資源與環境約束下京津冀生態文明建設水平時空特征及演變趨勢

索貴彬，楊建勛

河北地質大學 管理科學與工程學院，河北 石家莊 050031

0 引 言

習近平總書記強調，京津冀協同發展是個大思路、大戰略，要調整經濟結構和空間結構，走出一條內涵集約發展的新路子，促進區域協調發展，形成新的增長極。京津冀三地土地面積21.8萬平方千米，占全國總面積的2.27%，人口1.12億人，占全國總人口的8.07%。2018年京津冀三地地區生產總值合計8.32萬億元，占全國的9.24%。京津冀區域以約2%的土地面積、8%的人口，創造了9%的地區生產總值。京津冀區域生態安全體系較為薄弱，水土流失、荒漠化等問題嚴重，資源與環境約束趨緊。生態文明建設是中國特色社會主義建設的重要內容，是21世紀中華民族實現跨越式發展的戰略選擇。中國經濟、社會發展的不均衡性、不充分性比較普遍，區域之間的資源、環境差異較大，中國特色的生態文明建設應立足于各區域的經濟、社會發展水平和資源、環境狀況，選擇差異化的發展路徑。相應的，京津冀三地應基于京津冀區域的實際情況，選擇科學的生態文明建設道路。

國內許多學者分別對生態文明建設的內涵、特征、效率、路徑等問題進行了研究[1]，但針對生態文明如何同中國現實國情相結合，同區域的資源、環境狀況相結合的研究相對較少。從中國特色生態文明建設研究的評價尺度上看，主要有城市[2]、省域[3]和國家[4]三個層次，針對區域層次，尤其是關于京津冀區域的生態文明建設研究更少。崔鐵寧、張聰應用生態位理論分析了京津冀6個城市5個年度的生態文明建設水平[5]，胡悅教授等將京津冀地區作為載體，運用組合賦權方法研究其2010—2015年間的生態文明發展水平情況[6]，陳潤羊等通過構建生態文明指數評價指標體系，分析了“十二五”時期京津冀區域生態文明建設狀況[7]。以上研究均存在幾個問題：一是京津冀生態文明建設評價指標體系中沒有突出京津冀的資源環境約束，沒有將生態文明建設與空間地理結合在一起；二是研究對象僅限于北京、天津和河北省(或河北省個別城市)，且時間跨度較短(最長為6個年度)；三是研究方法比較傳統。

本文基于京津冀的資源環境約束，以京津冀區域13個城市為研究單元，分析其在1998—2017年期間的生態文明建設狀況；進一步采用Kernel密度估計、探索性空間數據分析方法，對京津冀城市生態文明建設水平的時空特征和演變趨勢進行研究，分析京津冀生態文明建設水平收斂過程中與空間背景之間的內在關聯性與依賴性，從而為京津冀城市生態文明建設水平的動態演變提供新的解釋視角及理論支持。

1 研究方法介紹

核密度估計(Kernel Density Estimation)屬于密度制圖，憑借其優良的統計特性，較直方圖估計更加準確且平滑性好(徐現祥，2004)[8]。設隨機變量的密度函數為f(x)，對于隨機變量x有n個獨立同分布的觀測值，分別為x1,x2,…,xn，x為其均值，則Kernel密度函數的估計量為：

(1)

其中，n為研究區域個數，h為窗寬(bandwidth)，K(·)為隨機核函數，是一種加權函數或平滑轉換函數，包括高斯核、Epanechnikov核、三角核(Triangular)、四次核(Quartic)等類型，通常滿足：

(2)

帶寬的選擇決定了所估計密度函數的平滑程度。帶寬越大，核密度估計的方差越小，密度函數曲線越平滑，但估計的偏差越大(王謙、董艷玲，2018)[9]。因此，最佳帶寬的選擇必須在核估計的方差和偏差之間進行權衡，使均方誤差最小。根據葉阿忠(2005)的相關研究，對應的最佳窗寬h=cN-0.2(c為常數)[10]。本文采用高斯正態分布的核密度函數，窗寬設定為h=0.9SeN-0.2(即c=0.9Se，Se是隨機變量觀測值的標準差)。Kernel密度估計在E-Views軟件內完成。

2 京津冀生態文明建設水平評價

2.1 京津冀區域資源、環境狀況

2.1.1 國土資源狀況

京津冀三地人均土地面積約占全國人均土地面積的28.70%。京津冀區域人口增加、經濟增長及快速城鎮化，對建設用地的剛性需求大幅增加，土地供需矛盾凸顯。京津冀區域面臨著既要滿足經濟建設必需的用地需求，又要落實耕地保護責任，同時兼顧環境保護和生態建設，土地資源日益緊張。

2.1.2 水資源狀況

京津冀區域是典型的資源性缺水地區，水是京津冀地區重要的資源約束因子。京津冀地區水資源總量僅占全國的0.63%，2018年，北京的人均水資源量為161.4立方米，天津人均水資源量為121.1立方米，河北為184.4立方米，分別約為全國的7.20%、5.40%、8.23%。水資源匱乏的現象比較突出。

2.1.3 大氣污染狀況

長期以來，京津冀地區大氣受煤煙型污染、沙塵污染的困擾。近年來，雖然通過努力傳統型大氣污染的惡化態勢有所遏制，但這些歷史性問題還未能得到根本解決。與此同時，以機動車尾氣為主體的新型排放源導致京津冀大氣污染的性質發生了根本性變化。煤煙型污染、沙塵污染與機動車尾氣污染發生疊加，形成了新的復合型大氣污染。其中，以PM2.5為重要組成。2018年，京津冀區域二氧化硫、氮氧化物和煙(粉)塵每平方千米排放量分別為5.57、6.66和9.23噸，而全國相應數據為1.14、1.44和1.05噸。

2.2 資源環境約束下京津冀生態文明建設水平評價指標體系構建

目前，我國生態文明建設理論與實踐進入了新的歷史階段。以楊開忠教授為首席科學家的研究小組結合我國生態文明發展的特點和需求，創新性地將以空氣質量水平為核心指標的環境質量指數納入到總體生態文明水平的評價中[11]。本文借鑒楊開忠教授的研究成果，在對京津冀生態文明建設水平進行評價時，基于區域資源環境約束，在兼顧生態效益的同時，突出環境效益，建立京津冀生態文明建設水平評價指標體系(見表1)，其中自然環境污染指標有工業固體廢物排放量、SO2、煙(粉)塵排放量，廢水排放總量，COD 排放量綜合而成。

2.3 數據來源、處理及評價結果

隨著京津冀協同發展上升為國家戰略，區域間的空間依賴性和關聯性越來越密切，但是區域內部的差距也在日益擴大。本文以京津冀城市為研究單元，包括北京、天津和河北省的11個地級市，探索京津冀城市生態文明建設的空間溢出與演變走勢，并揭示河北省與京津兩市的差距。本文研究時間范圍為1993—2018年，所需數據來源于歷年《中國統計年鑒》《中國環境年鑒》《中國水資源公報》等。各指標權重確定采用專家意見法，強調京津冀的資源環境約束，突出環境效益(參見楊開忠：《2014年中國省市區生態文明水平報告》)，在計算京津冀城市生態文明建設水平時，生態效益權重為0.4，環境效益權重為0.6。

2018年京津冀城市城市生態文明建設水平評價結果見圖1(限于文章篇幅，此處只給出了2018年的評價結果)。

表1 京津冀生態文明建設水平評價指標體系

圖1 2018京津冀城市生態文明建設水平示意圖Fig.1 2018 Beijing-Tianjin-Hebei city ecologicalcivilization construction level schematic diagram

生態效益衡量一個地區消耗單位生態資源所換取的經濟、社會發展程度。2018年京津冀13城市的生態效益均值為0.25，偏低，說明京津冀地區整體生態資源的利用效率不高。北京、天津、廊坊、唐山排在前四位，且生態效益高于平均值，其他城市低于平均值。

環境效益表征人們的生活環境質量，2018年京津冀13城市的環境效益均值為0.37，偏低，但比生態效益高12個百分點。近幾年京津冀區域環境效益有較大改善，特別是相對于生態效益而言環境改善更為明顯，這得益于京津冀地區持續推進生態文明建設，調整發展方向，優化產業結構。張家口、北京、承德、秦皇島、唐山排在前五位，且高于平均值，其他城市低于平均值。

2018年京津冀城市生態文明建設水平綜合指數均值為0.33，偏低。北京、張家口、承德、秦皇島、唐山五個城市的生態文明建設水平排在前五位，且高于平均值，其他城市低于平均值。

3 京津冀城市生態文明建設水平的時空特征分析

3.1 京津冀城市生態文明建設水平的時間集聚特征分析

為探索京津冀城市生態文明建設水平隨時間演變的集聚差異及離散程度，采用高斯正態分布的非參數Kernel核密度函數，選擇1998年、2004年、2010年及2016年4個年份為觀測時點對京津冀城市生態文明建設水平綜合指數、生態效益指數和環境效益指數分別進行核密度估計，得到不同時點的分布狀況(圖2)，波峰的高度反映城市生態文明建設水平綜合指數在不同城市間的集聚程度。通過觀察不同指數的分布圖，可得出以下特征：(1)整體來看，生態文明建設水平綜合指數呈現出由右向左、由單峰逐漸向雙峰演變，但波峰的高度和寬度變化較小的過程，表明京津冀城市生態文明建設水平綜合指數略有下降，而且經歷了先上升后逐漸下降的過程，當前多數城市集中在小于0.4的左峰內，而右峰內只集聚了個別城市，城市間生態文明建設水平存在較大差距；(2)生態效益指數則呈現出波峰的高度“低→高→低”、寬度“寬→窄→寬”的演變態勢，生態效益表現為先上升后下降的過程。當前生態效益指數呈現“1個主峰為主、多個次峰為輔”的格局，但主峰位于[0.1,0.4]的區間內，多數城市處于分布圖的左側，表明京津冀城市的生態效益仍處于較低的水平，只有北京、天津等發達城市處于高水平，地區間的差距將長期共存；(3)環境效益指數的演變與生態文明綜合指數相似的是由右向左變化且波峰的高度和寬度變化較小，不同的是演變態勢由初期的偏右型雙峰逐漸變化為當前的偏左型雙峰，當前多數城市位于小于0.5的左峰內，京津冀城市的環境效益同樣表現為下降態勢，城市間也存在差距。綜合來看，京津冀多數城市的生態文明是下降的，只有少數城市是上升的，城市間雖有差距，但未表現出兩極分化態勢。

圖2 京津冀城市生態文明建設水平指數Kernel密度估計Fig.2 Kernel density estimation of urban ecological civilizationconstruction level index in Beijing-Tianjin-Hebei

3.2 京津冀城市生態文明指數的空間集聚特征

為進一步探索京津冀城市生態文明建設水平的空間分異特征，接下來采用全局Moran’ s I 指數和LISA集聚的方法分析其空間變化特征，Moran’ s I指數采用邊界相鄰原則(Contiguity Edges only)將空間關系概念化，并進行ROW標準化(表2)。結果顯示，京津冀城市生態文明建設水平綜合指數存在顯著的空間自相關關系，即存在正向的集聚和依賴特征，該正向關系經歷了先上升后略微下降的變化走勢，集聚趨同性仍舊顯著。但通過指數分解后的生態效益指數和環境效益指數的全局Moran’ s I存在差異，生態效益指數未通過顯著性檢驗，其Moran’ s I經歷了由負向正轉變的過程，一定程度上能夠反映集聚程度的提高；環境效益指數的大小與顯著性水平與綜合指數保持一致，環境效益能夠較大程度反映生態文明的集聚水平。

在此基礎上，在95%的置信區間下，將京津冀城市生態文明建設水平綜合指數及其分解劃分為4種高低不同的類型，以生態文明建設水平綜合指數為例：①高高集聚(High-High)，城市自身與周邊城市生態文明都較高；②低低集聚(Low-Low)，城市自身與周邊城市生態文明都較低；③高低集聚(High-Low)，城市自身生態文明較高，但周邊城市較低；④低高集聚(Low-High)，城市自身生態文明較低，但周邊城市較高。據此做出1998-2017年京津冀城市生態文明及其生態效益和環境效益的LISA集聚圖(圖3)。

限于文章篇幅，只報告了1998年和2017年的LISA集聚圖，從圖中對比可以看出京津冀城市生態文明指數的空間特征表現為：(1)京津冀城市生態文明建設水平綜合指數LISA分布的高高集聚經歷了以承德市為核心向以張家口市、承德市為核心轉變的演化過程，而低低集聚則經歷了以衡水市、滄州市為核心向以石家莊市、衡水市和滄州市為核心的轉變過程，可以反映出京津冀北部地區生態文明在向好發展，而南部地區霧霾污染比較嚴重，生態文明并未向好發展，且低水平生態文明的城市有擴散增多趨勢，與Kernel密度估計的演變特征相似，生態文明整體上有下降的走勢。另外，不存在高低集聚、低高集聚的城市，表明京津冀城市生態文明“北好南差”的空間格局比較分明。(2)生態效益指數的Moran’ s I檢驗未通過顯著性檢驗，但其LISA分布的演變特征較明顯，經歷了以承德市為核心的低高集聚、以石家莊市為核心的低低集聚向以承德市為核心的低高集聚、以石家莊市為核心的低低集聚、以天津市為核心的高高集聚的變化過程，承德市較低的生態效益指數對生態文明綜合指數產生一定的拖累，天津及其周圍地區的生態效益指數有所上升，而南部的石家莊市及其周邊地區仍處于較低水平的生態效益。(3)通過分解的環境效益指數的LISA分布呈現出與生態文明綜合指數相似的空間特征，京津冀北部仍表現出以承德市為核心的高高集聚，而南部的低低集聚同樣經歷了以衡水市、滄州市為核心向以石家莊市、衡水市和滄州市為核心的轉變過程，可以說京津冀城市生態文明的增長主要依賴于環境效益的提升。總體而言，京津冀城市間生態文明建設水平仍然不均衡，南部與北部相比仍然存在差距，冀南地區生態文明建設水平的提升仍然任重而道遠。

圖3 京津冀城市生態文明指數的LISA集聚圖Fig.3 LISA agglomeration chart of beijing-tianjin-hebeiurban ecological civilization index

4 結論與啟示

由以上分析可以看出，京津冀城市生態文明建設水平在時間上呈現由單峰逐漸向雙峰演變，城市間生態文明建設水平存在較大差距的現象，空間上表現為高高集聚由以承德市為核心向以張家口市、承德市為核心轉變，低低集聚由以衡水市、滄州市為核心向以石家莊市、衡水市和滄州市為核心轉變，反映出京津冀北部生態文明向好發展，而南部低水平生態文明城市擴散增多趨勢，京津冀城市生態文明“北好南差”的空間格局依然明顯。

表2 京津冀城市生態文明指數的Global Moran’ s I 指數檢驗

在統籌京津冀協同發展的同時，實施分類指導、區別對待。一是加強京津冀頂層設計。成立京津冀生態文明建設委員會，由京津冀生態環境、自然資源、城鄉建設、水利、交通和發展改革等職能部門人員構成，基于京津冀的資源環境狀況，明確京津冀生態文明建設方向，合理規劃京津冀生態功能區和產業園區。二是采取差異化的政策和措施。對于環境效益不好的城市(如河北省中部和南廂城市)，發展重點是優化產業結構，提高資源的利用效率，大力發展高新技術產業，加快城市環境保護基礎設施建設，加強城鄉環境綜合治理，控制城市污染，推進循環經濟和循環社會的建設；對于生態效益欠佳的區域，經濟社會發展應與生態功能區的定位保持一致，在此基礎上，大力發展綠色能源、農業、體育和旅游業等綠色經濟。對于北京、天津、唐山、秦皇島等生態文明建設水平綜合指數較高的城市，要加強生態城市建設，控制城市規模，合理布局城市功能組團，加強城市發展規劃。