碳排放與經濟增長的關系實證研究*
——以天津市水泥行業為例

楊凱隆 張金鑫 劉彩波 王紅玲

(湖北大學商學院,湖北 武漢 430062)

0 引言

“雙碳”目標的確定對高排放、高耗能行業的綠色發展提出迫切要求,給這些行業帶來了巨大的節能減排壓力。近年來,建材行業逐步進入全國碳市場,而水泥成為建材行業納入全國碳市場的首個領域。數據顯示,2020年,我國水泥的碳排放量占全國總排放的13%,約為13.7億t,僅次于電力行業和鋼鐵行業[1]。在實現“雙碳”目標時間緊、任務重的背景下,水泥行業實施碳減排迫在眉睫,亟需往更加低碳、綠色、環保的方向轉型。天津市作為我國碳排放權交易試點地區之一,近年來正在推動水泥行業超低碳排放改造。2023年初,天津市人民政府印發《天津市工業領域碳達峰實施方案》,提出到2025年,全市重點行業二氧化碳(CO2)排放強度須實現明顯下降[2]。水泥是地區經濟發展重要的基礎原材料,在建材生產、建筑施工、建筑運行等領域皆會產生高額碳排放。據2022年天津市國民經濟和社會發展統計公報顯示,2022年天津市建筑業總產值占地區生產總值的近30%[3]。研究天津市水泥行業碳排放與經濟發展的關系有助于推動水泥行業綠色轉型發展,助力水泥行業降低碳排放,也可為其他地區的相關行業節能降碳提供參考。本文將對天津市2000—2022年的水泥行業碳排放量進行實證分析,并預測未來幾年的碳排放量。

環境庫茲涅茨曲線(EKC曲線)理論由美國普林斯頓大學的Grossman和Krueger于1995年提出[4],用于描述經濟發展與環境污染之間的關系。該理論認為,在國家經濟發展的早期階段,環境污染水平會隨著經濟增長而增加,但隨著國家經濟水平的進一步提高,環境污染水平會逐漸減少。近年來,隨著全球氣候問題的日益凸顯和CO2等“溫室氣體”排放的不斷增加[5],許多學者都采用EKC曲線理論研究經濟增長與碳減排的關系。曲越等[6]運用EKC曲線研究我國各省CO2排放的趨勢和碳達峰、碳中和的區域協調路徑;許華等[7]基于EKC視角對陜西省經濟增長與碳排放量進行實證研究;劉茂輝等[8]基于STIRPAT模型對天津市減污降碳協同效應進行多維度分析[8]。

自回歸積分滑動平均模型(ARIMA)是在經典的時間序列分析方法中使用的模型,其廣泛應用于預測和分析不同領域的時間相關數據。本文基于2000—2022年天津市水泥行業的碳排放量,通過Python構建ARIMA模型,預測天津市水泥行業2023—2025年的碳排放量,并在此基礎上運用EKC曲線理論對2000—2022年天津市水泥行業碳排放量與經濟增長之間的關系進行分析。本文綜合使用ARIMA模型和EKC曲線理論研究天津市水泥行業碳排放問題,具有一定的創新性。

1 研究方法

1.1 基于水泥產量的CO2排放量的計算

從中國碳核算數據庫(CEADs)[9]和國務院發展研究中心信息網可獲得水泥產量等數據,但是不同類型水泥的產量無法得知,根據《IPCC 2006年國家溫室氣體清單指南》(以下簡稱《IPCC指南》)給出的生產水泥熟料過程中排放氣體的計算方法[10],基于水泥產量估算熟料產量數據,然后應用水泥熟料的碳排放因子計算碳排放量[11]。計算公式如下:

WCO2=MC×CCL×EFCLC

(1)

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

WCO2=MC×0.75×0.52

(2)

根據式(2)可計算出天津市2000—2022年水泥行業的CO2排放量。

1.2 EKC曲線理論

本文在國內外學者研究的基礎上,根據三次多項式形式相對更加靈活,得到的結果既允許是單調線性的,也可以是倒U型或者N型的性質,設定三次多項式的估計形式為:

E=β0+β1Yt+β2Yt2+β3Yt3+εt

(3)

式(3)中,E為環境污染指標,本文中指水泥行業人均碳排放量,單位:t;Y為經濟發展指標,本文用實際人均地區生產總值,單位:元;β0為截距項;βi(i=1,2,3)為待估參數,βi的正負反映碳排放與經濟增長的不同關系;ε為誤差項,服從正態分布;t為年份。

為了達到更好的擬合效果,減少數據波動并使其趨勢線性化,緩解異方差性對估計結果的影響,通常會對式(3)兩邊各自變量進行自然對數變換[12],得到的公式如下:

lnE=β0+β1lnYt+β2(lnYt)2+β3(lnYt)3+εt

(4)

2 基于EKC曲線的關系分析

2.1 天津市水泥行業碳排放總量分析

根據式(2)得出2000—2022年天津市水泥行業碳排放量,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,在2008年和2012年稍有回落,2008年前遞增緩慢,年均增長19.33萬t,2008年后遞增迅速,年均增長25.42萬t,呈現階段性遞增趨勢。2013年12月26日,天津市碳交易市場正式啟動,成為我國7個碳排放權交易試點之一,使水泥行業等重工業行業的碳排放成本顯著提升,促使水泥行業進行產業結構調整,化解水泥產能過剩等問題。天津市碳交易市場的啟動推動了水泥企業更加重視節能減排、能源利用效率、新型環保技術和設備推廣、環境管理等方面的工作,實現綠色低碳轉型發展[13]。受政策因素影響,從2014年起,天津市水泥行業碳排放量呈階梯式下降趨勢。

圖1 2000—2022年天津市水泥產業碳排放量

2.2 EKC曲線理論分析

將天津市水泥行業碳排放總量除以天津市年末人口數,即可得到水泥行業人均碳排放量。天津市年末人口數和人均地區生產總值數據均來自天津市統計局。將所有數據代入式(4)進行擬合,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。由擬合結果可知,β1<0,β2>0,β3<0,說明天津市水泥行業人均碳排放量和人均地區生產總值之間存在典型的倒U型關系。進一步探究倒U型EKC曲線是否存在拐點。先對式(5)求lnE對lnYt的導數,得到式(6),再對式(6)求極值。

(lnE)′=-76.471+15.61lnYt-0.786(lnYt)2

(6)

使用Python中SymPy庫的求解器,可以解得Y1=6526.997元,Y2=64624.4813元。由于天津市2000—2022年的人均地區生產總值都大于16000元,因此,在本文中只有Y2=64624.4813元這一個拐點,大致在2011年或2012年,這與2013年、2014年政策變動節點大致吻合。綜上所述,天津市水泥行業人均碳排放量和實際人均地區生產總值之間呈顯著的倒U型關系,即2012年前呈同向變動,2012年后呈反向變動,符合EKC曲線理論[14]。圖2為天津市水泥行業二氧化碳環境EKC曲線。

圖2 天津市水泥行業碳排放EKC曲線

3 對天津市水泥行業碳排放的預測

3.1 數據平穩性檢驗

ARIMA模型適于短期預測,在使用模型預測之前,首先需要檢驗數據的平穩性,檢驗不通過的需要將其轉換成平穩時間序列。由圖3可知,該序列先呈上升趨勢,再呈下降趨勢。根據ADF檢驗結果,P值為0.4774,大于0.05,為非平穩時間序列,需要對序列進行差分。經過二階差分后序列平穩,序列時序如圖3所示。

圖3 二階差分后天津市水泥行業2000—2022年碳排放趨勢

3.2 ARIMA模型的擬合與預測

根據序列的自相關圖(ACF圖)(圖4)和偏自相關(PACF圖)(圖5),自相關系數可判定為二階截尾,偏自相關系數可判定為拖尾,符合ARIMA模型的特征。同時,ARIMA模型包含3個關鍵參數p、q和d。其中,d為平穩序列所進行的差分次數,該序列中d=2,根據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向、技術革新等外部因素的影響,因此只適用于短期預測。針對2023—2025年天津市水泥行業碳排放的預測如圖6所示,2023年為205.20萬t,2024年為197.12萬t,2025年為189.04萬t,整體呈現下降趨勢,與目前的政策導向相符合。

圖6 2023—2025年天津市水泥行業碳排放量預測圖

4 結論

①通過對2000—2022年天津市水泥行業碳排放量的計算,得出天津市碳排放量在2009年增長幅度明顯提升,但在2014年開始出現下降的趨勢,這與2013年12月天津市排放權交易所正式啟動碳排放權交易,推動碳排放減少,助力綠色低碳發展有直接關系。同時,在可以預見的未來,水泥行業等重工業行業的碳排放會持續減少。目前,天津市已經倡導近零碳排放的目標[15]。

②采用環境EKC曲線理論分析天津市水泥行業碳排放與人均地區生產總值之間的關系,最終得出2000—2022年天津市水尾業人均碳排放量與人均地區生產總值呈倒“U”型EKC曲線的結論,這與地區環境狀況隨著經濟發展先惡化后逐步改善的理論相符,說明天津市水泥行業碳排放與經濟發展適用于EKC曲線理論,未來可進一步深入研究EKC曲線理論對天津市環境與經濟發展的意義。

③通過使用Python建立ARIMA模型進行預測,得出2023—2025年天津市水泥行業碳排放繼續呈現下降趨勢,與當前的政策導向相符合。當前,天津市正在進一步優化產業結構和能源結構,加快節能降耗技術應用,推廣水泥高效篦冷機、高效節能粉磨、等節能降碳技術裝備,并鼓勵建材企業使用粉煤灰、工業廢渣、尾礦渣等作為原料或水泥混合材,到2025年,水泥熟料單位產品綜合能耗將下降3%左右[2]。天津市將努力構建綠色低碳生產生活方式,創新綠色金融產品,持續推動碳達峰碳中和工作,為實現“雙碳”目標貢獻天津力量[16]。