定量分析城市发展强度与二氧化碳排放量之间的关系 ——基于面板数据外文翻译资料

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定量分析城市发展强度与二氧化碳排放量之间的关系

——基于面板数据

Shaojian Wang , Chuanglin Fang , Yang Wang , Yongbin Huang , Haitao Ma

摘要

城市开发强度（UDI） 作为城市管理和规划的一个相关因素，可能成为协调城市可持续发展和减少二氧化碳排放量关系的一个新理论。然而，现有的文献对城市发展强度对二氧化碳排放量的影响进行量化研究是有限的。因此，本研究的目的是利用中国五个主要城市（北京、上海、天津、重庆和广州）1995年至2011年时间序列数据量化研究城市开发强度和排放量之间的关系。首先，本研究利用当地影响生态环境和二氧化碳排放量的重要经济变量对已经选定的城市提出了一种基于六个方面的城市发展程度的综合指标评价体系（土地利用强度，经济强度，人口密度，基础设施建设力度，公共服务强度和生态环境强度）。随后利用面板数据量化分析城市开发强度与二氧化碳排放量之间的关系。研究的实证结果表明有些影响因素（如土地利用强度，经济强度，人口密度，基础设施和公共服务强度生态环境强度）对二氧化碳的排放的影响为正。此外，估计系数表明，土地利用强度是二氧化碳的排放量最重要的影响因素。相反，生态环境强度对排放水平主要起抑制作用。本研究在学术界和生产实际中具有重要意义，同时指出，在中国低碳城市的发展路径中，城市开发强度的影响是必须考虑的因素。

关键词：排放、城市发展强度、五个城市、面板数据、中国

1. 简介

气候变化是一个全球性的问题，严重威胁人类健康和环境，引起了整个国际社会的共同关注(Ou et al., 2013; Wang et al., 2014a).。在过去的2个世纪中，除了自然因素，人类活动也增加了温室气体的浓度--尤其是形式的排放。科学家们相信，这些变化将导致全球表面温度上升(Shortall and Barnes, 2013; Zhang and Wang, 2013).。据科学报告，排放的主要来源是工业生产和化石燃料的燃烧，而且发生最广泛的是城市地区（IPCC，2007）。事实上，城市已经消耗了超过世界66%的能源（GEA，2012）和产生全球超过70%的二氧化碳排放（IEA，2012）。然而，城市和城镇也是全球经济发展的主要贡献者。因此，在城市地区，我们面临着促进城市发展和减少环境压力的双重挑战（尤其是排放）(Liu et al., 2011; Wang et al., 2014b).。鉴于这一挑战的复杂性，决策者现在非常注重节能减排的发展战略，以应对全球变暖带来的影响(Zhang et al., 2013; Wang et al., 2014a).。通常情况下，减排措施包括优化产业结构，能源结构的调整和能源节约、提高效率，发展低碳技术和增加碳汇。除了上述措施，城市规划和空间优化策略，特别是城市发展的强度，对减缓二氧化碳排放量开始发挥越来越重要的作用(Ou et al., 2013; Liu et al., 2012).。然而人们却很少关注，支付方式这一新兴的危害角色。这是当代研究中的缺憾。本研究的动机，其目的是有助于准确的量化研究城市开发强度和排放量关系框架。

近几十年来，现有文献已经从不同的角度和不同的方法解决了二氧化碳的排放量和城市开发强度之间的相互作用(Imhoff et al., 2010; Liu et al., 2013; Zhou et al., 2014).。根据这些研究，城市开发强度（UDI）可定义为人类开发活动对城市地区的多重影响（包括土地利用强度大，人口密度，经济强度，基础设施和公共服务设施和运输，空间分布以及生态环境状况(Ou et al., 2013; Huang et al., 2014; Lu et al., 2014).。最近的一些研究讨论和开发了一系列的测量方法和可供选择的指标。例如，Mendes（2007）在城市范围内使用密度发展强度测量、区划土地覆盖数据。同样, Tate et al. (2005)开发了一种基于本地城市强度指数的重要变量(土地利用/覆盖、基础设施和社会经济变量)。此外，Liu et al. (2013)使用反向传播（BP）人工神经网络方法构建土地开发强度模拟模型，探讨城市土地开发强度与其驱动因子的关系。有的超出了勘探测量和估计方法,现有的城市开发强度的研究还揭示了这种强度和发生的环境有不可避免的深远影响(Imhoff et al., 2004; Myeong et al., 2006; Imhoff et al., 2010; Davies et al., 2011).。为了说明这种影响，最近的一项研究Zhou et al. (2014)中发现在32个城市里其中28个城市的植被指数（EVI）使UDI呈显著线性增加（P＜0.05）。此外，Christen et al. (2011)发现土地利用结构、建筑类型、交通网络和植被贡献了城市的二氧化碳排放量的50%。同样地，Ou et al. (2013)也分析了二氧化碳排放和土地利用之间的关系,认为紧凑型发展模式事实上会有助于减少二氧化碳排放。此外,许多学者试图定量评估城市形态和城市环境之间的联系。以北京为例，Wang et al. (2014c) 发现通勤影响二氧化碳排放增加，从而影响城市形态的变化。Liu et al. (2012)研究了中国城市形态和城市生态环境之间的关系。他们研究的结果表明,城市形态严重影响城市生态效益和资源效率,而城市延伸率也对其产生负面影响。Liu et al. (2014) 进一步发现城市密实度与城市二氧化碳经济效率之间有积极联系。以美国125个大城市为例，Lee and Lee (2014)量化研究了个体家庭排放量对城市形态的影响。他们认为经济增长政策对减少温室气体排放和建造更紧凑友好的城市很重要。这些发现被Bereitschaft and Debbage(2013)在美国城市地区的研究、Ou et al.(2013)在对中国快速发展城市的研究中都得到了证实。

从上面的分析中,减少二氧化碳排放不仅对提高能源效率和优化产业结构有意义,也是空间规划和城市管理方法应用一个挑战。尽管有这样的建议，但人们一直把注意力放在城市发展强度和排放量的关系问题上，很少有研究全面解决城市开发强度在规划方面——直接的目的是量化研究排放量对城市建设的影响(Perkins et al., 2009; Ishii et al., 2010; Bereitschaft and Debbage, 2013; Lee and Lee 2014).。例如，Liao et al. (2013)研究了土地利用变化和温室气体排放的关联，由于只关注了土地利用变化，他们忽视了交通所带来的影响。Fragkias et al. (2013)研究了在美国城市地区生产分配制度和排放之间的关系，仅考虑了人口因素，忽视了其他因素的参与。像上面列出的那些测量有限数量的变量以反映城市发展的复杂过程,忽视了更广泛的社会经济变量的影响。虽然这些先前的研究无疑丰富了我们理解二氧化碳排放和城市发展之间的关系,他们未能提供足够的和明确的证据来说明城市开发强度实际上如何影响二氧化碳排放。

为了解决这一缺陷,本文首先建立了一个综合指数评估城市开发强度，随后通过面板数据分析试图量化二氧化碳排放和城市发展之间的关系。面板数据模型被选中,是因为它的许多优点,面板数据模型能提供更多的信息,允许更大的自由度和效率。它所提供的控制与个体异质性、发现和识别影响的能力，不能用简单的时间序列和横截面数据来判断(Al-mulali, 2012; Al-mulali et al., 2013; Ou et al., 2013).。在这项研究中，五个主要城市（北京，上海，天津，重庆和广州）作为研究区。作为中国最重要的城市，这些城市已经遭受了一系列的环境问题，由于其快速的城市化发展，二氧化碳排放量不断增加。要解决这些问题，本研究利用1995到2011时间序列数据试图揭示城市开发强度和二氧化碳的排放量的关系，不仅提供了一个科学的模型，分析结果显示了未来城市化战略的合理路径，从而也对未来城市规划发展原则提供了指导。本文的其余部分的四个主要部分如下，第2节简要描述了研究区域，第3节提出城市发展强度指标体系，面板模型参数估计和研究中所使用的数据，第4节是结果讨论，结论和政策建议，第5节总结影响因素。

2 研究领域

这项研究的研究区域是五个城市（北京、天津、上海、重庆和广州），它们的空间分布如图1所示。北京、天津、上海、重庆都是中国政府直接管理的直辖市，广东省是我国一个大省。这些城市分布在中国最发达的地区，2011年总人口为99150000，占中国总人口的7.36%，国内生产总值（GDP）为6918710000000元，占中国总GDP的14.62%。北京是中国的政治、文化、科学和教育中心，坐落在中国北部平原的西北端。北京占地16800平方公里，有16个辖区、2个县。统计数据显示，北京2011年的常住居民为20190000人，其GDP总额1625190000000元。天津是邻近北京的一个城市，位于中国东北部的东北平原。天津占地11900平方公里，15个辖区、三个县，常住人口约13550000人，人均生产总值2011元，国内生产总值1130730000000元。上海是中国人口最多的城市，也是世界上最大的城市之一，位于长江口，位于中国东部沿海的中部地区，全市总面积6200平方公里，人口为23470000人，国内生产总值1919570000000元。重庆位于长江上游，位于中国西南部的东部。它占地82300平方公里，人口为29190000人，人均生产总值2011元，GDP1101140000000元。最后，广州位于珠江三角洲，是华南最大的城市，面积7434.40平方公里，人口12750000，国内生产总值1242300000000元人民币。

这些城市正加速发展，特别是在人口、城市土地利用与经济规模方面。加速城市化和城市空间扩张不仅会导致各自的能源需求、地价水平的大幅度提高、空间和自然资源的巨大压力，也将对城市环境造成破环，特别是温室效应(Li and Liu, 2008)。鉴于这种情况，为了减轻温室效应的压力，测算这些城市的碳排放的影响因素是必不可少的，因此本文选择这些城市来确定是否城市发展强度是二氧化碳排放(Ou et al., 2013)。

图1 中国五个城市的分布

3 数据与方法

3.1．二氧化碳排放量

目前由于中国政府不提供城市规模的碳排放估计，很难精确获得数据。然而，由于燃料的燃烧和水泥生产是构成全球排放量的主要来源（Peters et al., 2012)，为了获得排放估计，我们利用IPCC（2006）公布的数据计算了来自化石能源消费的排放量。能量消费据取自《中国能源统计年鉴》）和《城市统计年鉴》。使用下面的公式计算与能源相关的二氧化碳排放：

(1)

其中C代表能源有关的二氧化碳排放量；指的是化石燃料的不同类别；代表i种化石燃料的消耗；并且是化石燃料的排放系数（表1）。来自水泥生产的二氧化碳排放的估计水平的计算公式为

(2)

CC表示从水泥生产过程中产生的二氧化碳排放量；Q代表水泥生产量；F为排放系数高效水泥生产（表1）。

表1 IPCC2006年排放系数

图2显示了研究区域五个城市的二氧化碳排放量，计算公式为（1）和（2）。图2显示，5个城市的二氧化碳都有增长趋势，在2005年之前增长缓慢，在2005年之后持续快速增长，在5个城市中，上海的排放量增长最显著，从1995年的94.32百万吨增长到了2011年的242.2187百万吨，年增长率为5.76%。2000年之前广州的排放量低于其他四个城市，但在2000年之后高于天津和重庆。2011年，广州，天津，重庆的排放量很接近。图3是五个城市排放量的箱线图，箱线图的低端的顶端分别表示20%和75%分位数。

图2 我国五个城市的年二氧化碳排放量

3.2．城市发展强度

3.2.1．数据预处理

在本节中详细的计算数据来自《中国城市统计年鉴》资料、《中国城市建设统计年鉴》和本研究相关的各城市统计年鉴。为了消除在尺度，大小，正负方向的影响，我们使用公式（3）使数据标准化：

（3）

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