最优增长路径下的中国碳排放估计，本文主要内容关键词为：中国论文,最优论文,路径论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
修订日期：2010-11-10
1 引言
2007年IPCC认为，全球变暖的原因主要是温室气体的排放[1]。其中，
排放是最重要的温室气体。为了分析未来气候变化，需要分析的排放趋势。此外，中国作为一个负责任大国，正在越来越积极的投入气候保护，为了制定合适的国家减排战略，也需要对中国碳排放趋势做出预测，因此，碳排放预测也是中国制定碳减排政策的基础。
由于中国排放大国的地位近几年凸显，因此对中国碳排放的研究也随之增多。然而已有研究中对碳排放的估算主要集中在某一行业领域或经济主体导致的碳排放，如对我国钢铁行业、公路交通工具、城镇居民的能源消费及由此产生的碳排放的估算[2-4]；或是对国际贸易中导致的碳泄漏进行估算[5-7]。此外，还有从区域层面研究某一地区碳排放情况，如对上海市及中国8大区域的能源需求与碳排放情况[8-9]，以及从全国层面对碳排放的研究[10-11]。但是，上述各方面的研究均是对历史碳排放的核算，而对未来碳排放进行预测的研究还较少。
国际上，基于各国面板数据估计得到的统计模型，Schmalensee等预测了各国2050年前的碳排放走势[12]；Auffhammer与Carson利用中国省级尺度数据，考虑了收入、人口密度、汽车保有量等因素得到一个固定效应滞后模型，并在此基础上对中国各省碳排放趋势及我国总碳排放进行了预测[13]；Guan等将IPAT分解模型与SDA分析结合，在对碳排放主要驱动因子分析的基础上对中国碳排放也进行了预测[14]。但这些研究采用的统计模型不能从机理上认识碳排放过程，特别是统计数据限制了远期外推，而对于气候保护问题来说，远期外推是必要的。丁仲礼、段晓男等通过国情比较得到了对碳排放的估计，虽然意义重大，但是他们的估计显得粗略[15]。朱永彬、王铮等基于经济动力学模型揭示了经济—能源之间的动力机制，并在对当前技术进步水平下的能源强度进行预测的基础上得到了未来的经济平稳增长率及对能源的需求，同时考虑能源结构演变预测得到了未来的碳排放量[16]，但他们仅仅考虑了能源使用产生的碳排放，而且没有考虑碳汇和水泥生产对碳排放的影响。
虽然能源消费导致的碳排放占总排放的比重很大，但是单纯地研究能源消费导致的碳排放并不能全面反映中国的总排放需求。何介南、康文星以湖南省为例，在考虑化石燃料导致的碳排放之外，同时对工业过程碳排放进行了估算，使得碳排放的估算更加全面[17]。Zhang[18]和Xu，Zhao等[19]以及吕劲文等[20]则从碳的吸收角度分别对中国以及杭州市和福建省的森林碳汇潜力进行了研究。为全面反映中国未来的碳排放趋势，本文将从能源消耗、水泥工业过程以及森林碳汇三方面对中国的排放做出一个较为完整的估计。其中，能源消费需求将在经济增长框架下通过动力学模型得到，水泥生产排放则考虑了中国城市化进程，森林固碳作用则在现有森林面积及林种林龄的基础上考虑其生长与砍伐利用过程中碳的固存变化，同时考虑我国的可造林及中长期发展规划中对新造林目标的设定等，从而达到碳排放的动态过程。整个计算流程如图1所示。
图1 碳排放计算流程图
Fig.1 Projection process of emission
值得注意的是，预测的结果并不意味着中国未来的碳排放将会达到这个值，因为中国政府必将推行减排政策，降低碳排放，同时技术进步和经济危机的干扰都给碳排放带来不确定性，确定这种不定性，超出本文的内容范围，容另文研究。本文的意义在于给出了中国二氧化碳排放的上限的一种估计。
2 能源消费碳排放预测
朱永彬、王铮等引入一个经济动力学模型来预测分析在平稳增长轨道上，即避免碳减排政策带来经济危机时，一个国家或地区的碳排放量[16]。这个模型的关键是得出了在保持经济与人口平衡的平稳增长轨道上，拉姆齐(Ramsey)效用最大化时对应的最优经济增长率g与能源强度τ的函数关系，为：
以式(1)为基础，只需对能源强度的走势进行预测即可得到最优经济增长率，由平稳轨道上的最优增长率我们就可以预测未来年份经济总量以及能源消费总量，由能源消费量进一步可以预测碳排放。当然要准确估计未来碳排放还需要考虑能源结构的演化[16]。
此外，模型(1)还涉及一个重要参数——技术进步。技术进步具有两种效应，一是提高全要素生产率，其指数进步率v可由生产函数估计得到；其二是能源强度，对此可以根据历史数据做出估计。
考虑到不同产业的初始能源密集程度及技术进步潜力各异，其能源效率提高速率也会存在差别。因此在计算综合能源强度时有必要考虑这一差异以及产业结构演化可能给其带来的影响。由于数据可得性的限制，采用传统的三大产业划分标准，根据我国历史年份三大产业的能源消费量以及产值数据(GDP)可以计算出三大产业历年的能源强度，由于能源强度的变化是技术进步的产物，在增长理论中，技术进步具有指数变化特点，所以本文根据一般经济增长理论假设技术进步率为指数形式，因此技术进步带来的能源强度随时间变化也呈指数形式。根据中国经济与能源数据①，拟合得到三大产业能源强度的变动趋势为：
指数前数字为初始的能源强度，而指数上方数字表示能源强度随时间的下降速度。其中，只有第一产业相关系数比较低，这可能源于中国农村机械化和自动化起步晚，现阶段能源强度波动较大，从拟合结果来看，第一产业的能源强度下降也是比较缓慢的。但3个关系式最终均通过了统计检验。
由式(2)～(4)可以看出，第一产业的初始能源强度最低，相应的下降速率也最为缓慢，这是因为我国第一产业从传统的生产模式向机械化模式转变中能量消耗较大的缘故。第三产业居中，第二产业初始能源强度最高，但下降速率也最快，可以看出能量消费主要集中在第二产业，而且技术进步也更多地发生在第二产业上。由能源强度的定义可知，反映产业结构的社会综合能源强度为：
在由能源消费总量计算碳排放量的过程中，考虑到各品种能源的碳排放系数存在很大的差别，有必要对各品种的能源消费量进行分别预测，即对能源结构的演变趋势进行预测。同样假设能源结构演化遵循马尔科夫过程，藉此预测得到未来年份能源结构(模型与结果见附录)，进而得到各品种能源的消费量及碳排放量，最终汇总得到满足经济平稳增长下的能源需求所导致的总碳排放量。
图2给出了2005-2050年间中国能源消费的碳排放情况。由图2可以看到，碳排放高峰出现在2031年，较朱永彬、王铮等[16]预测的高峰年份(2040年)要早。主要是因为其预测方法没有分产业来预测能源强度。由于第二产业的能效提高明显快于其他两个产业，且又在能源使用量中占据较高比重，因此分产业预测得到的综合能源强度下降速率高于不分产业得到的下降速率②。当然，如果进一步分清第二产业内部的技术变化，我们可能得到更高角度的结果。遗憾的是，中国尚缺乏公开的第二产业变化的逐年数据，本文发展的方法可以用于更细致产业的划分。必须注意的是，产业划分过细，技术进步的偶然性和统计误差，可能使得计算结果失真，因此第一层估计中，采用三个产业的划分方法是还是合适的。
预测结果显示，中国达到碳排放高峰时，碳排放量为2637MtC，能源消费量为46.4亿t标准煤。出现峰值时对应的人均GDP约为79711元(人民币)/人(2000不变价)。若按2000年人民币对美元汇率8.279元计算，合9628美元/人，明显低于OECD国家(Moomaw与Unruh认为OECD国家高峰出现时对应的人均GDP为12 813美元/人[21])的水平，若以2010年6月人民币汇率6.7元左右为参考值，这样中国碳排放高峰时人均收入11897美元，略低于12 813美元，考虑到人民币的升值预期，二者有一致性。
从图2可以发现，预测结果显示中国能源消费的碳排放高峰在2031年达到峰值之后开始逐渐降低。此后各主要年份的碳排放量分别为：2035年为2607MtC(能源消费量为46.3亿t标煤)，2040年为2440MtC(能源消费量为43.7亿t标煤)，2045年为2167MtC(能源消费量39.1亿t标煤)，2050年降至1825MtC(能源消费量33.2亿t标煤)。2006-2050年间，能源消费产生的累积碳排放为1012亿t碳，折合为二氧化碳为3711亿t二氧化碳。
图2 2005-2050年中国能源碳排放走势曲线
Fig.2 Energy-related carbon emission trend through 2005-2050
从人均排放情况来看，中国人均能源碳排放的高峰在2030年出现，为1.73tC/人。远低于2006年美国的人均排放(5.43tC/人)，也低于欧盟和日本2006年的人均排放水平(欧盟2.32tC/人；日本2.70tC/人)。到2050年，中国人均碳排放降至1.12tC/人的水平上，明显低于发达国家目前的水平，与美国在2006年基础上承诺减排80％的人均排放量1.09tC基本持平。
这里特别要指出，在朱永彬、王铮等的估计中，中国的碳排放高峰为2040年[16]，这个计算明显提前。究其原因是朱永彬、王铮的计算没有分产业考虑产业技术变化。这里的研究区分了产业结构内部的技术变化，由于中国主要耗能的第二产业技术进步速度快，因此碳排放状况得到改进。这个现象也提示，发达国家向发展中国家转让节能的生产技术，有助于全球减排目标的实现。
3 水泥生产碳排放预测
除了能源消费，水泥生产过程中同样产生大量。排放主要来自原料生产过程中碳酸盐的分解，因此要预测水泥生产过程产生的的排放，需要首先预测未来中国的水泥产量。水泥生产主要是满足建筑业的需要，而准确地揭示二者的动力关系较为复杂，本文认为在城市化进程中，农村人口涌向城市，会带来对住房以及城市基础设施的大量需求，于是会刺激建筑业的发展及水泥的需求。1979年以来，中国的基本建设也与城市化同步，为此在估计水泥产量时我们选取一个水泥生产驱动因子来预测水泥产量，这一因子即城市化率水平。当然，这不是决定水泥产量的唯一因子，而是一个标志性因子。就像我们在许多情况下采用回归模型一样，二者不是完全的因果关系，而是回归关系，这点请读者注意。
以水泥产量③作为因变量，城市化率④(及其增量)为自变量进行多种形式(一次、二次)的回归，然后从中选取拟合程度最优的一种，作为最终的结果(如式(6))。发现水泥产量y与城市化率u、城市化率增量Δu有如下回归关系，通过了显著性检验，式(6)括号中数值为t检验的显著性：
从式(6)的回归结果可以看出，城市化水平与水泥产量的相关系数很高，且各参数估计结果非常显著。这里值得注意的是城市化率增量对水泥产量具有负的作用，我们认为这反映了技术进步的作用降低了水泥需求。
在式(6)关系模型的基础上要预测水泥产量，需要首先对未来的城市化水平进行预测。Northam将世界各国城市化发展进程的轨迹，概括为一条被拉长的“S型曲线”[22]。其一般形式为：
这里必须强调的是，文章是按照时间序列历史统计规律计算的城市化率，或者叫统计城市化率，至于城市化率如何计算更合理，那是另外一个问题，不属于本文讨论范围。统计城市化率是本文的一个回归变量。
对于水泥生产导致的碳排放，文章采用IPCC提供的方法进行估算[24]：
式中：q为水泥总产量，c为水泥综合熟料含量75％。由此预测的水泥生产碳排放如图3所示。图3显示中国水泥生产所产生的碳排放呈现增长放缓的迹象，2050年基本控制在253.9MtC左右。这个估计应该是个上限值，因为没有考虑技术进步对水泥生产的影响。
将能源消费与水泥生产产生的碳排放汇总得到工业碳排放总量。结果发现，水泥排放占排放总额的比重在7.2％～12％之间，2050年为12％。由此可见，除非提高水泥使用效率或研制新型替代建筑材料，不然水泥生产将严重影响中国的节能减排。
值得一提的是，在考虑能耗和水泥生产后，中国在2006-2050年间共需要排放1102.2亿t碳，比丁仲礼、段晓男等的概算1269.7亿t为低[15]，这是考虑了第二产业特殊的技术进步速度的结果。
4 森林碳汇预测
通过造林增加碳的吸收，可利用的土地面积是主要的限制因素，而不同的树种固碳能力也存在很大差别。本文计算森林碳汇考虑了现有森林以及新造林两部分，其中现有森林的树种构成及龄组面积源自2005年中华人民共和国林业部公布的《林分各优势树种各龄组面积蓄积统计表》；新造林的选种树种参照《用材林各优势树种各龄组面积蓄积统计表》(中华人民共和国林业部，2005)进行选择。各省选种树种1～8种不等，并将各省造林地平均分配给各选种树种。原有森林的碳汇计算分为两部分，一为非用材林部分，该部分森林生态系统碳汇假定进入成熟期后即达到动态平衡；二为用材林部分，其碳汇计算假定成熟后当年完成采伐并种植同一树种。对于新造林，假设中国从2005年开始无林地造林工程，至2020年完成新增造林面积4000万
这一承诺目标，且继续保持这一造林速度至2025年实现全国所有无林地(5052.86万)的造林。
计算结果表明，至2050年中国森林生态系统可累积从大气中固定量为6806.2MtC，其中无林地造林可固定1863.7MtC，原有森林可固定4942.5MtC。
从图4中可以看出，中国总森林碳汇的累积固碳量随时间不断增加。其中，2020年以前的固碳量几乎全部来源于原有森林碳汇。2020年之后，新造林开始进入中龄，固碳能力将大大增加，可以弥补原有森林进入成熟阶段造成的固碳能力减弱部分。最终总的森林碳汇累积固碳量在2050年前还将保持继续增长，森林年固碳量仍为正值。
注意到中国还存在除森林之外的其它碳汇，因此本文的碳汇估计是个下限，但是注意到所有荒地不可能全部利用作为森林型碳汇，这又是个森林碳汇上限。从这点看这个碳汇估计的一个比较合适的值。
图5 2005-2050年中国碳净排放曲线
Fig.5 Net carbon emission in China during 2005-2050
5 碳净排放
根据IPCC温室气体排放清单，的主要排放源为能源消费和工业过程(其他还包括土地利用、固体废弃物等)，吸收碳汇主要是森林生态系统。因此，将上述排放源与吸收汇加总，结果得到中国2005-2050年碳净排放曲线，如图5所示的中间一条。与纯能源消费的碳排放比较，中国的碳排放峰值年代有时延迟，这主要是水泥生产碳排放引起的结果。图5表现的特征是，在最优经济增长轨道上并避免经济危机时，中国碳净排放量大约在2033年左右达到高峰，净排放量最高不会高于2748MtC，人均碳排放约为1.78tC/人，此时对应的GDP和人均GDP分别为115万亿元和74783元。随后开始下降，到2050年净排放基本控制在2040MtC以内，相应的人均排放约1.25tC/人。2006-2050年期间，中国的累积净排放为1038.6亿t，折合二氧化碳为3808亿t。
需要说明的是，这里得到的峰值时间较按国外低碳经济模式虚拟增长率方法估计达到的碳排放高峰时间2035年为早[27]，但是总量为高，不过计算得到，至2050年这里的最优模式比[27]的“低碳模式”方法得到的排放量为低。这是因为我们保持中国经济在最优的平稳增长轨道上，换言之如果按国外方法推荐的文献[27]模式实现减排，就意味着中国经济发展的平稳性受到影响，而且减排效果不一定比这里好，所以保持中国经济平稳增长条件下的最优路径，是中国减排二氧化碳的合理途径。
6 结论
本文研究应用了经济动力学模型模拟计算了中国保持经济平稳增长并且使得拉姆齐效用最大的最优增长路线。在这个路线上，中国碳排放总量和人均碳排放均出现倒U型的EKC曲线。在这个基础上，结合中国经济发展中的产业结构变化、水泥生产和森林碳汇能力模拟计算了中国2050年前的碳排放特征。具体的结论如下：
(1)在经济最优增长路径下，考虑能源结构演化，中国的能源消费碳排放高峰出现在2031年，此时的碳排放量为2637MtC，能源消费量为46.4亿t标煤。高峰时对应的人均GDP约为9628美元(2000年不变价)。
(2)在最优经济增长轨道上并避免经济危机时，中国人均能源碳排放的高峰在2030年出现，为1.73tC/人。远低于2006年美国欧盟和日本的人均碳排放水平。我国净排放量大约在2033年左右达到高峰，净排放量最高不会高于2748MtC，此时，人均碳排放为1.78tC/人，GDP达115万亿元，人均GDP为74783元(2000年不变价)。随后开始下降，净排放在2050年基本控制在2040MtC以内，相应的人均排放约1.25tC/人。
(3)2050年前，中国水泥生产的碳排放增长趋于缓慢，水泥生产的碳排放2050年时达到253.9MtC左右，占能源与水泥工业总排放的12％。因此水泥生产排放将是中国减排的关键点之一。
(4)到2050年，中国森林生态系统可累积从大气中固定量为6806.2MtC，其中无林地造林可固定1863.7MtC，原有森林可固定4942.5MtC。
(5)2006-2050年期间，从排放源角度，中国共需要排放1102亿t碳，考虑碳汇作用，中国的累积净排放为1038.6亿t，折合二氧化碳为3808亿t。要进一步减少排放量，意味着我国将做出进一步牺牲。
(6)中国一旦在2033年前进行排放总量降低，就面临经济增长偏离最优增长轨道的压力。因此中国参与气候保护，意味着中国为全世界人民的福祉做出了牺牲。
注释：
①数据来源：分产业经济数据是由2000年不变价的GDP总量与一、二、三产业比重计算而来，GDP数据与产业结构数据来自历年中国统计年鉴；各产业能源消耗数据来自历年中国统计年鉴“按行业分能源消费量”表。时间序列取1985-2005年，1993年数据缺。
②分产业预测得到的综合能源强度下降速率为4.4％～5.9％，而不分产业得到的能源强度下降速率为4.23％。
③数据来源：历年中国统计年鉴“工业产品产量”表中“水泥产量”。
④数据来源：历年中国统计年鉴“人口数及构成”表中“城镇比重”。
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