程中华，李廉水，刘　军

(1.南京信息工程大学 中国制造业发展研究院，江苏 南京 210044；2.东南大学 经济管理学院，江苏 南京 211189)

环境约束下技术进步对能源效率的影响

程中华1,2，李廉水1,2，刘军1

(1.南京信息工程大学 中国制造业发展研究院，江苏 南京 210044；2.东南大学 经济管理学院，江苏 南京 211189)

摘要：能源回弹效应的存在使技术进步对能源效率的影响变得复杂。采用Malmquist-Luenberger生产率指数对存在环境约束下的技术进步及其分解进行测算，并利用中国1998—2013年30个省(区)的统计数据，采用动态空间面板模型实证分析环境约束下技术进步对能源效率的影响，研究表明：技术进步整体上保持了良好发展态势，且有利于能源效率的提升；科技进步是推动技术进步的主要因素，但由于能源回弹效应的存在，使科技进步对能源效率的提升作用不显著；技术效率改善推动技术进步的贡献相对较少，但能显著推动能源效率的提升。

关键词：技术进步；科技进步；技术效率；能源效率；动态空间面板模型

一、引言

长期以来，中国以煤炭为主的能源消费结构已经造成了能源的巨大损耗和环境的严重污染，能源紧缺和环境污染问题已经变得极其紧迫和严峻，而面对日益紧张的减排压力和能源短缺，既要维持经济的可持续增长，又要实现节能减排的目标，提高能源效率就成了解决问题的关键所在。然而，相比主要发达国家，中国的能源效率还较为低下，因此如何提高能源效率对中国节能减排以及可持续发展就显得尤为重要。影响能源效率的原因是多方面的，自然因素、结构因素、政策因素等都对能源效率产生影响，而从技术经济学的视角来看，技术进步是影响能源效率的重要因素，但由于能源回弹效应的存在，使技术进步对能源效率的影响变得复杂。本文结合动态空间面板模型分析环境约束下技术进步对能源效率的影响，以期为中国节能减排和能源政策提供更加可靠的参考依据。

二、文献综述

关于能源效率影响因素的研究较多，学者们主要从两大方面展开讨论：一是产业结构调整。由于不同行业的生产率水平存在较大差异，因此当能源要素从低生产率行业向高生产率行业转移时，就会提升经济体总的能源效率，这就意味着行业或产业结构的变化，尤其是工业与服务业以及工业内部轻重结构的变化，这些都是影响能源效率的主要原因。然而，学者们得出的有关结论却存在较大差异：一些学者研究发现产业结构调整有利于能源效率提升[1]，也有部分学者研究发现产业结构调整不一定带来能源效率提升甚至具有反作用[2]，而造成研究结论不同的部分原因则在于分析时期、变量和数据选取以及实证方法的不同。二是技术进步。技术经济学理论认为，技术进步既可以增加经济产出，又可以减少能源消耗，是能源效率提升的本质来源[3]，但对于技术进步的衡量一直是学术界的一大难题，学者们主要采用两类方法衡量技术进步：一是基于不同的研发投入和产出视角，选取专利数量、科技人员数量、研发经费支出等作为技术进步的代理变量[4]；二是采用数据包络分析方法(DEA)或随机前沿分析方法(SFA)，测度全要素生产率作为广义技术进步的代理变量[5-6]。比较上述两类方法，采用研发投入或产出衡量技术进步过于狭义，因为研发投入和产出仅是技术进步的影响因素和物化型表现，并非真正意义上的技术进步，而采用全要素生产率作为技术进步的代理指标，则更能全面地概括技术进步的含义。鉴于此，本文采用全要素生产率衡量技术进步(文中所指的技术进步均为广义上的技术进步)。许多学者利用DEA或SFA测算技术进步，并将其分解为科技进步和技术效率，进而分析其对能源效率的影响，但研究结论却存在较大差异：一些学者研究发现技术效率改善是能源效率提升的主要动力，而科技进步对能源效率提升的贡献度相对较低[7]；还有一些学者研究发现科技进步是能源效率提升的主要因素，而技术效率改善对能源效率提升的贡献相对较少[5]。

通过对上述文献的梳理可以发现，关于技术进步对能源效率的影响研究已经取得了丰富的成果，但还是存在以下研究不足：第一，上述文献在利用DEA或SFA测算全要素生产率时，仅考虑GDP是由能源与资本、劳动力共同组合的结果，而没有把环境要素的约束融入全要素生产率的测度，这无法全面地反映能源消耗所产生的“好产出”和“坏产出”的两面性，有可能会对经济绩效和社会福利产生偏误评价[8]；第二，从实证方法上来看，上述研究大都是采用普通面板或动态面板进行回归分析，而忽视了能源效率的空间效应。事实上，能源效率在地区之间存在的极化(回波)效应和扩散(涓滴)效应，可以扩大或缩小能源效率的地区差异[9]。由此可见，上述研究因缺乏空间视角，难以真正反映能源效率影响因素的空间演化机制。 在既有研究的基础上，本文尝试从以下两个方面做出努力：其一，本文引入Malmquist-Luenberger(ML)生产率指数，对存在环境约束下的全要素生产率及其分解进行测算；其二，本文采用动态空间面板模型，分析环境约束下技术进步、科技进步和技术效率对能源效率的影响。

三、模型建立、变量说明与数据来源

(一)理论框架分析

借鉴Fisher-Vanden等人的研究思路[10]，假定各省生产过程需要物质资本(K)、劳动力(L)、能源(E)和原材料(M)，并假定各省生产过程均采用Cobb-Douglas成本函数：

C(PK,PL,PE,PM,Q)

(1)

其中A为技术水平，Q为产出水平，PK,PL,PE,PM分别为物质资本、劳动力、能源和原材料的名义价格，αJ代表各投入要素的产出弹性。对于各省(区)而言，技术水平越高，则可使平均生产成本整体下降，因此本文设定的成本函数与技术水平负相关。根据Shephard引理，通过成本最小化分析，能源需求可以用成本函数对能源价格求偏导数得出：

(2)

其中E为生产中能源投入量。进一步假定产出的价格取决于4种投入要素的价格，即：

(3)

E=αE·A-1·PQ·Q/PE

(4)

由式(4)可以发现，以能源强度倒数表征的能源效率(Q/E)取决于技术水平和实际能源价格，并且能源效率与技术水平和实际能源价格均呈正比关系。根据上述分析，本文采用全要素生产率(即技术进步)衡量技术水平。在式(4)的基础上，将能源效率影响因素的计量模型设定如下：

lnEEit

=β0+β1lnMLit+β2lnEPit+δlnXit+εit

(5)

其中EE为能源效率，ML为技术进步，EP表示能源价格，ε表示随机扰动项，X表示影响能源效率的其它重要因素，根据相关文献的研究，本文主要考虑了以下变量：人力资本(EDU)、产业结构调整(IS)、产业结构升级(IU)、能源消费结构(ES)和外商直接投资(FDI)。

(二)动态空间面板模型的建立

本文的研究重点为分析环境约束下技术进步对能源效率的影响，考虑到经济系统的连续性特征以及能源效率的空间效应，在上述理论框架分析的基础上，纳入能源效率的一阶滞后项和空间滞后项，构建如下动态空间面板模型：

β1lnMLit+β2lnEPit+δlnXit+ηi+vt+εit

(6)其中τ为能源效率一阶滞后项的回归系数，反映了前期相关因素对本期的影响；ρ和λ分别表示空间滞后回归系数和空间误差回归系数，反映了能源效率的空间效应；Wij为空间权重矩阵，反映了各地区之间的空间联系，并以各省(区)省会之间直线距离的倒数作为权重；ηi为地区效应，νt为时间效应，εit为随机扰动项，分别表示影响能源效率的不同维度随机干扰。

(三)变量说明

1.被解释变量。能源效率(EE)：采用各省(区)GDP与能源消费总量的比值来计算能源效率，其中各省(区)GDP以1998年为基期进行了平减。

2.核心解释变量。全要素生产率及其分解：为了将环境要素纳入分析框架，参考Fare等人构造的方向性距离函数[11]，建立了包含期望产出和非期望产出的生产可能性集合，并采用Malmquist-luenberger生产率指数对全要素生产率(ML)进行了测算,并在此基础上将其继续分解为科技进步(MLTC)和技术效率(MLEC)，其中科技进步反映了决策单元两期前沿面的移动幅度，主要是指科技创新、发明、专利等“硬”技术进步；技术效率反映了决策单元最佳生产前沿的移动幅度，主要是指管理创新、协同创新、制度创新等“软”技术进步。采用MAXDEA软件对全要素生产率及其分解进行了测算，相关指标及数据处理说明如下：资本投入：参考张军等人采用永续盘存法对各省资本存量进行了核算[12]；劳动投入：采用各省(区)年末就业人数作为劳动投入；能源投入：采用各省(区)能源消费总量作为能源投入；期望产出：采用各省(区)GDP作为期望产出指标，同时以1998年为基期进行了平减；非期望产出：参考许和连等人采用熵权法计算综合环境污染指数[13]。

3.控制变量。能源价格(EP)：一般来说，提高能源价格会促使经济体改善经营和管理，使用新的节能装备或技术，从而有利于能源效率提升。采用各省(区)燃料动力购进价格指数衡量能源价格；人力资本水平(EDU)：人力资本的增强有利于新知识、新技术的获取和传播，是推动技术进步的关键因素，从而有利于能源效率提升。参考刘军等人采用各省(区)劳动者平均受教育年限衡量人力资本水平[14]；产业结构调整(IS)：由于工业和服务业的能源效率存在显著差异，因此当能源要素从工业向服务业转移时，就会促进经济体总的能源效率的提升，采用第三产业产值占各地区生产总值的比重衡量产业结构调整强度；产业结构升级(IU)：由于高技术行业与低技术行业的能源效率存在较大差异，因此当能源要素从低技术行业向高技术行业转移时，就可以提升经济体总的能源效率，采用高技术产业产值占各地区工业总产值的比重衡量产业结构升级强度；外商直接投资(fdi)：外商直接投资可以通过竞争效应、溢出效应和关联效应促进地区能源效率的提升，采用各省(区)年度实际外商投资额占GDP的比重衡量外商直接投资(笔者预期上述控制变量对能源效率都有显著的正向影响)；能源消费结构(ES)：由于煤炭与石油、天然气、电力之间的热效率差距较大，因此能源消费结构对于能源效率具有重要影响。本文采用煤炭消费量占能源消费总量的比重衡量能源消费结构，预期其对能源效率具有显著负向影响。

(四)数据来源

根据数据的可得性和有效性原则，本文选取了中国大陆30个省(区)1998—2013年的统计数据进行分析，西藏由于数据不全未列入分析范围，其中数据主要来源于《中国统计年鉴》(1999—2014)、《中国能源统计年鉴》(1999—2014)、《中国环境统计年鉴》(1999—2014)和《中国人口统计年鉴》(1999—2014)。

四、空间相关性检验与回归结果分析

(一)技术进步及其分解数据分析

从表1可得出以下几点发现：第一，技术进步除了2002—2003年和2004—2005年这两年有所降低以外，其余时间段均保持了一定程度的提高，这意味着中国技术进步整体上保持了良好发展态势；科技进步在整个时间段均保持了不同程度的提高，这表明表征“硬”技术进步的新技术、新发明和专利越来越多，在理想状态下中国能够达到的技术水平越来越高；技术效率在2005年之前处于恶化阶段，但之后一直处于改善阶段，这表明随着时间的推移，表征“软”技术进步的技术应用能力、管理能力和实践能力越来越强，现存技术水平与理想技术水平之间的差距逐渐由大变小，这意味着技术进步由前期的科技进步单独驱动逐渐改变为由科技进步和技术效率改善共同驱动。第二，在考察期内，科技进步是推动技术进步的主要因素，而技术效率改善对技术进步的贡献程度相对较低，但是随着时间的推移，科技进步对技术进步的推动作用逐渐减弱，而技术效率改善推动技术进步的作用越来越强，出现这种现象的原因可能是：2005年之前，中国的市场化程度和管理水平相对较低，制度安排也相对不完善，存在较为严重的重复建设、能源浪费和产能过剩，从而导致技术效率恶化，这段时间技术进步主要靠科技进步单独驱动；2005年之后，随着经济体制改革的逐步深化，市场机制逐步完善，管理水平不断提升，制度安排更加合理和完善，技术应用能力不断增强，技术效率由恶化变为改善，这段时间技术进步由科技进步和技术效率改善共同驱动，并且随着时间的推移，中国的二次创新能力和技术应用能力越来越强，技术效率改善推动技术进步的作用也越来越明显。

表1　1998—2013年中国技术进步及其分解数据表

(二)空间相关性检验

为了验证地区能源效率之间是否存在空间关联和集聚效应，本文采用空间相关性检验进行统计性分析。对于能源效率的全局空间自相关性，采用Moran'sI指数进行检验，计算公式为：

Moran'sI

(7)

(8)

根据1998—2013年中国各地区能源效率，结合上述计算公式，可得到历年的Moran'sI指数及其统计检验。从表2可以发现，中国地区能源效率的Moran'sI指数在1998—2013年间均为正且都通过了1%的显著性检验，这表明中国地区能源效率之间具有显著的全局空间正自相关性，即能源效率较高(低)的地区存在明显的空间集聚效应。随着时间的推移，Moran'sI指数呈现波动性的递增趋势，这表明地区能源效率的空间集聚效应越来越强。

表2　中国地区能源效率的Moran's I指数及其统计检验

注：*、**、***分别表示通过10%、5%、1%水平下的显著性检验。

为了进一步分析能源效率的局部空间关联模式，本文采用局部空间关联指标LISA进行统计性分析(见图1～4)。从LISA集聚图可以发现：从1998—2013年，地区能源效率的高值集聚区逐渐增多，但主要集中在江苏、上海、浙江、福建等东部沿海地区，这主要是因为这些地区工业化水平高、科技创新能力强、装备技术水平高和高端化的产业结构使得这些地区能源效率高，而对于这些地区来说，应加速产业结构转型和升级，不断提高科技创新能力，大力发展新型能源和可再生能源，利用产业结构升级和技术进步不断提高能源效率；低值集聚区从1998—2013年变化不大，主要集中在宁夏、甘肃、青海等西部地区，这主要是因为这些地区工业化水平低、装备技术水平和产业配套条件较差、经济增长极较少，从而使这些地区能源效率低，而对于这些地区来说，应促使能源要素从低生产率行业或部门向高生产率行业或部门转移，努力提高装备技术水平，结合“一路一带”战略培育新的经济增长极。

图1　1998年能源效率LISA集聚图

图2　2003年能源效率LISA集聚图

图3　2008年能源效率LISA集聚图

图4　2013年能源效率LISA集聚图

(三)回归结果分析

由于能源效率在空间上表现出的自相关性和变异性，传统的计量方法由于没有考虑空间效应，必然会带来估计和分析的偏误。因此，本文采用动态空间面板模型进行实证分析，同时采用普通动态面板模型和静态空间面板模型进行对比分析和稳健性检验。对于空间面板模型采取SAR模型还是SEM模型，本文采用LM检验及其稳健性检验来选择。通过比较LM检验值和稳健LM检验值，静态空间面板模型和动态空间面板模型均采用SAR模型进行估计。对于动态面板模型估计方法的选择，普通动态面板模型和动态空间面板模型均采用系统GMM方法进行估计。

表3中，通过比较三个模型的回归结果可以发现，各解释变量的系数符号基本一致，只是数值大小和显著性水平存在一定差异，这说明模型的回归结果较为稳健；通过比较普通动态面板模型和动态空间面板模型的回归结果可以发现，两个模型存在一定差异，这主要是因为地区之间在经济发展上存在空间联动和协同发展，周围地区的经济发展必然会通过溢出效应和联动效应作用于本地区的经济发展，而普通动态面板模型忽视了这种空间效应，必然会带来估计的偏误，当纳入能源效率空间滞后项之后，其系数为正且通过了1%的显著性检验，充分验证了能源效率的空间特征；通过比较静态空间面板模型和动态空间面板模型的回归结果可以发现，两个模型也存在一定差异，这主要是因为能源投入和产出作为连续动态的经济系统，前一期的铺垫和积累必然会通过经济发展、人力资本、技术水平等因素表现出来，并且会作用于本期或滞后若干期的生产活动，而静态空间面板模型由于忽视了这种动态效应，必然会带来估计的偏误，当纳入能源效率一阶滞后项之后，其系数为正且都通过了1%的显著性检验，充分验证了能源效率的动态特征。因此，本文选择动态空间面板模型作为最终的解释模型。

从动态空间面板模型的回归结果可以发现，技术进步和技术效率对能源效率的影响系数显著为正，而科技进步对能源效率的影响作用不显著，这表明整体上而言，技术进步有利于中国能源效率的提升，但在技术进步提升能源效率的过程当中，技术效率改善发挥了主要作用，而技术进步对能源效率提升的作用不显著，本文给出的可能解释是：技术创新包括三种形式，即原始创新、集成创新和消化吸收再创新，其中科技进步主要源于原始创新，而技术效率改善则主要源于集成创新和消化吸收再创新等二次创新。通常情况下，技术效率改善通过二次创新直接或间接作用于经济系统，可以缩小经济系统与技术前沿面的距离，不断提高经济系统的技术应用能力和管理水平，并能够有效提升对现有能源的利用能力，而科技进步对能源效率提升作用的不显著可能与能源回弹效应密切相关。由于科技进步可以引起技术前沿面的移动，能够带来新技术和新产品的快速发展，从而引致大规模的消费需求，进而带来能源消耗量和污染物排放量的急剧增加，使技术层面能效改进所产生的节能效应和污染物减排效应被资本深化和产出增长所带来的新一轮能源消费和污染物排放所蚕食，从而导致科技进步对能源效率的影响作用不显著甚至为负向影响。

表3　技术进步及其分解对能源效率影响的估计结果表

注：*，**、***分别表示在10%、5%、1%的显著性水平下显著；括号内为渐进的t统计量。

从控制变量来看，能源价格对能源效率影响作用不显著，可能的原因有以下三个方面：第一，中国的能源价格多是政府指导价格，缺乏弹性，无法体现出能源的相对稀缺性，并不利于能源的合理配置；第二，由于保增长和稳物价两大经济政策的考虑，政府过多地对能源价格实行管制，使得能源价格偏低，这必然会带来能源的过度使用，阻碍了能源效率的提升；第三，能源价格作用不显著可能与指标选取不合适有一定关联，而本文采用的各省(区)燃料动力购进价格指数衡量能源价格，可能无法全面反映实际能源价格。外商直接投资对能源效率的影响作用也不显著，这可能是因为外商在中国地区的投资结构仍以低技术、高能耗、高污染产业为主，不仅没有带来显著的知识和技术外溢，还带来了能源的较大损耗，从而对能源效率提升作用不明显。人力资本、产业结构调整和升级对能源效率提升具有显著正向影响，而能源消费结构对能源效率提升为显著负向影响，这些都与笔者的理论预期相一致。

五、结论与启示

本文采用动态空间面板模型实证分析了环境约束下技术进步对能源效率的影响，研究结论表明：技术进步整体上表现出良好的发展态势，且有利于能源效率的提升；科技进步是推动技术进步的主要因素，但对能源效率提升作用不显著，这主要是因为科技进步能显著带来能源回弹效应；技术效率改善推动技术进步的贡献相对较少，但有利于能源效率的提升。依据以上结论，本文的启示如下：

其一，依靠科技进步提升能源效率。通过技术研发大力发展可再生和新型能源，加强天然气、煤层气、页岩气的勘探开采与应用，不断提高可再生能源和新型能源在制造业耗能中的比重；利用科技进步对生产设备进行改造、升级和更新，逐步降低制造业企业对煤炭资源的过度依赖，转而利用其他高效率、低排放能源；其二，依靠技术效率改善提升能源效率。利用互联网+提高企业的信息化程度，逐步建立和完善成本控制、财务管理、生产流程控制、产品质量管理等现代管理体系，鼓励企业进行集成创新、引进消化吸收再创新等二次创新活动，不断提高对现有能源有效利用的能力；其三，利用政府税收政策限制能源回弹效应。依靠增加能源税、资源税和环境税等税收手段对能源价格和能源消费进行调节，将能源使用的环境外部成本内部化，在科技进步的基础上控制能源价格，从而较好地控制能源回弹效应。

参考文献：

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(责任编辑：郭诗梦)

The Effect of Technological Progress on Energy Efficiency under Environmental Constrains

CHENG Zhong-hua1,2, LI Lian-shui1,2, LIU Jun1

(1.China Institute of Manufacturing Development, Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044, China； 2.School of Economics and Management, Southeast University, Nanjing 211189, China)

Abstract:The effect of technological progress on energy efficiency was complex because of energy rebound effect. The paper measured technological progress and its decomposition under environmental constraints using Malmquist-Luenberger productivity index. Then using statistical data from 30 provinces in 1998-2013 years, the paper empirically analyzed the effect of technological progress under environmental constraints on energy efficiency using dynamic spatial panel model. The results showed that on the whole technological progress maintained a good momentum and was conducive to the improvement of energy efficiency. The science and technological progress was the main contribution to promoting technological progress, but its effect on the improvement of energy efficiency was not significant because of energy rebound effect. The contribution of technological efficiency on technological progress was relatively small, but it can help promote energy efficiency significantly.

Key words:technological progress; scientific and technological progress; technological efficiency; energy efficiency; dynamic spatial panel model

收稿日期：2015-12-15；修复日期：2016-03-02

基金项目：国家自然科学基金项目《环境规制下我国制造业转型升级研究》(71173116)；教育部哲学社会科学发展报告项目《中国制造业发展研究报告》(13JBG004)；江苏省普通高校研究生科研创新计划项目《产业集聚与制造业新型化发展》(KYZZ15_0068)

作者简介：程中华，男，山东泰安人，博士生，讲师，研究方向：能源经济学；

中图分类号：F062.9

文献标志码：A

文章编号：1007-3116(2016)06-0070-07

李廉水，男，江苏泰州人，教授，博士生导师，研究方向：创新管理与制造业发展；

刘军，男，安徽宿州人，管理科学与工程博士，副教授，研究方向：产业经济学。

【统计应用研究】