碳排放與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的關(guān)系實(shí)證研究*
——以天津市水泥行業(yè)為例

楊凱隆 張金鑫 劉彩波 王紅玲

(湖北大學(xué)商學(xué)院,湖北 武漢 430062)

0 引言

“雙碳”目標(biāo)的確定對(duì)高排放、高耗能行業(yè)的綠色發(fā)展提出迫切要求,給這些行業(yè)帶來(lái)了巨大的節(jié)能減排壓力。近年來(lái),建材行業(yè)逐步進(jìn)入全國(guó)碳市場(chǎng),而水泥成為建材行業(yè)納入全國(guó)碳市場(chǎng)的首個(gè)領(lǐng)域。數(shù)據(jù)顯示,2020年,我國(guó)水泥的碳排放量占全國(guó)總排放的13%,約為13.7億t,僅次于電力行業(yè)和鋼鐵行業(yè)[1]。在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)時(shí)間緊、任務(wù)重的背景下,水泥行業(yè)實(shí)施碳減排迫在眉睫,亟需往更加低碳、綠色、環(huán)保的方向轉(zhuǎn)型。天津市作為我國(guó)碳排放權(quán)交易試點(diǎn)地區(qū)之一,近年來(lái)正在推動(dòng)水泥行業(yè)超低碳排放改造。2023年初,天津市人民政府印發(fā)《天津市工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案》,提出到2025年,全市重點(diǎn)行業(yè)二氧化碳(CO2)排放強(qiáng)度須實(shí)現(xiàn)明顯下降[2]。水泥是地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要的基礎(chǔ)原材料,在建材生產(chǎn)、建筑施工、建筑運(yùn)行等領(lǐng)域皆會(huì)產(chǎn)生高額碳排放。據(jù)2022年天津市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示,2022年天津市建筑業(yè)總產(chǎn)值占地區(qū)生產(chǎn)總值的近30%[3]。研究天津市水泥行業(yè)碳排放與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系有助于推動(dòng)水泥行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展,助力水泥行業(yè)降低碳排放,也可為其他地區(qū)的相關(guān)行業(yè)節(jié)能降碳提供參考。本文將對(duì)天津市2000—2022年的水泥行業(yè)碳排放量進(jìn)行實(shí)證分析,并預(yù)測(cè)未來(lái)幾年的碳排放量。

環(huán)境庫(kù)茲涅茨曲線(EKC曲線)理論由美國(guó)普林斯頓大學(xué)的Grossman和Krueger于1995年提出[4],用于描述經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境污染之間的關(guān)系。該理論認(rèn)為,在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的早期階段,環(huán)境污染水平會(huì)隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)而增加,但隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平的進(jìn)一步提高,環(huán)境污染水平會(huì)逐漸減少。近年來(lái),隨著全球氣候問(wèn)題的日益凸顯和CO2等“溫室氣體”排放的不斷增加[5],許多學(xué)者都采用EKC曲線理論研究經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與碳減排的關(guān)系。曲越等[6]運(yùn)用EKC曲線研究我國(guó)各省CO2排放的趨勢(shì)和碳達(dá)峰、碳中和的區(qū)域協(xié)調(diào)路徑;許華等[7]基于EKC視角對(duì)陜西省經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與碳排放量進(jìn)行實(shí)證研究;劉茂輝等[8]基于STIRPAT模型對(duì)天津市減污降碳協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行多維度分析[8]。

自回歸積分滑動(dòng)平均模型(ARIMA)是在經(jīng)典的時(shí)間序列分析方法中使用的模型,其廣泛應(yīng)用于預(yù)測(cè)和分析不同領(lǐng)域的時(shí)間相關(guān)數(shù)據(jù)。本文基于2000—2022年天津市水泥行業(yè)的碳排放量,通過(guò)Python構(gòu)建ARIMA模型,預(yù)測(cè)天津市水泥行業(yè)2023—2025年的碳排放量,并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用EKC曲線理論對(duì)2000—2022年天津市水泥行業(yè)碳排放量與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)之間的關(guān)系進(jìn)行分析。本文綜合使用ARIMA模型和EKC曲線理論研究天津市水泥行業(yè)碳排放問(wèn)題,具有一定的創(chuàng)新性。

1 研究方法

1.1 基于水泥產(chǎn)量的CO2排放量的計(jì)算

從中國(guó)碳核算數(shù)據(jù)庫(kù)(CEADs)[9]和國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心信息網(wǎng)可獲得水泥產(chǎn)量等數(shù)據(jù),但是不同類型水泥的產(chǎn)量無(wú)法得知,根據(jù)《IPCC 2006年國(guó)家溫室氣體清單指南》(以下簡(jiǎn)稱《IPCC指南》)給出的生產(chǎn)水泥熟料過(guò)程中排放氣體的計(jì)算方法[10],基于水泥產(chǎn)量估算熟料產(chǎn)量數(shù)據(jù),然后應(yīng)用水泥熟料的碳排放因子計(jì)算碳排放量[11]。計(jì)算公式如下:

WCO2=MC×CCL×EFCLC

(1)

式(1)中,WCO2為碳排放量;MC為水泥產(chǎn)量;CCL為水泥熟料比例;EFCLC為水泥熟料碳排放因子?！禝PCC指南》建議在遇到無(wú)法按照品種對(duì)水泥進(jìn)行分類的情況時(shí),CCL取值0.75,EFCLC取值0.52。因此,最終計(jì)算公式如下:

WCO2=MC×0.75×0.52

(2)

根據(jù)式(2)可計(jì)算出天津市2000—2022年水泥行業(yè)的CO2排放量。

1.2 EKC曲線理論

本文在國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)三次多項(xiàng)式形式相對(duì)更加靈活,得到的結(jié)果既允許是單調(diào)線性的,也可以是倒U型或者N型的性質(zhì),設(shè)定三次多項(xiàng)式的估計(jì)形式為:

E=β0+β1Yt+β2Yt2+β3Yt3+εt

(3)

式(3)中,E為環(huán)境污染指標(biāo),本文中指水泥行業(yè)人均碳排放量,單位:t;Y為經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo),本文用實(shí)際人均地區(qū)生產(chǎn)總值,單位:元;β0為截距項(xiàng);βi(i=1,2,3)為待估參數(shù),βi的正負(fù)反映碳排放與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的不同關(guān)系;ε為誤差項(xiàng),服從正態(tài)分布;t為年份。

為了達(dá)到更好的擬合效果,減少數(shù)據(jù)波動(dòng)并使其趨勢(shì)線性化,緩解異方差性對(duì)估計(jì)結(jié)果的影響,通常會(huì)對(duì)式(3)兩邊各自變量進(jìn)行自然對(duì)數(shù)變換[12],得到的公式如下:

lnE=β0+β1lnYt+β2(lnYt)2+β3(lnYt)3+εt

(4)

2 基于EKC曲線的關(guān)系分析

2.1 天津市水泥行業(yè)碳排放總量分析

根據(jù)式(2)得出2000—2022年天津市水泥行業(yè)碳排放量,如圖1所示。由圖1可知,2000—2014年,碳排放量一直處于遞增的狀態(tài),在2008年和2012年稍有回落,2008年前遞增緩慢,年均增長(zhǎng)19.33萬(wàn)t,2008年后遞增迅速,年均增長(zhǎng)25.42萬(wàn)t,呈現(xiàn)階段性遞增趨勢(shì)。2013年12月26日,天津市碳交易市場(chǎng)正式啟動(dòng),成為我國(guó)7個(gè)碳排放權(quán)交易試點(diǎn)之一,使水泥行業(yè)等重工業(yè)行業(yè)的碳排放成本顯著提升,促使水泥行業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,化解水泥產(chǎn)能過(guò)剩等問(wèn)題。天津市碳交易市場(chǎng)的啟動(dòng)推動(dòng)了水泥企業(yè)更加重視節(jié)能減排、能源利用效率、新型環(huán)保技術(shù)和設(shè)備推廣、環(huán)境管理等方面的工作,實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展[13]。受政策因素影響,從2014年起,天津市水泥行業(yè)碳排放量呈階梯式下降趨勢(shì)。

圖1 2000—2022年天津市水泥產(chǎn)業(yè)碳排放量

2.2 EKC曲線理論分析

將天津市水泥行業(yè)碳排放總量除以天津市年末人口數(shù),即可得到水泥行業(yè)人均碳排放量。天津市年末人口數(shù)和人均地區(qū)生產(chǎn)總值數(shù)據(jù)均來(lái)自天津市統(tǒng)計(jì)局。將所有數(shù)據(jù)代入式(4)進(jìn)行擬合,可以得到如下公式:

lnE=-76.471lnYt+7.805(lnYt)2-0.262(lnYt)3+252.36

(5)

其中,R2=0.7465。由擬合結(jié)果可知,β1<0,β2>0,β3<0,說(shuō)明天津市水泥行業(yè)人均碳排放量和人均地區(qū)生產(chǎn)總值之間存在典型的倒U型關(guān)系。進(jìn)一步探究倒U型EKC曲線是否存在拐點(diǎn)。先對(duì)式(5)求lnE對(duì)lnYt的導(dǎo)數(shù),得到式(6),再對(duì)式(6)求極值。

(lnE)′=-76.471+15.61lnYt-0.786(lnYt)2

(6)

使用Python中SymPy庫(kù)的求解器,可以解得Y1=6526.997元,Y2=64624.4813元。由于天津市2000—2022年的人均地區(qū)生產(chǎn)總值都大于16000元,因此,在本文中只有Y2=64624.4813元這一個(gè)拐點(diǎn),大致在2011年或2012年,這與2013年、2014年政策變動(dòng)節(jié)點(diǎn)大致吻合。綜上所述,天津市水泥行業(yè)人均碳排放量和實(shí)際人均地區(qū)生產(chǎn)總值之間呈顯著的倒U型關(guān)系,即2012年前呈同向變動(dòng),2012年后呈反向變動(dòng),符合EKC曲線理論[14]。圖2為天津市水泥行業(yè)二氧化碳環(huán)境EKC曲線。

圖2 天津市水泥行業(yè)碳排放EKC曲線

3 對(duì)天津市水泥行業(yè)碳排放的預(yù)測(cè)

3.1 數(shù)據(jù)平穩(wěn)性檢驗(yàn)

ARIMA模型適于短期預(yù)測(cè),在使用模型預(yù)測(cè)之前,首先需要檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性,檢驗(yàn)不通過(guò)的需要將其轉(zhuǎn)換成平穩(wěn)時(shí)間序列。由圖3可知,該序列先呈上升趨勢(shì),再呈下降趨勢(shì)。根據(jù)ADF檢驗(yàn)結(jié)果,P值為0.4774,大于0.05,為非平穩(wěn)時(shí)間序列,需要對(duì)序列進(jìn)行差分。經(jīng)過(guò)二階差分后序列平穩(wěn),序列時(shí)序如圖3所示。

圖3 二階差分后天津市水泥行業(yè)2000—2022年碳排放趨勢(shì)

3.2 ARIMA模型的擬合與預(yù)測(cè)

根據(jù)序列的自相關(guān)圖(ACF圖)(圖4)和偏自相關(guān)(PACF圖)(圖5),自相關(guān)系數(shù)可判定為二階截尾,偏自相關(guān)系數(shù)可判定為拖尾,符合ARIMA模型的特征。同時(shí),ARIMA模型包含3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)p、q和d。其中,d為平穩(wěn)序列所進(jìn)行的差分次數(shù),該序列中d=2,根據(jù)ACF圖和PACF圖可以得到p=0,q=2。因此,可以建立ARIMA(0,2,2)模型,該模型的AIC=235.839,BIC=238.973。

圖4 ACF圖

圖5 PACF圖

由于ARIMA模型未能充分考慮政策導(dǎo)向、技術(shù)革新等外部因素的影響,因此只適用于短期預(yù)測(cè)。針對(duì)2023—2025年天津市水泥行業(yè)碳排放的預(yù)測(cè)如圖6所示,2023年為205.20萬(wàn)t,2024年為197.12萬(wàn)t,2025年為189.04萬(wàn)t,整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),與目前的政策導(dǎo)向相符合。

圖6 2023—2025年天津市水泥行業(yè)碳排放量預(yù)測(cè)圖

4 結(jié)論

①通過(guò)對(duì)2000—2022年天津市水泥行業(yè)碳排放量的計(jì)算,得出天津市碳排放量在2009年增長(zhǎng)幅度明顯提升,但在2014年開(kāi)始出現(xiàn)下降的趨勢(shì),這與2013年12月天津市排放權(quán)交易所正式啟動(dòng)碳排放權(quán)交易,推動(dòng)碳排放減少,助力綠色低碳發(fā)展有直接關(guān)系。同時(shí),在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái),水泥行業(yè)等重工業(yè)行業(yè)的碳排放會(huì)持續(xù)減少。目前,天津市已經(jīng)倡導(dǎo)近零碳排放的目標(biāo)[15]。

②采用環(huán)境EKC曲線理論分析天津市水泥行業(yè)碳排放與人均地區(qū)生產(chǎn)總值之間的關(guān)系,最終得出2000—2022年天津市水尾業(yè)人均碳排放量與人均地區(qū)生產(chǎn)總值呈倒“U”型EKC曲線的結(jié)論,這與地區(qū)環(huán)境狀況隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展先惡化后逐步改善的理論相符,說(shuō)明天津市水泥行業(yè)碳排放與經(jīng)濟(jì)發(fā)展適用于EKC曲線理論,未來(lái)可進(jìn)一步深入研究EKC曲線理論對(duì)天津市環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的意義。

③通過(guò)使用Python建立ARIMA模型進(jìn)行預(yù)測(cè),得出2023—2025年天津市水泥行業(yè)碳排放繼續(xù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),與當(dāng)前的政策導(dǎo)向相符合。當(dāng)前,天津市正在進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu),加快節(jié)能降耗技術(shù)應(yīng)用,推廣水泥高效篦冷機(jī)、高效節(jié)能粉磨、等節(jié)能降碳技術(shù)裝備,并鼓勵(lì)建材企業(yè)使用粉煤灰、工業(yè)廢渣、尾礦渣等作為原料或水泥混合材,到2025年,水泥熟料單位產(chǎn)品綜合能耗將下降3%左右[2]。天津市將努力構(gòu)建綠色低碳生產(chǎn)生活方式,創(chuàng)新綠色金融產(chǎn)品,持續(xù)推動(dòng)碳達(dá)峰碳中和工作,為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)貢獻(xiàn)天津力量[16]。