化工产业进行转型提质，实施绿色技术提升和高质量发展，再结合其他综合调控手段，共同发展第二、第三产业。

表8 2020—2030年产业结构单维度情景模拟下碳排放量及碳排放强度

图4 产业结构情景模拟碳排放量

图5 产业结构情景模拟碳排放强度

4.2.2 能源结构调整单因素情景模拟

根据《陕西省“十三五”控制温室气体排放工作实施方案》，到2020年，陕西省煤炭消费占能源消费总量的比重要控制在70%以内，天然气占比提升至13%。晋陕蒙宁地区煤炭石油消耗比例呈下降趋势，天然气消耗比例呈上升趋势，参考此趋势，本文设定2019—2030年具体参数如表9所示。

表9 能源结构调整情景的参数设定表

从图6、图7和表10得出，随着煤炭和石油占比逐渐降低，碳减排效果明显，且2030年情景三能源结构高速优化情景下碳排放强度降到了0.647 2吨/万元，达到了目标值。这表明，改变能源结构使得晋陕蒙宁地区的碳排放情况有所缓解，应重点调整能源结构。晋陕蒙宁地区分布有我国重要的能源生产基地，但粗放的生产方式使其经济的发展过多地依赖于煤炭、石油和天然气的开采加工，高能耗使得大气中的碳排放量急剧增加。晋陕蒙宁地区地域广阔，应因地制宜：在煤炭资源丰富和煤炭企业相对集中的地区，应将减排的重点放在加强节能减排工作，延长高价值环节产业链；在城市集中地区，由于良好的技术水平、科研支持力度和发展态势较好的制造业等特点，应将减排的重点放在研究开发低碳科技和低碳绿色城市建设方面；在太阳能、风能能源丰富的地区，由于拥有较好的自然环境和水利条件，因此应将重点放在积极探索拓展绿色产业和可再生能源使用方面的推广。

表10 2020—2030年能源结构单维度情景模拟下碳排放量及碳排放强度

图6 能源结构情景模拟碳排放量

图7 能源结构情景模拟碳排放强度

4.2.3 科技投入单因素情景模拟

2018年晋陕蒙宁地区的科技投入比为1.37%，初始状态设置可见前文，情景一、二、三的科技投入占比逐年上升，具体参数设置如表11所示。

表11 科技投入调整情景的参数设定表

从图8、图9以及表12可以看出，从初始情景到情景三科技投入高速发展情景，科技投入依次增长，碳排放量和碳排放强度呈明显下降趋势。情景三科技投入高速发展情景在2030年的碳排放强度为0.664 5吨/万元，达到了调控目标。晋陕蒙宁地区的科技研发能力相比较长江经济带等地区较为薄弱，R&D经费投入强度也低于全国平均水平，只有积极争取国家级研发平台布局和人才引进，才能更好地开发利用风能、太阳能、生物碳氢燃料等新能源，逐步用新能源来代替高碳的传统能源，改变以煤炭消费为主的传统能源消费结构，创造更大减排空间。

表12 2020—2030年科技投入单维度情景模拟下碳排放量及碳排放强度

图8 科技投入情景模拟碳排放量

图9 科技投入情景模拟碳排放强度

4.3 多因素综合调整情景模拟

从上文的单因素情景模拟分析得出，要实现既定目标，单因素调控较为不易且具有局限性。考虑现实情况，碳减排系统是一个复杂系统，因此在实现目标过程中，应考虑各因素之间的互相影响，做出综合调控方案。多因素综合调整情景模拟将产业固定投资占比、科技投入占比、能源结构三种因素都考虑到了模拟中，研究多因素变化时系统各变量的变化，其参数设置见表13，综合情景模拟碳排放量及碳排放强度见表14、图10、图11。

图10 综合情景模拟碳排放量

图11 综合情景模拟碳排放强度

表13 综合调整情景的参数设定表

表14 2020—2030年综合情景模拟下碳排放及碳排放强度

多因素综合情景共设置五个情景，初始情景下，晋陕蒙宁地区到2030年无法完成碳减排目标，情景一和情景二为双因素调整情景，情景三、四为综合调整情景。

情景一产业科技双调整情景在初始情景的基础上提高了第三产业固定资产投资占比和科技投入占比，在该情景下，晋陕蒙宁地区2030年碳排放总量为58 574万吨，比初始状态减少了3 773万吨，但碳排放强度高于目标值。该情景结果说明同时调整产业结构和科技投入仍无法完成减排目标。

情景二能源科技双调整情景在初始情景的基础上提高了天然气消耗占比和科技投入占比，在该情景下，晋陕蒙宁地区2030年碳排放总量为55 132万吨，比初始状态减少了7 215万吨，碳强度为0.668 1吨/万元，基本接近目标值。对比情景一可以发现能源结构调整对晋陕蒙宁地区的减排效果较为明显。

情景三综合调整中高速发展综合了情景一和情景二，提高了第三产业固定资产投资占比、天然气消耗占比和科技投入占比，在该情景下，晋陕蒙宁地区2030年碳排放总量为54 059万吨，比初始状态减少了8 288万吨，碳排放强度为0.634 4吨/万元，低于目标值0.665吨/万元。情景三结果显示综合调整能很好地实现减排目标，是比较理想的减排路径。

情景四综合调整高速发展在情景三的基础上继续提高了科技投入占比，在该情景下，晋陕蒙宁地区2030年碳排放总量为51 734万吨，比初始状态减少了10 613万吨，碳强度为0.607 4吨/万元，远低于目标值。对比情景三结果，情景四是一种较快、较为激进的减排路径。

5 结果讨论与对策建议

5.1 结果讨论

在设定情景参数模拟中，单因素产业结构、科技投入和能源结构调整都很好地促进了晋陕蒙宁地区的碳减排，其中能源结构调整的减排效果最好，能源结构中高速优化和高速优化情景的碳排放量和碳排放强度都明显低于产业结构与科技投入中高速、高速发展情景。这是由于在晋陕蒙宁地区传统能源依旧占有主导地位，碳排放基数大，所以能源结构调整的减排效果更好，这与王铮和朱永彬[22]提出的应大力转变对煤炭的依赖，倡导低排放能源和低碳节能政策的结论一致。这说明为实现碳减排目标，晋陕蒙宁地区未来应该继续积极优化能源结构，提高能源效率。

双因素调整情景下，同时调控产业结构和科技投入的减排效果弱于同时调控能源结构和科技投入，产业科技双调整情景没有完成减排目标。这与朱勤等[23]分析认为我国节能减排的重点策略在于调整产业结构，不断优化第三产业在国民经济中的比重的结论不一致，其形成原因是晋陕蒙宁地区内蒙古和宁夏自治区工业化仍在继续，增加第三产业固定资产投资拉动经济发展的实际效果不如增加第二产业固定资产投资，且山西、陕西地区能源产业和重工业仍是主要产业，减排效果不理想。这说明为实现碳减排和经济发展目标，晋陕蒙宁地区未来应该推动第二产业高质量绿色发展，加速实现新旧动能转换。

综合调控下，当条件满足第二产业固定资产投资比例27.96%，第三产业固定投资比例达到65.14%，科技投入比例达到1.41%，三次能源消耗结构比为52%∶18.5%∶28.5%时，可以完成2030年碳排放强度目标。三因素协同调控减排效果好，很好地完成了碳减排目标，这与赵明轩等[24]根据不同经济分区的地域差异加强合作，深入融合资本和先进技术实现高质量发展的结论一致。这说明为实现碳减排目标，晋陕蒙宁地区未来应该建立区域协作平台，打破行政壁垒，畅通各类要素流动。

5.2 对策建议

（1）提高传统能源效率，倡导低排放能源。晋陕蒙宁地区工业企业能源技术相对落后，首先应该提升传统能源效率，然后利用晋陕蒙宁地区丰富的可再生能源自然条件，通过实施可再生能源的补贴和税收返还、提高资源型企业的市场准入政策等措施，从以煤为主逐步过渡到煤炭、石油、天然气、可再生能源和核能并存的多元能源结构，最后发展为一种以可再生能源为主体的能源结构。

（2）第二产业转型提质，加大低碳科技投入。优化产业结构不是只注重发展第三产业，第三产业须以高质量的第二产业为基础，否则会有过度投资与重复建设的问题。晋陕蒙宁地区应该对第二产业中的资源依赖型产业、重化工产业进行转型提质，实施绿色技术提升和高质量发展，再结合其他综合调控手段，共同发展第二、第三产业。目前，中国成功研制出世界上最大单机容量的水电机组、最大单机容量的各种系列风电机组、太阳能光伏电池的转换效率不断提高给晋陕蒙宁地区可再生能源的发展带来了重要机遇，晋陕蒙宁地区政府应该积极争取国家级研发平台布局和人才引进，这样才能更好地开发利用风能、太阳能、生物碳氢燃料等新能源，加快科技迭代，引领企业实现规模化运营，降低可再生能源企业生产成本，积极引入外商资本参与可再生能源项目建设。

（3）区域协作综合统筹，优势互补要素畅通。晋陕蒙宁地区区域经济发展水平相对较低、产业结构较为落后且产业同构化趋势明显，影响区域间分工合作和资源配置，但在能源禀赋方面既有丰富的传统化石能源又富含可再生能源，科技水平发展不平衡。只有建立区域协作平台，打破行政壁垒，将各种能源禀赋优势互补，区域内产业协调发展，深入融合资本和先进技术，依托黄河流域高质量发展战略，才能早日实现碳达峰碳中和目标。