经济集聚、生态承载力与环境质量

黄娟，汪明进，孙坤鑫

（1.南开大学经济学院，天津市300071；2.绍兴区域经济研究中心，浙江绍兴312000）

经济集聚、生态承载力与环境质量

黄娟1，汪明进2，孙坤鑫1

（1.南开大学经济学院，天津市300071；2.绍兴区域经济研究中心，浙江绍兴312000）

本文从“胡焕庸线”这一地理学的概念出发，以基于沿“胡焕庸线”垂直递减假说而量化的生态承载力作为核心解释变量，选取中国大陆30个省会城市和直辖市（未含拉萨市）2003—2013年间的面板数据，用固定效应和随机效应模型分别实证了经济集聚与环境质量的关系，用固定效应向量分解模型分别实证了生态承载力与经济集聚、生态承载力与环境质量的关系。结果表明，城市环境质量是生态承载力和与之相关的经济集聚共同作用的结果，较高的生态承载力会提高地区的经济集聚能力。

经济集聚；生态承载力；环境质量；固定效应向量分解模型

一、引言

在提倡绿色、协调发展理念与新型城镇化建设背景下，不同区域的生态环境质量既取决于自然系统所决定的生态承载力，也取决于该区域经济社会活动的生态负载。在经济新常态下，如何既能让经济集聚发挥拉动国民经济高速增长的重要作用，又能改善生态环境，进而促进城市经济、社会、自然的协调发展，将显得尤为重要。从考虑城市的生态承载力出发，通过对经济集聚、生态承载力与环境质量的理论演绎和实证检验，探索合理、可持续的经济集聚模式，对于进一步促进城市产业结构的转型升级、协调城市经济集聚发展与环境改善之间的关系显得尤为迫切。

关于生态承载力的计算，从环境科学来看十分复杂，本文参考钟茂初［1］关于我国生态承载力沿“胡焕庸线”垂直方向梯度递减的假说，引用孙坤鑫［2］计算各城市距“胡焕庸线”的垂直距离，以此表征其生态承载力，分析生态承载力和经济集聚对城市环境质量的影响，论证在生态承载力约束下，经济发展水平、集聚程度如何对环境质量的改善施以影响；阐述生态承载力、经济发展水平以及科技创新等如何对经济集聚产生综合影响。本文尝试在各地区生态承载力基础上，探索可持续发展的经济集聚模式和运行机制，这对于生态城市建设理论的完善以及对于贯彻“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念都将具有一定的实践意义。

二、文献综述

（一）生态承载力理论的演化与发展

1.生态承载力的内涵

1921年帕克和帕吉斯（Park&Burgess）在有关人类生态学杂志上提出承载能力的概念，并将其应用于生态领域，称为生态承载力，指一个小区域良性生态系统对某一物种可承载的最大量。［3］这一定义奠定了此后学术界使用“极值”或“容量”来衡量承载力的基础，特别是随着“承载力”在生态学中的广泛应用，“生态承载力”便逐渐成为衡量生态容量或环境容量的有效工具。归纳现有文献可以发现，生态承载力研究经历了从单要素到多要素、从静态到动态、从单独的生态系统到加入人文系统的综合研究过程。初期的研究主要集中于某一单要素的资源承载力方面，如土地资源承载力、水资源承载力、森林资源承载力等。20世纪70年代以后，由于受到能源危机、人口膨胀、环境污染等危机的影响，生态承载力研究逐渐转化为多要素和相对要素承载力研究，主要包括环境承载力、相对资源承载力、土地人口承载力等。近年来，生态承载力理论在预测区域合理的经济规模和人口密度、确保城市水资源安全以及可持续发展等方面发挥了重要的指导作用。

2.生态承载力的量化方法

伴随着相关环境理论研究的不断深入，生态承载力的量化方法在数据收集、指标选取、过程论证等方面均取得了长足发展。里斯（Rees）［4］提出的生态足迹方法，将生态承载力折算成某一区域所能维育的最大人口数量及其所需要的生物生产性土地面积，由于该方法指标分类清晰、研究结果直观明晰，目前得到了广泛推广与应用。美国生态学家奥德姆（Odum H T）［5］将不同类型、不同性质的能量转换成同一单位的太阳能值，根据该太阳能值的大小量化区域生态承载力的大小。该方法引入国内以后得到学者们的重视，在实际使用过程中也得到了较大改进。如陆宏芳等［6］构建了评价系统可持续发展能力的能值指标（EISD），认为生态承载力越大，系统的可持续发展能力也越强。无论是生态足迹法，还是能值转换法，其所需要的等价因子、生产力系数以及能值转换率均无法直接观察或收集得到，需要复杂的测算与转换才能确定最终的参数。因此，二者在推广过程中受到一定限制。目前，生态承载力量化方法出现了一种新趋势，即将新技术手段运用到区域生态承载力的定量研究上，如基于地理信息系统（GIS）技术的空间生态承载力方法，使得生态承载力研究从平面上升到空间立体的高度，弥补了仅使用统计数据来描述生态供给量的缺陷，更克服了传统统计方法不能表达生态承载力空间分布格局方面的不足。

分析现有文献可以发现，生态是一个包含经济、环境、资源、人口及其他生物的综合系统，因此生态承载力在指标选取时遇到的巨大挑战是“能量壁垒”问题，如何将生态系统中环境、资源、经济以及人口等不同性质的要素单位统一为可直接比较的单位，将是重点研究的内容。本文基于“胡焕庸线”生态承载力涵义的视角，将生态承载力表征为某一地区到“胡焕庸线”的垂直距离，由于“胡焕庸线”揭示了中国人口区域分布特征，由此可以引申出中国生态承载力沿着“胡焕庸线”垂直方向梯度递减的规律。将生态承载力以距离表征，一是可以精确测算出某一城市或地区到“胡焕庸线”的垂直距离，数据可靠且易得；二是以垂直距离表征的生态承载力，弥补了传统评价方法中各指标的量纲得不到统一的缺陷。

（二）经济集聚与环境质量的关系研究

1.经济发展水平与环境质量

学术界论述经济与环境之间关系的经典理论主要是环境库兹涅茨曲线（EKC）假说。EKC假说由格罗斯曼和克鲁格（Grossman&Krueger）［7］首先提出。该假说指出，在经济增长初期，环境污染会伴随着人均收入的增加而增加，但是从中长期来看，在经济活动的结构效应和技术效应以及政府环境规制的共同作用下，环境污染会跨过拐点进而逐渐下降［8］。倒“U”型的EKC曲线得到诸多学者的验证。一些学者将环境质量视为生产要素，认为环境污染的下降是由技术或人力资本对环境质量要素的替代所引起的［9-10］；还有一些学者认为环境污染是生产的负外部性体现，当技术力量、政府环境规制能力随着经济发展水平的提高而增强之后，这种负外部性将逐渐减弱，环境污染随之下降［11］。琼和佩切诺（John&Pecchenino）［12］构建的世代交替模型显示，经济增长与环境消费之间存在着多重均衡，主要包括低经济增长—低环境消费的“双低”稳态、高经济增长—高环境消费的“双高”稳态以及高经济增长—低环境消费的“高低”稳态。这种多重均衡状态便于解释不同经济发展水平所对应的环境质量状况，对于分析截面数据很有说服力，但是缺乏对环境污染随时间序列变化的分析［13］。

2.经济集聚与环境质量

在经济集聚与环境污染关系的研究中，维尔塔嫩（Virtanen）［14］、任等（Ren Wenwei et al）［15］认为产业集聚加剧了环境污染，曾等（Dao-Zhi Zeng et al）［16］、李筱乐［17］、陆铭和冯浩［18］、豆建民和张可［19］、杨仁发［20］、黄娟和汪明进［21］认为产业集聚可以改善环境质量；还有一类观点认为产业集聚与环境污染之间关系不能确定［22］，特别是在长期内产业集聚与环境污染之间更不具有必然的因果关系［23-24］。

在经济集聚与空气质量关系方面，杜雯翠和冯科［25］认为，城市化中产业集聚带来的“生产效应”大于人口集聚带来的“生活效应”，城市化并不必然带来空气质量的恶化。王兴杰等［26］认为，快速推进的工业化和城镇化助推人口密度不断提高，使得大气污染物远超城市大气环境容量，造成城市环境质量明显下降。马素琳等［27］认为，较高的技术水平和产业集聚度会改善空气质量，可以从不断提高科技水平和产业集聚度入手，通过各种方法减少能源消费需求、降低工业化水平，来达到改善空气质量的目的，应在不断提高产业集聚度与人口集中度的同时追求绿色GDP，注重人口的文化教育以提高人口素质，从而提升公众的环保意识，以抵消随人口集中度提高带来的环境压力。

（三）经济集聚、生态承载力与环境质量

城市环境质量是生态承载力和与之相关的经济集聚共同作用的结果，必须分析经济集聚对生态负载的影响及其环境质量效应，即生态负载与生态承载力之差对环境质量的影响。

可持续发展理论与脱钩理论均描述了生态承载力、经济集聚与环境质量的相互关联。其中，可持续发展经济学认为，经济发展水平受生态环境约束，存在着增长的极限，正如达理（Daly）［28］超越增长理论所指出的经济规模并不是无限增长的，当物质资本或人造资本相当富裕以后，相对稀缺的自然资本（或自然要素）便成为制约经济规模的核心要素。诸大建等［29］认为，当前某些地区的环境负载已经超过了其生态承载力，导致生态自然环境受到相当程度的破坏，我国经济发展必须遵守C模式，即在保证经济持续快速发展的前提下，不断提高资源利用效率、减少资源消耗，以期走出一条相对的减物质化发展道路。当然，可持续发展理论仅仅为我们描述了作为一种环境负载的经济增长对生态环境产生的深刻影响，一旦环境负载超过生态承载力，那么经济增长将会破坏生态环境质量。而真正将可持续发展理论用于数理推导以测算其大小的是脱钩理论，它描述的是在生态承载力约束下，经济增长与环境质量是否同步变化，其中，脱钩指数由经济合作与发展组织（OECD）［30］首次构建，其数值等于末期的资源环境效益与GDP之比除以基期的资源环境效益与GDP之比。塔皮奥（Tapio）等［31］使用弹性系数方法对此进行了改进，并将脱钩状态细分为8大类，后来学者称之为塔皮奥脱钩弹性系数，该系数由资源环境质量变化率除以经济增长率得到。由于脱钩理论综合考虑了经济效益与资源环境效益，弥补了传统经济理论单独研究经济增长或仅探究资源环境的缺陷，因此，脱钩理论很快成为衡量地区经济发展模式与可持续性的工具［32］。

（四）文献评述

综上可知，将生态承载力、经济集聚与环境质量结合在一起考虑的文献相对较少，而大多集中于经济与环境关系的直接研究。这主要是由于生态系统是一个关于经济、资源、环境、人口等的集合，因此，在指标选取上存在量纲不统一的缺陷。由于生态承载力很难准确测算，导致既有研究往往绕过生态承载力这一约束条件，单独研究经济与环境的相互关系。同时，EKC假说以人均GDP和环境污染的截面数据为考察对象，探究经济与环境之间在某一绝对量（或存量）上的非线性关系；而脱钩理论描述的是经济与环境是否同步变化的关联，主要以弹性系数分析法为研究框架，侧重分析经济与资源环境的时间序列数据，这就决定了脱钩弹性指标仅限于描述经济增长与资源环境的变化速度，却忽视了二者的绝对变化量。同时，EKC假说和脱钩理论均只能解释经济发展水平与环境污染之间的非线性关联，二者没有解释经济增长影响环境污染的作用机制。在关于经济集聚影响环境质量的研究方面，既有研究只是重点突出了产业集聚对环境质量的影响，经济集聚所包含的人口集聚及其他方面对环境质量影响的研究则相对不足。其中，由于研究样本与研究方法的不同，学术界对于经济集聚与环境质量之间的关系存在三种不同的观点，既有人认为经济集聚存在减少环境污染的正向促进作用，也有人认为产业集聚不利于改善环境质量的观点，还有人认为二者的关系不明显。

基于上述分析，本文主要观点为：第一，基于“胡焕庸线”的视角，将生态承载力表征为到“胡焕庸线”的垂直距离，既避免了传统生态承载力测算时量纲不统一的缺陷，也使得生态承载力更加符合我国经济和人口梯度递减分布的现状；第二，环境质量与生态承载力和经济负载息息相关，环境质量既受到经济发展水平的影响，也受到生态承载力的制约，且在一般情况下，在生态承载力相同的地区，经济负载越高其环境质量越低，反之，则越高；同理，在经济负载相同的地区，生态承载力越高其环境质量也相对越高，反之亦然。

三、计量模型、变量及数据说明

（一）模型设定

为了考察经济集聚对空气质量的影响，同时为了检验经典EKC曲线，本文在模型（1）中引入人均GDP的二次项和三次项，模型（2）引入其他相关的控制变量。为了考察生态承载力对空气质量的影响，本文建立模型（3）。为了考查生态承载力对经济集聚的影响，本文建立模型（4）。

其中，下标i表示地区，下标t表示当期时间，Airit表示环境质量，agglit表示经济集聚，pgdpit表示经济发展水平，Ei表示生态承载力，innovit表示科技创新，populit表示人口规模，fdiit表示外商直接投资，α0、β0、γ0为常数项，α1-α7、β1-β8、γ1-γ3为各变量系数，εit表示随机误差项。

（二）变量说明

鉴于数据的可获得性，本文选取中国大陆30个省会城市和直辖市（未含拉萨市）2003—2013年间的面板数据。除生态承载力以外，其他数据来源于历年《中国统计年鉴》《中国城市统计年鉴》《中国区域经济统计年鉴》和中国经济与社会发展统计数据库等。为了提高估计的准确性，本文用人均GDP指数对相应的货币量进行平减指数计算后，调整成基期为2003年的数值。为了减少异方差和统计偏误，本文对有关变量进行了自然对数处理。

（1）环境质量（Airit）。本文参考池建宇等［33］、杨肃昌和马素琳［34］的研究方法，用空气质量达到及好于二级的天数来表示，其值越大代表空气质量越好。

（2）经济集聚（agglit）。参考西科恩（Ciccone）等［35］的做法，用经济密度即单位土地面积（平方公里）上的GDP（亿元）来表示。

（3）经济发展水平（pgdpit）。与现有多数基于EKC框架的实证研究［36］相同，用各城市人均GDP来表示。

（4）生态承载力（Ei）。从“胡焕庸线”的角度出发，以各城市的中心距“胡焕庸线”的垂直距离表征其生态承载力。“胡焕庸线”指自黑龙江省黑河市至云南省腾冲市的一条划分西北—东南的直线，其东南区域多为平原、丘陵，具有良好的降水等气候条件，以36%的土地面积集聚了94%的人口；而其西北地区多为沙漠、高原，气候条件相对较差，尽管拥有64%的土地面积，其人口却只占全国的6%。本文从“胡焕庸线”出发，在分析“胡焕庸线”东南、西北生态条件的基础上，引用钟茂初［1］关于我国生态承载力沿“胡焕庸线”的垂直方向（自东南向西北）梯度递减的假说，并参照钟茂初［1］、孙坤鑫［2］测算的各城市生态承载力比值表示生态承载力（参见表1）。

（5）科技创新（innovit）。普拉卡什和博多斯基（Prakash&Potoski）［37］、王和金（Wang&Jin）［38］认为，科学技术投入可以提高清洁环保技术的水平，从而降低污染程度。张可和汪东芳［39］认为更环保、高效的生产和环保技术能有效降低污染物的排放。本文借鉴袁鹏和程施［40］等人的经验做法，以当地财政中科学支出占GDP的比重来反映科技创新水平。

表1　各城市生态承载力比较

（6）人口规模（populit）。为了分析人口拥入大城市是否会产生“城市病”、恶化城市环境，同时考察人口集聚对环境质量的影响，本文采用年末总人口数来表征人口规模。

（7）外商直接投资（fdiit）。以往文献研究对外商直接投资能否改善环境质量存在争议，存在“污染天堂”和“污染光环”两种对立观点。本文采用实际利用外资额占GDP比重来衡量外商直接投资水平，根据各年汇率调整为人民币后进行计算（参见表2）。

表2　主要变量描述性分析

四实证分析

本文分别采用固定效应模型、随机效应模型和固定效应向量分解（Fixed Effects Vector Decomposition，FEVD）模型进行回归分析，其中固定效应向量分解模型是普拉珀和特勒格尔（Plumper&Troeger）［41］提出的。

一般从表面上来理解，经济集聚可能会加重经济活动对生态环境的负荷，造成更多污染物的排放，从而降低环境质量。但表3的回归结果表明，经济集聚与空气质量正相关，集聚水平的提高会带来空气质量的改善。因为经济集聚促进了规模经济和技术进步，在一定程度上可以提高污染减排效率，从而改善环境质量。本文的4个模型均实证检验了经济集聚程度的提高有利于空气质量的改善。

模型（1）至模型（4）显示，人均GDP与空气质量的关系呈倒“U”型，经济水平较低时，空气质量较差，但经济发展到一定程度后会改善空气质量，这也验证了人们起初对大自然的无限索取、经济粗放式发展再到自觉保护环境这样一个螺旋式发展轨迹。随着经济发展水平的提高，人们的受教育程度和基本素质得到大幅提升，而人们对环境质量的需求也相应提升，对环境保护的意识和认知得到大幅提高，进而共同推动环境质量的提升。

模型（4）显示，经济发展水平的提高有利于经济集聚水平的提高。在模型（1）至模型（4）中，科技创新对空气质量的影响为正，但不显著，而对经济集聚是显著为正的影响。人口规模对空气质量的影响为负，但在不考虑生态承载力的情况下，影响并不显著。考虑到生态承载力的影响，人口规模显著恶化了空气质量，表明在既定生态承载力约束下，人口集聚带来的城市生态负载过高，进而恶化了环境质量。

模型（3）显示，生态承载力对空气质量的影响显著为正，生态承载力高的地区环境质量会更好。在模型（4）中，对应生态承载力和经济集聚的关系，考虑对经济集聚程度的影响，可以看出生态承载力高的地区更能充分利用经济集聚的积极效应，环境质量趋向更好。生态承载力是自然决定的，不同区域空间的自然条件、要素禀赋不同，其资源环境集聚人口和经济的能力存在着差异性。一方面，良好的气候、土壤、水源等生态条件是吸引人群聚集的基础；另一方面，许多经济活动与某一地区特定的地理条件有关，这种生态承载力决定的自然禀赋为企业的经济活动提供了丰富的原料、较低的运输成本、良好的气候等地理条件，建立了企业的自然成本优势。因此，生态承载力和经济集聚密切相关。生态承载力强的地区（如我国的东南沿海地区）由于其良好的自然条件，再结合其他历史和经济因素，能够吸引更多的人口，进而加强了经济集聚；反之，在“胡焕庸线”西北部，恶劣的生态条件先天性地决定了其经济集聚能力的缺乏。

表3　回归估计结果

表3显示，外商直接投资对环境质量的影响为负，在固定效应模型和固定效应向量分解模型中都很显著，表明我国在吸收国际产业转移的过程中，存在着污染严重的产业在中国布局的现象，间接证明了“污染天堂”假说。

五、研究结论与政策启示

（一）主要结论

本文通过经济集聚、生态承载力与环境质量之间的关系描述，利用2003—2013年中国大陆30个省会城市（不含拉萨）和直辖市的面板数据，对经济集聚、生态承载力与空气质量进行实证分析，结论如下：

各城市距“胡焕庸线”垂直距离越远，则其生态承载力越强，环境质量也越好。生态承载力对环境质量呈现线性影响。生态承载力是环境质量的基础，在生态承载力一定的情况下，生态负载越重，环境质量越差，一旦这种负载突破了生态承载力的红线，则环境质量就会显著恶化，近年来京津冀地区空气质量指数（AQI）不断“爆表”就是生态负载突破承载力的表现。

人均GDP与空气质量的关系呈倒“U”型，经济水平较低时，空气质量较低，但经济发展提高到一定程度会改善空气质量。经济发展水平的提高有利于经济集聚水平的提高，生态承载力和经济集聚密切相关，生态承载力高的地区环境质量趋向更好。

城市环境质量是生态承载力和与之相关的经济集聚共同作用的结果，生态承载力越高，表明其抵御污染和自净化的能力越强，城市环境质量越好，而较高的生态承载力会增强地区的集聚能力，经济集聚程度的提高也有利于改善空气质量，总之，生态承载力高的地区可充分发挥经济集聚的积极效应，其环境质量会更好。

（二）政策启示

各地在追求经济增长的同时，应考虑到自身环境的生态承载力，因地制宜发展适合自己的优势产业。由于经济集聚程度的提高有利于空气质量的改善，各级政府应该有针对性地建立产业集聚区，对污染企业进行集中治理。而企业在追求利益最大化的同时也应不断提高科技创新能力，改进污染治理技术。在推进新型城镇化建设过程中，农村劳动力不断融入城市生活圈，导致人口集聚，相应地会带来区域环境污染的扩张和凸显。因此区域政府应不失时机地提高人们的受教育程度，综合提高人口素质，提升大众的环保意识和认知水平。在实施新型城镇化建设时，还应充分考虑到生态承载力以及经济发展水平，不盲目求大求全，积极提高资源利用效率，提升企业科技创新水平，发展集约型创新企业和附加值高的生产服务性企业，从源头上减少污染排放。

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责任编辑：方程

Economic Agglomeration，Ecological Carrying Capacity and Environmental Quality

HUANG Juan1，WANG Ming-jin2and SUN Kun-xin1
（1.Nankai University Tianjin300071，China；2.Shaoxing Regional Center for Economic Research，Shaoxing，Zhejiang312000，China）

Starting from the concept of Hu line，the authors take the quantified ecological carrying capacity as the key explanatory variable based on the hypothesis that the ecological carrying capacity descends vertically along the Hu Line.On account of the panel data of China's 30 provincial capital cities and municipalities during 2003-2013，the relationship between economic agglomeration and environmental quality is empirically demonstrated by the fixed effect and random effect models，and the relationship between ecological carrying capacity and economic agglomeration，ecological carrying capacity and environmental quality is empirically tested with the FEVD model.Results show that the urban environmental quality is the consequence of the ecological carrying capacity and the related economic agglomeration.The higher the ecological carrying capacity of the region is，the stronger the ability of economic agglomeration will be.

economic agglomeration；ecological carrying capacity；environmental quality；FEVD model

F124.5

A

1007-8266（2016）11-0058-08

2016-09-07

国家社会科学基金重大项目“城市生态文明建设机制、评价方法与政策工具研究”（13&ZD158）

黄娟（1981—），女，河南省商城县人，南开大学经济学院博士研究生，主要研究方向为环境经济学、创新经济学；汪明进（1978—），男，安徽省枞阳县人，绍兴区域经济研究中心讲师，博士，主要研究方向为产业效率、技术创新；孙坤鑫（1990—），女，河北省邯郸市人，南开大学经济学院博士研究生，主要研究方向为城市生态文明与可持续发展。