天然气国际贸易网络演化及区域特征研究——基于社会网络分析方法

肖建忠，彭 莹，王小林

(中国地质大学经济管理学院，湖北 武汉 430074)

一、引言

天然气在全球范围内分布并不均匀，2010年数据显示，仅中东和俄罗斯就分别占全球已探明天然气总储量的40.5%和23.9%［1］。此外，世界大多数国家天然气生产和消费能力并不匹配。1979年国际能源署部长级会议上，各国一致认为需要鼓励天然气的本土生产以及国际贸易［2］。此后，天然气贸易借助于长输管道和海上LNG输送等手段迅速扩张，已经成为全球仅次于石油、煤炭的第三大化石能源，在世界一次能源消费中的比重逐渐提升，从2006年的21%上升到2010年的24%。时至今日，各国天然气贸易的重点是减少贸易壁垒以及供应来源的多样化［3］。

天然气国际贸易是一个复杂的系统，天然气资源在贸易国间的流动形成了国际天然气贸易网络。因受地缘政治、天然气价格、供给和需求、供气安全等因素的影响，天然气国际贸易网络呈现动态演化的特征。因此，运用网络分析方法，通过对天然气复杂网络演化的研究，可以了解或预测国际天然气贸易在一段时期内的变化，为国家制定能源战略提供依据。

社会网络分析广泛地应用于社会经济系统，诸如市场、产业以及世界贸易等经济系统都可以看做是一种网络［4-5］。最先用社会网络对国际贸易网络进行研究的是 Serrano和 Boguna［6］，他们认为国际贸易网络呈典型的复杂网络特征——无标度性、小世界性、高聚集性等。Li等对国际贸易网络的复杂性和同步性进行了研究，他们利用国际货币基金组织的数据，对2000年贸易额在100万美元以上的贸易关系建立了网络，发现国际贸易网络具有无标度性特征［7］。段文奇等研究了1950—2000年国际贸易网络度分布、群聚性、度相关性和互惠性等拓扑结构特征的演化规律［8］。对于全球能源问题，程淑佳等以复杂网络理论为基础，结合地理学区域分析方法，勾勒出了世界原油贸易空间结构［9］。Neumann用一个形式化的网络模型对欧洲天然气产运销作了优化分析，提出了欧洲天然气市场的发展前景［10］。因此，网络分析方法能够从整体上把握国际贸易格局，基于时间数据还可以分析其演化过程，是一个很好的研究方法。然而，目前的文献利用社会网络方法分析天然气国际贸易相关性的研究还较少。本文应用社会网络的方法，将天然气贸易流向抽象成国际天然气贸易复杂网络，通过网络节点的度分布、强度分布、网络结构熵以及网络的聚集系数，分析国际天然气贸易复杂网络的结构特征，探究网络中各个参数与国际贸易市场的关系及天然气市场的流向，从整体上把握国际天然气贸易系统的演化特征。通过本文的分析，希望给中国构建多元化天然气能源保障通道以现实启示。

二、天然气国际贸易网络模型构建

世界天然气资源地理分布极度不均匀，2010年数据显示，俄罗斯、伊朗和卡塔尔分别占世界已探明天然气储量的23.9%、15.8%、13.5%，三个国家总储量占世界总水平一半以上。同时，世界各国天然气生产与需求也不平衡，天然气消费量前10位的国家中仅沙特阿拉伯生产量和消费量大致相等。天然气分布不均匀性和各国产销不平衡性，导致了天然气不可能在区域范围内实现优化配置，因此，必须在全球范围内流动。近些年来，世界天然气消费量不断增加，参与天然气国际贸易的国家也不断增加，从2004年的61个国家增加到2010年的92个国家;贸易量也大幅度上升，从2004年的6 775.2亿立方米上升到2010年的9752.2亿立方米。

天然气国际贸易经济系统中，参与主体是国内天然气供求不平衡的各个国家，天然气国际贸易把这些国家联系起来。忽略点的空间位置，可以抽象构造出一个天然气国际贸易网络模型。网络中的节点是参与贸易的国家，网络中的边表示两个主体间存在贸易关系。由于国与国之间贸易额度不一样，为了衡量这种贸易强度差异，可以构造具有权重的边，用两国之间的贸易强度来表示边的权重。

本文构建的天然气国际贸易网络，节点是参与天然气贸易的92个国家，连接节点的边表示天然气贸易关系。考虑到2004年之前天然气国际贸易相对较少，本文选取了2005—2011年BP全球能源统计报告中的数据进行分析。本文同时构造天然气国际贸易拓扑网络以及权重网络。拓扑网络衡量的是节点之间简单的连线关系，用邻接矩阵来表示。权重网络衡量节点之间关系的紧密程度，用加权矩阵来表示。本文采集了7年的网络快照，从2004年到2010年，历年矩阵形式统一采用92阶方阵。对于邻接矩阵，当i国与j国存在天然气贸易时，矩阵元素aij=1，否则为0;对于加权矩阵，元素aij表示从i国出口到j国的天然气总量，这是一个有向矩阵。考虑到只有少数几个国家存在天然气双边贸易，也可以采用无向矩阵形式，对加权矩阵做对称化处理，令 aij=max(aij，aji)即可。

根据以上定义，利用netdraw软件根据加权矩阵数据可以绘制出2010年天然气国际贸易网络图(见图1)，连接两节点之间的线越粗表示两节点贸易强度越大。下文将具体分析天然气国际贸易网络特征及结构演化过程。

图1 2010年天然气国际贸易网络

三、天然气国际贸易网络的结构特征

本文从度分布、聚集系数和网络结构熵三个方面来讨论天然气贸易网络是否是无标度网络，讨论天然气贸易网络的有序性、异质性和群聚性。

(一)度分布

点度数是指与某节点直接相连的节点数目，是指某节点与相邻节点的连接强度。一国的点度数反映与该国进行天然气贸易的国家数目，一国的点强度则反映该国与其他国家发生的天然气贸易强度。通过考察网络中所有节点形成的点度数分布与点强度分布，可以探究天然气国际贸易网络中各个国家的连接情况，以及它们随时间发生的变化情况。图2是天然气国际贸易网络2004年、2007年和2010年的点度数和点强度分布图。从图2可以看到，点度数和点强度的分布曲线都不是一条直线。而典型的无标度网络的累计度分布与度的关系在双对数坐标下为一条直线［11］，故天然气国际贸易网络不是无标度网络。

从演化角度来看，随着时间的推移，点度数分布曲线有向右移动的趋势，说明网络中节点的度数在不断增加，因为参与天然气贸易的国家在增加，且各个国家趋于与更多的国家进行交易;随着时间的推移，点强度分布没有呈现出明显的变化，说明在相同点强度下的节点占节点总数比例没有明显变化，天然气贸易量的增长较为均匀。点度数和点强度的分布差异性反映出近几年参与天然气贸易国家的增多并没有带来贸易量同规模扩大，其主要原因是中国、印度等新兴市场天然气贸易占比还相对较小。

点度数和点强度分布有一定的相似性，这可以在点度数与点强度相关系数上体现出来，见图3。两者的相关系数保持在0.7以上，说明平均每一个拥有一定数量贸易伙伴的国家趋于拥有同等强度的天然气贸易。而事实上，2010年点度数与点强度的散点图(见图4)显示，点度数相等情况下点强度变异很大，不能很好地拟合成一条直线，说明少数国家同时拥有较高的点度数和点强度，例如俄罗斯、美国、德国等在网络中占据核心地位。

图2 天然气国际贸易网络点度数与点强度分布

(二)网络结构熵

绝大多数复杂网络都具有较强的异质性，天然气国际贸易网络在一定程度上也存在异质性。对于异质性大小的衡量有不同的方法，有学者提出网络结构熵的概念［12］，还有学者引入复杂网络的洛伦兹曲线和基尼系数［13］。

根据谭跃进对网络结构熵的定义，一个包含N个节点的网络，第i个节点的度为ki，称Ii为第i个节点的重要度，定义网络结构熵

当网络完全均匀时，即Ii=1/N时，E取最大值，Emax=InN;当网络中所有节点都与一个节点相连时，E取最小值;为了研究节点数目N对E的影响，我们将网络结构熵进行归一化，得到网络标准熵

基于权重网络也可以类似地定义网络权重标准熵。根据以上定义，有0≤E≤1。当E等于1时无异质性，当E等于0时异质性最大。2004—2010年天然气国际贸易网络的标准熵和权重标准熵，见图5。从图5可以看到，天然气国际贸易网络结构标准熵在0.7左右，权重标准熵在0.8左右，说明两种形式的网络都具有一定程度的异质性，且权重网络的异质性相对于无权重网络要低一些。同时可以看到，两种熵值在前4年较为平稳，2009年有所下降，说明网络的异质性增强，各国的贸易关系差异增大。

图5 2004—2010年天然气贸易网络熵值

根据王林对网络洛伦兹曲线的定义，将网络节点的度值由小到大排序，用累计节点数除以总节点数表示横坐标，用累计点度数除以总度数表示纵坐标，就可以画出网络的洛伦兹曲线并计算出基尼系数。2004—2010年天然气国际贸易网络的基尼系数以及权重网络基尼系数如图6所示。从图6可以看到，天然气国际贸易权重基尼系数在0.6以上，基尼系数自2004年以来持续上升，说明天然气国际贸易网络异质性在增强，贸易系统逐渐趋于不平衡，各国的贸易关系越来越不均匀。

图6 2004—2010年天然气贸易网络基尼系数

(三)聚集系数

在很多网络中，一个节点周围的节点之间也可能存在连接，因而在网络中形成不同的簇群。簇群内部节点相互连接的程度可以用聚集系数来衡量。

网络中拥有ki条边的某一节点i的聚集系数为

其中，ni是i的ki个邻居间边的数量，其取值范围都在0到1之间，某一节点的聚集系数越接近于1，说明该节点周围的节点聚集程度越高。平均聚集系数反映网络整体的聚集程度。

图7是天然气国际贸易网络密度以及平均聚集系数图。从图7可以看到，平均聚集系数大于密度，而一般在一个随机网络中，聚集系数应该与密度相等。这样的结果说明，天然气国际贸易网络相对随机网络表现出了一定的群聚性，一些国家之间形成了小集团，这是由于天然气地域分布不均匀且输送成本高、天然气就近供应造成的。下文提到的三大贸易区域在一定程度上就是这样形成的。图7反映天然气国际贸易网络聚集系数相对稳定，2008年出现下滑是由于2008年天然气贸易受经济不景气的影响出现了波动。

图7 2004—2010年天然气贸易网络密度及平均聚集系数

图8是具有相同点度数的节点的平均聚集系数与点度数的散点图。从图8可以看到，节点聚集系数与点度数大致是一个负向的关系，即点度数越高的节点其聚集系数越低。这是由于点度数高的国家往往是天然气富有国或者是贫气国，与其相连的国家有一定的天然气资源储备，它们只需相对较少的进口或出口，贸易对象也相对较少。2010年点度数与聚集系数形成的散点变得更加分散，意味着相同点度数的节点聚集系数变大，国际贸易网络聚集性增强。随着许多国家能源安全意识的提高，多元化进口或出口将是各个国家的战略选择，这就意味着天然气贸易网络将更加复杂，网络聚集性也将更强。

图8 节点度数与聚集系数的散点

国际天然气贸易网络为一种核心边缘的结构，节点的聚集系数随节点度数增加而下降，具体表现为:一些国家或地区的贸易伙伴主要在局部地区内彼此间交往很多，而一些大的国家(例如俄罗斯、德国、美国)起到跨区域沟通桥梁的作用，它们的贸易伙伴分布在全球各个区域，彼此之间联系比较松散。例如俄罗斯，其点度数较高，拥有36对贸易关系，其中大多数国家从俄罗斯获得足够的气源，因而没有与其他国家发生天然气贸易关系。

四、天然气国际贸易网络的区域特征

本文利用可视化网络数据分析软件netdraw绘制天然气国家贸易网络关系图(见图9)。图中箭头所指方向为出口方向，通过对比分析2004—2010年的网络快照(图中只给出了间隔两年的图)可以发现天然气国际贸易网络的结构特点及其演化过程①，从图9可以看出:

其一，全球天然气贸易已经形成一个整体网络，整体网络外孤立的、分散的节点在减少。随着时间的推移，区块之间的连线增多，同时，区块内部连线更加紧密，离散的边在减少。在全球天然气贸易中，欧洲与亚太地区国家的贸易往来增多，主要的桥点是俄罗斯以及中东、非洲等天然气富有国家，主要通道是LNG贸易和管道天然气输送。

其二，在全球天然气贸易网络内部，日益凸显出三个局域网络，即天然气国际贸易相对集中的三大区域:欧洲贸易区、亚太贸易区和北美贸易区。

为了更具体更清晰地认识天然气国际贸易网络结构的区域特征，本文接下来将三大区域分别予以剖析。

图9 2004—2010年天然气国际贸易网络的地域性

(一)北美局域网

北美局域网核心国家有美国、加拿大、特立尼达和多巴哥以及墨西哥，其中美国是最大的进口国。管道天然气进口受限于地理环境，仅有加拿大和墨西哥两个国家。而LNG进口来源地则较为分散，共包括17个国家。总体来看，美国天然气进口横跨美洲、中东、非洲、亚太、欧洲和欧亚大陆等全球五大区域，美洲一直是美国进口天然气的最大来源地。2010年，美国从美洲进口管道天然气量在总进口量中的占比为94%，远高于其他区域。美国同时还向加拿大、墨西哥出口一部分管道气，向巴西、欧洲少数国家以及日本、韩国出口LNG，2010年出口量总计为319.8亿立方米，约占其进口总量的30%。

图10是美洲区域2004年与2010年天然气贸易网络图。从整个美洲贸易区域来看，各国天然气贸易联系增加，特别是北美与南美之间贸易往来增多，网络特征更为明显。美洲贸易区表现出了明显的天然气资源禀赋差异性，由此决定了天然气贸易方向，加拿大、特立尼达和多巴哥以及中亚的卡塔尔、尼日利亚、埃及等国家都对美国、墨西哥、巴西、智利等国家出口天然气。

图10 美洲区域国家2004年与2010年天然气贸易网络

(二)欧洲局域网

欧洲是世界上天然气管网最密集的地区之一，也是天然气贸易最活跃的地方。2010年参与天然气贸易的国家达到35个，形成了71对贸易关系，进出口贸易总量为3600.9亿立方米。其中俄罗斯、挪威以及乌克兰天然气储量丰富，为该区域的主要出口国;而德国、意大利、法国等国家天然气需求大，为该区域的主要进口国。

图11是2004年和2010年欧洲区域内的天然气贸易网络图，图中两节点之间的线越粗表示两国之间的贸易额度越大。从图11可以看到:

其一，俄罗斯所代表的节点中心度最高。2004年俄罗斯与20个国家有天然气出口贸易关系，总贸易量达1 327.9亿立方米，占欧洲区域贸易总量的47.2%;而2010年俄罗斯与25个国家有贸易关系，总贸易量达1675.7亿立方米，占欧洲区域贸易总量的46.5%。由此可见，俄罗斯在欧洲天然气市场网络中占据核心地位。

图11 欧洲区域2004年与2010年天然气贸易网络

其二，欧盟核心国如挪威、德国、荷兰、意大利、法国、英国、比利时等七个国家的节点中心度相对较高，贸易量也较大。挪威作为纯出口国，从2004年到2010年，贸易伙伴增加了两个，出口量增长了32.7%，在网络中影响力增强。法国、意大利是纯进口国，其中法国进口贸易伙伴数量排第四。英国、荷兰、比利时三国贸易伙伴数量与进出口强度基本保持稳定。另一类是德国。德国是该区域进口量最大的国家，进口来源地只有五个国家，分别是俄罗斯、挪威、荷兰、丹麦、英国，全部集中在欧洲和欧亚大陆。由于德国仅进口管道天然气，而不涉及LNG，因此，其天然气进口来源地必须邻近本国，否则管道将无法覆盖。

总体上看，欧洲天然气贸易网络呈现出以俄罗斯、挪威、德国等国家为核心、其他国家边缘化的一种核心边缘结构，网络拓扑结构基本上保持稳定。

(三)亚太局域网

亚太局域网由中国、日本、韩国、印度、中国台湾、澳大利亚、印尼、马来西亚、文莱、阿曼、也门、卡塔尔等节点组成。其中，日本、韩国一直是进口大国，中国是2010年加入进来的。亚太局域网的进口来源由澳大利亚、印度尼西亚、马来西亚、卡塔尔、阿联酋等供应。贸易形式以液化天然气(LNG)的形式进行输送。

图12是亚太地区2004年与2010年天然气贸易网络图。从图12可以看出:

其一，从2004年到2010年参与天然气贸易的国家(地区)明显增多，整个网络更加紧密。亚太贸易区天然气主要来源于卡塔尔、印度尼西亚、马来西亚、土库曼斯坦、乌兹别克斯坦、哈萨克斯坦，而需求国家主要是日本、韩国、中国、印度等国。与欧洲贸易区相比，亚太贸易区各国(地区)多是单一进口或出口，天然气流动方向直接由资源禀赋决定。由此可以看出，亚太贸易区天然气市场还不够成熟。

其二，日本、韩国是传统的天然气进口大国，在网络中占据重要地位。2010年日本进口天然气819.6亿立方米，占亚太地区天然气贸易总量的35.4%;韩国进口天然气349.8亿立方米，占总贸易量的15.1%;日、韩两国贸易伙伴众多，日本在区内的贸易伙伴有8个，仅印尼、澳大利亚、马来西亚三国2010年向日本出口的天然气就超过了日本进口天然气总量的50%。日本来自区外的贸易伙伴有6个，包括特立尼达、多巴哥、俄罗斯等，但进口贸易量有限。

其三，中国成为新兴的天然气进口国。2004年中国还没有天然气贸易，2006年开始在广州接收来自澳大利亚的LNG，2010年开始自土库曼斯坦进口管道天然气。到2010年中国进口天然气163.5亿立方米，进口来源国有14个。进口来源国的增加大大降低了中国对澳大利亚天然气进口的依赖。

图12 亚太地区2004年与2010年天然气贸易网络

五、结论

本文结合复杂网络理论和社会网络分析方法，构建了天然气国际贸易网络，通过分析网络的点度数和点强度分布、网络结构熵和基尼系数以及聚集系数，探讨了天然气国际贸易网络的连通性、异质性与聚集性;随后利用网络可视化分析软件netdraw模拟出天然气国际贸易的区域网络演化图。具体结论如下:

其一，天然气国际贸易网络并不属于典型的无标度网络，但其存在异质性，贸易规模极其不均匀，表现为少数国家贸易伙伴较多，与多个国家有贸易往来，而多数国家的贸易伙伴较少，贸易结构较为单一;同时，少数国家进出口的贸易量很大，而多数国家进出口的贸易量很小。聚集系数的结果表明，天然气贸易呈现出局部集聚性的特征。

其二，天然气国际贸易网络存在三大区域:欧洲区域贸易最为紧密;亚太区域贸易逐渐壮大，成为主要的消费区域;北美区域相对稳定;同时欧洲区域与亚太区域联系增多，主要是因为中东与非洲地区国家同时供气给欧亚地区。

其三，美国、日本、德国分别是目前北美、亚太、欧洲三大区域最大的天然气进口国，通过观察三个区域网络的变迁，可以总结出以下三大规律:(1)多气源保障供气安全原则。少数贸易大国从多个国家进口气源，减少对单一国家天然气供给的依赖。美国甚至于仅利用了进口 LNG的5%［14］。(2)能源合作原则。不少国家与资源丰富国家积极开展天然气等能源国际合作，在当地拥有天然气权益。(3)就近原则。由于天然气具有较强的地域性，长距离运输增加成本会影响其经济性，因此，各国进口天然气主要是从临近的几个国家集中进口。

在当前的贸易网络格局下，对中国而言，必须建立起天然气跨国运输体系，完善国内的天然气长输管网的建设，巩固与土库曼斯坦、哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦的陆上贸易关系，积极寻求与俄罗斯以及缅甸的贸易合作;鉴于各大国都在通过LNG进口的形式进行天然气战略储备和调峰，要关注天然气储量增长较快的国家，例如卡塔尔、尼日利亚、阿尔及利亚、澳大利亚、印尼、马来西亚、委内瑞拉等，采取小规模、广分散的权益并购方式在全球进行天然气资源的战略布局，保障资源安全。

注释:

①为了更清晰地获得天然气贸易网络的区域特征，在netdraw软件的分析中仅列了贸易量达到50亿立方米的贸易关系。

［1］BP Group.Statistical Review of World Energy［R/OL］.［2011-06-30］.http://www.bp.com/statisticalreview/.

［2］IEA.Natural Gas Transportation:Organization and Regulation［R/OL］.Paris.［1994-10-31］.http://www.iea.org/publications/.

［3］IEA.Developing China's natural gas market:The energy policy challenges［R/OL］.Paris.［2012-08-31］.http://www.iea.org/publications/

［4］BOCCALETTI S.，et al.Complex networks:Structure and dynamics［J］.Physics Reports，2006，424(4):175-308.

［5］FAGIOLO G.，et al.The Evolution of the World Trade Web——A Weighted-Network Analysis［J］.Journal of Evolutionary Economics，2010，20(4):479-514.

［6］SERRANO M A，BOGUNA M.Topology of the World Trade Web［J］.Physical Review E，2003(68):15-31.

［7］LI X，JIN Y Y，CHEN G R.Complexity and Synchronization of the World Trade Web［J］.Physica A:Statistical mechanics and its applications，2003(328):287-296.

［8］段文奇，刘宝全，季建华.国际贸易网络拓扑结构的演化［J］.系统工程理论与实践，2008，28(10):71-75.

［9］程淑佳，王肇钧.复杂网络理论下世界原油贸易空间格局演进研究［J］.地理科学，2011，31(11):1342-1348.

［10］NEUMANN A.，et al.InTraGas——A Stylized Model of the European NaturalGasNetwork［J］. Resource Markets，2009(4):1-18.

［11］BARABASI A.L.，et al.Scale-free characteristics of random networks:the topology of the world-wide web［J］.Physica A，2000，281(1):69-77.

［12］谭跃进，吴俊.网络结构熵及其在非标度网络中的应用［J］.系统工程理论与实践，2004，24(6):1-3.

［13］王林，戴冠中，胡海波.无标度网络的一个新的拓扑参数［J］.系统工程理论与实践，2006，26(6):49-53.

［14］IEA.Gas Pricing and Regulation China's Challenges and IEA Experience［R/OL］.Paris.［2012-11－30］.http://www.iea.org/publications/.