基于结构分解分析的中国建筑业碳增长影响因素识别

闫 辉，何晓晴，张 磊

（1.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510641；2.广州大学管理学院，广东 广州 510006，E-mail：somzhanglei@gzhu.edu.cn）

建筑业是国民经济的重要物质生产部门，同时也是我国落实“碳达峰·碳中和”政策的重点领域。《中国建筑能耗与碳排放研究报告（2022）》[1]显示，2020年全国建筑全过程碳排放总量为50.8亿t二氧化碳CO2，占全国碳排放的比重高达50.9%。控制建筑业碳排放将是促进可持续发展、助力实现“双碳目标”极为重要的一环。

针对建筑业碳减排的问题，许多学者对建筑业碳排放的核算及影响因素展开了研究。目前，主流的核算方法有两种，一种是以过程分析为基础，计算建筑在生命周期各阶段产生的碳排放，汇总得到总碳排放量；另一种是以投入产出分析为基础，通过部门间的投入产出关系，计算各部门因终端需求而在整个生产链上产生的碳排放[2]。该方法常用于测算建筑业的隐含碳排放[3~5]，也有部分学者用于追踪建筑业碳排放的来源产业[6]。针对建筑业碳排放的影响因素，主流的研究方法为分解分析，包括指数分解分析（IDA）和结构分解分析（SDA）两大类。IDA具有便于操作、对数据要求较低等优点，既可以对影响因素进行时间序列分析[7]，也可以进行不同地区的比较[8]。然而，IDA仅能反映不同产业间的相互依存性，而SDA基于投入产出分析，不仅能识别碳排放量变化的直接原因，还可以计算产业间相互关联所引起的间接效应[9]。目前，SDA法多用于对全产业层面的碳排放影响因素进行研究[10]，也有少部分研究聚焦于单个产业，如Yu等[11]和Su等[12]分别探讨了化工行业和建筑行业的碳排放影响因素。

已有研究在碳排放核算及影响因素探究方面相对充分，对于建筑业，目前基本明确了主要的影响因素[13]，但仍缺少从动态角度全面分析不同因素的影响效应随时间的变化趋势。建筑业对全国碳排放贡献极大，从产业的角度看，其位于产业链的中下游，绝大部分碳排放为来源于关联产业的间接碳排放，采用SDA识别建筑业碳排放增长的影响因素具有重要的现实意义。其中，1997—2017年是建筑业的高速发展时期，其生产总值由1997年的9126.5亿元增长到2017的213954亿元，增速十分显著。2017年以来，我国建筑市场发展进入平缓期，建筑业碳排放增速也明显放缓。因此，对1997—2017年的20年跨度数据进行研究，有利于识别建筑业碳增长影响因素的演变趋势，进而从能源种类和产业部门等方面找出建筑业碳排放管控的重点，推动建筑行业的绿色低碳发展。本文采用环境拓展的投入产出法计算建筑业碳排放，利用SDA模型将建筑业碳排放的影响因素分解为碳排放强度效应、部门关联效应和最终需求规模效应，识别中国建筑业碳增长的主要影响因素。同时，在能源层面和部门层面进行分解，探索影响最大的能源类型和产业部门。为分析建筑业碳排放影响因素的演变趋势，使用1997、2002、2007、2012和2017年的20年跨度的数据进行计算和分析。

1 方法与数据

1.1 建筑业碳排放计算

本文采用环境拓展的投入产出法来计算建筑业碳排放。该方法将碳排放这一要素引入传统的投入产出分析，借助各产业间的投入产出关系，计算建筑业的碳排放影响。其计算步骤如下：

（1）计算碳排放强度系数矩阵C。C为对角矩阵，其对角元素为各产业部门的直接碳排放强度ci。直接碳排放强度计算公式为：

式中，Eik为i部门消耗第k种能源的量；αk、Fk、Ok分别为第k种能源的净热值、单位热值CO2排放因子和碳氧化率；Eie为i部门的电力消耗量；Fe为电力CO2排放因子；Xi为i部门的总产值。

（2）计算列昂惕夫逆矩阵L。投入产出表反映了各部门间的直接消耗关系，当某一部门直接消耗另一个部门的产品时，同时间接消耗其余部门的产品。为了计算部门间的完全消耗关系，需要引入列昂惕夫逆矩阵L，其计算公式为L=(I-A)-1，其中A=(aij)n×n为直接消耗系数矩阵：

式中，Qij为j部门对i部门产品或服务的直接消耗量；Xj为j部门的总产值。

（3）计算建筑业碳排放E。建筑业碳排放指的是建筑业拉动自身及关联产业产生的碳排放量，包括直接碳排放和间接碳排放。通过下式可以计算建筑业拉动各产业所产生的碳排放：

式中，Y为最终需求列向量，本文只计算建筑业碳排放，建筑业所对应的元素值为建筑业的最终需求，其余元素均为0。

1.2 结构分解分析模型

结构分解分析法可以将建筑业碳排放的变动分解为与之相关的各独立变量的变动之和，从而量化各变量的贡献。其计算步骤如下：

记比较期建筑业碳排放量为Et，基期碳排放量为E0，则该段时期内碳排放变化量ΔE为：

根据式（3），建筑业碳排放主要受各部门碳排放强度、投入产出关系和最终需求规模3个因素影响。因此，可以将ΔE进行增量分解：

式中，E(ΔC)为碳排放强度效应，反映产业部门直接碳排放强度变动的影响；E(ΔL)为部门关联效应，反映产业部门间的投入产出结构变动的影响；E(ΔY)为最终需求规模效应，反映建筑业的最终需求规模变动的影响。

本文采用两极分解法来计算各因素的影响，计算从第一个因素开始分解得到的各因素的影响值，以及从最后一个因素开始分解得到的各因素的影响值，取其平均值作为各因素对应变量的影响值，计算公式为：

利用式（6），将碳排放强度C和列昂惕夫逆矩阵L进行分解，可以计算不同能源种类和不同部门的碳排放影响效应。

1.3 数据来源与数据处理

本文需要的数据为1997—2017年的投入产出数据和能源消耗数据[14~19]。为使不同年份、不同种类的数据具有统一口径，将国民经济部门整合为30个部门（见表1），将投入产出数据和能源消耗数据进行合并计算。

表1 产业部门划分及编码

投入产出数据来自统计局发布的投入产出表。由于本文关注的焦点为国内建筑业的碳排放影响，需要剔除进口因素的影响。采用Larh[20]提到的方法，假设进口产品等比例地用于中间使用和最终使用之中，计算每个部门国内投入占总投入的比重，然后按该比重从每个部门的中间使用和最终需求中减去进口投入。此外，为剔除价格因素变动的影响，将经济数据统一调整为2000年不变价。

能源消耗数据来自《中国能源统计年鉴》中的“分行业能源消费量表”，统计的能源有9种，包括煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然气和电力。其中，电力CO2排放因子取0.5810tCO2/MWh。其余8种能源的净热值来源于《综合能耗计算通则》（GB/T 2589-2020）[21]，单位热值CO2排放因子和碳氧化率来源于《IPCC2006年国家温室气体清单指南》[22]，具体取值如表2所示。

表2 8类能源的净热值、单位热值CO2排放因子和碳氧化率取值

2 结果与分析

2.1 建筑业碳排放变化总体情况

根据式（1）~式（3），计算1997—2017年的建筑业碳排放。结果显示，1997—2017年建筑业碳排放从111092.7万t上升到484478.4万t，增长量为373385.7万t。以5年为一个阶段，各阶段建筑业碳排放增长量和增长率如图1所示。

图1 各阶段建筑业碳排放变化量

1997—2017这20 年间建筑业碳排放持续增长，增长量和增长率均呈现出先上升而后下降的趋势。1997—2002年建筑业碳排放的增长量和增长率均较低，2002—2012年的10年间建筑业碳排放增长最为显著，2012—2017阶段建筑业碳排放涨幅明显放缓。

2.2 碳排放变动的因素分解

对建筑业碳排放进行SDA分解，结果如表3所示。从表中可以看出，碳排放强度效应一般为负值，很大程度上抑制了建筑业碳排放的增长；最终需求规模效应一般为正值，拉动建筑业碳排放增长；2002—2007这一阶段，部门关联效应对建筑业碳排放增长起促进作用，而在其余阶段起抑制作用。

表3 各阶段建筑业碳排放的结构分解

在这3个因素中，最终需求规模效应在每个阶段都显著地拉动了建筑业碳排放增长，是贡献率最高的影响因素，说明最终需求增加是导致建筑业碳排放持续增长的最主要原因。在20年间，最终需求规模效应导致的碳排放增长仍然居高不下，意味着建筑业的最终需求在未来一段时间仍可能继续增长，并拉动建筑业产生更多的碳排放。

碳排放强度效应一直在抑制建筑业碳排放的增长，说明我国能源结构和能源效率在不断改善，直接碳排放强度逐年降低，然而，其抑制作用随着时间的增长在逐渐减弱。1997—2002年，在抑制碳排放增长上贡献最大的是碳排放强度效应（-207.94%），其次是是部门关联效应（-31.91%）。而到了2012—2017年，在抑制碳排放增长方面起最大作用的是部门关联效应（-136.06%），其次是碳排放强度效应（-31.91%）。

可以预期的是，随着经济发展建筑业可能会产生更多的碳排放，仅靠降低碳排放强度难以控制建筑业碳排放的增长，根本的解决方法在于能否通过改善部门间的中间投入结构，尽可能地减少建筑业的隐含碳排放。

2.3 能源层面的分解

将1997—2017年建筑业碳排放按能源种类进行分解，得到4个阶段的9种能源对建筑业碳排放的贡献，如图2所示。综合来说，对建筑业碳排放增长贡献最大的为煤炭，其次是电力、焦炭和原油也在各阶段都有比较明显的贡献，这4种能源是建筑业碳减排需要关注的重点，而汽油和燃料油的贡献可忽略不计。

图2 不同阶段各能源对建筑业碳排放增长的贡献

根据图2，1997—2012年，消耗煤炭所导致的建筑业碳排放增长呈逐渐上升的趋势，且煤炭在各阶段对建筑业碳增长的贡献率均超过50%，说明该阶段煤炭在建筑业能源消费中占据很大比重。到了2012—2017年，煤炭引起的建筑业碳增长量有所下降，贡献率约为25%，意味着建筑业开始逐步减少对煤炭能源的依赖。1997—2017年的20年间，无论是绝对量还是占比，电力对建筑业碳增长的贡献均呈逐渐上升的趋势，表示电力能源在建筑业能源消费中的比重不断提升，在促进碳排放增长方面起着越来越重要的作用。随着经济的发展，建筑业对能源的总体需求不断增加，进一步降低煤炭能源的比重，增加电力、天然气等较为清洁的能源比重，将是未来控制建筑业碳排放的趋势。

表4展示了1997—2017年建筑业碳排放在能源层面的结构路径分解结果，主要关注对建筑业碳排放增长影响较大的煤炭、电力、焦炭和原油4种能源。其中，最终需求规模效应均显著地拉动了这4种能源产生的碳排放。

表4 建筑业碳排放增长在能源层面的结构路径分解

1997—2012 年，碳排放强度效应对这4种能源导致的碳排放基本都稳定地发挥着抑制作用，2012—2017年碳排放强度效应对煤炭和焦炭产生的碳排放仍起抑制作用，但对原油和电力产生的碳排放起促进作用。部门间的投入产出结构变化对不同能源产生的碳排放既有正向影响也有负向影响，未显示出明确规律。1997—2002年，部门关联效应对煤炭和电力产生的碳排放起抑制的作用，对焦炭和原油产生的碳排放起促进作用。2002—2007年，部门关联效应对这4种能源产生的碳排放具有增排效应。2007—2017年，部门关联效应对4种能源产生的碳排放具有减排效应。

2.4 部门层面的分解

将1997—2017年建筑业碳排放按部门进行分解，得到4个阶段的30个部门对建筑业碳排放的贡献，如表5所示。

表5 不同阶段各部门对建筑业碳排放增长的贡献

1997—2002 年，对建筑业碳增排贡献最大的部门是S24（34.54%），其次是S14（34.40%）、S11（15.89%）、S12（12.45%）和S28（11.31%）；对建筑业碳减排贡献最大的部门有S13（-20.14%）和S2（-11.25%）。

2002—2007 年，S14（23.80%）、S13（22.43）、S24（20.73%）和S11（15.63%）4个部门对建筑业碳增排的影响最显著。

2007—2012 年，有5个产业部门对建筑业碳排放增长的贡献率超过10%，分别是S24（28.25%）、S14（26.15%）、S2（12.05%）、S13（10.26%）和S11（10.00%）。

2012—2017 年，S11（30.86%）、S14（27.37%）和S24（25.49%）对建筑业碳增排的影响最显著，贡献率均超过25%。

综合4个阶段，对建筑业碳增长影响较为显著的一共涉及7个部门，分别是煤炭开采和洗选业（S2）、石油、煤炭及其他燃料加工业（S11）、化学产品（S12）、非金属矿物制品业（S13）、金属冶炼和压延加工业（S14）、电力、热力的生产和供应业（S24）和交通运输、仓储和邮政业（S28）。对这7个部门进行SDA分解，如表6所示。其中，S11、S14和S24对4个阶段的建筑业碳排放增长均有突出贡献，考虑建筑业与这3个部门之间的关联，制定合适的协同减排策略是建筑业碳减排的重中之重。

表6 建筑业碳排放增长在部门层面的结构路径分解

根据表6，这7个部门的最终需求规模效应均显著地促进了建筑业碳排放的增长。碳排放强度效应在大多时候均抑制了这7个部门传递给建筑业的碳排放增长。部门关联效应对不同部门的碳排放影响没有明显规律，既有正向影响也有负向影响。

对7个部门而言，影响最大的因素均为最终需求规模效应。在另外两种因素中，S2和S28在这20年间受到碳排放强度效应的影响更为显著。随着时间的增长，S13部门从受到部门关联效应的影响更显著逐渐转变为受到碳排放强度效应的影响更显著。S11、S12、S14和S24部门一开始受到碳排放强度效应的影响更显著，部门关联效应对这4个部门传递给建筑业的碳排放起促进作用，随着时间的增长，部门关联效应开始发挥碳减排作用，其影响效果也逐渐强于碳排放强度效应。

3 建筑业碳减排建议

随着经济的发展，建筑业的最终需求还会不断增加，产生更多的碳排放，而碳排放强度效应对碳排放的抑制作用在逐渐减弱。因此，控制建筑业碳排放的重点在于能否通过改善产业部门间的投入产出结构，尽可能地减少其他部门传递给建筑业的碳排放。

（1）在能源层面。建筑业碳排放的增长主要由煤炭、电力、焦炭和原油四类能源决定，随着时间的增长，煤炭对建筑业碳排放增长的贡献有所下降，而电力能源在促进碳排放增长方面起着越来越重要的作用。进一步降低煤炭能源的比重，增加电力、天然气等较为清洁的能源比重，将是优化能源消耗结构的重点。

（2）在部门层面。石油、煤炭及其他燃料加工业、金属冶炼和压延加工业和电力、热力的生产和供应业3个部门对建筑业碳排放的影响最为显著。部门关联效应在1997—2007阶段拉动了这3个部门传递给建筑业的碳排放，在2007—2017阶段转变为发挥碳减排作用，其影响效果也逐渐强于碳排放强度效应。建筑业应该进行技术革新，改善生产工艺，减少施工过程中的材料和能源浪费，优化对上游部门产品的使用结构和使用效率，尤其是是影响显著的3个部门。

4 结语

本文采用环境拓展的投入产出分析核算了1997—2017年中国的建筑业碳排放，运用结构分解分析，将建筑业碳增长的影响因素分解为碳排放强度效应、部门关联效应和最终需求规模效应。在能源和部门层面分析了不同因素的影响，并提出了建筑业碳减排建议。本文还存在一些不足之处，由于结构分解分析属于宏观层面的分解方法，导致许多细节难以展现出来，无法了解碳排放变化的具体路径。因此，该方法还需要进行更加精细的分解，从而更好地识别建筑业碳排放控制的重点环节。