摘要
全球气候变化背景下,造纸行业资源环境利用效率亟待提升,本研究基于2010—2019年美国、中国、日本、巴西和加拿大5个造纸大国的面板数据,采用包含非期望产出的超效率(SBM)模型测算了造纸行业的生态效率,选用Malmquist-Luenberger(ML)指数模型探索其时间变化特征。结果表明,各国家造纸行业生态效率差异大且各具不同演变特征:美国、日本、巴西、加拿大、中国造纸行业的生态效率10年均值分别为0.932 7、0.895 1、0.754 1、0.485 3、0.346 2。美国造纸行业生态效率呈现波动上升的“W”型变化态势;中国造纸行业生态效率呈现逐年递增的变化态势;日本和巴西的造纸行业生态效率呈现先下降后上升变化态势;加拿大造纸行业生态效率呈现先下降后平稳变化态势。各国家造纸行业生态效率变化受到效率改进和技术进步的影响程度存在差异:美国、日本、巴西和加拿大4个国家造纸行业生态效率的ML 指数受技术进步(TC)指数的影响更大,中国则受到效率改进(EC)指数的影响更大。表明资源利用和管理极大地影响着生态效率的高低,同时政策和市场带来的影响也是巨大且可持续的。最后从技术革新、资源利用管理以及污染物防控等方面提出了造纸行业的未来发展建议。
当前全球气候变化形势严峻,造纸行业作为全球第四大能源消耗行
近年来,国内外学者对造纸行业开展了诸多方面研究并取得了显著进展,包括能耗管
效率评价的方法包括比值
研究尺度方面,造纸行业的效率研究多集中于企
美国、中国、日本、巴西和加拿大5个国家在全球造纸产业中占据着举足轻重的地位。根据2010—2019年典型年份的浆纸产量均值数
自Ton
(1) |
;
式中,表示生态效率(,值越大,表示该决策单元的生态效率值越大,当<1时,表明该决策单元的生态效率相对无效,当1时,表明该决策单元的生态效率相对有效;、、分别表示投入、期望产出和非期望产出;、、分别表示投入、期望产出和非期望产出对应的松弛变量;表示权重向量;p表示待评价单元;m、n、s、o分别表示投入、评价单元、期望产出和非期望产出的个数; Si、Sq、Sr分别表示第i个投入的松弛变量、第q个非期望产出对应的松弛变量、第r个期望产出对应的松弛变量;s.t.表示约束条件(subject to的缩写);xip表示第p个评价单元对应的第i个投入。
由于包含非期望产出的超效率SBM模型测算出来的效率是静态的,本研究采用ML指数分析各造纸大国的行业生态效率动态变化趋势,该指数由Malmquist指数扩展而来,Luenberger在Malmquist的基础上,将非期望产出纳入模型,可广泛应用于测度生产率、生态效率的动态变化。另外,ML指数可以进一步分解为效率改进EC(Efficiency Change)指数和技术变化TC(Technical Change)指数。其中,EC指数能够反映相同技术水平情况下,评价单元的资源利用效率变化;TC指数能够反应相同生产效率情况下,技术水平的变化。数学表达式见
(2) |
ML指数=1,则表示在t至t+1年内,该评价单元的生态效率没有变化;ML指数>1,则表示在t至t+1年内,该评价单元的生态效率得到了提升;ML指数<1,则表示在t至t+1年内,该评价单元的生态效率下降。EC指数>1,则表示在t至t+1年内,该评价单元在技术不变的情况下,资源利用效率得到了提升;EC指数<1,则表示在t至t+1年内,该评价单元的资源利用效率下降。TC 指数>1,则表示在t至t+1年内,该评价单元的生产技术得到了提升;TC指数<1,则表示在t至t+1年内,该评价单元生产技术衰退。
本研究采用包含非期望产出的超效率SBM-ML模型来测算美国、中国、日本、巴西和加拿大等5个造纸大国的生态效率,遵循综合性、可代表性、可量化性和可获取性原

图 1 造纸行业全局超效率SBM模型测算框架
Fig. 1 Framework for calculating global super-efficiency SBM model in the paper industry
本研究数据涉及10年、5个国家造纸行业的生产、经济、生态相关面板数据,劳动力、产值、能源消耗量、固定资产投资、二氧化硫排放量、氮氧化物排放量等指标数据分别来自各个国家的统计年鉴、劳动力统计年鉴、国家能源平衡表、环境统计年鉴、经济分析年报、年度工业调查报告、造纸工业年鉴、空气污染物排放报告、空气污染物排放清单、温室气体排放和碳汇清单等,由于部分国家缺少行业二氧化碳排放数据,为保证数据来源、核算方法的一致性,采用了Dai
由于不同国家的统计标准以及统计周期不同,因此需要对数据进行统一单位和插值等处理。能源消耗量指标数据方面,5个国家的计量单位存在差异,因此本研究通过收集各国家计量单位对应的燃料热值数据进行单位换算,最后统一为热值计量。同时,为消除物价波动因素带来的干扰,反映真实的经济社会发展动态,本研究通过收集2010—2019年的通货膨胀系数以及各国家币种对美元换算系数(数据源自世界银行集团),计算换算系数,进而将不同国家2010—2019年的造纸行业固定资产投资、产值换算成2015年美元不变价格。由于部分国家年报披露周期导致的数据个别缺失情况,本研究采用已知的长时间序列数据进行拟合,获取线性回归方程后计算出缺失值。
本研究选取了2010年、2015年和2019年造纸行业产量(纸产品和纸浆产量之和)位于前5的国家——美国、中国、日本、巴西和加拿大为研究对象,这些国家的造纸行业受到资源禀赋、技术水平、市场需求和政策环境的影响而各具特点。10年来,5个国家的造纸行业产量约占全球造纸业产量50%以上,具体情况见
国家 | 2010年 | 2015年 | 2019年 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
纸和纸板 | 纸浆 | 合计 | 纸和纸板 | 纸浆 | 合计 | 纸和纸板 | 纸浆 | 合计 | |
美国 | 7 585 | 4 924 | 12 509 | 7 267 | 4 776 | 12 043 | 6 912 | 4 527 | 11 439 |
中国 | 9 270 | 2 005 | 11 275 | 10 710 | 1 646 | 12 356 | 10 765 | 1 856 | 12 621 |
日本 | 2 729 | 939 | 3 668 | 2 623 | 869 | 3 492 | 2 539 | 837 | 3 376 |
巴西 | 980 | 1 406 | 2 386 | 1 036 | 1 740 | 2 776 | 1 065 | 1 975 | 3 040 |
加拿大 | 1 279 | 1 854 | 3 133 | 1 032 | 1 655 | 2 687 | 1 018 | 1 631 | 2 649 |
全球 | 39 390 | 18 560 | 57 950 | 40 760 | 17 877 | 58 637 | 41 246 | 18 303 | 59 549 |
为更好剖析各个国家的生态效率变化背后可能存在的原因,本研究事先对原始数据进行了特征分析。基于原始数据计算了2010—2019年5个国家的平均单位产值能耗(TJ/亿美元)、单位产值劳动力(人/亿美元)、单位产值固定资产投资(亿美元/亿美元)、氮氧化物排放强度(t/亿美元)、二氧化硫排放强度(t/亿美元)和氮氧化物与二氧化硫比值(NOx/SO2)等共8个特征指标,具体分析如
指标 | 国家 | 10年平均值 | 排序 |
---|---|---|---|
产值/亿美元 | 美国 | 1 825.69 | 1 |
中国 | 1 259.10 | 2 | |
日本 | 652.89 | 3 | |
巴西 | 232.31 | 4 | |
加拿大 | 162.32 | 5 | |
单位产值能耗 /(TJ·亿美 | 美国 | 1 203.83 | 3 |
中国 | 942.57 | 4 | |
日本 | 805.07 | 5 | |
巴西 | 2 191.40 | 1 | |
加拿大 | 1 258.57 | 2 | |
单位产值劳动力 /(人·亿美 | 美国 | 192.79 | 4 |
中国 | 560.81 | 2 | |
日本 | 39.12 | 5 | |
巴西 | 817.32 | 1 | |
加拿大 | 350.71 | 3 | |
单位产值固定资产投资 /(亿美元·亿美 | 美国 | 0.042 11 | 4 |
中国 | 0.330 69 | 1 | |
日本 | 0.054 53 | 3 | |
巴西 | 0.090 48 | 2 | |
加拿大 | 0.041 28 | 5 | |
氮氧化物排放强度 /(t·亿美 | 美国 | 40.07 | 4 |
中国 | 164.38 | 2 | |
日本 | 72.41 | 3 | |
巴西 | 29.05 | 5 | |
加拿大 | 181.93 | 1 | |
二氧化硫排放强度 /(t·亿美 | 美国 | 15.02 | 5 |
中国 | 202.81 | 1 | |
日本 | 22.07 | 4 | |
巴西 | 58.41 | 3 | |
加拿大 | 149.65 | 2 | |
二氧化碳排放强度 /(万t·亿美 | 美国 | 3.60 | 5 |
中国 | 14.65 | 1 | |
日本 | 3.76 | 4 | |
巴西 | 4.55 | 3 | |
加拿大 | 5.64 | 2 | |
NOx/SO2 | 美国 | 2.72 | 2 |
中国 | 1.12 | 4 | |
日本 | 3.50 | 1 | |
巴西 | 0.50 | 5 | |
加拿大 | 1.22 | 3 |
由

图 2 2010—2019全球5个国家造纸行业特征指标趋势图
Fig. 2 Trend of characteristics index of the paper industry in five countries from 2010 to 2019
基于包含非期望产出的超效率SBM模型,利用R编程计算得到5个国家2010—2019年造纸行业的生态效率值,见
国家 | 2010年 | 2011年 | 2012年 | 2013年 | 2014年 | 2015年 | 2016年 | 2017年 | 2018年 | 2019年 | 均值 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
美国 | 1.014 3 | 0.910 2 | 0.838 9 | 0.877 9 | 0.893 6 | 1.007 3 | 0.810 5 | 0.895 9 | 1.039 1 | 1.039 6 | 0.932 7 |
中国 | 0.203 2 | 0.213 7 | 0.215 0 | 0.198 0 | 0.205 9 | 0.213 9 | 0.241 8 | 0.350 0 | 0.587 4 | 1.032 9 | 0.346 2 |
日本 | 1.013 3 | 1.005 4 | 1.005 9 | 0.822 7 | 0.754 2 | 0.826 1 | 0.789 9 | 0.799 0 | 0.900 2 | 1.034 0 | 0.895 1 |
巴西 | 1.009 1 | 0.879 1 | 0.769 0 | 0.724 5 | 0.590 2 | 0.585 4 | 0.577 5 | 0.625 7 | 1.010 5 | 0.770 5 | 0.754 1 |
加拿大 | 1.026 3 | 0.424 7 | 0.416 4 | 0.400 1 | 0.388 0 | 0.462 8 | 0.511 5 | 0.438 7 | 0.426 6 | 0.358 0 | 0.485 3 |
根据

图 3 2010—2019年全球5个国家造纸行业生态效率值
Fig. 3 Ecological efficiency values of the paper industry in five countries from 2010 to 2019
美国造纸行业以其先进技术和自动化水平闻名,造纸行业的发展相较成
中国造纸行业发展迅速,已成为世界上最大的纸张生产和消费国。由于中国造纸行业当前正处于结构调整和升级阶段,生产能力高,但能源利用率较低、生产自动化水平低、污染物排放强度大,尤其是二氧化硫的排放强度,表明高度依赖煤炭,清洁能源使用度低且当前采用的环保技术亟待革新,上述因素的综合影响导致中国造纸行业的生态效率低下,平均值为0.346 2,排在第5位。2010—2019年期间,中国造纸行业的生态效率呈逐年递增趋势,这得益于中国在技术改进、政策法规制定和资源管理优化等方面做出的持续努力,一方面是通过引入高效的生产设备和清洁技
日本造纸行业以高质量的纸板生产为主,注重品质、技术创新以及资源的高效利用与节约,注重减少生产过程中的污染排放。单位产值能耗在5个国家中最低,表明能源结构相对更为合理,能源利用率相对更高,生产技术相对更为先进,NOx/SO2的比值也能体现这一点,日本的NOx/SO2比值最高,这是因为日本更多依赖核能和天然气,导致NOx的排放相对SO2较高,同时日本又推广低硫燃料的使用和高效脱硫技
巴西造纸行业以纸浆生产为主,注重森林的可持续管理,丰富的森林资源使其成为全球主要的纸浆出口国。巴西造纸行业的生态效率平均值为0.754 1,相对较低,排在第3位,这与其能源利用率相对较低、劳动力依赖程度高、生产自动化程度较低相关。2010—2019年期间,巴西造纸行业的生态效率呈现先下降后上升变化趋势,转折点在2016年,这与巴西在2016年前进行的政策改革和技术改进以及规模扩张有关,由于前期造纸行业规模不够集中,技术较为落后,因此需要投入资本与时间来扩张和革新技术,加之政策辅助,2012年颁布并实施森林管理法,政府引导企业不断重视提升原料的可再生
加拿大也是全球较大的纸浆生产国和出口国,拥有丰富的森林资源。用于制浆的树种资源虽丰富,但生长周期长,后续制浆工艺污染严重,带来的大量氮氧化物污染物排放,加上不断下降的产值,相对最低的固定资产投资,较落后的生产自动化装备,综合导致加拿大的造纸行业生态效率较低,平均值为0.485 3,排在第4位。2010—2019年期间,加拿大造纸行业的生态效率呈现先下降后逐年平稳趋势, 一方面受电子媒介的加速发展,报纸和杂志用纸等纸张需求缩
巴西和加拿大同为纸浆制造大国,均坐拥丰富的自然资源,前者制浆原料主要为快速生长树种,如桉树;后者制浆原料主要是制浆工艺排放污染高、生长周期长的树种,如松树、杉树等,再加上森林资源可持续的管理水平差距,市场占比份额的反向变化,导致2个国家的生态效率值及其变化存在巨大差距。政策带来的影响是巨大且可持续的,中国造纸行业生态效率的不断提升就是一个很好的例证,与苏世伟
为刻画5个国家造纸行业生态效率动态变化情况,基于ML指数模型,计算了2010—2019年期间的生态效率ML指数,并将该指数进一步分解为效率改进(EC)指数和技术进步(TC)指数,结果如
国家 | ML均值 | EC均值 | TC均值 |
---|---|---|---|
美国 | 1.007 6 | 0.995 8 | 1.011 5 |
中国 | 1.396 2 | 1.342 5 | 1.071 8 |
日本 | 1.025 8 | 1.001 2 | 1.024 5 |
巴西 | 1.001 7 | 0.999 4 | 1.001 5 |
加拿大 | 0.948 6 | 0.980 3 | 1.047 5 |
由
将2010—2019年5个国家造纸行业的ML、EC和TC指数值绘图,见

图 4 2010—2019年全球5个国家造纸行业ML、EC、TC指数
Fig. 4 ML、EC and TC values of the paper industry in five countries from 2010 to 2019
根据各国的ML指数及其分解指数结果,本研究综合分析5个造纸大国的生态效率表现如下:首先,从美国造纸行业的ML指数(平均值为1.007 6)来看,其生态效率呈现总体上升趋势。TC指数>1>EC指数,表明该国生态效率的提升主要得益于技术进步,而资源利用效率方面则相对滞后,尚有进一步优化空间。中国的造纸行业虽然生态效率较低,但其ML指数最高(平均值为1.396 2),表明中国造纸行业生态效率的提升幅度显著。具体来看,EC指数>TC指数>1,这表明中国在资源利用效率和技术进步方面均取得了改进,且资源利用效率提升对ML指数的贡献更大。EC指数>1,表明在技术水平不变条件下,中国通过规模扩展和资源利用潜力挖掘提升了资源效率。日本造纸行业的ML指数>1(平均值为1.025 8),表明整体生态效率有所提高。TC指数>EC指数>1,表明日本在资源利用效率和技术进步方面均有进展,并且技术进步是提升生态效率的主要因素。巴西造纸行业的ML指数>1(平均值为1.001 7),反映了整体生态效率的提升。TC指数>1>EC指数,说明巴西生态效率的提升主要受技术进步的驱动。然而,EC指数<1表明资源利用效率仍然欠佳,在不改变现有技术水平的情况下,资源利用尚需优化。最后,加拿大是5个国家中唯一1个ML指数<1的国家,这意味着其造纸行业的整体生态效率呈现下降趋势。TC指数>1>EC指数,表明技术进步对生态效率的提升有一定贡献,但资源利用效率较低且对ML指数产生了负面影响。值得注意的是,加拿大的ML、EC和TC指数波动较大,推测这可能是政策出台激励管控与行业外部竞争相互博弈带来的结果。
从5个国家的ML指数及其分解指数也可看出,不同国家ML指数受EC指数和TC指数的影响程度不尽相同,中国的ML指数更多受EC指数的影响,与YU
本研究采用包含非期望产出的超效率SBM模型计算了2010—2019年美国、中国、日本、巴西和加拿大5个国家造纸行业的生态效率,并计算了ML指数及其分解指数EC、TC来探究生态效率的动态变化以及背后的效率变化和技术进步。
4.1 各国家造纸行业生态效率差异大且各具不同演变特征。2010—2019年期间,美国和日本造纸行业的生态效率值较高,10年均值分别为0.932 7、0.895 1,巴西为0.754 1,加拿大和中国较低,分别为0.485 3和0.346 2。美国造纸行业生态效率呈现波动上升的“W”型变化态势;中国呈现逐年递增的变化态势;日本、巴西呈现先下降后上升变化态势;加拿大呈现先下降后逐年平稳变化态势。
4.2 各国家造纸行业生态效率变化受效率改进和技术进步的影响程度不同。2010—2019年期间,美国、中国、日本和巴西4个国家造纸行业生态效率得到了整体提升,加拿大则相反呈下降态势。美国、日本、巴西和加拿大4个国家造纸行业生态效率的ML 指数受技术进步(TC)指数的影响更大,中国则受到效率改进(EC)指数的影响更大。
4.3 资源利用和管理极大影响着生态效率的高低。巴西和加拿大均拥有丰富的森林资源,巴西主要为速生木,加拿大为长周期树种,巴西在森林资源管理方面更注重可持续性,导致2个国家造纸行业在能耗、制浆工艺和和污染物排放等方面差异显著,进而导致生态效率差异大。
4.4 政策和市场带来的影响巨大且可持续,2010—2019年期间,中国造纸行业的生态效率逐年上升,得益于政府不断强化环保政策和清洁技术的应用与革新。美国、日本和巴西3个国家造纸行业的生态效率值呈现波动变化,以及加拿大造纸行业的ML指数及其分解指数也呈波动变化,反映出政策引导和市场竞争之间相互博弈。
基于本研究的研究结果和分析,结合不同国家特性,从技术革新、政策法规制定、资源利用管理以及污染物防控等方面提出造纸行业未来发展建议如下。
5.1 推广清洁生产技术的研发与应用。鼓励不同国家造纸企业采用相较之前更为环保的生产工艺,降低能源消耗和污染物排放。中国造纸行业应加快推广低碳燃料和清洁生产技术的应用,美国造纸行业建议进一步推广高附加值的纸制品,日本造纸行业建议继续强化低硫燃料的应用和脱硫技术的创新,巴西造纸行业应重点研发与速生树种相适配的清洁生产技术,加拿大造纸行业应加大技术研发投资,重点引进和发展低能耗、低污染的生产工艺。另外,各个国家应加快智能化和数字化转型,加强信息技术在造纸行业生产活动中的应用,提升生产效率和资源利用率。
5.2 优化资源利用与管理。不同国家需差异性进行优化原料使用或替代,强化森林可持续管理,鼓励使用可再生原料,减少对自然资源的过度开发,尤其是加拿大的造纸行业,需特别注重可持续管理,推广使用速生木材和再生纤维,提高资源利用率。各个国家还应加强废物管理,建立循环经济利用模式,鼓励纸张的回收再利用。
5.3 强化污染物防控治理。不同国家需针对性加强污染物监测与评估,建立健全污染物在线排放监测系统,尤其是氮氧化物、硫化物和有机废水的排放监控,获取企业排放的实时数据,确保其符合各个国家和地方的环保标准。同时,各个国家应加大力度鼓励企业使用太阳能、风能、生物质能等可再生能源替代化石燃料,减少生产过程中的污染物排放。另外,还应加强企业社会责任感,组织举办大型环保活动,提升企业在环境保护方面的责任意识。
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