中國行業實際減排潛力研究
隨著我國經濟的高速發展和人口增加，能源開發與利用大幅度增長，碳的排放量也隨之增加。根據英國石油公司(BP)統計，2010年中國的二氧化碳排放量為83億噸，是世界第一排放大國。①基于國際上減排輿論壓力和自身發展要求，中國向世界鄭重承諾：2020年我國單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%-45%，到2020年我國非化石能源占一次能源消費的比重達到15%左右。由于未來幾十年以煤炭消費為主的能源消費結構不會改變，因此調整產業結構和提高能源效率等方法就成為減緩碳排放的主要方式。
本文編制中國2007年能源—碳排放—經濟投入產出表，根據中國政府承諾的目標，按照三種GDP增長模式設定不同的二氧化碳減排目標，然后建立投入產出優化模型，模擬計算中國政府為實現碳減排目標所應該調整的產業結構，據此提出發展低碳經濟的政策建議。我們的研究將各種經濟增長情景、能源結構變化情景具體化，設定出更加合理的優化模型，有助于政府決策。
一、文獻回顧
ICC第四次評估報告(IPCC-TAR，2007)②將國際上碳減排模型總結為自上而下(top-down)和自下而上(bottom-up)兩種類型。前者能夠較好地描述宏觀經濟的相互作用，可以分為宏觀經濟模型、一般均衡模型(CGE)和投入產出分析(IOA);后者側重于分析微觀數據和技術數據。要從宏觀上分析各國減少碳排放的潛力，我們主要應該選擇自上而下的類型。其中，一般均衡模型和投入產出分析是目前能夠最有效地反映經濟結構的系統分析方法。氣候—能源—經濟模型是于1980年和1990年集成了能源模型和經濟模型而發展起來的一種新式模型③④⑤⑥⑦,該模型分為通過計量經濟方法的AGE⑧以及通過文獻校準的模型⑨，前者盡管可得到準確參數，但因碳排放數據可獲得性較差和數據偏差，現有研究所用的模型都是后者。模型分析的問題包括研究污染物對經濟的反饋效應⑩、技術進步對減排成本的影響(11)(12)、環境稅收和碳稅對社會福利的影響(13)(14)，以及《京都議定書》的成本、對GDP所造成的損失分析等等。中國國務院發展研究中心的GAINS模型(15)分析中國的污染控制法律、排放控制技術、成本效應戰略、減少能源消耗、如何控制空氣質量及減少溫室氣體排放。此外，基于CGE模型的其他課題組也進行了能源節約和環境保護政策分析，分別在全國水平對能源稅和環境稅的不同情景進行模擬分析，并且利用多區域CGE模型進行政策效果分析，發現不同排放權分配不會帶來整體效率差異，但卻存在政策公平性的差異，人均原則要優于歷史原則。(16)
Leontief于1970年首次利用投入產出模型分析環境問題。與CGE模型相比較，這個模型更注重產業結構之間的關聯。(17)其后，很多經濟學家不斷完善該模型在資源環境領域的理論和應用研究。近年這個模型被用于分析能源和二氧化碳排放。Miller and Blair用它來分析由經濟系統中最終需求引起的能源消費(18)，Lenzen(1998)用它來估計初次能源和在商品和服務中嵌入的溫室氣體。(19)Hawdon and Pearson(1995)研究了能源、環境和經濟福利之間的復雜關系以及污染排放系數和硫排放矩陣。(20)Proops et al.(1993)證明經濟結構變化帶來了大氣中二氧化碳的濃度變化，并且經濟結構變化可降低未來20年的二氧化碳排放。(21)最近一些研究在投入產出分析中利用結構分解技術和敏感度分析等新方法研究碳排放與產業結構和經濟發展之間的關系。(22)在中國，靜態投入產出模型在碳排放和環境研究方面已經有了較多文獻，它們大多是利用全國投入產出表進行的。(23)(24)
投入產出優化模型以及投入產出模型的動態化和非線性化是一個新的研究趨勢。投入占用產出技術(25)將經濟系統與國民經濟各部門占用的自然資本、固定資本和人力資本聯系起來，可以應用于能源、水資源、環境、教育、國際貿易等多個領域。夏炎(26)用能源—經濟投入占用產出模型來研究哥本哈根會議之碳排放約束下產業結構調整潛力。空間投入產出模型為從地理空間上研究區域間和產業間的復雜關系提供了理論框架(27)，但是因數據難以取得，限制了該模型的應用。(28)一些學者用多區域模型或者其他簡化模型作為替代模型來研究碳排放問題。(29)但是，尚未有把投入產出模型與最優化模型結合起來以研究產業結構優化、尋求低碳經濟發展道路的文獻。
二、基于碳排放約束的投入產出優化模型
1.三種碳減排情景設定
碳排放目標的設定分為碳排放強度目標和碳排放絕對量目標兩種。碳排放強度是單位GDP的二氧化碳排放量。假定碳排放都由化石能源消耗產生，其他非化石能源消耗和生態活動不產生二氧化碳的話，在假定GDP增長率的情況下，可以將碳強度目標和碳排放數量目標進行換算。中國政府承諾的碳強度目標在目前的GDP增長預期下，其碳排放數量是增長的。我們設定了三種碳減排情景，它們是兩種碳排放目標下三個經濟增長率對應的碳排放約束，是根據全國平均的碳強度目標，分別設定高、中、低三檔，對應于不同的GDP增長率，并相應換算為碳排放數量。
碳強度目標，即哥本哈根會議提出的碳排放強度下降目標，它規定到2020年我國單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%-45%，由此我們可以計算每年碳強度約束指標。令碳排放強度I等于能源消耗所產生的二氧化碳總量C除以國內生產總值GDP，則公式表示為：
也就是說，按照哥本哈根會議碳排放強度下降目標，經過計算，我國國民經濟各個行業的總體碳排放量應減少在(5.93%，6.76%)的范圍內。為了更細致分析，取碳排放目標中間值，則碳排放強度降低指標有高(5.93%)、中(6.35%)、低(6.76%)三檔。為研究產業結構調整潛力，我們把GDP年增長率分為三種情景，即GDP增長率按照快速發展(9%)、正常發展(8%)和較慢發展(7.5%)三種情況，則可以得到碳排放總量和強度變化在不同的經濟增長率條件下的三種情景(見表1)。
2.產業結構調整潛力
我們研究這種產業結構調整對碳排放減少的影響。國家可以通過調整產業結構將碳排放系數低的產業在國民經濟中的比例提高，從而降低整個國家的碳排放量。產業結構調整反映了由于不同產業部門在國民經濟中的比例變化所帶來的整個國民經濟中二氧化碳排放量的變化。一種比較好的研究方法是通過投入產出方程將各部門之間(包括能源在內)的各種投入與國民經濟各部門的產出聯系起來。每個部門的產出對應于所消耗化石能源
排放的二氧化碳，用碳排放系數反映各個產業產出與二氧化碳排放的比例關系。發展中國家的產業結構變化很大。中國2009年三次產業國內生產總值比重是10.3∶46.3∶43.4，其中第一產業、第二產業國內生產總值總和為19.3萬億元，僅次于美國，超過日本。第一產業勞動生產率低下，第二產業主要采取高污染、高排放的方式，第三產業碳排放系數較低、利潤率較高。預計2020年中國GDP達到或者接近美國，各個產業將進一步調整，使得高排放的產業減少而低排放與促進產值增加的產業在國民經濟中的比例提高，進而使全國的總碳排放量減少。
我們分析在經濟增長速度達到預定目標的情景下，使得總碳排放量小于預定目標之各產業結構調整的潛力，以及這種產業結構調整所帶來的碳排放減少量。產業結構調整潛力是指現有產業結構中各個產業產值與優化產業結構各個產業產值的差異。通過設定產業結構調整的各種情景，在規定的減排情景下，不同行業的調整潛力是有差別的。產業結構調整潛力在此被定義為要達到減排目標，現有行業產值水平與實現排放約束后的產業結構優化產值之間的差距：負值表示該產業產值縮小潛力，即該產業產值向減少的方向調整;正值表示該產業產值擴大潛力，即該產業產值向增加的方向調整。潛力越大，說明該行業可以改進和優化的空間越大，絕對貢獻大;潛力越小，表明該行業可以改進和優化的空間越小，絕對貢獻小。實際行業減排潛力和結構調整潛力可以表示為：
3.能源—碳排放—經濟投入產出表編制
由于碳排放主要來自于能源消耗，不同品種的能源所排放的二氧化碳不同，而且不同行業所消耗的能源品種不同，因此我們編制了一個區分能源類型、真實反映不同行業能源消耗量和使用量的能源—碳排放—經濟投入占用產出表(見表2)。通過該表，我們可以研究在碳排放過程中分行業分品種能源消耗量，以及對應的二氧化碳排放量。根據該表我們可以計算分行業碳排放強度(單位國內生產總值二氧化碳排放量)，建立優化模型，測算分行業減排潛力。該表編制的主要困難在于各種類型能源的碳排放系數不同，而且電力和熱力等二次能源涉及一次能源的加工轉換問題。因此，編制能源品種劃分詳細的分行業能源—碳排放—經濟投入產出表。該表的最大優勢是可以通過投入產出技術，將經濟系統的價值量和不同品種能源消耗的實物量和碳排放實物量聯系起來，刻畫不同行業和不同能源品種的直接和間接的能源消耗和使用情況，以及直接和間接排放的二氧化碳數量。該表的編制方法參考了夏炎(2010)的能源—經濟投入占用產出表。
4.能源結構調整潛力
這里進行能源結構和效率變化對碳排放的影響研究。假設二氧化碳由各種化石能源產生，其碳排放量統一計量為標準煤所排放二氧化碳，則煤炭碳排放量最大，石油次之，天然氣最小;而可再生能源(包括生物燃料)，以及水電、太陽能、風能和地熱能發電等，不產生二氧化碳。計算能源活動的二氧化碳排放，需要通過能源消費量與二氧化碳排放量的轉移來實現。二氧化碳排放系數的估算，主要根據《IPCC(2006)溫室氣體排放清單》和國家統計局編制的《能源統計年鑒》中公布的計算公式和相關數據。
排放系數=含碳量×凈熱值×氧化率 (5)
由各行業的分品種能源終端消費可以得到實物型碳排放系數矩陣C，它表示為各行業對各類能源的單位產值的碳排放量，如能源—碳排放—經濟投入產出表中所示。
未來世界能源發展趨勢是減少化石能源的消耗，增加再生能源的比例，并且提高能源效率。預計2020年可再生能源在能源結構中的比例達到15%。2009年，中國是以煤炭消費為主的高碳排放的能源結構，煤炭占能源消費總量的70%，石油占17.8%，天然氣占2.9%，水電與核電等占8.3%。因此，可再生能源將從2009年的8.3%提升到2020年的15%，我們可以假設每年可再生能源提高比例為上一年度的5.4%。(30)假設每個部門所需要的可再生能源替代化石能源的比例是一致的，即投入產出假設中存在結構影響的部門間一致性。我們可以估算出新的分部門二氧化碳排放系數。我們研究的是：在保證經濟增長的條件下，為保障能源安全和保護環境而改變能源結構和提高能源效率對減少二氧化碳排放的潛力。
5.投入產出優化模型
我們在此建立投入產出優化模型。優化模型的目標是使國民生產總值最大化，約束條件包括投入產出數量關系式和碳排放約束以及其他資源約束和變量的上下界。
對模型的各約束解釋如下：投入產出方程表明各部門產出用于滿足各部門的中間需求、最終需求、進出口;目標減排約束可以統一設定為碳排放量約束的三種情況，經濟增長約束分別對應于表1中的三種情況。根據三種情景設定的碳排放總量減少率約束和經濟增長率約束，分別是模型(7)的m和r的系數值，這里的m表示本期GDP與基期相比的增長率，r表示本期碳排放量與基期相比的增長率，見表1中的三種情景下的碳排放總量(r)。第二個約束條件表明碳排放量需要小于情景中規定的碳排放量，即較基期碳排放量變動r比例。第三個約束條件表明經濟增長量需要大于情景中規定的經濟增長量，即較基期國民生產總值變動m比例。這樣，前三種情況就能保證碳排放強度在各種經濟增長率下低于哥本哈根會議承諾目標。這里需要注意的是，m和r之間具有互相制約的關系。例如，在情景一的條件下，在碳排放強度固定為減少5.93%的情況下，GDP增長率大于9%(這里m=9)，意味著碳排放量增長率小于2.53%(這里r=2.53)，反之亦然。因此，只需要其中一個約束條件就可以了。由于目標函數求GDP最大值，因此我們略去GDP約束。在這種情況下，給出的碳絕對量減排約束是0.4%，因此將對應于一個優化結果。雖然針對實際GDP增長率可以得到不同的碳排放強度約束，但是實際碳排放強度約束由目標函數(GDP)的最優值來確定。
可分別求解在三種情景下碳減排之產業結構的優化潛力，由優化模型的最優產出值確定產業結構調整潛力。
三、數據和研究結果
模型的數據基礎是我們編制的實物價值型中國能源—碳排放—經濟投入產出表。價值部分來自2007年中國投入產出表，計算各行業對應的能源和碳排放數據來自國家統計局編制的《能源統計年鑒》，利用2007年能源平衡表和工業分行業能源終端消費表可以編制該表的實物部分。這樣就得到15個部門的實
物價值型能源—碳排放—經濟投入產出表，部門分類如表3所示。根據該投入產出表，我們可以得到能源結構調整前后的碳排放系數，并且在此基礎上運用最優化模型得到15個產業的最優結構，將這個結構與原有的結構進行對比，我們可以知道每年如何進行產業結構調整，才能保證目標年度實現二氧化碳減排目標。
我們根據投入產出表可以計算能源結構變化前后的各個行業的二氧化碳排放系數，并將此與2007年各行業生產總值占整個國民經濟總產出的比例進行比較，在此基礎上研究優化的產業結構。優化模型的結果就是在保證二氧化碳排放系數與產業結構調整后的產值之和小于預定的二氧化碳排放約束的條件下，達到國民生產總值最大的各行業總產出。各行業的總產出占國民經濟總產出的比例與原有各產業總產值占全部總產出的比例之間的差距就是我們的產業結構調整方案的依據。
1.碳排放強度和現有產業結構
調整前的各個行業的二氧化碳排放強度與現有各行業的產出占總產出的比例如圖1所示。從圖1中我們可以發現，二氧化碳排放強度較高的基本上是重工業，如金屬加工及制品業(行業9)、建材及非金屬礦物制品業(行業8)和化工及醫藥制造業(行業7)，以及第三產業的交通運輸、倉儲及信息服務業(行業13)。查看調整前的產業結構，我們發現高科技行業如機械、電子設備及其他制造業(行業10)、金屬加工及制品業(行業9)，房地產、金融及其他服務業(行業15)的產出占總產出中的比例最高。這種產業結構決定了中國的二氧化碳排放減排潛力還有很大的空間。簡而言之，就是碳排放強度大的行業減少其產出在總產出中的比例，增加碳排放強度小的行業在總產出中的比例。但是我們是否應該完全按照碳排放強度從高到低的順序來減少其產業比例呢?根據我們前面的優化方法，可以看出，這只是應該考慮的約束條件之一，還需要考慮這個行業對國內生產總值的貢獻，所以不能完全對等地按照各個行業的碳排放強度大小來調整產業結構。
圖1 分行業碳排放結構和初始產業結構
注：碳排放強度單位是噸/元，初始產業結構的單位是百分比。
2.三種情景下的產業結構調整
我們分三種情景設定中國2020年的碳排放強度目標，分為高、中、低三檔，設定經濟增長率分別為9%、8%和7.5%，這樣總共9檔碳排放絕對量約束，然后分別設計各個行業的產業結構調整方案，結果如表4和表5所示。與表4相比，表5考慮了非化石能源占一次能源消費的比重達到15%的約束，即能源結構變化使得每年可再生能源提高比例為上一年度的5.4%。在這些方案中，正號表示該產業在總產出的比例調增，負號表示調減。
從分行業角度研究各個行業調整潛力，除了碳排放系數高的少數行業，如金屬加工及制品業外，大部分行業的產出都調增。碳排放系數較低的高科技行業和服務業應該最大幅度地調增其在整個國民經濟中的比例。在不考慮能源結構調整約束時，高科技行業如機械、電子設備制造業，應調增幅度最大，達到1.72%-1.85%，房地產、金融及其他服務業的調增幅度次之，應該調增1.17%-1.26%。在那些產出調增的部門中，隨著碳排放約束程度的加大與經濟增長速度的減緩，其調增程度也應加大。例如，機械、電子設備制造業，隨著碳排放約束從情景一，也就是碳排放強度年降5.93%，然后到情景三，也就是碳排放強度年降6.76%，在經濟增長率都為9%時，碳排放量絕對約束分別為2.53、2.08、1.63，這時該行業的產值占總產出的比例分別調增1.72%、1.74%、1.77%。對于經濟增長率分別為9%、8%和7.5%時，在碳排放強度約束年降5.93%時，該行業的產值占總產出的比例分別調增1.72%、1.77%和1.80%。對于碳排放系數較高的行業，其產出應該調減，調減最多的是碳排放系數高的重工業，如金屬加工及制品業，應調減8.13%-8.74%。該產業結構調減的部門，隨著碳排放約束從情景一到情景二，再到情景三，也就是碳排放強度年降5.93%，在經濟增長率都為9%時，碳排放量絕對約束分別為2.53、2.08、1.63，其產業結構分別調減8.13%、8.25%、8.37%。對于經濟增長率分別為9%、8%和7.5%時，在碳排放強度約束年降5.93%時，該行業的產業結構分別調減為8.13%、8.38%和8.50%。
考慮能源結構變化后，即非化石能源消耗年增5.4%的情況下，從分行業角度研究各個行業的調整潛力，結果發現情況與前面相似，只是增加或減少的幅度比前面小。首先看調增的部門，碳排放系數較低的高科技行業如機械、電子設備制造業，應調增幅度最大，達到1.4%-1.53%，房地產、金融及其他服務業的調增幅度次之，應該調增0.95%-1.04%。在那些產出調增的部門中，隨著碳排放約束程度的加大與經濟增長速度的減緩，其調增程度也加大。例如，機械、電子設備制造業，隨著碳排放約束從情景一，也就是碳排放強度年降5.93%，然后到情景三，也就是碳排放強度年降6.76%，在經濟增長率都為9%時，碳排放量絕對約束分別為2.53、2.08、1.63，其產業結構分別調增1.4%、1.42%、1.45%。對于經濟增長率分別為9%、8%和7.5%時，在碳排放強度約束年降5.93%時，該行業的產業結構分別調增為1.4%、1.45%和1.48%。對于碳排放系數較高的行業，其產出應該調減，調整最多的是碳排放系數高的重工業，如金屬加工及制品業，應調減6.62%-7.24%。該產業結構調減的部門，隨著碳排放約束從情景一到情景二，再到情景三，也就是碳排放強度年降5.93%，在經濟增長率都為9%時，碳排放量絕對約束分別為2.53、2.08、1.63，其產業結構分別調減6.62%、6.74%、6.86%。對于經濟增長率分別為9%、8%和7.5%時，在碳排放強度約束年降5.93%時，該行業的產業結構分別調減為6.62%、6.87%和7%。
四、結語
中國要履行哥本哈根會議承諾的碳排放義務，需要制定有效的政策來降低各個產業的二氧化碳排放，這需要根據各地的發展情況和產業結構的特點來確定。為了實現減排目標，中國對高排放的行業(如水泥)甚至采取拉閘限電的做法，這不僅削弱了生產力，而且導致相關產品成本劇增，因此有必要確定各行業的減排潛力。本文基于2007年中國能源—碳排放—經濟投入產出表建立了投入產出優化模型，從行業減排角度，按照哥本哈根會議談判的二氧化碳減排約束，假設經濟增長率分別為9%、8%和7.5%，測算各行業的產業結構調整潛力。實際上，我們可以發現，除了少數碳排放系數很高的行業外，大部分行業應該調整其產出
占總產出的比例，特別是應該大幅增加碳排放系數較低的高科技行業和服務業的產出，高科技行業如機械、電子設備制造業，應調增幅度最大，達到1.72%-1.85%，房地產、金融及其他服務業的調增幅度次之，應該調增1.17%-1.26%，如果考慮可再生能源比例提高的能源結構調整，則機械、電子設備制造業應調增1.4%-1.53%，房地產、金融及其他服務業調增0.95%-1.04%。而且這些行業產出調增幅度應隨著碳排放減少程度和經濟增長率減緩而加大。少數碳排放系數較高的重工業行業的產出應該調減，如金屬加工及制品業，調減8.13%-8.74%。值得注意的是，由于碳排放強度只是應該考慮的約束條件之一，還需要考慮這個行業對國內生產總值的貢獻，所以不能完全對等地按照各個行業的碳排放強度大小來調整產業結構。這些研究結果有助于相關部門在不損害經濟發展的前提下，確定各自的產業結構調整計劃，以實現碳排放減緩目標。
注釋：
①BP Statistical Review of World Energy, June 2011.
②IPGC, 2005 IPCC, "Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage," WTBX Intergovernmental Panel on Climate Working Group Ⅲ(Cambridge UK, Cambridge University Press, 2005).
③J. Whalley and R. Wigle, "Cutting Emissions: The Effects of Alternative Policy Approaches," The Energy Journal 12(1991): 109-124.
④Richels Manne, "The Kyoto Protocol: A Cost Effective Strategy for Meeting Environmental Objectives?" Energy Journal Special Issue on the Costs of the Kyoto Protocol: A Multi Model Evaluation, 1999. Peck, S. C., T. J. Teisberg. "CETA : A Model for Carbon Emissions Trajectory Assessment,” The Energy Journal 13.1(1992): 55-77.
⑤W. D. Nordhaus, and Z. Yang, RICE, A Regional Dynamic General Equilibrium Model of Optimal Climate-Change Policy(New Haven, Conn.: Yale University and Massachusetts Institute of Technology, 1995).
⑥S. C. Peck, and T. J. Teisberg, "CETA: A Model for Carbon Emissions Trajectory Assessment," The Energy Journal 13.1(1992): 55-77.
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(30)計算過程為：(2020-2009)-1=5.4%。
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