煤炭资源型城市经济增长与环境污染的EKC分析：以大同市为例

李炫妮，刘 珊，廖 磊，曹 磊，董小林

(1.长安大学水利与环境学院，陕西 西安 710064；2.长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710064；3.长安大学环境经济与管理研究所，陕西 西安 710064)

煤炭型资源城市是指煤炭产业在城市工业结构中占比较大，或在城市工业中居于主导地位的城市。根据《全国资源型城市可持续发展规划(2013—2020年)》，我国资源型城市共有262座，其中煤炭型资源城市有100多个，大同市被列为成熟型煤炭资源城市。长期的煤炭开采对城市造成了严重的环境污染和生态破坏。大同市是我国最重要的煤炭城市和老工业基地之一，是以煤炭采掘和依托煤炭的高耗能产业为主要行业的城市。长期以来大同市经济和环境矛盾突出，加快大同市经济转型已经成为大同市经济社会发展的重中之重。研究煤炭资源型城市经济增长和环境污染之间的关系，对包括大同市在内的煤炭资源型城市加强城市环境治理与生态保护，推进城市转型高质量发展具有重要意义。

EKC理论是研究环境质量与经济发展两者关系的经典假设，然而鲜有关于煤炭资源型城市的相关研究。本文以典型煤炭资源型城市大同市为研究对象，选取工业“三废”为环境指标，人均GDP为经济指标，通过构建EKC模型，确定大同市EKC曲线的具体形态及拐点，分析其环境质量随经济增长的变化趋势，以及未来环境质量变化，为制定为生态环境保护与社会经济发展规划和政策提供依据，为煤炭资源型城市经济和环境的协调高质量发展提供参考。

1 研究区分析

1.1 煤炭资源型城市发展分析

1.1.1 经济发展状况分析

煤炭资源型城市是在煤炭开采、加工基础上发展起来的城市，其经济发展对煤炭资源的依赖性强，存在产业、产品、就业等结构单一的问题。在产业结构方面，资源持续粗放式开发，第二产业比重较高，三次产业结构不协调，城市发展后劲不足；在产品结构方面，煤炭资源型城市提供的煤炭产品处于产业链上游，产品附加价值低，经济效益低[1]；在就业结构方面，矿业是煤炭资源型城市经济发展的主导力量，矿业技术人才占比很大，人才结构单一。

随着我国经济结构调整，可再生能源、核能、天然气等能源消费革命的推进，煤炭需求增速放缓，煤炭市场原煤产量下降、价格下跌，煤炭相关企业普遍亏损，煤炭资源型城市的发展受到不同程度的影响。长期以煤炭资源开釆为主导的经济发展模式，加上过度以及不合理的开采导致城市其他功能的落后，煤炭资源快速枯竭[2]。

1.1.2 环境质量状况分析

长期以来，全国几乎所有煤炭资源型城市都贯彻“以煤为纲”的方针，经过几十年的开采，这些城市形成的环境问题没有得到有效解决，历史欠帐很多。煤炭资源型城市经济发展对煤炭的依赖程度很高，煤炭的消费比重与环境污染水平存在极为显著的正相关关系[3]。

煤矿开采产生的SO2、CO2、CO等有毒有害气体造成严重的大气污染。长期的开采破坏土地资源和森林植被资源，据统计，每采万吨煤平均塌陷土地0.2 hm2，全国因采矿损毁土地累计约400 000 hm2[4]。煤炭开采也会导致大量尾矿、粉煤灰、煤矸石等固体废弃物的产生，全国目前仅煤矸石就有30多亿t，占地超过5 000 hm2，使得土地资源浪费严重。部分煤矿企业存在管理制度不严、环保意识薄弱、环保设施不配套等问题，将未经处理或简单处理的洗煤水、岩溶水、煤矸石淋溶水等矿井水直接排放，导致地表水及地下水的污染。煤炭资源型城市长期粗放式、高强度的煤炭开采、生产导致生态环境破坏严重，城市高质量发展面临的环境压力很大。

1.2 大同市环境经济状况分析

大同市位于山西省北部，是我国最大的煤炭能源基地之一，为我国经济社会发展做出了重要贡献，是闻名全国的“煤都”。大同市总面积14 176 km2，其中城市面积2 080 km2，2019年末常住人口达346.30万人。大同市的煤炭产业已步入成熟期，高强度的煤炭开采所造成的环境问题显著，生态环境保护与资源开发、经济发展之间不平衡、不协调的矛盾突出。煤炭开采引发的地面塌陷、地裂缝等地质环境高风险区面积达1 277.26 km2，占总面积的9.01%[5]。煤炭生产和使用过程产生大量的工业“三废”，导致城市周边环境、水环境和大气环境等欠佳甚至是恶劣。

2000—2017年大同市工业SO2、烟粉尘的排放量整体呈下降趋势，但仍高于全国平均水平。 由图1可知，大同市工业烟粉尘排放量从2000年的150 236 t攀升至2001年最高的262 562 t，之后在波动中逐渐降低至十八年间的最小值18 789 t。 工业SO2排放量从2000年的116 195 t降至2001年的76 040 t，随后处于波动状态，2011年达到峰值143 447 t，之后又继续降低至2017年最小值18 789 t。分析工业烟粉尘排放量在2001年和2003年的突增和工业SO2排放量在2001—2005年的持续增长，可能是由于在此期间，我国经济快速发展，煤炭资源供不应求，煤炭行业快速发展，导致废气中SO2、烟粉尘出现较大幅度反弹。而2010—2011年工业SO2排放量增长可归因于政府应对2007—2008年金融危机的刺激。党的十八大以来，大同市认真落实党中央的决策部署，努力改善生态环境，2013年后工业SO2和工业烟粉尘的排放量都显著降低，但仍高于全国平均水平。

图1 2000—2017年大同市工业SO2、工业烟粉尘排放量情况Fig.1 Emissions of industrial SO2 and industrial smokedust in Datong city from 2000 to 2017

由图2可知，大同市GDP总体呈现增长趋势。根据2000—2017年产业结构变化可知：第一产业占大同市GDP的比重经过短暂波动，2002年后趋于稳定，2017年为5.53%;2013年前，第二产业的比重居高不下，自2013年之后呈明显下降趋势，从2000年的50.71%降至2017年的36.85%。从收集到的十八年数据来看，第三产业比重波动式上升，表现出良好的增长态势，从2000年的41.50%增长至2017年的57.61%，发展速度明显快于第一产业和第二产业的发展。从大同市三次产业比变化趋势可以看出，第三产业的比重在逐步扩大，2013年首次反超第二产业，三次产业的发展正在趋向于平衡，产业结构逐步优化。

图2 2000—2017年大同市三次产业变化情况Fig.2 Changes of three industries in Datong city from 2000 to 2017

2 研究方法与模型

2.1 EKC曲线研究现状

1991年美国经济学家GROSSMAN等[6]提出EKC假说，认为在较长的时间跨度内，经济增长与资源环境压力呈倒U型曲线关系，即随着人均GDP的提高，资源环境压力呈现先上升后下降的趋势。国内外众多学者从不同视角对EKC曲线进行深入研究，得出倒U型的EKC曲线并不是普遍规律，也有U型、倒N型、N型和复合型等结果[7-9]。目前国内EKC研究聚焦于全国和省域，有关资源型城市的EKC研究鲜少。基于本文所选环境指标，表1总结了目前国内部分学者以废气、废水、固体废弃物等污染物为环境指标的EKC曲线估计结果。

表1 国内部分学者关于EKC曲线研究结果梳理汇总Table 1 Summary of the research results of some domestic scholars on the EKC curve

2.2 指标选取与数据准备

根据煤炭资源型城市以煤炭产业为主的特征，同时考虑到数据的可获得性、准确性、完整性，以2000—2017年大同市的相关数据建立计量回归模型。对于经济指标，国内外一般选择人均GDP[15]，本文也选用常规的人均GDP作为经济指标。工业“三废”危害性巨大是环境恶化的普遍指标，故选择工业废水、工业废气和工业固体废弃物作为环境质量指标。鉴于工业废气中SO2、烟粉尘的主要来源是工业和化石能源燃烧，可充分体现出煤炭产业对环境的影响，所以本文选取工业SO2、工业烟粉尘、工业废水排放量及工业固体废弃物产生量作为环境质量指标，相关数据见表2。

表2 2000—2017年大同市人均GDP和污染物排放量Table 2 Per capita GDP and pollutant emissions ofDatong city from 2000 to 2017

2.3 平稳性检验与数据拟合

在研究经济增长和环境质量之间关系时选取2000—2017年的时间序列数据，在对时间序列进行分析前，需要先通过单位根检验其是否平稳，避免伪回归现象。时序数据取对数后可减少变量的极端值、非正态分布及异方差性，且不会改变时序的性质和关系，因此在数据验证前对几组变量序列进行了对数标准化处理。运用EViews10进行检验，检验结果见表3。 由表3可知，在一次差分后时间序列均达到平稳状态，是一阶单整序列，可以进行回归分析。

表3 各变量ADF检验结果汇总Table 3 Summary of ADF test results for each variable

续表3

2.4 模型选择

基于已有研究，EKC拟合模型大致可分为三种形式：二次函数型、三次函数型、对数函数型。对数化处理所有数据，可减少数据的异方差，比较客观地反映环境与经济的相互关系[16]，故确定式(1)作为本次研究的拟合模型。

lnE=β1lnX+β2(lnX)2+β3(lnX)3+μ

(1)

式中：E为环境污染程度；X为人均GDP；μ为误差项；β1、β2、β3为回归系数，β值不同，经济增长与环境质量的关系不同，最终曲线的形状也不同。

3 EKC曲线在大同市的应用及分析

根据表1确定自变量为ln(人均GDP)，分别选取ln(工业SO2排放量)、ln(工业烟粉尘排放量)、ln(工业废水排放量)、ln(工业固体废弃物产生量)为因变量，并且借助Origin软件对环境经济数据进行拟合及回归分析。由表3可知，β1<0、β2>0、β3<0，曲线形状呈倒N型，表示环境污染程度随着经济的增长先降低后加重，后又降低[16]。

表4 2000—2017年大同市环境经济计量模型拟合结果Table 4 Fitting results of environmental econometric models in Datong city from 2000 to 2017

3.1 工业SO2排放量与人均GDP的EKC检验

由图3可知，随着人均GDP的提高，SO2污染呈现出先降低后升高再降低的趋势，拐点分别出现在人均GDP达8 215元(2003年)和17 974元(2008年)时，拟合曲线呈现明显的U型+倒U型特征。相关环境政策的出台、化石能源消费比重的下降会导致先降后升再降的趋势和实际数据不同步，2006—2010年数据显示工业SO2排放量低于拟合曲线，侧面说明大同市治污减排取得初步成效。十八大以后，大同市煤矿等排污企业的污染处理设备不断完善，企业内部环境保护工作取得成效，环保部门的监管力度不断加强，供给侧结构性改革的成效开始显现，使得SO2的排放量在2015年后显著下降，2017年人均GDP达到最高(32 671元)时，工业SO2排放量降至最低点18 789 t/a。

图3 工业SO2排放量与人均GDP拟合曲线图Fig.3 Fitting curve of industrial SO2 emissionsand GDP per capita

3.2 工业烟粉尘排放量与人均GDP的EKC检验

根据模拟方程回归系数值判断，工业烟粉尘与人均GDP表现出倒N型关系，拐点为人均17 974元(2008年)。拟合图见图4，拟合曲线表现出有些起伏的倒U型的右侧的特征，2000—2017年间，正处于倒U型的下降区间。综合模型参数与图形趋势判断，工业烟粉尘与人均GDP表现为偏倒U型的弱倒N型。2000—2004年下降速率较快，随后在2004—2009年下降速率放缓。煤炭燃烧是烟粉尘排放最重要的来源，2003年后，经济快速增长，煤炭能源供不应求，高耗能、高污染行业快速发展，导致大同市工业废气中烟粉尘排放量的下降速率放缓。“十一五”期间，大同市对全市重点工业污染源进行减排监控，对高耗能、高污染、高排放的“三高”企业实施末位淘汰制，严格排污管理，严控污染物排放，2008年后工业烟粉尘排放量不断下降，2017年达到最低点，工业烟粉尘排放量21 840 t/a，相比2000年下降了85.46%。节能减排政策的优越性不断显现，侧面验证了随着经济不断向高质量转型发展，大同市工业烟粉尘污染情况不断向好发展。

图4 工业烟粉尘排放量与人均GDP拟合曲线图Fig.4 Fitting curve between industrial smoke dustemissions and GDP per capita

3.3 工业废水排放量与人均GDP的EKC检验

通过模拟方程参数判断，工业废水与人均GDP呈倒N型关系，两个拐点分别为人均GDP达6 485元(2001年)和18 710元(2009年)时。结合模型参数与图5的拟合曲线，判断工业废水与人均GDP之间呈U型+倒U型曲线特征。2001—2009年，随着人均GDP的增长，大同市工业废水排放量增长速率逐渐减缓。之后，工业废水实际排放量出现小幅度波动，至2012年达到峰值5 985万t/a。随着2015年“水十条”、《山西省水污染防治工作方案》等政策出台，废水排放量大幅下降，至2017年达到最低点1 821万t/a，仅为2012年的30.43%，这体现出十八大后政府和企业重视水环境污染状况，相关政策措施落实到位且行之有效。

图5 工业废水排放量与人均GDP拟合曲线图Fig.5 Fitting curve of industrial wastewater dischargeand GDP per capita

3.4 工业固体废弃物产生量与人均GDP的EKC检验

大同市工业固体废弃物产生量和人均GDP拟合效果显著，R2=0.950 0。根据拟合参数判断，曲线形状为倒N型，说明工业固体废弃物随着人均GDP增长先降低后增加，后又降低，这与2000—2017年的统计数据相符。从图6的拟合曲线来看，工业固体废弃物和人均GDP目前呈正相关关系，处于倒U型的左侧。鉴于统计年限内曲线拐点不明显，综合拟合参数、拟合图形，判断工业固体废弃物产生量和人均GDP之间呈偏倒N型的弱倒U型曲线关系，目前正处于拐点时期。

大同市工业固体废弃物产生量从2000—2015年整体处于增长态势，尤其是自2010年后，由于统计口径发生变化，工业固体废弃物产量数据有较大幅度提升。在2015年达到峰值，工业固体废弃物产生总量的自然对数约为8.32，人均GDP的自然对数约为10.34，此后开始下降。根据EKC拟合结果，现阶段已经越过拐点，随着人均GDP的不断增长，大同市工业固体废弃物产生总量将会逐年减少。由图6可以看出，整条曲线呈现不断上升状态，2015年的转折不够明显。2019年《关于大宗固体废弃物综合利用基地备案名单的公示》将大同市列入大宗固体废弃物综合利用基地备案名单，在国家政策的扶持下，大同市固体废弃物综合利用水平有望提高，相应的固体废弃物产量有望减少。

图6 工业固体废弃物产生量与人均GDP拟合曲线图Fig.6 Fitting curve of industrial solid waste generationand GDP per capita

3.5 研究结论

1) 对2000—2017年数据进行EKC分析表明，工业SO2、工业废水与人均GDP均呈U型+倒U型曲线关系，工业烟粉尘、工业固体废弃物与人均GDP均呈偏倒N型的弱倒U型曲线关系。大同市环境污染随着人均GDP的增长，先降低再加重后又降低，环境质量呈先改善后恶化再继续改善的趋势。

2) 煤炭资源型城市的EKC拐点的出现往往伴随着相关环境政策的出台、化石能源占能源消费比重的下降、城镇化水平达到一定规模；大同市工业SO2、烟粉尘、废水排放量等环境指标均以越过EKC拐点，表明大同市环境治理取得了一定成效，环境状况整体向好发展。

3) 大同市工业固体废弃物随人均GDP增长而降低的拐点尚不明显，在控制工业固体废弃物方面仍需要继续采取一系列切实有效措施，否则存在波动或反弹的可能。

4 结论与建议

《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》发展目标中和党的十九届五中全会分别提出“生态环境持续改善”“生态环境根本好转”等目标，我国进入了新的发展阶段。受我国经济增速趋缓、能源结构调整供等因素影响，以能源、原材料和初级加工为主的传统产业竞争优势逐步消失，煤炭资源型城市的发展面临历史性拐点，如何加快城市转型发展，高质量发展、可持续发展亟待解决，根据对大同市EKC分析结果，提出以下建议。

1) 优化产业结构，建立长效发展机制。目前，大同市经济结构在逐步向第三产业转移，但以煤炭产业为主导的第二产业比重仍然较大，要从根本上解决大同市环境问题，最重要的是优化产业结构，积极淘汰高耗能、高污染、高排放等“三高”产业，充分挖掘大同丰厚的文化、旅游资源，加大对人才、技术、知识等高级要素的投入，继续大力发展第三产业、新兴产业。加快推进科技体制改革，为绿色低碳产业提供发展动力。同时，推进资源税、环境税改革的深化、完善资源有偿使用制度、设立环境治理资金补偿渠道，丰富环境治理资金来源，强化环境监管力度，实现环境与经济的良好互动。

2) 优化产能结构，深化供给侧改革。为化解煤炭产能过剩问题，大同市应进一步加快推进煤矿减量重组工作，推动煤炭实现清洁高效利用，实现煤炭产业提质升级。继续以“高碳能源低碳发展，黑色能源绿色发展”为原则，围绕充足的太阳能和风能资源，抓住大同市采煤沉陷区国家先进技术光伏示范基地列入国家专项规划的有利契机，夯实风电、光伏产业基础，进一步加快新能源产业发展，调整优化能源结构。这样不仅能解决短期内环境污染问题，还能够在长期生产生活中持续降低能源消耗量，实现大同市绿色发展、可持续发展。