基于STIPRAT評估模型的金磚五國碳排放影響因素分析

張忠華,李東耀,劉奭昕

(中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司,吉林 長春 130021)

0 引言

金磚五國由巴西、俄羅斯、中國、印度和南非組成,是當(dāng)前世界新型經(jīng)濟體合作組織的重要代表,其組織成員經(jīng)濟的快速發(fā)展為世界經(jīng)濟注入了強大活力。2021年,金磚五國經(jīng)濟總量約占全球的25.6%。在經(jīng)濟快速發(fā)展的同時,金磚五國碳排放總量也快速增加,2021年,金磚五國碳排放總量約占全球的45.8%。在全球共同應(yīng)對氣候變化的大格局下,金磚五國在碳達峰、碳凈零方面所采取的措施將引起高度關(guān)注。

在第26屆聯(lián)合國氣候大會上,金磚五國均明確做出實現(xiàn)凈零排放或碳中和的預(yù)期時間目標。其中,巴西和南非承諾于2050年實現(xiàn)凈零排放,俄羅斯和中國承諾于2060年實現(xiàn)碳中和,印度承諾于2070年實現(xiàn)碳中和。

本文采用1990—2021年相關(guān)數(shù)據(jù),對金磚五國經(jīng)濟、能源消費及碳排放情況進行分析,并重點就各組織成員國碳排放影響因素進行模型論證。其中,經(jīng)濟方面主要從經(jīng)濟總量及人均GDP進行分析;能源消費主要從總量及2020年終端能源分類消費情況進行分析;碳排放主要通過對人均GDP和人均碳排放量分析,論證各組織成員國經(jīng)濟增長與碳排放量是否符合庫茲涅茨“倒U字形曲線”假說,并與已實現(xiàn)碳達峰的美國進行對比。本文采用基于STIPRAT的評估模型,研究論證各組織成員國碳排放影響因素,并分析各組織成員國的模型擬合參數(shù),對金磚五國碳達峰在能源利用、能源供應(yīng)等方面提出建議。

1 經(jīng)濟發(fā)展分析

1.1 經(jīng)濟總量

2021年,金磚五國GDP合計約為222 079億美元[1](2015年不變價,下同),約占全球經(jīng)濟的25.6%,全球占比逐年提高。其中,中國已于2006年超過日本,成為全球第二大經(jīng)濟體,而印度也已成為全球第六大經(jīng)濟體,1990—2021年金磚五國GDP統(tǒng)計情況如表1所示。2021年,金磚五國GDP可比增速分別為巴西4.6%、俄羅斯4.8%、中國8.1%、印度8.9%、南非4.9%[2],在2020年疫情后均表現(xiàn)出高增長潛力,而中國和印度的經(jīng)濟增長趨勢更為明顯,高于全球平均增速5.8%。

表1 1990—2021年金磚五國GDP統(tǒng)計情況(2015年不變價)

1.2 人均GDP

2021年,金磚五國人均GDP分別為巴西8551美元、俄羅斯10 220美元、中國11 188美元、印度1961美元、南非5865美元[3],除中國外,均低于全球人均GDP平均水平。其中,中國人均GDP一直處于上升趨勢,21世紀后增速明顯加快;印度人均GDP增長相對較為緩慢,主要是經(jīng)濟增長明顯滯后于人口增長;俄羅斯經(jīng)歷解體后的大幅振蕩,近期已處于波動性增長態(tài)勢;巴西和南非的增長情況相對較為穩(wěn)定。金磚五國在勞動力因素、技術(shù)進步及知識存量等方面,仍與歐美發(fā)達國家存在較大差距。1990—2021年金磚五國人均GDP與全球人均GDP對比情況如圖1所示。

圖1 1990—2021年金磚五國人均GDP與全球人均GDP對比情況

2 能源消費分析

2.1 一次能源消費總量

2021年,金磚五國一次能源消費總量約為214.8 EJ,同比增長6.6%,約占全球一次能源消費總量的36.1%。隨著金磚五國經(jīng)濟發(fā)展,其一次能源消費總量也呈現(xiàn)增長態(tài)勢,全球占比不斷增加,如表2所示。受資源稟賦影響,石油方面,巴西和俄羅斯石油資源較為豐富,在滿足自身需求外,還具備出口能力,而中國和印度對外依存度不斷提高;天然氣方面,僅俄羅斯能夠滿足自身發(fā)展需要,其他組織成員國均需進口;煤炭方面,俄羅斯和南非在滿足自身需求外還具備出口能力,中國基本滿足供需平衡,印度煤炭對外依存度低于石油,巴西煤炭對外依存度較高。

表2 1990—2021年金磚五國一次能源消費總量

不同資源稟賦導(dǎo)致各組織成員國用能結(jié)構(gòu)有所差異。其中,巴西一次能源消費以石油為主,其次是豐富的水能等可再生能源;俄羅斯一次能源消費以天然氣為主,其次為石油;中國和印度一次能源消費結(jié)構(gòu)相近,均以煤炭為主,其次為石油和天然氣;南非一次能源消費以煤炭為主,其次為石油。由于金磚五國仍處于工業(yè)化發(fā)展中后期階段,能源消費量仍處于上升階段,特別是中國、印度以煤炭為第一消耗能源的國家,能源消費量增加的同時將面臨更大的碳排放壓力。

2.2 一次能源人均消費量

2021年,金磚五國一次能源人均消費量分別為巴西58.7 GJ(1 EJ=109GJ),俄羅斯214.5 GJ,中國109.1 GJ,印度25.4 GJ,南非82.8 GJ。除巴西和印度外,其他三國人均消費量均高于全球平均水平75.6 GJ。其原因一方面受一次能源消耗總量影響,另一方面受人口影響。近幾年巴西一次能源消費總量均維持在12 EJ左右,而人口總數(shù)則一直呈現(xiàn)增長趨勢;印度龐大的人口基數(shù)導(dǎo)致人均一次能源消耗量偏低。金磚五國一次能源人均消費情況如圖2所示。

圖2 金磚五國一次能源人均消費情況

2.3 終端能源分類消費情況

與各組織成員國經(jīng)濟發(fā)展需求及資源稟賦情況相對應(yīng),在其終端能源分類消費情況中,各國資源豐富的能源及經(jīng)濟發(fā)展所亟需能源占比均較高。其中,2020年巴西石油終端能源消費占比約為41.5%,可再生終端能源消費占比約為31%;俄羅斯天然氣終端能源消費占比約為34.5%;中國的煤炭和石油終端能源消費占比均約為26.4%;印度的煤炭終端能源消費占比約為32.4%,可再生終端能源消費占比約為28.9%;南非的石油終端能源消費占比約為37.9%,其次是電力和煤炭。2020年金磚五國終端能源分類消費占比情況如表3所示。

表3 2020年金磚五國終端能源分類消費占比情況 單位:%

對各組織成員國電力終端能源消費占比分析可知,經(jīng)濟增速明顯的國家,其電力終端能源消費占比增長較快,因此有必要探尋清潔能源電力消費占比提高對能源消費清潔化程度及節(jié)能減排成效的單向作用。1990—2020年金磚五國電力終端能源消費占比如圖3所示。

圖3 1990—2020年金磚五國電力終端能源消費占比情況

3 碳排放量分析

3.1 碳排放總量

2021年,金磚五國碳排放總量約為15 532.6×106t,約占全球碳排放總量的45.8%。1990—2021年,金磚五國碳排放總量占比明顯提高,特別是2011年后占比始終高于40%,顯著高于其對應(yīng)的經(jīng)濟占比,其中,中國在2005年后已成為全球碳排放量最多的國家[4]。根據(jù)歷史碳排放量已達最高水平且在碳排放量達峰后5年左右時間內(nèi),地區(qū)碳排放量減少10%以上的評判標準[5],金磚五國均未實現(xiàn)碳達峰。1991—2021年,金磚五國碳排放量增速變化情況如圖4所示。

圖4 1991—2021年金磚五國碳排放量增速變化情況

3.2 人均碳排放量

2021年,金磚五國人均碳排放量分別為巴西2040.2 kg、俄羅斯11 023.7 kg、中國7450.6 kg、印度1832.1 kg、南非7309.9 kg,除巴西和印度外,其他三國均高于全球平均水平4322 kg。與美國對比,金磚五國人均碳排放量均低于美國平均水平,其中2021年印度人均碳排放量僅約為美國的0.13倍。從量值上看,金磚五國人均碳排放量值較達峰國家明顯偏低,但比值差距有所減少[6]。1990—2021年金磚五國與美國人均碳排放量比值變化情況如表4所示。

表4 1990—2021年金磚五國與美國人均碳排放量比值變化情況

3.3 經(jīng)濟增長與碳排放量的相關(guān)性

1991年,Grossman等通過對二氧化硫和“煙”2種污染物濃度與經(jīng)濟增長之間關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn),在國民收入水平較低的情況下,其濃度隨人均GDP增加而增加,而在國民收入水平較高的情況下,其濃度隨人均GDP增加而降低,簡稱庫茲涅茨“倒U字形曲線”假說。

利用散點圖對金磚五國人均碳排放量與人均GDP數(shù)據(jù)的相互關(guān)系進行分析,并與美國進行對比。結(jié)果證明:除俄羅斯外,其他四國的經(jīng)濟增長與碳排放量基本保持達峰前的正相關(guān)性,且擬合優(yōu)度(R-squared,R2)很高,擬合程度較好;俄羅斯經(jīng)濟增長與碳排放量的R2較低,經(jīng)濟增長和碳排放量相關(guān)性與其他四國有明顯差異;美國在達峰前國家經(jīng)濟增長與碳排放量保持了正相關(guān)性,達峰后則呈現(xiàn)較為明顯的負相關(guān)性,但R2不高。除俄羅斯外,上述國家碳排放量與人均GDP的關(guān)系均基本符合庫茲涅茨“倒U字形曲線”假說,且在碳達峰前,隨著經(jīng)濟增長,碳排放量也將不斷增加。1990—2021年金磚五國及美國人均碳排放量與人均GDP的散點圖如圖5所示。

圖5 1990—2021年金磚五國及美國人均碳排放量與人均GDP的散點圖

3.4 金磚五國碳排放量情況總體分析

從經(jīng)濟上看,隨著金磚五國經(jīng)濟快速發(fā)展,其在全球經(jīng)濟中占比不斷提高,但由于勞動力因素、技術(shù)進步等方面與歐美國家的巨大差距,金磚五國的人均GDP水平仍明顯偏低;從碳排放情況上看,金磚五國均尚未達峰,除俄羅斯外,其他四國碳排放與經(jīng)濟的相互關(guān)系基本符合庫茲涅茨“倒U字形曲線”假說,在碳達峰前隨著經(jīng)濟增長,碳排放量也將不斷增加,碳減排面臨巨大壓力。

4 基于STIRPAT評估模型的碳排放影響因素分析

4.1 數(shù)列穩(wěn)定性分析

實施經(jīng)濟計量和預(yù)測的基本前提是樣本數(shù)據(jù)反映的統(tǒng)計特征具有代表性、可延續(xù)性,并稱這些統(tǒng)計量(均值、方差、協(xié)方差)的取值在未來仍能保持不變的樣本時間序列為平穩(wěn)序列。在經(jīng)濟系統(tǒng)中,一個非平穩(wěn)的時間序列通常可通過差分變換的方法轉(zhuǎn)換成為平穩(wěn)序列。本文應(yīng)用Eviews軟件,利用ADF檢驗方法驗證1990—2020年(由于2021年部分數(shù)據(jù)不全,未考慮2021年)金磚五國相關(guān)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,已保證在應(yīng)用線性回歸方法時,相關(guān)分析數(shù)據(jù)序列是平穩(wěn)的[7],檢驗結(jié)果如表5所示。

表5 金磚五國相關(guān)數(shù)據(jù)單位根檢驗結(jié)果

由表5可知,1990—2020年金磚五國的lnCO2、lnEEP、lnGDP及l(fā)nPOP序列均不平穩(wěn),在進行一階差分后,均滿足平穩(wěn)性要求。

4.2 基于STIRPAT模型擬合

STIRPAT模型是York和Dietz提出的基于IPAT的隨機模型[8-10],即將人口規(guī)模P、經(jīng)濟發(fā)展水平A與技術(shù)水平T隨機回歸,以分析各因素對環(huán)境壓力I的影響。其具體模型為

I=a·Pb·Ac·Td·e

(1)

式中:a為模型參數(shù);b、c、d分別為人口規(guī)模、經(jīng)濟發(fā)展水平與技術(shù)水平的影響系數(shù);e為隨機誤差項。在對該模型進行對數(shù)處理后,進一步優(yōu)化為

lnI=lna+b′lnP+c′lnA+d′lnT+lne

(2)

式中:b′、c′、d′ 3個影響系數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)影響因素對環(huán)境壓力的彈性系數(shù)。

為論證金磚五國人口、經(jīng)濟及技術(shù)不同方面對碳排放量的影響,本文結(jié)合數(shù)列穩(wěn)定性分析結(jié)果,設(shè)定碳排放量CO2為環(huán)境壓力I的指標參數(shù),并選取地區(qū)人口總數(shù)POP為人口規(guī)模P的指標參數(shù),GDP為經(jīng)濟發(fā)展水平A的指標參數(shù),電力能源消費占比EEP,即能源消費的電氣化程度作為技術(shù)水平T的指標參數(shù)。

利用SPSS軟件對金磚五國碳排放量及其影響因素進行線性回歸分析,計算結(jié)果如式(3)—式(7)所示。其中,巴西、中國、印度和南非的STIRPAT模型R2均超過0.9,證明擬合后的STIRPAT模型具有很高的擬合度,能夠很好解釋相關(guān)國家的人口數(shù)量、GDP和電力能源消費占比與碳排放量之間的線性關(guān)系;俄羅斯的STIRPAT模型R2約為0.494,擬合可信度不高。

lnI巴西=-6.398+0.243lnP巴西+1.135lnA巴西-0.928lnT巴西(R2=0.957)

(3)

lnI俄羅斯=-46.317+5.479lnP俄羅斯+0.209lnA俄羅斯-0.292lnT俄羅斯(R2=0.494)

(4)

lnI中國=45.077-4.013lnP中國+1.053lnA中國-0.210lnT中國(R2=0.971)

(5)

lnI印度=-1.993+0.153lnP印度+0.729lnA印度+0.213lnT印度(R2=0.994)

(6)

lnI南非=-0.176-0.616lnP南非+1.288lnA南非+0.352lnT南非(R2=0.976)

(7)

4.3 模型相關(guān)影響因素分析

根據(jù)金磚五國的STIRPAT擬合模型,在不考慮擬合程度不高的俄羅斯后,其他四國的共同點就是經(jīng)濟發(fā)展對碳排放量增加均為正向促進作用,且巴西、中國和南非該系數(shù)絕對值均大于1,影響效果更顯著。人口對碳排放量的影響各不相同,巴西和中國的能源消費電氣化水平越高,對碳排放影響到負向減排作用越明顯,其主要原因為巴西水電等可再生能源發(fā)展較好,中國近期可再生能源也發(fā)展極快;但印度和南非的能源消費電氣化程度提高反而會對碳排放呈現(xiàn)正向促進作用,其主要原因為兩國煤電等化石能源發(fā)電占比較高[11-12]。

4.4 對金磚五國碳排放建議

STIRPAT模式分析表明,在未實現(xiàn)碳達峰前,金磚五國經(jīng)濟發(fā)展必然會引起碳排放量增加,但通過加大能源消費中清潔能源電氣化程度,可以促進碳排放量降低。因此,建議金磚五國結(jié)合各自能源稟賦情況,合理加大電力能源消費清潔化程度,即在能源消費側(cè)提高水電、風(fēng)電、光伏等能源利用率。此外,也可以進一步提高電力能源發(fā)電效率,例如通過降低煤耗率提高燃煤發(fā)電效率,在同等發(fā)電量下減少化石能源使用,必要時也可考慮近期利用天然氣等碳排放量相對較低的化石能源替代煤炭[13-14]。

5 結(jié)論

a. 1990—2021年,金磚五國經(jīng)濟保持可持續(xù)增長,在全球占比不斷增加,但人均GDP水平較歐美發(fā)達國家差距仍明顯,特別是在勞動力因素、技術(shù)進步等方面仍存在巨大差距。由碳排放量可知,金磚五國均未實現(xiàn)碳達峰。

b. 金磚五國不同資源稟賦導(dǎo)致各組織成員國用能結(jié)構(gòu)存在較大差異。由于金磚五國仍處于工業(yè)化發(fā)展中后期階段,能源消費量仍處于上升階段,特別是中國、印度以煤炭為第一消耗能源的國家,能源消費量增加的同時將面臨更大的碳排放壓力。

c. 通過散點圖對金磚五國及美國的人均碳排放量與人均GDP數(shù)據(jù)進行分析,初步表明,除俄羅斯外,其他四國均呈現(xiàn)出達峰前經(jīng)濟增長與碳排放量的正相關(guān)性,且R2很高,擬合程度較好;美國在碳達峰后,隨著人均GDP增加,碳排放量呈現(xiàn)減少趨勢。上述國家碳排放量與人均GDP的關(guān)系均符合庫茲涅茨“倒U字形曲線”假說。

d. 基于STIRPAT評估模型做線性回歸擬合證明,除俄羅斯外,其他四國的人口數(shù)量、GDP和電力能源消費占比與碳排放量之間存在線性關(guān)系,且擬合程度較高。其中,經(jīng)濟均對碳排放量有正向促進作用,而清潔電力在能源消費占比的提高,則對碳排放量減少有促進作用。應(yīng)考慮采取增強清潔能源在電力供應(yīng)側(cè)占比及提高電力能源發(fā)電效率等措施促進各國碳達峰盡早實現(xiàn)。