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Cointegration test and variance decomposition for the relationship between economy and environment based on material flow analysis in Tangshan City, Hebei, China.

基于物质流分析方法的唐山市经济与环境关系的协整检验和分解


利用物质流分析方法(MFA)建立物质流账户,分析唐山市在经济环境系统运行中物质投入量与产出量的阶段特征及物质投入和产出强度对经济发展的影响程度;使用计量经济学模型,分别对国内生产总值(GDP)、直接物质投入(DMI)和直接废弃物排放(DPO)进行单位根检验、Johansen协整检验、向量误差修正分析、脉冲响应和方差分解分析,探索了各指标之间的双向作用机制和长期关系.结果表明: 1992—2011年,唐山市DMI和DPO 均呈增长趋势,DMI的增幅高于DPO.DMI投入强度呈增长趋势,DPO产出强度呈波动下降趋势.GDP与DMI、DPO之间存在着长期稳定协整关系,指标间的作用关系经历了由波动到逐步平稳的过程.DMI与DPO在短期内会对经济发展起到较强的正向冲击作用,但是经济-环境系统会逐步消化这些影响,并对系统内外指标进行短期的动态调整,最终使系统表现出一种长期的均衡关系;经济发展受到经济规模效应的影响逐步增加.将各指标对GDP的贡献度予以分解,其中,DMI的贡献度上升,GDP的贡献度下降,DPO的贡献度变化不大.总体上,唐山市的经济发展遵循了资源型城市的传统生产轨迹,较大程度上依赖于物质投入,高能源消耗又加剧了环境污染.

The material flow account of Tangshan City was established by material flow analysis (MFA) method to analyze the periodical characteristics of material input and output in the operation of economyenvironment system, and the impact of material input and output intensities on economic development. Using econometric model, the longterm interaction mechanism and relationship among the indexes of gross domestic product (GDP), direct material input (DMI), domestic processed output (DPO) were investigated after unit root hypothesis test, Johansen cointegration test, vector error correction model, impulse response function and variance decomposition. The results showed that during 1992-2011, DMI and DPO both increased, and the growth rate of DMI was higher than that of DPO. The input intensity of DMI increased, while the intensity of DPO fell in volatility. Longterm stable cointegration relationship existed between GDP, DMI and DPO. Their interaction relationship showed a trend from fluctuation to gradual ste adiness. DMI and DPO had strong, positive impacts on economic development in shortterm, but the economyenvironment system gradually weakened these effects by shortterm dynamically adjusting indicators inside and outside of the system. Ultimately, the system showed a longterm equilibrium relationship. The effect of economic scale on economy was gradually increasing. After decomposing the contribution of each index to GDP, it was found that DMI’s contribution grew, GDP’s contribution declined, DPO’s contribution changed little. On the whole, the economic development of Tangshan City has followed the traditional production path of resourcebased city, mostly depending on the material input which caused high energy consumption and serous environmental pollution.


全 文 :基于物质流分析方法的唐山市经济与环境
关系的协整检验和分解∗
韩瑞玲∗∗  朱绍华  李志勇
(河北师范大学旅游系, 石家庄 050024)
摘  要  利用物质流分析方法(MFA)建立物质流账户,分析唐山市在经济⁃环境系统运行中
物质投入量与产出量的阶段特征及物质投入和产出强度对经济发展的影响程度;使用计量经
济学模型,分别对国内生产总值(GDP)、直接物质投入(DMI)和直接废弃物排放(DPO)进行
单位根检验、Johansen 协整检验、向量误差修正分析、脉冲响应和方差分解分析,探索了各指
标之间的双向作用机制和长期关系.结果表明: 1992—2011年,唐山市 DMI 和 DPO 均呈增长
趋势,DMI 的增幅高于 DPO.DMI 投入强度呈增长趋势,DPO 产出强度呈波动下降趋势.GDP
与 DMI、DPO之间存在着长期稳定协整关系,指标间的作用关系经历了由波动到逐步平稳的
过程.DMI与 DPO在短期内会对经济发展起到较强的正向冲击作用,但是经济⁃环境系统会逐
步消化这些影响,并对系统内外指标进行短期的动态调整,最终使系统表现出一种长期的均
衡关系;经济发展受到经济规模效应的影响逐步增加.将各指标对 GDP 的贡献度予以分解,其
中,DMI的贡献度上升,GDP 的贡献度下降,DPO的贡献度变化不大.总体上,唐山市的经济发
展遵循了资源型城市的传统生产轨迹,较大程度上依赖于物质投入,高能源消耗又加剧了环
境污染.
关键词  物质流分析方法; 经济⁃环境系统; Johansen协整检验; 脉冲响应分析; 方差分析
∗国家自然科学基金青年科学基金项目( 41301122)、河北省教育厅自然科学研究项目 ( QN20131024)和河北师范大学博士基金项目
(L2012B17)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: hrl309@ 163.com
2015⁃04⁃01收稿,2015⁃09⁃17接受.
文章编号  1001-9332(2015)12-3835-08  中图分类号  X22  文献标识码  A
Cointegration test and variance decomposition for the relationship between economy and en⁃
vironment based on material flow analysis in Tangshan City, Hebei, China. HAN Rui⁃ling,
ZHU Shao⁃hua, LI Zhi⁃yong (Department of Tourism, Hebei Normal University, Shijiazhuang
050024, China) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(12): 3835-3842.
Abstract: The material flow account of Tangshan City was established by material flow analysis
(MFA) method to analyze the periodical characteristics of material input and output in the operation
of economy⁃environment system, and the impact of material input and output intensities on economic
development. Using econometric model, the long⁃term interaction mechanism and relationship
among the indexes of gross domestic product (GDP), direct material input (DMI), domestic pro⁃
cessed output (DPO) were investigated after unit root hypothesis test, Johansen cointegration test,
vector error correction model, impulse response function and variance decomposition. The results
showed that during 1992-2011, DMI and DPO both increased, and the growth rate of DMI was
higher than that of DPO. The input intensity of DMI increased, while the intensity of DPO fell in
volatility. Long⁃term stable cointegration relationship existed between GDP, DMI and DPO. Their
interaction relationship showed a trend from fluctuation to gradual ste adiness. DMI and DPO had
strong, positive impacts on economic development in short⁃term, but the economy⁃environment sys⁃
tem gradually weakened these effects by short⁃term dynamically adjusting indicators inside and out⁃
side of the system. Ultimately, the system showed a long⁃term equilibrium relationship. The effect of
economic scale on economy was gradually increasing. After decomposing the contribution of each in⁃
应 用 生 态 学 报  2015年 12月  第 26卷  第 12期                                                         
Chinese Journal of Applied Ecology, Dec. 2015, 26(12): 3835-3842
dex to GDP, it was found that DMI’ s contribution grew, GDP’ s contribution declined, DPO’ s
contribution changed little. On the whole, the economic development of Tangshan City has followed
the traditional production path of resource⁃based city, mostly depending on the material input which
caused high energy consumption and serous environmental pollution.
Key words: material flow analysis; economic⁃environment system; Johansen cointegration test; im⁃
pulse response function; variance decomposition analysis.
    经济的快速增长从未间断对自然资源的消耗.
近些年,虽然技术进步提高了资源效率[1],使得部
分地区出现了环境压力增长速度低于经济增长,但
环境恶化的趋势仍然存在[2],环境对经济发展的支
持能力也持续下降.而不断增加的自然资源消耗最
终会以废弃物的形式返回环境,增加了环境负荷[3] .
目前,人口、资源、环境之间的矛盾已经成为制约中
国经济社会发展的瓶颈之一,其深层次原因是物质
新陈代谢的不平衡[4] .
物质代谢的概念指出:生命是能量物质与周围
环境的交换过程[5] .物质代谢分析方法主要包括流
分析、物质投入产出表、生态足迹分析、生命周期评
价等.1966年,生态经济学的诞生引导了对经济系统
与环境系统之间的物质能量研究.经济系统的物质
流分析(MFA)以质量守恒定律为基本原则,运用物
理及生物物理的方法,从整体视角揭示了经济系统
的物质结构关系[6],捕捉并量化那些进入经济系统
但与环境关系密切的流量[7],完整呈现物质投入、
制造、消费、排放各个环节,并以非货币化的方法进
行资源环境核算,定量确定区域经济与环境之间的
关系[4-5],综合判定人类活动对生态系统的影响[2] .
在经济⁃环境系统中,进入经济系统的物质流代谢维
持了经济系统的运行及人类的生存[4],其运行状态
和运动方式决定了社会发展的形态及与环境系统的
交流速度.物质代谢的规模越大,人类对环境造成的
损害也可能越大.
近年来,物质流分析逐渐作为评判环境与经济
协调发展的重要方法[2],如将能值和物质流方法整
合进行绿色国内生产总值(GDP)核算[8],利用 MFA
进行经济解耦分析[9]或替代投入产出表进行经济
分析[10]等.该方法对引导使用标准化程序进行材料
分类、数据采集和处理,测量间接流和未使用流具有
重要引导作用[11] .这些研究为提高经济系统的资源
生产效率和降低资源消耗强度、实现去物质化,为促
进社会、经济、环境的可持续发展奠定理论基础[12],
为区域发展提出了减少环境压力的解决方案[2,12] .
MFA也逐渐演变成为新陈代谢测度的核心方法[11] .
MFA在物质使用的可持续性和环境影响、资源
使用效率[13]等方面的应用也较广泛.如通过改进物
质流账户来衡量政策在自然系统的作用[14-15];利用
MFA进行县域生态系统生态效率测算[16];对煤炭
矿区复合生态系统的物质流耦合流动进行判定[17]
等.MFA已经应用在不同国别[13,18-19]的物质流比较
研究中,如证实了辽宁省的新陈代谢低于中国平均
水平和发达国家水平,说明物质投入过高[20] .
在较早的物质流研究中,MFA 多被用作建立基
础账户或衡量目标指标体系的依据.但经过多年发
展,物质流账户体系已被许多学者认可,有些发达国
家已将其纳入环境经济账户体系中,如投入产出技
术已经进入物质流分析方法的框架[7] .近些年,由联
合国环境和经济核算委员会主导进行了物质流环境
经济核算体系(简称为 SEEA⁃MFA)方面的研究,其
目标是提出一个在概念、定义、分类、相关表格和账
户上具有一致性且标准化的物质流账户.
迄今,国内外已有的 MFA 研究已较成熟.但以
往研究多考虑物质投入数量,较少考虑投入质量;多
以国家尺度为研究对象,对中小尺度的研究不多,且
不够深入[21] .我国在物质流研究方面已建立了统一
的研究框架和指标体系,但具有中国特色的评估指
标体系较少.在具体研究内容上,利用 MFA 研究经
济增长与生态环境质量变化之间存在的双向作用机
制、长期动态关系的文献还很少见.在研究方法上,
运用 MFA进行计量经济学分析的研究也不多,即使
有,要么 MFA 设置账户或指标体系不完整,要么是
基于 MFA的分析不全面,对物质流内容轻描淡写,
仅以此作为一种获得结果的途径.因此,在研究中应
重视最大化地遵循物质流理论的初衷,以尽可能完
整的账户表现物质在经济系统与环境系统之间的流
动;同时还应重视环境退化或改善对经济增长的反
作用,考察经济增长与生态系统组成结构和功能之
间的双向因果关系.因此,本文整理了 1992—2011
年唐山统计资料,依托物质流账户构建了唐山市经
6383 应  用  生  态  学  报                                      26卷
济发展与环境压力的评价指标并予以分析;在此基
础上,对唐山市经济发展的物质流指标进行了向量
误差修正分析,探析唐山经济发展中物质投入、产出
情况;并利用脉冲响应、方差分解方法分析经济与环
境系统的双向作用机制及长期动态走向,拟为唐山
未来城市经济创新转型及环境质量改善提供科学依
据和理论指导,同时对其他资源型城市的经济⁃环境
协调发展可起到借鉴作用.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
唐山是一座具有百年历史的沿海重工业城市,
也是典型的资源型城市[20],主要矿产资源有铁矿、
煤炭等,是国家三大铁矿集中区之一.唐山被誉为中
国近代工业的摇篮,目前产业结构以工业为主,其中
钢铁工业各项指标的区位商突出[21],钢铁产量占全
国总产量的 12.5%左右,产业可持续发展能力弱,区
域生态环境和自然景观遭到严重破坏.2013年,唐山
被界定为再生型资源城市,为城市发展指明了新方
向.虽然作为典型资源型城市,但是城市内部的物质
代谢不平衡,尤其是经济投入与环境产出的不平衡,
阻碍了城市的可持续发展.
1􀆰 2  建立物质流账户
物质流账户是依据 MFA原理,描述进入经济系
统的物质输入量及排放到自然系统的废弃物量.本
文主要参照国际上较通用的物质流账户体系[21]进
行指标构建.其中,国内原料包括:国内生物物质输
入:农、林、牧、渔产量;国内非生物物质输入:化石燃
料、金属和工业矿物产量;国内水输入:供水量.各种
污染物包括:国内固体废弃物输出(工业和生活固
体废弃物排放量),国内废水输出(工业和生活废水
排放量).物质流账户的计算项目均以质量为计算单
位.在物质输入计算中:农产品质量的核算数据按估
算值进行;化石燃料由煤、石油、天然气 3 部分产量
构成;工业矿物产量包括原盐、生铁、钢、粗钢、钢材、
原盐、水泥.在物质输出计算中,国内固体废弃物包
括工业固体废物排放、医疗垃圾排放量;废气和其他
气体主要由工业二氧化硫、工业烟尘和工业粉尘 3
部分组成.所用数据均来源于历年 《唐山统计年
鉴》 [22],其中,GDP 指标采用 1992年可比价格.
物质流分析中,涉及的最主要账户是直接物质
投入(DMI)和直接废弃物排放(DPO).DMI 指在经
济发展过程中,由外界输入、参与经济运行的、具有
确定经济价值的物质流,主要包括非生物质、生物质
及进口物质等.其中,非生物物质主要包括:化石燃
料、金属矿物、工业原料、建筑材料;生物物质主要包
括:农产品、饲养牲畜的草、林业生物、渔业生物量;
进口物质则按化石燃料、生物物质、矿物的成品和半
成品计算.DPO 指在经济运行中产生的排放到自然
界中的各种废气、废水及废物,主要包括排放到空气
中的污染物(主要是 CO2和 SO2)、排放到水中的污
染物(不包括水)和固体废弃物的量,以及耗散性
损失.
1􀆰 3  向量自回归模型
向量自回归模型(VAR)通过构造模型来考察
多个变量之间的关系,对系统外生变量进行巧妙处
理,将其作为内生变量滞后值的函数[23] .此外,VAR
模型对参数不施加零约束,对无显著性的参数估计
值并不从模型中剔除.因此,对于多个相关经济指
标,VAR 模型可进行有效分析与预测[24] .本文基于
VAR模型,首先对各变量进行 Johansen 协整检验,
并建立 VEC模型,检验了多变量模型之间的动态关
系;然后,利用脉冲响应函数和方差分解,进一步全
面分析各变量之间的动态影响.
1􀆰 3􀆰 1单位根平稳性检验  多数时间序列属于非平
稳序列,其数据的均值、方差和协方差等随着时间变
化而变化[25],且回归拟合系数在不同条件下呈现不
同的分布,而出现伪回归现象[26] .单位根平稳性检
验(ADF)的原假设为时间序列非平稳,如果检验值
小于临界值,说明拒绝序列非平稳的原假设,检验序
列为平稳序列.
1􀆰 3􀆰 2 Johansen协整检验  一些经济变量本身是非
平稳序列,但多个变量的线性组合之间却因为存在
着长期稳定关系而成为平稳序列,该线性组合被称
为协整方程[27] .在多个变量协整关系的分析中,最
常用的是以 VAR 模型为基础的 Johansen 协整检验
方法.Johansen协整检验可检验方程协整关系的个
数,同时获得协整矢量的估计结果.但是,只有当各
个变量序列均为 I(1)阶单整变量时,才能够对序列
进行协整检验,进而才能有效地运用协整和误差修
正模型.
1􀆰 3􀆰 3 向量误差修正分析   向量误差修正分析
(VEC)实质上是在差分序列建立的 VAR 模型中加
入一个误差修正项,在协整关系的基础上表示变量
间的短期波动关系.该模型能够削弱原模型的多重
共线性和扰动项的序列相关性[28] .VEC 模型的具体
表达式如下:
738312期                韩瑞玲等: 基于物质流分析方法的唐山市经济与环境关系的协整检验和分解       
ΔYt =αecmt-1+A1ΔYt-1+A2ΔYt-2+…+ApΔYt-p+εt
(1)
式中:ecm为根据协整方程计算的误差修正项,反映
变量之间偏离长期均衡关系的非均衡误差;α 是误
差修正项的调整参数,用于反映其调整变量回归到
均衡关系或消除非均衡误差的速度.各变量的滞后
差分项 ΔYt-p的系数 Ap反映了各变量的短期波动对
ΔYt的影响;εt 为残差,其均值为零.
1􀆰 3􀆰 4脉冲响应和方差分析  基于满足系统平稳条
件检验的前提,VAR模型可进行脉冲响应函数分析.
脉冲响应函数主要用于衡量随机扰动项的标准差对
内生变量取值产生的冲击影响[24] .通过该分析,可
比较全面地反映各个变量之间的动态影响,并进一
步确定经济增长与环境质量间物质流指标的长期关
系[29] .
基于 VAR模型的预测方差分解是通过分析每
个内生变量以方差来度量的结构冲击,评价对 VAR
模型中的变量产生影响的每个随机扰动的相对贡献
度,主要表现为其重要性和成因.VAR(p)模型的前 s
期的预测误差公式如下:
εt+s+ψ1εt+s-1+ψ2εt+s-2+…+ψs-1εt+1 (2)
式中: ψs-1代表第 S-1期的滞后反映.
2  结果与分析
2􀆰 1  唐山市物质代谢分析
2􀆰 1􀆰 1物质流账户分析   1992—2011 年,唐山市直
接物质投入(DMI)总体呈现增长趋势,由 5816.4 万
t增至 40795. 4 万 t (图 1),年均增长 10. 3%,高于
GDP 年均增长 8.3%的速度.以 2000 年为分界点,之
前增速较缓慢,之后增速较快.2000 年后,DMI 的增
速远高于 20年的平均水平,主要是因为金属和非金
图 1  1992—2011年唐山市 DMI和 DPO的变化
Fig.1  Change of DMI and DPO in Tangshan City during 1992-
2011.
DMI: 直接物质投入 Direct material input; DPO: 直接废弃物排放
Domestic processed output.下同 The same below.
属矿物产量大量增长,尤其是粗钢、钢材及生铁产量
大幅提升.这反映了唐山市工业产品的结构特色.研
究期间,唐山市直接废弃物排放(DPO)也呈增长趋
势,由 5253.1万 t增长至 10831.6万 t(图 1),年均增
长 3.9%.虽然 DPO 总体增长,但研究期间的增速逐
步放缓,在 1999 年前大多为正增长;1999 年之后有
5 个年份表现出负增长,即使有正增长,幅度也不
大.由于唐山与北京在地域上相邻,在 2008 年奥运
会期间,唐山的各项污染排放量呈现明显下降趋势,
但 2008年之后 DPO走势有所反弹.
    对研究期内唐山市的 DMI 和 DPO 指标进行 4
年期环比阶段性分析发现,DMI 的走势呈“N”字型
(图 2).具体表现为:1)1992—1999年,DMI下降,这
与同期的 GDP 增长趋势相同.主要由于 20 世纪 90
年代大规模国有经济改革削弱了唐山市传统的以国
有经济为主体的经济,对物质投入的需求也降低.2)
2000—2003年,DMI表现出高增长态势,4 年期年均
增长率为 15.7%,而同期 GDP 年均增长率为 2.5%.
这个阶段主要是经济恢复期,“加大结构调整力度,
深化国有企业改革,优化资源配置”是该时段唐山
市的主要任务,但经济增长还主要依赖于物质投入.
3)2004—2007年,DMI保持着年均 12.7%的高增长
率,经济发展的新结构性矛盾逐步显现,主要表现为
电、水、煤、运等瓶颈制约突出,唐山经济外向度较
低,高新技术及其产业比重偏小,所以物质投入率较
高.4)2008—2011年,DMI的年均增长率仅为 9.3%,
较前期降低了 3.5%.主要是受到奥运会的影响,对
京津冀区域环境质量的高要求,减少了大量工业生
产,使得物质投入降低.
阶段性分析表明,DPO 走势呈现“W”字型,与
DMI的走势大致相同,二者的相关系数达到 0.89.在
2008—2011年间 DMI 的增速放缓,而同期 DPO 的
增长率则由 1.8%增至 4.8%,使得 DPO与 DMI的走
图 2  研究期间唐山市 DMI与 DPO指标 4年期环比变化
Fig.2  4⁃year based change of the DMI and DPO in Tangshan
City during the study period.
8383 应  用  生  态  学  报                                      26卷
势有所差异.另外,2010、2011 年 DPO 增速分别为
14.1%、11.6%,直接影响了 4年期的 DPO环比走势.
2􀆰 1􀆰 2物质代谢强度分析  以单位 GDP 的 DMI 投
入及 DPO排放可以测算 DMI投入强度及 DPO的产
出强度.1992—2011 年,DMI 投入强度呈增长趋势
(图 3),年均增长 0.78 t /元.其中,1999 年之前 DMI
强度主要呈负增长,1999 年之后呈正向增长,且越
到研究后期,曲线的波动幅度越小.说明经济增长对
自然资源投入的依赖度还保持着增长趋势,经济越
发展,物质投入的数量越增加.同期,DPO 产出强度
呈波动下降趋势,年均下降 0.83 t /元.这一阶段,唐
山市紧紧围绕国家制定的一系列产业政策,通过体
制创新、技术引进、自主创新等方式,淘汰落后的生
产方式,有力地推动了传统产业结构的调整与升级,
保持了工业全面、健康的发展,各企业对污染排放的
利用率提升,使得直接排放到自然环境中的污染数
量逐步下降.
对 DMI与 DPO 强度的年度变化分析发现,二
者走势一致,均呈现先降后升,且到研究后期呈波动
变化.DMI的变化率和波动频率均高于 DPO(图 4),
说明唐山市经济发展对物质投入的依赖度较高.虽
然产出强度有所降低,但还是高于全国平均水平,
图 3  研究区 DMI投入强度与 DPO产出强度的变化
Fig. 3   Variations of DMI intensity and DPO intensity in the
study area.
图 4  研究期间唐山市 DMI与 DPO强度的年度变化量
Fig.4  Annual variations of the DMI intensity and DPO intensity
in Tangshan City during the study period.
还有进一步的降低空间.
2􀆰 2  向量误差修正模型
2􀆰 2􀆰 1单位根检验   为了消除原始数据的异方差
性,减少数据的波动,本文对 GDP、DMI、DPO 指标
序列作取对数处理,分别用 lnGDP、lnDMI 和 lnDPO
表示.通过检验结果(表 1)可以看出,3 个指标的一
阶差分的 t检验值均小于 5%水平下的临界值,通过
了一阶单位根检验,为一阶平稳序列,具备了协整检
验的条件.
2􀆰 2􀆰 2 Johansen 协整检验   构建 lnGDP、 lnDMI 和
lnDPO的向量自回归模型 VAR(k)来确定最优的滞
后阶数 k.本文依据最小 AIC、SC准则及 LR检验,可
确定 lnGDP、lnDMI和 lnDPO变量组的 VAR模型的
最优滞后阶数为 2,则 Johansen 协整检验的最优滞
后阶数为 1.通过协整检验,在“至多存在 1 个协整
关系”原假设下的检验结果均表明,在 5%的水平上
存在一个协整关系(表 2),说明 3 个指标之间存在
长期协整关系,其标准化的协整方程为: lnGDP =
0􀆰 02lnDMI-0.61lnDPO+0.35.根据各指标的弹性值
可以判定,DMI对 GDP 有促进作用,而 DPO对 GDP
有抑制作用.
2􀆰 2􀆰 3向量误差修正分析  由于向量误差修正模型
的滞后期是无约束 VAR 模型一阶差分变量的滞后
期,且所有无约束的 VAR 模型的滞后期为 2,因此
对应的向量误差修正分析(VEC)的最佳滞后期为
1,序列采取协整方程时,有截矩项但是没有时间趋
势项.通过 VEC模型,得到唐山市 GDP 与 DMI、DPO
指标间的长期协整方程(式 3~ 5),并给出了误差修
正项方程(式6)及误差修正曲线图(图5) ,同样由
表 1  单位根检验结果
Table 1  Results of the unit root hypothesis test
一阶差分单位根检验
1st difference
unit root test
t检验值
t⁃test
value
5%临界值
0.05 critical
value
结论
Result
ΔlnGDP -5.30 -3.05 一阶平稳
ΔlnDMI -3.14 -3.04 一阶平稳
ΔlnDPO -5.59 -3.05 一阶平稳
表 2  Johansen协整检验结果
Table 2  Results of the Johansen cointegration test
协整关系
Cointegration
特征根
Eigenvlue
迹统计量
Trace
statistic
最大特征值统计量
Maximum
eigenvalue
0个 None 0.736 31.80 22.63
至多 1个 At most 1 0.405 9.176 8.821
至多 2个 At most 2 0.021 0.355 0.355
938312期                韩瑞玲等: 基于物质流分析方法的唐山市经济与环境关系的协整检验和分解       
图 5  长期协整方程的误差修正项曲线
Fig.5   Vector error correction curves between lnDMI, lnDPO
and lnGDP.
于 VAR模型的滞后期为 2,因此协整误差修正项曲
线图从 1994年开始进行调整.误差修正项系数说明
短期内经济增长、环境污染和能源消耗偏离长期均
衡状态时,将以-0.308、0.366、0.154 的调整力度将
非均衡状态拉回到均衡状态.
ΔlnGDP=-0.308ecmt-1+0.130ΔlnGDPt-1+0􀆰 067ΔlnDMIt-1-
0.070ΔlnDPOt-1+0.059 (3)
ΔlnDMI=0.366ecmt-1+0.221ΔlnGDPt-1+0􀆰 166ΔlnDMIt-1+
0.419ΔlnDPOt-1+0.058 (4)
ΔlnDPO=0.154ecmt-1-0.829ΔlnGDPt-1-0􀆰 067ΔlnDMIt-1-
0.402ΔlnDPOt-1+0.149 (5)
ecmt-1 = lnGDPt-1-0.079 lnDMIt-1-0.551 lnDPOt-1-9.45
(6)
在图 5 中,零值均线代表了各变量之间的长期
均衡关系.1994—1995年,根据协整方程计算的误差
修正项(ecm)的绝对值较大,表明该时期的短期波
动偏离长期均衡关系比较大;1996—2004 年,曲线
在零均值线附近;2005 年,该曲线表现出相对较大
的负向波动;2006年后曲线逐渐接近于 0,说明在经
历了波动调整之后,曲线逐步趋于长期均衡状态,且
由于 ecm值较小,表明短期波动与长期均衡关系的
偏差较小,指标间保持了较稳定的关系.误差修正项
曲线表明,GDP 与 DMI、DPO 之间的作用关系经历
了由波动到逐步平稳的过程.
2􀆰 2􀆰 4脉冲响应  图 6 是 GDP 作为冲击变量指标,
GDP、DMI、DPO 3 个被冲击变量指标在 10 期内的
脉冲响应函数图.由此可以看出,GDP 对 3个指标具
有正向冲击作用,且都表现出上升趋势.从第 1 期开
始,DMI即对 GDP 指标的变动做出了 10 期内最大
的幅度响应,第二期的响应也较大,第 3期后的响应
逐步变平稳.DPO 对 GDP 的响应相对于 DMI 来说
幅度较小,在第一期的明显增长响应后,后期响应逐
步平缓.GDP指标对其本身指标的响应幅度高于其
图 6  lnGDP、lnDMI、lnDPO指标对 lnGDP的脉冲响应
Fig.6  Impulse responses of lnGDP, ln DMI, lnDPO to lnGDP.
他 2个指标,说明经济增长的持续效应对经济总体
规模的增长作用不容小觑[30] .从脉冲响应曲线的走
势看,短期内不存在技术影响的前提下,大量的资源
投入及污染排放会对经济发展起到较强的正向冲击
作用;并且此作用削弱了资源投入及污染排放对环
境系统的不利影响.但是这种影响会在冲击效应逐
步消失后,随着资源的逐步增加对经济增长产生正
向拉动作用逐步保持平稳,且随着时间推移,冲击效
应的影响越小.
2􀆰 2􀆰 5方差分解  脉冲响应函数描述的是一个内生
变量冲击其他内生变量所带来的影响,而方差分解
则是通过分析每一个结构冲击对内生变量变化的贡
献度,进一步评价不同结构冲击的重要性[30] .对
GDP 指标的响应进行方差分解,得到 GDP 源自各
指标的贡献度测度.在 GDP 预测方差中,随着预测
期的推移,唐山市 DMI 的扰动对 GDP 的贡献度持
续增加(图 7),而 GDP 和 DPO 指标则呈下降趋势,
且到第 8 期左右各指标的贡献度保持稳定.其中,
DMI的贡献度由 0 增长到 7%左右,GDP 的贡献度
从 100%下降到 92%左右,DPO 的贡献度则一直保
持在 1%以内.方差分析也反映了唐山市经济增长较
大程度上依赖资源投入,并伴随着污染排放.从长期
发展来看此模式没有优势.
图 7  lnGDP方差分解结果
Fig.7  Variance decomposition of lnGDP.
0483 应  用  生  态  学  报                                      26卷
    唐山市依托着自身的资源优势,形成了重工业
为主导的产业结构,尤以“精品钢材工业、装备制造
工业、优质建材工业、基础能源工业、优质化工工
业”为特色.20 世纪 90 年代初,唐山市已基本完成
了震后恢复,正在经历重建,1995 年 GDP 达到 490
亿元,是地震前的 7.4 倍;1996 年,唐山跨入全国综
合实力五十强.唐山市一度担任着全国重要能源和
原材料基地的角色,并借助独特的资源、优良的海
港、深厚的工业基础,在 21 世纪初大量项目获批后
开始大规模投资,新建了 50 多个钢厂,迸发出新的
工业活力.但是,资源型工业受市场需求影响较大.
如水泥产业在 20 世纪 80、90 年代的经济热涨中获
得大发展,而在 21世纪初建设投资大规模起步时却
遭遇了市场低谷.再如唐山市财政收入的头把交椅
钢铁工业,目前也遭遇到了市场冷遇.虽然资源型产
业依赖大量资源投入,在早期较为粗放的增长方式
影响下,经济得以快速发展;但是一旦遇到市场波
动,资源投入的规模优势不再,唐山市经济发展必然
受到影响,必须通过经济转型或产业结构升级解决
问题.
3  讨    论
1992—2011 年, 唐 山 市 DMI 年 均 增 速 为
10􀆰 3%,2000年之后增长较快.DPO 年均增长 3.9%,
但是研究后期的增速逐步放缓.DMI 投入强度呈增
长趋势,DPO产出强度呈波动下降趋势.说明唐山经
济增长对物质投入的依赖性仍然较高,但污染排放
逐步改善.向量误差修正模型结果显示,唐山经济增
长 GDP 与 DMI、DPO之间的作用关系经历了由波动
到逐步平稳的过程,存在着长期稳定关系.脉冲响应
分析发现,资源投入和污染排放在短期内会对经济
发展起到较强的正向促进作用,但是长期来看,这种
作用会越来越小.经济发展受到自我规模效应的影
响逐步增加.方差分解分析将各指标对 GDP 的贡献
度予以分解,其中 DMI 的贡献度上升,GDP 的贡献
度下降,而 DPO的贡献度变化不大.总体上,唐山市
经济发展还较大程度依赖于物质投入,高能源消耗
又造成了环境污染.
物质的投入和产出将经济与环境系统紧密联系
在一起,而物质流分析将系统内外的物质流动和实
物变化给予定量化.通过这种量化研究,发现当经
济⁃环境系统在受到内外的结构性影响后,往往会产
生波动,但是系统会逐步消化这些影响,并对系统内
外指标进行短期的动态调整,最终使系统表现出一
种长期的均衡关系.需要说明的是,本研究结果均是
在 VAR 模型基础上建立协整方程的前提下计算所
得,所以,结果只能表明一种趋势.
唐山市的经济发展遵循了资源型城市的传统轨
迹.在长期看来,物质投入、产出对经济和环境的稳
定性影响不明显,或者说保持着一种稳定关系.但是
本研究结果表明,这种粗放型的生产方式不利于长
期稳定发展.作为再生型资源城市,唐山应根据国家
的战略定位,配合京津冀区域协调发展的历史机遇,
积极运用物质流分析手段,实行源头控制,转变增长
方式,实行清洁生产技术和循环利用技术,提高资源
利用效率,避免大量物质与能源在生产末端的附加
投入,从而大力降低资源投入及污染排放总量,从根
本上改善区域环境,促进区域经济的协调和可持续
发展.
物质流分析方法不包括经济系统内的物质流,
如不同部门的产品转移,其对系统内部是作“黑箱”
处理的.实际上,经济系统中每一环节的资源利用效
率和强度的大小对于区域社会经济环境的可持续发
展都是不可或缺的[12] .区域内物质输入总量(直接
物质输入量和区域内隐藏流的总和)和物质总需求
的减量,更能说明自然环境对经济系统总物质投入
的变化,因而具有更大的现实意义.所以,未来的研
究中应更加重视系统内外的物质关系研究,以更全
面地探索经济与环境的关系.
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作者简介  韩瑞玲,女,1984年生,博士,副教授.主要从事区
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责任编辑  杨  弘
2483 应  用  生  态  学  报                                      26卷