城市规模、城市化率与碳排放关系研究——基于近半世纪161个国家的数据

王钦池（中国人口与发展研究中心，北京，100081）

城市规模、城市化率与碳排放关系研究
——基于近半世纪161个国家的数据

王钦池
（中国人口与发展研究中心，北京，100081）

城市化的环境效应是城市规模扩大和城市化率提高的综合结果，仅以城市化率或者城市规模都不能完整揭示城市化过程影响环境的内在机制。本文利用近半世纪（1960～2009年）161个国家的面板数据，构建双向固定效应模型，把城市化对碳排放的影响分解为城市化率和城市规模两个因素，揭示了城市化过程中人口城乡分布和城市内部结构变化对环境的影响。研究表明：理论上存在对环境最有利的城市规模和城市化率；从减少碳排放的角度，城镇化发展不能简单地说优先发展中小城镇，或者优先发展大城市，基于碳排放约束的城市化路径应该实现城市规模和城市化率的平衡，这应该成为新型城镇化的一个重要原则。

城市规模；城市化率；碳排放；双向固定效应

一、引言

联合国政府间气候变化委员会（IPCC）最新发布的第五次气候变化评估报告认为，人类活动“极其可能”是20世纪中期以来观测到的全球气候变暖的主要原因。城市是人口、建筑、交通、工业、物流的集中地，其面积只占地球表面面积的2%，人口占总人口的50%，但温室气体排放却占总量的70%［1］［2］。因此，城市化和碳排放关系引起了广泛关注。相关文献对城市化和碳排放关系的研究主要有两条线索：一是围绕城市化率和环境的关系，考察人口城乡分布对人均碳排放的影响，二是围绕城市规模和环境的关系，探寻对环境最有利的城市规模。

从城市化率的角度，多数文献认为城市化率与碳排放有较强的相关关系［3-6］。针对中国的研究发现，城市化水平在碳排放影响因素中处于主导地位［7］。薛冰等利用112个国家和地区的数据发现，随着城市化率上升，人均碳排放量逐步增加［8］。城市化对温室气体排放的影响是人口城乡结构变化所引发的生产与消费行为变化对碳排放的影响［9］，从这个角度看，城市化带来了高能耗和相应的高碳排放。但是，城市化也可能有利于减少温室气体排放［10］。其可能的途径是：城市化使产业组织结构、技术结构、产品结构得到更合理调整，资源得到更合理的利用［11］；城市高度集中的人口和经济活动形成能源消费的规模效应，降低人均能源需求［12］［13］；城市化有利于环保科技创新，为减少温室气体排放提供了可能［14］。王子敏和范从来利用中国的省级面板数据，发现城市化和能耗之间符合倒N形曲线，城市化所导致的能耗由降到升的拐点出现在城市化率为27.3%，能耗由升到降的拐点在城市化率为76.2%［15］。王钦池和王芳也注意到了城市化率和碳排放之间的非线性关系［16］［17］。

对于城市规模和碳排放关系的研究是在最优城市规模理论上发展起来的。传统的最优城市规模理论主要是基于城市成本—收益的理论和经验研究。20世纪90年代以来，最佳城市规模理论的研究重点从成本收益的经济角度转移到城市规模和环境质量的关系［18］。Capelb和Canagni从人均能源使用和污染物排放的角度探讨了最优城市化规模问题，认为城市负荷效应与城市规模呈正U型曲线关系［19］。王桂新和武俊奎基于中国地级市数据发现城市规模的扩张使得碳排放强度上升［20］。许抄军认为中国的城市规模和资源消耗之间的经验模型为正N型曲线，最优城市规模为1060万人［21］。随着全球环境的恶化，过大规模的城市对环境的不利影响受到了越来越多的重视。大城市乃至特大城市不断涌现，给生态环境造成了沉重的负担［22］。

可见，已有文献对于城市化和碳排放（环境质量）关系的研究是从城市化率或者城市规模的角度分别展开的。基于城市化率的研究为从宏观角度认识城市化对环境的影响提供了有益启示，基于城市规模的研究则为认识城市影响环境的微观机制提供了依据。然而，城市化是一个城市规模不断扩大和城市化率不断提高的相互作用过程，仅仅从城市化率或者城市规模一个角度难以完整揭示城市化过程对碳排放的影响。本文的目的是把城市化对碳排放的影响分解为城市化率和城市规模两个因素，从而更全面地认识城市化和环境的关系，并在此基础上从城市规模和城市化率相互协调的角度提出推进城市化的政策建议。

二、模型和数据

1.模型设计

城市规模和城市化率是衡量城市化进程的两个基本指标。大量研究证实，城市规模与能源消费和碳排放有密切关系，在既定的城市化水平下，城市资源过于分散或者过于集中都会导致效率损失。而城市化率是对城市化总体水平的衡量，可以反映不同规模城市对碳排放的综合影响。因此，有必要从城市规模和城市化率两个维度考察城市化和碳排放的关系。假设某个地区的总人口为p，有a和b两个代表性城市，规模分别为sa和sb，城市化率为u。容易理解，城市a和b对该地区人均碳排放量的“贡献”是城市规模及其占全国人口总量比例的函数。那么，该地区人均碳排放量可表示为如下函数：

由于sa+sb=pu，（1）式可以改写为：

这表明，城市化对环境的影响是城市规模和城市化率的函数。已有研究发现，城市化率和城市规模对碳排放的影响不是线性的，而是曲线关系（可能表现为U型、倒U型、N型或者倒N型等不同形式）。为此，构建碳排放和城市化率、城市规模的关系模型如下：

其中，C表示人均CO2排放量，U表示城市化率，S表示城市规模，V表示其他影响人均碳排放量的因素，i表示地区，t表示观测期，α为常数项，β、γ 和ζ是系数，ε为误差项。

模型的因变量是人均CO2排放量，用以衡量城市化对环境的影响。自变量包括城市规模和城市化率。其中，城市化率是城市人口占总人口的百分比。根据数据的可得性，采用不同规模等级的城市人口占城市总人口的百分比作为衡量城市规模的指标。本文把城市分为5个规模等级，分别为1000万人以上、500万-1000万人、100万-500万人、50万-100万人、50万人以下。除了上述自变量外，已有研究认为经济发展水平、能源利用技术、人口密度等对碳排放有重要影响，本文把上述变量作为控制变量。经济发展水平的衡量指标是人均国民收入。考虑到城市化、城市规模和人均国民收入的相关性，当仅把人均国民收入的一次项纳入模型时，可能把人均GDP和碳排放之间的曲线关系“转嫁”给城市化因素，从而无法体现城市和碳排放之间的关系。作为对比，在模型中分别对人均GDP的一次项和二次项进行回归。技术因素用单位GDP的CO2排放量表示。所有原始数据均以自然对数的形式纳入模型。

2.数据来源和描述

本文的数据来自联合国和世界银行数据库。样本期为1960—2009年。其中，城市化相关数据来自联合国数据库，其他数据来自世界银行数据库。人均GDP和人均国民收入以2000年不变价格美元表示。剔除有缺失值的样本后，最终包括161个国家的6361个观测值。其中，高收入国家44个，中等收入国家85个，低收入国家32个。样本的描述性统计见表1。

表1　原始数据描述性统计

3.模型形式确定

本文使用的是面板数据，同时具有截面维度和时序维度的特征，包含了个体、时间和指标三个方向的信息。因此需要对模型设定形式进行假设检验，以确定其属于不变截距模型、变截距模型还是变系数模型。本文考察的是161个国家的数据，各国的碳排放水平和城市化水平、城市规模都有差异，理论上选择回归模型时应体现个体差异。样本期较长（50年），时期变更所产生的影响应予考虑。因此，构建同时含有个体和时期效应的双向效应模型是理想的选择。经F检验，证实选择双向固定效应变截距模型是合适的。

三、结果和分析

为了比较不同因素对人均碳排放的影响，在基准模型的基础上，本文构建了不同的模型（见表2）。模型①和②考察城市化率和城市规模两个因素对人均碳排放的影响；模型③和④考察城市规模对人均碳排放的影响；模型⑤和⑥考察城市化率对人均碳排放的影响。为了考察收入水平对碳排放的非线性影响，模型①③⑤含有人均国民收入的二次项和三次项；模型②④⑥中只含有人均国民收入的一次项。所用软件为Eviews 7.2，结果见表2。

表2　双向效应变截距模型回归结果

1.城市规模对人均碳排放的影响

模型①和②的结果均显示，城市规模对人均碳排放有显著影响。以50万人以下规模的城市作为参照组，500-1000万以及1000万人口以上规模城市占城市人口比重的回归系数均为正值，这说明500万人口以上规模城市的碳排放压力大于参照组；而50-100万以及100-500万人口规模城市的回归系数为负值，说明其碳排放压力小于参照组。进一步对比，人均碳排放压力最小的是100-500万人规模城市，其次是50-100万人规模城市，1000万以上人口规模城市的碳排放压力最大。

对比模型①和②以及模型③和④结果发现，收入水平以一次项形式还是多次项形式纳入模型，城市规模的回归系数的符号没有变化，但是回归系数的大小发生了变化，人均收入水平以一次项进入模型时的系数的绝对值大于以三次项形式纳入的模型。其原因在于，城市规模和经济发展水平有明显关系，经济发展水平越高，城市规模也越大。当考虑经济水平对碳排放的非线性影响时，城市规模的系数反映的是城市规模本身对碳排放的净影响。因此，本文主要以有人均国民收入三次项的模型结果作为分析依据。

进一步，为了估计对环境最优的城市规模，取不同规模等级城市的均值作为城市规模的近似值。根据样本计算得到，50-100万的城市平均规模为68.8万人，100-500万的城市平均规模为196万人，500-1000万城市的平均规模为720万人，1000万人以上的城市的平均规模为1650万人。规模在50万以下城市的平均规模取25万人。

图1是基于模型①（考虑城市规模和城市化率两个因素）和模型③（只考虑城市规模因素）的不同等级城市规模与碳排放系数的关系曲线。结果显示，三次曲线的拟合效果优于一次和二次曲线。这表明，城市规模和碳排放呈倒N型曲线关系，人均碳排放量最低的城市规模为300万人，人均碳排放最高的城市规模为1300万人左右。这与许抄军的结果［22］接近。

图1　城市规模和人均碳排放量关系

2.城市化率对人均碳排放的影响

模型①②⑤⑥的结果显示，城市化率对人均碳排放有显著影响。模型①和②同时把城市化率和城市规模纳入模型，城市化率的二次项的回归系数是正值，这说明城市化率和人均碳排放量的关系是U型曲线。根据模型①的结果，城市化率和人均碳排放量的关系可以表示为：

根据（4）式容易求得，与人均碳排放拐点对应的城市化率为5.5%；当城市化率大于30.4%，城市对碳排放的影响大于农村。采用相同方法，求得模型②至⑥的人均碳排放拐点对应的城市化率分别为4.9%、5.7%、5.1%、5.9%和5.2%，人均碳排放大于农村的城市化率分别为23.5%、32.2%、26.1%、33.4% 和26.9%。这说明，在城市化水平很低的时期，城市能够带来能源利用效率的提高，城市化对人均碳排放量的“贡献”小于农村；随着城市化进一步发展，人均碳排放量随着城市化率的增加而单调递增，在城市化进入中期时开始对环境产生负面影响。当考虑城市规模时，对环境压力最小的城市化率以及城市碳排放大于农村的城市化率小于不考虑城市规模时的情况，这说明城市化率一个因素不能完全反映城市化对碳排放的影响。

图2　城市化率与人均碳排放量关系

3.控制变量对碳排放的影响

所有模型的回归结果均显示，劳动年龄人口比重和碳排放强度与人均碳排放量都显著正相关，而人口密度与人均碳排放量显著负相关，这与已有文献是一致的。根据模型①因此，这里我们不讨论通过降低城市化水平来改善环境的问题。的结果，劳动年龄人口比重和碳排放强度每变动1%，人均碳排放量同向变动0.844%和0.936%。人口密度每变动1%，人均碳排放量反向变动0.279%。

收入水平对碳排放的影响相对复杂。在模型②④⑥中，人均国民收入的一次项与人均碳排放量显著正相关；在模型①③⑤中，人均国民收入对数的三次项系数均为负值，二次项的系数为正值，因此理论上人均碳排放和人均国民收入之间为倒N型曲线关系。根据模型①，人均国民收入和人均碳排放量的关系可表示为：

lnC=-0.28lnGNI+0.125（lnGNI）2-0.006（lnGNI）3（5）

容易求得与人均碳排放拐点相对应的人均收入为4美元和36万美元。同理，模型③对应的拐点值为6美元8.6万美元。显然，上述两个拐点都不具有现实意义。这说明随着人均收入的增加，人均碳排放是单调递增的。对比看，当模型中只含有人均收入的一次项时，人均收入对碳排放的影响明显大于含有三次项时的影响。上述结果说明，在非线性假设下，经济水平对环境的影响小于线性假设。这也从一个角度说明，已有文献在讨论经济发展水平和人均碳排放关系时，有的认为二者是倒U型曲线，有的认为是N型曲线，或者是其他形式的曲线，实际上都是涵盖了城市化和技术创新等多种因素的综合结果，并没有清晰地表明经济发展水平（或者消费水平）如何影响碳排放量。

四、基于碳排放约束的最优城市化路径

前面的分析表明，城市化对碳排放的影响是城市规模和城市化率两个因素的综合效应。理论上把城市化水平控制在较低的水平对环境是有利的，但是现实中城市化还承载着经济和社会发展的多重功能，因此推进城市化仍然是一个现实的理性选择①。既然城市化对环境的负面影响难以避免，如何实现城市规模和城市化水平之间的均衡，从而把城市化对环境的负面影响控制在最小程度，就具有重要的现实意义。

在碳排放约束下，理论上的最优的城市化路径是：

其中，si表示第i个城市的人口规模，其他符号含义同前。（6）式表示，在不同规模的城市以及相应的城市化率条件下，实现人均碳排放水平的最小化。（7）式是约束条件，即所有城市的人口总和等于人口总量和城市化率之积。

根据本文的结果，就某个地区来说，存在一个对环境最有利的城市规模。显然，当所有城市的规模等于最优城市规模时，对环境的负面影响是最小的。在现实中，城市规模的形成是多种因素决定的，因此把所有城市规模控制在最优水平是不现实的。但是，通过对城市规模的主动调控，仍然是减小城市化对环境压力的可行策略。

为了简化分析，假设人口增长率为0，某个地区只有1个规模为sz的代表性城市Z，理论上人均碳排出现拐点的城市规模分别为和，并且s容易理解，当?或者时，扩大城市Z的规模有可能降低人均碳排放量。本文的分析显示，就全球平均来说大致在 300万人，大致在1300万人。考虑到人口超过1300万人的城市数量较少，况且“超级”城市存在诸多其他问题，因此考察的情况更有现实意义。

当时，城市规模和碳排放之间大致表现为U型曲线关系（即倒N型曲线的左半部分）。故此，城市Z对碳排放的影响是城市规模和城市化率的函数可以表示为：

其中，a、b、c、d是系数。考虑到UR=p/s，那么，当城市Z从sz扩大到sz'时，人均碳排放的变化是：

显然，（7）式是一个关于（lns）'的二次函数。由于二次函数的判别式［a-2blnp+c+4（b+d）］2≧0是恒成立的，因此理论上存在lns1'和lns2'，并且lns1'＜lns2'，使得当lns'＜lns1'或者lns'＞lns2'时，Δy＜0成立。容易理解，lns1'=lns，问题是求解lns2。

容易求得：若2blnp－a－c＞2（b+d）lns，那么：

若2blnp-a-c＜2（b+d）lns，则不存在满足lns2＞lns1'的解。

上述结果表明，为了减少人均碳排放量，可行的路径是把城市规模扩大，但是其扩大程度是有上限值的，并非城市规模越大越好。换言之，在既定的城市化状态下，城市规模的扩大是有条件的。显然，由于城市规模、城市化率、总人口之间是密切相关的，因此，基于人均碳排放最小化的目标，需要在城市规模和城市化率之间寻求平衡。

五、总结和讨论

人类活动对气候变化具有重要影响，这种认识已经成为共识。然而，对于人类最重要的活动之一——城市化影响气候变化的机制，已有研究尚存在明显不足。特别的，城市化的环境效应是城市规模扩大和城市化率提高的综合结果，仅以城市化率或者城市规模都不能完整揭示城市化过程影响环境的内在机制。基于上述背景，本文利用近半世纪（1960—2009年）161个国家的面板数据，构建双向固定效应模型，把城市化对碳排放的影响分解为城市化率和城市规模两个因素，揭示了城市化过程中人口城乡分布和城市内部结构变化对环境的影响。理论上存在对环境最有利的城市规模和城市化率，基于碳排放约束的城市化路径应该实现城市规模和城市化率的相互平衡。

本文的结论具有重要的现实意义。作为发展中国家，中国的城镇化进程远未完成。中国已经明确把城镇化作为未来经济发展的主要动力之一。但是对于城镇化的发展模式，究竟是优先发展小城镇还是发展大城市，长期以来都存在较大分歧。本文的结论显示，从减少碳排放的角度，城镇化发展不能简单地说优先发展中小城镇，或者优先发展大城市，而是应该统筹考虑城市规模和城市化总体水平两个因素，这为城镇化发展提供了一个重要原则。

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City Size，Urbanization Rate and Carbon Emissions：Based on Empirical Data of 161 Countries in The Past Half Century

WANG Qin-chi
（China Population and Development Research Center，Beijing，100081）

The effect of urbanization on environment is the comprehensive results of city size and urbanization rate，and neither city size nor urbanization rate can completely reveal the process of internal mechanism of urbanization on environment.Using a panel data（1960-2009）of 161 countries and a two-way fixed effect model，this paper decomposes the effects of urbanization on environment into city size and urbanization rate to reveal the effect of change of the population distribution in urban and rural area and the structural change of city with different size.The result shows that，theoretically，there are optimal city size and urbanization rate which are favorable to the environment；in order to reduce carbon emissions，it is not wise to simply argue that the priority should be given to small or large cities.With the carbon emission constraint，the right way of urbanization is to balance the city size and urbanization rate，which should become an important principle of new-type urbanization.

city size；urbanization rate；carbon emission；two-way fixed effect

X24

A

1007-0672（2015）03-0001-05

2014-11-25

十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAI40B01）、国家社科基金项目（13CRK028）

王钦池，男，山东诸城人，中国人口与发展研究中心副研究员、经济学博士，研究方向：人口与可持续发展。