近15 年廣州市社會經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境質(zhì)量關系研究

王劍斌 歐可儀 王小琳 賴迪智

（1. 廣東省廣州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站，廣東廣州 510006；2. 珠江流域水環(huán)境監(jiān)測中心，廣東廣州510611）

1 引言

庫茲涅茨曲線（EKC）是20 世紀70 年代諾貝爾獎獲得者、經(jīng)濟學家?guī)炱澞模⊿imon Smith Kuznets）用來分析人均收入水平與分配公平程度之間關系而提出的一種學說。20 世紀90 年代初，格魯斯曼和克魯格在此基礎上加入環(huán)境污染情況和人均國民收入進行大量研究，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)濟發(fā)展初期，隨著人均收入水平的增長，環(huán)境污染愈發(fā)嚴重，環(huán)境質(zhì)量下降；當人均收入水平達到一定程度后，隨著人均收入水平的繼續(xù)增長，環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)好轉，環(huán)境污染隨之減少，即人均收入水平與環(huán)境污染存在倒“U”型關系（或者說人均收入水平與環(huán)境質(zhì)量存在正“U”型關系），隨后提出了環(huán)境庫茲涅茨曲線模型。姜曉暉［1］的研究結果即是如此。但是隨著研究的持續(xù)深入和擴展，許多研究發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)不同國家因產(chǎn)業(yè)結構、人口結構等均存在一定差異，也存在選擇研究指標和計量模型的不同導致出現(xiàn)“N”型、倒“N”型、“W”型等多種曲線模型［2］。

“十四五”時期，世界百年未有之大變局深度演化與我國社會主義現(xiàn)代化建設新征程開局起步相互交融。作為粵港澳大灣區(qū)中心城市的廣州，其發(fā)展的外部環(huán)境和內(nèi)部條件發(fā)生了復雜而深刻的重大變化，經(jīng)濟社會將進入新發(fā)展階段。本文旨在探索廣州市近15 年來的社會經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境質(zhì)量之間是否存在環(huán)境EKC 關系，探究廣州市的環(huán)境EKC 拐點是否已經(jīng)到來，并對廣州市“十四五”時期社會經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境質(zhì)量變化作出預測。

2 研究方法

2.1 EKC 模型改進

研究社會經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境污染的傳統(tǒng)EKC 模型為：

式（1），（2）中，y 為環(huán)境指標；x 為社會經(jīng)濟指標；a 為常數(shù)項；b1，b2，b3為模型系數(shù)；ε 為隨機誤差項。

EKC 曲線研究目前基本采用二次模型和三次曲線模型進行回歸分析，但由于本研究中社會經(jīng)濟和環(huán)境指標數(shù)據(jù)值數(shù)量級差別較大，具有異方差性和波動性，采用二次、三次對數(shù)式模型可降低原始數(shù)據(jù)給統(tǒng)計結果帶來的影響，在一定程度上能更準確地反映兩者之間的關系。改進后的數(shù)據(jù)模型如下［3-5］：

依次比較式（3）和（4）中R2，選擇經(jīng)濟發(fā)展與大氣環(huán)境質(zhì)量關系中擬合精度較高的項式為最優(yōu)結果，作為結論的模型依據(jù)。關于曲線形狀，有以下判斷準則［6-7］：

①當b1＞0，b2＜0，b3＝0 時，為倒“U”型；當b1＜0，b2＞0，b3＝0 時，為“U”型。

②當b1＜0，b2＞0，b3＜0 時，為倒“N”型；當b1＜0，b2＜0，b3＞0 時，為“N”型。

③當b1＞0，b2＝0，b3＝0 時，為直線遞增型；當b1＜0，b2＝0，b3＝0 時，為直線遞減型。

2.2 指標選取

對于研究EKC 時環(huán)境指標的選取，因為其廣泛的研究范圍目前尚未有統(tǒng)一的標準，考慮到數(shù)據(jù)獲取的便捷性和可比性，選取人均GDP、人口密度和單位GDP 能耗3 個社會經(jīng)濟指標，以及二氧化硫排放量、廢水排放量、一般工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量和綠地面積等4 個環(huán)境指標［8］。對以上有關7 個指標的原始數(shù)據(jù)進行收集、整理和計算，結果見表1。

表1 2005—2019 年廣州市社會經(jīng)濟指標和環(huán)境指標

利用SPSS 軟件對上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行主成分分析［9］，得到社會經(jīng)濟指標和環(huán)境指標的主成分分析結果，見表2。結果顯示，在社會經(jīng)濟指標中，人均GDP 的特征值大于1，貢獻率為96.933%，可以較好地反映出3 個社會經(jīng)濟指標的總體變化情況。故此，選擇人均GDP 作為待分析社會經(jīng)濟指標。在環(huán)境指標中，二氧化硫排放量和廢水排放量的貢獻率較大，分別為75.258%和21.529%。因此，選擇二氧化硫排放量和廢水排放量這2 個指標作為待分析環(huán)境指標。最后，分別對二氧化硫排放量、廢水排放量與人均GDP 進行數(shù)據(jù)顯著性差異分析。結果顯示，二氧化硫排放量、廢水排放量與人均GDP 數(shù)據(jù)均有顯著性差異（Person 系數(shù)分別為－0.826 和0.888），即選取的3 個指標數(shù)據(jù)均具有統(tǒng)計學意義。

表2 社會經(jīng)濟指標和環(huán)境指標的主成分分析結果

3 結果與分析

3.1 指標回歸結果

利用SPSS 軟件對選取的社會經(jīng)濟指標和環(huán)境指標進行模型擬合。將原始數(shù)據(jù)代入改進的EKC 模型式（3）和式（4），得出的P 值均遠小于0.05，表明所建模型具有統(tǒng)計學意義，有顯著性。回歸結果見表3。

表3 廣州市近15 年社會經(jīng)濟指標與環(huán)境指標回歸結果

從表3 中可以看出，式（4）的R2均為0.917，比式（3）的0.827 和0.812 大，即選取對應指標的對數(shù)的三次方所擬合的模型模擬效果比對數(shù)二次方的擬合效果更好，因此選取表3 中方程式（4）的模型作圖。

3.2 EKC 模型

3.2.1 二氧化硫排放量與人均GDP 的EKC 模型

二氧化硫排放量與人均GDP 的EKC 曲線應符合倒“N”型關系。由圖1 可知，二氧化硫排放量的對數(shù)與人均GDP 的對數(shù)曲線關系當前正處于快速下降期，隨著人均GDP 的對數(shù)的增長，二氧化硫排放量的對數(shù)呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢。結果表明，二氧化硫排放量已“達峰”，人均GDP 的繼續(xù)增長有利于二氧化硫排放量的降低。

圖1 二氧化硫排放量的對數(shù)與人均GDP 的對數(shù)的曲線模擬

3.2.2 廢水排放量與人均GDP 的EKC 模型

由圖2 可見，廢水排放量的對數(shù)與人均GDP 的對數(shù)之間符合倒“N”型關系，說明隨著人均GDP的對數(shù)的提高，廢水排放量的對數(shù)先呈下降趨勢，在2006 年到2007 年之間到達第一個拐點（GDP 為66 572 元/人）后模型曲線呈上升趨勢。從廢水排放量的對數(shù)與人均GDP 的對數(shù)的擬合曲線來看，該曲線自2017 年后進入第二個拐點期，即正處于“達峰期”，但未呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。能否實現(xiàn)對拐點的跨越，仍具有不確定性。

圖2 廢水排放量的對數(shù)與人均GDP 的對數(shù)的曲線模擬

不同的環(huán)境污染物排放指標與人均GDP 呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，表明廣州市不同類型的環(huán)境污染程度并不一致，其治理也并不同步。廢水排放量的對數(shù)和二氧化硫排放量的對數(shù)與人均GDP 的對數(shù)均總體呈倒“N”型關系，但二氧化硫排放量擬合曲線已跨越第二個拐點，呈明顯下降趨勢，而廢水排放量擬合曲線正處于拐點期，能否跨越第二個拐點取決于廣州市能否在生態(tài)環(huán)境保護方面持續(xù)發(fā)力。

4 討論

4.1 廣州市社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境治理總體狀況

廣州市近15 年人口數(shù)量和地區(qū)產(chǎn)值變化見圖3。作為粵港澳大灣區(qū)的中心城市，廣州市近15 年的戶籍人口數(shù)量呈持續(xù)增長的趨勢，在2019 年已接近1 000 萬人。GDP 接近直線上升，從2005 年的5 188 億元增長到2019 年的23 629 億元。

圖3 廣州市近15 年人口數(shù)量和GDP 變化

廣州市近15 年能源消費總量和全市民用汽車保有量變化見圖4。由圖4 可知，經(jīng)濟迅速增長的同時能源消耗與日俱增。2019 年廣州市能源消費總量達到6 294.2 萬t 標準煤，是2005 年的1.56 倍，仍處于增長期而未“達峰”。全市民用汽車保有量與能源消費總量呈較為一致的增長趨勢，遠未能“達峰”。近15 年廣州市民用汽車中絕大部分為燃油車，其對大氣環(huán)境質(zhì)量存在顯著的負外部性影響。

廣州市近15 年廢水、二氧化硫排放量和一般工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量變化如圖5 所示。

圖5 廣州市近15 年廢水、二氧化硫排放量和固廢產(chǎn)生量變化

廣州市近15 年空氣質(zhì)量優(yōu)良率、綠地面積變化如圖6 所示。

圖6 廣州市近15 年空氣質(zhì)量優(yōu)良率、綠地面積變化

近15 年來廣州市內(nèi)的二氧化硫排放量逐年減少，說明廣州市的廢氣排放治理情況已經(jīng)得到了一定程度的好轉。2013 年空氣質(zhì)量優(yōu)良率出現(xiàn)了顯著下降，這是PM2.5、二氧化氮以及臭氧等成為廣州市環(huán)境空氣質(zhì)量主要污染物而引起的。在本研究中，并未將PM2.5、二氧化氮以及臭氧等指標作為環(huán)境污染指標進行分析，也說明了指標的選取對模型的建立有著較大影響，且僅從二氧化硫排放量一項指標判定廣州市空氣環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)質(zhì)的好轉也有失偏頗。廢水排放總量目前總體仍呈上升趨勢，而一般工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量從2010 年才開始有所降低，至2015年又持續(xù)上升。在污染物排放方面，大氣與水、固體廢物排放呈現(xiàn)截然不同的趨勢。

廣州市近15 年綠地面積增長較為顯著。2019年綠地面積為147 720.3 hm2，比2005 年增長約32%。綠地面積的持續(xù)增加也應是廣州市空氣質(zhì)量改善的一個重要原因。

廣州市近15 年各產(chǎn)業(yè)對經(jīng)濟增長的貢獻率變化見圖7。隨著經(jīng)濟規(guī)模不斷擴大，當現(xiàn)代工業(yè)的基礎體系及設施構建完畢，經(jīng)濟結構會轉向以第三產(chǎn)業(yè)為主的發(fā)展階段，環(huán)境污染的程度與速度因而也會減緩。當污染指數(shù)相對經(jīng)濟增長指數(shù)陡峭程度改變，較好的結果便是拐點的出現(xiàn)，即經(jīng)濟增長開始顯現(xiàn)對環(huán)境污染的治理作用。近15 年中廣州市一直維持以第三產(chǎn)業(yè)為經(jīng)濟增長最大貢獻主體、第二產(chǎn)業(yè)次之的產(chǎn)業(yè)結構。2017 年第二產(chǎn)業(yè)貢獻率開始低于30.0%，2019 年第三產(chǎn)業(yè)貢獻率達到70.0%。廣州市長期以第三產(chǎn)業(yè)為主的發(fā)展為環(huán)境質(zhì)量的改善提供了極為便利的客觀條件。

圖7 廣州市近15 年各產(chǎn)業(yè)對經(jīng)濟增長的貢獻率變化

4.2 大氣環(huán)境主要污染指標的變化

以人均GDP 的對數(shù)為自變量，以大氣環(huán)境主要污染指標，包括二氧化硫、酸雨頻率、PM10、降塵量和臭氧（臭氧第90 百分位數(shù)濃度統(tǒng)計數(shù)據(jù)為2012 —2019 年）為因變量進行擬合，以期更清晰地厘清社會經(jīng)濟與大氣環(huán)境的現(xiàn)狀關系，并對“十四五”時期的大氣環(huán)境質(zhì)量進行合理預測，結果詳見圖8。

由圖8 可見，二氧化硫濃度、降塵量和PM10與人均GDP 的對數(shù)的擬合R2分別達0.983 8，0.947 9和0.914 4，擬合結果均較好，據(jù)此對“十四五”時期廣州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況的預測結果可信。

圖8 大氣環(huán)境主要污染指標隨人均GDP 的對數(shù)變化曲線

大氣環(huán)境主要污染指標二氧化硫、PM10、酸雨頻率和降塵量都呈現(xiàn)顯著的下降趨勢。二氧化硫、降塵量和酸雨頻率當前均處于快速下降后的平穩(wěn)期，而PM10當前則仍處于跨越拐點后的快速下降期。結果表明，PM10濃度仍有一定的下降空間，降塵量和酸雨頻率的繼續(xù)下降則可能需要耗費巨大的人力物力成本。二氧化硫、PM10、酸雨頻率和降塵量都已“達峰”，但臭氧第90 百分位數(shù)濃度卻未出現(xiàn)顯著下降趨勢，呈波動變化態(tài)勢，成為近年來廣州市污染天氣的主要污染指標。全市平均灰霾日數(shù)自2005 年以來呈直線下降趨勢，2020 年全市平均灰霾日數(shù)僅有4.6 d，“廣州藍”頻現(xiàn)。除二氧化硫排放量、臭氧第90 百分位數(shù)濃度外的大氣主要污染指標以及全市平均灰霾日數(shù)擬合結果均表明，廣州市當前的大氣環(huán)境質(zhì)量已有顯著好轉，無論是污染物排放量，還是主要污染物指標濃度，抑或是酸雨頻率，均達到近15 年中的較低水平。2020 年廣州市環(huán)境空氣6 項污染物首次全部達標，也進一步說明了廣州市空氣質(zhì)量顯著改善，但臭氧第90 百分位數(shù)濃度卻未出現(xiàn)顯著下降趨勢，需重點關注。

4.3 煤炭消耗總量“達峰”

以煤炭消耗總量為因變量，人均GDP 的對數(shù)為自變量進行模型擬合，結果見圖9。由圖9 可見，廣州市煤炭消耗總量已于2008 年前后（GDP 約為77 165 元）“達峰”（煤炭消耗總量為2 420.69 萬t），并呈逐年減少態(tài)勢。煤炭消耗總量“達峰”為廣州市大氣環(huán)境質(zhì)量的顯著改善提供了強勁動力，更為廣州市實現(xiàn)碳達峰和碳中和奠定了堅實基礎。

圖9 煤炭消耗總量隨人均GDP 的對數(shù)變化曲線

4.4 市內(nèi)排水管網(wǎng)和污水處理缺口不斷補齊，但仍有差距

分別以廣州市市內(nèi)排水管道長度的對數(shù)和污水處理廠設計處理能力為因變量，人均GDP 的對數(shù)為自變量進行模型擬合，結果見圖10。由圖10 可見，廣州市市內(nèi)排水管道長度不斷攀升，2016 年以來更有加速增長態(tài)勢。污水收集管網(wǎng)短板不斷補齊，雨污溢流污染減少和污水收集率提高。但也能看到，除2009年、2010 年和2016 年3 個年份市內(nèi)排水管道長度年增長率高于戶籍人口數(shù)量增長率外，其余年份均低于戶籍人口數(shù)量增長率。排水管網(wǎng)的建設和完善滯后于人口增長和城市發(fā)展，城市中仍然有較多的排水空白區(qū)，排水管網(wǎng)建設仍有差距。污水處理廠設計處理能力也逐步上升，但上升幅度并不顯著，污水處理廠設計處理能力仍有很大提升空間。

圖10 模型擬合

4.5 “十四五”時期廣州市社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量預測

4.5.1 人均GDP 保持穩(wěn)步增長

廣州市人均GDP 增長曲線見圖11。由圖11 可見，廣州市的人均GDP 呈現(xiàn)幾乎直線增長模式（曲線擬合R2為0.990 8），保持約4%的年均增長率。因此可作出預測，在沒有社會重大變革的情況下，廣州市人均GDP 仍以直線增長模式保持增長。至2025年，廣州市人均GDP 可達到198 000 元（人均GDP的對數(shù)為12.196）。

圖11 廣州市人均GDP 增長曲線

4.5.2 煤炭消耗總量將持續(xù)下降

2019 年，廣州市煤炭消費量1 281 萬t，相比2013 年（1 967 萬t）減少686 萬t，下降率達35%，煤炭消費在能源消費總量占比由27%下降到14%。從圖9 可以預測，煤炭消耗總量在“十四五”時期將持續(xù)下降，2025 年煤炭消耗總量預計將下降至約1 000萬t。煤炭消耗總量的持續(xù)下降為環(huán)境質(zhì)量的改善提供了強大動力。

4.5.3 大氣環(huán)境質(zhì)量將進一步好轉

（1）二氧化硫排放量持續(xù)下降

根據(jù)圖1，隨著人均GDP 的持續(xù)增長，廣州市二氧化硫排放量在“十四五”時期進一步快速下降。至2025 年，廣州市二氧化硫排放量預計下降至50 t（二氧化硫排放量的對數(shù)約為4）。

（2）二氧化硫濃度已接近穩(wěn)態(tài)

圖8a 顯示，廣州市二氧化硫濃度在“十三五”期間已有顯著下降。2020 年，二氧化硫年均濃度僅有7 mg/L，已接近濃度極限。因此，“十四五”時期，廣州市二氧化硫濃度接近穩(wěn)態(tài)而保持低濃度，且不再是影響廣州市城市環(huán)境空氣質(zhì)量的限制性因素。

（3）降塵量持續(xù)下降

圖8b 顯示，廣州市降塵量在“十四五”時期仍存在著一定的下降空間。至2025 年，降塵量預計將下降至約3 t/（km2·月）。

（4）PM10濃度持續(xù)下降

圖8c 顯示，廣州市PM10濃度在“十四五”時期仍存在較大的下降空間。至2025 年，PM10濃度預計將下降至約17 mg/L。

（5）酸雨頻率將總體保持穩(wěn)定

圖8d 顯示，廣州市酸雨頻率在“十四五”時期總體保持穩(wěn)定。至2025 年，酸雨頻率預計將基本穩(wěn)定在10%左右。

（6）臭氧濃度上升勢頭得到有效遏制

圖8e 顯示，廣州市臭氧濃度呈先下降后上升趨勢，通過廣州市在“十四五”時期的不懈努力，臭氧濃度上升勢頭可得到有效遏制。至2025 年，臭氧濃度預計將下降至約140 μg/m3。

（7）全市平均灰霾日數(shù)直線下降

圖8f 顯示，廣州市平均灰霾日數(shù)呈直線下降趨勢，在“十四五”時期仍有較大下降空間。至2025 年，廣州市平均灰霾日數(shù)預計可下降為0 d。

4.5.4 水環(huán)境質(zhì)量將持續(xù)改善

（1）廢水排放量越過第二個拐點，呈現(xiàn)下降趨勢

根據(jù)圖2，隨著人均GDP 的持續(xù)增長，可預測廣州市廢水排放量在“十四五”時期內(nèi)實現(xiàn)對第二個拐點的跨越。至2025 年，全市廢水排放量預計下降至100 000 萬t（廢水排放量的對數(shù)約為11.5）。

（2）市內(nèi)排水管道長度進一步增長

根據(jù)圖10a，廣州市市內(nèi)排水管道長度預計將在“十四五”時期進一步快速增長，市內(nèi)排水管網(wǎng)缺口不斷補齊。至2025 年，市內(nèi)排水管道長度預計增長6萬km。

（3）污水處理廠設計處理能力進一步提升

根據(jù)圖10c，廣州市污水處理廠設計處理能力預計將在“十四五”時期進一步提升，污水處理廠設計處理能力缺口不斷補齊。至2025 年，廣州市污水處理廠設計處理能力預計提升為680 萬t/d。

5 結論

展望“十四五”，廣州市社會、經(jīng)濟邁向高質(zhì)量發(fā)展，廣州市國土空間開發(fā)保護格局不斷優(yōu)化，綠色低碳發(fā)展水平明顯提升，推動碳排放達峰，主要污染物排放總量持續(xù)減少，生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善，生態(tài)系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性顯著增強，環(huán)境風險得到有效防控，生態(tài)環(huán)境治理體系和治理能力現(xiàn)代化加快推進，生態(tài)文明重點領域改革和制度創(chuàng)新取得重要進展，青山常在、綠水常流、空氣常新成為美麗廣州常態(tài)。

利用改進的EKC 模型，選取人均GDP 作為社會經(jīng)濟指標，二氧化硫排放量和廢水排放量作為環(huán)境指標，結合煤炭消耗總量、綠地面積、大氣環(huán)境主要污染物和市內(nèi)排水管道長度等多項因素，綜合分析了近15 年來廣州市社會經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境污染之間的關系。結果表明：

（1）廣州市二氧化硫排放量和廢水排放量與人均GDP 均呈倒“N”型關系。廣州市水污染防治和大氣污染防治并不同步，二氧化硫排放量擬合曲線當前已呈顯著下降趨勢，而廢水排放量擬合曲線正處于第二個拐點期。

（2）廣州市人均GDP 保持約4%的年均增長率。至2025 年，廣州市人均GDP 可達198 000 元。

（3）煤炭消耗總量已達峰，“十四五”時期將持續(xù)下降。至2025 年，煤炭消耗總量可下降至約1 000 萬t。

（4）污染物排放量在“十四五”時期將持續(xù)下降。廢水排放量可實現(xiàn)對第二個拐點的跨越。至2025年，二氧化硫排放量和廢水排放量分別可下降至50 t 和100 000 萬t。

（5）城市環(huán)境空氣質(zhì)量和地表水環(huán)境質(zhì)量將持續(xù)改善。“十四五”時期，降塵量可下降至約3 t/（km2·月），PM10可下降至約17 mg/L，全市灰霾平均日數(shù)可下降至0 d，二氧化硫濃度和酸雨頻率總體保持穩(wěn)定；市內(nèi)排水管道長度預計增長6 萬km，污水處理廠設計處理能力可提升至680 萬t/d。