基于随机前沿的区域工业全要素水资源效率研究，本文主要内容关键词为：水资源论文,要素论文,效率论文,区域论文,工业论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 引言
水是人类生活和社会经济发展不可或缺的资源，我国是一个淡水资源匮乏的国家，人均水资源量仅为世界均值的1/4，水资源时空分布不均衡，随着改革开放后30多年的经济高速发展，水资源短缺、水污染严重、水生态环境恶化等问题日益突出，已成为制约经济社会可持续发展的主要瓶颈。面对严峻的形势，必须全面提高用水效率，加快节水型社会建设，促进水资源可持续利用和经济发展方式转变，使经济社会发展与水资源承载力相协调。
工业用水是指工矿企业在生产过程中用于制造、加工、冷却、空调、净化、洗涤等方面的用水。在我国水资源消耗结构中，工业用水量仅次于农业用水，高于生活用水和生态用水。2003年工业用水量占全部用水消耗量的22.1%，2010年增长为24%。2010年工业废水排放量237.5亿t，比上年增加1.3%，占废水排放总量的38.5%。工业在国民经济中的主体地位决定了工业用水及废水治理的问题较为严峻。2010年我国第二产业占国内生产总值的46.8%，制造业固定资产净值占工业行业的47.37%，工业发展较为粗放，初级产品制造尤其是冶金、皮革、重化工、造纸等行业消耗了大量水资源且污染了环境。与美国相比较，2011年美国第二产业仅占国内生产总值的19.2%，制造业固定资产净值占工业行业的12.2%，且以高科技产品研发和高端产品制造为主，水的消耗很少。2012年1月，《关于实行最严格水资源管理制度的意见》①确定了工业用水降耗目标：2015年万元工业增加值用水量比2010年下降30%以上；2020年、2030年万元工业增加值用水量分别降低到65
、40m以下。为此，深入研究工业水资源使用效率及影响因素，对于制定改善水资源效率的政策措施有重要借鉴意义。
从研究文献来看，侧重于考察区域水资源综合使用效率，研究方法以DEA为主。马春有等研究了河北衡水市各县域水资源效率[1]；廖虎昌等研究了西部12省2007年和2008年水资源利用效率[2]；吉亚辉等评价了兰州市水资源效率，发现2000-2008年中5个年度DEA有效[3]；李至敏等测度了31省市2010年水资源效率[4]；钱文婧等发现东部省份水效率最高、中部次之、西部最低[5]；而Jin-Li Hu指出西部效率最高、东部次之、中部最差[6]；孙爱军等采用随机前沿法测度了省际水资源利用效率，其不足是以社会固定资产投资额替代资本存量，研究结果存在系统误差，也没有定量分析影响效率诸因素[7]。针对工业领域水资源效率问题，陈东景研究了单要素水资源消耗强度，发现水资源消耗强度总体呈下降趋势[8]。水作为一种投入要素不能单独生产出产品，而必须与劳动力、资本等要素结合起来才能创造经济成果，单要素效率指标衡量水资源投入与经济产出之间的比例关系，没有揭示各种生产要素之间的相互关系。张庆芝等采用DEA方法研究钢铁企业上市公司，揭示了企业层面的水效率差异[9]。为了弥补文献研究的不足，本文对31省市工业全要素水资源效率进行时间序列研究，试图回答三个问题：水资源效率的变化趋势如何？在不减少产出水平的前提下有多少节水空间可挖掘？哪些因素对水资源效率有显著影响？
2 研究模型
2.1 研究方法
测度技术效率常用非参数型的数据包络分析(DEA)或参数型的随机前沿分析(SFA)方法。代表性的SFA由Farrell提出，可以测度个体的技术效率，也可分析相关因素对个体效率差异的作用，SFA模型生产函数前沿面是随机的，其测度结果更接近于实际[10]。该模型可以表示为：
Y=f(X)exp(v-u) (1)
式中v为影响生产活动的随机因素，具有0均值和不变方差；f(X)exp(v)为随机前沿生产函数；u为生产效率或管理效率，一般假设独立于同分布的半正态随机变量或指数随机变量，且独立于v。以
表示技术无效率，则有：
技术效率是指实际产出期望与生产前沿面产出期望的比值，当技术效率TE=1时，表示生产单元处于生产前沿面上，此时为技术有效；当技术效率TE＜1时，表示生产单元处于生产前沿面下方，存在技术非效率。为了判断上述模型的合理性，计算随机误差中技术非效率的比重，设定方差参数
，γ处于[0，1]之间。如γ接近于1，表明随机前沿生产函数的误差主要来源于随机变量
，采用SFA对生产函数的估计是合适的；如果γ =0，表明实际产出与最大产出之间的距离来自于不可控的纯随机因素的影响。
2.2 指标选择
建立随机前沿生产函数首先要确定投入与产出指标。经典的柯布—道格拉斯生产函数中投入变量是劳动力和资本，产出指标采用国内生产总值。Jin-Li Hu研究中投入指标是劳动力、资本存量、生活用水量、生产用水量，产出指标采用GDP[6]。为便于与文献结论比较，本文使用多数文献普遍接受的指标，但对产出指标做必要的修正。
投入指标：本文选择劳动力、物质资本和水资源3项指标。劳动力是指工业企业的全部劳动者；资本是指企业使用期超过1年的房屋、建筑物、机器、机械、运输工具及其他与生产经营有关的设备、器具、工具等固定资产，不包括流动资产。该指标通过会计报表中固定资产净值的期初和期末数据算术平均得到；水资源指标采用工业用水量，按新水取用量计算，不包括企业内部的重复利用水量。
产出指标采用主营业务收入而不采用增加值。主营业务收入是企业从事主要生产经营活动所取得的营业收入，工业企业的主营业务收入为产品和服务的销售收入。没有采用工业增加值：①因为计算工业增加值要扣除各种成本，受原料价格、人工成本、销售费用等影响，在资源投入一定的条件下，产品增加时工业增加值未必同比例增加，甚至下降，增加值不能准确反应实际产出量；②生产理论中的增加值是由资本和劳动带来的，将水资源作为一种投入后，产出指标不适合采用增加值。
2.3 模型构建
在以上变量基础上，建立基于对数型C-D生产函数的随机前沿模型：
需要说明的是，在现有统计数据中，固定资产和就业人员是按照企业规模和所有制分别统计的，为了保持收入、固定资产和就业人员数据一致性，本文采用规模以上工业企业相关数据。规模以上企业界定标准为：2006年之前，全部国有工业企业与年主营业务收入在500万元以上的非国有企业，2007-2010年为年主营业务收入在500万元以上的工业企业。由于工业用水量中包含了小企业的用水量，测度结果会存在一定的误差。
水资源效率受供需关系、工艺装备水平、科技进步程度、产业结构等影响。钱文婧指出农业比重和工业比重均对水资源利用效率负影响[5]。从国内生产总值指数和用水量变化来看，第一产业2010年比2003年生产总值指数(以1978年为100)增长率为39.3%，农业用水量从64.5%降低到61%。工业生产总值指数2010年比2003年增长率为116%，工业用水量从22.1%上升到24%，工业生产总值增幅显著而用水量增幅很小。市场经济发达地区资源价格市场化程度高，企业为了降低生产成本有节约用水的动力。企业生产设备和工艺的现代化程度越高，对各种资源的利用越充分，提高科技进步程度将促进效率提高。基于上述分析，我们假设经济发达程度、科技水平和产业结构对水资源效率具有显著影响。同时，假设人均用水量越多的地区浪费越多，节水意识越淡薄，对工业用水效率产生不利影响。
本文以国内生产总值表示区域经济发达程度，以科技经费数量(包括R&D经费和财政科技拨款)表示科技水平，以工业产值占GDP比重表示产业结构，分别测度GDP、科技投入、产业结构和人均用水量对效率的影响。
在以上影响因素基础上，建立如下技术无效率函数：
3 数据来源
本研究对象是31个省(直辖市、自治区)的工业企业，不含港澳台地区。2002年以前年度数据不完整，因此，本研究期间截取2003-2010年。本研究所使用的原始数据中，主营业务收入和固定资产、劳动力、工业占GDP的比重等数据来自《国研网》，水消耗量来自于《国泰安》数据库。科技经费数据来自《中国科技统计数据》。根据随机前沿分析的要求，作者对上述数据进行必要的整理和对数化处理。
4 结果分析
根据2003-2010年间我国工业经济和水资源等投入产出数据，运用Frontier4.1软件测度了31个省份工业水资源效率值(见表1)，并估计了多个因素对水资源效率的影响，具体分析如下。
4.1 水资源效率的区域差异
从31个省份水资源效率变化趋势来看，2003-2010年总体呈逐步增长趋势，2003年全国水效率均值为0.51，2010年上升到0.784，增长幅度超过53%，但省际间的增长速度差别较大，西藏从2003年的0.189增长到2010年的0.243，增量幅度为28.6%，陕西、湖南和辽宁等同期增幅接近100%。上述结论与文献存在较大差异，钱文婧认为2001年后水资源利用效率缓慢爬升，2008年出现了明显的下降[5]；马海良等认为2007年效率下降[11]。本文发现2008年仅有北京、天津、浙江、江西、广西、云南和陕西出现了小幅下挫，其他省份均保持了持续上升态势。
比较发现各省份水效率差异很大。以2010年为例，14个省份的效率超过0.9，最高值为江西省0.974，效率最低的西藏仅为0.243，意味着在现有水资源投入条件下，14个省市的工业企业产出水平接近了生产前沿面。贵州、云南、甘肃、青海、宁夏和新疆等具有40%～60%的效率提高空间。
为了对各省份水资源效率和增长态势进行合理分类，使用PASW(即SPSS18.0)软件对表1数据进行分层聚类分析(hierarchical cluster)。采用组间联结法和欧式平方距离(euclidean)度量类与类之间的相似程度。根据聚类分析结果将31个省份大致划分为A、B、C、D等4类效率水平。从图1中的分布来看，从东部向西部呈现为明显的效率值下降趋势，与Jin-Li Hu的观点差别很大，他们认为西部效率最高、东部次之、中部最差[6]。
A类：北京、天津、上海、江苏、浙江、福建、山东和广东8省市。在研究期间效率值始终处于较高水平，2003年效率值约为0.74，2010年效率为0.96，接近了生产函数的前沿面水平，平均增幅29.4%。这些省份位于沿海经济发达区域，对外开放时间长，引进了大量的外资，工业装备现代化程度和管理精细化水平普遍高于内地，对各类物质资源的利用较为充分。沿海地区要素市场价格体系相对成熟，北京、天津水价在全国名列第一、第三，为了节约成本及提高产品竞争力，企业有动力控制水资源消耗。同时，北京、天津、上海和江苏属于严重缺水省市，2003-2010年间人均水资源量小于人均使用量，水源不足是促使工业企业用水效率提高的外部条件。
B类：河北、辽宁、吉林、安徽、江西、河南、湖南、广西、海南、重庆和四川11个省份。这类省份初始效率不高但增长快，2003年平均效率为0.51，2010年为0.89。研究期间，全国第二产业比重从2003年的58.5%持续下降到51.8%，11省市工业化呈现为逆势上升态势，期初各省市第二产业占GDP比重低于全国均值，期末辽宁、吉林、安徽、江西、河南、重庆超过了全国均值，其他5省市第二产业比重也不同程度增长。新增工业项目现代化水平较高，拉高了区域平均用水效率。同时，这些省市人均水资源量高于使用量，供大于求的水资源市场环境不利于培养节水意识，必须从用水观念、节水技术、节水制度、用水价格等多个方面制定针对性的措施，才有利于更快的提高用水效率。
C类：山西、内蒙古、黑龙江、湖北、贵州、云南、陕西、甘肃、宁夏和新疆10个省份。水资源效率始终不高，2003年效率均值为0.38，处于无效率状态，2010年增加幅度为62.2%，仍然存在38%增长空间。主要原因是现代工业较为落后，除陕、蒙、晋外，其他7省第二产业比重低于全国平均水平，黑、贵、宁的工业比重持续下降，高耗水型的传统制造业比重较高，节水型的高端制造业不发达，陕、蒙新增工业项目集中于煤炭、重化工等高耗水领域，工业装备和技术落后是C类地区水资源利用形式严峻的主要原因。
D类：西藏和青海2省区。这两个省是水资源最为富集的地区，分别是长江、黄河、雅鲁藏布江的发源地，2010年西藏和青海人均资源量分别为153681和13225，用水量仅为1177和549。水资源使用的市场化程度低且价格低廉，2007年拉萨自来水价格为每立方0.6元，西宁为1.82元，北京为3.7元，价格机制对企业用水行为约束不足，加上当地工业基础薄弱，致使水利用效率深度低下。
图1 中国工业全要素水资源效率分布示意
4.2 水资源效率改善的影响因素
从随机前沿模型中投入变量的弹性系数来看，固定资产、劳动力和水资源3个投入要素的弹性系数分别为0.931、0.202和-0.026(表2)，合计1.107，这说明把水资源作为投入要素时，产出表现为规模报酬递增趋势。固定资产投入对工业产出的拉动作用最高，在其他要素投入不变的条件下，固定资产每增加1个百分点，产出增加0.931%。劳动力每增加1个百分点，产出增加0.2%。
生产函数中投入要素的弹性系数通常是正值，本研究中水资源弹性系数为负值不合常理，但估计结果通过了显著性水平5%的检验。分析造成这个现象的原因可能有2个：①工业领域水资源投入过度，企业产出没有随水的继续投入而增加；②水资源与其他投入要素配置不合理。这个推断得到了下面信息的支持，随机前沿模型估计的γ值为0.941，生产函数的误差中94.1%来源于技术非效率，意味着水资源效率损失主要来自于管理不善，必须优化水资源与其他生产要素的配置关系，大力提升水资源管理水平。
本研究重点考察了经济发达程度、产业结构、科技水平和人均水使用量对效率的影响，从表2系数向量估计结果来看，区域国内生产总值、工业占GDP比重、科技经费投入对水使用效率有不同程度的正向影响，而人均用水量对使用效率负影响。
(1)区域经济发达程度对水资源效率有显著的正向影响，一个省份的GDP每增加1个百分点，水资源效率提高0.004%，通过了显著性为1%的检验。该结论与刘庆生关于浙江省水资源利用效率的研究结果相似[12]。经济发达地区工业化程度高，工业装备现代化水平较中西部地区先进，企业具有节约水资源的物质基础。另一方面，东部地区生产要素价格市场化程度高，激烈的竞争促使企业从粗放式管理转变为精细化管理，节约包括水在内的各种资源以降低生产运营成本。经济欠发达地区工业基础薄弱、管理水平和节约意识相对滞后，需要一个长时间的改善过程，应学习发达地区标杆企业，引进先进的管理经验，优化各种资源的配置关系，提升水资源的使用效率。
(2)产业结构对工业水资源效率存在正向影响，但显著性水平不高。工业产值占GDP的比重每增加1个百分点，水使用效率提高0.53%，通过了显著性水平为20%的检验。该结论与钱文婧提高农业、工业比重均会使水效率下降的观点不同。相对农业用水的粗放方式，政府可以对工业用水实行定额限制，工业用水比农业用水的可控制性更强，随着工业现代化程度提升，相同产出条件下水的消耗将会减少。我国产业结构中农业比重逐步下降，服务业比重逐渐提高，第二产业比重基本稳定，难以通过继续提高工业比重达到节水目的。应将节水重点转移到行业内部结构优化，适度压缩高耗水的初级产品制造业，重点发展高科技产业和高端制造业，既增加了产品附加值和竞争力，也符合建设“两型社会”的要求。
(3)增加科技投入对改善水资源效率具有正向影响，科技投入每增加1个百分点，水资源效率提升0.127%。科技投入最高者是广东、江苏和北京3个省市，2010年科技经费投入超过千亿元；排在其后的是山东、上海、浙江3省市，投入超过615亿元。每年产生大量的科技成果，工业装备现代化程度高，科技水平推动了资源的高利用率。同时，这些省份位于经济发达的沿海地区，对外开放程度最高，引进了大量技术先进的外资工业项目，也是生产要素价格市场化程度最高的地区，节能降耗水平处于国内领先地位。
(4)人均用水量对效率有显著负影响，人均用水量每增加1个百分点，效率下降0.009%。人均用水量最高的省份是新疆、宁夏和西藏3个民族地区，2010年人均用水量超过1000，用水量过高的主要原因是节水意识淡薄及水资源浪费，反应在工业领域的结果是在产出不变的前提下多用了大量的水资源。宁夏自治区严重缺水，2010年人均水资源量为148，而人均使用量高达1150，其用水价格约为北京市水价的46%，畸形偏低的水价不利于培养节水意识，不能有效约束企业的浪费行为。从用水量与经济产出比较来看，2010年新疆耗水11.2亿，工业销售收入为5492亿元；北京耗水量为5.06亿，工业销售收入是14807亿元，单位工业收入耗水量相差6倍。
5 结论与建议
本文运用随机前沿法研究了2003-2010年中国工业全要素水资源使用效率，测算出了各省份水资源效率值，发现总体呈逐步增长趋势，效率分布呈现从东部向西部逐渐下降的格局，东部沿海发达地区效率最高，中部效率次之，西部水源丰富且经济落后地区效率最低。根据分层聚类分析结果，将31个省份划分为4种效率类型。研究发现区域经济发达程度、工业在国民经济中的比重、科技经费投入对水资源使用效率有正向作用，人均用水量对效率具有负影响。结合上述研究成果，提出如下政策建议：
(1)建立与区域水资源挂钩的工业项目进入和退出机制
区域产业规划和工业布局必须考虑当地水资源承载能力，新增工业项目重点支持高端制造业和高新技术项目，水源短缺地区禁止建设高耗水工业项目。地方政府招商引资过程中严格审查项目的用水需求，防止发达国家将高耗水项目转移。政府尽快制定淘汰落后的、耗水量高的工艺设备和产品目录，“关停并转”一批粗放经营的高耗水企业。
(2)以价格差异化的市场机制引导企业节约用水
水资源分配主要有集中分配机制和市场分配机制，在信息不对称的前提下集中分配机制是无效的[13,14]，市场化机制能够反映用水者独立的选择行为，克服了调度者代替用水者做决策的弊端。政府应根据产业政策导向、工业结构调整方向、区域发展规划等因素，建立差异化并且灵活调节的价格机制，促使企业节约用水或寻找替代资源。可以根据区域水资源效率制定水价，提高效率低下地区的用水价格，增加工业企业用水成本，倒逼企业改造高耗水生产工艺，推广使用节水设施，提高管理的精细化水平。
(3)增加节水技术设备研发和管理信息化投入
面对严峻的水资源缺乏与浪费并存的现状，要从提高节水技术水平和强化管理2个方面入手：①增加必要的科技投入，针对我国工业装备的现状开发应用性强的节水技术和设备，对现有生产工艺进行节水改造，提高新投产工艺装备的节水技术水平；②水资源监察部门指导企业建立严格的用水管理制度，实施管理信息化平台，对流域水资源分配和使用情况、企业用水情况实时监测。
①国务院.《关于实行最严格水资源管理制度的意见》，国发[2012]3号，2012年1月12日.