中國(guó)水運(yùn)業(yè)碳排放影響因素分解與達(dá)峰情景預(yù)測(cè)

中國(guó)目前是全球溫室氣體排放量最大的國(guó)家，面臨巨大的減排壓力和挑戰(zhàn)。作為碳排放大國(guó)，黨的二十大報(bào)告中指出要“積極穩(wěn)妥推進(jìn)碳達(dá)峰碳中和”。水運(yùn)業(yè)具有的覆蓋面寬和高度國(guó)際化的特殊性，使得其碳減排問(wèn)題暫未納入聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約內(nèi)，僅在國(guó)際海事組織（IMO）的主導(dǎo)下開(kāi)展減排行動(dòng)。IMO統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2022年全球水運(yùn)業(yè)年碳排放量約10億噸，約占全球碳排放總量的3%。如果把整個(gè)水運(yùn)業(yè)看作一個(gè)國(guó)家，它的碳排放體量居全球第六位。水運(yùn)業(yè)是我國(guó)綜合運(yùn)輸體系的重要組成部分，交通運(yùn)輸部最新數(shù)據(jù)表明，2022年我國(guó)港口貨物吞吐量完成156.85億噸，港口集裝箱吞吐量完成2.96億標(biāo)箱，兩者均位居世界第一位。面對(duì)溫室氣體減排的國(guó)際壓力，我國(guó)水運(yùn)業(yè)正在積極發(fā)展和應(yīng)用各種減排措施，以實(shí)現(xiàn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展，但尚未就如何實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排的初步戰(zhàn)略目標(biāo)而形成明確的技術(shù)路徑。

1  文獻(xiàn)綜述

已有關(guān)于水運(yùn)業(yè)碳排放的相關(guān)研究主要圍繞三個(gè)方面展開(kāi)。首先是水運(yùn)業(yè)碳排放總量核算。通過(guò)文獻(xiàn)分析目前常用的水運(yùn)業(yè)碳排放核算主要包含兩種方法：第一種方法為以能源消耗為核心的“自上而下”法，另一種是以出行數(shù)據(jù)為核心的“自下而上”法。其次是水運(yùn)業(yè)碳排放影響因素分析。從研究結(jié)論來(lái)看，馬雪菲等認(rèn)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與能源強(qiáng)度分別是最大的促碳和減碳因素，而王勇等認(rèn)為運(yùn)輸規(guī)模是影響水運(yùn)業(yè)碳排放的重要因素，除此之外，運(yùn)輸結(jié)構(gòu)、碳排放強(qiáng)度、能源效率等也被認(rèn)為是影響水運(yùn)業(yè)碳排放變化的關(guān)鍵因素。最后是水運(yùn)業(yè)碳排放預(yù)測(cè)研究。針對(duì)碳排放量預(yù)測(cè)模型與情景分析研究，學(xué)者們提出了多種建模思路。周玲玲等通過(guò)情景分析建立中國(guó)國(guó)際海運(yùn)CO₂排放量預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)了中國(guó)2010~2050年國(guó)際海運(yùn)CO₂排放量。曾德芳采用LEAP模型構(gòu)建長(zhǎng)江航運(yùn)2017~2047年預(yù)測(cè)框架，通過(guò)四種情景預(yù)測(cè)能源消耗及碳排放情況。當(dāng)“3060”戰(zhàn)略規(guī)劃提出后，部分學(xué)者將研究的視角集中到關(guān)于水運(yùn)業(yè)碳排放達(dá)峰研究中。例如，廖兵兵對(duì)我國(guó)航運(yùn)二氧化碳?xì)v史排放情況進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)如何開(kāi)展“雙碳”目標(biāo)提出了建議和對(duì)策。李虎立足實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的方式，闡述電動(dòng)船舶對(duì)交通行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的重要作用和意義。

綜上所述，已有文獻(xiàn)中，針對(duì)水運(yùn)業(yè)碳排放的研究主要集中在碳排放核算和影響因素分析方面，對(duì)碳排放預(yù)測(cè)的研究相對(duì)較老，可能與現(xiàn)階段的實(shí)際情況不符，且缺少對(duì)中國(guó)整體水運(yùn)業(yè)碳排放趨勢(shì)的分析。另一方面，針對(duì)水運(yùn)業(yè)碳達(dá)峰的研究多為從宏觀層次分析水運(yùn)業(yè)碳排放現(xiàn)狀及趨勢(shì)，進(jìn)而提出減排路徑，缺乏采用實(shí)際數(shù)據(jù)支撐的實(shí)證研究。因此，本文基于排放因子法核算中國(guó)水運(yùn)業(yè)2001~2020年CO₂排放量；在此基礎(chǔ)上，建立LMDI分解模型，識(shí)別水運(yùn)業(yè)碳排放的影響因素；最后通過(guò)擴(kuò)展的STIRPAT模型，并結(jié)合最新國(guó)家相關(guān)政策目標(biāo)，預(yù)測(cè)不同情景下中國(guó)水運(yùn)業(yè)的碳排放的峰值和達(dá)峰時(shí)間，以期為制定高效低碳的水運(yùn)業(yè)發(fā)展政策提供科學(xué)依據(jù)。

2  研究方法及數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1  水運(yùn)業(yè)碳排放總量核算

考慮數(shù)據(jù)的可得性，本文采用以運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量為基礎(chǔ)的“自上而下”的計(jì)算方法來(lái)計(jì)算我國(guó)水運(yùn)業(yè)能源消耗和二氧化碳排放量。計(jì)算公式如下：

E表示水運(yùn)業(yè)的能源消費(fèi)量，i=1,2分別表示內(nèi)河運(yùn)輸和海洋運(yùn)輸，表示第i類(lèi)運(yùn)輸方式的能源消費(fèi)量，表示第i類(lèi)運(yùn)輸方式的貨物周轉(zhuǎn)量，表示第i類(lèi)運(yùn)輸方式的單位周轉(zhuǎn)量能耗，C表示水運(yùn)業(yè)的碳排放量，表示第i類(lèi)運(yùn)輸方式的碳排放量，表示第i類(lèi)運(yùn)輸方式下的能源折算標(biāo)準(zhǔn)煤參考系數(shù)，表示運(yùn)輸方式i中所消耗燃料的碳排放系數(shù)。

2.2  LMDI分解模型

本文在Kaya恒等式的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)水運(yùn)業(yè)的實(shí)際情況，選取適合于水路運(yùn)輸碳排放的分解因子對(duì)Kaya恒等式進(jìn)行擴(kuò)展。

C表示水路運(yùn)輸碳排放總量，表示運(yùn)輸方式的碳排放量，表示運(yùn)輸方式的能源消耗量，表示運(yùn)輸方式i的貨物周轉(zhuǎn)量，T表示水路貨物周轉(zhuǎn)總量，GDP表示中國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（以2001年為不變價(jià)），P表示人口規(guī)模，表示運(yùn)輸方式i中所消耗燃料的碳排放系數(shù)，為運(yùn)輸方式i的單位周轉(zhuǎn)量能耗，為運(yùn)輸方式i所占的比重，TI為單位GDP水路貨物周轉(zhuǎn)量，A是人均GDP，P是人口總量。

2.3  拓展的STIRPAT模型

York等在IPAT模型基礎(chǔ)上提出STIRPAT模型，其標(biāo)準(zhǔn)形式所示：

，I表示環(huán)境指標(biāo)；P、A、T分別表示人口規(guī)模、富裕程度和技術(shù)水平；a 為模型的系數(shù)； b 、c、 d 為變量的系數(shù)； e 為隨機(jī)誤差項(xiàng)。為了降低模型異方差的影響，將兩邊取對(duì)數(shù)，得到所示：

利用擴(kuò)展的STIRPAT模型可以對(duì)未來(lái)碳排放進(jìn)行預(yù)測(cè)，本文從人口、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和水運(yùn)四個(gè)維度對(duì)STIRPAT模型進(jìn)行擴(kuò)展。擴(kuò)展后的表達(dá)式如下：

P為人口規(guī)模；A為人均GDP；ET為單位周轉(zhuǎn)量能耗；S表示運(yùn)輸結(jié)構(gòu)；TI表示運(yùn)輸強(qiáng)度；F表示貨運(yùn)量。β_1~6表示各變量的回歸系數(shù)。

2.4  數(shù)據(jù)來(lái)源

本文選取的2001~2020年的人口總量和GDP均來(lái)自于歷年的《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》，為保證數(shù)據(jù)的可比性，以2001年數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，剔除價(jià)格因素對(duì)變量產(chǎn)生的影響。各運(yùn)輸方式的貨物周轉(zhuǎn)量和貨運(yùn)量來(lái)自于歷年的交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，折算標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)來(lái)源于《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》，在碳排放系數(shù)確定標(biāo)準(zhǔn)上，本文選取 IPCC 作為標(biāo)準(zhǔn)。營(yíng)運(yùn)船舶單位運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量能耗參考邢輝等和交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)?？紤]到中國(guó)水路運(yùn)輸中主要是貨運(yùn)，客運(yùn)占比較低，因此本文中水路運(yùn)輸主要是指水路貨運(yùn)。

3  研究結(jié)果分析

3.1  碳排放量測(cè)算

由計(jì)算得到2001~2020年中國(guó)水運(yùn)業(yè)碳排放量，結(jié)果所示。2001~2020年，中國(guó)水運(yùn)業(yè)碳排放總量整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，從2001年的2536.38萬(wàn)噸增加到2020年的10083.14萬(wàn)噸，年平均增長(zhǎng)8.09%。2004年開(kāi)始，世界經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁復(fù)蘇態(tài)勢(shì)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入新一輪增長(zhǎng)周期，全國(guó)水路運(yùn)輸形勢(shì)持續(xù)向好，我國(guó)水運(yùn)碳排放量明顯增加。但受全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響，2008年我國(guó)水運(yùn)業(yè)碳排放量出現(xiàn)“斷崖式”下跌，隨后持續(xù)走高。2015~2019年，受?chē)?guó)家鼓勵(lì)老舊運(yùn)輸船舶提前報(bào)廢更新政策和設(shè)立船舶大氣污染排放控制區(qū)等影響，水運(yùn)業(yè)碳排放水平逐漸趨于平緩。2020年，新冠肺炎疫情擾亂了全球的供應(yīng)鏈和貨流，導(dǎo)致我國(guó)水運(yùn)業(yè)運(yùn)量需求總體不振，間接造成了該年水運(yùn)業(yè)碳排放量較前一年跌0.3%。

3.2  碳排放情景預(yù)測(cè)分析

3.2.1  回歸結(jié)果分析

在進(jìn)行線性回歸分析時(shí)，很容易出現(xiàn)自變量共線性問(wèn)題，導(dǎo)致模型結(jié)果出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。經(jīng)過(guò)多重共線性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，6個(gè)變量的VIF值均大于10，這表明變量間存在嚴(yán)重的共線性，數(shù)據(jù)分析的結(jié)論并不可靠。為了消除變量之間的多重共線性問(wèn)題，保證模型預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性，采用嶺回歸分析STIRPAT模型。嶺回歸是一種改良的最小二乘法，其放棄最小二乘法的無(wú)偏性，通過(guò)引入k個(gè)單位陣，使得回歸系數(shù)可估計(jì)，以損失部分信息為代價(jià)來(lái)尋找效果稍差但回歸系數(shù)更符合實(shí)際情況的模型方程。通過(guò)觀察R²和K的關(guān)系以及嶺跡圖，當(dāng)K=0.16時(shí)，嶺跡圖趨于平穩(wěn)，此時(shí)自變量系數(shù)在顯著性為5%的水平下通過(guò)方差檢驗(yàn)，方差結(jié)果顯示F= 288.633，sig F為0.000，小于0.01，通過(guò)1%的顯著性水平檢驗(yàn)，證明模型的建立效果比較理想，進(jìn)而得到水運(yùn)業(yè)碳排放的嶺回歸方程。

3.2.2  歷史數(shù)據(jù)擬合

本文根據(jù)模型對(duì) 2001~2020 年中國(guó)水運(yùn)業(yè)二氧化碳排放量進(jìn)行模擬，具體結(jié)果所可看出，歷史值與模擬值曲線擬合度高，2001~2020 年中國(guó)水運(yùn)業(yè)二氧化碳實(shí)際排放量與模擬數(shù)值的平均相對(duì)誤差為3.23%。因此，采用模型對(duì)未來(lái)中國(guó)水運(yùn)業(yè)碳排放量進(jìn)行預(yù)測(cè)是準(zhǔn)確且可靠的。

3.2.3  碳達(dá)峰情景設(shè)定

為探究中國(guó)水運(yùn)業(yè)“碳達(dá)峰”前景，本文基于STIRPAT拓展模型，將擴(kuò)展后的六個(gè)變量分為經(jīng)濟(jì)因素和減排因素兩類(lèi)。其中經(jīng)濟(jì)因素包括人口規(guī)模、人均GDP和貨運(yùn)量，減排因素包括單位周轉(zhuǎn)量能耗、運(yùn)輸結(jié)構(gòu)和運(yùn)輸強(qiáng)度。經(jīng)濟(jì)因素設(shè)定低、中、高三種增長(zhǎng)模式，減排因素設(shè)定低、中、高三種減排模式，并將經(jīng)濟(jì)和減排兩類(lèi)因素的不同模式進(jìn)行組合，可以得到9種發(fā)展情景。

按照國(guó)家五年計(jì)劃制定的特點(diǎn)，參照《世界人口展望2022》、《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》、《水運(yùn)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》、《內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展綱要》以及《水運(yùn)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》等相關(guān)政策規(guī)劃，以5年為周期對(duì)不同經(jīng)濟(jì)變量和減排變量的變化率進(jìn)行調(diào)整，以此反映未來(lái)水運(yùn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。各種情景的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 不同經(jīng)濟(jì)模式和減排模式下各影響因素變化情況設(shè)置

3.2.4  碳達(dá)峰趨勢(shì)分析

本文基于中國(guó)水運(yùn)業(yè)碳排放預(yù)測(cè)模型，結(jié)合9種情景設(shè)置，計(jì)算出不同情景下中國(guó)水運(yùn)業(yè)2021~2035年的碳排放量，并得出不同情景下中國(guó)水運(yùn)業(yè)碳達(dá)峰趨勢(shì)。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，9種情景下中國(guó)水運(yùn)業(yè)碳排放峰值大有差異，且達(dá)峰時(shí)間也不統(tǒng)一。

由圖3可以看出當(dāng)發(fā)展模式不變時(shí)，隨著減排力度的加大，中國(guó)水運(yùn)業(yè)碳排放量增長(zhǎng)速度明顯放緩，碳達(dá)峰高度和時(shí)間明顯下降和提前，達(dá)峰后碳排放量下降速度顯著加快。這說(shuō)明優(yōu)化運(yùn)輸結(jié)構(gòu)、提高運(yùn)輸效率、降低運(yùn)輸能耗能夠有效降低碳排放量，提前碳達(dá)峰時(shí)間。對(duì)比不同發(fā)展模式的不同方案，情景3、情景6、情景8和情景9均可以在2035年將水運(yùn)業(yè)碳排放量控制在10000萬(wàn)噸以下，但情景3和情景8的碳排放達(dá)峰時(shí)間晚于情景6和情景9，峰值也明顯更高，因此情景6和情景9優(yōu)于情景3和情景8?？紤]到情景9處于低增長(zhǎng)發(fā)展模式，在此模式下，我國(guó)將會(huì)面臨勞動(dòng)力不足，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度緩慢等問(wèn)題，這與我國(guó)發(fā)展目標(biāo)不符，因此情景6被認(rèn)為是最可能符合我國(guó)水運(yùn)業(yè)碳排放的達(dá)峰路徑，即在經(jīng)濟(jì)社會(huì)保持穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)下，加大對(duì)減排技術(shù)、政策和資金的扶持，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)雙贏。 

4  結(jié)論與建議

4.1  研究結(jié)論

本文基于2001~2020年中國(guó)水運(yùn)業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)，核算了中國(guó)水運(yùn)業(yè)歷史碳排放量，對(duì)中國(guó)水運(yùn)業(yè)碳排放影響因素進(jìn)行了分析，并預(yù)測(cè)了中國(guó)水運(yùn)業(yè)未來(lái)的碳達(dá)峰情況，主要得出以下結(jié)論。

2001~2020年間，除2008年全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)和2020年新冠肺炎疫情期間，我國(guó)水運(yùn)碳排放量出現(xiàn)下降以外，其余年份碳排放總量是不斷增長(zhǎng)的，年平均增長(zhǎng)率8.09%。

采用LMDI分解方法對(duì)中國(guó)水運(yùn)業(yè)碳排放量變化的因素進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，2001~2020年，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)效應(yīng)是促進(jìn)中國(guó)水運(yùn)業(yè)碳排放增長(zhǎng)最重要的因素，呈顯著正效應(yīng)，貢獻(xiàn)率為122.10%；運(yùn)輸強(qiáng)度效應(yīng)和周轉(zhuǎn)量能耗效應(yīng)對(duì)于碳排放增長(zhǎng)呈負(fù)效應(yīng)，其中運(yùn)輸強(qiáng)度效應(yīng)是最大的抑制因素，貢獻(xiàn)率達(dá)-27.19%。

運(yùn)用STIRPAT模型和情景分析預(yù)測(cè)中國(guó)水運(yùn)業(yè)碳達(dá)峰情況時(shí)，直至2035年，除了情景1和情景4外，其余情景均實(shí)現(xiàn)了碳達(dá)峰，達(dá)峰時(shí)間介于2019~2030年之間，達(dá)峰量介于10114~12255萬(wàn)噸之間。中增長(zhǎng)高減排的發(fā)展情景最有利于中國(guó)水運(yùn)業(yè)碳達(dá)峰。

4.2  政策建議

為加快中國(guó)水運(yùn)業(yè)碳達(dá)峰，政策規(guī)劃時(shí)可在如下方面發(fā)力：

調(diào)整水路運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，提高運(yùn)輸效率。降低運(yùn)輸強(qiáng)度是抑制碳排放的最重要工具，加快內(nèi)河航道擴(kuò)能升級(jí)進(jìn)程，優(yōu)化船舶運(yùn)營(yíng)調(diào)度，提升船舶航行效率，補(bǔ)齊航道基礎(chǔ)設(shè)施短板，有利于建立高效率水運(yùn)體系，提升水路運(yùn)輸效率；

提升技術(shù)水平，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。當(dāng)前柴油和燃料油仍然是中國(guó)水運(yùn)業(yè)主體燃料類(lèi)型，但隨著技術(shù)水平的提升，未來(lái)水運(yùn)船舶能源動(dòng)力系統(tǒng)將有更多清潔低碳的替代選擇。另一方面，政府必須加大對(duì)船舶新能源轉(zhuǎn)型、新材料研發(fā)等的資金政策傾斜，提高清潔替代能源的競(jìng)爭(zhēng)力。

發(fā)揮政策驅(qū)動(dòng)作用，統(tǒng)籌發(fā)展與減排。減少水運(yùn)業(yè)碳排放不能以犧牲發(fā)展為代價(jià)，應(yīng)發(fā)揮政策驅(qū)動(dòng)作用，提高水運(yùn)業(yè)船舶準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，最大限度降低減排成本，統(tǒng)籌行業(yè)碳減排和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)溫室氣體排放控制和綠色低碳發(fā)展協(xié)同、增效。

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