碳排放与城市化关系的实证统计研究
关海玲，博士，副教授，主要研究方向为资源环境管理、产业经济，北京林业大学林学院（北京 100083）；太原科技大学经济与管理学院（山西 太原 030024）；陈建成，北京林业大学经济与管理学院（北京 100083）；曹文，山东财经大学财政税务学院（山东 济南 250014）。
随着人类社会的不断进步和工业化水平的不断提高，气候变化问题已成为人类关注的焦点。全球气候持续变暖已经严重威胁到人类的生存和健康，同时也已经并正在产生着一系列的严重后果，这些后果不仅仅局限于正在频发的各种自然灾害，同时由于各国或不同利益群体之间因之而产生的利益分歧及对损失的规避等一系列的行动，均可能进一步引起国家之间尖锐的经济、政治冲突。而城市既是及其它温室气体的排放源，又是减排的重点领域。传统的城市发展模式具有“高消耗、高排放、高污染”的特征，在未来的经济社会发展中必然面临着越来越严峻的能源稀缺、气候变化和温室气体减排的压力等诸多全球化的挑战[1]。纵观近两百多年的城市发展，可以看出，人类的生态环境问题无论在规模上还是在危害程度上越来越严重，已从点源污染发展为目前大范围、大规模的生态环境问题，这一切引起了全球碳平衡的失调，进而抬升了全球的温度。同时生态环境问题的全球化使得当前城市竞争也在日趋生态化，探求城市发展的生态之路成为新一轮城市竞争的关键。2009年12月在哥本哈根气候变化峰会上再一次将全球的目光聚焦到的排放和环境问题。中国的气候变暖趋势与全球基本一致，平均气温和极端天气发生的频率都在不断升高，《中国应对气候变化国家方案》指出，近百年来，中国的年平均气温升高了0.5℃-0.8℃，略高于同期全球增温平均值，近50年来，中国沿海海平面年平均上升2.5 mm，略高于全球平均水平[2]。这些数字都告诉了我们一个严峻的事实：全球变暖正在威胁着人类赖以生存的地球;城市化、碳排放、气候变化三者正以一种危险的方式交织在一起。因此，研究气候变化条件下碳排放和城市化之间的关系，引导城市以一种节约资源、减少碳排放量、最大限度地维系生态环境格局的模式来建设和发展，是唯一可行的缓解发展与生存矛盾、优化城镇化与生态环境关系的路径。
1 气候变化对城市化的影响
全球气候变化对城市化的影响是全方位、多层面的，它可能会影响到城市的生产生活、生态系统、能源供给，还可能会扰乱当地经济并使城市居民遭受生计和财产损失，甚至还可能导致大规模的人口迁移。尤其是极端天气对全球各地的城市会产生明显的影响，很多变化通过气候影响的累积效应显露出来，并且已经进入到人们的现实生活中。全球气候变化对城市的影响集中体现在以下几方面：
首先，对城市基础设施的影响。全球气候变化对城市中由建筑、道路、排水系统等构成的基础设施会产生直接的影响，如酸雨会腐蚀城市的基础设施建设，在低海拔的沿海地带，这种影响尤为严重。城市就是一个能源和相关资源的高需求中心。气候变化很可能会影响能源需求和供给两方面，再加上城市人口增长的压力、当地天气条件改变、城市热岛效应的影响以及经济增长等因素，都可能会切实增加对能源的需求。
其次，对经济活动的影响。气候变化能影响一系列广泛的经济活动。主要涉及农业、工业、旅游业和保险业。尤其是近年来，极端气候事件的频发使得城市经济资产变得脆弱不堪，继而增加了商业成本。一方面，表现为对农业的影响。全球变暖带来干旱、缺水、灾害、热浪及气温剧变。近几年，极端气候事件对中国经济社会造成的损失极其惨重。2008年1月中国南方大部分地区和西北地区东部出现了建国以来罕见的持续大范围低温、雨雪和冰冻的极端天气，造成农作物受灾面积达1186.7万hm[2]，因灾死亡畜禽6956万头(只)，水产养殖受灾面积97万hm[2]，部分设施损毁严重。另一方面，气候变化对工业的直接影响包括建筑、基础设施和其他资产的损毁以及由于气候影响而造成的交通、通讯和电力设施的延误和破坏。同样，气候变化还可能会造成地区性的季节改变，进而改变与季节相关的休闲娱乐业商机和旅游设施。尤其对于那些以旅游业为主要收入来源的城市，当地经济可能会遭受严重的损失，并且可能导致失业率上升。
再次，对社会生活的影响。全球气候变化对社会不同群体的影响程度是不同的，比如被边缘化的少数族群、妇女、儿童、青年及老人。极端气候的变化加剧了种族和性别间的不平等，贫困的少数族群和妇女更容易受到影响，如此下去，就会形成一个贫困的恶性循环，即被边缘化的少数族群承担了气候变化的更多风险，承担过多的风险又让他们难以脱贫，使得他们在面临未来的气候变化时继续成为易受灾人口。此外，由于极端气候变化会引起生态环境恶化、旱灾和海平面升高迫使人员永久地迁移，结果推动了国内和国际移民潮。据有关资料估计，2008年仅突发性自然灾害就导致了3千万人口的重新安置。预计到2050年，因气候变化引起的人口安置量将达到2亿人。
最后，对生态系统的影响。全球气候变化是造成生态系统服务衰退的关键因素，这一事实已经得到了全社会公认。生态系统服务主要包括供给服务(如提供食物和水)、调节服务(如控制洪水和疾病)、文化服务(如精神、娱乐和文化收益)以及支持服务(如维持地球生命生存环境的养分循环)。人类的过度开发、生态污染及湿地破坏等都可能致使这些生态系统服务受损。城市化规模的扩大增加了居民对自然资源的需求，迫使生态系统服务中那些能够使人类社会受益的环境处理流程出现明显的改变。
与此同时，城市化的进程中也产生了一系列的负面效应，如城市化推动了全球温度的升高。在经济合作与发展组织(OECD)发表的《城市与气候变化》的报告中指出，与农村地区相比，城市中存在着大量的混凝土和沥青以及像工厂机器、家用电器和城市照明等设备发出的余热，同时，大面积的城市建筑使得城市绿地生态系统破坏，进一步加剧城市的热岛效应，使得年平均温度往往比农村地区高出3.5℃-4℃，并且，这一差值预计会每10年升高1℃。
2 碳排放与城市化的关系
城市在应对全球气候变化和温室气体减排方面发挥着决定性的作用[2]。城市不仅是温室气体排放的主要源头和绝对主体，同时也受到气候变化的严重影响。由于城市人口、资源和基础设施相对集中，气候变化的不利影响最可能出现在城市地区
[4-9]。
2.1 不同类型城市碳排放情况
不同类型的城市由于能源消耗、人口规模以及城市发展程度不同，碳排放的情况也有所不同。从碳排放的源头来看，城市是人口、建筑、交通、工业、物流的集中地，也是高耗能、高碳排放的集中地。从终端使用的角度看，碳排放的来源可以分为产业、居民生活和交通[10]。大量研究文献证实，城市碳排放量大约占全球碳排放的75%-80%[11]。
(1)重工业城市的碳排放情况。重化工业是资金和知识含量都较高的基础原材料产业。我国的重化工业城市主要分布在四个地区，即以上海、南京、杭州为中心的沪宁杭工业基地;以北京、天津、唐山为主的京津唐工业基地;以沈阳、抚顺、鞍山、本溪、大连为中心的辽中南工业基地;以重庆、德阳为主的西南工业基地。由于重工业部门占GDP的比重较大，其碳排放量占碳排放总量的84%以上，单位GDP排放强度高于农业和服务业。按照国际能源署(IEA)的部门划分，电力和热力工业碳排放比重占总量的将近一半，是目前中国碳排放量的最高部门。其次是制造业和建筑业，占比重的31.2%。不同产业部门碳排放所占的比重见图1。
图1 国内不同产业部门的碳排放比重(%)
(2)轻纺工业城市的碳排放情况。轻纺工业是生产消费资料的工业部门，是国民经济的重要组成部分，也是国家积累资金和出口创汇的重要生产部门。我国的轻纺工业相对集中在沿海地区，其中上海和江苏是中国大型纺织工业基地和最主要的纺织品出口基地[12]。江苏的纺织生产业主要集中在无锡、常州、苏州、南通(见图2)。
图2 国内主要轻纺工业城市碳排放情况
(3)商业文化城市的碳排放情况。商业文化城市，是指区域性商业和文化活动的中心城市，各种商业和文化活动占据了城市生活的主导地位，对周边地区的商业和文化活动具有较大的集聚、引导和辐射效应。其碳排放情况主要体现在商业、文化活动、居民日常生活和旅游观光方面，主要是消费性排放为主。目前国内主要的商业文化城市有北京、上海、天津、成都、南京、广州、深圳、杭州、苏州和西安等，其碳排放量见表1。
由于居民日常的碳排放主要集中于生活能源的消费，通过计算可知，2010年北京、上海两个城市的平均生活能耗为743.5和631.62 kg标准煤，远远高于全国平均水平。此外，由于在生产、生活以及建筑、交通方面的高能耗的驱动，上海的能源消费总量在全国城市中名列前茅。从排放的平均增长率来看，“九五”以来，北京、天津、上海市有不断加快的趋势，重庆自“十一五”以来增速放缓。而在“十二五”期间，北京、天津碳排放的多年平均增长率增长较快。
2.2 城市化对碳排放的影响
城市既是重要的碳排放源之一，但同时也具有较高的碳排放效益。人类的整个进化和发展过程实际上就是城市化的过程。尽管全球城市面积仅占地球表面积的2%，但全世界人口中约有50%以上居住在城市，城市消耗了全球能源消耗量的75%，排放的温室气体占全球所产生的温室气体的80%左右。根据美国的相关资料表明，城市建筑物排放的约占总量的39%，交通工具排放的约为33%，工业排放的约为28%。这决定了城市成为能源消耗的主体。
自1800年以来，全球碳排放量和城市化水平一直在同步稳定增长，并且均有加快的趋势(见图3)，可以说城市化与碳排放之间存在着高度的相关性。
图3 全球碳排放量增长与城市化水平发展轨迹比较
首先，从生产方式来看，随着城市化和工业化的发展，能源消耗的增长对气候及碳排放有很大的影响。尤其是由人类活动引起的温室气体排放量所占比例高达50%-70%。此外，用地扩张，人口膨胀，工业的迅猛发展，基础设施的完善，生产生活方式的无节制等在推动城市化进程的同时，也使得碳排放量急剧增加。其次，从消费方式来看，随着城市化、工业化的快速发展，在给人类生活带来极大物质满足的同时，也导致居民长期的消费惯性对能源的高消耗产生依赖。由此可以看出，城市是排放和其它温室气体的排放源，是减排的重点领域。
3 城市化与碳排放关系的实证
3.1 变量的选择及说明
本文在借鉴前人研究成果的基础上，根据中国城市化发展过程中，排放及其他气体排放的实际情况，选择城市化率及碳排放量为主要指标。
(1)城市化率。城市化是一个涉及人口、空间、经济社会转换等的动态过程，目前学术界普遍采用人口比重指标法，即用城市人口占总人口的比重来衡量城市化水平。本文也将采用这一指标来衡量我国的城市化水平，记为U。
(2)碳排放量。对碳排放量本文采用以下公式进行估算：
以上指标所用到的全部数据来源于《中国统计年鉴》、《中国能源统计年鉴》、《中国区域统计年鉴》，数据年度为1980-2011年。
3.2 实证分析与结果
在构建计量模型之前，需要对时间序列的平稳性进行检验。为了检验城市化率与碳排放量是否具有协整关系，本文采用协整检验和Granger因果关系检验。由于二者均要求时间序列为平稳序列，而一般时间序列都是非平稳的，因此需要先对时间序列数据的平稳性进行检验。为了消除原始数据可能存在的异方差，本文对城市化水平和碳排放数据均做了取对数处理，分别记为lnU和lnC，在对lnU和lnC进行单位根检验时，若是平稳系列，可直接进行因果关系检验;若是非平稳序列，就需要对二者进行协整关系检验，在此基础上，再进一步检验它们之间的因果关系，并构建模型进行估计。
(1)平稳性检验。为了确保估计结果的有效性，本文首先通过Eviews 6.0对lnU和lnC的对数和一阶差分序列的时间路径图进行平稳性检验。
(2)单位根检验。首先对lnU和lnC数据序列及其差分序列进行平稳性检验，其差分序列分别记为ΔlnU和ΔlnC。ADF(Augmented Dickey-Fuller)单位根检验结果表明：
lnU和lnC序列的ADF检验在各个显著性水平下都是非平稳的，而其一阶差分则是平稳序列，ΔlnU和ΔlnC的ADF检验值在各显著性水平下都小于其临界值，ΔlnU的ADF检验值小于5%置信水平的临界值，所以它们是一阶单整序列，此时，即可对lnU及lnC进行协整分析。
为进一步判断变量之间是否存在协整关系，采用AEG检验法，通过OLS进行协整回归，其标准化协整方程为：
对残差进行的单位根检验结果表明：
残差序列的ADF检验值小于5%水平的临界值，所以残差序列是平稳的。因此，lnU和ln
C存在协整关系。由此可知，我国碳排放量与城市化水平之间存在长期稳定的均衡关系，且从长期来看，改革开放以来我国城市化水平对碳排放水平的弹性系数为1.643，即城市化水平每增长1%，碳排放量将相应地增长1.643%，说明城市化是导致我国碳排放量增长的一个重要因素。
(3)Granger因果关系检验。上述单位根检验揭示了我国碳排放与城市化水平之间的动态关系，但它们是否具有经济意义还需借助Granger因果检验[12]。Granger因果关系检验可用来分析变量之间的相关关系，判断一个变量的变化是否是另一个变量变化的原因。Granger因果关系检验结果见表2。
分析结果可知，在滞后期分别为1和2的情况下，接受“LNY does not Granger Cause LNX”的原假设，即碳排放不是城市化的Granger原因;拒绝“LNX does not Granger Cause LNY”的原假设，即城市化是碳排放的Granger原因。
通过以上分析，可以得出以下结论：
(1)城市化水平与碳排放量呈正相关关系，两者的相关系数为0.9752。单位根检验结果表明，我国碳排放与城市化水平之间存在长期稳定的均衡关系，研究结果表明，改革开放以来我国城市化水平对碳排放水平的弹性系数为1.643，说明城市化是导致我国碳排放量增长的一个重要因素。
(2)Granger因果检验表明，城市化是碳排放量持续增长的Granger原因，而碳排放却不是城市化水平提升的Granger原因。这说明城市化是碳排放持续增长的原因，而碳排放不是城市化的推动因素。因此，我国在推进城市化进程中应注重转变经济发展方式，调整产业结构，大力发展低碳产业，积极推进资源节约型和环境友好型社会建设，在推进城市化的同时达到节能减排的战略目标，实现我国低碳生态城市的可持续发展。
(3)建设低碳城市是碳减排、减缓气候变化的重要途径。鉴于碳排放量和全球平均气温不断增加的事实，建设低碳城市、促进城市发展和环境保护的和谐共进已经日益成为全世界发展模式转变的迫切选择。降低碳排放，加强碳管理与经济发展并不矛盾，完全可以在提高人们生活水平的同时通过采用低碳强度的交通系统、使用清洁能源和新能源、调节城市规划、土地和交通基础设施、塑造健康文明的消费文化等措施来实现城市U型反转，即从城市发展初期的低碳到现在的高碳，再到未来的低碳，最终实现可持续发展，缓解城市化对全球变暖的影响[13-15]。
4 结论与对策建议
4.1 研究结论
本文研究了1980-2010年间我国城市化水平与碳排放之间的关系，协整检验的结果表明我国城市化水平与碳排放量之间存在长期稳定的均衡关系。Granger因果检验表明，城市化是碳排放量持续增长的Granger原因，而碳排放却不是城市化水平提升的Granger原因;碳排放是气候变化的重要成因之一，城市在气候变化的过程中扮演着十分重要的角色，城市不仅是重要的碳排放源地，又是减排的重点领域;最后提出建设低碳城市是节能减排、减少气候变化的重要途径。
4.2 对策建议
(1)加强国际合作，普及先进的低碳技术，以提高各国应对气候变化的能力。借鉴国外先进经验及技术，促进城市的发展，适应气候变化。适应气候变化和如何实现城市的低碳化发展是当前城市要实现发展和转型的两大问题，其关键就是如何做到两者兼顾。在节能减排方面，中国可以借鉴和采用国外的很多经验和做法，如出台相关鼓励政策，加强与智能电网结合等措施来鼓励城市发展太阳能产业，减缓城市的碳排放;制定鼓励使用清洁能源的经济、技术政策，推广使用清洁能源，改善城市能源结构，提高城市天然气、煤气、液化气等能源的使用比例;积极引进、研发清洁生产技术，优先发展符合中国城市经济发展需要的适用技术。
(2)明确城市发展战略，优化城市产业结构。从现实情况看，我国城市当前的发展战略定位还有待进一步明晰，要强化城市金融中心、以高端服务业为主的战略定位。同时，在已有产业结构相对稳定的情况下，在各产业大力推广低碳技术。一方面政府可以通过技术推动型政策降低企业技术创新的成本，包括对于知识交流效率的提升;完善财政、税收、价格、金融等政策措施;健全管理体系和监督实施机制;加大在财政和科技方面的支持力度。另一方面则可以通过需求拉动型政策来保证企业技术创新的回报，如知识产权的保护、授权与标准管制等。
(3)应对全球变化所带来的问题，要求人类用低碳城市规划寻求城市发展的低碳化和适应性方向，探索面向可持续发展的低碳城市运行模式。建设低碳城市是抢占科技制高点、控制城市高碳产业发展速度和发展绿色生产力的需要。低碳城市建设是一种以良好生态环境为基础的科学发展模式，在低碳城市建设过程中要紧紧围绕低碳发展这条主线，同时以城市生态化发展理念为指针，在城市发展中有效地逐步降低资源消耗和减少碳排放，在适应环境限度内实现资源环境负荷从超载向适度承载转变，创建人与自然和谐的城市。因此，要从国情和区域实际出发，制订应对气候变化的方案。不断优化能源结构，实施鼓励节能、提高能效等政策措施，发展清洁能源和低碳能源，不断增加应对气候变化科技研发投入，努力减缓温室气体排放，增加森林碳汇，提高适应能力。
(4)提高全民节能减排的意识，提倡低碳化的生活方式。向全民普及低碳、环保、节能、减排的相关知识，通过多种方式有重点地引导居民消费习惯的转变。推行节约消费需要全社会力量的积极参与，一方面通过政府购买及政府消费等方式，优先选用绿色产品、再生产品，制止资源过度消耗和奢侈消费现象;另一方面，鼓励消费者选用资源节约型产品、倡导社会循环式消费，努力实现废弃物资源化、减量化、无害化，逐步形成节约型消费方式;通过各种媒体介绍节能减排、气候变化和居民日常生活的关系以及由于气候变化所带来的短期和长期影响;号召公众从生活的各方面进行节能减排，减少温室气体的排放;鼓励公众监督各种浪费行为和违法排放;通过全民参与行动，将国家政策变为每个公民的自觉行动。
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