基于復合污染指數的省級環境技術效率測算

原毅軍 郭麗麗 任煥煥

(大連理工大學經濟學院，遼寧大連116023)

基于復合污染指數的省級環境技術效率測算

原毅軍 郭麗麗 任煥煥

(大連理工大學經濟學院，遼寧大連116023)

在環境問題，特別是當前復合污染問題愈加突出的背景下，運用科學方法對復合污染程度進行量化測度，并在此基礎上分析各個省份的環境技術效率，可以為制定相關政策、開展節能減排工作提供重要依據。該文嘗試用熵值法及污染物權重系數調整構建復合污染指數，并在此基礎上，利用方向性距離函數，對我國29個省區市2003－2009年間復合污染狀況、區域環境技術效率進行了系統分析。研究結果表明:我國各省的環境技術效率有較大的差異，東部省份最高，中部次之，西部最為落后。絕大多數省份的環境技術效率值隨時間變化呈下降趨勢，但是下降的幅度不是很大，這種變化很大程度上可能源于我國“十一五”中后期經濟發展模式的逆轉，鋼鐵、水泥、電解鋁、煤炭等行業發展過快，2005年重工業占工業總產值的比重高達69%，顯現出過度工業化的特征。直觀分析可以看出，環境技術效率的變動與環境污染程度之間存在反向關系，環境技術效率的水平對環境污染程度大小的影響較大。

復合污染指數;方向性距離函數;環境技術效率

在過去30年中，中國大規模的城市化和工業化建設，導致多種環境污染問題集中爆發，逐漸呈現出復合污染的特征，環境污染狀況日趨嚴峻。所謂復合污染是指多種污染物對同一介質的同時污染。在我國經濟率先發展的省份，復合污染問題的影響已日益顯著，但是目前對這方面的研究較少，尤其是將復合污染和能源、經濟一起考察的研究更少。近些年，資源與環境經濟問題逐漸成為學術界研究的一個重要課題。考慮環境約束，從環境技術效率角度考察我國各省能源和環境狀況，對制定相關政策具有重要的理論價值和積極的現實意義。國內相關研究多從環境和經濟的相互影響的角度，研究能源效率問題［1－3］。史丹等［4］提出了基于隨機前沿生產函數的地區能源效率差異分析框架，測算了1980－2005年中國能源效率地區產業中各因素的作用大小。在國內外的相關研究中，DEA方法被廣泛應用于效率的研究［5］。Hu and Wang［6］在利用DEA方法測度中國省際全要素能源效率時，指標選取上除了選擇勞動力、資本存量之外，還選取能源消費量和基于耕地面積的生物質能源消費量作為投入指標，這是目前文獻中使用全要素方法研究中國能源效率問題的探索之作。近年來國際上采用方向性距離函數測算環境技術效率的研究逐漸增加，而國內在這方面的應用研究還不多。涂正革［7］利用方向性距離函數測算了各地區工業行業的環境技術效率，以此衡量環境與工業增長的協調性。上述研究中對環境污染的考察，多以一種典型污染物為代表，沒有綜合考慮復合污染對環境的影響。本文在考慮環境復合污染因素情況下，采用2003－2009年中國各省數據和方向性距離函數(directional distance function)方法，考察我國各省的環境技術效率。與傳統方法相比，方向性距離函數在測算技術效率時采用的標準是:在給定投入的情況下，鼓勵“好的產出”向生產前沿方向增加，同時污染排放等“壞的產出”向污染最小化前沿方向減少。

1 復合污染指數的構建

1．1 指數構建方法

所謂復合污染是指多種污染物對同一介質(土壤、水、大氣、生物)的同時污染。實際中的環境污染多屬此類污染。復合污染問題的典型反映是污染物在城市之間相互輸送，造成各城市污染相互關聯及多種高濃度污染物在時空上的疊加，導致污染物在生成、輸送、轉化過程中產生耦合作用，對人體健康和生態系統造成協同性負面影響。

由于復合污染中污染物之間的相互作用及影響機理非常復雜，很難完善地構建出一個復合污染指數，來準確地反映各種污染物相互影響之后的污染程度。本文嘗試構建一個復合污染指數，旨在引入復合污染的思想，使研究中對環境污染的考察更全面、更準確。在復合污染指數的構建過程中，首先確定主要污染物的種類，然后運用客觀賦權法熵值法對各種污染物賦權，最后對不同介質中容易引發復合污染的主要污染物的權重系數進行調整，以體現復合污染對環境污染程度的加重。

1．1．1 主要污染物種類

我國大氣中主要的污染物有二氧化硫、煙塵和粉塵，選取上述主要污染物及工業廢氣排放量作為對大氣污染程度的衡量;在水體的污染中，化學需氧量(COD)是對水體中各種污染的綜合反映，選取化學需氧量和工業廢水排放量作為對水體污染的衡量;土壤污染中，各地污染物的種類存在差異，本文以工業固體廢棄物產生量作為對土壤污染程度的衡量。

復合污染綜合指數構建的方法是將上述七種主要污染物的污染程度按一定的權重加總。復合污染綜合指數的公式如下:

p= β1p1+ β2p2+β3p3+β4p4+ β5p5+β6p6+β7p7(1)

其中，P表示復合污染綜合指數;

Pi分別表示各種污染物的污染程度評分;

βi分別表示各污染物評分前的系數，即每種污染物的權重。

1．1．2 熵值法確定權重

設 xij(i=1，2，．．．，n;j=1，2，．．．，m)為第 i個系統中的第j項指標的觀測數據，對于給定的j，xij的差異越大，該項指標對系統的比較作用就越大，亦即該項指標包含和傳輸的信息越多。用熵值法確定指標權重的步驟如下:

設:ej為第j個評價指標的熵值，根據熵值計算公式，則ej為:

其中 ej＞0，fij=xij/為第j個指標下第i個系統的特征比重，xij為第i個系統中的第j項指標的觀測數據(i=1，2，．．．，n;j=1，2，．．．，m)為第j項指標的所有系統觀測數據之和。

其中，ej－為第j個指標的熵值。熵值法賦權的特點是在所評價的樣本中，同一指標之間的數值差別越大、則權重越大。

根據數據的可獲得性，本文選取我國除西藏外30個省及直轄市2003年－2009年的污染物數據，利用熵值法，計算出幾種主要污染物的權重。計算結果為:

上述七種污染物的順序分別是廢水、廢物、廢氣、二氧化硫、煙塵、粉塵和化學需氧量(COD)。

1．1．3 權重系數調整

介質中容易引發復合污染的污染物的存在，會使污染的程度進一步加劇，因此在復合污染指數的構建中，需要對容易發生復合污染的污染物權重進行調整。由于復合污染發生的機理復雜，無法精確地計算出污染物權重調整的系數。為體現考慮復合污染的思想，本文將每種介質中容易發生復合污染的典型污染物的權重系數乘以1．5，其他污染物權重系數不變。現階段我國大氣中的煙塵容易引發復合污染，水體中化學需氧量(COD)是對單一污染及復合污染結果的一個綜合體現。土壤污染中，本文只考察工業固體廢棄物排放量這一指標。所以在權重系數調整過程中，將工業煙塵排放量、化學需氧量(COD)和工業固體廢棄物排放量三個指標的原有權重系數乘以1．5，以此來反映復合污染對環境污染總體狀況的影響。權重系數調整之后，復合污染指數的表達式如下:

其中，p1代表廢水污染的評分，p2代表廢物污染的評分，p3代表廢氣污染的評分，p4代表二氧化硫污染的評分，p5代表煙塵污染的評分，p6代表粉塵污染的評分，p7代表化學需氧量污染的評分。

1．2 各省復合污染指數計算結果

將各省的污染物數據進行極值標準化處理，然后乘以每種污染的權重計算得出各省復合污染指數。計算結果如表1所示。

從上述結果可以看出，我國各省之間環境污染程度差異較大。重工業地區環境復合污染程度較重，經濟落后省份如青海、新疆等環境復合污染程度較輕。四個直轄市的復合污染指數都較低，因為本文計算得出的復合污染指數是按污染物總量進行計算的，直轄市地域面積較小，所以指數得分也較低。按總量計算的復合污染指數是為了下文計算環境技術效率服務的。

2 基于距離函數的環境技術效率評價

在建模之前，需要先介紹一些概念。在生產的過程中，產出“好”產品的同時，必然同時伴隨“壞”產品的產出。設投入向量 x=(x1，．．．，xn)∈“好”產品向量y=(y1，．．．，yM)∈;“壞”產品向量 b=(b1，．．．，bj)∈，指生產過程中排放的污染物，如廢氣、廢水等?！昂谩碑a品的產出，和包括“壞”產品在內的產出與要素資源投入之間的技術結構關系，Fare等人［8］將其稱為環境技術(the environmental technology)。用產出集合來給一般環境技術建模:

表1 各省復合污染指數Tab．1 Combined pollution index of province

P(x)={(y，b):x 能生產(y，b)}，x∈R+(6)

建模的思想是，減少壞的產出是要付出成本的，換言之，減少壞的產出就要放棄一些好的產出。根據文獻［8］，生產可能性集和P(x)滿足如下條件:

(1)閉集和凸集;

(2)聯合弱可處置性:如果(y，b)∈P(x)且 0θ1，那么(θy，θb)∈P(x);

(3)如果(y，b)∈P(x)且 b=0，那么 y=0;

(4)投入與“好的產出”可自由處理性:如果(y，b)∈P(x)且 y'y 或 x'x，那么(y'，b)∈P(x)，P(x)P(x')。

環境生產函數的一個缺點是它只是要盡量使好的產出最大化，而沒有考慮到對壞的產出的減少。為了能使一個函數既能表征污染的減少，也能表征好的產出的擴大，我們引進方向性產出距離函數。方向性環境距離函數值測度了在給定方向、投入和環境技術結構下，“好”產品擴大和“壞”產品縮減的可能性大小。這與傳統的產出距離函數的含義不同。

引入方向向量 g=(gy，gb)，gy∈R+，gb∈R+，表示好的產出向gy方向擴張，壞的產出向gb方向縮減。方向性環境產出函數定義如下:

這里，“好”產品與“壞”產品被同等地對待。對于給定投入x，當產出y和污染b按照相同比例擴張和收縮，β就是產出y增長、污染物b減少的最大可能數量。因此，方向性距離函數值衡量了生產者相對于前沿環境技術水平的非效率的大小程度。

生產者k'在參考技術Pt(xt)下的方向性距離函數為:

在我們的計算中，根據方向向量定義，方向向量(gy，gb)=(y，b)。

模仿標準距離函數的技術效率的度量方法，方向性距離函數的效率度量也可以定義為一個在0與1之間的指數。環境技術效率為“好”產品的實際產出量與環境技術結構下的前沿產出量的比率。方向性環境技術效率(ETE)定義如下:

我們用它來評價各行業增長與環境協調性，環境技術效率越大，說明離環境生產前沿越近，相應的行業增長與環境就越協調。這與我國當前倡導經濟發展“又好又快”的理念一致?！翱臁笔侵附洕鲩L速度高，“好”指的是污染少。

3 各省環境技術效率的測算

3．1 變量與數據

在運用方向性距離函數進行效率評價時，投入和產出變量的選取是非常關鍵的。本文旨在研究考慮復合污染情況下的環境技術效率，所以對污染產出指標給予極大重視。本文在上一部分中構建的復合污染指數作為環境效率評價模型中的“壞的”產出指標，各地區的GDP綜合反映了該地區取得的經濟成果，因此將其作為“好的”產出指標。在投入指標的選取上，目前的學者多從資本、勞動力和能源投入三個方面選取。

本文的研究覆蓋我國除西藏自治區、臺灣省、香港和澳門特別行政區以外的所有地區，為保持數據統計口徑的一致，把重慶市的數據歸入四川省，總共29個省、直轄市、自治區(以下全部稱為省)。采用年度面板數據，樣本區間為2003－2009年。生產過程中需要要素投入，同時會有“好的產出”和“壞的產出”。需要投入的三種要素為資本存量、勞動力和能源?！昂玫漠a出”為GDP，“壞的產出”為環境復合污染程度，用復合污染指數來衡量。

其中，勞動力的投入使用年末社會從業人員總量來表示;能源用各省每年的能源消耗量表示能源投入，統計上是把煤炭、石油、天然氣和水電等四種主要一次性能源的消費量轉換成統一單位加總而的。資本存量采用“永續盤存法”來估計，計算方法為:Kit=Kit－1(1 － δit)+Iit，其中 Kit是地區i第t年的資本存量，Iit是地區i第t年的投資，δit是地區i第t年的固定資產折舊。本文直接采用張軍等(2004)［9］的研究成果，由于原始數據是以1952年不變價格計算的實際GDP表示，為了保證投入—產出變量統計口徑的一致性，本文采用GDP平減指數將資本存量換算為以2000年為基期計算的相應數據。上述變量的原始數據分別來自《中國統計年鑒》和《中國能源統計年鑒》。投入和產出變量的描述統計值如表2所示。

3．2 各省環境效率實證結果

利用資源投入、產出和污染排放數據，采用非線性規劃技術，計算每年各地區的環境技術效率。利用各地區2003－2009年要素投入、產出和環境污染數據，應用lingo軟件對非線性規劃模型進行求解，計算得到方向性距離函數的值，進而得到方向性環境技術效率(ETE)的結果。表3所示為各省2003年－2009年間的環境技術效率得分。

從上述結果可以看出，我國各省環境技術效率值在0．48至 1 之間。定義［0．9，1］的區間為高效區，［0．7，0．9)的區間為中效區，0．7以下為低效區。2003年－2009年期間，平均水平位于高效區的有:廣東、上海、江蘇、山西、廣西、天津、內蒙古和遼寧;位于中效區的有:福建、湖南、河南、北京、黑龍江、湖北、山東、浙江、河北、吉林、甘肅和安徽。位于低效區的有:江西、四川、海南、陜西、新疆、云南、貴州、青海和寧夏。七年間始終處于高效區的有廣東、上海、江蘇、山西、廣西和天津六省市;效率有上升趨勢的省市有北京和寧夏;大部分省市的效率有下降的趨勢。在不同年份上，最佳環境技術效率的省份分布相對比較穩定。

表2 投入和產出變量的描述統計值Tab．2 Descriptive statistic of input and output variables

4 結論與政策建議

在環境問題，特別是復合污染的效應愈加顯著的當前狀況下，建立合理指標對復合污染程度進行量化測度，并在此基礎上分析各個省份的環境技術效率是制定相關政策、完成節能減排任務的重要依據。本文利用方向性距離函數，對我國29個省區市2003－2009年復合污染狀況、區域環境技術效率進行了實證研究，得出以下結果:

(1)從橫向上來看，各省市間環境技術效率值有較大差異。經濟發達地區如上海、江蘇、廣州等地的環境技術效率較高，云南、貴州、青海和寧夏等經濟欠發達省份的環境技術效率較低。總體上來說，我國的環境技術效率表現出區域不平衡的特征，東部省份最高，中部次之，西部最為落后。省份間的環境技術效率差異說明，很多省份的節能潛力巨大。

表3 中國29省市環境技術效率值Tab．3 Environmental technology efficiency of 29 provinces in China

(2)從時間上來看，絕大多數省份的環境技術效率值成下降趨勢，但是下降的幅度不是很大。環境技術效率的惡化很大程度上可能源于我國“十一五”中后期經濟發展模式的逆轉，鋼鐵、水泥、電解鋁、煤炭等行業發展過快，重新轉向低質量、低效益、低就業、高能耗和污染高排放的增長模式，2005年重工業占工業總產值的比重高達69%，顯現出過度工業化的特征。

(3)從直觀上可以看出，環境技術效率的變動與環境污染程度之間存在反向關系，環境技術效率的水平對環境污染程度大小的影響較大。減少環境污染的程度，就要提高環境技術效率。

(4)與其他相似研究相比:很多學者對我國省際間的能源效率進行了研究，代表性的有胡鞍鋼等［10］，袁曉玲等［11］。他們的研究表明，全要素能源效率經穩步提高后，自2002以來出現了下降趨勢。這種總體趨勢和本文得出的結論是一致的。但是在個別省份的效率值及排名上出現了差異，主要原因有兩點:一是現有的大部分研究在考察效率時，沒有考慮盡量減少“壞的產出”即污染物的排放，而本文采用的方向性距離函數，強調了好的產出的增加和壞的產出的減少;二是本文對環境污染的考察考慮了復合污染的效應，而其他研究多是以二氧化硫等一種污染物的排放量表示環境污染的程度。從以上兩個方面可以看出，本文的研究更全面，對效率考察的理念更能體現“又好又快”的思想。

基于以上結論和分析，本文認為可以從多方面來提升我國的環境技術效率，并實現區域間的協調發展。環境技術效率的提高，既要提高好的產出，又要盡量減少壞的產出。這意味著我國政策在制定時，要兼顧經濟增長和節能減排的雙重目標。應該從長期制定相關法律法規，積極引導產業結構的調整，加大技術創新和人力資本的投入。大力推廣先進的生產技術和節能技術，積極提高能源投入的利用效率，建立健全能源高效利用和節約優先的激勵機制，并在預測未來能源需求和評價當前效率的基礎上進行科學規劃。影響環境技術效率的因素很多，可持續發展的實現，環境污染的減少，除了依靠提高能源效率，還需要加快能源消費結構的轉型、發揮能源消費政策的引導作用、提高環保意識等。

本文不足之處在于:復合污染指數在構建過程中只是體現了考慮復合污染的思想，權重系數的準確性還有待進一步精確;此外也沒有考慮人力資本的異質性和技術進步的因素，這些不足有望在進一步的研究中得到解決。

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Estimate of Provincial Environmental Technology Efficiency Based on the Combined Pollution Index

YUAN Yi-jun GUO Li-liREN Huan-huan
(School of Economic of Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116023，China)

In the background of environmental problems，especially combined pollution problems become increasingly serious，using the scientific method to measure the degree of combined pollution，and estimating the environmental technology efficiency of each province are important to the formulation of relevant policies and enforcement of the work on energy saving and emission reduction．The paper uses entropy method and adjustment coefficient to establish the combined pollution index，and based on that，utilizes the directional distance function．This paper does a systematic analysis on combined pollution and environmental technology efficiency of 29 provinces of China from 2003 to 2009．The results show that there are significant differences in environmental technology efficiency among provinces，with the eastern provinces being highest，followed by central provinces，western provinces lowest．The environmental technology Efficiency of a majority of provinces has a small downtrend with the time，which is probably caused by the reversal of the development pattern in the mid-term and late-term in Eleventh Five Year period．With the fast growth of steel，cement，electrolytic aluminium and coal industry，the heavy industries output value accounted for 69%of the total industrial output in 2005，which showed the feature of excessive industrialization．Obviously，there is an inverse relationship between the change of the environmental technology efficiency and the degree of the environmental pollution and the environmental technology efficiency has a great influence on the degree of the environmental pollution．

combined pollution index;directional distance function;environmental technology efficiency

X196

A

1002－2104(2011)10－0167－06

10．3969/j．issn．1002－2104．2011．10．025

2011－08－16

原毅軍，博士，教授，博導，主要研究方向為產業經濟與能源經濟。

遼寧省自然科學基金項目(編號:20082167)。

(編輯:李 琪)