環(huán)境約束下的化石能源跨期開采路徑比較研究

周肖肖，魏曉平，王新宇

（中國礦業(yè)大學 管理學院，江蘇 徐州 221116）

環(huán)境約束下的化石能源跨期開采路徑比較研究

周肖肖，魏曉平，王新宇

（中國礦業(yè)大學 管理學院，江蘇 徐州 221116）

考慮化石能源開發(fā)和使用的環(huán)境外部性與代際外部性，在動態(tài)最優(yōu)開采模型基礎上構建含有環(huán)境污染因子的跨期配置模型，比較考慮環(huán)境制約因素前后的開采路徑，證明環(huán)境約束對化石能源消耗有復雜影響，環(huán)境作為政策工具可以調節(jié)化石能源開采強度，在一定程度上緩解了資源的稀缺性和延長了資源耗竭時間，為具有經濟價值的可再生能源的出現(xiàn)贏得時間。應用中國相關歷史數據，發(fā)現(xiàn)實際上環(huán)境約束沒有抑制化石能源消耗，偏離了理論分析預期目標。據此提出加快礦產資源稅費改革、加大環(huán)境污染治理投資、優(yōu)化投資結構、建立科學環(huán)境補償制度、促進技術進步的政策建議。

化石能源；環(huán)境約束；開采路徑；優(yōu)化配置

一、引 言

能源與環(huán)境問題已成為當今世界各國討論的主題。中國正處于工業(yè)化中期，環(huán)境和能源也已成為經濟增長的約束條件，節(jié)能減排工作經各方努力雖取得了一定成果，但總的能源消費仍不斷增加，地區(qū)環(huán)境污染和生態(tài)破壞加劇。2012年，全國能源消費總量達36．17億噸標準煤，較上年增長3．94%；環(huán)境污染治理投資總額為8 253．46億元，占GDP比重1．59%，較上年增長16．02%。十八屆三中全會《決定》提出劃定生態(tài)保護紅線，實行資源有償使用和生態(tài)補償制度，以期通過環(huán)境約束實現(xiàn)節(jié)能減排目標。因此，分析環(huán)境約束對化石能源消費的影響和作用機制，以中國數據檢驗歷史政策是否實現(xiàn)目標，對于國家調整政策和積極應對能源環(huán)境挑戰(zhàn)具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

二、文獻回顧

可耗竭資源（本文主要指化石能源）開采路徑的研究可追溯至20世紀初的Hotelling法則［1］，在此后的40多年，很少有經濟學家對這一問題作進一步研究，直到世界范圍內的兩次石油危機以及80年代中后期，因化石能源大量使用而導致全球氣溫變暖和環(huán)境惡化，才導致尋求解決問題的理論與對策呈現(xiàn)出前所未有的迫切性。為解決礦產資源開發(fā)利用中的環(huán)境外部性及代際外部性問題，展開了一場關于可耗竭資源最優(yōu)利用及其最優(yōu)開采路徑等問題的討論，并涌現(xiàn)出大量研究文獻，其中影響最大的首推Dasgupta和Heal、Solow、Stiglitz的3篇巨作（簡稱DHSS模型）［2－4］。

之后，許多資源經濟學家認為以DHSS為代表的初期研究，其假設嚴格與現(xiàn)實不符，而DHSS后續(xù)的研究則不斷放寬條件，使理論研究更貼近現(xiàn)實。關于環(huán)境外部性是如何影響資源最優(yōu)路徑的問題，目前尚無定論，如Forster的研究將環(huán)境溢出引入資源最優(yōu)開采模型中，探討在不同情形下環(huán)境污染對資源最優(yōu)開采的影響，提出抑制前期開采而放松后期開采，其結論與Hotelling不一致［5］。一些學者在構建耗竭資源相關模型時將環(huán)境污染的影響以資源稅（環(huán)境稅）的形式體現(xiàn)出來，如Eirik S．Amundsen等人認為小國不應為了強加時間庇古稅而調節(jié)環(huán)境政策，可根據國外資源所有者的租金設定額外的稅收［6］；Conrad等人討論了開采稅、價格稅和累進利潤稅對資源邊際品位及開采路徑的影響［7］；Rowse利用模擬方法測算了資源稅造成社會福利的損失，并分析了價格稅對天然氣跨期配置的影響［8］；Andre′Grimaud等人通過建立水平內生增長模型，發(fā)現(xiàn)Hotelling法則有所改變，消費者對環(huán)境質量的偏好能夠減緩資源的開采，與環(huán)境稅水平無關，在資源最優(yōu)化開采過程中稅收應遞減［9］；于渤等人認為污染物的排放與經濟活動總量及能源的生產與利用技術有關，可構建經濟內生增長模型研究中國經濟的可持續(xù)發(fā)展［10］；張彬等人構建了能源和環(huán)境雙重約束下的內生經濟增長模型，結果表明提高環(huán)保投資效率及其對改善環(huán)境質量的貢獻率，是維持經濟可持續(xù)增長的必要條件之一［11］。

上述研究中，一種做法是直接將環(huán)境污染損失用簡單的資源稅形式表達，考察其在可耗竭資源開采中的影響，這種簡單化方式并不能完全解釋可耗竭資源所帶來的環(huán)境污染損失；另一種做法是將環(huán)境污染與整個經濟發(fā)展聯(lián)系在一起，綜合考察污染、技術進步和經濟可持續(xù)發(fā)展中還涉及到的資本和勞動力的流轉，此由于做法關系復雜，故不易清晰地看出環(huán)境污染對可耗竭資源開采路徑的直接影響。

基于上述分析，筆者認為關于環(huán)境對開采路徑的影響需要進一步研究。由于化石能源的生產和使用是造成環(huán)境污染的主要來源，故將環(huán)境污染作為負效用，應用動態(tài)最優(yōu)化理論，通過考慮環(huán)境污染前后對比研究，探索環(huán)境污染對化石能源開采路徑的影響。同時，應用中國環(huán)境約束和化石能源相關數據對理論進行驗證，對比理論和現(xiàn)實情況是否一致，并分析其原因，為政策制定提供依據。

三、考慮環(huán)境約束前后模型開采路徑比較分析

（一）模型假設

模型建立在弱可持續(xù)性（人造資本和自然資本可以相互替代，兩者之和保持不變）的前提下，相關變量及其含義見表1。

表1 變量簡介表

（二）模型構建和求解

從上述相關假設和條件可得0～T時間內社會正效用函數為：

為了使模型求解更加方便，文中只考慮流量型污染對開采路徑的影響，令D （At）＝0，所以0～T時間內，由于化石能源開采使用造成污染導致的社會負效用函數為：

其中式（5）為化石能源儲量的運動方程，對應于原優(yōu)化問題的儲量變化條件；式（6）為化石能源影子價格的運動方程，當考慮剩余儲量的影響時，影子價格不再是簡單的指數變化；式（7）是求解優(yōu)化式（3）具有內部解的一階條件，用于確定解形式的方程；式（8）是最優(yōu)控制理論中的橫截條件，作用是當化石能源耗竭時間自由時補充終端條件以求解。

根據上述條件，結合儲量的邊界條件，求解結果為：

（三）模型顯式解比較分析

由式（9）的求解結果可知，當期化石能源開采量Xt由固定值和可變值兩部分組成，其中vn2為污染負效用的影響系數。

由于不同種類的化石能源預期耗竭時間（儲采比）各不相同，例如煤炭資源儲采比預期耗竭時間約為100年左右，石油儲采比約為30年左右，天然氣儲采比約為40年左右。此外，不同行業(yè)的貼現(xiàn)率亦不相同，因此可根據不同情況設定T和r取不同值，對t＊進行模擬計算，見表2。

表2 不同耗竭時間和貼現(xiàn)率下時間轉折點t＊取值表

盡管以上的模擬試算是在一個特殊情況下進行的，但仍然有規(guī)律可尋。從表2計算可知：

1．對于不同的化石能源，其耗竭時間（儲采比）不同，模擬結果具有明顯一致性規(guī)律，即從資源開發(fā)初期到資源耗竭前期或資源開發(fā)的后期：當0＜t＜t＊時，考慮環(huán)境外部性對抑制過度開采和保護稀缺資源有顯著的正面影響，這個時間轉折點隨著貼現(xiàn)率r上升而向后推遲；當 T ＝80、r＝0．02、0＜t＜45時，Xt＞X＊t，則t＊在t＝45時出現(xiàn)；當r＝0．06、0＜t＜54時，Xt＞X＊t，則t＊在t＝54時出現(xiàn)。

3．在討論環(huán)境污染對能源資源開采強度的影響時，應保證當期化石能源開采利用產生的環(huán)境污染流量不大于環(huán)境承載閾值的限制，即X≤，否則將會造成環(huán)境不可逆轉的破壞，其損失無法估計，故對環(huán)境承載閾值的確定還需要進一步研究。

四、實證檢驗與理論研究結果比較分析

（一）變量選擇與數據處理

理論研究中未涉及國內外能源的替代問題，且在研究環(huán)境問題時包括了開采和使用造成的污染，據此將當期化石能源消費總量EC作為研究的因變量。此部分主要探索現(xiàn)實中環(huán)境約束對能源開采的影響是否與理論相一致，環(huán)境約束指能源開采和使用導致的環(huán)境負效用反作用于能源供給的約束效果，對應于環(huán)境污染損失。環(huán)境污染損失具有基于損害和成本的兩類核算方法：基于損害的環(huán)境污染損失重點評估的是健康損失、生產損失和固定資產損失；基于成本的環(huán)境污染損失采用維護成本法，衡量為避免環(huán)境污染所支付的成本［12］。本著“誰污染，誰治理”的原則，結合國家統(tǒng)計局統(tǒng)計口徑，選擇成本法衡量環(huán)境污染損失，為全面測評環(huán)境污染損失對能源開采的影響，選擇環(huán)境污染治理投資EPI、投資結構IS（即三廢投資總量／環(huán)境污染治理投資總量）和投資效率IE（1－污染損失值／環(huán)境污染治理投資值）作為其代替指標［13］。不改變數據原來協(xié)整關系，對數據取自然對數消除異方差，分別記為LEC、LEPI、LIS、LIE。樣本區(qū)間為1981—2011年，數據來源于《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》、《中國能源統(tǒng)計年鑒》、《中國統(tǒng)計年鑒》及中國環(huán)保部等相關網站。下文數據操作均在軟件Eviews6上完成。

（二）相關計量分析

先從數據上簡單預測環(huán)境約束和能源消耗關系，類比于能源效率（GDP／能源消費總量），本文提出能源（環(huán)境）負效率的概念，即單位能源所帶來的環(huán)境污染負效益的多少，理論上能源負效率（絕對值）越小越好，并隨著技術進步不斷降低。由圖1可知，隨著時間推移，能源負效率總體上呈加速遞增的趨勢，在2006年、2009年和2011年有所下降，但是總體發(fā)展趨勢不變，說明當前中國能源（環(huán)境）負效率呈不理想的遞增趨勢，而兩者之間的具體相關關系還需進一步計量分析。

圖1 能源（環(huán)境）負效率（絕對值）趨勢圖

1．VAR模型的統(tǒng)計檢驗。為防止時間序列數據的“偽回歸”現(xiàn)象，應用ADF方法進行數據平穩(wěn)性檢驗。單位根檢驗結果表明各變量均在10%的水平上一階單整，據此建立VAR模型，其根均在單位圓內說明VAR模型滿足穩(wěn)定性條件。依據相應準則，從表3可以看出建立VAR（2）模型比較合適。

表3 滯后期評價統(tǒng)計量表

化石能源消耗量LEC的方程檢驗結果為：

根據檢驗結果可知統(tǒng)計量都通過檢驗，統(tǒng)計效果良好，可進行協(xié)整檢驗。

2．協(xié)整檢驗。多變量協(xié)整關系的分析多采用Johasen方法，而采用單位根統(tǒng)計量檢驗法和最大特征值檢驗法可確保協(xié)整檢驗結果的準確性，檢驗結果見表4。

從表4可知，在5%顯著水平上存在協(xié)整關系，協(xié)整方程為：

協(xié)整方程表明，環(huán)境污染治理投資、投資結構和投資效率與化石能源消耗之間存在長期關系，與理論研究結果不一致的是：第一，環(huán)境約束并沒有對化石能源的開采和消耗產生阻礙作用，環(huán)境污染治理投資變化1%，就會引起化石能源消耗同向變化0．424%，沒有達到抑制開采的預期效果；第二，投資結構對化石能源消耗具有正向影響，說明當前投資結構不合理，污染治理投資中對工業(yè)污染源治理比重較大，在一定程度上為消耗化石能源再次污染提供了條件，造成了“污染—治理—再污染”的惡性循環(huán)，故應加大其他方面的投資，尤其是新建項目污染防治投資要實現(xiàn)綠色生產，而環(huán)境污染治理投資核算應加入生態(tài)建設投資，加快生態(tài)環(huán)境的補償和恢復工作；第三，投資效率對化石能源消耗具有促進作用，原因在于投資效率的提高給人們造成了“污染容易治理”的錯覺，導致精神麻痹及對污染的輕視，反而促進了化石能源消耗，因此需要嚴格核算投資效率，構建更全面的污染損失核算體系，以達到警示效果。

表4 Johasen協(xié)整檢驗結果表

3．Granger因果檢驗。為更加明確變量間的關系，進行Granger因果關系檢驗，結果見表5。

表5 Granger因果關系檢驗結果表

從表5可以看出滯后2階時，環(huán)境污染治理投資、投資結構和投資效率均是化石能源消耗量的Granger原因，說明上述因素與化石能源消耗之間存在數值上的因果關系。由于實施環(huán)境約束的年限較短，污染治理的滯后影響效果較長，分析其短期影響不具重要意義，因此不再進行短期關系的分析。

五、結論與建議

對比分析考慮環(huán)境污染負效用前后的化石能源最優(yōu)開采路徑，發(fā)現(xiàn)環(huán)境負效用直接影響化石能源開采強度，在開采前期具有抑制作用，與經驗性認知結果一致，證明環(huán)境變量是調節(jié)資源開采強度的政策工具；比較基于中國相關歷史數據實證檢驗和理論預期，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實中環(huán)境約束并沒有對化石能源消耗起到預期的抑制作用，反而在數據上表現(xiàn)出促進關系，與理論結果相悖，說明當前中國的環(huán)境約束在污染治理的投資力度、投資結構和效率方面都存在問題。因此，建議如下：

1．提高環(huán)境稅率，加大環(huán)境污染治理投資。2000—2008年中國環(huán)境稅費占GDP的平均比重僅為0．72%，遠低于OECD國家2．5%的參照標準；礦產資源補償費自開征到2012年，平均只占礦產品銷售收入的1．18%，2009年實際收取費率只占礦產品銷售收入的0．63%。超低的稅率不僅不足以影響和改變開采者的行為，更難以體現(xiàn)環(huán)境稅和資源補償費的制度價值，反而助長了礦產資源的過度消耗。環(huán)境污染治理投資相應減少，根本不能應對恢復環(huán)境破壞的要求。因此，為了化石能源的可持續(xù)利用，必須正本清源，理順經濟關系，加快礦產資源稅費改革，提高環(huán)境稅和資源補償費率，逐漸逼近國際通行權利金水平，以較高的環(huán)境稅倒逼資源消耗減緩。

2．建設差序格局的環(huán)境補償制度，優(yōu)化環(huán)保投資結構。環(huán)境污染治理投資中對工業(yè)污染源治理投資較重，相對削弱了污染防治投資，陷入了先污染后治理的困境。加大投資力度并調整投資比重，污染治理和防治同步進行，實現(xiàn)綠色生產。因此，環(huán)境污染治理投資中并不包含生態(tài)建設，應加強環(huán)境補償，包括價值補償和生態(tài)恢復，當前中國能源資源富集區(qū)的生態(tài)補償費征收水平非常低，根本不足以補償因資源開采造成的生態(tài)污染環(huán)境破壞損失，應擴大補償費來源，提高征收比率，確定優(yōu)先補償順序，并根據區(qū)域經濟發(fā)展和環(huán)境污染狀況調整礦產資源開采布局［14］。

3．加大科研投資，促進技術進步，早日實現(xiàn)新能源替代。利用環(huán)境約束抑制化石能源消耗，保障經濟可持續(xù)發(fā)展所需能源，必須發(fā)展后備技術。目前發(fā)展中國家（中國、印度）實現(xiàn)技術替代的可能性不大，經濟價值較低，唯有促進生產技術進步和提高資源利用率，才能降低生產過程中的污染排放和減少不可修復的環(huán)境污染，才能加速治污技術進步和減少環(huán)境破壞，提高事后環(huán)境可恢復水平［15］。同時，加強國際間合作，發(fā)展后備技術，以期早日實現(xiàn)新能源替代，共謀可持續(xù)發(fā)展。

［1］ Hotelling Harold．The Economics Of Exhaustible Resources［J］．The Journal Of Political Economy，1931（1／2）．

［2］ Dasgupta P，Heal G．The Optimal Depletion of Exhaustible Resources［J］．Review of Economic Studies，1974，41．

［3］ Solow R M．Intergenerational Equity and Exhaustible Resources［J］．Review of Economic Studies，1974，41（5）．

［4］ Stiglitz J E．Growth with Exhaustible Natural Resources：Efficient and Optimal Growth Paths［J］．Review of Economic Studies，1974，41．

［5］ Forster Bruce A．Optimal Energy Use in a Polluted Environment［J］．Journal Of Environmental Economics And Management，1980（4）．

［6］ Amundsen Eirik S，Ronnie Schob．Environmental Taxes on Exhaustible Resources［J］．European Journal of Political Economy，1999（2）．

［7］ Conrad R F，HoolR B．Intertemporal Extraction of Mineral Resources Undervariable Rate Taxes［J］．Land Economics，1984（4）．

［8］ Rowse J．On Ad Valorem Taxation of Nonrenewable Resource Production［J］．Resource and Energy Economics，1997（3）．

［9］ Andre Grimaud，Luc Rouge．Polluting Non－renewable Resources，Innovation and Growth：Welfare and Environmental policy［J］．Resource and Energy Economics，2005，27（2）．

［10］于渤，黎永亮，遲春潔．考慮能源耗竭、污染治理的經濟持續(xù)增長內生模型［J］．管理科學學報，2006（4）．

［11］張彬，左暉．能源持續(xù)利用、環(huán)境治理和內生經濟增長［J］．中國人口·資源與環(huán)境，2007（5）．

［12］楊丹輝，李紅莉．基于損害和成本的環(huán)境污染損失核算——以山東省為例［J］．中國工業(yè)經濟，2010（7）．

［13］何凌云，祝靖然，邊丹冊．我國環(huán)保投資對環(huán)保產業(yè)發(fā)展的影響——基于全國和區(qū)域樣本數據的經驗分析［J］．軟科學，2013（1）．

［14］李國平，郭江．煤炭資源開采中的生態(tài)環(huán)境經濟損失及補償研究［J］．統(tǒng)計與信息論壇，2013（11）．

［15］Erika Farnstrand Damsgaard．Exhaustible Resources，Technology Choice and Industrialization of Developing Countries［J］．Resource and Energy Economics，2012（3）．

Comparative Study on Optimum Extraction of Fossil Energy under Environment

ZHOU Xiao-xiao，WEI Xiao-ping，WANG Xin-yu
（School of Management，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China）

Due to the scarcity and non－renewal of fossil energy，the key to sustainable development and utilization of it is to solve the environmental externality and inter－generational externality coming from resources exploitation．A new intertemporal allocation model with environment pollution was established to compare the path of exploitation with environmental constraints or not based on the research of dynamic optimal exploitation model．The result shows that environmental constraints have impaction on the path of exploitation．As policy instruments，environmental constraints can adjust exploitable intensity of energy resources，alleviate the scarcity of resources，prolonged depletion of resources and buy time for finding the economical renewable energy．With the comparison between the theoretical study and empirical test getting from historical data of environmental constraints and fossil energy consumption in China，we found that environmental constraints didn＇t impede the exhaustion of fossil energy，which is digress from the expected goals．Accordingly，some advices were given in the end such as accelerating reform of the mineral tax，strengthening environmental pollution control investment，improving the investment structure，establishing a scientific system of environment compensation and advancing the technical progress．

fossil energy；environmental constraints；path of exploitation；optimal distribution

F42

A

1007－3116（2014）07－0103－06

2014－01－03；修復日期：2014－04－14

國家社會科學基金重大項目《我國礦產資源跨期優(yōu)化配置機制研究》（11＆ZD163）；教育部人文社會科學研究項目《西部礦產資源開發(fā)的利益共享機制及政策設計研究》（13YJCZH260）；江蘇省教育廳社會科學項目《環(huán)境約束下礦產資源跨期最優(yōu)開采及規(guī)制策略研究》（2013SJD790060）；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金《技術進步對礦產資源跨期最優(yōu)開采路徑影響研究》（2013W16）；中央高校社會科學基金項目《我國煤炭資源開發(fā)準入退出機制研究》（2012W19）

周肖肖，女，安徽宿州人，博士生，研究方向：能源經濟與管理；

魏曉平，女，黑龍江鶴崗人，教授，博士生導師，研究方向：資源經濟與管理；

王新宇，男，江蘇新沂人，管理學博士，教授，博士生導師，研究方向：管理科學，系統(tǒng)工程。

（責任編輯：郭詩夢）