河北能源消費與經濟增長關系的動態分析：基于狀態空間模型的檢驗

杜 穎，肖榮閣，趙恒勤，范 軍，朱春華

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083；2.河北地質職工大學，河北 石家莊 050081)

河北能源消費與經濟增長關系的動態分析：基于狀態空間模型的檢驗

杜 穎1,2，肖榮閣1，趙恒勤1，范 軍1，朱春華1

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083；2.河北地質職工大學，河北 石家莊 050081)

針對以往文獻偏重靜態分析的不足，本文利用1980～2012年河北省產出、資本存量、就業人數和能源消費量時間序列數據，對能源消費與經濟增長之間的動態關系進行實證分析。文章在多變量框架下構建河北省能源消費與經濟增長的狀態空間模型，并進行平穩性檢驗和協整檢驗，而后利用卡爾曼濾波估算模型的時變參數，并對其變動進行分析。結果表明：河北能源對勞動具有替代作用，能源消費對經濟增長的拉動作用正不斷增強。現階段，大氣治理帶來的能源需求下降，導致河北面臨較大的經濟下行壓力，必須綜合利用稅收補貼等手段加快技術改造和產業結構升級。

能源消費；經濟增長；狀態空間模型；平穩性檢驗；協整檢驗；河北

隨著河北社會經濟的快速發展，特別是京津冀一體化帶來的北京央企外遷，河北各行業對能源的需求與日俱增，能源短缺與經濟增長之間的矛盾已成為河北可持續發展面臨的重要問題。2000年之前，河北能源消費量增速明顯慢于GDP增速，能源消費量基本保持在6500萬t標準煤；之后，河北能源消費增速迅速上升，一度超過GDP增速，年均增速達9.5%。河北能源消費結構單一，煤炭就占河北省一次能源消費的85%，2013年煤炭生產總量8609.9萬t，僅占全省煤炭消費量的32.1%，能源短缺已嚴重制約河北經濟的可持續發展。同時，能源消費過程所帶來的環境污染也持續加劇，水污染和大氣霧霾已成為河北經濟發展的巨大桎梏，如何實現能源與經濟協調發展，已經成為河北亟待解決的問題之一。

“十一五”以來，通過調整產業結構、推進技術創新等措施，河北各行業在降低能源消費方面取得了一定成效，能源消費增速明顯下降。然而，作為工業生產的重要要素，能源消費的下降可能導致經濟增長放緩和失業率增加(Stern,2000)。2005年開始，河北能源消費增速與經濟增速同時下降，直觀反映出能源消費和經濟增長之間的同向變化趨勢，但增長率只能淺顯的說明河北能源消費與經濟增長之間的部分數量變化關系，無法分析二者的動態關系。因此，對河北省能源消費與經濟增長關系進行定量動態分析是非常必要的，有利于深層次挖掘問題所在，為制定積極有效的解決措施與發展戰略提供參考。

圖1 1981～2012年河北能源消費增速與GDP增速比較(數據來源：《中國統計年鑒》)

國內外學者關于能源消費與經濟增長關系的定量研究，大多從能源需求和產出兩個角度出發。從需求角度出發的模型一般包括GDP、能源和CPI平減的能源價格三個變量，如De Vita and Endresen(2006)，從產出角度出發的模型主要有兩變量框架和多變量框架，兩變量即產出和能源消費，如Narayan and Narayan(2010)、Alam et al.(2012)、韓志勇和魏一明(2004)；多變量框架則是在GDP、資本存量、勞動力和能源等多變量生產函數的基礎上展開研究，如Narayan and Smyth (2005,2007)、林伯強(2003)。由于標準的兩變量granger因果檢驗不可能包含所有相關變量，有可能忽略影響能源消費和經濟增長的其他要素，從而得出錯誤結論(Ghali,2004；Guttormsen,2004)。因此，多變量框架模型得到廣泛運用。

本文從產出角度研究多變量框架模型，主要是考慮到能源和經濟之間的關系受多種變量關系影響，但由于這些變量是不斷變化的，能源消費和經濟增長之間不可能是長期穩定的均衡關系，不適用固定參數模型。因此，本文創新采用更為靈活的時變參數狀態空間模型對河北省能源消費與經濟增長的關系進行動態分析。

1 模型設定

1.1 數據來源

本文選取1980～2012年統計資料數據，對河北省能源消費與經濟增長的動態關系進行全面分析。具體指標表述如下。

1)產出Y是根據1980年不變價平減后的實際GDP。

2)資本存量K，由于中國尚未進行過大規模資產普查，所以本文參考單豪杰(2008)的思路，利用1951年Goldsmith的永續盤存法(PIM)進行估算，見式(1)。

(1)

式中：Kt是第t期資本存量；Kt-1是第t-1期資本存量；δ是資本折舊率；It是第t期投資額。這里的資本存量延續前人研究慣例，僅指物質資本存量。

3)勞動投入量L采用年均就業人數，反映一定時期內全部勞動力資源的實際利用情況。

4)能源消費量E是以萬t標準煤計的各年能源消費總量，指物質生產部門、非物質生產部門和生活消費的各種能源的總和，包括原煤和原油及其制品、天然氣、電力，不包括低熱值燃料、生物質能和太陽能等的利用。

以上數據根據歷年《河北統計年鑒》、《中國統計年鑒》、《中國能源統計年鑒》、《中國國內生產總值核算歷史資料(1952～2004年)》、《新中國60年統計資料匯編》和《新中國50年統計資料匯編》整理。

由于時間序列數據取對數后有利于消除序列的異方差，成為平穩序列，因此，本文實證檢驗使用各變量的對數值。經濟增長(產出)、資本存量、就業人數和能源消費量分別由lnY、lnK、lnL、lnE表示。文中出現的dlnY、dlnK、dlnL、dlnE分別表示一階差分后的lnY、lnK、lnL、lnE；ddlnY、ddlnK、ddlnL、ddlnE分別表示二階差分后的lnY、lnK、lnL、lnE。

1.2 模型設定

為了考察能源消費與經濟增長的動態關系，本文采用新古典經濟學的總量生產函數——CD生產函數形式來開展研究，見式(2)。

(2)

式(2)兩邊同時取對數，等式變為式(3)。

lnY=αlnK+βL+θlnE+C

(3)

由于能源消費量等要素變化及其對產出的影響都是隨著社會經濟發展(時間)而變化的，有必要采用動態模型，在式(3)基礎上加入時間變量，構造時變參數的狀態空間模型來更準確的刻畫動態關系。狀態空間模型構建見式(4)、式(5)。

lnYt=C+αtlnKt+βtLt+θtlnEt+ut

(4)

(5)

在計量經濟學中，狀態空間模型通常被用來估計不可觀測的時間變量，如理性預測、長期收入等。許多時間序列模型都能作為特例寫成狀態空間形式并估計參數值，狀態空間模型由信號方程(signal equation)和狀態方程(state equation)構成。本文方程(4)作為信號方程，表明了某時點上各投入要素與產出的關系，其中，C為常數，待估時變參數αt、βt和θt分別表示某時點上資本、勞動、能源各要素的產出彈性，均為不可觀測變量，可表示為一階馬爾可夫過程；式(5)是狀態方程，表明了狀態變量的生成過程，采用遞歸形式進行定義。ut、ε1t、ε2t、ε3t是均值為0、服從正態分布的不相關擾動項。利用卡爾曼濾波算法可以對狀態空間模型的時變參數進行估計，具體方法見高鐵梅(2006)。

2 模型檢驗

只有當模型變量均需具備相同的單整階數，同時，變量間存在協整關系，所建立模型才有意義，否則模型就是偽回歸。為避免偽回歸，本文需要對建立的狀態空間模型變量進行平穩性檢驗和協整檢驗。

首先進行平穩性檢驗，即測算等式兩端各變量的單整階數。計量經濟分析中，判斷變量單整階數的方法主要是單位根檢驗。本文采用ADF檢驗法，它是左側單邊檢驗，以“變量是非平穩序列”為原假設、“變量是平穩序列”為備選假設。表1給出了變量的單位根檢驗結果。可以看出，除lnK，各變量的ADF檢驗值的絕對值均小于5%臨界值，變量序列是不平穩的。取一階差分后，除dlnY的ADF檢驗值的絕對值大于1%臨界值，其余變量一階差分后在1%顯著水平下均是非平穩序列。各變量二階差分后在1%顯著水平下均拒絕接受存在單位根的假設，都是平穩序列。因此，各變量是二階單整序列，滿足協整檢驗的前提。

表1 ADF檢驗結果

注：檢驗形式(C,T,L)表示單位根檢驗形式，包括常數項、時間趨勢和滯后階數；滯后項階數由SIC準則確定。

按照檢驗對象的不同，協整檢驗分為兩類：一類是基于回歸殘差的協整檢驗，如Engle-Granger檢驗(EG兩步法)；另一類是基于回歸系數的協整檢驗，如Johansen協整檢驗(JJ檢驗)。鑒于Johansen檢驗可以較好進行多變量協整檢驗，本文采用Johansen檢驗。

Johansen檢驗必須先創建一個由lnY、lnK、lnL和lnE四個變量構成的VAR模型，然后利用最大似然法估計未知參數，最后根據參數矩陣的秩判斷協整向量的個數。由表2可知，五種信息標準下選擇的最優滯后階數均為5。

由表3協整檢驗結果可知，特征根跡檢驗和最大特征值檢驗的結論相同，即：在5%的顯著性水平下拒絕沒有協整向量的原假設，認為lnY、lnK、lnL和lnE四個變量之間存在協整關系，且最多有2個協整向量。因而，由這四個變量構建的信號方程(4)式有意義，不存在偽回歸。

表2 VAR滯后階數選擇準則

注：* 表示根據該列準則選定的滯后階數。內生變量：lnY、lnK、lnL、lnE；外生變量：C；樣本區間：1980～2012；LR：連續修正LR檢驗統計量(5%顯著水平下)；FPE：最終預測誤差；AIC、SC、HQ：AIC準則、SC準則、HQ準則。

表3 Johansen協整檢驗結果

注：* 表明在5%的顯著性水平下拒絕原假設。

3 實證檢驗

將變量數據代入(4)式和(5)式，利用卡爾曼濾波算法可以得到狀態空間模型，估計結果見式(6)。

lnYt=-0.09+αtlnKt+βtLt+θtlnEt+ut

(6)

利用卡爾曼濾波算法估計時變參數的過程中，由于受初始值選擇的影響，早期的時變參數數值不能真實地反映河北資本、勞動和能源消費與經濟增長的關系，因此本文從1982年開始對時變參數αt、βt和θt進行討論，各時期時變參數估計結果見表4。

圖2給出了1982～2012年時變參數αt、βt、θt(資本、勞動、能源產出彈性)的變化曲線。資本產出彈性αt，除1983年小幅下滑，80年代維持穩中有升趨勢，最高值達0.949466；之后，資本產出彈性略有下降，保持在0.82左右；2002年“十六大”提出的新型工業化道路，要求實現增長動力轉換，即從要素驅動、投資拉動轉向技術進步的創新驅動，資本對河北產出的拉動作用小幅下滑，但2012年0.7的高資本產出彈性仍反映出現階段資本對河北經濟的巨大拉動作用且比較穩定。

勞動產出彈性βt，在改革開放初期特別是1985年之前對經濟拉動作用較大，明顯大于資本對經濟的影響，主要是由于我國實行的家庭聯產承包責任制，使得農村勞動力得到極大釋放，勞動效率大幅提高；之后，勞動對產出的貢獻逐年下降，僅在1998年國企改革帶來了勞動效率小幅提高，這與河北農業人口多，勞動力綜合素質較低的現實相吻合。

表4 狀態空間模型時變參數的估計結果

圖2 1982～2012年狀態空間模型時變參數的變化趨勢

能源產出彈性θt，在1985年之前對河北經濟的拉動作用較小，隨著1985年城市改革全面開始，河北逐步加強工業建設，能源產出彈性穩步攀升，其中，1990年中東石油危機導致能源消費彈性略有下滑。“十一五”以來，雖然國家層面積極推進節能減排，鼓勵技術進步，加快經濟結構向第三產業等低能耗產業調整，但由于河北以煤炭為主的能源消費結構和以鋼鐵、水泥、電力等高耗能行業為支柱的經濟結構，使得河北能源產出彈性一度達到0.16的歷史最高水平。綜合來講，河北能源消費彈性系數上升較快，由1982年的-0.85快速上升到2012年的0.13，能源對河北經濟的拉動作用不斷加強，僅次于資本的影響。

結果表明，1982～2012年，特別是1985年全面推進城市改革以后，河北經濟向重化工業產業結構轉變，工業作為能源消費主力得到極大發展，同時，單位能源消耗帶來的GDP增長也呈大幅上升態勢，能源利用效率總體上不斷提高，能源的高投入對河北經濟增長的巨大推動力不容忽視。然而，河北能源消費彈性持續上升，也從另一角度反映出河北高耗能產業迅速擴張和高耗能產品產量大幅增長的現實，經濟對能源消費的依賴度不斷增強，使得河北節能減排面臨巨大壓力，在一定程度上影響了河北可持續發展戰略的推進。

4 結論

本文在多變量框架下，采用更為靈活的時變參數狀態空間模型，分析河北能源消費與經濟增長之間的動態關系。研究表明，河北大多數年份的資本產出彈性大于勞動產出彈性，說明河北經濟增長主要依靠投資拉動，勞動處于相對弱勢地位。資本和勞動產出彈性的下降態勢，說明河北經濟增長對資本和勞動投入的依賴程度不斷降低，正逐步由要素拉動型增長向技術推動型經濟增長方式轉變。比較同時期α、β、θ的變化趨勢，可以看出，能源產出彈性上升的同時，勞動產出彈性不斷下降，反映能源對勞動有一定替代作用。

本文得到的第二個重要結論是，河北經濟增長與能源消費密切相關，二者存在長期均衡關系，能源對經濟的拉動作用逐年增大。大多數年份，河北能源消費增速與GDP增速的變化趨勢相同，呈同向變動；利用狀態空間模型對能源消費彈性的估計結果也顯示，能源消費的產出彈性持續上升，能源對經濟的拉動作用在不斷提高。能源為經濟發展提供了基礎物質保障，是河北省經濟持續增長的重要推動力之一，能源消費量的減少理論上會影響河北經濟的穩定發展。但實際上，調整能源強度，對能源消費減少帶來的經濟下滑起到了一定緩解作用。2000年以來，河北經濟增長率保持在10%左右，但能源強度逐年穩步下降，全省單位產值能耗由1980年14.2t標準煤/萬元下降到2012年的4.7t標準煤/萬元，降幅達66.9%。由此可見，河北在保持經濟的穩定增長的同時，能源強度也出現顯著下降，能源利用效率穩步提高，有利于緩解能源消費減少帶來的經濟下滑。

值得一提的是，河北三次產業結構由2000年16.2∶50.3∶33.5轉變為2012年的12∶52.7∶35.3，工業比重加大，高能耗的重化工業仍是現階段河北經濟的重要組成部分，能耗較低的第三產業尚未發揮作用。

河北2014年《政府工作報告》提出，實現生產總值增長8%的目標，這就要求河北能源消費量達到3.0855億t標準煤，年均增長率保持在2%左右。與此同時，河北20家鋼鐵企業、102家水泥企業進入2014年國家首批淘汰產能名單，勢必使河北經濟增長面臨較大的下行壓力。因此，為了保證河北經濟持續穩定增長，必須確保經濟增長與能源需求之間的協調發展，這需要解決三個關鍵問題：一是調整經濟結構，降低重化工業在河北產業結構中的比重，加大對高新技術產業的資本投入來替代部分能源需求；二是優化能源結構，大力發展風能、太陽能等可再生能源，提高其對煤炭這一傳統能源的替代水平；三是通過稅收補貼等手段，加快鋼鐵、水泥、電力等高能耗產業的技術進步、淘汰落后產能、提高能源效率。鑒于鋼鐵、水泥和電力行業在未來一段時間內仍將是河北支柱產業，因而其高效節能將直接關系到能源消費與經濟增長的長期協調發展。

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Dynamic analysis of the relationship between the energy consumption and economic growth in Hebei：based on the state space model

DU Ying1,2，XIAO Rong-ge1，ZHAO Heng-qin1，FAN Jun1，ZHU Chun-hua1

(1.School of Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083，China；2.Hebei University of Geological Workers，Shijiazhuang 050081，China)

Aiming at the limitation of the former literature on the static analysis，this paper empirically analyzes the dynamic relationship between energy consumption and economic growth by using the time series data of output，capital，employment and energy consumption in Hebei from 1980 to 2012.The state space model of energy consumption and economic growth in Hebei province has been built basing on the multivariate framework and tested through stationary and cointegration test.Then，time-varying parameters of the model have been estimated using Kalman filter，as well as analyzing their fluctuation.Results indicate：the energy consumption have the substitution to the labor，and play a greater role in boosting economic growth.At this stage with atmospheric controlling energy demand has declined，which will bring down the economy.To solve this problem，we should speed up technical transformation and upgrade the industrial structure using a combination of tax subsidies or another.

energy consumption；economic growth；state space model；stationary test；cointegration test；Hebei province

2014-08-19

河北省教育廳社科研究2014年度基金項目資助(編號：SZ141209)

杜穎(1986-)，女，漢族，河北藁城人，博士研究生，攻讀中國地質大學(北京)資源產業經濟專業，主要從事資源經濟的研究工作。E-mail：148121960@qq.com。

肖榮閣(1949-)，男，漢族，吉林舒蘭人，中國地質大學(北京)教授、博士生導師，主要從事礦業勘查方面的教學與研究工作。E-mail：rgxiao@cugb.edu.cn。

F062.1

A

1004-4051(2015)06-0042-06