中国城市工业集聚与污染排放空间关联性及其影响因素

宋成镇， 陈延斌， 侯毅鸣， 唐永超， 刘曰庆

(山东师范大学 a. 地理与环境学院， b. 山东省高等学校人地协调与绿色发展协同创新中心， 山东 济南 250358)

改革开放以来，我国工业化进入快速发展阶段，有力地推动了我国经济快速增长，然而，长期以来的粗放型工业发展模式，在促进经济增长的同时，也产生了大量工业污染物[1-2]， 给生态环境造成了严峻的压力，这种工业发展模式显然不符合新时代背景下“绿水青山就是金山银山”的生态发展理念[3]。我国国土面积广大，区域之间的经济发展水平和工业分布状况存在明显差异，导致工业集聚水平和污染排放呈现明显的空间不匹配现象[4]。厘清工业集聚与污染排放之间的空间关系，探究工业污染排放的主要影响因素，对合理化调整区域产业结构、 减少工业污染排放、促进生态可持续发展具有重要意义。

产业集聚是指同一产业在某特定地理区域内的高度集中和产业资本要素在空间范围内不断汇聚的过程。产业集聚能够提高生产效率[5-6]，可以促进创新[7-8]，更有利于产业的良好发展。同样，工业集聚不仅降低工业企业的交易成本，增加规模收益，还有利于提高地方的资源配置效率和促进经济增长，因此，受集聚经济效应的影响而成为工业发展的必然趋势。工业污染指工业生产过程中所产生的废水、废气和烟尘等环境污染物，污染类型主要包括废水、 废气和烟尘等[9]。当前，国内外专家学者在工业污染方面研究取得了显著成果，主要集中在以下几个方面：一是研究尺度方面，主要从城市群[1, 10-11]、 省域[2, 12-14]等层面对工业污染进行研究； 二是研究方法及内容方面，主要利用空间自相关[14-15]、 地理加权回归[16-17]、 对数平均迪氏分解(LMDI)模型[1, 18-19]等方法分析工业污染的时空演化特征及影响因素[20-21]； 三是针对工业集聚开展初步的研究，如工业集聚对污染排放[10, 22]、 生态效率[23-25]的影响等。

当前针对工业集聚与污染排放相关性的研究相对不足，且学术界对二者之间的关系尚未形成一致的观点，主要有以下3种代表性观点：一是工业集聚增加区域污染排放[26]；二是工业集聚减少区域污染排放[27]；三是工业集聚与工业污染排放的关系具有不确定性[11, 28-29]。总的来说，一方面，当前关于工业污染排放的研究较多且成果丰硕，但针对工业集聚的研究相对较少；另一方面，针对工业集聚与污染排放二者关系的研究相对不足，已有研究也主要以探究工业集聚与单一污染物的关系为主，缺乏工业集聚与多种污染物空间关系的全面研究。关于工业集聚的研究也主要以省域、城市群等中小尺度为主，在研究尺度上仍需进一步拓展。

针对我国工业集聚与工业污染排放的空间关系进行研究，有助于厘清当前我国工业集聚与污染排放的空间关联状况，对合理制定区域减排措施，降低工业污染排放，促进我国生态可持续发展具有重要意义。基于此，本文中以2016年国内238个地级市为研究对象，采用双变量空间自相关分析法和空间计量模型探究工业集聚与污染排放的空间关联特征及其影响因素，为我国合理布局工业企业、 制定差异化区域减排措施提供理论依据和决策参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

1.1.1 工业集聚

关于产业集聚的传统指标主要有Gini系数[30]、 区位熵指数[31]等，但这些指数没有考虑到地理差异所带来的空间偏差。使用单位面积承载的经济活动量可以弥补这一不足，并且已有学者采用密度来衡量区域地理事物的集聚水平[32]，因此，本文中利用相对工业密度来衡量地区工业集聚水平[3]，计算公式为

(1)

式中：Ri为i地区的工业集聚水平；Vi、Si分别为i地区的工业总产值、 土地面积； ∑表示某种属性在大区域内的累积。

1.1.2 工业污染

工业废水、 工业二氧化硫(SO2)和工业烟尘是工业生产过程中产生的主要污染物。 本文中分别从污染物排放总量和强度2个角度， 对我国工业污染排放特征进行空间分析， 其中， 污染物排放强度采用地区某污染物排放量与地区工业总产值的比值来表征。

1.1.3 双变量空间自相关分析

本文中通过双变量空间自相关分析法[33-34]分析工业集聚与污染排放强度的空间关联特征，具体包括全局双变量空间自相关和局部双变量空间自相关。全局双变量空间自相关用来反映工业集聚和污染物排放强度的空间关联和差异程度，局部双变量空间自相关用来识别不同区域的局域关联模式，计算公式为

(2)

式中：I为全局Moran指数；n为空间单元个数；Ii为局域Moran指数；Zi,c为第i个单元的工业集聚水平；Zj,e为j地区的工业污染物排放强度；Wi j为i、j构成的空间权重矩阵。

1.2 空间计量分析

传统的普通最小二乘法(OLS)回归模型缺乏对于空间效应的考虑， 相比之下，空间计量模型可以充分体现相关指标在空间效应下对工业污染排放的影响。 空间计量的2种基本模型分别为空间滞后模型(SLM)[35]和空间误差模型(SEM)[36]。

SLM主要反映邻近区域对研究区域是否存在溢出效应，即相邻区域的工业污染排放强度对观察区域的工业污染排放强度的影响，其表达式为

y=ρWy+βX+ε

，

(3)

式中：y为三大污染物排放强度表征的因变量；ρ为因变量y的空间滞后项；Wy为空间滞后的自变量；β为自相关回归系数；X为自变量参数构成的矩阵；ε为随机误差。

SEM主要用来反映邻近区因变量的误差冲击对本区域工业污染排放强度的作用程度，即某些可能被忽略的空间要素通过误差项对区域污染排放强度产生影响，其表达式为

y=βX+ε,ε=λWε+μ

，

(4)

式中：μ为正态分布的随机误差项；W为空间权重矩阵；λ为空间误差系数。

工业污染是人类进行工业生产活动的产物，其产生量受多种因素影响。借鉴前人的相关研究成果[37-39]并结合数据的可获取性，从产业结构、 人口集聚、 对外开放、 科技投入、 环境管制、 能源强度、 工业集聚等7个方面对工业污染排放的影响因素进行探究，相关变量及含义如表1所示。

表1 工业污染和影响因素的变量及其含义

1.3 数据来源

本文中所使用的工业数据和影响因素指标数据，主要来自于2017年的《中国城市统计年鉴》《中国区域统计年鉴》以及相关省(自治区、直辖市)的统计年鉴。由于部分地市的数据无法获取，因此最终确定研究地市为238个。为了统一标准，避免计算误差，将2016年实际利用外资额按照当年美元兑换人民币的汇率进行换算。

2 结果分析

2.1 工业集聚水平的空间特征

中国工业集聚空间分布情况如图1(a)所示。总体上看，中国工业集聚水平呈现东高西低的空间分布格局，东部沿海地区处于较高的工业集聚水平，中西部内陆地区处于较低的工业集聚水平。具体来看，工业集聚水平最高的地市主要分布在长江三角洲(简称长三角)和珠江三角洲(简称珠三角)地区，其次是京津冀、辽中南、山东半岛和福建沿海等地区，其余地区的工业集聚水平相对较低。高工业集聚分布区与经济发达区相对应，主要集中于东部沿海地区，该地区处于对外开放的前沿地带，工业发展起步早，凭借良好的工业基础和发达的生产技术，吸引国内外工业企业在此集聚。为了进一步探究工业集聚密度在空间上的分布状况，采用空间自相关法对工业集聚的全局自相关性进行探究。结果显示，工业集聚水平的全局Moran指数为0.232 3，且通过了水平为1%的显著性检验， 表明中国工业集聚密度存在显著的空间自相关性。

图1(b)为空间联系局部指标(LISA)集聚图。 由图可见， 中国工业集聚水平存在显著的局部空间自相关性， 集聚类型主要以高-高(本地与周边均高)、 低-低(本地与周边均低)、 低-高(本地低而周边高)为主。 具体来看， 高-高类型地市主要分布在长三角和珠三角地区， 表明该区域地市自身和周边区域工业集聚水平均较高。低-低类型地市分布范围最广， 东北、 西北和西南等地区都是主要的分布区域， 表明该区域地市自身和周围地市的工业集聚水平均较低。 低-高类型地市主要分布在长三角和珠三角的外围区域， 该区域长期受到长三角和珠三角等发达地区集聚效应的影响， 使得自身工业集聚水平相对较低， 形成空间上的“马太效应”。

2.2 三大工业污染物的空间集聚特征

2.2.1 工业废水

中国工业废水排放量总体上呈现东高西低的空间分布格局，见图2(a)。东部沿海地区地市的工业废水排放量较高，中西部内陆地区地市的工业废水排放量相对较低；其中，长三角、 珠三角、 环渤海和闽南沿海等地区工业废水排放量最高，华北地区、 东北地区和西南地区次之，其他地区废水排放量相对较低。从工业废水排放强度来看，东北、西北和西南等地区废水排放强度较高，东部沿海地区和中部内陆地区废水排放强度相对较低(图2(b))。工业废水排放总量与排放强度的空间分布特征呈现明显的非对应关系。

2.2.2 工业SO2

全国工业SO2排放量总体上呈现西高东低、 北高南低的空间分异格局， 见图2(c)。 华北和西南等地区工业SO2排放量较高， 华中和华南等地区SO2排放量相对较低。 工业SO2排放强度总体上表现为与工业SO2排放总量相似的空间分布格局(图2(d))， 东北、 华北以及西南等地区工业SO2排放强度较高，华中、华南以及东部沿海等地区工业SO2排放强度相对较低。工业SO2排放总量与排放强度存在明显的空间对应关系。

2.2.3 工业烟尘

中国工业烟尘排放总量和排放强度总体上都表现为北高南低的空间分布格局见图2(e)，表明北方地区烟尘污染较南方地区更为严重。具体来看，工业烟尘排放总量较高的地区主要集中在华北地区的大部以及东北地区的西南部等区域，而工业烟尘排放强度较高的地区主要集中在华北地区的西北部以及东北地区的南北两翼等区域(图2(f))，因此，中国北方地区亟待加强烟尘排放的管理力度，形成区域联防联控，降低工业烟尘排放强度，以减少北方雾霾天气的发生频数。

2.3 工业集聚与污染排放的空间关联特征

2.3.1 全局空间关联分析

双变量全局空间自相关结果如表2所示。结果

表2 双变量空间自相关指数

表明，工业集聚与污染排放强度存在空间负相关关系。工业废水、工业SO2和工业烟尘的Moran指数均为负值，且都通过了水平为1%的显著性检验。从全国总体上看，工业集聚与工业污染排放存在显著的空间负相关关系，工业集聚有利于降低工业污染排放。从工业集聚与3种工业污染物排放强度的自相关指数值大小可以得出，工业SO2与工业集聚的空间相关性最高，工业烟尘次之，工业废水最低。

2.3.2 局部空间关联分析

1)工业集聚-工业废水排放。 高集聚-低污染类型地市主要分布在山东半岛地区， 该区域工业基础雄厚， 工业集聚水平较高。 同时， 依赖先进的产业技术和严格的废水排放标准， 使得废水排放强度较低。 低集聚-高污染类型地市主要分布在黑龙江省的大部、 吉林省的东北部、 甘肃省的西北部以及云南省的玉溪市等区域， 这些地区近些年来工业发展相对滞后， 工业集聚水平相对较低。 由于工业技术水平相对较低且主要以重化工业分布为主， 因此工业废水排放强度较高。 低集聚-低污染类型地市主要分布在中部区域， 该区域地市工业集聚程度相对较低。 同时， 多数地市地处长江流域沿岸区域， 工业废水排放标准较为严格， 使得工业废水排放强度较低。

2)工业集聚-工业SO2污染。高集聚-低污染类型的地市主要分布在长三角、 珠三角、 山东半岛以及福建沿海等区域。一方面，该区域位于东部沿海地区，对外开放水平高，产业结构发达，工业集聚水平较高；另一方面，受益于先进的工业生产技术和废气处理技术，使得该区域工业SO2排放强度较低。低集聚-高污染类型地市主要分布在东北、西北和西南等地区，这些地区的工业集聚水平相对较低，且工业技术水平和废气处理技术相对落后，因而SO2排放强度较高。低集聚-低污染类型的地市主要位于长三角、 珠三角、 山东半岛、 福建沿海等经济发达区域的周围，该区域工业集聚水平相对较低，同时，受邻近区域技术溢出效应的影响，工业SO2排放强度较低。

(a)工业集聚-工业废水污染

3)工业集聚-工业烟尘污染。高集聚-低污染类型地市也主要在长三角、 珠三角、 山东半岛和福建沿海等区域，工业集聚水平较高且烟尘排放强度较低。低集聚-高污染类型地市主要分布于东北地区和西北地区，此区域工业集聚水平相对较低，且由于工业技术水平相对滞后，因此烟尘排放强度较高。低集聚-低污染类型地市主要位于山东半岛、 长三角和福建沿海之间及其邻近区域，该区域的工业集聚水平和烟尘排放强度均较低。高集聚-高污染类型的地市仅有北京市，产业技术发达，工业集聚水平较高，但可能是环保部门对烟尘排放的监管力度不足，导致烟尘排放强度较高。

2.4 工业污染排放的影响因素分析

2.4.1 模型检验

由于当前工业对中国区域经济仍然起着至关重要的作用，因此选择工业污染物排放强度作为因变量进行影响因素的分析。为了进一步判断工业污染物排放强度的空间依赖性，选择最优的空间模型，依据Anselin提出的判别准则：当空间相关性检验中空间滞后最大似然比空间误差最大似然在统计上更加显著，并且稳健性空间滞后最大似然通过显著性检验，而稳健性空间误差最大似然未通过显著性检验时，则应选择空间滞后模型；相反，当空间误差最大似然比空间滞后最大似然在统计上更加显著，并且稳健性空间误差最大似然通过显著性检验，而稳健性空间滞后最大似然未通过显著性检验，则应当选择空间误差模型。

工业污染物空间依赖性检验结果如表3所示。由表中数据可以看出，工业废水排放强度的空间误差最大似然显著，而空间滞后最大似然不显著；工业SO2排放强度的空间滞后最大似然和空间误差最大似然都显著，而稳健性空间误差最大似然显著、稳健性空间滞后最大似然不显著；工业烟尘排放强度的空间误差最大似然显著，而空间滞后最大似然不显著。综上，3种污染物均适合选择空间误差模型进行影响因素分析。

表3 工业污染物空间依赖性检验结果

2.4.2 模型估计结果分析

根据模型检验结果， 对相关变量进行回归分析。 为了减小数据异方差的影响， 在回归之前将数据进行取对数处理。为了进一步诊断模型回归结果的有效性， 可以采用拟合优度R2进行检验， 还可以采用自然对数似然函数值、 Akaike信息准则(AIC)和Schwartz准则(SC)等进行检验。 当自然对数似然函数值越大、 AIC值和SC值越小时， 空间计量模型的拟合效果越好。 表4为OLS模型和SEM模型的工业污染物空间计量回归结果。回归结果可以看出， SEM模型的拟合优度、 自然对数似然函数值、 AIC和SC都要优于OLS模型的， 表明考虑空间要素的SEM模型较OLS模型的解释力更强， 因此， 选择考虑空间要素的SEM模型的回归结果进行影响因素分析。

1)工业废水。从表4回归结果可以得出， 产业结构对工业废水排放强度的回归系数为负值， 但未通过显著性检验， 表明产业结构会在一定程度上降低废水排放强度， 但作用效果不显著。 人口密度对工业废水排放强度的回归系数为0.232 4， 数值为正且通过了水平为5%的显著性检验， 人口密度每增加1%， 废水排放强度会增加0.232 4%， 人口集聚水平上升常常意味着生产规模的扩大， 可能导致工业废水排放强度增大。 对外开放对工业废水排放强度的影响效果不显著，外商投资一方面可能会将承接地作为“污染天堂”加剧区域工业废水排放，另一方面可能会带来先进技术经验，进而减少工业废水排放。科技投入对工业废水排放强度的影响系数为-0.153 4，且通过了水平为5%的显著性检验，表明科技投入增加会促进工业废水排放处理技术升级，从而有利于降低废水排放强度。环境规制对工业废水排放强度的影响系数为负值， 但未通过显著性检验，可能是地方环境监管部门对废水排放的监管力度不够，使得环境规制对工业废水排放强度影响效果不显著。能源强度对工业废水排放强度的影响系数为0.267 4，且通过了水平为1%的显著性检验，表明能源消耗增加往往伴随着污染排放的增加，进而导致工业废水排放强度增加。工业集聚对工业废水排放强度的影响系数为-0.148 9，且通过了水平为5%的显著性检验，表明工业集聚会强化企业间的交流并产生污染治理的规模效应，进而降低工业废水排放强度。

表4 普通最小二乘法(OLS)模型和空间误差模型(SEM)的工业污染物空间计量回归结果

2)工业SO2。产业结构对工业SO2排放强度的回归系数为负值，但未通过显著性检验，表明产业结构对工业SO2排放的影响作用不显著。人口集聚对工业SO2排放强度的回归系数也未通过显著性检验，表明人口集聚对工业SO2排放强度的影响不显著。对外开放对工业SO2排放强度的回归系数为负值，且通过了水平为5%的显著性检验，外商投资可能为承接地带来先进的废气处理技术和经验，有利于降低区域工业SO2排放强度。科技投入对工业SO2排放强度的回归系数为-0.231 9，且通过了水平为1%的显著性检验，表明科技支出比例增加会促进产业技术创新升级，有利于提高工业生产效率和降低工业SO2排放强度。环境规制对工业SO2排放强度的影响系数未通过显著性检验，表明环境规制对工业SO2排放强度的影响效果不显著。能源强度对工业SO2排放强度的影响系数为0.292 4，且通过了水平为1%的显著性检验，说明能耗强度增加往往会增加工业污染排放，进而导致工业SO2排放强度增大。工业集聚对工业SO2排放强度的影响系数为-0.331 8，且通过了水平为1%的显著性检验，表明工业集聚的正外部性有利于降低工业SO2排放强度。

3)工业烟尘。产业结构对工业烟尘排放强度的回归系数为-0.433 8，且通过了水平为5%的显著性检验，表明第三产业比例每增长1%，会促进工业烟尘排放强度降低0.433 8%，由于第三产业比例增加会压缩第二产业比例，因此有助于降低工业烟尘排放强度。能源强度对工业烟尘排放强度的影响系数为0.484 2，并通过了水平为1%的显著性检验，表明能源强度对工业烟尘排放强度产生显著的正向促进作用。工业集聚对工业烟尘排放强度的回归系数为-0.417 8，且通过了水平为1%的显著性检验，工业集聚水平每上升1%，会促进工业烟尘排放强度降低0.417 8%，工业集聚有利于加强企业间技术交流，促进产业技术升级和烟尘排放降低。人口集聚、对外开放、科技投入和环境规制对工业烟尘排放强度的回归系数均没有通过显著性检验，说明人口集聚、对外开放、科技投入以及环境规制对工业烟尘排放强度的作用效果不明显。

3 结论与讨论

本文中以2016年中国238个地级市的工业数据为基础，利用空间自相关分析法深入分析了工业集聚与污染排放的分布特征及空间关联性，并利用空间计量模型探究了影响工业污染排放强度的主要因素，得到主要结论如下：

1)中国工业集聚水平呈现东高西低的空间分布特征。工业集聚水平最高的区域主要集中于长三角、珠三角地区，其次是京津冀、辽中南、山东半岛和福建沿海等地区，内陆地区的工业集聚水平最低。

2)从全局来看，工业集聚与污染排放总体上存在显著的空间负相关关系。从局域来看，工业集聚与污染排放的局部空间关联性较强，集聚类型主要以高集聚-低污染、 低集聚-高污染和低集聚-低污染为主。其中，高集聚-低污染类型地市主要分布在东部沿海发达区域，低集聚-高污染类型地市主要分布在东北和西北等地区，低集聚-低污染型地市主要分布在中部内陆区域。

3)影响因素方面，工业集聚有利于降低污染排放强度，能源强度增大导致污染排放强度增大，其他指标对污染排放的影响存在污染类型的异质性。工业集聚往往会加强企业间的技术交流并产生污染治理的规模效应，有利于降低工业污染排放强度，而增加能源消耗往往伴随着工业污染排放的增加，导致工业污染排放强度增大。

基于工业集聚与污染排放的研究结果，提出区域污染减排的合理化建议如下：

1)东部沿海地区工业集聚水平高，但污染排放较低，因此应充分发挥自身辐射带动作用，促进技术要素向周边区域溢出，以实现邻近地区产业结构升级，进而减少周围区域工业污染排放。

2)西南、 西北和东北等地区工业发展起步晚， 工业发展基础相对薄弱。 一方面， 要有选择性地承接来自东部的转移产业， 在发展的同时要注意保护好原始生态环境； 另一方面， 要强化与沿海发达区域的学习和交流， 不断提高自身的技术水平和生产效率。

3)中部内陆地区邻近东部沿海发达区域，工业发展初期以承接沿海发达区域的落后产业为主，工业生产模式相对滞后，因此，应当充分利用地理邻近优势，多向东部沿海发达区域学习先进的工业技术，不断提升自身工业技术水平，不能因盲目追求经济利益而忽视对环境造成的污染。

4)针对工业污染排放的地区差异，应当因地制宜，强化高工业污染排放区的管控力度。同时，要不断加强区域间的交流与合作，初步建立针对工业污染排放的联防联控机制。