城市生态效率与生态韧性的协调发展评价与障碍因子识别

牛建广，辛伯雄，王明琪

（1.河北地质大学城市地质与工程学院；2.河北省地下人工环境智慧开发与管控技术创新中心，石家庄 050031）

0 引言

生态效率强调以最小的生态负荷获得最大的经济产出[1]。生态韧性则强调生态系统在遭受外界干扰时，生态系统主动维持、适应以及重构的能力[2]。生态效率与生态韧性均是城市生态系统发展的重要目标。然而，一些城市在提高经济产出的同时，也造成了资源大量消耗、环境严重污染等问题，使当地生态系统受损。2017 年生态环境部将京津冀及周边城市认定为大气污染传输通道城市（即“2+26”城市①“2+26”城市包括北京市，天津市，河北省石家庄市、唐山市、廊坊市、保定市、沧州市、衡水市、邢台市、邯郸市，山西省太原市、阳泉市、长治市、晋城市，山东省济南市、淄博市、济宁市、德州市、聊城市、滨州市、菏泽市，河南省郑州市、开封市、安阳市、鹤壁市、新乡市、焦作市、濮阳市（含河北省雄安新区、辛集市、定州市，河南省巩义市、兰考县、滑县、长垣县、郑州航空港区）），这些城市的空气污染问题较为严重，生态环境面临严峻的挑战。“2+26”城市生态效率与生态韧性发展处于何种水平？二者间呈现怎样的协调发展关系？阻碍协调发展的障碍因子有哪些？回答以上问题，将切实为“2+26”城市生态保护和高质量发展提供理论依据。

国内外关于生态效率的研究较为成熟。其中，关于生态效率的研究主要涉及区域、行业、企业等多个层面[3]。在测算方法方面，与单一比值法和生态足迹法相比，DEA模型由于具备指标选取全面、非主观赋权等优点，已成为当下生态效率测度的主流工具之一[4]。韧性一词最早被Holling引入生态学领域，生态韧性是指生态系统所拥有化解外来干扰，以及在冲击出现时仍能维持其主要功能运转的能力[5]。当前，国外关于生态韧性的相关研究主要从理论构建、形成机理等方面展开[6]。国内的研究则主要围绕韧性特征与量化测度等内容展开[7]。此外，学者们量化测度生态韧性的方法还包括关联网络分析[8]、耦合协调模型[9]等。

本文以“2+26”城市为研究对象，借助考虑非期望产出的超效率Windows-EBM-DEA 模型和加权求和法对其生态效率与生态韧性的时空演化特征进行分析。进一步引入耦合协调度模型探究其生态效率与生态韧性间的协调发展关系，并通过障碍度模型识别阻碍其协调发展的障碍因子，以期为“2+26”城市绿色、协调、可持续发展提供理论依据。

1 研究设计

1.1 指标体系构建

本文参考已有研究[10],在遵循客观、独立与数据可获得原则的条件下，构建“2+26”城市生态效率与生态韧性协调发展评价指标体系，包括2 个子系统、24 个具体指标，见下页表1。

表1 “2+26”城市生态效率与生态韧性协调发展评价指标体系

1.2 研究方法

1.2.1 城市生态效率评价模型

本文参照梁耀文等（2023）[11]的做法，构建将径向与非径向相结合的考虑非期望产出的超效率EBM-DEA 模型来测算生态效率，公式如下：

其中，ρ*为效率；φ为产出扩大比；k为决策单元；m为投入种类；n为期望产出种类，q为非期望产出种类；θ为径向部分规划参数；εx、εy为关键参数，满足0≤εx≤1；为投入要素的重要程度，其和为1；xik和yrk分别表示决策单元的第i种投入和第r种产出；、和为松弛变量；和分别表示期望产出和非期望产出的权重；bpk为决策单元的第p类非期望产出；λj为线性组合系数；j0表示当被评价决策单元为DMUj0时，在剔除DMUj0新的有效前沿面上的DMUj的超效率值。

为避免效率值不可进行横向对比，本文引进Windows-DEA 模型，该模型测算效率是利用类似移动平均的原则来选定参考集。参考已有研究[12]，将Windows-DEA模型窗口宽度d设为3，以各年份在不同窗口的效率均值作为DMU 最终可进行横向比较的效率值。因此，本文最终采用考虑非期望产出的超效率Windows-EBM-DEA 模型对“2+26”城市的生态效率进行测度。

1.2.2 生态韧性评价模型

本文采用改进的熵值法[13]对指标进行赋权。该方法在传统熵值法的基础上增加了时间变量，可以弥补无法反映变量时间演化趋势的缺陷。首先利用极差标准化法对原始数据进行无量纲化处理，然后利用改进的熵值法对指标赋权，最后通过加权求和法对生态韧性进行计算。公式如下：

其中，Rθi表示第θ年第i个地区的生态韧性值；wj为第j项指标的权重；, 表示第θ年第i个地区的第j项指标的标准化值。

1.2.3 耦合协调度模型

结合已有研究[9]，构建生态效率与生态韧性两个子系统间的耦合协调度模型，公式如下：

其中，W为两系统间的耦合程度；X1为生态效率值；X2为生态韧性水平；T为两系统整体效益水平；α和β为系数且α+β=1，反映系统各自对整体效益水平的贡献度。本文假定生态效率与生态韧性在生态文明建设中拥有同等地位，故将α和β均设定为0.5。S为两系统的耦合协调度，其值介于0 到1 之间，S越大说明生态效率与生态韧性耦合协调发展的状况越好。

1.2.4 障碍度模型

借助障碍度模型对各指标进行障碍度测算并排序，以确定各障碍因子对各城市生态效率与生态韧性协调发展的影响程度。公式如下：

其中，Fθj为第θ年第j项指标对城市生态效率与生态韧性协调发展的障碍度，wj为第j项指标的权重，为指标的标准化值，m为指标个数。

1.3 数据来源与处理

本文以“2+26”城市为研究对象，采用2010—2020 年的相关数据来源于历年《中国城市统计年鉴》、相关省份统计年鉴及相关城市的国民经济和社会发展统计公报。其中，城市碳排放数据来自中国碳核算数据库（CEADs）。同时，考虑到数据的真实性、完整性以及可利用性，对数据进行分析与预处理。对缺失值采用线性插值法及趋势外推法进行赋值处理，对结合相关实际情况进行针对性分析后的异常值予以剔除并补齐。

2 实证结果分析

2.1 “2+26”城市生态效率的时空演变特征

为了使生态效率更具可比性，本文利用考虑非期望产出的超效率Windows-EBM-DEA 模型测度2010—2020 年“2+26”城市的生态效率，结果如表2所示。

表2 2010—2020年“2+26”城市生态效率值

从时间维度看，“2+26”城市生态效率总体上呈现“M”型的发展趋势，波峰出现在2012年和2018年，波谷出现在2015 年。即2010—2012 年生态效率值由0.698 上升至0.785，该阶段快速上升主要缘于2008 年全球金融危机之后，经济逐渐复苏，对产业结构调整、科技创新等方面的影响不断增强；2012—2015 年生态效率值由0.785 下降至0.693，该阶段城镇化快速发展，房地产等高污染产业迅猛发展，生态环境遭到极大污染，致使效率值快速下降；2015—2018年生态效率值由0.693上升到0.755，随着环境污染的严重性逐渐被认识到，以及碳减排等环境规制政策的提出和实施，该阶段的效率值开始回升；2018—2020年生态效率值呈现下降趋势，由2018 年的0.755 下降至0.693，主要原因是“2+26”城市加大环境治理力度，产业转型进入深水期，部分企业转型困难，短期内难以适应新环境等，致使生态效率值下降。从区域来看，生态效率均值排名依次为北京市、天津市、山东省、河北省、山西省和河南省。北京市、河北省和山西省的生态效率值呈现波动上升趋势，与2010 年相比，2020 年三个省份的增幅分别为19.00%、12.90%和2.43%，主要得益于上述地区长期以来注重生态保护，且能源密集型产业绿色化转型较快；而天津市、山东省和河南省的生态效率值呈现波动下降特征，与2010 年相比，2020 年三个省份的降幅分别为21.17%、14.32%和1.34%。其中，天津市在2018年之前呈波动上升特征，而2019—2020年生态效率值呈现“断崖式”下跌，主要受制于能源密集型产业转型进入攻坚期，且创新乏力，从而导致期望产出不足，非期望产出增加。

对“2+26”城市2010—2020年的生态效率值计算均值，并利用自然间断法将其分为低等、较低、较高和高等4种类型。由图1可以看出，城市生态效率呈现“北部高、中部次之、南部低”的空间分布格局。具体来看，城市生态效率高等类型主要分布在京津及邻近城市和省会城市，包括北京市、天津市、唐山市、廊坊市、沧州市、济南市、菏泽市、郑州市这8个城市，上述城市在多个年份生态效率值达到1左右，即生产单元实现了相对有效。此外，石家庄市、保定市、邯郸市、衡水市、太原市、淄博市、济宁市、德州市、聊城市、滨州市这10个城市生态效率属于较高类型，主要分布在河北省和山东省境内，主要是由较低的生态非期望产出所致。城市生态效率较低类型主要分布在山西省和河南省，包括晋城市、长治市、开封市、安阳市、新乡市、焦作市和河北省的邢台市这7个城市，以上城市主要依靠第二产业来发展经济，且能源结构和产业结构优化困难，导致非期望产出较高。而低等生态效率类型包括山西省的阳泉市和河南省的鹤壁市、濮阳市，以上3个城市对能源依赖性较强，能源、资源投入较大，导致在生态环境遭到严重破坏的同时并未提高期望产出，因此城市生态效率属于低等类型。

图1 “2+26”城市生态效率空间差异

2.2 “2+26”城市生态韧性的时空演变特征

利用改进的熵值法，对2010—2020 年“2+26”城市生态韧性进行测算，结果如下页表3 所示。可以看出，“2+26”城市生态韧性在2010—2020 年总体呈现波动上升趋势，由2010年的0.147上升至2020年的0.245，平均增幅达到5.32%，说明城市的生态环境得到改善以及所面临的环保压力有所减轻。2007年以后随着生态文明思想以及城镇化发展对生态环境的新要求的提出，“2+26”城市在经济社会发展的同时更多考虑生态因素，生态文明建设成效显著，从而生态韧性呈上升趋势。但在2020 年由于新冠肺炎疫情的影响，部分城市在生态环境污染治理方面投入降低，导致部分城市的生态韧性下降。从研究区域来看，生态韧性均值排名依次是北京市、天津市、山东省、山西省、河北省和河南省。其中，北京市和天津市生态效率均值高于全区域平均水平，主要原因是2个直辖市历年对于生态保护与污染治理投资较大，且污染物排放较少，生态环境的抵抗力和恢复力较强；而山东省等4个省份的城市大部分年代的生态韧性值低于0.1，主要是因为当地经济社会发展缓慢，产业结构优化缓慢，忽略生态保护的重要性，使经济社会与生态环境矛盾突出，从而导致城市生态韧性发展较低。但随着2017 年生态环境部发布《京津冀及其周边地区2017—2018 年秋冬季大气污染综合治理行动方案》，大部分区域加大了污染治理力度，使城市生态韧性值达到0.1以上。

表3 2010—2020年“2+26”城市生态韧性值

为更直观地了解城市间生态韧性的差异，利用自然间断法将城市生态韧性均值分为低等、较低、较高和高等共4 种类型（如图2 所示）。北京市为生态韧性高等类型，北京市作为政治、经济中心，具有良好的经济社会基础，且对产业结构优化及生态环境治理高度重视，其生态韧性相比其他城市具有绝对优势。生态韧性较高类型包括天津市、太原市、济南市和郑州市这4 个城市，以上城市或为直辖市，或为省会城市，其主要发展第三产业，污染物排放较少且环境治理投入力度大，因此生态抵抗力和适应力能力较强。此外，生态韧性较低类型城市主要分布在河北省及山东省，包括石家庄市、唐山市、邯郸市、滨州市、德州市、淄博市、济宁市这7 个城市。上述城市多为工业城市，环境污染严重，但石家庄市、唐山市和邯郸市是河北省的经济强市，受京津冀协同发展影响较大；山东省的滨州市、德州市、淄博市和济宁市主要受到省会城市的辐射，环保投入力度较大，因此城市生态韧性处于较低位。而其余的16个城市多为重工业城市，污染物排放严重超标，生态环境难以负荷，且生态建设投入较少，生态抵抗力、适应力和恢复力能力较弱，因此导致生态韧性严重受损。

图2 “2+26”城市生态韧性空间差异

2.3 “2+26”城市生态效率与生态韧性协调发展分析

基于“2+26”城市生态效率与生态韧性两个子系统的测算结果，进一步利用耦合协调度模型测度二者间的协调发展指数，结果见下页表4。可以看出，“2+26”城市2010—2020年生态效率与生态韧性的协调发展趋势与生态韧性子系统相似，总体呈波动上升趋势。两系统间的协调指数由2010 年的0.534 上升至2020 年的0.606，这表明“2+26”城市在生态文明建设方面成效显著。其中，2010—2016年协调指数在0.6以下波动，由于各城市均处在能源、产业结构转型初期，以及城市间生态文明建设水平差异明显，因此该阶段协调程度较低；但随着2017 年提出京津冀大气污染传输通道城市综合防治之后，不仅出台大量环保政策、法规，持续推进城市生态文明建设，还注重发展技术密集型绿色产业，使得2017 年之后协调指数在0.6 以上波动。从研究区域来看，两个子系统间协调指数均值的排名依次为北京市、天津市、山东省、河北省、山西省和河南省，与生态效率子系统排名一致。北京市和天津市的协调指数均值高于全区域均值，协调程度较高，且发展趋势与生态效率子系统的发展趋势相似，因此，2018—2020 年北京市和天津市呈下降趋势主要受生态效率下降的影响。而其余4个省份的协调指数均值虽低于全区域均值，但基于生态效率提升和环境改善的原因，其协调程度在不断提升。

表4 2010—2020年“2+26”城市生态效率与生态韧性协调发展指数

为动态探究“2+26”城市间生态效率与生态韧性协调发展空间差异，本文以研究期内的五年规划收官之年（2010年、2015年和2020年）为例，利用自然间断法将城市协调指数均值分为良好协调、中度协调、勉强协调和中度失调4种类型。由图3可知，“2+26”城市生态效率与生态韧性协调发展整体呈现“北部高、南部低”的空间分布格局，且两子系统间良好协调、中度协调和勉强协调型城市数量均有增加。

图3 “2+26”城市生态效率与生态韧性协调发展空间差异

从研究期的起止年份（2010 年和2020 年）来看，良好协调城市从2010 年的2 个增加至2020 年的北京市、天津市、济南市和郑州市4个，以上城市或为直辖市，或为省会城市，由于经济社会基础坚实和生态环境治理成效显著，因此生态效率与生态韧性均有提升，从而使二者间的协调性不断增强。中度协调城市由2010年的5个增加至2020年的9 个，9 个城市主要分布在京津及省会城市等良好协调型城市周边，说明以上城市除了自身发展的原因之外，还受到其他城市辐射和带动的影响。“2+26”城市生态效率与生态韧性协调程度虽有提升，但仍以勉强协调和中度失调型城市为主体。勉强协调型城市由2010 年的7 个上升至2020年的13个，除聊城市和济宁市之外，其余城市均实现由中度失调到勉强协调的跨越，反映出“2+26”城市生态效率与生态韧性的协调程度有较大的提升。而中度失调型城市由2010 年的14 个下降至2020 年的2 个，长治市和濮阳市在研究期内协调指数有小幅上升，但生态环境与经济发展之间矛盾依然突出，因此，这2 个城市仍处于中度失调类型。总体上，“2+26”城市生态效率与生态韧性协调程度虽有提升，但仍以勉强协调和中度失调型城市为主体，生态环境治理压力仍然巨大。

2.4 障碍因子识别

为识别阻碍城市生态效率与生态韧性协调发展的障碍因子，引入障碍度模型，通过式（6）来计算各项指标的障碍度Fθj。对Fθj值进行由高至低排序，筛选出前五位障碍因子，最终得到阻碍“2+26”城市生态效率与生态韧性协调发展障碍因子的识别结果（见表5）。

表5 “2+26”城市生态效率与生态韧性协调发展障碍因子的识别结果

整体来看，前五位障碍因子为人均公园绿地面积、科学技术支出占一般预算支出比重、固定资产投资额、排水管道长度和人均GDP，说明阻碍“2+26”城市生态效率与生态韧性协调发展主要受到城市绿化建设、科技创新、经济社会发展水平、污染治理等多重因素影响，五者障碍度之和达到31.55%。从省份（直辖市）角度来看，各省份（直辖市）协调发展的制约因素基本与全区域一致。其中，除上述障碍因子外，北京市和天津市的障碍因子还包括从业人员数，即受到人口压力的制约。河北省和山西省的障碍因子则包括第二产业增加值占GDP比重和第三产业增加值占GDP比重，即受到产业结构的影响，尤其是河北省的沧州市、廊坊市、邢台市和山西省的晋城市、阳泉市、长治市，上述城市应在能源密集型产业转型及发展绿色低碳产业方面发力。而山东省和河南省的主要制约因子则为科学技术支出占一般预算支出比重，排在第一位，应在优化科技创新平台、加大创新扶持等方面下功夫。从城市角度来看，不同城市间生态效率与生态韧性协调发展的障碍因子及受其影响程度存在明显差异。总体来看，在各障碍因子中，出现频数较高的依次为污水处理厂集中处理率（15次）、固定资产投资额（15次）、人均公园绿地面积（14次）、第二产业增加值占GDP 比重（11 次）、排水管道长度（11次），说明各城市主要受到经济发展水平、绿化建设、污染治理、产业结构等因素的制约，与之前全区域障碍因子基本一致，部分工业城市还应进一步调整产业结构。

3 结论

本文通过建立“2+26”城市生态效率与生态韧性协调发展评价指标体系，运用考虑非期望产出的超效率Windows-EBM-DEA 模型和改进的熵值法分别测算生态效率与生态韧性，并利用耦合协调度模型对两个子系统间的协调发展程度进行评价，进一步运用障碍度模型识别阻碍协调发展的障碍因子，结论如下：

（1）2010—2020年“2+26”城市生态效率总体上呈“M”型发展趋势，波峰出现在2012 年和2018 年，波谷出现在2015 年。北京市、河北省和山西省生态效率值呈现波动上升趋势；而天津市、山东省和河南省的生态效率值呈现波动下降趋势。城市生态效率呈现“北部高、中部次之、南部低”的空间分布格局。具体来看，北京市、天津市、唐山市、廊坊市、沧州市、济南市、菏泽市、郑州市这8个城市属于生态效率高等类型，而低等生态效率类型城市主要位于山西省和河南省境内。

（2）“2+26”城市生态韧性在2010—2020 年总体呈波动上升趋势，城市所面临的生态威胁和环保压力有所减轻，但城市间的差异较大。6个省份（直辖市）的生态韧性排名从高到低依次是北京市、天津市、山东省、山西省、河北省和河南省。此外，北京市高度重视生态治理为生态韧性高等类型，具有绝对优势；生态韧性较高类型包括天津市、太原市、济南市和郑州市这4个城市，以上城市或为直辖市，或为省会城市；而长治市、安阳市、菏泽市、保定市等16个城市多为重工业城市，生态韧性较低。

（3）“2+26”城市生态效率与生态韧性的协调发展趋势与生态韧性子系统相似，呈波动上升趋势。2017 年提出京津冀大气污染传输通道城市综合防治方案之后，协调指数在0.6以上波动，但上升幅度较小。此外，“2+26”城市生态效率与生态韧性协调发展整体呈现“北部高、南部低”的空间分布格局，且两个子系统间良好协调、中度协调和勉强协调型城市数量均有增加，中度失调型城市数量下降明显，城市生态效率与生态韧性协调程度虽有提升，但仍以勉强协调型城市为主体，生态环境治理仍然面临巨大压力。

（4）“2+26”城市生态效率与生态韧性协调发展主要受到城市绿化建设、科技创新、经济社会发展水平及污染治理等多重因素影响。除上述障碍因子外，北京市、天津市的障碍因子还包括从业人员数，即受到人口压力的制约；河北省和山西省部分城市的障碍因子则包括第二产业增加值占GDP 比重和第三产业增加值占GDP 比重，即受到产业结构的影响；而山东省和河南省主要受科技创新能力不足的制约。此外，不同城市间生态效率与生态韧性协调发展的障碍因子及其影响程度存在明显差异。从障碍因子出现的频数来看，部分工业城市主要受到污染治理、产业结构等因素的制约，产业结构有待进一步优化。