基于超效率SBM和ML的航空公司碳排放效率研究*

魏中許 牟 健

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 廣漢 618307）

1 引言

我國(guó)是航空運(yùn)輸大國(guó)，據(jù)民航局統(tǒng)計(jì)，2021年，全行業(yè)完成運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量856.75 億噸公里，比上年增長(zhǎng)7.3%。民航業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)會(huì)消耗更多的資源、產(chǎn)生更多的二氧化碳，增加生態(tài)環(huán)境的負(fù)擔(dān)。在國(guó)家推行“節(jié)能減排”的大背景下，民航局也在《“十四五”民航綠色發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》中再次明確了實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的發(fā)展目標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)民航綠色、低碳、循環(huán)發(fā)展做了詳細(xì)的規(guī)劃。作為行業(yè)能源消耗的主力，航空公司肩負(fù)著實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展的主要責(zé)任，其關(guān)鍵在于提高自身的碳排放效率。

碳排放效率作為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出和環(huán)境影響的橋梁，被學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為較高的碳排放效率是用較低的碳排放量換來較高的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)［1～2］。它可以量化航空運(yùn)輸企業(yè)的碳排放量，讓其了解自身的碳排放水平，找到節(jié)能減排潛在的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)間接減排，解決碳排放和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)之間的矛盾。目前，有關(guān)碳排放效率的研究主要集中在交通運(yùn)輸行業(yè)的方法模型改進(jìn)［3～5］、區(qū)域?qū)Ρ龋?～7］和影響因數(shù)分析［8～9］等方面，對(duì)航空公司碳排放效率方面的研究較少，因此，在已有理論成果的基礎(chǔ)上研究我國(guó)航空公司碳排放效率具有重要的價(jià)值意義。

本文采用超效率SBM 模型和ML 指數(shù)法對(duì)我國(guó)九家航空公司的碳排放效率進(jìn)行測(cè)度分析，以揭示碳排放效率的時(shí)空差異特征，并從不同維度探究了航空公司碳排放效率水平的差異以及效率變動(dòng)的原因，以期為實(shí)現(xiàn)我國(guó)民航低碳目標(biāo)和航空公司綠色高效發(fā)展提出了相應(yīng)的對(duì)策建議。

2 研究方法

2.1 超效率SBM模型

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析是效率評(píng)價(jià)中最為常見的模型，傳統(tǒng)DEA 測(cè)算效率時(shí)會(huì)忽略投入和產(chǎn)出變量之間的松弛性，無法處理包含非期望產(chǎn)出的問題。為解決這一問題，Tone在傳統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上多次進(jìn)行改良和優(yōu)化，逐步提升模型測(cè)算效率時(shí)的適用性和精確性。其中，超效率SBM 模型結(jié)合了超效率DEA和SBM 模型的各自優(yōu)點(diǎn)，且考慮了變量的松弛性問題和二氧化碳這一非期望產(chǎn)出，能實(shí)現(xiàn)對(duì)效率值達(dá)到1 的決策單元之間進(jìn)行進(jìn)一步的比較和排序，能更加客觀公正地度量碳排放效率［10］。故本文采用超效率SBM 模型測(cè)算碳排放效率，模型構(gòu)建如下：

設(shè)x∈Rm，yd∈Rr1，yu∈Rr2；X=[x1x2x3…xn]∈Rm×n，Yd=[y1dyd2yd3…ydn]∈Rr1×n，Yu=[y1uyu2yu3…yun]∈Rr2×n。

式中，n 表示決策單元DUM 的數(shù)量，m 表示投入指標(biāo)數(shù)量，r1表示期望產(chǎn)出指標(biāo)數(shù)量，r2表示非期望產(chǎn)出指標(biāo)數(shù)量。

2.2 Malmquist-Luenberger指數(shù)

上述超效率SBM 方法只可以評(píng)價(jià)碳排放的靜態(tài)相對(duì)效率，不能反映碳排放的動(dòng)態(tài)變化效率。Malmquist生產(chǎn)率指數(shù)是衡量效率動(dòng)態(tài)變化的常用方法，但只能對(duì)單一導(dǎo)向的效率進(jìn)行測(cè)算且不包含非期望產(chǎn)出，而Chung 提出的Malmquist-Luenberger指數(shù)就很好地避免了這樣的問題［11］。因此，本文選用ML 指數(shù)法分析航空公司碳排放的動(dòng)態(tài)效率，方向向量定義為gyt-gbt，則t 期到t+1 期基于非期望產(chǎn)出的ML為［12］

ML 值可以進(jìn)一步分為技術(shù)效率變化指數(shù)（ECtt+1）和技術(shù)變化（TCtt+1），技術(shù)效率變化指數(shù)又可進(jìn)一步分為純技術(shù)效率變化指數(shù)（PECtt+1）和規(guī)模效率變化指數(shù)（SECtt+1）表示為

允許規(guī)模報(bào)酬（VRS）可變的條件下，當(dāng)MLtt+1、ECtt+1、TCtt+1、PECtt+1和SECtt+1的值大于1 時(shí)，表示碳排放效率提高、技術(shù)效率和技術(shù)進(jìn)步得到改善、純技術(shù)效率和規(guī)模效率得到提升；當(dāng)其小于1 時(shí)，則表示碳排放效率下降、技術(shù)倒退、效率降低、純技術(shù)效率和規(guī)模效率惡化。

3 指標(biāo)選取和數(shù)據(jù)來源

3.1 指標(biāo)選取

根據(jù)模型中DMU 的指標(biāo)選用要求，以及參考航空運(yùn)輸碳排放效率現(xiàn)有的研究，張秀秀［4］、史潔［13］、甘甜［14］等選用資本、勞動(dòng)力為投入指標(biāo)，以營(yíng)業(yè)收入、運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量為產(chǎn)出指標(biāo)。借鑒已有指標(biāo)的選取方法和鑒于數(shù)據(jù)的可獲得性，個(gè)別缺失數(shù)據(jù)采用均值插補(bǔ)法依據(jù)臨近年份平均值推算得到，本文構(gòu)建的指標(biāo)體系和指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 投入與產(chǎn)出變量描述性統(tǒng)計(jì)

由于二氧化碳排放量沒有直接數(shù)據(jù)來源，故這里選用已有的測(cè)算方法［15］，計(jì)算公式如下：

CO2=AD×EF;

AD=FC×NCV×10-6;

EF=CC×OF×44/12

式中，CO2為二氧化碳的排放量（t）；AD為活動(dòng)水平，即航空煤油的燃燒量（TJ）；EF為排放因子，即每單位活動(dòng)水平的二氧化碳排放量的系數(shù)（tCO2/TJ）；FC表示航空煤油的消耗量（t）；NCV為航空煤油的低位發(fā)熱值（KJ/kg）；CC代表航空煤油的單位熱值含碳量（tC/TJ）；OF表示航空煤油的碳氧化率（%）。44 12 為二氧化碳與碳的分子量之比。

3.2 數(shù)據(jù)來源

本文選取了我國(guó)九家具有典型代表性的航空為DMU（見表2），面板數(shù)據(jù)采用的是這九家航空公司2011-2019 的年度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)均來自《從統(tǒng)計(jì)看民航2011-2020》《中國(guó)民航統(tǒng)計(jì)年鑒2011-2020》《民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》。

表2 樣本航空運(yùn)輸企業(yè)信息表

4 結(jié)果分析

4.1 超效率SBM結(jié)果分析

超效率SBM 模型構(gòu)建后，為了更好了解我國(guó)不同航空公司碳排放效率的水平，利用軟件Maxdea ultra 7 測(cè)算了2011-2019年九家航空公司的碳排放效率值并進(jìn)行了均值排名，見表3。

表3 2011-2019年各航空公司的超效率值及其排名

1）航空公司碳排放效率總體特征

從整體來看，我國(guó)航空公司碳排放效率平均水平處在0.731～1.103 之間，不同航空公司的碳排放效率差異較大，整體呈現(xiàn)出一種波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)。2011-2019年，航空公司的碳排放效率均值為0.959，說明航空公司的整體碳排放效率處在中等偏上水平，但未達(dá)到有效最優(yōu)狀態(tài)，要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展仍需不斷提升碳排放效率。

春秋、華夏、海航三家航空公司的效率均值大于1，分別為1.103、1.055 和1.037，表明它們的碳排放效率整體處于較高水平，每個(gè)年份的效率值都大于1，說明它們的投入和產(chǎn)出結(jié)構(gòu)較為合理，能促進(jìn)投入資源的合理利用。剩余航空公司效率均值都低于1，表現(xiàn)為顯著的“無效率”，說明航空公司碳排放效率雖普遍未達(dá)到有效理想狀態(tài)，但總體表現(xiàn)良好，仍有較大的提升空間。

2）不同性質(zhì)的航空公司碳排放效率特征

我國(guó)航空公司按照所屬性質(zhì)不同大致分為國(guó)有企業(yè)和民營(yíng)企業(yè)，碳排放效率分別為0.906 和1.026，只有民營(yíng)企業(yè)的碳排放效率超越了整體平均水平，明顯處于領(lǐng)先地位。

從圖1可以明顯看出，兩種類型的航空公司碳排放效率都呈一種波動(dòng)式的增長(zhǎng)，波動(dòng)幅度不大，且從2015年開始趨于平緩，碳排放效率差值由2012年的0.199 縮小到2019年的0.08，這說明航空公司的碳排放效率均有所提升，但效果不顯著。考察期內(nèi)各年份的效率均值和有效DMU 個(gè)數(shù)呈現(xiàn)出民營(yíng)企業(yè)最高，國(guó)有企業(yè)低于整體平均水平的格局，主要原因是國(guó)有航空企業(yè)受政府的管控更強(qiáng)，為實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，國(guó)家制定的生產(chǎn)方案難免會(huì)束縛企業(yè)發(fā)展造成生產(chǎn)資源的浪費(fèi)。

圖1 不同性質(zhì)的航空公司碳排放效率均值變化情況

3）不同規(guī)模的航空公司碳排放效率特征

從不同規(guī)模來看，碳排放效率最高的企業(yè)是以市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)為導(dǎo)向的小型航空公司公司，效率均值為1.023；其次是中型地方和大型主流航空企業(yè)，效率均值分別為0.983 和0.872。三種規(guī)模的航空公司碳排放效率呈現(xiàn)出小型＞中型＞大型的顯著差異。只有小型航司的碳排放效率達(dá)到了有效狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了綠色發(fā)展；中型航司接近有效，效率提升具有很大潛力；而大型航司緊跟其后，為實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展做了很多努力，從圖2可以看出，從2015年開始，其碳排放效率顯著增長(zhǎng)，和中小型企業(yè)平緩靠近，但效率提升的空間仍然很大。

圖2 不同規(guī)模的航空公司碳排放效率均值變化情況

4.2 Malmquist-Luenberger指數(shù)結(jié)果分析

上文利用超效率SBM 模型測(cè)算的效率值為靜態(tài)效率，為了進(jìn)一步分析航空公司碳排放效率的動(dòng)態(tài)變化及分解指標(biāo)的特征，本文利用Maxdeaultra 7進(jìn)行ML指數(shù)測(cè)算和分解。結(jié)果見表4和表5。

表4 2011-2019年我國(guó)航空公司碳排放效率全要素生產(chǎn)率變化指數(shù)及其分解值

表5 航空公司全要素生產(chǎn)率變化指數(shù)及其分解值

1）航空公司碳排放動(dòng)態(tài)效率整體情況分析

總體來看，考察期內(nèi)航空公司碳排放效率ML指數(shù)的幾何均值為0.981，表明其碳排放效率年均下降1.9%。2011-2015年ML指數(shù)增長(zhǎng)速度相對(duì)較慢，2014-2015年下降最嚴(yán)重，達(dá)到16.2%。2015年后ML 指數(shù)增長(zhǎng)速度加快，2017-2018年的增長(zhǎng)速度最高，達(dá)到了8.7%，說明航空公司的碳排放效率雖然整體為倒退趨勢(shì)，但發(fā)展勢(shì)頭較好。

從指數(shù)的分解值來看，EC 指數(shù)的平均值為1.002，說明其技術(shù)效率年均增長(zhǎng)0.2%，TC 指數(shù)為0.979，年均下降2.1%，表明航空公司碳排放效率的倒退主要受技術(shù)進(jìn)步水平的阻礙，應(yīng)進(jìn)一步推進(jìn)飛機(jī)節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用。EC 指數(shù)分解后，PEC 指數(shù)為1.021，年均增長(zhǎng)2.1%，SEC 指數(shù)為0.982，年均下降1.8%，說明航空公司技術(shù)效率的增長(zhǎng)主要來源于其純技術(shù)效率的提高，如淘汰舊飛機(jī)更換低能耗的新機(jī)型、優(yōu)化航班線路、增加航班運(yùn)輸量等科學(xué)的管理決策，如果要進(jìn)一步提升其技術(shù)效率，還應(yīng)注重對(duì)規(guī)模效率的提升。

2）不同性質(zhì)的航空公司碳排放動(dòng)態(tài)效率分析

從國(guó)有和民營(yíng)兩類航空公司來看，其碳排放動(dòng)態(tài)效率差異不大，均呈下降趨勢(shì)。從指標(biāo)分解來看，只有國(guó)有航企的技術(shù)效率實(shí)現(xiàn)了正向增長(zhǎng)，純技術(shù)效率和規(guī)模效率都起到促進(jìn)作用，規(guī)模效率是導(dǎo)致技術(shù)效率增長(zhǎng)的主要原因，而技術(shù)進(jìn)步表現(xiàn)為負(fù)向增長(zhǎng)。民營(yíng)企業(yè)兩方面都表現(xiàn)為不足，技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)效率都需要提升，技術(shù)效率的進(jìn)步主要?dú)w功于純技術(shù)效率。

由此可見，技術(shù)進(jìn)步是阻礙航空公司碳排放效率提升的關(guān)鍵因數(shù)，需要進(jìn)一步提升技術(shù)進(jìn)步水平。近年來，我國(guó)持續(xù)從波音、空客公司引進(jìn)新機(jī)型，起到了一定成效，但節(jié)能減排是一項(xiàng)長(zhǎng)期的任務(wù)，民航相關(guān)部門仍應(yīng)持續(xù)致力于新技術(shù)的革新、引進(jìn)新型低能耗的飛機(jī)、改進(jìn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、推進(jìn)航空新型燃料的使用。

3）不同規(guī)模的航空公司碳排放動(dòng)態(tài)效率分析

從不同規(guī)模的航空公司來看，碳排放效率均呈下降趨勢(shì)。小型航司下降最為嚴(yán)重，達(dá)到了2.5%，中型航司相對(duì)穩(wěn)定，只下降了0.8%。從指數(shù)分解來看，大中型航司的技術(shù)效率均實(shí)現(xiàn)了正向增長(zhǎng)，技術(shù)進(jìn)步表現(xiàn)為負(fù)向增長(zhǎng)，大型航司的技術(shù)效率增長(zhǎng)得益于規(guī)模效率，中型航司則是因?yàn)榧兗夹g(shù)效率。小型航司技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)效率都表現(xiàn)為下滑，對(duì)碳排放效率產(chǎn)生抑制作用。

因此，技術(shù)進(jìn)步是阻礙大中型航空公司碳排放效率的主要原因，技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)效率不足是小型公司碳排放效率下降的問題所在。大中型航司的規(guī)模效率已經(jīng)達(dá)到有效，所以增加運(yùn)營(yíng)規(guī)模作用不大，應(yīng)提升其純技術(shù)效率，如科學(xué)規(guī)范的運(yùn)營(yíng)管理方式。小型航司可以在現(xiàn)有的規(guī)模基礎(chǔ)上加大機(jī)隊(duì)規(guī)模、人員和燃油的投入，以提升其規(guī)模效率。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于我國(guó)航空公司2011-2019年碳排放面板數(shù)據(jù)，實(shí)證測(cè)算了航空公司碳排放的靜態(tài)效率和動(dòng)態(tài)效率，并分類探究了其碳排放效率的變化情況和變動(dòng)原因。結(jié)果表明：

1）考察期內(nèi)，我國(guó)航空公司碳排放效率水平總體處于中等偏上，整體呈波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)，技術(shù)效率的促進(jìn)最大。

2）民營(yíng)航空公司的碳排放效率明顯高于國(guó)有航空公司，但近幾年這種差距有所減小；碳排放指數(shù)兩者相差不大，均呈下降趨勢(shì)，從分解來看，技術(shù)進(jìn)步不足是碳排放效率低下的主要影響因素。

3）三種規(guī)模的航空公司碳排放效率表現(xiàn)為小型＞中型＞大型企業(yè)的顯著特點(diǎn)，而碳排放效率指數(shù)中型航司最高，為0.992，其次是大型和小型航司，均表現(xiàn)為負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，未能向生產(chǎn)前沿面增長(zhǎng)。

根據(jù)以上的研究結(jié)論，為提升我國(guó)航空公司的碳排放效率水平并縮小它們之間的差異，這里提出以下幾點(diǎn)建議：

1）推進(jìn)低碳技術(shù)在航空運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用改革。技術(shù)的改進(jìn)和優(yōu)化能有效提升航空公司的碳排放效率，在飛機(jī)上安裝翼尖小翼，改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能，推廣新型生物燃油的使用等措施都能起到很好的節(jié)能減排效果。其次，民航相關(guān)部門要積極參與國(guó)家有關(guān)節(jié)能減排的科研創(chuàng)新工作，持續(xù)深化航空運(yùn)輸企業(yè)低碳技術(shù)的研究。

2）合理規(guī)劃航空運(yùn)輸企業(yè)的規(guī)模。企業(yè)的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、運(yùn)營(yíng)管理方式都會(huì)對(duì)效率產(chǎn)生一定的影響，規(guī)模過大或過小都會(huì)造成效率低下，國(guó)有航空公司的規(guī)模一般都比較大，在既滿足社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)體制要求的同時(shí)又遵循市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的規(guī)律，難免會(huì)造成經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境之間的矛盾。小型民營(yíng)航司反而表現(xiàn)出生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的合理性，合理規(guī)劃企業(yè)的規(guī)模，調(diào)整組織結(jié)構(gòu)，采用大規(guī)模集團(tuán)化差異運(yùn)營(yíng)管理，能在一定程度上減少資源的浪費(fèi)，使其符合綠色、可持續(xù)發(fā)展的要求。

3）構(gòu)建民航運(yùn)輸企業(yè)綠色發(fā)展的治理體系。充分發(fā)揮民航部門行業(yè)管理的優(yōu)勢(shì)，統(tǒng)籌實(shí)施航空運(yùn)輸企業(yè)的能耗和碳排放管理。空管部門可通過優(yōu)化航線、協(xié)調(diào)好軍民航空空域、加強(qiáng)氣象監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性以減少飛機(jī)在空中或地面滑行的燃油浪費(fèi)。民航各部門應(yīng)密切配合，有效監(jiān)控好飛機(jī)運(yùn)行全過程的能耗節(jié)點(diǎn)，避免資源浪費(fèi)，共同推進(jìn)民航綠色治理體系的建設(shè)。