我國水使用存在環境庫茲涅茨曲線分析

肖文彬　曾君榮　邵尤弘　王健

摘 要 基于2003-2014年我國31個省的數據，在環境庫茲涅茨曲線（EKC）框架下，本文分析了城市化、工業化、經濟增長和人均水使用的關系，與現有文獻不一樣，用平滑轉換回歸（PSTR）模型進行了檢驗和估計。經驗研究得到了一些有意義的結果，他們之間的關系是非線性的，表現出倒U形關系，隨著城市化的推進，水使用城市化彈性先降低，后增加，工業化增加了水使用，但不顯著，經濟發展先增加了水使用，后由于效率的提高會降低人均水使用，說明我國存在EKC。除此之外，水使用表現出巨大的差異性，表明水使用取決于不同時期不同省份的城市化情況。

關鍵詞 環境庫茨涅茨曲線 人均水使用 面板平滑轉換回歸 非線性

0引言

（1）水資源狀況的審視與預測。

根據WHO/UNICEF2000年的報告，全世界當前超過40個國家20億人口面臨缺水問題，UNDP2006估計11億人口不能得到安全的飲用水，26億人不能獲得基本的生活用水，到2015年仍有近10億人口不能獲得這樣的機會。在城市中，不能飲用安全水的人口比例還在增加，80%的廢水仍不能得到收集與處理。到本世紀中葉，世界食品需求將增加70%，這將導致農業用水需求至少增加19%，農業用水已占到淡水用量的70%。水是人類的必需品也是生態系統的必需品，是地球上最珍貴的資源之一，獲取、使用和管理好水資源非常重要，不僅能增加人類福利，也有利于環境保護和經濟發展。地球總水量雖然有1.386？018m3，但是全球淡水資源卻僅占全球總水量的2.5%為3.5？08億m3，其中有70%以上被凍結在南北極冰蓋中，有86%的淡水資源難以運用，能夠使用的淡水資源是江河湖泊和地下水。我國的淡水資源總量為28000億立方米，占全球淡水資源的6%，世界排名第4，雖然我國淡水資源豐富，但是我國人均水資源量卻是最貧乏的國家之一。隨著我國城市化和工業化的推進，水的需求量急劇增加，與此同時，我國水資源利用效率低下也嚴重制約了經濟的可持續增長。我國萬美元GDP用水量為4749m3，是世界平均水平的4倍，是美國的9.8倍，日本的25倍。我國政府已經充分認識到水資源對經濟以及環境的影響，2011 年中央“一號文件”首次聚集水資源管理，提出建立用水效率控制紅線。然而粗放型的經濟增長模式下存在著水資源嚴重浪費與水環境污染惡化的現象，對中國水資源的可持續利用構成威脅。因此，基于我國數據正確認識水使用和城市化、經濟發展的關系，能正確識別當前狀況和預測未來的發展趨勢。

（2）目前工業用水情況和水重復利用技術。

改革開放以來，隨著工業經濟的迅猛發展，工業用水量也迅速增加，同時由于未來工業經濟仍將進一步發展，工業用水需求也會進一步增長，但是工業水資源利用效率低下、浪費嚴重等問題的存在，并且伴隨著北方河流開發過度，水源承載力遭到忽視，已經漸漸演變成了中國水資源危機，國家的發展受到了水資源的制約。目前我國工農業用水重復利用率較低，除個別城市工業用水重復率超過50%外，即使在缺水的北方一般也僅占20～30%，在南方，一般城市工業用水基本沒有重復利用。在農業用水方面，作為農業大國的我們目前的農業用水重復利用率也只有45%，還有一半多的水在輸送和灌溉過程中被白白浪費掉了，若是能夠將我國農業用水重復利用率提升15%的話，其灌溉面積大約為現在的1.5倍。這歸根結底主要還是因為我國的水重復利用技術不夠先進。目前我國在工業污水的處理上，還是采用中和、沉淀、曝氣、生物處理、混合稀釋和過濾等手段，處理的目的僅僅只是基本滿足排放水質的要求，而且處理效率總體來說并不高。在農業灌溉方面，我國依舊采取的是地面灌水，此方法滲漏水多，農業用水效率不高，浪費嚴重，而且世界發達國家普及的滴灌、噴灌等節水灌溉手段在我國僅占全國灌溉面積的三分之一，在農業灌溉方面我國還有很長的一段路。在飲用水處理上，將各種預氧化處理、生物處理和活性炭吸附與常規處理聯合起來，優化組合新的凈水工藝，是當前受污染水源水質凈化的基本對策。所以在工業方面，工業節約用水潛力巨大，要改善其工業用水使用效率和優化工業產業結構，在農業用水方面，開發出新型灌溉農具和成熟的灌溉系統迫在眉睫，水的循環利用技術和污水處理回用技術都將得到發展，這是當前水資源緊缺的現實要求和水處理技術水平提高的具體表現。

（3）產業結構與水資源消耗的關系。

自改革開放以來我國經濟建設取得舉世矚目的成就，綜合國力和人民生活水平顯著提高，與此相伴隨，我國產業結構也發生很大的調整，第一產業在GDP中所占的比重明顯下降，第二產業比重穩步提高，第三產業逐年持續上升，第二產業成為推動經濟發展的主要動力，第三產業的發展在很大程度上成為我國經濟發展的一大趨勢。不同行業的水資源直接消耗量與滿足自身需求所需的水資源量有所差異，但是對于經濟系統而言，各產業的水資源直接消耗總量等于為滿足最終需求所需的水資源總量。第一產業在GDP結構中所占比例與其用水量結構的關系比較微弱，就是說農業用水與農業產值所占GDP的比重關系較弱。我們知道，農業一直是用水大戶，近十年來平均每年用水占總用水量的44.2%，近十年來用水量基本沒有變化，但是其GDP所占比重卻持續下降，這說明農業較其它產業發展緩慢，用水效率不高。與第一產業相比，第二產業在節水和高效用水方面成績顯著，主要是通過兩個手段，其一是調整工業在產業結構中的比重，揭示了這種相關關系，其二是調整工業內部結構，使其結構向合理化、高級化發展，主要表現在：高技術產業發展迅速，而高新技術產業耗水卻非常小，也無污染，并逐漸向主導產業發展；重化工行業和一般加工業等傳統工業地位下降，特別是一些不適應首都經濟發展要求的行業，如采掘業、原材料工業等，這部分高耗水工業將逐漸退出歷史的舞臺。第三產業比重每增加1%，相應的用水結構將增加0.516%，這說明第三產業的發展與水資源的關系較第二產業要弱，就是說大力發展第三產業對日益緊張的水資源壓力比較小，而其產值卻很高；同時，第三產業本身內部的結構包括旅游、環境、公用事業等這樣的產業都是符合生態需求的，對水資源有保護作用。

（4）發達國家的水使用情況。

為了發現水使用存在環境庫茨涅茨曲線是一個特殊性還是普遍性的現象，我們查閱了過去的一些資料。在這之前Stem（1998），Ekins（1997），D·Bnjyn和Heints（1998），Stagl（1999）以及Dinda（2004）等就驗證了環境質量與經濟增長之間這一關系。針對工業用水量與經濟增長的庫茨涅茨曲線，對發達國家和地區工業用水量的研究得出經濟合作與發展組織的24個成員國，除了水資源開發利用率很低（2%以下）的加拿大、冰島和挪威、產業升級較為滯后的韓國以及資料系列太短難以作出判斷的比利時、希臘和愛爾蘭總共7個國家之外，其余17個國家在20世紀90年代以前都經歷了工業用水量 達到高峰并轉而下降的過程。韓國、新加坡等新興工業化國家、地區在20世紀90年代后期也出現了工業用水減少的現象?？梢?，工業用水在上升到一定階段后可能停止增長甚至轉而下降，這是一種很普遍的現象。所以說在世界經濟發達國家中，其工業用水量是符合環境庫茨涅茨曲線，這為我們的研究提供了有力的國際證據。

（5）研究背景和選題意義。

一般框架下，就像不平等水平和人均收入的關系一樣（Kuznets， 1955）， 環境壓力和經濟發展表現出倒U形關系，這樣的關系被稱作環境庫茲涅茨曲線（EKC）。其背后的原理很簡單：在經濟發展的早期，收入水平越高，自然資源環境壓力越大，在達到一定的收入門檻后，經濟發展對環境的壓力發生逆轉，會減輕。環境庫茨涅茨曲線是通過人均收入與環境污染指數之間的線性模型，說明經濟變動對環境污染的影響，即在經濟發展中，環境由好入壞再變好的過程。20世紀90年代初美國環境經濟學家Grossman等根據經驗數據發現污染物排放與經濟增長之間也存在庫茲涅茨倒“U”型曲線關系，進而提出環境庫茲涅茨曲線的概念。也就是經濟增長初期環境污染物的排放隨經濟的增長而增加，當經濟發展到一定程度之后，環境污染物的排放隨經濟的增長而有所下降。后來有的學者甚至把人均收人與環境污染程度之間的幾何曲線統稱為環境庫茲涅茨曲線。雖然大多數EKC研究關注了污染排放和能源，然而，很少有研究關系水資源和經濟發展的關系，可能在于缺少一致性的數據及發達國家相對豐富的水資源及其他一些原因，除（Cole， 2004； Katz， 2008）的研究外，很少有研究者關注水資源的EKC曲線。他們的研究使用了多項式模型和跨國面板數據，發現存在水使用的EKC曲線，賈紹鳳發現發達國家工業用水隨經濟發展的變化存在著一個由上升轉而下降的轉折點，工業用水隨收入增長的演變模式可以用庫茲涅茨曲線表示，并指出工業經濟增長和自然資源的使用及排放從上世紀70年代以來獲得了極大的關注并且今天這種爭論還在繼續。但這些模型表現出兩個重要的缺點：第一，由于使用的數據較少，不能反映時間的波動和國別之間的波動，第二，使用多項式模型假設彈性間接依賴于收入，可能是有問題的。我們假設彈性是平滑轉換的，能更準確的抓住省級之間的水使用行為，因為我們可以預期水使用速度會變慢。我國水使用與經濟發展之間是否存在庫茲涅茨倒“U”型曲線關系？如果存在，拐點位置如何？如果不存在，它們之間關系曲線的形狀如何？本文的主要目的是實證上探索水使用和經濟發展（用人均收入代替）的關系，理論上，水使用和經濟發展是可能存在倒U型關系的，第一階段水使用的增加原因是經濟發展了，高收入彈性的食物的消費會增加，這些高收入彈性的食物如肉類和蔬菜是水密集型的，并且隨著工業化和城市化的推進，需要建立水的管網，由于農業是主要的水資源消費的產業，灌溉系統的拓展從而增加生產能力是很重要的。而后在第二階段人均水使用的下降可能在于技術進步，尤其是農業，可能產生更有效的灌溉系統，歸功于較低的水密集行業的發展，如工業和服務業的發展，或者出臺政策鼓勵節約用水。從最近幾十年來年，一個國家在發展過程中充分利用技術進步保護水資源看來是合理的，如我國實行的階梯水價，從而可能在發展過程中減少水資源的浪費和使用。很顯然，一個國家的水資源的使用不但依賴于經濟發展，也依賴于環境條件和管理水平，我們選擇水資源總量和城市化作為控制變量進行分析。我們的經驗分析中，使用PSTR方法，相對于多項式模型有更大的靈活性。選擇全國31個省市2003-2014的面板數據分析人均水使用和人均GDP的關系。

1計量方法介紹

拒絕原假設，表明存在水使用和經濟發展的非線性關系，進一步檢驗是指數型還是邏輯斯蒂型，此時需要使用序貫性檢驗來判斷，（1）先檢驗%[=0，（2）在%[=0的條件下檢驗%[=0。（3）在%[=0，%[=0的條件下檢驗%[=0，分別計算出相伴概率，如果（2）相伴概率最小，則選擇EPSTR模型，否則選擇LPSTR模型。

2實證分析結果

人均水使用量和水資源擁有量，人均實際GDP和城市化率等原始數據來源于中經網、新中國60年統計資料匯編和歷年各省統計年鑒，同時為消除價格指數帶來的影響，將各省人均GDP進行過調整。文中的東中西部地區劃分參考中國統計年鑒。東部地區：廣東、江蘇、上海、浙江、山東、北京、福建、天津、遼寧、河北、海南；中部地區：湖北、湖南、江西、河南、黑龍江、安徽、吉林、山西；西部地區：廣西、四川、陜西、重慶、內蒙古、云南、甘肅、貴州、新疆、寧夏、青海、西藏。

表示人均水使用量，表示人均水資源的擁有量，表示經過價格指數調整后的人均實際GDP，在回歸實證分析中均取對數，表示城市化率，用城市人口除以總人口乘以100得到。ind表示第2產業占的比重，用以表示工業化進程對水資源使用的影響。各變量的描述性統計見表1。

從以上統計數據可以看出，我國水使用存在差異，最小的人均使用只有161.17，最大的達到2657.9，標準差達到441.57，在水資源稟賦上，最小的只有158.82，最大的達到2643.07，同樣標準差達到437.50，差異巨大。此外，各省收入水平，城市化率，工業化水平均表現出巨大的時間和空間差異，數據的較大變異，為準確分析水使用特征提供了可能。

繼續分析各變量間的相關系數，自變量之間除城市化率和經濟發展水平（用人均收入表示）表現出較高的相關性性，其余變量相關性較小，說明變量間共線性可能性較小。從水使用與變量的相關性來看，經濟發展水平、城市化率及工業化率的提高，有可能降低水使用，而水資源稟賦的增加，則可能增加水使用，當然這只是線性相關性，我們要檢驗是否存在非性性，需要更加精確的計量方法和模型。實證中檢驗是否存在EKC使用的模型為：

（7）

在估計之前，時間序列變量必須是平穩的，使用Maddala and Wu （1999； MW）及IPS單位根檢驗，所有變量不存在單位根（表3）。

從單位根結果來看，顯著拒絕非平穩原假設，各序列是平穩的，可以直接進行回歸分析。我們分別估計了式（7）的模型1，式（7）去掉ind的模型2及式（7）只保留ur的模型3。使用前面提到的檢驗方法，先判斷轉換函數和非線性，見表4。

進一步檢驗表明（表5），在描述水使用時，EPSTR模型更加合適，由于有些變量不顯著，我們共估計了3個模型進行對比。綜合AIC，BIC的值（表6）及參數估計結果，我們發現最優的選擇是模型2，且各模型之間參數差異較小，說明模型估計是穩定的。很明顯，城市化率在43.76和60.37之間，會出現一個人均水使用低谷，在這之前，水使用會下降，在這之后水使用會快速上升然后穩定下來，由于我國目前城市化率正在推進，可能存在較大的水使用壓力，水資源稟賦隨著城市化率的增加會增加水使用，并且在城市化率上升后會增加的更多，因此，對水資源豐富地區的居民宣傳教育節約用水是有必要的。隨著城市化的推進，經濟發展水平越高，剛開始水使用增加，但城市化的進一步推進，人均水使用開始減少，可能原因城市化和經濟發展實現規模經濟后提高了水使用效率。

3結論和建議

根據上面的數據通過面板平滑轉換模型研究分析來看，我國絕大部分省市水使用存在庫茨涅茨曲線變化。這大可分為三個階段：第一階段是經濟發展程度和水使用量都較低；第二階段是經濟快速發展到達轉型的節點并且用水量急劇增加；第三階段隨著經濟的進一步發展水使用量呈現逐步下降的趨勢。結合我國的具體國情，東中西部在城市化、工業化以及經濟總量三大指標上存在著明顯差異，我國東部經濟地帶已位于第三階段，特別是北上廣已經處于第三階段的后期，水使用量已經逐年下降，這主要是因為東部經濟地帶經濟發展起步早，城市化和工業化進程相對于其他兩個經濟地帶較為領先，中部經濟地帶位于第二階段，處于經濟快速發展的節點時期，這主要是因為其經濟發展程度略弱于于東部地區，而西部經濟地帶由于其地理位置深處內陸和經濟發展落后的原因，還處于第一階段。但是其中新疆和寧夏是因為其大型規模農業在經濟總量貢獻中占比較大，所以在經濟增長的同時水使用量同步增長，黑龍江是由于傳統重工業經濟占比大，使之用水量大，所以這三個地區的環境庫茨涅茨曲線有部分部不重合，不能完全用倒U曲線來解釋。

合理開發、利用和管理水資源，已成為世界各國所普遍關注的問題。為了緩解日益突出的水資源供求矛盾，各國進行了長期不懈的探索，在實踐中總結出許多很有成效的經驗。歸納起來主要有：加強立法保護水文生態環境，提高民眾節水意識，實行適度開發需求管理的用水體制，推廣先進的節水灌溉技術，蓄積利用雨水以及控制水體污染等，這些做法值得我國在加強水資源的開發利用和保護方面參考借鑒。以以色列為例，對于我國防治水資源的污染、提高水資源的利用率以及有效保護水資源具有一定的借鑒意義。

以色列2/3的國土是戈壁和荒漠，水資源嚴重貧乏，水貴如金。為解決缺水這一難題和充分利用國內有限的水利資源，以色列在水資源管理、開發利用和解決工農業用水等方面制定了一系列嚴格措施。國家對水資源實施嚴格控制和管理，主要是由國家水利管理委員會負責全國工農業和民用用水配額，委員會每年先把70%的用水配額分配給有關用水單位，其余30%的配額則根據總降雨量予以分配。為鼓勵節水，用水單位所交納的用水費用是按照其實際用水配額的百分比計算的，超額用水，加倍付款。由于以色列是一個嚴重缺水的國家，所以其農業用水采取的是先進的節水灌溉技術，他們普遍推廣的節水壓力灌溉技術已成為一個系統工程。這個系統是把水通過塑料管直接送到植物最需要水的根部，用水率高，經濟效益高。壓力灌溉先將化肥溶入水，水肥灌溉一氣呵成，這種技術可用于干旱地區、塑料大棚、溫室和任何需要灌溉的地區。壓力灌溉系統全由電腦控制，電子傳感器自動將植物所需的水、化肥量自動傳入電腦，電腦便自動調節和控制灌溉，省人、省力和節水。該灌溉系統根據植物生長的氣候、土質、地形、水源和植物特性設計而成，不千篇一律。同時，為了保證農業用水，政府還強化廢水的再利用，如對全國工業和城市所排放的廢水進行排污處理，使其成為“循環水”，并用于農業灌溉。

從以色列的水資源利用和管理的綜合結果來看，無疑是情況最艱巨的但又是在這方面做得最好的一個。以色列地處西亞，自然環境惡劣，水資源嚴重匱乏，但他就是在我們的眼前創造了一個活生生的奇跡，他不僅沒有因外外部條件的劣勢而影響國家經濟的發展。反倒是利用先進的節水技術和強有力的管理體制，使有限的資源創造出了最大的價值。今天，以色列不僅是不用擔心需要大量水資源的農業發展不起來，反倒要準備將優質的農產品出口到世界各地。

反觀我國水資源利用現狀，盡管各種方法和口號都沒停過，但都沒有取得明顯的成效。我國國情相對來說比較復雜，主要在地域遼闊，各地域的自然環境又不盡相同，這直接導致管理的難度直線升高，但我們又不得不要直接面對這一問題。根據我國人口密度由東南向西北遞減，經濟發展水平由沿海向內陸遞減這兩個大趨勢，在結合庫茨涅茨曲線來分析，現在的東部和南部的水資源狀況就是若干年后西部和北部的水資源狀況，當然了，前提是西北部的水資源自然狀況和東南部水資源自然狀況一樣。很顯然，這兩者并不一樣。但是經濟發展水平差距是實際存在的。

所以要治理和開發我國的水資源從經濟角度來看是要分兩手準備的。

（1）東南部可以依賴已經得到發展的經濟實力對水資源進行管理和開發，可以進行宣傳提高人們的節水意識，強制治理產生污水的工業企業。

（2）我國的的南水北調工程也經濟實力的表現，隨著社會經濟水平的再次飛躍發展，水資源的使用量和污染情況都會減少。

（3）西北部水資源狀況本就比較匱乏，但地下水和冰川水資源比較豐富，可以科學的利用地下水和冰川水，能較好的改善西北部水資源不足的情況，要改善工業結構，不能按照東南部的工業結構來布局，可以優先對水資源依賴比較少的企業進駐，相對控制和減少需要大量水資源支撐的企業。

（4）再從大局來看，可以借鑒我國階梯電價的模式，對全國水使用量進行階梯水價，以達到全局統一管理的目標。

（指導老師：宋金奇）

參考文獻

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