二 城鎮化環境效應機理的D-M-E概念模型

根據城鎮化基本內涵和理論基礎，通過梳理城鎮系統中環境變化的驅動因子及其驅動環境變化的內在邏輯，總結環境效應變化的主要方面，結合魚骨因子分析法和系統動力學思想，構建城鎮化驅動環境系統變化的環境效應機理模型。

（一）城鎮化驅動環境變化的內在邏輯

作為人類社會發展的必然趨勢和基本規律，城鎮化是一個復雜的空間形態變化和社會、經濟發展的過程。在這一過程中，人口逐步向城鎮轉移、農業活動向非農業活動轉化的工業化及產業升級持續推進、城鎮空間規模不斷擴大、城鎮社會文明趨向進步。一方面，城鎮化吸引各種要素包括人口、資金、科技、服務、信息等在城鎮地區集聚；另一方面，城鎮化具有向外擴散性，例如城市影響、城市帶動、城市傳播。在本研究中，分析城鎮化進程中經濟社會結構變遷對環境系統結構及其功能演變的影響，需要建立在以下四點基本認識之上。

（1）城鎮化是一個動態過程。重申此點，意在說明本研究中將充分考慮城鎮化對環境影響的動態過程，分析環境效應在不同城鎮化階段的差異性。其研究重點，不是分析城鎮與農村地區對環境影響的差別，而是考察城鎮化進程中的環境演變。

（2）城鎮化的環境效應不局限于城市（鎮）環境效應。由于一定地域范圍內的環境影效應具有不可分割性，特別是城鎮地區的環境效應（污染排放）有時會擴散轉移到農村地區。因此，本研究在地域空間上不對農村地區和城鎮地區進行分割，即在考察一個地區城鎮化對環境的影響時，是考慮城鄉一體化區域，而不僅僅局限于城市（鎮）地區。

（3）工業化內生到城鎮化中。工業化和城鎮化是相互作用的人類活動過程。為考察城鎮化進程中產業演變對環境的影響，本研究將工業化內生到城鎮化之中，即將工業化對環境的影響和效應特征歸類到城鎮化進程中。

（4）對城鎮化的內涵進行必要細分。城市化至少包括以下幾個層次：一是經濟城市化（工業化及第三產業發展）；二是人口城市化（農業人口轉化成非農人口）；三是生活方式的城市化（生活方式、行為習慣和價值觀念等的變化）；四是人居環境城市化（污染治理和環境建設等的變化）。[15]另外，有學者曾構建城鎮化的概念模型，[16]即U=f（E，P，H，P₀，O，N），其中，U為城市化發展，E表示經濟發展、P表示人口發展、H表示歷史基礎、P₀表示政治環境、O表示未考慮的其他因素，N為自然環境條件，認為各種要素的變化驅動著不同的城市化模式。可見，城鎮化進程是一定地域內經濟社會系統復雜的變遷過程，非農人口向城鎮人口轉變是城鎮化的重要表征。但是，決定城鎮化環境效應的因子不局限于人口的遷移，或者說在人口從農村向城鎮遷移中會派生出其他動力因子，即除了人口城鎮化之外，土地（空間）城鎮化（自然環境變化）、經濟城鎮化（產業演化及環境治理等）、社會城鎮化（城市文明進步）等，都會對自然環境帶來不同類別和程度的影響（見圖3-2）。

圖3-2 城鎮化特征的分解

根據概念界定，城鎮化的環境效應就是城鎮化給環境帶來的各種影響結果。其中，城鎮化進程是環境變化的驅動力，各種環境變化的表現形式是具體的環境效應結果。為此，從邏輯上看，城鎮化環境效應研究就是基于經濟學視角，從城鎮化的角度來研究人類活動的環境效應。從環境系統受影響領域來看，城鎮化影響環境變化主要有兩個方面的原因：一是城鎮化進程需要不斷地從自然系統中汲取物質能源從而改變環境系統的物質結構；二是各種生產和消費活動會排放大量的廢棄物到自然環境中從而影響環境質量（見圖3-3）。由于環境影響在一定程度上具有不可分割性，城鎮化環境效應處于擴散、轉化、稀釋之中。

圖3-3 環境—城鎮化經濟系統關系

資料來源：參考張敦富（2005）[17]和劉傳江、侯偉麗（2006）[18]繪制。

顯然，研究城鎮化的環境效應要在分析城鎮人口集聚的基礎上，研究土地開發建設、產業結構升級以及文化知識進步對環境系統帶來的資源消耗和廢棄物排放的影響。進一步，從密度上看，人口等要素在城鎮地區集聚會產生集聚經濟和技術進步；從規模上看，人口集聚會擴大城市規模，除了城市建設規模之外，還有消費規模的擴大和升級。按照西方經濟學總供給和總需求的基本理論和分析框架，消費需求拉動供給，供給來自生產。因此，城鎮化環境效應最終落到生產環節的資源消耗和污染排放上（見圖3-4）。

圖3-4 城鎮化環境效應的內在邏輯

可見，研究城鎮化環境效應的作用機理關鍵要抓住三個要點：一是集聚是城鎮化的根本特征，集聚經濟是研究的起點；二是人口集聚通過集聚經濟、知識積累、城鎮規模的擴大，作用于生產和生活消費活動；三是資源消耗和污染排放可作為環境效應的落腳點。

另外，值得一提的是，有必要梳理一下城鎮化環境效應與經濟增長環境效應的關系。一直以來，學術界都很關注經濟發展對環境的影響。從經濟現象上看，追求經濟的快速發展導致資源過度消耗和污染排放。因此，不能脫離經濟增長來研究環境。實質上，經濟增長的本質是消費需求的增長，是消費刺激產出的增加。這從本質上就可以把經濟增長作為消費和產出的函數來研究其對環境的影響。從城鎮化帶動全社會消費需求增長的邏輯推演上，研究城鎮化對環境的影響，實質上已經把經濟增長問題內生進來。近年來，也有不少實證研究證實城鎮化和經濟發展具有長期的均衡關系，特別是城市建設用地的擴張更能推動經濟增長和加速城市化進程。[19]因此，城鎮化環境效應研究，一是不否定經濟增長對環境的影響，二是經濟增長是城鎮化環境效應的內生因素。

（二）城鎮化環境效應的機理模型

城鎮化環境效應的形成機理，是指城鎮化過程中各要素變化及其相互作用導致環境變化的基本作用原理，是城鎮化進程影響環境系統及其結構變化的基本路徑。實質上，城鎮化進程中環境系統變化的各種驅動因子并不是獨立起作用的。一方面，各類因子之間存在相互影響與作用的關系；另一方面，各類因子同時驅動環境系統的變化。為此，需要在梳理各類因子相互關系的基礎上，建立城鎮化環境效應的機理模型。

1.建模思路

首先，在城鎮化驅動環境變化的邏輯基礎上，借鑒日本管理學家石川馨（Kaoru Ishikawa）提出的魚骨因果解析圖（Fishbone-Cause & Effect Diagram）[20]對城鎮化驅動環境效應的因子系統進行梳理（見圖3-5）。這里將知識積累、產業演進、規模增長和集聚效應作為城鎮化驅動環境變化的主要因子。顯然，驅動環境變化的城鎮化因子具有層級性和多樣復雜性的特點。

圖3-5 城鎮化環境效應的魚骨因果解析概要

其次，根據1956年美國福瑞斯特（Forrester）教授創立的系統動力學（System Dynamics）分析思想[21]，把相互區別但相互關聯和具有影響關系的城鎮化環境效應驅動因子構成一個綜合的動力系統集，其中每個單一驅動因子為一個子系統。這里，假設驅動力系統集為U，子系統為u_i，則t時的驅動力系統集可記作：

從理論上看，每個子系統發生作用應該存在一定的干擾項，記作ε_i，則t時的干擾項系統可以記作：

每一個子系統的干擾項至少來自三個方面：一是系統外的干擾，如非城鎮化的因素、自然因素、偶發因素等；二是子系統之間相互作用下各子系統之間的干擾作用因素，因此任一子系統的發揮都可能受制于其他子系統的作用力大小、方向和速度等；三是環境效應對子系統或系統集的反饋作用力，這主要考慮到環境系統的變化會反過來約束或驅動城鎮化進程。另外，可以令每個子系統的環境效應，即系統的輸出變量為E_i，則環境效應集可以記作：

于是，t時驅動力系統的狀態變量可以表示為：，t時的環境效應輸出變量表達式可以記作：。顯然，驅動力系統的狀態變量和環境效應輸出變量都取決于驅動力集變量、干擾項變量和時間變量。

可見，要研究城鎮化環境效應必須充分考慮三個基本要素：一是子系統驅動力，包括驅動力的方向、大小和作用功能；二是驅動力作用的干擾項，既包括各子系統之間的相互作用關系，也包括其他自然界干擾和未充分考慮和未預料到的一切潛在的可能因素；三是動態的時間變量，每個子系統的作用力方向和大小會隨著時間的變化而發生改變，而且人們對環境福祉有時間上的偏好，在解決饑餓、滿足溫飽的社會發展階段，人們會以犧牲環境為代價謀取生存需求，但當進入小康和富裕社會階段，人們對生存環境或環境福祉就有了更高的追求。為此，可以結合魚骨因果關系圖，根據系統動力學的基本思想，得到城鎮化環境效應機理模型的基本構造思路（見圖3-6）。

圖3-6 城鎮化環境效應機理模型的構造思路

2.D-M-E概念模型

基于系統動力學思想，這里的驅動力本質上是城鎮化的基本過程，在這個過程中，各種要素的變化綜合驅動著環境系統的演變，為此可以將城鎮化進程中的人類活動分解為幾個有機組成的驅動力因子子集。機理就是指城鎮化進程中各驅動力因子對影響環境的具體作用功能和方式。根據圖3-6，城鎮化環境效應機理模型由“城鎮化驅動力”（Drivers）—“機理”（Mechanisms）—“環境效應”（Effects）三要素構成，簡稱D-M-E概念模型。

根據以上分析，城鎮化環境效應的子驅動力為要素集聚、知識積累、產業演進和城鎮規模增長四個方面。要素集聚包括圍繞人口的生產要素和生活要素集聚；知識積累進一步可細分為技術進步、理念創新、制度創新等；產業演進主要是隨著人口消費需求的升級而發生的產業結構的梯級演進；城鎮規模增長集中體現在土地規模、人口規模以及消費規模等的增長上。各個驅動因子之間相互聯系、相互影響、相互制約，并共同作用于環境變化。因此，城鎮化環境效應機理作用是一個復雜的驅動力結構。根據四大影響因子的特點及其對環境的正負效應，總結得到城鎮化對環境系統的機理作用包括以下幾個方面。

一是產業演進的結構功能（Structuring Function）。在城鎮化進程中，由于產業結構的演進，主導產業會發生變化。一般地，在城鎮化初期，農業占主導作用，這一時期環境變化主要來自農耕生產，包括對土地和水等基本資源的占有以及相關農業活動，例如灌溉、施肥等對自然環境帶來的影響。農業活動對環境的影響總體上不大。隨著城鎮化的推進，到了工業和建筑業占主導作用的階段，環境影響相對較大。主要是由于工業生產需要大力開采、消耗自然資源和能源并排放各種廢棄物等；同時，建筑業會改變地質結構以及地貌形態。到了第三產業占主導地位的城鎮化階段，環境影響相對前一階段較為緩和，這一階段主要是生活消費對環境帶來各種影響。可見，城鎮化進程中的產業發展對環境影響具有較為顯著的結構性作用。

二是知識積累的優化功能（Optimizing Function）。一般地，知識積累總是正向作用于環境系統，它對環境系統具有優化功能。這主要包括兩個方面：一是隨著城鎮化的推進，城鎮文明的進步，人類社會文明總體趨于不斷進化，特別是生態文明逐漸形成，有利于環境保護與改善；二是知識積累促進各種創新，包括技術、制度、管理等各個領域的全面進步，從而有益于促進各種生產和生活活動的綠色化進程。當然，人類的知識積累的優化功能在一定階段具有相對性，不排除某些技術進步可能會帶來突發性的環境負效應事件。不過，從整體上看，知識積累驅動環境系統總體趨于優化，有益于環境建設和環境質量的改善。

三是要素集聚的共生功能（Symbiosis Function）。各種要素空間上的集聚是城鎮形成與擴張的基本動因，是城鎮發展的一個基本特征。要素在城鎮地區的集聚帶來人類生產、生活活動在空間上的高度集中，這種集中帶來的環境效應至少包括兩個方面。一是由于各類活動的集中，有利于人口、資金、技術、信息、服務、產業等的集聚，客觀上促進節約利用資源、減少環境污染，同時便于集中防治污染，有利于改善環境質量。二是超過規模或承載力的集聚會引起城市熱島效應、光污染與噪聲污染、垃圾圍城、污染擴散等，人居環境質量被降低。可見，要素集聚在很大程度上會帶來環境正負效應共存。

四是規模遞增的控制功能（Controlling Function）。城鎮人口、消費需求、空間開發以及經濟產出的總規模在一定程度上決定著環境效應的規模，因此城鎮化進程中各種層面的規模對環境系統具有控制作用。一方面，城鎮人口增長、土地擴張、產出增加、消費擴張要求向環境系統索取更多物質能量，加大資源能源消耗與廢棄物排放，從而增加對環境系統的影響。另一方面，經濟規模的增長是人類富裕程度的一個重要衡量指標，隨著城鎮化的推進，促進社會物質形態從較為貧困逐步向相對富裕過渡，人類需求從滿足最初的基本生存需求（主要是物質滿足）到追求全面發展（包括生態安全和福利要求），而富裕型社會有更多生存剩余用于環境建設和環境質量改善。可見，規模總量對環境系統的變化具有較強的控制功能，最佳控制效果是同時實現最小化的環境負效應和最大化地滿足總量需求。

為此，城鎮化過程可以分解為要素集聚（Element Aggregation）、產業演進（Industrial Evolution）、知識積累（Knowledge Accumulation）和規模遞增（Scale Increasing）四個相互作用的驅動力，每個因子對環境系統發揮著自身的功能，共同驅動環境變化（見圖3-7）。這四大功能之間存在著錯綜復雜的關系，相互強化和制約，共同作用于整個環境系統。其中，環境效應變化有兩個層次。一是從效應結果看，有正效應變化和負效應變化之分，相應地驅動著環境質量的惡化和環境質量的改善。二是從影響層面上看，城鎮化驅動環境效應通過資源消耗、污染排放、環境公害以及資源集約、污染治理、環境建設等多個層面引起環境系統的變遷。總體上，在任何一個時段上，環境效應都有一個總體表征，即相對于過去環境原貌發生怎樣的變化，或者環境質量是改善還是惡化。

當然，環境系統的演變也會反作用于城鎮化進程，例如，資源約束（“資源詛咒”）、環境容量制約等反饋作用于城鎮化進程。與此同時，人類會對環境變化有各種反應措施，例如，改變發展模式、促進科技發展、突出生態文明、倡導綠色消費、健全法律法規等。本研究的側重點在于城鎮化如何驅動環境效應變化，對于環境效應的約束（Restriction）或反饋（Feedback）作用以及人類對城鎮化環境效應的反應（Response）可作后續研究予以深化。

圖3-7 城鎮化環境效應的D-M-E機理模型

3.驅動因子的相互關系

研究城鎮化的環境效應不能孤立地只看某一個驅動因子對環境的變化過程。實質上，作為人口活動的變化過程，城鎮化有其自身的基本規律，在這個規律下各環境驅動因子相互強化、相互制約。

首先，人口向城鎮地區集聚推動了城市土地開發，擴大了城市規模；各種人才和信息的集聚進一步促進了專業化和知識積累以及人類文明的進步；正是由于城市規模的擴大和知識積累的作用，全社會的消費需求進一步擴大并不斷向高級化升級；需求的擴大和升級拉動了社會供給，即二、三產業的發展和向高級化演進。

其次，產業規模的擴大和產業結構的升級，可以進一步刺激消費需求、不斷引導新的消費熱點并促進消費升級；由于人類高級化的需求不斷得到滿足，促進了人的發展，進而有利于知識積累；產業演進、消費升級、知識積累等進一步形成對非城鎮人口的吸引力，加速城鎮化進程（見圖3-8）。對應地，相互強化關系表明各環境因子之間同時具有相互制約關系，例如，知識積累緩慢就不利于產業結構的高級化進程，也就滿足不了消費升級的需求，產業結構調整和升級滯后會阻礙消費升級以及要素集聚的高級化等。另外，經濟增長因素包含在知識積累、城市規模增長、消費擴大與升級以及產業規模的擴大和結構演進的過程中，即把經濟增長內生到城鎮化驅動力系統中，不再另行考量。

圖3-8 城鎮化環境驅動因子之間的強化關系

4.機理作用的階段性

在城鎮化進程中，各個環境驅動因子共同起作用，為此結構、共生、優化和控制功能相互交錯和互為影響。在城鎮化的不同階段，由于各驅動因子的作用力不一樣，其驅動環境演變的作用功能及強度也具有階段性差別。例如，國外有學者研究發現，根據生態現代化城市的基本理論，通過市場機制促進技術進步具有遏制碳排放的作用，但是這個方法只適用于高收入的發達國家，對于中低收入水平的后發國家而言，發展生態現代化城市作用力很小，無法達到預期目標。[22]實質上，由于高收入國家一般都已進入城鎮化的后期階段，現代化程度較高；處于城鎮化初期或中期階段的經濟體、國家或地區，其消費結構、消費規模不同于發達國家，并且環境建設能力、技術水平很有限，因此建設生態現代化城市較為困難或者不符合經濟社會發展的階段需求。由于機理作用力方向和強弱的階段性或稱作動態性，第四章將重點討論為研究城鎮化環境效應的變化趨勢提供研究的切入點。