礦產資源型城市工業路徑依賴綜合診斷方法——基于改進的柯布-道格拉斯生產函數

周思楊,李 巍,陳佳璇,成潤禾

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礦產資源型城市工業路徑依賴綜合診斷方法——基于改進的柯布-道格拉斯生產函數

周思楊,李 巍*,陳佳璇,成潤禾

(北京師范大學環境學院,環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室,北京 100875)

將礦產資源和生態環境要素納入常規的柯布-道格拉斯(C-D)生產函數,構建資源-環境-經濟綜合診斷方法,并應用于以煤炭經濟為主的鄂爾多斯市.結果顯示,2001~2015年該市綜合產出彈性為0.8158,呈規模報酬遞減趨勢;全市工業路徑依賴于2001~2007年處于綜合邊際收益(MR)上升過程,2008~2015年進入MR下降過程.工業增長的生態環境成本明顯升高,對MR起到顯著減降作用,導致MR曲線拐點較常規C-D函數法提前約2~4a.對此,建議加大生態環境保護與治理力度、實施煤炭資源開發總量和強度“雙控”等路徑依賴破解措施.該方法可糾正由于未考慮資源和環境效應所產生的診斷偏差,有助于更加合理、準確地診斷特定資源型城市工業發展路徑依賴的演化特點,并可據此提出有針對性的破解對策.

柯布-道格拉斯生產函數；礦產資源型城市；工業路徑依賴；邊際收益；資源-環境-經濟綜合診斷

我國有200余個礦產資源型城市,作為重要的能源資源戰略保障基地,這些城市是國民經濟持續健康發展的重要支撐.在供給側結構性改革深入推進、經濟發展由高速向高質量發展的攻關時期,礦產資源型城市面臨開發強度過大[1]、生態環境破壞嚴重[2]、阻礙可持續發展[3]等問題,且三者間存在一定耦合關系[4],產業綠色升級轉型亟需實施.區域工業發展過程中普遍存在的路徑依賴現象[5],是造成礦產資源型城市產生上述問題的主要原因[6].學者們對路徑依賴的理解雖存在差異,但在廣義上達成一定共識,即一個具有正反饋機制的體系一旦在外部性偶然事件的影響下被系統所采納,便會沿著一定的路徑發展演進,很難為其他潛在的甚至更優的體系所取代[7].

國內外針對工業路徑依賴研究主要集中在形成機制方面,且以定性分析居多[8-9],近年來逐步開展定量研究.已有研究運用內生增長模型、馬可夫鏈模型、GMM、指標評價等定量方法,分析了礦產資源投入、企業間關聯度、制度更新、技術迭代等因素在路徑形成中的作用[10-13].同時,學者們一般將工業路徑依賴定性劃分為初始期、發展期、鎖定期3個階段[14-15],并已形成共識,即隨著演化階段深入,區域打破路徑依賴的經濟成本和技術難度均會增加[16-17].此外,國內研究關注東北地區[18]、新疆[19]、山西[20]、云南[21]、河南[22]等區域和省級尺度,多通過定性分析為研究區域的轉型升級、突破路徑尋求對策,但城市尺度研究仍顯欠缺.總之,目前研究在工業路徑依賴形成機制方面取得了豐富成果,但路徑依賴的診斷研究較少,且均未將生態環境要素納入定量分析中.

城市作為社會-經濟-自然復合生態系統[23],需要良好的環境質量和生態服務功能,但已有研究方法尚不能全面反映城市尺度工業路徑依賴產生的資源、環境、經濟相交織的綜合性問題.柯布-道格拉斯(C-D)生產函數能夠反映經濟活動中投入與產出關系[24],國內外學者已將自然資源作為投入要素建立改進的C-D生產函數[25-26].本研究在吸收已有成果的基礎上,將礦產資源和生態環境作為投入要素,納入C-D生產函數中,構建針對礦產資源型城市工業路徑依賴的資源-環境-經濟綜合診斷(REEID)方法,以便更加合理、準確地診斷特定資源型城市工業路徑依賴的演化特點,從而為其轉型發展和精準調控提供決策依據.

1 資源-環境-經濟綜合診斷方法構建

1.1 納入礦產資源與生態環境要素的C-D生產函數

式(1)為C-D生產函數基本形式,僅體現了經濟產出與資本、勞動力兩項傳統投入要素間的關系.礦產采掘和加工行業占礦產資源型城市工業增加值比重大,對地區生產總值貢獻高[27],但也造成了生態環境破壞[28].因此將礦產資源、生態環境作為投入要素,建立如式(2)所示的礦產資源型城市工業C-D生產函數.

=L(1)

式中:A為技術水平的常數;、為投入要素的產出彈性.

L=P×S(3)

式中:Y為礦產資源型城市的工業增加值;L為工業固定資產投入;L為工業勞動力投入;M為主要礦產資源投入;E為生態環境投入;、、、為產出彈性,當綜合產出彈性+>1時,投入要素規模報酬遞增;當+=1時,投入要素規模報酬不變,當+<1時,投入要素規模報酬遞減;P為工業勞動力人數;S為工業企業職工人均收入.

對式(2)作對數處理,得:

ln=ln+ln+ln+ln+e (4)

式中:e為常數.對式(4)求導,得:

式中:、、、的偏導數分別為各類投入要素對工業增加值的邊際收益(MR).MR計算方法如式(6),同理可得MR、MR、MR:

投入要素的綜合邊際收益MR為:

MR=MR+MR+MR(7)

根據邊際收益遞減規律,在其他條件不變的前提下,增加某種資源的投入,單位資源產生的收益或者價值不斷減小.因此,可根據礦產資源型城市在一定時期內MR曲線形態判斷其路徑依賴狀態.

1.1.1 綜合邊際收益上升(IMRI)過程 礦產采掘、加工過程主要對生態環境帶來短期直接影響[29].該狀態內,礦產資源、生態環境要素消耗量與工業經濟產出均保持較快增速,MR曲線遞增并出現最大值(MR)max.

1.1.2 綜合邊際收益下降(IMRD)過程 工業發展的綜合投入要素冗余,礦產開采量居高不下,短期直接生態環境影響持續產生的同時,累積[30]、疊加[31]等生態環境效應顯現,治理難度上升.該狀態內,工業經濟受資源型產業所處政策及市場環境影響, MR曲線表現為(MR)max后隨時間波動.若未及時采取優化產業發展路徑的措施,區域將面臨礦產資源消耗殆盡[32],生態環境治理與恢復難度持續加大[33]等問題.

1.2 生態環境要素投入估算

考慮礦產資源型城市工業發展過程中,因開采方式和污染物排放造成生態破壞和環境污染[34],將資源型產業破壞的生態系統及其服務功能與損害的環境價值作為生態環境要素投入.根據研究區域主導產業特征及產生的生態環境短期影響與長期效應確定生態環境因子.由于各因子的物理單位不同,本研究運用環境經濟學方法估算其經濟價值,以統一量綱,實現綜合診斷.

E=eco+env(8)

式中:E為生態環境價值,元;eco為生態服務價值,元;env為環境損害價值,元.

為確定各生態環境因子對模型輸出的重要性和貢獻度,采用基于擾動分析的相對靈敏度分析法進行參數敏感性分析[35].該方法計算公式為:

式中:為參數相對敏感度;P+1和P為第+1和第次參數輸入數值,a為二者均值;Q+1和Q為第+1和第次模型輸出數值,a為二者均值.

參考已有研究成果,在各因子初始值基礎上分別增減10%、20%、30%、50%共8次,獲得相應值[36],取其均值作為最終結果.同時,根據值范圍將參數敏感性劃分為5個級別(表1)[37].

表1 敏感性分級

2 鄂爾多斯市工業路徑依賴綜合診斷

鄂爾多斯市位于內蒙古自治區西南部,總面積約8.7萬km2,煤炭探明儲量約2017.51億t,是我國重要的能源輸出基地、煤電基地和現代煤化工示范基地.全市煤炭開采業和煤基產業占工業增加值比重由2011年58.75%升高至2015年81.31%.“十二五”期間,受國家化解煤炭行業產能過剩調控政策等因素影響,全市生產總值增速下降7.4%.鄂爾多斯市煤炭開采業主要破壞生態服務功能,地表挖損、地面沉陷等現象突出.“十二五”期間,全市累計露天煤礦采場約61.01km2;井工開采形成采空區約197km2.煤基產業主要造成環境污染.2015年,煤基產業SO2與NO排放量、廢水排放量分別約占排放總量的85.31%和24.12%;煤電行業占工業固廢產生總量的30.13%.

2.1 資料或數據來源

鄂爾多斯市歷年工業增加值、工業固定資產投資額度引自2002至2016年《鄂爾多斯市國民經濟與社會發展統計公報》,分別獲取15組數據;工業就業人數、人均收入、煤炭儲量及消耗量引自2001~ 2016年《鄂爾多斯市統計年鑒》,分別獲取15組數據;各行業污染物排放量引自2001~2015年《鄂爾多斯市環境統計數據》,分別獲取15組數據;2001~2015年煤炭年均價格引自中國煤炭市場網,共獲取180組月均價格數據,并據此換算出15組年均價格數據;全市煤礦信息引自《鄂爾多斯市人民政府關于印發化解煤炭過剩產能工作方案的通知》(鄂府發〔2016〕64號)附件,共獲取煤礦信息322組;煤炭礦區受損土地、草地相關數據引自《鄂爾多斯市煤電基地開發規劃環境影響報告書》(2015年編制),分別獲取15組數據;污染物應稅額、當量引自《中華人民共和國環境保護稅法》附件“稅目稅額表”.

2.2 生態環境價值估算

鄂爾多斯市煤炭露天開采挖損剝離煤層上的覆蓋層,井工開采造成地面沉陷,礦區內草地生態系統固碳功能也遭到破壞.煤基產業主要是其排放的廢水、廢氣和固體廢物污染物造成的環境損害.為保證估算結果可靠性,本研究采用原國家環境保護部分別于2014年和2016年發布的《環境損害鑒定評估推薦方法(第II版)》、《生態環境損害鑒定評估技術指南總綱》中的推薦方法進行生態環境價值估算.采用成果參照法獲得的價格,依據匯率或通脹率對其進行調整.

2.2.1 生態服務價值 煤炭開采引起的地面塌陷面積與土地直接挖損面積根據已有研究成果估算[38].塌陷地面價值以各旗區礦區塌陷區相關補償辦法為估算依據.土地直接挖損面積價值參照內蒙古自治區《關于公布實施征地統一年產值標準和征地片區綜合地價的通知》(內政辦發〔2011〕143號)中地價.

草地生態系統固碳功能價值估算方法如下:

=′′(10)

式中:為固碳功能價值,元;為草地生態系統單位面積固碳量,根據相關研究[39],鄂爾多斯市草地生態系統單位固碳能力為0.74t/(hm2×a);為固碳價值,取相關研究常用的瑞典碳稅率(150美元/t)估算[40],并根據研究期間歷年匯率折算為人民幣,元/t;為煤炭礦區內沉陷及剝離的草地總面積,hm2.

2.2.2 環境損害價值

(1)水污染物 水體污染物包含CODCr、氨氮兩項污染物,采用虛擬治理成本法估算:

(2)大氣污染物 選擇SO2、NO和煙塵3個污染因子,采用影子價格法和成果參照法估算.結合已有研究成果[41],上述3類污染物降低大氣環境質量的單價分別為:326元/t、294元/t和134元/t,并以每年3%的通脹率進行調整[42].

(3)固體廢物 主要包括煤炭開采過程中產生的煤矸石,及煤電行業產生的灰渣等.以環保稅法為估算依據:

2001~2015年鄂爾多斯市工業發展所消耗的環境價值如表2所示:

表2 2001~2015年鄂爾多斯市工業發展消耗的生態環境價值

2.3 模型設定

表3 C-D生產函數回歸結果

注:小括號內為標準誤差;＊＊＊、＊＊、＊分別表示1%、5%、10%的置信水平上顯著.

根據鄂爾多斯市產業發展特點,選取開發利用的煤炭資源價值作為礦產資源投入,煤炭開采過程中消耗的生態環境價值作為生態環境投入,建立鄂爾多斯市C-D生產函數模型,以ln為被解釋變量,ln、ln、ln、ln為解釋變量在Eviews 7軟件中進行普通最小二乘法(OLS)估計,得回歸方程:

ln=-0.0776ln+1.7470ln+1.4403ln-2.2938ln+

2.4139 (13)

進而得出鄂爾多斯市工業發展C-D生產函數:

=2.4139-0.07771.74701.4403-2.2938(14)

3 結果與討論

3.1 結果

3.1.1 診斷結果 鄂爾多斯市工業投入要素綜合產出彈性為0.8158,呈規模報酬遞減態勢,表明規模擴張已不能拉動工業經濟增長.如圖1所示,全市MR曲線在2001~2007年間由0.18元增長至1.40元,工業路徑依賴處于IMRI過程;2008~2015年間由0.99元波動下降至-1.13元,進入IMRD過程,說明工業發展的綜合投入要素冗余,已不能單純依靠擴大投入要素規模拉動工業增長.4類投入要素邊際收益曲線中,由于煤炭開采和煤基產業對工業增加值的高貢獻度,MR曲線最高,從2001年1.16元增長至2008年4.00元;2008年后波動回落至2.11元,說明該階段內投入單位煤炭資源產生的經濟價值減少.鄂爾多斯市煤炭開采和煤基產業規模持續擴張,礦產資源開發利用的同時導致生態環境成本快速上升,致使MR曲線最低,從2001年-0.95元下降至2010年-3.42元,之后穩定在-3.02元附近.MR與MR曲線分別保持在0.17~0.35元和-0.07~-0.50元之間,表明工業勞動力和固定資產投入在4類投入要素中常年保持相對穩定的態勢.

圖1 2001~2015年鄂爾多斯市工業發展各類投入要素MR曲線

3.1.2 生態環境因子敏感性分析結果 如表4所示,鄂爾多斯市地面塌陷面積較大,是煤礦采掘造成的主要生態環境影響,其對模型影響很敏感(V級).地表剝離與SO2、NO排放對模型影響較敏感(VI級).煙塵、固體廢物對模型影響一般敏感(III級).鄂爾多斯市草地以中、低覆蓋度草地為主,固碳速率相對較低,故草地固碳對模型影響為弱敏感(II級).由于全市工業水污染物排放量較小,環保設施較完備,CODCr與氨氮對模型影響不敏感(I級).

表4 敏感性分析結果

3.2 討論

REEID方法強調在傳統經濟學分析基礎上,增加礦產資源與生態環境共同作為礦產資源型城市工業發展的投入要素.若運用基本C-D生產函數或僅增加礦產資源作為投入要素,通過OLS回歸可分別得到如下回歸方程:

lnY=-0.0373ln+1.2293ln+1.2744 (15)

2=0.9842 S.E= 0.1624= 375.8327 (Sign.=1.51×10-11)

lnY=-0.5660ln-0.0582ln+1.8520ln+1.1708 (16)

2=0.9860 S.E= 0.1601= 258.4633 (Sign.=1.78×10-10)

根據圖2,可見不同投入要素組合下,投入要素綜合邊際收益曲線均總體呈現先升后降的形態,但也存在一定差異.鄂爾多斯市早期經歷了粗放式煤炭開采,產生大量生態環境成本,造成MR在研究期內均為負值,且隨著產業規模擴大,生態環境投入要素冗余程度加劇.MR在2001~2010年間連續負增長,對MR起到一定減降作用,因此MR曲線于2007年率先出現拐點.MR由于缺少MR產生的減降作用,MR成為拉動MR曲線的關鍵要素.MR與資源環境要素無關,2011年后鄂爾多斯市工業固定資產投資下降,導致MR顯著上升,成為影響MR曲線形態的主要因素.

因此,在、、3種投入要素組合下,鄂爾多斯市工業進入IMRD過程的年份分別為2008年、2010年、2012年.本研究構建的REEID方法相較于傳統C-D生產函數分析結果,揭示了由于MR減降作用帶來的礦產資源型城市工業路徑依賴演化過程加速趕頂的現象,由此更加合理、準確地診斷出了特定資源型城市工業發展路徑依賴的演化特點及其階段性變化.

圖2 根據3種C-D生產函數繪制的投入要素綜合MR曲線

4 結論與建議

4.1 結論

MR在研究期內持續為負值(-0.95~-3.42元),對MR起到明顯的減降作用.全市投入要素綜合產出彈性為0.8158,呈規模報酬遞減趨勢.

工業路徑依賴于2001~2007年處于IMRI過程,MR在該時期內遞增到最大值1.40元,2008年進入IMRD過程.

考慮生態環境要素的REEID方法在礦產資源型城市工業路徑依賴過程識別方面,較傳統C-D生產函數分析法提前約2~4a.

REEID方法適用于我國工業快速發展的同時,消耗大量生態環境價值的礦產資源型城市.該方法可糾正由于未能考慮資源和環境效應所產生的診斷偏差,有助于礦產資源型城市提早認識工業發展帶來的資源環境問題.

4.2 建議

鄂爾多斯市在推動產業升級轉型和工業綠色發展進程中,建議著重采取以下措施:

針對MR對MR的減降作用,需進一步加大全市生態修復和環境治理力度,加快礦區復墾復綠,修復塌陷地面,提高煤矸石及灰渣綜合利用率,降低煤炭資源型產業發展產生的過高生態環境成本,嚴格生態保護紅線和環境質量底線約束,預防資源環境超載,全面推動煤基產業的綠色轉型發展.

鑒于MR是拉動MR的主要因素,需結合水資源和環境質量硬約束設置全市煤炭資源利用上線,重點實施總量和強度“雙控”,加快技術進步提升煤炭深加工水平,提高煤炭就地轉化率和煤基產業的資源環境效率,杜絕規模擴張型增長帶來的產能過剩、生態破壞、環境污染加重等不良副效應,確保實現煤基產業的效率、效益型增長.

MR和MR對MR的貢獻度目前處于中間水平,建議合理調控煤炭開采業資本投入,吸納高新技術行業人才,引導和擴大對非煤產業的投資和投入,加快非煤產業發展,提高非煤產業在經濟增加值中的占比,逐步形成推動全市經濟增長的新動能,實現更高質量的經濟發展目標.

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Integrated diagnosis for industrial development path dependence of mineral resource-based cities: A study based on an improved Cobb-Douglas production function.

ZHOU Si-yang, LI Wei*, CHEN Jia-xuan, CHENG Run-he

(State Key Lab of Environmental Simulation and Pollution Control, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)., 2019,39(1)：412~419

In this study, firstly, the mineral resources, ecological and environmental elements were taken into account as input factors in the conventional C-D production function. Secondly, the method of resource-environment-economy integrated diagnosis (REEID) was established and then applied. Ordos, Inner Mongolia, whose economy has been dominated by coal extraction and utilization, was the taken as a study case. The results showed that the integrated output elasticity in Ordos from 2001 to 2015 was 0.8158, indicated the decreasing returned to scale. The industrial path dependence was in the integrated marginal revenue (MR) increasing process from 2001 to 2007, then entered the decreasing process from 2008 to 2015. The ecological and environmental cost of industry increased significantly, which reduced MRdramatically and caused the MRcurve to show an inflection point decrease 2~4 years earlier than that in the conventional C-D simulation. Hence it was suggested that measures such as “double control” of the total amount and intensity of coal resources development, strengthening ecological environmental protection and governance, etc., should be employed. The REEID method could correct the diagnostic bias caused by neglecting the resource and environmental effects. It was more reasonable and accurate to diagnose the evolutionary characteristics of industrial development path dependence in resource-dependent cities. REEID method was helpful to propose effective development countermeasures.

Cobb-Douglas production function; mineral resource-based cities; industrial path dependence; marginal revenue; resource-environment-economy integrated diagnosis

X321

A

1000-6923(2019)01-0412-08

周思楊(1988-),男,河北靈壽人,博士研究生,主要從事環境經濟學與戰略環境評價等方面研究.發表論文1篇.

2018-06-21

環保公益項目"流域綜合規劃環境影響評價關鍵技術研究"(2013467042)

* 責任作者, 教授, weili@bnu.edu.cn