环境约束下的化石能源跨期开采路径比较研究

周肖肖，魏晓平，王新宇

（中国矿业大学 管理学院，江苏 徐州 221116）

环境约束下的化石能源跨期开采路径比较研究

周肖肖，魏晓平，王新宇

（中国矿业大学 管理学院，江苏 徐州 221116）

考虑化石能源开发和使用的环境外部性与代际外部性，在动态最优开采模型基础上构建含有环境污染因子的跨期配置模型，比较考虑环境制约因素前后的开采路径，证明环境约束对化石能源消耗有复杂影响，环境作为政策工具可以调节化石能源开采强度，在一定程度上缓解了资源的稀缺性和延长了资源耗竭时间，为具有经济价值的可再生能源的出现赢得时间。应用中国相关历史数据，发现实际上环境约束没有抑制化石能源消耗，偏离了理论分析预期目标。据此提出加快矿产资源税费改革、加大环境污染治理投资、优化投资结构、建立科学环境补偿制度、促进技术进步的政策建议。

化石能源；环境约束；开采路径；优化配置

一、引 言

能源与环境问题已成为当今世界各国讨论的主题。中国正处于工业化中期，环境和能源也已成为经济增长的约束条件，节能减排工作经各方努力虽取得了一定成果，但总的能源消费仍不断增加，地区环境污染和生态破坏加剧。2012年，全国能源消费总量达36．17亿吨标准煤，较上年增长3．94%；环境污染治理投资总额为8 253．46亿元，占GDP比重1．59%，较上年增长16．02%。十八届三中全会《决定》提出划定生态保护红线，实行资源有偿使用和生态补偿制度，以期通过环境约束实现节能减排目标。因此，分析环境约束对化石能源消费的影响和作用机制，以中国数据检验历史政策是否实现目标，对于国家调整政策和积极应对能源环境挑战具有重要的理论和现实意义。

二、文献回顾

可耗竭资源（本文主要指化石能源）开采路径的研究可追溯至20世纪初的Hotelling法则［1］，在此后的40多年，很少有经济学家对这一问题作进一步研究，直到世界范围内的两次石油危机以及80年代中后期，因化石能源大量使用而导致全球气温变暖和环境恶化，才导致寻求解决问题的理论与对策呈现出前所未有的迫切性。为解决矿产资源开发利用中的环境外部性及代际外部性问题，展开了一场关于可耗竭资源最优利用及其最优开采路径等问题的讨论，并涌现出大量研究文献，其中影响最大的首推Dasgupta和Heal、Solow、Stiglitz的3篇巨作（简称DHSS模型）［2－4］。

之后，许多资源经济学家认为以DHSS为代表的初期研究，其假设严格与现实不符，而DHSS后续的研究则不断放宽条件，使理论研究更贴近现实。关于环境外部性是如何影响资源最优路径的问题，目前尚无定论，如Forster的研究将环境溢出引入资源最优开采模型中，探讨在不同情形下环境污染对资源最优开采的影响，提出抑制前期开采而放松后期开采，其结论与Hotelling不一致［5］。一些学者在构建耗竭资源相关模型时将环境污染的影响以资源税（环境税）的形式体现出来，如Eirik S．Amundsen等人认为小国不应为了强加时间庇古税而调节环境政策，可根据国外资源所有者的租金设定额外的税收［6］；Conrad等人讨论了开采税、价格税和累进利润税对资源边际品位及开采路径的影响［7］；Rowse利用模拟方法测算了资源税造成社会福利的损失，并分析了价格税对天然气跨期配置的影响［8］；Andre′Grimaud等人通过建立水平内生增长模型，发现Hotelling法则有所改变，消费者对环境质量的偏好能够减缓资源的开采，与环境税水平无关，在资源最优化开采过程中税收应递减［9］；于渤等人认为污染物的排放与经济活动总量及能源的生产与利用技术有关，可构建经济内生增长模型研究中国经济的可持续发展［10］；张彬等人构建了能源和环境双重约束下的内生经济增长模型，结果表明提高环保投资效率及其对改善环境质量的贡献率，是维持经济可持续增长的必要条件之一［11］。

上述研究中，一种做法是直接将环境污染损失用简单的资源税形式表达，考察其在可耗竭资源开采中的影响，这种简单化方式并不能完全解释可耗竭资源所带来的环境污染损失；另一种做法是将环境污染与整个经济发展联系在一起，综合考察污染、技术进步和经济可持续发展中还涉及到的资本和劳动力的流转，此由于做法关系复杂，故不易清晰地看出环境污染对可耗竭资源开采路径的直接影响。

基于上述分析，笔者认为关于环境对开采路径的影响需要进一步研究。由于化石能源的生产和使用是造成环境污染的主要来源，故将环境污染作为负效用，应用动态最优化理论，通过考虑环境污染前后对比研究，探索环境污染对化石能源开采路径的影响。同时，应用中国环境约束和化石能源相关数据对理论进行验证，对比理论和现实情况是否一致，并分析其原因，为政策制定提供依据。

三、考虑环境约束前后模型开采路径比较分析

（一）模型假设

模型建立在弱可持续性（人造资本和自然资本可以相互替代，两者之和保持不变）的前提下，相关变量及其含义见表1。

表1 变量简介表

（二）模型构建和求解

从上述相关假设和条件可得0～T时间内社会正效用函数为：

为了使模型求解更加方便，文中只考虑流量型污染对开采路径的影响，令D （At）＝0，所以0～T时间内，由于化石能源开采使用造成污染导致的社会负效用函数为：

其中式（5）为化石能源储量的运动方程，对应于原优化问题的储量变化条件；式（6）为化石能源影子价格的运动方程，当考虑剩余储量的影响时，影子价格不再是简单的指数变化；式（7）是求解优化式（3）具有内部解的一阶条件，用于确定解形式的方程；式（8）是最优控制理论中的横截条件，作用是当化石能源耗竭时间自由时补充终端条件以求解。

根据上述条件，结合储量的边界条件，求解结果为：

（三）模型显式解比较分析

由式（9）的求解结果可知，当期化石能源开采量Xt由固定值和可变值两部分组成，其中vn2为污染负效用的影响系数。

由于不同种类的化石能源预期耗竭时间（储采比）各不相同，例如煤炭资源储采比预期耗竭时间约为100年左右，石油储采比约为30年左右，天然气储采比约为40年左右。此外，不同行业的贴现率亦不相同，因此可根据不同情况设定T和r取不同值，对t＊进行模拟计算，见表2。

表2 不同耗竭时间和贴现率下时间转折点t＊取值表

尽管以上的模拟试算是在一个特殊情况下进行的，但仍然有规律可寻。从表2计算可知：

1．对于不同的化石能源，其耗竭时间（储采比）不同，模拟结果具有明显一致性规律，即从资源开发初期到资源耗竭前期或资源开发的后期：当0＜t＜t＊时，考虑环境外部性对抑制过度开采和保护稀缺资源有显著的正面影响，这个时间转折点随着贴现率r上升而向后推迟；当 T ＝80、r＝0．02、0＜t＜45时，Xt＞X＊t，则t＊在t＝45时出现；当r＝0．06、0＜t＜54时，Xt＞X＊t，则t＊在t＝54时出现。

3．在讨论环境污染对能源资源开采强度的影响时，应保证当期化石能源开采利用产生的环境污染流量不大于环境承载阈值的限制，即X≤，否则将会造成环境不可逆转的破坏，其损失无法估计，故对环境承载阈值的确定还需要进一步研究。

四、实证检验与理论研究结果比较分析

（一）变量选择与数据处理

理论研究中未涉及国内外能源的替代问题，且在研究环境问题时包括了开采和使用造成的污染，据此将当期化石能源消费总量EC作为研究的因变量。此部分主要探索现实中环境约束对能源开采的影响是否与理论相一致，环境约束指能源开采和使用导致的环境负效用反作用于能源供给的约束效果，对应于环境污染损失。环境污染损失具有基于损害和成本的两类核算方法：基于损害的环境污染损失重点评估的是健康损失、生产损失和固定资产损失；基于成本的环境污染损失采用维护成本法，衡量为避免环境污染所支付的成本［12］。本着“谁污染，谁治理”的原则，结合国家统计局统计口径，选择成本法衡量环境污染损失，为全面测评环境污染损失对能源开采的影响，选择环境污染治理投资EPI、投资结构IS（即三废投资总量／环境污染治理投资总量）和投资效率IE（1－污染损失值／环境污染治理投资值）作为其代替指标［13］。不改变数据原来协整关系，对数据取自然对数消除异方差，分别记为LEC、LEPI、LIS、LIE。样本区间为1981—2011年，数据来源于《中国环境统计年鉴》、《中国能源统计年鉴》、《中国统计年鉴》及中国环保部等相关网站。下文数据操作均在软件Eviews6上完成。

（二）相关计量分析

先从数据上简单预测环境约束和能源消耗关系，类比于能源效率（GDP／能源消费总量），本文提出能源（环境）负效率的概念，即单位能源所带来的环境污染负效益的多少，理论上能源负效率（绝对值）越小越好，并随着技术进步不断降低。由图1可知，随着时间推移，能源负效率总体上呈加速递增的趋势，在2006年、2009年和2011年有所下降，但是总体发展趋势不变，说明当前中国能源（环境）负效率呈不理想的递增趋势，而两者之间的具体相关关系还需进一步计量分析。

图1 能源（环境）负效率（绝对值）趋势图

1．VAR模型的统计检验。为防止时间序列数据的“伪回归”现象，应用ADF方法进行数据平稳性检验。单位根检验结果表明各变量均在10%的水平上一阶单整，据此建立VAR模型，其根均在单位圆内说明VAR模型满足稳定性条件。依据相应准则，从表3可以看出建立VAR（2）模型比较合适。

表3 滞后期评价统计量表

化石能源消耗量LEC的方程检验结果为：

根据检验结果可知统计量都通过检验，统计效果良好，可进行协整检验。

2．协整检验。多变量协整关系的分析多采用Johasen方法，而采用单位根统计量检验法和最大特征值检验法可确保协整检验结果的准确性，检验结果见表4。

从表4可知，在5%显著水平上存在协整关系，协整方程为：

协整方程表明，环境污染治理投资、投资结构和投资效率与化石能源消耗之间存在长期关系，与理论研究结果不一致的是：第一，环境约束并没有对化石能源的开采和消耗产生阻碍作用，环境污染治理投资变化1%，就会引起化石能源消耗同向变化0．424%，没有达到抑制开采的预期效果；第二，投资结构对化石能源消耗具有正向影响，说明当前投资结构不合理，污染治理投资中对工业污染源治理比重较大，在一定程度上为消耗化石能源再次污染提供了条件，造成了“污染—治理—再污染”的恶性循环，故应加大其他方面的投资，尤其是新建项目污染防治投资要实现绿色生产，而环境污染治理投资核算应加入生态建设投资，加快生态环境的补偿和恢复工作；第三，投资效率对化石能源消耗具有促进作用，原因在于投资效率的提高给人们造成了“污染容易治理”的错觉，导致精神麻痹及对污染的轻视，反而促进了化石能源消耗，因此需要严格核算投资效率，构建更全面的污染损失核算体系，以达到警示效果。

表4 Johasen协整检验结果表

3．Granger因果检验。为更加明确变量间的关系，进行Granger因果关系检验，结果见表5。

表5 Granger因果关系检验结果表

从表5可以看出滞后2阶时，环境污染治理投资、投资结构和投资效率均是化石能源消耗量的Granger原因，说明上述因素与化石能源消耗之间存在数值上的因果关系。由于实施环境约束的年限较短，污染治理的滞后影响效果较长，分析其短期影响不具重要意义，因此不再进行短期关系的分析。

五、结论与建议

对比分析考虑环境污染负效用前后的化石能源最优开采路径，发现环境负效用直接影响化石能源开采强度，在开采前期具有抑制作用，与经验性认知结果一致，证明环境变量是调节资源开采强度的政策工具；比较基于中国相关历史数据实证检验和理论预期，发现现实中环境约束并没有对化石能源消耗起到预期的抑制作用，反而在数据上表现出促进关系，与理论结果相悖，说明当前中国的环境约束在污染治理的投资力度、投资结构和效率方面都存在问题。因此，建议如下：

1．提高环境税率，加大环境污染治理投资。2000—2008年中国环境税费占GDP的平均比重仅为0．72%，远低于OECD国家2．5%的参照标准；矿产资源补偿费自开征到2012年，平均只占矿产品销售收入的1．18%，2009年实际收取费率只占矿产品销售收入的0．63%。超低的税率不仅不足以影响和改变开采者的行为，更难以体现环境税和资源补偿费的制度价值，反而助长了矿产资源的过度消耗。环境污染治理投资相应减少，根本不能应对恢复环境破坏的要求。因此，为了化石能源的可持续利用，必须正本清源，理顺经济关系，加快矿产资源税费改革，提高环境税和资源补偿费率，逐渐逼近国际通行权利金水平，以较高的环境税倒逼资源消耗减缓。

2．建设差序格局的环境补偿制度，优化环保投资结构。环境污染治理投资中对工业污染源治理投资较重，相对削弱了污染防治投资，陷入了先污染后治理的困境。加大投资力度并调整投资比重，污染治理和防治同步进行，实现绿色生产。因此，环境污染治理投资中并不包含生态建设，应加强环境补偿，包括价值补偿和生态恢复，当前中国能源资源富集区的生态补偿费征收水平非常低，根本不足以补偿因资源开采造成的生态污染环境破坏损失，应扩大补偿费来源，提高征收比率，确定优先补偿顺序，并根据区域经济发展和环境污染状况调整矿产资源开采布局［14］。

3．加大科研投资，促进技术进步，早日实现新能源替代。利用环境约束抑制化石能源消耗，保障经济可持续发展所需能源，必须发展后备技术。目前发展中国家（中国、印度）实现技术替代的可能性不大，经济价值较低，唯有促进生产技术进步和提高资源利用率，才能降低生产过程中的污染排放和减少不可修复的环境污染，才能加速治污技术进步和减少环境破坏，提高事后环境可恢复水平［15］。同时，加强国际间合作，发展后备技术，以期早日实现新能源替代，共谋可持续发展。

［1］ Hotelling Harold．The Economics Of Exhaustible Resources［J］．The Journal Of Political Economy，1931（1／2）．

［2］ Dasgupta P，Heal G．The Optimal Depletion of Exhaustible Resources［J］．Review of Economic Studies，1974，41．

［3］ Solow R M．Intergenerational Equity and Exhaustible Resources［J］．Review of Economic Studies，1974，41（5）．

［4］ Stiglitz J E．Growth with Exhaustible Natural Resources：Efficient and Optimal Growth Paths［J］．Review of Economic Studies，1974，41．

［5］ Forster Bruce A．Optimal Energy Use in a Polluted Environment［J］．Journal Of Environmental Economics And Management，1980（4）．

［6］ Amundsen Eirik S，Ronnie Schob．Environmental Taxes on Exhaustible Resources［J］．European Journal of Political Economy，1999（2）．

［7］ Conrad R F，HoolR B．Intertemporal Extraction of Mineral Resources Undervariable Rate Taxes［J］．Land Economics，1984（4）．

［8］ Rowse J．On Ad Valorem Taxation of Nonrenewable Resource Production［J］．Resource and Energy Economics，1997（3）．

［9］ Andre Grimaud，Luc Rouge．Polluting Non－renewable Resources，Innovation and Growth：Welfare and Environmental policy［J］．Resource and Energy Economics，2005，27（2）．

［10］于渤，黎永亮，迟春洁．考虑能源耗竭、污染治理的经济持续增长内生模型［J］．管理科学学报，2006（4）．

［11］张彬，左晖．能源持续利用、环境治理和内生经济增长［J］．中国人口·资源与环境，2007（5）．

［12］杨丹辉，李红莉．基于损害和成本的环境污染损失核算——以山东省为例［J］．中国工业经济，2010（7）．

［13］何凌云，祝靖然，边丹册．我国环保投资对环保产业发展的影响——基于全国和区域样本数据的经验分析［J］．软科学，2013（1）．

［14］李国平，郭江．煤炭资源开采中的生态环境经济损失及补偿研究［J］．统计与信息论坛，2013（11）．

［15］Erika Farnstrand Damsgaard．Exhaustible Resources，Technology Choice and Industrialization of Developing Countries［J］．Resource and Energy Economics，2012（3）．

Comparative Study on Optimum Extraction of Fossil Energy under Environment

ZHOU Xiao-xiao，WEI Xiao-ping，WANG Xin-yu
（School of Management，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China）

Due to the scarcity and non－renewal of fossil energy，the key to sustainable development and utilization of it is to solve the environmental externality and inter－generational externality coming from resources exploitation．A new intertemporal allocation model with environment pollution was established to compare the path of exploitation with environmental constraints or not based on the research of dynamic optimal exploitation model．The result shows that environmental constraints have impaction on the path of exploitation．As policy instruments，environmental constraints can adjust exploitable intensity of energy resources，alleviate the scarcity of resources，prolonged depletion of resources and buy time for finding the economical renewable energy．With the comparison between the theoretical study and empirical test getting from historical data of environmental constraints and fossil energy consumption in China，we found that environmental constraints didn＇t impede the exhaustion of fossil energy，which is digress from the expected goals．Accordingly，some advices were given in the end such as accelerating reform of the mineral tax，strengthening environmental pollution control investment，improving the investment structure，establishing a scientific system of environment compensation and advancing the technical progress．

fossil energy；environmental constraints；path of exploitation；optimal distribution

F42

A

1007－3116（2014）07－0103－06

2014－01－03；修复日期：2014－04－14

国家社会科学基金重大项目《我国矿产资源跨期优化配置机制研究》（11＆ZD163）；教育部人文社会科学研究项目《西部矿产资源开发的利益共享机制及政策设计研究》（13YJCZH260）；江苏省教育厅社会科学项目《环境约束下矿产资源跨期最优开采及规制策略研究》（2013SJD790060）；中央高校基本科研业务费专项资金《技术进步对矿产资源跨期最优开采路径影响研究》（2013W16）；中央高校社会科学基金项目《我国煤炭资源开发准入退出机制研究》（2012W19）

周肖肖，女，安徽宿州人，博士生，研究方向：能源经济与管理；

魏晓平，女，黑龙江鹤岗人，教授，博士生导师，研究方向：资源经济与管理；

王新宇，男，江苏新沂人，管理学博士，教授，博士生导师，研究方向：管理科学，系统工程。

（责任编辑：郭诗梦）