Empirical Research on the Evolution of Relationship Between Energy and Economic Development in Guangdong

广东省作为中国改革开放的前沿地区，以其优越的地理位置、开放的市场环境和创新的经济政策，成为了中国经济的重要引擎。2022年为止，广东省经济总量连续34年居全国第一，并与韩国、俄罗斯、加拿大等许多中等发达国家基本相当。广东省经济以制造业为主导，拥有强大的制造业基础和完善的供应链体系，而制造业的快速发展带来了对能源的巨大需求和依赖。能源作为保障广东省经济持续发展的基础支撑，对广东省的经济增长、产业结构调整和社会发展产生了深远的影响。因此，深入探究广东省能源消费与经济发展的关系，对于制定科学的能源政策，推动经济、能源协同高质量发展具有重要现实意义。

文章旨在通过对广东省能源消费与经济发展之间关系的实证分析进一步揭示两者之间底层逻辑的变化规律，为政策制定和产业规划提供启示和参考。文章结构安排如下：首先回顾总结文献中对能源与经济关系的研究成果和相关结论；其次展示研究使用的相关指标数据并结合发展历史和政策、形势背景进行初步分析；之后使用围绕格兰杰因果关系检验的一系列数学统计方法对广东省能源与经济关系进行定量分析；最后提炼总结研究成果并提出促进广东省能源高质量发展的建议。

近年来国内外对于能源消费与经济和工业发展关系的研究主要集中于在宏观层面分析经济指标、能源、电力等因素之间的定性关系与互相作用形式的理论的定性分析与使用数学和统计工具描述各指标变量间的相关性和因果性的定量分析。历史上初次研究能源消费与经济发展关系的概念在1978年于美国被J. Kraft和A. Kraft在一篇影响深远的论文^[1]中提出。在当时，各国工业在快速发展期，能源消费与经济发展的“脱钩”进程尚未开始，世界的主流观点为能源消费导致了经济增长。在此背景下，作者尝试使用当时新近提出的Granger-Sims因果性检验验证美国战后近30年（1947－1974）间总能量输入（Gross Energy Input），即全部能源消费所释放的总热值与GNP之间的关系，并发现统计学上能源与经济关系的因果性方向与主流观点相反，即GNP增长单向导致了能源消费的提高。在国内，中国科学院韩智勇^[2]等使用类似方法首次进行以中国大陆为对象的能源和经济之间的关系研究，并发现1978年改革开放后中国能耗和经济存在双向的因果关系。国内外对于能源消费与经济发展间关系的研究成果较为丰富^[3-6]，多是基于目标经济体在某段历史时期内的经济和能源相关指标等实证结果反推而来。但由于选用数据集、计量经济学方法论的不同，加上各国家和经济体的能源结构、产业构成、政治和经济特色区别，学术界对于能源的发展、消费与经济的相关性并没有统一的主流理论，而很多的研究成果由于使用方法和数学模型的不同甚至得出相反的结论^[7]。Chen等^[8]通过研究10个高速发展中的亚洲国家和地区发现各国GDP和电力消耗间的因果性关系受到各国能源政策、文化和经济结构的影响十分显著。

目前已经有部分以广东省为研究对象的学术成果。钟式玉等^[9]使用stata软件对GDP、出口、消费与用电量的年度数据建立多变量回归模型分析电力消费增长的驱动因素；李猛等^[10]通过对比近年产业与能源数据研究与能源政策与经济和能耗的定性关系；Lü等^[11]使用Granger检验分析了省内装机容量、能耗与GDP的关系；Yan等^[12]研究了1985－2006年间一次能源消费与人民银行信贷数据间的协整关系。文献[13-16]中使用包括协整性、误差修正模型、Granger检验等方法对全省能源消费和经济总量进行建模分析。曾乐民等^[17]总结了广东能源与经济的历程和发展阶段。大部分现有研究成果存在以下局限性：（1）仅使用统计年鉴中的年度总量数据，样本量较少，无法充分反映指标间的动态关系，也使定量分析结果置信度不足；（2）大部分文献中由于研究时间较早，数据源多截止到2012年，而随着“十二五”以来广东省进入工业化后期经济结构改变并大力推进清洁能源发展，能源与经济关系的底层逻辑已经发生变化，有必要使用近年的最新数据进行再评估并验证之前的结论。

改革开放前，广东省经济基础较弱，工业化水平低，农业仍然占据主导地位。1978年广东省第一产业占比近30%，人均GDP仅为370元，低于381元的全国人均水平。改革开放政策的实施为广东省带来了巨大的发展机遇，广东通过一系列的经济体制改革和政策创新，积极引进境外资金和技术，鼓励发展民营经济，并充分利用人力和市场优势推进了本地的工业化进程并建立了完整的工业体系。图1展示了改革开放以来广东省GDP和产业结构的演进趋势。在改革开放初期（1979－1990）年均GDP增长约13%，大大高于新加坡、日本、韩国等新兴亚洲国家发展初期的年均增速。以1992年邓小平南巡为标志的进一步开放和市场化改革带领广东经济进入再次起飞期，GDP总量在2000年首次达到1万亿元，2019年超过10万亿元，历年增速均保持在两位数以上。

Figure 1.  Nominal GDP and industrial structure of Guangdong Province from 1978 to 2022

在经济高速发展的过程中，广东省的产业结构也经历了显著的演进和升级过程，通过引进外资和技术、加强基础设施建设和人才培养等手段，从改革开放前以传统农业和轻工业为主导的经济体系过渡到以电子信息产业、汽车制造、机电装备制造等高技术高附加值产业为核心的工业化后期阶段。21世纪以来，广东省第三产业也得到迅速发展，逐步形成了以制造业为主，金融、信息、科技创新等现代服务业与制造业并重的产业结构。从图1可以看出，2000年后第二产业增速慢于第三产业增速，2013年第三产业占比首次超过第二产业，而2020年后第二产业占比又逐渐回升。鉴于广东省以实体经济为本，坚持“制造业当家”的发展规划，未来二产向三产转变的空间不大，而产业结构演进的趋势将以内部的迭代升级为主。

广东省既是能源消费大省，又是资源小省，能源消费居全国首位。改革开放以来，能源消费量增长明显，消费结构变化显著。图2中展示了广东省1990－2021年的终端能源消费总量与结构。1990年全省能源消费3936万吨标准煤，到2021年接近3.6亿t，提高近9倍。

Figure 2.  Total final energy consumption and composition of Guangdong Province from 1990 to 2021

从能源消费量看，1990－2000年基本延续了改革开放初期的稳定增长趋势，年均能源消费增速8.3%。进入21世纪，受亚洲金融危机影响，广东省工业开始“适度重型化”，制造业向外向型转变，高耗能产业快速扩张与产量增大，能源消费量迎来一段快速上升的陡坡期，年均增速达13.7%。2010年后由于工业化体系基本成型，已经过渡到以第三产业为主的经济结构，能源需求增速放缓，2011－2021年均能耗增速下降到3.4%。今后由于广东省众多钢铁、石化等高耗能项目即将投产，预计能源需求仍有较大增长空间，“十五五”后能源消费总量将达4.8亿t标准煤左右。

能源结构方面，1990年原煤、油品、电力分别占总消费量的33.6%、22.4%、33%。2000年前随着电力基础设施建设逐渐完善，终端原煤消费占比稳定下降，2000－2010间的制造业高速发展期有小幅回升并在15%左右波动，2010年后再次下降至2021年的5.2%。油品消费总体变化不大，2018年后随着新能源汽车市占率高速上涨，油品占比下降趋势增快，预计今后将保持下降趋势。到2021年，终端电力消费已超60%，反映了电能替代的推广成果。

改革开放以来，广东省经济产业完成了从以农业和手工业为主的工业化起步阶段完成了向服务业、高端制造业不断壮大的工业化中后期的转型。在此过程中，能源消费与经济发展的关系也经历了数次转变。

图3对比了1990－2021年能源、电力消费与GDP的增速变化。从图中可见，1990－2002年间，能源消费增速小于GDP增速，变化趋势相关性强；电力消费在2000年左右由于电力基建陆续投产，缺电形势得到缓解，短期内增速大幅上升。2002年前后的制造业扩张期间能源与电力消费增速均超过GDP增速，其后又回落到GDP增速之下。2020年由于新冠疫情，各增速均有显著下跌，次年由于疫情控制成功及出口需求增长出现明显反弹。

Figure 3.  Constant-price GDP (2020 equivalent) and energy/electricity consumption growth rate of Guangdong Province from 1990 to 2021

消费强度的变化也反映了能源与经济关系的发展趋势。图4展示了广东省1990－2021年的能源与电力消费强度，其中包含了与图2、图3类似的发展阶段特征：1990－2002年间能源强度基本平稳降低，年均下降约5%，电力消费强度先降后升。2002开始能源强度随着高能耗工业大力建设有所回升，直到2007年才再次回到2001年水平，之后年均下降约4.5%。2020年开始，一系列推动制造业的政策与二产占比回升也造成了能耗强度降速放缓与电耗强度上升。相对于其他地区，广东能效在全国内处于先进水平，2020年能耗强度不到全国平均水平2/3；与发达国家相比（以2020年折算，美元-人民币汇率按6.7），约是美国的1.15倍，日本的1.58倍。鉴于近年省内重大高耗能项目规划增加造成能源需求上升，预计广东总体能耗强度短期下降空间不大，能源转型方向将以能源结构低碳化、用能清洁化为主。

Figure 4.  Energy/electricity consumption intensity of Guangdong Province from 1990 to 2021

由于统计部门对于不同类型数据的统计周期和公开程度各有不同，而使用数据进行实证分析需要各数据变量的周期、时间跨度和口径保持一致。文章根据数据的可用性，使用程序从广东省统计年鉴和广东省统计局每月发布的统计报告中选择收集了不同颗粒度的数据变量。表1总结了文章中使用的数据情况。

文章使用Granger因果性检验和协整检验对广东省能源消费与经济发展相关指标数据进行分析。在分析前首先对数据进行预处理，其中包括将所有经济指标根据历年广东省GDP指数统一折算为2020年不变价，并对时间序列进行预处理以增强平稳性。之后，对每个变量分别进行增广式迪基-富勒（Augmented Dickey-Fuller，ADF）检验以验证各变量的平稳性并根据输出P值选择最优差分阶数，再使用Johansen协整检验进一步验证变量间是否存在长期均衡关系。根据结果确定各数据平稳性与协整关系后，使用Granger检验对时间跨度与周期相同的每一对指标变量间的因果性关系进行逐个分析，根据结果中的各方向P值判断各变量间是否存在统计意义上的显著关系并产生结论。

根据上一章中对原始数据的分析结论结合各输入数据的可用性和采样周期，文章将数据分为两组进行分别研究：（1）使用1990年进一步改革开放以来的年度能源消费与GDP数据分析广东省工业化期间能源消费与经济发展的关系；（2）使用2010年至今的全行业及工业的月度增加值、电力消费数据分析工业化中后期能源与产业快速转型升级期间电力消费与制造业发展的关系。

本研究在Python环境中使用requests、pandas进行数据收集和预处理，使用statsmodels扩展包^[18]进行各种统计学检验和模型参数计算。

本节中使用广东省1978－2022年的GDP及能源数据进行分析，如表2所示。其中能源、电力消费来自于各年广东省统计局统计年鉴^[19]的“7-5分行业能源消费总量和原煤、电力消费量”表格，GDP数据使用名义GDP结合统计年鉴中各年GDP指数进行折算。在分析前，首先使用ADF检验测试各数据的平稳性并根据结果选择合适的预处理手段。

根据表2中检验结果，3个变量指标均在取自然对数并二阶差分后平稳，故选择采用对所有变量取自然对数并做二阶差分的前处理步骤。下一步对原始变量之间分别做协整检验并验证是否存在长期均衡关系。表3中Johansen协整检验结果表明各原始变量间的协整迹统计量均没有达到5%显著性标准，说明根据协整检验能源、电力与GDP之间不存在显著的长期均衡关系。

接下来从Granger检验的角度分析各变量间的因果性关系。Granger检验认为，对于目标时间序列变量Y，如果引入变量X的历史数据对Y的预测效果提升显著，则认为变量X是Y的原因。Granger检验对每一对变量间的正、反向因果关系进行分析，并对每个可能的因果关系方向计算P值。由于变量关系与检验结果指标数量较多，此处将结果整理后以Granger因果关系矩阵的形式简化表示。矩阵中每个元素的列名为原因变量，行名为结果变量，如P值小于0.05则认为存在统计学意义上的因果关系。从表4的P值中可以看出，对1978－2022年数据进行分析的结果表明，此时间段整体能源、电力消费与GDP间的统计关系不显著。造成此现象的原因可能为在此期间的不同发展阶段中能源与经济的因果性关系发生过数次转变，以致整体数据无法体现清晰一致的因果性方向。

在广东省发展过程中，能源消费与经济发展的关系发生了数次变化^[17]。文献[9-10]中认为广东省1995年开始进入工业化中期，产业调整升级带来能源需求的高速增长。使用包含所有年份的整体数据可能导致整个时间区间内变量间关系不一致而无法提取关键结论。下面针对改革开放深化后1995－2022年数据进行分析以研究工业化中后期阶段能源与经济关系。使用上文中方法分别进行平稳性、协整与Granger检验分析，结果如表5所示。

表5中协整检验结果显示，工业化中后期的能源与经济变量间5%显著性水平上至少存在一个长期均衡关系，表明可能存在显著的因果关系。继续使用Granger检验进一步分析此关系，见表6。

结果显示，在1995－2022年间，广东省GDP与能源消费间存在显著的单向因果关系，即经济发展造成了能源消费的提高。在广东省发展早期，技术、资金、人才等经济发展的制约因素较多，或导致能源与经济发展的相关性不明显。在工业化中后期，制造业门类与产能迅速扩张，机电设备、石化、钢铁等高耗能重工业规模不断增大，对能源需求增长起到拉动作用。根据协整与Granger分析结果，能源与经济关系在本发展阶段呈现明显的需求导向特征。

自2004年来，广东省统计局每月发布一次全省主要统计指标公报^[20]和分行业工业增加值报告^[21]，其中包含产业增加值与社会及工业、制造业用电量。本节利用主要统计指标中的月度数据中工业的电力消费与增加值关系（图5）进行分析，对上一节使用年度数据的分析结论进行交叉验证。由于2012年以来按国家统计制度规定每年1月不单列数据（到2月一并公布），图5上图中每年年初的峰值实为当年1－2月电耗之和。在下文的统计分析中，将电耗数据的1－2月总和减半作为一个数据点计算，也对增加值的每年1－2月数据进行加算取平均处理以统一口径。

Figure 5.  Monthly data from core statistical indicesof Guangdong Province

本节选用全工业、全制造业和电力、热力生产和供应业增加值与工业用电量数据分析电力消费与工业增加值的因果性关系方向。由于源数据限制，文章仅选用统计周期与口径相同的2009－2023年数据进行分析。

首先使用ADF检验测试各变量的平稳性（表7），结果显示，4个变量均在取对数并一阶差分后平稳。对平稳化前的原始变量进行协整关系检验（表8）发现针对没有协整关系和至多一个协整关系的虚无假设的迹统计量均远大于5%的显著性水平，说明变量间很大可能存在两个以上的强相关。

对数据进行Granger检验，表9中P值表明，对月度数据的分析显示工业和制造业增加值与工业电力消费存在较强的因果关系（P值仅为0.01%），与上一节中结论相吻合。此外，对电力消费作为工业和制造业增加值原因的检验远大于5%，说明这一阶段工业升级与产能扩大是电力消费上升的驱动原因。

通过上文中分析发现，在改革开放至今的整体时间尺度上，对广东省年度能源与经济历史指标进行分析，其结果没有体现明显的统计关系，而1995年进入工业化中期至后期期间，能源消费与经济增长具有统计学上显著的单向因果关系，即经济增长是能源需求增长的驱动因素。对2009年后的月度分行业工业增加值与工业电力消费数据进行交叉验证也得到了相同结果。协整分析的结果表明变量间存在长期的均衡关系，即各变量的短期扰动在长时间尺度下仍会回归到均衡状态。此分析结果说明广东省改革开放以来能源消费与经济的关系可能发生过数次改变，在发展早期经济发展受除能源之外其他因素的制约较大，以致对整体数据的研究结果不够显著。进入工业化中期后经济和工业发展对能源、电力消费的单向因果关系意味着，广东省要实现能源低碳转型也应注重优化改善产业结构，以经济产业高质量发展倒逼能源高质量发展，协同打造清洁低碳、经济高效的高质量发展模式。参考文章中分析结论，为广东省能源发展提出如下建议：

1）加强工业能效提升，重点关注钢铁、电子信息、石化、造纸等广东省典型高耗能支柱产业，通过提高工艺水平、设备清洁化升级改造、废旧资源回收利用和电能替代等手段提高高耗能产业能源利用效率。

2）调整产业结构，推动转型升级，淘汰高耗能、高污染的落后产能，支持科研创新、高端制造业与服务业发展，并根据各地资源特点合理规划产业布局。

3）提高清洁能源消纳，建设抽水蓄能、电化学储能项目增强电网支撑能力，大力发展分布式能源、新型储能、氢能技术，在保证工业用能可靠性和充足性的同时使用清洁能源满足经济与工业发展需求。

文章使用广东省能源、电力消费与经济数据，利用Granger因果关系检验分析了广东省改革开放以来能源需求与经济增长的关系并根据分析结果提出了广东省经济能源协同高质量发展的建议。研究结果表明，在广东省的不同发展阶段能源与经济的因果性关系呈现出不同的统计特征，而进入工业化中期以来以制造业高速发展为代表的经济指标增长是能源、电力消费增长显著的Granger原因。今后研究将基于文章分析结果，选择合适方法对能源消费与经济发展的动态关系进行建模，研究各变量间的定量关系，并使用模型结合政策方向对广东省长期能源需求进行预测。