基于異質(zhì)性環(huán)境生產(chǎn)技術的我國城市能源效率測度研究

范麗偉 張露平 張慧 王甜甜

摘要：城市作為社會生產(chǎn)力高度集聚的一種空間組合形態(tài)，是能源消費和二氧化碳排放的集中區(qū)。我國各個城市在能源利用、經(jīng)濟產(chǎn)出和污染物排放等多方面存在顯著差異，由此導致不同城市形成了異質(zhì)性生產(chǎn)技術。為了改進傳統(tǒng)前沿分析方法在異質(zhì)性生產(chǎn)技術下測度能源效率，該研究提出了一種基于異質(zhì)性環(huán)境生產(chǎn)技術的城市能源效率測度框架。具體而言，首先從多維度刻畫生產(chǎn)技術的異質(zhì)性，并據(jù)此將城市進行聚類分組;隨后結合環(huán)境生產(chǎn)技術與共同前沿思想，構建了異質(zhì)性環(huán)境生產(chǎn)技術的城市能源效率測度模型;最后，在組前沿和共同前沿兩種情景下對我國87個城市的能源效率進行實證分析。同時，通過分解能源無效率，從管理無效率和技術無效率兩方面探究了不同群組城市能源無效率成因。

關鍵詞：能源效率;共同前沿;異質(zhì)性;環(huán)境生產(chǎn)技術;城市

中圖分類號：F206;F224

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5595（2022）01-0001-08

一、引言

全球氣候變化是人類社會21世紀面臨的重大挑戰(zhàn)之一。在向聯(lián)合國提交的《強化應對氣候變化行動——中國國家自主貢獻》中，我國政府提出了2030年二氧化碳排放達到峰值并爭取盡早實現(xiàn)的行動目標。城市作為社會生產(chǎn)力高度集聚的一種空間組合形態(tài)，是能源消費的集中區(qū)，也是二氧化碳排放的絕對主體。提高城市能源利用效率可以有效控制城市能源消費及二氧化碳排放。[1-2]城市能源效率的測度分析能夠為城市能效標桿的確立及節(jié)能政策的分析提供參考依據(jù)。[3]

當前，能源效率測度框架主要分為單要素能源效率和全要素能源效率。單要素能源效率指標，如能源強度，并不能反映決策單元真實的能源效率水平。[4-5]單要素能源效率指標通常被認為忽視了能源本身作為一種生產(chǎn)投入要素無法單獨作用于經(jīng)濟增長的事實。[6]對比而言，全要素能源效率則考慮了生產(chǎn)中能源及其他投入要素組合的影響[6]，同時，還可以考察環(huán)境污染對能源效率的制約程度[7]。盡管如此，全要素能源效率通常假設所有的決策單元形成一個共同生產(chǎn)前沿面，即在同一個生產(chǎn)技術條件下進行生產(chǎn)活動。然而從現(xiàn)實情況來看，我國城市在能源利用、經(jīng)濟產(chǎn)出和污染物排放等方面存在較大的差異性。由此，不同的城市形成了具有差異性的生產(chǎn)技術。有學者指出，如果不考慮生產(chǎn)技術的異質(zhì)性，城市能源效率測度則會缺少統(tǒng)一的參考標準，使得整個能源效率測度表面化和簡單化，甚至可能會得出誤導性的政策建議。[8]

為此，在全要素能源效率框架下，本文綜合考慮城市在經(jīng)濟發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結構和技術水平等諸多方面的差異，在多指標體系下刻畫城市的環(huán)境生產(chǎn)技術異質(zhì)性，隨后在考慮環(huán)境生產(chǎn)技術異質(zhì)性的前提下對我國城市的全要素能源效率進行測度?；谝陨涎芯浚疚臄M進一步完善異質(zhì)性下全要素能源效率測度框架;同時，擬深入揭示我國城市具有差異性的全要素能源效率現(xiàn)狀及變化規(guī)律，以便更加全面、準確地分析不同類型、不同效率水平的城市能源效率的影響因素，探索適合我國城市能源效率提升的差異化對策建議。

二、異質(zhì)性環(huán)境生產(chǎn)技術視角下城市的聚類分析

不同城市由于自身所處的特定環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展水平和資源稟賦等存在差異，在實際生產(chǎn)活動中表現(xiàn)出不同的生產(chǎn)技術水平。在現(xiàn)有研究中，學者們對異質(zhì)性的考慮主要從單一角度，比如空間異質(zhì)性（包括區(qū)域異質(zhì)性）、行業(yè)或部門異質(zhì)性和技術異質(zhì)性等[3，8-11]。然而，決策單元之間的差異性不僅僅是某單一要素作用的結果，可能在經(jīng)濟、環(huán)境、技術和資源等多方面呈現(xiàn)出差異。因此，有必要從多維度研究異質(zhì)性對能源效率測度的影響。

具體而言，城市在經(jīng)濟水平、發(fā)展階段等約束下表現(xiàn)出生產(chǎn)技術的差異性，而在能耗方面因自身的能源結構和利用效率等方面的差異會影響到城市對能源資源的轉(zhuǎn)化輸出效率?？紤]到環(huán)境因素的約束，比如碳中和、碳達峰等環(huán)境壓力，城市的環(huán)境技術水平及其在處理環(huán)境污染物等方面的差異也會間接影響到城市的經(jīng)濟生產(chǎn)活動及經(jīng)濟效益等。因此，不同于以往研究中選取某單一指標刻畫生產(chǎn)技術的異質(zhì)性，本文立足城市的經(jīng)濟（Economy）-能源（Energy）-環(huán)境（Environment）的“3E”系統(tǒng)，分別從經(jīng)濟因素、能源因素和環(huán)境因素三個方面選取指標，刻畫城市的環(huán)境生產(chǎn)技術異質(zhì)性。

（1）經(jīng)濟因素：使用人均GDP來衡量城市的經(jīng)濟發(fā)展水平。

（2）能源因素：使用能源結構指標，考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性，本文以碳排放量與能源消耗量的比值來衡量城市的能源結構，從而刻畫城市在能源結構方面的差異。

（3）環(huán)境因素：考慮到本文所使用的能源消耗數(shù)據(jù)主要來源于工業(yè)用能和家庭用能，且數(shù)據(jù)獲取受到限制，本文擬以城市的工業(yè)固體廢物綜合利用率和城鎮(zhèn)生活污水處理率的均值來衡量城市的環(huán)境技術水平。

本文收集整理了87個樣本城市的相關數(shù)據(jù)，指標數(shù)據(jù)主要來源于《城市統(tǒng)計年鑒》及《中國能源統(tǒng)計年鑒》，并在此基礎上對樣本城市進行了K-means聚類分析。K-means聚類算法作為一種劃分聚類方法，是通過不斷的迭代和計算找出平方誤差最小的K個分組。相比其他聚類方法，其原理和運算方法簡單、運算速度較快，對數(shù)據(jù)量的適用范圍廣、可伸縮性強，空間復雜度與時間復雜度均較低。[12]對樣本城市聚類分析的結果如表1所示，從中可以看出，不同類別的城市在地域上交錯分布。在考慮異質(zhì)性的能源效率測度中如果過度看重地理位置因素可能會導致評估結果有失偏頗。根據(jù)以上聚類結果，結合各群組城市的指標特征（見表2），本文將三類城市分別定義為：低碳能源結構-高標污染處理、高碳能源結構-高標污染處理、低碳能源結構-低標污染處理。

從經(jīng)濟因素的角度來看，各類城市的經(jīng)濟水平相對接近，不同類別城市的環(huán)境生產(chǎn)技術差異更多是來源于能源因素和環(huán)境因素。從能源結構的角度來看，第二類城市的能源結構水平明顯高于另外兩類，事實上，第二類城市能源結構的最小值也高于另兩類城市能源結構的最大值，因此，第二類城市無疑歸屬高碳能源結構，另兩類城市則屬于低碳能源結構。從環(huán)境技術的角度來看，第三類城市的環(huán)境技術水平明顯低于另外兩類的環(huán)境技術水平，即第三類城市的環(huán)境污染物處理達標率最低，屬于低標準污染處理，而另外兩類城市的環(huán)境污染處理率達到相對較高的標準。對比分析發(fā)現(xiàn)，高碳能源結構的城市，其環(huán)境污染處理率也相對較高，低碳能源結構的城市，其環(huán)境污染處理率有高有低，但整體而言不存在高碳能源結構但低標準環(huán)境污染處理率的城市，這也表明各城市在應對能源消耗及其所帶來的環(huán)境污染問題時有積極的應對措施。

對比而言，第一類城市的環(huán)境生產(chǎn)技術較其他兩類城市更成熟，第二類城市的優(yōu)化重點在于能源結構，盡管其環(huán)境技術水平相對較高，但其能源結構的高碳表現(xiàn)尤其突出，是今后能源改革工作的重點關注對象;第三類城市的優(yōu)化重點在于環(huán)境技術，其對環(huán)境污染物處理率明顯低于其他兩類城市，有較大的提升空間。工業(yè)固體廢物綜合利用是指通過原料回收、加工再用、轉(zhuǎn)化利用和廢物交換等方式，從工業(yè)固體廢物中提取或使其轉(zhuǎn)化為可利用的資源、能源和其他原材料的活動。此外，我國城鎮(zhèn)生活污水處理設施仍存在較多短板弱項，污水集中處理能力不平衡，有部分城鎮(zhèn)存在較大缺口，缺水地區(qū)和水環(huán)境敏感地區(qū)污水資源化利用潛力尚未得到充分挖掘。第三類城市可以多與其他兩類城市開展合作交流，吸取經(jīng)驗教訓、學習先進技術。

三、異質(zhì)性環(huán)境生產(chǎn)技術下全要素能源效率的測算

全要素能源效率指標的主要思想是通過確定生產(chǎn)可能集以及構建生產(chǎn)前沿邊界，分析各決策單元與生產(chǎn)前沿之間的關系。[13]因此，生產(chǎn)前沿的構建對全要素能源效率的測度有重要的影響。本文借助共同前沿分析方法，在聚類分析的基礎上，構建異質(zhì)性環(huán)境生產(chǎn)技術下全要素能源效率的測算模型，并實證分析我國87個城市的能源效率。

（一）模型構建

共同前沿分析方法由Hayami[14]最早提出，其基本思想是根據(jù)各決策單元生產(chǎn)技術異質(zhì)性的來源，將決策單元劃分為不同組，每個組形成一個生產(chǎn)前沿（組前沿），然后通過對不同組的生產(chǎn)前沿包絡，形成一個共同的生產(chǎn)前沿（共同前沿）。

（二）異質(zhì)性視角下城市能源效率的測算及結果討論

本研究從《中國城市統(tǒng)計年鑒》《中國環(huán)境年鑒》和《統(tǒng)計公報》搜集了2006—2015年間中國87個重點城市的面板數(shù)據(jù)，基于異質(zhì)性環(huán)境生產(chǎn)技術的全要素能源效率測算模型測算了各城市的全要素能源效率。具體選擇了如下指標。

（1）能源投入：以各城市的能源消費量來表示能源投入，主要涵蓋工業(yè)能源消費和家庭用能兩大方面，通過將不同類型的能源進行折標煤計算得來①。

（2）非能源投入：包括各城市的資本存量及勞動力投入，其中資本存量基于永續(xù)盤存法計算得到，勞動力人數(shù)用年末城市的就業(yè)人數(shù)來表示。

（3）期望產(chǎn)出：以各城市實際GDP作為期望產(chǎn)出指標，為消除價格因素的影響，平減至以2006年為基期的水平。

（4）非期望產(chǎn)出：包括二氧化碳和工業(yè)二氧化硫，其中碳排放是基于IPCC提供的核算方法計算得到。

本研究基于兩種情景，即不考慮環(huán)境約束的能源效率和綜合考慮二氧化碳與二氧化硫污染物的能源效率兩種情況，并分別計算了兩種情景下中國城市的組前沿能源效率和共同前沿能源效率及其相應的技術差距比。當不考慮環(huán)境約束情況時，在異質(zhì)性環(huán)境生產(chǎn)技術框架下計算所得的組前沿能源效率和共同前沿能源效率結果如圖1所示。

從圖1可以看出，各組的組前沿能源效率高于共同前沿能源效率水平。但整體變化趨勢是極為相似的。第三類城市的組前沿能源效率在多數(shù)年份高于其他兩類城市的組前沿能源效率，各類城市的能源效率差距相對較小且相對穩(wěn)定，但在2014年第一類城市的能源效率驟降，該類城市的組前沿能源效率與其他城市的差距迅速拉大，2015年稍有回升。第三類城市的組前沿能源效率相對領先，其次是第二類城市。

由前文分析可以看出，環(huán)境因素對城市能源效率具有較強影響。因此，本文重點對比分析了環(huán)境約束下異質(zhì)性環(huán)境生產(chǎn)技術框架下的城市能源效率，如圖2所示。

結合圖1和圖2，考慮環(huán)境約束后城市的平均能源效率水平高于不考慮環(huán)境約束的能源效率水平，表明忽略環(huán)境約束可能會低估城市的全要素能源效率。環(huán)境約束下的組前沿能效率測算結果中，第二類城市的能源效率水平明顯高于其他城市，而不考慮環(huán)境約束時第三類城市的能源效率是相對領先的。由于第二類城市的重要特征是高碳能源結構-高標污染處理，忽略環(huán)境約束時測算得到的該類城市的組前沿能源效率遠低于環(huán)境約束下的組前沿能源效率，可能是因為該類城市雖然是高碳能源結構，但其對環(huán)境污染物的處理率相對領先，間接增加了經(jīng)濟效益，使得該類城市的實際能源效率偏高。

組前沿和共同前沿之間的距離刻畫了組前沿代表的生產(chǎn)技術與最佳生產(chǎn)技術水平之間的差距，而共同前沿能源效率與組前沿能源效率的比值衡量了城市的技術差距比，如圖3所示，分別展示了不考慮環(huán)境約束和考慮環(huán)境約束兩種情景下各類城市的技術差距比。

對比可知，在不考慮環(huán)境約束的情況下，各類城市的技術差距比表現(xiàn)出相似的變化趨勢，且組間的差距相對較小。第一類城市的生產(chǎn)技術水平最高。考慮環(huán)境約束后，各組城市的技術差距比有較大差距，其中，第一類城市的生產(chǎn)技術水平遠遠領先其他城市，非常接近最佳生產(chǎn)技術水平，該情景下的技術差距比高于不考慮環(huán)境約束的情況。不同的是，第二類城市的技術差距比與不考慮環(huán)境約束的情景較為接近，而第三類城市的技術差距比則低于其在不考慮環(huán)境約束下的技術差距比。簡言之，忽略環(huán)境約束對第一類和第三類城市有截然不同的效應，但對第二類城市的影響不顯著。

綜上，生產(chǎn)技術領先并不意味著具有更高的能源效率水平，比如第一類城市的生產(chǎn)技術水平領先其他兩類城市，然而其組前沿能源效率卻低于另外兩類城市。為揭示這一現(xiàn)象，接下來對能源無效率進行分解分析，利用式（9）和式（10）將能源無效率分解為管理無效率和技術無效率。同樣地，分別對不考慮環(huán)境約束和考慮環(huán)境約束兩種情景下的能源無效率分解結果進行分析，不考慮環(huán)境約束下能源無效率分解為管理無效率和技術無效率的結果如圖4（a）和圖5所示。

可以看出，管理無效率對能源無效率的影響程度遠大于技術無效率對能源無效率的影響，對比各類城市的分解結果，管理無效率對第一類和第二類城市能源無效率的影響程度較為接近，對第三類城市的影響最大，這一結果表明提升能源效率的重點是提高管理效率，其中第三類城市應作為提高管理效率的重點對象。從技術無效率的角度來看，各類城市的技術無效率差距相對較小，其中第一類城市的能源無效率受技術無效率的影響偏小。

考慮環(huán)境約束后，如圖4（b）和圖5所示，管理無效率對能源無效率的平均影響有所下降，而技術無效率的影響程度有比較明顯的提升，尤其是對第二類和第三類城市而言，技術無效率對能源無效率的邊際貢獻遠高于其對第一類城市能源無效率的影響。無論是從管理無效率的視角，還是從技術無效率的視角，其對第一類城市的影響程度是最小的，對第三類城市的影響程度是最大的。

需要注意的是，不管是否考慮環(huán)境約束，管理無效率對能源無效率的影響程度都高于技術無效率，這表明近年來國家通過實施協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略，各城市在能源利用技術方面有所提升，技術發(fā)展水平不再是我國城市能源利用低效的主導因素，而能源利用方面管理能力的不足成為總體上能源低效率的重要原因。根據(jù)Chiu[19]的研究，因投入過多或非期望產(chǎn)出過剩及期望產(chǎn)出不足造成的效率低下，可以被認定為城市的管理失敗。

為了更清晰地反映不同城市在提高能源效率方面的潛力，本文根據(jù)能源無效率分解結果，分別依據(jù)管理無效率和技術無效率的均值將城市劃分為四種類型，如圖6所示。不同類型城市對應的能源效率提升策略如圖7所示。其中，“高-高”組合的類型表示該區(qū)域內(nèi)的城市的管理和技術無效率值都高于總體平均水平，因此這些城市需要同時改進管理和技術水平;在“低-高”類型的分組中，這一類城市的管理無效率值低于全體平均水平，而技術差距無效部分高于全體平均水平，因此落入該區(qū)域內(nèi)的城市可以通過更新、引進先進設備或?qū)で笃渌M中城市的技術支援來提高環(huán)境生產(chǎn)技術;處于“低-低”分組的城市的管理和技術差距無效率部分都低于全體平均水平，所以對于這些城市來說要注重先進管理能力和技術水平的維持;對于 “高-低”型城市，其管理無效率值高于全體平均水平，而技術無效率值低于全體平均水平，這些城市可以通過學習借鑒各組內(nèi)其他城市的先進管理經(jīng)驗或模式來提升能源效率。另外，由結果可知四種類型城市的分布都較為分散，“低-高”型和“高-低”型城市都呈現(xiàn)出與“低-低”型城市伴隨分布的特征，這表明目前在我國各城市間還沒有表現(xiàn)出高能源效率城市的帶動和輻射作用，先進的生產(chǎn)技術和管理經(jīng)驗的學習和共享仍是低效率城市的關注重點。因此，相關決策部門應對這一現(xiàn)象加以重視以防各城市間能源利用效率的差距進一步擴大。

作為同類型城市，各城市的發(fā)展條件和資源要素較為相近，能效水平不理想的城市更容易模仿學習組內(nèi)的標桿城市，從而在較短期間內(nèi)提升自身能源效率表現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，組內(nèi)各城市間主要無效率原因并不相同，即同一組內(nèi)的城市導致能源無效率的主要原因也是有差異的。因此，這些城市若要取得和同組內(nèi)其他城市相同的能效水平，在注重提升管理效率的同時還需注意技術效率的提高。

四、結論

考慮到不同城市環(huán)境生產(chǎn)技術的差異性，本文首先依據(jù)經(jīng)濟-能源-環(huán)境（3E）系統(tǒng)的多維度指標體系，將城市按照環(huán)境生產(chǎn)技術的差異進行聚類分組。其次，結合環(huán)境生產(chǎn)技術與共同前沿思想，利用非徑向方向距離函數(shù)建立了異質(zhì)性視角下的全要素能源效率測算模型，在組前沿和共同前沿下對我國 87 個重點城市的能源效率進行實證分析。最后，通過對能源無效率的分解分析探究了不同群組城市能源無效率的原因，進而提出不同類型城市能源效率的提升策略。

聚類結果顯示各組在能源結構和環(huán)境技術水平等方面有顯著差異。結合各群組城市指標特征，樣本城市可以分為低碳能源結構-高標污染處理、高碳能源結構-高標污染處理、低碳能源結構-低標污染處理三類城市組。對比各類城市能源效率實證結果發(fā)現(xiàn)，忽略環(huán)境約束測度的結果可能低估能源效率水平，且在不考慮環(huán)境約束的情況下，第三類城市的組前沿能源效率水平相對領先，而考慮環(huán)境約束后，第二類城市的組前沿能源效率高于另外兩組的能源效率水平。此外，相對于其他城市而言，第一類城市的技術差距比較大，特別是在考慮環(huán)境約束后，各類城市的技術差距比具有顯著差異，第一類城市的技術差距比接近 1，表明這一類城市的生產(chǎn)技術水平最接近整體的最佳生產(chǎn)技術水平。能源無效率成因分析結果顯示，管理無效率是造成能源無效率的主要原因，技術無效率對各組城市能源無效率的影響程度不顯著。然而，在考慮環(huán)境約束后，管理無效率對能源無效率的影響程度有所降低，而技術無效率對第二類和第三類城市能源無效率的影響程度有顯著提升。這一結果表明，忽略環(huán)境因素對能源效率進行評價，可能會錯誤判斷能源效率低下的原因，甚至誤導能源效率提升的改進方向。

注釋：

① 不同能源種類的折標煤系數(shù)：天然氣、人工煤氣為1.33千克標準煤/千克，液化石油氣為1.714 3千克標準煤/千克，工業(yè)用電量為1.229千克標準煤/千克;不同能源種類的碳排放系數(shù)：燃料煤為1.647千克-CO2/千克，原煤為1.900 3千克-CO2/千克，燃料油為3.1705千克-CO2/千克，天然氣、人工煤氣為2.162 2千克-CO2/千克，液化石油氣為3.101 3千克-CO2/千克。

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責任編輯：曲 紅

Abstract： As a form of spatial combination with high concentration of social productivity， city is concentrated area of energy consumption and carbon dioxide emissions. ?Cities in China have significant differences in energy utilization， economic output， and pollutant emissions， which has led to the formation of heterogeneous production technologies in different cities. ?To improve the traditional frontier analysis method to measure energy efficiency under heterogeneous production technology， this paper proposes an energy efficiency measurement framework based on heterogeneous environmental production technology. Specifically， this paper first characterizes the heterogeneity of production technology from multiple dimensions and clusters cities accordingly. Then， combining environmental production technology and meta-frontier， it sets up the energy efficiency measurement model based on heterogeneous environmental production technology. Finally， an empirical analysis of energy efficiency in 87 cities in China is conducted in two situations of group frontier and meta-frontier. At the same time， by decomposing energy inefficiency into management inefficiency and technical inefficiency， it also explores the causes of energy inefficiency in different groups of cities.

Key words： energy efficiency; meta-frontier; heterogeneity; environmental production technology; city