城市规模与环境污染：规模效应还是拥挤效应——基于地级城市面板数据的实证分析

周 芳 丽

(中南财经政法大学 公共管理学院，湖北 武汉 430073)

一、引 言

中国经济经历了40多年的快速发展，取得了巨大的成就，但与高能耗高污染的粗放型经济增长模式相伴随的是环境问题日益严峻。在当前的环境背景下，研究环境污染的影响因素具有十分重要的现实意义。众多学者对环境污染的影响因素进行了研究，研究发现，国际贸易[1]、FDI[2-3]、城市化[4-5]、环境管制[6-7]、财政分权[8]、经济增长[9]、产业结构[10]等因素都会对地区环境污染水平产生显著影响。在这些影响因素中，城市规模对环境污染的影响是最受关注的，但已有研究对城市规模与环境污染关系的结论并不一致。一部分研究认为，城市规模扩大具有规模效应，降低了环境污染。如Satterthwaite基于发展中国家的数据实证研究发现，随着城市规模的扩大，这些国家的环境污染会降低，且小城市环境污染最严重，主要是因为大城市经济发展水平较高，治理污染的技术水平先进，且同时面临着较高的治理污染压力[11]。 陆铭和冯皓研究发现，城市规模扩大显著降低污染物排放从而提高环境质量[12]。Brown 和 Southworth研究表明，城市规模扩张可以改善环境污染状况，主要在于城市规模扩大产生规模收益，从而提高能源效率，降低污染排放[13]。邓翔和张卫基于中国 282 个地级及以上城市面板数据，分析城市规模与地区环境污染之间的关系，研究表明，城市规模扩大之后能够发挥集聚效应抑制污染增加[14]。另一部分研究认为，城市规模扩大会产生拥挤效应，加重了环境污染。如Lonngren 和 Bai、Jiang 和 Hardee研究发现，城市规模与环境污染呈现出单调递增的关系，随着城市规模的扩大，环境污染会持续加重[15-16]。付云鹏等基于自回归模型实证证实了城市污染会随着城市规模的增大而加重[17]。王兴杰等通过研究城市空气质量，基于DEA效率模型测算了人口集聚影响区域污染的效应，表明人口集聚显著加剧了污染水平[18]。

但是，上述文献都只是研究城市规模对环境污染的单方面影响，即仅研究其对环境污染的正向或负向影响，没有同时研究城市规模对环境污染的正负效应并测算其相对大小。本文创新在于：一是，综合城市规模影响环境污染的正负效应，将其纳入统一框架下，比较两种效应的大小并测算净效应，从而进一步丰富了城市规模与环境污染之间关系的认识；二是，借助双边随机前沿模型，找出城市规模的集聚效应与规模和环境污染的关系，从而为城市化建设和城市规模建设提供有益的参考。

二、理论模型与数据说明

1.理论分析与模型设定

城市规模会对环境污染产生两方面影响：一是促进产业集聚，产生规模效应，有利于减少环境污染；二是人口和生产活动的过度集中产生拥堵效应，加剧污染物排放，导致环境状况恶化。对于前者，城市规模扩张有利于促进产业的空间集聚，产生规模经济，进而降低环境污染。一方面，治理污染具有规模经济[19]，其规模经济有助于降低单位污染排放的治理成本。在规模经济下，污染排放相对集中，提高了城市中污染处理设施的使用效率，使得污染处理设备的安装、运行和维护费用相对降低，工业污染的边际减排成本递减[20]。另一方面，城市规模扩大带来的规模效应使得与当地有业务关联的企业和上下游产业在空间上集聚，可以实现生产经营的集中化、规模化，从而提高了能源的利用效率，促进了节能减排[21]。此外，在规模效应下，污染源的相对集中使得监控设备建设和监控手段实施更为容易，公众和政府对环境污染的监督成本降低，有利于降低企业的污染物排放[12]91。对于后者，城市规模扩张加快产业和生产活动的空间集聚，也会产生拥堵效应，增加环境污染物排放。由于产业的集聚和生产活动集中，城市企业会增加对能源的需求量，从而导致能源消耗以及污染气体和污染物排放的增加[22]。同时，在拥堵效应下，人地矛盾、基础设施供给不足等问题突显，又进一步驱使城市通过占用绿地来进行更大规模的基础设施建设，不断扩大城市土地面积，进而带来资源利用效率的下降，环境污染状况进一步恶化。

基于上述分析，借鉴石大千[23]的研究方法，基于双边随机前沿模型，环境污染的分解公式为：

polit=i(xit)+ωit-uit+εit=i(xit)+ξit=xit′δ+ξit

(1)

(2)

其中，Φ(•)为标准正态分布的累计分布函数，φ(•)为标准正态分布概率密度函数，其他参数设定如下：

估计出上述参数后，模型极大似然函数推导如下：

我突然觉得我根本不了解学生，与他们有很大的距离。我想和他们交流，却又做不到，好像这不是我的工作，而是他们班主任的工作，“教书”与“育人”分隔开了…班级很静，随着和学生关系的密切，我更愿意用真实的自己去上课。(2010年4月13日)

(3)

其中，π=[β,συ,σω,σu]。通过最大化似然函数(3)，模型中的估计参数值均可计算出来，为了估算ωit和uit，需要进一步推导条件密度函数，推导公式如下：

(4)

(5)

基于(4)式和(5)式，可以估计出ωit和uit的条件期望：

(6)

(7)

由(6)式和(7)式可以估计出城市规模影响环境污染正负效应的绝对值。为了比较正负效应的大小，需通过将城市规模正向效应和城市规模负向效应转换为高于或者低于前沿水平的百分比，公式如下：

(8)

(9)

进一步，基于(8)式和(9)式推导出城市规模的正向效应和负向效应对环境污染影响的净效应：

NE=E(1-e-ωit|ξit)-E(1-e-uit|ξit)=E(e-uit-e-ωit|ξit)

(10)

2.数据说明

本文使用的数据为2003～2016年地级市层面数据。被解释变量为环境污染，目前众多学者研究环境污染较多采用具体的污染指标。二氧化硫是大气污染物的主要成分，数据具有更高的可靠性。由于地级市层面的污染排放数据不够全面，考虑到数据的可获得性，本文最终选取二氧化硫排放量作为被解释变量。这一度量方法借鉴了盛斌和吕越、原毅军和谢荣辉的做法[24-25]。最终，本文使用工业二氧化硫排放总量作为污染排放衡量指标。核心解释变量为城市规模水平，用地级市人口规模表示。城市特征变量包括经济发展水平，用人均GDP对数表示；人力资本水平，用人均受教育年限度量；城市化水平，以城镇人口占总人口的比重衡量；对外开放水平，以进出口总额占GDP的比重度量；外商直接投资，用外商直接投资额占GDP的比重表示；技术创新，用地级市专利授权数的对数表示；政府支出，用财政支出占GDP的比重度量；基础设施，用每万人公路里程的对数表示；投资率，用固定资产投资总额占GDP的比重表示。以上所有数据来自2004～2017年《中国工业经济年鉴》和《中国科技统计年鉴》，其中专利数据由专利云数据库搜集而得。

三、实证分析

1.基准模型估计

(1)双边影响分析

(2)方差分解

基于表1模型7，城市规模影响环境污染的规模效应和拥挤效应如表2所示。规模效应抑制环境污染的系数为0.7291，拥挤效应增加环境污染的估计系数为0.2747，这使得E(ω-u)=σω-σu=-0.4544。综合效应表明，城市规模对环境污染的规模效应大于城市规模对环境污染的拥挤效应。影响比重分析表明，与经济增长相适应的环境污染水平未能解释的总方差比重为20.34%，而城市规模的规模效应和拥挤效应解释了环境污染总方差的68.4%，可见城市规模对环境污染具有重要影响。其中，城市规模的规模效应的影响占比高达87.57%，而城市规模的拥挤效应只占12.43%。这一结果表明，城市规模产生正反两种效应，由于规模效应占主导地位，城市规模有利于降低环境污染水平。

(3)规模效应和拥挤效应对环境污染水平的影响

为计算规模效应和拥挤效应使环境污染水平偏离与经济增长相适应的环境污染水平的程度，本文基于式(9)～式(11)进行估计，分别表示城市规模的拥挤效应和规模效应使环境污染水平偏离与经济增长相适应的环境污染水平的百分比。并进一步计算城市规模的规模效应和拥挤效应两者最终的净效应。表3的估计结果表明，平均而言，由于拥挤效应，城市规模使得环境污染水平高于与经济增长相适应的环境污染水平29.99%；由于规模效应，城市规模使环境污染水平低于与经济增长相适应的环境污染水平的38.03%，正负影响相互作用使得实际环境污染水平低于与经济增长相适应的环境污染水平的8.04%。

表1 双边随机前沿模型基本估计结果

注：括号内值为t检验值；*、**和***分别为在10%、5%和1%的水平上显著。

表2 方差分解

表3 城市规模规模效应和拥挤效应对环境污染

表3的第4列至第6列详细报告了城市规模规模效应和拥挤效应及二者净效应的分布状况。具体而言，在第一四分位到第二四分位上，城市规模均显著抑制了环境污染，进一步验证了前文城市规模可以降低环境污染的结论。从不同分位数城市规模降低环境污染的作用大小来看，不同分位数上的城市规模的规模效应均能显著降低环境污染。这一结论表明，城市规模具有较强的降低环境污染的作用，城市规模扩大的集聚效应越强，有较多的资源和资金投入到减污活动中去，规模溢出效应越显著，因而，城市规模的减污效果相对较强。根据这一结论，本文在此基础上进一步认为城市规模扩大将以规模溢出效应为主降低环境污染，并不是规模越大越拥挤，反而是规模扩大后集聚能力更强，资源配置效率和利用效率更高，从而更有利于降低城市环境污染。为验证这一结论，接下来我们将对不同规模城市影响环境污染的净效应进行估计，如果城市规模更大的城市其降低环境污染的净效应更大，则说明城市发展可以从规模扩大中获取集聚效益，实现城市高质量发展。

为直观呈现城市规模规模效应和拥挤效应及净效应具体分布情况，本文给出了3者的频数分布图。图1和图2表明城市规模的规模效应和拥挤效应表现出向右拖尾的分布特征，这说明部分地级市的环境污染对城市规模波动较敏感。从图2和图1看出，受城市规模规模效应的影响，环境污染在100%的位置仍有拖尾现象，而拥挤效应的影响在90%的位置就消失了。这说明，城市规模的规模效应对环境污染的影响作用更大。图3表明，规模效应和拥挤效应相互作用的净效应显著小于0，不到4%的地级市城市规模对环境污染拥挤效应占主要地位。也就是说，超过96%地级市的环境污染水平低于与经济增长相适应的环境污染水平。图1～图3表明，城市规模规模效应对环境污染具有较强的负向影响。

2.城市规模影响环境污染的时间特征

为进一步考虑本文估计结果的稳健性，本文分别从年度特征和省份特征对城市规模的净效应进行估计。表4为城市规模净效应时间分布趋势。表4结果表明，城市规模的规模效应和拥挤效应相互作用的净效应在样本年份内均为负值，净效应大小在-9%到-7%之间。也就是说，城市规模的规模效应超过了城市规模的拥挤效应，城市规模对环境污染产生了持续的负向抑制作用。平均而言，城市规模的规模效应超过拥挤效应使得环境污染偏离与经济增长相适应的环境污染水平8.04%。

表4 城市规模对环境污染影响净效应的年度分布特征(%)

3.城市规模影响环境污染的地区特征

估计城市规模净效应的省份分布和地区分布特征，估计结果如表5所示。从地区分布来看，三大地区城市规模净效应均为负值，表明城市规模对三大地区环境污染均产生了较强的抑制作用。从不同地区效应大小来看，东部地区城市规模降低环境污染的作用最大，中部其次，西部最小，且西部地区省份有一半拥挤效应占主导地位，城市规模扩大增加了环境污染。对这一结果的解释在于，东部地区多属于沿海发达城市，经济条件、资源禀赋和政策支持均优于中西部地区。在已有城市发展能力的基础上，其城市规模扩大会进一步强化本身优势，产生较强的规模经济和环境溢出效应。而中西部地区在这些方面处于相对弱势，因而城市规模扩大的规模效应相对较东部小。同时，由于西部地区特殊的地理环境，其生态环境比较脆弱，加上近年西部地区越来越多地承接了东中部地区的过剩产能和产业，导致其污染水平增强，城市规模扩大的规模效应被削弱，因而规模效应最小。

表5 城市规模对环境污染影响净效应的地区分布特征(%)

4.不同城市规模的差异分析

正如前文分析结果所示，不同规模城市其对环境污染的影响会存在差异，本文将进一步将区分城市规模对环境污染水平的不同影响，估计结果如表6所示。

表6 不同规模城市城市规模影响环境污染的净效应分布(%)

本文城市规模的划分，依据2014国务院发布的《关于调整城市规模划分标准的通知》最新标准划定。从表6估计结果来看，不同城市规模对环境污染的影响呈现“两个特征、一个趋势”。首先，小规模城市、中等规模城市和II型大城市对城市环境污染的净效应为正，说明这些规模城市以拥挤效应为主，其城市规模增加了环境污染，且城市规模越大增加环境污染的作用越小。其次，I型大城市和特大及以上城市对城市环境污染的净效应为负，表明这些规模城市以规模效应为主，其城市规模降低了环境污染，且城市规模越大降低环境污染的作用越强。最后，无论是将规模效应和拥挤效应结合起来还是分开来看，整体而言，城市规模越大，城市规模扩大降低环境污染的作用越强。

5.稳健性检验

为检验本文结论的稳健性，我们还进行了稳健性检验。一是通过替换被解释变量，用废水排放量衡量环境污染。二是通过替换城市规模变量，用GDP除以人均GDP即将经济人口规模作为解释变量。通过稳健性检验发现，城市规模对环境污染的影响仍然是规模效应超过了拥挤效应，净效应是城市规模降低了环境污染(限于篇幅，稳健性检验结果可向作者索取)。

四、结 论

本文利用2003～2016年地级市面板数据，基于双边随机前沿模型测算了城市规模对环境污染规模效应、拥挤效应以及两者相互影响的净效应大小。在已有研究基础上，本文通过理论模型识别出城市规模对环境污染的双边影响，并进一步用计量模型实证验证了双边效应，研究结果表明：第一，城市规模的规模效应使环境污染低于与经济增长相适应的环境污染水平38.03%，拥挤效应使环境污染高于与经济增长相适应的环境污染水平29.99%，两者相互作用最终导致实际环境污染水平低于与经济增长相适应的环境污染水平8.04%。第二，城市规模对环境污染影响的净效应在不同年份均为负值，不同地区城市规模对环境污染净效应同样为负，且不同省份城市规模均能降低环境污染水平，城市规模降低环境污染的规模效应仍然占主导地位。第三，通过区分不同城市规模对环境污染的影响，城市规模越大，其降低环境污染的作用越强，城市环境问题不在于城市扩张导致的拥挤效应，而在于城市规模集聚能力还不够强。

基于上述研究结论，本文提出如下政策启示：一方面，继续加大城市化建设，提高城市区域人口集聚能力，释放城市的规模效应。在政策上可以放宽户籍政策，目前国家已有相关城市根据人口规模放宽落户限制的政策，可以通过逐步试点的方式，在有条件的城市逐步铺开，实现城市规模收益的最大化。另一方面，从降低污染的角度而言，在单个大城市承载能力有限的情况下，可以大力实施城市群和城市圈战略。目前国家已在不同区域开展了城市群发展战略试点，已经取得了显著成效。但是，与城市群和城市圈配套的基础设施和公共服务依然滞后。因此，在坚持城市规模发展的基础上，还需进一步加强配套设施建设，从而提高城市集聚效率。