基于DEA 模型的湖南省碳排放效率研究

王謙 胡芬 宋琳 戴銀山

（南華大學經(jīng)濟管理與法學學院，湖南衡陽 421001）

1 引言

碳排放效率作為衡量地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展質(zhì)量的重要指標，對其進行評價研究可以為相關(guān)決策提供經(jīng)驗依據(jù)。在此背景下，對作為“兩型社會”綜合配套改革實驗區(qū)之一的湖南省長株潭地區(qū)碳排放效率進行研究更具現(xiàn)實意義。

自1978 年Charnes 等提出假定規(guī)模收益不變的CRS 模型之后［1］，數(shù)據(jù)包絡(luò)分析得以快速發(fā)展，被廣泛用于各個領(lǐng)域的效率性評價研究。在研究對象的層次上，國外學者多數(shù)從宏觀層面上對多個國家或經(jīng)濟體進行研究，國內(nèi)學者則是運用DEA 模型對典型省份或某行業(yè)的碳排放效率進行評估，兩者在研究對象上都缺乏對同一省域不同城市之間的對比研究。此外，目前國際上主要以公平性及效率性為出發(fā)點研究初始分配，并以此進一步探究經(jīng)濟運行對碳排放市場的影響，僅有少數(shù)研究運用DEA 模型對碳排放效率在空間上的布局進行評估，而且在投入因素的選擇中，容易忽略產(chǎn)業(yè)和人口結(jié)構(gòu)對碳排放效率影響的可能性。經(jīng)濟發(fā)展水平居于中等的湖南省處于內(nèi)陸，在碳排放效率方面的實證研究不足。本文將湖南省各市（州）作為研究對象，從人口結(jié)構(gòu)、技術(shù)水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)三方面著手，通過超效率模型的測算對湖南省區(qū)域內(nèi)城市的碳排放效率進行實證研究，以期為當?shù)卣紲p排政策提供理論參考。

2 研究設(shè)計

2.1 超效率SBM 模型

相比傳統(tǒng)的SBM 模型和超效率DEA 模型，超效率SBM 模型能對非期望產(chǎn)出進行超基礎(chǔ)閾值分析，即允許有效決策單元效率與1 進行比較。本文主要據(jù)此模型進行測算分析得出最終結(jié)果。現(xiàn)假設(shè)有a個DUM（決策單元），其中DUM 由兩部分組成，分別是投入x、產(chǎn)出y，而產(chǎn)出又由期望產(chǎn)出y1、非期望產(chǎn)出y2組成。用向量分別表示m∈rx，nd∈ry1，ns∈ry2，現(xiàn)M，Nd，Ns為矩陣，M＝［m1，…，ma］∈rx·a，Nd＝［n1d，…，dad］∈ry1·a，Ns＝［n1s…nas］∈ry2·a。假設(shè)DUM 有效，超效率SBM 模型構(gòu)建如下：

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文的原始數(shù)據(jù)來源于《湖南省統(tǒng)計年鑒》（2006—2017）中各市（州）主要經(jīng)濟和社會統(tǒng)計指標部分，以及各市（州）的經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報，二氧化碳排放量由所搜集數(shù)據(jù)通過核算得到（能源消耗總量×二氧化碳排放系數(shù)）。

2.3 指標選取

首先通過DEA 模型對湖南省各市（州）歷史的碳排放數(shù)據(jù)進行總結(jié)分析，在得出其不具有DEA 有效性結(jié)論的基礎(chǔ)上，分析得到湖南省各市（州）地區(qū)DEA 有效水平的碳排放權(quán)初始分配方法；在選取關(guān)鍵投入指標時，發(fā)現(xiàn)相較于其他相關(guān)指標，表1 按照有關(guān)投入和產(chǎn)出指標體系建立原則，選取的指標對碳排放量的規(guī)模效率影響更為顯著。

表1 湖南省各市（州）碳排放效率評價指標體系

3 實證研究

3.1 數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理

運用DEA 方法中的超效率SBM 模型，結(jié)合輸入輸出指標的原始數(shù)據(jù)，將樣本數(shù)據(jù)進行標準化，利用DEA-Solver Pro 5.0 工具運算得出SBM 模型效率值θ 的面板數(shù)據(jù)結(jié)果，見表2。

表2 2006—2017 年湖南省各市（州）碳排放測算結(jié)果

3.2 基于超效率SBM 模型面板數(shù)據(jù)的測算結(jié)果和分析

2006—2017 年湖南省各市（州）碳排放效率期望值及標準誤見表3。

表3 2006—2017 年湖南省各市（州）碳排放效率期望值及標準誤

由表3 可知，除張家界以外，其他地區(qū)的效率值波動率均較低，故本文主要就整體的效率值進行研究，將湖南省14 個地級市及自治州分為3 個模塊分別分析：第一模塊為碳排放效率值E（θ）≥1 的地區(qū)，包括長沙市、邵陽市、常德市、張家界市以及湘西土家族苗族自治州5 個地區(qū)；第二模塊為0.8≤E（θ）<1的地區(qū)，分別是永州市、懷化市和婁底市3 個地區(qū)；第三模塊為E（θ）<0.8 的地區(qū)，包括郴州市、湘潭市、衡陽市、岳陽市、益陽市和株洲市6 個地區(qū)。通過比較2017 年湖南省各市（州）的GDP 可以發(fā)現(xiàn)，第三模塊地區(qū)的GDP 基本集中在湖南省GDP 排名的中上游；第二模塊地區(qū)基本是湖南省GDP 值較低的地區(qū)；第一模塊地區(qū)包含湖南省最大的經(jīng)濟體長沙市以及第三經(jīng)濟體常德市，而另外2 個地區(qū)張家界市和湘西土家族苗族自治州則處于湖南省GDP 值排名中的末尾。總體來說，呈現(xiàn)“第一模塊分兩頭，第二模塊中下游，第三模塊中上游”的分布。

基于此現(xiàn)象，先就第三模塊進行分析。第三模塊地區(qū)大多為湖南省經(jīng)濟發(fā)展較好的城市，但效率值卻不高。衡陽市和郴州市作為湖南省最早一批被定位國家工業(yè)基地的城市，主要產(chǎn)業(yè)為有色金屬采礦業(yè)、非金屬采礦業(yè)、采煤業(yè)及相關(guān)深加工產(chǎn)業(yè)，謝砫軍指出衡陽市第一產(chǎn)業(yè)處于湖南省落后水平，而第二產(chǎn)業(yè)成為拉動經(jīng)濟增長的主要產(chǎn)業(yè)［2］。周羽闡述了郴州市以及衡陽市的大致礦業(yè)情況，并提出郴州市礦業(yè)發(fā)展對生態(tài)環(huán)境并不友好且產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)失調(diào)問題［3］。湘潭市和株洲市作為“一小時經(jīng)濟圈”城市群的成員之一，經(jīng)濟發(fā)展勢頭良好，但魏國恩等從產(chǎn)業(yè)分工角度研究發(fā)現(xiàn)，在長株潭城市群中，長沙市大多為知識密集型產(chǎn)業(yè)，而湘潭市與株洲市則以勞動密集型產(chǎn)業(yè)為主［4］。第三模塊地區(qū)雖然經(jīng)濟量較高，但產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不平衡，第二產(chǎn)業(yè)比重較高，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平不高，所以效率值普遍較低。

第二模塊地區(qū)雖然碳排放未達到“有效”的標準，但是效率值較高。懷化市與婁底市相較于已在固有經(jīng)濟結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展較好的城市，在新經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化等變革性上有得天獨厚的優(yōu)勢，不管是調(diào)整成本還是變革接受度上均優(yōu)于“老牌城市”。永州市經(jīng)濟發(fā)展情況處于湖南省中游，永州稀土資源豐富，但其新工業(yè)進程較快，第二產(chǎn)業(yè)比重基本低于第三模塊地區(qū)，這是其效率值較高的主要原因之一。

第一模塊地區(qū)中，湘西土家族苗族自治州和張家界市經(jīng)濟水平低，工業(yè)化進程慢，二者產(chǎn)業(yè)以農(nóng)業(yè)、旅游業(yè)為主，均是環(huán)境友好型的生態(tài)產(chǎn)業(yè)，二氧化碳排放量極少，其效率值自然大于1，遠高于其他地區(qū)。雖然碳排放有效，但其經(jīng)濟市場不完善、經(jīng)濟發(fā)展程度低的問題較為嚴重。長沙市作為省會城市，經(jīng)濟量遠超其他地區(qū)，其科技發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型進程以及可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展程度均處于省內(nèi)領(lǐng)先水平。邵陽市經(jīng)濟發(fā)展處于中游水平，且其經(jīng)濟市場成熟度以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級進程較好，黃元東指出邵陽市對第二產(chǎn)業(yè)支持力度低于第三產(chǎn)業(yè)，新興產(chǎn)業(yè)布局初步形成，可持續(xù)發(fā)展能力較強［5］。

湖南省部分地區(qū)效率值小于1，且碳排放有效的2 個地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展程度低，導(dǎo)致湖南省整體的可持續(xù)發(fā)展以及有效碳排放水平不高，而其他城市短時間難以企及長沙市和常德市。基于此，邵陽市可成為除長沙市、常德市以外湖南各地區(qū)調(diào)整投入產(chǎn)出結(jié)構(gòu)的良性示范。

4 湖南省各市（州）碳排放效率影響因素分析

4.1 模型構(gòu)建

為探究湖南省各地區(qū)碳排放效率時間與空間差異的影響作用，本文選取相關(guān)因素進行實證檢驗。影響碳排放效率的因素較多，借鑒已有研究成果［6-7］，本文選取2006—2017 年6 個重要的解釋變量，分別是：X1，第二產(chǎn)業(yè)占GDP 比重；X2，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值（萬元）；X3，人均GDP（億元）；X4，城鎮(zhèn)人口比重；X5，研發(fā)強度；X6，能源消耗總量（10 萬t 標準煤）。

將二氧化碳排放量（能源消耗總量×二氧化碳排放系數(shù)）選定為被解釋變量，單位為10 萬t 二氧化碳。在實證檢驗中，考慮到變量量綱的差異，將上述選取的6 個解釋變量做標準化處理。其次，考察序列的平穩(wěn)性，在進行多元線性回歸之前有必要對所有變量進行單位根檢驗，經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)序列平穩(wěn)。再進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，變量能源消耗總量與其他解釋變量以及被解釋變量的相關(guān)系數(shù)都較大，與碳排放量的相關(guān)性接近于完全相關(guān)，并在多元回歸中表現(xiàn)不佳。因此，本文考慮剔除此變量，僅保留前5 個影響因素并對其進行對數(shù)化（擬消除變量間的多重共線性）后再進行實證，具體實證結(jié)果見表4。

表4 多元線性回歸結(jié)果

多元線性回歸主要是探究多個自變量對因變量的影響，本文利用SPSS 軟件進行多元線性回歸分析，回歸公式設(shè)計如下：

lnY＝β1X1+β2X2+β3X3+β4X4+β5X5+β6X6+μi

4.2 回歸結(jié)果分析

從技術(shù)效應(yīng)角度看，理論上各地區(qū)技術(shù)越先進，碳排放效率越高。而本文在數(shù)據(jù)處理中發(fā)現(xiàn)，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值與研發(fā)強度指標和碳排放量呈正相關(guān)，且在回歸分析中回歸系數(shù)都為正，并通過了顯著性檢驗。此現(xiàn)象也反映出湖南省的高新技術(shù)與研發(fā)投入可能面臨相對不足的問題，節(jié)能減排效應(yīng)反而被抑制。蔣桂莉指出2000—2015 年我國碳排放量總體呈上升、碳排放強度總體呈下降的趨勢，并提出要加大對重點省市的R＆D 投入，提升省際R＆D 技術(shù)溢出能力［8］。另外，高新技術(shù)的最值差距極大，這說明高新技術(shù)的開發(fā)和投入在湖南省不同地區(qū)受到的重視程度不一，數(shù)據(jù)的波動性比較大，也會在不同程度上影響碳排放效率的高低。

人均GDP 和城鎮(zhèn)人口比重對碳排放量均呈現(xiàn)出負面影響，但前者在統(tǒng)計上并不顯著。人均GDP象征著地區(qū)居民富裕程度，在描述性分析中其最值差距較大，標準差也較大，說明湖南省各市（州）的經(jīng)濟發(fā)展不平衡，貧富兩極分化較為嚴重。而城鎮(zhèn)人口數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，離散程度小，回歸后發(fā)現(xiàn)，碳排放總量隨城鎮(zhèn)人口占比和人均GDP 的增加而減少。較發(fā)達市（州）如長沙、株洲對于人口增長的經(jīng)濟投入、低碳公共設(shè)施的投入以及居民的低碳意識的增強，使人均GDP 提升，在經(jīng)濟取得相當程度發(fā)展后，人們將關(guān)注點逐漸轉(zhuǎn)移到環(huán)境保護上，這在一定程度上能夠削弱由于城鎮(zhèn)化水平提高而增加的碳排放［9］。同時，隨著城鎮(zhèn)居民數(shù)量的不斷增加，經(jīng)濟水平的提高帶動城鎮(zhèn)居民年人均收入穩(wěn)步增長，推動了城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，促進具有低碳性質(zhì)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在一定程度上也放緩了碳排放量增速的腳步。

5 結(jié)論

5.1 調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

張家界市利用地理優(yōu)勢發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)，形成較為特殊的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，使其效率期望值能夠達到2.770 8，而湘潭市、株洲市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)仍然偏向勞動密集型，第二產(chǎn)業(yè)占比過高導(dǎo)致碳排放量基數(shù)過大，內(nèi)部產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理。由此可見，區(qū)域內(nèi)部完善的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對碳排放效率具有不可忽視的影響。各地區(qū)應(yīng)從實際出發(fā)，因地制宜制定產(chǎn)業(yè)調(diào)整優(yōu)化政策，完善落后產(chǎn)能退出機制，大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)，降低如湘潭市、衡陽市等以工業(yè)為主的城市的第二產(chǎn)業(yè)比重，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，總體提高湖南省企業(yè)的環(huán)境規(guī)制水平。

5.2 推動技術(shù)改進創(chuàng)新

針對湖南省各市（州）碳排放效率的現(xiàn)狀，推動碳排放技術(shù)革新，提高能源利用率具有充分必要性。對于碳排放效率期望值在1 以下的地區(qū)需增加技術(shù)創(chuàng)新的資本投入，推動生產(chǎn)要素在區(qū)域間流動［10］，重視產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新，利用長株潭的區(qū)位優(yōu)勢和中心優(yōu)勢，在現(xiàn)有技術(shù)研發(fā)平臺基礎(chǔ)上，擴大低碳技術(shù)交流網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建低碳發(fā)展技術(shù)服務(wù)體系，在電力、交通、建筑等能耗高、碳排放總量多的行業(yè)先行試點，同時向國家申請低碳城市發(fā)展示范區(qū)；對于永州市、婁底市等經(jīng)濟增長較慢、碳排放效率略低，但期望值在0.8 左右的地區(qū)，將技術(shù)進步作為提高碳排放的主要推動力，促進碳排放規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化，達到提高規(guī)模效率的目的。

5.3 開發(fā)利用清潔能源

湖南省各市（州）能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了巨大的環(huán)境壓力，如湘潭市煤炭資源的過量開發(fā)利用是其碳排放效率低下的主要原因。因此，減少石化燃料的消耗，發(fā)展清潔能源是必要措施。湖南省鈾礦資源較為豐富，從事核研究具有人力資源和科研院校優(yōu)勢。在充分利用已開發(fā)鈾礦資源基礎(chǔ)上，相關(guān)部門需加大對核能研究利用的關(guān)注，從供給角度出發(fā)解決碳排放效率問題。除此之外，可加大對太陽能、水能等清潔能源的開發(fā)利用和儲備設(shè)施建設(shè)，從而有效降低碳排放量。