基于环境库兹涅茨模型的石家庄市经济发展与空气质量关系实证研究

王 玮,强 杰,王 烁，任振科,张布宇

(石家庄市环境监测中心，河北石家庄 050022)



基于环境库兹涅茨模型的石家庄市经济发展与空气质量关系实证研究

王 玮,强 杰,王 烁，任振科,张布宇

(石家庄市环境监测中心，河北石家庄 050022)

环境与经济协调关系的研究可以定性地反映区域环境与经济发展的综合实力水平。环境库兹涅茨曲线(EKC)假设反映的是经济增长与环境质量之间呈现倒U型的曲线关系，通过建立模型，将石家庄市2000—2015年人均GDP与工业废气排放量及城市环境空气中3项主要污染物(SO2，NO2，PM10)等4项指标进行拟合，发现EKC曲线并不完全符合传统的倒“U”型。结果表明，石家庄市环境空气中SO2和NO2与人均GDP之间存在比较明显的三次曲线特征，整体呈现出倒“N”型，而工业废气排放量仍处于上升阶段，表现为“N”型。典型的EKC理论不适用于解释石家庄市PM10浓度的变化趋势。政策分析表明，石家庄市正处于由工业化中期向后期的过渡中，迫切需要加强大气环境治理，转变经济增长结构，提升经济增长质量，向生态宜居城市转变。

大气污染防治工程；环境库兹涅茨模型；经济与空气质量关系；石家庄市

王 玮,强 杰,王 烁，等.基于环境库兹涅茨模型的石家庄市经济发展与空气质量关系实证研究[J].河北工业科技,2016,33(5):397-403.

WANG Wei, QIANG Jie, WANG Shuo, et al.Empirical study on the relation of economic development and ambient air quality in Shijiazhuang City based on the Kuznets model [J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(5):397-403.

经济增长与环境质量变化密切相关。相关研究表明：一方面随着工业化进程的深入，污染物排放不断增加，经济增长导致环境质量下降；另一方面环境质量恶化又会遏制经济可持续增长与社会可持续发展。1955年，美国经济学家库兹涅茨在研究财富分配问题时，提出了著名的“倒U假说”。1991年，美国经济学家GROSSMAN等[1]应用该理论定量描述了环境污染和经济增长的关系，即环境库兹涅茨曲线(environmental Kuznets curve，EKC)。EKC通过人均收入与环境污染之间的关系模型模拟，提出经济发展与环境污染程度存在倒“U”型的关系，即在经济发展过程中，环境状况先是恶化而后得到逐步改善[2]。

国内外一些学者对EKC曲线进行了实证检验，如SHAFIK等[3]进行了关于烟尘、SO2等环境指标与人均GDP等经济增长指标间的动态关系研究。PANAYOTOU[4]首次定义了环境质量与人均GDP之间的EKC曲线。李瑛珊[5]将1980年以来广东人均GDP与工业“三废”排放量进行拟合，发现广东“三废”排放与人均GDP之间存在比较明显的三次曲线特征，工业“三废”产生量与人均GDP拟合曲线处于不断上升的阶段，说明广东处于由中期向后期转变的过程中。刘婷婷等[6]研究发现宁夏工业废水、废气以及生活污水排放量随着经济的发展仍处于上升期，预计到2020年宁夏人均GDP达到1万美元时，工业废气和固体废弃物将出现EKC拐点。张军[7]运用环境库兹涅茨曲线法分别对河南省“十五”、“十一五”环境与经济协调发展水平进行定性评价，得出河南省“十一五”较“十五”期间更为协调。

目前，石家庄市一些研究人员对大气颗粒物元素组分进行了特征分析，如康苏花等[8]通过标识元素分析，发现颗粒物中无机元素主要来源于燃煤尘、建筑尘和土壤尘，TSP，PM10和PM2.5中无机元素具有较好的统计相关性和同源性。任毅斌等[9]为研究石家庄市采暖期大气颗粒物的污染特征及其来源，对TSP，PM10和PM2.5的质量浓度、无机元素、水溶性离子和碳组分进行了分析。但鲜有对经济发展与大气环境质量关系的研究。笔者考察了石家庄市环境污染与经济增长之间的演进关系，注意到：一方面以往的研究大多集中在省际研究，另一方面石家庄市作为河北省的省会城市，近年来正处于“转型升级、跨越赶超、建设幸福石家庄”的关键时期。由此，在面对宏观经济下行压力不断加大和环境约束日益趋紧的严峻形势下，结合当前实际情况，探索经济增长与空气质量间的动态关系，可以为石家庄市经济与环境的可持续发展提供借鉴。

1 研究区域概况

石家庄市地处河北省中南部，环渤海湾经济区。作为河北省省会，是全省政治、经济、科技、金融、文化和信息的中心，是国务院批准实行沿海开放政策和金融对外开放的城市之一。石家庄市东与衡水市接壤，南与邢台市毗连，西与山西省为邻，北与保定市交界，辖区总面积共计15 848 km2，其中市区面积为2 206 km2[10]。近年来，石家庄市经济快速发展，国内生产总值由2000年的994亿元增至2015年的5 620亿元，年均增长12.2%[11]。

2 模型分析

2.1 指标选取

为全面研究石家庄市环境质量与经济发展的关系，结合国家污染减排考核指标，根据相关资料，本研究采用人均GDP来衡量经济的发展水平；选取同时期的工业废气排放量及城市环境空气中3项主要污染物(SO2，NO2，PM10)等4项指标来表征环境空气的污染程度。以上数据来自2000—2015年石家庄市环境质量报告书、石家庄市统计年鉴及石家庄市国民经济和社会发展统计公报。

2.2 模型建立

在实证研究中，一般以经济增长指标为自变量，环境质量指标为因变量构建函数，用经济增长指标(人均GDP)当作x轴，环境质量指标作y轴进行曲线拟合。描述EKC的函数模型通常有线性函数、二次多项式、三次多项式、Logistics函数和指数函数等，这种差异可以从宏观上用环境与经济社会发展的阶段及其协调状态的差异来解释[6]。

2.3 拟合分析

借助SPSS20.0统计软件，根据数据的可获得性，利用石家庄市2000—2015年各种时间序列的环境质量、经济数据，采用一次型、二次型、三次型及指数型等多种方式进行拟合试算，回归拟合结果见表1。对比拟合结果发现三次回归曲线能更好地反映石家庄市各项环境指标与人均国内生产总值之间的关系。6种拟合结果均显示除PM10外，其他环境指标的拟合优度R2均大于0.7。查阅F分布表发现，F值在给定显著水平α=0.01时，相应值为3.70，所选回归方程F检验值显示这些指标的回归方程除PM10外具有一定显著性。同时发现4项环境指标在三次回归方程中sig值均小于0.05，说明4项环境指标均在三次回归方程中可用且具有统计学的意义，三次模型模拟结果见图1—图4。

表1 石家庄市环境EKC的回归结果

图1 石家庄市2000—2015年人均GDP与 SO2年均浓度拟合曲线图Fig.1 Fitting curve of SO2 in relation to GDP per capita in Shijiazhuang City during 2000—2015

图2 石家庄市2000—2015年人均GDP 与NO2年均浓度拟合曲线图Fig.2 Fitting curve of NO2 in relation to GDP per capita in Shijiazhuang City during 2000—2015

图3 石家庄市2000—2015年人均GDP 与PM10年均浓度拟合曲线图Fig.3 Fitting curve of PM10 in relation to GDP per capita in Shijiazhuang City during 2000—2015

图4 石家庄市2000—2014年人均GDP 与工业废气排放量拟合曲线图Fig.4 Fitting curve of industrial gas emission in relation to GDP per capita in Shijiazhuang City during 2000—2014

3 结果分析

图1和图2描述了2000—2015年人均GDP与SO2和NO2的走势关系，其拟合优度R2分别为0.859，0.814，拟合效果较理想，整体呈现出倒“N”型，即随着人均GDP的增长，SO2和NO2的浓度是下降的，到达一定的经济水平，SO2和NO2的浓度是上升的，然后又会出现下降趋势。这种状态说明，随着人均收入水平的提高，污染治理力度的加大，污染物浓度并非一直持续下降，还会出现反复。其政策含义在于，环境与经济协调发展的结果不会自然而然地实现，而要靠积极的人为努力。

SO2和NO2的浓度作为表达生态环境好坏的一个指标，其浓度逐渐下降，代表生态环境质量逐步改善。通过对方程进行求导，得出SO2浓度与人均GDP拟合曲线的2个转折点分别为28 735元与46 274元，NO2浓度与人均GDP拟合曲线的2个转折点分别为25 645元与47 624元。即人均GDP达到28 735元、25 645元以前，SO2和NO2的浓度呈下降趋势，生态环境是改善的，人均GDP达到28 735元、25 645元以后，随着经济的增长，SO2和NO2的浓度是上升的，即生态环境是逐渐恶化的，当人均GDP达到46 274元、47 624元以后，SO2和NO2的浓度逐步下降，生态环境的质量提高了。第1个转折点对应的时间约是2008年，第2个转折点对应的时间是2013—2014年。

理论上而言，“十五”时期石家庄市经济规模和人口规模比较小，消耗的资源相对较少，需要投入的能源少，污染物排放增长率有所降低，SO2增长率仅为8%，低于此阶段GDP年均增长率，因此资源环境的压力初步得到缓解，全市发展与环境的宏观调控作用得到了较为充分的发挥，环境质量改善取得明显成效。进入“十一五”后，随着经济的进一步发展，石家庄市自2008年起进入“三年大变样”时期，环境质量也开始逐步恶化。造成此现象发生的原因主要有：1)由于此时石家庄市正处于向工业化中级阶段向高级阶段发展过程中，第二产业成为其经济增长的主要推动力量，约占石家庄市国内生产总值的比例为50.2%。工业结构以单一的资源依赖性工业为主，形成了以电力、制药、冶金、建材、化工、化肥、纺织等行业为主体的工业体系。这种“高开采、高消耗、高排放、低利用、低效益”的粗放型经济增长方式，必会消耗大量的能源和资源，加重城市空气环境的污染。其中，电力煤气生产和供应业作为市区耗煤和污染最严重的行业，其燃煤消耗量和SO2、烟尘排放量分别占市区第二产业总量的66%，52%和57%。由于石家庄市工业总体生产技术落后，高能耗、高资源消耗、污染严重的企业多，而高附加值、高科技含量的企业相对较少，导致大量污染物排入大气，城市环境空气污染水平居高不下。2)由于历史和现实原因，在市区内分布着十余个热电厂和集中供热站。随着城市集中供热的快速发展，各热电厂和集中供热站都在扩大规模，但仍存在供热布局不合理、供热集中度不高，锅炉容量小等问题。且石家庄供热锅炉以循环流化床锅炉为主，虽然进行了炉内喷钙脱硫治理，但由于设备磨损严重、脱硫运行成本高等原因，该炉型在实际应用中存在着设备磨损严重、回料系统结渣、床温不易控制等现象。3)随着城市规模不断扩大，越来越多的村庄被纳入市区。这些村庄的燃料以煤炭为主，燃煤量约在20万t/年，每年向大气中排放烟尘1.3万t，二氧化硫0.19万t。从整体上看，“城中村”虽然燃煤量少，但污染源分布面广，无任何除尘脱硫措施，污染物排放负荷高、治理难度大。特别是冬季逆温天气条件下，“城中村”居民的煤烟低空排放直接导致了地面空气污染，是影响市区空气质量的一个很重要的原因。4)随着社会经济的迅速发展，全市机动车保有量快速增加，从2005年的38万辆发展到2015年的210万辆，年均增长比例达到20.92%，由此导致的机动车排放污染对环境空气质量的影响也越来越大。

自2013年以来，随着新《环境空气质量标准》(GB3095—2012)[12]的推行，石家庄市为保障空气质量明显改善，采取了一系列举措大力治理大气污染。随着技术水平逐渐提高，产业结构开始优化，政府加大环保资金的投入，诸如《燃煤电厂大气污染物排放标准》(DB13/2209-2015)[13]等地方行业标准收严，环境质量随着经济的增长逐步改善，SO2和NO2的浓度开始呈下降趋势。分析结果表明，随着经济的发展、污染治理设施的投入及污染防治水平的提高，石家庄市已能满足《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中SO2年均浓度的标准限值(60μg/m3，质量浓度)，且预计当人均GDP达到56 821元时(即2016年时)能满足NO2年均浓度的标准限制(40μg/m3，质量浓度)。

图3描述了2000—2015年人均GDP与PM10的走势关系，虽然整体也基本呈现倒“N”型，但其拟合优度R2仅为0.469，F检验值也较低，拟合效果较差，这意味着典型的EKC理论不适用于解释石家庄市PM10浓度的变化趋势。从历年石家庄市PM10浓度实际情况来看，在2013年执行新《环境空气质量标准》(GB3095—2012)之前，石家庄市人均GDP与PM10浓度拟合效果较好，拟合优度R2可达0.921。拟合优度自2013年起明显变差的原因主要是《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)、《环境空气质量评价技术规范(试行)》(HJ 663—2013)[14]严格了日均值和年均值的数据统计方法的同时增加了有效监测点位的要求。石家庄市作为首批实施新空气质量标准的城市，将原有微量振荡天平法PM10监测设备更换为β射线衰减法监测设备。数据统计方法与仪器及监测方法的变更造成基础环境数据不符合正态分布，因此典型的EKC理论不适用于解释石家庄市PM10浓度的变化趋势。

图4描述了2000—2014年人均GDP与工业废气排放量之间存在EKC曲线基本呈现“N”型特征，其拟合优度R2为0.710，拟合效果较理想，即随着经济的增长呈现先上升再下降然后上升的趋势。通过对方程进行求导，得出该方程的拐点是人均GDP为28 566元与35 647元，拐点出现的时间约为2008年与2011年。即大约2008年以前，随着石家庄人均GDP的不断增加，工业废气排放量呈递增趋势，2008—2011年石家庄市工业废气排放量出现短暂下降，但在人均GDP达到35 647元后，工业废气排放量又出现了加速上升的趋势，更接近于“U”型EKC的右半部分。可见经济增长并不会自动导致环境质量的改善。

长期以来，石家庄市能源结构主要以煤炭型能源为主，天然气等清洁能源以及非石化能源使用率较低。产业结构也主要以第二产业为主导，多以重工业为主，经济增长的主要来源是医药、化工、钢材、建筑等重污染行业，与电力、热力的生产和供应业、非金属矿物制品业、化学原料及化学制品制造业、黑色金属冶炼及压延加工业的比较严重的空气污染也有很大的关系，这些行业排放废气多，污染严重，治理污染技术水平不高，资源利用能力较低。2008—2011年石家庄市工业废气排放量呈现短暂下降趋势，其主要原因：1)这期间石家庄市经济由于受国际金融危机等宏观不利因素影响，市场需求减弱，经济增速明显放缓，资本市场和房地产市场深度调整，对实体经济的影响逐渐加深，加上尚未解决的深层次矛盾和问题，经济增长出现明显回落。2)北京奥运会期间，石家庄市充分发挥首都“南大门”作用，深入开展“迎奥运、保平安、促发展”等活动。3)根据《石家庄市国民经济和社会发展“十一五”规划纲要》、《石家庄市环境保护“十一五”规划》和《石家庄市“十一五”主要污染物总量削减目标责任书》要求，石家庄市委、市政府高度重视污染减排工作，为确保减排任务如期完成，为经济发展争取环境容量空间，努力实现环境与经济社会协调、可持续发展，下大力推进污染减排工作，制订出台了一系列文件，把污染减排工作任务和污染物排放控制指标逐级、逐单位进行分解细化，强化对减排责任单位和责任人的责任约束，以“拒绝理由”的理念，切实加大领导力度。通过淘汰落后产能、大力推进重污染企业搬迁、着力推进能源结构调整，重点企业污染治理等方式，先后投入88.7亿元用于污水处理厂新建或升级改造以及电厂和钢厂脱硫，对热电厂、钢厂等20多个重点大气污染源下达了限期治理计划，督导企业加快脱硫、除尘与污染防治进度。

近年来石家庄市虽大力治理大气污染，但是改善总体环境空气质量的任务仍非常艰巨，必须在发展经济的同时，转变经济增长方式，提高对控制废气排放量的重视，调整工业能源使用结构，提高清洁能源的使用率，引进空气净化的先进技术，有效控制工业废气排放量仍是减少当前石家庄市空气污染的主要方向。

4 影响石家庄市EKC特征的因素分析与结果验证

地区的环境污染主要由低水平的产业结构造成，石家庄市社会经济的快速发展加剧了环境污染治理工作的艰巨性。如图5所示，进入21世纪后，石家庄市经济呈现出强劲的增长趋势，GDP年均增长12.2%，三次产业结构比例由2000年的14.8︰46.1︰39.2调整为2015年的9.1︰45.1︰45.8。从人均地区生产总值和产业结构的特点来看，石家庄市工业化整体上已处于由中期向后期过渡阶段。综观三大产业变化，第一产业比例逐渐回落，而二、三产业平稳增长，“十五”到“十二五”期间的绝大部分时期第二产业对经济增长起着举足轻重的作用，直到“十二五”末期，石家庄市第三产业比例才逐渐上升最终略微超过第二产业，产业结构才略趋于合理。因此，虽然2008年以后石家庄市经济增长指标与3项污染物之间基本呈现倒“U”型EKC曲线，但仍存在不确定趋势。未来，石家庄市整体上的资源消耗和污染物排放量都仍处于一个稳中有升的状态，要实现污染减排及环境空气质量达标的目标，就面临着包括优化产业结构，大力提升第三产业比重；加大污染减排技术研究开发力度，提升技术水平，示范推广污染减排清洁生产、循环经济实用技术；完善市场机制，强制进行清洁生产审核，加快完善清洁生产技术服务体系等诸多方面的问题，需要资金和技术的大量投入。

图5 石家庄市2000—2015年三大产业比例Fig.5 Proportion of three industrial sectors in Shijiazhuang City during 2000—2015

在对石家庄市近年来所颁布实施的环境政策的研究中发现，近年来石家庄市为打好节能减排攻坚战，全面落实差别电价、阶梯水价和差别排污费政策，积极探索实行节能减排与用地指标、财政补贴挂钩机制。强化目标考核，严格执行节能减排工作问责制和“一票否决制”，将环境保护作为评价政府工作、考核领导干部政绩的一项重要内容。2013年石家庄市委、市政府出台了《石家庄市大气污染防治攻坚行动方案(2013—2017)》。根据方案，石家庄市以压煤、降尘、控车、迁企、减排、增绿为重点，强力推进九大防治工程60条措施的深入实施，加强大气污染综合治理，改善省会环境空气质量。同时节能减排需要大量的资金与技术的投入[15]，2007—2014年石家庄市节能环保支出逐年增加，由2007年的2.9亿元增至2014年的36.1亿元，平均增幅为43.6%，节能环保支出平均增幅明显大于同期公共财政预算支出平均增幅(19.8%)与GDP平均增幅(11.4%)，反映出石家庄市政府对环境保护的日益重视。

由石家庄市环境质量与经济、环保目标等环境污染治理政策看出，石家庄市加大大气污染防治力度，致使环境质量有新的突破，这与环境库兹涅茨曲线的分析结果是一致的，说明分析结果合理、可信。

5 结 语

对石家庄市人均GDP与工业废气排放量及城市环境空气中3项主要污染物(SO2，NO2，PM10)等4项指标进行拟合，发现EKC曲线并不完全符合传统的倒“U”形式。结果表明：石家庄市环境空气中SO2和NO2与人均GDP之间存在比较明显的三次曲线特征，整体呈现出倒“N”型，第1个转折点对应的时间是2008年，第2个转折点对应的时间是2013—2014年。而工业废气排放量仍处于上升阶段，表现为“N”型，虽然在个别年份出现减少，但仍然处于EKC的上升阶段，尚未到达最高转折点。典型的EKC理论不适用于解释石家庄市PM10浓度的变化趋势。虽然EKC的可靠性受样本空间、模型选取以及数据精度等多方面的影响，且EKC曲线所呈现的状态预示着石家庄市大气环境质量问题并非可以自然而然地得到解决，但它在一定程度上反映了政府对大气环境问题的认识程度和治理决心。

只有随着公众与政府对环境问题认识的提高，加大治理与保护力度，转变发展方式，优化产业结构和能源结构，强化创新驱动，积极发展战略性新兴产业，完善配套环境管理政策，坚持经济发展与环境保护相协调，形成政府统领、企业施治、市场驱动、公众参与的大气污染防治新机制，坚决打好大气污染治理攻坚战，才能从根本上改善大气环境质量，实现环境效益、经济效益与社会效益多赢。近年来，石家庄市的大气环境质量逐步改善且与经济发展之间更为协调， “十三五”期间石家庄市的环保工作仍将以治理城市环境空气质量为重点，力争早日实现天蓝、地绿、气爽的目标。

/Rerferences：

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Empirical study on the relation of economic development and ambient air quality in Shijiazhuang City based on the Kuznets model

WANG Wei, QIANG Jie, WANG Shuo, REN Zhenke, ZHANG Buyu

(Shijiazhuang Environmental Monitoring Center, Shijiazhuang, Hebei 050022, China)

The study of environmental and economic coordination can qualitatively reflect the comprehensive strength of regional environment and economic development level. Environmental Kuznets curve hypothesis reflects the economic growth and environmental quality between the inverted U-shaped curve relationship. By establishing the model, it is found that the EKC curve which is fitted by Shijiazhuang City's per capita GDP and four indicators including industrial emissions and three major pollutants (SO2, NO2, PM10) of urban ambient air during 2000—2015 is not fully consistent with the traditional inverted "U" form. The results show that there exists obvious cubic curve characteristics between SO2, NO2and per capita GDP in Shijiazhuang, and it shows a reverse "N". While industrial emission is still in the rising stage, showing a "N". Typical EKC theory is not suitable to explain the PM10concentration change trend in Shijiazhuang. Policy analysis shows that Shijiazhuang city is transiting from middle industrialization stage to late industrialization stage, so there is an urgent need to strengthen its management of atmospheric environment, transform the structure of economic growth, and improve the quality of economic growth, in order to build the ecological livable city.

air pollution control engineering； environmental Kuznets model； economic and ambient air quality relation； Shijiazhuang City

1008-1534(2016)05-0397-07

2016-04-29;

2016-05-30；责任编辑：王海云

河北省科技支撑计划项目(16273714D)

王 玮(1986—)，男，河北石家庄人，工程师，硕士，主要从事环境监测方面的研究。

E-mail:wayever@126.com

X51

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10.7535/hbgykj.2016yx05007