我国工业行业的技术进步、结构变迁与水资源消耗*——基于LMD I方法的实证分析

陈 雯,王湘萍

(1.湖南大学经济与贸易学院,湖南长沙 410079; 2.湖南商学院经济与贸易学院,湖南长沙 410205)

我国工业行业的技术进步、结构变迁与水资源消耗*
——基于LMD I方法的实证分析

陈 雯1,王湘萍2

(1.湖南大学经济与贸易学院,湖南长沙 410079; 2.湖南商学院经济与贸易学院,湖南长沙 410205)

通过水资源消耗强度及其变化指数,研究我国工业行业水资源消耗强度的演变趋势;采用对数均值迪氏指数分析方法(LMD I),将我国工业行业水资源消耗强度的变化分解为技术进步与产业结构变迁两个层面的作用。研究结果显示,1996-2006年我国工业水资源消耗强度总体上呈现不断下降的趋势;技术效应所导致的各部门用水效率提高是工业行业水资源消耗强度持续下降的最重要原因,结构效应所导致的用水密集部门的发展在一定程度上抑制了水资源消耗强度的下降。因此,加快技术升级和工业结构调整,有助于可持续利用水资源、建立节水型社会。

水资源消耗强度;Divisia指数方法;技术效应;结构效应

一 研究现状

近年来,由于水资源短缺日益加剧,有限的水资源供给与快速增长的人口和经济发展矛盾日益突出,关于水资源利用效率的研究引起了学者广泛的兴趣,贾绍凤等利用库兹涅茨曲线描述了工业用水与经济发展的关系,发现工业用水下降的直接原因是用水效率的提高。[1]朱启荣对我国各地区的工业用水效率及影响因素与节水潜力进行实证研究,发现我国工业用水资源配置偏离效率原则,各地区用水效率的差异主要是结构水平、外商投资规模和水资源禀赋等因素的共同作用所导致。[2]杜斌等通过建立工业节水潜力分析和技术综合评价模型(IWCPA模型)筛选了影响高耗水行业用水的关键技术,建立了高耗水行业重要用水技术的优选清单,指出若干工业用水关键技术的研究是提高工业用水效率的关键。[3]陈素景等选取了1998-2005年中国各省区水资源消耗和经济发展的数据,从时空两方面对水资源利用效率和经济发展的关系进行实证研究,研究发现随着经济发展以及节水措施的事实,我国各省区水资源利用效率呈幂指数衰减,不同省区提高水资源效率的潜力不同。[4]李世祥等利用变异系数分析了1997-2004年我国工农业水资源消耗强度的区域差异,结果表明我国三大地带水资源消耗强度出现了不同的发展趋势。[5]已有这些研究主要考察我国水资源消耗强度的变化趋势、地区差异性等,但并没有深入分析其内在的影响因素,尤其是技术进步与产业结构调整的重要作用,节水方面的技术进步将影响到各行业的水资源消耗,而产业结构的调整将从结构方面对水资源的消耗有重要影响。从发达国家的经验来看,工业用水下降一般都伴随着重工业的缩减,对于重工业较为强大的国家,重工业的缩减可以看作工业用水减少的转折标志。因此在分析我国工业水资源消耗的基础,进一步分解其影响因素,考察起主导作用的影响,这对于我国水资源可持续利用有重要的参考价值。

一些关于能源消耗和环境污染的国内外研究,常采用因素分解方法来考察引起能源需求或污染物排放变化的主导因素。这些方法主要有两类:指数分解方法(Index decomposition Analysis,简称IDA)和结构分解方法(Structure Decomposition Analysis,简称SDA)①有关指数分解方法的综述见Ang and Zhang(2000)[1],Ang&Liu(2001)[2]。,即投入产出技术。结构分解方法由于依赖于投入产出表而受到一定限制;指数分解方法相对于结构分解方法的好处是数据要求较小,可以适用于时间序列或者截面数据分析,数学方法上严密可行,易于操作,因此比结构分解方法应用更广②指数分解方法和结构分解方法的比较见 Hoekstra and van den Bergh(2003)[3]。。大量研究将指数分解方法应用于能源研究中。[6-7]除了能源研究外,指数分解方法还广泛应用于研究碳排放强度影响因素以及其他污染物排放中。[8-9]水资源对于大多数经济部门来说同样是一个重要的资源,水资源正在取代石油而成为全世界引起危机的主要问题③WCED(the Committeeof Environment and Developmentof the World),Sustainable Development and Water,Statementon the WCED Report“our common Future”,Water International 1988。。然而,对于水资源消耗的影响因素分析却鲜有学者关注。因此,本文将应用修正的LMD I方法研究我国水资源消耗问题,对影响水资源消耗强度的因素进行分解,定量研究引起水资源消耗强度变化的具体渠道和机制,以期为节水政策提供科学的决策依据。

二 水资源消耗强度及其分解方法

1.水资源消耗强度

本文采用水资源消耗强度指标来分析工业生产的水资源消耗,水资源消耗强度(water intensity)定义为一定时期内工业系统中某一行业所消耗的新鲜水量(吨)与同期该行业所产生的工业总产值(万元)的比值,即W I=W/Y。类似地,第i个工业部门水资源消耗强度则定义为一定时期内第i个工业部门所消耗的新鲜水量与同期该部门的工业万元总产值的比值,即W Ii=Wi/Yi。水资源消耗强度反映了工业行业经济发展对水资源的依赖程度,水资源消耗强度越大,意味着生产每单位工业总产值所消耗的新鲜水量越大。

根据定义,有以下式子成立

其中 yi(t)衡量了第i个部门产出在总产出中所占的比重,即 yi(t)=Yi(t)/Y(t)。水资源总消耗强度的变化指数Dtot定义为当年水资源消耗强度相对于前一年的比例,因此,从样本初期到第 T年,水资源消耗强度的变化指数定义为

因此,如果从样本初期到第 T年,水资源消耗强度提高,Dtot大于1;而水资源消耗强度下降,Dtot小于1。

2.水资源消耗强度的分解方法

为了分析我国工业行业水资源消耗强度的内在影响因素,需要对其进行分解。最常见的分解方法包括拉氏指数分解法(Laspeyres Index)和迪氏指数分解法(Divisia Index)。广泛用于20世纪70年代晚期和20世纪80年代早期的拉氏指数分解法主要来源于Laspeyres Index的概念,即为了估量某个因素的影响,假设这个因素在报告期变化而其他因素保持在相应的基年值不变,直接对各个因素进行微分,从而求出这一因素的变化对被分解变量的影响。而Divisia指数分解方法源于Divisia Index概念,即把分解出的各个因素都看成是时间t的连续可微函数,对时间进行微分,从而分解出各个因素的变化对被分解变量的影响。Boyd et al.提出算术均值迪氏指数(AMD I)方法[10],Ang et al.提出LMD I I方法[11],Ang et al.提出LMD I II方法[12]。这几种指数方法广泛应用于分解国家和某部门能源消耗和能源相关的碳排放的变化因素。主要区别在于LMD I I和LMD I II能够完全分解,而AMD I和Laspeyres指数分解方法有残差项。Ang(2004)指出LMD I方法是目前各种方法中比较合理,也是目前常用分解方法中最好的一种,有以下优势:1)能够给出较为合理的因素分解,结果不包括不能解释的残差项,使模型更有说服力。2)分部门效应加总与总效应保持一致,即不同的分部门效应总和与各个部门作用于总体水平上获得的总效应一致,这在多层次分析中十分有用,比如总体的产业活动能够分解为更加细化的产业活动,提供了分析经济总系统内部效应对比的依据。因此本文参考Luyanga et al.中LMD I方法,推导出我国工业水资源消耗强度的分解公式。[13]

将式(1)两边取对数后,对时间t求导数,可以得到

其中wi=Wi/W,衡量了工业部门i的用水量占整个工业行业用水量的比重。在[0,T]区间上对上式两边求定积分并进行指数变换,得到

这样,将工业水资源消耗强度的变化Dtot分解为两个部分,上式右边的第一个部分主要反映因为技术变化所引致每个工业部门随时间的变化,记为技术效应 Dtec;而第二个部分主要体现每个工业部门产出在总的工业部门产出所占份额发生变化从而对总的水资源消耗的影响,也就是工业结构的变迁效应,记为Dstr。这样将 Dtot分解为技术效应Dtec和结构效应Dstr两个部分,Dtec反映了样本期间由于每个部门因技术进步引起水资源消耗强度W Ii的变化所导致总的工业行业水资源利用效率的变化。如果Dtec大于1,意味着导致各部门的水资源消耗强度在上升,节水技术进步并没有发挥作用,而Dtec小于1意味着部门水资源利用效率在提高,水资源消耗强度在下降;Dstr则反映了工业行业结构调整导致水资源消耗强度的变化。如果Dstr大于1意味着高耗水部门发展较快,而Dstr小于1意味着低耗水部门发展较快。如果总的水资源消耗强度的变化主要是由于工业结构调整引起,则 Dstr接近Dtot而Dtec约等于1;相反,如果总的水资源消耗强度的变化主要是由于部门内部水资源利用效率引起,Dtec接近Dtot而 Dstr约等于1。

由于每个部门的用水量Wi是不断变化的,权重wi是时间t的连续函数,因此原则上应该计算每个时间点瞬间的wi来反映每一个部门用水占整个工业用水总量上相对比重的变化,然而实际中采用的是年度离散数据,所以不可能计算每个时刻的瞬间值,这样也就无法计算技术效应 Dtec和结构效应Dstr。根据 AM D I方法,采用两个端点值的算术平均来代替,这样,在任何区间[0,T′]上 Dtec,Dstr可以分别写为

采用以上形式代入式(4)右边,与左边并不完全相等,通常会产生残差Drsd,即Dtot=DtecDstrDrsd。如果水资源消耗强度总的变化指数 Dtot可以完全被Dtec和Dstr解释,则残差Drsd等于1,否则Drsd不等于1。显然,残差Drsd并没有什么经济意义,如果残差值过大时,会使得分解结果不理想。因此采用Ang and Choi提出的改进的LMD I方法消除残差。[11]定义以下函数形式

采用以上函数,可以界定以下一般化的权重函数

这样可以得到离散的 Dtec和Dstr

采用这种修正的Divisia指数方法,就不会产生残差。总的水资源消耗强度变化完全分解为部门水资源消耗强度的变化和结构变化。

三 我国工业水资源消耗的动态变化:技术效应还是结构效应

1.数据来源与行业说明

本文分析的样本区间为1996～2006年,历年各工业行业的新鲜水量、工业总产值数据均来自各年度《中国环境年鉴》,工业品出厂价格指数来自历年《中国统计年鉴》;工业行业总产值数据以1996年为基期的工业品出厂价格指数进行价格调整。由于在环境年鉴中1996～2000年与2001～2006年部门分类有很大的差别,且2001～2006年的部门分类也略有不同。为了保持数据的一致性,根据数据的获得情况,以《中国环境年鉴》中1996～2000年的18个工业部门为标准,对2001-2006年工业新鲜水量和工业总产值数据,进行部门合并与整理。

2.我国工业水资源消耗强度的动态变化

图2绘出了样本期间我国工业水资源消耗强度的变化,总体上呈现不断下降的趋势,由1996年的185.4吨/万元下降到2006年的48.7吨/万元,下降了73.16%。例外的是,1998年到1999年水资源消耗强度有轻微上升,主要是由于这段时间的工业总产值有一定程度的下降。总体而言,每一年相对1996年水资源消耗强度大幅下降,尤其在1999年后下降幅度更大。而从分行业的情况而言(见图2),水资源消耗强度的差异很大,样本期间水资源消耗强度较高的两个行业分别是电力、蒸汽及热水的生产供应业以及造纸及纸制品业;接下来的是化学纤维制造业、化工原料及化学制造、黑色金属及压延加工业、石油化工和纺织业,但在不同年份有所变化。2006年电力、蒸汽及热水的生产供应业和造纸业的水资源消耗强度分别为528.8吨/万元、165.6吨/万元,分别为当年工业水资源平均消耗强度的11.01倍和3.48倍。水资源消耗强度较小的行业有塑料制品业、印刷业、记录媒介的复制以及机械、电气电子设备制造业;2006年三个行业的水资源消耗强度分别是7.0吨/万元、6.1吨/万元和3.8吨/万元,是当年工业水资源消耗强度的14.68%、12.83%和8%。如图3所示,1996-2006年,18个部门的水资源消耗强度出现不同程度的下降,其中有色金属冶炼及压延加工业以及黑色金属冶炼及压延加工业下降的幅度最大,分别下降了91.26%和85.23%。

3.我国工业水资源消耗强度变化的因素分解:技术进步与结构调整

根据LMD I分析方法,以1996年为基年,对我国工业水资源消耗强度各年度的变化指数进行分解,从而将我国工业水资源消耗的变化区分为技术效应和结构效应,结果如表1,各变化指数的对数值的变化趋势见图3。

图1 我国工业水资源消耗强度的变化趋势及其变化指数

图2-1 电力、蒸汽及热水的生产供应业

图2-2 造纸及纸制品业

根据前文分析所知,我国总的水资源消耗强度在样本期间总体上呈现不断下降的趋势,从1996年至2006年的10年间总共下降了73.16%,计算每年相对于基年(1996)的水资源消耗强度的变化指数,所有年度值都要小于1。从LMD I方法分解的结果来看,除了1996～1997年技术效应的值要大于1,即技术效应没有促进水资源消耗强度的下降,而工业结构的变化在一定程度上降低了水资源消耗强度以外,从整体结果来看,技术效应导致水资源消耗强度下降幅度很大,技术效应是导致水资源消耗强度不断下降的主要原因。这与Pol et al.的结论一致:技术效率是影响工业用水需求和节水潜力的关键因素。[14]工业节水技术可提高工业用水效率和效益,减少用水量,或可替代常规水资源。

进一步从细分行业的情况来看,1996-2006年期间,电气、燃气及水的供应业用水效率对于总的工业技术效应为正还是负具有决定性的作用,也就是说此行业水资源消耗强度是下降还是上升很大程度上决定了技术效应的影响作用。样本期间内,电气、燃气及水的供应业的水资源消耗强度的总体趋势是下降的,从而导致了总的工业技术效应,促使水资源消耗强度的下降。例外的是,1996-1997年,电气、燃气及水的供应业的水资源消耗强度是上升的,黑色金属冶炼及压延加工业和造纸业的水资源消耗强度显著下降,但不足以抵消电气、燃气及水的供应业对于水资源消耗强度所产生的“负”的效应。因此对于这些行业,需要继续加大科技创新力度,加强科技攻关,研究开发并推广应用节水的新工艺、新设备,新产品、新器具及循环用水、污水利用、中水回用等新技术,大力推行科学用水、计划用水,提高水的重复利用率,提高用水效率。

关于影响水资源消耗强度的结构效应因素,起主要作用的工业行业也是电力、蒸汽及热水的生产供应业,其次是黑色金属冶炼及压延加工业、化工原料及化学制造业以及造纸业。1996-1997年,结构效应的作用大于技术效应主要是电力、蒸汽及热水的生产供应业、黑色金属冶炼及压延加工业以及化工原料及化学制造业三个行业的大幅缩减。即在这些年份这些行业工业总产值所占份额有所下降,拉动了总体水资源消耗强度的下降。因此,总体来说,从行业来看,与技术效应相比,结构效应的作用非常有限,通过行业间的结构调整和优化升级来降低水资源消耗强度的难度较大,需要进一步努力。但同时也可以看出,发展钢铁等重化工业也不一定必然带来水耗增加,关键还是要通过加强管理和技术进步,以及促进行业内部和企业内部的工艺升级等手段来达到节水目的。

图3 工业水资源消耗强度的影响因素分解

表1 LMD I方法因素分解结果

四 结论及政策建议

水资源利用在很多发展中国家是一个很重要的议题,研究水资源利用效率的影响因素将为有效利用水资源提供理论依据和现实借鉴价值。本文定义水资源消耗强度及其变化指数,基于LMD I方法,将我国工业行业水资源消耗强度的变化分解了各部门节水技术进步的作用及其工业行业结构调整效应,进一步采用我国工业行业的相关数据进行实证分析。结果发现,1996-2006年,我国工业水资源消耗强度总体呈逐渐下降的趋势,这是工业产业结构调整和技术进步综合作用的结果。在这两个因素中,技术效应是降低水资源消耗强度最主导的原因。

根据实证研究与我国经济发展的实际,本文认为,首先,在重工业化阶段,工业总产值不断上升,虽然我国工业水资源消耗强度不断下降,但是工业用水总量不断增加,水资源供应形势非常严峻。为了促进水资源消耗强度不断下降,必须积极改进节水技术和供水基础设施;采用先进工艺技术以及废水污水处理、中水回用技术,实施循环用水;对重点行业进行节水技术改造,淘汰耗水大、技术落后的工艺设备,提高水重复利用率,从而提高水资源利用效率。各耗水大户企业如电力、蒸汽及热水的生产供应业,造纸,钢铁,石油加工及炼焦业需主动研制、推广提高水资源利用效率的先进技术,大力实施工业冷却循环水设备和工艺改造,推广实行无耗水和低耗水等新工艺,发展循环经济,推动节水型社会建立,促进我国资源节约型、环境友好型社会的建立。其次,调整产业结构、产品结构,转变经济发展方式,构建节水型的生产模式,制定明确的产业政策,运用税收、行政和法律等手段,限制高耗水、高污染企业发展,逐步淘汰水耗高的行业。再次,形成以经济手段为主的节水机制,促进水资源由用水效率低向用水效率高的产业流动,实现经济发展与水资源承载能力的和谐统一。

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Technology Progress,Structure Shift and Water Intensity In Chinese Industry:An Analysis Based on LMD IMethod

CHEN Wen1,WANG Xiang-ping2

(1.School of Economics and Trade,Hunan University,Changsha 410079,China;
2.College of Economics and Trade,Hunan University of Commerce,Changsha 410205,China)

With industrialwater intensity and changing index,this paper explores the changing trend of the industrial water intensity in China during the period 1996-2006.The changeof industrialwater intensity is decomposed into two parts which are caused by technology progress and structural shift respectively,using LMDI(Logarithmic Mean Divisia Index)analysismethod.The findings show that there is continuous decreasing trend in theoverall industrialwater intensity.Furthermore,technology effect which leads to enhancement of sectoral water efficiency is the most important factor and the structural shift toward water-intensive sectors curbs the reduction of water intensity.Therefore,speeding technology upgrade and adjusting the industrial structure is the strategy of water sustainable use and construction of the water-saving society.

water intensity;divisia index analysis;technology effect;structural effect

C813

A

1008—1763(2011)02—0068—05

2010-09-03

国家自然科学杰出青年基金项目(70925006);国家自然科学基金面上项目(70879039);教育部人文社会科学研究规划基金项目(10YJA 790274)

陈 雯(1979—),女,湖南长沙人,湖南大学经济与贸易学院博士研究生.研究方向:环境经济学.