论文快递｜史霄斌等：黄河中下游城市群碳排放水平与经济高质量发展耦合研究

改革开放以来，黄河中下游地区的经济迅猛发展，成为我国主要的经济增长极之一。与此同时，快速的工业化和城市化导致黄河中下游地区能源消费快速增长，碳排放量不断增加，环境问题日益凸显。2019 年黄河流域生态保护和高质量发展上升为重大国家战略。2021 年中共中央、国务院印发的《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》，要求将黄河流域打造成为大江大河治理的重要标杆和高质量发展的重要实验区，确保黄河流域生态保护和高质量发展在2025 年前取得明显进展。

自国家发布黄河流域生态保护和高质量发展战略以来，诸多学者围绕高质量发展内涵［1］、经济高质量发展评价体系建设和综合水平评价［2-4］等开展了相关研究，以及对其与生态保护、绿色金融、数字经济等的耦合协调关系［5-10］进行了理论、实证研究。同时，关于黄河流域碳排放的研究也取得了一系列成果，主要包括碳排放效率［11-13］、碳排放影响因素［14］、碳排放空间差异［15］等。通过文献梳理发现，关于黄河流域碳排放与经济高质量发展的复杂耦合协调关系的研究较少。因此，本文在现有研究基础上，以黄河中下游城市群为研究对象，系统研究不同发展水平城市群的碳排放水平与经济高质量发展的耦合协调机理，以期弥补当前研究的不足。首先，构建黄河中下游城市群碳排放水平和经济高质量发展指标体系；其次，采用熵值法、耦合协调模型、空间自相关方法，测度碳排放水平、经济高质量发展水平、二者的耦合协调度及其时空分布特征；最后，利用灰色关联度模型方法，识别碳排放水平与经济高质量发展耦合协调的影响因素，进而为黄河中下游城市群的经济高质量发展提出建议。

选取2010—2020 年黄河中下游的山西中部、关中平原、中原、山东半岛四大城市群为研究对象，其中山西中部城市群属于培育发展类，山东半岛、中原和关中平原城市群属于发展壮大类［16］。2019 年国务院批复同意将莱芜划归济南市管辖，因此研究区域在2010—2018 年包括45 个地级市，而2019—2020 年包括44 个地级市，见表1。

表1 研究区域具体城市

 

数据主要来源于2010—2020 年的《中国城市统计年鉴》《中国城市建设统计年鉴》，以及各地级市对应省份的统计年鉴和各地级市国民经济和社会发展统计公报，缺失数据用线性插值法补全。

碳排放水平指标体系见表2。

表2 碳排放水平指标体系

 

目前碳排放量计算尚未形成统一的标准，且我国各地级市能源消耗统计存在口径上的不一致及统计缺失值，借鉴有关研究成果［17］，对城市原煤、原油、天然气、焦炭、汽油、煤油、柴油、燃料油这8 种能源消费的碳排放量进行估算：

式中：CEi为碳排放量；ALi为第i 种能源消费量；ti 为能源对应的二氧化碳排放系数；CEI为碳排放强度；EO 为经济产出量，一般取GDP 值。

参考黄河流域现有研究成果［18-21］，通过指标词频统计，结合黄河中下游城市群的实际情况，从新发展理念5 个维度构建了经济高质量发展指标体系，见表3。

表3 经济高质量发展指标体系

 

熵权法通过计算指标的熵值来进行客观赋权，可以减少主观因素，赋予指标更加客观的权重。 具体步骤如下。

1）极差法数据标准化：

式中：Yij为标准化的指标值，Yij∈［0，1］；Xij为i 年份j指标的原始值，max Xj和min Xj分别为j 指标的最大值和最小值。

2）标准化值平移。 本研究借鉴其他学者的研究选取平移的经验值为0.000 1，使其对数据影响最小，即在标准化值后加上该经验值得到标准化后指标平移值Y′ij。

3）计算i 年份j 指标的指标值比重pij：

式中：m 为研究年份总数。

4）计算j 指标的熵值ej：

5）计算j 指标的权重wj：

式中：n 为指标总数。

6）分别计算碳排放水平和经济高质量发展水平第i 年综合得分di：

本研究引入耦合协调模型分析碳排放水平与经济高质量发展水平之间的相互作用关系，公式如下：

式中：C 为耦合度，C∈［0，1］，C 越大，耦合度越高；R1、R2 分别为碳排放水平、经济高质量发展水平的综合得分，碳排放水平综合得分越低越好，经济高质量发展水平综合得分越高越好；T 为协调指数；a1、a2 分别为碳排放水平、经济质量发展水平的权重，本研究认为降低碳排放与经济高质量发展两者同等重要，故a1 ＝a2 ＝0.5；D 为耦合协调度，D∈［0，1］，D 越大，耦合协调度越高。

根据有关研究成果［22］，对碳排放水平与经济高质量发展水平耦合协调度进行等级划分，见表4。

表4 耦合协调度等级划分

 

本研究选用全局空间自相关和局部空间自相关来分析耦合协调度在空间上的集聚特征。 全局空间自相关主要用于反映整个研究区域的空间数据是否呈现同类聚集现象，及其强度和显著性。 局部空间自相关主要通过局部莫兰指数绘制LISA（Local Indicators of Spatial Association）集聚图，用来反映研究对象的局部空间分布特性和关联性，即局部的“高-高”“低-低”等的集聚现象。

1）影响因素的选取。 根据现有研究成果［23-27］，选取可能影响碳排放水平和经济高质量发展耦合协调程度的关键指标，进行影响因素分析，见表5。

表5 影响因素指标选取

 

2）灰色关联度模型。 首先，根据研究内容确定参考和比较序列，将碳排放水平与经济高质量发展水平的耦合协调度作为参考序列，记为x0（k），将影响性因素记为xi（k）；其次，使用极差法对数据进行标准化处理，并进行平移处理；最后，计算关联系数和关联度。公式如下：

式中：ζ（k）为关联系数；γi 为关联度，γi∈［0，1］，关联度越大表示该指标对耦合协调度的影响越强；k 表示具体的年份；i 表示具体的某个影响因素指标；ρ 为分辨系数，根据经验一般取0.5。

4.1.1 碳排放水平与经济高质量发展水平时间变化分析

如图1 所示，2010—2020 年黄河中下游城市群碳排放水平整体呈现下降趋势，从2010 年的0.698 下降至2020 年的0.491。 研究时段内经历了“缓慢下降—快速下降—缓慢下降”3 个阶段，其中2013 年之前重经济发展轻环境保护的倾向较为突出，致使碳排放水平下降较为缓慢；快速下降阶段出现在2013—2016年，这可能与2012 年党的十八大提出“生态文明建设”战略，以及后续的国家政策导向变化有关，黄河中下游区域产业发展转向“绿色可持续”，促使各地市通过产业结构调整减少碳排放，同时政府环境治理、执法力度增强也促使碳排放量快速下降；2016—2020 年碳排放水平再次缓慢下降，主要原因在于黄河中下游区域的产业结构调整、技术革新进入瓶颈期，保持经济增长的同时难以短时期内大幅度降低碳排放水平。

图1　碳排放水平与经济高质量发展水平综合得分

 

2010—2020 年黄河中下游城市群经济高质量发展水平总体呈现上升趋势，从2010 年的0.242 上升至2020 年的0.344。 2010—2011 年增速较大，之后进入波动缓慢上升阶段，这与黄河中下游区域产业结构调整密切相关，从国家宏观的“生态文明建设”战略，到中观的“黄河流域生态保护和高质量发展”战略决策，政府积极推动传统产业结构调整，加强科技创新，发展绿色经济，但产业结构优化调整需要经历漫长复杂的“阵痛期”，再加上黄河中下游区域创新型产业和第三产业基础薄弱且后续发展动力不足，大多数城市产业结构仍是第二产业占据主导地位，这就会引发黄河流域中下游经济增长减档降速和经济下行压力。

4.1.2 耦合协调度时间变化特征

由图2 可知，2010—2020 年黄河中下游城市群碳排放水平与经济高质量发展水平的耦合协调度变化可分为3 个阶段。 第一阶段（2010—2013 年）为“波动提高”阶段，原因是当时我国正处于快速工业化的城镇化阶段，经济快速发展的同时碳排放也在同步增长；第二阶段（2013—2018 年）为“平稳下降”阶段，在生态文明建设指引下，国家开始推行绿色低碳发展战略，推动产业结构调整和节能减排，经济发展方式从粗放型向集约型转变，使得碳排放水平下降较快而经济发展指标波动缓增；第三阶段（2018—2020 年）为“稳步提高”阶段，原因是国家将黄河流域的生态保护和高质量发展上升为重大战略，黄河流域得到了更多的资源倾斜，使得经济高质量发展水平有所提高，另外2017年我国碳排放交易市场开启，在市场机制作用下，企业积极参与碳排放权和温室气体自愿减排交易，为碳减排做出了巨大贡献。 总体来看，黄河中下游城市群的碳排放水平和经济高质量发展水平协调度呈现向好趋势。

图２　碳排放水平与经济高质量发展耦合协调度时间变化

 

从各城市群碳排放水平与经济高质量发展水平耦合协调度比较来看（见图2），山西中部城市群耦合协调度最高，中原城市群次之，关中平原城市群再次之，山东半岛城市群最低。 具体来看，四大城市群的耦合协调度可以分为两类：一类是“高耦合协调度、高碳排放水平、低经济高质量发展水平”，包括山西中部城市群和中原城市群，山西中部城市群以煤炭产业为主，中原城市群则以农业和制造业为主，两城市群过度依赖传统产业导致环境负担加重，同时产业结构转型升级步伐相对较慢；另一类是“低耦合协调度、低碳排放水平、低经济高质量发展水平”，包括关中平原城市群与山东半岛城市群，两城市群耦合协调度均呈现波动上升趋势，碳排放水平呈现下降趋势，而经济高质量发展水平呈现上升趋势，原因是关中平原城市群产业以装备制造、高新技术产业为主，山东半岛城市群产业则以制造业和海洋产业为主，同时两城市群积极推进第三产业发展，这些产业相较于传统产业，碳排放水平较低，投入产出率较高，有利于推动经济高质量发展。

4.2.1 耦合协调度空间演变趋势

从图3 来看，2010—2020 年黄河中下游城市群碳排放水平与经济高质量发展耦合协调度总体呈现上升趋势，个别区域出现下降现象，协调类型以勉强协调和初级协调为主，极少数区域存在濒临失调现象（主要存在于天水、平凉、铜川三市），整体呈现出“东高西低”和各省核心城市高周边城市低的空间分布特征。

图3　２０１０—２０２０ 年耦合协调度空间变化

 

具体来看：1）2010 年，黄河中下游城市群大部分区域为勉强协调和初级协调。 西安、太原、济南、青岛耦合协调度最高，为良好协调，天水、平凉、铜川耦合协调度最低，为濒临失调。 2）2012 年黄河中下游城市群大部分区域为初级协调，大多数城市耦合协调度有所提高，太原、青岛为良好协调，郑州新转为良好协调，西安、济南回落为中级协调。 3）2014—2018 年黄河中下游城市群的耦合协调度总体上升，山东半岛城市群尽管青岛在良好和中级协调之间反复变动，但整体上实现中级协调，朝着均衡的方向发展。 此外，山西中部、中原城市群出现回落现象，西安再次达到良好协调。4）2020 年黄河中下游城市群耦合协调度在进一步朝着更加协调方向发展，山西中部城市群的中心城市太原回落为中级协调。

4.2.2 耦合协调度空间集聚特征

使用ArcGIS 软件中的空间自相关分析来进一步分析耦合协调度的空间集聚特征，全局空间自相关情况见表6。

表6 耦合协调度全局空间自相关情况

 

由表6 可知，2010—2020 年黄河中下游城市群碳排放水平与经济高质量发展耦合协调度的全局莫兰指数均大于0，并且只有2018 年未通过显著性检验，这说明耦合协调度具有正向空间自相关性，存在高低值集聚情况。 从动态演变来看，2010—2018 年呈现下降趋势，但2018—2020 年转为上升趋势。

全局空间自相关只能反映是否存在空间集聚现象，因此基于2010—2020 年数据，进一步分析局部空间分布情况，并绘制LISA 集聚图，见图4（2018 年未通过显著性检验，不予绘制）。

图4　２０１０—２０２０ 年耦合协调度ＬＩＳＡ 集聚图

 

如图4 所示，2010—2020 年耦合协调度的“高-高”集聚主要发生在山东半岛城市群，且主要以青岛为中心，但随着时间的推移，“高-高”集聚城市在减少；“低-低”集聚主要发生在关中平原的西部区域，总体上呈现减少趋势。 这说明黄河中下游城市群的碳排放水平与经济高质量发展耦合协调度整体上在提高，同时城市间发展差距缩小，原本耦合协调度较高的城市相对优势可能正在减弱，而原本较低的城市则在逐渐增强，城市间在经济发展和碳排放水平方面的差距正在缩小。 总之，黄河中下游城市群碳排放水平与经济高质量发展耦合协调度整体在提高，并朝着均衡化方向发展。

根据灰色关联度模型计算黄河中下游城市群经济发展水平、科技创新能力、产业结构、对外开放水平、政府干预指标与系统耦合协调度的关联度（见表7）。

表7 黄河中下游城市群耦合协调度影响因素关联度

 

从黄河流域中下游城市群整体来看，经济发展水平、产业结构和政府干预与耦合协调度关联度相对较高。 经济发展水平与碳排放之间存在正相关关系，经济发展必然带来碳排放的增加，但经济发展可以为碳排放治理提供资金支持，经济较为发达的区域拥有较多的财政资金和资源要素投入碳减排治理，因此经济高质量发展与碳减排并行不悖，关键在于政府对于经济发展理念和发展速度的把控和引导。 产业结构直接影响碳排放水平，黄河中下游地区传统高耗能产业是该区域主要的碳排放源，通过产业结构调整可以有效实现碳排放量的减少。 政府干预则是实现碳减排的关键，长久以来黄河中下游地区经济发展形成的路径依赖，导致环境问题凸显，这是市场无法自发解决的，亟须政府通过干预引导，推动经济社会和生态环境协调发展。

从单个城市群来看，产业结构是影响山西中部城市群耦合协调度的关键因素，煤炭产业为主的产业结构导致高能耗和严重污染问题突出，因此需要通过高新技术创新驱动产业结构转型升级，实现经济的可持续增长；对于关中平原城市群，其发展关键在于科技创新能力，应依托于高校科研机构雄厚的教育资源和科研实力，加快科技成果的转化，用科技赋能经济发展，加速产业结构的转型升级；中原城市群与山西中部城市群相似，产业结构是最关键的影响因素，近年来产业结构调整取得一定的成果，但以煤炭为主的单一型能源消费结构和第二产业中过高的重工业比重，依然是其当前面临的主要挑战；山东半岛城市群的发展重点在于政府干预能力，作为黄河流域的发展龙头，需要利用政府的干预优势，在新旧动能转换的基础上，积极推动绿色低碳高质量发展先行区建设。

本研究基于耦合协调度模型、空间自相关分析、灰色关联度模型，对2010—2020 年黄河中下游城市群碳排放水平与经济高质量发展耦合协调度进行分析，得出以下结论：1）整体上，黄河中下游城市群碳排放水平呈现下降趋势，经济高质量发展水平在波动中缓慢上升。 2）黄河中下游城市群碳排放水平与经济高质量发展耦合协调度在2010—2020 年经历了波动上升、平稳下降、平稳上升3 个阶段。 而四大城市群可细分为两类，一类是“高耦合协调度、高碳排放水平、低经济高质量发展水平”的山西中部城市群、中原城市群，发展步伐缓慢；另一类是“低耦合协调度、低碳排放水平、低经济高质量发展水平”的关中平原城市群、山东半岛城市群，发展趋势向好。 3）2010—2020 年黄河中下游城市群碳排放水平与经济高质量发展耦合协调度以初级协调和勉强协调为主，极个别城市为濒临失调，少数城市出现回落又恢复的迹象，良好协调呈现以太原、西安、郑州、青岛四市为主，耦合协调度存在较为明显的空间分异，整体上四大城市群的耦合协调度山西中部城市群＞中原城市群＞关中平原城市群＞山东半岛城市群。 4）黄河中下游城市群碳排放水平与经济高质量发展耦合协调度整体呈现提高态势且朝着均衡化方向发展，城市间发展差距缩小。 5）选取的影响因素均具有正面效应，其中经济发展水平、产业结构、政府干预对黄河中下游城市群碳排放水平与经济高质量发展耦合协调度影响较为明显。

根据黄河中下游城市群的耦合协调情况，建议如下：

1）制定差异化政策。 因势利导，结合城市发展的实际情况，制定黄河中下游流域的碳减排和高质量发展的总体战略。 优势城市应进一步以技术优势维持经济增长和推进碳减排工作，而弱势城市要借助“双碳”政策契机加快经济社会绿色转型和能源产业结构优化调整［28］，尽快度过新旧动能转换的“阵痛期”。 山西中部和中原城市群需要优化以煤炭为主的能源消费结构，提高能源利用效率，转变粗放的经济发展模式，确立绿色低碳转型的主要目标；关中平原和山东半岛城市群，则要继续加大教育科研投入，以科技创新转化驱动经济高质量发展。

2）增强区域合作关系。 鉴于城市群之间和城市群内部耦合协调度的不均衡状况，避免发展差距过大，要加强对弱势城市的重点扶持，通过城市群和城市之间的协同互补，促进更高层次的耦合协调发展，太原、西安、郑州、青岛、济南作为优势核心城市要发挥辐射带动作用，通过资源产业链延伸、科技成果转化、技术转移、经验推广等方式，带动周边城市的经济发展和碳减排工作开展。

3）强化政策指导与监管。 利用行政干预破除黄河中下游城市群经济发展所形成的路径依赖，强化政府通过财政税收等手段对科技创新和绿色转型发展的指引作用，加大对绿色科技创新、绿色产业发展的扶持力度。 鉴于经济发展水平、产业结构和政府干预的显著影响，应加强在这些领域的政策指导和监管，出台更加具体和有效的低碳发展政策，提高环保标准，鼓励清洁能源和节能减排技术的应用，并监督政策的执行情况，确保实现经济高质量发展与生态环境保护的良性互动。