环境规制对工业节能减排的影响研究——基于系统动力学仿真

李启庚，冯艳婷，余明阳

（1.太原理工大学 经济管理学院，山西 太原 030024；2.上海交通大学 安泰经济与管理学院，上海 200052）

一、引 言

改革开放以来，工业作为国民经济的重要支柱为中国创造了巨大的经济红利，中国经济在很长一段时间里始终保持高速增长，但工业在拉动经济的同时也是能源消耗和污染物排放的主体。当前，这种粗放型工业经济发展模式对经济的拉动已显乏力，而且还造成雾霾、空气污染和气候变化等环境问题，严重影响中国经济的可持续发展和人民的生活质量［1］。如今，在中国特色社会主义进入新时代的崭新历史时期，在当前高度重视生态文明建设的时代背下，控制工业能源消费总量和减少污染物排放是推进生态文明、建设美丽中国的关键举措和重要路径。目前，随着工业化、城镇化进程加快和消费结构升级，经济社会发展面临的资源环境约束十分突出，工业作为经济增长和污染物排放的主要贡献产业，更是承担了节能减排的重大压力，尤其在资源型地区工业的节能减排形势非常严峻。由于环境资源具有公共品性、负外部性以及产权不明晰等特点，单靠市场机制无法实现有效的环境保护，因此政府必须通过环境规制来弥补市场失灵［2］。在世界各国政府的政策实践中，环境规制在处理环境问题外部性的成效方面已得到广泛认可，正处于转型时期的中国，如何选择合理有效的环境规制政策，实现工业经济增长和节能减排的双赢，最终达到经济、能源和环境的可持续发展，这是当前政府亟待解决的重大问题。

环境规制政策主要分为行政命令型环境政策和基于市场的环境政策。长期以来，包括中国在内的大部分发展中国家，因为市场体系尚未健全完善，在缓解由经济发展带来的环境问题时主要采用行政命令型政策，即制定各种环境标准和规范强制企业遵守，但这样的环境规制政策严重依赖政府的直接干预，成本较大而且效果远远低于以市场为基础的激励型环境规制工具［3］。从“十五”开始，中国在借鉴发达国家经验的基础上，逐步实行以财政补贴和自愿手段为主的激励型规制工具，比如二氧化硫排污权交易、碳排放权交易等排污许可交易政策［4-5］，这些政策主要针对污染物排放。近些年，中国政府慢慢将注意力转向源头治理，开创性地提出“用能权交易制度”，用来控制工业能源消费总量。目前这些政策大多处于试行的初级阶段，市场整体的运行效率不高，仍需进一步推广和完善。因此，明确各种创新性政策的实际效果，研究其经济和环境效应，对实现工业节能减排和政策推广有重要的现实意义。

二、文献综述和研究区域选取

（一）文献综述

关于环境规制对能源消费和污染物排放的影响，近些年的研究多集中于以市场为基础的激励型环境政策。传统的政府干预经济理论认为，市场机制无法消除环境的外部性而政府拥有完全信息，因此行政命令型政策在解决环境外部性方面是有效的。基于这一理论，Porter（1995）肯定了政府管制对解决环境问题的作用，提出严格的管制会诱发企业创新和技术进步从而实现经济与环境的双赢，即“波特双赢假说”［6］。Boyd（1999）通过对造纸厂和玻璃厂的实证研究发现，政府实行严格的环境管制能够在没有降低企业生产率的情况下减少污染［7-8］。但新古典经济理论认为政府很难拥有完全信息，单纯依赖行政命令型政策违背等边际原则，即缺乏效率也会抑制技术创新［9］。Carlson（2000）考察了美国二氧化硫排污权交易，发现比起行政命令型政策，排污权交易每年可以节约10亿美元［10］。国内研究也表明激励型环境规制政策能显著影响能源消费［11］和碳排放强度［12］。林艳（2016）在总结分析我国环境规制政策时提出，要转变政府职能、优化环境税收体系、开征环境税、加大对节能环保的支出力度等基于市场的政策建议［13］。张国兴等（2018）对京津冀地区1981年以来的环境规制措施做了量化处理，得出人事措施、行政措施、引导措施、财税措施、金融措施等不同环境规制政策对京津冀节能减排的有效性具有明显的差异，他认为要因地制宜地制定环境规制政策［14］。卢洪友（2017）通过省级面板数据模型，实证检验我国环境税费政策对节能减排、经济增长以及要素收入分配的影响效应［15］。陶长琪等（2018）的研究发现环境规制效果与能源消费结构演变相关，必须立足能源消费结构控制环境规制强度，否则环境规制效率极低［16］。涂正革等（2016）通过构建DEA模型进行核算，发现全面实行二氧化硫排污权交易机制后即可实现GDP增速，也有助达成污染物排放减半的绿色发展目标［17］。也有学者研究发现，碳排放权交易可以显著促进地区产业结构优化和经济的绿色发展［18］，但这种作用在不同行业间存在异质性［19］。张宁等（2019）认为与行政命令型政策相比，用能权交易政策会带来较高的平均经济潜力和节能潜力，在实施用能权交易政策时，必须坚持市场交易为主，政府调控为辅，而且要根据各行业特点有差异地设计各行业初始能源配额，利用用能权交易来实现中国工业经济增长和节能减排的双赢发展［1］。

纵观现有的研究文献，可以发现：首先在关于环境规制对节能减排的影响文献中，学者们关注的焦点主要集中在环境税、碳税政策以及区域性排放目标约束对经济和环境的作用上，针对污染物排污许可交易政策比如碳交易政策、硫排放权交易政策等的研究较少，而且对于用能权交易这一创新性政策更是鲜有文献关注，这些创新性政策的效果如何，是否能实现经济与环境的双赢，都还尚未有统一的认识。其次，在研究方法上多为计量经济的实证检验，不可否认经济、能源和环境是一个相互耦合的系统，需要整体动态的分析，并且在制定工业环境规制政策方面，还需要考虑地区和行业差异，不能一概而论。基于此，本文运用系统动力学方法，从系统角度出发，构建资源型地区工业产业的能源消费和污染物排放模型，并在子系统内赋予财政补贴、用能权交易、排污权交易和碳排放权交易等基于市场的环境规制政策因子，动态直观地考察这些环境规制政策对控制工业能源消费和减少污染物排放的有效性，以期为资源型地区工业环境规制政策创新提供现实依据。

（二）区域选取

本文选取山西省作为研究对象主要基于以下几个原因：首先，山西省是资源型地区的典型代表，它是全国重要的煤炭能源基地，在全国经济发展和能源安全中占有举足轻重的地位。当前，山西省已进入重化工业加速发展的关键时期，在此阶段，控制工业能源消费和污染物排放至关重要。山西省作为能源富集区拥有得天独厚的煤炭和其他矿产资源优势，而建立在资源优势基础上的重型工业是山西省经济的支柱产业，既带动了山西省经济的发展，同时也为全国经济提供了强大的能源支持。但长期以来，以工业为支柱的产业结构导致山西经济能耗强度大、碳排放量大、污染严重和不可持续，生态环境恶化加剧。因此，工业产业加大节能减排力度势在必行。其次，山西省政府高度重视省内生态文明建设，为了提高能源利用效率和改善生态环境质量，实现经济发展与能源节约双赢，推动形成节能绿色发展的新方式，山西省政府已经发布46条举措力争完成节能减排目标，预期到2020年，全省万元国内生产总值能耗比2015年下降15%，能源消费增量控制在3 010万吨标准煤以内，各项污染物排放量也限定了标准。其中重点完善了各项环境规制政策：一是完善能源价格收费政策，加快资源环境价格改革，健全价格形成机制；二是完善财政税收激励政策，加大对节能减排工作的资金支持力度；三是健全绿色金融体系，支持以用能权、碳排放权、排污权和节能项目收益权等为抵（质）押的绿色信贷；四是建立市场化交易机制，健全用能权、排污权、碳排放权交易机制。这些环境规制政策以及其他举措目前正在试行阶段，这些政策是否能够有效控制工业能源消费总量和减少碳排放，仍需实证检验。综上所述，山西省作为资源型地区的典型代表，又在积极践行各种环境规制政策，因而研究山西省的环境规制政策效果能够为其他资源型地区提供很好的借鉴。

三、能源消费和污染物排放系统动力学模型构建

（一）模型总体结构

能源消费与污染物排放系统是社会经济系统中一个较为具体的部分，在参考已有文献［20-22］和结合工业实际情况的基础上，确定系统边界并分析其因果反馈关系。基于山西省节能减排现状以及工业能源消耗和污染物排放，所建立的节能减排系统主要由六大子系统构成，分别是以人口为基础的社会支撑子系统、反映经济水平的经济发展子系统、反映科技进步的科技投入子系统、反映能源使用状况的能源消费子系统、反映污染物排放与控制的环境治理子系统和反映环境规制政策力度的政策调控子系统。

（二）模型因果反馈关系

工业节能减排各个子系统之间通过各自的影响作用相互联系。以工业能源消费和污染物排放具体实际为依据，考虑数据的可获性并筛选各个子系统内相关变量并分析变量之间的关系［23］，子系统及其主要变量见表1所列。

表1 工业节能减排各个子系统及其主要变量

进而得出节能减排系统的因果回路图如图1所示。主要反馈关系如下：在社会支撑子系统内，人口总量是各项经济活动的基础，人口越多，全社会的劳动力资源就越多，社会经济效益就越好，相应地会带动人口的增长。但是，人口总量越多所消耗的能源和排放的污染物就越多，反过来，能源短缺和环境恶化会抑制人口总量的过度增长。在经济发展子系统内，经济发展水平越高，对工业的投资越多，工业增加值就越高，反过来会促进经济的发展。同样地，经济发展越好，对环保、节能和研发的投入就越多，环境质量改善以及科技进步也会促进经济水平增长。在能源消费和环境治理子系统内，工业能源消费量越多，工业产值越高，工业“三废”和碳排放量就越多，环境约束会限制能源的消耗水平和工业产值的增长。在政策调控子系统内，政府通过颁布各项环境规制政策，宏观调控工业能源消费和工业污染物排放。

图1 模型因果回路图

（三）工业节能减排系统模型构建

在确定各个子系统变量以及因果反馈关系的基础上，绘制工业产业能源消费和污染物排放系统流图。基于山西省工业的实际特征，选取关键变量，主要以工业煤炭、石油、天然气和电力的消费量以及工业“三废”和碳排放量来表现山西省工业的能源消耗和污染物排放情况。煤炭、石油、天然气和电力的消费以终端消费为准，计量单位均转化为万吨标准煤，且煤炭的消费包括原煤、焦炭、洗精煤及其他洗煤。山西省废气污染排放主要是二氧化硫，所以在系统内排污权交易主要针对二氧化硫。通过引入水平变量、速率变量和辅助变量，最终构造出系统流图如图2所示。

（四）模型主要方程和参数确定

模型主要数据来源于2006-2018年的《山西省统计年鉴》《中国能源统计年鉴》、山西省人民政府办公厅公告和一些公开发表的文献资料，数据来源可靠准确。根据收集处理好的数据，通过数学计算、回归分析和经验预测［24-27］等方法推导变量之间关系的方程表达式，使其能够较为准确地模拟现实情况。模型的参数主要包括常数、初始值和表函数。对于一些无法在文献资料中获取的参数，比如出生率、死亡率、各种能源消耗系数、工业“三废”排放系数以及碳排放系数等，本文利用表函数来加以确定。模型的主要变量方程式见表2所列。

表2 模型主要变量方程式

续表2

（五）模型有效性检验

本文使用Vensim Ple软件对模型进行仿真模拟。模型构建完成后，需要进行直观检验、历史性检验、稳定性检验和灵敏度检验，检验通过后可进行下一步的仿真分析。由于篇幅限制，本文仅展示历史性检验结果。模型的初始年份为2005年，模拟时间为2005-2030年。其中2005-2017年为模型检验阶段，本文通过对人口总量、GDP、工业煤炭消费量、石油消费量、废水排放量和SO2排放量进行检验，以山西省2006-2018年统计年鉴上可获取的数据为参照，验证模型的有效性。历史性检验结果见表3所列。

表3 历史检验结果

续表3

表3所显示的各个主要变量历史值与仿真值之间的误差最大不超过5%，说明山西省工业节能减排系统的仿真值有较高的精度，拟合情况良好，可以进行下一步的仿真预测。

四、模型仿真结果分析

模型的仿真时间边界为2005-2030年，为了考察现行政策下的节能减排成效以及不同环境规制政策强度对工业能源消费和污染物排放的影响，本文选择了财政补贴政策因子、用能权交易价格浮动、排污权交易价格浮动和碳排放权交易价格浮动作为环境规制政策变化的参数变量，通过改变不同政策变量的参数值来考察不同环境规制政策对节能减排的影响作用，各政策参数设置见表4所列。

每一个政策参数变量分别设立两个方案，政策方案一表示目标政策的实施与现行政策的比较；政策方案二表示在同一目标政策下，不同实施强度对整体能源消耗和污染物排放的影响。

本文先给出现行政策下山西省GDP、工业产值以及各种能源消费的仿真图，用以分析当前政策下的节能减排情况，如图3、图4所示。

由图3可以看出，山西省经济在未来几年发展趋势良好，始终保持稳定增长。在山西省政府大力倡导改变传统资源型产业结构，重点发展绿色产业以来，工业增加值增速放缓，工业产值趋于稳定。由图4可以看出，在现行政策下，2017年以后的山西省工业煤炭消费量呈大幅上升趋势，到2021年左右达到峰值后开始下降，煤炭消费是碳排放的主要来源，煤炭消费的增长使碳排放量也随之上升，从而对生态环境造成不可逆的破坏。石油能源消费量大体保持稳定，可见在工业经济发展过程中对初级化石能源的依赖性仍旧较强，政府仍需加大节能减排政策力度，加快转变经济发展模式。山西省政府近些年逐步开始推动能源结构优化，降低煤炭的消费比重，加强煤炭清洁高效利用，将重心慢慢向天然气、电力以及其他可持续能源等替代能源转移，从仿真图中也可以看出，在2020年以后工业煤炭消费量开始减少，工业天然气消费量和工业电力消费量稳步上升。

图3 现行政策下GDP、工业产值变化情况

图4 现行政策下工业各项能源消费变化情况

三种政策方案下各变量的比较结果如图5至图7所示（由于篇幅限制，仅给出部分具有代表性的模拟结果图）。

由图5至图7可以看出，在现行政策下，能源消费依然有明显的资源消耗型特征，能源消费总量总体上来说仍是居高不下，各项污染物排放量离目标水平仍有一段距离，环境规制政策的“倒逼减排”效应未完全显现，存在滞后现象。政策方案一加大了财政补贴的力度，对比初始政策，环保投入有了一定幅度的增加，环境污染程度有所减缓，各项污染物的排放也有所下降。在政策方案一中，对比初始政策，工业能源消费总量、SO2产生量、工业固废产生量和工业碳排放量均低于现行政策水平，当各项政策力度提升到政策方案二时，能源消费量和污染物排放量低于方案一，处于最低水平，这说明各项环境规制政策能够控制能源消费总量和减少污染物排放。用能权交易政策处于刚刚起步阶段，主要是从源头入手控制能源消费，碳排放权交易和排污权交易能够直接管控污染物的排放，这些环境规制政策往往紧跟市场动向，其价格波动十分迅速，企业也会根据不断变化的价格来调整自身策略，当提高各项交易权价格时，企业因为逐利本性会主动减少能源消耗和污染物排放，但是环境规制政策力度并不能无限制地增加，价格也不能完全交由市场决定。由图5至图7可以看出，政策方案二继续加大环境规制力度，即将各项政策参数值翻倍，能源消费量和污染物排放量的控制效果并未翻倍提升。这可能是由于环境规制政策干预过度，政策措施较为苛刻，既增加了实施成本，影响财政收入，也会对工业增加值产生影响，而且目前各项交易市场并未完善，交易机制运行也不成熟。政府应根据实际的市场形势和节能减排现状，合理选择有成效的交易价格。总体来说，政策方案二对工业能源消费和碳排放的控制效果更佳，在此政策下，山西省能够完成2020年工业节能减排目标。

图5 环保投入和工业能源消费总量变化情况

图6 SO2产生量和工业固废产生量变化情况

图7 工业碳排放变化情况和各项政策下环境污染程度

五、结论与建议

本文从系统动力学视角出发，以山西省为例构建工业环境规制政策对能源消费和污染物排放产生影响的系统动力学模型，分析环境规制对工业节能减排的影响，主要得出以下结论：①当前山西省的能源消费总量和污染物排放量仍处在较高水平，现行环境规制政策的“倒逼减排”效应不明显；②各项环境规制政策能抑制工业能源消费和污染物排放水平，但目前山西省工业的环境规制力度仍需加大；③工业的财政补贴、用能权交易、排污权交易和碳排放权交易四项政策均能有效控制能源消费和污染物排放，但交易价格应根据市场形势设置在合理的范围内。

资源型地区利用环境规制政策有效控制工业能源消费和污染物排放，可以从以下几个方面入手：

第一，在财政允许的范围内，加大工业产业环保投入的财政补贴。资源型地区由于其独特的资源禀赋，大多产业结构较为单一，政府应该加大对工业产业节能减排工作的资金支持力度，对相关专项资金合理统筹安排，支持工业节能减排重点工程、能力建设和公益宣传，并适当补贴节能减排工业企业的所得税、增值税等，最大限度地调动企业节能减排的积极性。

第二，适当加大当前环境规制力度，使环境规制的“倒逼减排”效应充分显现。政府可以通过环境规制来带动工业技术进步和创新，但环境规制力度不仅要考虑生态环境对污染的承载能力，也要考虑经济个体对环境规制力度的适应能力。政府应充分发挥主观能动性，遵循市场机制为主、政府控制为辅的原则，根据当前经济发展状况和环境资源禀赋，将规制力度把握在合理区间。

第三，通过不断探索用能权交易、排污权交易、碳排放权交易政策，努力推广完善排污权、碳排放权交易机制，培育和发展交易市场，最终实现各项环境规制政策的波特效应。此外，政府也要持续推进环境保护税改革，实施环境保护税法，按照污染付费、公平负担、补偿成本、合理盈利的原则，合理提高污染物处理收费标准。