科技创新对黄河流域碳排放影响的门槛效应分析

姚彩慧,赵梦梨,苗成林,2

(1.安徽理工大学 经济与管理学院,安徽 淮南 232001;2.山东工商学院 工商管理学院,山东 烟台 264003)

2020年8月20日在扎实推进黄河流域高质量发展座谈会上,***总书记强调黄河流域要逐步形成新发展格局、践行我国科技和产业创新的新方向。黄河流域作为中国重要的地理区域,不仅对我国的经济和社会发展产生重大影响,而且在生态文明的共同建设中具有特殊和重要的战略地位。黄河流域在长期的发展过程中,流域内城市过度依赖资源开发带动经济增长,忽视了碳排放对生态环境的影响,成为黄河流域生态保护和高质量发展中亟需解决的现实问题。碳排放是影响区域经济发展的重要因素,也是衡量区域绿色低碳发展的关键指标[1]。科技创新可以促进经济发展方式的改善、能源结构的调整、产业结构的升级,从而达到降低碳排放的目的。黄河流域的生态脆弱性决定了其特殊的发展模式与科技创新支撑机制。充分考虑人口、经济、生态的综合影响,探究科技创新与黄河流域碳排放之间的发展关系,对于黄河流域推动生态环境保护和高质量发展及其“双碳”目标的实现具有一定的研究意义。

基于技术创新能力以及与其他不同应用领域相互关联的研究中,吴传清等[2]通过对地级市的城市面板数据分析进行实验调研表明,技术创新能够有效推动长江经济带城市群的绿色全要素生产力升级。上官绪明等[3]认为科技创新对经济高质量发展具有显著促进效应,同时还存在正向空间溢出。王旭霞等[4]运用静态和动态空间面板模型探究在科技创新调节变量的作用下环境规制对绿色经济高质量发展的影响。另外,关于碳排放的研究大部分集中在影响因素及时空分异特征两方面。陈诗一等[5]采用对数平均法对指标进行分解,从部门、行业和能源种类3个方面分析,提出了要紧紧围绕影响生产部门碳排放的各种因素开展碳减排政策设计。刘玉珂等[6]在分析了中部六省碳排放时空特征的基础上,运用经典回归收敛方法对区域差异进行收敛性分析。学者们对黄河流域的研究主要集中在水资源可持续利用 、高质量发展机制等方面。张宁宁等[7]以黄河流域为例,将计算的权重与熵权法进行比较,对2015年流域61个地市的水资源承载力状况进行了综合评价。郭晗等[8]通过发现黄河流域的高质量发展所面临的多重制约,提出以高质量的空间管理体系促进黄河流域的高质量发展。

综上,现有文献中关于科技创新与碳排放的研究主要集中在科技与经济、碳排放影响因素等方面,而从系统模型的角度开展研究较少。另外,关于黄河流域主要是研究资源利用及其发展机制,以黄河流域为研究区域分析科技创新对碳排放影响相对较少,尤其是从门槛效应的视角研究两者的相互影响作用关系较少。因此,文中通过分析科技财政投入与第二产业增值对碳排放的影响,提出相应的问题假设,并以此作为门槛变量,构建科技创新与黄河流域碳排放的门槛效应模型,再引入控制变量即受高等教育人口数量、对外出口贸易与工业烟(粉)尘排放量,通过分析科技创新与碳排放之间的相互作用关系,验证假设并提出相应的政策建议。

1 问题假设

科技创新通过加快企业的发展提高生态效率,对降低碳排放产生显著影响。一方面科技创新改变了产业结构和行业发展,将外部环境污染内部化;另一方面在实现经济效益的同时,也有助于改善环境质量,降低碳排放。科技创新具有明显的长周期、高风险甚至是很强的外部效应,导致其供给水平不能满足市场的需求。这一市场失灵很难通过市场纠正,这就突出了政府在科技创新中的干预与指导作用[9]。政府是推动科技创新的主要推动力,它可以从产业政策、财政等方面为科技创新注入动力,而科技财政投入具有针对性,也更具效率。但政府投入过低时,资源配置不足,会导致科技创新发展动力低效。

基于以上分析提出假设:

1)科技创新对碳排放强度具有显著正向影响。

2)科技财政投入较低时科技创新能力对降低碳排放的促进作用并不显著,科技财政投入较高时科技创新能力才能显著促进碳排放降低。

在过去的数十年中,黄河流域的第二产业一直是国民经济的主要发展方向,但是,第二产业的能耗较高,二氧化碳排放量也较大。第二产业对生态环境的消极影响使我国经济发展和环境保护的矛盾更加突出[10]。产业结构变迁存在显著的潜在减排贡献,因此,为促进黄河流域各企业高质量发展,就需要不断对产业结构进行优化升级。据此,提出假设:

3)第二产业增值增高对碳排放具有负向影响。

4)第二产业增值较低时对碳排放的影响作用并不显著,第二产业增值较高时对碳排放强度影响最为显著。

2 研究设计

2.1 数据来源

以黄河流域的9个省——上游:青海、四川、甘肃、宁夏;中游:内蒙古、山西、陕西;下游:河南、山东为研究对象。所用数据主要来源于2009—2021年各省统计年鉴、2009—2021年《中国统计年鉴》以及中国碳核算数据库。

2.2 变量说明

2.2.1 被解释变量——碳排放

碳排放是单位时间内二氧化碳的排放量,反映了随经济发展和科技进步二氧化碳排放量的变化。

2.2.2 核心解释变量——科技创新能力

规模以上公司R&D的内部开支基本呈现增长的态势,反映了被统计公司在报表年度内进行研发活动的力度,用此数据表示该区域的科技创新能力。

2.2.3 门槛变量——科技财政投入、第二产业增值

1)科技财政投入。政府及其相关部门为支持科技活动而进行的经费支出[11],科技财政投入越多表明政府对于区域科技创新越重视,在一定程度上反应政府对于科技创新的经济支持力度,因此,科技财政投入可以作为衡量区域科技创新能力变化趋势的指标。

2)第二产业增值。第二产业增值可以反映出其在国民经济中占比变化以及产业结构的变动,同时与其它行业相比,第二产业的碳排放量更大,对其影响也更显著,因此,用第二产业增值来衡量产业结构变化及对碳排放的影响。

2.2.4 控制变量——受高等教育人口数量、 工业烟(粉)尘排放量、对外贸易总额

为了避免遗漏变量导致内生性,在借鉴已有研究的基础上,加入了其他影响区域科技创新的因素,包括受高等教育人口数量、 工业烟(粉)尘排放量和对外出口贸易。

1)受高等教育人口数量。它可以表示地区规模人口数量的发展,用来反应各地方政府对于人才引进的强度,受高等教育人口数量作为“第二大人口红利”, 其中,人才集聚不仅可以推动地区发展,提升人力资本水平, 还能增强地区科技创新能力。

2)对外出口贸易。通过观察外商投资直观地了解区域对外商投资额的利用,外商投资一方面可以推动区域经济发展,另一方面也提高了区域科技创新能力,但过度投资导致第二产业过于聚集,也会给碳排放带来一定的影响。

3)工业烟(粉)尘排放量。指企业在生产过程中排放的烟尘及粉尘含量,此数据可以反映出该时间段企业生产对碳排放及环境变化的影响,进而反映出区域科技创新能力大小。

2.3 面板门槛模型构建

面板门槛模型具有“内生分组”的优势,可以较客观、准确地反映出各分组解释变量与被解释变量之间的相互作用关系,因此,文中参考Hansen 的门槛模型,综合考虑在人口、经济、生态等因素下科技创新对黄河流域碳排放的影响。单一面板门槛模型如式(1)所示,具体符号说明如表1所示。

表1 公式符号说明

CGct=α1GFEct+α2POPct+α3FETct+

α4SDEct+α5VSIct+β1RDct×I(RDct≤γ1)+

β2RDct×I(RDct>γ2)+μc+ωt+εct.

(1)

当确定存在单一门槛时,可以继续检验双重门槛的存在性,其模型设定如下

CGct=α1GFEct+α2POPct+α3FETct+

α4SDEct+α5VSIct+β1RDct×I(RDct≤γ1)+

β2RDct×I(γ1

I(RDct>γ2)+μc+ωt+εct.

(2)

3 结果分析

3.1 面板数据模型的检验

为了避免不同的变量产生异方差,首先采用对数法,再利用 stata.17对样本进行 Hausman检验,结果如表2所示, 其中,P为0.000,拒绝了原假设,表明选择固定回归模型更好,同时进一步说明科技创新对碳排放具有非线性影响。

表2 Hausman检验结果

3.2 时空演变分析

使用 ArcGIS 10.7软件绘制出2010年、2015年、2020年黄河流域的碳排放和科技创新指数时空变化图,为了更好地表达两项指标的阶段性变化,先求出3个年份的碳排放增长率和科技创新增长率,再按照比例将其分成0～5个等级来表示该时间段的数值强度。其中,随着等级的增加表示该时间段城市碳排放增加,也表示该时间段城市的科技创新能力的增加。运行结果如图1、图2所示。

图1 碳排放的时空演化

图2 科技创新能力的时空演化

由两图对比可得,随着科技创新能力的增加,碳排放呈现递减趋势。其中,2010—2015年各省的碳排放都呈现下降趋势,陕西省和四川省下降尤为明显,下降了2个等级,这表明在该时间段城市碳排放得到了很好地控制,各地区的科技创新能力在此期间呈现上升趋势。相反在2015—2020年,部分地区的碳排放出现了轻微上升,山东省、内蒙古自治区和陕西省都有不同层次的上升,同时其科技创新能力在一定程度上并没有得到提升。整体来看,科技创新能力增加的同时,碳排放同步降低,初步得出科技创新有利于降低碳排放。

3.3 门槛效应检验结果

首先检验门槛个数及估计值,如表3所示。以科技创新能力作为核心解释因素,科技财政投入和第二工业增值都通过1%的显著性检验,两个变量均存在双重门槛值,置信区间跨度较短,说明门槛估算较准确。根据门槛回归的结果得出不同区间值如表4所示,分析各门槛区间内不同城市的基本特征。

表3 门槛效应存在性检验

表4 门槛效应结果

首先从科技财政投入来看,在不同的科技财政投入水平下,科技创新能力对碳排放存在显著的双门槛效应,如图3所示,两个门槛值的 LR 统计量均落在临界值之下,表示门槛值有效,验证了假设1)。

图3 科技财政投入双重门槛LR

同时科技创新能力和碳排放之间存在“U”型曲线关系,验证了假设2)。

具体来看,当科技财政投入低于门槛值4.468 4(R&D≤r1)时,科技创新能力对降低黄河流域碳排放的影响系数为0.399;当科技财政投入高于门槛值4.468 4时,科技创新能力对黄河流域碳排放的影响系数为0.420,表明科技财政投入对降低碳排放的促进作用再次增高,由此看来当科技财政投入达到第二门槛值后,对黄河流域的碳排放起到的促进作用较为明显。

其主要原因在于:第一,中国十分重视通过加大研发投入促进科技发展,黄河流域科技财政投入在2009—2020年间由860.563万元增至3 140.638万元,十一年内总投入2.553亿元,随着中国自主创新能力不断提高,对科技创新能力的影响也逐渐增强。第二,随着研发投入强度不断增大,基础性研究工作没能跟上实际发展,导致对碳排放的影响逐渐减弱,但随着人才引进等措施的开展,使得黄河流域攻破了相关技术壁垒,科技创新所带来的原创性成果逐渐增多,研发投入结构逐渐合理,所以科技创新能力对碳排放产生了积极影响。客观描述科技创新能力对降低碳排放的影响在“挤入效应”与“挤出效应”的双重作用下,只有保持适当地支持科技创新能力才能对黄河流域碳排放起到最大的促进作用[9]。

另外在控制变量中,对外出口贸易的系数显著为正,近些年黄河流域各省随着进出口贸易额的逐年攀增,产生的经济利益使其忽视了与其他国家在技术、资源、人脉等各方面的深入交往,导致各省过于依赖和满足国外企业带来的商业投资行为,尽管各省对外出口贸易良多,但多数以制造业出口为主,最终对碳排放起到了负面作用。而工业烟(粉)尘排放量的减少在跨越门槛后对碳排放的作用逐渐增强,这一数值表示严格的环境规制倒逼制造业绿色化发展,产业结构不断升级,从而降低了碳排放。

从第二产业增值来看,同样存在双重门槛,如图4所示,两个门槛值的 LR 统计量均落在临界值之下,表示门槛值有效,验证了假设3)、4)。具体来看,在由两个门槛值划分的3个区间范围内,分别对应的系数为0.415、0.381、0.439。说明以第二产业增值为门槛变量时,在跨两个临界点前后,都会对碳排放的减少产生明显的负面作用,而当第二产业增值增大时,则会加剧碳排放。

图4 第二产业增值双重门槛LR

究其原因:一方面,黄河流域各个省份第二产业企业空间分布较为分散,企业间交流合作机制欠缺,企业竞争压力较小,产业链单一且不完善,同时第二产业企业存在规模扩张的集聚趋势。这个阶段下的制造业企业为了在短期内获得快速扩张,将迅速对区域内的自然资源产生消耗,超过生态环境的资源再生速度,导致碳排放增大,环境污染严重[12]。另一方面,第二产业企业此时规模较小,尚未具备充足的研发资金用于绿色技术攻关,导致生产经营过程中的污染排放量增加。此外,政府为追逐短期经济效益,进一步提升制造业集聚水平,对进入区域内的企业采取较为宽松的环境规制措施,因此,将吸引一批高能耗、高污染的制造业企业入驻集聚区,进而加剧碳排放。

另外,在控制变量中,黄河流域十年内高等教育人口数量的相关系数均为负,表明随着高等教育人口数量加大,对降低碳排放具有明显推动作用,人口的受教育程度提高代表高学历人才在劳动者中的比重增大,对于先进知识、技术的学习和利用能力增强[13],其有助于逆向技术溢出的吸收和扩散,进而促进中国科技创新能力,所以提升人才引进仍是各地规划重点,人才均衡分配能带动各地均衡发展。烟尘排放量的系数为负,表明应进一步加强黄河流域环境规制力度,完善相关生态环境保护法律法规和制度体系,以更严格的环境规制倒逼制造业绿色化发展。产业结构的改变和升级对碳排放改善具有重要影响,一个地区的产业结构升级在保证经济发展水平稳步提升的同时,更要注重绿色科技技术创新[14]。随着第三产业占比的提升,高污染高排放的产业占比减少,进一步说明目前制造业转型升级初见成效,清洁型企业占比逐渐提升,进而促进环境污染排放的减少。

3.4 稳健性检验

采用可变替代法进行数据的稳健性检验,并对其核心解释变量进行替换,以专利授权数量为新的技术创新指标。表5显示了替换变量后的回归结果。即使是变更了因变量,该模型的结果并未显著改变,因此,认为文中的模型稳健。

表5 稳健性检验结果

4 结论与建议

4.1 结论

综合考虑在人口、经济、生态等因素下科技创新对黄河流域碳排放的影响,利用ArcGIS作出黄河流域碳排放和科技创新指数时空变化图,采用门槛回归模型进一步探讨科技创新能力对碳排放影响的门槛效应,基于可变替代法进行数据的稳健性检验,最后得出以下结论:

1)科技创新能力对碳排放存在关于科研投入和第二产业增值的双门槛效应。在不同门槛区间内呈现显著的差异性特征,跨过一定门槛值后均对碳排放具有显著作用。

2)在2009年至2020年期间,黄河流域各省对科技投入逐年增加,碳排放同步降低,其受科技创新能力影响呈现先减弱后加强的趋势。其中,对外出口贸易水平的提高对碳排放具有负向作用,但随着产业结构不断升级,工业烟(粉)尘排放量的减少对降低碳排放的作用逐渐增强。

3)当第二产业增值上升时,其与碳排放呈负相关。虽然黄河流域的主要经济支柱之一是第二产业,但它给黄河流域脆弱的生态环境造成了越来越大的不利影响。同时随着受高等教育人口数量的变化可知,人才引进能够影响科技创新能力的提高,一定程度上可以降低碳排放。

4.2 建议

1)与第二产业相关的行业应该加强绿色科技创新,积极响应国家号召采取合适的减排措施。一方面,主动提升碳绩效水平和增加研发投入,加快产业结构升级,实现低碳转型;另一方面,发挥企业创新主体的作用,深入开展绿色技术攻关,加强以绿色专利为主的低碳技术成果应用,将低碳发展与绿色科技创新纳入长期发展规划[15]。

2)政府首先应加大环保宣传力度,通过市场规范,确立行业碳排放标准,积极推动我国碳市场建设,为企业减排创造有利条件。其次,应加大科技研发资源和人力资本投入,落实人才引进政策,加强对人才的吸引。最后,对外出口贸易并不是越高越好,在达到一定水平后同样会使政府投资低碳效应减弱,所以可以适当引资,充分发挥外资的规正效应,避免外商盲目投资。

3)各地区之间应加强信息流动,构建完整的信息交流平台,避免出现同产业聚集效益,加强区域科技合作、产业科技合作,根据规划目标,促进区域内外经济和碳排放的协调发展,进而实现“共赢”和“低碳”的转变。