遼寧省水資源利用效率與空間溢出效應研究

武繼堯,韓增林,吳慧歌(遼寧師范大學 海洋經濟與可持續發展研究中心,遼寧 大連 116029)

遼寧省水資源利用效率與空間溢出效應研究

武繼堯,韓增林,吳慧歌
(遼寧師范大學 海洋經濟與可持續發展研究中心,遼寧 大連 116029)

基于遼寧省14個地級市的水足跡面板數據,利用數據包絡法測度了2004—2014年遼寧省各城市的水資源利用效率。從時間上看,2004—2014年遼寧省整體水資源利用效率呈上升趨勢,但整體水資源利用效率較低;從空間上看,遼寧省水資源利用效率整體上呈中間高、東西兩側低的格局,且東側高于西側。運用空間滯后模型、空間誤差模型和空間Durbin計量模型研究了遼寧省各城市水資源利用效率的空間溢出效應，發現:遼寧省水資源利用效率存在空間溢出效應,遼寧省各城市的勞均GDP、教育經費、工業和農業用水比重、農田實際灌溉平均用水量對水資源利用效率存在顯著正向影響;外商直接投資和人均用對水資源利用效率存在顯著負向影響;教育經費的增加、農田實際灌溉平均用水量的控制能夠促進水資源利用效率上升;外商直接投資和人均用水量的增加會導致水資源利用效率降低。

水足跡;SBM模型;水資源利用效率;溢出效應

1 引言

作為區域經濟和社會可持續發展的重要物質條件,水資源的作用不可忽視。遼寧省人均水資源占有量僅約為全國人均水平的1/3,是我國東北地區缺水最為嚴重的省份。隨著東北振興戰略的實施,工農業發展和基礎設施建設空前擴張,城市用水需求的進一步增加,遼寧省的地區用水總量由2003年的128億m3上升至2014年的141億m3。同時,受全球氣候變化的影響,東北地區尤其是遼寧省的有效水資源供給呈現下降趨勢。以近年為例,2012年遼寧地區水資源總量為547億m3, 2014年下降至146億m3。加之遼寧地區水資源污染嚴重、水資源空間分布極不均衡,使遼寧地區水資源供給尤為不足。在水資源供給不足和需求不斷增加的雙重壓力下,水資源短缺問題已成為制約遼寧省社會經濟可持續發展的瓶頸之一。鑒于此,提高水資源的利用效率和空間上的合理調配,是解決遼寧地區水資源可持續發展的必然選擇。

目前水資源利用效率研究已取得一定的成果，有關人員對水資源利用效率進行了大量研究。例如，錢文婧等利用DEA計算出1998—2008年全國省級全要素水資源利用效率[1];Tone提出用非徑向、非角度的(SBM)模型測度能源或生態等效率[2,3];趙良仕等基于非期望產出的SBM模型,測度了1997—2011年中國省際水資源利用效率[4];孫才志等利用DEA方法,計算了1999—2005年遼寧省水資源利用相對效率并對水資源利用相對效率與經濟發展關系進行了分析[5];蓋美等運用SFA和DEA計算得到遼寧省環境絕對效率與相對效率[6]等。

當前對水資源利用效率的測定主要有三種評價方法[1]:指標體系評價法、隨機前沿分析法(SFA)和數據包絡分析法(DEA)。數據包絡分析法(DEA)是1978年由美國著名運籌學家Charnes、Cooper提出的,它是一種測定決策單元相對效率的方法[2],能測算具有相同類型投入和產出的若干部門的相對效率,可較好地反映水資源作為經濟活動中投入要素的相對產出效率,是當前水資源利用效率最常用的方法之一。劉滿鳳等從生產函數著手構建了Durbin計量模型,研究了2000—2007年我國31個省市區的空間知識溢出效應隨空間距離增大而不變化的特點[9];孫才志等運用空間計量模型對我國31個省市區1997—2010年水資源全局環境技術效率進行了測度,并對空間效應進行了研究[10];趙良仕等運用空間Durbin計量模型,研究了1997—2011年我國省際水資源利用效率的空間溢出效應[4]等。本文使用數據包絡分析法中的SBM模型測度了遼寧省水資源利用效率。

當前水資源利用效率研究多集中在全國視角下的省域尺度研究,有關我國區域水資源利用效率的研究較少,有關我國東北地區尤其是遼寧省水資源利用效率的研究鮮見。在研究對象方面,傳統的水資源效率測度往往使用水資源消耗量來衡量水資源的消耗,但水資源消耗量往往不能反映水資源消耗的真實占用情況,相比之下水足跡測度則能更好地反映水資源消耗的真實情況。在研究尺度方面,當前研究多集中在省域和縣域,而以地級市為視角的研究不多見。在時間選擇方面,現有文獻多集中在對當前現象的歸納探討,忽略了對某一時期特殊問題的研究總結。在水資源利用方面,目前還沒有關于首輪東北振興背景下的遼寧地區水資源利用效率方面的研究和總結。

終上所述,本文使用能反映水資源消耗真實占用情況的水足跡法測度遼寧省水資源利用效率,以遼寧省14個地市為研究對象,以空間滯后模型、空間誤差模型和空間Durbin模型為手段,從空間分異視角揭示遼寧水資源利用空間演變規律和空間溢出效應,探究遼寧省各城市水資源利用效率空間溢出效應的影響因素;以2004—2014年為時間節點,對東北振興期間的遼寧地區水資源利用效率進行研究和總結,為東北再振興計劃中的遼寧地區水資源利用提供理論指導。

2 研究方法與數據來源

2.1 SBM模型

傳統DEA模型有C2R和B2C,兩者是以投入或產出的徑向計算,在計算中忽視了松弛量,從而造成對效率的過高估計。Tone提出擴展的DEA模型即SBM模型,將最大投入冗余與最大產出不足帶入原目標函數體現松弛量的作用,構建的SBM模型為:

(1)

2.2 空間Durbin計量模型

空間計量經濟學理論認為:一個地區空間單元上的某種經濟地理現象或某一屬性值與鄰近地區空間單元上同一現象或屬性值是相關的[12]。當遼寧省水資源利用效率的空間相關性得到驗證時,我們就可利用空間面板模型來測度水資源利用效率的空間溢出效應。本文選用空間Durbin計量模型測算遼寧省各城市水資源利用效率的空間溢出效應,并與空間滯后模型和空間誤差模型的回歸結果進行了對比分析。

空間Durbin計量模型、空間滯后模型和空間誤差模型的公式分別為:

Y=ρWY+Xβ+WXθ+ε

(2)

Y=ρWY+Xβ+ε

(3)

Y=Xβ+ε

(4)

式中,Y為水資源利用效率,W為空間權重矩陣,X為水資源利用效率的印象因素,WX為水資源利用效率的影響因素的滯后項,ρ為因變量滯后系數,β為自變量系數,θ為自變量滯后系數,ε是與地區和時期均無關的隨機擾動項。

由于空間權重矩陣的引入使空間計量模型具有非線性結構,因此回歸系數不再反映自變量對因變量的影響。LeSage、Pace以偏導矩的方式給出了空間計量模型的參數釋義,提出了總效應、直接效應、間接效應等概念[13]。總效應表示某個解釋變量對全部地區造成的平均影響,直接效應表示某個地區的解釋變量對本地區水資源利用效率的影響,間接效應表示某個地區的解釋變量對除本地區以外的其他地區水資源利用效率的影響,而對本地區該解釋變量沒有影響,將式(4)用以下形式表示:

(In-ρW)Y=Xβ+WXθ+ε

(5)

對式(5)兩邊同乘以(In-ρW)-1,并展開為:

(6)

Sr(W)=V(W)(Inβr+Wθr),V(W)=(In-ρW)-1，展開得：

Y1Y2?Yn?è???????÷÷÷÷÷=Σkr=1Sr(W)11Sr(W)12…Sr(W)1nSr(W)21Sr(W)22…Sr(W)2n????Sr(W)n1Sr(W)n2…Sr(W)nn?è???????÷÷÷÷÷x1rx2r?xnr?è???????÷÷÷÷÷

+V(W)ε

(7)

由式(7)因變量Y對自變量X求偏導可認為是自變量X對因變量造成的影響,因此得到總效應、直接效應和間接效應分別為:

(8)

(9)

(10)

2.3 數據來源

本文使用的遼寧省14個城市的數據來源于2005—2015年的《遼寧省統計年鑒》,2004—2014年的《遼寧省水資源公報》,2005—2015年《中國區域經濟統計年鑒》和遼寧省各城市的統計公報等相關統計數據。

3 水資源利用效率測度

本文選取水足跡、勞動力、固定資產投資作為投入指標,GDP作為產出指標。水足跡體現了社會—經濟—生態系統真實的水資源消耗量,勞動力反映從業人員在生產過程中的實際投入量,固定資產投資反映社會—經濟—生態系統中的資金投入,GDP反映社會—經濟—生態系統的經濟效益。鑒于數據的可得性,文中社會—經濟—生態系統僅考慮經濟產出。固定資產投資以2004年為基期的固定資產投資作為資本投入,GDP以2004年為基期的國內生產總值作為產出。利用遼寧省14個城市2004—2014年的面板數據和SBM模型測度水資源利用效率見表1。

從時間上看,2004—2014年遼寧省整體水資源利用效率呈上升趨勢,但整體水資源利用效率較低。沈陽、營口的水資源利用效率增長最為明顯,沈陽的水資源利用效率從2004年0.81增加到2014年的1.00,并在2011年水資源利用效率達到最優；營口的水資源利用效率從2004年的0.49增長到2014年的0.68,2004—2014年水資源利用效率增長了36.73%。沈陽、營口的水資源利用效率的增加主要得益于GDP的迅速增長,產出增長拉動了效率的提高。2004—2014年大連(除2005年外)、鞍山的水資源利用效率一直維持在最優效率。撫順、本溪、丹東、錦州、阜新、遼陽、朝陽、葫蘆島的水資源利用效率有所增長,但增長速度緩慢,水資源利用效率離最優效率有較大差距,水資源利用效率增長潛力巨大。這些地區GDP的增長速度落后于水足跡、勞動力和固定資產投資額的增長速度,因此制約了水資源利用效率的增長。

表1 2004—2014年遼寧各城市水資源利用效

值得注意的是,盤錦、鐵嶺的水資源利用效率整體上先下降后上升,波動起伏較大。這種波動主要是投入—產出要素的變動較大致使效率產生波動,在產業結構轉型升級初期因為結構調整出現效率下降,但在后期產業結構轉型升級效應開始顯現,水資源利用效率因此上升。此外,2004—2014年遼寧省各市水資源利用效率差別很大,水資源利用效率算術平均值的最小值為0.25,最大值為1.00。由于水資源的產出主要體現為經濟效益,因此水資源利用效率的差異反映了遼寧省各市經濟發展效益的差異。

從空間上看,遼寧省水資源利用效率整體上呈中間高東西兩側低的格局,且東側高于西側(圖1)。按照自然間斷點分類法,本文將遼寧省14個城市的水資源利用效率分為高效率地區、中效率地區、低效率地區,并選取2004年、2007年、2010年、2014年作為樣本來反映遼寧省14個城市的水資源利用效率空間格局變化。由圖1可知,高效率地區一直分布在大連、鞍山、盤錦、沈陽,且高效率地區兩側(除阜新和鐵嶺外)均為中效率地區,說明水資源利用效率的溢出效應明顯。10年間,大連、鞍山、盤錦、沈陽各個時期的水資源利用效率都很高,尤其是大連和鞍山的水資源利用效率10年來均保持在最優效率水平。2004—2014年中效率地區在減少,錦州、營口、遼陽、丹東、本溪、撫順一直是中效率地區,但葫蘆島和鐵嶺從中效率地區變為低效率地區,說明2004—2014年葫蘆島、鐵嶺的水資源利用效率增長速度落后于其他地區,且鐵嶺市水資源利用效率有所降低，朝陽、阜新一直處于低效率地區。從空間上看，低效率地區向南部的葫蘆島和北部的鐵嶺擴張,說明低效率地區也存在溢出效應。

圖1 遼寧省水資源利用效率變化

4 水資源利用效率溢出效應分析

為了進一步測度遼寧省水資源利用效率的空間溢出效應,本文利用空間Durbin計量模型對遼寧省的水資源利用效率進行分析。

4.1 空間Durbin計量模型回歸結果

水資源利用效率的分析表明,遼寧省城市的水資源利用效率存在顯著的空間溢出效應,高效率地區呈現出空間集聚現象。本文通過空間溢出效應測算來具體說明何種因素可對水資源利用效率的空間溢出效應產生影響。

表2 模型回歸結果

注:***表示1%水平上顯著,**表示5%水平上顯著,*表示10%水平上顯著。

表2給出了空間滯后模型、空間誤差模型和空間Durbin計量模型三種計量模型的回歸結果。通過Hausman檢驗可確定三種計量模型均采用固定效應,而拒絕隨機效應。由各模型R2值結果可見,包含因變量滯后向和自變量滯后項的空間Durbin計量模型擬合度高于空間滯后模型和空間誤差模型,所以使用空間Durbin計量模型更能準確地描述各變量的變動規律,結論更具可靠性。三種空間計量模型的各項回歸系數空間自回歸系數ρ均為正值,且顯著性較高,說明遼寧省各城市水資源利用效率存在溢出效應。因此,在對遼寧省水資源利用效率過程中應考慮空間因素,而空間外部性效應對水資源利用效率的提高具有非常重要的影響。

在空間滯后模型狀況下,勞均GDP、教育經費、外商直接投資、水資源總量、人均用水量、農田實際灌溉平均用水量、工業用水比重對水資源利用效率產生顯著正向影響;在空間誤差模型情況下,勞均GDP、外商直接投資、人均用水量、農田實際灌溉平均用水量、工業用水比重和第三產業增加值占GDP比重對水資源利用效率存在顯著的正向影響;在空間Durbin計量模型情況下,勞均GDP、教育經費、萬元GDP增加值用水量及滯后、人均用水量及滯后、農田實際灌溉平均用水量及滯后、交通基礎設施、農業用水比重及滯后、第三產業增加值占GDP比重及滯后、滯后外商直接投資、滯后工業用水比重、滯后水資源總量對水資源利用效率存在顯著正向影響。空間滯后模型、空間誤差模型、空間Durbin計量模型的R2值和似然比值較好,證明回歸結果比較理想。

三種回歸模型的結果表明,勞均GDP、農田實際灌溉平均用水量及滯后和農業用水重因素均對遼寧省水資源利用效率產生正向影響,其中勞均GDP因素在1%的顯著水平上正向影響水資源利用效率;在空間滯后模型情況下,農田實際灌溉平均用水量因素在5%的顯著水平上正向影響水資源的利用效率,而在空間誤差模型與空間Durbin計量模型中在1%的顯著水平上正向影響水資源的利用效率。

4.2 空間Durbin計量模型效應分析

由于回歸模型的回歸系數并不能完全反應自變量對因變量的影響,需要通過空間Durbin計量模型中的總效應、直接效應和間接效應來反映(表3)。

表3 解釋變量的總效應、直接效應和間接效應

注:***表示在1%的水平上顯著,**表示在5%的水平上顯著,*表示在10%的水平上顯著。

在空間Durbin計量模型總效應中,遼寧省各城市的第三產業增加值占GDP比重、工業用水比重、教育經費、勞均GDP、農田實際灌溉平均用水量、交通基礎設施、農業用水比重因素對所有的城市水資源利用效率為正向影響。其中,勞均GDP、教育經費、農田實際灌溉平均用水量、農業和工業用水比重對水資源利用效率為顯著的正向影響;而遼寧省各城市的水資源總量、外商直接投資、萬元GDP增加值用水量因素對所有城市水資源利用效率為負向影響,水資源總量、外商直接投資為顯著的負向影響因素。通過增加和減少以上這些因素，不但可促進本市水資源利用效率的提高,而且可帶動其他城市水資源利用效率共同提高。

在空間Durbin計量模型直接效應中,遼寧省各城市的第三產業增加值占GDP比重、教育經費、勞均GDP、農田實際灌溉平均用水量因素對本市水資源利用效率造成顯著的正向影響,而遼寧省各城市的交通基礎設施、農業用水比重、工業用水比重、人均用水量、萬元GDP增加值用水量因素對本市水資源利用效率為顯著的負向影響。遼寧省各城市控制以上這些因素可促進本市水資源利用效率的提高,但不能帶動其他城市共同提高。

在空間Durbin計量模型間接效應中,遼寧省各城市的工業用水比重、農業用水比重、交通基礎設施、農田實際灌溉平均用水量和教育經費因素對除本市外其他城市水資源利用效率造成正向影響,而遼寧省各城市的外商直接投資、人均用水量因素對除本市外的其他城市水資源利用效率為顯著的負向影響。

在空間Durbin計量模型總效應、直接效應和間接效應中,教育經費和農田實際灌溉平均用水量因素均對水資源利用效率為顯著的正向影響;外商直接投資和人均用水量因素均對水資源利用效率為負向影響,其中人均用水量在1%水平上為顯著的負向影響因素。因此,遼寧省各城市不能盲目追求外商直接投資,應從控制農田實際灌溉平均用水量、減少人均用水量和增加教育經費等手段共同促使遼寧省各城市的水資源利用效率的提高。

總之,以空間Durbin計量模型在內的三種計量模型的回歸結果表明,不能盲目追求外商投資,應增加教育經費提高水資源利用效率。雖然農業用水和工業用水在總用水量中占較大比重,但可通過技術與設備的改進、建立高效節水農業等措施促進水資源利用效率的提高。遼寧省各城市的萬元GDP增加值用水量、人均用水量和交通基礎設施因素顯著負向影響水資源利用效率,因此各城市應增強交通基礎設施、控制萬元GDP增加值用水量和大力宣傳節水工作等措施提高全省的水資源利用效率。

5 小結與討論

基于遼寧省14個城市的水足跡面板數據,利用SBM模型分析了2004—2014年遼寧14個城市的水資源利用效率,運用空間滯后模型和空間誤差模型和空間Durbin計量模型探究了遼寧省各城市水資源利用效率的空間溢出效應的影響因素。

本文得出以下結論:①在東北振興期間,遼寧省整體水資源利用效率呈上升趨勢,但整體水資源利用效率較低。從空間上看,遼寧省水資源利用效率整體上呈“中部凸起兩翼跟隨”的狀態,且東側高于西側。②運用空間滯后模型、空間誤差模型和空間Durbin計量模型對水資源利用效率進行回歸分析,空間自回歸系數均大于0.2,且都具有較高的顯著水平,說明遼寧省水資源利用效率存在空間溢出效應。③通過總效應、直接效應和間接效應反應的自變量對水資源利用效率因變量的影響表明,勞均GDP、教育經費、農田實際灌溉平均用水量、交通基礎設施、農業用水量、工業用水量和第三產業增加值占GDP的比重因素正向影響水資源的利用效率,而遼寧省各城市的外商直接投資、人均用水量、萬元GDP增加值用水量、水資源總量負向影響水資源的利用效率。

從時間上看,在東北振興期間遼寧地區水資源利用效率得到了較大提升。從空間上看,遼寧地區水資源利用效率整體態勢沒有發生明顯變化,但東南地區和西北地區的水資源利用效率呈現下降趨勢。從結果上看,應從增加教育經費、控制萬元GDP增加值用水量、增強交通基礎設施、減少人均用水量等手段提高遼寧省各城市的水資源利用效率。同時,不能盲目追求外商投資,對用水應進行相應的控制。雖然農業用水在總用水中占較大比重,但可通過改進生產技術和設備、采取高效節水農業等措施促進水資源利用效率的提高,在新一輪東北振興中實現遼寧地區水資源利用效率提高與經濟振興同步發展。

[1]錢文婧,賀燦飛.中國水資源利用效率區域差異及影響因素[J].中國人口·資源與環境,2011,21(2)∶54-60.

[2]Tone K.A Slacks-based Measure of Efficiency in Data Envelopment Analysis[J].European Journal of Operational Research,2001,130(3)∶498-509.

[3]Tone K.Dealing with Undesirable Outputs in DE[Z].GRIPS Research Report Series,2003.

[4]趙良仕,孫才志,鄭德鳳.中國省際水資源利用效率與空間溢出效應測度[J].地理學報,2014,69(1)∶121-132.

[5]孫才志,李紅新.遼寧省水資源利用相對效率的時空分異[J].資源科學,2008,30(10)∶1442-1448.

[6]蓋美,連冬,田成詩,等.遼寧省環境效率及其時空分異[J].地理研究,2014,33(12)∶2345-2357.

[7]沈滿洪,陳慶能.水資源經濟學[M].北京：中國環境科學出版社,2008.

[8]Charnes A,Cooper W W,Rhodes E.Measuring the Efficiency of Decision Making Units[J].European Journal of Operational Research,1978,2(6)∶429-444.

[9]劉滿鳳,唐厚興.基于空間Durbin模型的區域知識溢出效應實證研究[J].科技進步與對策,2010,27(18)∶28-33.

[10]孫才志,趙良仕,鄒瑋.中國省際水資源全局環境技術效率測度及其空間效應研究[J].自然資源學報,2014,29(4)∶553-563.

[11]Barro R J,Sala-i-Martin X.Convergence[J].Journal of Political Economy,1992,100(2)∶223-250.

[12]Anselin L.Spatial Econometrics：Methods and Models[M].Dordrecht：Lluwer,1988∶27-41.

[13]LeSage P J,Pace R K.Introduction to Spatial Econometrics[M].New York：CRC Press,2009∶27-41.

[14]趙良仕,孫才志,鄭德鳳.中國省際水足跡強度收斂的空間計量分析[J].生態學報,2014,34(5)∶1085-1093.

[15]孫才志,趙良仕.環境規制下的中國水資源利用環境技術效率測度及空間關聯特征分析[J].經濟地理,2013,33(2)∶26-32.

[16]趙良仕,孫才志.基于Global-Malmquist-Luenberger指數的中國水資源全要素生產率增長評價[J].資源科學,2013,35(6)∶1229-1237.

[17]孫才志,劉玉玉.基于DEA-ESDA的中國水資源利用相對效率的時空格局分析[J].資源科學,2009,31(10)∶1696-1703.

[18]郝春琴,何偉才,程世迎.遼寧省水資源可持續開發利用的對策與建議[J].東北水利水電,2004,22(3)∶9-10.

[19]韓雪,孫才志.中國主要農產品虛擬水流動格局形成機理研究[J].資源科學,2013,35(8)∶1567-1576.

[20]趙晨,王遠,谷學明,等.基于數據包絡分析的江蘇省水資源利用效率[J].生態學報,2013,33(5)∶1636-1644.

WaterResourceUtilizationEfficiencyandItsSpatialSpilloverEffectsMeasureinLiaoningProvince

WU Ji-yao,HAN Zeng-lin,WU Hui-ge
(Center for Studies of Marine Economy and Sustainable Development,Liaoning Normal University,Dalian 116029,China)

Based on Liaoning Province of 14 cities panel date of water footprint,established the water resources utilization efficiency of every cities in Liaoning Province by using date envelopment analysis model in the view of time line.Overall utilization efficiency of water resources in Liaoning province was on the rise from 2004-2014,but the water use efficiency was low.From the space point of views,overall utilization efficiency of water resources in Liaoning Province showed the middle high,east and west on both sides of the low pattern,and the east side was higher than the west side.By mean of the spatial lag model,spatial error model and space Durbin econometric model,this paper studied the spatial spillover effects of water resources utilization efficiency every cities in Liaoning Province.The results showed that there was significant spatial correlation in water resource efficiency of every cities in Liaoning Province.The GDP per labor,the education funds,the proportion of industrial and agricultural water and actual irrigation water consumption per area had positive significant influence.The factors of foreign direct investment and per capita water consumption had negative significant influence. Increasing in the education funds control the actual irrigation water consumption per area could promote the water resources utilization efficiency.Increasing in the factors of foreign direct investment and per capita water consumption resulted in the reduce of the water resources utilization efficiency.

water footprint;SBM model;water resources utilization efficiency;spillover effects

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.04.007

TV213.9

A

1005-8141(2017)04-0417-06

2017-02-22；

2017-03-14

國家自然科學青年基金項目“中國周邊海洋地緣環境系統脆弱性時空演變特征及其機理研究”(編號:41601114);教育部人文社會科學青年基金項目“海洋地緣環境系統脆弱性時空演變特征及其機理研究——以南海為例”(編號:16YJC790080)。

及通訊作者簡介：武繼堯(1993-),男,遼寧省丹東人,碩士研究生,研究方向為人文地理,海洋經濟地理。