煤炭資源型城市經濟增長與環境污染的EKC分析：以大同市為例

李炫妮，劉 珊，廖 磊，曹 磊，董小林

(1.長安大學水利與環境學院，陜西 西安 710064；2.長安大學旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；3.長安大學環境經濟與管理研究所，陜西 西安 710064)

煤炭型資源城市是指煤炭產業在城市工業結構中占比較大，或在城市工業中居于主導地位的城市。根據《全國資源型城市可持續發展規劃(2013—2020年)》，我國資源型城市共有262座，其中煤炭型資源城市有100多個，大同市被列為成熟型煤炭資源城市。長期的煤炭開采對城市造成了嚴重的環境污染和生態破壞。大同市是我國最重要的煤炭城市和老工業基地之一，是以煤炭采掘和依托煤炭的高耗能產業為主要行業的城市。長期以來大同市經濟和環境矛盾突出，加快大同市經濟轉型已經成為大同市經濟社會發展的重中之重。研究煤炭資源型城市經濟增長和環境污染之間的關系，對包括大同市在內的煤炭資源型城市加強城市環境治理與生態保護，推進城市轉型高質量發展具有重要意義。

EKC理論是研究環境質量與經濟發展兩者關系的經典假設，然而鮮有關于煤炭資源型城市的相關研究。本文以典型煤炭資源型城市大同市為研究對象，選取工業“三廢”為環境指標，人均GDP為經濟指標，通過構建EKC模型，確定大同市EKC曲線的具體形態及拐點，分析其環境質量隨經濟增長的變化趨勢，以及未來環境質量變化，為制定為生態環境保護與社會經濟發展規劃和政策提供依據，為煤炭資源型城市經濟和環境的協調高質量發展提供參考。

1 研究區分析

1.1 煤炭資源型城市發展分析

1.1.1 經濟發展狀況分析

煤炭資源型城市是在煤炭開采、加工基礎上發展起來的城市，其經濟發展對煤炭資源的依賴性強，存在產業、產品、就業等結構單一的問題。在產業結構方面，資源持續粗放式開發，第二產業比重較高，三次產業結構不協調，城市發展后勁不足；在產品結構方面，煤炭資源型城市提供的煤炭產品處于產業鏈上游，產品附加價值低，經濟效益低[1]；在就業結構方面，礦業是煤炭資源型城市經濟發展的主導力量，礦業技術人才占比很大，人才結構單一。

隨著我國經濟結構調整，可再生能源、核能、天然氣等能源消費革命的推進，煤炭需求增速放緩，煤炭市場原煤產量下降、價格下跌，煤炭相關企業普遍虧損，煤炭資源型城市的發展受到不同程度的影響。長期以煤炭資源開釆為主導的經濟發展模式，加上過度以及不合理的開采導致城市其他功能的落后，煤炭資源快速枯竭[2]。

1.1.2 環境質量狀況分析

長期以來，全國幾乎所有煤炭資源型城市都貫徹“以煤為綱”的方針，經過幾十年的開采，這些城市形成的環境問題沒有得到有效解決，歷史欠帳很多。煤炭資源型城市經濟發展對煤炭的依賴程度很高，煤炭的消費比重與環境污染水平存在極為顯著的正相關關系[3]。

煤礦開采產生的SO2、CO2、CO等有毒有害氣體造成嚴重的大氣污染。長期的開采破壞土地資源和森林植被資源，據統計，每采萬噸煤平均塌陷土地0.2 hm2，全國因采礦損毀土地累計約400 000 hm2[4]。煤炭開采也會導致大量尾礦、粉煤灰、煤矸石等固體廢棄物的產生，全國目前僅煤矸石就有30多億t，占地超過5 000 hm2，使得土地資源浪費嚴重。部分煤礦企業存在管理制度不嚴、環保意識薄弱、環保設施不配套等問題，將未經處理或簡單處理的洗煤水、巖溶水、煤矸石淋溶水等礦井水直接排放，導致地表水及地下水的污染。煤炭資源型城市長期粗放式、高強度的煤炭開采、生產導致生態環境破壞嚴重，城市高質量發展面臨的環境壓力很大。

1.2 大同市環境經濟狀況分析

大同市位于山西省北部，是我國最大的煤炭能源基地之一，為我國經濟社會發展做出了重要貢獻，是聞名全國的“煤都”。大同市總面積14 176 km2，其中城市面積2 080 km2，2019年末常住人口達346.30萬人。大同市的煤炭產業已步入成熟期，高強度的煤炭開采所造成的環境問題顯著，生態環境保護與資源開發、經濟發展之間不平衡、不協調的矛盾突出。煤炭開采引發的地面塌陷、地裂縫等地質環境高風險區面積達1 277.26 km2，占總面積的9.01%[5]。煤炭生產和使用過程產生大量的工業“三廢”，導致城市周邊環境、水環境和大氣環境等欠佳甚至是惡劣。

2000—2017年大同市工業SO2、煙粉塵的排放量整體呈下降趨勢，但仍高于全國平均水平。 由圖1可知，大同市工業煙粉塵排放量從2000年的150 236 t攀升至2001年最高的262 562 t，之后在波動中逐漸降低至十八年間的最小值18 789 t。 工業SO2排放量從2000年的116 195 t降至2001年的76 040 t，隨后處于波動狀態，2011年達到峰值143 447 t，之后又繼續降低至2017年最小值18 789 t。分析工業煙粉塵排放量在2001年和2003年的突增和工業SO2排放量在2001—2005年的持續增長，可能是由于在此期間，我國經濟快速發展，煤炭資源供不應求，煤炭行業快速發展，導致廢氣中SO2、煙粉塵出現較大幅度反彈。而2010—2011年工業SO2排放量增長可歸因于政府應對2007—2008年金融危機的刺激。黨的十八大以來，大同市認真落實黨中央的決策部署，努力改善生態環境，2013年后工業SO2和工業煙粉塵的排放量都顯著降低，但仍高于全國平均水平。

圖1 2000—2017年大同市工業SO2、工業煙粉塵排放量情況Fig.1 Emissions of industrial SO2 and industrial smokedust in Datong city from 2000 to 2017

由圖2可知，大同市GDP總體呈現增長趨勢。根據2000—2017年產業結構變化可知：第一產業占大同市GDP的比重經過短暫波動，2002年后趨于穩定，2017年為5.53%;2013年前，第二產業的比重居高不下，自2013年之后呈明顯下降趨勢，從2000年的50.71%降至2017年的36.85%。從收集到的十八年數據來看，第三產業比重波動式上升，表現出良好的增長態勢，從2000年的41.50%增長至2017年的57.61%，發展速度明顯快于第一產業和第二產業的發展。從大同市三次產業比變化趨勢可以看出，第三產業的比重在逐步擴大，2013年首次反超第二產業，三次產業的發展正在趨向于平衡，產業結構逐步優化。

圖2 2000—2017年大同市三次產業變化情況Fig.2 Changes of three industries in Datong city from 2000 to 2017

2 研究方法與模型

2.1 EKC曲線研究現狀

1991年美國經濟學家GROSSMAN等[6]提出EKC假說，認為在較長的時間跨度內，經濟增長與資源環境壓力呈倒U型曲線關系，即隨著人均GDP的提高，資源環境壓力呈現先上升后下降的趨勢。國內外眾多學者從不同視角對EKC曲線進行深入研究，得出倒U型的EKC曲線并不是普遍規律，也有U型、倒N型、N型和復合型等結果[7-9]。目前國內EKC研究聚焦于全國和省域，有關資源型城市的EKC研究鮮少。基于本文所選環境指標，表1總結了目前國內部分學者以廢氣、廢水、固體廢棄物等污染物為環境指標的EKC曲線估計結果。

表1 國內部分學者關于EKC曲線研究結果梳理匯總Table 1 Summary of the research results of some domestic scholars on the EKC curve

2.2 指標選取與數據準備

根據煤炭資源型城市以煤炭產業為主的特征，同時考慮到數據的可獲得性、準確性、完整性，以2000—2017年大同市的相關數據建立計量回歸模型。對于經濟指標，國內外一般選擇人均GDP[15]，本文也選用常規的人均GDP作為經濟指標。工業“三廢”危害性巨大是環境惡化的普遍指標，故選擇工業廢水、工業廢氣和工業固體廢棄物作為環境質量指標。鑒于工業廢氣中SO2、煙粉塵的主要來源是工業和化石能源燃燒，可充分體現出煤炭產業對環境的影響，所以本文選取工業SO2、工業煙粉塵、工業廢水排放量及工業固體廢棄物產生量作為環境質量指標，相關數據見表2。

表2 2000—2017年大同市人均GDP和污染物排放量Table 2 Per capita GDP and pollutant emissions ofDatong city from 2000 to 2017

2.3 平穩性檢驗與數據擬合

在研究經濟增長和環境質量之間關系時選取2000—2017年的時間序列數據，在對時間序列進行分析前，需要先通過單位根檢驗其是否平穩，避免偽回歸現象。時序數據取對數后可減少變量的極端值、非正態分布及異方差性，且不會改變時序的性質和關系，因此在數據驗證前對幾組變量序列進行了對數標準化處理。運用EViews10進行檢驗，檢驗結果見表3。 由表3可知，在一次差分后時間序列均達到平穩狀態，是一階單整序列，可以進行回歸分析。

表3 各變量ADF檢驗結果匯總Table 3 Summary of ADF test results for each variable

續表3

2.4 模型選擇

基于已有研究，EKC擬合模型大致可分為三種形式：二次函數型、三次函數型、對數函數型。對數化處理所有數據，可減少數據的異方差，比較客觀地反映環境與經濟的相互關系[16]，故確定式(1)作為本次研究的擬合模型。

lnE=β1lnX+β2(lnX)2+β3(lnX)3+μ

(1)

式中：E為環境污染程度；X為人均GDP；μ為誤差項；β1、β2、β3為回歸系數，β值不同，經濟增長與環境質量的關系不同，最終曲線的形狀也不同。

3 EKC曲線在大同市的應用及分析

根據表1確定自變量為ln(人均GDP)，分別選取ln(工業SO2排放量)、ln(工業煙粉塵排放量)、ln(工業廢水排放量)、ln(工業固體廢棄物產生量)為因變量，并且借助Origin軟件對環境經濟數據進行擬合及回歸分析。由表3可知，β1<0、β2>0、β3<0，曲線形狀呈倒N型，表示環境污染程度隨著經濟的增長先降低后加重，后又降低[16]。

表4 2000—2017年大同市環境經濟計量模型擬合結果Table 4 Fitting results of environmental econometric models in Datong city from 2000 to 2017

3.1 工業SO2排放量與人均GDP的EKC檢驗

由圖3可知，隨著人均GDP的提高，SO2污染呈現出先降低后升高再降低的趨勢，拐點分別出現在人均GDP達8 215元(2003年)和17 974元(2008年)時，擬合曲線呈現明顯的U型+倒U型特征。相關環境政策的出臺、化石能源消費比重的下降會導致先降后升再降的趨勢和實際數據不同步，2006—2010年數據顯示工業SO2排放量低于擬合曲線，側面說明大同市治污減排取得初步成效。十八大以后，大同市煤礦等排污企業的污染處理設備不斷完善，企業內部環境保護工作取得成效，環保部門的監管力度不斷加強，供給側結構性改革的成效開始顯現，使得SO2的排放量在2015年后顯著下降，2017年人均GDP達到最高(32 671元)時，工業SO2排放量降至最低點18 789 t/a。

圖3 工業SO2排放量與人均GDP擬合曲線圖Fig.3 Fitting curve of industrial SO2 emissionsand GDP per capita

3.2 工業煙粉塵排放量與人均GDP的EKC檢驗

根據模擬方程回歸系數值判斷，工業煙粉塵與人均GDP表現出倒N型關系，拐點為人均17 974元(2008年)。擬合圖見圖4，擬合曲線表現出有些起伏的倒U型的右側的特征，2000—2017年間，正處于倒U型的下降區間。綜合模型參數與圖形趨勢判斷，工業煙粉塵與人均GDP表現為偏倒U型的弱倒N型。2000—2004年下降速率較快，隨后在2004—2009年下降速率放緩。煤炭燃燒是煙粉塵排放最重要的來源，2003年后，經濟快速增長，煤炭能源供不應求，高耗能、高污染行業快速發展，導致大同市工業廢氣中煙粉塵排放量的下降速率放緩。“十一五”期間，大同市對全市重點工業污染源進行減排監控，對高耗能、高污染、高排放的“三高”企業實施末位淘汰制，嚴格排污管理，嚴控污染物排放，2008年后工業煙粉塵排放量不斷下降，2017年達到最低點，工業煙粉塵排放量21 840 t/a，相比2000年下降了85.46%。節能減排政策的優越性不斷顯現，側面驗證了隨著經濟不斷向高質量轉型發展，大同市工業煙粉塵污染情況不斷向好發展。

圖4 工業煙粉塵排放量與人均GDP擬合曲線圖Fig.4 Fitting curve between industrial smoke dustemissions and GDP per capita

3.3 工業廢水排放量與人均GDP的EKC檢驗

通過模擬方程參數判斷，工業廢水與人均GDP呈倒N型關系，兩個拐點分別為人均GDP達6 485元(2001年)和18 710元(2009年)時。結合模型參數與圖5的擬合曲線，判斷工業廢水與人均GDP之間呈U型+倒U型曲線特征。2001—2009年，隨著人均GDP的增長，大同市工業廢水排放量增長速率逐漸減緩。之后，工業廢水實際排放量出現小幅度波動，至2012年達到峰值5 985萬t/a。隨著2015年“水十條”、《山西省水污染防治工作方案》等政策出臺，廢水排放量大幅下降，至2017年達到最低點1 821萬t/a，僅為2012年的30.43%，這體現出十八大后政府和企業重視水環境污染狀況，相關政策措施落實到位且行之有效。

圖5 工業廢水排放量與人均GDP擬合曲線圖Fig.5 Fitting curve of industrial wastewater dischargeand GDP per capita

3.4 工業固體廢棄物產生量與人均GDP的EKC檢驗

大同市工業固體廢棄物產生量和人均GDP擬合效果顯著，R2=0.950 0。根據擬合參數判斷，曲線形狀為倒N型，說明工業固體廢棄物隨著人均GDP增長先降低后增加，后又降低，這與2000—2017年的統計數據相符。從圖6的擬合曲線來看，工業固體廢棄物和人均GDP目前呈正相關關系，處于倒U型的左側。鑒于統計年限內曲線拐點不明顯，綜合擬合參數、擬合圖形，判斷工業固體廢棄物產生量和人均GDP之間呈偏倒N型的弱倒U型曲線關系，目前正處于拐點時期。

大同市工業固體廢棄物產生量從2000—2015年整體處于增長態勢，尤其是自2010年后，由于統計口徑發生變化，工業固體廢棄物產量數據有較大幅度提升。在2015年達到峰值，工業固體廢棄物產生總量的自然對數約為8.32，人均GDP的自然對數約為10.34，此后開始下降。根據EKC擬合結果，現階段已經越過拐點，隨著人均GDP的不斷增長，大同市工業固體廢棄物產生總量將會逐年減少。由圖6可以看出，整條曲線呈現不斷上升狀態，2015年的轉折不夠明顯。2019年《關于大宗固體廢棄物綜合利用基地備案名單的公示》將大同市列入大宗固體廢棄物綜合利用基地備案名單，在國家政策的扶持下，大同市固體廢棄物綜合利用水平有望提高，相應的固體廢棄物產量有望減少。

圖6 工業固體廢棄物產生量與人均GDP擬合曲線圖Fig.6 Fitting curve of industrial solid waste generationand GDP per capita

3.5 研究結論

1) 對2000—2017年數據進行EKC分析表明，工業SO2、工業廢水與人均GDP均呈U型+倒U型曲線關系，工業煙粉塵、工業固體廢棄物與人均GDP均呈偏倒N型的弱倒U型曲線關系。大同市環境污染隨著人均GDP的增長，先降低再加重后又降低，環境質量呈先改善后惡化再繼續改善的趨勢。

2) 煤炭資源型城市的EKC拐點的出現往往伴隨著相關環境政策的出臺、化石能源占能源消費比重的下降、城鎮化水平達到一定規模；大同市工業SO2、煙粉塵、廢水排放量等環境指標均以越過EKC拐點，表明大同市環境治理取得了一定成效，環境狀況整體向好發展。

3) 大同市工業固體廢棄物隨人均GDP增長而降低的拐點尚不明顯，在控制工業固體廢棄物方面仍需要繼續采取一系列切實有效措施，否則存在波動或反彈的可能。

4 結論與建議

《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》發展目標中和黨的十九屆五中全會分別提出“生態環境持續改善”“生態環境根本好轉”等目標，我國進入了新的發展階段。受我國經濟增速趨緩、能源結構調整供等因素影響，以能源、原材料和初級加工為主的傳統產業競爭優勢逐步消失，煤炭資源型城市的發展面臨歷史性拐點，如何加快城市轉型發展，高質量發展、可持續發展亟待解決，根據對大同市EKC分析結果，提出以下建議。

1) 優化產業結構，建立長效發展機制。目前，大同市經濟結構在逐步向第三產業轉移，但以煤炭產業為主導的第二產業比重仍然較大，要從根本上解決大同市環境問題，最重要的是優化產業結構，積極淘汰高耗能、高污染、高排放等“三高”產業，充分挖掘大同豐厚的文化、旅游資源，加大對人才、技術、知識等高級要素的投入，繼續大力發展第三產業、新興產業。加快推進科技體制改革，為綠色低碳產業提供發展動力。同時，推進資源稅、環境稅改革的深化、完善資源有償使用制度、設立環境治理資金補償渠道，豐富環境治理資金來源，強化環境監管力度，實現環境與經濟的良好互動。

2) 優化產能結構，深化供給側改革。為化解煤炭產能過剩問題，大同市應進一步加快推進煤礦減量重組工作，推動煤炭實現清潔高效利用，實現煤炭產業提質升級。繼續以“高碳能源低碳發展，黑色能源綠色發展”為原則，圍繞充足的太陽能和風能資源，抓住大同市采煤沉陷區國家先進技術光伏示范基地列入國家專項規劃的有利契機，夯實風電、光伏產業基礎，進一步加快新能源產業發展，調整優化能源結構。這樣不僅能解決短期內環境污染問題，還能夠在長期生產生活中持續降低能源消耗量，實現大同市綠色發展、可持續發展。