常規能源國際貿易網絡演化特征研究

蔣培祥，董志良，張翠芝，張亦池

(河北地質大學 a.城市地質與工程學院; b.自然資源資產資本研究中心； c.河北省礦產資源戰略與管理研究基地；d.管理學院，石家莊 050031)

能源是世界上各個國家發展的重要資源，對社會變革及發展起著至關重要的作用，因此能源問題是世界各國最關注的問題。對能源國際貿易問題的研究，在一定程度上能反應各國的供需能力以及各國在國際貿易中所處的地位。

關于對能源的研究，邵朝對[1]采用投入產出的方法模擬了國際能源價格受到沖擊對中國貿易結構的傳遞效應，結果表明能源價格沖擊會惡化出口結構、優化進口結構，但長期來看會阻礙中國貿易結構的調整。蔡進洲[2]運用GARCH模型分析了石油價格波動和風險。楊鑫[3]運用復雜網絡方法對國際天然氣無權與加權網絡結構特征進行分析，發現國際天然氣貿易網絡分布具有冪律分布特征。劉健[4]運用社會網絡方法對國際原油貿易網絡演變特征進行分析，結果表明國際原油貿易演變格局與地區經濟發展形勢、石油資源分布密切相關。肖建忠[5]利用社會網絡分析方法對國際天然氣貿易網絡演化及其特征進行了分析。Zhong[6]將煤炭、石油、天然氣貿易量轉化為能值并進行加總，構建了化石能源能值網絡，發現貿易關系數量和貿易量服從冪律分布特征。Zhong[7]構建了石油貿易的加權與非加權網絡，對石油貿易網絡中社團特征及其演化特征進行了分析。鄧富華[8]通過構建異質性隨機前沿模型，發現石油進口地的政府治理與OPEC可以提高進口效率。何則[9]運用復雜網絡的方法對世界能源貿易網絡特征進行分析，發現世界能源貿易網絡具有小世界與無標度特性。Li[10]研究了國際貿易的度分布、財富和資源分布的無標度特征，認為無標度特征是經濟周期同步性的原因。Geng[11]運用復雜網絡的方法對國際天然氣貿易演變特征及國際天然氣市場結構進行了研究，發現國際天然氣貿易網絡呈現無標度分布。Ji[12]運用復雜網絡理論對石油進口國之間的競爭進行了研究，并分析了競爭格局與傳導機制。

通過回顧文獻，學者對能源研究的角度是不同的，一些學者對能源價格進行研究，一些學者對能源價格波動進行研究。關于能源研究的方法也是不同的，復雜網絡方法是近年來研究的熱點，主要思想是將現實生活研究對象以及相關聯系映射到一個網絡中，通過對網絡中相關指標的分析，反映現實中系統的本質特征。復雜網絡中的小世界特征[13]、無標度特征[14]相繼被發現，復雜網絡廣泛應用于管理學[15]、物理學[16]、化學[17]、醫學[18]、環境科學[19]、國際貿易等領域。但是對于常規能源網絡的研究相對較少，因此本文選擇用復雜網絡的方法對常規能源(煤炭、石油、天然氣)進行演化特征的分析。相比之前學者對能源網絡的研究，本文建立的常規能源網絡所涉及的數據更加全面、科學。不僅僅是某種單一能源網絡演化的研究，而是對3種能源混合網絡的研究，更加全面地體現各國在能源貿易方面的地位。

為了研究常規能源在國際貿易中的演化特征、各貿易國在國際貿易中所處的地位及其變化，本文以常規能源作為研究對象，利用2010～2019年的常規能源貿易數據，構建常規能源網絡，分析網絡的結構及其演化特征，以及識別關鍵國家節點。

1 數據與方法

1.1 常規能源貿易網絡的構建

本文所使用的能源貿易數據煤炭(代碼：270119)、石油(代碼：270900)和天然氣(代碼：271111)均來源于聯合國貿易署，時間跨度為2010～2019年。通過對數據預處理將3種能源轉化為標準煤并進行加總。首先將3種能源按照各自的標準煤系數將貿易量轉化為標準煤，然后將發生兩種或三種貿易的國家以進口或出口為方向進行相加，國家間僅發生一種貿易的保持不變。參與能源貿易的國家或地區作為網絡的節點，國家間存在的貿易關系為邊，國家間的貿易量為邊的權重，構建常規能源貿易有向加權復雜網絡。網絡以鄰接矩陣的形式表示為

(1)

其中，wi,j(t)為第t年i國家向j國家出口標準煤的貿易量。

由表1可以看出2010～2019年間，常規能源貿易網絡的節點數量與邊數波動并不是很大，整體上看呈現下降的趨勢。平均出度反應各個貿易國平均出口合作伙伴數量，平均出度、平均聚類系數整體上呈現上升趨勢，說明常規能源網絡國家間的貿易變得越來越緊密。平均加權出度反應各個貿易國平均出口貿易量的大小，整體上呈現上升趨勢，2016年達到最大值，2019年幾乎與2010年持平。模塊化呈現下降的趨勢，說明網絡雖然變得緊密但貿易國家集團分化越來越不明顯。在加權有向網絡中平均路徑長度呈現下降趨勢，說明國家間完成貿易所經過的邊數減少，貿易效率提高。

表1 常規能源貿易網絡特征

1.2 節點入度與出度

節點度定義為該節點與其他節點直接相連的邊的數量，表示該節點國家的貿易伙伴數量。在有向加權網絡中節點度分為入度與出度，入度表示該國家貿易進口合作伙伴數量，出度代表該國家貿易出口合作伙伴數量。節點i的入度公式為

(2)

節點i的出度公式定義為

(3)

其中，j為節點，n為網絡中總的節點數量，aji表示節點j到節點i是否存在連邊，若存在aji=1，否則aji=0，aij表示節點i到節點j是否存在連邊，若存在aij=1，否則aij=0。

1.3 節點加權度

加權度定義為與節點相連邊的權重總和，表示該節點國家與貿易伙伴的總貿易量，平均加權度定義為網絡中所有節點連邊權重總和的平均值。在有向加權網絡中節點的加權度分為加權入度與加權出度，加權入度表示該國家進口貿易量，加權出度表示該國家出口貿易量。節點i的加權入度公式為

(4)

節點i的加權出度公式為

(5)

其中，wji表示節點j到節點i連邊的權重，wij表示節點i到節點j連邊的權重。

1.4 中介中心性

中介中心性是經過節點i的最短路經的總數量，中介中心性越大說明該節點在網絡中的控制能力越強，占據著較為重要的樞紐位置。節點i的中介中心性定義為

(6)

其中，g(j,k)表示節點j與節點k之間的最短路徑數量，gi(j,k)表示節點j與節點k經過節點i的最短路徑數量。

2 演化規律及特征

2.1 常規能源貿易網絡中貿易國數量分布特征

2.1.1 能源貿易網絡節點國家度分布特征

根據前人研究顯示，復雜網絡普遍存在于現實生活中，且多數復雜網絡都具有冪律分布特征。判斷隨機變量是否符合冪律分布的依據是在雙對數坐標下趨勢線為斜率為冪指數的負數的直線，在網絡中冪律分布表現為存在少量度值較大的節點、大量度值較少的節點。在雙對數坐標中，以e作為底數，分別作2010～2019年常規能源國際貿易網絡節點度值(節點度值用s表示)與節點個數(節點個數用k表示)的擬合函數，從圖1可以看出常規能源網絡的節點度分布表現出一定的負冪律性質。負冪律性質表示節點強度服從Pareto分布,即服從80/20原則，節點度分布符合冪律分布。說明在貿易網絡中擁有核心地位的國家更容易與新的國家建立貿易合作關系。

圖1 節點國家度分布擬合函數

由表2可知R2在0.687 1～0.812 8之間波動，度分布的擬合效果差，但是常規能源網絡的節點度分布仍然具有冪律分布特征。-γ代表擬合趨勢線的斜率，隨著斜率的增大，趨勢線變得越平穩，說明隨著時間的推移，參與常規能源貿易的國家，正在通過增加自己合作伙伴的數量逐步提高常規能源貿易的安全性，保障自身常規能源供應的安全性。

表2 網絡節點度分布擬合函數

2.1.2 貿易網絡中國家之間貿易量特征

在能源貿易網路中，節點國家貿易量由節點的加權度值表示，節點加權度值越大說明該節點國家在當年的貿易量越大。圖2為2010～2019年達到相應貿易量參與國家數量占比情況。其中橫坐標為年份，縱坐標為達到相應貿易量所參與國家數量占總國家數量的比重。從圖2可以看出，4條曲線呈現出下降上升下降上升的趨勢。其中2010～2013年4條曲線的變化較為平穩，說明參與能源貿易的國家數量基本不變，所占據的貿易份額相差不大。在2013年4條曲線均呈現下降趨勢，說明參與能源貿易的國家比重減小，即越來越少的國家參與了越來越多的貿易份額，從而印證了冪律分布的特征。2014～2017年4條呈現上趨勢，說明參與貿易的國家數量上升，能源國家貿易向著全球化發展。

圖2 常規能源貿易量國家比重

通過對常規能源網絡中節點國家的度值與加權度值的分布特征進行分析，結果顯示常規能源貿易網絡中節點國家合作伙伴數量與貿易量分布均符合冪律分布特征，即少數貿易國家參與了全球大部分貿易量，占據較為重要的貿易地位。隨著時間的推移，常規能源正在向全球化的方向發展，但貿易核心國家更容易與其他國家發展成為貿易合作伙伴。

2.2 貿易網絡整體性分析

在能源國際貿易網絡中，國家節點的度值代表該國家的貿易伙伴數量，度值越大，該國家的貿易伙伴數量就越多。平均度值是指網絡中國家節點的貿易合作伙伴數量的平均值、度值越大，網絡中國家節點的貿易伙伴數量就越多。國家節點的加權度值代表國家的進出口貿易量，度值越大國家進出口貿易量就越大。平均加權度代表網絡中所有國家進出口貿易總量的平均，平均加權度越大表示該能源國際貿易網絡的活躍度越高。常規能源貿易網絡中國家平均貿易伙伴數量(平均度)與平均貿易量(平均加權度)的演化如圖3所示。

圖3 2010～2019能源貿易網絡平均度與平均加權度的演化折線圖

在圖3中可以看出，2010～2019年平均度呈現上升下降上升再下降的趨勢，平均度波動比較頻繁，平均加權度呈現先上升后下降的趨勢。其中2010～2013、2016～2017年平均度處于上升階段，即在此兩個時間段內國家的平均貿易伙伴數量逐年上升，國家間的能源貿易關系越來越密切。2013～2016、2018～2019年兩個時間段內平均度處于下降階段，平均貿易伙伴數量減少從而國家之間能源貿易關系密切程度變弱。2010～2019年平均加權度呈現先上升再下降的趨勢。其中2010～2016年平均加權度處于上升的階段，即此階段國家之間的貿易量逐年上升。2016～2019年平均加權度處于下降的階段，此階段國家之間的貿易量逐年下降。2018～2019年平均度與平均加權度大幅度下降，這與美國對中國發動貿易戰有直接關系，作為兩大經濟大國對其他國家有一定的影響，從而導致整個貿易網絡中國家數量及貿易量下滑。為驗證2018～2019年平均度與平均加權度大幅度下降的原因，選擇節點度值排名較高的國家，分析2018～2019年節點數的變化幅度，如圖4所示。

圖4 2018～2019年節點數的變化幅度

從圖4可以看出，除中國外，其他國家節點數的變化幅度較小，說明中美貿易戰對中國的影響比較大。

2.3 貿易樞紐國分析

在能源貿易網絡中，節點的中介中心性越大，表示該國家對能源在網絡中的傳導作用比較大，且控制能力比較強。若該國受到價格或其他因素影響時，對能源網絡的影響比較大。

由表3可知在2010～2019年間美國基本處于首位，僅在2015年排名第二，說明美國對能源的控制力很強，始終占據著非常重要的樞紐位置。中國在10年間有6次排名在前三名，荷蘭在10年間有7次排名在前三名，說明中國、荷蘭兩國對能源控制能力僅次于美國，占據著較為重要的樞紐位置。南非、印度、英國、法國等國家的排名波動較大，說明雖然對能源有一定的控制能力，但是控制能力并不穩定。

表3 中介中心性排名前5的國家

2.4 核心貿易國分析

通過計算能源貿易網絡中國家節點的加權入度及加權出度，并將其進行排名，來探究各貿易國或地區對能源進出口貿易的影響，如圖5所示。圖5顯示了加權入度在2010～2019十年間排名前10的國家，即該國家進口能源的貿易量排名在前10。圖5中年份對應有顏色代表該國家在當年進口能源貿易量排名在前10，反之排名不在前10名。美國、日本、中國、印度、韓國、荷蘭這些國家的排名在十年間始終保持在前10名，說明這些國家是穩定的進口國，這些國家對能源的消費能力比較強。隨著時間的推移，以及國家經濟發展水平的變化，墨西哥逐步成為穩定的進口國。北美在2013年以前進口量處于前列，但自2014年起進口地位發生了變化。

圖6顯示了加權出度在2010～2019十年間排名前10的國家，即該國家出口能源的貿易量排名在前10。圖6中年份對應有顏色代表該國家當年出口能源貿易量排名在前10，反之排名不在前10名。沙特阿拉伯、俄羅斯、伊拉克、阿聯酋、卡塔爾這些國家的排名始終保持在前10名，說明這些國家是穩定的出口國，這些國家擁有的能源資源比較豐富。與這些國家相比，科威特、加拿大、印度尼西亞等國家所擁有的能源資源相對較為豐富。自2014年起出口地位發生了變化，其中尼日利亞在2014年以前出口量處于前列，但2014年以后出口量排名并未進入前10名。美國自2014年起成為穩定的能源出口國。結合圖5圖6來看，美國自2014年不僅僅是能源進口大國也是能源出口大國，是由于2014年北達科達州、德克薩斯州、新墨西哥州等地區頁巖油大量的開采導致的。

圖5 2010～2019年常規能源網絡節點國家加權入度前10排名

圖6 2010～2019年常規能源網絡節點國家加權出度前10排名

2.5 中國在貿易網絡中的特征

中國對能源貿易格局有著重要的影響，表4是中國在2010～2019十年的相關指標數據及其排名。由表4可知，中國的貿易伙伴數量呈現下降的趨勢，但2018年以前排名一直處于前3名，比較靠前，2019年中國的貿易伙伴數量驟降。在貿易層面，整體上中國進口能源貿易量呈現上升趨勢，且排名較為靠前，只有2019年進口貿易量較少。整體上中國出口能源貿易量呈現下降趨勢，相比進口排名出口排名比較落后，這與中國人均能源資源較少有直接關系。在能源控制力層面，2019年以前控制力排名一直處于前5名，對能源流通以及控制力有著較強的作用。從表4可以看出2019年中國各個指標及排名都有所下降，這是由于作為核心國家的美國在2018年對中國發動貿易戰導致的，中國貿易伙伴數量、能源進口量及國際地位都有下降趨勢。

表4 中國在能源貿易網絡中地位變化

3 結論

1)隨著時間的推移，常規能源網絡中所涉及的國家越來越多，網絡規模越來越大，國家間的聯系越來越密切，常規能源貿易行業的發展趨勢良好，但美國對中國的貿易戰使這種關系受到了沖擊。

2)常規能源貿易網絡中節點國家的貿易伙伴數量分布及貿易量分布符合冪律分布，即少數能源貿易國占據了大部分能源貿易份額。美國、沙特阿拉伯、俄羅斯、中國等國家是常規能源國際貿易的核心國家。其他非貿易核心國家應該多與貿易核心國家建立聯系，這樣當全球能源貿易波動時可以保持自身貿易的穩定性。

3)美國、荷蘭、中國對常規能源貿易的控制能力較強，是重要的樞紐國家。常規能源貿易國可以通過這3個國家的貿易趨勢調整自身的貿易份額以及貿易量。

4)在常規能源貿易網絡中，處于進口位置的貿易核心國家有美國、日本、中國、印度、韓國、荷蘭，常規能源資源豐富的國家應該首選這些國家作為自己的貿易伙伴。處于出口位置的貿易核心國家有沙特阿拉伯、俄羅斯、伊拉克、阿聯酋、卡塔爾、加拿大等國家，這些國家自身擁有比較豐富的能源資源，對于缺乏能源資源的國家來說，應該著重選擇這些出口核心貿易國，來滿足自身發展的需求。

5)中國在常規能源網絡是一個連接其他國家的重要核心節點，中國的貿易伙伴數量排名比較靠前，擁有參與能源貿易國家數量的一半。進口能源貿易量排名逐年提高，是一個比較穩定的進口大國。中國對常規能源產品的控制能力較強，排名一直處于前10。2018～2019年是一個突變點，是2018年美國對中國發動貿易戰導致的，2019年中國合作伙伴大幅下降以及進口能源貿易量下降，建議中國應該多與沙特阿拉伯、俄羅斯、伊拉克、阿聯酋、卡塔爾、加拿大等出口貿易核心國家建立貿易關系，來維持穩定的進口需求。