我国水使用存在环境库兹涅茨曲线分析

肖文彬　曾君荣　邵尤弘　王健

摘 要 基于2003-2014年我国31个省的数据，在环境库兹涅茨曲线（EKC）框架下，本文分析了城市化、工業化、经济增长和人均水使用的关系，与现有文献不一样，用平滑转换回归（PSTR）模型进行了检验和估计。经验研究得到了一些有意义的结果，他们之间的关系是非线性的，表现出倒U形关系，随着城市化的推进，水使用城市化弹性先降低，后增加，工业化增加了水使用，但不显著，经济发展先增加了水使用，后由于效率的提高会降低人均水使用，说明我国存在EKC。除此之外，水使用表现出巨大的差异性，表明水使用取决于不同时期不同省份的城市化情况。

关键词 环境库茨涅茨曲线 人均水使用 面板平滑转换回归 非线性

0引言

（1）水资源状况的审视与预测。

根据WHO/UNICEF2000年的报告，全世界当前超过40个国家20亿人口面临缺水问题，UNDP2006估计11亿人口不能得到安全的饮用水，26亿人不能获得基本的生活用水，到2015年仍有近10亿人口不能获得这样的机会。在城市中，不能饮用安全水的人口比例还在增加，80%的废水仍不能得到收集与处理。到本世纪中叶，世界食品需求将增加70%，这将导致农业用水需求至少增加19%，农业用水已占到淡水用量的70%。水是人类的必需品也是生态系统的必需品，是地球上最珍贵的资源之一，获取、使用和管理好水资源非常重要，不仅能增加人类福利，也有利于环境保护和经济发展。地球总水量虽然有1.386？018m3，但是全球淡水资源却仅占全球总水量的2.5%为3.5？08亿m3，其中有70%以上被冻结在南北极冰盖中，有86%的淡水资源难以运用，能够使用的淡水资源是江河湖泊和地下水。我国的淡水资源总量为28000亿立方米，占全球淡水资源的6%，世界排名第4，虽然我国淡水资源丰富，但是我国人均水资源量却是最贫乏的国家之一。随着我国城市化和工业化的推进，水的需求量急剧增加，与此同时，我国水资源利用效率低下也严重制约了经济的可持续增长。我国万美元GDP用水量为4749m3，是世界平均水平的4倍，是美国的9.8倍，日本的25倍。我国政府已经充分认识到水资源对经济以及环境的影响，2011 年中央“一号文件”首次聚集水资源管理，提出建立用水效率控制红线。然而粗放型的经济增长模式下存在着水资源严重浪费与水环境污染恶化的现象，对中国水资源的可持续利用构成威胁。因此，基于我国数据正确认识水使用和城市化、经济发展的关系，能正确识别当前状况和预测未来的发展趋势。

（2）目前工业用水情况和水重复利用技术。

改革开放以来，随着工业经济的迅猛发展，工业用水量也迅速增加，同时由于未来工业经济仍将进一步发展，工业用水需求也会进一步增长，但是工业水资源利用效率低下、浪费严重等问题的存在，并且伴随着北方河流开发过度，水源承载力遭到忽视，已经渐渐演变成了中国水资源危机，国家的发展受到了水资源的制约。目前我国工农业用水重复利用率较低，除个别城市工业用水重复率超过50%外，即使在缺水的北方一般也仅占20～30%，在南方，一般城市工业用水基本没有重复利用。在农业用水方面，作为农业大国的我们目前的农业用水重复利用率也只有45%，还有一半多的水在输送和灌溉过程中被白白浪费掉了，若是能够将我国农业用水重复利用率提升15%的话，其灌溉面积大约为现在的1.5倍。这归根结底主要还是因为我国的水重复利用技术不够先进。目前我国在工业污水的处理上，还是采用中和、沉淀、曝气、生物处理、混合稀释和过滤等手段，处理的目的仅仅只是基本满足排放水质的要求，而且处理效率总体来说并不高。在农业灌溉方面，我国依旧采取的是地面灌水，此方法渗漏水多，农业用水效率不高，浪费严重，而且世界发达国家普及的滴灌、喷灌等节水灌溉手段在我国仅占全国灌溉面积的三分之一，在农业灌溉方面我国还有很长的一段路。在饮用水处理上，将各种预氧化处理、生物处理和活性炭吸附与常规处理联合起来，优化组合新的净水工艺，是当前受污染水源水质净化的基本对策。所以在工业方面，工业节约用水潜力巨大，要改善其工业用水使用效率和优化工业产业结构，在农业用水方面，开发出新型灌溉农具和成熟的灌溉系统迫在眉睫，水的循环利用技术和污水处理回用技术都将得到发展，这是当前水资源紧缺的现实要求和水处理技术水平提高的具体表现。

（3）产业结构与水资源消耗的关系。

自改革开放以来我国经济建设取得举世瞩目的成就，综合国力和人民生活水平显著提高，与此相伴随，我国产业结构也发生很大的调整，第一产业在GDP中所占的比重明显下降，第二产业比重稳步提高，第三产业逐年持续上升，第二产业成为推动经济发展的主要动力，第三产业的发展在很大程度上成为我国经济发展的一大趋势。不同行业的水资源直接消耗量与满足自身需求所需的水资源量有所差异，但是对于经济系统而言，各产业的水资源直接消耗总量等于为满足最终需求所需的水资源总量。第一产业在GDP结构中所占比例与其用水量结构的关系比较微弱，就是说农业用水与农业产值所占GDP的比重关系较弱。我们知道，农业一直是用水大户，近十年来平均每年用水占总用水量的44.2%，近十年来用水量基本没有变化，但是其GDP所占比重却持续下降，这说明农业较其它产业发展缓慢，用水效率不高。与第一产业相比，第二产业在节水和高效用水方面成绩显著，主要是通过两个手段，其一是调整工业在产业结构中的比重，揭示了这种相关关系，其二是调整工业内部结构，使其结构向合理化、高级化发展，主要表现在：高技术产业发展迅速，而高新技术产业耗水却非常小，也无污染，并逐渐向主导产业发展；重化工行业和一般加工业等传统工业地位下降，特别是一些不适应首都经济发展要求的行业，如采掘业、原材料工业等，这部分高耗水工业将逐渐退出历史的舞台。第三产业比重每增加1%，相应的用水结构将增加0.516%，这说明第三产业的发展与水资源的关系较第二产业要弱，就是说大力发展第三产业对日益紧张的水资源压力比较小，而其产值却很高；同时，第三产业本身内部的结构包括旅游、环境、公用事业等这样的产业都是符合生态需求的，对水资源有保护作用。

（4）发达国家的水使用情况。

为了发现水使用存在环境库茨涅茨曲线是一个特殊性还是普遍性的现象，我们查阅了过去的一些资料。在这之前Stem（1998），Ekins（1997），D·Bnjyn和Heints（1998），Stagl（1999）以及Dinda（2004）等就验证了环境质量与经济增长之间这一关系。针对工业用水量与经济增长的库茨涅茨曲线，对发达国家和地区工业用水量的研究得出经济合作与发展组织的24个成员国，除了水资源开发利用率很低（2%以下）的加拿大、冰岛和挪威、产业升级较为滞后的韩国以及资料系列太短难以作出判断的比利时、希腊和爱尔兰总共7个国家之外，其余17个国家在20世纪90年代以前都经历了工业用水量 达到高峰并转而下降的过程。韩国、新加坡等新兴工业化国家、地区在20世纪90年代后期也出现了工业用水减少的现象。可见，工业用水在上升到一定阶段后可能停止增长甚至转而下降，这是一种很普遍的现象。所以说在世界经济发达国家中，其工业用水量是符合环境库茨涅茨曲线，这为我们的研究提供了有力的国际证据。

（5）研究背景和选题意义。

一般框架下，就像不平等水平和人均收入的关系一样（Kuznets， 1955）， 环境压力和经济发展表现出倒U形关系，这样的关系被称作环境库兹涅茨曲线（EKC）。其背后的原理很简单：在经济发展的早期，收入水平越高，自然资源环境压力越大，在达到一定的收入门槛后，经济发展对环境的压力发生逆转，会减轻。环境库茨涅茨曲线是通过人均收入与环境污染指数之间的线性模型，说明经济变动对环境污染的影响，即在经济发展中，环境由好入坏再变好的过程。20世纪90年代初美国环境经济学家Grossman等根据经验数据发现污染物排放与经济增长之间也存在库兹涅茨倒“U”型曲线关系，进而提出环境库兹涅茨曲线的概念。也就是经济增长初期环境污染物的排放随经济的增长而增加，当经济发展到一定程度之后，环境污染物的排放随经济的增长而有所下降。后来有的学者甚至把人均收人与环境污染程度之间的几何曲线统称为环境库兹涅茨曲线。虽然大多数EKC研究关注了污染排放和能源，然而，很少有研究关系水资源和经济发展的关系，可能在于缺少一致性的数据及发达国家相对丰富的水资源及其他一些原因，除（Cole， 2004； Katz， 2008）的研究外，很少有研究者關注水资源的EKC曲线。他们的研究使用了多项式模型和跨国面板数据，发现存在水使用的EKC曲线，贾绍凤发现发达国家工业用水随经济发展的变化存在着一个由上升转而下降的转折点，工业用水随收入增长的演变模式可以用库兹涅茨曲线表示，并指出工业经济增长和自然资源的使用及排放从上世纪70年代以来获得了极大的关注并且今天这种争论还在继续。但这些模型表现出两个重要的缺点：第一，由于使用的数据较少，不能反映时间的波动和国别之间的波动，第二，使用多项式模型假设弹性间接依赖于收入，可能是有问题的。我们假设弹性是平滑转换的，能更准确的抓住省级之间的水使用行为，因为我们可以预期水使用速度会变慢。我国水使用与经济发展之间是否存在库兹涅茨倒“U”型曲线关系？如果存在，拐点位置如何？如果不存在，它们之间关系曲线的形状如何？本文的主要目的是实证上探索水使用和经济发展（用人均收入代替）的关系，理论上，水使用和经济发展是可能存在倒U型关系的，第一阶段水使用的增加原因是经济发展了，高收入弹性的食物的消费会增加，这些高收入弹性的食物如肉类和蔬菜是水密集型的，并且随着工业化和城市化的推进，需要建立水的管网，由于农业是主要的水资源消费的产业，灌溉系统的拓展从而增加生产能力是很重要的。而后在第二阶段人均水使用的下降可能在于技术进步，尤其是农业，可能产生更有效的灌溉系统，归功于较低的水密集行业的发展，如工业和服务业的发展，或者出台政策鼓励节约用水。从最近几十年来年，一个国家在发展过程中充分利用技术进步保护水资源看来是合理的，如我国实行的阶梯水价，从而可能在发展过程中减少水资源的浪费和使用。很显然，一个国家的水资源的使用不但依赖于经济发展，也依赖于环境条件和管理水平，我们选择水资源总量和城市化作为控制变量进行分析。我们的经验分析中，使用PSTR方法，相对于多项式模型有更大的灵活性。选择全国31个省市2003-2014的面板数据分析人均水使用和人均GDP的关系。

1计量方法介绍

拒绝原假设，表明存在水使用和经济发展的非线性关系，进一步检验是指数型还是逻辑斯蒂型，此时需要使用序贯性检验来判断，（1）先检验%[=0，（2）在%[=0的条件下检验%[=0。（3）在%[=0，%[=0的条件下检验%[=0，分别计算出相伴概率，如果（2）相伴概率最小，则选择EPSTR模型，否则选择LPSTR模型。

2实证分析结果

人均水使用量和水资源拥有量，人均实际GDP和城市化率等原始数据来源于中经网、新中国60年统计资料汇编和历年各省统计年鉴，同时为消除价格指数带来的影响，将各省人均GDP进行过调整。文中的东中西部地区划分参考中国统计年鉴。东部地区：广东、江苏、上海、浙江、山东、北京、福建、天津、辽宁、河北、海南；中部地区：湖北、湖南、江西、河南、黑龙江、安徽、吉林、山西；西部地区：广西、四川、陕西、重庆、内蒙古、云南、甘肃、贵州、新疆、宁夏、青海、西藏。

表示人均水使用量，表示人均水资源的拥有量，表示经过价格指数调整后的人均实际GDP，在回归实证分析中均取对数，表示城市化率，用城市人口除以总人口乘以100得到。ind表示第2产业占的比重，用以表示工业化进程对水资源使用的影响。各变量的描述性统计见表1。

从以上统计数据可以看出，我国水使用存在差异，最小的人均使用只有161.17，最大的达到2657.9，标准差达到441.57，在水资源禀赋上，最小的只有158.82，最大的达到2643.07，同样标准差达到437.50，差异巨大。此外，各省收入水平，城市化率，工业化水平均表现出巨大的时间和空间差异，数据的较大变异，为准确分析水使用特征提供了可能。

继续分析各变量间的相关系数，自变量之间除城市化率和经济发展水平（用人均收入表示）表现出较高的相关性性，其余变量相关性较小，说明变量间共线性可能性较小。从水使用与变量的相关性来看，经济发展水平、城市化率及工业化率的提高，有可能降低水使用，而水资源禀赋的增加，则可能增加水使用，当然这只是线性相关性，我们要检验是否存在非性性，需要更加精确的计量方法和模型。实证中检验是否存在EKC使用的模型为：

（7）

在估计之前，时间序列变量必须是平稳的，使用Maddala and Wu （1999； MW）及IPS单位根检验，所有变量不存在单位根（表3）。

从单位根结果来看，显著拒绝非平稳原假设，各序列是平稳的，可以直接进行回归分析。我们分别估计了式（7）的模型1，式（7）去掉ind的模型2及式（7）只保留ur的模型3。使用前面提到的检验方法，先判断转换函数和非线性，见表4。

进一步检验表明（表5），在描述水使用时，EPSTR模型更加合适，由于有些变量不显著，我们共估计了3个模型进行对比。综合AIC，BIC的值（表6）及参数估计结果，我们发现最优的选择是模型2，且各模型之间参数差异较小，说明模型估计是稳定的。很明显，城市化率在43.76和60.37之间，会出现一个人均水使用低谷，在这之前，水使用会下降，在这之后水使用会快速上升然后稳定下来，由于我国目前城市化率正在推进，可能存在较大的水使用压力，水资源禀赋随着城市化率的增加会增加水使用，并且在城市化率上升后会增加的更多，因此，对水资源丰富地区的居民宣传教育节约用水是有必要的。随着城市化的推进，经济发展水平越高，刚开始水使用增加，但城市化的进一步推进，人均水使用开始减少，可能原因城市化和经济发展实现规模经济后提高了水使用效率。

3结论和建议

根据上面的数据通过面板平滑转换模型研究分析来看，我国绝大部分省市水使用存在库茨涅茨曲线变化。这大可分为三个阶段：第一阶段是经济发展程度和水使用量都较低；第二阶段是经济快速发展到达转型的节点并且用水量急剧增加；第三阶段随着经济的进一步发展水使用量呈现逐步下降的趋势。结合我国的具体国情，东中西部在城市化、工業化以及经济总量三大指标上存在着明显差异，我国东部经济地带已位于第三阶段，特别是北上广已经处于第三阶段的后期，水使用量已经逐年下降，这主要是因为东部经济地带经济发展起步早，城市化和工业化进程相对于其他两个经济地带较为领先，中部经济地带位于第二阶段，处于经济快速发展的节点时期，这主要是因为其经济发展程度略弱于于东部地区，而西部经济地带由于其地理位置深处内陆和经济发展落后的原因，还处于第一阶段。但是其中新疆和宁夏是因为其大型规模农业在经济总量贡献中占比较大，所以在经济增长的同时水使用量同步增长，黑龙江是由于传统重工业经济占比大，使之用水量大，所以这三个地区的环境库茨涅茨曲线有部分部不重合，不能完全用倒U曲线来解释。

合理开发、利用和管理水资源，已成为世界各国所普遍关注的问题。为了缓解日益突出的水资源供求矛盾，各国进行了长期不懈的探索，在实践中总结出许多很有成效的经验。归纳起来主要有：加强立法保护水文生态环境，提高民众节水意识，实行适度开发需求管理的用水体制，推广先进的节水灌溉技术，蓄积利用雨水以及控制水体污染等，这些做法值得我国在加强水资源的开发利用和保护方面参考借鉴。以以色列为例，对于我国防治水资源的污染、提高水资源的利用率以及有效保护水资源具有一定的借鉴意义。

以色列2/3的国土是戈壁和荒漠，水资源严重贫乏，水贵如金。为解决缺水这一难题和充分利用国内有限的水利资源，以色列在水资源管理、开发利用和解决工农业用水等方面制定了一系列严格措施。国家对水资源实施严格控制和管理，主要是由国家水利管理委员会负责全国工农业和民用用水配额，委员会每年先把70%的用水配额分配给有关用水单位，其余30%的配额则根据总降雨量予以分配。为鼓励节水，用水单位所交纳的用水费用是按照其实际用水配额的百分比计算的，超额用水，加倍付款。由于以色列是一个严重缺水的国家，所以其农业用水采取的是先进的节水灌溉技术，他们普遍推广的节水压力灌溉技术已成为一个系统工程。这个系统是把水通过塑料管直接送到植物最需要水的根部，用水率高，经济效益高。压力灌溉先将化肥溶入水，水肥灌溉一气呵成，这种技术可用于干旱地区、塑料大棚、温室和任何需要灌溉的地区。压力灌溉系统全由电脑控制，电子传感器自动将植物所需的水、化肥量自动传入电脑，电脑便自动调节和控制灌溉，省人、省力和节水。该灌溉系统根据植物生长的气候、土质、地形、水源和植物特性设计而成，不千篇一律。同时，为了保证农业用水，政府还强化废水的再利用，如对全国工业和城市所排放的废水进行排污处理，使其成为“循环水”，并用于农业灌溉。

从以色列的水资源利用和管理的综合结果来看，无疑是情况最艰巨的但又是在这方面做得最好的一个。以色列地处西亚，自然环境恶劣，水资源严重匮乏，但他就是在我们的眼前创造了一个活生生的奇迹，他不仅没有因外外部条件的劣势而影响国家经济的发展。反倒是利用先进的节水技术和强有力的管理体制，使有限的资源创造出了最大的价值。今天，以色列不仅是不用担心需要大量水资源的农业发展不起来，反倒要准备将优质的农产品出口到世界各地。

反观我国水资源利用现状，尽管各种方法和口号都没停过，但都没有取得明显的成效。我国国情相对来说比较复杂，主要在地域辽阔，各地域的自然环境又不尽相同，这直接导致管理的难度直线升高，但我们又不得不要直接面对这一问题。根据我国人口密度由东南向西北递减，经济发展水平由沿海向内陆递减这两个大趋势，在结合库茨涅茨曲线来分析，现在的东部和南部的水资源状况就是若干年后西部和北部的水资源状况，当然了，前提是西北部的水资源自然状况和东南部水资源自然状况一样。很显然，这两者并不一样。但是经济发展水平差距是实际存在的。

所以要治理和开发我国的水资源从经济角度来看是要分两手准备的。

（1）东南部可以依赖已经得到发展的经济实力对水资源进行管理和开发，可以进行宣传提高人们的节水意识，强制治理产生污水的工业企业。

（2）我国的的南水北调工程也经济实力的表现，随着社会经济水平的再次飞跃发展，水资源的使用量和污染情况都会减少。

（3）西北部水资源状况本就比较匮乏，但地下水和冰川水资源比较丰富，可以科学的利用地下水和冰川水，能较好的改善西北部水资源不足的情况，要改善工业结构，不能按照东南部的工业结构来布局，可以优先对水资源依赖比较少的企业进驻，相对控制和减少需要大量水資源支撑的企业。

（4）再从大局来看，可以借鉴我国阶梯电价的模式，对全国水使用量进行阶梯水价，以达到全局统一管理的目标。

（指导老师：宋金奇）

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