能源使用效率、經濟增長與生態環境質量
——基于包含碳排放的DSGE 模型數值分析

武曉利，王 丹，晁江鋒

（1.河南財經政法大學 經濟學院，河南 鄭州 450000；2.中南財經政法大學 經濟學院，湖北 武漢 430064；3.鄭州航空工業管理學院 商學院，河南 鄭州 450046）

一、引言

近年來，隨著中國經濟的持續高增長，環境污染問題也日趨嚴峻。據統計，2019 年中國經濟增速為6.1%，在全球主要經濟體中名列前茅。然而，在經濟高速發展的同時，能源消費總量也躍居世界首位并呈現增長態勢，其中，中國能源消費總量為48.6 億噸標準煤，較上年增長3.3%，煤炭消費量增長1.0%，原油消費量增長6.8%，天然氣消費量增長8.6%。然而，化石能源消費的快速增長引起中國二氧化碳排放量的大幅增加，生態環境質量不斷惡化。在此背景下，近年來中國持續關注碳排放過度導致的環境質量問題。2014 年，中國在《中美氣候變化聯合聲明》中表示，計劃2030 年左右實現碳達峰，并且非化石能源占一次能源消費比重提高到20%左右。

那么，面對日益嚴峻的能源和環境挑戰，應如何協調經濟增長與生態環境質量的可持續發展，建設環境友好型經濟，是當前中國亟待解決的重要問題。在此背景下，文章通過研究經濟系統中影響生態環境質量的關鍵因素，以及面臨生產技術、環保技術、能源價格以及政府治污支出沖擊時能源使用效率對中國主要宏觀經濟變量的影響，分析經濟增長與生態環境質量間的相互關系，具有較強的現實意義。

由于中國對環境問題的持續關注，關于環境質量與經濟增長的相關研究也逐漸增多。代表性文獻如：齊結斌、胡育蓉(2013)基于異質性偏好和政府視角分析發現，政府異質性偏好增強無法同時實現經濟增長和環境質量改善的目標，而居民異質性偏好增強可同時實現雙贏；Li(2014)通過構建污染治理的最優控制模型，分析經濟增長和治理污染的最優均衡水平；朱軍(2015)通過構建包含不同公共政策因素的DSGE 模型，對比研究許可證價格、污染稅、政府控污支出等政策對環境質量的影響。

同時，部分學者也對能源價格與能源使用效率等因素的經濟效應進行了一系列研究，但相關結論尚存在較大分歧。其中，Jorgensen(1973)首次提出經典的資本、勞動力、能源和原材料四個輸入要素的KLEM模型。之后相關研究將能源消費作為生產要素來研究能源消費對經濟增長的影響，代表性文獻如孫穩存(2007)和朱智洺、方培(2015)深入探討能源價格沖擊對中國宏觀經濟的影響；楊翱等(2016)將能源使用效率沖擊引進DSGE模型，結論表明能源效率對經濟的促進作用甚微，且明顯小于技術進步等。文章的研究與以往文獻研究的不同之處在于：第一，從生產技術、環保技術、能源價格以及治污支出四個層面研究其對經濟與環境系統的影響，進而找尋實現經濟增長與生態環境質量雙贏的可持續路徑；第二，通過調整能源使用效率，進而研究環保技術、能源價格和治污支出三類沖擊源在不同的能源使用效率下對經濟增長和生態環境質量的動態效應。

二、VAR 模型構建及實證分析

首先參照《2006 年IPCC 國家溫室氣體清單指南》中所公布的碳排放系數，分別測算2004—2020 年間全國碳排放量。計算公式如下：

其中，CE 表示所有能源的二氧化碳排放量；k 表示能源消費的類型，t 表示年份；EFk表示第k 類能源的二氧化碳排放系數；表示第t 期第k 類能源的消耗。各能源二氧化碳排放系數如表1 所示。

表1 各能源二氧化碳排放系數

2004—2020 年間，中國碳排放量大致呈現增長趨勢，碳排放量從596533.65kg 上升至983690.19kg。在2013 年之前的經濟發展過程中，重工業占比過大，經濟的持續發展消耗大量能源和資源，導致碳排放增長速度快，2013 年碳排放量最高達到1187879.09kg。文章采用2004—2020 年間中國的碳排放量、能源消費總量以及國內生產總值三個變量構建VAR 模型，其中碳排放量代表環境污染，國內生產總值(GDP)代表經濟增長，并對上述變量取自然對數，分別記作lnEC、lnC、lnGDP，建立的VAR 模型如下：

其中，Yt=(lnEC，lnNC，lnGDP)，Ai(i=1，2，…，p)表示相應的系數矩陣，p 表示內生變量滯后的階數，根據AIC 信息準則估算模型得出最大滯后階數為3 階。

由圖1 可知：第一行表示1 單位碳排放量沖擊的影響，發現1 個百分點的碳排放量沖擊將導致能源消費與GDP 快速下降，而且均具有顯著的持續性，對GDP 的負效應持續擴大，呈現出逐階下降的態勢；第二行表示1 單位能源消費沖擊的影響，發現該沖擊導致碳排放量在短期內快速上升，并在較高的碳排放水平上具有較強的持續性，而對GDP 具有一定的負面影響，在較長時期內這一影響并未削弱；第三行表示1 單位GDP沖擊的影響，發現該沖擊導致碳排放量在短期內有所上升，且在中長期內呈現出逐階上升的態勢，而對能源消費具有一定持續性的負效應。從總體上來看，三個變量之間的運行機制在于國內生產總值上升將引起碳排放量的快速上升，進而促使政府部門出臺相應的減排措施，使得能源消費量下降，碳排放規模也隨之回落，最終對經濟增長構成影響。基于上述分析結論，文章通過構建包含碳排放因素的E-DSGE 模型，數值模擬相關因素對宏觀經濟及生態環境質量的動態影響。

圖1 脈沖響應函數分析

三、E-DSGE 理論模型構建

1. 企業

文章沿用新古典模型完全競爭的假設，所有企業技術相同，假設企業采用以下生產函數：

其中，ω0，ω1，ω2分別表示二次耗損函數的系數；α1，α2，α3分別表示資本、勞動、能源投入的份額，α1＞0，α2＞0，α3＞0，且α1+α2+α3=1；Yt表示t 期的產出，Kt表示t 期的資本存量，Nt表示t 期的勞動投入；Pt表示t 期能源消費品的價格，Et表示t期能源消費量，f 為能源使用效率，At表示t 期的外生技術水平，假定其服從AR(1)過程。

假設環境中的碳排放主要來自于企業，且每期碳排放量與當期企業的產出量正相關，與當期的環保技術水平負相關。參考Annicchiarico＆Dio(2015)的研究，設定第t 期的碳排放量為Xt：

其中，ν 表示單位產出的碳排放指標；ETt表示第t 期的環保技術水平，假設ETt是隨機變量，服從AR(1)過程：

企業資本積累方程為：

其中，δ 表示資本折舊率，It表示t 期的投資。企業在t 期需要支付居民的工資Wt、資本租金rt、承擔資本折舊率δ、向政府按稅率τY繳納產出稅。因此企業利潤最大化問題為：

求解該最優化問題，可得如下關于Kt和Nt的一階條件：

2. 居民

假定經濟系統中包含了眾多的居民，每個居民偏好相同且生命無限，則居民在每一期選擇能源消費、非能源消費、勞動及投資以實現其跨期效用最大化，即：

其中，E0為基于0 期信息形成的條件期望算子；0＜β＜1 為居民主觀貼現因子；Ct為第t 期代表性居民的非能源類消費品的消費；Qt為第t 期環境質量；a 為居民在非能源消費和生態環境質量之間的權衡值；Et代表第t 期居民的能源類消費品量，Nt代表第t 期居民的勞動供給；Xt表示第t 期碳排放量，其與環境質量負相關，直接引起居民效用水平下降，因此以負對數的形式引進效用函數。

在第t 期，居民的預算約束為：

其中，τC、τN分別表示居民消費稅比例稅率、勞動所得稅比例稅率；G1t表示政府在第t 期的轉移支付；Pt表示第t 期的能源類消費品的價格，假設其是隨機變量，服從AR(1)過程。

求解最大化問題，可得一階條件如下：

3. 政府

政府每期收入均包括三個部分：對企業征收的產出稅及對居民征收的消費稅、勞動稅，故：

假設政府每一期的收入用于兩個部分：第一部分是補償居民的轉移支付G1t；第二部分是環境治污支出G2t?？紤]到環境污染的負外部性，治污責任完全由政府承擔，因此政府在第t期的預算約束為：

假設G1t和G2t是隨機變量，均服從AR(1)過程。

4. 環境

假設在環境系統中，環境質量是一個動態演變的過程，第t 期的環境質量不僅與上一期環境質量有關，還與當期碳排放量反向變動，與政府治污支出正向變動。因此環境質量的演變方程為：

其中，ψ 為環境質量對碳排放的正常分解率，且0＜ψ＜1，Q*為初期無碳排放狀態下的環境質量，γ 為上一期政府治污支出對本期環境質量的改善系數。

最后，經濟的可行性條件必須滿足：

文章引入生產技術沖擊、環保技術沖擊、能源價格沖擊及政府治污支出沖擊{At，ETt，Pt，G2t}，且均服從一階自回歸過程。

四、模型參數的校準與貝葉斯估計

文章構建模型的靜態參數主要依據中國實際經濟數據和已有文獻，采用校準的方法確定；動態參數采用貝葉斯(Bayes)估計方法估算。

1. 靜態參數的校準檢驗

參數θ1、θ2和a。參考邵全權(2017)的研究，文章將θ1、θ2和θ3分別校準為0.85、3 和0.8；Angelopoulos(2010)將消費和生態環境質量間的權衡值設為0.6，朱軍(2015)認為居民在消費和環境質量選擇中更短視，將其設定為0.7。據此參數a 校準為0.8。

參數β，δ，ωi，αi(i=1，2，3)。文章采用1979—2015 年間的CPI 數據估算出居民主觀貼現因子β 為0.97；陸平、何維達(2019)指出對于年度數據，資本折舊率通常被校準為0.04～0.1之間，因此文章將資本折舊δ 率校準為0.08；鄭麗琳、朱啟貴(2012)將二次耗損函數系數依次校準為0.0015、0.0000065、0.000000015；參考晁江鋒(2019)的分析，分別將α1、α2和α3校準為0.4、0.45 和0.15。

參數γ，η 和υ。參考Angelopoulos(2010)的分析，文章將參數γ，η 分別設定為5、0.1。參考Annicchiarico＆Di Dio(2015)的研究，將參數υ 設定為0.16；

參數τC，τN和N*。參考鐘永飛等(2017)的研究，把τC，τN分別校準為0.076、0.009。參考Hansan(1985)的分析，按照工作日進行測算，將勞動均衡值N*校準為0.33。

2. 動態參數的Bayes 估計

文章將1979—2021 年中國實際GDP 和消費數據分別作為總產出和消費的代理變量；使用MCMC-MH 方法對動態參數進行貝葉斯估計，結果如圖2 所示。

圖2 Bayes 估計結果

五、數值模擬分析

1. 靜態模擬分析

由表2 可以看出，隨著能源使用效率的持續提高，各宏觀經濟變量的均衡值呈逐漸上升趨勢，且投資的上升幅度最大，產出次之，就業最小。同時，能源使用效率對生態環境質量相關指標的影響存在一些差異，其中，隨著能源使用效率的提高，碳排放與能源消費均出現顯著上升，隨著能源使用效率的持續提升，兩者的上升幅度較為接近，然而，能源使用效率對環境質量存在一定的負面影響。不同能源使用效率對宏觀經濟與生態環境的影響也不同。一方面，能源使用效率的提升能夠促進宏觀經濟增長，企業產出、家庭消費以及就業等指標均有顯著提高，其原因在于提高能源使用效率有利于企業擴大生產規模，提升單位產出水平，進而增強企業盈利能力，拉動投資與就業增長；另一方面，能源使用效率提升在擴大企業生產規模的同時，也進一步導致碳排放規模的提高，且促進能源消費的上升，這將對生態環境造成壓力，導致環境質量可能出現下滑。

表2 能源使用效率對各經濟指標均衡值的影響

由表3 可知，政府治污支出轉化系數的提高能夠顯著改善環境質量。其原因在于轉化效率提升能夠改善環保技術，減少碳排放規模，進而促進生態環境質量的改善。同時，隨著碳排放指標的逐漸提高，環境質量出現顯著下降。其原因在于碳排放指標數量的增加在一定程度上拓寬了碳排放規模，將導致企業環保技術更新動力不足，降低企業節能減排的主觀能動性，最終不利于環境質量的改善。

表3 環境質量的均衡值

2. 動態模擬分析

（1） 不同沖擊源的脈沖響應分析

圖3 表示1%單位正向環保技術沖擊對各宏觀經濟變量的動態影響，可以發現，環保技術對經濟增長的影響先正向后負向，對能源消費和碳排放量具有負效應，但對環境質量具有顯著的改善作用。原因在于環保技術提升在長期內影響企業與居民的環保意識，企業與居民更傾向于使用替代能源與能源替代消費品，兩者均導致能源消費減少。同時環保技術提高使企業產出碳排放量降低，環境質量得到改善。

圖3 環保技術沖擊的脈沖響應分析

圖4 表示能源價格沖擊對各宏觀經濟變量的影響，發現該沖擊對產出、能源消費和碳排放的影響均是負向，而對環境質量的影響是正向。這說明能源價格上漲，導致生產成本提高，產出下降，碳排放量減少，環境質量提高；同時企業與居民傾向于使用替代能源與替代消費品，兩者均導致能源消費減少。

圖4 能源價格沖擊的脈沖響應分析

圖5 表示1%單位正向治污支出沖擊對各宏觀經濟變量的動態影響，可以發現該沖擊對于產出、碳排放量的影響短期內具有正效應，但長期來看影響為負；對于能源消費影響為負向，對環境質量影響為正向。這說明治污支出增加，產出先增加后減少，因此碳排放量也呈現同向波動，治污支出增加，代表政府對環保的重視程度增強，而企業與居民環保意識的增強，將減少能源消費，企業在短期內難以改變生產策略，生產規模在短期內仍保持較高水平，但長期內隨著政府治污強度的不斷提高，減排政策等使企業持續加大減排力度，縮減生產規模，環境質量得到顯著改善。

圖5 治污支出沖擊的脈沖響應分析

（2） 模型敏感性分析

考慮到模型的穩健性問題，分別將能源使用效率在0.361 的基礎上提高5%和10%，研究三種沖擊對經濟與環境系統的動態影響。由圖6 可知，隨著能源使用效率的提高，產出和能源消費對三種沖擊均具有敏感性，尤其是環保技術沖擊的效果最為明顯。具體來看，環保技術與治污支出沖擊在短期內對經濟增長的敏感性不顯著，但在中長期內具有顯著的敏感性。隨著能源使用效率的提高，環保技術和治污支出沖擊能夠減少能源消費量，這對改善環境是有益的。對于不同的能源使用效率水平，能源價格沖擊僅在短期內對經濟增長具有敏感性，且其對能源消費也僅具有較弱的敏感性。

圖6 敏感性分析

同時，環保技術和能源價格沖擊對環境質量具有顯著的敏感性，且能源使用效率越高，兩類沖擊對生態環境的正效應均越顯著。但治污支出沖擊對環境質量的敏感性較弱；環保技術和能源價格沖擊在短期內對碳排放具有一定的敏感性，且隨著能源使用效率的提高，兩類沖擊在短期內可以有效降低碳排放量。而治污支出沖擊在短期內的敏感性較弱，中長期內敏感性較強，且隨著能源使用效率的提高，其能夠有效降低碳排放量。

六、結論

文章通過構建三部門DSGE 模型，分析生產技術、環保技術、能源價格及政府治污支出等外生沖擊對經濟與環境系統的動態影響，以及面臨四種沖擊時不同能源使用效率對中國主要宏觀經濟變量的影響。研究發現：第一，生產技術創新能夠在短期內增加產出，同時也會引起能源消費和碳排放量的增加，對環境質量的負向影響持續性較強；第二，環保技術進步對產出有輕微負效應，但其能夠迅速抑制碳排放，長期內能減少能源消費并且改善環境質量；第三，能源價格上漲能夠降低能源消費，減少碳排放，改善環境質量，但在一定時期內對于產出存在負效應；第四，增加政府治污支出能夠在長期內減少能源消費，抑制碳排放并且改善環境質量，但對產出具有一定的負效應；第五，能源使用效率提高，首先能夠提升環保技術對于碳排放、能源消費的抑制作用和生態環境的改善效果，但也使得環保技術對產出的長期抑制效應增強；其次能夠放大能源價格對環境質量的正向作用，加深能源價格對碳排放和能源消費的抑制效應，同時也增強了能源價格對產出的短期抑制效應；最后能夠增強政府治污支出對能源消費和碳排放的長期抑制效應，同時也增強該因素對產出的抑制效應，然而其并未改變政府治污支出對于環境質量的正向影響效果。

文章的研究結論為探討環境質量與經濟增長的制衡關系提供了一定理論支撐。顯然，追求過高的能源使用效率，僅以實施生產技術、環保技術創新、能源價格沖擊、政府治污支出增加等相關政策，均無法同時實現經濟增長與環境質量改善的雙贏目標，長期內提高環境質量水平需貢獻一定的經濟數字增長，只有適當的能源使用效率才更易達到平衡兼顧的效果。