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低碳发展的本质在于保护生态环境，实现个体和社会福利效益最大化以及经济高质量发展，核心是优化能源利用和产业发展结构，挖掘并开发可再生新能源，以低能耗、低污染的发展方式为基础，推动能源技术创新及人类发展观念的根本性转变。随着世界工业经济的发展和人口的剧增，无节制的发展方式严重影响气候变化，人类曾经的高速式增长或膨胀的GDP发展方式也因为环境污染而大打折扣。为实现生态保护和社会经济协同发展，实现低碳转型，进而达到高质量发展这一目标，需要减少二氧化碳的排放总量，走低碳发展之路，低碳发展模式是人类社会继农业文明、工业文明之后的又一次重大进步。
为了达成经济社会发展和生态保护高质量发展这一目标，国内和国际上十分重视低碳发展并先后提出不同的术语，如生态经济、循环经济、绿色经济等词，诠释了低碳发展的必要性。工业迅猛发展导致环境污染和能源危机，美国经济学家肯尼斯·鲍尔丁于1966年在《一门科学——生态经济学》中对“生态经济”进行了解释，认为生态经济的核心内容是运用综合生态系统，将经济发展建立在生态环境承受力之上，着力点是协调发展。“循环经济”术语在1990年首次被英国环境经济学家伯斯和特纳在《自然资源和环境经济学》一书中提出并使用，核心是倡导建立资源高效和循环利用体系，减少资源消耗和提高环境效率，解决末端治理的同时实现将资源消耗型经济增长方式转变为依靠资源高效和循环利用增长方式，着力点是循环利用。“绿色经济”源自1989年英国环境经济学家皮尔斯的《绿色经济的蓝图——获得全球环境价值》一书，联合国环境规划署将其定义为减少环境生态风险，彰显社会公平和增进人类福祉的经济。绿色经济是以效率、可持续发展为目标，以生态农业、循环工业和可持续服务业为内容的经济增长方式和社会形态。与上述词汇相比，低碳发展的内涵更加广阔，强调通过人与自然环境的和谐共处，发展经济、改善环境，从而提高生活质量（季铸，2020）。
面对复杂的气候变化和脆弱多变的生态环境带来的巨大挑战，低碳发展方式成为热点话题。此后大量文件号召全球向低碳经济转型发展。例如，2009年6月，中国社会科学院发布的《城市蓝皮书：中国城市发展报告（No.2）》指出，在全球气候变化的大背景下，发展低碳经济正在成为各级部门决策者的共识。国家发展改革委和国家能源局2022年发布的《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》中提出，在《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《2030年前碳达峰行动方案》文件的基础上，将建立能源绿色低碳发展的制度框架，完善低碳高效的能源体系，促进能源高质量发展和经济社会发展全面绿色转型（董仕萍，2022）。
低碳经济可追溯至1987年，其首次以文字概念出现在2003年英国能源白皮书——《我们能源的未来：创建低碳经济》中。低碳经济涵盖于可持续发展（Sustainable Development）的概念中，通过技术创新或新能源的开发，减少煤和石油等高碳化石能源和温室气体排放，从而实现经济发展的同时保护生态环境。欧盟、日本、美国等国家（地区）通过多种途径展开低碳经济建设行动。《中国环境与发展国际合作委员会专题政策研究报告：碳达峰、碳中和政策措施与实施路径》指出，低碳经济是一种在后工业化社会出现的经济形态，旨在将温室气体排放降低到一定的水平，以防止气候变暖并最终保障可持续的全球人居环境（中国环境与发展国际合作委员会，2007；潘家华，2010）。低碳经济的概念在实际生活中则显得更为复杂，发展中国家针对碳减排这一目标主张把碳强度的减排目标作为本国的约束指标，这样既能推动经济增长又能完成减排目标，因此，这一阶段的低碳经济就被定义为碳排放量增长速度小于经济增长速度的经济发展状态（潘家华，2010）。
近年来，低碳经济的内涵被更深入地挖掘，有人认为低碳经济是以低能耗、低污染、低排放和高效能、高效率、高效益为基础的绿色经济发展模式（黄启新，2022），以低碳发展为发展方向、以节能减排为发展方式、以碳中和技术为发展方法的绿色经济发展模式。低碳经济表现为低排放、低能耗、低污染和高效率，实质上是一种新的经济发展方式，一种新的经济增长形态，发展低碳经济是我国经济转型升级的根本途径。通过低碳科技创新、低碳制度创新、产业转型、新能源开发和利用等手段，减少钢铁、煤炭等传统高耗能行业的产量，提高能源利用率，控制二氧化碳排放，从而达到从高耗能向低耗能转变的经济发展模式。就环境问题而言，低碳经济就是经济增长与减少环境污染协同增长的过程，主要是消除经济增长过程中的环境负外部性（许进杰，2008）。环境负外部性可以通过市场或行政手段进行规避和消除，这也是使外部成本内部化的过程。政府一方面可以通过法律等直接管制手段来控制污染排放；另一方面可以通过征收税费等举措来提高排污者的消费和生产成本，或发放补贴鼓励消费者和生产者使用清洁能源、改进技术，从而实现低碳经济发展。基于科斯定理中的环境权转让理论，可以利用市场化的手段，通过碳排放权交易，用碳价调控污染排放，让市场实现环境资源的最优化配置，从而达到外部费用和效益的内部化（庇古，2017；马歇尔，2019）。
低碳经济除了涉及经济、技术板块外，还涵盖低碳能源、低碳生活、低碳产业等方面，这意味着制定国家政策与健全低碳发展制度不能一概而论。首先，低碳经济是相对于高碳经济而言的，因此如何提高能源的利用率、优化高新技术并开发清洁能源从而减少碳排放量是关键。其次，发展低碳经济需要能源流的进口、转化和出口3个环节的互相配合。其中，进口环节以清洁能源替代传统化石能源；转化环节则依靠能源互联网提高能源的使用效率；出口环节本质上主要采用碳封存、碳捕捉、碳蓄积等技术来提高清洁能源结构的比重以及利用效率的问题。最后，低碳经济是倡导低能耗、低污染、低排放的经济模式，它的产生源于全球气候变化和二氧化碳减排。目前，“低碳经济”的具体定义并未形成统一，不过，广大学者对于实行低碳经济的政策都持肯定态度，认为低碳经济是人类社会经济发展的产物，是应对能源短缺、环境污染和气候变暖的唯一途径。当然，低碳经济不是贫困，不是遏制发展，而是优化经济发展方式，实现低投入、高产出。碳排放的高低主要取决于能源结构及其利用的方式，所以通过技术变革、制度转型、产业调整、开发新能源等方式来提高能源利用效率是实现低碳经济的必由之路。
低碳经济具有以下几个方面的特征。第一，具有创新性。低碳经济强调效率问题，以最小投入和成本换取最大产出与效益，这将带来经济社会的技术革新并引发技术的再创新，区别于传统经济以高投入、高能耗、高污染为代价，以经济增长为第一要务，并不太关注环境污染等问题。第二，具有全局性。低碳经济并不是简单的经济发展概念，而是包括社会、经济、生态、环境等社会发展的各方面，表现为在社会生产过程中，在保障经济发展的同时，将对生态系统的危害降到最低，实现生态系统与经济发展的协调发展。第三，具有全球性。低碳经济并不是在一个国家范围内进行的，而是全球各个国家互相合作共同实现的。但由于不同国家的经济发展程度和国情不同，更需要国际社会相互协作制定能被不同国家接受的低碳政策，在全球范围实现减少温室气体排放的目标。近年来，国际社会围绕着气候问题展开了卓有成效的谈判并形成了一系列的全球约束框架，如《京都议定书》等。
碳元素是地球上构成生命必不可少的元素之一，也是人体内的必需元素，“低碳”中的“碳”，是低碳发展的研究对象。广义上来说指的是《京都议定书》中所提及的6种温室气体，包括二氧化碳（CO 2 ）、甲烷（CH 4 ）、氧化亚氮（N 2 O）、氢氟碳化物（HFCS）、全氟化碳（PFCS）、六氟化硫（SF 6 ）。本书中所提及的“碳”主要取其狭义含义，指化石能源燃烧产生的二氧化碳。二氧化碳的排放量约占温室气体排放总量的60%，由于其“惰性”特征，无法使用化学方法将其减少并消除，因此，减少二氧化碳排放量是应对气候变暖的核心途径。
碳排放水平又称碳排放，碳排放是二氧化碳和其他温室气体排放的总称，人类所进行的各种活动都有可能造成不同程度的碳排放。碳排放总量，是指针对一定的目标群体，在一定时间范围内排放出的二氧化碳的总数量，包括工业生产过程中化石能源消耗、基础设施工程建设、人们日常生活等活动中所产生的排放。作为总量指标，碳排放总量从数量层面给出了衡量“碳输出”的评价标准。由于增温贡献率最高的为二氧化碳，本书只关注二氧化碳的排放情况，不考虑其他温室气体。各温室气体及其增温贡献率如表2-1所示。
表2-1 各温室气体及其增温贡献率 单位：%
数据来源：《联合国气候变化框架公约》。
根据再生性分为可再生碳排放和不可再生碳排放两种。可再生碳排放包括保证地球表面存在的生命体运转的碳循环以及消耗可再生能源所产生的碳排放。不可再生碳排放主要指的是化石能源碳排放，化石能源是经过几亿年的沉积才形成的，具有不可再生性。可见，后者的碳排放对人类生存环境以及发展有更大的危害性。
了解效率的定义，是明确碳排放效率概念的基础。“效率”一词起源于拉丁文，表示有效的因素，最初应用于物理学领域，具体含义是一种机械在使用过程后所产生的输入能量与输出能量之比。后来，效率被引入数学、管理学、经济学等学科中。在管理学领域，效率大意指少投入多产出，主要有生产效率和配置效率两类。在经济学中，效率一般指资源的节约或者提高到现有资源的利用程度。效率的重要性在西方古典经济学理论体系中就已得到认同，古典经济学倡导的自由主义思想可视为效率思想的源头。劳动生产率和资本生产率在经济生活中的重要性，得到了西方古典经济学家的重点关注。亚当·斯密在《国富论》中阐明了劳动分工促进生产效率提高的过程与机理。法国经济学家让-巴蒂斯特·萨伊（Jean-Baptiste Say）继承并延续这一观点，提出了著名的“市场法则”（或称萨伊定律），提出基本理论需要是由供给创造的。
碳排放效率，是指在社会生活中通过碳排放所带来的收益，本质是通过增加大气中碳元素的容量带来的经济效益和社会效益，其作为一种能源利用效率，受能源消费量、技术因素、经济发展水平等众多因素影响。根据在生产经营活动中投入和产出要素数量的多少，主要分为单要素碳排放效率和全要素碳排放效率。
单要素碳排放效率，是指单一投入要素与单一产出要素的比值，最初用碳生产率、碳指数、碳排放强度等来表示。其中，碳生产率是从碳排放与GDP视角进行衡量，表示消耗单位二氧化碳所消耗的单位产值，碳指数的单位通常选用万吨标准煤，是指能源消耗的碳排放量的比重。前者的优点是便于计算，通俗易懂，但不能客观真实地反映一个地区的碳排放效率，不能客观地反映其他指标对碳排放效率的影响，因此，可以将多种投入、产出要素包含在内。为了弥补这个缺陷，学者们提出了全要素碳排放效率。全要素碳排放效率是从多投入、多产出的视角出发，根据多投入、多产出来衡量其技术效率的一个概念，能处理多投入、多产出，结果稳定性较好，具有广泛的适用性。因此，全要素碳排放效率在地理学、管理学、物理学层面上，其实质在于在减少碳排放量的基础上实现经济效益的最大化，从而更具有科学性。因此，本书选用在全要素视角下测度黄河流域碳排放效率，选择相应的多投入、多产出因素，以便更准确地了解黄河流域碳排放状况。综上所述，无论是单要素还是全要素的碳排放效率，两者都既考虑到了生态领域中的碳元素，又考虑到了具有人类社会表征的货币经济，是衡量碳元素输出的“混合型”指标。
“强度”起源于物理学，是指作用力以及某个量的强弱程度，在判断“材料在复杂应力状态下是否被破坏”中有较多应用。碳排放强度指的是单位经济产出所消耗的碳排放量，其中经济产出一般运用国家或地区国内生产总值，即GDP来表示，具体包括单位GDP的碳排放量或者人均单位GDP碳排放量等（Shrestha and Timilsina，1996；张友国，2010；潘晨，2022）。该指标反映了区域的能源利用效率，数值越小表示该区域能源利用效率越高，有利于鼓励各国通过技术手段提高能源效率，促进低碳产业发展以及清洁能源开发等。目前，国际社会以及我国政策都倾向于把碳排放强度作为减排标准。碳排放强度包含了经济增长与碳排放量，符合降低碳排放的同时保障经济发展这一理念。同时，碳排放强度可以有效反映出一个国家或地区经济发展、技术进步以及能源利用效率等方面的情况，是衡量环境质量的重要指标。如果碳排放强度较高则意味着能源利用效率低下，从经济层面则表示国家的经济效率水平较低，意味着创造同等数量的财富需要消耗更多的能源和其他投入。碳排放强度侧重考虑产出指标，分析获得经济产出的碳排放量，通常以单位生产总值的碳排放量来表示。
碳排放强度体现了污染物和经济增长的相互关系，是经济可持续发展的重要评价指标（肖皓等，2014）。碳强度收敛理论可以追溯到新古典增长理论中的收敛概念，随着经济增长与环境污染之间倒“U”形关系的发现，早期对地区碳排放强度变化趋势的检验中也发现存在收敛性。随着国外相关研究的深入，更多研究成果发现国家间、区域内的碳排放强度存在 σ 收敛、绝对 β 收敛、随机收敛及分布动态等特征。由于我国目前尚无权威官方机构直接发布二氧化碳排放量数据，故而开展碳排放强度研究，需要先核定计算二氧化碳排放量。现有关于碳排放强度的文献强调降碳与减排，但是降碳并不等于除碳，根据“波特效应”的中国实践，不能一味降低碳排放强度，而是要追求“度”的动态演化过程，在此过程中寻求多维平衡和动态调节（李勃昕等，2022）。
排放权的概念来源于排污权思想，二者有相似之处，但也存在差异。排污权，是指排放者在环境保护监督管理部门分配的额度内，并在确保该权利的行使不会损害其他公众环境权益的前提下，依法享有的向环境排放污染物的权利（包玉华、陈姝蓉，2006）。1968年，戴尔斯（J.H.Dales）率先提出排污权交易的思想，即当污染物排放总量既定，排污权成为一种稀缺资源，且允许这种权利像商品一样在排污者之间自由交易。20世纪90年代排污权交易引入国内，并于1994年在包头、太原、贵阳、柳州、平顶山、开远6个城市开展排污权交易试点。
作为排污权的衍生物，排放权与排污权具有相关性。一些文献将二者等同起来，但更多的是将“排放权”特指为二氧化碳的排放权利，而“排污权”一般用于探讨二氧化硫等污染物的排放。排放权进入公众视野是在1992年达成《联合国气候变化框架公约》前后，随着有关全球气候变暖的讨论逐渐增多以及1997年《京都议定书》的签署逐渐受到世人关注。从化学属性上看，不同于二氧化硫等大气污染物和化学需氧量等水体污染物，以二氧化碳为主的温室气体一般不具有环境危害性，仅会导致气候变暖，不应归类于“污染物”。但从节能减排角度讲，根据中国“十二五”规划纲要提出的目标，降低二氧化碳排放是与节能目标放在一起的，减少二氧化碳排放实际上是实现节能目标的副产品，因此，又有必要将二氧化碳纳入污染物排放控制的范畴。正是节能减排和可持续发展愿景将排污权与碳排放权紧密联系在一起。
排放权与排污权也有区别。（1）从污染物排放与GDP随时间变化的关系上看，存在3种情况：一是污染物排放随着GDP的增加而减少，二是污染物排放随着GDP的增加而增加，三是污染物排放随着GDP的增加先增后减。第一种情况是理想状况，但经济学家关注的主要是后两种。以二氧化碳为主体的温室气体排放属于第二种，其排放量的增加只会引起气候变暖，并不会导致空气质量恶化。随着社会经济的发展，人们对物资和能源的需求也会增加，碳排放量也将不断攀升。而二氧化硫等污染物排放则属于第三种情况，其产生的酸雨等环境损害是“劣质”污染，将随着社会发展逐渐被“正常”污染（如质量更好的空气）替代。（2）出于环境保护的需要，“污染减排”将会越来越严格，导致“排污权”日益稀缺，而“碳减排”只需将大气中温室气体的浓度稳定在适当的水平即可，尽管“碳排放权”也会因总量控制变成稀缺商品，但稀缺程度却不会像“排污权”那样严重。（3）从交易的管理角度看，与二氧化硫等污染物不同，温室气体排放到大气中后均匀混合，因此排放权交易项目的范围可以扩大到管理者认为合适的范围，而没必要为预防“热点”问题限制交易。