我國煤炭消費與二氧化硫排放的重心偏移
能源是國家發展的命脈。在我國，煤炭在一次能源消費中佔主導地位[1]。我國是世界最大的煤炭消費國，2012年，中國在全球煤炭消費量中所佔比例超過50%[2]。改革開放以來，經濟的發展，科技的進步，帶動了煤炭消費量的大幅增長。同時，煤炭的大規模使用引起一系列環境問題，尤其是大氣污染問題日益嚴重。我國的大氣污染主要是煤煙型，耿海青、張慧勤[3,4]等人研究發現大氣二氧化硫排放總量中85%~90%的來自煤炭使用。據國家統計局數據，自1985至2013年，煤炭消費量增長18.94億噸，同期二氧化硫排放量增長了719.9萬噸。因此，有必要探究煤炭消費與二氧化硫排放的相互關係，對解決環境問題提供有重要借鑒意義。
重心是牛頓力學的概念。美國學者Walker首次基於重心模型分析社會學問題[6]，此後眾多學者將重心理論應用到人口、經濟、環境等領域。顏俊等[7]基於重心理論分析了近三十年來中國人口、經濟、產業的時空演變；徐映雪等[8]對比分析了關中地區生態足跡重心和生態承載力的重心演變差異；胡琳等[9]通過經濟重心與污染重心的路徑演變分析為陝西省經濟、環境健康發展提供了理論依據。總體來看，關於煤炭消費重心與二氧化硫排放重心的對比研究較少。鑒於此，本文測算2000~2012年煤炭消費量的重心和二氧化硫排放量重心移動軌跡，系統探究二者的時空演變規律，對比分析煤炭消費與二氧化硫排放的關係，為我國煤炭行業的健康發展與大氣污染防治的合理布局提供參考。
1 煤炭消費與二氧化硫排放現狀
1.1煤炭消費現狀
改革開放以來，為滿足我國經濟快速發展的需要，煤炭消費量大幅增長，由1985年的5.81億噸增長為2012年的24.09億噸。煤炭在一次能源消費中的比重由75.8%下降到66.6%，下降9.2個百分點，由此可見，目前煤炭在我國能源結構中仍具有舉足輕重的地位。
對比圖1-1、圖1-2，可將我國煤炭消費現狀劃分四個階段：1985~1995穩步增長期，1996~2001年緩和期，2002~2008年快速增長期，2009~2012年增長減緩期。1985~1995年，改革開放與社會主義市場經濟確立初期，經濟增長較快，煤炭消費量穩步增長。雖然煤炭消費比重下降1.2個百分點，但其消費量在十年間增長3.97億噸。1995~2001年，雖然國際經濟形勢嚴峻，但國內經濟仍保持平穩增長。由於前一階段的粗放管理政策，煤炭行業競爭混亂，導致煤炭消費量基本不變，1997年煤炭消費出現負增長。煤炭消費比重下降6.3個百分點。2001年開始，在國家「十五」、「十一五」規劃的推動下，煤炭市場需求巨大，煤炭消費量呈現井噴式增長，八年間增長11.32億噸，消費比重增長2.1個百分點。2009~2012年，煤炭市場的產能過剩，需求反轉，導致煤炭消費量增長減緩，煤炭消費增長2.5億噸。同時，國家大力調整能源結構，煤炭消費比重降至66%。
1.2二氧化硫排放與煤炭消費對比
1985~2012年，二氧化硫排放量由1324萬噸增長為2117萬噸，增長60%。據圖1-1分析，二氧化硫排放量曲線為雙峰M型，在1997年達到峰值2266萬噸，2006年達到最大峰值2588.8萬噸。根據曲線變化趨勢，可分為四個階段：1985~1995年穩步增長期，1995~2001年振蕩期，2001~2006年快速增長期，2006~2012年減少期。
煤炭消費量曲線與二氧化硫排放量曲線相關係數為0.72，說明我國煤炭消費與二氧化硫排放具有較強的正相關性。據圖1-3分析，煤炭消費年增長率曲線與二氧化硫排放年增長率曲線在線型上大致相同，但二氧化硫排放年增長率變化的幅度較大，說明二氧化硫排放受煤炭消費控制影響較大。1985~1995年間二氧化硫排放量與煤炭消費量均穩步增長，十年間二氧化硫排放量增長566萬噸。煤炭消費年增長率在5%上下浮動，二氧化硫排放量年增長率在-5%~10%之間劇烈變化。可看出，1986年、1991年伴隨著煤炭消費年增長率的降低，二氧化硫排放出現負增長。1995~2001年二氧化硫排放量基本不變。但是煤炭消費年增長率在-2%~5%之間浮動，導致二氧化硫排放年增長率變化範圍更大，在-12%~14%間劇烈變動。在1997年煤炭消費呈現負增長的「拐點」。拐點前，二氧化硫排放量猛增。但1998年後國家大力應用煤炭脫硫技術，二氧化硫排放量得到一定控制。2001~2006年，煤炭消費量猛增，同期二氧化硫排放量增長641萬噸，煤炭消費年增長率先升高達到19%，後降低。受其影響，二氧化硫排放年增長率也出現此情況。但整體來看其變化範圍小於煤炭消費年增長率的變動，說明「十五」規劃中二氧化硫減排的目標基本實現。2006~2012年，煤炭消費量增長減緩，二氧化硫排放量在2007年達到最大值2500萬噸，此後二氧化硫排放量下降。六年間二氧化硫排放量降低544萬噸，基本處於負增長狀態，說明在「十一五」規劃節能減排效果顯著。
總體來看，2001年前，二氧化硫排放量主要受煤炭消費控制，脫硫技術的收效甚微；2001年後，隨著國家「十五」、「十一五」規劃的實行，脫硫技術的大力應用，二氧化硫排放受煤炭消費控制減弱。煤炭消費、國家政策和脫硫技術三大因素共同影響二氧化硫的排放。
2數據來源與分析方法
2.1數據來源
我國煤炭消費總量（萬噸標準煤）、各省煤炭消費量數據來源於1985~2012年《中國能源統計年鑒》，我國二氧化硫排放總量、各省區二氧化硫排放量來源於2000~2012《中國統計年鑒》和《中國環境統計年鑒》，部分數據來源於國家統計局網站（http://www.stats.gov.cn/）。港、澳、台數據沒有計入在內。
2.2重心模型
假設某大區域由n個小區域構成,第i個小區域的中心坐標為(Xi,Yi),Mi是該小區域的煤炭消費量或二氧化硫排放量，則大區域重心坐標的計算公式（1）：
（1）
公式（1）中將(Xi,Yi)取為各省級行政區域單元的首府經緯度坐標。（lon,lat）表示大區域重心經緯度坐標[10]。
為了定量表徵重心隨時間移動的軌跡，本文用公式（2）計算重心移動方向，用公式（3）計算重心移動距離。
在分析重心移動的方向時，設定某時間點為起點，第i年重心坐標為(loni, lati），第j年重心坐標為(lonj, lonj),第j年重心移動方向為θ角度(相對於第i年)，則：
（2）
公式（2）中規定正北方向θ=0°，順時針旋轉。當0°<θ< 90°，表示重心向東北方向轉移；當90°<θ< 180°時，表示重心向東南方向轉移；當180°<θ<270°時，表示重心西南方向轉移;當270°<θ<360°。時，表示重心向西南方向轉移;當θ為0°、90°、180°、270°時分別表示向正北、正東、正南、正西方向移動[11]。
設d表示第j年重心移動的距離(相對於第i年)，dlon表示東西向距離，dlat表示南北向距離。則移動距離公式：
（3）
公式（3）中c為距離常數，是地球表面坐標（度）轉化為平面距離（km）的係數，c=111.11km。
3.1我國煤炭消費重心偏移分析
2000~2012年煤炭消費重心的整體軌跡位於河南省，位於我國幾何中心（103°50′，36°）東南。煤炭消費重心由東向西，從開封市向鄭州市移動，2003~2008年間在北緯34.55°~34.65°，東經114.2°~114.4°之間劇烈震蕩，最後整體移向西北，向幾何中心趨近，說明我國煤炭消費區域分布逐漸均衡（圖3.1）。煤炭消費重心向西移動距離dlon=92.22km,平均移動速度7.68km/a；向北移動距離dlat=6.66km,平均移動速度0.56km/a。dlon>dlat，顯然煤炭消費重心向西移動強於向北移動，受國家整個對西部開發的戰略影響較大。
據表3.1，2000年至2001年，煤炭消費重心向東偏南10.76°移動7.79km，這是由於東南部經濟經濟基礎好，發展迅速，煤炭需求大。2001~2004年間，煤炭消費重心向西南大幅度偏移43.57km。此期間重心向西移動距離dlon=41.11km，向南移動距離dlat=14.44km，dlon>dlat，顯然煤炭重心主要向西移動，這是由於在南部經濟保持快速發展的同時，西部以內蒙古為主的地區經濟崛起，且內蒙古也是我國重要產煤區。2004~2008年間煤炭消費重心演變軌跡不穩定，先向東北移動，後折返西南，2007年至2008年向西北移動偏移。這是由於東北地區經濟的復甦，以及中西部地區的經濟崛起[12]，各地區煤炭需求巨大。2008~2010年間，重心向西偏南11°偏移25.88km，且消費重心向西偏移遠大於向南，這是由於中西部陝西、新疆、內蒙古等地區經濟發展較快，且這些地區是我國重要產煤大省。2010~2012年，煤炭消費重心向西北偏移37.35km，平均移動速度18.67km/a，移動速度快；向西移動dlon=32.22km，向北移動dlat=18.89km，dlon>dlat，顯然，這一階段國家「十二五」規劃、西部大開發取得巨大成就，實現西部經濟崛起。
表1 我國煤炭消費重心移動方向和距離
3.2我國二氧化硫排放重心偏移分析
2000~2012年二氧化硫排放重心演變軌跡位於河南省，處於我國幾何中心（103°50′，36°）東南。重心由東南向西北、從南陽市向洛陽市移動，在平頂山市出現折返(圖3.1)。二氧化硫排放重心累計向西北移動129km，平均移動速度10.75km/a。二氧化硫排放重心向幾何中心移動，說明區域分布趨向均衡。重心向西移動dlon=44.44km，向北移動dlat=121.10km，dlon<dlat。顯然向北偏移強於向西偏移。
據表3.2，2000至2001年重心向77.68°即東北方向移動4.44km。2001~2004年間重心向西北移動28.84km，平均移動速度7.21km/a，且向西位移大於向北。與西部地區在西部大開發戰略指導下經濟快速發展有關。2004至2005年，重心向48.33°即東北方向移動39.26km，移動速度很快，重心移動到南陽市與平頂山市交界處。這是受我國東北重工業區的振興所影響。2005~2008年，二氧化硫排放重心逐漸向西北地區偏移，移動了21.57km，平均移動速度7.19km/a，與中部西部山西、新疆、內蒙古等地區以高能耗為主的產業有很大關係。2008至2009年間，二氧化硫排放重心向西南偏移30.51km，由平頂山市移回南陽市，移動速度很快，且向南偏移大於向西偏移，與我國西南等地的經濟快速增長有關。2009~2012年，重心由南陽市向洛陽市移動。這是由於東南經濟發達地區節能減排取得一定效果，但西部地區仍以高能耗產業為主，對於二氧化硫排放的控制能力有限，導致排放重心向西北移動，移動距離為75.83km，移動速度為25.27km/a。
表2 我國二氧化硫排放重心移動方向和距離
3.3我國煤炭消費重心與二氧化硫排放擬合分析
據圖3.1分析，2000~2012年煤炭消費重心與二氧化硫排放重心軌跡曲線在空間位置上不重合，但其隨時間變化的趨勢卻基本一致。兩曲線相關性係數為0.99998，正相關性極強，可以認為二者在時空分布上具有一定的演變規律。
據圖3.2，煤炭消費重心經度變化範圍是113.7°~114.6°，二氧化硫排放重心經度範圍是112.5°~113°，曲線變化趨勢一致，相關係數0.9295，呈很強的正相關性。據圖3.4，煤炭消費重心緯度變化範圍34.6°~34.8°，二氧化硫排放重心緯度變化範圍33.2°~34.2°，煤炭消費曲線基本保持水平，二氧化硫曲線向北偏移顯著，曲線變化趨勢有差異，相關係數0.2422，正相關性不強。
2000~2001年，煤炭消費與二氧化硫排放重心均向東部移動。煤炭消費重心在經度上增加0.07°，二氧化硫排放重心經度增加0.04°，兩者緯度基本不變。顯然二氧化硫排放與消費重心的偏移一致。2001~2004年煤炭消費重心向西南移動，經度減少0.37°，緯度減少0.13°，二氧化硫排放重心向西北移動，經度減少0.25°，緯度增加0.07°。二者沿經線運動方向相反，與早期西部大開發粗放的經濟發展方式有關，雖然西北的煤炭消費遠低於南方，但是二氧化硫排放量卻很高。2004~2008年，伴隨著煤炭消費重心的先東北偏移後折返，最後折向西北的移動軌跡，二氧化硫排放重心先經度增加0.26°，緯度增加0.23°，然後經度降低0.16°，緯度增加0.11°。此階段東北地區經濟復甦，中西部經濟崛起，煤炭消費量猛增，煤炭的消費重心的偏移，而東南部經濟發達區經濟開始轉型，節能減排，二氧化硫排放量得到降低，因此，二氧化硫排放量在2006年達到峰值2588萬噸後顯著降低。2008~2010年，二氧化硫排放重心先向低緯度移動0.2°後高緯度移動0.2°，煤炭消費重心緯度基本不變，兩重心移動出現不擬合。在經度上二者同步向西移動。2008年以後，煤炭消費量增長減緩，西部地區仍以高能耗產業為主，二氧化硫排放量較高，東部經濟發達區控制二氧化硫排放，效果顯著。2010-2012年煤炭消費重心先西北大幅偏移，二氧化硫排放重心移動趨勢與其相似，在經度上減少0.13°，西移顯著。但在緯度上，二氧化硫排放重心向高緯度移動0.67°，而煤炭消費重心僅向高緯度移動0.17°。顯然，2000~2012年，由於我國「十五」、「十一五」規劃和西部大開發戰略，高耗煤產業向西部地區煤炭產地移動，西部二氧化硫排放量增加，東部特別是南方二氧化硫排放量控制效果顯著，導致二氧化硫排放重心總體向西北移動。
4 結論
4.1 自1985~2012年，我國煤炭消費量由5.81億噸增為24.09億噸，煤炭在一次能源消費仍佔66%；二氧化硫排放量由1324萬噸增長為2117萬噸，增長60%。煤炭消費量與二氧化硫排放量呈正相關，2001年前二氧化硫排放量主要受煤炭消費控制，2001年後受煤炭消費量控制和國家政策、脫硫技術要素影響。
4.2 自2000~2012年，煤炭消費重心和二氧化硫排放重心軌跡集中處於河南，位於我國幾何中心的東南，兩者演變軌跡呈正相關。煤炭消費重心由東向西、從開封市向鄭州市移動。2003~2008年間在北緯34.55°~34.65°，東經114.2°~114.4°之間劇烈震蕩，最後整體移向西北。二氧化硫排放重心重心由東南向西北、從南陽市向洛陽市移動。2004~2009年間先折向東北後折返，最後向西北移動。兩重心均向我國幾何重心移動，說明區域分布趨於均衡。
4.3 通過擬合分析煤炭消費量和二氧化硫排放量的重心移動軌跡，我們可以得出：二氧化硫排放重心是受煤炭消費量控制，受政策、技術因素影響。2000-2012年，我國經濟飛速發展，中西部經濟崛起，煤炭消費重心向西移動，控制二氧化硫排放重心移動的總趨勢；我國「十五」「十一五」規劃節能減排的目標，西部大開發戰略，以及煤炭脫硫技術的大量應用，導致二氧化硫排放重心並沒有完全擬合煤炭消費重心的移動，存在一定空間上的差異。因此，大力發展清潔能源，降低煤炭消費比重，發展低能耗產業，節能減排，實現煤炭脫硫技術的廣泛應用及技術革新，對於煤炭行業健康發展與二氧化硫排放的控制及空間分布，具有重要意義。
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已發表於：我國煤炭消費與二氧化硫排放重心偏移與擬合分析[J].煤炭經濟研究,2015,35(08):23-28.
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