林晶羽

（寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315800）

近年來，城市化進(jìn)程中的生態(tài)環(huán)境問題越來越受到關(guān)注，空氣環(huán)境作為生態(tài)環(huán)境的重要一環(huán)，不僅制約著城市化的發(fā)展，還與每個人的健康生活息息相關(guān)[1-2]。如20 世紀(jì)40年代美國洛杉磯的光化學(xué)污染事件及賓夕法尼亞州的多諾拉煙霧事件，1952年發(fā)生在英國倫敦的煙霧事件等，都對城市和居民生命安全造成了重大影響。因此，城市化與空氣環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，已成為當(dāng)前我國新型城鎮(zhèn)化和生態(tài)文明建設(shè)的迫切任務(wù)之一，是踐行“兩山”理論的一個重要體現(xiàn)。

空氣污染是城市化過程中自然環(huán)境條件和人類活動等多種因素共同作用的綜合表現(xiàn)，因此，目前國內(nèi)外針對城市空氣環(huán)境質(zhì)量影響的研究也主要集中在氣象要素等自然條件[3-5]和人類活動等社會經(jīng)濟(jì)要素[6-7]，并逐漸聚焦于城市化與空氣環(huán)境影響規(guī)律的探討[8-11]，還有學(xué)者利用遙感技術(shù)探索了城市化程度與空氣污染的關(guān)系[12]。以上研究多集中于城市化過程對空氣環(huán)境的影響，缺乏城市化與空氣環(huán)境相互關(guān)系的探討。而隨著研究的不斷深入，許多學(xué)者開始引入計量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型中的協(xié)整、Granger 因果分析、脈沖響應(yīng)分析、方差分解等來探索城市化與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系，并取得較豐富的成果。張子龍等[13]的研究闡釋了城市化與經(jīng)濟(jì)增長和環(huán)境壓力在時序維度上的相互作用機(jī)制及其特征；王長健等[14]測度了城市化綜合水平與生態(tài)環(huán)境綜合質(zhì)量，并利用計量經(jīng)濟(jì)學(xué)方法進(jìn)行分析，認(rèn)為城市化進(jìn)程與生態(tài)環(huán)境之間既有相互脅迫的過程也有相互促進(jìn)的環(huán)節(jié)，是一種在交互脅迫中相互促進(jìn)的動態(tài)耦合關(guān)系；TAN 等[15]利用PCA-VAR 模型探究了社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境之間的互動關(guān)系?；诖耍疚耐ㄟ^構(gòu)建武漢市城市化綜合水平和空氣環(huán)境綜合質(zhì)量評價指標(biāo)體系，利用熵值法并引入計量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型進(jìn)行分析，以期為該區(qū)域城市化和空氣環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的決策制定提供參考。

1 城市化與空氣污染關(guān)系研究的數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

城市化相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)主要來源于《武漢市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報（1996—2013年）》 《武漢市統(tǒng)計年鑒（1997—2014）》；空氣環(huán)境數(shù)據(jù)主要參考武漢市環(huán)境狀況公報（1996—2013）》和《武漢市統(tǒng)計年鑒（1997—2014）》；部分年份缺失數(shù)據(jù)參考《湖北省統(tǒng)計年鑒（1997—2014）》 《中國城市統(tǒng)計年鑒（1997—2014）》及武漢市環(huán)保局網(wǎng)站的相關(guān)資料。

1.2 研究方法

1.2.1 指標(biāo)體系的構(gòu)建

測度指標(biāo)體系的構(gòu)建是評價城市化系統(tǒng)和空氣環(huán)境系統(tǒng)相互作用的基礎(chǔ)，在遵循指標(biāo)選取的科學(xué)性、整體性、可獲取性、可操作性以及數(shù)據(jù)連續(xù)性等原則的基礎(chǔ)上分別采用頻度統(tǒng)計法、理論與實際分析法、專家咨詢法對指標(biāo)進(jìn)行設(shè)置和篩選。從人口、空間、經(jīng)濟(jì)和社會4 個被普遍接受的子系統(tǒng)劃分方式[16]構(gòu)建城市化綜合水平的評價指標(biāo)體系；根據(jù)環(huán)境指標(biāo)的PSR 模型，即壓力（Pressure）-狀態(tài)（State）-響應(yīng)（Response）框架，構(gòu)建空氣環(huán)境綜合質(zhì)量的評價體系，它包括了空氣環(huán)境壓力指數(shù)、空氣環(huán)境質(zhì)量指數(shù)和空氣環(huán)境抗逆能力指數(shù)[17]。利用熵值法獲得綜合指標(biāo)得分和分量指標(biāo)得分。

1.2.2 指標(biāo)權(quán)重的計算

為了消除權(quán)重確定過程中人為主觀因素的干擾，本文利用熵值法[18-19]確定綜合指標(biāo)體系的權(quán)重。

1）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理：由于指標(biāo)的數(shù)量級以及量綱的不同，需對初始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

正向指標(biāo)為

負(fù)向指標(biāo)為

2）指標(biāo)權(quán)重的計算：第i年第j 項指標(biāo)值得比重的計算公式為

指標(biāo)信息熵的計算公式為

指標(biāo)權(quán)重的計算公式為

第i年的綜合評價得分為

式中：Xij為樣本城市第i年第j 項指標(biāo)的初始數(shù)值；max ｛Xj｝和min ｛Xj｝分別為樣本城市所有年份第j 項指標(biāo)的最大值和最小值；m 為評價年份數(shù)；n 為指標(biāo)個數(shù)。

1.2.3 VAR 模型原理

向量自回歸（VAR）模型最初是由諾貝爾獎獲得者SIMS[20]在19 世紀(jì)80年代提出的，并在不同領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[21-22]。VAR 模型通常用來研究相關(guān)時間序列系統(tǒng)的預(yù)測和隨機(jī)擾動對變量系統(tǒng)的動態(tài)沖擊，其表達(dá)式為

式中：yt為內(nèi)生變量；xt為外生變量；p 為內(nèi)生變量的滯后時間間隔；T 為樣本數(shù)量；ut為擾動向量，屬于白噪聲過程，不與自己的滯后值相關(guān)。

脈沖響應(yīng)函數(shù)分析：如果一個時間序列具有單位根，那么它就是非穩(wěn)定的。非平穩(wěn)的時間序列不能預(yù)測其變化規(guī)律。ADF 檢驗通常用來檢驗序列的平穩(wěn)性，協(xié)整檢驗和Granger 因果檢驗則可以確定相關(guān)變量的相互關(guān)系。VAR 模型建立以后，引入脈沖響應(yīng)函數(shù)描述給隨機(jī)誤差項施加一個標(biāo)準(zhǔn)大小的沖擊，其對內(nèi)生變量的當(dāng)期值和未來值產(chǎn)生的影響。其函數(shù)表達(dá)式為

式中：Yt+s為內(nèi)生向量；Ut為誤差項；ψs為脈沖響應(yīng)向量。

方差分解：基于VAR 模型的預(yù)測方差分解是將模型中內(nèi)生變量的預(yù)測誤差按其成因進(jìn)行分解，通過分析對模型中的內(nèi)生變量變化（用方差來度量）產(chǎn)生影響的每個信息沖擊的相對重要程度，然后計算每個變量的相對貢獻(xiàn)比例。VAR（p）模型的前s 期的預(yù)測誤差為

式中：λs-1代表第s-1 期滯后反映。

2 城市化與空氣污染關(guān)系研究的實證分析

2.1 武漢市城市化綜合水平指數(shù)變化特征

利用熵值法計算，得到城市化綜合水平以及各子系統(tǒng)的權(quán)重值（見第22 頁表1）。從各個子系統(tǒng)層的指標(biāo)權(quán)重加和排序來看，依次為經(jīng)濟(jì)城市化（0.3422）、社會城市化（0.2767）、空間城市化（0.2095）、人口城市化（0.1715），表明武漢城市化發(fā)展以經(jīng)濟(jì)增長和提高居民生活水平為主要特征，其次是城市空間擴(kuò)張，最后為人口城市化。從城市化綜合水平指數(shù)變化趨勢可以看出，武漢市城市化進(jìn)程經(jīng)歷了穩(wěn)定發(fā)展（1996—2001）以及快速發(fā)展（2001—2013）兩個階段，同時，推動城市化進(jìn)程最主要的經(jīng)濟(jì)增長也表現(xiàn)出同樣的發(fā)展趨勢。其中，城市化綜合水平指數(shù)和GDP 分別由1996年的0.0421，782.13 億元提高到2013年的0.9813，9051.27 億元。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，武漢市抓住2001年中國加入世界貿(mào)易組織的機(jī)遇，并在2004年的“中部崛起”、2007年武漢市“兩型社會”綜合配套改革試驗區(qū)以及2008年“1+8”城市圈的國家政策引導(dǎo)下，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，建城區(qū)面積不斷擴(kuò)張，城市居民人口數(shù)量不斷攀升，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也不斷完善，城市化進(jìn)程得到迅猛發(fā)展。

表1 城市化綜合水平評價指標(biāo)體系

2.2 武漢市空氣環(huán)境綜合質(zhì)量指數(shù)變化特征

表2 給出了空氣環(huán)境系統(tǒng)的質(zhì)量指數(shù)，其中，空氣環(huán)境壓力的權(quán)重為0.4403，空氣環(huán)境質(zhì)量權(quán)重為0.2426，空氣環(huán)境抗逆能力權(quán)重為0.3172。武漢市空氣環(huán)境綜合質(zhì)量總體上呈現(xiàn)出波動中線性上升趨勢，但在2012 出現(xiàn)明顯下降，說明武漢市近幾年來在改善空氣環(huán)境方面還存在一定的壓力?？諝猸h(huán)境質(zhì)量指數(shù)變化比較復(fù)雜，總體上在一個穩(wěn)定的水平內(nèi)上下波動；空氣環(huán)境抗逆能力指數(shù)則呈現(xiàn)不斷上升的趨勢。

表2 空氣環(huán)境綜合質(zhì)量評價指標(biāo)體系

2.3 城市化水平與空氣環(huán)境質(zhì)量的動態(tài)計量分析

首先筆者對對城市化綜合水平指數(shù)（U）與空氣環(huán)境綜合質(zhì)量指數(shù)（A）、空氣環(huán)境壓力指數(shù)（A1）、空氣環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（A2）、空氣環(huán)境抗逆能力指數(shù)（A3）的時間序列進(jìn)行單位根檢驗，檢驗其時間序列的平穩(wěn)性。檢驗的結(jié)果表明，水平變量的ADF 檢驗值均大于5%的臨界值，U，A，A1，A2，A3均為非平穩(wěn)序列；接下來對以上5 個序列的一階差分再進(jìn)行ADF 檢驗，檢驗的結(jié)果表明，這些序列均是平穩(wěn)的，由此可知，U，A，A1，A2，A3具有一階單整性，這些序列滿足協(xié)整檢驗的前提條件。

雖然時間序列U，A，A1，A2，A3均為一階單整I（1），但它們之間可能存在協(xié)整關(guān)系，即變量之間具有長期穩(wěn)定的關(guān)系。為了對這種長期穩(wěn)定關(guān)系進(jìn)行檢驗，根據(jù)AIC 和SC 準(zhǔn)則，分別得到U，A，A1，A2，A3之間的Johansen 協(xié)整檢驗結(jié)果。通過比較統(tǒng)計量與顯著性水平（5%） 的臨界值，U 與A之間存在唯一的協(xié)整關(guān)系，這表明武漢市城市化綜合水平的提高與空氣環(huán)境綜合質(zhì)量的變化之間存在長期穩(wěn)定的關(guān)系。同樣，U 與A1，A2，A3之間均存在協(xié)整關(guān)系，說明武漢市城市化綜合水平與空氣環(huán)境壓力、空氣環(huán)境質(zhì)量以及空氣環(huán)境抗逆能力之間都存在著長期的均衡關(guān)系。

表3 給出了U 與A，A1，A2，A3的Granger 因果關(guān)系檢驗結(jié)果。通過檢驗可知，武漢市城市化綜合水平是空氣環(huán)境綜合質(zhì)量的Granger 原因，同時也是空氣環(huán)境壓力的Granger 原因，而與空氣環(huán)境質(zhì)量互不為Granger 因果關(guān)系，但空氣環(huán)境抗逆能力則是城市化綜合水平的Granger 原因，這表明了武漢市城市化在給空氣環(huán)境帶來壓力的同時，空氣環(huán)境的改善又會對城市化產(chǎn)生影響。

表3 城市化綜合水平指數(shù)與空氣環(huán)境綜合質(zhì)量指數(shù)及其分量的Granger 因果關(guān)系檢驗結(jié)果

工業(yè)粉塵排放量指標(biāo)的權(quán)重最高（0.1616），人均廢棄排放量從1996年的2.28 億m3/萬人增加到2013年的6.86 億m3/萬人，說明城市化過程中工業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致資源、能源物質(zhì)的大量消耗，以及城市擴(kuò)張引起的施工揚(yáng)塵是導(dǎo)致武漢市空氣環(huán)境壓力的主要原因。工業(yè)SO2去除率（0.1487） 表明技術(shù)效應(yīng)對提高資源、能源的利用效率有著顯著效果，是提高空氣環(huán)境抗逆能力的主要因素。

2.4 相關(guān)脈沖響應(yīng)與方差分解

通過以上對武漢市城市化綜合水平與空氣環(huán)境綜合質(zhì)量及其分量之間的動態(tài)計量分析發(fā)現(xiàn)，城市化綜合水平與空氣環(huán)境綜合質(zhì)量、空氣環(huán)境壓力以及空氣環(huán)境抗逆能力之間存在統(tǒng)計意義上的因果關(guān)系。為了進(jìn)一步分析它們之間的響應(yīng)情況，借助脈沖響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)之上，又建立預(yù)測方差分解模型，從深層次分析了結(jié)構(gòu)沖擊對內(nèi)生變量的貢獻(xiàn)度。

1）脈沖響應(yīng)分析。建立U 和A，U 和A1以及U 和A3的VAR 模型，然后進(jìn)行脈沖響應(yīng)分析。結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，U 對A 先是具有正的沖擊效果，并在第2 期變成負(fù)的沖擊，即隨著武漢市城市化的快速發(fā)展，空氣環(huán)境綜合質(zhì)量將會下降。從第3 期開始，U 對A 又產(chǎn)生持續(xù)的正的沖擊效應(yīng)，說明城市化水平的提升將會促進(jìn)空氣環(huán)境綜合質(zhì)量的提升；從A1對U 的響應(yīng)曲線分析結(jié)果表明，在初期，U對A1產(chǎn)生正的沖擊效果，并在第2 期之后變?yōu)檎臎_擊效果，之后則在0 左右小幅波動，表明城市化先會給空氣環(huán)境帶來壓力，隨后壓力會減小，最終在一定水平上小幅波動；同理，從U 對A3的響應(yīng)情況來看，A3對U 產(chǎn)生持續(xù)的正的沖擊效應(yīng)并不斷加強(qiáng)，表現(xiàn)為城市化在給環(huán)境帶來壓力的同時，人們對環(huán)境的應(yīng)對措施使環(huán)境狀況得到改善，并促進(jìn)了城市化的良性發(fā)展。這也體現(xiàn)了新型城鎮(zhèn)化發(fā)展過程中對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的重視。

2）方差分解。預(yù)測方差分解結(jié)果見第24 頁表4。由表4 可知，武漢市空氣環(huán)境綜合質(zhì)量和空氣環(huán)境壓力從第1 期開始就受到自身及城市化綜合水平的影響。其中，空氣環(huán)境壓力受城市化綜合水平的影響要小于自身波動的影響，而空氣環(huán)境綜合質(zhì)量從第9 期開始受城市化綜合水平的影響要大于自身波動的影響。從A，A1的分解結(jié)果看，U 對A 的貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)出先小幅下降后不斷上升的趨勢，從第一期的43.03%增長到第10 期的54.733%，對A2的貢獻(xiàn)率則不斷下降，其變化率則越來越?。粡腢 的分解結(jié)果來看，A3對U 的貢獻(xiàn)率從第1 期的0 快速上升并超過其對自身波動的影響，達(dá)到第10 期的54.29%，并且仍有上升的趨勢。

3 結(jié)論

通過構(gòu)建武漢市1996—2013年城市化綜合水平與空氣環(huán)境綜合質(zhì)量的評價體系，應(yīng)用協(xié)整檢驗、Granger 因果關(guān)系檢驗、脈沖響應(yīng)分析以及方差分解模型，對武漢市城市化與空氣環(huán)境之間的關(guān)系進(jìn)行了動態(tài)計量研究，得到如下結(jié)論。

1）城市化綜合水平指數(shù)表明，21 世紀(jì)以后，武漢市的城市化水平進(jìn)入快速增長的態(tài)勢，以“中部崛起”的國家戰(zhàn)略為契機(jī)，進(jìn)入了一個快速發(fā)展的時期?？諝猸h(huán)境綜合質(zhì)量表現(xiàn)為波動中上升的態(tài)勢，空氣環(huán)境質(zhì)量總體上出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。

表4 空氣環(huán)境綜合質(zhì)量、空氣環(huán)境壓力受城市化及城市化受空氣環(huán)境抗逆能力沖擊的預(yù)測均方誤差分解結(jié)果

2）協(xié)整檢驗表明，武漢市城市化綜合水平與空氣環(huán)境綜合質(zhì)量及其分量均存在長期的動態(tài)均衡關(guān)系。Granger 因果關(guān)系檢驗證明了武漢市城市化綜合水平是空氣環(huán)境綜合質(zhì)量和空氣環(huán)境壓力的Granger 原因，而空氣環(huán)境抗逆能力是城市化綜合水平的Granger 原因，表明城市化進(jìn)程與空氣環(huán)境之間存在既相互脅迫又相互促進(jìn)的動態(tài)耦合關(guān)系。

3）脈沖函數(shù)分析及方差分解模型結(jié)果顯示，武漢市城市化綜合水平的提高對空氣環(huán)境綜合質(zhì)量和空氣環(huán)境壓力均具有正的沖擊效果，空氣環(huán)境抗逆能力則對城市化產(chǎn)生正的沖擊效果，即隨著城市化水平的不斷提升，武漢市空氣環(huán)境總體上將會得到改善，但是空氣環(huán)境壓力也會越來越大，而空氣環(huán)境抗逆能力的提高又會促進(jìn)城市化的發(fā)展。武漢市在城市化快速推進(jìn)的過程中，要注意污染物排放的增加對空氣環(huán)境帶來的負(fù)面作用，城市化綜合水平的提升對空氣環(huán)境也有一定的正面作用，因此應(yīng)理性看待城市化發(fā)展推動空氣環(huán)境改善的措施。