京津冀地区产业结构、城镇化与生态环境耦合关联与动态响应研究

张樨樨 曹正旭 董会忠

[提要]本研究选取京津冀地区2007—2019年相关数据，构建产业结构、城镇化与生态环境耦合协调度模型，测度京津冀地区产业结构、城镇化和生态环境三者之间的耦合协调关系，并利用脉冲响应与方差分解对三者之间的动态响应关系进行分析。结果表明：京津冀地区产业结构、城镇化与生态环境三系统耦合协调度经历了勉强耦合协调、初级耦合协调之后进入中级耦合协调发展阶段；邢台、衡水、邯郸、沧州等东南部工业城市耦合协调程度低于地区平均水平，2019年初级耦合协调程度及以上城市达到10个；产业结构、城镇化与生态环境之间存在长期协整关系，产业结构与城镇化对生态环境的冲击短期内虽然会出现不同程度的波动影响，但长期来看，城镇化水平的提高对生态环境质量起到负向作用，产业结构优化有助于生态环境的持续改善。

引言

城镇化是推动经济增长的重要动力源，其发展程度是衡量区域综合发展水平的重要标志。城镇化进程在促进经济增长，推动社会进步和提高人民生活水平的同时，环境污染问题也日益凸显，高消耗、高污染产业发展使环境承载压力倍增，粗放式城镇化加剧了环境保护难度，实现城镇化进程、产业结构调整与生态环境协调发展成为当前亟待解决的问题。我国正处于产业转型的关键期，政府逐渐降低工业比重，鼓励发展服务业和高技术产业等高收益、低污染产业，从而缓解环境压力，产业结构转型升级成为协调城镇化发展和环境保护的关键。京津冀作为我国三大城市群之一，正处于城镇化加速发展的重要阶段，城镇化率由2007年的51.3%提高到2019年的66.7%。城镇化促进了京津冀地区产业和经济发展，但同时也带来空气污染，废水污染，固废污染等一系列环境问题，严重阻碍了经济社会可持续发展。为解决城镇化发展与生态环境之间的矛盾，政府加快了产业结构调整步伐，要求各城市根据产业政策、产业布局规划，进一步明确“散乱污”企业分类处置条件。产业结构调整通过淘汰高能耗、低效率的产业，依靠技术进步提高资源利用率，减少污染物排放，从而提升环境质量。由于京津冀城市群城镇化程度、产业结构布局不同，环境质量状况存在差异，探索区域产业结构、城镇化与生态环境的内在关系对改善京津冀地区生态环境质量，实现可持续发展具有重要意义。

一、文献综述

关于产业结构与生态环境的研究包含了单向影响和双向影响。产业结构演进对生态环境的影响方面，学者们普遍认同产业结构与生态环境存在长期动态均衡关系，产业结构布局不合理会造成环境污染，提升产业内部技术水平则有利于长期改善生态环境质量；[1][2]产业结构演进对改善生态环境效果明显，第三产业变动对污染减排的作用最为显著。[3]生态环境对产业结构的影响主要通过倒逼政府增强环境规制来实现，当环境污染问题出现时，政府会推行一系列环保政策抑制高污染行业发展，使污染严重的企业转变发展方式，从而使得环境好转。[4]由于区域产业发展状况存在差异，环境规制对我国东部地区促进作用较为突出，[5]尤其对高污染行业作用更显著。[6]近年来，学者们逐渐意识到产业结构与生态环境并非单向关系，二者互动关系成为研究新思路。Coondoo等[7]、Kanjilal等[8]利用跨国数据研究发现，产业结构与生态环境之间存在倒U型演变规律；李鹏[9]研究表明，不论产业结构调整幅度有多大，产业结构与环境污染之间始终存在倒U型关系；回莹等[10]实证分析发现，产业结构与雾霾污染也显著存在这种关系。有学者对此得出不同结论，Brajer[11]研究发现，产业结构与环境污染是否呈倒U型关系，结果取决于对具体污染形式的选择；闫丽霞[12]、王青等[13]研究表明，产业结构与环境污染之间存在线性关系；许正松等[14]以江西为例研究发现，江西省产业结构与环境污染之间存在正N型曲线关系。

学者对城镇化与生态环境的关系也进行了深入研究，涵盖了国家、省市层面，多分布于经济发达地区，研究发现不同地区城镇化水平对环境污染程度不同，[15]随着城镇化水平的提升，环境污染逐步减轻。[16]从研究内容看，国内外学者主要基于压力-状态-响应、环境库兹涅茨曲线和耦合协调理论，从耦合关系评价[17]、耦合趋势与预测[18]、耦合机理[19]等方面对城镇化与生态环境关系展开实证研究。从研究方法看，多利用参数模型[20]、非参数模型[21]、系统动力学模型[22]和耦合协调度模型[23][24]探讨城镇化进程对生态环境的威胁与冲击。此外，众多学者对城镇化不同路径进行分析，于冠一等[25]研究表明，城镇化进程对环境污染的积极影响与消极影响并存，具体影响取决于不同城镇化路径的选择；童玉芬等[26]通过对人口城镇化与大气污染的作用机制分析，认为二者具有双向关系；东童童等[27]研究发现，人口城镇化和产业城镇化与环境污染之间存在U型曲线关系，土地城镇化与环境污染存在倒U型关系。

综上所述，众多学者从不同角度，用不同方法对产业结构、城镇化与生态环境进行了研究，并且取得了丰硕成果，但仍存在以下不足：从指标选择来看，关于产业结构与城镇化研究，指标选择较为单一，多选取第二产业或第三产业比重衡量产业结构，选取人口城镇化或土地城镇化衡量城市发展，不能全面反映产业结构和城镇化发展程度，在研究系统间相互关系时有失偏颇；从研究内容来看，现有文献更倾向于产业结构与生态环境、城镇化与生态环境之间的研究，割裂了三者的关系，对产业结构、城镇化与生态环境三系统耦合协调分析不够深入，缺乏研究的全面性与针对性。为解决上述问题，首先，选取京津冀地区2007-2019年相关数据，采取熵权法和多指标综合评价法构建指标评价体系衡量产业结构、城市化与生态环境发展水平；其次，运用耦合协调度模型探究区域产业结构、城市化与生态环境三维系统耦合协调类型；最后，采用脉冲响应与方差分解方法检验三者之间的动态演化关系，为实现京津冀地区产业结构、城镇化与生态环境三者协调发展提供建议。

二、指标体系与研究方法

(一)指标体系构建

根据对产业结构优化升级内涵的界定及其表现，综合相关研究成果，产业结构高效度、合理度、创新度对城镇化发展及生态环境具有积极作用，因此，从这三个角度选取8个指标构建产业结构综合评价指标体系。为遵循系统性、科学性原则，从多个角度衡量城市发展水平，选取人口发展、经济发展、生活水平、社会发展四个方面11个指标构建城镇化综合评价指标体系。生态环境指标选取以“压力-状态-响应”为理论依据，结合现有研究，从环境污染、环境治理、环境投资三个方面选取8个指标构建生态环境综合评价指标体系。具体指标见表1。

表1 产业结构、城镇化和生态环境子系统综合评价指标

依据对系统发展贡献性，将原始指标分为两类：正向指标(+)和逆向指标(-)。为消除指标中的量纲差异，本文采用组间极差值公式解决这一问题，公式如下。

对于正向指标：

(1)

对于逆向指标：

(2)

(二)研究方法

1.熵权法与综合评价法

熵权法是一种客观赋权的方法，该方法在很大程度上避免了指标评价中权重计算的主观因素，对指标权重的计算比较科学客观，有助于提高评价结果的准确性和可靠性。

(3)

(4)

(5)

(6)

采用多指标综合评价法分别对京津冀地区产业结构、城镇化及生态环境综合水平进行测度与评价。

(7)

(8)

(9)

式中，X、Y、Z分别表示产业结构综合指数、城镇化综合指数、生态环境综合指数；ω1j、ω2j、ω3j分别为产业结构指标权重、城镇化指标权重、生态环境指标权重；xj、yj、zj分别为产业结构、城镇化、生态环境标准化处理值。

2.耦合协调度模型

耦合协调度是刻画系统间协同作用程度的定量指标，来源于物理学中的耦合系数模型，它在一定程度上反映两系统或多系统间协调状况的好坏程度和区域的可持续发展状况。[28]在两系统耦合协调度模型基础上，构建产业结构、城镇化与生态环境三系统耦合协调度模型如下：

(10)

(11)

(12)

其中，C表示耦合度，T表示三系统综合协调指数，D表示耦合协调度，X、Y、Z分别表示产业结构、城镇化、生态环境综合指数；α、β、χ分别表示产业结构、城镇化、生态环境系统权重，通常认为三个系统具有同等重要的作用，即α=β=χ=1/3。[29]

依据现有研究，确定耦合协调类型及划分标准，将耦合协调度划分为四个层次10种类型[30]，具体分类参照耦合协调度等级划分(见表2)。

表2 耦合协调度等级划分级评价标准

3.VAR模型

VAR模型可以将每个变量作为所有内生变量的滞后项进行回归，从而分析多个变量间的动态关系。本文通过建立产业结构、城镇化与生态环境之间的多变量VAR模型，运用协整检验、广义脉冲响应函数以及方差分解等方法探究其内部动态响应机制。其表达式如公式(13)所示。

(13)

式中，Yt表示内生变量的列向量，t表示样本个数，C是截距向量，β1、β2、βp为参数矩阵，p为滞后阶数，εt为随机误差向量。

(三)数据来源与处理

基于数据的真实性和可获得性，文中所用历年数据主要来源于《中国城市统计年鉴》《北京统计年鉴》《天津统计年鉴》《河北经济年鉴》以及京津冀地区各城市统计公报，部分环境数据来源于《中国环境统计年鉴》。其中，个别统计数据存在缺失现象，通过SPSS统计软件中缺失值处理方法给予补充，力求数据完整性和准确性。

三、实证分析

(一)耦合协调度分析

根据构建的京津冀地区产业结构、城镇化与生态环境三系统耦合协调度模型，结合2007-2019年京津冀产业结构、城镇化与生态环境综合评价指数，进一步得到系统的协调度(T)、耦合度(C)和耦合协调度(D)，如表3所示。

表3 京津冀产业结构-城镇化-生态环境耦合特征及类型

从协调度结果来看，2007-2019年京津冀地区产业结构、城镇化和生态环境的协调度整体呈上升趋势，由0.307提升到0.631，表明京津冀产业结构、城镇化和生态环境间的协调程度显著提高，三者逐渐实现协调发展。这是因为城镇化进程中，政府逐渐意识到环境污染问题，积极寻求产业转型，加大污染惩罚力度，从而实现了产业结构、城镇化与生态环境协调发展。从耦合度结果来看，耦合度由0.908上升到0.999，表明京津冀地区产业结构、城镇化、生态环境的相互作用能力较强，三者关联基本达到最优，也意味着经济社会发展过程中，产业结构、城镇化与生态环境三者的耦合关系趋向成熟，各系统内部变化趋于稳定。从耦合协调度结果来看，研究期内耦合协调度由0.529上升到0.794。表明京津冀地区在发展过程中，产业结构布局趋于合理化，城镇化水平不断提高，生态环境承载力逐渐增强，产业结构、城镇化与生态环境发展愈发协调。

具体来看，可将考察期内京津冀地区产业结构、城镇化与生态环境耦合协调度划分为三个阶段：2007-2010年为第一阶段，耦合协调度从0.529上升到0.584，处于勉强耦合协调发展阶段，此时京津冀地区产业结构、城镇化与生态环境处于过渡发展时期，第二产业比重较大，经济发展依赖于高耗能的工业，城镇化受制于经济发展，公共基础设施不完善，居民生活水平较低，因此城镇化进程缓慢。由于过度注重经济发展速度，忽略了环境保护，当地集聚了众多散乱污企业，加大了管理治理难度，这一阶段化石能源的消费，废水的排放和固体废弃物未得到妥善处理，成为生态环境污染的主要原因。2011-2013年为第二阶段，耦合协调度从0.607上升到0.672，处于初级耦合协调发展阶段，此时产业结构处于转型关键时期，但是产业转换尚未完成良好衔接，高能耗、高污染的产业未能得到有效治理。经济的快速发展带动城镇化发展，越来越多的农村人口迁移至城市，提高城镇发展水平的同时也增加了资源消耗。随着城市化和工业化进程加快，空气污染、生活垃圾污染日益严重，加之乡镇企业缺乏规模性生产，导致城市快速发展过程中对生态环境造成巨大冲击和影响。2014-2019年为第三阶段，耦合协调度从0.707上升到0.794，处于中级耦合协调发展阶段，此时产业结构逐渐由高能耗产业向创新服务业等低能耗产业过渡，区域经济发展逐渐摆脱过度依赖能源投入的状态。这一阶段京津冀地区城镇化发展较快，居民生活水平大幅提高，城市公共设施逐渐完善，社会服务水平显著提高，同时，生态文明建设摒弃了先污染后治理的老旧观念，坚持可持续发展道路，积极开展污染防治工作，生态环境得到了一定的改善。

(二)空间差异分析

上述研究分析了京津冀地区整体产业结构、城镇化与生态环境的耦合协调程度，由于各城市产业结构布局、城镇化进程和生态环境质量发展状况不同，三者耦合协调程度也存在较大差异。本文将从空间视角分析京津冀地区产业结构、城镇化与生态环境的耦合协调关系(图1)。

图1 京津冀耦合协调度空间格局

2007年京津冀地区耦合协调度表现为轻度失调、濒临失调、勉强耦合协调、初级耦合协调、中级耦合协调五种状态，其中仅北京和天津呈现中级耦合协调，邢台、沧州、衡水等多市处于轻度失调或濒临失调状态，区域整体耦合协调程度较低。表明此时京津冀地区发展极不均衡，一方面各城市发展状况存在差异，北京、天津等第三产业比重较大，以高技术产业或服务业为主，产业布局逐渐实现合理化，并且城镇化水平较高，提升了系统耦合协调程度，邢台、沧州、衡水等大部分传统工业城市仍处于工业化进程的重要阶段，产业结构以高能耗、高污染的第二产业为主，使生态环境遭到破坏，另一方面未能发挥京津冀城市群优势，北京、天津等地高度城市化未发挥辐射作用带动周边城市发展，区域联动作用效果不佳。

2011年表现为濒临失调、勉强耦合协调、初级耦合协调、中级耦合协调四种状态，中级耦合协调城市增加到4个，仅邯郸、邢台、衡水表现为濒临失调。这一时间耦合协调呈现一定程度的集聚特征，表明城市间相互作用效果逐渐显现，但由于各城市发展不均衡，城市间整体耦合协调程度差别较大。

2015年表现为勉强耦合协调、初级耦合协调、中级耦合协调三种状态，京津冀所有城市均达到耦合协调程度，中级耦合协调城市增加到6个，主要是因为河北多个城市产业结构逐步由第二产业向第三产业过渡，产业布局呈现合理化，伴随着产业结构的转移，从事第三产业的人员比例逐渐上升，大量农村劳动力向城市转移，城市基础设施逐渐完善，城镇化水平进一步提升，改善了居民生活质量。同时，为响应国家生态城市建设与规划，各市政府大力发展社会公共文化事业，着力发展生态型城市，提升了公众环保意识，环境质量得到改善。

2019年表现为勉强耦合协调、初级耦合协调、中级耦合协调、良好耦合协调四种状态，其中，北京市跨入良好耦合协调阶段，耦合协调集聚特征愈发凸显，表明以北京、天津为中心的京津冀城市群辐射作用明显，带动各市产业结构、城镇化与生态环境耦合协调度逐渐向理想状态发展。

(三)动态响应检验

产业结构、城市化与生态环境之间的耦合协调测度仅反应了系统间协调发展程度，无法有效解释其相互作用程度及其内在协整与动态冲击响应关系，为充分了解产业结构与城市化内部变化对生态环境冲击，本文利用VAR模型进一步研究其内在影响机制。

1.单位根检验

平稳性检验结果表明(表4)，京津冀地区产业结构、城镇化与生态环境综合指数的原始序列在不同显著性水平下均呈现为非平稳的特点，一阶差分处理后，在5%显著性水平下拒绝了原假设，说明研究期内各变量的一阶差分序列平稳，满足协整检验条件。

表4 单位根检验结果

2.协整检验

选择Johansen协整检验方法对变量的动态协整性进行进一步分析。协整检验结果(表5)表明，京津冀地区产业结构、城镇化和生态环境综合指数在5%显著性水平下存在至少2个协整关系，即三者之间具有长期稳定的均衡关系。

表5 Johansen协整检验统计量检验结果

3.脉冲响应分析

基于协整关系检验，选取广义脉冲响应函数对生态环境与产业结构、城镇化之间的动态冲击响应态势进行分析，响应期定为10期(见表6)。

产业结构与生态环境动态响应关系。据表6与图2，生态环境对产业结构一个单位冲击响应效果中，前5期呈现“M”型波动态势，即当期响应为-0.006 437，经第2期达到零线以上，于第3期再次回落到零线以下，而在第4期时上升到0.011 175，第5期呈现为负响应，第6期到第8期，响应值在零线附近上下波动，于第9期升到零线以上，正响应一直保持到第10期，整个响应期累计响应值为0.003 555，表明随着产业结构的演进，生态环境质量虽然短期内会呈现一定程度波动，但长期而言则为持续提升趋势。产业结构对生态环境的单位冲击响应中，初期响应为0，第2期到第5期响应值呈现负正交替的特点，波动较为明显，第6期到第10期响应值表现为正负交替特征，波动较为平缓，逐渐接近0值。整个响应期内累计值达到-0.000 310，说明生态环境对产业结构的调整冲击出现不同水平的波动，其整体上抑制了产业结构的调整，但影响程度不明显。

城镇化与生态环境动态响应关系。据表6与图3，生态环境对城镇化的一个单位冲击响应效果中，前6期内呈现“W”型波动态势，表现为两负一正特征，第7期跌落至零线以下，第8期和第9期持续为正值，第10期降为负值。整个响应期内累计响应值为-0.016 014，说明城镇化发展对生态环境质量产生了负向影响，因此亟待改变城镇化发展方式，加强生态文明建设，促进城镇化快速发展的同时提高发展质量。而城镇化对生态环境的单位冲击响应，虽然整个响应期也于零线附近呈降升交替的波动特点，但是波动程度不明显，响应期内累计值为-0.000 803，说明生态环境质量短期内可能会对城镇化发展产生波动，但长期来看则抑制了城镇化的发展。

表6 广义脉冲响应分析结果

Response of Z to X

Response of Z to Y

4.方差分解

脉冲响应仅反映内生变量的随机误差变动对内生变量带来的冲击响应情况，而方差分解可以反映每个结构对内生变量变化的贡献度，产业结构、城镇化与生态环境的方差分解如表7所示。产业结构、城镇化对生态环境方差分解的相对平均贡献水平较高，其值分别达到53.197%、39.169%，说明产业结构调整与城镇化水平的提升，可在一定程度上影响生态环境质量。产业结构调整通过降低工业比重，提高资源利用效率，从源头改善生态环境质量。城镇化发展导致大量人口涌入城市，增加了资源消费机会，制造大量生活垃圾，带来环境污染问题，相比于城镇化发挥的负向效应，产业结构的演进符合绿色发展的理念。从发展趋势来看，产业结构是影响生态环境质量的主要因素，城镇化是次要因素，说明城镇化的快速发展带来了严重的环境污染问题，但随着产业结构的不断演进，生态环境受城镇化的影响逐渐减弱，环境质量将会随着产业结构的调整进一步改善。生态环境对产业结构与城镇化方差分解的平均贡献水平相对偏低，其值仅为0.995%、0.196%，说明生态环境质量对产业结构和城镇化有一定的影响，但作用不明显。这是因为产业结构演进和城镇化进程是经济社会发展的必然结果，发展趋势受内部多方因素影响，生态环境作为外部影响因素，对二者影响较小。

表7 方差分解结果

四、结论与建议

本文通过构建京津冀地区产业结构，城镇化和生态环境综合评价指标体系，运用耦合协调度模型分析了2007-2019年京津冀地区产业结构、城镇化与生态环境耦合协调度变化特征，并运用脉冲响应与方差分解的方法分析了三者之间的动态关系。基于分析结果得出以下结论：(1)京津冀地区产业结构、城镇化与生态环境三系统耦合协调度经历了勉强耦合协调发展、初级耦合协调发展阶段之后进入中级耦合协调发展阶段。(2)河北省部分城市发展较为缓慢，邢台、衡水、邯郸、沧州等东南部工业城市耦合协调程度低于地区平均水平，随着经济社会进一步发展，2019年初级耦合协调程度及以上城市达到10个，其中北京跨入良好耦合协调阶段。(3)产业结构、城镇化与生态环境之间存在长期协整关系，产业结构和城镇化对生态环境的冲击短期内虽然会出现不同程度的波动，长期来看，产业结构有助于生态环境的持续改善，城镇化的发展降低了生态环境质量。

以上结论所蕴含的政策建议有：(1)城镇化进程过快会带来环境污染问题，产业结构优化升级可以协调二者矛盾，因此，在京津冀一体化进程中，要制定适当的补贴和税收政策，建立多方位补偿机制，引进高科技人才，发展智能制造等创新驱动产业，促进工业向中高端迈进。(2)河北省部分城市城镇化发展缓慢，耦合协调程度低于地区平均水平，当地政府应加强城市基础设施建设，提高社会服务保障制度，同时充分吸收北京、天津等城市溢出效应，促进城市产业结构、城镇化与生态环境耦合协调度逐渐向理想状态发展。(3)产业结构升级是经济由高速发展转向高质量发展的必由之路，此过程要遵循市场规律，提高资源利用效率，避免造成生态环境污染，同时要加大环境治理力度与投资，在保证经济发展速度的同时改善生态环境。