1985—2010年制造業二氧化碳排放的改變點分析及周期劃分研究

陳彩芹，鞏在武

1 引言

我國是制造業世界第一大國，制造業的發展不僅帶動著我國的經濟增長，還伴隨著高能耗、高污染、高排放的問題。制造業的發展對能源的消耗和依賴頗為嚴重，能源消耗導致的溫室氣體的排放特別是二氧化碳排放 (以下簡稱碳排放)不斷增加。目前，我國制造業碳排放占據了碳排放總量的80%以上。在國家節能減排和應對全球氣候變化雙重壓力下，我國政府出臺的能源消費及溫室氣體減排政策對制造業能源利用效率的提高和能源結構的轉變具有重要的理論價值和現實意義。

在能源政策影響能源結構調整及技術創新研究方面，劉磊［1］系統地梳理了到目前為止我國所制定和實施的能源政策，認為我國想要達到既定的碳排放強度削減目標，仍需要有針對性的政策導向。謝治國等［2］闡述了我國可再生能源政策的發展歷程，提出了可再生能源政策的發展仍任重道遠。高振宇［3］探討了產業結構變動和產業內效率提高對能源消費和總體單位能耗的影響，建議政府構建“能源分解指數體系”作為制定能源政策的依據。錢振為［4］對我國能源消費狀況進行了分析，提出在經濟全球化的形勢下我國應采取“后中先”的能源戰略。

影響我國制造業碳排放的主要因素有財富、人口、能源技術、經濟總量、產業結構等，其中人口、財富、經濟總量對我國制造業碳排放有正向作用，能源技術、產業結構的調整對我國制造業碳排放有負向作用［5－8］。

劉華軍在對碳排放的研究方面頗有成果，主要從影響碳排放的因素、碳排放的地區差異分析、碳排放的周期等方面展開，其研究對未來中國碳減排政策的制定提供了重要的參考意見［9－14］。在中國二氧化碳排放的環境庫茲涅茨曲線——基于時間序列與面板數據的經驗估計研究中，劉華軍等利用27個省1995—2007年時間序列數據和省際面板數據，選取排放總量、人均排放量、排放強度作為二氧化碳排放指標，很好地刻畫了我國的人口規模以及經濟發展水平。相對于劉華軍的研究，本文在方法、結論以及政策方面的不同點如下:

(1)方法不同。劉華軍等采用的是參數估計模型檢驗中國的二氧化碳環境庫茲涅茨曲線，而本文采用灰色關聯分析方法對1985—2010年中國制造業能源消費產生的二氧化碳排放趨勢劃分周期。

(2)得出的結論也不同。劉華軍等通過面板數據協整檢驗研究，得出了大多數省份的二氧化碳排放在未來很長一段時期內將繼續增加的結論，增加了二氧化碳減排政策落實的難度。本文主要論證中國能源政策是影響制造業碳排放量趨勢變化的重要因素，認為政策實施能夠約束制造業的碳排放增長，應進一步加快我國能源消費的高能耗高排放模式向低排放低能耗、科技型方式轉化。

(3)從政策角度對中國碳減排提供參考的意見也不同。劉華軍等認為我國政府在制定和實施二氧化碳減排政策的同時，應考慮到我國不同地區對經濟發展的不同要求，從而因地制宜地制定減排政策。本文在能源政策的制定方面著重考慮能源結構的調整與優化。

本文采用灰色關聯度算法，確定碳排放時間序列改變點位置，從而確定制造業碳排放趨勢的周期。在經濟、水文氣象等時間序列中，從某些點開始常會出現明顯的改變趨勢或表現為跳躍趨勢，這類點通常稱為改變點。由于時間序列受到某些特殊因素的影響，使得數據趨勢產生變化。例如，影響經濟序列的發展趨勢從而導致改變點產生的因素有國家宏觀調控政策、自然災害、國際重大事件等。一個時間序列中可能會出現多個改變點，這樣就可以根據改變點位置的不同劃分時間序列周期，如經濟周期，氣候變化周期等。

2 方法介紹

2.1 灰色關聯理論

灰色關聯分析反映了參考數據列和若干個比較數據列的幾何形狀相似程度［13］。灰色關聯度理論已經被廣泛地應用到預測、決策、模式識別、聚類分析、系統指標權重確定等領域［14］。設X0=(x0(1)，x0(2)，…，x0(n))為系統特征序列，Xi=(xi(1)，xi(2)，…，xi(n))，i=1，2，…，m ，為相關因素序列。設系統行為序列 Xi=(xi(1)，xi(2)，…，xi(n))，i=1，2，…，m為相應固定序列。對于ξ∈(0，1)，令

ξ∈(0，1)稱為分辨系數，γ(X0，Xi)稱為X0與Xi(i=1，2，…，m)的灰色關聯度。灰色關聯度γ(X0，Xi)常簡記為 γ0i，k 點關聯系數 γ(x0(k)，xi(k))簡記為γ0i(k)。

2.2 改變點的灰色關聯度搜索算法

確定改變點的灰色關聯度搜索算法如下:

步驟一:構建參考序列。從時間序列 X=(x(1)，x(2)，…，x(n))，n≥ 10的前半列 (或者后半列)中選取 X0=(x(1)，x(2)，…，x(T))，5≤Ts≤T≤Te≤ n/[ ]2 作為參考序列，其中Ts≤Te并且Ts、T和Te都為整數。

步驟二:構建比較序列。構建的比較序列為:

式 (3)定義階數為n－2T+1的比較序列集。

步驟三:計算整體關聯程度。分別計算X0和X1，X2，…，Xn－2T+1的 關 聯 度 r1(T)，r2(T)，…，rn－2T+1(T)，然后求這些關聯度的算術平均值r(T)，稱r(T)，5≤Ts≤T≤Te≤ n/[ ]2 為T－整體關聯度。

步驟四:確定改變點。令

η(T)，5 ≤Ts≤T≤Te≤ n/[ ]2 稱為相對T－整體關聯度。令 η(T*)=max{η(T)|T=Ts，Ts+1，…，Te}，相對于T-整體關聯度中的最大值T*為時間序列X=(x(1)，x(2)，…，x(n))的改變點。

需要注意的是:①如果改變點出現在時間序列 S=(s(1)，s(2)，…，s(n))的后半部分，則做如下變化 x(k)=s(n－k+1)，k=1，2，…，n;②為了使Ts更具實際意義，一般應使Ts≥5。

3 數據來源與處理

本文以《中國統計年鑒》(1985—2011年)為中國制造業能源消費主要數據源，并將能源消費種類劃分為煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然氣及電力9大類。其中1993年的數據缺失，這里取1992年與1994年相應能源數據的平均值作為補充;2010年的數據為《中國能源統計年鑒2011》中的數據。下面簡單介紹中國制造業能源消費產生的碳排放量轉化方法與步驟。

對于能源消費碳排放量的計算國內外目前沒有統一的標準，學者多依據聯合國政府間氣候變化專門委員會 (IPCC)碳排放技術指南提供的能源消費碳排放計算方法:

式中，C為碳排放總量;Ci為第i種能源的碳排放量;Ei為第i種能源的消費量;Fi為第i種能源消費的碳排放系數。各類能源消費的碳排放折算系數見表1。

表1 各類能源碳排放系數

根據各種能源折算標準煤的參考系數，將1985—2010年中國制造業各類能源消費量折合成標準煤，根據式 (5)和折合標準煤數據，計算出1985—2010年中國制造業各種能源消費的碳排放量和碳排放總量 (見表2)。

利用Eviews7.0軟件，去掉以上折算后的中國制造業碳排放總量數據趨勢，整理后算出去掉趨勢后的1985—2010年中國制造業主要能源碳排放量(以下碳排量增長率都為去掉趨勢后的增長率)。由于形如汽油、煤油在碳排放構成中的比例較小，下面只給出碳排放構成較大的煤炭等碳排放量的增長趨勢，又因上述增長率有負值存在，為了便于后面改變點的計算，將存在負值的列同時加上一個值，使該列所有數值為正。例如，1986—2010年碳排放總量增長率都加上1，則該列所有值都轉換為正值，處理后的碳排放量的增長率見表3。

表2 1985—2010年中國制造業各類能源碳排放量和碳排放總量表 (單位:萬噸)

表3 1985—2010年中國制造業主要能源碳排放量增長趨勢

4 中國制造業碳排放改變點的選擇和周期劃分

4.1 中國制造業碳排放總量改變點的選擇與周期劃分

利用表3的數據，采用灰色關聯算法，確定中國制造業碳排放總量增長率數據列的改變點，并對該數據列進行周期劃分。1986—2010年中國制造業碳排放總量增長率趨勢圖見圖1。

圖1 1986—2010年中國制造業碳排放總量增長率趨勢圖

表4和表5給出了基于灰色關聯算法的中國制造業碳排放量的相對T－整體關聯度的數值結果。

表4 中國制造業碳排放總量相對T-整體關聯度的數值

表4中的最大值點為第11個點，也就是該時間序列的改變點是1996年;表5中的最大值點為第10個點，因為該改變點位于數列的后半部分，我們從后半列選取參考序列，所以改變點位于該時間序列第16個，也就是該時間序列的改變點是2001年。這樣，我們將圖1的時間序列分成三部分，即1985—1996年、1997—2001年、2002—2010年。從圖1中可以看出，1985—1995年間中國制造業排放增長呈現變緩趨勢，特別是1994年與1995年的制造業碳排放量增長率達到最低，正好位于圖1的谷底;而1996年以后制造業碳排放增長趨勢明顯。因此，選取1996年作為碳排放增長趨勢改變點是合理的;而2001年這個點比較特殊，僅從圖1中無法解釋2001年作為改變點的原因。下面將分別論證這兩個點是整個時間序列的改變點，為此首先計算幾個主要能源 (煤炭、焦炭、原油)消費產生的碳排放量占整個制造業能源消費排放量的比例 (見表6)，并繪制趨勢圖 (見圖2)。

表5 中國制造業碳排放量相對T-整體關聯度的數值

表6 1985—2010年主要能源消費產生的碳排放量占整個制造業能源消費排放量的比例

1985—1996年間，中國制造業碳排放增長呈現變緩趨勢。通過分析三種主要能源碳的排放構成，我們發現因煤炭消費產生的碳排放量占總能源消費產生的碳排放的比重呈遞減趨勢，這個比重在1996年首次低于60%;因原油消費產生的碳排放量占總能源消費產生的碳排放的比重呈遞增趨勢，這個比重首次高于20%;因焦炭消費產生的碳排放量占總能源消費產生的碳排放的比重呈明顯遞增趨勢，這個比重在1996年達到13.62%(這是一個很有趣的數據，因為根據黃金分割原理，我們計算出焦炭消費碳排放量數據列的兩個黃金分割點分別為13.46%與16.63%。第一個數字與13.62%極為接近;而第二個數字與下面第二個改變點對應的數值16.68%較為接近)。圖2中三種能源消費碳排放趨勢圖類似于一個臥倒的長瓶，在1996年處呈現明顯變窄的趨勢;此外，圖1中制造業碳排放增長率降到最低。這兩點都驗證了用灰色關聯算法測算的改變點位于1996年是合理的。

1997—2001年間，中國制造業碳排放增長呈現加速趨勢，通過分析三種主要能源的碳排放構成，我們發現因煤炭消費產生的碳排放量占總能源消費產生的碳排放的比重呈遞減趨勢，這個比重在2001年降至50.35%，而2002年已經低于50%;因原油消費產生的碳排放量占總能源消費產生的碳排放的比重呈遞增趨勢，這個比重在2001年達到25.80%，達到整個比重的1/4;因焦炭消費產生的碳排放量占總能源消費產生的碳排放的比重在2001年達到17.48%。前面的分析指出，這個數據實際上是該序列的黃金分割點。圖2中三種能源消費碳排放趨勢圖位于臥置瓶的瓶頸處，該瓶直徑在2001年基本達到最小。在2002—2010年間，中國制造業碳排放盡管仍然延續高速增長趨勢，但通過圖1我們發現，2005年以后，這種高速增長趨勢已經發生了重大改變。圖2中三種能源消費碳排放趨勢圖位于臥置瓶的瓶口，三條趨勢線近似平行。無論是通過計算還是通過圖形直觀判斷，選取2001年作為第二個改變點也是合理的。

4.2 中國制造業碳排放周期的形成原因

由于在1985—1996年中國處于制造業發展的粗放初期，在該段時期主要制造業能源消費產生的碳排放中，煤炭碳排放比重一直居高不下。當時我國的制造業發展處于剛剛起步水平，對能源的消耗和依賴性較低，國家對能源的流通與消費也采取嚴格的管制政策，同時國家也開始對低水平重復建設進行治理，關停高能耗、高污染、低效率的“十五小”，以控制能源消費的過快增長，帶來了能源效率的提高。這也是1985—1996年間我國制造業碳排放總量增長率趨勢下降的主要原因。

圖2 1985—2010年主要能源消費產生的碳排放量占整個制造業能源消費排放量的比例趨勢圖

1997—2001年間，隨著中國經濟的快速發展，能源消費急劇增長，而煤炭消費產生的碳排放量占總能源消費產生的碳排放的比重持續下降，煤炭與原油消費碳排放量比重迅速增長，以煤炭為主的能源結構已經發生了改變，因此碳排放不可避免地會出現一定幅度的增加。1997年以后，我國政府改革了嚴格控制能源消費的政策，在適當控制生產的同時采取優化能源消費結構、鼓勵消費清潔能源的政策，節能政策從控制能源消費轉向促進能源合理消費。1997—2001年間，我國相繼發布了一系列能源政策。例如，1996年的《中華人民共和國煤炭法》;1997年的《中華人民共和國節約能源法》;1998年實現了石油企業的戰略性重組，建立了上下游一體化的新型石油工業管理體制;1999年的《煤炭經營管理辦法》;同時國家發改委、科技部發布了關于進一步支持可再生能源發展有關問題的通知;2000年的《民用建設節能管理規定》、《關于進一步鼓勵外商投資勘查開采非油氣礦產資源的若干意見》，進一步開放非油氣資源的探礦權、采礦權市場等。政策的激勵與支持對于制造業碳排放產生了十分重要的影響，1997—2001年間我國制造業碳排放總量增長率開始趨于上升。同時，能源消費政策的變化開始引導能源消費向高效、優質、環保方向發展。

2002—2010年間，國際油價高位運行，碳減排壓力增大，我國政府頒布了大量的能源相關文件，根據自身能源特點 (煤炭資源豐富，石油對外依賴度增加等)，一方面加大了對煤炭消費的引導，降低高碳排放焦炭消費的比重;另一方面，通過政策引導，盡量使得三種能源消費比率趨于穩定。這段時期國家密集發布了能源政策法規，如2001年發布的《對外合作開采海洋石油資源條例》和《對外合作開采陸上石油資源條例》;2002年按照電力體制改革方案，電力工業實現了政企分開、廠網分開;煤炭工業市場化改革后，2002年發布的《中國人民共和國清潔生產促進法》(2012年修正)《指導外商投資方向規定》;2004年發布的《節能中長期專項規劃》;2005年又按照國務院《關于促進煤炭工業健康發展的若干意見》、《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》、《中華人民共和國可再生能源法》等深化改革和發展。中國正在按照觀念創新、管理創新、體制創新和機制創新的要求進一步深化能源體制改革，提高能源市場化程度，完善能源宏觀調控體系，不斷改善能源發展環境。為了實現經濟社會可持續發展目標，我國又發布了能源發展“十一五”(2006—2010年)規劃，這些政策進一步約束了制造業的碳排放增長，國家執行的種種政策措施也收到了較好的成效。新世紀開局不到10年時間，核電、風電等新興能源發展進入了快行道。節能也受到前所未有的重視，并取得了顯著成效。從圖1中也可以看出2006—2010年我國制造業的碳排放增長率已經呈現下降趨勢。

5 結論

本文首先將我國制造業能源消費的數據轉化為碳排放數據，然后利用確定改變點的灰色關聯算法，求出制造業碳排放總量及各種主要能源碳排放量的改變點。研究發現，制造業碳排放總量的改變點分別位于1996年和2001年，制造業碳排放數據列劃分為三個周期，即1985—1996年、1996—2007年、2001—2010年。本文還分別通過分析數據特征、圖形趨勢特征，論證了改變點測算及周期劃分的合理性。

政策的激勵與支持對于調整制造業碳排放具有十分重要的作用。本文通過對制造業碳排放周期劃分和政策的分析研究，可以得出以下啟示:

(1)對煤炭的消費在能源政策方面進行調整和約束。當前的經濟發展階段和煤炭資源豐富以及價格優勢，決定了我國在未來很長一段時間內仍將以煤炭作為主要的能源來源，所以國家在能源政策的制定方面需要進行調整和約束，使得以煤炭為主體的能源結構弱化，從而引起碳排放的減少。

(2)能源政策與碳排放周期相配合。制造業的發展是具有周期性特征的，國家根據不同生命周期來提供相應的能源政策，進而建立起適應中國社會主義市場經濟體制的制造業創新政策體系。

(3)加大新能源與可再生能源研發與創新激勵政策力度。新能源與可再生能源政策在長期收效甚微，國家通過各種激勵政策手段支持新能源與可再生能源的發展是非常必要的。

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