劉茂輝 劉勝楠 孫猛 李婧 岳亞云 劉佳泓*

（1. 天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，天津 300191；2. 天津天濱瑞成環(huán)境技術(shù)工程有限公司，天津 300190）

1 引言

黨中央經(jīng)過(guò)深思熟慮作出了“力爭(zhēng)2030 年前實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰，2060 年前實(shí)現(xiàn)碳排放中和”的重大戰(zhàn)略決策，這一決策關(guān)乎中華民族的永續(xù)發(fā)展和人類命運(yùn)共同體的構(gòu)建，《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》和中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議對(duì)這一決策作了重要部署。為嚴(yán)格落實(shí)黨中央的決策部署，天津市在《天津市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二○三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》和2021 年天津市生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作中對(duì)碳達(dá)峰和碳中和工作作了安排。為了對(duì)天津市碳排放管理提供決策支持，眾多學(xué)者開展了天津市碳排放的研究，主要研究?jī)?nèi)容包括碳排放影響因素分析［1-7］、碳排放情景預(yù)測(cè)分析［6-8］和碳減排潛力分析［9-10］。天津市碳排放影響因素可以分為四大類：經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素、產(chǎn)業(yè)因素、人口因素和能源因素。其中，經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素包括GDP、GDP 增速、人均GDP、外商直接投資（FDI）；產(chǎn)業(yè)因素包括第二產(chǎn)業(yè)比率；第三產(chǎn)業(yè)比率、第二產(chǎn)業(yè)能源消耗占比、第三產(chǎn)業(yè)能源消耗占比；人口因素包括常住人口數(shù)、城市化率，能源因素包括能源消耗總量、能源強(qiáng)度、生活能源占比、煤炭消耗占比、石油消耗占比、天然氣消耗占比、能源效率、碳排放系數(shù)。在碳排放情景預(yù)測(cè)分析方面，孫鈺等［8］基于Kaya 恒等式分基準(zhǔn)情景、節(jié)能情景、低碳情景和強(qiáng)化低碳情景等4 個(gè)情景對(duì)天津市碳排放進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，結(jié)果顯示，在節(jié)能情景下，天津市可完成2020 年減排承諾，同時(shí)，天津市按低碳模式發(fā)展下將在2020—2035 年間達(dá)到碳排放的高峰；李健等［6］基于1995—2013 年的數(shù)據(jù)，利用灰色模型預(yù)測(cè)天津市2020 年能源強(qiáng)度，結(jié)果表明，2020 年天津市能源強(qiáng)度為2005 年的44.76%，降幅達(dá)到55.24%，優(yōu)于全國(guó)的減排標(biāo)準(zhǔn)；李雪梅等［7］在天津市2000—2016 年碳排放測(cè)算的基礎(chǔ)上，基于STIRPAT（Stochastic Impacts by Regression on Population，Affluence，and Technology，可拓展的隨機(jī)性的環(huán)境影響評(píng)估）模型預(yù)測(cè)天津市碳排放變化趨勢(shì)，結(jié)果顯示，中增長(zhǎng)強(qiáng)減排情景模式是天津市最佳發(fā)展模式。在碳排放減排潛力分析方面，苑清敏等［9］運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法探求影響因素對(duì)未來(lái)天津市碳排放的影響，結(jié)果表明，在天津市碳排放量達(dá)到峰值后，結(jié)構(gòu)調(diào)整、低碳技術(shù)水平和碳匯能力繼續(xù)為碳減排發(fā)揮積極作用。李健等［10］運(yùn)用Tapio 脫鉤模型和LMDI 分解探討天津市碳減排驅(qū)動(dòng)因素，結(jié)果顯示，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)是促進(jìn)碳排放增長(zhǎng)的主要原因，能源效率始終是促進(jìn)天津市實(shí)現(xiàn)脫鉤的關(guān)鍵。然而，碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)提出之后，天津市碳達(dá)峰目標(biāo)能否完成，天津市碳中和路徑是怎樣的，目前還沒(méi)有學(xué)者開展研究。

本研究通過(guò)核算2000—2019 年天津市的碳排放量，選取天津市人口總量、城鎮(zhèn)化率、地區(qū)生產(chǎn)總值、能源強(qiáng)度（單位地區(qū)生產(chǎn)總值能源消耗）、高技術(shù)比重（高技術(shù)包括制造業(yè)增加值占規(guī)模以上工業(yè)增加值比重）等變量構(gòu)建可拓展的STIRPAT 模型，分析各影響因素對(duì)天津市碳排放量的影響，依據(jù)天津市“十四五”時(shí)期部分經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展指標(biāo)評(píng)估天津市能否按時(shí)完成碳達(dá)峰目標(biāo)，并探討天津市碳中和路徑。

2 研究方法和數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 碳排放量核算

研究依據(jù)《省級(jí)溫室氣體清單編制指南（試行）》來(lái)開展碳排放量核算，該指南總體上遵循《IPCC 國(guó)家溫室氣體清單指南》的基本方法，并借鑒了1994年和2005 年我國(guó)能源活動(dòng)溫室氣體清單編制好的做法。其中，能源活動(dòng)化石燃料燃燒溫室氣體清單編制采用以詳細(xì)技術(shù)為基礎(chǔ)的部門方法，該方法基于分部門、分燃料品種、分設(shè)備的燃料消費(fèi)量等活動(dòng)水平數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的排放因子等參數(shù)，通過(guò)逐層累加綜合計(jì)算得到總排放量，計(jì)算公式如下：

式中，EF 為排放因子，kg/TJ；Activity 為燃料消費(fèi)量，TJ；i 為燃料類型；j 為部門活動(dòng)；k 為技術(shù)類型。

2.2 STIRPAT 模型

STIRPAT 模型源于IPAT 等式［11］，IPAT 等式為：

式中，I 為環(huán)境負(fù)荷；P 為人口規(guī)模；A 為富裕度；T 為技術(shù)水平。

基于IPAT 等式，York 等［12］構(gòu)建了STIRPAT 模型，其表達(dá)式為：

式中，a 為常數(shù)；P，A，T 含義同式（2）；b，c，d 分別為P，A，T 的指數(shù)項(xiàng)；e 為誤差項(xiàng)。

STIRPAT 模型作為定量分析各影響因素對(duì)環(huán)境負(fù)荷的一種有效方法，已被廣泛地應(yīng)用于碳排放研究中。孫義等［13］采用STIRPAT 模型分析了吉林省碳排放驅(qū)動(dòng)因素；潘棟等［14］基于中國(guó)東部11 省市1997—2017 年的面板數(shù)據(jù)，采用STIRPAT 模型來(lái)預(yù)測(cè)不同情景下的碳排放趨勢(shì)，并據(jù)此分析東部地區(qū)整體碳排放達(dá)峰的可能性；張國(guó)興等［15］構(gòu)建擴(kuò)展的STIRPAT 模型預(yù)測(cè)黃河流域交通運(yùn)輸碳排放趨勢(shì)。在利用STIRPAT 模型研究碳排放過(guò)程中，可以依據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H情況，引入其他可以對(duì)碳排放造成影響的因素，構(gòu)建擴(kuò)展的STIRPAT 模型［16］。研究選取人口總量（P）、城鎮(zhèn)化率（U）、地區(qū)生產(chǎn)總值（A）、能源強(qiáng)度（T）、高技術(shù)比重（H）等5 項(xiàng)因素作為自變量，對(duì)STIRPAT 模型進(jìn)行擴(kuò)展，構(gòu)建擴(kuò)展后的模型為：

為了消除模型中可能存在的異方差影響，研究將所有變量進(jìn)行對(duì)數(shù)化處理，對(duì)數(shù)化之后的擴(kuò)展STIRPAT 模型為：

公式（5）中模型各變量說(shuō)明見表1。

表1 STIRPAT 模型各變量說(shuō)明

在使用STIRPAT 模型研究碳排放影響因素時(shí)，構(gòu)建的多元線性回歸模型易產(chǎn)生多重共線的問(wèn)題［17］，為解決這一問(wèn)題，研究參照文獻(xiàn)［16］的方法，使用偏最小二乘法（PLS）進(jìn)行多元線性回歸模型的構(gòu)建。

2.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

2000—2019 年碳排放所需活動(dòng)水平數(shù)據(jù)、人口總量、城鎮(zhèn)化率、地區(qū)生產(chǎn)總值、第三產(chǎn)業(yè)比重、能源強(qiáng)度和高技術(shù)比重?cái)?shù)據(jù)均來(lái)源于歷年天津統(tǒng)計(jì)年鑒和《天津市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》。為排除通貨膨脹等物價(jià)上漲因素，地區(qū)生產(chǎn)總值采用2000年不變價(jià)進(jìn)行折算。

2.4 情景設(shè)置

依據(jù)《天津市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二○三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中城鎮(zhèn)化率、地區(qū)生產(chǎn)總值、能源強(qiáng)度和高技術(shù)比重以及近3 年人口總量變化率預(yù)測(cè)天津市碳達(dá)峰情況，并將以上數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)情景。在基準(zhǔn)情景的基礎(chǔ)之上，低碳發(fā)展加嚴(yán)40%作為低碳情景，即城鎮(zhèn)化率、地區(qū)生產(chǎn)總值的增長(zhǎng)幅度下降40%，人口總量和高技術(shù)比重的增長(zhǎng)幅度增加40%，能源強(qiáng)度的下降幅度增加40%；在基準(zhǔn)情景的基礎(chǔ)之上，低碳發(fā)展加嚴(yán)80%作為超低碳情景，即城鎮(zhèn)化率、地區(qū)生產(chǎn)總值的增長(zhǎng)幅度下降80%，人口總量和高技術(shù)比重的增長(zhǎng)幅度增加80%，能源強(qiáng)度的下降幅度增加80%。各情景下各參數(shù)具體設(shè)置見表2。

表2 情景設(shè)置

3 結(jié)果與分析

3.1 回歸結(jié)果分析

表3 為各參數(shù)的Pearson 相關(guān)系數(shù)。由表3 可知，各自變量參數(shù)的相關(guān)性均大于0.9，說(shuō)明各參數(shù)之間均有較高的相關(guān)性。

表3 Pearson 相關(guān)系數(shù)矩陣

以公式（5）為模型進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果見 表4。

表4 線性回歸結(jié)果

由表4 可知，城鎮(zhèn)化率對(duì)數(shù)系數(shù)的方差膨脹因子（VIF）最高（744.639），其次是地區(qū)生產(chǎn)總值（572.361），高技術(shù)比重最低（64.249），但各參數(shù)的方差膨脹因子均遠(yuǎn)高于10，說(shuō)明各自變量之間存在著顯著的多重共線性，若采用此線性回歸擬合出的模型進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，可靠性較低，因此需要引入PLS 來(lái)消除自變量的多重共線性缺陷。首先使用主成分分析提取主成分，得到4 個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)依次為99.11%，99.59%，99.90%，99.99%，可以充分地解釋自變量的信息。使用主成分分析步驟確定的主成分?jǐn)?shù)據(jù)，提取4 個(gè)主成分。首先對(duì)原數(shù)據(jù)的因變量和自變量都進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，再通過(guò)PLS 算法，得到回歸方程為：

從得到的回歸方程式（6）來(lái)看，對(duì)于天津地區(qū)，在保持其他變量不變的情況下，人口總量每提高1%，則碳排放平均減少1.10%；城鎮(zhèn)化率每提高1%，則碳排放平均增加9.46%；地區(qū)生產(chǎn)總值每提高1%，則碳排放平均增加0.70%；能源強(qiáng)度每降低1%，則碳排放平均減少0.98%；高技術(shù)比重每增加1%，則碳排放平均減少0.42%。實(shí)際排放與擬合排放結(jié)果如圖1 所示，誤差在－5.6%～4.0%。由此可見，城鎮(zhèn)化率、富裕程度、能源強(qiáng)度與碳排放呈正相關(guān)，與上海市［16］、江蘇省［18］、昆明市［19］和天津市［4］是一致的，但人口總量與碳排放呈負(fù)相關(guān)，這與以上城市或省份的研究是不一致的，主要是因?yàn)?013 年以來(lái)天津市的碳排放是呈下降趨勢(shì)的，而人口總量則是呈上升趨勢(shì)的，以上城市的數(shù)據(jù)結(jié)果并未呈現(xiàn)類似規(guī)律，所以導(dǎo)致了本研究的人口總量的系數(shù)與其他城市或省份的研究不一致的結(jié)果。

圖1 天津市碳排放實(shí)際排放與擬合排放誤差分析

3.2 碳排放達(dá)峰分析

目前對(duì)于中國(guó)城市碳達(dá)峰還沒(méi)有明確的定義和概念，參照張立等［20］的研究，城市碳達(dá)峰是指城市的二氧化碳排放在一段時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，之后進(jìn)入平臺(tái)期并可能在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，但不能超過(guò)峰值，然后進(jìn)入平穩(wěn)下降階段。本研究將碳達(dá)峰定義為碳排放出現(xiàn)峰值隨后經(jīng)歷平臺(tái)期并進(jìn)入顯著下降階段（P＜0.01）。

基于STIRPAT 模型的模擬結(jié)果，對(duì)天津市“十四五”期間碳達(dá)峰情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體公式為：

“十四五”時(shí)期是天津在全面建成高質(zhì)量小康社會(huì)基礎(chǔ)上，開啟全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化大都市新征程的第一個(gè)五年，是推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展、構(gòu)建新發(fā)展格局的關(guān)鍵時(shí)期，基于《天津市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二○三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》《2020 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)》《天津市2021 年政府工作報(bào)告》，2020—2025 年期間，天津市人口總量年均增長(zhǎng)0.159%，城鎮(zhèn)化率2020年為83.6%、2025 年為85%、年均增長(zhǎng)0.28%，地區(qū)生產(chǎn)總值2020 年為1.5%、2021 年為6.5%、2022—2025 年為6%，能源強(qiáng)度2020 年5 年累計(jì)降低17%、2025 年5 年累計(jì)降低15%，高技術(shù)比重2020年為15.4%、2025 年為30%以上。基于以上數(shù)據(jù)和公式（7）模擬天津市“十四五”碳達(dá)峰情況，結(jié)果顯示，天津市2013 年碳排放達(dá)到峰值之后，2014—2020年碳排放處于平臺(tái)期，之后穩(wěn)定下降，并于2024 年顯著下降（P＜0.01）。說(shuō)明目前天津市采取的低碳發(fā)展策略可以確保在2025 年之前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。

由于對(duì)碳達(dá)峰的定義不同，對(duì)于碳達(dá)峰的年份預(yù)判也會(huì)略有差別。臧宏寬等［21］的碳達(dá)峰定義為近5 年內(nèi)，能源相關(guān)的碳排放出現(xiàn)高峰并逐漸下降或波動(dòng)下降，同時(shí)碳排放與地區(qū)生產(chǎn)總值之間處于強(qiáng)脫鉤或弱脫鉤狀態(tài)，按照其研究，天津市在2020 年之前的近5 年碳排放量出現(xiàn)了峰值并呈降低趨勢(shì)，且經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與碳排放呈強(qiáng)脫鉤狀態(tài)，已經(jīng)處于達(dá)峰狀態(tài)。而本研究中也顯示天津市碳排放在2020 年之前已經(jīng)出現(xiàn)峰值并呈下降狀態(tài)，從這一點(diǎn)上看兩者的研究是一致的，由于本研究限定碳排放顯著下降才可定義為碳達(dá)峰，因此，碳達(dá)峰的判斷年份出現(xiàn)了不一致的情形。李雪梅等［7］研究顯示“中增長(zhǎng)強(qiáng)減排情景模式”是天津市最佳發(fā)展模式，在此情景下，天津市將于2025 年達(dá)峰，對(duì)于達(dá)峰年份的判斷與本研究較為接近。綜上，天津市按照“十四五”既定情形發(fā)展可以在2025 年之前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。天津市碳排放達(dá)峰預(yù)測(cè)分析見圖2。

圖2 天津市碳排放達(dá)峰預(yù)測(cè)分析

3.3 碳排放中和分析

碳排放中和一般是指進(jìn)入大氣的二氧化碳排放和吸收的匯之間達(dá)到平衡［22］，本研究基于天津市“十四五”規(guī)劃設(shè)置了基準(zhǔn)情景、低碳情景和超低碳情景，其中，地區(qū)生產(chǎn)總值的設(shè)置參考了文獻(xiàn)［23］中“中國(guó)未來(lái)GDP 增速預(yù)測(cè)”，基于公式（7）模擬天津市3 種情景下碳排放情況。結(jié)果顯示，在基準(zhǔn)情景下，天津市的碳排放在2021—2030 年逐漸下降，但2031 年開始逐漸升高，直至升到2060 年的4.6 億t；在低碳情景下，天津市碳達(dá)峰之后碳的排放顯著下降，直至降到2060 年的1.1 億t；在超低碳情景下，天津市碳達(dá)峰之后碳的排放更為顯著地下降，直至降到2060 年的0.2 億t。2020 年天津市森林覆蓋率為13%，2025 年為13.6%，按年均增加0.12%計(jì)，到2060 年天津市森林覆蓋率為17.8%，碳匯能力為29萬(wàn)t/a。因此，在基準(zhǔn)情景下，天津市無(wú)法實(shí)現(xiàn)碳中和；在低碳情景和超低碳情景下，天津市需要實(shí)施碳匯工程，并確保碳匯在2060 年分別穩(wěn)定達(dá)到1.1 億t和0.2 億t，才能實(shí)現(xiàn)碳中和。天津市碳排放中和預(yù)測(cè)分析見圖3。

圖3 天津市碳排放中和預(yù)測(cè)分析

4 結(jié)論

對(duì)天津市碳排放影響最大的因素是城鎮(zhèn)化率，城鎮(zhèn)化率每提高1%，則碳排放平均增加9.46%；其次是人口總量和能源強(qiáng)度，人口總量每提高1%，則碳排放平均減少1.10%；能源強(qiáng)度每降低1%，則碳排放平均減少0.98%。嚴(yán)格落實(shí)“十四五”規(guī)劃中碳排放相關(guān)各項(xiàng)措施，天津市可以在2025 年之前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。天津市要在2060 年之前實(shí)現(xiàn)碳排放中和，需要適時(shí)實(shí)施碳捕集等碳匯工程。