中原城市群生態效率時空演變及影響因素

韓 燕,鄧美玲

1 蘭州交通大學經濟管理學院,蘭州 730070

2 中國科學院地理科學與資源研究所,經濟地理與區域發展研究室,北京 100101

隨著我國區域經濟發展與資源環境之間的矛盾日益突出,黨的十九大高度重視生態文明建設,提出要把生態文明理念全面融入城市發展。2016年12月《中原城市群發展規劃》中要求把中原城市群建設為綠色生態發展示范區。中原城市群地處全國“兩橫三縱”城市化戰略格局的有利據點,在人力資源、自然資源稟賦、城鎮體系建設等方面具有較強優勢,具有極強的發展潛力,但與此同時,資源環境約束加劇、部分城市霧霾天氣、水資源短缺、資源配置效率低下等問題突出,給中原城市群的可持續發展帶來嚴重的負面影響。中原城市群處于加快崛起的關鍵階段,把生態文明理念全面融入中原城市群發展進程中,對于實現其城市高效、綠色發展十分重要。因此,分析中原城市群生態發展現狀,測算其生態效率并探索中原城市群生態效率的時空演變及其影響因素,對于推動中原城市群可持續發展具有重要的現實意義。

“生態效率”因同時兼顧經濟發展和資源環境,為破解兩者矛盾提供了一個新的研究視角。生態效率[1]概念自1990年提出以來,不同尺度、不同領域的生態效率就引起了國內外學者的廣泛興趣,研究成果豐富。國內外學者對生態效率的研究主要集中在以下三個方面： 一是在研究區域和應用領域方面,已有的研究開始由國家[2]、區域[3- 4]宏觀層面向產業發展[5-6]、政府管理[7]等微觀層面轉變；研究尺度逐漸細化,由國家、省域尺度[8]開始向市域、縣域尺度[9]轉變。二是在研究方法與影響因素方面,學者們常用的測算方法主要有指標體系法[10-11]、數據包絡分析法[12-13]、能值分析法[14]、因子分析法[15]及生態足跡法[16]。分析影響因素時常用多元線性回歸分析法[17]、Tobit回歸模型[18]、門檻回歸[19]的方法。三是在研究內容方面,早期集中在概念辨析、效率測度及評價方面[20-21],目前更加關注生態效率的影響因素及其空間溢出效應[22-23],如潘興俠運用空間誤差模型,探討了影響我國省域生態效率的影響因素,結果表明利用外資、人力資源和產業結構對生態效率影響顯著為正[24]。此外,研究表明經濟發展水平、產業結構、人口規模、技術創新、城鎮化等也對生態效率產生影響[25-26]。

通過梳理文獻發現,鮮有文獻從城市群視角綜合研究中原城市群內部多個城市的生態效率；指標體系構建及測度方法有待完善,傳統DEA(數據包絡分析法,Data envelopment analysis)方法忽視了非期望產出,且其結果在0—1之間,多個決策單元效率值為1,很難對有效決策單元進行排序；單一線性回歸方法在分析影響因素時忽略了區域間的空間關聯和空間依賴性,不利于探討多要素間的相互影響,研究生態效率的空間溢出效應。與此同時,基于地理時空二維視角,運用GIS分析技術勾勒其時空演變路徑,實現學科交互融合的成果較少。鑒于此,本文基于城市群視角,考慮空間關聯性,采用Super-SBM(超效率SBM模型,Super slacks-based model)模型、空間自相關檢驗和空間滯后模型,綜合測度了2003—2016年中原城市群29個地級市的生態效率,并利用GIS分析技術,刻畫了生態效率的時空演變特征,力圖揭示經濟社會變化過程中中原城市群各城市生態效率的區域差異,并在此基礎上深入分析生態效率變動的影響因素,以期為實現中原城市群經濟、社會、環境三大系統協調的可持續發展提供參考。

1 研究區域、研究方法與數據來源

1.1 研究區與數據來源

1.1.1研究區

本文的研究區域根據2016年12月經國務院批復的《中原城市群發展規劃》中的規劃范圍確定,具體包括：河南全省17個省轄市(因濟源市數據缺失嚴重,被剔除),山西的晉城、長治、運城,河北的邯鄲、邢臺,山東的聊城、菏澤,安徽的淮北、亳州、宿州、阜陽、蚌埠5省29個地級市(圖1)。2016年,中原城市群地區生產總值占全國經濟總量的8.2%,年末總人口占全國總人口的13.6%,隨著城鎮化與工業化進程的推進,能源資源消耗量大,碳排放量持續上升,環境資源承載壓力不斷增大,環境問題突出[27-28]。 2016年全國嚴重污染的24個城市中中原城市群占比45.8%,2016年74城市環境空氣質量綜合指數排名相對較差的10個城市中有邢臺、邯鄲、鄭州三個城市[29],其經濟發展與資源環境保護矛盾突出。

圖1 中原城市群區域圖

1.1.2指標體系構建與數據來源

參考以往學者構建的區域生態效率評價指標體系[25,30],并考慮市域數據可得性,以投入產出理論為基礎,構建中原城市群生態效率評價指標體系(表1)。

表1 中原城市群生態效率評價指標體系

投入指標方面,勞動、資本是經濟學中最基本的生產要素。選取年末單位從業人員作為勞動投入,由于城市固定資本存量數據在統計年鑒中無法直接獲取,根據永續盤存法計算,公式為：

Kt=Kt-1(1-δ)+It

(1)

其中Kt,Kt-1分別是t期和t-1期的資本存量；δ為折舊率；It為t期的投資,以固定資本形成總額替代；固定資產投資建設周期、固定資產投資價格總指數、折舊率和初始資本存量的計算借鑒參考文獻[31]。運用熵值法計算各城市的其他資源投入(全社會用電量、城市建設用地面積和供水總量)綜合反映其他資源投入。熵值法具體計算步驟見參考文獻[32]。

產出指標方面,選取地區生產總值作為期望產出,為消除價格因素影響,根據國內生產總值指數折算為以2003年為基期的實際值。利用熵值法構建環境污染指數(各地級市的工業廢水排放量、工業二氧化硫排放量和工業煙粉塵排放量)綜合反映非期望產出。

本文的原始數據來源于2004—2017年的《中國城市統計年鑒》,部分缺失數據根據各市統計公報和官網數據進行調整補充。城市固定資本存量數據根據柯善咨和向娟的方法測算,由湖南大學經濟與貿易學院經濟數據研究中心提供。

1.2 研究方法

1.2.1生態效率測算方法—Super-SBM模型

傳統DEA模型使用徑向模型測算效率,未考慮投入產出的松弛變量,會高估決策單元效率。為此,Tone[33]提出一種非徑向、非角度的SBM模型,但是使用SBM模型計算效率時,多個DMU(決策單元,Decision making unit)的效率值顯示為 1,無法區別出有效決策單元之間的效率差異。因此本文采用Tone[33]改進的Super-SBM 模型進行測算,解決了有效決策單元的排名問題,從而真實反映中原城市群生態效率的本質。具體形式見公式(2)：

(2)

1.2.2空間自相關

空間自相關是用來檢驗某一單元的觀測值與其鄰居的觀測值是否具有空間關聯性。全局空間自相關是分析區域整體的空間關聯特征,采用莫蘭指數(Moran′I)來衡量,計算公式如下：

(3)

(4)

式中：xi為研究單元i的觀測值；Wij為空間權重矩陣,空間相鄰為1,不相鄰為0。如果Gi*值顯著為正,則表示i地區周邊的值相對較高,屬于熱點區；反之則為冷點區。

1.2.3空間計量模型

常用的空間計量模型有空間誤差模型和空間滯后模型[34]。

空間誤差模型(Spatial error model,SEM)側重考察隨機擾動項的空間影響,模型設定為：

yit=βxit+∈it,∈it=λwit∈it+γ

(5)

式中：yit為生態效率,β為各影響因素的回歸系數,xit為各影響因素,∈it是獨立同分布的隨機誤差項,λ為空間誤差系數,wit為鄰接空間權重矩陣,λ∈it為空間自相關誤差項,γ是誤差項的誤差項。

空間滯后模型(Spatial lag model, SLM)側重考察因變量的空間溢出效應,模型設定為：

yit=ρ∑wityit+βxit+∈it

(6)

式中：ρ為空間滯后項回歸系數,其他字母含義同式(5)。

按照Anselin建議的空間計量模型選擇步驟[35],在對SLM和SEM模型估計前,需要先進行Hausman檢驗來確定使用固定效應模型還是隨機效應模型,然后進行拉格朗日乘子及穩健檢驗方法最終確定使用的模型。

2 中原城市群生態效率的時空演變特征

2.1 時空特征

2.1.1時序演變特征

根據Super-SBM模型,計算2003—2016年中原城市群的生態效率,結果如圖2。

從圖2中可以看出,中原城市群生態效率整體上呈“階梯狀”的上升趨勢,變異系數在0.22—0.36之間變化,區域差異呈“波浪形”變化趨勢。當生態效率快速上升時,區域差異擴大；當生態效率平穩發展時,區域差異不斷縮小。在整個研究期內,2003—2006年,2009—2011年,2015—2016年這三個時期生態效率快速上升,同時區域差異不斷擴大。2006—2009年,2011—2015年這兩個時期生態效率平穩發展,區域差異逐漸縮小。

圖2 2003—2016年中原城市群生態效率變化趨勢

出現這種變化特征可能的原因是：2003—2006年,2009—2011年這兩個時期,中原城市群經濟增長的粗放式及部分行業產能過剩的影響逐漸顯現,資源環境約束加劇,但其努力促進經濟平穩較快發展,GDP導向型發展特征明顯,因此生態效率整體呈上升趨勢且增速較快。由于各市資源配置效率、經濟發展基礎及環境污染治理力度等方面的差異,導致區域差異擴大。而2006—2009年期間,由于受到全球金融危機的影響,中原城市群各省調整發展戰略,加強節能減排和生態環境保護,不斷淘汰落后產能,關閉重污染企業,同時政府投資新技術產業,更加注重經濟社會發展和生態建設的一致性,推動了綠色經濟的發展,此期間生態效率平穩發展,中原城市群內部生態效率差異不斷縮小。2011—2015年,經濟發展進入新常態時期,前期依靠資源要素驅動及粗放式經濟發展模式帶來的弊端逐漸出現,經濟增速放緩,產業結構調整,政府環境治理力度加大,致使這一時期生態效率平穩發展,在此背景下,生態效率的區域差異逐漸縮小。而2015—2016年,經過前期資源要素累積,產業結構優化升級,居民環保意識增強,同時伴隨著經濟發展理念的轉變,更加注重資源、環境和經濟的協調發展,生態效率又開始快速上升,由于承接東部地區的產業轉移,城市間生態效率差異不斷擴大。

2.1.2空間分異特征

為了更清楚地觀察生態效率的空間差異及格局演變特征,選取2003,2010,2016年的數據,在參考相關研究的基礎上[30],將中原城市群的生態效率值(ρ*)劃分成三個等級：ρ*≥1為高效率,0.8≤ρ*<1為中等效率,ρ*<0.8為低效率,來探討其空間分異特征,結果見圖3。

總體來看(圖3)：(1)中原城市群不同等級的生態效率空間差異明顯,生態效率水平具有空間溢出性,生態效率水平相近的城市集中連片分布,總體上呈現出北部和南部高,中間低的空間分布格局。(2)2003、2010、2016年生態效率中高水平的城市比重逐漸增加,低效率水平的城市比重逐漸下降。

圖3 中原城市群生態效率空間格局

具體來看：(1)生態效率高值區主要分布在河南周口、許昌及安徽亳州。這幾個城市的經濟實力并不具有顯著優勢,但從投入產出指標分析,發現其投入的勞動力、資本、其他資源投入帶來的經濟社會效益較高,同時非期望產出相對較少。(2)中等效率的空間范圍略有增加,主要分布在中原城市群北部的邯鄲及南部的洛陽、平頂山、南陽和駐馬店。其中,邯鄲和洛陽資本和其他資源投入冗余,平頂山在2010年勞動力過剩,勞動力資源利用率低,這些城市在帶來經濟高產出的同時,也造成非期望產出的大幅增加,減排壓力增大。而南陽和駐馬店的非期望產出都偏低,但是由于資源配置不合理,沒有促進其生態效率的提高。如南陽的其他資源投入冗余,駐馬店的勞動力和資本投入冗余。(3)低效率范圍區主要為中等效率和高效率之間的區域,集中分布在中原城市群西北和東北兩個片區。這些城市處于中等效率及高效率的邊緣,多數是資源型城市,由于過度強調資源的經濟效益,忽視生態環境保護、缺乏統籌規劃等原因,在發展過程中積累了很多問題。這些城市在追求經濟產出增加時,對其他資源投入需求量較大,同時大量污染物排放量的增加,加重了生態環境的負擔,導致其生態效率水平偏低。

分省來看：(1)河南省2003年生態效率高值區分布于亳州—許昌沿線,生態效率中等區集中分布于豫西南,生態效率低值區呈散點狀分布；2010年生態效率水平高和低的城市數量均減少,生態效率中等地區集中分部在豫北；2016年生態效率高和低的城市數量減少,中等水平的城市數量增加。(2)河北省的邯鄲和邢臺兩個城市在2003年為生態效率低水平,在2010年和2016年,邢臺上升為高效率水平。山西省的運城在2006年由低效率水平上升為中等效率水平,晉城則在2016年由低效率水平上升為中等效率水平。山東省的聊城在2003和2010年均為中等效率水平,在2016年上升為高效率水平；菏澤在2003、2010和2016年均處于低效率水平。安徽省2003年高效率水平只有亳州市,2010年高效率和中等效率城市數量均增加,2016年中等效率城市數量增加。

2.2 空間關聯特征

將生態效率值作為變量,采用鄰接空間權重矩陣,得到的Moran′I值(表2)均為正值,且大多數年份都通過5%水平的顯著性檢驗,表明中原城市群生態效率存在正空間自相關性。

表2 2003—2016年生態效率的莫蘭指數

為進一步揭示中原城市群生態效率的局部空間關聯格局,測度其局域關聯特征,利用Getis-Ord Gi*指數繪制中原城市群冷熱點演變趨勢圖(圖4)。由圖4可知：中原城市群生態效率的熱點區變化明顯,許昌、漯河、周口和阜陽形成穩定的熱點區,冷點區在中原城市群西北部地區動態變化。熱點區范圍不斷擴大,熱點區從條帶狀分布向斑塊狀聚集分布,最初集聚于阜陽—許昌沿線城市,然后蔓延至中原城市群南部的大部分地區,其數量由2003年的5個增加到2016年的8個。次熱點區的大部分城市分布在熱點區周圍,其余幾個城市零星分布,其城市數量由2003的6個增加到2010年的9個,然后在2016年又減少至6個。冷點區和次冷點區變化明顯,其中冷點區范圍略有增加,由2003年的4個變為2016年的5個,次冷點區由2003年的15個減少至2016年的10個。

圖4 中原城市群生態效率冷熱點分布趨勢圖

“極化涓滴”效應的作用,使生態效率通過近鄰擴散機制達到最優。中原城市群北部和南部生態效率相對較高,具有明顯的正向輻射效應,值得注意的是,鄭州的輻射帶動作用并不明顯。雖然這在一定程度上可以縮小城市間的差異,但對整體生態效率的影響作用有限,所以局部空間格局變化不大。

3 影響因素分析

3.1 空間模型的設定及指標選取

上文已知生態效率存在顯著的正空間自相關性，同時中原城市群生態效率的空間特征顯示了城市間生態效率水平具有空間溢出效應。因此采用空間計量分析模型能更好地揭示經濟現象,也更加符合實際。在進行面板空間固定效應和隨機效應的選擇時,需要進行Hausman檢驗,結果見表3。Hausman檢驗結果中p值通過1%水平的顯著性檢驗,因此要選擇固定效應。根據Anselin的空間計量模型分析流程[35],進行拉格朗日乘子(Lagrange multipliers,LM)檢驗,結果表明穩健的空間滯后模型的拉格朗日乘子檢驗更加顯著,因此最終選擇固定效應的空間滯后模型進行建模分析。

表3 模型選擇檢驗

區域生態效率的影響因素復雜,綜合已有研究對城市群生態效率影響因素的分析[19,30,36],在中原城市群市域數據可獲得基礎上,構建影響因素指標體系(表4)。選取經濟發展水平、產業結構、城市規模、對外開放和科技水平五項指標,各指標含義見表4。其中,經濟發展水平和城市規模這兩個變量取對數。

表4 中原城市群生態效率影響因素

3.2 計量結果分析

對中原城市群生態效率的影響因素進行分析,模型估計結果如表5所示。

回歸分析結果表明(表5)：空間滯后項回歸系數ρ(0.137),通過了5%水平的顯著性檢驗,說明中原城市群生態效率水平存在正向空間溢出效應,生態效率等級高和等級低的城市存在局部俱樂部收斂特征,即生態效率高(低)的城市,受其影響,其周圍城市生態效率也高(低)。

表5 空間滯后模型估計結果

經濟發展水平的彈性系數在1%水平上顯著為正,即經濟發展水平與生態效率存在正相關關系。說明經濟發展水平越高,經濟越富裕,政府越有更充裕的財政資金用于治理環境污染,政府的環境調控能力也就越強；同時,經濟發展水平提高,有助于節能減排等新技術的廣泛應用,提高資源利用效率,優化治理環境污染手段,這都將促進生態效率的提高。

產業結構對生態效率的影響在統計上不顯著。中原城市群的主導產業是裝備制造業和食品工業,這類產業對勞動力、水電等資源的需求量較大,資源的大量投入在帶來經濟效益的同時,也造成資源浪費,污染物排放量增多,而第三產業的發展相對落后,難以彌補第二產業粗放經營帶來的負面影響,對生態效率的促進作用有限。

城市規模對生態效率的影響統計上不顯著。目前,中原城市群城鎮規模體系結構中,缺少超大城市,其他規模等級的城市齊全,特大、大、中、小城市都占一定比例。根據城市規模劃分標準,中原城市群特大城市只有鄭州一個,大城市數量每年增加1個,2016年達到18個；小城市數量由2015年的3個減少為2016年的2個。大城市數量的增加和小城市數量的減少,表明中原城市群的城市規模不斷擴大,人口吸納能力不斷增強,城市密集,人口集聚程度不斷提高,但人口增加帶來的集聚效應還沒有充分顯現,社會分工專業化,經濟、文化和技術方面的優勢還未完全凸顯,因此對生態效率的積極影響不明顯。

對外開放水平的回歸系數通過5%水平的顯著性檢驗,即對外開放水平與生態效率存在正相關關系。對外開放水平包含地區發展外向型經濟和利用外商企業發展本地區經濟的能力兩大部分。外向型經濟發展水平的提高,使得進出口總額、實際利用外資規模增加,會刺激當地企業提高生產率、加快資本積累、優化資源配置,從而帶動經濟結構優化升級。外商企業發展本地區經濟能力提高,外商投資規模擴大,給中原城市群帶來了就業和GDP的增長,同時,在吸引境外資金的同時,也可以學習境外先進的管理經驗及清潔生產技術和理念,提高資源利用效率,有效地改善本地的生態環境,并通過技術溢出效應帶動其他企業進行節能環保生產,降低了城市的資源消耗量,改善了城市的環境質量。這兩個方面綜合發揮作用,有助于提高中原城市群的生態效率。

科技水平的回歸系數通過了1%水平的顯著性檢驗,但該系數的影響方向與預期相反。這與持有“技術—環境悖論”觀點的學者[37]觀點一致,即技術同樣也會帶來嚴重的環境問題。分析原因可能是,中原城市群提升科技水平的主要目的可能更側重于促進經濟增長,忽視了經濟、資源與環境的協調發展,科技水平提升帶來的環境負效應超過了它帶來的經濟正效應,因此對生態效率產生抑制作用。

4 結論與建議

4.1 結論

本文以中原城市群29個城市為研究對象,運用Super-SBM模型測算了各市的生態效率,利用變異系數、莫蘭指數對測度結果進行分析,并借助地理信息系統工具分析其時空演變特征,考慮到生態效率具有明顯的空間關聯特征,引入空間權重矩陣,利用空間滯后模型分析了生態效率的主要影響因素,得出如下結論：

(1)2003—2016年,中原城市群生態效率水平整體上呈“階梯狀”發展態勢,城市間差異明顯,呈現北部和南部高,中間低的空間分布格局。2016年,周口、邢臺、亳州生態效率較高,淮北、鶴壁、信陽生態效率較低。

(2)中原城市群生態效率局部空間關聯性顯著,空間集聚程度逐步加強,熱點區范圍擴大,次熱點區范圍基本保持不變,冷點區范圍略增加,次冷點區范圍減少。

(3)考慮空間因素,引入空間鄰接權重矩陣,利用空間滯后模型(SLM)分析了生態效率的影響因素。結果表明：中原城市群生態效率具有正向空間溢出效應,經濟發展水平和對外開放水平對生態效率的影響顯著為正,對生態效率有促進作用。科技水平對生態效率的影響顯著為負,對生態效率產生阻礙作用。產業結構和城市規模對生態效率的影響未能通過顯著性檢驗,對生態效率的影響還未能充分顯現出來。經濟發展水平、對外開放水平和科技水平是影響中原城市群生態效率變動的主要因素。

4.2 建議

針對上述實證結論,為提高中原城市群生態效率,推進生態文明建設和可持續發展,提出幾點建議：

(1)中原城市群城市間生態效率差異顯著,提高生態效率的關鍵在于低投入、低排放實現高產出,促進經濟增長。因此,生態效率高的城市可以通過資源調整、產業結構優化、技術進步實現節能減排,增加期望產出,減少非期望產出。中等效率的城市需要適當調整資源投入比例,通過勞動力、資本、土地及水電資源的使用規模和結構的優化配置,實現資源節約集約利用,提高資源利用率,同時可以采用新工藝新技術,減少非期望產出。低效率的城市尤其是資源型城市,它的關鍵在于轉變資源利用和消費觀念,同時通過技術創新、管理優化,在實現資源利用效率大幅提升的同時,實現經濟的快速發展。

(2)中原城市群生態效率存在正向空間溢出效應,因此要加強中原城市群各級政府間的合作,跨越行政區劃限制,促進各類要素在城市間自由流動。生態效率高的城市要積極與生態效率低的城市分享先進的資源利用及環境保護經驗,加強在資源環境領域方面的交流與合作；生態效率低的城市,尤其是資源型城市,可以對其適當提高資源稅、環境稅及排污費征收標準,在保護環境的同時,達到合理開發利用資源,提高生態效率的目的。通過城市間的深度合作,使生態效率高的城市輻射帶動周邊城市,促進中原城市群整體生態效率的提升。

(3)計量結果顯示,經濟發展水平、對外開放水平和科技水平是影響中原城市群生態效率的主要因素。因此,提高中原城市群生態效率,需要破解現階段生態效率的冷熱點的分布格局,突出鄭州的核心帶動作用,把建設鄭州國家中心城市作為突破口,全面提升鄭州的發展力、輻射力,借助“集合城市”的力量,形成帶動區域經濟發展的動力源,形成鄭州大都市區,打造引領中原城市群發展的核心增長極[38]。各城市在追求GDP增長的同時,要探索適合自己發展的生態道路,持續提升對外開放水平,大力發展外向型經濟,提升外商企業發展本地區經濟的能力,同時要加快轉變經濟發展方式,加強對土地、水電等資源的集約利用,并采用新技術、新工藝提高資源利用效率,減少資源浪費。此外,要以科技引領綠色發展,釋放鄭洛新國家自主創新示范區的政策紅利優勢,發揮其示范和引領作用,同時要發揮企業科技研發推動綠色發展的支撐性作用,促進科技水平帶來的環境正效應的提升,進而提高中原城市群生態效率水平,推動中原城市群實現內生性綠色發展。