基于DEA方法的中国大气环境效率评价研究

金 玲 杨金田

(1.中国环境科学研究院，北京 100012;2.环境保护部环境规划院，北京 100012)

引 言

近年来，中国的经济发展取得了巨大的成就，大量的研究文献使用产业数据、省际数据等从多个角度证明了中国的生产率和经济效率在改革开放后得到了大幅度提高，研究结果还显示出东部地区获得了远比中西部地区更高的经济效率(Zheng，Liu and Bigsten，2003)。但是这些研究无一例外忽略了环境污染的成本对经济效率的影响。追求经济发展质量是我国经济发展的必然选择，通过提高环境效率缓解经济发展过程中的资源环境压力。随着大气环境却持续恶化，空气污染问题日益严峻，研究考虑大气环境因素的效率，分析经济增长与大气环境污染之间的协调关系具有重要意义。

1 环境效率

1.1 环境效率的概念和应用

环境效率是一个环境与经济发展相结合的概念，其基本理念是在不增加环境负荷的情况下，经济产出保持现状或扩大规模，从而提升社会整体福利水平，实现人类的可持续发展［1－2］。环境效率以单位环境投入(或污染物排放量)获得经济产出来衡量，是连接经济与资源环境的关键指标，体现了环境和经济协调发展的程度。

环境效率根据研究对象的不同，可以分为微观、中观和宏观三个层次。微观针对企业层面，如何做到清洁生产，如何用最少的资源和环境压力创造尽可能多的产品或服务，更多的关注市场价值的获得。随着研究的深入，环境效率的概念内涵和范围扩展到中观的行业层面和宏观的国家层面，强调尽可能少地影响环境同时创造尽可能多的经济价值，是衡量宏观经济体可持续发展的重要度量指标。

1.2 环境效率的评价方法

要深入研究环境效率，就需要使用恰当的方法进行实证研究和定量评价，其中“生命周期评价”(Life Cycle Assessment，LCA)方法和“数据包络方法”(Data Envelopment Analysis，DEA)方法是最常用的两种方法。

“生命周期评价”方法是指评估特定产品在它的从生产、使用到回收整个生命周期中，对环境造成的影响。包括原材料的提取与加工、制造、运输、使用、和最终处理，对资源、能源消耗和废物排放对环境造成的潜在影响进行评价，量化其对环境的影响，进而得到其环境效率。LCA方法显然更适合微观和中观层面的环境效率评价，不能运用于宏观环境效率的评价。

另外一种评价环境效率的方法是使用“数据包络分析”方法，DEA方法是评价相对效率的一种非参数线性规划方法，基本思想是满足以最少的投入获得尽可能多的产出，以实现最佳的经济效率。

随着DEA方法的应用不断扩展，许多学者开始探讨将DEA方法应用于宏观层面的环境效率评价。柯健、李超［3］吧资源、环境作为投入变量，经济增长作为产出变量，使用DEA初始模型CCR模型评价了中国各地区资源、环境与经济发展的协调性。孙广生等在将DEA模型应用于工业生产环境效率的分析，并运用1997年各地区工业生产数据进行了实证评价。向书坚、吴淑丽［4－5］运用面板数据对中国各省的废气治理效率极其影响因素进行了分析，但是他将环境治理过程从生产过程中分离出来，不能很好地评价各地大气环境污染与经济发展的协调关系。

目前国内外学者运用DEA模型对于环境效率的研究，而针对大气环境效率评价的文献尚未查到，从大气环境污染的角度专门研究环境效率具有重要的理论和现实意义，对于如何协调经济发展和大气污染问题具有重要作用。

本文拟从大气环境污染的角度对各省经济发展效率情况进行评价，从横向和纵向两个方面研究中国经济发展和大气污染物排放的效率关系，从实证角度解释我国各省近年来大气环境效率的变化趋势及东中西部及东北地区的特点和存在问题，为促进我国经济可持续发展和制定大气环境管理政策提供依据。

2 研究方法

2.1 数据包络分析简介

数据包络分析(DEA)方法最初由Charnes、Cooper和Rhodes(1978)基于Farrell(1957)关于生产效率的观点提出，用于评估公共部门和非营利部门的效率。数据包络分析(Data Envelopment Analysis，简称DEA)是由美国管理科学家查内斯(A.Charnes)、库珀(W.Cooper)等于20世纪70年代末提出的一种新的评价和分析组织效率的方法。与其他传统方法相比，DEA在分析具有多种投入(输入)和产出(输出)的决策单元(组织)的相对效率时具有十分突出的优势，已经成为了组织效率分析的一个重要的工具。

相比其他评价方法而言，DEA方法的优点是不需要预先估计参数，在避免主观因素、简化运算、减少误差等方面有着明显的优越性。

DEA模型在环境领域应用时主要采用了两种基本DEA模型——CCR和BCC模型。两者的区别在于CCR仅能计算综合效率，而BCC模型可以将综合效率分为纯技术效率和规模效率，能够更加有针对性地分析DEA无效的原因。另外，CCR模型假设固定规模报酬，而BCC模型假设可变规模报酬，考虑到资源环境与经济发展的关系，作者认为在应用DEA评价大气环境效率时应优先选择BCC模型，更贴近经济生产实际。

2.2 DEA应用的步骤

应用DEA方法进行大气环境效率评价，总体上分为以下几个步骤，如图1。

图1 基于DEA模型的大气污染物省际分配方法框架图

2.3 模型选择及其基本形式

BCC是1984年 Banker，Charnes和Cooper提出的，它是专门用来评价决策单元的技术有效性的。BCC模型考虑到在某些情况下，生产可能集用锥性定理来描述可能缺乏准确性，因此在CCR模型提出了不考虑锥性定理的BCC模型。锥性定理即经济学中的可加性定理:若以投入量x的k倍进行输入，那么输出量也以原产出的k倍产出。

假设有n个决策单元，每个决策单元都有m种投入和s种产出，用xij(xij＞0，i=1，2，……，m)代表第j个决策单元对第i种类型输入的投入量;用yrj(yrj＞0，r=1，2，……，s)代表第j个决策单元对第r种类型输出的产出量;vi为第i种输入的权系数，ur为第r种输出的权系数。并记:

其中:n为决策单元个数;θ0为决策单元的有效值，λj为相对于DMU0重新构造一个有效组合中第j个决策单元的组合权重比例;s+，s－是松弛变量。

①当θ=1且s－=s+=0时，则称该决策单元为DEA有效，即该单元在原投入X0的基础上所获得的产出Y0已达到最优;该决策单元的综合效率同时为纯技术有效和规模有效;

②当θ=1且s－≠0或s+≠0时，则称决策单元为弱DEA有效。决策单元不同时为纯技术有效和规模有效。

③当θ＜1时，D决策单元为DEA无效，决策单元既不是纯技术有效，也不是规模有效。

3 指标选取

选取投入产出指标是应用DEA模型的一项基础性的前提工作，不同的指标可能导致结果的巨大差异。通常指标选取要遵循以下几个要求:

一是全面性。指标选取要兼顾信息的全面性，投入产出之间要有联系，保证所选指标尽可能全面反映生产过程。

二是代表性。要考虑指标之间的相关性，如果投入、产出指标与其他投入、产出指标之间存在较强的相关关系时，可以认为该指标包含的信息已经在其他指标中有所反应，不必再重复选取。

三是指标数量。如果指标选取过细过多，将导致DEA有效单元数目增加，不利于比较和分析。如果指标选取过少，不利于发现系统中的问题，无法提供充分全面的信息。Cooper认为决策单元的个数应该大于投入产出个数之积的三倍。

四是数据可得性，应选取易于收集数据的投入产出指标。

根据指标选取要求，初步选取了应用于大气污染物省际分配的DEA模型投入产出指标。

投入指标:经济学在分析投入时，一般会涉及三个方面:劳动力、资本。另外，能源也是经济生产活动总必不可少的投入，同时也与大气污染物排放密切相关。采取将非期望产出作为投入指标处理方法。最终确定投入指标包括各省区市能源消耗总量、就业人数①根据《中国统计年鉴2011》中的解释，指在16周岁及以上，从事一定社会劳动并取得劳动报酬或经营收入的人员。这一指标反映了一定时期内全部劳动力资源的实际利用情况。、固定资产投资、SO2排放量、NOx排放量、烟粉尘排放量6项指标。产出指标:要能够反映各省、区、市经济产出的指标，这里选取地区生产总值(GDP)。

4 模型求解与结果分析

按照以上指标，选取2006—2012年的数据来源于《中国统计年鉴》，将数据导入DEA SOLVER 3.0软件求解，具体结果见表1。

表1 基于DEA模型得出的我国各省大气环境效率值(2006－2011年)

②根据国家统计局2011年6月13号的划分办法，将我国的经济区域划分为东部、中部、西部和东北四大地区。东部包括:北京、天津、河北、上海、江苏、浙江、福建、山东、广东和海南。中部包括:山西、安徽、江西、河南、湖北和湖南。西部包括:内蒙古、广西、重庆、四川、贵州、云南、西藏、陕西、甘肃、青海、宁夏和新疆。东北包括:辽宁、吉林和黑龙江。

大气环境投入与社会经济产出达到了相对协调的状态，技术和规模效益都有效．表1中评价得分较低的省份说明，在付出一定大气环境污染代价的情况下，所得到的经济产出没有达到最佳状态，这一评价结果与当地的大气环境污染状况也是相符的。

4.1 地区平均效率分析

首先将基于DEA模型计算的大气环境效率与不含大气污染指标的纯经济效率与进行对比分析，见图2。2006－2011年纯经济效率平均值为0.78，而在加入二氧化硫、氮氧化物和烟粉尘排放量三项大气污染物指标后，全国平均效率水平大幅下降，历年大气环境效率始终在低位徘徊，平均值仅为0.46，为纯经济效率的60%。说明在考虑大气环境污染的情况下，技术和经济效率将会受到一定程度的影响，大气环境污染造成了较大程度的效率损失，也意味着在不考虑大气环境污染因素时进行的效率评价是失真的和不符合实际的，使用含有大气污染指标的效率评价更能体现经济发展的质量，评价结果真实可靠。

图2 2006－2011年我国大气环境效率与纯经济效率对比

对近年来效率值的变化趋势进行分析，2006年－2011年我国纯经济效率稳重有升，始终保持在0.75～0.80之间。而2006年－2011年我国大气环境效率呈现明显的上升趋势，由2006年的0.41提高到2011年的0.52。说明“十一五”时期，国家明确提出了节能减排约束性目标，要求单位GDP能耗在五年内降低20%，主要大气污染物排放削减10%，这是我国首次将节能减排约束性指标纳入五年规划纲要，国家层面采取了一系列积极政策措施，使得全国范围内的节能减排指标顺利完成，实现了增产不增污，促进了大气环境效率的提高。

4.2 地区大气环境效率及差异

对中国30个省的大气环境效率进行分析，并把其分为东部、中部、西部和东北地区2四个区域进行对比。根据表1数据分析可得，2006－2011年四大区域的环境效率平均值排序为东部地区＞中部地区＞东北地区＞西部地区，东部地区平均大气环境效率均在0.57以上，一直保持着中国经济和环境协调发展的领先者，可以认为其属于经济发展与大气环境保护较协调的地区;中部地区和东北地区大气环境效率基本稳定在0.4～0.5之间，可判断其为经济发展与大气环境污染协调能力一般地区;西部地区环境效率呈现较低水平，一直维持在0.3左右的水平，可认为其是经济发展与大气环境污染协调能力较差的地区，及这一地区不能够兼顾两者之间的关系，经济发展与环境保护处于矛盾对立层面。总体来看，越发达的地区大气环境效率越高，发达地区在经济水平和发展阶段上处于领先地位，相应的大气污染治理技术水平也越高，在环保投入方面也越多。而西部欠发达地区经济发展模式依然粗放，单位GDP排放强度较高，经济发展以牺牲环境空气质量为代价。

图3 我国各省区大气环境效率的标准差

分析大气环境效率值的标准差，能够反映出各省的地区差距，2006年标准差为0.178，之后逐步上升到2011年的0.284，说明各地的大气环境效率的差距逐渐扩大化。

5 研究结论与建议

大气环境效率是经济增长与大气环境污染之间协调性程度的度量。本文采用2006－2012年面板数据，对中国30个省大气环境效率进行了研究，分析了东部、中部、西部和东北地区大气环境效率的变化趋势与地区差异。研究表明:2006－2011年全国大气环境效率整体呈现上升趋势，东部地区效率值最高，西部地区效率最低，地区效率差距逐年扩大。为此提出以下建议:

第一，东部地区在提高工业废气治理纯技术效率的同时应注意提高其工业废气治理规模效率;

第二，各地区在投入资本进行环境治理时应注重资源的优化配置，以免影响工业废气治理规模效率;

第三，在产业结构方面，一方面要加快产业结构升级，大力发展第三产业，另一方面要强化走新型工业化道路，提高产业的科学技术水平;

第四，在对外贸易和外商直接投资方面，要优化对外贸易结构，注重提升生产技术和环境治理的科技水平，在引进外资的同时要注意消化吸收其先进的管理、工艺和环境治理技术;

第五，目前排污费制度并没有对中国工业废气治理产生积极的促进作用，因此政府应综合运用多种经济、法律和行政方式对排污企业进行治理，以产生更好的治理效果;

第六，企业在努力获取经济利益的同时应注意承担其社会环境责任，注意改进其自身的环境管理能力，提高生产工艺的环境治理技术水平，最终提高工业废气治理技术效率。

［1］卞亦文．基于DEA理论的环境效率评价方法研究［D］．［出版地不详］:中国科学技术大学，2006．

［2］罗艳．基于DEA方法的指标选取和环境效率评价研究［D］．［出版地不详］:中国科学技术大学，2012．

［3］柯健，李超．基于DEA聚类分析的中国各地区资源、环境与经济协调发展研究［J］．中国软科学，2005(2):144－148．

［4］向书坚，吴淑丽．中国工业废气治理技术效率及其影响因素分析［J］．数量经济技术经济研究，2012(8):79－91．

［5］吴淑丽，昌先宇，谭竿荣．中国环保投资废气治理效率差异及其影响因素研究——基于29省市面板数据的分析［J］．统计教育，2010(5):16－23．

［6］金玲杨金田等．基于DEA模型的我国大气污染物省际分配方法［J］．环境与可持续发展，2013(3):21－25．

［7］金玲，蒋春来，杨金田．“十二五”水泥行业氮氧化物控制技术的经济分析［J］．环境与可持续发展，2012，37(5):19－23．

［8］蒋春来，杨金田，金玲等．“十二五”水泥行业NOX总量减排形势分析及对策探讨［J］．环境与可持续发展，2012，37(6):26－32．

［9］王淑兰，云雅如，胡君等．情景分析技术在制定区域大气复合污染控制方案中的应用研究［J］．环境与可持续发展，2012，37(4):14－20．

［10］云雅如，王淑兰，胡君等．中国与欧美大气污染控制特点比较分析［J］．环境与可持续发展，2012，37(4):32－36．