基于科技创新门槛效应的产业结构升级与碳排放强度研究

刘 雷, 杨丽丽

(沈阳工业大学 管理学院, 辽宁 沈阳 110870)

全球气候问题已经成为人类社会发展面临的一项重要挑战,降碳减排和环境保护已经成为世界上各个国家共同关注的热点。根据国际能源署发布的统计数据,中国的二氧化碳排放量还在不断增加。中国作为负责任的大国,在应对气候变化和推行绿色低碳经济方面作出了很多努力。中国积极履行降碳减排的承诺,提出了2030年实现“碳达峰”,2060年实现“碳中和”的“双碳”目标。当前,部分发达国家已经实现了工业化,德国在1990年实现了“碳达峰”,英国在1991年实现了“碳达峰”,美国在2007年实现了“碳达峰”。发达国家的碳排放主要来源于消费领域,中国作为最大的发展中国家,碳排放主要来源于生产领域。中国目前的传统工业污染指数较高,粗放式的发展模式给绿色低碳经济带来了压力,通过产业结构升级释放碳减排压力已成为学术界关注的焦点。产业结构升级是工业节能降碳、遏制“两高”项目盲目扩张、促进绿色低碳产业发展的重要抓手,因此深入研究产业结构升级对碳排放强度的影响具有理论和实践价值。

一、文献综述

纵观文献,已有文献主要侧重于产业结构升级或科技创新对碳排放强度的影响,对产业结构升级、科技创新、碳排放强度三者关系的研究较少。多数学者认为,产业结构升级对碳排放强度起到抑制作用。部分学者研究发现,第二产业对碳排放有显著的影响,认为产业结构升级可以降低碳排放量[1-3]。原嫄等运用多国面板数据分析发现,第二产业对碳排放的影响最大,但是在发达国家和发展中国家之间存在明显差异性[4]。曾海鹰等运用地级市面板数据对产业结构与碳排放的关系进行研究,发现产业结构升级可以有效减少碳排放量[5]。赵凡等通过对产业集聚、城市碳排放关系的研究,发现制造业集聚与城市碳排放之间存在倒U型关系[6]。另有学者认为,产业结构升级并不是影响碳排放强度的主要因素,以工业为主导的省份未必存在环境经济效率低下现象[7]。SCHIPPER对影响制造业碳排放强度的因素进行了研究,发现产业结构升级对碳排放强度的影响不大,碳排放的减少主要受到能源消费结构的影响[8]。CASLER等对美国的碳排放影响因素进行分析,发现替代性能源的使用是促进碳排放减少的主要因素[9]。

在科技创新与碳排放强度之间关系的研究中,主要包含两类观点:一是科技创新对碳排放强度有抑制作用,二是科技创新会导致碳排放的增加。抑制作用的相关研究主要有:有学者认为,科技进步可以降低能源消耗量,减少二氧化碳等污染排放,有效提高资源利用率,进而起到抑制碳排放的作用[10-11]。王群伟等研究发现,技术创新可以提高二氧化碳排放绩效,降低碳排放强度[12]。杨莉莎等定量分析了2005—2015年中国不同产业、不同区域之间各驱动因素对二氧化碳减排效率的影响,其研究结果表明,创新技术通过促进效应、反弹效应影响碳排放效率,且技术进步对外部环境较敏感[13]。邵海琴等探讨了影响旅游业碳排放效率变化的因素,指出科技创新因素对碳排放效率的提升具有促进作用,但在不同省份存在较大差异[14]。促进作用的相关研究主要有:ACEMOGLU等认为,技术进步在促进经济增长的同时,引发“反弹效应”,导致能源消耗量增加和碳排放量的增加[15]。赵阳采用EBM模型分析了中国工业30个细分行业的碳排放效率及影响因素,指出科技创新水平的提高会对行业碳排放效率的提升产生阻碍作用[16]。

GROSSMAN等研究指出,社会经济发展的同时也会对环境产生影响,这种影响主要通过规模效应、结构效应、技术效应实现[17]。产业结构升级作为社会经济发展的一个重要组成部分,会通过规模效应、结构效应、技术效应对碳排放强度产生不同程度的影响。其中,技术效应主要通过两方面实现:一是技术的发展有利于开发新型节约能源,提高能源的利用效率,从而降低产业的碳排放水平;二是技术进步可以相应地调整产业投入产出比,进而减少高碳排放型生产要素的使用。科技创新有利于提高企业绩效与企业核心竞争力,实现企业的长效发展[18-19]。有学者研究发现,科技创新一方面可以研发节能环保产品、开发潜在新型资源、加大污染减排力度[20-22];另一方面可以改善生产要素质量,进而以最少的要素投入获得最大的产出[23]。综上可知,产业结构升级对碳排放产生的技术效应会受到科技创新水平的影响。

通过对文献的总结,发现以往的研究还存在局限性:第一,多数研究是关于产业结构升级对碳排放强度,以及科技创新对碳排放强度两者关系的研究,对产业结构升级、科技创新、碳排放强度三者关系的研究较少;第二,现有研究主体多为国家整体层面或省域层面,忽视了中国南方地区、北方地区之间碳排放现状的区域差异;第三,现有研究鲜有将科技创新融入产业结构升级对碳排放强度影响的研究,缺少产业结构升级对碳排放强度非线性影响的研究。因此,本文基于中国30个省份(除西藏、港澳台外)2012—2019年的面板数据,研究了产业结构升级对碳排放强度的影响方向和影响强度;进一步将省级行政单位划分为南方地区、北方地区,探索产业结构升级对碳排放影响的区域异质性;研究在科技创新水平的影响下,产业结构升级对碳排放产生的非线性作用。根据研究结果,为中国整体实现碳减排提出相应政策建议,为实现“碳达峰”“碳减排”的目标提供行动指南。

二、影响机制分析

1. 产业结构升级对碳排放效率的影响机制分析

将产业结构升级对碳排放的影响归纳为三个效应:资源利用效应、规模效应以及结构效应。第一,产业结构升级对碳排放效率的影响可以通过资源利用效应来体现。中国在发展过程中面临着资源过度消耗和环境过度污染的问题,通过产业结构升级可以对资源的利用空间进行拓展,随着对清洁能源使用的增加,对石油、煤炭等化石能源的使用正在逐渐减少,实现从源头上减少碳排放量,缓解环境污染等问题。第二,产业结构升级可以通过规模效应影响碳排放效率。规模效应是指产业结构升级会带来社会生产规模的扩大,要素的投入也会随之增多,但要素的投入种类会发生改变,因此碳排放量以及对环境的污染程度也会发生变化。在经济规模扩大的早期,重工业生产率最高,能源投入较多,因此碳排放水平也越来越高,后期随着产业技术含量的不断提高,生产要素逐渐流向高生产率部门,而这些部门主要的投入要素是技术、信息、人才等,并不是能源,因此也有效减少了碳排放量。第三,产业结构升级会对碳排放效率产生结构效应。第一、二、三产业的能源消费需求以及能源消费结构存在明显区别,而且各类能源的二氧化碳排放系数也不一样,因此各产业的碳排放强度也不尽相同。第三产业对能源的消耗相对较低,产业结构升级会影响三大产业的占比,随着第三产业所占比重逐渐增大,对环境造成的污染会出现一定程度的下降,当第三产业成为主导产业时,经济增长方式将发生明显改变,对能源的需求结构也会发生变化,从而导致碳排放水平的变动。

2. 科技创新、产业结构升级对碳排放效率的影响机制分析

科技创新水平的提高会在一定程度上促进地区产业结构升级。一方面,科技创新水平的不断提高有利于创新人才的培养,从而扩大知识与技术的溢出效应。科技创新成果的转化与应用会带来技术的进步,拓宽绿色技术的应用领域,改善环境的污染与资源的浪费,使传统的资源消耗型产业向高新技术产业与新型服务业转型,产业结构逐渐走向高度化。产业结构的高度化促使产业内结构更新换代,带动新兴产业发展,拉动社会潜在消费,促进经济增长。产业结构高度化还会推动生产模式的改变,市场竞争促进了生产进步,使整体配套设施改进升级并减少能源消耗,进而从源头上减少碳排放量。产业结构升级过程中新能源的快速成长和发展,也是石油等化石能源的替代产品培育、成长和发育过程[24]。可再生能源的技术转化,可以减少化石能源的使用,其本身具备清洁性质,能有效降低碳排放量。另一方面,企业通过引进先进的科学技术可以提高自身生产要素配置效率,逐渐实现转型升级;生产要素边际生产率的改变,能够逐渐完善三大产业的比例关系,使产业结构走向合理化。在产业结构趋向合理化的过程中,企业生产技术设备不断改进,生产流程不断优化升级,降低了能源在使用过程中的损失,提高了能源利用效率,生产每单位产品所消耗的能源会减少[25]。劳动力向技术、人才密集型产业流动意味着生产要素向高生产率部门转移,促进经济的增长。结合中国工业化转型阶段的现状,经济增长模式逐渐由大规模能源消耗的重工业发展模式转向资源环境友好型的高新技术产业发展模式,转型后的经济快速增长有助于减少碳排放量[26]。

根据以上分析,构建科技创新影响下产业结构升级对碳排放强度的影响机制,如图1所示。

图1 产业结构升级对碳排放效率的影响机制

三、模型设定与变量说明

1. 模型设定

产业结构升级对碳排放强度的影响基准模型设定如式(1)所示。

CIit=c+β1Iit+β2Xit+εit

(1)

式中:i=1,2,…,30,表示地区指标;t=2012,2013,…,2019,表示时间指标;CI为被解释标量(碳排放强度);I表示核心解释变量(产业结构升级);Iit表示i省份第t年的产业结构升级水平;X表示控制变量的集合;β1,β2表示待解的回归系数;c表示常数项;εit表示随机扰动项。

基准模型只能研究产业结构升级对碳排放强度的总体影响方向和影响程度,无法进行深层次的研究。产业结构升级与碳排放强度之间的关系还会受到其他因素的影响,以科技创新为门槛变量,构建产业结构升级对碳排放强度的单一门槛及双重门槛回归模型,如式(2)、(3)所示。

(2)

(3)

式中:科技创新T为门槛变量;I为核心解释变量;Iit表示i地区t年的产业结构升级水平;θ1,θ2为待解的回归系数;λ1,λ2为待估算的门槛值。

2. 变量说明

(1) 被解释变量

碳排放强度(CI):目前无法从各数据库和统计年鉴中直接获取中国各省份的碳排放总量数据,因此根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)制定的《国家温室气体清单指南2019年修订版》中介绍的方法对我国各省份的碳排放量进行估算,计算公式如式(4)所示:

(4)

式中:C为碳排放总量;Ei为能源i的消费总量,选取我国煤炭、焦炭、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然气等7种主要消费化石燃料;μi为能源i的折煤标准系数;σi为能源i的碳排放系数。根据碳排放总量计算碳排放强度,具体计算公式如式(5)所示:

CIjt=Cjt/GDPjt

(5)

式中:CIjt为j省t年的碳排放强度;Cjt为j省第t年的碳排放总量;GDPjt表示j省第t年的地区生产总值。

(2) 解释变量

产业结构升级(I):是指产业结构从低级向高级逐步演进的一个动态发展过程[27]。本文主要参考徐晔[28]、霍远[29]等的研究,从产业结构合理化、产业结构高度化两个维度构建产业结构升级评价指标。产业结构合理化重点衡量各产业的协调发展程度,以及对资源环境的影响情况,本文参考干春晖等[30]的研究,运用泰尔指数对产业协调发展程度进行测量。产业结构高度化重点关注产业结构从低级向高级演进的过程,并认为随着经济的发展高效率产业的占比应逐步提高。

在此基础上,采用熵权法对各地区的产业结构升级水平进行测量,具体评价指标及指标权重如表1所示。

表1 产业结构升级评价指标及指标权重

(3) 门槛变量

科技创新(T):本文主要参考许昕[31]、张爱华[32]等的研究,从科技创新投入、创新产出及创新环境三个方面选取指标对地区的科技创新水平进行衡量,采用熵权法对各地区科技创新水平进行测度。具体评价指标及权重如表2所示。

表2 科技创新评价指标及指标权重

(4) 控制变量

根据以往的研究结果,碳排放不仅会受到产业结构升级的影响,还会受到其他因素的影响,为了使研究结果更具准确性,本文选择经济发展水平[33-34]、人口规模[35-36]、对外开放程度[37-39]、城镇化水平[40-42]作为控制变量,变量具体情况如表3所示。

表3 控制变量说明

3. 数据来源

考虑到数据获取以及部分地区相关研究数据缺失严重的问题,本文选取了中国30个省份(除港澳台和西藏)2012—2019年的数据进行研究。数据均来自《中国统计年鉴》、各省市统计年鉴、《中国能源统计年鉴》、《中国环境统计年鉴》,对个别缺失的数据采用均值插值法进行补充,相关变量总体情况如表4所示。

表4 相关变量描述性统计

四、实证结果分析

1. 基准模型估计

运用Hausman检验选择合适的回归模型,检验结果P=0.000<0.01,在1%的置信水平下显著,拒绝选择随机效应模型的原假设,因此最终选择固定效应模型进行回归分析,估计结果如表5所示。

表5 产业结构升级对碳排放强度的基准模型回归结果

由表5可知,产业结构升级的估计系数在1%的显著性水平下为负,系数值为-2.477,说明产业结构升级对碳排放强度有显著的抑制作用。因为第二产业占比的下降、第三产业占比的增加会影响地区的产业结构升级水平:第二产业包含煤炭、钢铁冶炼等耗能高、污染高的碳排放产业,第二产业在地区占比的下降有利于碳排放量的减少;第三产业多属于劳动和资本密集的产业,能源消耗较低,第三产业在地区占比的增加可以有效减少地区的碳排放总量。

控制变量方面,经济发展水平的估计系数在1%的置信水平下显著为负,但影响系数较小,说明经济发展水平的提高在较小程度上有利于减少碳排放量。随着经济发展水平的提高,政府的财政收入也会增加,使地方政府可以加大对绿色产业的支持力度,推动区域经济向低碳型发展;区域人均消费水平的提升也会促使消费者对绿色环保产品的需求增加,不断提升能源利用效率,进而减少CO2的排放。人口规模通过了10%的显著性检验,对碳排放具有显著的促进作用,但影响系数较小,因为人口规模扩大会增加对能源的需求,进而对环境造成一定的压力,导致生态环境的改变。对外开放程度通过了5%的显著性水平检验,影响系数为0.026,说明对外开放程度会增加碳排放。外资流入的一个重要因素是中国丰富的资源和低廉的劳动力,外资大多流向制造业产业,许多外商企业将环境污染严重、CO2排放量大的制造产业转移到中国,进而增加了部分对外开放程度较高地区的碳排放强度。城镇化水平通过了5%的显著性水平检验,影响系数为-0.028,说明城镇化水平的提高有利于碳排放量的减少。随着城镇化水平的提高,地区的消费结构会发生改变,消费结构升级意味着非物质消费占比的增加,进而可以推动服务业发展,而服务业占比的提升能够降低能源消耗,从而减少碳排放。

2. 稳健性检验

为了避免模型设定存在的偏误及保证上述产业结构升级对碳排放效率影响研究结论的稳健性,同时采用混合面板和面板随机效应模型对其进行稳健性检验,结果如表6所示,仍获得与表5类似的结果,验证了结论的稳健性。

表6 稳健性检验结果

3. 区域样本分析

以秦岭—淮河为界划分中国的南方地区、北方地区,并在此基础上进行分样本模型估计,估计结果如表7所示。

表7 南方地区、北方地区产业结构升级对碳排放强度的基准模型回归结果

由表7知,对于南方地区来说,产业结构升级对碳排放强度的影响系数在5%的置信水平下是显著的,系数为-3.194;在北方地区,产业结构升级对碳排放强度的影响系数在1%的置信水平下是显著的,系数为-7.054。由此可见,在中国的南方地区、北方地区,产业结构升级均会对碳排放起到不同程度的抑制作用,但是相较北方地区而言,南方地区产业结构升级对碳排放强度的抑制作用更强。相比较而言,南方地区第三产业的占比较高,产业结构升级水平较高;北方地区第二产业的占比较高,产业结构升级水平较低。第二产业以工业为主,包含的行业多是为下游行业提供原料和能源动力,在工业化初期,以重工业为主的第二产业对煤炭等能源的需求量较大,再加上粗放的经济增长方式和较为落后的技术水平,导致二氧化碳排放量居高不下,因此较低的产业结构升级水平对碳排放产生的抑制作用也较低。

4. 门槛回归模型分析

采用Hansen面板门槛模型进行估计,通过Bootstrap自举法重复抽样300次。首先对科技创新变量进行门槛效应检验,结果如表8所示。单一门槛模型P=0.007<0.01,模型在1%的显著性水平下拒绝不存在单一门槛效应的原假设;双重门槛模型P=0.033<0.05,通过了5%的显著性水平检验,双重门槛效应显著;三重门槛模型P=0.157>0.1,没有通过显著性检验,三重门槛效应不显著。图2～4为科技创新门槛值估计的LR统计量,虚线确定了LR检验中门槛值95%的置信区间。由图2可知,单一门槛估计值存在;由图3、4可知,双重门槛估计值存在两个,且模型拟合效果较好。由此可见,以科技创新为门槛变量构建的门槛回归模型是合理的。

表8 门槛效应检验结果

图2 单一门槛模型门槛参数

图3 双重门槛模型第一个门槛参数

图4 双重门槛模型第二个门槛参数

根据前文对模型的检验,最终选择双重门槛回归模型进行估计,具体门槛估计值如表9所示,单一门槛估计值为0.521,双重门槛估计值分别为0.502和0.627。进一步对门槛回归模型进行估计,基于科技创新水平,产业结构升级对碳排放强度的门槛模型回归结果如表10所示。

表9 门槛估计值

表10 产业结构升级对碳排放强度的门槛模型回归结果

由表10可知,产业结构升级对碳排放强度存在基于科技创新水平的双重门槛效应。当科技创新水平低于第一个门槛值0.502时,结果在1%的置信水平下显著,产业结构升级对碳排放强度起推动作用,影响系数为28.030,说明当科技创新水平小于0.502时,产业结构升级水平每提高1%,碳排放强度会增加28.030%;当科技创新水平处于第一个门槛值和第二个门槛值之间时,即处于0.502和0.627之间时,结果在1%的置信水平下显著,产业结构升级对碳排放强度起抑制作用,影响系数为-2.098,说明当科技创新水平处于0.502和0.627之间时,产业结构升级水平每提高1%,碳排放强度降低2.098%;当科技创新水平大于第二个门槛值0.627时,结果在1%的置信水平下显著,产业结构升级对碳排放强度起抑制作用,影响系数为3.039,说明当科技创新水平大于0.627时,产业结构升级水平每提高1%,碳排放强度降低3.039%。

由此可见,科技创新水平会显著影响到产业结构升级对碳排放强度的作用效果。当科技创新水平小于0.502时,产业结构升级并没有起到降低碳排放的作用,这可能是因为,当企业的科技创新水平较低时,其绿色技术创新水平也相应较低,环保产品和节能设备的研发及使用较少,资源利用效率及环境治理水平也相对较低,即使地区产业结构升级水平较高,也难以发挥出对碳排放效率的抑制作用。当科技创新水平大于0.502时,科技创新水平会促进产业结构升级对碳排放效率的抑制作用,其提高会导致生产要素的结构发生改变,提高要素的质量和配置效率,为地区产业结构升级提供支持并助力碳排放量的减少。

五、结论与建议

在梳理已有研究文献基础上,以2012—2019年中国省级面板数据为基础构建模型,对全国以及区分南、北方地区的产业结构升级、科技创新、碳排放强度之间的关系进行了实证研究,得出结论:第一,从全国层面看,产业结构升级水平对碳排放强度有显著的抑制作用。第二,通过区域异质性分析发现,在南方地区和北方地区,产业结构升级水平的提高能起到抑制碳排放的作用,但比较而言,在北方地区产业结构升级对碳排放强度的影响系数更大。第三,产业结构升级对碳排放强度存在基于科技创新的影响效应,在科技创新水平的影响下,产业结构升级对碳排放强度的影响方向发生变化。当科技创新水平低于门槛值0.502时,产业结构升级对碳排放强度起到推动作用;当科技创新水平高于门槛值0.502时,产业结构升级才会显著抑制碳排放。

基于以上结论,提出对策建议:第一,加快推进产业结构转型升级,充分发挥产业结构升级对碳排放的抑制作用。政府相关部门可以通过政策优惠等措施来促进传统产业转型升级,通过资金支持等举措鼓励高能耗企业由高污染型向低污染型转变,促进地区内产业结构的合理布局,推动区域整体产业结构向环保低碳型转变。第二,转变经济发展模式。粗放型的发展模式对绿色经济发展造成了巨大的阻碍,北方地区主要以重工业为主,是碳排放的“重灾区”。要转变各省市的传统经济发展方式,对生产率低下、环境污染严重、资源浪费严重的产业进行升级重组或淘汰,推动高技术产业、现代服务业等有发展前景的产业改造发展,提高第三产业在地区产业结构中的占比。第三,建立健全促进科技创新的有效机制,加强碳减排技术的研发和推广应用,如新型洁净煤技术的应用,进而减少二氧化碳排放。举办关于碳减排的技术成果交流会,进行线上线下多渠道宣传。鼓励各科研机构、高校、企业积极探索碳减排技术的创新性应用模式,通过提高地区科技创新水平来有效促进碳减排。