全要素能源效率与环境污染关系研究
2022-06-09
【论文摘要】能源与环境问题已成为世界焦点，回顾文献发现，已有研究大多单独从能源或环境问题进行分析，对能源与环境特别是能源效率与环境污染之间关系的研究较少。能源效率与环境污染之间存在着密切的联系对两者关系进行更为深入、全面的研究显得十分必要。本文首先利用DEA方法和环境污染治理成本法分别测算了我国1989-2007年的全要素能源效率和环境污染经济损失;在初步评判两者关系的基础上进一步通过协整和ECM模型得到本文的结论:我国的全要素能源效率与环境污染经济损失之间存在长期均衡关系，前者是后者的Grader原因；同时，全要素能源效率的短期波动对于降低环境污染经济损失具有明显的作用，这种作用大于长期波动的影响。这意味着全要素能源效率的提高对减少环境污染具有重要作用，节能减排目标的实现离不开能源效率的作用。
【论文关键词】全要素能源效率、环境污染、经济损失
30年的改革开放，使我国经济总体上取得了年均9.8%的高速增长率，创造了世界的奇迹，但在经济快速增长、国民收入大幅增加的同时，能源和环境问题日趋严峻。一方面，高速的经济增长意味着对能源的高度需求以及由此产生的能源供需矛盾;有关研究表明，我国已经成为世界第二大能源消耗国，到2020年我国石油的进出口缺口将达到2亿1;同时，与世界其他国家相比，我国能源利用效率低下，资源浪费严重，2007年，我国单位GDP能源消耗为印度的2.2倍，美国的4.3倍，德国的7.7倍，日本的11.5倍。另一方面，正是由于这种“高投入、低效率”的增长模式进一步加剧了我国的环境污染，据国家统计局的统计资料显示，我国已是世界第二大温室气体排放国。
研宄背景
面对日益严峻的能源和环境问题，我国政府分别从宏观和微观层面开展了一系列节能减排实践，大力倡议新能源技术的研发和使用，并在”一五”规划纲要中明确提出了“万元GDP能耗降低20%,主要污染物的排放总量减少10%”的约束性指标。这说明随着环境的进一步恶化，我国政府已意识到能源效率的提高与否对于实现节能减排目标具有重要的意义。另一方面，考虑到经济增长的惯性，短期内通过减少能源消耗来降低环境污染的途径是行不通的。因此在这种情况下，提高能源效率将成为节能减排的最佳途径。
尽管我国的能源与环境问题引起了更多学者的关注，由此引起的相关研究也比较丰富，但大多数研究只是单独针对能源或环境进行探讨，对能源与环境特别是能源效率与环境污染之间关系的研究较少，已有研究大致可分为两类:定性研究:张慧勤等[1论述了我国能源结构与大气环境污染的发展趋势，重点指出采用型煤技术以减少环境污染的可行性。李京文[21基于对1949一1993年我国能源和环境基础数据的分析，认为我国能源利用效率低下，同时由于煤炭的比重过大，使得能源消耗对环境的污染比较严重。朱光俊等3在分析我国能源特点及能源利用对环境的影响基础上，阐明了加速实施洁净煤技术和节约用煤技术是解决我国能源与环境污染问题的关键技术。国涓[4]考察了我国1989-2002年能源消费与环境污染的关系，得到的结论是我国大气环境污染与能源结构、消费量和能源效率等有着密切的关系。定量研究:Zhang[5计算了化石能源占总能耗的比重、化石与非化石能源消耗的比例、生产率、经济规模对中国C〇2排放的作用；于峰等6通过面板回归测算了我国经济规模扩大、产业结构调整、能源结构变动、生产率提高、环保技术创新与推广对我国S〇2排放的影响程度。曾波等n通过灰色关联理论分析了我国的能源消费和环境质量存在内在灰色关联，得出优化和调整能源消费结构是改善环境质量的关键。杨永华等8利用最优控制理论分析了能源使用与环境质量的关系，指出提高能源效率有利于减少能源的使用量以及减缓生态系统的恶化。李从欣等通过协整检验和ECM模型得到了能源消费增加导致环境质量的恶化，能源消费与环境污染之间存在长期均衡关系，并认为应通过提高能源利用效率和调整能源消费结构等途径以减少环境污染。
上述研究存在以下不足:环境污染的影响因素众多，但对于哪些因素是影响环境污染的关键因素，以上文献未能明确指出。虽然多数研究都意识到提高能源效率可以减少环境污染，但对两者仍缺乏具体的实证研究，从而未能对两者之间的关系作出明确的解释。以上研究所涉及的能源效率都是指能源强度（其计算表达式为：能源强度=能源消费/GDP)能源强度作为一种单要素指标不能够全面地反映能源效率与环境污染之间的关系，而基于DEA的全要素能源效率，而全要素生产率则是衡量单位总投入的生产率指标。刚好可以弥补这一缺陷。大多数研究都是以单个环境污染指标作为环境污染变量，缺乏对环境污染的综合评价。
本文试图从以下几个方面对上述文献进行拓展:利用DEA方法和环境污染治理成本法测算中国1989-2007年的全要素能源效率和环境污染经济损失;通过协整检验，以期对全要素能源效率和环境污染之间的关系进行进行分析。本文以下内容分别为：全要素能源效率的变动与环境污染经济损失的测算;全要素能源效率与环境污染关系的实证分析;结论与启示。
全要素能源效率的变动与环境污染经济损失的测算全要素能源效率的变动2.1.1全要素能源效率的界定目前国内外对能源效率的定义争论不一，采用相对较多的是M.G.Pattern^0给出的能源效率定义，即能源效率是指用较少的能源生产同样数量的服务或有用的产出。目前已有的能源效率研究文献主要基于能源强度的比较及其变动的因素分解，随着能源效率研究的深入，一些学者"_141开始对单要素能源效率产生质疑，认为单要素能源效率是对能源生产率的描述，能源生产率指标只是衡量能源投入与产出之间的一个比例关系，而没有考虑到生产中资本和劳动力等其他投入要素的影响，因此其作为测度能源效率的指标具有明显的缺陷[10。有鉴于此，等[12基于DEA方法拓展了能源效率的定义，提出了“全要素能源效率（totalfactorenergyefficiency,tfee)的概念，即在既定其他要素投入的前提下，按最佳实践，生产一定的产品所需投入的最少能源占实际能源的百分比。一般来说，全要素能源效率与经济增长理论中的全要素生产率无关，全要素能源效率特指能源的利用效率。根据上述研究的结果，我们采用HuandWang的定义，并将全要素能源效率作为能源效率的替代指标。为便于行文，下文除特别指明外，所有“能源效率”的概念均指“全要素能源效率，，。
变量选择及数据简单说明
①资本投入。由于该指标无法直接从统计年鉴获得，本文采用张军等人[15]的计算方法，估算了1989-2007年以1952年不变价格折算的资本存量数据。②劳动力投入。以历年年初与年末就业人数的平均值计算，单位为万人。③能源投入。以各省区的消耗能源为基础数据，折算为标准煤计算，单位为万吨标准煤。④生物能源(Bioenergy)投入。根据Hu和Wang[12的研究认为，低碳量的可再生能源尤其生物能源是能源投入的重要组成部分，但大多研究未将其涵盖进能源投入范围。由于生物能源缺乏连贯的统计数据，本文沿用Hu和Wang的研究方法。⑤产出数据。以历年国内生产总值(GDP)计算，单位为亿元〇以上数据来源于《中国统计年鉴》（1990-2008)、《中国能源统计年鉴》（2000-2007)、《中国能源五十年：1949一1999》和《新中国五十年统计资料汇编》。
全要素能源效率变动的测算
Cooper[16等人提出了数据包络分析DEA方法，以评价具有同质投入产出决策单兀（decisionmakingunitsDMU)的相对有效性。在DEA分析中，测定不同时期的潜在最小投入或最大产出的技术前沿水平是对生产效率进行进一步测算的基础。我们的测算以投入效率为基础来进行，DEA模型假设在每一个时期t,有N个决策单元①ecisionMakingUnits,简称DMU)每个决策单兀都通过M种投入要素X生产S种产出7,构成生产可能集为：{(X，Y)I产出Y能用X生产出来}其中，任意评价单元的投入集和产出集分别表示为：输入向量(Xlm，X2?，…，XL)T，输出向量(>4,乂2<，…，yL)T。则基于投入导向的规模报酬不变的DEA模型，其中0是标量，A是一个NX1的常向量，表示每一个横截面观察值的权重。解出来的0值即为DMUi的效率值，一般有0^，如果0=1，则意味着该单元是技术有效的，且位于前沿上。
王兵等认为，为了得到生产率随时间变化的Malmquisl生产率指数，考虑引入距离函数（DislanoeFunclion)的概念，距离函数是Fanell技术效率的倒数，而Farrell技术效率存在以下等式:：丨(/，x(lcs)=0%其中c和s分别代表规模报酬不变和要素强可任意处置。因此在技术前沿水平下的投入距离函数。
张宇[18将投入距离函数可以看作某一生产点(X，Y）向理想的最小投入点压缩的比例。基于投入的全要素生产率指数可以用Malmquisl指数来表示，即：这两个指数分别测度了在时期t和t+1的技术条件下，从时期t到t+1的技术效率的变化。现实中常用以上两个指数的几何平均值来计算生产率的变动。借鉴张宇18的研究思路，我们同样可以用Malmquisl指数的累计变动率来表示基于投入的全要素能源效率（fe)累计变动率，并以此表示能源效率水平的变化。利用DEAP2.1软件计算，我们对我国1989-2007年的fee的累计变动率进行了测算，具体结果见图1。
环境污染经济损失的估算2.2.1指标选取与数据简单说明本文参照《公元二〇年中国环境预测与对策研究》[19]报告中的污染分类估算法，把环境污染分为大气、水、噪音和固体废弃物四大类并分别对其进行估算。其中大气污染主要包括:一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、烟尘及工业粉尘等废物，由于目前没有一氧化碳的数据，参考其他文献的研究方法，对其不予考虑。水体污染主要是由化学需氧量（COD)和氢氮排放引起，其中氢氮排放量极少，经济损失较小，故对其忽略不记。估算噪音污染损失和固体废物污染损失时，不设置二级指标，直接对其进行估算。以上数据主要来自《中国统计年鉴》（1990-2008)、《中国环境统计年鉴》（1993-2007)和《中国国民经济和社会发展统计公报》（990-2008)，个别年份缺失数据采用插值法测算。
估算方法的选取
【论文关键词】全要素能源效率、环境污染、经济损失
30年的改革开放，使我国经济总体上取得了年均9.8%的高速增长率，创造了世界的奇迹，但在经济快速增长、国民收入大幅增加的同时，能源和环境问题日趋严峻。一方面，高速的经济增长意味着对能源的高度需求以及由此产生的能源供需矛盾;有关研究表明，我国已经成为世界第二大能源消耗国，到2020年我国石油的进出口缺口将达到2亿1;同时，与世界其他国家相比，我国能源利用效率低下，资源浪费严重，2007年，我国单位GDP能源消耗为印度的2.2倍，美国的4.3倍，德国的7.7倍，日本的11.5倍。另一方面，正是由于这种“高投入、低效率”的增长模式进一步加剧了我国的环境污染，据国家统计局的统计资料显示，我国已是世界第二大温室气体排放国。
研宄背景
面对日益严峻的能源和环境问题，我国政府分别从宏观和微观层面开展了一系列节能减排实践，大力倡议新能源技术的研发和使用，并在”一五”规划纲要中明确提出了“万元GDP能耗降低20%,主要污染物的排放总量减少10%”的约束性指标。这说明随着环境的进一步恶化，我国政府已意识到能源效率的提高与否对于实现节能减排目标具有重要的意义。另一方面，考虑到经济增长的惯性，短期内通过减少能源消耗来降低环境污染的途径是行不通的。因此在这种情况下，提高能源效率将成为节能减排的最佳途径。
尽管我国的能源与环境问题引起了更多学者的关注，由此引起的相关研究也比较丰富，但大多数研究只是单独针对能源或环境进行探讨，对能源与环境特别是能源效率与环境污染之间关系的研究较少，已有研究大致可分为两类:定性研究:张慧勤等[1论述了我国能源结构与大气环境污染的发展趋势，重点指出采用型煤技术以减少环境污染的可行性。李京文[21基于对1949一1993年我国能源和环境基础数据的分析，认为我国能源利用效率低下，同时由于煤炭的比重过大，使得能源消耗对环境的污染比较严重。朱光俊等3在分析我国能源特点及能源利用对环境的影响基础上，阐明了加速实施洁净煤技术和节约用煤技术是解决我国能源与环境污染问题的关键技术。国涓[4]考察了我国1989-2002年能源消费与环境污染的关系，得到的结论是我国大气环境污染与能源结构、消费量和能源效率等有着密切的关系。定量研究:Zhang[5计算了化石能源占总能耗的比重、化石与非化石能源消耗的比例、生产率、经济规模对中国C〇2排放的作用；于峰等6通过面板回归测算了我国经济规模扩大、产业结构调整、能源结构变动、生产率提高、环保技术创新与推广对我国S〇2排放的影响程度。曾波等n通过灰色关联理论分析了我国的能源消费和环境质量存在内在灰色关联，得出优化和调整能源消费结构是改善环境质量的关键。杨永华等8利用最优控制理论分析了能源使用与环境质量的关系，指出提高能源效率有利于减少能源的使用量以及减缓生态系统的恶化。李从欣等通过协整检验和ECM模型得到了能源消费增加导致环境质量的恶化，能源消费与环境污染之间存在长期均衡关系，并认为应通过提高能源利用效率和调整能源消费结构等途径以减少环境污染。
上述研究存在以下不足:环境污染的影响因素众多，但对于哪些因素是影响环境污染的关键因素，以上文献未能明确指出。虽然多数研究都意识到提高能源效率可以减少环境污染，但对两者仍缺乏具体的实证研究，从而未能对两者之间的关系作出明确的解释。以上研究所涉及的能源效率都是指能源强度（其计算表达式为：能源强度=能源消费/GDP)能源强度作为一种单要素指标不能够全面地反映能源效率与环境污染之间的关系，而基于DEA的全要素能源效率，而全要素生产率则是衡量单位总投入的生产率指标。刚好可以弥补这一缺陷。大多数研究都是以单个环境污染指标作为环境污染变量，缺乏对环境污染的综合评价。
本文试图从以下几个方面对上述文献进行拓展:利用DEA方法和环境污染治理成本法测算中国1989-2007年的全要素能源效率和环境污染经济损失;通过协整检验，以期对全要素能源效率和环境污染之间的关系进行进行分析。本文以下内容分别为：全要素能源效率的变动与环境污染经济损失的测算;全要素能源效率与环境污染关系的实证分析;结论与启示。
全要素能源效率的变动与环境污染经济损失的测算全要素能源效率的变动2.1.1全要素能源效率的界定目前国内外对能源效率的定义争论不一，采用相对较多的是M.G.Pattern^0给出的能源效率定义，即能源效率是指用较少的能源生产同样数量的服务或有用的产出。目前已有的能源效率研究文献主要基于能源强度的比较及其变动的因素分解，随着能源效率研究的深入，一些学者"_141开始对单要素能源效率产生质疑，认为单要素能源效率是对能源生产率的描述，能源生产率指标只是衡量能源投入与产出之间的一个比例关系，而没有考虑到生产中资本和劳动力等其他投入要素的影响，因此其作为测度能源效率的指标具有明显的缺陷[10。有鉴于此，等[12基于DEA方法拓展了能源效率的定义，提出了“全要素能源效率（totalfactorenergyefficiency,tfee)的概念，即在既定其他要素投入的前提下，按最佳实践，生产一定的产品所需投入的最少能源占实际能源的百分比。一般来说，全要素能源效率与经济增长理论中的全要素生产率无关，全要素能源效率特指能源的利用效率。根据上述研究的结果，我们采用HuandWang的定义，并将全要素能源效率作为能源效率的替代指标。为便于行文，下文除特别指明外，所有“能源效率”的概念均指“全要素能源效率，，。
变量选择及数据简单说明
①资本投入。由于该指标无法直接从统计年鉴获得，本文采用张军等人[15]的计算方法，估算了1989-2007年以1952年不变价格折算的资本存量数据。②劳动力投入。以历年年初与年末就业人数的平均值计算，单位为万人。③能源投入。以各省区的消耗能源为基础数据，折算为标准煤计算，单位为万吨标准煤。④生物能源(Bioenergy)投入。根据Hu和Wang[12的研究认为，低碳量的可再生能源尤其生物能源是能源投入的重要组成部分，但大多研究未将其涵盖进能源投入范围。由于生物能源缺乏连贯的统计数据，本文沿用Hu和Wang的研究方法。⑤产出数据。以历年国内生产总值(GDP)计算，单位为亿元〇以上数据来源于《中国统计年鉴》（1990-2008)、《中国能源统计年鉴》（2000-2007)、《中国能源五十年：1949一1999》和《新中国五十年统计资料汇编》。
全要素能源效率变动的测算
Cooper[16等人提出了数据包络分析DEA方法，以评价具有同质投入产出决策单兀（decisionmakingunitsDMU)的相对有效性。在DEA分析中，测定不同时期的潜在最小投入或最大产出的技术前沿水平是对生产效率进行进一步测算的基础。我们的测算以投入效率为基础来进行，DEA模型假设在每一个时期t,有N个决策单元①ecisionMakingUnits,简称DMU)每个决策单兀都通过M种投入要素X生产S种产出7,构成生产可能集为：{(X，Y)I产出Y能用X生产出来}其中，任意评价单元的投入集和产出集分别表示为：输入向量(Xlm，X2?，…，XL)T，输出向量(>4,乂2<，…，yL)T。则基于投入导向的规模报酬不变的DEA模型，其中0是标量，A是一个NX1的常向量，表示每一个横截面观察值的权重。解出来的0值即为DMUi的效率值，一般有0^，如果0=1，则意味着该单元是技术有效的，且位于前沿上。
王兵等认为，为了得到生产率随时间变化的Malmquisl生产率指数，考虑引入距离函数（DislanoeFunclion)的概念，距离函数是Fanell技术效率的倒数，而Farrell技术效率存在以下等式:：丨(/，x(lcs)=0%其中c和s分别代表规模报酬不变和要素强可任意处置。因此在技术前沿水平下的投入距离函数。
张宇[18将投入距离函数可以看作某一生产点(X，Y）向理想的最小投入点压缩的比例。基于投入的全要素生产率指数可以用Malmquisl指数来表示，即：这两个指数分别测度了在时期t和t+1的技术条件下，从时期t到t+1的技术效率的变化。现实中常用以上两个指数的几何平均值来计算生产率的变动。借鉴张宇18的研究思路，我们同样可以用Malmquisl指数的累计变动率来表示基于投入的全要素能源效率（fe)累计变动率，并以此表示能源效率水平的变化。利用DEAP2.1软件计算，我们对我国1989-2007年的fee的累计变动率进行了测算，具体结果见图1。
环境污染经济损失的估算2.2.1指标选取与数据简单说明本文参照《公元二〇年中国环境预测与对策研究》[19]报告中的污染分类估算法，把环境污染分为大气、水、噪音和固体废弃物四大类并分别对其进行估算。其中大气污染主要包括:一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、烟尘及工业粉尘等废物，由于目前没有一氧化碳的数据，参考其他文献的研究方法，对其不予考虑。水体污染主要是由化学需氧量（COD)和氢氮排放引起，其中氢氮排放量极少，经济损失较小，故对其忽略不记。估算噪音污染损失和固体废物污染损失时，不设置二级指标，直接对其进行估算。以上数据主要来自《中国统计年鉴》（1990-2008)、《中国环境统计年鉴》（1993-2007)和《中国国民经济和社会发展统计公报》（990-2008)，个别年份缺失数据采用插值法测算。
估算方法的选取