中国省际能源利用-经济发展-环境保护系统的时空耦合协调度分析*

罗福周 张诺楠

(西安建筑科技大学管理学院，陕西 西安 710055)

2000年以来，中国在经济高速增长的同时也付出了高昂的资源与环境成本。随着后工业时期的到来，前期“高投入、高污染、高耗能”的粗放式发展导致各省份能源、经济与环境系统间的矛盾日益显现，成为制约中国经济增长的瓶颈之一。因此实现能源利用-经济发展-环境保护(3E)系统的协调发展是中国实现可持续发展的突破口。以能源效率为切入点准确把握中国省域间3E系统耦合协调水平现状及时空演变趋势是实现3E系统协调发展的重要前提。

能源效率根据是否考虑污染物等非期望产出分为两类，其中考虑非期望产出的能源效率更接近真实值[1]。常用测度方法有数据包络分析(DEA)模型、SBM模型、Super-SBM模型等[2-4]，但DEA模型忽视了投入和产出变量的松弛型问题；SBM模型在多个决策单元同为完全有效时，无法有效评价与排序；而Super-SBM模型同时解决了上述问题，在能源效率测算上更具优越性。因此本研究采用Super-SBM模型测度考虑非期望产出的能源效率。

关于3E系统耦合协调度的研究多针对能源、经济、环境的总量指标体系[5-6]，缺少对能源效率指标的测算，而多重指标综合测度的效率指标更易全面真实地反映能源系统的内部状态[7]；此外，3E系统间耦合度只表示子系统间相互作用程度，无法反映子系统间耦合协调水平的高低[8-9]；研究尺度上也多基于单个省份层面，鲜有从国家层面分析。因此，本研究以中国30个省份(由于数据可获取性等原因，西藏、香港、澳门、台湾未纳入统计)的能源效率为基础构建能源利用评价系统，并选取多项综合指标表征经济发展与环境保护系统，探讨30个省份2000—2017年3E系统耦合协调度的时空演变特征。运用灰色GM(1,1)模型对2018—2022年30个省份3E系统耦合协调度进行预测，为之后研究提供参考。

1 研究方法

1.1 能源效率的表征

采用Super-SBM模型测算决策单元在收益规模不变时考虑非期望产出的能源效率。当能源效率≥1时，决策单元相对有效，表示投入不变，缩减产出或产出不变、增加投入，都可达到有效状态；当能源效率<1时，决策单元无效。为进一步衡量省际技术进步与规模经济水平，将能源效率分解为技术效率与规模效率[10]。技术效率表示地区技术进步水平，规模效率表示规模经济情况。当技术效率≥1，规模效率<1时，表明该地区技术水平较高，但尚未实现规模经济；当技术效率<1，规模效率≥1时，表明虽实现了规模经济，但技术水平较为落后。规模报酬表示地区要素投入变化时产生的产出变化，规模报酬递减时表明地区处于收益递减阶段，要素增加比例大于产出增加比例，规模报酬递增时表明地区处于收益递增阶段，要素增加比例小于产出增加比例。

根据TONE[11]提出的包含坏产出的Super-SBM模型，以能源、资本、劳动力作为投入指标，各省份生产总值、污染物排放作为产出指标，在MAXDEA 7.9 Ultra软件中计算2000—2017年30个省份的能源效率。能源投入指标选取各省一次能源消耗，数据源于中国统计年鉴；资本投入指标选取各省资本存量，参考文献[12]中的永续盘存法，以2000年资本存量除以2000—2017年的年均增长率与折旧率作为初始资本存量，数据源于中国统计年鉴及各省统计年鉴；劳动力投入指标选取当年就业人数，数据来源于中国统计年鉴；期望产出指标选取各省国内生产总值(GDP)，GDP以2000年为基期的实际GDP折算，数据源于中国统计年鉴；非期望产出指标选取CO2、SO2和COD等污染物排放量，根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)2006年提出的折减系数，选取煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然气等化石能源消费量，计算CO2排放量，SO2和COD排放量数据均源于中国能源统计年鉴。

1.2 3E系统的表征

基于3E系统间的作用机理，参考MA等[13]的研究，结合省际间经济发展差异与能源使用特征选取评价指标。能源利用方面，从能源效能及能源现状出发选取7个指标测算能源利用综合指数；经济发展方面，从经济规模和经济增长潜力出发选取8个指标测算经济发展综合指数；环境保护方面，从环境污染与环境治理出发选取8个指标测算环境系统综合指数。采用线性内插法补齐缺失数据，采用极差标准化无量纲化处理三级指标，采用变异系数法计算各指标权重，3E系统综合评价指标体系见表1。

表1 3E系统综合评价指标

1.3 耦合协调关系

耦合度仅描述系统间相互作用程度，无法表示系统间耦合协调水平高低，因此在廖重斌[14]二元系统耦合度模型的基础上，构建三元系统耦合协调模型(见式(1)至式(3))，分析3E系统是否健康可持续发展。

(1)

(2)

T=αX×βY×γZ

(3)

式中：D为耦合协调度；C为耦合度；T为综合协调指数；X、Y、Z分别为能源、经济、环境系统综合评价值；α、β、γ分别为能源、经济、环境系统的待定系数，因3个系统同等重要，取α=β=γ=1/3。

参考文献[15]，耦合协调度划分标准见表2。

表2 耦合协调度划分标准及类型

1.4 灰色预测

基于灰色GM(1,1)模型，借助Matlab软件，用数列预测对2018—2022年中国省际3E系统耦合协调度进行预测。

2 实证分析

2.1 省际能源效率时空演变分析

根据MAXDEA 7.9 Ultra软件的计算结果，全国2000—2017年省际能源效率及分解指数变化见图1。30个省份的能源效率及规模报酬测算结果见表3(因篇幅限制，仅列出2000年、2014年、2017年计算结果)。

表3 2000、2014、2017年省际能源效率测算结果

图1 2000—2017年中国省际能源效率及分解指数变化Fig.1 Changes of China’s inter-provincial energy efficiency and decomposition index from 2000 to 2017

由图1可知，2000—2014年全国能源效率呈下降趋势，由0.564降至0.422；2014—2017年能源效率呈上升趋势，由0.422升至0.440。从指数分解层面上看，规模效率始终高于0.8，而技术效率与能源效率波动趋势相同，2000—2014由0.750降至0.582，2014—2017年由0.582升至0.610，因此能源效率波动的主要原因为技术效率波动。技术效率波动的原因为:2000—2014年中国经济高速增长，能源密集型产业飞速发展，但此类产业节能减排技术落后、设备陈旧、管理效率低下，导致技术效率呈下降趋势，而十八大提出“五位一体建设”后，中国大力开展生态文明建设，引进绿色产业，研发节能减排技术，2014年后各省份生态文明建设成果逐步显现，技术效率由降转升。从规模报酬角度看，规模报酬递增省份个数明显多于规模报酬递减省份个数，表明中国多数省份仍处于收益递增阶段，产出增长空间较大，可通过合理增加能源投入规模提升能源效率，但受要素边际报酬递减规律制约，越来越多的省份无法仅依靠要素增加维持经济增长，应优化能源结构，促进经济集约型增长。

由表4可见，中国三大区域的能源效率呈现东部、中部、西部递减的空间分布格局，2017年东部能源效率为0.654，远高于中部、西部的0.366、0.280。其中高能源效率(能源效率>1)省份基本为东部沿海地区；而低能源效率(能源效率<0.3)省份除山西外均属于西部欠发达地区。从指数分解层面看，2017年东部地区技术效率维持在0.8以上，而中、西部地区低于0.5。东部地区依靠自身经济实力与地理位置，调整产业结构，淘汰耗能污染型企业，引进清洁型企业，发展节能减排技术，使技术效率水平处于高位；而中、西部地区为进一步发展经济放宽高能耗、高污染项目的准入条件，导致技术效率持续低下。从规模报酬角度看，东部地区规模报酬递减省份远多于中西部地区，已进入规模报酬递减阶段，经济增长向集约型发展；中部地区规模报酬递减省份逐年增多，应减少投入水平冗余量，转变要素型增长模式。但西部地区仅四川为规模报酬递减，经济发展仍需依靠增加投入。

表4 2000、2014、2017年不同区域的能源效率

2.2 3E系统耦合协调度时空演变分析

2000—2017年30个省份3E系统耦合协调度结果见表5。

表5 省际3E系统耦合协调度计算结果

由表5可见，全国2000—2017年3E系统耦合协调度均值由0.483升至0.672，由濒临失调衰退升至初级协调发展，表明研究期内中国优化产业结构、加快经济转型、加强生态保护成效显著。

从三大区域看，2000—2017年东、中、西部3E系统耦合协调度由0.550、0.456、0.448上升为0.735、0.650、0.626，呈东、中、西递减的空间规律。其中中、西部地区低于全国均值，与东部地区差距明显，但中部地区资源丰富，随生产要素投入增加，经济崛起，耦合协调度增速最快；西部地区能源利用率低，经济基础薄弱，生态环境脆弱，耦合协调度增速最慢；东部地区耦合协调度最高，率先实现中级协调发展。

2000年、2017年全国省际3E系统耦合协调度分级情况见表6。从时空演变看，2000—2017年省际3E系统耦合协调度空间上呈由东部沿海地区向周边省份发展的时空规律。北京、上海依靠区位优势与资本积累，以高新技术产业为动力发展知识经济，领先由初级协调发展为良好协调，并通过经济外溢与技术辐射带动周边天津及江苏等沿海城市由勉强协调发展为中级协调；东部沿海地区外围城市河北、安徽等由濒临失调发展为初级协调；而山西、内蒙古、黑龙江等省份资源密集型产业较多，距东部沿海区域较远，经济外溢与技术辐射效应较小，仅发展为勉强协调。

表6 2000、2017年省际3E系统耦合协调度分级

2.3 预测分析

2018—2022年全国省际3E系统耦合协调度的预测结果见表7。预测结果各省份均方差比重<0.35，小误差概率>0.95，预测精度为一级，结果可信。

由表7可见，各省2018—2022年3E系统的耦合协调度延续2000—2017年的上升趋势，总体从初级协调上升为中级协调发展，其中上海率先实现优质协调发展，北京、天津、浙江、广东、江苏等发展为良好协调；山西、内蒙古、黑龙江、贵州、云南、甘肃、新疆等仅发展为初级协调；宁夏发展速度最慢，依然为勉强协调。西部地区增速较慢，省际间耦合协调度差距依然明显。

表7 省际3E系统耦合协调发展预测

3 结论及建议

3.1 结 论

(1) 研究期内中国能源效率整体先降后升，2000—2014年呈下降趋势，2014—2017年呈上升趋势，主要原因为技术效率波动。整体呈东、中、西递减的空间特征，北京、上海、广东等东部省份能源效率较高，而贵州、青海、宁夏、新疆等西部欠发达地区能源效率最低。

(2) 研究期内全国省际3E系统的耦合协调度呈稳定上升趋势，由濒临失调衰退升至初级协调发展。东部地区耦合协调度显著领先中、西部地区，呈现从东部沿海地区向周边省份发展的时空规律。

(3) 预测结果显示，2018—2022年省际3E系统耦合协调度仍呈上升趋势，除宁夏外其他地区均在初级协调之上，但西部地区发展缓慢，省际之间差距依然明显。

3.2 建 议

各省份在探索3E系统耦合协调发展时，应结合省份发展情况及优势，缩小地区间差异，有效提升中国3E系统耦合协调度水平。东部地区应依托雄厚经济实力，发挥比较优势，强化技术创新，带动能源高效利用，推动集约型经济发展；中部地区应调整产业结构，淘汰落后产能，将资源优势转化为经济优势，摆脱粗放式发展模式；西部地区在追求经济增长的同时应坚持绿色发展导向，特别是宁夏、新疆等生态脆弱、经济落后地区，发展经济的同时，应加大环境保护力度。