辽宁省水资源利用效率与空间溢出效应研究

武继尧,韩增林,吴慧歌(辽宁师范大学 海洋经济与可持续发展研究中心,辽宁 大连 116029)

辽宁省水资源利用效率与空间溢出效应研究

武继尧,韩增林,吴慧歌
(辽宁师范大学 海洋经济与可持续发展研究中心,辽宁 大连 116029)

基于辽宁省14个地级市的水足迹面板数据,利用数据包络法测度了2004—2014年辽宁省各城市的水资源利用效率。从时间上看,2004—2014年辽宁省整体水资源利用效率呈上升趋势,但整体水资源利用效率较低;从空间上看,辽宁省水资源利用效率整体上呈中间高、东西两侧低的格局,且东侧高于西侧。运用空间滞后模型、空间误差模型和空间Durbin计量模型研究了辽宁省各城市水资源利用效率的空间溢出效应，发现:辽宁省水资源利用效率存在空间溢出效应,辽宁省各城市的劳均GDP、教育经费、工业和农业用水比重、农田实际灌溉平均用水量对水资源利用效率存在显著正向影响;外商直接投资和人均用对水资源利用效率存在显著负向影响;教育经费的增加、农田实际灌溉平均用水量的控制能够促进水资源利用效率上升;外商直接投资和人均用水量的增加会导致水资源利用效率降低。

水足迹;SBM模型;水资源利用效率;溢出效应

1 引言

作为区域经济和社会可持续发展的重要物质条件,水资源的作用不可忽视。辽宁省人均水资源占有量仅约为全国人均水平的1/3,是我国东北地区缺水最为严重的省份。随着东北振兴战略的实施,工农业发展和基础设施建设空前扩张,城市用水需求的进一步增加,辽宁省的地区用水总量由2003年的128亿m3上升至2014年的141亿m3。同时,受全球气候变化的影响,东北地区尤其是辽宁省的有效水资源供给呈现下降趋势。以近年为例,2012年辽宁地区水资源总量为547亿m3, 2014年下降至146亿m3。加之辽宁地区水资源污染严重、水资源空间分布极不均衡,使辽宁地区水资源供给尤为不足。在水资源供给不足和需求不断增加的双重压力下,水资源短缺问题已成为制约辽宁省社会经济可持续发展的瓶颈之一。鉴于此,提高水资源的利用效率和空间上的合理调配,是解决辽宁地区水资源可持续发展的必然选择。

目前水资源利用效率研究已取得一定的成果，有关人员对水资源利用效率进行了大量研究。例如，钱文婧等利用DEA计算出1998—2008年全国省级全要素水资源利用效率[1];Tone提出用非径向、非角度的(SBM)模型测度能源或生态等效率[2,3];赵良仕等基于非期望产出的SBM模型,测度了1997—2011年中国省际水资源利用效率[4];孙才志等利用DEA方法,计算了1999—2005年辽宁省水资源利用相对效率并对水资源利用相对效率与经济发展关系进行了分析[5];盖美等运用SFA和DEA计算得到辽宁省环境绝对效率与相对效率[6]等。

当前对水资源利用效率的测定主要有三种评价方法[1]:指标体系评价法、随机前沿分析法(SFA)和数据包络分析法(DEA)。数据包络分析法(DEA)是1978年由美国著名运筹学家Charnes、Cooper提出的,它是一种测定决策单元相对效率的方法[2],能测算具有相同类型投入和产出的若干部门的相对效率,可较好地反映水资源作为经济活动中投入要素的相对产出效率,是当前水资源利用效率最常用的方法之一。刘满凤等从生产函数着手构建了Durbin计量模型,研究了2000—2007年我国31个省市区的空间知识溢出效应随空间距离增大而不变化的特点[9];孙才志等运用空间计量模型对我国31个省市区1997—2010年水资源全局环境技术效率进行了测度,并对空间效应进行了研究[10];赵良仕等运用空间Durbin计量模型,研究了1997—2011年我国省际水资源利用效率的空间溢出效应[4]等。本文使用数据包络分析法中的SBM模型测度了辽宁省水资源利用效率。

当前水资源利用效率研究多集中在全国视角下的省域尺度研究,有关我国区域水资源利用效率的研究较少,有关我国东北地区尤其是辽宁省水资源利用效率的研究鲜见。在研究对象方面,传统的水资源效率测度往往使用水资源消耗量来衡量水资源的消耗,但水资源消耗量往往不能反映水资源消耗的真实占用情况,相比之下水足迹测度则能更好地反映水资源消耗的真实情况。在研究尺度方面,当前研究多集中在省域和县域,而以地级市为视角的研究不多见。在时间选择方面,现有文献多集中在对当前现象的归纳探讨,忽略了对某一时期特殊问题的研究总结。在水资源利用方面,目前还没有关于首轮东北振兴背景下的辽宁地区水资源利用效率方面的研究和总结。

终上所述,本文使用能反映水资源消耗真实占用情况的水足迹法测度辽宁省水资源利用效率,以辽宁省14个地市为研究对象,以空间滞后模型、空间误差模型和空间Durbin模型为手段,从空间分异视角揭示辽宁水资源利用空间演变规律和空间溢出效应,探究辽宁省各城市水资源利用效率空间溢出效应的影响因素;以2004—2014年为时间节点,对东北振兴期间的辽宁地区水资源利用效率进行研究和总结,为东北再振兴计划中的辽宁地区水资源利用提供理论指导。

2 研究方法与数据来源

2.1 SBM模型

传统DEA模型有C2R和B2C,两者是以投入或产出的径向计算,在计算中忽视了松弛量,从而造成对效率的过高估计。Tone提出扩展的DEA模型即SBM模型,将最大投入冗余与最大产出不足带入原目标函数体现松弛量的作用,构建的SBM模型为:

(1)

2.2 空间Durbin计量模型

空间计量经济学理论认为:一个地区空间单元上的某种经济地理现象或某一属性值与邻近地区空间单元上同一现象或属性值是相关的[12]。当辽宁省水资源利用效率的空间相关性得到验证时,我们就可利用空间面板模型来测度水资源利用效率的空间溢出效应。本文选用空间Durbin计量模型测算辽宁省各城市水资源利用效率的空间溢出效应,并与空间滞后模型和空间误差模型的回归结果进行了对比分析。

空间Durbin计量模型、空间滞后模型和空间误差模型的公式分别为:

Y=ρWY+Xβ+WXθ+ε

(2)

Y=ρWY+Xβ+ε

(3)

Y=Xβ+ε

(4)

式中,Y为水资源利用效率,W为空间权重矩阵,X为水资源利用效率的印象因素,WX为水资源利用效率的影响因素的滞后项,ρ为因变量滞后系数,β为自变量系数,θ为自变量滞后系数,ε是与地区和时期均无关的随机扰动项。

由于空间权重矩阵的引入使空间计量模型具有非线性结构,因此回归系数不再反映自变量对因变量的影响。LeSage、Pace以偏导矩的方式给出了空间计量模型的参数释义,提出了总效应、直接效应、间接效应等概念[13]。总效应表示某个解释变量对全部地区造成的平均影响,直接效应表示某个地区的解释变量对本地区水资源利用效率的影响,间接效应表示某个地区的解释变量对除本地区以外的其他地区水资源利用效率的影响,而对本地区该解释变量没有影响,将式(4)用以下形式表示:

(In-ρW)Y=Xβ+WXθ+ε

(5)

对式(5)两边同乘以(In-ρW)-1,并展开为:

(6)

Sr(W)=V(W)(Inβr+Wθr),V(W)=(In-ρW)-1，展开得：

Y1Y2︙Ynæèçççççöø÷÷÷÷÷=Σkr=1Sr(W)11Sr(W)12…Sr(W)1nSr(W)21Sr(W)22…Sr(W)2n︙︙︙︙Sr(W)n1Sr(W)n2…Sr(W)nnæèçççççöø÷÷÷÷÷x1rx2r︙xnræèçççççöø÷÷÷÷÷

+V(W)ε

(7)

由式(7)因变量Y对自变量X求偏导可认为是自变量X对因变量造成的影响,因此得到总效应、直接效应和间接效应分别为:

(8)

(9)

(10)

2.3 数据来源

本文使用的辽宁省14个城市的数据来源于2005—2015年的《辽宁省统计年鉴》,2004—2014年的《辽宁省水资源公报》,2005—2015年《中国区域经济统计年鉴》和辽宁省各城市的统计公报等相关统计数据。

3 水资源利用效率测度

本文选取水足迹、劳动力、固定资产投资作为投入指标,GDP作为产出指标。水足迹体现了社会—经济—生态系统真实的水资源消耗量,劳动力反映从业人员在生产过程中的实际投入量,固定资产投资反映社会—经济—生态系统中的资金投入,GDP反映社会—经济—生态系统的经济效益。鉴于数据的可得性,文中社会—经济—生态系统仅考虑经济产出。固定资产投资以2004年为基期的固定资产投资作为资本投入,GDP以2004年为基期的国内生产总值作为产出。利用辽宁省14个城市2004—2014年的面板数据和SBM模型测度水资源利用效率见表1。

从时间上看,2004—2014年辽宁省整体水资源利用效率呈上升趋势,但整体水资源利用效率较低。沈阳、营口的水资源利用效率增长最为明显,沈阳的水资源利用效率从2004年0.81增加到2014年的1.00,并在2011年水资源利用效率达到最优；营口的水资源利用效率从2004年的0.49增长到2014年的0.68,2004—2014年水资源利用效率增长了36.73%。沈阳、营口的水资源利用效率的增加主要得益于GDP的迅速增长,产出增长拉动了效率的提高。2004—2014年大连(除2005年外)、鞍山的水资源利用效率一直维持在最优效率。抚顺、本溪、丹东、锦州、阜新、辽阳、朝阳、葫芦岛的水资源利用效率有所增长,但增长速度缓慢,水资源利用效率离最优效率有较大差距,水资源利用效率增长潜力巨大。这些地区GDP的增长速度落后于水足迹、劳动力和固定资产投资额的增长速度,因此制约了水资源利用效率的增长。

表1 2004—2014年辽宁各城市水资源利用效

值得注意的是,盘锦、铁岭的水资源利用效率整体上先下降后上升,波动起伏较大。这种波动主要是投入—产出要素的变动较大致使效率产生波动,在产业结构转型升级初期因为结构调整出现效率下降,但在后期产业结构转型升级效应开始显现,水资源利用效率因此上升。此外,2004—2014年辽宁省各市水资源利用效率差别很大,水资源利用效率算术平均值的最小值为0.25,最大值为1.00。由于水资源的产出主要体现为经济效益,因此水资源利用效率的差异反映了辽宁省各市经济发展效益的差异。

从空间上看,辽宁省水资源利用效率整体上呈中间高东西两侧低的格局,且东侧高于西侧(图1)。按照自然间断点分类法,本文将辽宁省14个城市的水资源利用效率分为高效率地区、中效率地区、低效率地区,并选取2004年、2007年、2010年、2014年作为样本来反映辽宁省14个城市的水资源利用效率空间格局变化。由图1可知,高效率地区一直分布在大连、鞍山、盘锦、沈阳,且高效率地区两侧(除阜新和铁岭外)均为中效率地区,说明水资源利用效率的溢出效应明显。10年间,大连、鞍山、盘锦、沈阳各个时期的水资源利用效率都很高,尤其是大连和鞍山的水资源利用效率10年来均保持在最优效率水平。2004—2014年中效率地区在减少,锦州、营口、辽阳、丹东、本溪、抚顺一直是中效率地区,但葫芦岛和铁岭从中效率地区变为低效率地区,说明2004—2014年葫芦岛、铁岭的水资源利用效率增长速度落后于其他地区,且铁岭市水资源利用效率有所降低，朝阳、阜新一直处于低效率地区。从空间上看，低效率地区向南部的葫芦岛和北部的铁岭扩张,说明低效率地区也存在溢出效应。

图1 辽宁省水资源利用效率变化

4 水资源利用效率溢出效应分析

为了进一步测度辽宁省水资源利用效率的空间溢出效应,本文利用空间Durbin计量模型对辽宁省的水资源利用效率进行分析。

4.1 空间Durbin计量模型回归结果

水资源利用效率的分析表明,辽宁省城市的水资源利用效率存在显著的空间溢出效应,高效率地区呈现出空间集聚现象。本文通过空间溢出效应测算来具体说明何种因素可对水资源利用效率的空间溢出效应产生影响。

表2 模型回归结果

注:***表示1%水平上显著,**表示5%水平上显著,*表示10%水平上显著。

表2给出了空间滞后模型、空间误差模型和空间Durbin计量模型三种计量模型的回归结果。通过Hausman检验可确定三种计量模型均采用固定效应,而拒绝随机效应。由各模型R2值结果可见,包含因变量滞后向和自变量滞后项的空间Durbin计量模型拟合度高于空间滞后模型和空间误差模型,所以使用空间Durbin计量模型更能准确地描述各变量的变动规律,结论更具可靠性。三种空间计量模型的各项回归系数空间自回归系数ρ均为正值,且显著性较高,说明辽宁省各城市水资源利用效率存在溢出效应。因此,在对辽宁省水资源利用效率过程中应考虑空间因素,而空间外部性效应对水资源利用效率的提高具有非常重要的影响。

在空间滞后模型状况下,劳均GDP、教育经费、外商直接投资、水资源总量、人均用水量、农田实际灌溉平均用水量、工业用水比重对水资源利用效率产生显著正向影响;在空间误差模型情况下,劳均GDP、外商直接投资、人均用水量、农田实际灌溉平均用水量、工业用水比重和第三产业增加值占GDP比重对水资源利用效率存在显著的正向影响;在空间Durbin计量模型情况下,劳均GDP、教育经费、万元GDP增加值用水量及滞后、人均用水量及滞后、农田实际灌溉平均用水量及滞后、交通基础设施、农业用水比重及滞后、第三产业增加值占GDP比重及滞后、滞后外商直接投资、滞后工业用水比重、滞后水资源总量对水资源利用效率存在显著正向影响。空间滞后模型、空间误差模型、空间Durbin计量模型的R2值和似然比值较好,证明回归结果比较理想。

三种回归模型的结果表明,劳均GDP、农田实际灌溉平均用水量及滞后和农业用水重因素均对辽宁省水资源利用效率产生正向影响,其中劳均GDP因素在1%的显著水平上正向影响水资源利用效率;在空间滞后模型情况下,农田实际灌溉平均用水量因素在5%的显著水平上正向影响水资源的利用效率,而在空间误差模型与空间Durbin计量模型中在1%的显著水平上正向影响水资源的利用效率。

4.2 空间Durbin计量模型效应分析

由于回归模型的回归系数并不能完全反应自变量对因变量的影响,需要通过空间Durbin计量模型中的总效应、直接效应和间接效应来反映(表3)。

表3 解释变量的总效应、直接效应和间接效应

注:***表示在1%的水平上显著,**表示在5%的水平上显著,*表示在10%的水平上显著。

在空间Durbin计量模型总效应中,辽宁省各城市的第三产业增加值占GDP比重、工业用水比重、教育经费、劳均GDP、农田实际灌溉平均用水量、交通基础设施、农业用水比重因素对所有的城市水资源利用效率为正向影响。其中,劳均GDP、教育经费、农田实际灌溉平均用水量、农业和工业用水比重对水资源利用效率为显著的正向影响;而辽宁省各城市的水资源总量、外商直接投资、万元GDP增加值用水量因素对所有城市水资源利用效率为负向影响,水资源总量、外商直接投资为显著的负向影响因素。通过增加和减少以上这些因素，不但可促进本市水资源利用效率的提高,而且可带动其他城市水资源利用效率共同提高。

在空间Durbin计量模型直接效应中,辽宁省各城市的第三产业增加值占GDP比重、教育经费、劳均GDP、农田实际灌溉平均用水量因素对本市水资源利用效率造成显著的正向影响,而辽宁省各城市的交通基础设施、农业用水比重、工业用水比重、人均用水量、万元GDP增加值用水量因素对本市水资源利用效率为显著的负向影响。辽宁省各城市控制以上这些因素可促进本市水资源利用效率的提高,但不能带动其他城市共同提高。

在空间Durbin计量模型间接效应中,辽宁省各城市的工业用水比重、农业用水比重、交通基础设施、农田实际灌溉平均用水量和教育经费因素对除本市外其他城市水资源利用效率造成正向影响,而辽宁省各城市的外商直接投资、人均用水量因素对除本市外的其他城市水资源利用效率为显著的负向影响。

在空间Durbin计量模型总效应、直接效应和间接效应中,教育经费和农田实际灌溉平均用水量因素均对水资源利用效率为显著的正向影响;外商直接投资和人均用水量因素均对水资源利用效率为负向影响,其中人均用水量在1%水平上为显著的负向影响因素。因此,辽宁省各城市不能盲目追求外商直接投资,应从控制农田实际灌溉平均用水量、减少人均用水量和增加教育经费等手段共同促使辽宁省各城市的水资源利用效率的提高。

总之,以空间Durbin计量模型在内的三种计量模型的回归结果表明,不能盲目追求外商投资,应增加教育经费提高水资源利用效率。虽然农业用水和工业用水在总用水量中占较大比重,但可通过技术与设备的改进、建立高效节水农业等措施促进水资源利用效率的提高。辽宁省各城市的万元GDP增加值用水量、人均用水量和交通基础设施因素显著负向影响水资源利用效率,因此各城市应增强交通基础设施、控制万元GDP增加值用水量和大力宣传节水工作等措施提高全省的水资源利用效率。

5 小结与讨论

基于辽宁省14个城市的水足迹面板数据,利用SBM模型分析了2004—2014年辽宁14个城市的水资源利用效率,运用空间滞后模型和空间误差模型和空间Durbin计量模型探究了辽宁省各城市水资源利用效率的空间溢出效应的影响因素。

本文得出以下结论:①在东北振兴期间,辽宁省整体水资源利用效率呈上升趋势,但整体水资源利用效率较低。从空间上看,辽宁省水资源利用效率整体上呈“中部凸起两翼跟随”的状态,且东侧高于西侧。②运用空间滞后模型、空间误差模型和空间Durbin计量模型对水资源利用效率进行回归分析,空间自回归系数均大于0.2,且都具有较高的显著水平,说明辽宁省水资源利用效率存在空间溢出效应。③通过总效应、直接效应和间接效应反应的自变量对水资源利用效率因变量的影响表明,劳均GDP、教育经费、农田实际灌溉平均用水量、交通基础设施、农业用水量、工业用水量和第三产业增加值占GDP的比重因素正向影响水资源的利用效率,而辽宁省各城市的外商直接投资、人均用水量、万元GDP增加值用水量、水资源总量负向影响水资源的利用效率。

从时间上看,在东北振兴期间辽宁地区水资源利用效率得到了较大提升。从空间上看,辽宁地区水资源利用效率整体态势没有发生明显变化,但东南地区和西北地区的水资源利用效率呈现下降趋势。从结果上看,应从增加教育经费、控制万元GDP增加值用水量、增强交通基础设施、减少人均用水量等手段提高辽宁省各城市的水资源利用效率。同时,不能盲目追求外商投资,对用水应进行相应的控制。虽然农业用水在总用水中占较大比重,但可通过改进生产技术和设备、采取高效节水农业等措施促进水资源利用效率的提高,在新一轮东北振兴中实现辽宁地区水资源利用效率提高与经济振兴同步发展。

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WaterResourceUtilizationEfficiencyandItsSpatialSpilloverEffectsMeasureinLiaoningProvince

WU Ji-yao,HAN Zeng-lin,WU Hui-ge
(Center for Studies of Marine Economy and Sustainable Development,Liaoning Normal University,Dalian 116029,China)

Based on Liaoning Province of 14 cities panel date of water footprint,established the water resources utilization efficiency of every cities in Liaoning Province by using date envelopment analysis model in the view of time line.Overall utilization efficiency of water resources in Liaoning province was on the rise from 2004-2014,but the water use efficiency was low.From the space point of views,overall utilization efficiency of water resources in Liaoning Province showed the middle high,east and west on both sides of the low pattern,and the east side was higher than the west side.By mean of the spatial lag model,spatial error model and space Durbin econometric model,this paper studied the spatial spillover effects of water resources utilization efficiency every cities in Liaoning Province.The results showed that there was significant spatial correlation in water resource efficiency of every cities in Liaoning Province.The GDP per labor,the education funds,the proportion of industrial and agricultural water and actual irrigation water consumption per area had positive significant influence.The factors of foreign direct investment and per capita water consumption had negative significant influence. Increasing in the education funds control the actual irrigation water consumption per area could promote the water resources utilization efficiency.Increasing in the factors of foreign direct investment and per capita water consumption resulted in the reduce of the water resources utilization efficiency.

water footprint;SBM model;water resources utilization efficiency;spillover effects

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.04.007

TV213.9

A

1005-8141(2017)04-0417-06

2017-02-22；

2017-03-14

国家自然科学青年基金项目“中国周边海洋地缘环境系统脆弱性时空演变特征及其机理研究”(编号:41601114);教育部人文社会科学青年基金项目“海洋地缘环境系统脆弱性时空演变特征及其机理研究——以南海为例”(编号:16YJC790080)。

及通讯作者简介：武继尧(1993-),男,辽宁省丹东人,硕士研究生,研究方向为人文地理,海洋经济地理。