地区经济增长与区域碳排放的关系——基于环境库兹涅茨模型的研究

刘芳芳，黄巧萍，刘伟平

（福建农林大学 经济学院，福建 福州 350002）

二氧化碳的排放量早已成为全球关注的热点。中国积极承担国际减排工作。中国改革开放后，经济得到快速的发展，二氧化碳的排放量也居于全球前列。中国改革开放后，实行局部地区优先发展策略，部分地区经济得到发展，但经济发展的同时往往伴随着大量的化石能源的消耗，导致地区碳排放高于其他地区，这些地区在经济发展的同时也要承担国家减排工作更多的责任。

关于经济发展与二氧化碳排放量关系问题研究开展已久，当前国内对经济发展与碳排放研究，其研究范围上可以划分为国家层面、区域层面和行业层面。武红等研究中国化石能源碳排放与国内生产总值关系，建立时序计量经济模型[1]，基于VAR模型的脉冲响应函数、因果关系检验等方法，发现二者长期均衡的协整关系和短期动态调整机制[1]。宋春燕等通过对我国人均GDP和人均碳排放的协整分析和因果研究[2]，得出二者之间正向的线性关系；齐绍洲等在地区的层面，采用面板数据库兹涅茨曲线的基础上引入滞后期工具变量研究中部六省经济增长与区域碳排放的关系，得出两者符合库兹涅茨假说并预测了中部六省的碳碳排放峰值[3]；朱悄悄等从资源型产业与制造业的角度入手，研究产业碳排放与产业经济之间的关系，应用格兰杰因果关系检验、广义脉冲响应函数分析等分析方法，得出资源型产业碳排放与工业经济互为格兰杰原因[4]等结论，并提出资源型产业发展模式相关建议。孙耀华，王莉，林伯强，许广月等也就中国局部地区或全国范围内的二氧化碳排放采用协整检验等统计方法做了地区与碳排放的分析，得出的结论与前人基本一致[5-8]。

从上文可见，有关经济增长与碳排放的研究，众多学者已经从多角度各个维度采用了多种研究方法进行研究。本文有关研究试图在研究对象的选取有所突破，采用更为合理的研究方法避免时间序列数据的弊端和格兰杰因果检验的内生性问题。选取的研究对象为当前中国经济较发达的九省市（北京市、天津市、上海市、福建省、广东省、山东省、江苏省、浙江省以及内蒙古自治区等人均GDP均超过一万美元的九个省市），研究区域碳排放对地区经济增长的影响，研究对象基于地区经济发展水平不再局限于地理和地域的限制。采用1995—2015年的九地区长面板数据，综合运用Tapio脱钩状态模型观察地区经济增长与碳排放之间是否存在脱钩（阻断）关系，并基于面板数据的环境库兹涅茨曲线假定的基本模型研究经济增长与区域碳排放关系。

一、研究方法与数据来源

（一）数据描述

本文依据中国统计年鉴中地区化石能源的消费量，测算其碳排放量。数据来自1996—2016年《中国统计年鉴》对以下八种一次能源即煤炭、原油、天然气、柴油、汽油、燃料油、煤油和焦炭的统计。以下为参考IPCC(2006)碳排放量的测算公式[3]。

式中：C表示消费的八种化石能源产生的二氧化碳排放总量，Ei表示对应的八种化石能源的消费量，Fi表示对应的各类化石能源的碳排放系数。

（二）各地区Tapio脱钩模型构建

国际上通用的两种脱钩指标：OECD和Tapio脱钩状态指标两种模式[3]，本文碳排放脱钩状态是基于Tapio脱钩指标的测算。

脱钩指数DIt0，t1，表示前后两期碳排放量的变动与经济变动弹性指数，t0，t1表示前后两期的时刻。EP表示碳排放量，DF表示地区生产总值。脱钩状态描述的是经济变动和二氧化碳排放量变动的关系，即两者之间的弹性；Tapio 根据脱钩弹性数值DIt0，t1的大小，将脱钩状态分为以下八种状态，强脱钩、弱脱钩、衰退脱钩三种形式的脱钩；强负脱钩、扩张性负脱钩和弱负脱钩这三种形式的负脱钩以及扩张性连结、衰退连结（具体脱钩情况参照表1）。

九省市GDP在1995—2015年时间段内均属于增长，所以九省市的脱钩状态表现为以下四种状态即扩张性负脱钩、扩张性连接、强脱钩和弱脱钩。本文测算了碳排放脱钩状态、人均碳排放脱钩状态和碳强度脱钩状态这三个指标，比较全面描述九省市经济增长和碳排放的关系。

表1 脱钩状态划分

式中，di(TCO2)、di(PCO2)和di(GCO2)分别表示碳排放总量、人均碳排放量和单位GDP碳排放强度的脱钩指标，TCO2、PCO2和GCO2则分别表示碳排放总量、人均碳排放量以及单位GDP碳排放强度，0，1则分别对应的基期和末期的数值。GDP0、GDP1表示基期和末期地区生产总值。将相应的数据代入上述的三个公式，可以得到九省市下表3的脱钩弹性值。

（三）各地区环境库兹涅茨（EKC）模型构建

环境库兹涅茨假说描述的是经济增长和环境污染之间呈现倒U 型的关系，生态环境质量往往伴随经济增长呈现先恶化后改善的变化趋势。国际上根据环境库兹涅茨假说产生两个的模型，一个是基于时间序列的数据分析模型，一个是基于面板数据的分析模型[9]。

本文采用的面板数据，故而采用最具有代表性面板数据三次多项式的分析模型：

上（6）式中，Ct为t时期某国家或地区受到的环境压力，常用污染物排放量等表示，这里是碳排放指标；y是某国家或地区在t时期的经济产出情况,通常用地区生产总值GDP或人均GDP表示[9]。β0、β1、β2、β3分别为参数。若β2＜ 0，β1＞0且β3=0则为“倒U”型曲线；若β2＞0，β1＜0且β3=0则为“正U”型曲线。若β2＜0，β1＞0且β3＞0则为“正N”型曲线；若β2＞0，β1＜0且β3＜0则为“倒N”型曲线。若β1＜0，β2=0且β3=0则环境恶化呈现线性下降[4]。

本文运用九省市的面板数据。国际上Bandyopadhyay和Shafik两位学者基于面板数据的分析提出把二次、三次函数以及对数形式相结合[4]的分析模型，加入结构效应和技术效应作为控制变量。其基本表达式为：

在Eviews6.0中运行数据，根据Hausman检验面板数据回归分析使用随机效用或是固定效应模型。式Xit表示影响第i个国家或地区环境质量的其他因素,通常包括结构效应和技术进步效应等。本文的控制变量由第二产业占GDP比重（%）的结构效应和技术市场成交额与GDP之比（%）的技术效应表示（见表2）。第三产业比重和第三产业比重反映产业结构变量，碳排放强度很大程度上取决于产业结构的差异，产业结构的合理化对化石能源消费产生影响[10]。技术市场成交额与GDP之比化石能源消费强度（效率）产生影响。

表2 变量的描述统计

（四）九省市经济增长与化石能源碳排放概况

从能源消费碳排放来看：在1995—2015年期间九省市人均碳排放和碳排放总量整体上行，碳强度下行的态势。其中山东省碳排放总量一直保持最大，内蒙古自治区人均碳排放则在2005年后超越上海省居于最高，福建省和北京市的化石能源碳排放总量和人均碳排放量相较于其他地区处于较低的水平。下图3中，九省市化石能源碳强度总体下行，内蒙古地区虽然碳强度一直居于各地区最高水平，但是下降趋势明显，从1995年的11.63万吨每GDP亿元,下降到2015年的4.89万吨每GDP亿元。北京市的碳强度水平急剧下降，从1995年的6.45万吨每GDP亿元,下降到2015年的0.63万吨每GDP亿元，在2004年实现低于一直保持低水平碳强度的福建省,在九省市中处于最低水平。从碳排放增长的速度来看，在2000—2005时期九省市的人均碳排放和碳排放总量增速明显快于其他三个阶段，九省市碳强度则表现为下降趋势停滞甚至波动增长。

图1 九省市化石能源碳排放总量

图2 九省市化石能源人均碳排放

图3 九省市化石能源碳强度

图4 九省市技术研发水平

从九省市的经济发展和技术水平来看：九省市除内蒙古自治区外均属于中国经济较发达的东部地区。从地区产业结构看，国民经济三大产业（三个部门）产值持续增加；第一产业比重下降，第二产业比重先增后减的变化趋势，第三产业比重持续上升并逐渐居于主导地位。当前九省市的产业结构除福建省、山东省和内蒙古自治区地区三个地区第二产业占据主导地位，其他地区服务业（第三产业）占主导地位。从技术研发状态来看，北京市，上海市和天津市三个直辖市人口密集，资本和人才资源丰富，高校云集，各种高新技术产业在此聚集。北京市更是处于九省市技术研发水平遥遥领先的地位，科学技术研究与市场开发相互促进，技术市场成交额与GDP比例逐年递增。表明知识技术密集型产业是地区经济发展的重要推动力。其他各地区的技术研发比则呈现较为低迷的状态。甚至个别地区出现下滑趋势，技术创新与市场推广存在较大的差距。

二、地区碳排放与经济增长的实证分析

（一）脱钩结果分析

本文分析得出九省市经济增长与化石能源碳排放脱钩状态（见表3）。九省市的人均碳排放和碳排放总量基本属于弱脱钩状态；单位GDP碳排发主要是强脱钩状态。

表3 碳排放与地区生产总值的脱钩状态

续表3

天津市、浙江省和广东省在1995—2015年的碳排放总量和人均碳排放为弱脱钩（其中天津省2010—2015年人均碳排放出现强脱钩），而碳排放强度为强脱钩。并且碳排放脱钩系数的弱脱钩系数值呈现先增加再变小，相对应的碳排放强度强脱钩系数（绝对值）则是相反的状态，呈现绝对值先变小再变大的趋势。而变化的转折时间均在2000—2005时间段。表明这三个地区的经济增长对能源消费的依赖先增加，在2005年后开始减小。内蒙古自治区、江苏省、福建省和山东省这四个地区拥有较其他五个地区更为丰富的化石能源与矿产资源，表现出来的碳排放与经济增长的趋势变化和前三个地区基本一致。不同的是，这四个地区在2000—2005时间段内，表现碳排放脱钩状态的情况较为恶劣。内蒙古和江苏省出现了扩张连结现象，即表明两地区此时的碳排放增速与地区生产总值之间的增长速度基本一致，保持同比例的增长。福建省和山东省的情况进一步恶化，出现扩张负脱钩现象即在2000—2005时期内碳排放的增速已经大于地区经济增长速度，以此同时相对应的两地区碳强度的脱钩状态进一步恶化至弱脱钩状态。第三和第四时期这四个省份及时调整经济发展与能源消耗的状态，情况逐渐趋于良好。上海市和北京市所呈现的碳排放与经济发展之间的趋势变化走向与其他省份是一致的，但是两地区碳排放与经济增长的三个指标在2010—2015年度均出现了强脱钩，即在保持经济增长的前提下碳排放量处于负增长，碳排放量从增长上行到下行的状态，越过地区碳排放峰值，并且从脱钩状态数值的大小看，各个时期的脱钩均优于其他地区。综合上述分析可以说明，九省市的经济增长与碳排放的脱钩状态，近似于倒U型。则进一步说明经济增长对能源消费的依赖先增加，在2005年后开始减小。

（二）各地区经济增长与碳排放的单位根和协整检验

运用Eviews6.0对面板回归序列进行平稳性的单位根检验[3]保证结果的平稳性与有效性。对于单位根的检验方法在此不做过多的描述。表4为序列的单位根检验结果，可知各面板回归序列是一阶单整的。再采用Kao和Pedroni检验等方法进行面板数据协整检验[1]，结果通过后，表明九省市经济增长与碳排放的关系长期而稳定。最后因为Hausman检验结果P=0.000，所以拒绝随机效应模型的原假设。本文采用面板数据固定效应的环境库兹涅茨曲线的模型。

表4 单位根检验结果†

（三）回归结果分析

表5是采用固定效应模型估计回归方程(7)，因变量为碳排放量增长率和碳强度增长率的回归结果展示。从模型的结果看，中国经济较发达的九省市人均GDP的变化与地区碳排放和碳强度的变化遵循环境库兹涅茨“倒N型”的假定，人均GDP的三个系数在均是显著的，且二次项为正，一次项和三次项为负，符合“倒N型”的假定，无论是碳排放的变化还是碳强度的变化均遵循“倒N型”的这一假定。表明九省市的经济增长与碳排放之间的关系存在两个拐点，但是最终会往经济处于增长而碳排放量处于下降的良好态势发展。结合前文碳排放与地区经济脱钩状态所经历的“倒U”型状态，九省市的经济发展都将经历化石能源粗放利用导致资源浪费环境污染的环节，而从碳强度脱钩状态来看，九省市已经跨越了这个恶化的拐点，进入资源利用效率集约利用的阶段。但从碳排放的脱钩状态来看，除上海市和北京市外其他地区仍处于碳排放与经济同时增长阶段的弱脱钩状态，尚未跨越碳排放峰值的拐点处于渐趋碳排放峰值的拐点阶段，而北京和上海地区则已经跨越这个阶段，进入资源利用规模集约利用、环境质量改善的阶段。

从两个指标的模型2估计结果看，发现引入碳排放和碳强度的两个控制变量统计上均是均是显著的，表明地区的产业结构和技术市场研发程度对碳排放与碳强度的变化均是显著的。技术进步效应对地区的碳排放和碳强度产生反方向的影响，即技术研发水平平均每增加1%，各地区碳排放量平均降低0.063%，碳强度平均下降0.076%。第二产业占GDP比重对碳排放的碳强度的增长产生正方向影响，表明第二产业在地区经济中比重每上升1%，地区的碳排放量平均增加0.015%，碳强度平均增加0.022%。两个结果均符合经济学的预期。

三、结论与对策建议

（一）结论

通过对中国经济较发达的九省市经济增长和区域碳排放关系的研究，采用Tapio脱钩模型的简单分析和环境库兹涅茨面板数据回归分析，得出如下结论：

九省市在1995—2015年经济增长与碳排放的脱钩状态呈现“倒U型”。经济增长与碳排放的脱钩状态先是恶化再向良性的发展，表明地区经济发展与化石能源利用也将由粗放到集约利用。上海市和北京地区碳排放量处于负增长阶段，已进入强脱钩状态。

表5 因变量为LnCO2和LnGCO2的回归结果†

九省市经济增长与碳排放的关系符合“倒N型”环境库兹涅茨曲线。表明九省市的经济增长与碳排放之间的关系存在两个拐点，但是最终会往经济处于增长而碳排放量处于下降的良好态势发展。当前九省市，中除上海市和北京市外的其他七个地区，仍然处于经济和碳排放双重增长的二阶段，即表明该七个省市仍然没有越过“倒N型”曲线的第二个拐点，碳排放量仍然处于增长，但是实际表明碳排放的增长速度已经明显放缓，趋于第二拐点。而上海市和北京市已经实现碳排放负增长，越过了第二拐点。此外技术研发的市场成交额对碳排放具有明显的减排作用；而第二产业占比的增加使得地区碳排放量的上涨，主要是由于第二产业以消耗大量的化石能源的工业为主。

（二）对策建议

加大科技的研发，推广节能减排技术。所研究的九省市经济发展处于全国前列，有较好的经济基础和技术积累，对于科技研发工作可以从以下两方面着手：一方面加强对太阳能、风能等新能源的科技研发，提高新能源的利用效率，降低新能源的生产成本，推广新能源在各行各业的使用。摆脱经济增长对化石能源的高度依赖，降低地区二氧化碳的排放量，从而拉低地区碳排放量的峰值；另一方面加强探索和技术的革新，提高化石能源集约利用程度，降低化石能源消费量，减少化石能源碳排放。加大科技的研发与运用，九省市率先进入到经济增长与碳排放强脱钩状态，实现经济稳定增长碳排放量持续减少，给全国各地区减排工作起到示范带头作用。

推进建立科技研发长效机制,加强地区碳市场合作与交流。实证表明技术研发的市场成交额占地区生产总值的份额可以取到明显的减排作用。北京、上海和天津等地技术研发比占地区经济比重大，经济增长与各类碳排放指标也先于其他地区进入强脱钩。而其他六个地区所呈现科研市场转化率相对低迷。加强九省市之间的交流与合作，不仅是科学技术的交流，更是科技研发机制的探索和交流。2011年国家发改委提出在我国设立8个碳交易市场试点，其中北京、上海、天津、广州、深圳和福建省等6个碳市场试点，位于本文研究的地区。碳交易市场是基于碳排放权交易的有效的市场化减排政策[11]，各地区应加强碳市场的合作与交流，积极推进碳市场顶层设计，可将林业等生态服务功能产业纳入我国碳排放权交易配额管理[12]，推动地区促进地区经济与生态均衡发展和产业结构的调整升级。

实行工业供给侧结构性改革，推动产业结构优化升级。第二产业消耗大量的化石能源，是碳排放的主要来源。当前各地区第二产业仍然存在许多低附加值、高排放、高消耗、高污染、经营不当却继续生产的企业。国家实行供给侧结构性改革，在第二产业主要任务是去产能。较发达的九省市有能力、也有条件和义务推动工业供给侧结构性改革，淘汰高耗能、高污染、盈利不当的落后企业，扶持高附加值、高技术含量产业的发展。将新技术、新的管理模式运用到传统工业中，发展绿色低碳产业；福建省、山东省和内蒙古自治区三个地区经济以第二产业为主导，尤其是山东省和内蒙古地区碳排放各类指标高居九省市前列，应积极推进工业供给侧结构性改革，发展低碳工业，将工业生产向上游和下游扩展，延长产业链，实现一二三产业融合，推动地区产业结构的优化升级。

文章所选取的地区虽然是中国经济较发达的地区，经济发展存在一定的相似性，但地区经济增长对于化石能源消费的依赖程度仍然存在一定的差异。这些地区经济发展居于全国前列，对全国各地的经济起到带头作用。进而，在这九省市发展可持续低碳经济，在能源结构转变、经济结构调整、生态协同和社会变革和低碳技术创新[13]等众多领域起到引导作用，积极主动承担国家的减排工作，发展低碳经济推动地区经济均衡发展和产业转型，带动全国减排工作。