基于EKC理论的经济增长与环境质量协整关系分析∗——以广东省为例

卢洪友 张靖妤

基于EKC理论的经济增长与环境质量协整关系分析∗
——以广东省为例

卢洪友 张靖妤

在环境库兹涅茨曲线假说的基础上,利用时间序列数据和协整技术分析探讨了广东省1995－2012年环境质量与经济增长的关系。文章选取二氧化碳(CO2)和二氧化硫(SO2)为环境质量指标,人均GDP为经济增长指标,研究结果表明,两类空气污染物与人均国内生产总值存在长期协整关系。进一步地,二氧化硫排放和经济增长存在倒U型关系,符合EKU假说,人均收入拐点出现在25001.72元左右(以2000年价格为基期);而二氧化碳排放和GDP呈现正向关系。此外,因果检验结果表明,不管在短期或长期,广东省的经济水平和环境因素为单向因果关系,即经济发展导致环境质量变化,而非反向影响。这意味着推行污染减排政策和加大环境污染治理的费用投入并不会阻碍经济增长。对于广东而言,提升环境治理水平、提高环境质量可能是实现经济长期可持续增长的有效政策工具。

经济增长;环境质量;环境库兹涅茨;协整;广东

一、引 言

广东省是中国经济增长最快的省份之一,GDP一直保持每年约10%的速度增长。快速的经济增长提高了人们的生活质量和社会福利水平,但与此同时广东付出了严重的环境代价。作为南方最大流域的珠江口已成为仅次于渤海湾的全国第二个重点污染海域;广东每年酸雨频率居高不下,成为酸雨重灾区,66.7%以上的城市受酸雨污染,包括广州市在内的17个城市已被国务院纳入酸雨控制区。广东省水环境监测中心的调查显示,全省每年由于水环境污染造成的直接经济损失达260亿元,每年因酸雨污染造成的经济损失达40多亿元。随着经济的发展和工业化、城市化的不断推进,环境污染与经济增长之间的关系日益受到重视。国外环境经济学家关于经济增长与环境变化关系的研究中,最著名的是库兹涅茨环境曲线(EKC)假说。Grossman&Krueger(1991)的实证研究首次表明,环境质量和经济发展之间存在“倒U型”关系,即在经济发展的初始阶段,人均收入的增加伴随着环境恶化程度的加剧;但随着人均收入水平越过某个拐点,环境质量开始提升。由于类似于库兹涅茨1995年提出的收入和不平等水平之间的关系,这种环境发展模式被称为环境库兹涅茨曲线(Selden&Song,1994)。

按照环境库兹涅茨曲线的观点,在经济发展初期环境污染不可避免,随着经济增长,环境污染问题将得到改善。但如果地区发展忽视环境保护,单纯依靠经济增长自动解决环境问题,后果将十分严重。因为环境污染程度一旦超过了生态系统对应的不可逆转值,即使日后经济水平到达环境库兹涅茨曲线的拐点,环境破坏也会愈演愈烈。如图1所示,只有配合适当的环境保护政策,将环境恶化的峰值控制在不可逆转值之下,环境质量得到改善才会成为可能,这也是强调政府采取行动治污减排的意义所在。

因此,环境库兹涅茨曲线从宏观上为观察经济增长与环境质量的演进提供了经验性的分析,表明经济增长和环境质量存在某种必然联系。为了研究地区性的这种联系,本文选取广东省1995－2012年相关的经济发展和环境污染数据,利用时间序列和协整分析方法,检验广东省环境库兹涅茨曲线,并进一步探讨广东省经济增长与环境质量的变化规律。

图1

二、文献综述

国内外学者对环境质量与经济增长之间的关系进行了长期大量的探讨。对于环境库兹涅茨曲线的研究主要集中于对人均收入和污染指标等其他变量的回归分析。主要分为两大类环境指标:空气质量指标和污染排放指标。Grossman&Krueger(1995)选取了城市空气二氧化碳浓度、空气颗粒物等14类污染物指标,发现除了PM10随着经济增长单调减少,其余13类污染物和人均收入呈现倒U型关系。在人均收入到达8000美元后,大部分环境问题开始改善。类似地,Shafik&Bandyopadhyay(1992)基于149个国家的投资增长、能源替代、贸易开放度等指标,建立GDP对数和多类污染物指标的多项式,发现在森林退化和城市空气质量恶化方面出现倒U型关系。另一方面,Selden&Song(1994)则关注地方污染排放,他们发现二氧化硫对应的人均GDP拐点出现在10000美元,略高于氮氧化物和碳排放的收入,在被研究的国家中大部分收入拐点都较高,未来全球污染排放将继续增加。Levinson(1998)引入汽车尾气的铅污染,以汽油含铅量和汽油消费量分别作为污染强度和污染活动指标,进一步证实了环境库兹涅茨曲线的存在,通过分别估算两类指标对国民收入的影响,发现伴随收入的增长,环境质量的改善主要取决于减少污染强度,而非遏制污染活动。

根据EKC的假设,经济发展将在未来改善环境问题,但在实证检验环境库兹涅茨曲线过程中,却发现环境质量和经济之间的关系并非总为倒U型。Holtz Eakin&Selden(1995)基于全球40多个国家的面板数据进行敏感性分析,发现尽管随着经济的发展,二氧化碳边际排放量递减,但全球排放的二氧化碳将继续以1.8%的速度增长,环境污染和经济增长是一种单调关系。Hettige等(2000)利用工业废水污染探讨了收入和环境质量的关系,发现废水污染随着经济发展加剧。de Bruyn等(1998)研究了4个国家包括二氧化碳、氮氧化物和二氧化硫在内的污染物,得出污染排放和收入正相关,但随着经济结构改变和技术效应的产生将有望实现减排。

有关环境库兹涅茨曲线早期的研究,大部分使用跨国面板数据来估计各种环境指标和人均收入之间的关系,然而从严格的计量经济学的观点来看,尽管其中一些研究给出了支持环境库兹涅茨曲线假说的证据,但并不表明每个样本国家将会遵循相同的污染发展路径。因此从跨国面板数据转向单一国家时间序列数据研究也成为了EKC研究的新趋势。Akbostanci等(2009)认为,只有单一国家的研究才能提供不同污染物EKC是否存在的答案。他们对土耳其1968－2003年二氧化碳、二氧化硫和可吸入颗粒物排放进行了传统参数回归,结果不支持EKC的假说,并得出结论,土耳其环境空气污染不会随着经济增长自动消失。Lindmark(2002)指出,受各国具体形态特征影响,一国时间序列数据比跨国面板数据能更有效分析EKU模式的动态演变。Francis Tan(2014)认为特定国家或地区的案例研究优于跨国的整体分析,因为实证分析在总体层面无法捕捉和解释每个国家经济环境的复杂性及各国的历史。

刘燕等(2006),于峰、齐建国、田晓林(2006)以二氧化硫、工业三废排放量等指标表征环境污染水平,利用省级面板数据考察国家层面的经济发展与环境之间的关系,研究结果表明我国的经济增长与工业废水、二氧化硫之间表现为一种倒N型曲线关系,与工业废气之间表现为N型曲线关系,而只有与工业固体废物之间表现为一种倒U型曲线关系。对于不同地区、不同污染物而言,经济增长与环境质量之间的关系不尽相同,表现为环境库兹涅茨曲线呈现地域性和时间性差异。针对省级地区层面,杨丹辉、李红莉(2011)引入山东省污染物排放指标和环境监测指标,建立11种环境指标与人均GDP之间的计量经济模型,结果显示尽管部分环境指标处于下行通道,但山东省环境目前整体状况和未来趋势不容乐观。徐彤(2011)使用2000－2007年陕西省10个地区面板数据,考察陕西省经济增长、环境污染及产业结构之间的关系。研究发现:自西部大开发以来,随着陕西省经济不断增长,部分工业污染物排放量出现先下降再回升的变化趋势;在经济发展水平较低的地区,工业污染物排放总量和增量较少;在经济增长水平中等的地区,工业污染水平在快速上升;只有经济增长达到较高水平时,工业污染物的排放量才会开始下降。对于我国经济增长和环境质量的研究,因研究方法、样本数据、实证模型等的不同而呈现出丰富的研究结论。本文试图从长期协整关系的角度考察地区性空气污染物与人均国内生产总值之间的相互作用,检验广东省环境库兹涅茨曲线,进一步探讨广东省经济增长与环境质量的变化规律。

三、指标选取与数据

在实证分析中,本文采用广东省1995－2012年时间序列数据,数据皆取自《中国环境年鉴》《中国能源统计年鉴》《广东统计年鉴》,并由此整理所得。为了消除数据的剧烈波动以及异方差的影响,所有变量数据转化为对数形式。

一是经济增长指标。本文选取人均GDP作为经济增长的衡量指标,考虑到名义人均GDP无法剔除价格波动的影响因素,故选择以2000年的价格为基期,计算1995－2012年实际人均GDP。

二是环境污染指标。本文选取二氧化硫SO2排放量(万吨)和二氧化碳CO2排放量(万吨)作为环境质量的影响指标,以上均为年排放量数据。在环境指标的选取上,取决于数据的可得性和代表性,二氧化硫和二氧化碳分别主要引起地方和全球性环境问题。在广东,导致二氧化硫排放的主要经济活动是煤炭和化石燃料的燃烧,化学工厂制造和汽车尾气。二氧化硫的排放对人体健康有严重的影响,引起肺损伤和其他呼吸系统疾病;同时对自然环境造成损害,导致局部地区酸雨的产生。相比之下,二氧化碳影响涉及全球,范围更广,也是当今全球变暖的主要驱动力之一。

由于广东省的二氧化碳排放量数据无法直接获取,需要进行测算。目前已经得到认可的二氧化碳排放公式为:

其中,EMc、EMo、EMg分别为煤炭、石油、天然气的消耗标准煤量,而fc、fo、fg对应煤炭、石油、天然气消耗的碳排放系数。表1为化石燃料的二氧化碳排放系数。

表1 化石燃料的二氧化碳排放系数

四、模型构建

本文基于Fodha(2010)的分析框架设定模型,分析广东省二氧化碳、二氧化硫两类空气污染物排放和经济增长的关系。长期经济增长与环境质量之间的关系可以表示为收入的对数形式,本文加入人均GDP的三次方项来捕捉污染与收入之间可能会存在的三次关系,方程设定如下①与使用截面数据和面板数据的模型不同,我们没有纳入如人口密度、贸易强度、空间活动强度等其他影响变量。本文实证目的主要是检验环境恶化和经济增长之间的协整关系,引入额外变量并不会消除数据单位根以及变量的内生性问题。:

CO2为二氧化碳排放量(万吨),SO2为二氧化硫排放量(万吨),Y为人均GDP。α1、α2、α3分别为二氧化碳排放对人均GDP、人均GDP二次方、人均GDP三次方的长期弹性系数。

公式(1)(2)刻画了环境—经济关系的各种形式。以二氧化碳为例:

α1＞0,α2＝α3＝0,环境污染和经济单调递增;

α1＜0,α2＝α3＝0,环境污染和经济单调递减;

α1＞0,α2＜0及α3＞0,环境污染和经济呈现N型关系;

α1＜0,α2＞0及α3＜0,环境污染和经济呈现倒N型关系;

α1＜0,α2＞0及α3＝0,环境污染和经济呈现U型关系;

α1＞0,α2＜0及α3＝0,环境污染和经济呈现倒U型关系,即符合EKC假说。环境库兹涅茨曲线的收入拐点Y＝e(－0．5α1/α2)。理论上,我们希望看到α3＝0的前提下,α1为正,表明经济增长伴随更多的二氧化碳排放到环境中;α2为负,意味经济经过一定程度的增长,清洁技术变得更先进,经济开始发挥对污染排放的抑制作用。

五、实证检验

实证估计的目的是检验经济和环境变量之间如何相互作用及其长期动态因果关系。本文基于时间序列数据分析环境库兹涅茨曲线,如果变量为非平稳时间序列,有可能导致经济指标和环境质量指标的虚假回归,数据的平稳属性决定了检验方法的选取。为此,我们利用ADF、PP、KPSS这三类单位根检验方法,以检验变量的时间序列平稳性,其中选择KPSS检验是作为对ADF和PP检验的补充;其次,在变量为一阶单整的基础上,对变量进行Johansen协整检验,以选择合适的因果检验模型。如果Johansen检验显示变量不存在协整关系,则在向量自回归模型(VAR)一阶差分的基础上进行因果检验;反之,则基于误差修正模型(ECM)。因此,第三步是选择适当类型的因果检验。

Johansen协整检验用于估计多元环境下不同协整变量的个数及协整关系的参数。对于本文模型,检验包括以下四维VAR模型:

其中,Xt＝(Ln P,Ln Y,(Ln Y)2,(Ln Y)3)′,Ln P表示二氧化碳和二氧化硫排放量的对数,Ln Y、(Ln Y)2、(Ln Y)3分别是人均GDP对数的n次方。σt是代表时间趋势的k×1阶向量,衡量由于技术创新等原因导致环境质量改善。

进一步,方程(3)可改写为误差修正形式:

根据(3),环境和经济因素可能存在两类独立的因果关系来源。即如果向量中的调整系数λ≠0,则模型通过误差修正项,显示污染物排放量和人均收入存在长期均衡关系;如果λ＝0,则通过滞后动态项,滞后差分项的系数表明存在短期动态。鉴于环境和经济因素可能存在短期动态和长期均衡两种关系,下文分别进行短期格兰杰因果检验和弱外生性检验。

在进行实证估计之前,对数据的单位根进行检验。表2为单位根检验结果。可以看到,所有的变量在经过一阶差分后变得平稳。因此,我们认为所有的变量都是一阶单整。非平稳变量如果存在协整关系,有可能出现虚假回归,导致结果不可靠。因此,我们继续检验变量的长期协整关系。为了确定协整关系的数量,我们使用迹检验和最大特征值检验。迹检验的原假设为最多存在r个协整向量。检验从最多存在0个协整关系的原假设开始,如果原假设被拒绝,则下一次的原假设中协整向量个数设为1,依次进行,直到接受原假设。对于最大特征值检验,原假设为刚好存在r个协整向量,被择假设为刚好存在r+1个协整向量,同样地,检验从0个协整向量开始。

表2 单位根检验

表3 二氧化碳排放量指标的协整检验

表4 二氧化硫排放量指标的协整检验

Johansen协整检验对滞后长度的选择十分敏感,因此我们利用AIC和SIC检验VAR模型的最优滞后长度。考虑到样本大小,我们最初考虑最大滞后长度为3,但计量结果表明最优滞后长度为1,故下文均以此滞后长度进行检验。表3和表4分别为迹检验和最大特征值检验结果③协整检验在不同趋势设定下进行,通过查看AIC和SIC发现模型没有趋势和截距。。在5%的显著性水平上,结果表明两类空气污染物的排放量和人均GDP存在长期协整关系。

通过方程拟合,得到二氧化硫和人均GDP的回归结果:

α1＜0,α2＞0及α3＜0表明二氧化硫排放和人均GDP之间为倒N型关系,但图2呈现倒U型走势。这是由于曲线左侧第一个拐点较低,导致其散落在数据集之外。本文二氧化硫排放模型证实了环境库兹涅茨曲线假说,说明随着经济增长,二氧化硫的排放量会经历一个先增加后减少的过程。在人均收入水平达到25001.72元时,二氧化硫排放量开始下降,这个情况大约在2005年,此时广东已经能够有效地减少二氧化硫的排放。

广东省二氧化硫和人均GDP的关系率先出现倒U型情况,与二氧化硫自身的特点及广东省政府的治污力度分不开。二氧化硫易溶于水,尤其在雨水较为丰沛的广东地区,空气中排放的二氧化硫形成酸雨。二氧化硫形成的污染危害是即期的,后果主要由排放地承担,且这种危害不易转移。这就要求地方政府对该类污染物的影响在短期内做出反应。其次,与政府2004年首次提出绿色广东概念,全面进行环境治理的举措分不开。2005年,广东省政府与各地区签署主要污染物排放总量控制目标责任书,要求广东省“十一五”期末化学需氧量和二氧化硫排放量在2005年的基础上均削减15%。此后,广东逐年加大环保治理的支出,2006年环保投入达2000亿元,占全省GDP的比例连续4年达到2.5%以上。以上举措有力地减少了二氧化硫的排放,实现了广东的环保拐点。此外,广东省环保支出连年递增也表明,尽管污染减排机制在不同地区有差别,但最终污染水平应该是消费的边际效用减少和污染的边际负效用递增的均衡结果。收入达到一定水平后,污染的边际负效用将超过消费的边际正效用,也就需要花更多的资源在减少污染效用上,以达到效用最大化。

同理,本文得到二氧化碳和人均GDP的回归结果:

图2 二氧化硫排放量与人均GDP曲线变动图

图3 二氧化碳排放量与人均GDP曲线变动图

二氧化碳模型与人均GDP的长期协整系数在95%置信度下显著,说明模型拟合的可靠性。α1＞0,α2＜0及α3＞0一系列参数表明,二氧化碳排放量和人均GDP存在N型关系,而进一步计算模型的解发现,曲线两个拐点对应的值较低且互相接近。故如图3所示,二氧化碳－人均GDP的关系实际上更接近于单调递增的曲线。由长期弹性系数可得,每一单位人均GDP的增加带来11.75%单位二氧化碳排量的增长。广东二氧化碳仍未进入环境库兹涅茨曲线拐点,未来二氧化碳排量将继续伴随着人均实际GDP的增加而上升,坚持节能减排、继续加大环境治理力度仍是广东长期可行的环境政策。

根据环境库兹涅茨假说,环境退化在经济发展的早期不能避免,因为此阶段国家和地区更注重工业化发展带来的经济收入,另一方面没有足够的资源、先进的技术以控制污染。而随着经济越来越繁荣,政府开始解决市场失灵问题,在环境公共服务方面的调控作用越来越大。但二氧化碳排放与其他地区性环境污染物带来的环境危害不同,碳排放形成的负外部性范围更广,每一个国家或地区的排放都有可能影响整个地球的环境质量,从这个角度而言,二氧化碳减排具有公共品的性质。此外,较之二氧化硫,二氧化碳带来的环境危害具有更长的潜伏期,导致地区实施单边碳减排的激励较小。由此,本文推测这也是为何在经济较为发达的广东地区,二氧化碳的经济－污染路径呈现单调递增趋势,尚未出现收入拐点的原因之一。

为了检验环境质量恶化和经济增长之间单向或者双向的长期协整关系,我们简化并引入基于误差修正模型的因果检验,包括格兰杰因果检验和弱外生性检验。如果在控制了环境变量的历史值后,经济变量的历史值仍能对环境变量有显著的解释能力,则我们认为经济变量对环境变量存在格兰杰影响。如表5所示,两类检验的结果均显著表明,收入增长导致二氧化碳和二氧化硫排放量增加;且弱外生性检验发现,不存在环境恶化对经济增长的反馈机制,表明二者为单一因果关系。这种可能性归因于以下几点:经济水平越高的地区,人们对环境质量的要求也相应更高;此外,经济增长有利于促进经济产业结构转型,加快推进洁净式生产,技术进步带来治污能力的提升。这种单向关系表明,广东可以在经济增长的情况下,实现污染物的减排,提升环境质量。

表5 格兰杰因果关系和弱外生性检验

六、结论

本文在环境库兹涅茨曲线假说的基础上,利用时间序列数据和协整技术分析探讨了广东省1995－2012年环境质量与经济增长的关系。实证结果表明,二氧化碳、二氧化硫两类污染物的排放量和人均GDP存在显著的长期协整关系。其中,二氧化碳排放量与人均GDP线性递增,目前尚未出现二氧化碳排放量减少的拐点;二氧化硫排放量符合环境库兹涅茨曲线,与经济增长呈现倒U型关系,当人均收入水平约为25001．72元时,二氧化硫排放量开始下降,广东省这种收入情况出现在2005年前后。此外,因果检验结果表明,不管在短期或长期,广东省的经济水平和环境因素为单向因果关系,即经济发展导致环境质量变化,而非反向关系。

尽管目前呈现二氧化硫污染物随着人均收入水平降低的情况,但还应考虑到任何忽视环境保护而片面追求经济增长的行为,都有可能导致严重的环境后果。地区的发展进程不仅需要经济增长,还需以环境承载力为支撑。为此,文章提出以下建议。第一,制定有效的产业发展和部门减排政策,积极进行区域环保规划,同时推进全省产业结构优化,走新型工业化道路,减缓经济增长带来的环境恶化问题。第二,进一步加大环境污染治理投入,同时实行严格的环评审批、环保准入制度和环境监管制度。广东省经济增长和环境质量的单向关系表明,推行污染减排政策和加大环境污染治理的费用投入并不会阻碍经济增长,对于广东而言,提高环境治理水平、提升环境质量可能是实现经济长期可持续增长的有效政策工具。

[1] 刘燕、潘杨、陈刚,2006:《经济开放条件下的经济增长与环境质量——基于中国省级面板数据的经验分析》,《上海财经大学学报》第6期。

[2] 王学军,1994:《环境质量经济价值度量的若干问题》,《管理世界》第3期。

[3] 徐彤,2011:《经济增长、环境质量与产业结构的关系研究——以陕西为例》,《经济问题》第4期。

[4] 杨丹辉、李红莉,2011:《地方经济增长与环境质量——以山东省域为例的库兹涅茨曲线分析》,《经济管理》第3期。

[5] 于峰、齐建国、田晓林,2006:《经济发展对环境质量影响的实证分析——基于1999－2004年间各省市的面板数据》,《中国工业经济》第8期。

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[8] Francis,Tan,Hooi Hooi Lean,Habibullah Khan,2014,“Growth and Environmental Quality in Singapore:Is there any Trade-off?”,Ecological Indicators,Vol．47,pp．149-155．

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[12]Levinson,1998,“Factoring the Environmental Kuznets Curve:Evidence from Automotive Lead Emissions”, Journal of Environmental Economics and Management,Vol．35,pp．126-141．

[13]Lindmark,M．,2002,“An EKC-pattern in Historical Perspective:Carbon Dioxide Emissions,Technology,Fuel Prices and Growth in Sweden”,Ecological Economics,Vol．42,pp．333-347．

[14]N．,Shafik,and S．Bandyopadhyay,1992,“Economic Growth and Environmental Quality:Time Series and Cross-Section Evidence”,World Bank Policy Research Working Paper aWPS904．

[15]S．,M．de Bruyn,J．C．J．M van den Bergh,and J．B Opschoor,1998,“Economic Growth and Emissions: Reconsidering the Empirical Basis of Environmental Kuznets Curves”,Ecological Economics,Vol．25,161-175．

[16]T．Selden,and D．Song,1994,“Environmental Quality and Development:Is There a Kuznets Curve for Air Pollution Emissions?”,Environment Economic Management,Vol．27,pp．147-162．

■责任编辑 余红伟

Economic Growth and Pollutant Emissions in Guangdong Province: An Empirical Analysis of the Environmental Kuznets Curve

Lu Hongyou and Zhang Jingyu
(School of Economics and Management,Wuhan University)

This paper investigates the relationship between economic growth and pollutant emissions for Guangdong province,during the period 1995－2012．The investigation is made on the basis of the environmental Kuznets curve hypothesis,using time series data and cointegration analysis．Carbon dioxide(CO2)and sulfur dioxide(SO2)are used as the environmental indicators, and GDP as the economic indicator．Our results show that there is a long-run cointegrating relationship between the per capita emissions of two pollutants and the per capita GDP．An inverted U relationship between SO2emissions and GDP has been found,with income turning point approximately equals to 25001.72 yuan．However,a monotonically increasing relationship with GDP is found more appropriate for CO2emissions．Furthermore,the causality results show that the relationship between income and pollution in Guangdong is one of unidirectional causality with income causing environmental changes and not vice versa,both in the short-run and long-run．This implies that an emission reduction policies and more investment in pollution abatement expense will not hurt economic growth．It could be a feasible policy tool for Guangdong to achieve its sustainable growth in the long-run．

Environmental Kuznets Curve;Cointegration;Guangdong

∗卢洪友、张靖妤,武汉大学经济与管理学院,电子邮箱:hongylu＠sohu．com,1016128683＠qq．com,本课题受国家社科基金重大招标项目(11&ZD041)资助,感谢匿名评审人,文责自负。

①原假设为变量有一个单位跟,AIC用于选择滞后长度,最大值为4。

②原假设为变量是平稳的。