政府提供公共产品的技术替代：以城市污水处理系统为例

海江涛++仲伟俊

摘要：以城市污水处理系统的技术演化为例，分析了具有非排他性的公共产品技术替代发生的条件。研究表明，居民税收价格弹性的地区间差异程度，居民收入增长速度，地方政府获得财政补贴的地区间差异程度以及人均财政补贴弹性的地区间差异程度对公共产品技术替代发生的可能性有显著影响；新企业对技术领先企业的模仿效率对公共产品的技术替代影响不显著；地区居民人口规模增长有利于现有技术的推广应用，但是对新技术引入和扩散效果的影响不明显。

关键词：公共产品；财政补贴；技术替代；政府预算

文献文类号：G304 文献标识码：A

Technological Substitution of Government-provided Public Goods： a Case of Urban Sewage Treatment Systems

HAI jiang-tao1，ZHONG wei-jun2

（1. School of Management，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210023；

2.School of Economics and Management，Southeast University，Nanjing 211189）

Abstract：This paper examines the condition of technological substitution of government-provided public goods by taking the evolutionary trajectory of urban sewage treatment systems as an example. The resulting framework leads to a set of predictions about the relationship between technological evolution and the emergence of technology substitution. Specifically，four key factors including heterogeneous tax price elasticity，regional difference of public budgeted expenditure，income growth rate and heterogeneous per capita public financial subsidies are identified within a distinct context of non-market provision of non-excludable public goods.

Keywords： public goods； financial subsidies； technological substitution； government budget

引言

公共产品是一类对所有社会成员提供的数量等同的物品，并且每个人的消费不会减少任一其他人对这种物品的消费。国防、治安和消防是人们所熟悉的公共物品的例子。所谓公共产品技术创新，指的是政府（包括公共科研机构）根据社会公共需求以及已有的知识和技术产生新的产品构想，经过应用研究、技术开发、转化和应用，开发出新的产品，满足社会公共需求，产生社会效益的所有活动构成的过程[1]。

公共产品技术创新与企业技术创新有本质的区别，在投资主体上，前者主要是政府，后者主要是企业；在技术创新面临的风险上，前者主要是技术风险，后者既有技术风险，也有市场风险，这是两类显著不同的技术创新活动[2]。公共产品技术创新的一个关键特征是其产出的非市场性质，一个政府部门并不提供多少个单位的产出，而是必须按照推测出的产出水平提供所需的活动水平。

新技术的出现会逐渐替代一些过时技术。在船舶动力的演化过程中，蒸汽机技术逐渐替代了帆船，最终又被内燃机技术所取代[3]。但是公共产品的技术演化却不同于这些传统私人技术的演化，首先公共产品技术创新能不能被采用不是按照私人的消费利益来决定的，一般情况下要由政府部门来决定[4]。其次，公共产品的供给一般是由公共部门或者集体供给，这与企业进行技术创新，向市场提供产品，并从中获取利润也是完全不同的，尽管公共产品可以由企业组织生产并把产品提供给最终消费者。因此，公共产品技术替代的过程，就是政府部门不断应用新技术满足社会需求的过程。

本文应用蒙特卡罗模拟方法，假定政府部门追求预算最大化，模拟公共产品的技术演化过程以及技术替代发生条件，研究结果对了解企业参与公共产品技术创新或者是公共部门的技术选择都有着较重要的理论意义。

1. 研究背景：城市污水处理系统

技术替代的发生主要包括了两种情况：一种是新旧技术具有相同的功能，但是新技术具有更高的“性价比”，从黑胶唱片到CD技术就是这样一个例子[5]；另外一种情况是新技术提供了旧技术所没有的新功能，这种情况跟新市场出现密不可分，我国城市污水处理系统的技术演化就属于这样一种情况。

按照污水处理的水质净化对象分类，我国城市污水处理的技术演化可以分为三个阶段。在发展的早期，人们认识到有机污染物对环境生态的危害，从而把有机物即碳源生物化学需氧量（BOD5）和悬浮固体（SS）的去除作为污水处理的主要水质目标。到20世纪60～70年代，随着二级生物处理技术在工业化国家的普及，人们发现仅仅去除BOD5和悬浮固体还是不够的，氨氮的存在依然导致水体的黑臭或溶解氧浓度过低，这一问题的出现使二级生物处理技术从单纯的有机物去除发展的有机物和氨氮的联合去除，即污水的硝化处理。进入到20世纪70～80年代，由于水质富营养化问题日益严重，污水氨氮去除的实际需要使二级生物处理技术进入了具有除磷脱氮功能的深度二级处理阶段。而采用物理、化学方法对传统二级生物处理出水进行除磷脱氮及去除有害有机化合物的处理过程通常被称作三级处理或者是深度处理[6]。

2. 技术替代发生的条件假设

2002年颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）对城镇二级污水处理厂的排放水质做了严格规定，除了二级和三级排放标准外，还设置了更加严格一级标准A标准和一级标准B标准。原则上来说，城市污水处理污染物排放标准应该是最大化反应公众利益需求的，排放标准的提高也意味着民众对公共产品质量需求的增加。

考虑到政府机构运作的复杂性以及政客们行使职权的动机，Lemieux认为政府机构往往会把公众对公共产品需求偏好“一致化”[7]，并且按照这种“一致化”的民众消费曲线征收税收提供公共物品。假定居民的收入除了支付税收以获取公共产品之外，其他收入都用于私人产品的消费，而居民的效用就由所消费的这两类产品组合来决定，在这种条件下，居民收入水平以及产品的税收价格对公共产品提供有重要影响。

假设1a：民众税收价格弹性的地区间差异化程度对公共产品技术替代的发生有显著影响。

假设1b：居民收入增长速度对公共产品的技术替代的发生有显著影响。

公共产品的技术研发不仅仅包括了城市污水处理，还有像原子能与太空开发这类跟国家安全紧密相关的项目，这类项目要求巨大的资金投入和高水平的研发人员，即便法律允许，也很少有私人机构可以积极参与这些领域。这样，政府成为这类技术的唯一供应者。私人机构如果希望参与这些技术活动，必须寻求相关政府部门的指导，更重要的是接受公共部门的管理[8]。

目前在城市污水处理设施建设和运营模式中，污水处理项目公司不直接向排污者收费，而是由政府通过财政补贴支付处理费用。各地污水处理企业除了获得地方政府的财政补贴之外，还会获得中央政府预算内的财政补贴，财政补贴的多少对地方政府进行技术选择有重要影响。

假设2a：中央政府对各地方财政补贴的差异化程度显著影响公共产品技术替代的发生。

假设2b：各地区人均补贴弹性系数的差异化程度显著影响公共产品技术替代的发生。

从上世纪70年代起，国内企业已经开始制造各种类型的污水处理设备。目前，国内的大部分企业都能够有效设计一些不需要高技术的小型项目，但是一些大型的、比较复杂的项目却需要国外技术公司的支持。数据显示，92%的生物膜市场，99%的淡化设施市场，以及88%的污水处理设备都被国外公司占领[9]，但是在部分产品市场（比如混凝剂和杀菌剂），国内企业能够快速地进行模仿创新，并且产品价格比国外同类型的产品价格低[10]，则拥有比较高的市场占有率。

新成立的企业一般会对领先企业的技术进行模仿，技术领先的企业也会不断观察新企业的技术创新成果，并决定这种创新是否会对企业的战略地位形成冲击，从而及时把这种创新成果整合到自己企业的产品中去[11]。同时，如果部分新企业技术具有突出的性价比优势，能够成功在目标市场获得应用，就能使原本技术领先企业的产品被完全替代[12]。

假设3：新公司对技术领先公司技术的模仿效率会显著影响公共产品技术替代发生的可能性。

大部分的公共产品并不是纯公共产品，比如城市公共交通设施和城市污水处理，尽管这些设施可以同时供多人使用，但是考虑到拥挤成本，随着用户增长，个人从公共产品的消费中所获得的效用却是递减的。负的拥挤外部性是很多准公共产品的典型特点。假定q是公共产品的供给水平，N是正在消费此公共产品的人数， 是每个地区的用户从消费公共产品过程中所获得的效用，则拥挤成本意味着：

在城市污水处理建设过程中，各地区所能容纳的最大人口规模，人口增长速度等因素对政府的技术选择有着重要意义。

假设4a：各地区的人口规模差异化程度会显著影响公共产品技术替代发生的可能性。

假设4b：各地区人口的增长速度会显著影响公共产品技术替代的发生。

3. 理论模型

为了检验上述的理论假设，我们使用蒙特卡洛模拟的方法，讨论不同的初始条件下市场的动态变化。首先，分析地方政府的技术选择和项目公司的运营的过程。

3.1 地方政府部门

考虑到地方政府财政制度的复杂性以及民众需求信息的不完全，地方政府会按照民众的平均需求来提供公共产品。假定每个地区提供公共产品的效用函数为 ，其中 为公共产品的质量或者技术水平， 为一固定税率，并且 ， 。地方政府的财政支出为 ，地区居民的税基总和为 ，从上级或中央政府获得的财政补贴为 ，且 ，从而每个地区提供某类公共产品的财政预算为 。各地区的居民数量为 ， （ ）为产品的拥挤函数[14-15]，从而 。政府追求如下函数的效用最大化：

（1）

公共部门决策者暂不考虑居民收入的差异性，按照平均化的税率 对居民征收税收，从而，所确定的税收价格为：

（2）

假定公共产品的需求函数为对数线性函数，则 为：

（3）

其中， 为修正系数（假定 ）， 为i地区产品的税收价格弹性系数且 ， 为i地区产品的人均补贴弹性系数 。

假定每个地区的人口增长符合logistic增长曲线：

（4）

其中， 为人口净增长速率， 为每个地区所能容纳的最大人口数量。

假定每个地区的个人收入服从对数正态分布，其概率密度函数为：

（5）

从第二时期开始，每个地区的个人收入按照以下方式增长，其中，inc_vel为个人收入的增长速率。

（6）

同时，中央政府对地方政府的财政补贴以gra_vel的速率增长：

（7）

3.2 项目公司

假定产品的研发由项目公司来完成，地方政府对企业的财政补贴及各项支出是为了实现项目公司的生产和经营。企业只有在经营中获取利润时，才能在下一阶段投资研发以提高产品质量。在企业提供的产品到达一定的质量标准后，政府进行招标，在所有竞标企业中进行挑选，由价格最低的企业供应该产品。

假定项目公司j的生产函数满足柯布-道格拉斯函数：

（8）

其中， 为常数（假定 ）， 分别代表生产该产品所需要的劳动力和资本量， 为劳动力产出的弹性系数[13]。

假定 为j地区居民的平均工资水平， 为每个地区的资本利息率， 在各个地区之间没有差异，考虑如下成本最小化问题：

4. 仿真结果

为了演示模型的演化结果，假定各个地区所能容纳的居民数量为600，每个地区的拥挤指数为-0.5，总的地区数量为40，共有11家企业参与产品的生产运营。如果某企业连续一段时间（ ）没有获得利润，该企业会选择退出市场，同时会进入一个新企业，企业总的数量保持不变。记录120次运算过程中各项目公司的总成本及所提供产品的质量水平，结果如图1所示。

以下部分我们验证前面提出的假设，在进行模拟之前，首先对各参数进行合理赋值，参数取值范围见表 1。假定各企业提供完全异质性的产品，以污水处理技术为例，各公司提供的技术在去除SS，去除SOD5，去除氮磷效率等方面存在显著差异，产品的技术特点分别用 表示，其技术水平为 ，系数 在模型演化过程中保持不变。考虑到“噪声”的 存在以及模型的稳定性，在给定观测样本条件下，我们不会最大限度地拟合预测模型的统计量，否则，统计模型很可能会引导我们对现实世界“过度识别”[15]。我们用θ表示每次模拟之前的参数向量， 为技术替代发生的可能性。记录每次的演化过程，并比较各产品最初的市场份额与第120次演化后的市场份额（例如图2和图3），如果占有最大市场份额的企业发生变化，我们就认为技术替代发生： ，否则 。

（15）

对此供需演化模型运行1500次，其中，技术替代共发生了757次。根据前文所述的假设，我们从总的31个变量中选出12个解释变量，具体结果如表2所示。模型的McFadden R-squared=0.1288，似然比LR-ratio= 47.3262，LR p-value=0.0001，Log-Likelihood= -1020.1747，模型的整体拟合度较好。

5. 讨论

公共产品技术演化及替代的过程是一个复杂过程，技术替代的发生受多种因素的影响。根据表2的结果，假设1和2都得到验证。居民税收价格弹性系数的差异化程度，税率的增长，以及财政补贴的增长与技术替代发生的可能性正相关，而人均财政补贴弹性系数的差异化程度与公共产品技术替代发生的可能性负相关。保持其他变量不变，仅考虑解释变量 ，如果各地区的居民税收价格弹性差异化程度增加一个样本标准差，则技术替代发生的可能性增加0.5447。如果政府对所有地区的财政补贴增长 与 同时增加一个样本标准差，保持其他样本变量不变，则技术替代发生的可能性增加0.5874。

各地区的人均收入水平，税率以及地方政府从中央所获得财政补贴数量经常具有较大的差异性，这些因素都会影响到地方政府的技术选择。以城市污水处理系统为例，在人均财政补贴弹性保持不变的条件下，如果中央政府对各个地区的污水处理项目加大财政投入，并且适当增加对低补贴弹性地区的财政投入，是可以有效促进各地方政府应用新技术的。而较大差异性的税收价格弹性，意味着高税收价格弹性地区的居民愿意为使用新技术支付更多，这对新技术的引入具有重要意义。从人均收入增长水平来看，考虑到居民税收价格弹性在一定时间内是相对稳定的，随着居民人均收入的增长，为了维持某项公共产品的供给水平，政府所确定的税率（或服务费）应该是逐渐减少的，而居民为了从产品消费中获得更多效用，会把更多的收入用于私人产品消费，而不会去也不愿去为了获取更高技术水平的公共产品而支付更多。此时，政府可以通过调整税率（或服务费）方式来积极推动地方政府应用新技术。

假设3验证的结果并不显著（ ）。考虑到私人企业从事公共产品研发活动必须在政府部门指定的方向上进行，从这个意义上说，私人企业的研发动力已经转向了公共部门。即使私人企业能够不断对技术领先企业进行模仿创新，但公共部门的技术选择始终对新技术的推广应用发挥着主导性的作用，技术替代发生的可能性则主要由作为需求方的公共部门来决定。

假设4的验证结果也不显著（ ）。分析原因，本研究认为，同一个地区在拥挤程度相对稳定的条件下，随着城市规模的扩大，如果人口增长没有超出城市的容纳能力，现有技术的推广仍可以满足居民需求情况下，具有更高质量的新技术即使能够在某些地区获得应用，实现完全替代现有技术的可能性不大。以北京为例，截止2008年，经过深度处理的再生水其回用率已经达到50%[16]，但是，从全国范围来看，城市污水的深度处理技术在西北地区一些严重缺水城市到目前仍未开始推广应用。

6. 结论

本文以城市污水处理系统为例，分析了非排他性公共产品的技术演化过程以及技术替代发生的条件。作为非排他性公共产品的唯一提供者，外部监控无力和内部激励微弱的环境条件会导致公共部门的官僚们追求预算最大化。根据我们的研究，追求预算最大化的地方政府其技术选择受到当地人均收入水平，税率（或服务费）以及获得的财政补贴的影响。具有较高税收价格弹性的地区一般会较快地引入新技术，各地方政府之间相对均衡的财政补贴对新技术的推广应用有着积极的促进作用。

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