城市韧性与碳排放效率耦合协调的时空演化研究

摘要：建设韧性城市，实现碳排放效率有效提升对长江经济带可持续发展具有重要现实意义。以长江经济带108城市为研究对象，运用修正的耦合协调模型和空间自相关模型探究城市韧性与碳排放效率耦合协调时空演化特征。结果表明：1．长江经济带城市韧性水平呈现稳步上升趋势：空间上围绕“上海一苏州”为中心的长三角城市群韧性水平更高、发展更快。2．碳排放效率增长波动可分为缓慢增长、快速增长和平缓增长3个阶段；空间上长三角城市群发展较好，形成省会城市联合扩散、带动发展的格局。3．耦合协调度具有明显空间正相关性，高高集聚型集中在“上海一杭州”为中心的长三角城市周围，高低集聚型和低低集聚型零散分布在重庆、贵阳、昆明中心城市及周围。

关键词：长江经济带；城市韧性；碳排放效率；修正的耦合协调模型

基金项目：湖北省教育厅高等学校哲学社会科学研究重大项目“中国推动‘一带一路’区域价值链数字化转型问题研究”（22ZD025）

中图分类号：F290 文献标识码：A

文章编号：1674-537X（2024）08.0090-09

一、引言

中国正在经历世界历史上规模最大、速度最快的城镇化进程。2023年末，国家统计局发布我国常住人口城镇化率达到66.16%，新型城镇化稳步推进，城镇化率继续提高。伴随城镇化水平的不断提升，城市经济繁荣发展、综合实力显著增强。这也带来了经济的负外部效应，引发温室气体增加、交通拥堵和环境污染等一系列“城市病”问题，城市韧性与可持续发展能力受到重大威胁。长江经济带，作为我国经济发展的活跃引擎与潜力象征，肩负着促进经济高质量增长与保障生态环境持续健康发展的双重重任。习近平总书记在重庆、武汉、南京和南昌等地举办的长江经济带发展研讨会上，明确提出了“生态优先、绿色发展、共同维护生态安全，避免大规模开发”的指导思想。因此，如何实现城市韧性发展、推动碳排放效率稳步提升对长江经济带区域协调发展至关重要。

城市韧性是指包括社会、经济、生态等城市系统在面对外部冲击和压力时，减少冲击对系统的影响，适应变化和应对危机的恢复能力。城市韧性的提升不仅关系到区域经济的稳定发展，也是应对自然灾害、气候变化和社会发展变化的关键。提升碳排放效率对于我国经济稳定增长和减少碳排放，实现城市可持续发展至关重要。可见，城市韧性发展与碳排放效率提升的目标一致，二者相互影响、相互促进。为此，本文旨在探究城市韧性水平与碳排放效率的耦合协调发展关系，构建并测算城市韧性水平和碳排放效率指标，采用非期望产出的Super-SBM模型、修正的耦合协调模型、核密度分析以及空间自相关性分析方法，对长江经济带108座城市韧性水平与碳排放效率进行综合测度，探究二者之间耦合协调的时序演进和空间布局，在“碳达峰、碳中和”（双碳）背景下提出韧性发展建议，促进长江经济带可持续发展。

二、文献综述与耦合协调分析

（一）文献综述

“韧性”一词最早由生态学家Holling引人生态学领域中，随后“韧性”概念逐渐向心理学、管理学等学科发展。经济学家Martin将“韧性”引入区域经济，并将其定义为经济结构的优化、经济产出、就业和社会财富的可持续增长。韧性思想逐渐向更小范围发展，开始与城市研究相结合。我国对于韧性城市的规划建设较晚，2017年6月中国地震局提出实施《国家地震科技创新工程》，其中包含四大计划，而“韧性城乡”计划便是其中之一。随后“十四五”规划指出“增强城市防洪排涝能力，建设韧性城市”，建设韧性城市已成为我国重大战略需求之一。目前国内外学者对韧性的研究主要包括韧性测度、时空特征研究以及影响因素分析。现有的文献显示韧性水平测度存在3种形式：其一基于状态的单一敏感指标法，主要考察冲击影响后的核心指标如GDP增长率、就业率变化情况。其二更多学者采用的基于过程的综合指标法，也称为“一揽子指标体系”。朱金鹤和孙红雪根据经济韧性定义选择抵抗与恢复力、适应调整力以及创新转型力指数进行研究测度。其三部分学者基于GMM-SL-SAR-RE模型衡量实际就业变化相对反事实就业变化的差异程度测度经济韧性。对于韧性的时空特征研究，谭燕芝等以中部地区县域为研究对象，发现中部县域经济韧性呈现显著空间正相关性，呈现出“东西部较高—中部较低”的集聚分布特征。而关于城市韧性的影响因素分析，学者们主要考察集聚效应、数字化发展等因素。

碳排放效率也称为碳排放绩效，主要用于衡量生产过程中生产要素投入所对应二氧化碳排放量的指标。早期对碳排放效率研究以单因素分析，主要使用碳排放量与某一要素的比值表征，常见的有碳生产率、碳排放强度、人均单位GDP排放量指标。随后，学者在此基础上考虑更多因素，以全要素思想逐步发展出数据包络分析、Malmquist指数法、方向距离函数和超效率SBM模型测算碳排放效率。有关城市韧性与碳排放相关的研究较少，Wang等对珠三角城市群城市韧性及碳排放量和效率进行测算，研究发现珠三角地区城市韧性水平和碳排放效率较低但呈现良性增长趋势，韧性水平的提升将有助于减少碳排放。Shi等研究发现中国的城市韧性主要依赖于经济发展和碳排放密集型企业，减排将不利于城市韧性水平提升，然而这种形势正在发生转变，城市韧性的提升逐渐与粗放式高碳经济脱钩，高韧性低排放城市将是未来的主导城市。

综合来看，城市韧性与碳排放效率的研究较为丰富，但从耦合视角将两者相结合的研究较少。现有文献指出韧性水平有助于降低碳排放，碳减排也会影响城市韧性水平发展。对此，将城市韧性与碳排放效率联系在一起，定量测度城市韧性发展水平与碳排放效率，探究两者耦合协调关系，有助于加速长江经济带城市数字化转型，促进区域协调发展。

（二）耦合协调过程分析

城市韧性是碳排放效率提升的基础，而碳排放效率构成城市韧性发展的引擎。本文认为城市韧性包括社会发展韧性、环境治理韧性、经济产业韧性、创新发展韧性和数字设施韧性。社会发展韧性提升将直接改善居民生活质量、提升公众对低碳生活的认识，促进社会减少碳排放行为，采取低碳生活方式。环境治理韧性通过增加绿地面积提高城市碳汇能力、优化资源配置提升能源再利用效率，降低单位产出碳排放，实现碳生产率提升。碳生产率的提升反作用于环境治理韧性，资源循环利用减少了废物的产生，有助于形成循环经济，提高城市资源系统的韧性。经济与产业韧性通过调整经济结构，发展服务业和高新技术产业，减少对高碳排放行业的依赖，提升碳排放效率。而高碳排放效率通常说明经济活动对环境的影响较小，有助于实现城市绿色增长，增强经济系统韧性。城市韧性的提升离不开技术创新，低碳技术、清洁能源技术和节能技术的应用，这不仅减少碳排放，也有助于实现绿色经济增长。数字设施韧性通过智能化基础设施对环境数据进行实时监测分析评估碳排放效率，为决策者提供信息支持，制定更为有效的减排策略。相反，高碳排放效率意味着更加智能高效的数字化基础设施，数字化基础设施是支撑城市韧性的关键因素，有利于提升城市治理水平和区域协同性的发展，提高城市在面对冲击时的韧性。由此可见，城市韧性与碳排放效率相互作用、相互影响，存在紧密的耦合协调关系，二者耦合过程是动态演进的，通过不断调整最终发展为互利共赢的协调阶段（图1）。

三、研究设计

（一）评价体系构建

文献分析发现，目前对城市韧性的测度并没有统一的标准，综合指标法对韧性水平的测度更加客观、全面。因此本文采用综合指标体系法，从社会生活、生态环境、经济产业、创新转型和数字设施5个基准层指标评价城市韧性发展水平，具体如表1所示。其中“产业结构高级化”使用第三产业增加值与第二产业增加值比值衡量，“对外贸易程度”使用进出口总额占GDP的比例。指标权重采用熵权-TOPSIS法计算。

（二）研究方法

1．非期望产出的Super-SBM模型。对碳排放效率的测度选择考虑非期望产出的Super- SBM模型。其中，投入要素包括资本、劳动和能源，产出要素包括期望产出和非期望产出。资本要素以各城市资本存量进行测度，参考张军等的研究，以2012年为基期，采用永续盘存法计算，折旧率取9．6%;劳动要素选择各地市年末就业人数：能源投入要素选择天然气、液化石油气和全社会用电总量折算为标准煤来表征。期望产出以2012年为基期的实际GDP表示，非期望产出选取二氧化碳排放总量，参考丛建辉等采用的“范围一排放、范围二排放和范围三排放”方法核算碳排放总量。

2．修正的耦合协调度模型。耦合度是衡量多个系统相互关联程度的一个指标，它反映了系统间的协同性和整合性。一个较高的耦合度表明系统间的相互作用更为紧密，彼此之间的依赖性也更强。协调度可以反映系统间良性耦合发展情况，弥补耦合度测度方向不定性。传统的耦合协调模型存在书写错误、错用权重、丢失系数等问题，本文借鉴有关研究，使用修正的耦合协调度模型，改善模型的信效度问题。具体公式如下所示：

式（1）中：Ui∈[0，1]，C∈[0，1]子系统越离散，C值越低；反之，C值越高。

当n=2时，假定max Ui为U2，

式（2）～（5）中，U1、U2代表城市韧性水平、碳排放效率，其中城市韧性水平由熵权一TOPSIS计算得来，碳排放效率进行归一化化处理得到，C为耦合度，D为耦合协调度，T为协调指数，α1、α2分别为城市韧性系统与碳排放效率二者协同性的贡献率，本文假定两者同等重要，取α1=α2=0.5。

3．核密度估计法。作为非参数检验的方法，核密度分析可以反映出城市经济韧性与碳排放效率耦合协调的形态、位置和时间变化趋势，被广泛应用于时空分布差异的研究中。本文采用Epanechnikov核函数估计进行分析，具体公式如下所示：

式（6）中，f（x）为概率密度函数，h为带宽，n为城市数量，x为城市韧性与碳排放效率耦合协调度的均值，K（·）为核函数。

4．空间自相关分析。空间自相关分析通常包括全局空间自相关和局部空间自相关。全局空间自相关采用全局莫兰指数衡量2012-2021年长江经济带城市韧性与碳排放效率整体耦合协调空间关联特征，局部空间自相关分析采用局部莫兰指数探究城市间相邻位置韧性水平与碳排放效率耦合协调度空间集聚格局。莫兰指数计算公式如下所示：

式（7）、（8）中，n为城市数量，xi和xj分别为城市i、j的韧性水平与碳排放效率的耦合协调度，x为耦合协调度均值，S2为样本方差；Wij为空间权重矩阵，研究使用ArcGIS Pro测算全局莫兰指数和绘制局部空间集聚类型图，空间关系概念化采用“共享边或角”法，即当城市i与城市j有共同的边或角时ωij=1，否则ωij=0。

（三）数据来源

本文选择长江经济带108个地级市作为研究对象，探究2012-2021年城市韧性水平与碳排放效率的耦合协调关系。数据来源于《中国城市统计年鉴》、地级市统计公报、《中国能源统计年鉴》《中国工业统计年鉴》，个别缺失数据采用线性插值法补全。

四、结果与分析

本文利用熵权-TOPSIS法、非期望产出的Super-SBM模型以及修正的耦合协调模型计算得到长江经济带108城市2012-2021年城市韧性水平、碳排放效率和耦合协调度。根据韧性水平和碳排放效率数值划分为5个标准，分别为低、较低、中等、较高和高水平（效率），耦合协调度划分为勉强、初级、中级、良好、优质协调5个等级，具体如表2所示。

（一）城市韧性水平与碳排放效率时空变化分析

1．时序变化分析。表3显示长江经济带城市韧性水平与碳排放效率时序变化结果。总体来看：城市韧性水平由2012年0.081增长到2021年0.133，涨幅64.2%。2012 - 2020年增长率较低，呈现稳步上升趋势，2020-2021年增长率显著提升。碳排放效率由2012年0．500增长至2021年0．585，涨幅17%。根据增长波动情况碳排放效率演变可分为3个阶段，缓慢增长阶段（2012 - 2013年）、快速增长阶段（2013 - 2016年）、平缓增长阶段（2017 -2021年），年均增长率分别为0.32%、5.17%和4.17%。2017年碳排放效率下降，原因可能是“十三五”节能减排规划导致产业结构转变不及时、能源消耗总量和强度下降的同时经济发展受到抑制。

分流域来看：城市韧性水平与整体趋势一致，呈现平稳增长态势，其中下游城市韧性值最高，中游次之，上游最低。从增长幅度来看，2021年中游城市增幅最大，达到73.33%，上游次之（63.49%），下游最低（58.59%）。对于碳排放效率，上游、中游、下游城市呈现波动上升趋势，且都存在2017年下降情况。下游城市由2012年0.546增长至2021年0.653，中游城市由0.496增长至0.577，上游城市由0.445增长至0.506，下游城市增幅最高（19.60%）。下游城市在2013年和2017年有所下降，其他时段内呈现波动增长态势。中游城市时序演变可以分为两个阶段，平稳增长阶段（2012-2016年）和波动增长阶段（2017 - 2021年），波动增长阶段在2018年达到峰值，而后呈现先下降又上升模式。上游城市除2017和2020年增幅下降，其他年份碳排放效率以边际效益递减趋势增加。

2．空间演变分析。时序演变分析从时间角度粗略分析了韧性水平均值与碳排放效率均值的演变特征，进一步使用ArcGIS软件绘制2012年、2017年和2021年长江经济带韧性水平与碳排放效率空间分布图，对空间分布特征进行分析。从图2可知，城市韧性水平由低水平向较低水平和中等水平过渡，整体水平不高，省会城市较其他城市更优。2012年仅上海处于较高水平行列，同时辐射带动苏州步入中等水平行列。2017年上海成为高水平韧性城市，成都、杭州由较低水平发展为中等水平，到2021年更多城市步入中等水平行列。从城市群发展来看，围绕“上海一苏州”为中心的长三角城市群韧性水平更高、发展更快；长江中游城市群中武汉的韧性发展较快但对周围城市扩散效应不明显，长沙对周围城市存在明显扩散效应但自身发展较慢：成渝城市群与长江中游城市群发展相当，成都较重庆韧性水平发展更快，两者上游中心城市对北部城市带动效果更为明显。三大城市群相对独立发展，省会城市逐渐向外围发散，形成联合扩散、省会带动发展格局。

多数城市碳排放效率较低，但发展基础好，自2012年便存在12座城市处于中等效率、4座城市处于较高效率。2021年，碳排放高效率城市达到5个，较高效率城市达到8个。上海自2012年较低效率转向2021年高效率，发展幅度高，同时辐射带动周边城市成为高碳排放效率城市。从城市群发展来看，依旧是长三角城市群优于中游城市群和成渝城市群。中游城市群较高效率城市更多，但以武汉、长沙为首的中心城市扩散效应不显著。位于长江经济带上游的城市昆明，碳排放效率发展从较低效率发展为高效率，提升幅度更加显著。自2012年以来，昆明依托自身特色成功人选第二批低碳城市试点名单，积极推进低碳城市规划建设，推广绿色交通出行方式，推动产业由高碳向低碳、由低端向高端迈进。“十三五”期间，昆明市单位GDP二氧化碳排放累计下降32.8%，单位GDP能耗累计下降24.4%。

（二）城市韧性水平与碳排放效率耦合协调度时空演化分析

1．耦合协调度时序变化分析。利用修正的耦合协调模型测算长江经济带城市韧性与碳排放效率的耦合协调程度，首先从时间维度探究耦合协调发展分布特征，选取2012年、2017年和2021年3个时间节点绘制长江经济带整体和分流域核密度曲线变化图（图3）。从密度曲线的位置来看，随着时间推移，曲线逐渐右移，表明长江经济带城市韧性与碳排放效率的耦合协调逐渐提升，整体发展形势向好。从曲线延展性来看，整体与分流域曲线都存在右拖尾现象，2012年至2017年拖尾发展幅度更为明显，随后至2021年右拖尾增加幅度变小，表明高耦合协调度城市有所增加，耦合协调随时间变化进一步优化。分流域来看，下游城市右拖尾长度变化较中上游城市更为明显，下游城市存在更为明显的耦合协调提升效果。从曲线峰值变化来看，随时间移动，下游城市和上游城市呈现“单峰”特征，峰值不断下降，带宽有所拓宽，耦合协调绝对差异呈现扩大趋势。中游城市由“主峰+次峰”发展为“双主峰”，反映出中游城市可能会出现“低低集聚、高高集聚”的空间分布。上游城市较其他流域最明显的特征是峰值先上升而后下降，带宽呈“宽-窄-宽”变化，说明上游城市耦合协调差异具有波动性。

2．耦合协调度空间演变分析。利用ArcGIS软件绘制3个时间节点的空间分布图（图5），分析长江经济带耦合协调度空间演变特征。图4表示耦合协调度均值时间趋势图，可以看出，耦合协调性表现为：下游＞中游／整体＞上游，且随时间增加耦合协调度逐渐上升。图5空间分布可以看出，长江经济带城市韧性与碳排放效率得耦合协调程度整体处于初级协调发展情况，耦合协调度不高。2012年存在4座城市处于勉强耦合协调水平，均位于上游城市，2017年和2021年仅剩下1座。长三角与成渝城市群的发展速度超越了中部城市群，其中以上海为枢纽的长三角城市群发挥了核心作用，通过其强大的辐射力，促进了周边城市的逐步融合与发展，推动了区域间的协同与一体化进程。成渝城市群主要依靠成都、重庆中心城市优势，耦合协调度发展更快，但扩散效应并不显著。中游城市群发展较慢，到2021年才出现较多中级耦合协调城市。

（三）耦合协调度空间自相关分析

1．全局空间自相关。借助ArcGIS软件计算出长江经济带2012-2021年城市韧性与碳排放效率耦合协调度得全局莫兰指数（Moran's I），如表4显示，各年份数值均通过1%得显著性检验。Moran，sI数值呈现波动上升趋势，经过“升高-降低-又升高-再降低”过程，莫兰指数由2012年0．314增长为2021年0．320，说明长江经济带城市韧性水平与碳排放效率得耦合协调存在空间集聚关系，并且集聚程度历年增加。在党中央和各省市政府共同治理下，一方面通过提升城市治理化水平增强城市发展韧性和风险防控能力，另一方面通过发展数字经济增强经济抗风险能力，积极推进上中下游城市协调发展。同时在一系列长江经济带发展实施方案和政策支持下，城市韧性、经济发展和减排节能三者协调发展。

2．局部空间自相关。进一步利用ArcGIS绘制城市韧性与碳排放效率耦合协调度空间集聚类型（图6）。从图6来看，耦合协调集聚类型主要存在三种：高高集聚型、低低集聚型、高低异常型。高高集聚型稳定分布于以上海、杭州为中心的长三角城市群周围，上游和中游存在少量分布，由于长三角城市群位于长江经济带下游流域，强大的经济基础、显著的科技创新能力以及完善的基础设施形成良好的区域协同发展效应，因而出现耦合协调高值区域集聚分布现象。低低集聚型主要分布于上游非中心城市中，但数量不多，上游由于经济发展水平、产业结构优化和基础设施建设等方面因素与下游长三角城市差距较大，因而城市韧性水平与碳排放效率值较低，导致二者耦合协调度也处于低水平，形成弱集聚效应。高低集聚型以重庆、昆明和贵阳为中心的上游城市为主，数量较少，分布于低低集聚型城市周边，相较于周边城市耦合协调程度略高因而出现高低异常类型。

五、结论与建议

（一）结论

本文以长江经济带108城市为研究对象，通过构建并测算城市韧性水平和碳排放效率，探究二者之间的耦合协调关系，得出以下结论：

1．从时序演变来看，两者呈现波动上升趋势，韧性水平由2012年0.081增长到2021年0.133，碳排放效率由2012年0．500增长至2021年0．585。空间演变上，围绕“上海-苏州”为中心的长三角城市群韧性水平更高、发展更快，长江中游城市群中武汉的韧性发展较快但对周围城市扩散效应不明显；多数城市碳排放效率较低，但发展基础好，长三角城市群优于中游城市群和成渝城市群。

2．核密度曲线显示，随时间变化，曲线右移，出现右拖尾现象，耦合协调度不断提升，高耦合协调城市不断增加，耦合协调存在流域差异，除中游城市由“主峰+次峰”发展为“双主峰”，其他流域均为“单峰”状态。空间演化上，耦合协调性下游优于中游优于上游。以上海为中心的长三角城市群扩散带动周边城市逐渐向中级耦合协调发展，成渝城市群主要依靠成都、重庆中心城市优势，耦合协调度发展更快，但扩散效应不显著。

3．空间自相关分析发现，城市韧性与碳排放效率耦合协调存在空间正相关性，集聚程度经过“升高-降低-又升高-再降低”过程，但总体呈现上升趋势。局部自相关分析表明，主要存在高高集聚型、高低集聚型和低低集聚型三种类型，高高集聚型主要分布于上海、杭州为中心的长三角城市群周围，高低集聚型在重庆、昆明、贵阳三座中心城市，而低低集聚型零散分布于三座中心城市周围，数量较少。

（二）对策建议

根据上述结论，从优化长江经济带城市韧性与碳排放效率及协调发展提供政策建议：

第一，强化区域发展策略，促进区域协同发展。针对长江经济带各流域城市韧性水平与碳排放效率差异，制定差异化区域发展策略，对于上游和中游城市提供财政补贴、税收优惠等政策激励措施，促进其在社会发展与生态环境方面的均衡发展。对于下游城市发挥好以“上海一苏州”为中心的长三角城市群辐射引领作用，建立区域合作平台，加强技术、人才和信息的交流共享，帮助周边城市在提升城市韧性水平的同时实现高效碳排放效率。

第二，推动绿色低碳技术创新与应用，加强对碳排放效率的监管与定期检测。一方面，鼓励清洁能源的使用和低碳技术研发，实现新旧动能转换，通过研发投入和人才培养，提高城市绿色创新能力和数字智能化水平，倒逼城市降低碳排放，提高城市整体竞争力和韧性。另一方面，建立一套科学合理的检测评估机制，定期评估城市韧性与碳排放效率的变化趋势，为政策调整提供依据。

第三，强化城市空间规划，促进政府跨部门协作。根据城市韧性与碳排放效率的空间分布特征，优化城市空间布局，合理规划城市发展区域，避免无序扩张，实施严格的土地使用政策以确保城市发展和生态环境保护相协调。同时，加强不同政府部门间沟通协作，形成政策合力，确保政策落地、措施有效、协同效应最大化。