中國水資源利用效率與高質量發展時空耦合及驅動因素研究

劉建國,劉娜娜,劉 甜

(蘭州財經大學 經濟學院,蘭州 730020)

一、引言

作為自然生態的生命源泉和萬物賴以生存的環境因子,水資源不僅對人類生存發展起到不可替代的作用,而且成為社會經濟發展與生態環境穩定的重要保障。馬國軍等的研究表明,水資源的科學管理和可持續利用將促進人口、資源、環境和社會經濟的協調發展[1]。特別是隨著經濟社會的不斷發展、人口規模增大和結構變化、城鎮化水平的提高以及經濟社會發展需水量增大,水資源供需矛盾將日趨嚴重,生態環境將面臨更加嚴峻的考驗。管水的模式與政策選擇、用水效率波動、管水用水對流域經濟增長以及可持續發展的約束、經濟學意義上的供需矛盾及優化配置、居民生計問題和整體協調發展等一系列問題變得越來越突出。

從水資源與經濟發展的現狀來看,水資源人均少、地區分布不均衡的特征日益明顯,浪費與污染問題趨于嚴重,水環境與經濟增長的矛盾逐漸凸顯。宋冬凌和馬悅發現,水資源短缺與粗放式利用成為阻礙經濟高效發展的重要因素,因此,從綠色水資源利用效率入手,是緩解生態壓力,推動綠色發展的有效路徑[2]。陳磊等認為,為避免水資源成為經濟發展和人民生活改善的制約因素,提高水資源利用效率成為解決水資源危機最有效的方法,也是推進區域高質量發展的重要手段[3]。苗峻瑜的研究表明,由于黃河流域各省份水資源稟賦不同,工業用水利用效率與經濟發展的耦合度差距仍然十分明顯[4]。梁海燕認為,黃河流域甘肅段由于水資源比較匱乏,其依舊面臨生態系統脆弱與發展不平衡不充分的巨大挑戰[5]。

通過對既有文獻的梳理,筆者發現有效破解水資源利用效率與高質量發展的難題,厘清二者的發展特征與驅動因素尤顯必要。已有文獻為本文的研究奠定了深厚的基礎,本文在以下方面做進一步拓展:第一,將水資源利用效率與高質量發展納入一個綜合分析框架,結合五大新發展理念,進一步優化和構建高質量發展的綜合指標體系,研究兩者耦合協調的時空演進特征、空間關聯格局;第二,結合已有文獻,進一步梳理二者的驅動因素并通過構建模型實證檢驗,提出有關二者演化關系的政策建議,對實現我國水資源環境和社會經濟協調發展具有重要的指導意義。

二、文獻綜述與機制分析

關于自然資源管理利用與經濟增長(發展)之間關系的研究,一直是資源經濟學、發展經濟學和管理學等學科研究的重要問題。一般認為,豐裕的水資源是經濟發展的動力,它能夠促進GDP的增長和經濟的發展。然而,越來越多的研究認為,日趨嚴重的水資源供需矛盾以及較低水平的水資源利用效率已經成為地區經濟增長和社會發展的阻礙,就水資源利用效率與高質量發展之間的關系研究主要從以下幾個方面展開。

水資源管理利用效率與高質量發展之間的影響一直是學界關注和研究的重點,且主要從3個方面進行分析。其一,水資源利用效率測度。目前所用方法主要有數據包絡法(DEA)[6-7]、隨機前沿法[8]和水足跡法[9-10]3種,學者們主要運用以上3種方法對我國全域、典型經濟帶或者流域水資源利用效率進行測度和分析,并提出有效的改善措施。其二,水資源利用效率影響因素。目前,主要圍繞經濟增長、政府政策、自然稟賦、科技創新等關鍵因素對水資源利用效率的影響展開研究[11-12],其成果亦較為豐富,且逐漸從人類行為、自然過程和工程技術等視角拓展至社會與人文因素,特別是制度因素的影響[13-14]。其三,水資源利用效率區域典型分析。近年來,關于水資源利用效率的研究主要以黃河流域、長江流域和典型經濟區為研究區域,就水資源與經濟高質量發展之間的關系開展理論與計量實證分析[15-16]。從研究結論來看,更多的經驗證據表明,水資源利用效率與區域經濟增長及高質量發展之間存在較強的耦合關系,且存在多維異質性,例如產業異質性、空間異質性和城鄉異質性,等等?；谝陨衔墨I梳理,本研究旨在從我國省域尺度進一步開展水資源利用效率和高質量發展之間的耦合機制效應理論分析,進而開展實證檢驗,以廓清其內在關聯、主要影響效應和典型特征。水資源利用效率與高質量發展之間的影響機制可以從以下3個方面來解析。

(一)水資源利用效率支撐高質量發展

XU W J等發現,水資源作為經濟發展的基礎資源為經濟發展提供了動力和條件[17]。與此同時,杜俊平等認為經濟在快速發展中消耗著大量的水資源,造成水資源的減少,從而限制了自身的發展[18]。李強和張兵兵等學者的研究表明,水資源對經濟增長具有顯著的約束效應[19-20];謝書玲等認為,這種約束效應表現為經濟增長的速度會因水土資源的耗損而降低[21];而HOWE C W指出,提高水資源利用效率能夠有效緩解水資源短缺問題,對經濟增長具有增促作用[22]。

(二)高質量發展提高水資源利用效率

XU W J等的研究表明,經濟發展是提升用水效率的條件,它為水資源利用效率的改善提供財政和技術支持[17]。關于水資源利用效率與經濟發展關系的研究,BARBIER E B和馬駿等學者多應用環境庫茲涅茨曲線(EKC)假說來探討兩者之間的關系,他們認為水資源利用效率與高質量發展之間存在非線性變化趨勢[23-24]。部分研究也證實經濟發展是影響水資源利用效率提升的重要因素[25];鞏燦娟等的研究也表明,經濟狀況和技術水平會顯著地促進水資源利用效率的提升[26]。

(三)水資源利用效率與高質量發展的相互作用機理

值得注意的是,有研究發現水資源利用效率與經濟增長質量之間存在交互耦合與雙向互動的關系[17]。水資源利用與社會經濟發展存在天然聯系,水資源利用影響經濟活動的規模與布局,經濟增長影響水資源利用的結構與方式。一方面,水資源利用效率是水、勞動力、資本等生產要素配置的科學性與組合的有效性的集中體現,高效的水資源利用是節約資源的必然要求,也是經濟高質量發展的必然選擇。另一方面,以創新、協調、綠色、開放、共享為主要特征的高質量發展對水資源利用也提出了更高的要求,經濟效率提升、產業結構優化、生態環境改善等都將推動水資源利用效率的改善?？偟膩碚f,水資源利用效率的提高有助于高質量發展的實現,而高質量發展又能有效地促進水資源利用效率的優化,兩者在互惠互利中實現“雙贏”,并形成良性循環。水資源利用效率與經濟增長質量的耦合是水資源利用系統與社會經濟系統間耦合水平的直接體現,弄清兩者的耦合機理,辨明其耦合特征,將會有效推動系統間的有序和諧。

三、數據來源與研究方法

(一)數據來源

研究選取了2004—2019年我國30個省域(不含西藏和港澳臺地區)共16年的面板數據,用于開展計量實證分析。文中所用數據均來源于歷年《中國統計年鑒》《中國環境統計年鑒》《中國市場化指數》和各省(區)統計年鑒等;對極少部分數據缺失情況,本文采用插值法予以補全。

(二)研究方法

1.SE-SBM方法

選取非期望產出導向的SE-SBM模型對水資源利用效率進行測度,由于該模型既解決了徑向DEA模型不包含松弛變量的問題,又兼顧了有效決策單元的比較問題,因此,該模型是評價和比較水資源利用效率較為合適的模型之一。水資源在創造生產總值等合意產出的同時,也會創造污水等非期望產出。參照TONE K提出的非期望產出SE-SBM模型[27],模型設置為

(1)

2.客觀組合賦權法

高質量發展指標體系是綜合創新、協調、綠色、開放、共享五大發展理念的多方面多學科復合體系,為了減少單一賦權法本身的局限性和計算結果的差異,本文借鑒周玲玲等采用的變異系數法和熵權法相結合的客觀組合賦權法確定指標的權重[29]。

(1)變異系數法。根據系統內指標變化程度的大小確定權重,步驟如下,

(2)

(3)

(4)

(2)熵權法。為消除指標體系由量綱不同導致的估計誤差,首先對數據進行標準化:

(5)

(6)

其中,Xij為原始數據;max Xj、min Xj分別表示最大值、最小值;i表示時間,j表示各指標。

(7)

(8)

冗余度:dj=1-Ej;

(9)

(10)

(3)客觀組合賦權法。將計算所得的ω1j和ω2j重新進行組合,得到最終權重ωj。

組合權重:ωj=αω1j+(1-α)ω2j。

(11)

(4)綜合評價函數。高質量發展的值:

(12)

3.耦合協調度模型

運用耦合協調度模型全面展示水資源利用效率與高質量發展之間相互影響并趨于協同發展的特征,計算方法如下。

(13)

協調指數:T=αμ1+βμ2;

(14)

(15)

式(13)和式(14)中,μ1表示水資源利用效率,μ2表示高質量發展水平,α和β表示待定系數,α+β=1。本文認為水資源利用效率和高質量發展同等重要,因此,取α=β=0.5。具體耦合協調度劃分標準如表1所示。

表1 耦合協調度劃分標準

4.探索性空間數據分析

GETIS A和ORD J K的研究發現探索性空間數據分析(ESDA)可以通過對空間分布格局的描述,探究空間分異規律,解釋空間關聯現象[30],主要方法是空間相關性檢驗,包括運用全局指數探究水資源利用效率與高質量發展耦合協調的整體關聯狀態和采用局部指數與散點圖對各省域耦合協調做進一步分析,具體如下。

全局Moran’s I:

(16)

局部Moran’s I:

(17)

5.空間面板模型

本文構建空間面板模型以解釋影響水資源利用效率與高質量發展耦合協調度的空間驅動因素,且根據LR和LM檢驗結果,最終選擇空間杜賓模型作為分析所用基準模型。

ohxtit=φWohxtit+α1lnrgdpit+β1Wlnrgdpit+

α2govit+β2Wgovit+α3isit+β3Wisit+α4tfpit+

β4Wtfpit+α5mktit+β5Wmktit+α6urit+β6Wurit+

νi+δt+εit。

(18)

式(18)中,ohxtit表示第i省t年的水資源利用效率和高質量發展耦合協調度,αi和βi分別表示經濟發展水平、政府規模、產業結構、技術進步、市場化水平和城鎮化的直接效應和空間效應,W是空間權重矩陣(地理距離矩陣),νi是個體效應,δt是時間效應,εit是隨機擾動項。

(三)數據說明

1.指標體系構建

在借鑒已有研究結論的基礎上,將高質量發展體系建立在五大發展理念之上,且用15個二級指標來表示。同時,采用綜合評價法進行加權測算,得出各二級指標的權重,具體如表2所示。

表2 高質量發展指標體系權重

2.驅動因素

結合文獻梳理與機制分析,本研究認為水資源利用效率和高質量發展耦合協調度主要受經濟發展水平、政府規模、產業結構、技術進步、市場化水平和城鎮化6個因素的影響,以上6個變量的具體測度方式為以人均GDP表示經濟發展水平,以財政支出占GDP的比重表示政府規模,以第二產業產值占GDP的比重表示產業結構,以全要素生產率表示技術進步,其中,投入指標為資本存量和勞動力,產出指標為GDP;以樊綱市場化綜合指數表示市場化水平,以城市常住人口占總人口的比重表示城鎮化水平。

四、水資源利用效率與高質量發展耦合協調度的時空特征分析

(一)水資源利用效率與高質量發展水平分析

利用非期望產出SE-SBM模型和綜合評價指數分別測算水資源利用效率和高質量發展綜合水平,分別從時間和空間兩個維度考察其變化趨勢。從時間維度看(見圖1),我國水資源總體利用效率,多處于0.75～0.83之間,但整體呈下降態勢;除2006年、2007年、2009年和2018年出現短暫上升外,其余年份均呈顯著下降態勢,且年平均下降率為0.569%,但就經濟高質量發展水平而言則總體發展水平較低,多處于0.04～0.08之間,整體呈上升態勢;除2011年出現小幅下降外,其余年份均呈現穩步上升態勢,且年平均增長率為3.09%。由以上兩個維度的分析可知,從2004年到2019年,我國水資源利用效率與經濟高質量發展水平之間逐漸形成日益顯著的“剪刀差”,進而勢必會形成水資源對經濟高質量發展的嚴重約束和阻礙,故此應引起對水資源供需矛盾和發展瓶頸突出地區的高度重視。

圖1 水資源利用效率和高質量發展水平的時間演變趨勢

從空間維度來看(限于篇幅,在此不予呈現測算結果表格),我國省際水資源利用效率相對較高的省份主要分布在水資源豐裕度相對較高的南方地區,例如上海、福建、湖北、湖南和四川等地;水資源利用效率低的省份則多集中在水資源較為短缺的西北地區,例如青海、寧夏等地。以上分析表現出顯著的“匱乏的低水平惡性循環”特征,即水資源豐裕度低的地區本應努力實現其高利用效率,但現實卻恰恰相反。從發展的維度來看,高質量發展水平相對較高的省份主要分布在東部及沿海發達地區,例如北京、天津、上海、江蘇、浙江和廣東,高質量發展水平低的省份則多集中在經濟欠發達的地區,例如甘肅、青海、云南和貴州,這種以創新、協調、綠色、開放、共享5個維度指標測度的高質量發展水平,與以GDP為主測度的經濟增長水平,在空間上表現出高度的擬合一致性,即經濟增長水平較高的地區更有條件和機會實現高質量發展。

(二)耦合協調度分析

1.水資源利用效率與高質量發展耦合協調度的時序特征分析

利用耦合度模型和耦合協調度模型對2004—2019年我國省際水資源利用效率和高質量發展耦合協調度進行測算,其時序特征的具體結果如圖2所示。由圖2可知,我國整體水資源利用效率與高質量發展耦合協調度較低,均處于瀕臨失調狀態,但從耦合協調度隨時間的變化趨勢來看上升態勢明顯,從2004年的0.428上升至2019年的0.479,年平均增長率為0.698%。

圖2 水資源利用效率與高質量發展耦合協調度的時間演變趨勢

2.水資源利用效率與高質量發展耦合協調度的空間格局分析

根據水資源利用效率與高質量發展耦合協調度的測算結果可知,耦合協調度的空間格局自東向西呈梯級發展格局,沿海部分經濟發達地區處于勉強協調,中部多為瀕臨失調,西部經濟不發達地區多為輕度失調或中度失調,其中青海省一直處于中度失調,耦合協調性較差。同時,隨著時間的推移,輕度失調省份逐年減少,至2019年,僅有寧夏為輕度失調,全國水資源利用效率與高質量發展耦合協調度趨于協調化,東部初級協調區域也逐漸增多。

這一結果表明,從時間維度來看,水資源利用效率與高質量發展的耦合協調度的確得到了不斷改善,但從空間維度又表現出嚴重的非均衡狀態,其失調狀況與現實的東、中、西部地區經濟發展水平表現出較高契合度,即經濟發展水平越低,其耦合協調度越低或者失調水平越高。這就啟發我們,在“十四五”期間需要繼續推進地區間共同富裕目標下自然資源與高質量發展的均衡協調發展,特別是在黃河流域、長江流域、珠江三角洲和京津冀等主要流域和地區,努力實現局部和總體上的耦合協調發展。

3.水資源利用效率與高質量發展耦合協調度的空間關聯分析

(1)全局空間相關性分析。為從整體上判斷水資源利用效率與高質量發展耦合協調是否存在空間關聯性特征,計算了2004—2019年水資源利用效率與高質量發展耦合協調度的全局Moran’s I。無論是水資源利用效率的溢出效應,還是高質量發展的“標桿效應”,均以地理距離為依托,故采用地理距離權重進行計算。表3結果顯示,水資源利用效率和高質量發展耦合協調度的值均大于0.2,且在1%的顯著性水平下通過檢驗,水資源利用效率與高質量發展耦合協調度的空間相關性較為顯著,且關聯狀態穩定。

表3 水資源利用效率與高質量發展耦合協調度的全局 Moran’s I

(2)局部空間相關性分析。通過全局指數判定水資源利用效率與高質量發展耦合協調度具有正向的空間關聯性,為進一步探究這種相關性的關聯模式和特點,采用局部指數的散點圖和LISA圖對集聚特征進行研究。由局部莫蘭指數散點圖可知,在2004年、2009年、2014年、2019年4個時點上集聚分布多以“高-高”型和“低-低”型空間集聚特征存在,且以同質集聚為主,異質集聚為輔(由于篇幅所限,具體圖表不予展示)。

如表4所示,2004年、2009年、2014年、2019年4個時間點上“高-高”(HH)區省份雖有變化但多為東部省份,即水資源利用效率與高質量發展耦合協調等級高,周邊地區亦高;而“低-低”(LL)區一直以來都是西部省份居多,即水資源利用效率和高質量發展耦合協調等級低,周邊地區亦低;“低-高”(LH) 區和“高-低”(HL)區省份較為分散,這兩種屬負向影響關系,表示區域之間有差異性。

表4 耦合協調度的局部空間LISA分布

五、水資源利用效率與高質量發展耦合協調的驅動因素分析

(一)空間面板模型選擇

由空間相關性分析可知,我國省際水資源利用效率與高質量發展耦合協調度存在顯著的集聚特征,省域之間的耦合協調度受空間因素的影響,因而在對驅動因素分析時應當納入空間因素,以避免低估或高估其他因素的影響效果。在納入空間因素后,通過LM檢驗和LR檢驗來選擇空間面板模型,表5結果表明,固定效應空間杜賓模型通過了顯著性檢驗。

表5 模型設定檢驗

(二)空間計量結果分析

基于判別準則,本文分別對4種效應下的空間杜賓模型進行檢驗,選取其中最為合理的模型,表6為4種效應的檢驗結果。從表6中可以看出,增加空間因素后,各驅動變量的顯著性水平明顯增加,證明在模型設定中加入空間因素的合理性,且從模型的回歸效果、擬合優度和自然對數值可以看出,時空雙固定空間杜賓模型明顯優于其他3種固定效應模型,故本文著重對時空雙固定空間杜賓模型的實證結果進行解釋。

表6 空間杜賓模型估計結果

由表6可知,經濟發展水平系數為0.055,且在1%水平上顯著。經濟發展水平越高,水資源利用效率越高,同時技術效率越高,在水資源利用和高質量發展各個方面更具優勢,而這些優勢能為兩者耦合協調發展提供良好的基礎,提升耦合協調度。政府規模系數為0.001,且在1%的水平下顯著。政府的財政支出力度越大,越有利于基礎設施的建設,改善居住和營商環境,從而提升耦合協調度。產業結構系數為-0.001,且在10%的水平下顯著。產業結構越傾向于第二產業,對水資源的消耗量越高,工業廢水排放量也就越大,對水資源利用效率和高質量發展的耦合協調越不利,第二產業高耗能高污染的特征會顯著地影響水環境和社會環境,對耦合產生負向影響。技術進步系數為0.055,通過5%的顯著性水平檢驗。技術進步能夠提升水資源的利用效率,在實現降低資源損耗的同時,促進社會實現高質量發展,從而對兩者的協調產生積極影響。市場化水平系數為0.003,對水資源利用效率與高質量發展耦合協調度產生正向影響,但影響幅度較小。城鎮化系數為0.001,通過5%顯著性水平檢驗。城鎮化水平越高,水資源利用產生的損耗越少,利用效率越高,同時,城鎮化更有利于污水的統一處理,產生的污染更能得到管控。

本文進一步對時空雙固定空間杜賓模型進行效應分解,從而分析各驅動因素對水資源利用效率與高質量發展耦合協調度的直接、間接和總影響效應,分解結果如表7所示。

表7 時空雙固定模型空間效應分解結果

從表7可以看出,經濟發展水平的提高對水資源利用效率與高質量發展耦合協調度具有顯著的正向影響,在顯著提升本地耦合度的同時,對鄰近地區同樣具有正向的溢出效應,總體會推進耦合度的提升;政府規模的提升對協調度的影響也為正向,政府的財政支出規模增大,本地區和鄰近地區的耦合協調度均會增大,對耦合協調度的提升效果很顯著。產業結構對耦合協調度的影響為負,產業結構中第二產業占比越高,帶來的廢水越多,對水環境的污染越大,同時由于水資源污染具有流動性,所以第二產業占比提高不僅會對本地水資源利用效率與高質量發展產生負向影響,同時也會對鄰近地區的耦合協調度產生負向影響?？傮w來說,第二產業占比提高對耦合協調度的影響為負;技術進步對本地耦合協調度的影響是正向的,技術水平的提高會有效提高水資源利用效率與高質量發展耦合協調度,但與鄰近省域的耦合協調度呈負相關關系,技術進步的溢出效應不顯著,可能是由于各地區在技術層面缺乏合作,但整體耦合協調度為正,說明技術進步對全社會耦合協調度的影響是正向的;市場化水平對耦合協調度的影響為正,在對本地區耦合度產生正向影響的情況下,對鄰近地區的溢出效應也為正向,對整體耦合協調度的提升具有顯著的促進作用;城鎮化水平的提高對本省水資源利用效率與高質量發展耦合協調度的提高具有正向影響,對鄰近地區具有負向影響,整體對耦合協調度的提升有正向影響。

六、結論與討論

為廓清省域層面水資源利用效率與高質量發展兩個重要系統的影響效應與典型特征,本研究開展了相關文獻梳理和機制分析,并以此為基礎構建非期望產出SE-SBM模型和高質量發展綜合指標體系,進而利用2004—2019年我國30個省際(不含西藏和港澳臺)面板數據測算水資源利用效率和高質量發展兩個系統的綜合水平和耦合協調度,分析其空間相關性和空間影響因素。研究結果表明:(1)我國省際水資源利用效率指數水平較高,但呈現下降態勢,高質量發展綜合水平較低,呈現明顯的上升態勢;(2)我國省際水資源利用效率和高質量發展耦合度較低,多處于瀕臨失調的水平,具有顯著的地區分異規律,在空間上呈現出東高西低的分布格局;(3)我國省際水資源利用效率與高質量發展耦合協調度空間集聚特征明顯,集聚的分布格局基本穩定;(4)在驅動我國省際水資源利用效率與高質量發展耦合協調的因素中,經濟發展水平、政府規模、技術進步、市場化水平、城鎮化與耦合協調度呈正相關關系,產業結構與耦合協調度呈負相關關系。

基于本文主要研究結論,筆者提出以下3個方面的對策建議:(1)中央在制定方針政策時,應統籌考慮生態和經濟發展之間的耦合協調關系,牢固樹立“綠水青山就是金山銀山”的發展理念,全面落實環境保護政策,實現生態財富向經濟財富的轉化,在實現經濟發展的同時,保護好生態環境,以良好的生態環境促進經濟高效發展,以高質量的發展促進生態保護,實現經濟發展和生態保護的雙贏局面。(2)地方政府制定適應地方發展路徑的政策措施時,要因地制宜,對耦合協調度較高的省域應加快產業升級,提高水資源利用的技術效率,加大低耗能綠色環保產業的發展力度;對耦合協調度較低的省域,應更注重節水技術的研發,注重對廢水的循環利用,加強區域間的協同治理能力,在實現自身耦合協調度提升的同時,通過區域間的相互影響惠及鄰近省域,提升區域內整體耦合協調度。(3)提高經濟發展水平,改善人民生活,增加人均可支配收入的同時,注重其生活品質的提升,從社會觀念層面增強對水資源的合理利用;加大政府的管控力度,在水利基礎設施建設上增加政府財政投入,減少因設施老化造成的水資源浪費,通過技術改良提高水資源利用效率,在積極引進國外先進生產技術的基礎上,努力革新現有的技術水平,既從國外汲取營養,又強化自身的研發能力,努力發揮市場化的積極作用,實現水資源和經濟的協調發展。