葉翠紅，趙玉林

(1.華中科技大學經(jīng)濟學院，湖北 武漢 430074；2.武漢理工大學經(jīng)濟學院，湖北省科技創(chuàng)新與經(jīng)濟發(fā)展研究中心，湖北 武漢 430070)

1 引言

作為能源效率和經(jīng)濟發(fā)展質(zhì)量的核心指標，降低能源強度是處于轉(zhuǎn)型期的中國解決經(jīng)濟發(fā)展與資源環(huán)境約束矛盾所追求的核心目標之一。相關(guān)研究表明，資源稟賦、能源消費結(jié)構(gòu)、對外開放程度、能源價格、FDI、市場競爭等因素均會影響能源強度演變的方向和強度。而與能源強度相關(guān)的各因素都是通過影響產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)或各產(chǎn)業(yè)能源使用效率的變化進而間接地影響能源強度的變化［1］。技術(shù)進步、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分別通過提高部門的能源利用效率、促進能源更多地從高能耗部門流向低能耗部門，成為影響能源強度變動的兩大主導因素。基于此，學術(shù)界形成了能源強度變動的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)主導論［2-3］和技術(shù)進步主導論［4］兩大派別。而產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、技術(shù)進步對不同區(qū)域能源強度的影響存在著差異［5-6］。

可以看出，各因素與能源強度相互作用的多層次性決定了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、技術(shù)進步與能源強度之間存在著復雜的非線性作用關(guān)系。已有的因素分解、投入產(chǎn)出、回歸分析、因果檢驗等方法多用來分析各因素對能源強度的影響程度，在解釋影響因素與能源強度的內(nèi)在作用機制和非線性關(guān)系時顯得比較薄弱。本文擬運用隨機尖點突變理論這一新的視角對中國省級區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、技術(shù)進步與能源強度的內(nèi)在非線性關(guān)系進行實證檢驗，并揭示能源強度演變的突變機理和規(guī)律。

2 能源強度隨機尖點突變模型的構(gòu)建

自20 世紀70年代初法國數(shù)學家托姆創(chuàng)立突變理論以來，突變論已被成功地應(yīng)用到了經(jīng)濟領(lǐng)域，包括對商業(yè)周期［7］、企業(yè)競爭行為［8］、股市價格變動［9］等方面的研究，為經(jīng)濟領(lǐng)域中動態(tài)的、非線性的、多變量決定的突變現(xiàn)象的研究提供了有效的數(shù)學模型［10］。尖點突變作為經(jīng)典突變模型中較為簡單、內(nèi)涵豐富的一種，在現(xiàn)實中應(yīng)用最多。隨機尖點突變則是經(jīng)典突變理論由研究確定性系統(tǒng)向研究隨機影響下的系統(tǒng)的一種發(fā)展。Grasman等［11］開發(fā)的cusp 程序包具有可以設(shè)置初始值、允許參數(shù)值被約束、比較模型優(yōu)劣、計算機運行更為便捷等優(yōu)勢，為隨機尖點突變理論的實證檢驗提供了重要的工具。本文運用隨機尖點突變理論構(gòu)建模型，并運用cusp 程序包進行尖點突變模型的估計。

假設(shè)能源強度在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平和技術(shù)進步水平作用下的演變具有尖點突變特征，則隨機影響下的能源強度的尖點突變機制可以用隨機微分方程表示為:

其中y 為尖點模型中的狀態(tài)變量即能源強度，α 和β 為控制變量，分別表示正則因子和分歧因子，決定了系統(tǒng)的特有結(jié)構(gòu)，dω (t)表示隨機誤差。設(shè)Y 為能源強度的實際狀態(tài)變量，則y=ω0+ω1Y;設(shè)X1和X2分別為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平和技術(shù)進步水平，則α=α0+α1X1+α2X2，β=β0+β1X1+β2X2，其中α0、α1、α2、β0、β1、β2分別為正則因子和分歧因子中獨立觀測變量的平滑轉(zhuǎn)化系數(shù)。尖點突變模型系統(tǒng)所有的穩(wěn)定均衡點滿足

對于隨機過程(1)，當t→∞時有一個極限概率密度函數(shù):

針對f (y)運用類牛頓極大似然化方法進行迭代可以得到參數(shù)α0、α1、α2、β0、β1、β2、ω0、ω1的最優(yōu)擬合值。本文借助R 軟件的cusp 程序包，設(shè)α0、α1、α2、β0、β1、β2、ω0、ω1中的若干參數(shù)值為零(比如若設(shè)α1=0，意味著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平對正則因子沒有影響)，逐個運行含有約束的擬合模型，以AIC 和BIC 為模型優(yōu)度的判別準則(AIC、BIC 越小越好)并結(jié)合其他統(tǒng)計量尋求能源強度演變與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平、技術(shù)進步水平之間關(guān)系的最優(yōu)解。

3 中國能源強度尖點突變的實證分析

3.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文擬以除西藏之外的30 個省域(省、直轄市、自治區(qū)，簡稱為“省”)及全國2010年、2011年數(shù)據(jù)為樣本對中國能源強度的尖點突變模型進行檢驗(西藏由于數(shù)據(jù)缺失較多而未列入研究范圍，文中全國數(shù)據(jù)中的原始數(shù)據(jù)均為除西藏之外的30 個省域數(shù)據(jù)的加總)。文中所需原始數(shù)據(jù)主要來自《中國統(tǒng)計年鑒》、《中國能源統(tǒng)計年鑒》、《中國高技術(shù)產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計年鑒》、《中國工業(yè)經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒》及各省統(tǒng)計年鑒相應(yīng)年份的統(tǒng)計值。

首先計算出各省及全國的能源強度即單位GDP 能源消費總量，其中GDP 數(shù)據(jù)以1999年為基期進行了不變價處理。各省及全國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化水平用其高技術(shù)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值在制造業(yè)產(chǎn)值中的比例計算得到，其中制造業(yè)產(chǎn)值數(shù)據(jù)由各省21 個制造業(yè)的工業(yè)總產(chǎn)值求和取得。全要素生產(chǎn)率不能通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)直接取得，本文以GDP 作為產(chǎn)出，資本和勞動力作為投入，用DEA 方法測算中國及各省2010、2011年的Malmquist 生產(chǎn)率指數(shù)。勞動力投入使用就業(yè)人員數(shù)據(jù)，資本投入則使用以永續(xù)盤存法計算的固定資本存量數(shù)據(jù)，公式為:

其中i 表示省份，t 表示年份，I 為當年價格的固定資產(chǎn)新增投資額，P 為當年對基期的固定資產(chǎn)投資價格指數(shù)，δ 為固定資產(chǎn)折舊率。本文以中國經(jīng)濟增長與宏觀穩(wěn)定課題組［12］估算的1999年各省固定資本存量作為基期存量(該文1999 全國省域固定資本存量的估計結(jié)果是以1978年為基期的估算，而本文的新增固定資產(chǎn)投資額是以1999年為基期進行不變價處理的數(shù)據(jù)，所得到的固定資本存量估計結(jié)果不影響省際TFP 的相對大小)，各省固定資產(chǎn)新增投資額亦參照其計算方法。固定資產(chǎn)投資價格指數(shù)調(diào)整為以1999年為基期的價格指數(shù)，δ 選取通常意義上使用較多的5%。

為消除變量間的量綱關(guān)系，運用Z 標準化方法分別得到的能源強度、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平、全要素生產(chǎn)率數(shù)據(jù)進行標準化處理，作為隨機尖點突變模型擬合的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 尖點模型擬合結(jié)果

運用R 軟件對中國2010年、2011年30 個省及全國的能源強度、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平和技術(shù)進步的數(shù)據(jù)進行尖點模型的擬合。假設(shè)正則因子、分歧因子均至少與一個獨立觀測變量相關(guān)，設(shè)置若干參數(shù)值為零，可以得到72 次模擬結(jié)果，2010年、2011年各得到10 個AIC 和BIC 均小于對應(yīng)的線性模型和邏輯模型的尖點模型(見表1)，表明能源強度在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、技術(shù)進步滿足一定條件時會表現(xiàn)出尖點突變特征。

在2010年的十個模型中，cusp2 和cusp10 的AIC 和BIC 相對較小，由于二者AIC 和BIC 的大小表現(xiàn)不一致，此時參考擬合優(yōu)度指標(R2)和似然函數(shù)對數(shù)值的大小，得到cusp2 的擬合效果最優(yōu)，cusp2 的卡方似然檢驗也表明在正常誤差內(nèi)尖點模型比線性模型更好(X-squared=25.76，df=2，p-value=2.552 ×10-6)。2011年的十個模型中cusp1 和cusp10 的AIC 和BIC 相對較小，二者AIC 和BIC的大小表現(xiàn)也不一致，同樣參考擬合優(yōu)度指標和似然函數(shù)對數(shù)值的大小，得到cusp1 的擬合效果最優(yōu)，其卡方似然檢驗也表明在正常誤差內(nèi)尖點模型比線性模型更好(X-squared=31.35，df=2，p-value=1.557 × 10-7)。可以看到，2010年、2011年擬合效果最優(yōu)的兩個模型對于參數(shù)的約束是一致的(α2=0，β1=0)，進一步驗證了能源強度與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平、技術(shù)進步水平變量間作用關(guān)系的相對穩(wěn)定性。

表1 能源強度的尖點擬合模型

續(xù)表1

2010、2011年擬合效果最優(yōu)的尖點突變模型的參數(shù)估計值及其統(tǒng)計量見表2。表2 顯示除β2外其他系數(shù)均顯著不為0。參數(shù)α0、α1、β0、β2、ω0、ω197.5%的置信區(qū)間2010年為(-3.37，-0.74)、(-3.27，-0.57)、(0.92，3.26)、(-0.73，0.54)、(-1.68，-1.10)、(0.76，1.16)，2011年為(-3.86，-0.89)、(-3.64，-0.76)、(0.93，3.32)、(-0.78，0.49)、(-1.73，-1.17)、(0.79，1.16)，均覆蓋了估計值。

結(jié)果顯示，能源強度在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平和技術(shù)進步水平滿足一定條件時表現(xiàn)出尖點突變特征。與正則因子相關(guān)的變量是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平，二者呈現(xiàn)出負相關(guān)關(guān)系;與分歧因子相關(guān)的變量是技術(shù)進步水平，二者也呈現(xiàn)出負相關(guān)關(guān)系，驗證了能源強度在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、技術(shù)進步變量影響下的突變機制。

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)實證結(jié)果，能源強度在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、技術(shù)進步作用下可能發(fā)生突變，突變機制如圖1 所示，其中均衡曲面的上葉和下葉分別代表能源強度的兩種穩(wěn)定均衡態(tài)，中間陰影葉上的點是能源強度的不穩(wěn)定均衡態(tài)。根據(jù)經(jīng)典尖點突變理論的 一般原理，能源強度的演變具有以下特點和規(guī)律。

表2 2010、2011年最優(yōu)模型參數(shù)估計值及其統(tǒng)計量

圖1 能源強度突變的尖點模型

(1)能源強度的演變具有尖點突變特征，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平?jīng)Q定能源強度突變的正則因子，技術(shù)進步水平?jīng)Q定能源強度突變的分歧因子。在區(qū)域能源強度演變過程中，當技術(shù)進步水平較高，分歧因子較小，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平的穩(wěn)步提升，能源強度會不斷下降;當技術(shù)進步水平較低，技術(shù)進步成為能源強度演變的不穩(wěn)定因素，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平的連續(xù)變化對能源強度可能產(chǎn)生不連續(xù)的影響。技術(shù)進步水平越低，能源強度的演變越不穩(wěn)定。

(2)能源強度在一定條件下能夠分叉出兩個不同的穩(wěn)定均衡態(tài)，該分叉是能源強度在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)進步變量共同作用下產(chǎn)生的一種自組織突變現(xiàn)象。當產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、技術(shù)進步變量決定的控制參數(shù)穿越分歧集合臨界線(27α2-4β3=0)，能源強度的均衡態(tài)會自發(fā)地產(chǎn)生突變，自變量沿不同方向變化發(fā)生的突變點是不同的。假設(shè)技術(shù)進步水平不變，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平沿著控制平面中的直線MN 變化，當與臨界線OP 或OQ相交時，能源強度會產(chǎn)生突變;對于低能源強度狀態(tài)，當產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平由高變低(由M 向N)，能源強度的突變發(fā)生在與OQ 相交處，自發(fā)地由C 突變至D;反過來，對高能源強度狀態(tài)，當產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平不斷提升，能源強度的突變發(fā)生在OP 處，由E 突變至F。當27α2-4β3＜00，能源強度存在兩個穩(wěn)定均衡點和一個不穩(wěn)定均衡點，初始狀態(tài)、自變量的變動方向和大小決定能源強度所處的穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)能源強度在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)進步作用下的自組織突變具有不可逆性。假設(shè)初始狀態(tài)為高能源強度狀態(tài)D，技術(shù)進步水平不變，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平由低向高變化時，能源強度會平緩經(jīng)由G 減小到E，再由E 突跳至F。此時即使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平降至之前G 點的水平，能源強度也只會由F 平緩增加至K，而不是回到G 點。這表明，能源強度一旦由一種穩(wěn)態(tài)進入到另一種穩(wěn)態(tài)，即使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、技術(shù)進步再回到之前的水平，能源強度只會在新的狀態(tài)上微小變動，相對較為穩(wěn)定。

(4)當控制參數(shù)在分歧區(qū)域之外，能源強度只有一個均衡態(tài)，且與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、技術(shù)進步呈現(xiàn)出簡單的線性連續(xù)變化關(guān)系。當27α2-4β3＞0 時，能源強度只會隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平、技術(shù)進步水平的連續(xù)變化發(fā)生漸進式變化。若技術(shù)進步水平較高，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，能源強度會連續(xù)減小(如由B 到A);若技術(shù)進步水平較低，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平的提高，能源強度分別在高能源強度穩(wěn)態(tài)和低能源強度穩(wěn)態(tài)上產(chǎn)生漸變式的減小(如由D 到G、由K 到F)。

4 結(jié)論及政策啟示

本文對中國省域能源強度隨機尖點突變模型進行了檢驗，結(jié)果表明，能源強度、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、技術(shù)進步之間存在尖點突變機制，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平?jīng)Q定能源強度突變的正則因子，技術(shù)進步水平則決定能源強度突變的分歧因子。當產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、技術(shù)進步變量組合下的控制參數(shù)在分歧區(qū)域外，能源強度與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、技術(shù)進步之間表現(xiàn)出簡單的線性連續(xù)變化關(guān)系;當控制參數(shù)滿足分歧臨界條件，能源強度會在自組織作用下發(fā)生突變，且這種突變具有不可逆性。這對當前中國各區(qū)域降低能源強度具有重要的政策含義。

中國各區(qū)域能源強度是技術(shù)進步、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化變量共同作用的結(jié)果，二者影響能源強度的方式是不同的。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平是中國能源強度省域差異的關(guān)鍵原因。只要分歧因素較小，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平的提高，能源強度會穩(wěn)步降低;即使分歧因素起作用，提升產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平也有利于實現(xiàn)能源強度的跨越式降低。因此，當前中國各地政府應(yīng)通過政策引導，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化，促進要素更多地流向低能耗低污染產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)能源強度的不斷降低。

而在不同的技術(shù)進步狀態(tài)下，對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整方式應(yīng)有所不同。對于技術(shù)進步水平較低的區(qū)域，地方政府可著力于創(chuàng)造條件使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平、技術(shù)進步水平組合的控制參數(shù)達到突變的臨界，實現(xiàn)能源強度跨越式的降低，從質(zhì)的水平上拉大與其他區(qū)域的差距;對于技術(shù)進步水平較高的區(qū)域，地方政府則可選擇漸變的路徑，通過逐步提升產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平實現(xiàn)能源強度的穩(wěn)步降低。

長期來看，要使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平對能源強度產(chǎn)生穩(wěn)定持續(xù)的正面效應(yīng)，提高技術(shù)進步水平是中國各省域?qū)崿F(xiàn)能源強度降低的必由之路。地方政府應(yīng)加大自主創(chuàng)新力度，提升技術(shù)進步水平，為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化在促進能源強度降低中充分發(fā)揮作用提供一個良好的技術(shù)環(huán)境。

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