城市群地区产业集聚的生态环境效应研究进展，本文主要内容关键词为：研究进展论文,生态环境论文,效应论文,城市群论文,产业集聚论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
修订日期：2008-05.
1引言
城市群是城市化的高级空间组织形式。它是在特定的区域范围内具有相当数量的不同性质、类型和等级规模的城市，依托一定的自然环境条件，以一个或两个超大或特大城市作为地区经济的核心，借助通达的交通运输和信息网络，共同构成的在各城市之间具有密切经济、社会联系的一个相对完整的城市“集合体”[1]。随着我国城市化的快速发展，市场发育的逐渐完善和城市之间竞争合作需求的日益迫切，城市群已经开始成为推动我国经济和城市化发展的重要的地域空间组织形式。产业集聚是城市群发展的深层动力，它通过规模效应、集聚效应、关联效应和扩散效应的发挥，在城市群各节点城市之间分工协作，形成区别于其他区域的联系紧密的产业体系，推动城市群发展和成熟。因此城市群产业集聚的研究一直是学者们关注的热点研究领域，对其特征、动力机制、影响因素、外部经济效应以及空间格局进行了较为深入的研究。近年来，随着城市群生态环境问题的日益凸现和环境对城市群刚性约束作用的日益明显，城市群地区产业集聚的生态环境效应逐渐受到人们的关注，研究城市群地区产业集聚与生态环境的相互作用关系，明晰城市群地区产业集聚对生态环境的作用机理，探讨城市群地区产业集聚的生态建设途径，对于资源节约和环境友好型城市群的建立和城市群地区整体竞争实力的提升都具有重要的理论和现实意义。
2城市群地区产业集聚生态环境效应研究的主要领域
2.1城市群地区生态环境问题诱因认识
学者们普遍认为城市群地区大部分生态环境问题与产业的快速发展有关，产业集聚是造成城市群地区水资源短缺、土地占用、土壤退化、大气污染、生物多样性减少等一系列生态环境问题的主要原因之一。Virkanen认为芬兰南部地区工业集聚是造成波及水环境和大气环境重金属污染的主要原因[2]，Frank等研究认为欧盟200多个城市密集区空气质量的变化与该地区产业的规模化集聚具有很高的相关性[3]，Duc等研究表明越南河内Nhue河的严重污染由该地区城市工业的快速发展带来的含有有机碳、磷和氮的高污染废水排放导致[4]，盖文启认为劳动力和资本密集型产业主导的产业结构造成了我国沿海地区城市群发展的高耗能和重污染，而城市群内部各城市工业结构的趋同化则带来了资源的不合理利用和环境污染叠加等生态环境问题[5]，王树功等认为长江三角洲城市群的集聚效应和产业空间布局的不合理，造成了城市群地区水、土等自然资源短缺和环境污染日益严重，城市群生态安全受到威胁[6]。正是国内外学者对城市群地区产业集聚带来的生态环境问题的日益关心，促使城市群地区产业集聚的生态环境效应研究不断深入，城市群地区产业集聚对生态环境的作用机理、城市群地区产业集聚的生态环境响应过程、城市群地区产业集聚生态化建设等相关领域研究才得以逐步开展。
2.2城市群地区产业部门的生态环境响应评价
产业部门的生态环境效应研究一直是学者们研究的传统领域。不同产业具有不同的资源环境要素需求、生态环境影响边界、影响强度和作用方式，康晓光等据此对产业进行了基于环境属性的类型再划分，以界定不同产业的环境需求和环境压力(图1)[7]。在城市群产业结构不断优化升级和产业演进重组的背景下，明晰城市群地区不同产业部门的生态环境影响机理，评价不同产业部门的生态环境响应具有重要意义。根据城市群产业发展演进路径，目前的研究分为三类：第一类是种植业、林业、畜牧业、渔业等为主的第一产业发展对生态环境影响的评价分析[8～11]；第二类是对采矿业、化学、电力等工业和交通运输业发展的环境污染和生态破坏进行研究，由于城市群发展过程中地区工业和交通运输业发展迅速，对资源、能源的消耗量大，排放的废弃物多，因此它们与生态环境交互作用最为强烈和复杂，这一类研究涉及行业多、生态环境要素波及范围广、研究手段丰富、研究成果多[12～16]，主要是对不同发育阶段城市群地区及其节点城市不同工业部门对大气、土壤、河流、气候变化等生态环境要素的影响进行分析评价；第三类是针对旅游业为主的绿色新兴产业的生态环境影响分析，研究认为游客流量、旅游设施、旅游路线、交通条件等是旅游业发展和生态环境变化的主要影响因素，过度的旅游开发会对区域声环境、水环境、生物环境和游客感知环境等造成不良影响[17～19]。产业部门生态环境效应的研究将城市群地区产业集聚要素进行了分解，试图探讨产业集聚要素与生态环境要素之间的一一对应关系，使城市群地区产业集聚的生态环境效应研究开始具有系统化的特征。
2.3城市群地区产业结构与生态环境的关系剖析
学者们一致认为城市群地区产业结构变动是产业集聚作用于生态环境的重要环节，对生态环境具有重大影响，并对此进行了大量研究。如徐颂等从产业集中度、产业规模发展、企业素质、产业组织等方面分析了珠江三角洲产业结构调整对生态环境的影响机理[20]，张晓东等从资源环境对产业结构的制约作用出发，构建了产业结构指数、经济效益指数、资源供需指数、资源效率指数和环境承载力指数对区域产业结构的生态合理性进行了评价[21]，彭建等分析了不同产业类型对生态环境的影响机理，构建了区域产业结构生态环境影响指数，对云南省丽江市区域产业结构变动的生态环境综合影响进行了定量分析[22]，并且研究逐步由定性分析向定性和定量分析相结合的方向发展[23]，广泛采用指标构建、灰色关联分析、协调度模型、投入产出模型、系统动力学模型等对城市群地区产业结构和生态环境之间的因果关系、产业结构对生态环境的影响机理和效应进行了较为深入的探讨[24～29]。但已有的研究专注于城市群地区或节点城市不同行业组合和比例关系对应的不同生产行为、发展速度和发展规模的生态环境影响分析，而考虑城市群整体产业空间特性、基于城市群各节点城市产业分工协作体系的生态环境效应研究较少。
2.4城市群地区产业空间集聚格局的生态环境影响研究
城市群地区产业集聚带来的产业地域分工和空间重组与生态环境变化也有密切的相关性。研究认为，城市群各种经济活动为获取外部经济和规模效益而在城市群内部各不同等级城市间和各城市内部的转移、重组和再分布过程对生态环境具有重要影响。研究内容侧重于产业规模变动、布局变化和空间重组对土壤、大气、水、生物、植被、人类健康以及景观生态等的影响评价。如Braat等通过构建生态-经济模型，分析了工业规模扩张和生态环境的协调程度[30]，Verhoef等在构建空间平衡模型分析环境保护目标与集聚经济关系的基础上，认为工业的集聚分布在推动城市发展的同时，导致了城市居住区环境污染的空间分异[31]，Ren等采用相关分析法分析了1947-1996年上海市水质与土地利用变化之间的关系，研究表明城市土地利用肯定与水质的下降有关，同时水质中接近94％的污染物质都是由工业用地快速增加造成的[32]；Zhang等通过指标体系构建分析了自1990年以来上海市工业改造和布局调整与生态环境及人类健康之间的相互关系[33]，王念棋等认为合理的工业布局是协调工业发展和环境污染的重要措施，并建立工业布局的环境效应评价模型，对北京市工业布局的环境影响进行了评价[34]；龚兆先分析了城乡边缘带工业空间格局与城市景观生态建设的关系[35]。
2.5城市群地区产业集群建设的生态环境效应分析
进入20世纪90年代，产业集群以其竞争优势逐渐成为城市群地区产业集聚的重要空间组织形式。它的出现不仅掀起了产业集群外部经济效应、竞争优势和创新关系的研究，更引起了学者们对其生态环境效应研究的兴趣。大多数学者普遍认为，在产业集群形成的初期，产业间联系松散、产业链短，企业间关联度低，网络化的紧密协作生产关系尚未形成，一般难以形成生态化组织的路径，因而会表现出发展持续力不够的问题，产生水体破坏、酸雨增多、土壤污染严重、环境破坏及食品安全等生态环境问题[36]。随着产业集群的不断高级化，产业之间的深度合作分工形成，受到的环境管制压力也日益增强，产业的生态环境负效应如资源高耗、污染严重等问题，都会因为物质循环、生态效率提高而缓解，对环境的影响表现为有限的能量与资源耗费和有限的废料排放。到产业集群发展的高级阶段，则形成了完善的资源利用网络，并且知识和技术发挥了主要作用，污染物产生量减少，即使有排放也能够成为另一成员的“食物”加以利用，生态环境影响达到最小，生态效率实现最大化(表1)[37]。借助于产业生态学、环境科学等相关学科的研究基础和研究方法，城市群地区产业集群建设的生态环境影响定量分析逐渐增多[38～40]，但目前研究还主要停留在其生态环境效应分析、生态化建设路径探讨等方面[41～44]，同时现有的研究对于立足企业组织、产业关联、网络协作、技术创新、制度创新等产业集群特性的生态环境影响机理探寻还不够，有待今后继续深入。
2.6城市群地区产业集聚与生态环境协调发展对策探讨
城市群地区产业集聚对生态环境的深刻影响，使城市群处于经济发展与环境优化的“两难”境地，城市群的健康、持续发展面临严峻挑战，因此探讨城市群产业集聚的生态化对策，寻找产业集聚与生态环境协调发展的途径，成为人们关注的焦点。已有的研究从政策保障、产业升级转型、产业结构调整、产业建设实践等方面对该问题进行了多角度探讨。Camagni等认为城市中环境问题破坏着有关集聚经济的所有优势，并提出了整合“自然、人造和社会”环境的政策框架[45]，蒋志学认为限制城市群高能耗、重污染行业，加快第三产业和科技先导型产业的发展，引导产业空间合理布局，是实现城市群可持续发展的重要途径[46]，马建会从加速产业技术创新，推行清洁生产，发展循环经济和建设生态产业等方面提出资源环境约束下珠江三角洲工业增长模式的改进对策[47]，冯薇认为应以“3R”原则为指导，将产业集聚与生态工业园建设相关联，运用循环经济发展方式引导产业集聚，并提出不同类型、地区产业生态集聚和生态工业园建设对策[48]。
表1 产业集群的发展阶段及其生态特征
Tab.1 Development stage and ecological characteristics of industry cluster
资料来源：顾强(2006)，有修改。
3城市群地区产业集聚的生态环境效应研究的主要方法
目前，回归分析、相关分析、主成分分析、遥感GIS空间分析、系统动力学模型、计量经济模型等定量分析手段已经广泛应用于城市和区域产业集聚的生态环境效应研究中，为城市群这一特殊区域产业集聚的水、土、大气及生态响应过程综合分析、城市群产业生态环境影响动态模拟、城市群产业生态集聚趋势预测等提供了重要的研究手段。从发展趋势看，今后城市群地区产业集聚的生态环境效应研究方法和手段还将日益丰富和灵活，经济学、生态学、社会学、环境学、地理学等多学科的方法都将在该领域得到应用。
3.1能值和生态足迹为主的生态环境效应评价方法
能值分析是以能值作为标准，将系统中不同类别、不同等级的能量流转换为统一标准(太阳能值)进行评价的方法，它突破了能量分析在数量研究上长期难以攻破的“能质壁垒”，实现了不同能量等级上不同质能量的统一度量[49]，为生态经济系统的定量研究开拓了新的途径。生态足迹是指在一定技术条件下，维持每个人某一物质消费水平并持续生存必需的生物生产性土地面积[50]。它通过测量人类对自然生态服务的需求与自然所能提供的生态服务之间的差距，来衡量人类对生态系统的利用状况，从而在地区、国家和全球尺度上比较人类对自然的消费量与自然资本的承载量[51，52]。这两种方法已被广泛用来研究区域产业集聚过程中部门发展、产业结构对生态环境的影响分析和评估当中。如Brown等采用能值分析方法评价了电力产业发展对生态环境的影响[53]，段晓峰等对黄河三角洲地区环境经济系统的可持续性进行了能值分析[54]，Gossling等通过计算生态足迹分析了旅游业发展对生态环境的影响[55]，刘建兴等分析中国1961-2001年三次产业生态足迹的结构变化与经济发展之间的关系[56]。能值和生态足迹的分析方法为定量评价城市群地区产业集聚的生态环境效应提供了一个统一的平台，它可以给出产业发展过程中的环境贡献与资源利用可持续的信息[57]，但是这两种方法对于研究范围没有明确的指向，不能反映城市群研究边界的特殊性，只能反映城市群地区产业集聚系统层面的能量变化，而对于不同产业活动集聚要素、集聚结构和集聚方式构成的生态环境影响未加考虑，因此它只能做影响评价，而不能从系统内部深入地为城市群地区产业集聚的生态环境影响表象做出机理性的解释。
3.2系统动力学模型和人工神经网络为主的仿真模拟方法
产业与生态环境共同构成了具有生产、消费、流通、还原、调控等社会经济功能、生态服务功能的复杂产业生态复合系统。目前，能够便捷模拟非线性多重反馈复杂系统的系统动力学模型和可记忆客观事物复杂时空关系的人工神经网络在区域产业集聚的生态环境效应研究中已得到普遍应用。如Saysel等采用系统动力学方法对干旱区城市农业发展及其水资源需求对生态环境的影响进行了深入分析[58]，李林红通过建立环境经济系统SD模型，对滇池流域城市工业发展和环境质量相互作用的反馈机制进行了仿真模拟[59]，李双成等采用人工神经网络对环渤海地区产业系统和生态系统的协调发展进行了分析[60]。
可以看出，从全局角度出发，运用系统动力学模型和人工神经网络模型，是认识和掌握城市群地区产业生态复合系统结构并进行模拟调控的重要手段。但应当注意到系统动力学模型和人工神经网络的有效应用是建立在对于系统间或系统内部要素间复杂相互关系和交互作用机理深刻认识的基础之上，因此只有加强基于城市群空间结构产业集聚与生态环境相互作用机理的研究，深入探讨城市群产业系统中产业集聚扩散、分工协作与生态、环境、资源等各因素实质性耦合作用机理，才能针对城市群产业集聚特性，在模型构建框架、反馈流程等方面给予精确模拟和计量。
3.3投入产出法为主的交互作用关系分析方法
自20世纪70年代开始，用于研究部门经济活动相互联系的投入产出模型开始被用于研究区域产业关联、经济结构、部门联系等引起的环境问题，成为分析生产活动集聚与污染物排放、资源开发利用关系的有效手段。环境经济投入产出模型的原理是在传统投入产出表的基础上，根据研究需要，在投入栏和产出栏增加相应的资源消耗、废物产生和废物治理栏目，通过计算和考察各个部门对资源、能源的直接消耗系数、完全消耗系数、废物直接排放系数、完全排放系数、治理废物的产生系数、治理废物的消耗系数以及产业部门的调入产出情况，研究产业结构和环境变化之间的关系，确定环境目标下经济发展阈值，协调经济发展与环境保护之间关系以实现对生产水平和废物治理的最优控制。
环境经济投入产出模型主要包括四种类型：①考虑废物产生和治理的投入产出模型[61，62]；②考虑资源消耗的投入产出模型[63]；③同时考虑资源消耗和污染排放的投入产出模型[28]；④部门环境经济投入产出模型，用于进行特定行业如冶金、化工等重污染企业生产活动的环境影响评价[64]。
从应用实践可以看出，投入产出模型对于城市群地区产业结构、产业集聚规模与生态环境之间的交互作用关系和部门变化对环境系统的压力和质量影响可以进行有效分析，但由于细分行业的投入产出数据不容易获得，有关环境的数据较难获取，使模型应用有一定局限性。
3.4以灰色系统分析和多目标规划为主的情景预测方法
灰色系统分析模型和多目标规划方法是区域产业集聚、生态环境关系分析和模拟预测的重要方法。如于法稳等采用灰色关联分析方法研究了重庆主导工业对环境质量的影响程度、对资源的依赖程度、各工业行业的产出对资源投入的反映程度和对各类污染物产生的影响程度[65]，郭平等采用灰色关联模型对我国环境危险废物排放因素进行分析，并用灰色预测模型对其未来产生量进行了预测[66]。晏晓林等将多目标规划和系统分解协调优化方法相结合对区域工业结构与环境质量进行了双向耦合优化研究[67]，胡应成等采用多目标规划方法，以产值为决定变量按照污染增加率的不同变化设计方案，对环境目标约束下的广州市番禺区工业结构优化调整进行了研究[68]。
城市群地区产业集聚和生态环境相互关系的复杂性和不确定性使灰色系统方法和多目标规划法在研究中具有重要的应用价值。采用灰色系统分析法可以从离散的数据中建立连续的动态微分方程，通过灰色关联分析、灰色预测等方法，分析评价城市群地区或节点城市产业活动和资源、环境的动态关系，对二者的发展趋势进行模拟预测，为产业选择、经济发展、资源环境规划、污染防治等提供决策支持，而采用多目标规划法则可以在同时考虑产业集聚经济效益和生态环境保护目标的基础上，对城市群及节点城市产业集聚的最优状态进行求解，为城市群地区产业的规模发展和合理布局提供理论借鉴。
4城市群地区产业集聚生态环境效应研究的薄弱环节与展望
4.1研究的薄弱环节
综上可知，国内外学者对城市群地区产业集聚的生态环境效应研究已经进行了大量的理论总结、方法探索和实证研究。从节点城市到城市群整体、从企业规模到产业布局、从产业部门到产业结构，从时间到空间全面分析评价了城市群地区产业集聚的不同生态环境要素响应；验证了城市群地区产业集聚与生态环境变化之间的相关性和因果关系，初步从部门要素、产业结构、空间格局、规模效益等方面探讨了城市群地区产业集聚对生态环境的影响规律，为今后研究的继续深入奠定了坚实基础，然而当前的研究尚未形成独立的理论体系，仍然存在以下几个薄弱环节：
(1)理论研究欠缺。首先已有的研究重产业集聚的生态环境要素外部响应研究，轻产业集聚要素结构以及空间布局的生态环境影响机理分析，重产业集聚与生态环境的因果关系确认，轻产业集聚与生态环境的相互作用规律剖析，并且定性研究多，定量分析少，实证研究多，规律总结少；其次已有的研究或注重于城市群地区节点城市产业的生态发展，或注重城市群整体生态环境变化的评价，没有基于城市群研究边界和空间结构的特殊性，得出具有城市群特性的产业集聚与生态环境的作用关系，如对不同发育阶段、不同类型城市群产业空间结构的生态环境影响机理，城市群内部节点城市产业演进升级、分工协作的生态环境响应等均没有进行研究，研究尚未形成体系，理论基础薄弱。
(2)方法应用有限。城市群地区产业集聚和生态环境相互关系的复杂性，使目前已有模型的应用都较为抽象简单，大多将城市群地区作为一个普通区域进行研究，而忽视了城市群产业集聚的特殊性，虽然规避了对城市群地区产业集聚和生态环境关系认识的不足，但同时也造成了模型对二者相互关系刻画薄弱，研究结果精度低等问题。
4.2研究展望
从国内外发展趋势来看，今后的研究将从以下四个方面加强和深入：
(1)理论研究进一步深入。建立具有专属性质的理论体系是城市群地区产业集聚生态环境效应研究继续深入的必然趋势和客观要求。随着研究的深入，将构建城市群地区产业集聚与生态环境相互作用的关系框架，从微观、中观和宏观三个层面，从企业、部门和产业多个角度深入探讨二者交互影响的因素、机理和规律。另外，基于城市群空间结构特性的产业集聚空间维度的生态环境效应研究将会越来越受到重视，集聚空间结构、网络化生产空间和专业化分工格局对生态环境的影响是今后学者们关注的重要领域。
(2)多学科融合发展态势强化。城市群地区产业集聚的生态环境效应研究涉及城市群、产业和生态环境多个复杂系统，研究的时空跨度大，领域广，研究对象关乎经济、地理、生态、环境等诸多要素，研究中既要考虑产业集聚在城市群空间演进中的作用机制，又要分析产业集聚与生态环境的相互作用关系，既要保证城市群产业集聚经济效益的最大，又要实现城市群产业集聚生态环境效益的最优，依靠单一学科得到的穷其变化的分析结果和机理研究总是挂一漏万的，因此必须综合地理学、经济学、生态学、环境学、社会学、系统学等多学科的理论与知识，各学科相互借鉴、融合发展，才能促进城市群地区产业集聚生态环境效应研究的不断深入。
(3)研究方法继续不断丰富。首先，采用系统动力学、协同论、控制论、耗散结构理论等的方法和模型可以对不同产业集聚情景下的生态环境效应进行综合评价，对城市群地区产业集聚与生态环境的耦合演化过程进行动态模拟，对生态环境约束下的产业集聚格局进行空间优化，对产业集聚与生态环境协同发展途径进行探索，其次基于RS、GIS和GPS综合集成技术，可动态监测、可视化分析城市群地区产业规模扩张、空间结构变化和生态格局演变，有助于更直观、深入地了解城市群地区产业集聚与生态环境的相互关系。
(4)应用研究将广泛受到关注。随着城市群地区产业集聚和生态环境矛盾的不断加剧，建立在理论研究基础之上的综合性应用研究将成为今后的热点。从区域角度来看，未来的研究不应仅停留在城市群地区产业集聚空间优化布局、产业生态化建设、生态产业链构建和生态产业园的建设等方面，更要从产业集聚对生态环境的作用机制和规律等方面把握问题的症结，在区域乃至国家产业发展政策、技术政策、布局调整政策、准入政策制定中国家和合作机制构建等方面指导城市群产业集聚的生态化建设发展。
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