1、基于 NDDF 的我国各省用水效率测量及对外贸易影响因素分析 尹庆民 李田田 许长新 河海大学商学院 摘 要： 以全国各省污水排放量为非合意产出, 运用非径向方向距离函数构建了 2 种用水效率指数来测量用水效率。通过构建 Tobit 模型分析了对外贸易等因素对用水效率的影响以及作用机制。结果表明: (1) 我国各省市用水效率水平不高, 地区间差异显著, 整体趋势是先上升后下降再上升; (2) 对外贸易通过进出口2 种途径可显著提高用水效率; (3) 对比 UEI 和 WEPI 2 种用水效率指数, 通过控制产业结构、水资源禀赋和水价等因素后实证结果仍然稳健。关键词： 用水效率; 非径向方向距离
2、函数; 对外贸易; 影响机制; 作者简介：尹庆民 (1965) , 男, 河北武安人, 副教授, 硕士生导师, 博士, 研究方向为水资源经济。收稿日期：2017-09-12基金：国家自然科学基金项目“虚拟水贸易视角下区域农业水土资源耦合模型研究” (51279058) Measurement of Water-use Efficiency in Chinas Provinces Based on NDDF and Analysis of Foreign-trade Factors Influencing Water-use EfficiencyYIN Qing-min LI Tian-tian
3、 XU Chang-xin College of Business, Hohai University; Abstract： We took the sewage discharge of Chinas provinces as the non-consensual output, used non-radial direction distance function (NDDF) to build two water-use efficiency indexes for the measurement of water-use efficiency, and analyzed the inf
4、luences and action mechanism of some foreign-trade factors and other factors on water-use efficiency through the constructed Tobit model.The results showed that: (1) The water-use efficiencies of Chinas provinces were not high, and their overall trend was “rising-decline-rising”; there were signific
5、ant differences in water-use efficiency among different provinces. (2) Foreign trade could significantly improve water-use efficiency through the two ways of import and export. (3) Through comparing the two water-use efficiency indexes UEI and WEPI, the empirical result was still robust after contro
6、lling such factors as industrial structure, water resource endowment and water price.Keyword： Water-use efficiency; Non-radial direction distance function; Foreign trade; Influence mechanism; Received： 2017-09-120 引言我国经济的迅速发展导致用水需求增长迅速。用水效率低下严重阻碍了我国经济的发展, 生产生活造成的水污染也导致我国缺水状况更加严重。为了有效解决用水效率低和水污染等问题,
7、达到全面改善水环境的目标, 2017 年环境保护部颁布的水污染防治法 (修订草案) 明确指出各级政府水环境质量的责任, 同时建立总量控制制度和排污许可制度, 对于监管部门的职责, 建立了水环境质量检测制度。我国面临着严峻的水资源形势, 有效测算我国各省的用水效率有助于水资源管理工作科学严格地执行。许多学者对用水效率的测度、影响因素、空间分布特征以及水足迹、虚拟水贸易进行了相关研究。马海良等1考虑非合意产出, 以投入导向的 DEA 模型为基础, 测算出我国各省全要素用水效率, 认为经济水平和水价能显著促进用水效率的提高, 产业结构和政府影响力却有着相反的作用。钱文婧等2利用 Tobit模型, 发
8、现产业结构、地区水资源丰富度、进出口需求对我国的用水效率有着显著影响。张雄化3从粮食安全的角度分析了我国虚拟水国际贸易和粮食生产用水的关系, 并指出虚拟水出口少的区域粮食生产用蓝水生态效率高, 虚拟水进口多的区域粮食生产用蓝水环境效率低, 因此我国必须实施虚拟水贸易以保证粮食生产的可持续性。现有的考虑非合意产出的全要素用水效率的文献均采用方向性距离函数, 这种函数严格等比例扩大合意产出, 缩减投入和非合意产出。另外, 国际贸易作为重要的影响因素, 在解决水资源短缺问题及水资源再分配中发挥的作用未得到有效关注。再者, 大多数研究止步于验证对对外贸易对用水效率的影响, 较少实证分析其影响机制。因此
9、, 本研究首先通过建立考虑非合意产出的 NDDF 函数测算用水效率。其次, 根据数据的特点, 选择建立 Tobit 模型分析用水效率的影响因素, 更深一步地将对外贸易分为进口和出口 2 种方式, 具体分析对外贸易影响用水效率的作用机制。我国目前正积极地发展虚拟水贸易政策, 深入分析对外贸易对用水效率的影响及作用机制对制定水资源可持续利用政策具有重要的参考和指导意义。1 研究方法与数据来源1.1 研究方法构建测量用水效率的函数时需要考虑多个投入变量和多个产出变量, DEA 方法和本文的要求非常契合。DEA 方法一般采用谢泼德距离函数 (shepherd distance function, 简称
10、 SDF) , 在该函数中所有产出会同比例增加。之后提出的方向距离函数 (directional distance function, 简称 DDF) 设定合意产出和非合意产出等比例变化。这 2 种函数的设定显然都不符合要求。Zhou 等4提出的非径向方向距离函数 (nonradial directional distance function, 简称NDDF) 对合意产出和非合意产出的变化比例没有限制。如图 1 所示, 范围ABCDE 表示生产的可能性集, K 点代表一个决策单元, G 代表方向距离函数, F则为 K 在生产前沿面上的参照点。在谢泼德距离函数中, K 点合意产出方向的效率参照
11、点为 R, K 点非合意产出方向的效率测度参照点则为 L;如果采用非径向方向距离函数, L 到 R 之间的任一点都可以是 K 的参照点。B、F 和 R 点有着相同的合意产出, 但是 B 点的非合意产出少, 因此 B 点才是最有效的参照点。BF 是使用方向距离函数产生的松弛偏差。图 1 非径向生产距离函数图解 下载原图参照 Zhang 等提出的全要素非径向方向距离函数 (total-factor non-radial directional distance function, 简称 TNDDF) 和能源环境非径向方向距离函数 (energy-environmental non-radial d
12、irectional distance function, 简称 ENDDF) 5, 本文以资本 (K) 、劳动力 (L) 和水资源 (W) 为投入要素, 各省 GDP (Q) 为合意产出, 各省污水排放量 (S) 为非合意产出的生产技术如下:该技术的生产集形式为:合意产出和非合意产出的联合集需要符合以下 3 个条件:.若 (Q, S) P (K, L, W) 且 QQ, 则 (Q, S) P (K, L, W) ;.若 (Q, S) P (K, L, W) 且 01, 则 (Q, S) P (K, L, W) ;.若 (Q, S) P (K, L, W) 且 S=0, 则 Q=0。测度用水效
13、率的非径向方向距离函数为:其中, W= (w K, wL, wW, wQ, wS) 为权重向量。权重的选择可以根据政策的要求进行设定, 具有很高的灵活性。为了证明即使权重不同得到的结果也是稳健的, 选取不同的权重建立了 2 种不同的指标。B= ( K, L, W, Q, S) 0 为松弛变量, 代表各要素变化的比例;方向变量 G= (-gK, -gL, -gW, gQ, -gS) 表示期望各要素变动的方向。1.1.1 全效率指标 (unified efficiency index, 简称 UEI) Zhou 等6-7将统一效率定义为所有因素的平均水平, 因此把用水的统一效率指数定义为每个因素的
14、平均效率。考虑水资源可以替代其他投人要素, 采用 TNDDF 函数, 计算各省的全效率指数 (UEI) 。假定规模报酬不变, 构建如下 DEA 模型:本文方向向量 G= (-K, -L, -W, Q, -S) , 各变量的权重矩阵为 。根据实际情况认为投入、合意产出和非合意产出三者同样重要, 因此各占 1/3;投入的 3 种要素同等重要, 因此分别为 1/9。根据 Zhou 等的研究, 在没有预先信息的情况下, 平等看待各要素是比较合理的8。将各投入和产出数据代入 (4) 式得到第 n 个省份的松弛变量最优解 Bn= ( n K, n L, n W, n Q, n S) , 因此该省的全效率指
15、标的计算公式如 (5) 式所示:1.1.2 用水环境绩效指数 (Water environmental per-formance index, 简称WEPI) 如果要特别关注用水的环境绩效, 应该考虑资本和劳动投入不变, 水资源投入、合意产出和代表环境影响的非合意产出各占 1/3。而资本和劳动的权重为 0。参照 Zhang 等5的定义, 定义这个函数为用水环境非径向距离函数 (water-environmental non-radial directional distance function, 简称 WNDDF) 。该函数权重向量为 。方向向量 G= (0, 0, -gW, gQ, -gS
16、) , 构建模型为:该问题的最优解 B= ( W, Q, S) , 可进一步计算得到第 n 个省份的 WEPI指数如下:公式 (5) 和公式 (7) 中, UEI n (或 WEPIn) 的值介于 0 和 1 之间, 这 2 个值越大, 表示第 n 个省份的用水效率越高;值等于 1 时, 说明用水效率最高。1.2 数据来源为了测度我国各省市自治区的用水效率, 本文搜集了我国 30 个省市自治区 (重庆并入四川省进行核算) 20042014 年的各投入要素、合意产出和非合意产出数据。具体数据及来源如下:(1) 用水量投入。用各省市的用水总量来衡量, 数据来自于中国统计年鉴 (20052015)
17、。(2) 资本存量投入。现有研究大多使用“永续盘存法”来估算某地每一年的资本存量, 计算公式为 Kit=Iit+ (1-t) K it-1。其中, K it表示地区 i 第 t 年的资本存量, I it表示地区 i 第 t 年的投资额, t表示第 t 年的资本折旧率。本文直接参考了张军等9的研究, 按照其方法计算出 20082014 年的数据。数据来源于各省市的统计年鉴和中国统计年鉴 (20052015) 。(3) 劳动力投入。年劳动力投入用各省上 1 年年末劳动人口数与各省本年年末劳动人口数的均值来衡量。数据来源于新中国 60 年统计资料汇编和中国统计年鉴 (20052015) 。(4) G
18、DP。以 1990 年为基期, 计算得到各省市每年的实际 GDP。数据来源于中国统计年鉴 (20052015) 和新中国 60 年统计资料汇编。(5) 污水排放量。包括工业污水和生活污水, 各省市的数据来源于中国统计年鉴 (20052015) 。2 结果与分析2.1 用水效率测算结果分析基于 TNDDF 和 WNDDF 的 2 种不同测算方法, 利用 LINGO 11.0 软件计算出各省用水效率, 结果如表 1 和表 2 所示。由表 1 可知, 从各省来看, 20042014 年期间, 天津、辽宁、上海、广东、云南的用水效率都达到最高水平。2014 年, 天津、辽宁和上海人均水资源量排在全国后
19、 5 名, 为缺水地区。云南的用水模式与缺水地区不同, 2014 年云南人均水资源拥有量 3673.3 m/人, 居全国第 4 位。从 2014 年数据可以看出:云南水资源的利用效率和开发的强度并不高, 但是资本和劳动力与其发展相匹配, 因此云南省的用水效率相对较高。广东省的用水效率为 1, 进出口总额排名各省第 1, 同时发现进出口贸易总额全国前 10 位的省份用水效率排名也较前。根据张卓颖等10的研究, 全国虚拟水净出口量占当年用水总量的比例由 2002 年的7.1%上升至 2007 年的 11.8%, 这表明我国出口的产品和服务正在占用越来越多的水资源, 因此, 本文研究用水效率的影响因
20、素时将重点考察对外贸易对其的影响。表 1 基于 TNDDF 方法的各省用水效率 下载原表 青海、新疆、宁夏、甘肃这 4 个西部省份的用水效率很低, 年平均用水效率不足 0.4。西部省份经济发展水平低, 在产生与其他省份相同的国内生产总值时, 需要更多的投入和排放更多的污水。进一步分析可得, 东部地区用水效率最高, 中部地区次之, 最低的是西部地区, 用水效率地域差异较大。东部地区的地理位置优越, 资源丰富, 经济发展水平高11, 产业结构较合理。中部很多地区的主导产业是高耗水产业12, 农业劳动人口占比较大, 因此用水效率低于东部。西部地区情况比较特殊, 经济发展水平较低。虽然西部地区的生态环
21、境保护工作开展力度较大, 但是由于其经济发展起步晚, 基数小, 所以全要素平均效率低于中部。从表 1 和表 2 对比发现, 在不考虑资本和劳动力投入效率的情况下, 各省的用水效率存在较大的变动。WEPI 指标值总体高于 UEI 指标值, 全国用水效率平均值由 0.664 提高到 0.761。由于 UEI 是全要素指标, 要考虑所有要素的效率, 因此低于只考虑用水效率的 WEPI 指标。考虑资本和劳动力投入的情况下, 表 1 中只有天津、辽宁、上海、广东和云南用水效率为 1。当考虑用水投入和产出时, 又增加了北京、山东、西藏和河南4 个省份到达前沿面。说明这 4 个省 (市) 受资本投入和劳动力
22、投入效率影响比较大或者投入与产出资源不匹配。经济发达省份生产同等数量的国内生产总值时, 只需要较少的投入, 因此产生较小的污水13。表 2 基于 WNDDF 方法的各省用水效率 下载原表 图 2 和图 3 分别为 UEI 和 WEPI 的分布和变化趋势图。由图 2 所示, 我国各省平均 UEI 大于 0.5, 2005 年以后是下降的趋势, 2008 年下降幅度很大, 在 2011年以后趋势反转呈现上升趋势, 我国各省份的用水效率还较低。2008 年的突然下降可能是全球经济危机的影响, 因此使得用水效率暂时下降。2011 年国务院发布了关于实行最严格水资源管理制度的意见, 全面、具体地部署了水
23、资源管理工作, 落实相关责任。有效促进了我国水资源的合理开发和节约保护工作, 提高了各省水资源的利用效率。由图 3 所示, 全国各省市用水环境绩效指数分布高于 0.5, 2008 年以前呈现上升的趋势, 2008 年以后呈现下降的趋势, 在 2011 年以后趋势反转呈现上升趋势。20042008 年呈现增长的趋势是因为改革开放以来我国经济实行粗放式发展模式, GDP 大幅度增长。GDP 增长幅度抵消了污水排放对用水效率的影响, 这与马海良、孙才志等人的研究结论类似。图 2 UEI 指标核密度图 下载原图2.2 对外贸易影响用水效率的分析2.2.1 变量选取与模型设定上文得到各省的用水效率, 虽
24、然可以根据松弛变量大小对资源的冗余或者不足提出建议, 但无法分析其影响因素, 所以选择回归分析来考察对外贸易对用水效率的影响。UEI 和 WEPI 指标都是 0 和 1 之间的双截尾数据, 因此, 选择Tobit 模型来进行回归分析。参照师博等14的研究成果构建模型如下:对外贸易 (Trade) 是模型中最重要的解释变量, 用各省市进出口总额与 GDP 的比值来衡量。数据主要来源于中国统计年鉴。为了控制其他对用水效率有影响的因素, 加入以下控制变量。(1) 产业结构 (IS) 。农业和工业是耗水大户, 调整产业结构会直接影响各省的用水总量和污水排放量, 因此会影响用水效率。本文使用第三产业比重
25、作为衡量指标是为了避免严重的共线性。(2) 水资源禀赋 (WE) 。刘红梅等15以我国 29 个省份近 20 年的面板数据作为样本对农业虚拟水“资源诅咒”进行验证, 认为农业虚拟水资源丰度与地区经济增长负相关。本文选取人均水资源拥有量的自然对数作为指标。(3) 水价 (WP) 。有研究表明水资源的稀缺程度以及供给弹性会影响用水效率16-17。水价=城镇居民家庭平均每人全年水电燃料支出/城镇居民家庭平均每人全年消费性支出。表 3 是以上各影响因素的描述性分析。图 3 WEPI 指标核密度图 下载原图表 3 各因素的描述性分析 下载原表 2.2.2 估计结果本文利用 Eviews 8.0 软件,
26、采用 2010-2014 年我国各省的数据对 (8) 式进行估算, 结果如表 4 所示。其中, 回归 (1) 、 (2) 只考虑对外贸易变量, 回归 (3) 和 (4) 考虑上文所有影响因素, 都控制了个体和时间异质性 (表 4) 。由表 4 可知, 对于两种用水效率对外贸易指标都有正向促进作用。回归 (3) 和 (4) 表明对外贸易对我国各省的用水效率有显著的正向影响, 不受测量方法的影响。表 4 Tobit 模型参数估计结果 下载原表 产业结构与用水效率呈正相关。因为农业和工业部门是高耗水部门, 且大部分农业地区用水依然采取串灌、漫灌、大块灌等方式, 用水技术相对落后, 而工业产生大量的污
27、水污染水域, 因此调整产业结构有利于显著提高用水效率。水资源禀赋与用水效率呈负相关。采用 UEI 算出的是资源利用效率与水资源禀赋显著相关, 而 WEPI 则与其相关性不明显。这是因为 WEPI 只关注水资源投入和产出以及污水排放, 像海南、青海、西藏这样的省份, 水资源特别丰富, 经济发展水平较低, 人口较少, 生产和生活耗水量相比于其他省份很少, 因此受水资源禀赋影响的用水效率变化很少。采用 UEI 的模型估算结果表明水价与用水效率成正比, 在 5%的水平下显著不为0, 而采用 WEPI 的模型估算结果显示水价与用水效率正相关但是不显著。这表明通过水价来激励高耗水部门为了缩减生产成本而节约
28、用水从而提高用水效率是可行的。2.2.3 对外贸易对用水效率的影响机制考察上述分析表明对外贸易能促进用水效率的提高, 但是却不能解释其影响机制。通过进一步考察对外贸易的进口影响 (进口额/GDP) 和出口影响 (出口额/GDP) , 并进行回归分析18。表 5 是 2 种贸易方式对用水效率的回归结果。其中, 回归 (1) 和 (2) 表明:无论采用哪种方法, 进口贸易对水资源利用的影响都为正;回归 (3) 和 (4) 表明:出口贸易与用水效率呈正比且非常显著。由表 5 可得, 对外贸易通过进口和出口两种途径来影响用水效率, 进口和出口对用水效率的影响系数差别并不大。进口贸易对用水效率的影响是企
29、业可以进口生产所需的中间产品和机器设备, 节省开发成本。另外进口企业通过研究和模仿国外先进的产品, 进而改进和创新, 从而提高自身的技术水平, 有利于用水效率的提高。出口贸易影响用水效率的途径: (1) 企业可以通过出口这一方式接触到国外先进技术和经验, 有利于企业学习其生产模式, 提高管理水平。 (2) 进口国会出于对高质量产品的要求而让出口国接触到产品生产的相关过程, 间接帮助出口国提高了效率。表 5 影响机制分析估计结果 下载原表 3 结论与讨论本文采用 20042014 年各省的面板数据, 基于非径向方向距离函数测算考虑非合意产出的全要素用水效率和用水环境绩效指数, 并且采用 Tobi
30、t 模型考察对外贸易对用水效率的影响及其作用机制, 得出对外贸易能显著提高用水效率这一结论。(1) 从整体水平来看, 我国各省的用水效率平均水平不高, 尤其是中部和西部省份。从区域来看, 各地区用水效率东部中部西部, 区域差异性明显。同时发现进出口贸易总额大的省份用水效率相对较高。实证表明 NDDF 完善了测算用水效率的方法, 同时全要素用水效率指标更好地体现了我国各省用水效率的真正水平。(2) 回归分析表明对外贸易对用水效率有显著的促进作用。我国除天津、上海、江苏、广东 4 地对外贸易依存度较高之外, 其他省份的对外贸易依赖度还比较低, 因此, 我国要进一步扩大对外贸易的规模, 同时注重对外
31、贸易结构的优化。此外, 研究还验证了第三产业占比和水价对全要素用水效率有显著的正向影响, 水资源禀赋对用水效率有显著的负向影响, 但它的影响作用较小。(3) 进一步把对外贸易的影响作用分为进口和出口 2 个方面, 回归结果显示进口和出口都能显著提高用水效率。基于此提出以下建议。(1) 由于我国各省经济和资源情况地区性差异显著, 因此在进行水资源管理的时候要因地制宜, 避免“一刀切”现象。东部地区, 要进一步调整产业结构, 淘汰掉高耗能产业, 以技术和创新作为发展的新动力。中部地区要学习先进的生产技术和管理经验, 发挥市场有效配置要素的作用。西部地区要进一步贯彻党中央的西部发展大计, 积极发展节
32、水农业, 加大对生态保护工程和水利基础设施的投入。(2) 有效利用国际贸易对用水效率的正向影响, 促进我国对外贸易途径由静态比较方式向动态竞争方式的转化。今后应进一步扩大对外开放程度, 调整深化对外贸易的结构, 选择能够获得高质量技术和知识的项目, 同时重视自身研发水平的提高, 以创新来驱动发展。(3) 政府一方面要调整产业结构, 进一步提高第三产业所占比重, 进一步淘汰耗水量高的产业。另一方面要完善水价定价制度, 综合考虑各种因素, 加大力度推进水权市场的发展。调整水价策略来激励缺水地区实施虚拟水贸易战略, 使水资源的利用更趋合理。加大对水量丰富地区的用水监督, 明确水资源的有限性, 提高居民和企业的节水意识。参考文献1马海良, 黄德春, 张继国.考虑非合意产出的水资源利用效率及影响因素研究J.中国人口资源与环境, 2012, 22 (10) :35-42. 2钱文婧, 贺灿飞.中国水资源利用效率区域差异及影响因素研究J.中国人口资源与环境, 2011, 21 (2) :54-60.
