溢出效应视角下我国各类能源回弹效应的测算与分析

邓祥征

（1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟研究院重点实验室，北京100101；2.中国科学院大学资源与环境学院，北京100049； 3.中国科学院农业政策研究中心，北京100101）

随着社会经济的发展，能源需求与能源紧缺之间的矛盾不断提升，能源安全成为了世界各国亟待解决的关键问题［1］.国际能源署（IEA）相关报告指出全球能源需求将在2040年前增长37%，导致实现能源集约化利用变得比以往更加急迫，因而，提升能源利用效率作为最有效的应对能源危机策略之一受到了广泛的关注［2］.同时，由于能源消耗是主要的碳排放来源，所以能源效率提升在当前应对气候变化的减排措施中也占有举足轻重的地位［3］.如我国政府在”十三五”规划中明确指出，为应对气候变化，我国要在2020年实现单位国内生产总值能耗比2015年下降15%.但是，单纯提高能源利用效率可能并不能很好地实现能源消耗的减量化.Saunders［4］指出通过技术进步来提高能源利用效率，虽然可以在一定程度上减少能源消费，但技术进步也会促进经济快速增长，从而产生新的能源需求，部分地抵消了所节约的能源，这种现象被称为能源回弹效应.回弹效应的存在使得通过提升能源利用效率来降低能源消耗具有了不确定性.因此，决策者应正确认识并应对能源回弹效应对相关能源政策制定产生的重要影响.此外，在全球治理体系变革和权力中心转移的背景下，各国围绕全球能源治理机制的构建展开了激烈博弈，力图获取或扩大全球能源治理话语权.因此，考虑国别间能源贸易影响，从空间溢出效应视角定量化测算我国各类能源的回弹效应尤为重要.

能源回弹效应最早出自于“Jevons悖论”，也即Jevons曾在1865年发现的蒸汽机的出现不仅提升了能源利用效率也增加了能源使用量的现象［5］.后来，Saunders［6］进一步证实了 K-B 假说中的能源利用效率改进带来的是更多的能源利用，而不是能源消耗的减少.此后，能源回弹效应在多国及多部门被证实存在，并由现代经济学家建立的完整的回弹效应理论进行了完善的宏观经济解释［7-9］.理论上来讲，提升能源利用效率会降低能源价格并产生3种效果.首先，在单一部门中，价格的下降会导致使用量的增加；其次，能源价格的下降使得其他产业部门的购买力上升，导致能源使用量的进一步增加；第三，能源需求变化对宏观经济的结构性影响可能是使得能源需求增加也可能是减少［10］.这一系列影响机制都将有可能削弱技术进步所带来能源利用的改善，统称为能源的回弹效应.

当前，已有研究对我国的能源回弹效应进行了测算，其中大部分运用了经济学相关的核算方法来测算能源的直接回弹效应.如Zhou等［11］构建了技术进步、净增长、能源强度与能源消耗间的逻辑框架用于分析并测算相互之间的关系，基于能源强度的变化测算能源利用效率，并采用索罗剩余法估算了技术进步导致的经济增长带来的能源消耗增加量；Shao等［12］利用潜在变量法估算了技术进步对经济增长的贡献水平等.上述测算方法由于其易用性被广泛应用于能源回弹效应测算中.但是，由于其缺乏对经济系统的宏观构建，在回弹效应的作用机制解释方面显得尤为薄弱，且无法衡量回弹效应中由于经济系统宏观变动所带来的潜在影响.对比而言，可计算一般均衡模型（Computable General Equilibrium，CGE）作为一种系统模型，以多模块方程式联立为基础，详细地描述能源利用效率改变对各经济主体的影响，从而可更加深入地分析能源回弹效应的作用机制.如Zha等［13］利用2002年全国投入产出表构建CGE模型评估我国的能源回弹效应，发现4%的能源利用效率进步会带来33%的能源回弹效应；Li等［14］利用2007年全国投入产出表构建CGE模型测算我国能源回弹效应，结果表明当前5%的能源利用效率改进将会带来178.61%的能源回弹效应.综合来看，利用CGE模型可以更加全面地将能源利用效率提升所带来的直接、间接与潜在影响考虑在内，因此适用于宏观经济系统中的能源回弹效应测算.

现有多数研究表明经济体之间的贸易流通对能源利用效率提升的经济体的能源回弹效应具有重要影响［15-16］，但关于能源利用效率提升带来的能源需求改变的空间溢出效应却常常被忽视［17］.由于不同区域与国家之间通过商品市场与要素市场联系在一起，所以某单一国家能源利用效率改进带来的各种经济效应也会对其他国家有所影响.上述影响主要表现在当某地的能源价格下降，其生产成本的降低可能会吸引国外的生产进入，进而降低国外的能源需求，同时也将有可能导致能源利用效率提升的国家能源需求反向上涨.尽管已有相关的理论框架对全球性的回弹效应进行了一定的阐述［18］，但是却少有研究对此开展实证分析.因此，本文旨在从空间溢出效应视角测算我国能源回弹效应，从而为能源政策制定提供更加及时的科学参考.通过深入分析我国能源回弹效应中的空间溢出效应，从而使所得结果更加全面并具有参考意义.

1 数据来源

考虑到能源回弹效应测算中能源贸易所带来的潜在空间溢出效应，本文依据我国从世界各国进口能源额度遴选了俄罗斯、伊朗、阿拉伯、阿曼、韩国、委内瑞拉、哈萨克斯坦、印度尼西亚、科威特、澳大利亚、阿联酋、日本、新加坡、蒙古、美国、卡塔尔、巴西、越南、马来西亚、南非、埃及、加拿大、泰国、印度、英国、菲律宾等国家作为研究区.如表1所示，2011年我国的主要能源进口国家多分布在亚洲与中东地区，如俄罗斯、伊朗、阿拉伯、阿曼、韩国等国家，其中俄罗斯、伊朗与阿拉伯能源进口额度占比最高，分别为 10.71%、10.66%与 9.80%.

本文数据取自普渡大学开发的全球能源-环境分析模型 （Global Trade Analysis Project Energy，GTAP-E）第9版数据库［19］，以2011年为基准期，包含140个国家与57个产业部门数据.基于研究设计与需求，本文将模型数据中初级要素合并为劳动力、资本与土地3大要素，部门加总成32个部门，包括了1个农业部门、5个能源部门（煤炭、原油、成品油、燃气和电力）、25个其他工业部门与1个服务业部门.

2 研究方法

2.1 可计算一般均衡模型可计算一般均衡模型（CGE）基于经济学理论对生产与消费行为以及市场均衡进行刻画，并通过模型模拟参数化定量解析复杂的经济影响，十分适用于经济和环境政策相关的评价［20］.本文采用的是由美国普渡大学开发并被广泛应用于国际贸易、气候变化、环境能源等研究的 GTAP-E模型.GTAP-E模型是在标准GTAP模型基础之上，扩展了各国不同产业的能源消耗与排放，并改进了生产、消费、碳税以及福利分解等模块［21］.如图1所示，模型假设企业追求成本最小化，生产是一个多层的嵌套结构，模型中生产模块内嵌了多个层次的常替代弹性（Constant Elasticityof Substitution，CES）生产函数，资本与能源产品可以相互替代.生产结构的最上层嵌套为企业最优化利用基本生产要素和中间投入，采用里昂惕夫生产函数进行刻画.其中，资本与能源之间可以相互替代，该模块利用CES生产函数进行刻画，将能源产品划分为电力和非电力复合要素，非电力复合要素又可以进一步分解为煤炭、石油、燃气和成品油，每级复合结构都采用CES生产函数.消费模块用非齐次CDE（Constant Difference of Elasticity）需求函数刻画消费者行为.其中，能源产品作为一组，并与其他消费品存在相互替代关系，在能源产品组内不同能源产品也可以相互替代.商品的总供给包括国产和进口2种，遵循Armington［22］假设，两者之间存在不完全替代关系，以CES生产函数进行刻画.

表1 2011年中国从其他主要能源进口国进口能源产值情况Tab.1 The values of imported energy from other main countries to China in 2011

图1 能源-环境分析模型Fig.1 Framework of the energy-environment analysis model

2.2 多区域回弹效应测算模块在大多实证研究中，能源的回弹效应通常被表述为效率提升所带来的额外能源消耗与原始能源节约的比值.当能源利用效率提升时，能源价格会相应降低，为此，生产者可能会用能源来替代其他基本生产要素，这意味着能源使用量上的减少比例通常会小于能源利用效率提高的比例，也就是回弹效应.此外，如果能源利用对价格变动敏感性高，能源的使用量甚至有可能会上升，也被称之为“回火”［23］.根据 Lecca 等［24］对能源回弹效应的分解方式，本文所指的生产侧能源回弹效应Rp可由（1）式计算得到

同时，为了测算整个经济体的能源回弹效应，还需要将能源利用效率提升对消费侧的影响考虑在内，相应的宏观层面整个经济体的单区域能源回弹效应Rd可表示为

其中，α表示初始期生产侧能源使用量占整个经济体能源使用量（包括生产侧与消费侧）的比例.可以被分解为：

其中下标c表示消费侧（居民消费）.将（3）式代入（2）式可得

这表示在单一国家中，如果消费侧的能源消耗是净增长的，那么这个经济体的总能源回弹效应大于生产侧的能源回弹效应；反之，则小于生产侧的能源回弹效应.

为了测算单一国家能源利用效率提升所产生的空间溢出效应对其他国家能源消耗的影响，本文采用了多区域回弹效应指标Rg来反映所有国家对某一国家由于能源利用效率提升而产生的能源回弹效应，可由（5）式计算获得

其中，β表示为初始期生产侧能源使用量占所有国家能源使用量的比例可以被分解为

其中下标 og表示其他国家.将（6）式代入（5）式可得这表明如果随着能源利用效率的提高，其他国家总能源使用量净增加，多区域回弹效应将会大于本国的回弹效应；反之，如果其他国家总能源使用量净减少，则多区域回弹效应将出现低于本国的现象.

2.3 冲击方案设置如表2所示，根据5种能源类型以及考虑到复合能源利用效率改进的综合效应，本文一共设置了6种冲击方案.其中S1～S5冲击方案分别表示单一能源煤炭、石油、燃气、成品油与电力的能源利用效率在所有生产部门分别提升5%，而S6冲击方案下则是将5种能源的利用效率在所有生产部门同时提升5%，以此来评估其综合效应.同时，本文假设每一种冲击方案下的劳动力与资本供给都保持不变，但是可以在部门间自由流通.本文将生产部门能源回弹效应、经济总体能源回弹效应以及附加空间溢出效应下的多区域能源回弹效应公式加入GTAP-E模型中，形成回弹效应测算模块，开展了S1～S5冲击方案中单个能源以及S6冲击方案中复合能源回弹效应的测算.

表2 各冲击方案能源利用效率变动设置Tab.2 Changes of energy efficiency under each shock scheme %

3 结果分析

3.1 宏观经济分析基于模型模拟分析，本文得到6种冲击方案下主要宏观经济指标相对于模型初始宏观经济环境的变化情况（表3）.尽管在所有冲击方案下，能源利用效率的提高都对经济有正向作用，但是不同能源之间效率提升对经济的影响也存在着较大的差异.

在冲击方案1中，煤炭的利用效率提升导致GDP上升了0.20%，其中主要是投资提升了0.41%，这也直接导致了资本价格的上升.而在对能源价格的影响上，煤炭能效提升对自身的价格影响并不大，但是对电力价格的影响要超过其他所有能源.考虑到我国主要依靠煤炭燃烧发电，煤炭的能效提高导致了电力供应上升，进而使得电力价格下降了2.09%.

表3 各冲击方案下关键宏观经济指标变动情况Tab.3 Changes of key macro indicators under each shock scheme %

在冲击方案2中，石油能效提升后对宏观经济的作用机制与煤炭类似，主要为投资与居民消费的提升带动了GDP的增长，但是出口方面下降较多，主要是因为要素成本上涨导致出口价格上涨，从而需求减少.其次，在对能源价格的影响上，石油的能效提升对其二次能源成品油的影响较大，使其价格下降了3.42%.

冲击方案3的模拟结果表明燃气是对能效提升最不敏感的能源，对整体宏观经济的影响并不显著.同时在对能源的价格影响方面，除了自身价格下降，其他能源价格基本保持不变，说明燃气对其他能源的替代性并不强.

冲击方案4的模拟结果表明成品油能效提升对整体宏观经济环境的积极作用最显著，5%的能效提升使得GDP上升了0.57%.由于高能耗企业大多是资本密集型的产业，故而能效提升对其扩大产出、拉动投资需求有很强的促进作用，使得成品油对投资的拉动作用在所有能源中最为明显.居民消费增加主要得益于资本报酬和劳动报酬的增加，居民收入的增加刺激了消费水平的上升.

冲击方案5的模拟结果表明，电力能效提升对宏观经济的影响表现在投资的提升使得资本密集行业如房地产等行业的扩张，进而导致了CPI水平较高.同时，电力对燃气价格影响最大，使其价格下降了0.54%，进而提升了对燃气的需求量.

在冲击方案6中，对包括煤炭、石油、燃气、成品油与电力5种能源的利用效率同时提升，结果显示对GDP的影响是6种冲击方案中最大的，投资的快速拉动，产业扩张，要素价格水平上升，使得CPI的增长明显.

此外，二次能源如燃气、成品油、电力的价格变动要大于煤炭、石油等一次能源，说明一次能源对能效的价格敏感性要低于二次能源，并且在促进经济发展方面也不及二次能源.

3.2 能源需求变化分析从对能源的需求变动影响（图2）来看，煤炭的能效提升对其需求的影响十分明显，5%的煤炭能效提升导致其需求量下降了2.72%，煤炭的需求下降致使其二次能源电力的需求也发生了一定的下降，需求降低了0.52%，而石油与燃气则分别上升了0.43%与0.45%.石油的能效提升对自身需求量有减量的作用，同时也对其二次能源成品油有一定的抑制效果，但由于石油与煤炭同为一次能源，两者间存在替代效应，石油的需求减少使得煤炭作为替代品在需求上有了一定的增加.燃气能效变化对其他能源的需求影响不大，可见燃气对其他能源的替代性并不高.成品油的能效提升对能源消耗改善的效果是最显著的，作为重要的二次能源，是一次能源的主要去向，自身能效的提升，除了使自己的需求下降，也间接使得对应上游的一次能源需求量相应下降.同理，电力作为煤炭等一次能源的一大重要去向，其能效的提升可以对一次能源的需求量有很好的抑制作用.

图2 单一能源利用效率提升冲击方案S1～S5中能源需求变化Fig.2 Changes of energy demand impacted by efficiency improvement of single energy under S1-S5 shock scheme

冲击方案6中，在多种能源利用效率提升的综合影响下，世界各国对我国不同能源的利用效率提升的响应具有明显的空间异质性，如表4所示，其主要表现为除了燃气之外，我国其他多种能源需求的下降会带动周边地区如亚洲地区、中东地区的国家相应能源需求的下降，他们也都是我国能源的主要进口国，我国的进口能源需求下降对主要进口能源国的能源消耗有抑制作用.具体来说，二次能源中的电力与成品油需求量的下降幅度最大，其中电力的需求量下降了3.14%，成品油的需求量下降了4.01%，其次是一次能源中的煤炭与石油需求分别下降了2.64%与1.30%.与我国能源贸易关系密切的周边国家，如蒙古作为我国重要的煤炭进口国家，其煤炭需求量下降；哈萨克斯坦、俄罗斯是我国主要的石油进口国，其在石油、成品油方面的需求量相应下降；阿拉伯、俄罗斯等国则因为先进的风力发电技术，是我国电力的主要供应国，在我国电力需求下降的背景下，其本国电力需求也相应下降.其原因在于我国能源价格及需求下降导致主要进口国出口能源贸易受影响，被迫降低能源价格，对本土的经济发展和扩大投资规模方面具有消极作用，从而使得能源需求量下降.而燃气表现则完全相反，在该综合影响冲击方案中，我国的燃气需求量上升，在空间溢出效应格局上表现为周边主要燃气进口国家的本土燃气需求量减少.由图2中各能源对能源需求的影响来看，其他能源需求量下降对燃气能源具有的反向拉动作用大于其自身能效提升所带来的能源需求量的下降，从而使得燃气的需求量不降反升.

表4 多能源利用效率提升冲击方案S6中主要国家能源需求变化Tab.4 Changes of energy demand impacted by efficiency improvement of multiple energy of the main countries under S6 shock scheme

表4 （续）

3.3 能源回弹效应测算比较不同能源在生产侧回弹效应、单区域回弹效应以及多区域回弹效应（表5）发现，各种能源具有回弹效应且效应回弹程度不一，主要集中在30.57% ～86.67%，与现有文献所得结果25% ～75%［25-28］相近.就生产侧的回弹效应而言，其中成品油的能源回弹效应最低，为30.57%；其次是煤炭，为44.42%；燃气与石油的回弹效应较大，分别为86.67%与82.1%.而从单区域回弹效应来看，在考虑了消费侧的能源消费量变化后，除了电力能源，其余能源的回弹效应均略微减少或者不变，电力的回弹效应主要来源于居民消费对电力的需求增加了.

在耦合了空间溢出性下测算能源回弹效应，充分考虑了能源贸易在宏观经济系统中的影响，所得结果表明多区域回弹效应影响最大的能源是石油.综合了其他国家的能源需求变动后，石油的能源回弹效应由82.1%下降到了42.16%，其次受到影响的是成品油，回弹效应由 30.28%下降到了11.11%.石油与成品油是我国能源贸易中占比最大的2种能源，受到能源贸易等引起的空间溢出性影响也是最大的.燃气在多区域的能源回弹效应测算上也有较大变化，在考虑了其他国家的燃气需求变化后，燃气的能源回弹效应由单区域的86.62%下降到了77.60%.电力能源回弹效应则是由单区域的68.72%下降到了60.78%.而煤炭的能源回弹效应则相对稳定，其生产侧能源回弹效应为44.42%，逐步考虑消费侧以及空间上的溢出效应后，煤炭的多区域能源回弹效应为42.70%.由此可知，我国煤炭的能效进步对消费侧以及其他国家相应的煤炭需求变化影响不大.

表5 单一能源利用效率提升冲击方案S1～S5中各能源回弹效应测算及分解Tab.5 Decomposition of energy rebound effect under S1-S5 shock scheme with efficiency improvement of single energy %

冲击方案6中多种能源的利用效率同时提升的综合影响如图3所示.将每种能源回弹效应依次分解并表示为生产侧、单区域、多区域以及相互之间的变动差值结果表明，煤炭的能源回弹效应变化与单一煤炭能源利用技术进步冲击方案中的结果近似，由生产侧的46.57%，到单区域的45.99%，再到多区域的37.36%，其中消费测与多区域空间溢出的影响分别为0.58%与8.63%.其余4种能源石油、燃气、成品油与电力均在对多区域的能源回弹效应的测算中相比单一能源影响下有很大不同.5种能源同时影响下的空间溢出性使该4种能源的能源回弹效应由正向的”回火”转为了负向的“超级节约”，石油、燃气、成品油与电力分别由生产侧回弹效应的73.96%、141.05%、12.04% 与 30.95%变化为在多区域下的 -16.25%、-270.37%、-41.28%与 -12.68%.值得注意的是，燃气由于其他能源的效率提升的反向拉动作用大于自身效率提升所导致的需求量减少，使得燃气在冲击方案6中多种能源效率变动综合影响下能源的需求量不降反升，其回弹效应达到了141.05%，但又由于其他能源利用效率提升所导致的空间溢出性对其他国家的能源消费量有抑制作用，所以燃气的多区域能源回弹效应又下降为负值.

图3 能源利用效率提升冲击方案S6中各能源回弹效应测算及分解Fig.3 Decomposition of energy rebound effect under S6 shock scheme with efficiency improvement of multiple energy

4 结论与讨论

本文考虑了主要国家之间的能源贸易，从空间溢出效应视角探究了能源利用效率改进是否能通过能源贸易从单一区域影响到多区域，并对能源回弹效应在空间上存在的溢出性进行了测算.通过将多区域能源回弹效应模块引入GTAP-E模型中，实现了从经济系统整体的角度对多种能源回弹效应在多维度上的综合分析.

不同能源的能源回弹效应之间存在差异，从节能的角度分析，二次能源中的成品油与电力的能源回弹效应较小，表明其利用效率提升后实现节能的效果更好；同时，成品油与电力的效率提升除了可以使自身的需求量减少，还可以带动上游的一次能源如煤炭、石油等能源的需求量下降；而从经济的角度分析，成品油、石油与电力对经济的拉动效应最强，主要表现在投资规模的扩大；从空间的溢出效应角度分析，单一国家的能源利用效率改进不仅会对该国家的能源需求产生影响，也会对其他国家的各种能源需求变动具有拉动或抑制作用，并且这种影响与能源的贸易具有关联性，国家间能源贸易往来越紧密影响就越大；在空间溢出性对能源回弹效应的影响上，不同能源的反馈机制不一，如燃气区域间的能源相互替代导致了其他能源需求减少并反馈到本国的燃气需求，其自身由于能效提高而产生的空间溢出并不高.此外，空间溢出性的反馈与总体能源利用效率的进步水平有关，总体能源利用效率进步水平越高，空间溢出性对回弹效应的反馈也就越强.

能效优化策略的实施效果与选择的能源类型有关，不同类型能源的效率改进的节能效果和反弹效应存在差异.从经济表现与反弹效应来看，成品油与电力作为二次能源都是我国提升能源利用效率措施中的理想能源类型.尽管存在能源回弹效应，但通过提高能效而降低能源消费的思路在我国是总体可行的.然而，在制定节能减排目标和进行相应的政策选择时充分考虑潜在的能源回弹效应，将使政策设计和制度安排更加合理.同时，引入价格、税收等一系列市场导向型的辅助性政策组合［29］对能源回弹效应加以限制，将使能效提高所获得的潜在节能效果最大程度地实现.此外，在能源政策的调整和改革过程中，谨慎对待不同政策措施之间的负面影响及其对宏观经济可能产生的负向冲击，适当组合不同政策将更有益于实现经济发展与节能减排的双重红利.

不同于此前研究，本文拓宽了传统能源回弹效应测算的空间范围，探究了由能源贸易所导致的单区域能源利用效率提升所带来的空间溢出效应.当生产侧能源利用效率提升，本土的能源供给将受到正向作用，促进本土的经济发展.而由于能源的进出口贸易，这种正向的收入效应和乘数效应也会作用到本土之外的经济体.随着能源回弹效应测算的空间范围发生改变，能源回弹效应的上升或下降取决于在被拓展的空间内是否发生了能源消耗量的增加或减少.尽管本文对能源回弹效应的空间溢出效应进行了一定的探究，但由于国别间的能源贸易交易机制复杂，能源间存在的相互替代关系以及国别间能源利用技术差异的影响，可能存在模型参数估计及测算上的偏误.由于空间溢出效应的存在，未来各国应更关注区域间的能源结构与贸易关系，理清能源回弹效应从要素市场到产品市场，从单一区域到多区域间的影响机制，制定符合各国特色的最优化能效策略，从而实现全球能源治理的目标.