基于系统聚类的中国碳交易市场初步研究

摘 要：借助于DSR模型，从城市发展的驱动力和发展状态两个维度，选取碳交易市场建立时考虑的八个指标，以中国30个省市自治区2005-2009年统计数据为样本，基于系统聚类分析，对中国碳交易市场进行了初步研究，结果表明，中国应首先构建跨省区域性碳交易市场；碳交易市场的构建应分层逐步推进，建立代表性省份对应的碳交易先行区；火力发电应作为中国碳交易的先行行业。

关键词： 系统聚类；区域碳交易市场；碳交易先行区；火电行业

中图分类号：F061.5， F205

减少二氧化碳排放已成为世界各国共同关注的问题。中国虽然没有承担约束性减排指标的义务，但作为负责任的大国，在2009年哥本哈根会议召开前夕，也首次明确提出了到2020年单位GDP的二氧化碳排放比2005年下降40%-45 %的碳减排目标。然而，伴随着中国经济的飞速增长，能源消耗和二氧化碳排放急剧增加，中国已经成为仅次于美国的全球第二大能源消耗国和二氧化碳排放国[1]，有效“对冲”二氧化碳剧增的主要手段就是尽快建立上升到市场层面的交易平台，培育碳排放交易市场体系。

目前，国际碳交易市场发展得比较成熟，世界上已经建立了多个碳交易平台，2010年全球碳排放权交易成交额同比增加了5%，达到930亿欧元。与国际碳交易市场的蓬勃发展相比，中国碳交易市场的发展明显滞后，参与国际碳排放交易的主要形式还是CDM项目输出，处在整个碳交易产业链的最底端。碳排放交易市场的建立既是我国社会经济环境可持续发展的迫切需求，也是积极应对国际气候变化谈判的必然要求。

碳排放交易市场完整体系的建立一般都是首先选择小规模的试点城市，从中发现问题总结经验后再由点到面地展开。考虑到中国经济的增速，不少专家和政府相关部门也提出可以在特定地区特定行业试点碳排放配额交易即“双特”交易试点，2012年初，国家发展改革委批准北京、上海、天津、湖北、广东、深圳、重庆等7个城市开展碳排放权交易试点工作，中国碳排放权交易市场的构建迈出了实质性的一步。城市试点之后，我国碳交易市场该如何推进？面对各省争相筹建碳交易平台，是否有必要每个省份都建立碳交易中心？

本文的研究旨在初步探讨中国区域碳排放市场的选择问题。国内外关于碳排放交易市场体系的文献中，具体涉及区域选择的研究很少，刚[2]认为这是由于每个国家减排行业的选择、政治体制的特点（如不存在中央指导地方的可能）决定的。在接下来的第二部分，我们先提出选择碳排放交易参与城市的关键指标及选择标准。在第三部分，我们选取了全国30个省市自治区2005-2009年的面板数据，计算各个指标值，并进行系统聚类分析，对分析结果做出详细分析。最后一部分是研究结论。

一、碳交易市场构建的关键指标

本文指标的构建参考了庄贵阳等[3]在研究低碳城市发展指标时提出的产出、消费、资源和消费四个评价指标和联合国可持续发展委员会（UNCSD）提出的驱动力-状态-响应（Driving Force-Status-Response，DSR）模型。DSR被认为是研究环境-经济-社会三大系统协调发展的基本框架，广泛应用于各种不同领域[4]。结合指标选取的简洁性、代表性、可比性、科学性等原则，本文主要从城市发展的驱动力和城市发展状态两个维度构建碳交易参与城市的选择指标。

1、城市发展的驱动力因素

一个城市的社会经济发展到一定阶段就会具有向资源节约型、环境友好型城市转变的内在动力和诉求，因此构建碳交易参与城市发展的驱动力指标，首先应该考虑该城市的能源消费结构、能源效率、碳排放强度和限排行业（根据国际经验，主要选择火力发电行业）的竞争力等。用煤炭，原油，天然气三种主要的一次性能源消费占能源消费总量的比例来表示能源消费结构，用单位地区生产总值能耗表示能源效率，用人均碳排放和单位地区生产总值碳排放表示碳排放强度，能源消费结构不合理、利用效率低直接影响着经济活动的碳排放强度[5]，碳排放强度的不断增高已经对城市发展形成了强制性约束，是促使这些城市积极参与碳交易的主要动因；我国多数城市的火力发电主要采用碳排放密集度较高的煤炭，这些行业的迁移成本，特别是沉没成本较高，碳交易市场的建立不可避免的会增加这些企业的边际成本，因此，本文用火力发电量占总发电量的比例来反映城市的火电行业竞争力。

2、城市的发展状态

发展状态指标反映了城市参与碳交易市场的承载力。尽管碳排放交易市场机制本身并不会对经济增长产生影响（陈洪波，2010），但强制性的减排目标会在一定程度上减缓地方经济的发展。因此，城市发展状态指标首先应该包含区域经济发展水平和产业结构特征，本文选择了人均地区生产总值、第三产业增加值比值这两个指标。显然，具有产业竞争优势且经济发展水平较高的城市，碳排放的增速相对而言会比较缓慢，开展碳交易所涉及的产业规制对经济影响较小；资源禀赋是实现低碳经济的物质基础[6]，特别是能够提供碳汇的城市自然资源禀赋，它是应对气候变化，承载碳交易市场的重要物质基础，本文选择森林覆盖率这个主要指标，研究碳汇对城市发展状态的影响。

二、变量与数据来源

本文以我国30个省市自治区（数据缺失）2005-2009年的面板数据为样本。试点城市发展的驱动力指标，包含三种主要的一次性能源消费占比 ，单位地区生产总值能耗 （千克标准煤/万元），人均碳排放 （吨/人），单位地区生产总值碳排放 （千克/万元），火力发电量占比 ；描述城市发展状态的指标有，人均地区生产总值 （元/人），第三产业总值占比 ，森林覆盖率 。能源数据以各省区消耗的能源为基础数据，按照煤炭0.713千克标准煤/千克，原油1.4286千克标准煤/千克，天然气1.33千克标准煤/立方米的能源折算标准煤系数统一换算为标准煤计算；二氧化碳排放量是根据2006年IPCC为联合国气候变化框架公约及京都协议书所制定的国家温室气体（主要构成物是二氧化碳）清单指南第二卷（能源）第六章提供的参考方法计算得到。二氧化碳排放总量是根据三种消耗量较大的一次能源所导致的二氧化碳排放估算量相加得到，具体公式[1]为：

其中， 代表估算的二氧化碳排放量， 分别代表三种一次能源（煤炭，原油，天然气）， 代表它们的消耗量， 是《中国能源统计年鉴》提供的三种一次能源的平均低位发热量， 是IPCC（2006）提供的碳排放系数， 是碳氧化因子，44和12分别为二氧化碳和碳的分子量；其他所有数据均来自2006-2010年《中国统计年鉴》和2010年《中国能源统计年鉴》，样本数据的描述性统计。

三、基于系统聚类的分省碳交易分析

聚类分析是处理多指标分类问题的常用方法，它将没有类别标记的样本集按某一准则分类，使差异尽可能小的样本归为一类。本文选取上述8个变量作为聚类指标，指标数据标准化处理后进行系统聚类，得到四大类样本数据。

1、上海、北京经济发展水平和产业技术水平高，人均地区生产总值居全国第一和第二位，产业结构已经转变为三、二、一的形式；上海、北京的人均碳排放达到8.288吨/人和6.163吨/人，超过了全国平均水平，火力发电占比也居全国的第二和第三位；在选取了2005-2009年北京、上海的相关样本数据分析后发现，人均碳排放随着地区经济的增长呈现出先缓慢增加后急剧下降的倒“U”型，反映了这两个城市在经济发展的同时，环境质量逐渐改善；从实施碳排放交易的政策环境来看，2008年北京和上海已经成立了环境交易所，在开拓自愿减排市场、培育中国本土买方市场方面发挥了重要作用，也积累了开展专业碳排放交易的初步经验。因此，上述城市已经既具备了开展区域碳排放交易试点的坚实的经济基础和政策基础，又具有开展碳排放交易试点的客观需求和动力。

2、第二类：内蒙古、宁夏、山西。这三个省市的特点是三种主要的一次性能源消费占比高，产业结构以高耗能产业为主，每万元单位地区生产总值能耗高达2.947千克标准煤，人均碳排放在全国排名第一、二、三位，是典型的高排放、高耗能、高污染城市。这些城市的首要任务是加大企业技术改造力度，加快产业结构调整，转变经济增长的投入驱动型方式，降低碳排放强度，然后再考虑该区域的碳排放交易试点。

3、浙江、江西等9个省份的平均森林覆盖率为46.135%，碳汇建设显著高于全国平均水平，进一步研究发现，在构建碳交易市场时这9个省份可以按照上述两个指标从驱动力因素和城市发展状态细分为两大区域：浙江、广东、福建东南沿海地区；四川、云南、广西、湖南、湖北、江西等中西部地区。浙江、广东、福建三省人均地区生产总值、人均碳排放和第三产业总值占比位于这9个省份的前三位，单位地区生产总值碳排放位于这9个省份的后三位，经济发展较快，产业结构不断优化，可以在上述省份进行碳排放交易市场的试点建设，探索区域经济发展和碳排放降低的双赢举措；剩余6个省份除森林覆盖率之外的其他7个指标值均低于全国平均水平，良好的自然资源能够抵消和吸收一部分经济增长带来的碳排放的增量，因此这些地区重要的依然是着力推动经济增长。

4、第四类：天津、河北等16个省份。包含黑龙江、吉林、辽宁东北老工业地区，天津、河北环渤海湾地区，江苏、山东、安徽东部城市，河南、重庆、贵州、陕西、甘肃、青海、新疆中西部地区和海南。天津、河北两省的人均碳排放和火力发电量占比列16个省份的第一和第二位，限排行业的减排压力较大，特别是天津，人均地区生产总值4.889万元/人排名第一，经济快速增长的同时也消耗了大量的能源，导致了日益增加的碳排放量，可喜的是，天津2008年就成立了排放权交易所（TCX），积累了二氧化硫、化学需要量等主要污染物交易的经验，在该城市试点碳排放交易可以有效保证环渤海湾地区经济的可持续发展。东北三省和河南重庆等中西部地区在国家“振兴东北”、“中西部崛起”战略推动下，不断加大对基础设施的投资，一次性能源消费占比0.999，单位地区生产总值能消1.847千克标准煤/万元，均超过国家平均水平，上述地区应注重改善能源消费结构，提高能源利用效率，摆脱经济增长对能源消耗的依赖，可以先不考虑碳排放交易市场的构建。江苏等东部城市，经济发展较快，电力消耗巨大，而这其中火力发电占比达0.979，这些省份具备一定的经济基础，可以考虑在火力发电行业试点碳排放交易，一方面可以促进企业提高煤炭利用效率，加大技改投入，另一方面也可以有效缓解这些省份的减排压力。海南省具有独特的地理位置，良好的生态环境，但近几年随着国家对海南政策扶持和财政投入的加大，能源消耗量剧增，碳排放量的增幅明显高于地区生产总值的增幅，当前，海南省应统筹考虑经济增长和二氧化碳排放问题，突破碳排放增加对经济发展形成的刚性约束，实施发展型减排。

四、中国区域碳交易市场的初步研究结论

本文根据联合国可持续发展委员会提出的DSR模型，选取了反映碳排放交易内在因素的驱动力指标和反映碳排放交易城市承载力的发展状态指标，基于中国30个省份2005-2009年的面板数据进行系统聚类分析，得到了如下结论。

第一，中国区域碳交易市场的建立，不应“分省而治”。越来越多的省份争相建立碳交易平台，想利用“先动优势”，在未来的碳交易市场中分一杯羹，但简单的依靠行政区划建立碳交易市场不仅造成资源极大浪费，而且会干扰碳交易市场的正常秩序，最终面临“僧多粥少”，交易量很少甚至是零交易量的尴尬境地。根据上述研究结论，按照两个主要指标，从图1可以看出，碳交易市场的构建适合跨省联合行动，既方便总量控制，又有利于消除行政壁垒，发挥区位优势。

第二，应分层推进中国区域碳交易市场。可以考虑在核心城市，重点区域率先建立碳交易市场，作为中国推进碳交易市场的“先行区”，从上述30个省份来看，北京，上海，浙江、广东、福建东南沿海地区，天津、河北环渤海湾地区，江苏、山东、安徽东部城市区，可以作为构建碳交易市场的第一“梯队”，内蒙古、宁夏、山西，黑龙江、吉林、辽宁东北老工业地区作为“辅”碳交易城市，其他地区作为碳交易市场构建的第三层次，逐步建立跨地区、全方位、分层次的碳交易市场体系。

第三，应考虑在火电行业推行碳排放交易。一方面，我国大部分省份都采用燃煤发电，燃煤能源利用效率有很大的提高潜力，在技术上存在进一步提升的空间，具有减排成本优势，另一方面，燃煤发电产生的污染严重，火电行业碳交易的推行对我国实现整体减排目标贡献巨大。

参考文献：

[1]陈诗一.能源消耗、二氧化碳排放与中国工业的可持续发展[J].经济研究，2009（4）：41-55.

[2]刚.中国碳排放权交易体系设计研究[M]. 北京：经济管理出版社，2011.

[3]庄贵阳，潘家华，朱守先. 低碳经济的内涵及综合评价指标体系构建[J]. 经济学动态， 2011（1）：132-136.

[4]张志强， 程国栋， 徐中民.可持续发展评估指标、 方法及应用研究[J].冰川冻土， 2002， 24（4）： 344-350.

[5]沈可挺，徐嵩龄，贺菊煌.中国实施CDM项目的CO2减排资源：一种经济-技术-能源-环境条件下CGE 模型的评估[J]. 中国软科学，2002（7）：109-114.

[6]付加锋，庄贵阳，高庆先.低碳经济的概念辨识及评价指标体系构建[J].中国人口资源与环境：2010，20（ 8）：38-43.