河南省能源消费对经济发展动态效应研究——基于脉冲响应和方差分解分析

刘徐益

(洛阳师范学院 商学院，河南 洛阳 471934)

在经济新常态下，河南省高质量发展作为中原崛起的重要组成部分，必须突破能源结构的瓶颈制约，促进河南经济和资源的可持续高质量发展。因此，开展河南经济发展与能源消费结构关系的研究，对经济新常态下河南能源消费结构调整及优化升级，以及整个中原经济区的发展具有重要的指导意义。

一、文献回顾

近些年来，越来越多的学者开始关注能源消费和经济增长之间的关系研究，换句话说，能源消费与经济可持续发展的关系研究，已经成为学术界研究的热点问题。西方学者对能源消费和经济增长的研究起步较早，约翰·卡夫(J.Kraft)和亚瑟·卡夫(A.Kraft)最早利用美国1947—1974年期间的国民生产总值(gross national product, GNP)与能源消费的数据进行分析，实证结论显示GNP与能源消费之间存在着单向的格兰杰(Granger)因果关系，从而得出节约能源的政策可能不会对美国的经济产生负作用[1]。佩恩(Payne)采用更大时间跨度(1949—2006年)的数据对美国的能源消费和经济增长进行相关实证分析，结果显示能源消费和经济增长不存在Granger因果关系[2]。莎丽(Sari)等利用自回归分布滞后模型分析了美国各类能源消费、经济产出和劳动力之间的相关关系，实证分析表明产出和劳动力对各类能源有长期促进作用，并提出可以利用公共或私人资金对可再生能源投资并得到回报[3]。

国内学者对经济增长与能源消费之间关系的统计研究起步相对较晚。赵丽霞和魏巍贤利用拓展的生产函数模型，实证分析了中国经济和能源之间的相关关系，得出能源已成为中国经济发展过程中不可完全替代的限制性要素的结论[4]。林伯强运用拓展的柯布-道格拉斯(Cobb-Douglas)生产函数，对我国电力消费与经济增长之间关系进行研究。实证结果表明经济增长与电力消费存在长期均衡关系，并推断出推进经济改革和提高能源利用率，可以促进长期可持续的经济增长； 而在市场机制不健全的现状下，“电力先行”可以适当地避免经济损失[5]。宋辉和魏晓平对我国能源消费结构的循环及趋势对经济增长的影响进行分析，指出经济的稳定增长有利于能源消费结构的优化，并提出相关的结构优化对策[6]。吴鸣然和赵敏利用向量自回归模型，对我国1990—2014年的能源消费、环境污染和经济增长关系进行了实证分析。研究表明中国现阶段的经济发展是建立在大量能源消耗和环境污染基础上的，而政府须协调经济、资源和环境之间的关系，提高经济可持续发展能力，促进生态文明建设[7]。张平和张鹏鹏利用聚类分析法将中国划分成三块不同区域，来研究各个区域间经济发展和能源消费之间的相关关系[8]。

综上所述，现阶段虽然研究经济发展和能源消费的前期成果较多，但研究具体一次能源消费结构与经济发展的相关关系较少，特别是将一次能源消费结构划为煤炭、石油、天然气和一次电力能源。

二、研究方法、模型使用及数据来源

(一)研究方法

1.平稳性检验

非平稳的时间序列参与回归建模分析是其结果会导致伪回归； 鉴于此，首先要对原变量序列进行单位根检验，判断序列的平稳性。若变量不存在单位根，则表明是平稳时间序列，则可以继续建模； 若原序列存在单位根，为非平稳序列时，需要对原序列进行差分处理来确定，判断差分后的序列是否平稳。为了保证分析结果的有效性和稳健性，本文采用两种平稳性检验的方法，分别是扩展的迪克富勒(augmented Dickey and Fuller, ADF)和广义最小二乘法去势后的迪克富勒检验(Dickey Fuller generalized least squares, DF-GLS)。

2.协整检验

在时间序列数据分析中，从个体的变量序列来说可能是非平稳的，但各序列的线性组合会出现平稳的状态(不随时间的变化而变化)，而该状态下的组合序列就是所谓的协整，即这些非平稳序列之间存在着长期稳定的均衡关系。本文采用多变量协整关系分析中，最为常用的约翰森(Johansen)协整检验方法和F-边际检验(bounds test)。

3.格兰杰因果关系检验

协整关系只检验了变量之间是否存在长期的均衡关系，而变量之间的因果关系并没有被检验分析。本文拟采用格兰杰因果关系检验方法来分析各所选变量之间的因果关系。当对Y进行预测时，要考虑Y过去值以及X的滞后项对Y的解释程度。如果X滞后项有助于解释Y，则说明X是Y的格兰杰原因； 反之，则说明X不是Y的格兰杰原因。

4.脉冲响应及方差分解分析

为了进一步研究各变量之间的动态影响，本文采用脉冲响应及方差分解分析，从动态上把握各变量之间的相互影响及作用。脉冲响应函数(impulse response function,IRF)是指随机扰动项的一个标准差对自身及其他内生变量当期以及未来取值带来的冲击轨迹，能够比较直观地描述各变量之间的动态影响。方差分解(variance decomposition, VD)则通过每一个冲击对内生变量的贡献度来判断解释变量及其他变量对该解释变量的影响程度。

(二)模型使用

为了研究河南省的经济增长和能源消费结构调整的相关关系，根据韩智勇等[9]和龚新蜀等[10]的研究模型，现结合河南省一次能源消费的实际情况(主要以煤炭、石油、天然气和一次电力及其他能源等消费)，采用以下模型。

GDPt=f(coalt,oilt,gast,otherst)

(1)

为了降低序列的异方差性以便于模型经济意义的解释，对相关数据进行了对数化处理，原等式可以变为：

lnGDPt=a0+a1lncoalt+a2lnoilt+a3lngast+a4lnotherst+εt

(2)

其中GDP为河南省生产总值；coal、oil、gas、others分别表示煤炭、石油、天然气和一次电力及其他能源的消费；a0为常数项；a1—a4是各个参数的系数；ε和t分别是残差项和年份。

(三)数据来源

本文的河南省一次能源消费数据以及生产总值的数据来源于各年的《河南省统计年鉴》，时间跨度采用所能收集到的最长时间段(1978—2019)； 为了消除通货膨胀的影响，采用以1978年为基年的实际GDP，以亿元为单位； 而煤炭、石油、天然气和一次电力都采用万吨标准煤为单位。

三、结果发现

(一)平稳性检验

本文先对所有变量进行ADF和DF-GLS单位根检验，采用有常数无趋势项和有常数有时间趋势项的两种方法进行检验，分析结果见表1。从表1中可以看出，各个参数的原序列接受原假设，存在单位根； 而对其进行一阶差分后，各参数无论是有常数无时间趋势项还是有常数有时间趋势项的ADF和DF-GLS项下t检验值均小于5%的显著性水平，都拒绝原假设，接受备择假设，即各参数的一阶差分是平稳的。可以看出，原序列为一阶单整的序列，符合进行下一步骤，即协整检验的条件。

(二) 协整检验

本步骤为了检验经济增长和能源消费结构之间是否存在协整关系。在进行协整分析之前，需要选择合适的滞后阶数，以消除随机误差项存在的自相关。为了综合考虑各种一次能源消费对河南经济发展起动态的影响，判断滞后阶数对于协整方程的个数以及基于误差修正模型 (vector error correction model,VECM)的Granger 因果关系检验起到至关重要的作用。为了综合考虑滞后阶数的选定，本文采用在五种不同的准则下对最优滞后阶数的选取(见表2)。各种准则都表明2阶是最优滞后阶数。

表1 ADF和DF-GLS单位根检验结果

表2 不同准则下最优滞后阶数的选取

表3显示的是Johansen协整检验的结果。原假设None表示没有协整关系，从表中可以看出，迹统计量检验值为158.777，大于5%临界值88.804，同时极大特征根检验值为84.114，大于5%临界值38.331，可以拒绝原假设，从而认为至少有一个协整关系； 下一个原假设为At most 1则表示最多有一个协整关系，迹统计量74.662和极大特征根检验值42.220分别大于5%临界值63.876和32.118，所以可以拒绝原假设，最多超过一个协整关系； 而在At most 2的假设下，迹统计量和极大特征根统计量都小于5%临界值，从而接受原假设，最多有不超过两个协整关系。

表3 Johansen协整检验结果

检验表明，lnGDP、lncoal、lnoil、lngas、lnothers五个变量存在长期均衡关系。

经过标准化以后，协整方程可以写为如下形式：

lnGDP=0.087+0.421lncoal+0.083lnoil-0.232lngas+0.085lnothers

(0.003) (0.036) (0.053) (0.018) (0.013)

(3)

通过协整方程式，可以得出生产总值与煤炭、石油和一次电力消费(主要指可再生能源的消费)有正相关的长期均衡关系，而与天然气消费则存在负相关的长期均衡关系，这可能与天然气在河南的整体能源消费结构中所占比例较低有关。

表4是F-边际检验的结果。可以看出，F值25.37远远大于1%临界值的上边际I(1)的4.37值，可以判断所检验的变量之间存在长期的协整关系，与Johansen协整检验一致。

表4 F-边际检验结果

(三) 向量误差修正模型及格兰杰因果关系检验

考虑到原序列为非平稳的数据，在建立误差修正模型之前，需要检验向量自回归(vector autoregressive，VAR)模型的整体拟合情况。根据前面的最优滞后阶数，我们选择VAR(2)为基础模型，并对VAR模型特征方程根的倒数值进行拟合分析(如图1)。分析结果表明，所有根模倒数都小于1，即位于单位圆内，可以得出VAR(2)模型是稳定的。也就是说，在所研究的时间区间内，虽然河南省的煤炭、石油、天然气、一次电力和经济发展五个变量之间关系呈现复杂多变的状态，但从整体来看，由这五个变量组成一个稳定的系统。

图1 VAR模型的单位根图

为了更好地诠释各种一次能源要素及自身因素对河南经济发展的影响，在原VAR(2)基础上建立相应的向量误差修正模型(VECM)，通过计算可以得出以下模型：

ΔlnGDPt=-0.665vecmt-1+0.175ΔlnGDPt-1+0.179ΔlnGDPt-2-0.339Δlncoalt-1-0.124Δlncoalt-2+0.140Δlnoilt-1+0.158Δlnoilt-2-0.094Δlngast-1-0.035Δlngast-2-0.055Δlnotherst-1-0.046Δlnotherst-2+0.108

(4)

VECM模型中各个要素的变量参数，显示了各个变量之间为了达到均衡状态而调整至平衡的向心速度。各个自变量的一阶差分的参数向量，反映了该自变量对河南省经济发展(GDP)的影响程度。vecm是该模型的误差修正项，若系数为负，则表明该模型符合反向修正机制原理。结果表明，vecm系数为-0.665，符合该原理，也就是说GDP在第t期的变化可以消除前一期66.5%的非均衡误差，即上年度河南一次能源消费(煤炭、石油、天然气和一次电力等)和经济发展的非均衡误差以66.5%的幅度对基础年度的一次能源消费增长做出相应调整，从而使能源消费非均衡状态(短期)趋向于均衡状态(长期)。

表5显示了基于误差修正模型的Granger 因果关系的实证分析结果。表中显示，拒绝了煤炭、石油、天然气和一次电力不是经济增长的Granger原因的原假设，从而接受备择假设，接受各种一次能源是河南经济增长的Granger原因。而其他的实证分析则接受原假设，经济增长不是各种一次能源的Granger原因。所以，煤炭、石油、天然气和一次电力是经济增长的单向Granger因果关系。总体来说，煤炭、石油、天然气和一次电力消费都是河南经济发展的原因，这一结果可以为经济增长理论提供依据。能源作为工业化进程的基础，推动着经济的发展，它已经成为除传统经济中资本和劳动等生产要素外，拉动区域经济高质量发展的重要组成部分。

表5 基于VECM的Granger 因果关系

(四) 脉冲响应及方差分解

由于在前面，我们已经检验VAR(2)的拟合情况较好，现对VAR(2)模型进行脉冲响应函数以及方差分解分析。图2为煤炭、石油、天然气和一次能源分别用一个标准差对GDP冲击引起的响应，时期为20期。从脉冲响应值的轨迹可以看出，河南经济增长受自身冲击的反应是一直上升，10期以后趋于平稳； 受到煤炭消费一个正向的冲击后，持续上行，并在10期以后趋于稳定并有所下降； 而当受到石油消费的一个正向冲击后，持续下行且为负值，并在8期后趋于平稳，并在12期达到最低，以后有平稳回升的迹象； 当受到天然气消费的一个正向冲击后，第2期达到最低，随后逐渐增加，对经济增长的影响非常小，最终趋于消失； 而从一次电力来说，在第5期达到最大值，而后持续下降，在第10期达到零，而后有持续下降的趋势。总体来看，河南省的经济发展对自己的冲击效应要大于各种一次能源消费对河南经济发展的冲击效应，而煤炭和石油消费还是最主要的能源来源，天然气消费对河南经济发展影响不大，而一次电力短期来说对经济的影响是正面的。

图2 各一次能源对河南经济发展的脉冲响应曲线

为了解释每个变量对河南经济发展的贡献程度，本文采用方差分解的方法。从图3可以看出，在第一期是经济增长自身占比100%，随着时间的推移，占比逐渐下降，速度有所减缓，到第15期的时候达到63.79%； 而煤炭对于GDP的贡献是先增加后减少，到第16期时达到最高，23.32%； 而石油在第17期的时候达到最高值，11.70%； 不过天然气的贡献比率，在第2期达到最大，0.31%，而后逐年递减，在第20期后，只有0.12%的贡献率； 而相对于天然气来说，同作为清洁能源的一次电力能源贡献率逐年增加，从第2期的接近于零，到20期的超过3.51%。

图3 河南省经济发展的方差分解图

四、结论及对策建议

(一)简短结论

本文通过建立VAR模型，对河南GDP和各种能源消费之间的关系进行了实证研究，得出以下三点结论。

一是各个样本在样本期内，都属于一阶单整序列，经济增长、煤炭、石油、天然气和一次电力消费五者之间存在协整关系。二是上年度河南一次能源消费(煤炭、石油、天然气和一次电力等)和经济发展的非均衡误差以66.5%的幅度对基础年度的一次能源消费增长做出相应调整，从而使能源消费非均衡状态(短期)趋向于均衡状态(长期)； 各一次能源消费是河南经济发展的Granger 原因，而经济发展并不构成能源消费的Granger原因。三是从脉冲响应和方差分解来看，河南的生产总值对自身的冲击效应要远远大于各一次能源对它的冲击效应； GDP对自身的贡献率维持在60%以上，煤炭和石油消费对河南经济增长仍然是主要的贡献者，两者总共的贡献率将近35%； 而作为世界主要的三大能源之一，天然气对经济的贡献度维持在较低水平； 而一次电力(主要是可再生能源)对河南经济的贡献率正在稳步提高。

(二) 相关对策建议

在经济新常态下，为了维持河南经济的可持续高质量发展，需加强经济的深化发展，对河南能源的供给侧和需求侧进行改革，提升煤炭和石油传统能源的转化效率，大力发展清洁能源(天然气、水能、风能、太阳能等)，增强能源消费主体生态意识，普及可再生能源消费。具体对策及建议如下。

其一，全力加速由粗放型经济向集约型经济转变。由粗放型经济迅速转变为集约型经济，合理调整三大产业结构，充分发挥经济对自身的影响。近些年，河南的人口红利正在消失，而大力发展战略性新兴产业和高技术产业，提高产品的附加值； 充分利用河南自身资源，提高生产资料的利用率是稳定经济增长的保障。规范和发展河南现代工业产业集群和现代农业产业集群，发挥现代产业集群对区域经济可持续发展的辐射带动作用。

其二，全力提高能源利用效率。虽然能源消费带动了河南经济的发展，但属于高碳排放的煤炭和石油消费拉动起着至关重要的作用。作为煤炭消费大省，河南的一次能源消费中，煤炭仍然占比73%，而石油占比14%，两者总共提供了河南省将近90%的能源消费。在节能减排的大背景下，提高能源的利用效率，特别是煤炭、石油的利用效率尤为重要。鼓励研究开发节能降耗技术，加大对煤炭、石油等传统化石能源的技术创新投入，提高传统能源的使用效率，推动河南经济可持续发展和能源资源可持续发展的高度协调融合。

其三，全力提高天然气和可再生能源使用比例。目前天然气和一次电力消费占能源消费总量比例较小，对河南经济发展的贡献相对较小。提高天然气以及可再生能源的比率作为河南节能减排的发展新趋势，是降低河南的煤炭高依赖率的重要手段，也是稳定经济增长且降低能耗的有效途径。充分利用好国家“一带一路”倡议和中部崛起政策，利用河南的地理优势，持续推进天然气和一次电力的外引通道建设。要加大对河南可再生能源的技术研发力度，进一步发挥它们对经济发展的作用。

其四，全力发展资源节约型经济和环境友好型经济。发展资源节约型和环境友好型经济体系，践行新发展理念和“绿水青山就是金山银山”理念，需要提高资源的利用率，特别是化石能源的利用率，兼顾经济效应和生态效应。通过政府的有效引导，加强能源技术创新，深化产学研深度融合，拓展协同创新机制，形成创新合力，经济增长方式由要素驱动向创新驱动转变。