中國(guó)城市碳效率時(shí)空演變格局及優(yōu)化研究

王一帆，袁大昌

（1.天津大學(xué) 建筑學(xué)院，天津 300072；2.天津大學(xué)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300110）

隨著對(duì)全球氣候變暖問(wèn)題的關(guān)注日益增加，世界各國(guó)已就控制碳排放問(wèn)題達(dá)成共識(shí)。從1992 年《聯(lián)合國(guó)氣候變化公約》至今，國(guó)際社會(huì)對(duì)緩解二氧化碳排放做出了不懈努力。中國(guó)也不例外，作為負(fù)責(zé)任的大國(guó)，節(jié)能減排一直是我國(guó)發(fā)展規(guī)劃的重點(diǎn)，在國(guó)家“十四五”規(guī)劃中提出到2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。然而，作為發(fā)展中國(guó)家，如何兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展和低碳目標(biāo)，對(duì)我國(guó)未來(lái)發(fā)展至關(guān)重要。而碳效率作為衡量區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和碳排放成本的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)高質(zhì)量低碳經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要意義。碳效率可以被理解為一種以較小的資源和成本消耗和更小的環(huán)境代價(jià)獲取最大經(jīng)濟(jì)效益的能力[1]，在投入產(chǎn)出不變的情況下，碳排放（對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響）減小，則碳效率提高。盡管不同學(xué)者對(duì)碳效率的界定存在一定差異，但均強(qiáng)調(diào)環(huán)境成本（碳排放）和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出（GDP）[2]。綜合前人研究成果，本文將碳效率作為一種表征可持續(xù)發(fā)展能力的指標(biāo)，碳效率提升意味著地區(qū)可持續(xù)發(fā)展能力的提高。

碳效率被廣泛應(yīng)用于國(guó)家、區(qū)域、城市、產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)[3-10]，相關(guān)研究成果相當(dāng)豐富。已有研究側(cè)重于碳效率的時(shí)空格局演變及其影響因素分析，如Zhang &Cheng[11]計(jì)算了中國(guó)1986—2008 年的碳效率，分析了中國(guó)碳效率的時(shí)空變化趨勢(shì)，并認(rèn)為科技創(chuàng)新能力是提高碳效率的有效措施；熊曦等[12]以碳效率為測(cè)度，測(cè)算湖南碳效率水平，運(yùn)用莫蘭指數(shù)分析了湖南省內(nèi)碳效率的時(shí)空分異，從區(qū)域差異角度解釋不同地級(jí)市碳效率差別；Wang 等[13]應(yīng)用非徑向模型（non-radial model）估算了中國(guó)各省份碳排放效率，從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、技術(shù)水平和管理能力三個(gè)方面解釋了碳效率低下的原因；Ding等[14]從區(qū)域碳效率演變的角度研究了中國(guó)30 個(gè)省份的碳效率動(dòng)態(tài)變化情況；王少劍等[15]計(jì)算了1992—2013中國(guó)地級(jí)市碳效率，并描述其空間演變。平智毅等[16]測(cè)算了長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶11 個(gè)省份的碳效率，并利用空間計(jì)量模型研究其影響差異?？傮w來(lái)看，關(guān)于碳效率影響因素的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，外商直接投資、科技創(chuàng)新水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平、城市發(fā)展水平對(duì)碳效率有一定影響。

基于以上分析，目前關(guān)于碳效率的研究有兩點(diǎn)不足：（1）已有碳效率研究中，研究者重視從靜態(tài)角度解釋碳效率的時(shí)空演變，多采用莫蘭指數(shù)或核函數(shù)分析等方法，忽視了碳效率的動(dòng)態(tài)演變特征。（2）已有研究在碳效率影響因素解釋上做了全面地探討，但是忽視了碳效率是一種基于投入產(chǎn)出要素的評(píng)價(jià)，其影響因素與選取的投入和產(chǎn)出產(chǎn)物息息相關(guān)。現(xiàn)有關(guān)于碳效率影響因素的研究實(shí)際上是對(duì)碳效率中投入、產(chǎn)出產(chǎn)物的影響因素研究，不具備現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

基于此，本文以中國(guó)282 個(gè)地級(jí)市碳排放為研究對(duì)象，采用非期望產(chǎn)出的超效率SBM 模型計(jì)算2006—2016年的碳效率，構(gòu)建空間馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣對(duì)碳效率的時(shí)空格局進(jìn)行動(dòng)態(tài)演進(jìn)分析，預(yù)測(cè)未來(lái)中國(guó)城市碳效率的演變趨勢(shì)。在轉(zhuǎn)移矩陣和效率分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)模型探究不同效率區(qū)間內(nèi)碳排放驅(qū)動(dòng)因素差異，為城市合理配置資源，實(shí)現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展提供政策支撐。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文主要考慮2006—2018 年中國(guó)282 個(gè)地級(jí)市的碳排放效率。衡量碳排放效率需要的5 個(gè)指標(biāo)包括：輸入要素為固定資產(chǎn)投資、勞動(dòng)力和能源輸入，理想產(chǎn)出為GDP，非期望產(chǎn)出為CO2排放。所有數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》（2006—2018 年）、《中國(guó)區(qū)域統(tǒng)計(jì)年鑒》（2006—2018 年）、《中國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》（2007—2016 年）。城市CO2數(shù)據(jù)根據(jù)各城市統(tǒng)計(jì)年鑒和IPCC清單核算得出。使用考慮非期望產(chǎn)出的超效率SBM 模型計(jì)算得出城市碳排放效率。

影響碳排放的因素可以概括為三個(gè)方面：城市發(fā)展水平[17-20]、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特征[21-24]、金融投資水平[25-26]。參考現(xiàn)有文獻(xiàn)，我們選擇了人均GDP（經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平）、城市化率（城市化水平）、城市建設(shè)用地面積（城市發(fā)展?jié)摿Γ?、人口中心度（城市集聚水平）、產(chǎn)業(yè)城鎮(zhèn)化率（城市發(fā)展階段）5 個(gè)要素代表城市發(fā)展水平，以第二產(chǎn)業(yè)GDP 比重、第二產(chǎn)業(yè)人口比重、第三產(chǎn)業(yè)GDP 比重、第三產(chǎn)業(yè)人口比重代表工業(yè)結(jié)構(gòu)特征，以城市房地產(chǎn)投資（土地財(cái)政依賴程度）、非房地產(chǎn)投資（城市資金吸引能力）、外資投資（外部依賴型）、科學(xué)技術(shù)投資（技術(shù)發(fā)展水平）作為金融投資水平因素進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)來(lái)源于2006—2018 年的《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》。

1.2 研究方法

1.2.1 非期望產(chǎn)出的超效率SBM模型

本文應(yīng)用考慮非期望產(chǎn)出的超效率SBM 模型對(duì)碳效率進(jìn)行測(cè)算。假設(shè)有η個(gè)決策單元DMU，每個(gè)決策單元由投入、期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出構(gòu)成，使用m單位投入產(chǎn)生S1 期望產(chǎn)出和S2 非期望產(chǎn)出，由三個(gè)矢量表示為：x∈RM,yg∈RS1,yg∈RS2[19]，投入矩陣可以表示為：X=[x1,x2,…,xN]∈RN×M，產(chǎn)出矩陣表示為：Yg=[yg1,yg2,…,ygN]∈RS1×N，非期望產(chǎn)出矩陣可表示為：Yb=[yb1,yb2,…,ybN]∈RS2×N。假設(shè)X＞ 0,Yg＞ 0,Yb＞ 0，則生產(chǎn)可能性集定義為：

式中：實(shí)際的期望產(chǎn)出低于前沿理想期望產(chǎn)出水平，實(shí)際非期望產(chǎn)出高于前沿的非期望產(chǎn)出水平[27]。然而在某些情況下，一些決策單元在評(píng)估技術(shù)效率的同時(shí)也是有效的。為了建立合理的效率評(píng)估方法，我們?cè)谇叭搜芯康幕A(chǔ)上采用具有不良輸出的super-SBM 模型：

式中：γ*為DMU 的超效率值，其范圍可以大于1。式（2）中的所有其他變量在等式中具有相同的含義。

1.2.2 空間馬爾科夫鏈

馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣是一種時(shí)間和狀態(tài)均為離散的隨機(jī)性分析模型。轉(zhuǎn)移概率是馬爾可夫鏈中的重要概念，假設(shè)馬爾科夫鏈由k個(gè)狀態(tài)組成，將馬爾科夫鏈轉(zhuǎn)化為k個(gè)狀態(tài)所組成的序列矩陣，從任意一個(gè)狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過(guò)任意一次轉(zhuǎn)移，必然出現(xiàn)狀態(tài)1,2,…,k中的一個(gè)，這種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移稱為轉(zhuǎn)移概率?？臻g馬爾科夫鏈?zhǔn)莻鹘y(tǒng)馬爾科夫鏈與空間滯后結(jié)合的方法。通過(guò)對(duì)比空間與非空間矩陣中的對(duì)應(yīng)元素，得出城市碳效率類型與周圍相鄰城市的關(guān)系，揭示出不同類型城市碳效率類型轉(zhuǎn)移的空間溢出效應(yīng)。將城市碳效率離散為k種類型，將傳統(tǒng)的N×N階狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣分解為k個(gè)N×N階轉(zhuǎn)移概率矩陣形式，以第N個(gè)條件矩陣為例，Pij,t+1(k)表示某個(gè)城市以空間滯后類型k為條件時(shí)，從t年到t+1 年，由狀態(tài)i轉(zhuǎn)移到狀態(tài)j的空間轉(zhuǎn)移概率。空間滯后類型k由其綠色發(fā)展效率值在初始年份的空間滯后值劃分，其公式如下：

式中：N代表馬爾科夫鏈的N×N階狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，N的數(shù)量通常為馬爾科夫鏈劃定的k個(gè)類型決定；Pij,t(k)和Pij,t+1(k)的意義類似，代表0 到t年的轉(zhuǎn)移概率，Wk是空間滯后權(quán)重。

1.2.3 機(jī)器學(xué)習(xí)模型

通過(guò)各個(gè)模型效果比選，本文選用極端梯度提升算法（XGboost）作為機(jī)器學(xué)習(xí)模型。XGboost 是一個(gè)優(yōu)化的分布式梯度增強(qiáng)庫(kù)，它在Gradient Boosting 框架下實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，其基本原理是把多個(gè)精度較低的樹模型組合成一個(gè)精度較高的模型。XGboost 提供了并行樹提升（也稱為GBDT、GBM），可以快速準(zhǔn)確地解決許多數(shù)據(jù)科學(xué)問(wèn)題?；赬Gboost 來(lái)做特征選擇，XGboost模型訓(xùn)練完成后可以輸出特征的重要性，并構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，達(dá)到數(shù)據(jù)分析的目的。上述模型計(jì)算公式為：

式中：N表示樣本數(shù)，t表示第t棵樹，yt表示第t輪所生成的樹模型，Ω(fi)表示正則項(xiàng)。

2 中國(guó)城市碳效率時(shí)空演變

2.1 城市碳效率的時(shí)空分析

通過(guò)DEA，采用超效率SBM 模型對(duì)2006—2016年中國(guó)城市碳效率進(jìn)行測(cè)算，根據(jù)結(jié)果對(duì)碳效率進(jìn)行時(shí)間序列和空間格局分析。由圖1 可知，2006—2010 年，碳效率相對(duì)較高地區(qū)集中于黑龍江、上海和珠三角地區(qū)；至2016 年，碳效率較高地區(qū)轉(zhuǎn)為陜西、遼寧、黑龍江、環(huán)渤海、珠三角、長(zhǎng)三角和東南沿海地區(qū)。這表明中國(guó)城市碳效率整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，尤其是東南沿海地區(qū)，2016 年碳效率與2006 年碳效率相比有巨大提升，城市間差異不斷縮小。

圖1 2006—2016年中國(guó)城市碳效率空間分布格局

采用全局莫蘭指數(shù)刻畫碳效率的空間特征，對(duì)碳效率的空間相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)，圖2 為中國(guó)城市2006—2016年全局莫蘭指數(shù)和平均碳效率變化圖，均在1%的顯著性水平通過(guò)檢驗(yàn)。2006—2016 年，全局莫蘭指數(shù)和碳效率曲線呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢(shì)，分別在2011 年和2013 年出現(xiàn)上升波動(dòng)后重新趨于平穩(wěn)發(fā)展，梯度波動(dòng)趨勢(shì)說(shuō)明城市碳效率的提升和城市間協(xié)同合作的增強(qiáng)不是一個(gè)穩(wěn)定發(fā)展的狀態(tài)，而是依賴于特殊政策和發(fā)展機(jī)遇。其中，2013年碳效率的整體上升有賴于2012 年黨的十八大首次將生態(tài)文明建設(shè)與政治、經(jīng)濟(jì)、文化建設(shè)并列。總體上升趨勢(shì)說(shuō)明城市碳效率的空間集聚性逐漸增強(qiáng)，城市間技術(shù)合作和經(jīng)濟(jì)協(xié)同效應(yīng)具有一定的空間溢出效應(yīng)，城市間合作不斷增強(qiáng)。但是，這種合作和交流趨于穩(wěn)定，空間集聚和碳效率水平變化越來(lái)越小。

圖2 2006—2016年中國(guó)城市碳效率與空間集聚變化趨勢(shì)

2.2 中國(guó)城市碳效率時(shí)空演變

為深入分析碳效率的時(shí)空演變特征，構(gòu)建傳統(tǒng)馬爾科夫鏈和空間馬爾科夫鏈兩種轉(zhuǎn)移矩陣。根據(jù)碳效率的四分之一點(diǎn)將碳效率劃分為低（Ⅰ）、較低（Ⅱ）、中（Ⅲ）、高（Ⅳ）四種狀態(tài)，分別用k=1,2,3,4 表示。

表1 為傳統(tǒng)馬爾科夫鏈計(jì)算的概率轉(zhuǎn)移矩陣，其中概率表示一種狀態(tài)向另一種狀態(tài)轉(zhuǎn)移的概率。由轉(zhuǎn)移矩陣可得：（1）對(duì)角線上概率均大于非對(duì)角線概率，說(shuō)明中國(guó)城市碳效率狀態(tài)具有相對(duì)穩(wěn)定性，其中對(duì)角線最小值為0.6456，說(shuō)明碳效率保持原有水平狀態(tài)的概率至少為64.56%。（2）碳效率各狀態(tài)間轉(zhuǎn)移概率均較小，其不同狀態(tài)間轉(zhuǎn)移的可能性最大為16.46%，且轉(zhuǎn)移多發(fā)生在相鄰狀態(tài)之間，狀態(tài)的跨越式發(fā)展概率較低，最高僅為6.34%。（3）碳效率低和高兩種狀態(tài)維持原狀態(tài)的概率最大，分別為77.46%和87.39%，說(shuō)明碳效率存在“俱樂(lè)部趨同”現(xiàn)象，存在較強(qiáng)的內(nèi)生演化特征。（4）碳效率低、較低狀態(tài)向高狀態(tài)演變的概率高于碳效率中狀態(tài)向高狀態(tài)演變的概率，說(shuō)明中國(guó)城市碳效率存在“俱樂(lè)部收斂”現(xiàn)象。

表1 2006—2016年中國(guó)城市碳效率馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣

全局莫蘭指數(shù)分析結(jié)果說(shuō)明中國(guó)城市碳效率間存在空間相關(guān)性，因此在傳統(tǒng)空間馬爾科夫轉(zhuǎn)移鏈中加入空間滯后，以城市間歐氏距離作為空間滯后的權(quán)重，構(gòu)建空間馬爾科夫轉(zhuǎn)移鏈，通過(guò)對(duì)比分析空間權(quán)重背景下的碳效率狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，探討空間關(guān)系對(duì)城市碳效率轉(zhuǎn)移的影響。表2 為考慮空間權(quán)重的空間馬爾科夫鏈轉(zhuǎn)移矩陣，比較發(fā)現(xiàn)，鄰域間的轉(zhuǎn)移概率在兩個(gè)矩陣中發(fā)生了顯著變化，說(shuō)明鄰域間碳效率水平對(duì)城市碳效率發(fā)展產(chǎn)生了明顯的影響。

表2 2006—2016中國(guó)城市碳效率空間馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣

根據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）空間馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣更好地為中國(guó)城市碳效率的“俱樂(lè)部收斂”提供了解釋，當(dāng)鄰域?yàn)檩^低（Ⅱ）和中（Ⅲ）狀態(tài)時(shí)，低（Ⅰ）狀態(tài)向更高狀態(tài)轉(zhuǎn)移的概率更高。（2）中國(guó)城市碳效率發(fā)展不協(xié)調(diào)，高效率城市對(duì)低效率城市發(fā)展有明顯抑制作用，在高狀態(tài)（Ⅳ）為鄰域條件時(shí)，低（Ⅰ）、較低（Ⅱ）、中（Ⅳ）狀態(tài)向下一狀態(tài)轉(zhuǎn)移的概率顯著低于自身鄰域的概率，說(shuō)明區(qū)域發(fā)展具有差異性，高效率城市存在明顯的虹吸效應(yīng)，抑制了其他狀態(tài)城市碳效率的提升。（3）高狀態(tài)的空間權(quán)重產(chǎn)生的正面影響低于等級(jí)低狀態(tài)空間權(quán)重所產(chǎn)出的負(fù)面影響，即“虹吸效應(yīng)”明顯大于“溢出效應(yīng)”。對(duì)于狀態(tài)Ⅱ，當(dāng)鄰域?yàn)闋顟B(tài)Ⅳ時(shí)，其狀態(tài)上升概率為11.1%，這一概率低于當(dāng)其鄰域?yàn)棰?、Ⅲ時(shí)狀態(tài)下降的概率（16.6%、17.6%），說(shuō)明在碳效率集聚發(fā)展過(guò)程中，低效率地區(qū)的“虹吸效應(yīng)”要強(qiáng)于高效率地區(qū)的“溢出效應(yīng)”，這解釋了我國(guó)碳效率發(fā)展過(guò)程的集聚化特征和“俱樂(lè)部收斂”現(xiàn)象。

3 基于碳效率格局的城市碳排放優(yōu)化

碳效率是綜合勞動(dòng)力、能源結(jié)構(gòu)、投資水平、GDP和二氧化碳排放的綜合效率。當(dāng)前中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入新常態(tài)，2017 年其GDP 增長(zhǎng)速率已經(jīng)跌破7%，老齡化問(wèn)題不斷加劇。在此背景下，為達(dá)到習(xí)近平總書記在聯(lián)合國(guó)大會(huì)提出的2060 年碳中和目標(biāo)，中國(guó)節(jié)能減排任務(wù)面臨著更加艱巨的挑戰(zhàn)。在勞動(dòng)力、GDP 和投資要素逐漸下行的前提下，提高碳效率的關(guān)鍵是優(yōu)化碳排放量。城市碳排放量驅(qū)動(dòng)因素分析旨在從城市發(fā)展層面找出降低碳排放的關(guān)鍵因素，為合理調(diào)配城市發(fā)展資源、實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)同發(fā)展提供政策依托，探索一條2030 年碳達(dá)峰和2060 年碳中和的可行路徑。

根據(jù)前文劃分的碳效率低、較低、中、高四個(gè)級(jí)別，分別建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型，根據(jù)模型對(duì)比結(jié)果，選取預(yù)測(cè)性能最好的極端梯度提升模型（extreme gradient boosting）作為建?；A(chǔ)，模型對(duì)比結(jié)果如表3 所示。

表3 模型對(duì)比結(jié)果

通過(guò)極端梯度提升模型進(jìn)行特征工程分析結(jié)果表明，不同級(jí)別碳效率區(qū)的碳排放驅(qū)動(dòng)因素有較大差異，相同驅(qū)動(dòng)因素在不同級(jí)別區(qū)域的影響機(jī)理也有較大不同。這些驅(qū)動(dòng)因素和差異化的影響機(jī)理構(gòu)成了不同級(jí)別地區(qū)的碳特征，四個(gè)級(jí)別碳特征如圖3 所示。

圖3 碳效率類型的碳排放特征分析

特征工程分析表明，四個(gè)級(jí)別碳排放典型特征為：（1）低效率區(qū)，碳排放以多元驅(qū)動(dòng)因素為主，城市發(fā)展水平、金融投資水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平都對(duì)碳排放有不同強(qiáng)度的影響，其中科技投資、港澳臺(tái)投資和城市建設(shè)用地對(duì)碳排放有較強(qiáng)影響。（2）較低效率區(qū)，碳排放驅(qū)動(dòng)力由建設(shè)用地和金融投資驅(qū)動(dòng)，碳排放與城市建設(shè)用地關(guān)系密切。（3）中效率區(qū)，碳排放驅(qū)動(dòng)力由城市建設(shè)用地和房地產(chǎn)投資驅(qū)動(dòng)，科技投資對(duì)碳排放影響力進(jìn)一步降低。（4）高效率區(qū)，碳排放驅(qū)動(dòng)力由房地產(chǎn)投資與外商投資驅(qū)動(dòng)。

不少研究者認(rèn)為，中國(guó)碳排放增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，本文研究發(fā)現(xiàn)，不僅僅是二三產(chǎn)的比例，二三產(chǎn)的類型對(duì)碳排放的驅(qū)動(dòng)更加重要。從模型結(jié)果來(lái)看，城市發(fā)展水平夠顯著影響城市碳排放，在不同碳效率分區(qū)的城市，這種影響具有差異性。城市建設(shè)用地和城市化率作為城市發(fā)展水平的關(guān)鍵要素，對(duì)碳排放的影響具有兩面性。一方面，城市受益于高城鎮(zhèn)化率和充足建設(shè)用地供給的規(guī)模效應(yīng)和集聚經(jīng)濟(jì)，形成了良好的服務(wù)設(shè)施、知識(shí)人才和勞動(dòng)力等集聚經(jīng)濟(jì)，提升了城市生產(chǎn)率，拉動(dòng)城市產(chǎn)業(yè)發(fā)展；另一方面，過(guò)于粗放的城市建設(shè)用地和不匹配發(fā)展需求的金融投資也會(huì)帶來(lái)集聚不經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象。從模型解釋結(jié)果看來(lái)：低、較低效率區(qū)城市在碳排放驅(qū)動(dòng)因素上來(lái)源較大，且各個(gè)因素都對(duì)碳排放有一定影響，從因素解釋圖（圖4）來(lái)看，對(duì)于這些城市，城市建設(shè)用地水平、外商投資和技術(shù)投資水平能夠顯著提升城市碳排放，這是因?yàn)閷?duì)于這些城市，工業(yè)生產(chǎn)既是城市碳排放的主要因素，也是城市發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。投資和用地與工業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)，城市建設(shè)用地主要通過(guò)為工業(yè)生產(chǎn)提供土地來(lái)影響碳排放，科技和金融投資則不斷改善工藝水平和生產(chǎn)規(guī)模，這種影響使得部分城市將受益于建設(shè)用地充足和投資充沛形成的規(guī)模效應(yīng)和集聚效應(yīng)，促進(jìn)城市產(chǎn)業(yè)和城市建設(shè)的規(guī)模發(fā)展，從而提升城市工業(yè)生產(chǎn)水平，但是同樣也提升了城市碳排放總量，這是由區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)決定的。低、較低效率區(qū)城市以生產(chǎn)型企業(yè)為主，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模提升促進(jìn)了碳排放的增長(zhǎng)。另外，較低的投資水平和建設(shè)用地供給導(dǎo)致集聚效應(yīng)無(wú)法形成，工業(yè)發(fā)展成本上升，城市工業(yè)水平較低，反而導(dǎo)致碳排放總量降低。投資水平和城市發(fā)展水平的影響也側(cè)面說(shuō)明，低效率區(qū)城市仍以生產(chǎn)型工業(yè)為主導(dǎo)，工業(yè)仍是碳排放的主要來(lái)源，工業(yè)生產(chǎn)不低碳是低效率區(qū)城市的主要特點(diǎn)。

圖4 低、較低效率分區(qū)的碳排放驅(qū)動(dòng)因素影響趨勢(shì)

中、高效率區(qū)城市呈現(xiàn)不同的碳特征。從因素影響結(jié)果（圖5）來(lái)看，金融投資和城鎮(zhèn)化率能夠顯著降低碳排放，這與低效率區(qū)形成顯著對(duì)比，這是由中、高效率城市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)決定的。在中、高效率區(qū)城市，如以北京、上海、廣州、深圳為代表，多以金融科技產(chǎn)業(yè)和高新裝備制造、研發(fā)型產(chǎn)業(yè)為主，其碳排放水平要遠(yuǎn)低于低效率區(qū)如鄭州、太原、邯鄲等以資源生產(chǎn)和重工業(yè)為主的城市。同時(shí)，中、高效率城市在逐漸淘汰和轉(zhuǎn)移不適應(yīng)產(chǎn)業(yè)后，產(chǎn)業(yè)碳排放受益于規(guī)模效益和集聚經(jīng)濟(jì)影響呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。部分城市受益于自身產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，科技產(chǎn)業(yè)和服務(wù)業(yè)主導(dǎo)的城市碳排放逐步下降。從實(shí)證結(jié)果來(lái)看：

圖5 中、高效率分區(qū)的碳排放驅(qū)動(dòng)因素影響趨勢(shì)

（1）投資強(qiáng)度和用地面積促進(jìn)了碳排放增長(zhǎng)。說(shuō)明在低效率區(qū)，粗放式投資和建設(shè)用地?zé)o序擴(kuò)張的發(fā)展模式仍是導(dǎo)致全國(guó)碳排放增加的原因之一。在碳效率低的地區(qū)，土地供應(yīng)的正向化作用最大，可見(jiàn)土地財(cái)政模式主導(dǎo)下的粗放開(kāi)發(fā)給城市低碳發(fā)展帶來(lái)了巨大壓力。

（2）城市化伴隨土地利用類型的改變和基礎(chǔ)設(shè)施的提升。四個(gè)分區(qū)影響因素顯示，當(dāng)前高水平城市化仍是城市低碳發(fā)展的重要手段。

（3）外商投資和港澳臺(tái)投資強(qiáng)度和碳排放存在顯著相關(guān)關(guān)系。在低、較低、中三個(gè)效率地區(qū)，外來(lái)投資強(qiáng)度對(duì)碳排放表現(xiàn)出促進(jìn)作用，在高效率區(qū)則表現(xiàn)出抑制作用，說(shuō)明“污染天堂效應(yīng)”和“環(huán)境技術(shù)外溢”這兩種情況在中國(guó)同時(shí)存在。FDI 向本國(guó)轉(zhuǎn)移了高能耗、高污染產(chǎn)業(yè)，導(dǎo)致了碳排放的增加，但同時(shí)在本國(guó)相對(duì)發(fā)達(dá)地區(qū)，F(xiàn)DI投資通過(guò)技術(shù)溢出提升了本國(guó)的技術(shù)水平，降低了碳排放量。本文實(shí)證發(fā)現(xiàn)這兩種現(xiàn)象在中國(guó)同時(shí)存在。

（4）合理的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)類型可以改善城市碳排放水平。根據(jù)模型實(shí)證結(jié)論，在低、中效率區(qū)，第二產(chǎn)業(yè)對(duì)碳排放有更強(qiáng)促增作用，這一促進(jìn)作用在低效率區(qū)更加顯著。這是由于低效率區(qū)域地區(qū)大部分城市仍處于快速工業(yè)化階段，生產(chǎn)型工業(yè)主導(dǎo)的發(fā)展模式增大了碳排放。對(duì)于高效率區(qū)，有效的環(huán)境政策和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)整體提升了第二產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平和能源效率。

上述分析可知，對(duì)于城市低碳發(fā)展來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵是制定具有針對(duì)性的減排對(duì)策，準(zhǔn)確識(shí)別城市發(fā)展階段和發(fā)展需求，在碳效率相對(duì)較低的城市，高質(zhì)量城鎮(zhèn)化發(fā)展和扶持第三產(chǎn)業(yè)可以起到減排效果，嚴(yán)格管控建設(shè)用地，制定合理的環(huán)境管控規(guī)制也對(duì)碳排放降低有重要作用。在碳效率較高的城市，發(fā)揮自身規(guī)模優(yōu)勢(shì)是重要的減排手段，在嚴(yán)控粗放式發(fā)展的基礎(chǔ)上，合理吸納外來(lái)投資，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)專業(yè)和結(jié)構(gòu)升級(jí)，不僅可以降低本城市碳排放，還可以帶動(dòng)周邊城市的低碳發(fā)展。

4 結(jié)論與討論

本文首先使用空間自相關(guān)和給予非期望產(chǎn)出的超效率SBM 方法得出2006—2016 年中國(guó)280 個(gè)城市碳效率的演進(jìn)規(guī)律，結(jié)果表明城市碳效率總體均值呈現(xiàn)梯度上升趨勢(shì)。其次，空間馬爾科夫鏈分析表明，城市碳排放效率存在集聚效應(yīng)，城市碳效率水平的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程中，維持原有狀態(tài)的概率大于轉(zhuǎn)移概率，與高碳效率城市為鄰削弱了增加碳效率向上轉(zhuǎn)移的概率。

（1）在低效率區(qū)城市，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與碳排放增長(zhǎng)具有趨同效應(yīng)，受到“污染天堂”效應(yīng)和自身技術(shù)水平的影響，城市產(chǎn)業(yè)發(fā)展會(huì)帶來(lái)不可避免的碳排放量增長(zhǎng)，但是控制粗放式投資和蔓延式用地?cái)U(kuò)張可以抑制無(wú)效碳排放。

（2）在中高效率區(qū)城市，“環(huán)境技術(shù)外溢”強(qiáng)于“污染天堂”效應(yīng)，金融投資是重要減排手段，外來(lái)投資和城市發(fā)展可以起到減排效果。

（3）第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展和高質(zhì)量城市化是降低碳排放的重要手段。因此本文認(rèn)為，在中國(guó)低碳發(fā)展進(jìn)程中，應(yīng)注重區(qū)域資源合理分配和協(xié)同發(fā)展。一方面，應(yīng)制定有效的環(huán)境規(guī)制策略，降低低效率區(qū)城市“污染天堂效應(yīng)”，提升技術(shù)投資和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)降低碳排放的正向作用；另一方面，應(yīng)發(fā)揮高效率城市在吸引金融投資方面的天然優(yōu)勢(shì)，利用環(huán)境技術(shù)外溢效應(yīng)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提高資本利用效率是降低碳排放的關(guān)鍵。同時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步發(fā)揮好投資帶來(lái)的環(huán)境技術(shù)外溢效應(yīng)，合理進(jìn)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，將不適應(yīng)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)向低效率區(qū)轉(zhuǎn)移，降低低效率區(qū)城市碳排放。此外，地方政府均應(yīng)避免土地財(cái)政依賴和粗放投資導(dǎo)向的城市蔓延問(wèn)題，提升城市化質(zhì)量。據(jù)此本文認(rèn)為：政府應(yīng)注重區(qū)域資源合理分配和協(xié)同發(fā)展，針對(duì)不同類型城市治理手段有所側(cè)重，高碳效率城市應(yīng)以增強(qiáng)空間溢出效應(yīng)、提升資本利用率為主要低碳手段，而低碳效率城市則應(yīng)通過(guò)增強(qiáng)環(huán)境規(guī)制力度，改善城市建設(shè)水平最終達(dá)到低碳發(fā)展的目標(biāo)。

本研究應(yīng)用空間馬爾科夫鏈揭示了區(qū)域碳效率的時(shí)空演變規(guī)律，直觀揭示了碳效率集聚效應(yīng)的區(qū)域性特征，借助極端梯度提升模型進(jìn)一步揭示區(qū)域演化下碳排放的驅(qū)動(dòng)因素。研究結(jié)果能夠更好反映城市碳排放發(fā)展?fàn)顩r，為各級(jí)政府制定針對(duì)性政策提供幫助。