城市生態效率與生態韌性的協調發展評價與障礙因子識別

牛建廣，辛伯雄，王明琪

（1.河北地質大學城市地質與工程學院；2.河北省地下人工環境智慧開發與管控技術創新中心，石家莊 050031）

0 引言

生態效率強調以最小的生態負荷獲得最大的經濟產出[1]。生態韌性則強調生態系統在遭受外界干擾時，生態系統主動維持、適應以及重構的能力[2]。生態效率與生態韌性均是城市生態系統發展的重要目標。然而，一些城市在提高經濟產出的同時，也造成了資源大量消耗、環境嚴重污染等問題，使當地生態系統受損。2017 年生態環境部將京津冀及周邊城市認定為大氣污染傳輸通道城市（即“2+26”城市①“2+26”城市包括北京市，天津市，河北省石家莊市、唐山市、廊坊市、保定市、滄州市、衡水市、邢臺市、邯鄲市，山西省太原市、陽泉市、長治市、晉城市，山東省濟南市、淄博市、濟寧市、德州市、聊城市、濱州市、菏澤市，河南省鄭州市、開封市、安陽市、鶴壁市、新鄉市、焦作市、濮陽市（含河北省雄安新區、辛集市、定州市，河南省鞏義市、蘭考縣、滑縣、長垣縣、鄭州航空港區）），這些城市的空氣污染問題較為嚴重，生態環境面臨嚴峻的挑戰。“2+26”城市生態效率與生態韌性發展處于何種水平？二者間呈現怎樣的協調發展關系？阻礙協調發展的障礙因子有哪些？回答以上問題，將切實為“2+26”城市生態保護和高質量發展提供理論依據。

國內外關于生態效率的研究較為成熟。其中，關于生態效率的研究主要涉及區域、行業、企業等多個層面[3]。在測算方法方面，與單一比值法和生態足跡法相比，DEA模型由于具備指標選取全面、非主觀賦權等優點，已成為當下生態效率測度的主流工具之一[4]。韌性一詞最早被Holling引入生態學領域，生態韌性是指生態系統所擁有化解外來干擾，以及在沖擊出現時仍能維持其主要功能運轉的能力[5]。當前，國外關于生態韌性的相關研究主要從理論構建、形成機理等方面展開[6]。國內的研究則主要圍繞韌性特征與量化測度等內容展開[7]。此外，學者們量化測度生態韌性的方法還包括關聯網絡分析[8]、耦合協調模型[9]等。

本文以“2+26”城市為研究對象，借助考慮非期望產出的超效率Windows-EBM-DEA 模型和加權求和法對其生態效率與生態韌性的時空演化特征進行分析。進一步引入耦合協調度模型探究其生態效率與生態韌性間的協調發展關系，并通過障礙度模型識別阻礙其協調發展的障礙因子，以期為“2+26”城市綠色、協調、可持續發展提供理論依據。

1 研究設計

1.1 指標體系構建

本文參考已有研究[10],在遵循客觀、獨立與數據可獲得原則的條件下，構建“2+26”城市生態效率與生態韌性協調發展評價指標體系，包括2 個子系統、24 個具體指標，見下頁表1。

表1 “2+26”城市生態效率與生態韌性協調發展評價指標體系

1.2 研究方法

1.2.1 城市生態效率評價模型

本文參照梁耀文等（2023）[11]的做法，構建將徑向與非徑向相結合的考慮非期望產出的超效率EBM-DEA 模型來測算生態效率，公式如下：

其中，ρ*為效率；φ為產出擴大比；k為決策單元；m為投入種類；n為期望產出種類，q為非期望產出種類；θ為徑向部分規劃參數；εx、εy為關鍵參數，滿足0≤εx≤1；為投入要素的重要程度，其和為1；xik和yrk分別表示決策單元的第i種投入和第r種產出；、和為松弛變量；和分別表示期望產出和非期望產出的權重；bpk為決策單元的第p類非期望產出；λj為線性組合系數；j0表示當被評價決策單元為DMUj0時，在剔除DMUj0新的有效前沿面上的DMUj的超效率值。

為避免效率值不可進行橫向對比，本文引進Windows-DEA 模型，該模型測算效率是利用類似移動平均的原則來選定參考集。參考已有研究[12]，將Windows-DEA模型窗口寬度d設為3，以各年份在不同窗口的效率均值作為DMU 最終可進行橫向比較的效率值。因此，本文最終采用考慮非期望產出的超效率Windows-EBM-DEA 模型對“2+26”城市的生態效率進行測度。

1.2.2 生態韌性評價模型

本文采用改進的熵值法[13]對指標進行賦權。該方法在傳統熵值法的基礎上增加了時間變量，可以彌補無法反映變量時間演化趨勢的缺陷。首先利用極差標準化法對原始數據進行無量綱化處理，然后利用改進的熵值法對指標賦權，最后通過加權求和法對生態韌性進行計算。公式如下：

其中，Rθi表示第θ年第i個地區的生態韌性值；wj為第j項指標的權重；, 表示第θ年第i個地區的第j項指標的標準化值。

1.2.3 耦合協調度模型

結合已有研究[9]，構建生態效率與生態韌性兩個子系統間的耦合協調度模型，公式如下：

其中，W為兩系統間的耦合程度；X1為生態效率值；X2為生態韌性水平；T為兩系統整體效益水平；α和β為系數且α+β=1，反映系統各自對整體效益水平的貢獻度。本文假定生態效率與生態韌性在生態文明建設中擁有同等地位，故將α和β均設定為0.5。S為兩系統的耦合協調度，其值介于0 到1 之間，S越大說明生態效率與生態韌性耦合協調發展的狀況越好。

1.2.4 障礙度模型

借助障礙度模型對各指標進行障礙度測算并排序，以確定各障礙因子對各城市生態效率與生態韌性協調發展的影響程度。公式如下：

其中，Fθj為第θ年第j項指標對城市生態效率與生態韌性協調發展的障礙度，wj為第j項指標的權重，為指標的標準化值，m為指標個數。

1.3 數據來源與處理

本文以“2+26”城市為研究對象，采用2010—2020 年的相關數據來源于歷年《中國城市統計年鑒》、相關省份統計年鑒及相關城市的國民經濟和社會發展統計公報。其中，城市碳排放數據來自中國碳核算數據庫（CEADs）。同時，考慮到數據的真實性、完整性以及可利用性，對數據進行分析與預處理。對缺失值采用線性插值法及趨勢外推法進行賦值處理，對結合相關實際情況進行針對性分析后的異常值予以剔除并補齊。

2 實證結果分析

2.1 “2+26”城市生態效率的時空演變特征

為了使生態效率更具可比性，本文利用考慮非期望產出的超效率Windows-EBM-DEA 模型測度2010—2020 年“2+26”城市的生態效率，結果如表2所示。

表2 2010—2020年“2+26”城市生態效率值

從時間維度看，“2+26”城市生態效率總體上呈現“M”型的發展趨勢，波峰出現在2012年和2018年，波谷出現在2015 年。即2010—2012 年生態效率值由0.698 上升至0.785，該階段快速上升主要緣于2008 年全球金融危機之后，經濟逐漸復蘇，對產業結構調整、科技創新等方面的影響不斷增強；2012—2015 年生態效率值由0.785 下降至0.693，該階段城鎮化快速發展，房地產等高污染產業迅猛發展，生態環境遭到極大污染，致使效率值快速下降；2015—2018年生態效率值由0.693上升到0.755，隨著環境污染的嚴重性逐漸被認識到，以及碳減排等環境規制政策的提出和實施，該階段的效率值開始回升；2018—2020年生態效率值呈現下降趨勢，由2018 年的0.755 下降至0.693，主要原因是“2+26”城市加大環境治理力度，產業轉型進入深水期，部分企業轉型困難，短期內難以適應新環境等，致使生態效率值下降。從區域來看，生態效率均值排名依次為北京市、天津市、山東省、河北省、山西省和河南省。北京市、河北省和山西省的生態效率值呈現波動上升趨勢，與2010 年相比，2020 年三個省份的增幅分別為19.00%、12.90%和2.43%，主要得益于上述地區長期以來注重生態保護，且能源密集型產業綠色化轉型較快；而天津市、山東省和河南省的生態效率值呈現波動下降特征，與2010 年相比，2020 年三個省份的降幅分別為21.17%、14.32%和1.34%。其中，天津市在2018年之前呈波動上升特征，而2019—2020年生態效率值呈現“斷崖式”下跌，主要受制于能源密集型產業轉型進入攻堅期，且創新乏力，從而導致期望產出不足，非期望產出增加。

對“2+26”城市2010—2020年的生態效率值計算均值，并利用自然間斷法將其分為低等、較低、較高和高等4種類型。由圖1可以看出，城市生態效率呈現“北部高、中部次之、南部低”的空間分布格局。具體來看，城市生態效率高等類型主要分布在京津及鄰近城市和省會城市，包括北京市、天津市、唐山市、廊坊市、滄州市、濟南市、菏澤市、鄭州市這8個城市，上述城市在多個年份生態效率值達到1左右，即生產單元實現了相對有效。此外，石家莊市、保定市、邯鄲市、衡水市、太原市、淄博市、濟寧市、德州市、聊城市、濱州市這10個城市生態效率屬于較高類型，主要分布在河北省和山東省境內，主要是由較低的生態非期望產出所致。城市生態效率較低類型主要分布在山西省和河南省，包括晉城市、長治市、開封市、安陽市、新鄉市、焦作市和河北省的邢臺市這7個城市，以上城市主要依靠第二產業來發展經濟，且能源結構和產業結構優化困難，導致非期望產出較高。而低等生態效率類型包括山西省的陽泉市和河南省的鶴壁市、濮陽市，以上3個城市對能源依賴性較強，能源、資源投入較大，導致在生態環境遭到嚴重破壞的同時并未提高期望產出，因此城市生態效率屬于低等類型。

圖1 “2+26”城市生態效率空間差異

2.2 “2+26”城市生態韌性的時空演變特征

利用改進的熵值法，對2010—2020 年“2+26”城市生態韌性進行測算，結果如下頁表3 所示。可以看出，“2+26”城市生態韌性在2010—2020 年總體呈現波動上升趨勢，由2010年的0.147上升至2020年的0.245，平均增幅達到5.32%，說明城市的生態環境得到改善以及所面臨的環保壓力有所減輕。2007年以后隨著生態文明思想以及城鎮化發展對生態環境的新要求的提出，“2+26”城市在經濟社會發展的同時更多考慮生態因素，生態文明建設成效顯著，從而生態韌性呈上升趨勢。但在2020 年由于新冠肺炎疫情的影響，部分城市在生態環境污染治理方面投入降低，導致部分城市的生態韌性下降。從研究區域來看，生態韌性均值排名依次是北京市、天津市、山東省、山西省、河北省和河南省。其中，北京市和天津市生態效率均值高于全區域平均水平，主要原因是2個直轄市歷年對于生態保護與污染治理投資較大，且污染物排放較少，生態環境的抵抗力和恢復力較強；而山東省等4個省份的城市大部分年代的生態韌性值低于0.1，主要是因為當地經濟社會發展緩慢，產業結構優化緩慢，忽略生態保護的重要性，使經濟社會與生態環境矛盾突出，從而導致城市生態韌性發展較低。但隨著2017 年生態環境部發布《京津冀及其周邊地區2017—2018 年秋冬季大氣污染綜合治理行動方案》，大部分區域加大了污染治理力度，使城市生態韌性值達到0.1以上。

表3 2010—2020年“2+26”城市生態韌性值

為更直觀地了解城市間生態韌性的差異，利用自然間斷法將城市生態韌性均值分為低等、較低、較高和高等共4 種類型（如圖2 所示）。北京市為生態韌性高等類型，北京市作為政治、經濟中心，具有良好的經濟社會基礎，且對產業結構優化及生態環境治理高度重視，其生態韌性相比其他城市具有絕對優勢。生態韌性較高類型包括天津市、太原市、濟南市和鄭州市這4 個城市，以上城市或為直轄市，或為省會城市，其主要發展第三產業，污染物排放較少且環境治理投入力度大，因此生態抵抗力和適應力能力較強。此外，生態韌性較低類型城市主要分布在河北省及山東省，包括石家莊市、唐山市、邯鄲市、濱州市、德州市、淄博市、濟寧市這7 個城市。上述城市多為工業城市，環境污染嚴重，但石家莊市、唐山市和邯鄲市是河北省的經濟強市，受京津冀協同發展影響較大；山東省的濱州市、德州市、淄博市和濟寧市主要受到省會城市的輻射，環保投入力度較大，因此城市生態韌性處于較低位。而其余的16個城市多為重工業城市，污染物排放嚴重超標，生態環境難以負荷，且生態建設投入較少，生態抵抗力、適應力和恢復力能力較弱，因此導致生態韌性嚴重受損。

圖2 “2+26”城市生態韌性空間差異

2.3 “2+26”城市生態效率與生態韌性協調發展分析

基于“2+26”城市生態效率與生態韌性兩個子系統的測算結果，進一步利用耦合協調度模型測度二者間的協調發展指數，結果見下頁表4。可以看出，“2+26”城市2010—2020年生態效率與生態韌性的協調發展趨勢與生態韌性子系統相似，總體呈波動上升趨勢。兩系統間的協調指數由2010 年的0.534 上升至2020 年的0.606，這表明“2+26”城市在生態文明建設方面成效顯著。其中，2010—2016年協調指數在0.6以下波動，由于各城市均處在能源、產業結構轉型初期，以及城市間生態文明建設水平差異明顯，因此該階段協調程度較低；但隨著2017 年提出京津冀大氣污染傳輸通道城市綜合防治之后，不僅出臺大量環保政策、法規，持續推進城市生態文明建設，還注重發展技術密集型綠色產業，使得2017 年之后協調指數在0.6 以上波動。從研究區域來看，兩個子系統間協調指數均值的排名依次為北京市、天津市、山東省、河北省、山西省和河南省，與生態效率子系統排名一致。北京市和天津市的協調指數均值高于全區域均值，協調程度較高，且發展趨勢與生態效率子系統的發展趨勢相似，因此，2018—2020 年北京市和天津市呈下降趨勢主要受生態效率下降的影響。而其余4個省份的協調指數均值雖低于全區域均值，但基于生態效率提升和環境改善的原因，其協調程度在不斷提升。

表4 2010—2020年“2+26”城市生態效率與生態韌性協調發展指數

為動態探究“2+26”城市間生態效率與生態韌性協調發展空間差異，本文以研究期內的五年規劃收官之年（2010年、2015年和2020年）為例，利用自然間斷法將城市協調指數均值分為良好協調、中度協調、勉強協調和中度失調4種類型。由圖3可知，“2+26”城市生態效率與生態韌性協調發展整體呈現“北部高、南部低”的空間分布格局，且兩子系統間良好協調、中度協調和勉強協調型城市數量均有增加。

圖3 “2+26”城市生態效率與生態韌性協調發展空間差異

從研究期的起止年份（2010 年和2020 年）來看，良好協調城市從2010 年的2 個增加至2020 年的北京市、天津市、濟南市和鄭州市4個，以上城市或為直轄市，或為省會城市，由于經濟社會基礎堅實和生態環境治理成效顯著，因此生態效率與生態韌性均有提升，從而使二者間的協調性不斷增強。中度協調城市由2010年的5個增加至2020年的9 個，9 個城市主要分布在京津及省會城市等良好協調型城市周邊，說明以上城市除了自身發展的原因之外，還受到其他城市輻射和帶動的影響。“2+26”城市生態效率與生態韌性協調程度雖有提升，但仍以勉強協調和中度失調型城市為主體。勉強協調型城市由2010 年的7 個上升至2020年的13個，除聊城市和濟寧市之外，其余城市均實現由中度失調到勉強協調的跨越，反映出“2+26”城市生態效率與生態韌性的協調程度有較大的提升。而中度失調型城市由2010 年的14 個下降至2020 年的2 個，長治市和濮陽市在研究期內協調指數有小幅上升，但生態環境與經濟發展之間矛盾依然突出，因此，這2 個城市仍處于中度失調類型。總體上，“2+26”城市生態效率與生態韌性協調程度雖有提升，但仍以勉強協調和中度失調型城市為主體，生態環境治理壓力仍然巨大。

2.4 障礙因子識別

為識別阻礙城市生態效率與生態韌性協調發展的障礙因子，引入障礙度模型，通過式（6）來計算各項指標的障礙度Fθj。對Fθj值進行由高至低排序，篩選出前五位障礙因子，最終得到阻礙“2+26”城市生態效率與生態韌性協調發展障礙因子的識別結果（見表5）。

表5 “2+26”城市生態效率與生態韌性協調發展障礙因子的識別結果

整體來看，前五位障礙因子為人均公園綠地面積、科學技術支出占一般預算支出比重、固定資產投資額、排水管道長度和人均GDP，說明阻礙“2+26”城市生態效率與生態韌性協調發展主要受到城市綠化建設、科技創新、經濟社會發展水平、污染治理等多重因素影響，五者障礙度之和達到31.55%。從省份（直轄市）角度來看，各省份（直轄市）協調發展的制約因素基本與全區域一致。其中，除上述障礙因子外，北京市和天津市的障礙因子還包括從業人員數，即受到人口壓力的制約。河北省和山西省的障礙因子則包括第二產業增加值占GDP比重和第三產業增加值占GDP比重，即受到產業結構的影響，尤其是河北省的滄州市、廊坊市、邢臺市和山西省的晉城市、陽泉市、長治市，上述城市應在能源密集型產業轉型及發展綠色低碳產業方面發力。而山東省和河南省的主要制約因子則為科學技術支出占一般預算支出比重，排在第一位，應在優化科技創新平臺、加大創新扶持等方面下功夫。從城市角度來看，不同城市間生態效率與生態韌性協調發展的障礙因子及受其影響程度存在明顯差異。總體來看，在各障礙因子中，出現頻數較高的依次為污水處理廠集中處理率（15次）、固定資產投資額（15次）、人均公園綠地面積（14次）、第二產業增加值占GDP 比重（11 次）、排水管道長度（11次），說明各城市主要受到經濟發展水平、綠化建設、污染治理、產業結構等因素的制約，與之前全區域障礙因子基本一致，部分工業城市還應進一步調整產業結構。

3 結論

本文通過建立“2+26”城市生態效率與生態韌性協調發展評價指標體系，運用考慮非期望產出的超效率Windows-EBM-DEA 模型和改進的熵值法分別測算生態效率與生態韌性，并利用耦合協調度模型對兩個子系統間的協調發展程度進行評價，進一步運用障礙度模型識別阻礙協調發展的障礙因子，結論如下：

（1）2010—2020年“2+26”城市生態效率總體上呈“M”型發展趨勢，波峰出現在2012 年和2018 年，波谷出現在2015 年。北京市、河北省和山西省生態效率值呈現波動上升趨勢；而天津市、山東省和河南省的生態效率值呈現波動下降趨勢。城市生態效率呈現“北部高、中部次之、南部低”的空間分布格局。具體來看，北京市、天津市、唐山市、廊坊市、滄州市、濟南市、菏澤市、鄭州市這8個城市屬于生態效率高等類型，而低等生態效率類型城市主要位于山西省和河南省境內。

（2）“2+26”城市生態韌性在2010—2020 年總體呈波動上升趨勢，城市所面臨的生態威脅和環保壓力有所減輕，但城市間的差異較大。6個省份（直轄市）的生態韌性排名從高到低依次是北京市、天津市、山東省、山西省、河北省和河南省。此外，北京市高度重視生態治理為生態韌性高等類型，具有絕對優勢；生態韌性較高類型包括天津市、太原市、濟南市和鄭州市這4個城市，以上城市或為直轄市，或為省會城市；而長治市、安陽市、菏澤市、保定市等16個城市多為重工業城市，生態韌性較低。

（3）“2+26”城市生態效率與生態韌性的協調發展趨勢與生態韌性子系統相似，呈波動上升趨勢。2017 年提出京津冀大氣污染傳輸通道城市綜合防治方案之后，協調指數在0.6以上波動，但上升幅度較小。此外，“2+26”城市生態效率與生態韌性協調發展整體呈現“北部高、南部低”的空間分布格局，且兩個子系統間良好協調、中度協調和勉強協調型城市數量均有增加，中度失調型城市數量下降明顯，城市生態效率與生態韌性協調程度雖有提升，但仍以勉強協調型城市為主體，生態環境治理仍然面臨巨大壓力。

（4）“2+26”城市生態效率與生態韌性協調發展主要受到城市綠化建設、科技創新、經濟社會發展水平及污染治理等多重因素影響。除上述障礙因子外，北京市、天津市的障礙因子還包括從業人員數，即受到人口壓力的制約；河北省和山西省部分城市的障礙因子則包括第二產業增加值占GDP 比重和第三產業增加值占GDP 比重，即受到產業結構的影響；而山東省和河南省主要受科技創新能力不足的制約。此外，不同城市間生態效率與生態韌性協調發展的障礙因子及其影響程度存在明顯差異。從障礙因子出現的頻數來看，部分工業城市主要受到污染治理、產業結構等因素的制約，產業結構有待進一步優化。