能源使用效率、经济增长与生态环境质量——基于包含碳排放的DSGE 模型数值分析

武晓利，王 丹，晁江锋

（1.河南财经政法大学 经济学院，河南 郑州 450000；2.中南财经政法大学 经济学院，湖北 武汉 430064；3.郑州航空工业管理学院 商学院，河南 郑州 450046）

一、引言

近年来，随着中国经济的持续高增长，环境污染问题也日趋严峻。据统计，2019 年中国经济增速为6.1%，在全球主要经济体中名列前茅。然而，在经济高速发展的同时，能源消费总量也跃居世界首位并呈现增长态势，其中，中国能源消费总量为48.6 亿吨标准煤，较上年增长3.3%，煤炭消费量增长1.0%，原油消费量增长6.8%，天然气消费量增长8.6%。然而，化石能源消费的快速增长引起中国二氧化碳排放量的大幅增加，生态环境质量不断恶化。在此背景下，近年来中国持续关注碳排放过度导致的环境质量问题。2014 年，中国在《中美气候变化联合声明》中表示，计划2030 年左右实现碳达峰，并且非化石能源占一次能源消费比重提高到20%左右。

那么，面对日益严峻的能源和环境挑战，应如何协调经济增长与生态环境质量的可持续发展，建设环境友好型经济，是当前中国亟待解决的重要问题。在此背景下，文章通过研究经济系统中影响生态环境质量的关键因素，以及面临生产技术、环保技术、能源价格以及政府治污支出冲击时能源使用效率对中国主要宏观经济变量的影响，分析经济增长与生态环境质量间的相互关系，具有较强的现实意义。

由于中国对环境问题的持续关注，关于环境质量与经济增长的相关研究也逐渐增多。代表性文献如：齐结斌、胡育蓉(2013)基于异质性偏好和政府视角分析发现，政府异质性偏好增强无法同时实现经济增长和环境质量改善的目标，而居民异质性偏好增强可同时实现双赢；Li(2014)通过构建污染治理的最优控制模型，分析经济增长和治理污染的最优均衡水平；朱军(2015)通过构建包含不同公共政策因素的DSGE 模型，对比研究许可证价格、污染税、政府控污支出等政策对环境质量的影响。

同时，部分学者也对能源价格与能源使用效率等因素的经济效应进行了一系列研究，但相关结论尚存在较大分歧。其中，Jorgensen(1973)首次提出经典的资本、劳动力、能源和原材料四个输入要素的KLEM模型。之后相关研究将能源消费作为生产要素来研究能源消费对经济增长的影响，代表性文献如孙稳存(2007)和朱智洺、方培(2015)深入探讨能源价格冲击对中国宏观经济的影响；杨翱等(2016)将能源使用效率冲击引进DSGE模型，结论表明能源效率对经济的促进作用甚微，且明显小于技术进步等。文章的研究与以往文献研究的不同之处在于：第一，从生产技术、环保技术、能源价格以及治污支出四个层面研究其对经济与环境系统的影响，进而找寻实现经济增长与生态环境质量双赢的可持续路径；第二，通过调整能源使用效率，进而研究环保技术、能源价格和治污支出三类冲击源在不同的能源使用效率下对经济增长和生态环境质量的动态效应。

二、VAR 模型构建及实证分析

首先参照《2006 年IPCC 国家温室气体清单指南》中所公布的碳排放系数，分别测算2004—2020 年间全国碳排放量。计算公式如下：

其中，CE 表示所有能源的二氧化碳排放量；k 表示能源消费的类型，t 表示年份；EFk表示第k 类能源的二氧化碳排放系数；表示第t 期第k 类能源的消耗。各能源二氧化碳排放系数如表1 所示。

表1 各能源二氧化碳排放系数

2004—2020 年间，中国碳排放量大致呈现增长趋势，碳排放量从596533.65kg 上升至983690.19kg。在2013 年之前的经济发展过程中，重工业占比过大，经济的持续发展消耗大量能源和资源，导致碳排放增长速度快，2013 年碳排放量最高达到1187879.09kg。文章采用2004—2020 年间中国的碳排放量、能源消费总量以及国内生产总值三个变量构建VAR 模型，其中碳排放量代表环境污染，国内生产总值(GDP)代表经济增长，并对上述变量取自然对数，分别记作lnEC、lnC、lnGDP，建立的VAR 模型如下：

其中，Yt=(lnEC，lnNC，lnGDP)，Ai(i=1，2，…，p)表示相应的系数矩阵，p 表示内生变量滞后的阶数，根据AIC 信息准则估算模型得出最大滞后阶数为3 阶。

由图1 可知：第一行表示1 单位碳排放量冲击的影响，发现1 个百分点的碳排放量冲击将导致能源消费与GDP 快速下降，而且均具有显著的持续性，对GDP 的负效应持续扩大，呈现出逐阶下降的态势；第二行表示1 单位能源消费冲击的影响，发现该冲击导致碳排放量在短期内快速上升，并在较高的碳排放水平上具有较强的持续性，而对GDP 具有一定的负面影响，在较长时期内这一影响并未削弱；第三行表示1 单位GDP冲击的影响，发现该冲击导致碳排放量在短期内有所上升，且在中长期内呈现出逐阶上升的态势，而对能源消费具有一定持续性的负效应。从总体上来看，三个变量之间的运行机制在于国内生产总值上升将引起碳排放量的快速上升，进而促使政府部门出台相应的减排措施，使得能源消费量下降，碳排放规模也随之回落，最终对经济增长构成影响。基于上述分析结论，文章通过构建包含碳排放因素的E-DSGE 模型，数值模拟相关因素对宏观经济及生态环境质量的动态影响。

图1 脉冲响应函数分析

三、E-DSGE 理论模型构建

1. 企业

文章沿用新古典模型完全竞争的假设，所有企业技术相同，假设企业采用以下生产函数：

其中，ω0，ω1，ω2分别表示二次耗损函数的系数；α1，α2，α3分别表示资本、劳动、能源投入的份额，α1＞0，α2＞0，α3＞0，且α1+α2+α3=1；Yt表示t 期的产出，Kt表示t 期的资本存量，Nt表示t 期的劳动投入；Pt表示t 期能源消费品的价格，Et表示t期能源消费量，f 为能源使用效率，At表示t 期的外生技术水平，假定其服从AR(1)过程。

假设环境中的碳排放主要来自于企业，且每期碳排放量与当期企业的产出量正相关，与当期的环保技术水平负相关。参考Annicchiarico＆Dio(2015)的研究，设定第t 期的碳排放量为Xt：

其中，ν 表示单位产出的碳排放指标；ETt表示第t 期的环保技术水平，假设ETt是随机变量，服从AR(1)过程：

企业资本积累方程为：

其中，δ 表示资本折旧率，It表示t 期的投资。企业在t 期需要支付居民的工资Wt、资本租金rt、承担资本折旧率δ、向政府按税率τY缴纳产出税。因此企业利润最大化问题为：

求解该最优化问题，可得如下关于Kt和Nt的一阶条件：

2. 居民

假定经济系统中包含了众多的居民，每个居民偏好相同且生命无限，则居民在每一期选择能源消费、非能源消费、劳动及投资以实现其跨期效用最大化，即：

其中，E0为基于0 期信息形成的条件期望算子；0＜β＜1 为居民主观贴现因子；Ct为第t 期代表性居民的非能源类消费品的消费；Qt为第t 期环境质量；a 为居民在非能源消费和生态环境质量之间的权衡值；Et代表第t 期居民的能源类消费品量，Nt代表第t 期居民的劳动供给；Xt表示第t 期碳排放量，其与环境质量负相关，直接引起居民效用水平下降，因此以负对数的形式引进效用函数。

在第t 期，居民的预算约束为：

其中，τC、τN分别表示居民消费税比例税率、劳动所得税比例税率；G1t表示政府在第t 期的转移支付；Pt表示第t 期的能源类消费品的价格，假设其是随机变量，服从AR(1)过程。

求解最大化问题，可得一阶条件如下：

3. 政府

政府每期收入均包括三个部分：对企业征收的产出税及对居民征收的消费税、劳动税，故：

假设政府每一期的收入用于两个部分：第一部分是补偿居民的转移支付G1t；第二部分是环境治污支出G2t。考虑到环境污染的负外部性，治污责任完全由政府承担，因此政府在第t期的预算约束为：

假设G1t和G2t是随机变量，均服从AR(1)过程。

4. 环境

假设在环境系统中，环境质量是一个动态演变的过程，第t 期的环境质量不仅与上一期环境质量有关，还与当期碳排放量反向变动，与政府治污支出正向变动。因此环境质量的演变方程为：

其中，ψ 为环境质量对碳排放的正常分解率，且0＜ψ＜1，Q*为初期无碳排放状态下的环境质量，γ 为上一期政府治污支出对本期环境质量的改善系数。

最后，经济的可行性条件必须满足：

文章引入生产技术冲击、环保技术冲击、能源价格冲击及政府治污支出冲击{At，ETt，Pt，G2t}，且均服从一阶自回归过程。

四、模型参数的校准与贝叶斯估计

文章构建模型的静态参数主要依据中国实际经济数据和已有文献，采用校准的方法确定；动态参数采用贝叶斯(Bayes)估计方法估算。

1. 静态参数的校准检验

参数θ1、θ2和a。参考邵全权(2017)的研究，文章将θ1、θ2和θ3分别校准为0.85、3 和0.8；Angelopoulos(2010)将消费和生态环境质量间的权衡值设为0.6，朱军(2015)认为居民在消费和环境质量选择中更短视，将其设定为0.7。据此参数a 校准为0.8。

参数β，δ，ωi，αi(i=1，2，3)。文章采用1979—2015 年间的CPI 数据估算出居民主观贴现因子β 为0.97；陆平、何维达(2019)指出对于年度数据，资本折旧率通常被校准为0.04～0.1之间，因此文章将资本折旧δ 率校准为0.08；郑丽琳、朱启贵(2012)将二次耗损函数系数依次校准为0.0015、0.0000065、0.000000015；参考晁江锋(2019)的分析，分别将α1、α2和α3校准为0.4、0.45 和0.15。

参数γ，η 和υ。参考Angelopoulos(2010)的分析，文章将参数γ，η 分别设定为5、0.1。参考Annicchiarico＆Di Dio(2015)的研究，将参数υ 设定为0.16；

参数τC，τN和N*。参考钟永飞等(2017)的研究，把τC，τN分别校准为0.076、0.009。参考Hansan(1985)的分析，按照工作日进行测算，将劳动均衡值N*校准为0.33。

2. 动态参数的Bayes 估计

文章将1979—2021 年中国实际GDP 和消费数据分别作为总产出和消费的代理变量；使用MCMC-MH 方法对动态参数进行贝叶斯估计，结果如图2 所示。

图2 Bayes 估计结果

五、数值模拟分析

1. 静态模拟分析

由表2 可以看出，随着能源使用效率的持续提高，各宏观经济变量的均衡值呈逐渐上升趋势，且投资的上升幅度最大，产出次之，就业最小。同时，能源使用效率对生态环境质量相关指标的影响存在一些差异，其中，随着能源使用效率的提高，碳排放与能源消费均出现显著上升，随着能源使用效率的持续提升，两者的上升幅度较为接近，然而，能源使用效率对环境质量存在一定的负面影响。不同能源使用效率对宏观经济与生态环境的影响也不同。一方面，能源使用效率的提升能够促进宏观经济增长，企业产出、家庭消费以及就业等指标均有显著提高，其原因在于提高能源使用效率有利于企业扩大生产规模，提升单位产出水平，进而增强企业盈利能力，拉动投资与就业增长；另一方面，能源使用效率提升在扩大企业生产规模的同时，也进一步导致碳排放规模的提高，且促进能源消费的上升，这将对生态环境造成压力，导致环境质量可能出现下滑。

表2 能源使用效率对各经济指标均衡值的影响

由表3 可知，政府治污支出转化系数的提高能够显著改善环境质量。其原因在于转化效率提升能够改善环保技术，减少碳排放规模，进而促进生态环境质量的改善。同时，随着碳排放指标的逐渐提高，环境质量出现显著下降。其原因在于碳排放指标数量的增加在一定程度上拓宽了碳排放规模，将导致企业环保技术更新动力不足，降低企业节能减排的主观能动性，最终不利于环境质量的改善。

表3 环境质量的均衡值

2. 动态模拟分析

（1） 不同冲击源的脉冲响应分析

图3 表示1%单位正向环保技术冲击对各宏观经济变量的动态影响，可以发现，环保技术对经济增长的影响先正向后负向，对能源消费和碳排放量具有负效应，但对环境质量具有显著的改善作用。原因在于环保技术提升在长期内影响企业与居民的环保意识，企业与居民更倾向于使用替代能源与能源替代消费品，两者均导致能源消费减少。同时环保技术提高使企业产出碳排放量降低，环境质量得到改善。

图3 环保技术冲击的脉冲响应分析

图4 表示能源价格冲击对各宏观经济变量的影响，发现该冲击对产出、能源消费和碳排放的影响均是负向，而对环境质量的影响是正向。这说明能源价格上涨，导致生产成本提高，产出下降，碳排放量减少，环境质量提高；同时企业与居民倾向于使用替代能源与替代消费品，两者均导致能源消费减少。

图4 能源价格冲击的脉冲响应分析

图5 表示1%单位正向治污支出冲击对各宏观经济变量的动态影响，可以发现该冲击对于产出、碳排放量的影响短期内具有正效应，但长期来看影响为负；对于能源消费影响为负向，对环境质量影响为正向。这说明治污支出增加，产出先增加后减少，因此碳排放量也呈现同向波动，治污支出增加，代表政府对环保的重视程度增强，而企业与居民环保意识的增强，将减少能源消费，企业在短期内难以改变生产策略，生产规模在短期内仍保持较高水平，但长期内随着政府治污强度的不断提高，减排政策等使企业持续加大减排力度，缩减生产规模，环境质量得到显著改善。

图5 治污支出冲击的脉冲响应分析

（2） 模型敏感性分析

考虑到模型的稳健性问题，分别将能源使用效率在0.361 的基础上提高5%和10%，研究三种冲击对经济与环境系统的动态影响。由图6 可知，随着能源使用效率的提高，产出和能源消费对三种冲击均具有敏感性，尤其是环保技术冲击的效果最为明显。具体来看，环保技术与治污支出冲击在短期内对经济增长的敏感性不显著，但在中长期内具有显著的敏感性。随着能源使用效率的提高，环保技术和治污支出冲击能够减少能源消费量，这对改善环境是有益的。对于不同的能源使用效率水平，能源价格冲击仅在短期内对经济增长具有敏感性，且其对能源消费也仅具有较弱的敏感性。

图6 敏感性分析

同时，环保技术和能源价格冲击对环境质量具有显著的敏感性，且能源使用效率越高，两类冲击对生态环境的正效应均越显著。但治污支出冲击对环境质量的敏感性较弱；环保技术和能源价格冲击在短期内对碳排放具有一定的敏感性，且随着能源使用效率的提高，两类冲击在短期内可以有效降低碳排放量。而治污支出冲击在短期内的敏感性较弱，中长期内敏感性较强，且随着能源使用效率的提高，其能够有效降低碳排放量。

六、结论

文章通过构建三部门DSGE 模型，分析生产技术、环保技术、能源价格及政府治污支出等外生冲击对经济与环境系统的动态影响，以及面临四种冲击时不同能源使用效率对中国主要宏观经济变量的影响。研究发现：第一，生产技术创新能够在短期内增加产出，同时也会引起能源消费和碳排放量的增加，对环境质量的负向影响持续性较强；第二，环保技术进步对产出有轻微负效应，但其能够迅速抑制碳排放，长期内能减少能源消费并且改善环境质量；第三，能源价格上涨能够降低能源消费，减少碳排放，改善环境质量，但在一定时期内对于产出存在负效应；第四，增加政府治污支出能够在长期内减少能源消费，抑制碳排放并且改善环境质量，但对产出具有一定的负效应；第五，能源使用效率提高，首先能够提升环保技术对于碳排放、能源消费的抑制作用和生态环境的改善效果，但也使得环保技术对产出的长期抑制效应增强；其次能够放大能源价格对环境质量的正向作用，加深能源价格对碳排放和能源消费的抑制效应，同时也增强了能源价格对产出的短期抑制效应；最后能够增强政府治污支出对能源消费和碳排放的长期抑制效应，同时也增强该因素对产出的抑制效应，然而其并未改变政府治污支出对于环境质量的正向影响效果。

文章的研究结论为探讨环境质量与经济增长的制衡关系提供了一定理论支撑。显然，追求过高的能源使用效率，仅以实施生产技术、环保技术创新、能源价格冲击、政府治污支出增加等相关政策，均无法同时实现经济增长与环境质量改善的双赢目标，长期内提高环境质量水平需贡献一定的经济数字增长，只有适当的能源使用效率才更易达到平衡兼顾的效果。