新常态下碳减排与经济转型多目标投入—产出优化研究

(南京财经大学 国际经贸学院,江苏 南京 210023)

1 引言

“十三五”时期,我国经济全面进入“新常态”的发展阶段。经济新常态下的转型升级,既带来了经济发展模式和动力机制的新变化,又提出了环境保护和生态文明建设的新要求。2014年12月,我国将“环境承载能力已达到或接近上限,必须推动形成绿色低碳循环发展新方式”明确为我国经济新常态的重要特征之一,将“人与自然和谐共生”纳入新时代中国特色社会主义的基本方略,提出了新常态下环境保护和生态文明建设的新要求。改变过去高能耗、高排放、高污染的粗放式经济发展方式,代之以新常态下高效能、高效率、高效益的绿色低碳经济发展,环境保护与经济转型已经成为我国新常态的焦点话题。

2016年11月生效的《巴黎协定》将重塑全球气候治理格局,我国积极承担大国责任,基于“国家自主贡献”承诺履行降低碳排放强度、提高非化石能源比例、早日达到碳排放峰值、增加森林蓄积量和碳汇四大减排目标。为兑现减排承诺,我国提出了减少温室气体排放、向低碳转型的新挑战,形成了在环境硬约束下保持经济发展的新推动力量。正确处理好“绿水青山”和“金山银山”之间的辩证关系,寻求环境与经济发展间的协调平衡,已成为我国实现可持续发展的必由之路和重要目标。

基于此,本文以我国新常态下经济结构性因素变化为背景,以生态文明建设的现实需求为目标,以环境约束为条件,研究环境与经济协调发展的问题。在探究新常态下环境与经济发展关系新特征的基础上,利用投入—产出表构建包含经济增长、结构优化、效率提高、碳排放减少等多个目标的线性优化模型,合理估测“十三五”规划末期(2020年)CO2减排与经济转型的优化关系,以期为促进我国经济—环境优化格局的形成,助推经济成功转型提供有益的思路和参考。

2 文献综述

20世纪70年代初,西方经济学家Leontief等[1-3]建立了包含污染物产生和消除的投入—产出分析框架,开创了利用环境投入—产出模型(Environmentally Extended Input-Output,EEIO)进行环境经济研究的新领域。因为EEIO模型具有在揭示宏观经济结构同时将各部门经济产出转化为环境负载的优势,成为应用于经济行为和环境相关性研究的重要方法。之后,EEIO模型被广泛应用于因最终需求引起的国家/区域碳排放足迹研究[4-7],特定产业部门的碳排放和碳热点研究[8-10]、供应链碳排放研究[11,12]、国际贸易或区域贸易中的隐含碳排放研究[13-15]、环境约束下的经济政策分析等[16,17]。EEIO模型为定量刻画现有环境负载对宏观经济的影响提供了有效方法,但如何减少环境压力对宏观经济发展的制约,实现环境和经济均衡发展,投入—产出模型未能提供明确的优化指引方案。

作为重要优化方法的多目标规划模型(Multiobjective Programming,MOP)提供了弥补EEIO模型局限性的系统优化技术[18]。整合多目标规划模型和投入—产出分析成为进一步研究环境和经济发展均衡实现的系统方法。以同时实现环境和经济优化为目标函数,以投入—产出均衡关系为约束条件,学者们利用该方法对经济—环境系统进行了相关研究。Hsu、Xu[19]利用模糊多目标规划方法(Fuzzy MOP)评价CO2减排对台湾经济的影响,指出较高能源收入弹性导致我国台湾地区碳减排的巨大经济成本;Cortés-Borda等[20]使用多目标投入—产出方法研究了欧盟25国的经济和环境绩效优化问题,指出规制特定经济部门能显著减少全球温室气体排放。范英等[21]、张云等[22]运用基于投入—产出的多目标规划,以优化经济增长和CO2减排为目标,估算了我国CO2减排的宏观经济成本;公维凤[23]建立了双约束下行业和省区经济增长的多目标优化模型,分析了能源强度、能源消费结构和碳强度调整对经济增长的影响;张恪渝等[24]基于产业结构优化模型,计算了我国最优的产业结构调整方案和现有科技水平下我国的碳减排潜力。

综上所述,现有文献多侧重于碳减排宏观经济成本、碳减排与经济增长的实现、碳减排与产业结构变化等碳减排与经济发展单一维度关系的研究,而将碳减排与经济发展各方面关系系统整合在一起的研究鲜见。随着我国经济全面进入新常态的发展轨道,“速度变化、结构优化、动力转化”[25]成为新常态的典型特征,如何实现经济转型和环境协调发展,不仅要考虑经济增长的速度,也要系统考虑产业结构的升级和动力转换的实现。本文在整合MOP模型和EEIO模型的基础上,尝试建立环境与速度、结构、动力的系统研究框架,定量研究新常态下CO2减排与经济转型多重目标实现的相互关系。

3 新常态下经济转型的碳排放效应

为了具体解析经济—环境间呈现的“环境库兹涅茨曲线”(Environmental Kuznets Curve,EKC)关系,Grossman、Krueger[26]、Panayotou[27]等将经济对环境的影响因素分解为三个方面:经济整体规模、经济部门结构、收入水平对供求环节减少污染的影响,计算公式为:

(1)

式中,t期的碳排放强度Et为n个产业部门碳排放强度ei,t(i=1,2…,n)的加权平均,权重为各部门产出在总产出所占的比重si,t。

对上式两边取对数,再对时间t求一阶导数,则碳排放强度增长率ge,t满足:

(2)

由于t期碳排放总量Pt为总产出Xt和碳排放强度Et的乘积,则碳排放总量增长率gp,t满足:

gp,t=gx,t+ge,t=gx,t+gs,t+ga,t

(3)

由此可得到影响碳排放的三个经济效应,其中gx,t为经济规模效应,来自于经济规模扩大对环境构成的影响;gs,t为产业结构效应,结构效应的正负影响取决于一国生产活动在高污染部门和低污染部分之间分配的情况;ga,t为技术减排效应,主要体现在生产率的提高和技术的扩散转移对环境的影响。经济对环境的综合影响正是上述三种效应平衡的结果。当前我国经济正处于“速度变化、结构优化、动力转化”的新常态时期,在这三方面作用的叠加下,CO2排放规模效应、结构效应和技术效应均表现出区别于改革开放以来40余年的新特征。

3.1 经济规模效应

一定量的能耗和碳排放是维系经济活动正常开展的必要条件。在产业结构和技术水平不变的前提条件下,碳排放会随着经济的增长而增加,但这种增加往往表现为相对复杂的非线性关系,如Grossman、Krueger[26,28]等的经验研究证实经济增长与环境污染之间呈现先上升、后下降的倒“U”型EKC曲线关系。

我国经济进入“新常态”发展阶段后,经济下行压力明显,经济增速已由高速增长转为中高速增长。2012年,我国GDP增速破8,7.8%的增速为1999年以来的最低值,2016年我国经济增速进一步回落到6.7%。一方面,随着经济增速下降,能源消费总量增速放缓,能源结构发生重大变革。自2012年以来,全社会电力、煤炭、原油、天然气等的消费增速均出现不同程度的降低,特别是煤炭消费量在2013年达到峰值后自2014年起出现了负增长(图1),由此带来的直接影响是碳排放总量控制压力减小。《中国低碳发展报告2017》研究表明:“2015年与我国能源相关的碳排放下降0.6%”。另一方面,建立在增速放缓和经济规模收缩基础上的能耗降低和碳排放减少是以牺牲经济增长为代价的,在一定程度上背离了经济增长和收入增长的发展目标。目前我国碳排放与经济增长的关系仍处于EKC曲线左侧的爬坡阶段[29-31],增速放缓可能会延长我国倒“U”型曲线拐点到来的时间,不利于2030年碳排放达峰并尽早达峰这一战略目标的实现。同时,经济增速放缓会加剧地方政府面临的财政支出压力、区域竞争压力和政治晋升压力,进而转化为地方政府在短期内提升对辖区经济增长速度迅速提高和经济规模迅速扩大的诉求,在“投资饥渴”等非理性投资冲动的刺激下,新的高耗能项目和基础设施建设相继开工,很难避免以环境为手段的企业内部成本外部化问题,地方政府往往会降低环保要求,忽视工业能源消耗快速增加带来的区域环境成本。因此,正确处理经济平稳增长和碳减排目标实现之间的平衡关系成为经济新常态下我国实现可持续绿色发展的重要约束条件之一。

注:数据来源于2007—2017年《中华人民共和国国民经济和社会发展统计公报》,下同。

图1 2006—2016年能源消费与国内生产总值增速

3.2 产业结构效应

产业结构变动对碳排放的影响主要源于各产业的碳排放效率和经济增长率存在的系统差异。从产业结构与碳排放的历史演进关系来看,由于工业碳排放强度远高于农业和服务业,随着产业结构沿着第一、二、三产业主导的路径发展,碳排放会出现先上升再下降的变化趋势[32,27]。随着经济增速放缓,新常态下我国产业结构由第二产业主导向第三产业主导转变,由粗放型经济增长模式向集约型模式转变的趋势更加明显。2013年我国服务业增加值占国内生产总值的比重首次超过工业,产业结构调整发生了历史性变化,服务业成为“新常态”下可持续发展的动力来源,产业结构优化与转型升级为国内的节能减排工作带来了新的契机。一方面,由于服务产品具有无形性、高知识密集性、高增值性等特征,服务业常被看作是环境友好、去物质化的清洁、低碳产业[8],服务业的加速发展能有效降低能耗、抑制碳排放[33],产生对环境的结构红利贡献。另一方面,虽然服务业对资源环境的直接影响表现为积极的抑制作用,但考虑到服务业产业链的前向、后向关联效应,服务业的扩张实际上也带动了物质生产部门产出增加,服务业对资源环境的间接影响带来了服务供应链碳排放总量增加的风险。因此,服务型经济能否突破资源环境瓶颈约束,正确处理产业结构转型和碳减排目标实现之间的平衡关系成为经济新常态下我国实现可持续绿色发展的重要约束条件之一。

3.3 技术减排效应

通过技术进步来提高节能减排效率是实现能源供应安全、环境可持续发展和经济竞争力的关键因素。随着经济增长和收入水平的提高,在追求更高环境质量的需求侧因素与优化资源配置的供给侧因素的双重推动下,技术创新通过在开发、转化、利用、储存等各方面对能源的高效利用成为CO2减排的有效途径。

新常态下发展动力转换的关键是由要素驱动转向创新驱动。即我国的经济发展将是建立在绿色全要素生产率增长基础上的低碳发展,将由包括减排技术进步和能源效率提高在内的创新来驱动。一方面,在经济发展新常态下,通过技术因素在生产工艺、生产设备、生产过程和能源回收等方面的革新和改进以实现技术节能、工艺节能和管理节能,提高能源利用效率,降低单位产出的碳排放强度。自2013—2016年以来,全国万元国内生产总值能耗平均下降了4.8%(图2),平均能源消费弹性系数为0.29,比2005—2012年降低了0.13。2016年,我国能源消费弹性系数为0.21,比2012年降低了0.28;全国单位GDP CO2排放下降了6.6%;工业企业吨粗铜、吨钢、吨水泥综合能耗则分别下降了9.45%、0.08%和1.81%。另一方面,技术进步也可能产生能源回弹效应。即技术进步提高能源效率,会加速能源开采与消耗。若技术进步带来的预期能源节约被新增能源需求部分或完全抵消,就会出现“杰文斯悖论”所预测的技术进步和环境保护之间的矛盾[34]。因此,通过技术进步提高能源利用效率,实现CO2“效率性减排”,正确处理技术创新和碳减排目标实现之间的平衡关系成为经济新常态下我国实现可持续绿色发展的重要约束条件之三。通过分析可知,在我国经济新常态下,正确处理经济发展与环境保护的关系,需要综合考虑规模效应、结构效应和技术效应三方面作用叠加的影响,基于投入—产出分析的多目标规划模型为系统探讨新常态下CO2减排与经济转型的定量关系提供了一种有效的工具。

图2 2006—2016年万元国民生产总值能耗降低率

4 多目标投入—产出模型构建

4.1 多目标函数

环境目标函数:在环境承载能力“达到或接近上限”的条件下,从旧常态的“资源环境软约束”转变为新常态的“资源环境硬约束”,是经济新常态的环境要义[35],是“五位一体”社会主义建设总布局构成的重要要求。本文将环境目标设定为CO2排放量最小，计算公式为:

(4)

式中,ei为i产业的CO2排放系数;xi为i产业的产出；i=1,2,…,n,i为产业部门。

经济增长函数:我国经济发展进入新常态,正处于爬坡过坎的关键期,化解各种矛盾和风险,跨越“中等收入陷阱”,主要靠发展,而发展必须保持合理的增长速度,保持经济持续增长是我国未来较长时期的重要目标和基本要求。本文将经济增长目标设定为各行业总产出最大化:

(5)

产业结构函数:经济服务化是经济新常态的重要特征,具体表现为国民经济中第三产业增长快于第一产业和第二产业[36]。因此,本文用服务业和其他产业的产值差距度量产业结构高级化,将产业结构目标设定为该产值差距的最大化:

(6)

式中,xj,xk分别为j,k产业的产出;j=1,2,…,m,j为服务产业部门;k=1,2…,l,k为服务业以外的其他产业部门。

技术效率函数:经济新常态下,技术进步持续对能源效率增长做出积极贡献。因为提升能源效率往往以能源消耗的节省为前置目标[37],所以本文将技术效率目标设定为一次能源消耗量最小化:

(7)

式中,fi为i产业的一次能源消费强度。

4.2 约束条件

投入—产出约束:基于开放经济条件下的投入—产出平衡关系,任一产业部门的总产出和进口之和全部用于中间使用和最终使用,即x+Mx=Ax+y。从经济增长要求看,计划求解年份(2020年)的最终需求不应该低于研究基期(2012年)的最终需求,据此参照Hsu、Xu[19]、范英等[21]的方法,设定反映产业间和最终需求一般均衡的约束集:

(8)

产业部门扩张约束:为避免经济过大波动,投入—产出表行业产值规模短期内限制在一定幅度内变动,得到产业扩张约束:

(9)

CO2排放强度约束条件:CO2排放强度是我国经济社会发展的重要约束条件。从国家减排要求看,计划求解年份的碳排放强度降低幅度不应低于国民经济和社会发展规划对减排的量化指标要求,依据张云等[22]的方法,建立约束条件:

(10)

式中,R2020为2020年碳排放强度相比2012年降低的目标。

(11)

能耗强度约束条件:对能源消费实施控制,要求计划求解年份的能耗强度下降幅度不应低于国民经济和社会发展规划对能耗强度的量化指标要求,计算公式为:

(12)

非负约束条件:投入—产出表各行业部门的产出是决策变量,非负约束是决策变量具有现实意义的要求,模型非负约束为:

xi≥0

(13)

4.3 模型参数确定

使用的数据来自2012年投入—产出表,2012年能源消费平衡表和基于政府间气候变化专门委员会(IPCC)报告估算的CO2排放因子。因为2012年是我国步入新常态的起点,同时2012年我国投入—产出表是目前可得到的最新的投入—产出数据,故本文选择2012年作为研究基期,研究考察期设定为我国国民经济和社会发展第十三个五年规划的末年2020年。

模型中的决策变量为各产业部门的产出,具体产业部门划分主要以投入—产出表为依据,其他来源的数据依据投入—产出表的划分标准进行调整,由此设置42个决策变量,分别表示42个产业部门的产出。碳排放强度参数和能源强度参数的设定,等于各产业部门CO2排放量除以各产业的产值,等于各产业部门能源消耗量除以各产业的产值。其中,能源消费量来自相关年份《中国能源统计年鉴》统计的我国分行业终端能源消费量,各产业部门的CO2排放量用该产业部门分类能源的消费量乘以相应的能源CO2排放系数估算,能源CO2排放系数的计算公式为:

CO2排放系数(kgCO2/kg)=中国能源平均低位发热量(kJ/kg)×IPCC碳排放因子(kgC/GJ)×10-6×碳氧化率×碳转换系数(44/12)

(14)

碳排放强度降低幅度R2020和能耗强度降低幅度T2020的设定,在能源消费和碳排放“双控”的思想下,“十二五”和“十三五”《控制温室气体排放工作方案》分别明确提出到2015年全国单位GDP的CO2排放比2010年下降17%,单位国内生产总值能耗比2010年下降16%;2020年全国单位GDP的CO2排放比2015年下降18%,单位国内生产总值能耗比2015年下降15%。按照上述的国家减排要求,计算可得计划求解年份与研究基期相比,碳排放强度降低幅度(R2020)不应低于25%,能耗强度较低幅度(T2020)不应低于22%。

5 模型优化结果分析

基于前文构建的模型及确定的参数,本文运用Matlab 软件进行模型求解,得到2020年各决策变量值,并据此计算碳排放和经济结构指标,分析经济新常态下CO2减排与经济转型的优化结果。从表1可见,在经济和环境多重约束下,我国2020年全国总产出预期将达到2789990.00亿元,相比于基年2012年全国总产出1601627.08亿元,年均增长7.18%,高于“十三五”规划中提出的GDP年均增长6.5%的目标。7.18%的增长率实际上描述了在达到减少碳排放强度和能源强度的目标情形下,经济增长的最优模型方案。由此可见,保证7%左右的中高速增长是新常态下提高发展平衡性和包容性的速度要求。

表1 2020年中国经济、能源及碳排放指标预测结果

注:2012年数据来源于《投入—产出表》,2020年指标根据模型计算得到,表2同。

基于多目标优化结果,2020年我国预期碳排放总量为96.80亿t CO2,相对于基期的79.24亿t,增加了17.56亿t。2020年我国预期能源消费总量为53.65亿t标准煤,相对于基期的36.17亿t,增加了17.48亿t。在将碳排放强度与能源强度而非总量作为减排目标的情形下,“十三五”期间,我国碳排放总量和能源消耗总量仍将保持持续增长。在模拟结果中,碳排放量虽然符合在《联合国气候变化框架公约》第20轮缔约方会议(COP20)上我国提出的2016—2020年每年CO2排放量控制在100亿t以下的预期目标,但能源消耗量超过“十三五”能源规划提出的到2020年把能源消费总量控制在50亿t标准煤以内的指标。由此可见,实现环境总量控制,“十三五”期间需要提高能源利用效率,进一步降低全国的能源消耗强度。

从经济新常态下产业结构调整与CO2减排模拟结果分析可见,2020年我国三次产业产出占国民经济总产出的比重预测结果为4.87∶58.09∶37.04,与2012年三次产业比重5.58∶66.44∶27.98相比,第一产业农林牧渔等部门占整体经济的比重略有下降,减少了0.71%;第二产业产出比重降低的趋势明显,下降了8.35%;第三产业产出比重则有显著增长,较基期提高了9.06%。Worrell、Price[38]的研究指出,多数国家来自工业部门的CO2排放量占CO2当量温室气体排放的90%[38]。因此,在转变经济发展方式的过程中,节能减排约束主要对第二产业的发展产生制约,导致第二产业比重的持续下降。相应地,以低消耗、低污染、高效益为特点的服务业与低碳经济的发展趋势是一致的,产业结构服务化成为低碳经济发展的题中之义。

从细分行业看,表2中42个产业部门总产出比重变化显示,2020年模拟预测结果与2012年相比,总产出比重下降的产业部门有22个。在碳排放和能源约束下,比重下降的产业部门主要集中在第二产业。第二产业是耗能最大的产业部门,也是最大的碳排放来源,具有“碳锁定”效应。减少工业发展过程中的碳排放,在第二产业27个产业部门中占比下降的有18个产业部门;与基年相比,绝对占比下降较大的部门有金属冶炼和压延加工业,化学工业,电力、热力的生产和供应业,石油、炼焦产品和核燃料加工业,非金属矿物制品业等;相对占比下降幅度较大的部门有非金属矿和其他矿采选业,煤炭采选业,石油和天然气开采业,石油、炼焦产品和核燃料加工业,电力、热力的生产和供应业。相对而言,第二产业产出比重增加的部门有9个,按占比相对增幅分别依次是废品废料业,燃气生产和供应业,金属制品、机械和设备修理服务业,金属矿采选业,通信设备、计算机和其他电子设备制造业,交通运输设备制造业,仪器仪表制造业,木材加工及家具制造业,电气机械和器材制造业。上述9个部门主要集中在高技术制造业,技术密集的行业特征使之成为能耗和碳排放量较低的制造业部门。

2020年模拟预测结果与2012年相比,总产出比重增加的产业部门有20个,比重上升的产业部门主要集中在第三产业。在第三产业14个产业部门中占比提高的有11个产业部门,与基年相比,占比提高幅度较大的部门有金融业,租赁和商务服务业,卫生和社会工作服务业,科学研究和技术服务业,信息传输、软件和信息技术服务业等。需要注意的是,与前述比重大幅提高的现代服务业部门不同,传统服务业部门如运输、住宿和餐饮等是对环境产生显著影响的主要服务部门,对CO2排放的影响虽然没有工农业直接和显著,但它通过上下游部门对环境的负面效果同样不容忽视[39,40]。因此,第三产业中的住宿和餐饮业、交通运输、仓储和邮政业是产出比重下降的部门。此外,公共管理、社会保障和社会组织业在模型优化预测中占比也有所下降,我国公共管理部门的高排放可能源于对这些服务部门缺乏管制和收入的增加[41]。总之,优化服务业结构、实现传统服务业向低碳服务业的转型升级,是服务业的发展方向。

表2 2020年各产业部门产出结构的模型预测与比较

6 结论和建议

6.1 结论

本文在探究经济新常态下CO2排放的规模效应、结构效应和技术效应新特征的基础上,利用投入—产出表构建包含经济增长、结构优化、效率提高和碳排放减少的多目标投入—产出线性优化模型,分析我国2020年CO2减排与经济转型的优化关系。优化模型的整体方案结果显示:我国经济保持年均7.13%的中高速增长,CO2排放和能源消耗基本能达到节能减排的目标。相应地,产业结构总体要实现“退二进三”的经济服务化转型。

6.2 建议

根据对经济新常态的特点和对优化模型整体方案分析的结果,提出相应的政策建议:①经济新常态下,保持合理的中高速经济增长。我国是一个发展中大国,发展是第一要义,特别是考虑新常态下工业化和城市化发展阶段、人口结构变化和消费方式转变等,必须进一步对最低经济增速加以要求。保持7%左右的中高速经济增长,不但有助于加快经济发展方式的转变,而且将促进碳排放与经济增长的进一步脱钩,实现能源消耗、经济增长与碳排放之间的协调发展。②运用“底线思维”设定碳排放、能耗的总量和强度双重目标控制机制。我国经济正处于高能耗和高碳排放的快速工业化爬坡阶段,能源消耗和CO2排放呈现总量上升但增速减慢的特征。根据优化模型预测结果,我国在有效控制碳排放强度和能源消耗强度目标的约束条件下仍存在着总量较快增长的风险。为了实现2020年、2030年控制温室气体排放行动目标,应运用“安全底线思维”设定碳排放和能源消费的最高红线,探索实行碳排放、能源消费总量和强度双重目标控制机制,并在此基础上推出阶段性目标和年度计划性目标,以强化倒逼经济和能源的低碳转型。③通过产业结构调整,实现CO2结构性减排。基于优化模型的整体方案,转变经济发展方式,从不可持续发展向可持续发展转变,“退二进三”的经济服务化将是我国产业结构调整的逻辑主线。第二产业中产出比重下降的主要是冶金、化工、火电、石化等能耗高、污染重的能源部门和金属加工部门,而以通信设备、计算机、电子设备、交通运输设备、仪器仪表制造业等为代表的高技术部门需要进一步增加产能。第三产业中,要加快金融、商务、科研、技术、信息服务业等现代服务业的发展,控制住宿、餐饮、交通运输等部门比重。通过经济结构优化,将稀缺资源优化配置到单位产值能耗和碳排放更低的领域,在结构优化过程中实现碳减排目标。