我國行業碳排放動態特征及流動結構研究

袁 強 張自力 趙學軍

1（北京大學光華管理學院，北京 100871） 2（嘉實基金管理有限公司，北京 100020）

引 言

隨著我國“碳達峰、碳中和” 戰略的深入推進，碳減排日益成為實現“雙碳” 目標的重要工作。其中，全社會碳排放占比超過90%的行業部門，一直是我國低碳轉型的主要對象。2021 年我國碳市場建成并運行，陸續將火電、鋼鐵、水泥、造紙、有色、石化、化工、航空八大高耗能高排放的重點行業納入管理范圍，實現碳排放總量控制與碳價刺激［1］。這些行業能耗占比高，直接碳排放量大，但其中絕大多數屬于經濟生產中的上游部門，向中下游提供原材料及中間產品，其碳排放產生的原因主要來自下游行業的消費需求，如電力行業碳排放規模占比超45%，主要由國民經濟其他部門的電力消耗所引起。這使得在識別和分析行業碳排放時，有必要區分行業直接排放和由其他行業需求引起的間接排放，進而從經濟系統生產關系角度理解行業碳排放的差異性。同時，我國行業門類多且生產關系復雜，由此形成了上下游行業多樣化的碳流動路徑，在經濟保持中高速增長背景下，由行業最終產出拉動的碳排放及其流動過程將是減碳工作需關注的重點環節。

從生產和最終消費角度看，我國各行業直接和間接產生的碳排放規模和強度有多大，這些特征近年來是否有所變化？ 當前我國碳排放在行業間的流動結構是怎樣的，關鍵路徑有哪些？ 這些是本文關注及解決的重點問題，研究結果將從消費視角明確各行業的碳減排責任，并基于行業碳排放的現狀特征和歷史變動，為未來制定更有針對性的行業減碳措施，提供有益的參考依據。

1 文獻綜述

研究上述消費側碳排放的理論基礎來自于對生態足跡的測算，即綜合考慮經濟社會活動帶來的直接和間接環境影響，比較有代表性的研究為學者Bicknell 等［2］在1998 年發表的關于居民消費活動對新西蘭土地造成直接和間接環境影響的文章，而后Matthews 等［3］提出了生態足跡理論在碳排放領域的具體概念，他認為行業碳排放的計算不僅要包括直接碳排放和因使用電力引起的碳排放，還應考慮最終產品生產的上游物質投入所產生的碳排放流動問題。該研究闡述了行業生產全生命周期（Life－cycle）過程的碳排放核算邏輯，為測度經濟系統各部門碳排放提供了系統性框架，引起了后續學者對行業最終碳排放及其流動關系的廣泛討論。

針對我國行業碳排放流動的研究，已有文獻針對重點國家及經濟體、國內不同地區、特定行業開展了分析。從國際貿易角度看，已有研究基于生產結構和對外出口關系分析表明，我國凈流動至其他國家的碳排放量占排放總量的4.09%，主要源于紡織業、電氣機械制造業、通信設備制造業等重點行業的出口活動［4］； 針對因貿易活動引起的碳流動去向，不少學者分別圍繞我國對美國、歐盟、日本、巴西等國家和地區的貿易活動，測算碳轉移量識別重點地區和行業，結果顯示我國長時間處于碳凈輸出地位，且中間產品出口變動使得對不同國家的碳輸出量存在不同的動態特征，如在1995 ～2009 年對美國的碳輸出持續增長［5］，對巴西的碳輸出在2005 ～2015 年呈現先增后減［6］，而貿易規模、結構效應、技術效應是影響碳流動量的主要因素［7，8］。針對國內碳排放流動的研究，已有文獻圍繞熱點地區、重點省域等貿易流動，識別了重點地區碳排放關鍵產業，結果顯示同地區的不同行業以及不同地區的同一行業引起的碳流動存在差異，而建筑業、服務業以及資源型行業是引起碳流動的重點部門［9－11］。此外，學者們還基于林漿紙［12］、水泥［13］、加工制造業［14］等具體行業的能耗情況、產品生產過程和對上游產品的消費關系，識別了行業終端產品生產引起的碳排放流動結構。

在本文聚焦于全國尺度各行業生產引起碳流動的相關文獻中，所用模型方法均使用了可以刻畫我國行業間生產消費關系的投入產出數據（IO Table），通過追溯各個行業在生產時所需上游產業的投入類別和數量關系，從而核算行業最終產品產出消耗的物質量，及其所帶來的碳排放量。投入產出模型是從消費側評估行業環境影響的經典方法［15－17］，在國內外碳流動研究中得到了廣泛應用。從具體的研究內容看，學者們使用了我國2010 年［4］、2012 年［18］、2015 年［19，20］、2018 年［21］等年份的投入產出數據，整合成20 ～30 個行業類別，并分析當年度行業碳排放流動情況，結果發現碳排放流動現象較為普遍，電力熱力生產供應以及石油開采加工等行業是碳流動的主要提供者，而建筑和服務等行業是碳流動的主要接受者。同時，利用Ghosh 模型的直接分配系數矩陣核算行業間碳流動的數量關系［4，18］，識別了電力部門與其他行業，以及制造業上下游的碳轉移主要路徑。這些研究比較充分地揭示了我國在特定年份行業間碳流動現象，但這些研究屬于短期靜態性分析，較少從時間動態上考慮行業碳排放的變動情況。同時，基于直接分配系數的碳流動關系構建，其思想是從行業最初投入供給推動的視角分析行業碳流動，而經濟系統中最終產品需求拉動作用同樣是驅使行業流量流動的重要動力［22－24］，所以有必要從行業消費需求角度解釋我國行業碳流動結構。

本文針對我國行業碳排放特征及流動問題，分析我國2012～2020 年間4 期行業碳排放特征的變動趨勢，提供了對行業排放最新動態的時序性分析。相比已有文獻顆粒度較粗的行業劃分，利用行業分類更細的投入產出基準表，提高了對行業類別的區分度。此外，在分析碳流動結構時，從行業最終產品需求出發，利用直接消耗矩陣識別碳排放流動的重點部門和關鍵路徑，增加了從行業消費側分析碳流動結構的新視角。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

本文使用的投入產出數據來自國家統計局，根據我國投入產出表的編制方法，相關數據一般隔5 年更新1 次，年份尾數逢2 和7 發布基準表，逢5 和0 則發布延長表，基準表相比延長表對行業分類數量更多，區分更細致。本文利用最新4期即2012 年、2017 年、2018 年和2020 的投入產出基準表①，表征行業間經濟生產關系和投入產出結構。而對于行業能源使用情況及排放量計算中的碳排放系數，則來自《中國能源統計年鑒》中匹配年度的能源消費數據，以及《2006 年IPCC國家溫室氣體清單指南》。此外，考慮到投入產出及能源統計中行業劃分的不一致，本文將投入產出表的行業整合成45 個，使其綜合反映行業的能源消費及碳排放信息以及行業間生產關系，分類結果如表1 所示。

表1 整合后的行業部門名稱和簡稱

2.2 主要研究方法

2.2.1 行業直接排放量及排放強度的計算

直接排放量指行業直接投入化石能源所排放的碳，由其消耗的能源量和對應碳排放系數計算得到，直接排放強度是行業生產單位總產品所引起的碳排放。

上式，DCDi表示行業i的直接碳排放量，ECi，k表示行業i在能源品種k的消費量；SCCk是能源品種k的標煤轉化系數，CFk是能源品種k折算成標煤后的碳排放因子，兩者的取值如表2 所示。本文將一次能源的8 個品種，即煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然氣均納入到行業碳排放計算。DCIj是行業j的直接碳排放強度，Xj是行業j的總產出，即中間產品及最終產品產出之和。

表2 八大能源品種SCC 值和CF 值

2.2.2 行業完全碳排放及流動量核算

完全碳排放強度是行業因實現一單位最終產品產出所直接和間接引起的碳排放。

其中TCI和DCI分別是完全和直接排放強度的行向量，I為單位矩陣，A為基于投入產出數據計算的直接消耗系數矩陣，xij為行業j在生產過程中對行業i的消耗量，當i和j相等時，表示行業對自身的消耗，n為行業數量。

而考慮因商品貿易有來自于國外的進口品，作為最終產品生產的中間投入。如不扣除這部分將引起很多部門的完全碳排放高估，這里參考中國投入產出學會的處理方法［13］，假設各個行業在生產中間產品和最終產品時，所投入的進口品比例相同，引入各行業的進口比例對列昂惕夫逆矩陣進行修正，得到本文中的完全碳排放強度。

其中TCI*和ICI*是調整后的完全排放強度和間接排放強度行向量，為各行業的進口比例對角矩陣，ui是其中對角矩陣元素，IMi是行業i最終產品的進口量。

基于完全碳排放系數與最終產品產出量，計算各個行業的完全碳排放量。行業碳流動量為因最終產品生產引起的完全排放量和其直接排放量的差值。進一步對比行業碳流動量與其自身排放量，計算碳流動比例，分析行業碳流入流出的程度大小。

其中TCDj、Yj、FCDj、FCJj是行業j的碳完全排放量、最終產品產出量、碳流動量及比例； 當FCDj大于0 時，表示其為碳流入行業，反之為流出行業。

從直接消耗系數矩陣出發，測算行業間碳流動數量，可從消費側表征最終產品生產拉動的碳流動關系，進而構建碳排放流動矩陣S。

其中S矩陣中的元素Si，j為因行業j生產單位最終產品，行業i經多階生產過程，流動到行業j的碳排放量，是行業直接排放強度的對角矩陣。

2.2.3 碳排放流動網絡的構建

完全碳排放和碳流動量等是從行業生產最終產品的需求角度，分析碳供給和接受的主要對象。為細化各行業碳流動的來源和去向，基于碳排放流動矩陣，采用復雜網絡分析方法G＝（N，F）刻畫碳排放流動關系。其中行業類型N＝（n1，n2，…，n45）為網絡節點，碳排放流動矩陣中元素Si，j為行業節點i到j的連邊權重，進而組成行業連邊集合F＝（f1，f2，…，fk），由此構建了行業間有向有權的碳排放流動網絡。

考慮到在計算碳排放流動矩陣時，已經計算了伴隨生產投入多階消耗的碳流動情況。即Si，j反映了直接消耗矩陣的多階計算過程：

這里采用點中心度作為行業在碳流動網絡重要性的表征指標，可以更好地體現由行業最終產品生產引起碳排放的物理過程。其中，入度中心度In＿degreej表征，行業j生產1 單位最終產品時，所拉動的碳排放流動量； 出度中心度Out＿degreei表征，所有行業均生產1 單位最終產品時，行業i所提供的碳排放流動量。

在碳排放流動網絡中，絕大數行業既存在從其他行業的碳排放流入，也有碳排放流向其他行業。為識別各行業碳流入流出的最強關系，分別用In＿carbon和Out＿carbon進行分析。

In＿carbonj表示行業j生產1 單位最終產品時，從其他行業流入的碳排放量最大值，最大值所對應的行業i為碳流入最大的來源。Out＿carboni表示行業i在各行業都生產1 單位最終產品時，流向各行業的碳排放量最大值，最大值所對應的行業j為碳流出最大的去向。

3 研究結果及分析

3.1 我國行業碳排放的動態特征分析

從4 年期變動看，我國直接排放量從2012 年的28.8 億噸增加到2020 年的35.4 億噸，增幅23.81%，增長的行業數量有20 個，而更多行業實現了排放量的下降。如表3 所示，2020 年分行業直接排放規模數值最大的為電力、熱力生產和供應業，約11.77 億噸，其次為石油、煤炭及其他燃料加工業、黑色金屬冶煉和壓延加工業等，排放8.74 億噸和4.96 億噸，三者占總排放比例共計71.40%，說明從能源消費情況及直接排放端看，我國碳排放來源分布較為集中。排名前三的行業在2012～2020 年的8 年間，碳排放量均有所增長，分別為23.19%、53.33%和11.18%。從減碳的絕對規模看，排名前三的行業有煤炭開采和洗選業、紡織業以及通用設備制造業，其減碳量為0.51、0.05 和0.04 億噸。

表3 2012～2020 年均超億噸的行業直接排放量及排放強度單位： 億噸，噸/萬元

2020 年，我國整體的直接排放強度為0.13噸/萬元，較2012 年下降38.5%，說明近年來我國經濟發展的能效水平顯著提高。排放強度最大的行業為石油、煤炭及其他燃料加工業，數值為2.14 噸/萬元。其余依次為電力、熱力生產和供應業的1.68 噸/萬元、黑色金屬冶煉和壓延加工業的0.73 噸/萬元。表中所列重點行業中，有4個行業相比2012 年下降顯著，降幅最大的為交通運輸、倉儲和郵政，這應該有賴于交通工具電動化帶來的直接排放量減少。

表4 顯示年均完全排放量超億噸的9 個重點行業中，4 個行業在8 年間增長超過30%，其中增幅最大的為其他服務業的63.54%，其次是電力、熱力生產和供應業的61.48%。而作為完全碳排放量第一大的建筑業，2012 ～2020 年排放規模增長44.82%，說明這期間我國各類地產建設等活動仍然活躍，并且是拉動碳排放的主要驅動行業，也體現了近年來國家提倡綠色建筑、促進低碳轉型的必要性。

表4 2012～2020 年均超億噸的行業完全排放量及排放強度單位： 億噸，噸/萬元

2020 年我國完全排放強度為0.31 噸/萬元，較2012 年下降32.92%。除石油、煤炭及其他燃料加工業生產單位最終產品的排放量有所上升外，其余44 個行業2020 年的完全排放強度相比于2012 年均顯著下降，這也佐證了我國經濟活動整體的能耗效率有顯著提升。重點行業中下降最大的為專用設備制造業，降幅為37.97%，而電氣機械和器材制造，計算機、通信和其他電子設備制造等領域排放強度下降幅度低于平均水平。

2012～2020 年的4 個年份，碳凈流入的行業有28 個，超過行業總數的50%，且這些行業在4個年份均處于碳凈流入的狀態，這說明了從最終產品消費的需求角度識別碳排放重點行業的必要性。如表5 所示，碳凈流入絕對規模年均超過億噸的有建筑業、其他服務業等5 個行業，碳流入規模對其完全排放量的貢獻占比均超過90%，表明這些行業對上游行業需求拉動的碳排放非常顯著。而從流出行業看，絕對規模年均超億噸的行業包括了電力、熱力生產和供應業，石油、煤炭及其他燃料加工業等6 個，最大為電力、熱力生產和供應業，年均凈流出碳量約9.23 億噸，平均流動比例為87.60%，反映了我國當前仍以煤炭為主的能源供應結構，火力發電產出大量碳排放通過電力消耗過程流動至其他行業。

表5 2012～2020 年均碳流動超過億噸的行業流動規模及比例 單位： 億噸

同時，綜合各個行業的直接排放強度和間接排放強度，與行業平均水平比較，劃分了4 個組別： 全過程高碳行業、表觀型高碳行業、傳導型高碳行業、低碳行業。表6 展示最新一期即2020年的分類結果： （1） 直接排放強度和間接排放強度都高的全過程高碳行業有5 個，包括電力、熱力生產和供應業，化學原料和化學制品制造業，有色金屬冶煉和壓延加工業等，這些行業處于經濟系統的中游，不僅自身生產活動的排放強度高，還因其原材料需求投入，吸引了其他行業的排放量流入，這類行業需從優化生產投入結構的角度實現碳減排； （2） 直接排放強度高、間接排放強度低的表觀型高碳行業共4 個，包括煤炭開采和選洗業、非金屬礦物制品等，這類行業處于實體經濟偏上游位置，是其他行業碳排放的重要來源，需從優化生產活動角度控制碳排放規模； （3） 直接排放強度低、間接排放強度高的傳導型高碳行業包括14 個，代表性的有電氣機械和器材制造業、其他制造業等處于中下游的行業，因消費了其他高排放強度行業的中間品投入，而引起間接排放強度高，這類行業減碳需考慮替代高碳生產原料的投入； 剩余22 個為低碳行業。這些結果反映出可以從行業所處產業鏈位置角度理解其碳排放特征，并有針對性地制定差異化的減碳措施。

表6 2020 年各行業碳排放強度屬性分類

3.2 我國行業間碳排放流動網絡分析

以上內容分析了經濟系統中各行業碳排放特征的異質性，并識別了基于消費側的碳排放重點行業。而行業完全碳排放量的高低是由行業間上下游生產關系而產生碳流動導致的，所以有必要從網絡視角呈現并分析行業間碳流動的關鍵路徑。

碳排放流動結構所基于的產品生產關系，及其所反映的減碳重點行業在年際間變動不大。考慮到減碳措施的時效性，這里以最新年份2020 年為例，利用Gephi0.9.2 軟件繪制了碳排放流動網絡圖。圖1 展示了各行業間碳排放流動網絡的拓撲結構，網絡的直徑數值為1，即各節點呈現相互連接的特征，45 個行業節點共計2025 條連邊；邊權重的平均值為0.008，大于平均值的邊數量占比12.3%，說明行業間重點的碳流動路徑較為集中。圖中網絡節點使用了行業簡稱，字體越大代表該行業中心度越高，邊越粗代表權重越大。

圖1 2020 年我國行業間碳排放流動網絡

表7 顯示，不管從出度或入度分析行業的網絡重要性程度，電力、熱力生產和供應業都是中心度排名第一的重點行業，而其他大多數行業排序結果具有明顯差異性。出度中心度反映了行業在經濟系統碳流動來源的重要性，整體結果與行業直接排放量的排序較為接近，說明從經濟系統的絕對排放規模和單位產出拉動碳排放的角度，均可反映這些行業是碳排放的主要來源。而入度中心度反映的是行業生產單位最終產品引起的碳排放，排名靠前的行業有化學纖維制造、橡膠和塑料制品等化工領域以及金屬冶煉和加工制造行業，若增加這些行業最終產品的消費規模，引起總體碳排放量的邊際變動更為顯著。

表7 2020 年碳排放流動網絡的中心度排名前10 的行業

從路徑上看，各行業碳流入最大的來源集中在兩個行業，按關聯行業的數量排序依次為電力、熱力生產和供應業和石油、煤炭及其他燃料加工業，具體對應關系如表8 所示。各行業從以上兩個行業流入碳的占比分別為21.0%～78.5%和10.44%～30.59%，反映了經濟系統中行業最終產品生產所引起的碳排放來源較為集中，為實現經濟系統減碳，要減少這兩個行業的單位產出碳排放，另外也要從生產結構和比例的角度，降低其他行業對這些行業的生產投入依賴。

表8 各行業生產單位最終產品最大碳流入的來源行業

此外，當每個行業生產單位最終產品時，對應碳流出最大的去向行業，構成了行業間碳流出路徑共17 條，結果如表9 所示。其中，化學原料和化學制品制造業，石油、煤炭及其他燃料加工業，黑色金屬冶煉和壓延加工業碳流出規模排名靠前的3 個行業，其去向行業為橡膠和塑料制品業，化學原料和化學制品制造業，金屬制品業。去向行業未來產出的邊際增長將拉動更顯著的碳排放流動，需優化流出行業的能耗水平和控制去向行業的產出增長，進而實現跨行業的協同減碳。

表9 各行業生產單位最終產品時最大碳流出的去向行業

4 主要結論和啟示

本文基于整合后的2012 年、2017 年、2018 年和2020 年投入產出基準表以及各行業能源消費數據，對我國45 個行業直接和完全碳排放量，及其排放強度進行了測算，并結合復雜網絡分析方法，構建了最新一年即2020 年我國行業間碳排放流動網絡，識別了碳排放流入和流出的重點部門和主要路徑。研究結論和主要啟示如下：

（1） 4 個年份下，均有28 個行業出現了碳流入的現象，占比超過50%，說明了從最終產品生產角度分析碳排放和實現碳減排的必要性，凈流入絕對規模超過億噸的有建筑業、其他服務業等5 個行業，流入量占其完全排放規模的比例超過90%。碳凈流出規模超過億噸的有6 個行業，電力、熱力生產和供應業流出量最大，絕對規模在2020 年達到10.16 億噸。重點行業碳流動呈現不同的動態特征，大多數行業碳流動量呈現逐年增加的趨勢，而電氣機械和器材制造流入量呈現先減后增的趨勢，非金屬礦物制品的碳流出量較為平穩。

（2） 從直接和間接排放綜合考慮行業排放特征，發現45 個行業有5 個全過程高碳行業、4 個表觀型高碳行業、14 個傳導型高碳行業以及22個低碳行業。對于電力、熱力生產和供應業等全過程高碳行業，需優化其生產結構，并提升自身能效實現減碳目標。對于煤炭開采和洗選業等表觀型高碳行業，需結合當前國家實施的碳排放總量控制政策，約束行業的排放規模，并從技術進步角度促使其直接排放強度下降。對于電氣機械和器材制造業等傳導型高碳行業，可以從高碳中間產品的投入替代的角度，減少碳流入量。

（3） 為進一步分析行業需求引致的碳排放結構，利用碳排放流動網絡識別了各行業碳排放流入來源，集中在電力、熱力生產和供應業，以及石油、煤炭及其他燃料加工業等2 個行業； 同時識別了17 條行業間碳流出的重點路徑，包括化學原料和化學制品制造業－橡膠和塑料制品業，石油、煤炭及其他燃料加工業－化學原料和化學制品制造業，黑色金屬冶煉和壓延加工業－金屬制品業等，這些是跨行業協同減排需重點關注的碳流動過程。

（4） 基于以上分析，提出優化行業減碳措施的政策建議： ①加快推動電力系統脫碳。電力、熱力生產和供應業是碳流動網絡中最核心的行業節點，也是經濟系統減碳的首要部門，亟待加速電力脫碳步伐。當前新能源發電裝機量占比近一半，仍有較大的發展潛力，應堅定推進光伏、風電等低碳能源對化石能源發電的替代，并增加CCUS 等新型脫碳技術的應用普及； ②重視傳導型高碳行業的減碳管理。國家在對電力、石化、化工等直接排放顯著行業進行碳總量控制時，還應有效管理建筑、服務以及多種制造業等間接排放長期處于前列的行業，通過控制傳導型高碳行業最終產品的產出規模，實現消費側的減碳增效； ③促進產業鏈上下游的聯動減碳。對于各行業的碳排放管理，需明確其在碳流動網絡中的連接及傳導路徑，減少其對高排放原材料的消耗比例，同時通過技術進步降低上游行業的碳排放強度，進而實現跨部門減碳的協同性。

注釋：

①我國因開展第四次全國經濟普查，在2018 年和2020 年也增加了投入產出基準表的發布。