2034年 10月 第5期 第 27卷 总第 161期
陕西生产能源消费结构演变及其与
产业结构的耦合分析
基于信息熵理论
张 馨
(陕西省社会科学院经济研究所，西安 710065)
摘 要：通过信息熵的引入 ，分析了陕西 1985--2010年生产能源消费结构的动态演变规律，并探索产业结构演进
对能源消费变动的驱动效应。结果表明：陕西以煤炭为主导的生产能源消费结构逐步转向多种能源综合利用的方
向发展。生产能源消费结构的熵值从 1985年的0．861上升到 2010年的 1．305，总体呈波动上升的趋势，能源消费
在结构演替的过程中趋于平衡状态。从能源消费变动与产业结构演进的关联来看，数量的变动呈现 出先倒“u”型
后线性增长的趋势，结构的变动呈现先快速上升后稳步增长并趋于收敛的趋势。这些特征从侧面也反映了中国生
产能源消费结构的演进趋势，从而为能源可持续利用提供政策依据。
关键词：生产能源消费；信息熵；产业结构；演进
O 引 言
能源是社会生产和人民生活须臾不离的要素，
关乎着国家经济平稳运行的大局。在工业化进程
中，未来的能源需求仍将持续增长。随着能源短缺
问题 日益凸显以及减排压力与 日俱增，能源消费结
构正在向高级化、清洁化和可持续化的方向发展。
关于能源消费结构演替的研究，国内外已有一些学
者从生活领域的角度做过研究。Reddy(1995)对于
能源阶梯概念进行了深化，指出不同家庭的能源利
用模式随着他们的经济地位而改变⋯。Ruijven等
(2008)对多个国家的研究表明，处于较高阶梯层次
上的燃料一般更清洁、更高效、更便利 J。耿海青
等(2004)通过信息熵的引入，对无锡市城市居民家
庭能源消费结构的演变特征进行了动态分析 J。
然而，对于生产领域的能源消费，虽然有许多学者
通过各种模型对能源消费与产业结构变动进行了
关系研究 圳，但采用数据仅仅局限于消费数量或
各类能源的比例，对于生产能源消费的整体结构的
定量分析及其演进规律还有待进一步深入研究。
陕西属于西部欠发达省份，正处于工业化中期
向后期推进的加速期，因而经济发展具有巨大的增
长潜力和后发优势，由此所带来的能源消费增长是
不可避免的。同时，陕西作为我国的能源资源大
省，节能减排任务重大。因此，本文试图将陕西作
为具有中国工业化阶段特征的典型案例，运用信息
熵理论对 1985--2010年生产能源消费结构的演进
及其与产业结构变动的关联进行实证研究，对于生
产领域的能源消费研究具有积极意义，同时为能源
可持续利用提供政策依据。
1 基于“熵”理论的能源消费结构定量描述方法
1．1 能源消费结构的信息熵
“熵”的概念与能的概念有着密切的关系，“熵”
增加意味着系统的能在数量上是守恒的，但在能量
转化过程中质量是耗散的 ¨。因而，在能源消费系
统中引入信息熵的概念来描述其结构演进的变化
规律。从终端能源消费来看，本研究将生产能源消
费的能源品种分类为煤炭、油品、天然气、电力和热
力。在对各类能源进行统一量纲以标准煤为单位
后，设每种能源占总消费量的比例分别为 P ，P ，
⋯
，P ，则∑P =1。根据申农公式，能源消费结构
的信息熵可以定义为：
s=一∑P lnP (1) ‘ 、
1．2 能源消费结构的均衡度和优势度
在能源消费结构演进的过程中，往往伴随着多
基金项目：陕西省社会科学基金项目——“陕西能源转型与二氧化碳减排研究”(项目编号：13D153，项 目负责人：张馨)成果之一。
作者简介：张馨，人文地理学博士，陕西省社会科学院经济研究所助理研究员，研究方向：区域经济与可持续发展。
张 馨 陕西生产能源消费结构演变及其与产业结构的耦合分析 科 技 与 经 济 论 坛
种能源混合使用而各组分比重不断变化的过程。
假设存在两种极端情况：当能源消费系统中只有一
种能源时，则 S =0，均衡度最小；若 m种能源所占
比例相等，则 s～ =lnm，均衡度为最大。事实上，信
息熵一般介于二者之间，那么均衡度就是表征消费
系统内各能源种类之间的比例差别和能源消费结
构的复杂程度。其表达式定义为信息熵与最大熵
值之间的比值，即：
= 一 ∑P lnP ／lnm (2) ‘ ￡ 、
能源消费结构优势度反映了一种或几种能源
在能源消费结构中的支配程度，其表达式为：
D=1一E (3)
2 陕西生产能源消费结构演变的实证研究
2．1 数据来源和处理
研究数据来自l986—201 1年《陕西统计年鉴》
和《中国能源统计年鉴》。研究采用矩阵的模式对
陕西生产部门的能源消费情况进行统计，即各类行
业在不同种类能源上所消耗的数量。根据年鉴统
计项目，在数据采集过程中将生产部门分为农业、
工业、建筑业、交通运输和邮电通讯业以及商业、饮
食、物资供销和仓储业五类行业进行统计，在研究
过程中将其按三次产业划分进行行业合并。能源
消费种类分为煤、油品、天然气、电力和热力，为使
数据具有可比性，将各类能源的实物量通过折标煤
系数折算为标煤量，并计算其比例结构。
2．2 计算结果和分析
通过对陕西 1985--2010年生产部门以及三次
产业各类能源消费量进行统计，总体来看，陕西生
产能源消费结构的熵值从 1985年的 0．861上升到
2010年的1．305，说明这 26年间生产能源消费结构
在多种能源的共同作用下趋于优化，演进趋势由单
一 种类的能源消费向多元化方向发展，生产能源消
费系统的状态趋于平衡。均衡度由 0．535增长到
0．811，最终将无限趋近于 1，均衡度的提高意味着
结构的复杂程度增加。也就是说，原先陕西的生产
能源消费以煤炭为主，随着工业化进程的加快 ，各
类能源需求必然增多，油品、天然气、电力和热力的
消费量迅速增加，并且增长速度远快于煤炭消费的
增长，从而使消费结构出现多种能源消费并存的
格局。
从图 1可以看出，生产能源消费结构熵的变化
曲线具有多处拐点，随时间的推移，表现出阶段性
的熵值下降后迅速上扬的态势，2004年熵值达到最
大值后，下降幅度也最大，之后上升趋缓。1985—
2004年，煤炭消费虽有增加但增速缓慢，甚至出现
下降的态势，而其他种类的能源尤其是清洁能源利
用快速增加，能源消费在总量不断增长的过程中也
发生着能源替代。也就是说，能源消费结构不断在
外部“扰动”和内部“涨落”的影响下，发生结构上的
演替，使系统趋于平衡状态。2005--2010年，随着
陕西天然气利用的领域逐渐扩展，政府推行“气化
陕西”战略目标，使得煤炭和电力 占主导地位的能
源消费结构中，天然气的消费具有很大的上升空
间。因而，熵值在大幅回落之后，又出现上升的趋
势，增长趋于平稳。
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1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009
图 1 1985--2010年生产能源消费结构的熵值演变
1985--2010年，三次产业能源消费结构的熵值
变动轨迹都表现出振动频次较高而幅度不大的特
点，如图2。第一产业的熵值略微下降，主要由于其
能源消费以电力为主导，而在近年来电力的主导优
势增强，煤和油品的消费比例都在减少，能源消费
结构呈现出单一化趋向。第二产业的熵值具有明
显的上升趋势，能源消费品种的多样性使得消费结
构中各类能源所占比例更易均衡化，并且以化石能
源为主的消费结构逐渐转向新能源。第三产业的
熵值基本保持在平均水平，在经过大的波动之后略
微上升，其能源消费结构在不同时期表现出特征差
异，以1990年为分界点，以煤为主导的消费结构转
变为以油品为主导，近年来天然气消费增加对能源
消费结构中各组分的比例调整也起到了一定作用，
使其更加趋向于多元化的结构。综合来看，三次产
业的能源消费正在逐步淡化煤炭的主导地位，转而
向多种能源综合利用的方向发展。
依照能源演替的规律，未来能源消费结构的变
动趋势将出现多种能源均衡化的态势，但最终将以
一 两种清洁能源的消费为主体，由此信息熵在波动
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十 第一产业+ 第二产业—●一第三产业
图2 1985--2010年三次产业能源消费结构信息熵
上升达到高值一段时期后会发生大幅度下降，最终
趋于稳定和收敛，但这种格局还需要经过长期的能
源演替过程才能实现。
3 生产能源消费变动与产业结构演进的耦
合关系
3．1 产业结构的演进特征
26年来，陕西第一产业 占GDP比重从 29．5％
下降到 6．5％，第二产业产值 比重不断上升，从
45．3％增加到 67．7％，然而第三产业比重保持平稳
水平，未有较大幅度的波动。从三次产业的变动趋
势来看，陕西工业化进程正在快速推进，已经处于
中后期阶段。在工业化进程中，以工业比重快速增
加为特征的产业结构变动，必然对能源消费产生影
响，因此，通过产业结构多元化发展与能源消费数
量和结构的相关分析，可以把握能源消费的趋势变
化。为研究产业结构变动，需要对产业结构演进程
度进行度量，可通过如下公式计算：
ESD=∑(e／e，S／P，T／P) (4)
其中，ESD为经济结构多元化系数(产业结构
演进系数)，P为第一产业产出，5为第二产业产出，
为第三产业产出。
计算结果如表 1所示，可以看出，陕西的产业结
构演进系数从 1985年的 3．39增加到 2010年的
16．11，并且前 l0年变化缓慢，进入 2l世纪后，随着
资本密集型重工业增多，产业结构变动速度加快。
3．2 生产能源消费数量与产业结构的关联
根据世界发达国家的能源消费行为特征来看，
随着国家产业结构多元化的发展，其能源消费总量
增长经历着由快到慢的减速过程n 。然而这些国
家的产业结构演进系数都是平均达到 30以上才开
始出现能源消费增长趋势变缓甚至下降，当前，陕
西正处于工业化中期阶段，且产业结构演进系数还
表 1 1985--2010年产业结构演进系数
年份 产业结构 年份 嘉 纂襄 ’ 演进系数
1985 3．388 1998 6．391
1986 3．518 1999 7．227
1987 3．795 2ooO 7．673
1988 4．348 2oo1 8．282
1989 4．217 2002 8．916
1990 4．143 2003 9．641
1991 4．155 2oo4 1O．O92
1992 4．375 20o5 10．699
1993 4．545 2006 11．358
1994 5．112 2oo7 12．558
1995 5．444 2008 13．635
1996 5．515 20o9 14．765
1997 6．135 20lO 16．105
未达到20，因此陕西的能源消费要到达拐点还需要
相当长一段时间的产业结构升级过程。从图3可以
看出，生产能源消费量随产业结构的演进而变动的
过程分为两个阶段，因而分别对其进行曲线拟合并
予以讨论。
2 4 6 8 10 12 14 16 l8
产业结构演进系数
图3 生产能源消费量随产业结构演进系数变动的散点图
1985--1999年，产业结构演进的速度缓慢且能
源消费量的变化幅度较小，导致数据点较为密集，
拟合曲线呈倒“u”型，见图4(a)。主要由于在这一
期间，占总生产能耗比重较大的第二产业能源消费
经历了先增长后下降的过程，并且集中体现在煤炭
的消费变化上。陕西能源生产量位居全国前列，随
着90年代初期大力开发煤田，大量能源资源输送到
外省，同时由于本省能源产业起步较晚，因此能源
消费量有一定程度的回落，也阻碍了经济的快速
发展。
2000--2010年，生产能源消费量随产业结构的
演进呈线性增长趋势，两个变量在横轴和纵轴两个
方向的变化幅度都很大，数据点较为松散，见图 4
(b)。在陕西的工业化进程中，生产耗能尤其是工
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张 馨 陕西生产能源消费结构演变及其与产业结构的耦合分析 科 技 与 经 济 论 坛
业耗能必然增多，近 10年来 ，生产能源消费从 2000
年的2 017．2万吨标煤增长到2010年的6 635万吨
标煤，年平均递增速率达到 12．85％。其原因主要
是以下两个方面：一是陕西的工业产业迅速发展，
耗能较多的重工业占有较大比重且增长快，2000年
规模以上工业增加值中占64．86％，2010年则占到
81．12％，导致煤炭等能源大量消耗。二是由于工业
发展需求和政府关于能源规划的政策倾向，电力、
油品、天然气等能源的消费也在急剧增加，使得生
产能源消费总量迅速提升。
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产业结构演进系数
(f1)第一阶段：1985—1999年
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产业结构演进系数
(b)第二阶段：2000—2010年
图 4 生产能源消 费量 与产 业结构演 进系数的拟合 曲线
3．3 生产能源消费结构与产业结构的关联
能源消费在数量增长的同时也发生着结构的
演替，通过对能源消费结构信息熵与产业结构演进
系数的散点进行曲线拟合，可以看到能源消费结构
随产业结构演进的变动趋势，如图 5所示。1985—
2010年，随着工业化水平不断提升，能源消费结构
的熵值进入快速上升时期，到2000年左右到达拐点
后缓慢增长并趋于平稳。陕西的产业结构以第二
产业为主，进入 20世纪90年代后，二产耗能中煤炭
的消费呈现下降趋势而油品和电力的消费不断上
升，由此带来了各能源组分之间比例差异的缩小，
熵值增加。21世纪以来，煤炭的消费尽管开始逐渐
增加，但仍不能满足工业发展的需求，电力和天然
气的消费分别以10．4％和45．2％的年平均速率增
长。另外，以现代服务业为代表的第三产业迅速发
展，由产业特征决定其能耗特征并不需要煤炭的大
量消耗，而更多的是对于油品、天然气以及电力等
能源的消耗快速增长。因此，能源消费结构信息熵
一 直保持在较高水平，并且稳步增长趋于收敛。这
一 过程也符合能源的演替规律，煤炭等污染能源对
产值的贡献率将逐渐减小，并逐步被清洁能源所替
代，表现出能源种类的多元化以及各类能源占比结
构的均衡化。
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产业结构演进系数
图 5 生产能源消费结构信息熵与产业结构演进
系数的拟合曲线
4 结论和讨论
陕西以第二产业为主的产业结构以及当前的
工业化阶段表明，在未来相当长一段时间内，陕西
的生产能源消费仍将延续以煤炭为主导的消费结
构，但随着工业化进程的加快，煤炭消费的增长速
度会不断下降，其他种类的能源尤其是电力和天然
气的消费将持续快速增加，生产能耗逐步转向多种
能源综合利用的方向发展。
从 1985年到 2010年，陕西生产能源消费结构
的熵值从 0．861上升到 1．305，虽然在 2004年出现
了大的跌幅，但总体趋势呈现波动上升的过程，说
明能源消费不断发生结构上的演替，使系统趋于平
衡状态。随着能源替代过程的推进，能源消费最终
将会出现以一两种清洁能源为主导的结构，从而导
致熵值呈现下滑趋势，而这样一种清洁能源消费占
主导的结构也可以说是更高级的结构，从而完成由
低级能源占主导到混合多种能源并存再到高级能
源占主导的演化。从目前来看，陕西还处于能源消
费结构演替的中期，需要在加快产业结构调整的同
时，提高清洁能源的消费比重。
从能源消费变动与产业结构演进的关联来看，
随着产业结构的演进，数量的变动呈现出先倒“u”
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型后线性增长的趋势，结构的变动呈现先快速上升
后稳步增长并趋于收敛的趋势。二者与产业结构
的耦合关系反映出陕西生产能源消费总量还将继
续增加，而生产能源消费结构处于能源消费系统中
各类能源均质化的演进态势。根据能源消费的演
替规律，加之产业结构的升级，能源消费结构信息
熵的演变将经历倒“U”型变化，当前陕西还处于倒
“u”型曲线的左侧，未来能源消费结构还需经历长
时间的演化。
陕西作为西北地区的经济强省，符合中国工业
化进程当前的阶段特征，因此从侧面也反映了中国
生产能源消费的现实状况以及能源消费结构的演
进趋势。由于第三产业的能源消费以清洁能源为
主，在十八大提出的加快经济发展转方式、调结构
的背景下，通过提升第三产业比重和第二产业中轻
工业的比重，来调整能源消费结构趋于清洁化和高
效化，从而降低二氧化碳排放。当电力和天然气等
清洁能源成为能源消费的主体并长期占据支配地
位后，信息熵将大幅下降。然而，随着技术的进步，
太阳能、风能等可再生能源的消费逐渐增长，又将
使能源消费结构重新进入各组分均衡化的阶段，信
息熵将回升。最终进入可再生能源主导的时期，由
此能源消费结构的演进也完成了从低级到高级的
过程 。 口
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Analysis on Evolution of Shaanxi Production Energy Consumption Structure
and Its Coupling Relation with Industrial Structure
— — Based on the Information Entropy Theory
ZHANG Xin
(Institute of Economics of Shanxi Academy of Social Sciences，Xi’an Shaanxi 710065，China)
Abstract：The information entropy method is introduced to analyze the law of dynamic evolution of production energy consumption
structure in Shaanxi from 1985 to 2010，and to explore the driving effect of evolution of industrial structure on the change in energy con-
sumption．The results show that production energy consumption structure which is dominant by coal gradually turns to the trend of multi—
energy in comprehensive utilization．The entropy value of production energy consumption structure increased from 0．861 in 1985 to 1．305
in 2010，showing a rise in volatility overall，and it can be found that energy consumption is tend to the equilibrium state in the process of
structure succession．In terms of the relationship between variation of energy consumption and evolution of industrial structure，the change
in quantity show the trend of inve~ed“U”一type first and then linear growth．while the change in structure show the trend of rapid increase
first and then grow steadily and tend to be convergent．These characteristics also reflect the trends in the evolution of production energy
consumption structure in China from the side，thus it can provide the policy basis for sustainable use of energy．
Key words：production energy consumption structure；inform ation entropy；industrial structure；evolution
(收稿日期：2014—05—12)
Science＆ Technology and Economy 2014 Vo1．27 No．5
