中国省际水资源污染减排成本及环境效率幻觉分析

赵良仕

(辽宁师范大学 海洋经济与可持续发展研究中心,辽宁 大连 116029)

自改革开放以来，中国经济实现了快速增长,随之而来资源被过度消耗和污染排放剧增,导致了经济社会的不可持续.2016年中国废污水排放总量为711.1亿t,较2004年增加近230亿t,同时多数城市地下水受到严重污染,水资源生态环境逐年加重,严重威胁城镇居民的饮用水安全.2014年8月6日印发的《国务院办公厅关于进一步推进排污权有偿使用和交易试点工作的指导意见》中,指出建立排污权有偿使用和交易制度,各地区政府、各有关部门应高度重视排污权有偿使用及交易制度的建设；2015年4月2日执行了《水污染防治行动计划》,切实加大水资源污染防治力度；2017年十九大报告“生态文明”篇章中提出关于水资源绿色利用理念.因此,尽量减少经济活动的资源和环境成本是当务之急.中国各地区在水资源禀赋、水资源生态环境及承载力和经济发展水平上差异明显,简单比较水资源污染物排放总量不能发现各地区水资源污染物排放对经济发展水平的影响,而基于一定投入产出的水资源污染物边际减排成本分析具有一定的优势,可以弥补仅通过用经济产出价值量与水资源污染物实物量对比的不足.

污染物的边际减排成本为减少排放一个单位污染物同时造成经济产出减少的机会成本,可以由影子价格近似表示[1-2].影子价格可由方向性距离函数法得出,即污染物排放的边际减排成本[3-4].边际减排成本的估算能够为决策者提供参考,从而设计更有效的资源和环境政策,如环境税和排放交易系统[5-7].Färe等[5]改进了Shephard[8]提出的距离函数方法,并推导出生产无效率估计、污染物产出的影子价格,以及相关的污染成本估算.一些研究采用这种方法估算了发达国家的发电厂的生产效率和各种污染物的影子价格[9-10].其他一些研究使用这种方法评估分析了中国各地区能源效率及碳排放的边际减排成本和减排潜力[11-12].目前，关于碳排放或废气排放等影子价格的研究较多,如Tang等[13]考虑到中国在经济、社会和资源禀赋方面的各地区差异,应用参数化的非径向距离函数估计2003—2012年中国30个省区的全要素效率和污染物的边际减排成本,研究结果能够为各地区生产设计和优化节能减排政策提供依据.María等[14]利用参数化的二次型方向性距离函数估计,计算了智利一个饮用水处理厂的CO2影子价格和减排潜力,应用非参数假设检验,分析CO2影子价格的影响因素.Tang等[15]利用2001—2010年省级面板数据,采用参数化二次型的定向输出距离函数,分析了中国各地区农业污染物的减排潜力、影子价格和污染成本,这些成果能够帮助设计和优化中国的农业污染治理政策.Peng等[16]以2004—2013年中国30个省份的面板数据为基础,利用参数二次定向输出距离函数,估算了中国区域火电行业CO2排放的技术效率、减排潜力和边际减排成本,采用回归分析边际减排成本的影响因素.Yang等[17]采用参数化方向距离函数法,根据2003—2012年的省级面板数据,对中国省区生态效率和污染物边际减排成本进行了估算分析,这些成果能为中国环境资源政策设计和利用优化提供参考.María等[18]利用参数二次型方向距离的方法,对污水处理厂样品的CO2影子价格进行了估算,在敏感性分析中,评估了不同方向向量设置对影子价格的影响,研究得出对非电力企业的CO2影子价格的估算可以为减少温室气体排放提供激励.然而，在没有水资源污染物排放市场价格和成本信息情况下，缺乏关于水资源污染物的边际减排成本估算,进而中国各地区无法完成对水资源污染排放交易权的制定.

根据WBCSD(世界可持续发展工商业委员会)的环境效率定义,本文水资源环境效率为经济产出总值比上环境成本[19-20].王连芬等[21]在环境效率公式的基础上,把污染物的影子价格作为环境成本的计价单位,提出了环境效率幻觉,弥补环境效率衡量经济社会发展质量过度依赖经济增速的缺陷.目前，关于中国各地区水资源利用效率的研究较多,如孙才志等[22-24]、赵良仕等[25]、马海良等[26]分别在环境规制下研究了中国各地区水资源利用效率,并研究其空间分布特征,俞雅乖等[27]利用超效率DEA-Tobit两阶段模型分析中国各省区水资源效率的各地区差异及其影响因素.然而,这些都没有考虑污染成本增加率与经济增长之间的动态关系.考虑到中国各地区异质性,在各地区层面上衡量相关参数是至关重要的,评价效率水平和MAC (Marginal abatement cost)对评估各地区间减排义务分配具有重要意义.

基于以上分析,本研究根据生产过程中的水资源等要素投入产出,借助于参数化二次型方向性距离函数,估算2001—2016年中国31个省级行政区水资源利用过程中主要污染物(如化学需氧量(COD)和氨氮(AN))的影子价格,测算中国各地区水资源污染物的边际减排成本和各地区水资源利用污染排放成本,并根据环境效率幻觉指数分析各地区水资源利用情况,最后讨论中国建立各地区水资源污染排放交易区的适应性.

2 研究方法与数据来源

2.1 水资源污染物排放的影子价格

P(x)={(y,b):x能生产(y,b)}.

(1)

方向向量为g=(gy,gb),且g≠0,在环境技术约束下的方向性距离函数定义如下：

(2)

从生产技术P(x)中可以得出方向性距离函数必须满足投入自由可处置性、期望产出和非期望产出联合自由可处理性、期望产出自由可处置性、期望产出和非期望产出0连接性.由方向性距离函数和收益函数的对偶关系得出非期望产出的影子价格.假设p=(p1,…,pM)和q=(q1,…,qJ)分别表示M种期望产出价格和J种非期望产出价格,一般将非期望产出看作污染物排放,为负收益,因此收益函数定义如下：

R(x,p,q)=maxy,b{py-qb:(y,b)∈P(x)}.

(3)

结合生产技术P(x)与方向性距离函数的关系,式(3)等价于式(4),

(4)

在给定生产技术条件下,若一个决策单元产出集合(y,b)是可行的,则在方向向量上移动也是可行的,可以通过数学语言描述为式(5),进一步收益函数表示为式(6)：

(5)

(6)

对式(6)应用两次包络定理,得出非期望产出的影子价格式(7)和式(8).如果第m种期望产出的价格pm已知,采用式(9)可以计算第j种非期望产出的价格qj,

(7)

(8)

(9)

由于二次型函数是对未知的方向性距离函数的二阶近似,能容易的验证方向性产出距离函数的性质得到满足,本研究将采用二次型函数法求解方向性距离函数.选择g=(1,1)作为方向性产出距离函数的方向向量,假设一共有K个决策单元(DMU),在Färe等[6]的距离函数基础上修订部分公式,定义第k个决策单元在第t期的距离函数为

(10)

求解式(10),得出水资源污染物排放的影子价格表达式如下：

(11)

(12)

水资源污染物的边际减排成本由上面估计的水资源污染物排放的影子价格表示[29].通过线性规划方法确定式(10)的参数,使生产边界与每一时期的DMU状态观测之间的距离之和最小,解出下面二次型方向性距离函数的各参数来估计方向性距离函数.

(13)

2.2 水资源环境效率幻觉评价模型

随着水资源生态环境对中国各地区经济发展及人们生活质量的束缚逐渐加重,在环境规制下的水资源环境效率研究需要联系水资源污染物边际减排成本以及水资源生态可持续发展能力,在计算水资源环境效率时需要考虑水资源污染成本,水资源污染成本的变动趋势紧密关系到水资源经济成本及水资源环境效率.根据收益函数,-qb表示由非期望产出带来的负收益,比如水资源利用过程中排放的污染物.Färe等[6]指出qb可以表示污染物的减排成本,本研究通过如下公式表示水资源污染物排放的污染成本：

(14)

其中,I指水资源污染成本,在本研究中为水资源污染物排放的总成本,qi为第i种水资源污染物的边际减排成本,bi为第i种水资源污染物排放总量.水资源污染物的减排成本连接着水资源污染成本与水资源环境效率,影子价格解释为减排一个单位水资源污染物的边际经济成本,反映了减少排放一单位水资源污染物会损失多少单位经济产出.由边际减排成本计算了水资源污染物排放的污染成本,其高低代表造成经济社会发展和水资源生态可持续负效应的多少,即水资源污染物的边际减排成本就是水资源污染物价格的近似替代.

目前,有关水资源效率的研究多数集中在对静态的每个时期投入产出效率进行测算,并分析各地区水资源效率的时空差异,缺乏对污染成本和期望产出动态变化的考虑,忽略了在静态效率增长的同时污染成本却在增加的实际情况,隐藏了两者增速的差距,从而误导对环境约束下的经济增长分析.根据王连芬等[21]提出的环境效率幻觉计算公式,本研究将水资源环境效率幻觉表达为水资源污染成本增长率除以经济产出增长率：

(15)

以下对地区水资源效率幻觉值的大小进行分类,当水资源环境效率幻觉大于1时,属于高水资源环境效率幻觉,此类地区水资源污染成本的增长率高于经济产出的增长率；当水资源环境效率幻觉大于0且小于1时,属于低水资源环境效率幻觉；当水资源环境效率幻觉小于0时,属于无水资源环境效率幻觉,此类地区水资源污染成本负增长,即这个地区不存在水资源环境效率幻觉.

2.3 变量选取与数据来源

本研究把中国31个地区(不包括台湾、香港、澳门)作为决策单元,研究时间跨度为2001—2016年.各个地区水资源利用过程中水资源投入与产出变量为用水总量、固定资产投资、就业人员数、期望产出GDP、非期望产出水资源废污水中主要污染物.由于废污水中污染物主要由COD和AN决定,取这两个指标作为非期望产出.所有数据来源于《中国统计年鉴》(2002—2017年)、《中国环境年鉴》(2002—2017年)、《中国水资源公报》(2001—2016年).具体投入产出结构如图1所示.

图1 考虑非期望产出的水资源利用过程Fig.1 The water resource utilizing process with considering the undesirable output

3 结果与分析

3.1 水资源污染物的边际减排成本分析

在估算水资源污染物减排成本时,假定期望产出价格为1,水资源污染物的影子价格可以通过期望产出的替代关系求出,并近似水资源污染物的边际减排成本.本研究采用Matlab2017b软件对上述的线性规划模型进行求解,通过式(10)测算了中国31个地区水资源利用过程中排放的污染物的边际减排成本,如图2.两种水资源污染物的影子价格的动态变化趋势不一致,COD影子价格的波动变化剧烈递增,而在整个考察期AN影子价格增长平稳.2001—2016年,从整体上中国各地区水资源利用过程中，COD、AN的平均边际减排成本为12.39,498.59万元/t,差距比较大.水资源利用过程中对待这两种污染物的排放面临着不同的成本,整体来看减排1 t COD约损失12.39万元,而减排1 t AN约损失498.59万元,此估算结果高于王兵等[30]对造纸企业污染物COD的平均边际减排成本5.7万元/t.本研究采用省级行政区层面数据,得到的是各地区水资源污染物的边际减排成本,明显高于其他研究,各地区应该会积极地参与排污权交易中,以此降低本地区的排污成本.

图2 2001—2016年中国各地区COD和AN影子价格Fig.2 The regional shadow prices of COD and AN in China from 2001 to 2016

图3显示2001—2016年COD和AN的影子价格与排放强度、污染成本的关系.AN的影子价格与各自排放强度之间大致呈负相关关系,COD的影子价格与污染成本呈现正相关关系.具有较低水资源污染物排放强度的地区减少一个额外的水资源污染物排放单位的成本会更高.该研究结果与王兵等[30]对COD影子价格的研究结果是一致的.

图3 2001—2016年影子价格与排放强度、污染成本的关系Fig.3 The relationship between shadow price and emission intensity, pollution cost from 2001 to 2016

接下来分析中国31个地区的水资源污染物减排成本.2001—2016年,同种水资源污染物在不同地区之间的差异比较大,如北京COD影子价格最低为1.16万元/t,广东最高为31.59万元/t；从时间演进上来看,整体上看COD和AN的减排成本呈现递增趋势,2001—2010年COD增长平缓,而在2011—2016年增长快速,且不同地区波动剧烈.污染物的边际减排成本随着环境管制的严厉程度的加强而增大(表1).

本研究得到的减排成本随时间递增的趋势说明了中国对于水资源利用过程中污染排放管制程度在加强,并在一定程度上起到了作用.

表1 2001—2016年中国各地区水资源污染物的平均影子价格

污染物影子价格可以表示水资源利用过程中水资源污染物排放的边际成本,为水资源生态环境保护政策制定与坚持绿色发展理念提供参考依据.下面对中国31个地区水资源利用过程中污染排放的污染成本进行分析.利用水资源污染物的影子价格(q)和排放总量(b)计算了所有地区水资源的污染排放成本(qb),如图4.从地理分布上看,污染成本高且增长速度快的地区主要位于中国东中部,如江苏、广东、山东、湖南、湖北、河南、四川、浙江、安徽等；而污染成本较低地区主要集中于中国西南部,如青海、西藏、宁夏、云南、甘肃、贵州等,这些地区经济发展水平偏低,对水资源污染排放意识不强,政府对其监管的力度还不够.

图4 2001—2016年中国各地区水资源污染成本Fig.4 Water pollution costs in China from 2001 to 2016

3.2 水资源环境效率幻觉分析

根据式(15)计算水资源环境效率幻觉,如表2.从全国平均值来看,中国各地区水资源环境效率幻觉在2002—2016年的均值为0.47,最高的年份为2.92,总体上看全国出现了水资源环境效率幻觉.主要是由于经济增长速度大于水资源污染排放成本的增加速度,中国将面临十分严峻的水资源环境问题.2012—2014年,全国水资源环境效率幻觉从1.72波动变化到0.83,在此期间从高环境效率幻觉到低环境效率幻觉交替变化；而到了2015年和2016年,水资源环境效率幻觉值为-3.84和-1.63,不存在环境效率幻觉,说明最近2 a中国水资源环境质量有所好转,但不同地区水资源环境差异较大.

表2 2002—2016年中国各地区环境效率幻觉

中国31个地区中多数环境效率幻觉大于0,2005年、2009年、2011年、2015年一半以上地区大于1,中国大部分地区存在水资源污染成本增速超过经济产出增速.出现水资源环境效率幻觉地区个数呈现上下波动变化趋势,大于1的地区在2011年最多为27个,在2006—2008年最少为2个.现有关于中国各地区水资源环境效率的测算结果多数表明各地区在考察期内呈现上升趋势[23-24],然而这不是水资源生态环境质量在真正意义上的增长,仅从水资源环境效率测算角度不能较全面地评价一个地区的水资源利用和经济发展质量,而通过测算各地区水资源利用过程中污染物的减排成本及水资源环境效率幻觉能够更客观地分析一个地区经济增长与水资源利用的质量.

3.3 水资源环境效率幻觉时空分布特征

为揭示各地区水资源污染减排成本与环境效率幻觉的时空演变的典型事实,采用ArcGIS10.2软件对水资源环境效率幻觉指标进行可视化处理,如表3.基于中国各地区水资源环境效率幻觉得分,分为高、低和无水资源环境效率幻觉三类地区.总体来看,高环境效率幻觉的地区，如河北、山西、山东、河南、湖南、四川等,主要分布于中西部地区；低环境效率幻觉地区有天津、吉林、江西、重庆,主要集中在中西部地区.中国各地区水资源环境效率幻觉呈现出一定的时空差异性特征.

2001—2016年间,中国31个地区大部分地区出现水资源环境效率幻觉,无水资源环境效率幻觉的地区由多变少,且呈交替波动式变化趋势.从各地区视角来看,2002—2004年,高水资源环境效率幻觉的地区由东部向西部及中部地区转移,无水资源效率幻觉地区由西部向东部变化,东北地区由高水资源效率幻觉向低及无幻觉转变.一般而言,东部发达地区的水资源投入要素较为稀缺,产业结构中技术密集型和资本密集型产业比重相对较高,这些地区水资源污染排放成本增长率较低,进而水资源环境效率幻觉有所改善.2009—2011年,无水资源效率幻觉地区由3个地区转变为0,到2011年几乎所有地区都出现高水资源环境效率幻觉,而此期大多数地区的COD影子价格异常增高,导致了经济发展中产生了较高的水资源污染排放成本增长.2014—2016年,无水资源环境效率幻觉的地区从东北向北部及中部地区扩散,而高水资源环境效率幻觉地区由东部向西部变化,并出现东西两极分化现象,这种差异与不同地区的经济发展水平、产业结构与环境管制力度密切相关,并且此阶段由于水资源污染物排放管控相对严格,无环境效率幻觉地区逐渐增多.

表3 2002—2016年中国各地区环境效率幻觉类型

4 结 论

在一些地区水环境质量差和水生态受损严重等问题日趋严重的态势下,需要更准确地分析中国各地区水资源利用、污染排放与经济发展质量关系.本研究借助参数化的二次型函数形式的方向性距离函数,利用与其收益函数的对偶关系,估算了2001—2016年中国31个地区水资源利用过程排放的废污水中主要污染物COD和AN的边际减排成本、水资源污染排放成本及水资源环境效率幻觉,主要得到了以下几点结论:

(1)2001—2016年期间,整体上看中国水资源利用过程中COD和AN的边际减排成本分别是12.39、498.59万元/t.中国省级行政区数据估算出的各地区污染物影子价格反映了各地区水资源污染物的边际减排成本,该估算结果可以为各地区制定水资源污染物排放交易价格提供参考.废污水中主要污染物COD和AN的平均影子价格呈现逐年递增趋势,并且从2010年后波动很大,表明中国对于水资源环境污染管制起到了一定效果.因此中国各地区应加大对水资源污染物排放的管制力度,建立水资源生态预警机制,控制各地区污染物排放中的主要污染物的排放总量,落实相关地区主要水资源污染排放单位,加大动态检测及处罚力度.

(2)不同地区的污染物减排成本差异较大.2001—2016年,各地区同一种水资源污染物减排成本差异比较大,如北京COD影子价格最低为1.16万元/t,广东最高为31.59万元/t；从时间演进上来看,COD和AN的减排成本整体上呈现递增趋势,2001—2010年COD增长平缓,而在2011—2016年增长快速,且不同地区波动剧烈.影子价格与各自排放强度之间大致呈负相关关系,影子价格与污染成本呈现正相关关系,这意味着具有较低水资源污染物排放强度的地区减少一个额外的水资源污染物排放单位的成本会更高.

(3)从地理分布上看,污染成本高且增长速度快的地区主要位于中国东中部,如江苏、广东、山东、湖南、湖北、河南、四川、浙江、安徽等；而污染成本较低地区主要集中于中国西南部,如青海、西藏、宁夏、云南、甘肃、贵州等,这些地区经济发展水平偏低,对水资源污染排放意识不强,政府对其监管的力度还不够.

(4)水资源环境效率幻觉由水资源污染物影子价格、污染排放总量及经济水平等增长率共同决定,只考虑其中一个因素均不能全面地衡量某个地区的水资源经济质量,而水资源环境效率幻觉能够客观评价各地区水资源利用状况.基于中国各地区水资源环境效率幻觉得分,将环境效率幻觉划分为3类,各地区水资源环境效率幻觉呈现出一定的时空差异性特征.

(5)依据本研究对中国各地区水资源污染排放影子价格测算,提出以下一些相关政策建议.首先,有可能实现提高经济产出的同时，减少水资源污染物排放的双重目标机会.除了促进水资源利用效率的提高,政策制定者还应提供激励措施,以帮助生产者减少技术效率低下.第二,中国的污染排放交易系统正在建设中,因此,本研究估算的影子价格为政府评估污染排放交易系统的市场价格提供了一定的决策参考.本研究得出水资源污染排放中的COD和AN影子价格在时间上呈现波动变化趋势,各地区在空间上表现出差异的分布特征,因此政策制定应该因地因时制宜.第三,本研究估算了中国31个省级行政区水资源污染物的边际减排成本,只统计了工业废水和生活污水中的主要污染物,而受统计数据限制,未把农业水资源污染物考虑进去.由于工业废水和生活污水中主要污染物是COD和AN,但还有其他排放因素会导致各地区水资源污染物影子价格的估算有所偏误,但是本研究可以为建立各地区水资源污染物排放交易权提供参考.