常规能源国际贸易网络演化特征研究

蒋培祥，董志良，张翠芝，张亦池

(河北地质大学 a.城市地质与工程学院; b.自然资源资产资本研究中心； c.河北省矿产资源战略与管理研究基地；d.管理学院，石家庄 050031)

能源是世界上各个国家发展的重要资源，对社会变革及发展起着至关重要的作用，因此能源问题是世界各国最关注的问题。对能源国际贸易问题的研究，在一定程度上能反应各国的供需能力以及各国在国际贸易中所处的地位。

关于对能源的研究，邵朝对[1]采用投入产出的方法模拟了国际能源价格受到冲击对中国贸易结构的传递效应，结果表明能源价格冲击会恶化出口结构、优化进口结构，但长期来看会阻碍中国贸易结构的调整。蔡进洲[2]运用GARCH模型分析了石油价格波动和风险。杨鑫[3]运用复杂网络方法对国际天然气无权与加权网络结构特征进行分析，发现国际天然气贸易网络分布具有幂律分布特征。刘健[4]运用社会网络方法对国际原油贸易网络演变特征进行分析，结果表明国际原油贸易演变格局与地区经济发展形势、石油资源分布密切相关。肖建忠[5]利用社会网络分析方法对国际天然气贸易网络演化及其特征进行了分析。Zhong[6]将煤炭、石油、天然气贸易量转化为能值并进行加总，构建了化石能源能值网络，发现贸易关系数量和贸易量服从幂律分布特征。Zhong[7]构建了石油贸易的加权与非加权网络，对石油贸易网络中社团特征及其演化特征进行了分析。邓富华[8]通过构建异质性随机前沿模型，发现石油进口地的政府治理与OPEC可以提高进口效率。何则[9]运用复杂网络的方法对世界能源贸易网络特征进行分析，发现世界能源贸易网络具有小世界与无标度特性。Li[10]研究了国际贸易的度分布、财富和资源分布的无标度特征，认为无标度特征是经济周期同步性的原因。Geng[11]运用复杂网络的方法对国际天然气贸易演变特征及国际天然气市场结构进行了研究，发现国际天然气贸易网络呈现无标度分布。Ji[12]运用复杂网络理论对石油进口国之间的竞争进行了研究，并分析了竞争格局与传导机制。

通过回顾文献，学者对能源研究的角度是不同的，一些学者对能源价格进行研究，一些学者对能源价格波动进行研究。关于能源研究的方法也是不同的，复杂网络方法是近年来研究的热点，主要思想是将现实生活研究对象以及相关联系映射到一个网络中，通过对网络中相关指标的分析，反映现实中系统的本质特征。复杂网络中的小世界特征[13]、无标度特征[14]相继被发现，复杂网络广泛应用于管理学[15]、物理学[16]、化学[17]、医学[18]、环境科学[19]、国际贸易等领域。但是对于常规能源网络的研究相对较少，因此本文选择用复杂网络的方法对常规能源(煤炭、石油、天然气)进行演化特征的分析。相比之前学者对能源网络的研究，本文建立的常规能源网络所涉及的数据更加全面、科学。不仅仅是某种单一能源网络演化的研究，而是对3种能源混合网络的研究，更加全面地体现各国在能源贸易方面的地位。

为了研究常规能源在国际贸易中的演化特征、各贸易国在国际贸易中所处的地位及其变化，本文以常规能源作为研究对象，利用2010～2019年的常规能源贸易数据，构建常规能源网络，分析网络的结构及其演化特征，以及识别关键国家节点。

1 数据与方法

1.1 常规能源贸易网络的构建

本文所使用的能源贸易数据煤炭(代码：270119)、石油(代码：270900)和天然气(代码：271111)均来源于联合国贸易署，时间跨度为2010～2019年。通过对数据预处理将3种能源转化为标准煤并进行加总。首先将3种能源按照各自的标准煤系数将贸易量转化为标准煤，然后将发生两种或三种贸易的国家以进口或出口为方向进行相加，国家间仅发生一种贸易的保持不变。参与能源贸易的国家或地区作为网络的节点，国家间存在的贸易关系为边，国家间的贸易量为边的权重，构建常规能源贸易有向加权复杂网络。网络以邻接矩阵的形式表示为

(1)

其中，wi,j(t)为第t年i国家向j国家出口标准煤的贸易量。

由表1可以看出2010～2019年间，常规能源贸易网络的节点数量与边数波动并不是很大，整体上看呈现下降的趋势。平均出度反应各个贸易国平均出口合作伙伴数量，平均出度、平均聚类系数整体上呈现上升趋势，说明常规能源网络国家间的贸易变得越来越紧密。平均加权出度反应各个贸易国平均出口贸易量的大小，整体上呈现上升趋势，2016年达到最大值，2019年几乎与2010年持平。模块化呈现下降的趋势，说明网络虽然变得紧密但贸易国家集团分化越来越不明显。在加权有向网络中平均路径长度呈现下降趋势，说明国家间完成贸易所经过的边数减少，贸易效率提高。

表1 常规能源贸易网络特征

1.2 节点入度与出度

节点度定义为该节点与其他节点直接相连的边的数量，表示该节点国家的贸易伙伴数量。在有向加权网络中节点度分为入度与出度，入度表示该国家贸易进口合作伙伴数量，出度代表该国家贸易出口合作伙伴数量。节点i的入度公式为

(2)

节点i的出度公式定义为

(3)

其中，j为节点，n为网络中总的节点数量，aji表示节点j到节点i是否存在连边，若存在aji=1，否则aji=0，aij表示节点i到节点j是否存在连边，若存在aij=1，否则aij=0。

1.3 节点加权度

加权度定义为与节点相连边的权重总和，表示该节点国家与贸易伙伴的总贸易量，平均加权度定义为网络中所有节点连边权重总和的平均值。在有向加权网络中节点的加权度分为加权入度与加权出度，加权入度表示该国家进口贸易量，加权出度表示该国家出口贸易量。节点i的加权入度公式为

(4)

节点i的加权出度公式为

(5)

其中，wji表示节点j到节点i连边的权重，wij表示节点i到节点j连边的权重。

1.4 中介中心性

中介中心性是经过节点i的最短路经的总数量，中介中心性越大说明该节点在网络中的控制能力越强，占据着较为重要的枢纽位置。节点i的中介中心性定义为

(6)

其中，g(j,k)表示节点j与节点k之间的最短路径数量，gi(j,k)表示节点j与节点k经过节点i的最短路径数量。

2 演化规律及特征

2.1 常规能源贸易网络中贸易国数量分布特征

2.1.1 能源贸易网络节点国家度分布特征

根据前人研究显示，复杂网络普遍存在于现实生活中，且多数复杂网络都具有幂律分布特征。判断随机变量是否符合幂律分布的依据是在双对数坐标下趋势线为斜率为幂指数的负数的直线，在网络中幂律分布表现为存在少量度值较大的节点、大量度值较少的节点。在双对数坐标中，以e作为底数，分别作2010～2019年常规能源国际贸易网络节点度值(节点度值用s表示)与节点个数(节点个数用k表示)的拟合函数，从图1可以看出常规能源网络的节点度分布表现出一定的负幂律性质。负幂律性质表示节点强度服从Pareto分布,即服从80/20原则，节点度分布符合幂律分布。说明在贸易网络中拥有核心地位的国家更容易与新的国家建立贸易合作关系。

图1 节点国家度分布拟合函数

由表2可知R2在0.687 1～0.812 8之间波动，度分布的拟合效果差，但是常规能源网络的节点度分布仍然具有幂律分布特征。-γ代表拟合趋势线的斜率，随着斜率的增大，趋势线变得越平稳，说明随着时间的推移，参与常规能源贸易的国家，正在通过增加自己合作伙伴的数量逐步提高常规能源贸易的安全性，保障自身常规能源供应的安全性。

表2 网络节点度分布拟合函数

2.1.2 贸易网络中国家之间贸易量特征

在能源贸易网路中，节点国家贸易量由节点的加权度值表示，节点加权度值越大说明该节点国家在当年的贸易量越大。图2为2010～2019年达到相应贸易量参与国家数量占比情况。其中横坐标为年份，纵坐标为达到相应贸易量所参与国家数量占总国家数量的比重。从图2可以看出，4条曲线呈现出下降上升下降上升的趋势。其中2010～2013年4条曲线的变化较为平稳，说明参与能源贸易的国家数量基本不变，所占据的贸易份额相差不大。在2013年4条曲线均呈现下降趋势，说明参与能源贸易的国家比重减小，即越来越少的国家参与了越来越多的贸易份额，从而印证了幂律分布的特征。2014～2017年4条呈现上趋势，说明参与贸易的国家数量上升，能源国家贸易向着全球化发展。

图2 常规能源贸易量国家比重

通过对常规能源网络中节点国家的度值与加权度值的分布特征进行分析，结果显示常规能源贸易网络中节点国家合作伙伴数量与贸易量分布均符合幂律分布特征，即少数贸易国家参与了全球大部分贸易量，占据较为重要的贸易地位。随着时间的推移，常规能源正在向全球化的方向发展，但贸易核心国家更容易与其他国家发展成为贸易合作伙伴。

2.2 贸易网络整体性分析

在能源国际贸易网络中，国家节点的度值代表该国家的贸易伙伴数量，度值越大，该国家的贸易伙伴数量就越多。平均度值是指网络中国家节点的贸易合作伙伴数量的平均值、度值越大，网络中国家节点的贸易伙伴数量就越多。国家节点的加权度值代表国家的进出口贸易量，度值越大国家进出口贸易量就越大。平均加权度代表网络中所有国家进出口贸易总量的平均，平均加权度越大表示该能源国际贸易网络的活跃度越高。常规能源贸易网络中国家平均贸易伙伴数量(平均度)与平均贸易量(平均加权度)的演化如图3所示。

图3 2010～2019能源贸易网络平均度与平均加权度的演化折线图

在图3中可以看出，2010～2019年平均度呈现上升下降上升再下降的趋势，平均度波动比较频繁，平均加权度呈现先上升后下降的趋势。其中2010～2013、2016～2017年平均度处于上升阶段，即在此两个时间段内国家的平均贸易伙伴数量逐年上升，国家间的能源贸易关系越来越密切。2013～2016、2018～2019年两个时间段内平均度处于下降阶段，平均贸易伙伴数量减少从而国家之间能源贸易关系密切程度变弱。2010～2019年平均加权度呈现先上升再下降的趋势。其中2010～2016年平均加权度处于上升的阶段，即此阶段国家之间的贸易量逐年上升。2016～2019年平均加权度处于下降的阶段，此阶段国家之间的贸易量逐年下降。2018～2019年平均度与平均加权度大幅度下降，这与美国对中国发动贸易战有直接关系，作为两大经济大国对其他国家有一定的影响，从而导致整个贸易网络中国家数量及贸易量下滑。为验证2018～2019年平均度与平均加权度大幅度下降的原因，选择节点度值排名较高的国家，分析2018～2019年节点数的变化幅度，如图4所示。

图4 2018～2019年节点数的变化幅度

从图4可以看出，除中国外，其他国家节点数的变化幅度较小，说明中美贸易战对中国的影响比较大。

2.3 贸易枢纽国分析

在能源贸易网络中，节点的中介中心性越大，表示该国家对能源在网络中的传导作用比较大，且控制能力比较强。若该国受到价格或其他因素影响时，对能源网络的影响比较大。

由表3可知在2010～2019年间美国基本处于首位，仅在2015年排名第二，说明美国对能源的控制力很强，始终占据着非常重要的枢纽位置。中国在10年间有6次排名在前三名，荷兰在10年间有7次排名在前三名，说明中国、荷兰两国对能源控制能力仅次于美国，占据着较为重要的枢纽位置。南非、印度、英国、法国等国家的排名波动较大，说明虽然对能源有一定的控制能力，但是控制能力并不稳定。

表3 中介中心性排名前5的国家

2.4 核心贸易国分析

通过计算能源贸易网络中国家节点的加权入度及加权出度，并将其进行排名，来探究各贸易国或地区对能源进出口贸易的影响，如图5所示。图5显示了加权入度在2010～2019十年间排名前10的国家，即该国家进口能源的贸易量排名在前10。图5中年份对应有颜色代表该国家在当年进口能源贸易量排名在前10，反之排名不在前10名。美国、日本、中国、印度、韩国、荷兰这些国家的排名在十年间始终保持在前10名，说明这些国家是稳定的进口国，这些国家对能源的消费能力比较强。随着时间的推移，以及国家经济发展水平的变化，墨西哥逐步成为稳定的进口国。北美在2013年以前进口量处于前列，但自2014年起进口地位发生了变化。

图6显示了加权出度在2010～2019十年间排名前10的国家，即该国家出口能源的贸易量排名在前10。图6中年份对应有颜色代表该国家当年出口能源贸易量排名在前10，反之排名不在前10名。沙特阿拉伯、俄罗斯、伊拉克、阿联酋、卡塔尔这些国家的排名始终保持在前10名，说明这些国家是稳定的出口国，这些国家拥有的能源资源比较丰富。与这些国家相比，科威特、加拿大、印度尼西亚等国家所拥有的能源资源相对较为丰富。自2014年起出口地位发生了变化，其中尼日利亚在2014年以前出口量处于前列，但2014年以后出口量排名并未进入前10名。美国自2014年起成为稳定的能源出口国。结合图5图6来看，美国自2014年不仅仅是能源进口大国也是能源出口大国，是由于2014年北达科达州、德克萨斯州、新墨西哥州等地区页岩油大量的开采导致的。

图5 2010～2019年常规能源网络节点国家加权入度前10排名

图6 2010～2019年常规能源网络节点国家加权出度前10排名

2.5 中国在贸易网络中的特征

中国对能源贸易格局有着重要的影响，表4是中国在2010～2019十年的相关指标数据及其排名。由表4可知，中国的贸易伙伴数量呈现下降的趋势，但2018年以前排名一直处于前3名，比较靠前，2019年中国的贸易伙伴数量骤降。在贸易层面，整体上中国进口能源贸易量呈现上升趋势，且排名较为靠前，只有2019年进口贸易量较少。整体上中国出口能源贸易量呈现下降趋势，相比进口排名出口排名比较落后，这与中国人均能源资源较少有直接关系。在能源控制力层面，2019年以前控制力排名一直处于前5名，对能源流通以及控制力有着较强的作用。从表4可以看出2019年中国各个指标及排名都有所下降，这是由于作为核心国家的美国在2018年对中国发动贸易战导致的，中国贸易伙伴数量、能源进口量及国际地位都有下降趋势。

表4 中国在能源贸易网络中地位变化

3 结论

1)随着时间的推移，常规能源网络中所涉及的国家越来越多，网络规模越来越大，国家间的联系越来越密切，常规能源贸易行业的发展趋势良好，但美国对中国的贸易战使这种关系受到了冲击。

2)常规能源贸易网络中节点国家的贸易伙伴数量分布及贸易量分布符合幂律分布，即少数能源贸易国占据了大部分能源贸易份额。美国、沙特阿拉伯、俄罗斯、中国等国家是常规能源国际贸易的核心国家。其他非贸易核心国家应该多与贸易核心国家建立联系，这样当全球能源贸易波动时可以保持自身贸易的稳定性。

3)美国、荷兰、中国对常规能源贸易的控制能力较强，是重要的枢纽国家。常规能源贸易国可以通过这3个国家的贸易趋势调整自身的贸易份额以及贸易量。

4)在常规能源贸易网络中，处于进口位置的贸易核心国家有美国、日本、中国、印度、韩国、荷兰，常规能源资源丰富的国家应该首选这些国家作为自己的贸易伙伴。处于出口位置的贸易核心国家有沙特阿拉伯、俄罗斯、伊拉克、阿联酋、卡塔尔、加拿大等国家，这些国家自身拥有比较丰富的能源资源，对于缺乏能源资源的国家来说，应该着重选择这些出口核心贸易国，来满足自身发展的需求。

5)中国在常规能源网络是一个连接其他国家的重要核心节点，中国的贸易伙伴数量排名比较靠前，拥有参与能源贸易国家数量的一半。进口能源贸易量排名逐年提高，是一个比较稳定的进口大国。中国对常规能源产品的控制能力较强，排名一直处于前10。2018～2019年是一个突变点，是2018年美国对中国发动贸易战导致的，2019年中国合作伙伴大幅下降以及进口能源贸易量下降，建议中国应该多与沙特阿拉伯、俄罗斯、伊拉克、阿联酋、卡塔尔、加拿大等出口贸易核心国家建立贸易关系，来维持稳定的进口需求。