粮食安全、收入约束与生物燃料替代：基于多国小组数据的实证研究_粮食安全论文

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      [DOI]10.14007/j.cnki.cjpl.2015.01.009

      [中图分类号]F416.2 [文献标识码]A [文章编号]1674-8298(2015)01-0092-11

      一 引言

      生物燃料泛指由生物质组成或萃取的固体、液体或气体燃料，具体形态主要是通过生物资源生产的燃料乙醇和生物柴油。作为碳锁定(Unruh，2000)[1]大背景下的一种对传统液体燃料体系改变较少的替代品(Costantini和Crespi，2013)[2]，生物燃料得到了快速发展。2010年，全球生物燃料产量达到1.10亿吨，较2000年翻了两番多(见图1)。

      替代原则是循环经济理论里很重要的一项清洁发展原则。理论上讲，生物燃料替代化石燃料，是可再生能源对不可再生能源的替代，也是清洁能源对不清洁能源的替代，因而既可以改善化石能源短缺国家的能源安全状况，也可改善环境状况。如果生物燃料的生产能大量利用废弃物，或者仅仅利用剩余农产品，则不会对粮食安全造成负面影响。

      鉴于生物燃料的发展潜力和环保效果，国际能源署制定了一个生物燃料发展目标，即到2050年用生物燃料满足超过全球交通燃料需求的1/4，以减少对化石燃料的依赖(IEA，2011)[3]。但是，由于国际社会担心生物燃料对粮食安全的负面影响，更重要的是由于美国出现的页岩油革命，众多发达国家纷纷调减生物燃料产量目标，生物燃料替代化石燃料的进程开始出现停滞。因此，生物燃料替代进程的影响因素不单是一个理论问题，更是一个需要通过实证加以检验的问题。基于上述考虑，本文拟采用面板tobit模型，对影响生物燃料替代进程的相关因素进行定量研究。

      

      图1 全球生物燃料产量变化(2000-2010年)

      二 文献综述

      生物燃料替代化石燃料的问题属于能源替代问题，一些学者对此已经做出了初步研究，主要涉及能源替代的发展路径、社会影响和福利分析等。相关研究通常从两个层面展开。其一是能源外部替代问题，即确定资本、劳动和原材料等各种投入要素对能源的替代弹性。例如：Berndt和Wood(1975)[4]、Hudson和Jorgenson(1974)[5]的研究表明，能源与劳动是替代关系；鲁成军和周端明(2008)[6]就资本、劳动力对能源的外部替代问题做了分析，并讨论了技术进步效应和产出效应对三者替代关系的影响，得出能源自价格弹性较小、两种效应的存在提高了劳动对能源的替代性以及资本和能源具有明显互补性的结论。其二是能源内部替代问题，即研究各类能源之间的替代关系。Renou-Maissant(1999)[7]以7个主要发达国家为研究对象，利用Translog模型，从交叉价格弹性的角度讨论了1960-1993年这些国家动力煤、电以及石油的内部替代问题，并指出石油是动力煤和电力的弱替代品、能源之间的替代关系具有很强的不确定性。史红亮等(2010)[8]针对中国钢铁行业分析了能源内部替代问题，结果表明，中国钢铁行业可通过用石油、天然气和电力替代煤炭来实现行业全要素生产率的提高。总体上，对生物质能替代化石能源的研究较少。赵新刚和刘平阔(2012)[9]选取1987-2009年中国工业部门能源需求的时间序列数据，利用修正的AES模型和MES模型，实证研究了中国工业部门中生物质能对化石能源的内部替代问题，发现生物质能的需求量会随其自价格弹性的降低而增加。Costantini和Crespi(2013)[2]利用OECD国家的生物燃料贸易数据，实证研究了环保政策对生物能源发展的影响，发现环保政策的冲突性可能短时期促进生物燃料的发展，但长期却可能通过影响生物燃料的研发而减缓生物燃料的发展。王群伟和杭叶(2014)[10]运用DEMATEL方法，定量地揭示了各因素之间的影响程度，得出了影响废弃食用油生物燃料化的原因因素、结果因素与关键因素。

      生物燃料替代化石燃料的过程是一个系统过程，往往受到能源、环境、粮食等多方面因素的影响。总体上，生物燃料替代化石燃料的主要决定因素为生物燃料的可再生性、清洁性和经济性。在生物燃料的可再生性方面，一个共识是，生物燃料再生性的前提是其生产的能量多于其生产过程所消耗的化石能量。Escobar等(2009)[11]认为，由于石油不可再生且石油储备在全球分布极不平衡，石油市场很容易受外部冲击或者人为操纵而产生石油危机，而生物燃料的可再生性使得其生产受外部冲击的影响较小，可以缓冲石油危机的影响。虽然粮食安全的基础影响要素——土地的稀缺性会约束生物燃料的可再生性，但Escobar等(2009)[11]的研究发现生物燃料目前只占用了全球耕地的1%，因而其发展潜力还很大，再生性在将来一段时间内还可以得到保障。生物燃料的再生性可以促进能源安全，Wianwiwat和Asafu-Adjaye(2013)[12]研究了生物燃料的发展对泰国能源安全的影响，发现生物燃料供应可以减少泰国对原油的依赖，而其对粮食市场的负面影响长期来看可控。在生物燃料的清洁性方面，生物燃料的低碳性质决定了其环保优势。程序(2009)[13]认为，就能源利用对大气环境造成的影响而言，生物燃料有两大基本特点：一是燃烧时获单位能量所产生的温室气体量，只有化石能源的1/8左右；二是从生物燃料的全生命过程分析，生物燃料是“碳中性”的。但Searchinger等(2008)[14]的研究则发现，由于种植生物燃料会导致直接和间接的土地用途改变，生物燃料生产不但不能减少碳排放，反而会增加50%左右的碳排放。综合考虑，生物燃料存在有条件的清洁性，环保压力大的国家有可能利用生物燃料生产来改善环境状况。在生物燃料的经济性方面，Hunt和Forster(2006)[15]的研究发现，地沟油生产的生物柴油和甘蔗生产的燃料乙醇相对于普通柴油和汽油有成本上的优势，而大豆和油菜籽产的生物柴油和玉米产的燃料乙醇成本也与普通柴油和汽油相近。一国的生物燃料原料种类很大程度上决定了生物燃料的成本状况，Escobar等(2009)[11]的研究发现，30美元-35美元/桶的原油价格是巴西燃料乙醇的盈亏平衡点，40美元-50美元/桶是美国燃料乙醇的盈亏平衡点，75美元-80美元/桶是欧洲生物柴油的盈亏平衡点①。

      相对于化石燃料，生物燃料拥有巨大优势，但由生物燃料使用而引发的对粮食增量需求，却可能危及粮食安全。其一，生物燃料生产如果利用粮食原料，则有可能导致“与人争粮”，从而引起粮食价格上涨，导致贫穷人群和贫穷国家的粮食安全受到威胁(Timilsina等，2012)[16]。其二，即使非粮原料的生物燃料没有导致“与人争粮”，也可能导致“与粮争地”，减少粮食耕种面积和产量，从而危及粮食供应(吴方卫等，2009)[17]。其三，生物燃料乙醇发展会导致农产品与石油两个市场的联系更为密切，使粮食价格紧随能源市场价格而波动，增加了粮食价格的波动性和不确定性(仇焕广等，2009[18]；Ciaian和Kancs，2011[19])。由于生物燃料替代化石燃料会影响到粮食安全，而粮食安全可能引发的社会稳定问题又会制约生物燃料替代进程。

      总体来看，国内外研究从理论上解释和实证上分析了影响生物燃料替代化石燃料的一些重要因素，但仍存在进一步深入研究的空间与需要。第一，尽管生物燃料替代化石燃料最根本的动力来自于其经济性，但这个替代过程涉及多方面的因素，因而并不能单从两种燃料价格上的差异来解释，而需要从价格背后所反映出的经济、社会、环境因素来解释。第二，尽管生物燃料在理论上存在一定优势，但其替代化石燃料的进程并不顺利，因而除理论和技术上对生物燃料的研究外，对影响生物燃料替代化石燃料因素的实证研究将有助于发现生物燃料进一步发展的阻碍，从而探索出燃料替代发展的新模式。第三，生物燃料替代化石燃料是一个全球性的过程，如果单从一个国家内部来考察，将无法挖掘诸如经济发展水平等因素的影响，其信度和效度都将受限。因此，本文试图弥补上述缺陷，基于跨国视角，利用2000-2010年跨国面板数据，采用面板tobit方法分析粮食、环境和能源因素对生物燃料替代进程的影响机制。

      三 研究方法

      (一)模型设定

      为了分析一国生物燃料替代化石燃料的影响因素，本文将生物燃料占交通燃料的比重作为因变量，其计算公式为

      rb=生物燃料消费量/生物燃料消费量+化石燃料消费量×100 (1)

      其中的化石燃料消费为一国的原油类消费量减去化工等其他用途消费量的值。rb取值范围为[0，100]，这个指标客观地度量了生物燃料替代化石燃料的程度，也是国际能源署等国际机构制定生物燃料发展目标时所依赖的指标。由于很多国家尚未使用生物燃料，因变量存在大量取值为0的情况，因此本文采取可以处理受限因变量问题的随机效应面板tobit模型。同时，为了控制全球性经济周期波动的影响(包括化石燃料价格的全球上涨)，采用年份虚拟变量。回归方程如式(2)所示，其中，下标i代表国家，t代表年份，c为常数项，

为年份虚拟变量，

为残差项。

      

      为使系数易于解释和减少异常观测值的过度影响，除了以百分比出现的变量之外，其他变量均取对数。因变量和主要解释变量由表1给出定义和描述性统计，其中能源市场数据来自于美国能源信息局(EIA)，人均耕地、碳排放、人均国民收入和人口变量来自于世界银行，农作物单产数据来自于联合国粮农组织(FAO)。

      

      由于发达国家和发展中国家对粮食安全和生物燃料的相关政策存在系统性差异，上述变量对两类国家的影响机制可能不一样。因此，本文除了对样本总体进行回归之外，还分别对发达国家和发展中国家进行回归，以验证结论的稳健性，并比较两类国家生物燃料替代影响机制的差异。两类国家的划分基于人均国民收入，在这段时期内平均人均国民收入高于1.02万美元的国家定义为发达国家。这个定义基本符合联合国开发计划署的标准。

      (二)解释变量说明

      现有研究发现，影响生物能源比重的因素主要来自于粮食市场、环境因素和能源市场。

      第一类影响因素为影响粮食安全的农业生产变量。由于目前的生物燃料原料还大多依赖耕地，很多学者担心推广生物燃料会影响到粮食安全。因此，一国生产生物燃料时也会考虑到本国的粮食安全状况。除耕地拥有量外，单产也是影响粮食产量和粮食安全的重要因素，因此本文用人均耕地和粮食单产的对数作为解释变量。除粮食外，其他非粮作物，如糖料和油料作物也会影响生物燃料的生产，因此本文同时选取糖料作物和油料作物的单产作为解释变量。由于耕地资源水平和单产都能增加生物燃料原料来源，我们预期农业生产变量值增长会提高生物燃料比重。

      第二类影响因素为环境因素。当一国碳排放量大时，国际舆论压力将促使该国提高低碳能源的使用，从而促进生物燃料的发展。这个效应对发达国家更明显，因为《京都议定书》对发达国家的碳减排指标具有强制性。因此，我们预期碳排放量减少的共识增强会提高生物燃料比重，但又受收入水平约束。由于《京都议定书》的碳减排指标是总量指标，本文选取的碳排放指标也为总量指标。

      第三类影响因素为能源市场因素。由于生物燃料可以替代化石燃料，因而使用生物燃料是提高能源安全水平的选择。原油自给率代表着一国能源安全程度，因此将其作为能源市场的代理变量。由于原油自给率高的国家寻找替代能源的动机较弱，我们预期原油自给率提升会降低生物燃料比重。

      另外，为提高估计结果的可靠性，我们进一步在方程中加入了人口规模、人均国民收入等控制变量。

      四 数据描述

      (一)描述性统计

      限于数据的可得性，本文所用数据主要为112个国家2000-2010年的非平衡面板数据。表1显示，在该期间，以国家为计量单位的生物燃料消费占交通燃料消费的均值约为0.41%。从全球的消费比重看，2000年到2010年间，生物燃料比重从0.46%增长到2.68%(图2)，翻了两番多。在原油价格处于高位的2007-2008年度，生物燃料比重甚至每年上升0.5个百分点左右。尽管生物燃料比重仍然不高，但其表现出来的增长潜力不容小觑。

      

      图2 全球生物燃料占交通燃料比重(2000-2010年)

      数据来源：根据美国能源信息局(EIA)相关数据计算而得。

      表2显示2010年生物燃料比重较高国家的基本情况。生物燃料比重前十名均为欧美国家，巴西的消费比重最高，达到了19.11%；而美国消费了最多的生物燃料，达到4463.04万吨。总体上，燃料乙醇的消费量远远高于生物柴油，其主要消费地区为美洲，其中美国和巴西消费的燃料乙醇约占全球产量的87.11%，燃料乙醇的主要生产原料为甘蔗和玉米。生物柴油的主要消费地区为欧洲，其消费量约占全球生物柴油总产量的44.21%，生物柴油的主要原料为油菜籽。表2说明，甘蔗、油菜籽和玉米等作物在生产生物燃料时具有竞争优势；受生产原料的制约，生物燃料的生产和消费具有很强的地域性。

      样本国家的原油自给率介于0到12957.84%之间，均值为147.93%，标准差为798.01%。相较于原油自给率的平均值，其标准差较大，反映出原油市场的极端不均衡，少数的富油国供应着世界上绝大部分的原油，从而导致原油价格极易波动。

      (二)生物燃料消费国与非消费国的差异

      为进一步发现国别差异，我们以是否消费生物燃料为标准，将样本国家分为两类：非消费国和消费国。相关描述性统计见表3。表3显示：大多数国家不消费生物燃料，消费国数量不到非消费国数量的一半；消费国比较富有(人均国民收入是非消费国的3倍多)，且规模较大(人口为非消费国的5倍多)；消费国的耕地资源较丰富，农作物单产均高于非消费国，说明消费国的粮食安全状况优于非消费国；消费国的原油自给率较低(不到非消费国的1/5)，能源安全状况较差；在环境因素方面，消费国的碳排放较高。这些差距均在1%水平上显著。上述差异是否成为一国选择消费生物燃料的原因？具体什么原因更重要？这需要通过下一节的回归分析来检验。

      

      

      五 实证结果

      根据Angrist和Pischke(2009)[20]的观点，回归模型中控制变量可以概括为三类：(1)因兴趣变量而引致的变量，控制这些变量会导致兴趣变量效应估计的偏误；(2)与兴趣变量基本无关的变量；(3)同时影响兴趣变量和因变量的因素，即若未能有效控制会使兴趣变量出现严重的估计偏误。国民收入变量由于会受到碳排放的影响而属于第一类变量，在不加入这类变量时，对碳排放的系数估计则为碳排放对因变量的总体影响。而加入这类变量时，对碳排放的估计则是在剥离这些中间变量影响后的净效应。为分析碳排放对生物燃料替代的总体效应，同时探讨碳排放的作用机制，本文分别做两类回归，表4前三列给出了总体效应模型的回归结果，后三列给出了作用机制回归结果。

      

      本文根据实证设定对数据进行了随机效应面板tobit回归，样本总体的计量结果如表4所示。各系数的符号符合预期，表示面板回归设定的合理性和回归参数均显著。

      (一)总体效应

      表4前三列的估计方程没有控制国民收入中间变量，因此给出的是农业生产和碳排放总体效应的回归结果。结果表明：在所有模型中，耕地资源显著影响生物燃料消费比重。总体上(模型1)，人均耕地增加1倍，生物燃料消费比重将增加0.8个百分点，这个效应通过了1%的统计检验。农作物单产影响生物燃料消费比重的作用存在差别。谷物单产对生物燃料替代的影响不显著，但糖料作物单产和油料作物单产则总体上能显著影响生物燃料替代，这个机制也适用于发展中国家，对发达国家则没有显著影响。

      耕地和农作物单产对生物燃料替代的正面影响，说明粮食安全程度较高的国家可能会消费更多的生物燃料。良好的粮食安全状况对生物燃料替代有促进作用，各国在考虑生物燃料替代时已经考虑到本国的粮食安全状况。但从另一个角度看，耕地资源对生物燃料消费影响很大，说明生物燃料还严重依赖耕地。如果生物燃料过度发展，则有可能导致“与粮争地”，从而对粮食安全造成威胁。进一步地，谷物单产系数的不显著说明各国在发展生物燃料时，谷物的作用并不明显，生物燃料“与人争粮”的效应并不显著。糖料作物和油料作物系数的显著则进一步说明生物燃料作物的发展有可能导致粮食作物用地转用作生物燃料作物用地，间接导致“与粮争地”的局面(吴方卫等，2009)[17]。最后，如果各国仅仅基于本国的粮食安全状况去制定生物燃料替代目标，则有可能导致世界粮食市场的供应危机。

      碳排放增加总体上会显著提高生物燃料消费比重，说明环保压力总体上能显著影响生物燃料替代。总体上(模型1)，碳排放增加1倍，生物燃料消费比重将增加0.59个百分点，这个效应通过了1%的统计检验。

      原油自给率cs的系数不显著，总体上说明，样本中国家在考虑生物燃料消费时能源安全状况不是主要因素。但是对于发达国家(模型2)，石油自给率的影响显著为负，说明石油自给率低的发达国家会消费更多的生物燃料，即发达国家注重考虑能源安全。

      (二)中介效应分析——碳排放影响的收入约束

      表4后三列是在加入国民收入变量后的估计结果，因此能发现国民收入变量对其它变量的中介作用。除了碳排放变量外，大多数变量的系数在加入国民收入变量后没有表现出显著差异。模型1和模型4结果的比较表明，碳排放增加会提高生物燃料消费比重，但人均国民收入是重要的中介变量。因为不控制人均国民收入时(模型1)，碳排放增加会提高生物燃料消费比重，但控制人均国民收入后(模型4)，碳排放增加已经不能显著提高生物燃料消费比重，反而会显著降低生物燃料消费。按照Angrist和Pischke(2009)[20]的逻辑，上述结果说明人均国民收入是碳排放影响生物燃料消费的完全中介变量，即当两国面临同样的碳减排压力时，只有国民收入高的国家才能通过提高生物燃料消费比重来降低碳排放。

      碳排放的影响以人均国民收入为中介，说明一国的经济发展水平对生物燃料消费的影响很关键。如果一国人均国民收入水平低，即使该国的碳排放量很大，也不会大力发展生物燃料。因此，国民收入成为生物燃料替代的约束条件。

      (三)传导机制

      如果碳排放影响生物燃料替代的中介效应存在，则需要碳排放对中介变量存在显著影响。表5使用固定效应模型对碳排放影响国民收入的作用进行了回归。从中可看出，碳排放确实显著提高了国民收入。这种效应对发展中国家尤其显著，反映出发展中国家的经济发展以工业化为特征，需要通过增加碳排放来实现。

      

      六 结论与启示

      粮食安全和碳排放会影响生物燃料替代，而收入水平会约束碳排放的影响。本文利用2000-2010年期间的跨国面板数据分析发现：粮食安全程度高的国家的生物燃料替代程度较高；而生物燃料的过度发展有可能导致“与粮争地”和国际粮食市场价格上涨，从而危及粮食安全；碳排放强度的增加能促进生物燃料替代水平的提高，但前提是该国具有较高的国民收入水平；能源安全考虑仅仅在发达国家内能影响生物燃料替代。由如上结论，下面进一步讨论政策启示：

      第一，根据本国的粮食安全状况制定合理的生物燃料发展目标。本文的结论说明，各国在发展生物燃料时，充分利用了原料生产方面的比较优势，已经意识到了粮食安全状况对生物燃料发展的支撑作用。同时，不论生物燃料生产使用粮食原料，还是使用非粮原料，都会产生对耕地的依赖，从而导致“与粮争地”的局面，间接危及粮食安全。即使如吴方卫等(2009)[17]所建议的那样大力发展非粮原料，也难以避免。这个效应需要粮食安全状况偏紧的国家(如中国)加以重视。

      第二，不同发展水平国家在制定生物燃料发展目标时应该有所区别。在面对同样的碳排放压力的情况下，发达国家由于其国民偏好和技术水平的影响，可以制定较高的生物燃料发展目标。而发展中国家的首要任务仍然是发展经济，如果没有原料资源方面的巨大优势(如巴西在甘蔗资源上的优势)，生物燃料发展目标不宜过于激进。

      第三，改变现有发展模式，促进先进生物燃料(如藻类原料生物燃料)的发展。考虑到生物燃料消费的影响因素和作用途径，利用现有传统生物燃料模式实现国际能源署2050年的生物燃料发展目标存在极大困难。其一，现有模式对耕地要求较高，而耕地资源的稀缺性会制约生物燃料的可再生性，从而制约生物燃料的发展。其二，发达国家是发展生物能源的生力军，但其来自于能源安全考虑的动力会因为其他替代能源(如页岩油)的发展而减弱。其三，碳排放的作用受制于人均国民收入的中介作用，大多数发展中国家即使面对碳减排压力，也不会积极发展生物燃料。因此，为提高生物燃料消费比重，必须改变现有模式，让先进生物燃料成为一个富有潜力的选择。

      ①盈亏平衡点指当商品价格高于一定水平后，该商品的生产将从亏损转为盈利。由于原油是生物燃料最重要的参照物，其价格水平经常被作为生物燃料计算盈亏平衡点的参照价格。

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