，

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，蘭州 730070)

0 引言

夜間燈光數(shù)據(jù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子估算與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)監(jiān)測(cè)[1-5]、城鎮(zhèn)信息提取[6-8]、自然災(zāi)害評(píng)估[9-10]以及生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)[10-11]等研究之中。且自Elvidge與Raupach等人發(fā)現(xiàn)夜間燈光數(shù)據(jù)與碳排放存在相關(guān)關(guān)系以來(lái)[12-13]，不少學(xué)者通過(guò)夜間燈光數(shù)據(jù)對(duì)碳排放進(jìn)行估算。相關(guān)研究按回歸模型可分為兩大類：一類是傳統(tǒng)回歸模型，利用最小二乘法對(duì)碳排放量進(jìn)行估算[14-15]；另一類是空間回歸模型，由于能源消費(fèi)碳排放具有顯著的空間相關(guān)性[16-18]，所以不少學(xué)者利用SLM模型或者時(shí)空地理加權(quán)模型對(duì)碳排放進(jìn)行測(cè)算[19-21]。然而，盡管隨著研究的深入，夜間燈光數(shù)據(jù)在估算碳排放方面的潛力不斷被發(fā)掘，但目前尚無(wú)相關(guān)研究對(duì)二者是否存在關(guān)系，若存在關(guān)系，又存在何種關(guān)系的問(wèn)題進(jìn)行探討，而厘清二者是否真的存在關(guān)系，二者存在何種關(guān)系是進(jìn)行碳排放量估算理論基礎(chǔ)。

作為反映經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境壓力之間的一種長(zhǎng)期關(guān)系的庫(kù)茲涅茲曲線[22]，其始于1955年美國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)家西蒙·庫(kù)茲涅茨提出的庫(kù)茲涅茲曲線理論[23]，而后由格魯斯曼和克魯格正式提出[24]。如今已廣泛應(yīng)用于碳排放與城市擴(kuò)張[25]、經(jīng)濟(jì)發(fā)展[26-27]、城市化[28-29]之間的關(guān)系研究之中，并取得了豐富的成果。另外，不同類型的土地在碳排放過(guò)程中的作用不同，建設(shè)用地作為人口、建筑、交通、工業(yè)和物流的集中地，也是高耗能、高碳排放的集中地。所以建設(shè)用地是各類土地中的主要碳源[30]，研究建設(shè)用地碳排放有利于實(shí)現(xiàn)建設(shè)用地的集約利用與科學(xué)管控。基于此，本文擬通過(guò)庫(kù)茲涅茲曲線模型對(duì)1995年到2015年間全國(guó)30個(gè)省級(jí)行政單位的建設(shè)用地碳排放與燈光指數(shù)的關(guān)系進(jìn)行實(shí)證分析，驗(yàn)證燈光指數(shù)與建設(shè)用地碳排放量之間是否存在庫(kù)茲涅茲曲線關(guān)系，不僅有利于厘清碳排放與夜間燈光之間的內(nèi)在關(guān)系，更有利于促進(jìn)建設(shè)用地的集約節(jié)約利用。

1 研究數(shù)據(jù)與處理

1.1 燈光指數(shù)計(jì)算

本文選用的夜間燈光數(shù)據(jù)為1995—2012年度DMSP/OLS與2012—2015年月度NPP-VIIRS數(shù)據(jù)，來(lái)源于NOAA/NGDC網(wǎng)站。首先，根據(jù)曹子陽(yáng)等[31]的方法處理DMSP/OLS數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪、重投影、重采樣、相對(duì)輻射校正與連續(xù)性校正最終得到1995—2012年之間的中國(guó)區(qū)域的夜間燈光數(shù)據(jù)；針對(duì)NPP-VIIRS數(shù)據(jù)存在負(fù)值、極高值、不穩(wěn)定光源以及缺乏可比性與年值數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)，本文利用2012年的DMSP/OLS數(shù)據(jù)替換NPP-VIIRS月度數(shù)據(jù)中的負(fù)值再求出2012年度NPP-VIIRS均值圖像，剩余NPP-VIIRS數(shù)據(jù)中的負(fù)值則由前一年的年度均值圖像替換并求出消除負(fù)值后該年度的均值圖像，之后，利用不變目標(biāo)區(qū)域法進(jìn)行相對(duì)輻射校正，保證各年數(shù)據(jù)之間的可比性；利用低通濾波消除極高值；最后將各年度均值圖像轉(zhuǎn)化為二值圖，在圖中有光源的地方賦值為1，否則為0，根據(jù)不穩(wěn)定光源不可能同時(shí)存在于前后兩年間的同一地方這一假設(shè)，視前后兩年中都等于1的區(qū)域?yàn)榉€(wěn)定光源區(qū)域，消除數(shù)據(jù)中的不穩(wěn)定光源。最終，得到1995—2015年的中國(guó)區(qū)域夜間燈光數(shù)據(jù)。再根據(jù)公式1計(jì)算出平均燈光強(qiáng)度ANLI(average night light index，ANLI)作為燈光指數(shù)。但是，由于兩代夜間燈光數(shù)據(jù)的分辨率與傳感器不同，因此本文采取線性調(diào)整的方法(公式2)，即根據(jù)兩代燈光產(chǎn)品在同一省份、同一時(shí)間點(diǎn)(2012年)內(nèi)的平均燈光強(qiáng)度比例關(guān)系對(duì)NPP-VIIRS與DMSP/OLS的ANLI指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一。

(1)

式中：ANLI為平均燈光指數(shù)；DNi為區(qū)域內(nèi)第i級(jí)的燈光亮度；ni為區(qū)域內(nèi)第i級(jí)的燈光亮度的像元總數(shù)；N為區(qū)域內(nèi)所有的亮值像元總數(shù);Nmax為最大燈光亮度。

(2)

式中：(ANLIcorr)i，t表示經(jīng)過(guò)統(tǒng)一后的i地t年NPP-VIIRS數(shù)據(jù)的平均燈光強(qiáng)度；ANLIdmsp2012表示2012年DMSP/OLS數(shù)據(jù)的平均燈光強(qiáng)度總值；ANLIviirs2012表示2012年NPP-VIIRS數(shù)據(jù)的平均燈光強(qiáng)度總值；(ANLIviirs)i，t表示校正前i地t年的NPP-VIIRS數(shù)據(jù)的平均燈光強(qiáng)度。由于夜間燈光數(shù)據(jù)構(gòu)建的燈光指數(shù)可作為城市化水平強(qiáng)度的衡量指標(biāo)[32]，因此，文中關(guān)于燈光指數(shù)與建設(shè)用地碳排放的分析均從城市化的角度進(jìn)行。

1.2 建設(shè)用地碳排放量測(cè)算

本文利用間接估算法測(cè)算建設(shè)用地碳排放量，用生產(chǎn)生活中能源消耗產(chǎn)生的CO2量來(lái)代替建設(shè)用地的碳排放量(表1)，根據(jù)IPCC提供的方法(式(5))測(cè)算出1995年到2015年間全國(guó)30個(gè)省、直轄市(不包括西藏、澳門、香港與臺(tái)灣)的建設(shè)用地碳排放量，由于行政區(qū)劃的調(diào)整，本文中1997年后的重慶市碳排放量并入四川省。

(3)

表1 碳排放測(cè)算系數(shù)表

2 模型構(gòu)建與檢驗(yàn)

當(dāng)前文獻(xiàn)中研究EKC模型主要是利用二次函數(shù)或者三次函數(shù)進(jìn)行擬合，不同函數(shù)擬合出的曲線形態(tài)不同，利用二次函數(shù)擬合出的曲線多為倒U型或U型[33-38]。利用三次函數(shù)擬合出的曲線多為倒N型或N型[39-41]。但在中國(guó)三次函數(shù)模型所得的2個(gè)Turning Points 無(wú)經(jīng)濟(jì)意義[42]，因此，本文利用二次函數(shù)構(gòu)建庫(kù)茲涅茲曲線模型，為了減少異方差的影響，本文對(duì)自變量與因變量分別取對(duì)數(shù)，最終構(gòu)建出如下模型：

lnCCEit=α+β1，ilnANLIit+β2，i(lnANLIit)2+εit

(4)

式中：lnCCE為建設(shè)用地碳排放總量；lnANLIit為燈光指數(shù)；α、β為待估計(jì)的系數(shù)；εit為隨機(jī)誤差項(xiàng)。當(dāng)β2=0時(shí)為直線；當(dāng)β2<0時(shí)為倒U型曲線；當(dāng)β2>0時(shí)為U型曲線。

3 庫(kù)茲涅茲曲線實(shí)證

3.1 單位根檢驗(yàn)

一些非平穩(wěn)的經(jīng)濟(jì)時(shí)間序列能表現(xiàn)出共同的變化趨勢(shì)，而這些序列間本身不一定有直接的關(guān)聯(lián)，此時(shí)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，盡管有較高的R2，但其結(jié)果是沒(méi)有任何實(shí)際意義。為了避免偽回歸現(xiàn)象的出現(xiàn)，就要進(jìn)行單位根檢驗(yàn)確定數(shù)據(jù)是否為平穩(wěn)數(shù)據(jù)。本文利用ADF與PP檢驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單位根檢驗(yàn)(表2)。通過(guò)表3可以發(fā)現(xiàn)利用原數(shù)據(jù)進(jìn)行單位根檢驗(yàn)時(shí)，無(wú)論是ADF檢驗(yàn)還是PP檢驗(yàn)中，P值都等于1，說(shuō)明數(shù)據(jù)存在單位根為非平穩(wěn)數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一階差分后再進(jìn)行單位根檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在含常數(shù)項(xiàng)、含常數(shù)項(xiàng)與趨勢(shì)項(xiàng)以及不含常數(shù)項(xiàng)與趨勢(shì)項(xiàng)3種形式中，所有變量的P值都在0.05水平上顯著，通過(guò)了ADF檢驗(yàn)與PP檢驗(yàn)，證明lnCCE、lnANLI與(lnANLI)2都是一階單整數(shù)據(jù)。同樣地，東中西部的所有變量也為一階單整數(shù)據(jù)，但限于篇幅，本文只列出全國(guó)檢驗(yàn)的結(jié)果。

表2 全國(guó)單位根檢驗(yàn)結(jié)果表

3.2 協(xié)整檢驗(yàn)

由于燈光指數(shù)與建設(shè)用地碳排放量為非平穩(wěn)數(shù)據(jù)，不能直接進(jìn)行回歸，需要通過(guò)協(xié)整檢驗(yàn)判斷ANLI指數(shù)與建設(shè)用地碳排放量之間是否存在長(zhǎng)期穩(wěn)定的關(guān)系。本文首先根據(jù)SIC與AC的信息量判斷協(xié)整檢驗(yàn)的最佳滯后階數(shù)為4，再利用Kao檢驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)整檢驗(yàn)，結(jié)果如表3。發(fā)現(xiàn)在全國(guó)以及東中西部KAO檢驗(yàn)的P值都在0.05的水平上顯著，說(shuō)明lnCCE、lnANLI與(lnANLI)2之間存在長(zhǎng)期穩(wěn)定的關(guān)系。

表3 協(xié)整檢驗(yàn)結(jié)果表

3.3 格蘭杰因果檢驗(yàn)

lnANLI與lnCCE之間存在長(zhǎng)期穩(wěn)定的關(guān)系，但是，關(guān)系的方向性并不清楚，為了明確二者關(guān)系的方向性，本文取滯后階數(shù)2、3、4分別對(duì)lnANLI與lnCCE做格蘭杰因果檢驗(yàn)，得到表4。發(fā)現(xiàn)在全國(guó)以及西部lnANLI與lnCCE既存在雙向因果關(guān)系也存在lnANLI對(duì)lnCCE的單向影響關(guān)系，而在東中部只存在lnANLI對(duì)lnCCE的單向影響，綜合考慮，本文認(rèn)為在全國(guó)以及西部lnANLI與lnCCE為雙向因果關(guān)系，而在東中部lnANLI與lnCCE為單向因果關(guān)系且是lnANLI對(duì)lnCCE具有影響。

表4 格蘭杰檢驗(yàn)結(jié)果表

3.4 模型選擇與回歸

格蘭杰因果檢驗(yàn)表明，無(wú)論是在全國(guó)還是在東中西部至少可以保證城市化是建設(shè)用地碳排放的Granger原因，因此，可以進(jìn)行回歸分析?；貧w之前本文利用F檢驗(yàn)與Hausman檢驗(yàn)確定不同區(qū)域中最合適的回歸方式(表5)，最后利用構(gòu)建的二次EKC模型進(jìn)行回歸，得到表6，通過(guò)表6發(fā)現(xiàn)回歸后的調(diào)整R2都在0.75以上，最高達(dá)到0.92，F(xiàn)值也較大，除了西部區(qū)域的β2參數(shù)不顯著外，其余都比較顯著，說(shuō)明模型回歸的結(jié)果較為可靠。

表5 模型選擇結(jié)果表

表6 模型回歸結(jié)果表

4 結(jié)果與分析

通過(guò)協(xié)整檢驗(yàn)與格蘭杰因果檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，ANLI指數(shù)與建設(shè)用地碳排放量存在著長(zhǎng)期穩(wěn)定的關(guān)系，且在全國(guó)與西部二者為雙向因果關(guān)系，說(shuō)明在全國(guó)以及西部城市化會(huì)促進(jìn)建設(shè)用地碳排放量的增長(zhǎng)，建設(shè)用地碳排放量的累積也會(huì)促進(jìn)城市化水平提高[43]；而在東中部為城市化對(duì)建設(shè)用地碳排放的單向因果關(guān)系，意味著在東中部城市化的提高會(huì)導(dǎo)致建設(shè)用地碳排放量的增長(zhǎng)，但并不依賴碳排放的累積。這反映了全國(guó)以及西部的城市化水平提高方式較為粗放，其整體的城市化質(zhì)量低于東中部。

通過(guò)回歸結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是在全國(guó)還是東中西部，β1都大于0，β2都小于0，證明了ANLI指數(shù)與建設(shè)用地碳排放存在著倒U型的曲線關(guān)系，也意味著城市化與建設(shè)用地碳排放存在倒U型的曲線的關(guān)系。因此，在建設(shè)用地碳排放拐點(diǎn)到來(lái)之前，隨著城市化的推進(jìn)，需要大量建設(shè)用地與能源，在這個(gè)階段建設(shè)用地碳排放的總量會(huì)隨著城市化進(jìn)程的加深而不斷增加，此時(shí)城市化對(duì)建設(shè)用地碳排放起著驅(qū)動(dòng)作用。當(dāng)拐點(diǎn)到來(lái)后，盡管社會(huì)的發(fā)展仍然離不開建設(shè)用地的擴(kuò)張與能源的消耗，但當(dāng)城市化發(fā)展到一定程度時(shí)，高耗能的發(fā)展模式不可持續(xù)，為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展與低碳發(fā)展，倒逼社會(huì)不斷改善能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、發(fā)展新型能源、提高建設(shè)用地的集約節(jié)約利用程度，此時(shí)，建設(shè)用地碳排放的總量也許會(huì)依然增加，但是增長(zhǎng)的速度與強(qiáng)度會(huì)受到城市化的作用而減緩，此時(shí)城市化對(duì)建設(shè)用地碳排放起著抑制作用。

通過(guò)表6發(fā)現(xiàn)，在其他條件不變的情況下，全國(guó)以及東中西部的ANLI指數(shù)每增加1單位，建設(shè)用地碳排放量會(huì)大約增加0.85、1.76、0.88、0.66單位。證明城市化對(duì)建設(shè)用地碳排放的貢獻(xiàn)會(huì)隨區(qū)域變化，其中東部最高、西部最低，中部與全國(guó)位于二者之間。為探究造成城市化對(duì)碳排放區(qū)域差異的原因，本文利用夜間燈光數(shù)據(jù)與鄰域分析法[44]提取了1995年到2015年的全國(guó)各省的建設(shè)用地面積(Kappa系數(shù)達(dá)到0.85以上)，并從統(tǒng)計(jì)年鑒中獲得各省的人口與GDP數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)各省的建設(shè)用地面積、人口與GDP都呈現(xiàn)出東部>中部>西部的特點(diǎn)(圖1～圖3)。也即東部的城市化水平每提升1%，會(huì)帶來(lái)比中西部更多的建設(shè)用地、人口與GDP，產(chǎn)生更多的碳排放量。同理中部的城市化水平每提升1%所產(chǎn)生的建設(shè)用地碳排放量高于西部，而在全國(guó)尺度上城市化所帶來(lái)的建設(shè)用地碳排量放則位于東西部之間，略低于中部，也即相較于全國(guó)整體水平與西部，東中部擁有更高集約程度的城市化水平。因此，城市化對(duì)建設(shè)用地碳排放按貢獻(xiàn)大小可排列為東部>中部>全國(guó)>西部。

圖1 1995—2015中國(guó)東中西部建設(shè)用地變化趨勢(shì)

圖2 1995—2015中國(guó)東中西部人口變化趨勢(shì)圖

圖3 1995—2015中國(guó)東中西部GDP變化趨勢(shì)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)二次EKC模型與靜態(tài)面板回歸證實(shí)了中國(guó)區(qū)域內(nèi)夜間燈光與建設(shè)用地存在著倒U型曲線的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了在東中部建設(shè)用地碳排放的累積并不是城市化的Granger原因，說(shuō)明東中部的城市化并不依賴于建設(shè)用地碳排放的增長(zhǎng)，逐步實(shí)現(xiàn)了城市的綠色發(fā)展，但從全國(guó)以及西部地區(qū)來(lái)說(shuō)，城市化的提高仍然依賴于建設(shè)用地碳排放的累積。反映了東中部的城市化質(zhì)量高于全國(guó)整體與西部地區(qū)的城市化質(zhì)量，而總地來(lái)說(shuō)我國(guó)的城市化發(fā)展模式還屬于要素驅(qū)動(dòng)，因此，未來(lái)需要進(jìn)一步推動(dòng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)，促使城市化由要素驅(qū)動(dòng)向創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的轉(zhuǎn)變，早日實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展。另外，本文證實(shí)了夜間燈光與建設(shè)用地碳排放之間存在倒U型的曲線關(guān)系，說(shuō)明隨著城市化水平的提高會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)建設(shè)用地碳排放強(qiáng)度的降低，然而，這并不意味著建設(shè)用地碳排放拐點(diǎn)會(huì)自行到來(lái)，因此需要政府與公眾的共同努力，加快建設(shè)用地?cái)偱乒拯c(diǎn)的到來(lái)。最后，回歸結(jié)果表明城市化對(duì)建設(shè)用地碳排放量的貢獻(xiàn)具有區(qū)域差異性，其中，東部>中部>全國(guó)>西部，造成東中部貢獻(xiàn)較大的原因是東中部具有更加集約的城市化水平，因此，目前我國(guó)不僅需要加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，還需要因地制宜地制定減排政策與城市化發(fā)展政策，積極構(gòu)建資源節(jié)約型與環(huán)境友好型社會(huì)。

本文利用EKC曲線模型證實(shí)了夜間燈光與建設(shè)用地碳排放之間的內(nèi)在關(guān)系，為利用夜間燈光數(shù)據(jù)估算碳排放提供了一定的理論支持，同時(shí)基于遙感數(shù)據(jù)來(lái)探析建設(shè)用地與城市化內(nèi)在關(guān)系，相較于以往研究更加客觀真實(shí)，有一定的理論意義。但是，本文所得結(jié)論是基于中國(guó)近20年的經(jīng)濟(jì)背景下所進(jìn)行的實(shí)證，其他地區(qū)或許并不存在倒U型曲線的關(guān)系。另外，本文從城市化的視角初步探討了在中國(guó)夜間燈光與建設(shè)用地碳排放之間存在著庫(kù)茲涅茲曲線關(guān)系，但如何從城市化的角度深入分析夜間燈光與建設(shè)用地碳排放相互影響的內(nèi)在機(jī)理與影響因素是將來(lái)需要補(bǔ)充與完善的問(wèn)題。最后，本文雖然提出了線性調(diào)整的方法對(duì)DMSP/OLS數(shù)據(jù)與NPP-VIIRS數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一，但隨著時(shí)間推移，兩代燈光數(shù)據(jù)的差異會(huì)越來(lái)越大，因此，該方法只適用于短時(shí)間內(nèi)的調(diào)整，而如何獲得長(zhǎng)時(shí)間序列且具有可比性的夜間燈光數(shù)據(jù)，仍然值得進(jìn)一步研究。