基于DEA模型的水-能源-糧食投入產(chǎn)出效率研究

孫成雙， 沈自豪

(北京建筑大學(xué) 城市經(jīng)濟與管理學(xué)院，北京 100044)

近年來，我國城市取得巨大的發(fā)展，然而城市是否以一定的投入取得了有效產(chǎn)出從而實現(xiàn)高效的發(fā)展日漸引起國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注，如何以合理的資源投入使城市經(jīng)濟發(fā)展的產(chǎn)出達到一個有效的水平是一個值得深入思考的問題。

水、能源和糧食是對城市高效發(fā)展影響深遠的因素，雖然這3個因素中某一單一因素或水-能源、水-糧食和能源-糧食兩兩關(guān)聯(lián)關(guān)系已經(jīng)有所研究，但這3個因素目前并未以整體的形式引起國內(nèi)學(xué)者的重視，在現(xiàn)有的文獻中，針對水-能源-糧食(Water-Energy-Food，WEF)進行的專門研究較少，針對城市中WEF投入產(chǎn)出進行的研究更是非常少見，而這3種資源的整體變化情況對城市高效發(fā)展的影響卻不容忽視。尤其在國內(nèi)資源供需矛盾越來越大的情況下，將水、能源和糧食3種資源結(jié)合起來作為一個整體來分析城市資源的投入產(chǎn)出效率，找出促進城市發(fā)展的最佳投入點，合理配置水、能源、糧食3種資源，無論對緩解國內(nèi)目前資源緊張的現(xiàn)狀，還是有效促進不同區(qū)域之間的協(xié)同發(fā)展，都有重要的意義。

國內(nèi)外部分學(xué)者對WEF關(guān)聯(lián)關(guān)系進行了研究，同時也廣泛關(guān)注WEF的安全性問題[1-3]。在由對一種資源的研究轉(zhuǎn)變?yōu)閷EF關(guān)系的協(xié)同研究的過程中[4-6]，學(xué)者們梳理了WEF的研究方法及優(yōu)缺點和影響WEF關(guān)系的因素[7-8]，通過選取合適的因素構(gòu)建評價指標(biāo)體系[9]，論證了WEF之間存在耦合關(guān)系[10-11]，并且這種耦合關(guān)系正逐年上升[12]。學(xué)者們對WEF的研究從多個不同的視角進行：不僅研究了WEF系統(tǒng)的單一資源對WEF系統(tǒng)整體產(chǎn)生的影響，還從WEF的關(guān)聯(lián)視角出發(fā)研究了單一資源的安全問題[13]；在研究某一特定區(qū)域[14]的同時也關(guān)注不同區(qū)域之間的協(xié)同發(fā)展[15]，對多個地區(qū)WEF投入產(chǎn)出的有效性進行對比分析[16-17]，將水、能源和糧食的壓力指數(shù)進行分解，從壓力指數(shù)時空變動這一視角探討了降低WEF壓力的途徑。學(xué)者們對國內(nèi)外WEF的發(fā)展戰(zhàn)略[18]及政策[19]也進行了研究，不僅能為我國制定發(fā)展WEF的政策提供建議[20-21]，也有利于不同國家和地區(qū)之間的跨部門、跨區(qū)域合作。

1 指標(biāo)體系的構(gòu)建和數(shù)據(jù)的選取

本文將從強度指標(biāo)的關(guān)聯(lián)視角出發(fā)對中國不同地區(qū)WEF投入產(chǎn)出效率進行研究。在參考大量文獻的基礎(chǔ)上，結(jié)合WEF投入產(chǎn)出的具體情況，同時考慮到數(shù)據(jù)的可獲得性，構(gòu)建本次WEF投入產(chǎn)出的評價指標(biāo)體系，見表1。該體系包括以水、能源、糧食投入作為投入指標(biāo)和以經(jīng)濟、環(huán)境污染產(chǎn)出作為產(chǎn)出指標(biāo)的2個層面。

表1 WEF的DEA模型的投入產(chǎn)出指標(biāo)體系

投入指標(biāo)的選取，不僅要考慮其需要代表水、能源和糧食的消耗量這一個方面，還要考慮其與產(chǎn)出指標(biāo)之間存在的強關(guān)聯(lián)性，以便系統(tǒng)地評價水、能源和糧食資源的投入產(chǎn)出有效性。在經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展過程中，人類會以直接或間接的方式發(fā)揮日益重要的作用，并且兼具WEF資源的生產(chǎn)與消費雙重角色，因此在投入指標(biāo)選取時，不僅要關(guān)注到資源的消耗量，還要將人類的影響考慮在內(nèi)，鑒于此，在選擇投入指標(biāo)時，水的投入用人均用水量表示，能源投入則用人均能耗表示。由于目前口糧消費仍在我國糧食消費中占有很大的比重，因此糧食投入用人均糧食消費支出表示。

在進行水、能源和糧食3個因素中某一單一因素的研究或水-能源、水-糧食和能源-糧食兩兩關(guān)聯(lián)關(guān)系的研究時，往往需要考慮對經(jīng)濟發(fā)展以及環(huán)境狀況的影響，因此本文在進行WEF指標(biāo)選取時，也需要考慮WEF的投入對經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境狀況的影響，此外，雖然資源消耗的目的是推動地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展、提高人們生活質(zhì)量，但在資源消耗過程中所造成的環(huán)境問題往往會影響人們的生活幸福感，因此在考慮到產(chǎn)出指標(biāo)的選取時，又不可避免地將經(jīng)濟發(fā)展以及環(huán)境影響考慮在內(nèi)。鑒于此，經(jīng)濟產(chǎn)出用人均GDP表示，環(huán)境污染產(chǎn)出用廢氣排放量(包括SO2排放量和煙/粉塵排放量)表示。

2 方法與模型

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(Data Envelopment Analysis，DEA)是多學(xué)科交叉形成的能夠通過線性規(guī)劃和實際觀測數(shù)據(jù)來估計有效生產(chǎn)前沿面的一個新領(lǐng)域。國內(nèi)學(xué)者普遍認為DEA模型用來分析投入產(chǎn)出相對較好，整理分析發(fā)現(xiàn)基于DEA方法的投入產(chǎn)出分析的研究確實較多，相關(guān)研究也取到了一定的成果，投入產(chǎn)出理論和DEA方法的有效結(jié)合為本文的研究提供了理論和實證依據(jù)。

DEA把每一個評價對象作為一個決策單元(Decision Making Units，DMU)，然后再將所有的DMU視為一個被評價的群體，借助對投入和產(chǎn)出比率的分析，判斷各DMU是否DEA有效。它能夠適用于對多投入、多產(chǎn)出的復(fù)雜系統(tǒng)進行評價，而且不需要考慮權(quán)重的設(shè)置，這將在很大程度上減少對決策單元的主觀評價。

投入型BC2模型為：

(1)

式中：θ表示綜合效率值，m表示投入指標(biāo)的個數(shù)，n表示產(chǎn)出指標(biāo)的個數(shù)，Xir(i=1,2,…，m)表示第r個DMU的第i個投入指標(biāo)的數(shù)量；Yjr(j=1,2,…,n)表示第r個DMU的第j個產(chǎn)出指標(biāo)的數(shù)量；λr(r=1,2,…，R)表示第r個DMU的權(quán)重系數(shù)。

本文所研究的WEF投入產(chǎn)出正是一種多投入指標(biāo)和多產(chǎn)出指標(biāo)的系統(tǒng)，由于無法有效確定水、能源、糧食3個投入指標(biāo)之間的權(quán)重，使用DEA能更好地從整體上對其進行把握。由此可知，借助于DEA模型評價WEF投入產(chǎn)出的有效性非常恰當(dāng)，并選擇規(guī)模報酬可變的BC2模型來評價WEF投入產(chǎn)出效率。

3 實證研究

3.1 實證分析

在將中國30個省份2005—2017年各指標(biāo)數(shù)據(jù)進行處理后，借助于Windeap 2.1軟件進行計算。計算出以廢氣排放量作為環(huán)境污染產(chǎn)出的30個省份WEF投入產(chǎn)出綜合效率均值、純技術(shù)效率均值以及規(guī)模效率的均值，并據(jù)此分析相應(yīng)的變化趨勢(圖1)。

圖1 2005—2017年中國30個省份綜合效率均值、純技術(shù)效率均值、規(guī)模效率均值變化趨勢

根據(jù)圖1可知，30個省份的綜合效率均值總體上的變化主要分為3個階段：2005—2012年變化比較穩(wěn)定，沒有較大幅度的上升或下降；2012—2014年大幅度上升且到2014年達到最大值；2014—2017年下降并于2017年達到最低值。規(guī)模效率均值在2005—2013年總體上小幅度上升，2013—2017年下降并于2017年達到最小值，就目前變化趨勢來看，未來仍有繼續(xù)降低的可能。純技術(shù)效率均值這13年間有小幅度波動，在2005—2013年和2014—2017年2個時間段內(nèi)呈現(xiàn)下降趨勢，在2013—2014年呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，整體上處于比較穩(wěn)定的水平。

純技術(shù)效率均值處于0.85以上的高效率水平，而規(guī)模效率均值除了2013—2015年高于0.85以外，其他年份普遍低于0.85，更有幾年處于0.80以下的水平，規(guī)模效率均值整體上低于純技術(shù)效率均值。并且從圖1中可以看出，綜合效率均值與規(guī)模效率均值的變化趨勢相同。根據(jù)綜合效率=純技術(shù)效率×規(guī)模效率可知，綜合效率的變化主要受規(guī)模效率的變化影響，規(guī)模效率低是綜合效率低的主要原因，提高規(guī)模效率是當(dāng)前需要解決的首要問題。

根據(jù)各省份數(shù)據(jù)計算得到WEF投入產(chǎn)出綜合效率值(表2)，通過表2可知，只有天津和海南的綜合效率均值一直處于投入產(chǎn)出有效的水平，從整體上來看，我國WEF投入產(chǎn)出達到有效的省份還很少，而且總數(shù)處于減少的狀態(tài)，但大部分地區(qū)的綜合效率值都達到了0.50以上，沒有明顯的投入產(chǎn)出效率特別低的省份，北京、上海和內(nèi)蒙古除了個別年份外，其他年份都達到了投入產(chǎn)出有效的水平，并且未達到投入產(chǎn)出有效的年份，投入產(chǎn)出效率也達到了0.80(除了2012年上海)以上的高水平，這就說明這13年中國家采取的WEF發(fā)展政策是從全國共同發(fā)展的總體視角出發(fā)，而不是僅僅考慮某些地區(qū)的發(fā)展，尤其是從2004年開始國家重視產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，加大了對農(nóng)業(yè)、水利、能源的投資力度，這就有效促進了各省份綜合效率的提高。

表2 2005—2017年中國30個省份WEF投入產(chǎn)出綜合效率計算結(jié)果

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，從變化趨勢的角度看，綜合效率的變化主要可以分為5類：綜合效率值在整體上明顯減少(變化值≤-0.10)、略微減少(-0.10<變化值≤-0.05)、變化不大(-0.05<變化值≤0.05)、略微增加(0.05<變化值≤0.10)、明顯增加(變化值>0.10)，見表3。受到2008年金融危機的影響，國民經(jīng)濟發(fā)展受阻，GDP增長率嚴重下降，在這種背景下絕大多數(shù)省份的綜合效率仍然保持不變甚至提高，主要得益于國家4萬億投資方案的推行，國家為應(yīng)對經(jīng)濟危機所采取的財政政策成效顯著。圖2為幾個典型省份2005—2017年的綜合效率變化情況。

表3 綜合效率變化類別

圖2 2005—2017年典型省份綜合效率值的變化趨勢

使用標(biāo)準(zhǔn)差法對各省份綜合效率變化的穩(wěn)定性進行分析：

(2)

表4 各個省份綜合效率波動系數(shù)

雖然整體水平不差，但綜合效率能達到0.90以上的省份較少，在0.50～0.75的省份偏多。我國東部、中部、西部和東北部地區(qū)差距較大，如圖3所示。WEF投入產(chǎn)出達到有效的省份主要位于東部沿海地區(qū)，且綜合效率均值遠遠高于西部地區(qū)，而西部地區(qū)又明顯高于中部地區(qū)。東北部地區(qū)均值介于東部與中部地區(qū)之間，在2005—2014年整體處于上升的趨勢，在2014年超過東部地區(qū)均值以后開始逐年降低，于2017年達到最低，并開始低于西部地區(qū)的均值。

圖3 2005—2017年東、中、西、東北部WEF投入產(chǎn)出綜合效率均值變化趨勢

3.2 對比分析

以環(huán)境污染指數(shù)(運用熵權(quán)法將廢水排放量、廢氣排放量、工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量加權(quán)得到)作為環(huán)境污染產(chǎn)出指標(biāo)計算30個省份的WEF投入產(chǎn)出綜合效率，并與表2中的數(shù)據(jù)作差，得到表5。

根據(jù)表5可知，將廢水排放量和工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量2個指標(biāo)考慮在內(nèi)時，中國30個省份WEF投入產(chǎn)出綜合效率值的變化情況可以分為3個類別，見表6。

表5 2005—2017年中國30個省份WEF投入產(chǎn)出綜合效率計算結(jié)果

表6 各省份綜合效率值的變化類別

有6個省份的綜合效率明顯降低，說明這幾個省在對廢水排放量和工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量進行處理的并不到位，因此在將其作為環(huán)境污染產(chǎn)出的指標(biāo)進行考慮時，這6個省份的綜合效率明顯降低，相比之下也從側(cè)面說明了這幾個省份對廢氣的處理相對有效，尤其是海南，若只考慮廢氣排放作為環(huán)境污染產(chǎn)出，其投入產(chǎn)出綜合效率一直處于有效的狀態(tài)，說明海南對大氣環(huán)境保護措施做得很到位，這也與海南良好的生態(tài)環(huán)境狀況相符，接下來這些省份想要提高投入產(chǎn)出效率就需要進一步采取措施提高對廢水和工業(yè)固體廢棄物的處理能力。同時還有14個省份的綜合效率明顯提高，說明這些省份對廢氣處理的能力并不如對廢水和工業(yè)固體廢棄物的處理，這也是這14個省份接下來需要重點關(guān)注的地方。無論是否將廢水排放量和工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量2個指標(biāo)考慮在內(nèi)，天津的投入產(chǎn)出綜合效率都處于有效的狀態(tài)，可見天津?qū)U氣、廢水及工業(yè)固體廢棄物都實現(xiàn)了有效的處理。

4 結(jié) 論

本文利用DEA方法，對我國30個省份2005—2017年WEF的投入產(chǎn)出效率進行了實證分析，并得到以下結(jié)論：

1)只有天津和海南的綜合效率均值一直處于投入產(chǎn)出有效的水平，從整體上來看，我國WEF投入產(chǎn)出達到有效的省份還很少，綜合效率在0.50～0.75的省份偏多，而且總數(shù)尚處于減少的趨勢，因此如何有效提高全國各省的WEF投入產(chǎn)出效率仍是亟待解決的一個問題。從整體上來看，30個省份的綜合效率均值與規(guī)模效率均值在這13年間的變化趨勢一致，規(guī)模效率水平較低是導(dǎo)致綜合效率低的主要原因。此外，是否考慮將廢水排放量和工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量作為環(huán)境污染產(chǎn)出的指標(biāo)也會影響WEF的投入產(chǎn)出效率。

2)東部沿海地區(qū)擁有人才技術(shù)和資金優(yōu)勢，因此產(chǎn)生了東部地區(qū)的綜合效率均值明顯高于中部和西部、西部高于中部的結(jié)果，所以當(dāng)前的經(jīng)濟發(fā)展，應(yīng)該更多關(guān)注西部和中部地區(qū)，可以通過引進資金、人才和技術(shù)以及加強校企合作等措施提高投入產(chǎn)出低水平省份的純技術(shù)效率。此外，一些省份對廢氣、廢水和工業(yè)固體廢棄物的處理不到位，從而出現(xiàn)WEF的投入產(chǎn)出效率明顯降低的情況，這就需要制定相應(yīng)的政策，在考慮經(jīng)濟發(fā)展的同時，給予環(huán)境污染問題足夠的重視，相較于重視經(jīng)濟發(fā)展、忽視環(huán)境污染的發(fā)展路線，邊發(fā)展邊注重環(huán)境保護才能更加切實地實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展、更有效地增進人民福祉。

3)相較于僅從水、能源和糧食中某個單一因素或某2個因素出發(fā)關(guān)注地區(qū)的資源投入使用有效性問題，本文從這3種資源之間互相影響、互相關(guān)聯(lián)的角度出發(fā)，在整體上研究水、能源和糧食對地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的綜合影響。同時在指標(biāo)選取的過程中，資源消耗狀況不再是唯一關(guān)注點，本文也將人對資源消耗過程的影響考慮在內(nèi)，這能夠恰當(dāng)?shù)胤从钞?dāng)前我國人民在經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展中的主體地位。