Scientia Geographica Sinica  2015 , 35 (4): 419-426

Orginal Article

基于DEA和Malmquist的中国城市代谢效率研究

陈雪婷1, 宋涛2, 蔡建明2, 李玏23, 邓羽2

1. 东北师范大学地理科学学院,吉林长春130024
2. 中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101
3.中国科学院大学,北京100049

The Chinese Urban Metabolic Efficiencies Based on the DEA and Malmquist

CHEN Xue-ting1, SONG Tao2, CAI Jian-ming2, LI Le23, DENG Yu2

1. School of Geographical Science, Changchun, Jilin 130024, China
2. Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100101, China
3. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049, China

中图分类号:  F290

文献标识码:  A

文章编号:  1000-0690(2015)04-0419-08

通讯作者:  宋 涛,博士。E-mail: songtao@igsnrr.ac.cn

收稿日期: 2014-01-25

修回日期:  2014-04-9

网络出版日期:  2015-04-20

版权声明:  2015 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献,在以下情况下可以自由使用:学术研究、学术交流、科研教学等,但不允许用于商业目的.

基金资助:  国家自然科学基金项目(40971100)资助

作者简介:

作者简介:陈雪婷(1982-),女,黑龙江哈尔滨人,博士研究生,主要从事人文地理学及旅游地理研究。E-mail:chenxueting000@126.com

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摘要

运用物质流、数据包络分析(DEA)及Malmquist指数对中国31个案例城市进行了城市代谢效率的研究。通过将城市代谢系统社会经济产出、环境非期望产出及水、电、化石能源、金属矿物、建筑材料、食物等投入部分纳入进DEA和Malmquist指数中,测得了案例城市的2000年、2010年代谢效率及变化趋势。研究结果发现,中国城市代谢系统效率总体相对较高,尤其是东中部地区城市的综合效率、纯技术效率和规模效率要高于西部地区城市,大城市的代谢综合效率高于巨型、超大和特大城市。2000~2010年,城市代谢综合效率、纯技术效率等所有效率指标的均值均呈现出下降趋势,但是中、西部地区城市的综合效率和纯技术效率却呈改善趋势,并且特大和超大城市的综合效率高于巨型城市。

关键词: 城市代谢效率 ; 物质流分析 ; DEA ; Malmquist指数 ; 中国城市

Abstract

Urban metabolic systems are co-evolution systems of the urban economic development, the natural environment and the social environment. In this article, 31 Chinese cities′ metabolic efficiencies are tested by the material flow analysis, data envelopment analysis (DEA) and Malmquist index. Inputs and outputs of urban metabolic systems in 2000, 2010 are measured in the DEA and Malmquist index, such as economic output, environmental undesirable output, water, electricity, fossil fuels, metallic minerals, building materials, food and other inputs. Chinese cities metabolic systems have relatively high overall efficiencies, especially cities in the Eastern Coastal and Central China, with higher pure technical efficiencies and scale efficiencies than the western cities. In 2000, Tianjin, Haikou and other six cities reached the DEA optimal; while in 2010, seven cities reached the DEA optimal. The overall metabolic efficiencies of such highly developed cities as Beijing, Shanghai, Nanjing, Suzhou and other cities have maintained a relatively high level, with the average reaching more than 0.5. While the least efficient cities, Fuzhou, Chongqing and et al., have not improved significantly during the last decade. Large cities have better performances in urban efficiencies than that in giant, large and extra large cities. Since 2000 to 2010, the overall urban metabolic efficiencies, pure technical efficiencies and all other efficiency indicators show a decreasing trend, except the overall efficiencies and pure technical efficiencies of cities in the Western and Central China. It is important to take the strategy of resource-conservation and environmental protection to enhance the metabolic efficiencies of Chinese cities. Moreover, the overall urban metabolic efficiencies in large and extra-large cities are better than that in mega-cities, which proves that the moderate expansions of cities should be encouraged and supported in order to highlight scale economies; on the other hand, the government should control the scale of mega-cities to avoid diseconomies of scale. In addition, Most of the cities’ high scale efficiencies are the main reason for the urban better overall efficiency, which reflects the increasing returns to scale in urban metabolic efficiencies.

Keywords: urban metabolic efficiency ; material flow analysis ; DEA ; Malmquist index ; Chinese cities

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陈雪婷, 宋涛, 蔡建明, 李玏, 邓羽. 基于DEA和Malmquist的中国城市代谢效率研究[J]. , 2015, 35(4): 419-426 https://doi.org/

CHEN Xue-ting, SONG Tao, CAI Jian-ming, LI Le, DENG Yu. The Chinese Urban Metabolic Efficiencies Based on the DEA and Malmquist[J]. Scientia Geographica Sinica, 2015, 35(4): 419-426 https://doi.org/

城市代谢系统是城市经济发展、自然环境和社会环境的协同进化系统[1]。城市代谢系统的发展过程中,不同阶段城市社会经济发展与资源、能源开发利用模式的不同选择,导致城市资源环境投入与社会经济发展产出的效率差异巨大。目前中国城市资源环境高度消耗型发展模式所带来的负外部性即是城市代谢系统投入产出效率下降的表现。因而城市代谢系统的研究,强化了城市社会经济发展过程中的资源、能源利用效率的综合测度,有助于进一步揭示城市可持续发展系统的特征和机制,为中国快速、稳妥推进城市化、工业化提供科学支撑。

城市代谢的概念最早由学者Wolman提出(也叫社会代谢、物质代谢)[2],认为城市是一个资源、能源、服务、环境投入而产生经济、社会、环境产出的复合系统。城市代谢效率即为城市代谢系统的产出-投入之比。较高的城市新陈代谢效率意味着城市代谢系统通过较少的资源、能源、人力及环境要素投入而获得较高的综合产出。

对于城市代谢的研究,学者们集中于物质流[3~6]和能值[7~9]视角下的城市代谢系统指标研究。能值分析法理论上能将所有物质、产品统一折算成能量(通常为太阳能)来进行系统的要素解析,但实际中,能值转换率等关键指标的可信度和可参照性在城市代谢系统的研究中借鉴意义有限。而物质流分析法对于城市代谢系统要素的统筹与归纳,能全面和系统地展示了城市代谢要素的流动和聚集[6],因而本文选择物质流分析法来统筹城市代谢系统的投入与产出要素。数据包络分析(DEA)是使用数学规划模型来评价具有多个输入和输出部门或单位间的相对有效性的系统分析方法[10],目前已经在区域资源、环境利用效率评测的研究当中广泛应用[11,12] 。数据包络分析能很好地减少确定权重时的主观因素[13],但目前仍鲜有学者将其应用于城市代谢效率的研究当中。本文从物质流投入产出的视角,借鉴DEA 模型和Malmquist指数对中国31个城市的代谢效率进行系统研究,以期为我国城市可持续发展政策制定与调整提供依据。

1 研究方法及数据

1.1 DEA模型

DEA在城市代谢系统效率研究的本质是将城市(或区域)作为实际决策单元(DMU),与所有城市的最佳前沿面(Pareto 最优)进行比较,从而得到各自效率的测度[12]。考虑到城市代谢系统发展过程中投入要素的可控性及规模效应,本研究采用DEA中的投入导向BCC模型:

式(1)中, ρ为DMU 的效率指数,X Y 为决策单元的投入产出矩阵,x0 y0分别为待评单元的投入与产出向量,xi0 yr0x0 y0 的元素;mk分别为投入、产出要素种类,l为列向量。S- S+分别代表松弛投入量(投入冗余量)和松弛产出量(产出冗余量),Si-为松弛投入S- 的元素, Sr+为松弛产出S+的元素。

通过DEAP软件对上式的处理结果中包含综合技术效率(对城市代谢资源配置效率的度量,可简称综合效率,用C 表示)、纯技术效率(反映特定生产技术水平决定的投入要素利用程度,用V 表示)、规模效率(考虑了规模效应存在情况下实际生产状态的投入要素利用程度,用S 表示),三者的值介于0~1。当其值为1时表示城市代谢系统的该DMU 已处于效率最优状态; 反之则说明当前处于非效率最优状态,目前存在着要素投入冗余或产出的不足,且其值越小说明偏离效率最优状态越严重[12]。通过上述公式,DEA方法可以测度出同一时期决策单元的静态效率,在DEA基础上的Malmquist指数则可以对决策单元不同时期的面板数据进行计算,进而得到决策单元效率的动态变化趋势[14]

1.2 Malmquist指数

Malmquist指数是DEA模型中用以客观衡量技术效率变动、技术变动和全要素变动之间的关系的测度方法[15]。依据参考文献[12,16],TFPC指数即是基于DEA方法的Malmquist生产率指数,反映城市代谢系统全要素生产率的变化程度,并可分解为城市代谢系统技术效率变化指数(EC)和技术进步变化指数(TC)。其中技术效率变化指数(EC)可进一步引申为纯技术效率变化指数(PTEC)和规模效率变化指数(SEC)的乘积:

式中,城市代谢系统技术效率变化指数(EC)衡量城市代谢系统是否达到了资源配置最优,是城市代谢效率的综合指标。技术进步变化指数(TC)刻画了系统生成技术改善的程度。纯技术效率变化指数(PTEC)衡量DMU无效中纯技术无效率的比例,规模效率变化指数(SEC)则判断DMU是否达到了最优规模效应,这些指标的具体构成见下式:

式中,(Xt, Yt)、(Xt+1, Yt+1)分别为时间tt+l的投入产出向量;DctDct+1分别为基于规模报酬不变的时间tt+l的距离函数,即决策单元(x,y)的实际产出向最优产出的压缩比例。而DvtDvt+1则为基于规模报酬可变的时间tt+l的距离函数。

总体而言,通过集成纯技术效率变化指数(PTEC)、规模效率变化指数(SEC)和技术进步变化指数(TC),城市代谢系统的综合效率变化指数(EC)可以系统表征城市代谢系统投入要素资源的配置水平、规模集聚水平和综合产出效率等。若EC>1,表示城市代谢效率有所提高;若EC=1,表示综合效率维持现状:若EC<1,表示城市代谢效率降低。

1.3 物质流视角下的城市代谢框架

物质流分析法(Materials Flow Analysis,简称MFA)以质量守恒定律为基本依据,研究社会经济系统的物质输入、贮存、输出三大过程的流动特征和转化效率[3]。对于城市代谢系统的研究,物质流分析法能对物质从采掘、生产、转换、消费、循环使用直到最终处置进行系统结算,从而全面刻画了城市代谢系统的物质循环流程。其分析的物质可包括元素、原材料、建筑材料、产品、制成品、废弃物及向空气和水里的排放物等[17]。物质流分析作为人类经济社会活动中物质资源新陈代谢的一种方法,强调将物质间的差异性转化为同一种单位的生态影响[18],始于20世纪中叶,目前已被广泛应用于香港[19]等案例城市的研究当中。

城市代谢系统是一个多输入多输出的复杂开放系统。输入社会系统的物质流一方面成为该系统内部的物质净存储,如基础设施和耐用产品等;另一方面经过单位统计时段(在计算中以年为单位)的消费,成为通过系统边界返回到自然环境中的废弃物和排放物;此外还有一部分物质通过系统边界调出到其他国家和地区[20]。在本文的研究中,基于DEA和物质流分析的城市代谢系统为简化和抽象的巨系统,并且考虑到不同案例城市间数据的可比性,并未对隐藏流进行计算。城市代谢系统输入部分的计算借鉴了城市物质流分析中的直接物质输入概念,并且简化为水、电、化石能源、金属矿物、建筑材料、食物和调入燃料6部分。输出部分则抽象为经济社会发展产出和环境类非期望产出,固体废弃物、废水和废气组成的环境类非期望产出通过倒数的方式纳入到DEA模型中进行处理,见表1

表1   物质流视角下的城市代谢输入、输出框架

Table 1   The inputs and outputs of urban metabolic systems based on MFA

输入类别输入代表单位输出类别输出代表单位
年用水量108 t经济社会发展人均GDP元 /人
年用电量108 kwh环境非期望产出固体废弃物104t
化石能源煤炭、石油、天然气104t废水104t
金属矿物钢材104t废气104t
建筑材料水泥104t
食物作物、畜禽、渔类104t
调入燃料原煤等104t标准煤

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1.4 数据来源

本文数据来源于《中国城市统计年鉴》[21]、《中国能源统计年鉴》[22]、《北京统计年鉴》[23]等官方的统计数据。研究的时间跨度为2000~2010年,因而主要选取2001年及2011年北京、上海、深圳、宁波、广州等31个案例城市的新陈代谢数据进行研究,数据缺失的年份则选取近似年份(上一年)的数据来代替。鉴于数据的可获得性,拉萨、银川、台北、香港、澳门等城市并未作为案例城市。

2 城市代谢效率特征

2.1 城市代谢效率特征

通过物质流、DEA和Malquist模型下的数据处理,分别计算出了2000年、2010年中国31个城市代谢系统效率及其分解效率,见表2

表2   中国31个案例城市的代谢效率及分解效率

Table 2   31 Chinese sample cities′ urban metabolic efficiencies and their decomposition

2000年2010年
CVSR-SCVSR-S
北京0.8340.8740.955drs0.6320.6480.976drs
上海0.5840.6420.909irs0.9280.9280.999irs
重庆0.0310.0340.901irs0.0250.0770.326irs
天津111-0.7860.8300.947irs
哈尔滨0.1190.130.913drs0.1290.2520.514irs
长春111-0.3430.6820.502irs
沈阳111-0.5080.6980.727irs
石家庄0.5630.7580.743irs0.3120.5650.552irs
兰州0.98810.988irs111-
昆明0.2400.2450.980irs0.1380.2200.627irs
西宁0.58710.587irs0.44710.447irs
西安0.6760.7350.920irs0.3270.6220.526irs
郑州0.090.5130.175irs0.5310.910.584irs
济南0.9270.9330.993irs0.6770.6830.992irs
太原0.59910.599irs111-
武汉0.5990.6050.989irs0.2770.3210.863irs
长沙0.42910.429drs111-
南京0.6390.6500.982irs0.5450.5460.998irs
贵阳0.2640.3850.685irs0.1330.3460.386irs
南宁0.2260.2560.882irs111-
杭州0.2670.7950.336drs0.1470.1490.990irs
广州0.82910.829drs0.2990.3820.782drs
福州0.0760.1560.484drs0.0770.1050.734irs
海口111-111-
呼和浩特111-0.7710.770irs
乌鲁木齐0.7980.8890.898irs111-
大连0.76410.764drs0.4110.4200.979irs
青岛0.8850.9080.975drs0.4190.5500.761irs
宁波0.3170.3680.862drs0.2230.2350.948irs
深圳111-111-
苏州0.72810.728drs0.5690.5950.957drs

注:C为综合效率,V为纯技术效率,S为规模效率,drs 为规模收益递减,irs 为规模收益递增, “-”为规模收益不变。

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中国城市代谢系统效率总体相对较高,但却出现了下降的趋势。2000年,31个城市的代谢效率平均值达到了0.615,而2010年这一均值则下降到了0.537。从DEA最优(效率值为1)的城市数量来看,2000年天津、海口等6个城市达到了DEA最优, 2010年则增长到7个,10 a间只有深圳和海口均保持了DEA最优,天津、沈阳等其它城市则有所下降。总体来看,北京、上海、南京、苏州等经济社会发达城市的代谢综合效率都保持较高的水平,10 a间均在0.5以上。而效率最低的城市-福州、重庆则10 a来并未显著改善。

纯技术效率(V)最优的城市数量远多于综合效率(C)和规模效率(S)最优的数量,且与综合效率的变化趋势保持一致,但总体上稳定于高值。2000年、2010年纯技术效率最优的城市分别达到了12个和9个。其中2000年,天津、长春、沈阳等城市的纯技术效率及综合效率均达到了最优,兰州、西宁、太原等中西部城市的纯技术效率亦达到了最优。而2010年,纯技术效率最优城市的数量有所减少,只有兰州、西宁、海口等城市的纯技术效率仍保持最优。此外,无论是2000年还是2010年,贵阳、南宁、哈尔滨的纯技术效率均为最低,说明以上城市的资源、能源的集约利用技术亟待提高。

城市代谢规模效率和综合效率具有相似性,且是综合效率最优的主要原因。2000年,31个案例城市规模效率的平均值为0.823,而2010年该均值则下降到了0.803。具体而言,大部分城市的规模效率较高,而西宁、长沙、贵阳等中西部城市的规模效率较低,说明未来提升中西部城市代谢系统规模集聚效应的必要性。

从代谢系统的规模收益来看,大部分城市体现出城市代谢的规模收益递增状态,且新世纪以来有显著改善。2001年处于规模收益递增的地区达到了15 个,而到了2010年,处于规模收益递增的城市数量则增长到了21个。需要注意的是,2000年和2010年,北京、广州、苏州处于规模收益递减状态,未来应适度消减化石能源、金属矿物、建筑材料等方面的投入。

2.2 城市代谢效率分类特征

在DEA模型对城市代谢效率进行测度的基础上,将案例城市的区位和规模特征加以分类,从而全面解析城市代谢效率的特征。按照东中西三大地带,在地域空间上把中国31个案例城市划分为东部沿海、中部和西部地区城市;按照人口规模,把特大城市划分为大城市(人口规模50~100万人)、特大城市(100~200万人)、超大城市(200~500万人)和巨型城市(大于500万人)[11]。由表3所示,差异化区位和人口规模城市的代谢效率彰显出如下特征:

东中部地区城市综合效率、纯技术效率和规模效率一般高于西部地区城市,与中国东中西区域经济格局基本一致,但近年来东部城市的综合效率和纯技术效率显著下降。2000年时,东部城市的综合效率远高于中部和西部城市,纯技术效率与西部城市相当,而规模效率则和中部城市相近。然而2010年,中部城市的纯技术效率和综合效率远高于东部城市,东部城市甚至落后于西部城市,说明近年来中部城市对于代谢系统的资源投入和宏观产出效率有根本提高。从规模效率来看,中部和东部城市的规模效率相对处于高稳定区,西部城市的规模效率虽然有所提高,但仍然与中、东部城市的规模效率有所差距。

表3   差异化区域和类型城市的新陈代谢效率

Table 3   Spatial and scale distribution of China′s urban metabolic efficiencies

2000年2010年
CVSCVS
东部0.6960.7900.8600.5000.5700.853
中部0.5340.6160.8710.7020.8080.862
西部0.4290.7800.5480.5380.6960.676
大城市111______
特大城市0.7980.8890.898______
超大城市0.6130.7360.8400.7250.8910.767
巨型城市0.5880.7190.8040.4920.5770.811

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城市规模与城市代谢效率的负相关特征明显。2000年,大城市的城市代谢综合效率、纯技术效率和规模效率均为最优,特大城市次之,而超大城市和巨型城市则递减。随着城市人口规模的不断扩大,2010年31个案例城市中有25个城市的规模达到了巨型城市,但技术效率及综合效率则有所下降。值得注意的是,规模效率与城市规模的相关关系并不显著,10 a间巨型城市的规模效率有所增长,而超大城市的规模效率则有显著下降。

3 城市代谢效率变化趋势特征

3.1 城市代谢效率变化趋势

利用Malmquist指数对中国31个案例城市代谢效率2000~2010年的综合效率变化、技术变化、纯技术效率变化、规模效率变化和生产率变化指数进行了测度,其算术平均值如图1所示。整体来看,所有效率指标的均值变化呈现出下降趋势(小于1)。2000~2010年,只有规模效率指数的变化接近于1,其次为纯技术效率变化指数,均值为0.865;再次为综合效率变化指数(0.852),技术变化和生存率变化指数位列最后。其中综合效率下降主要是因纯技术效率有所下降,而生产率的明显下降则是是因技术退步明显。

图1   2000~2010年城市代谢效率变化均值

Fig.1   The average changes of urban metabolic efficiencies from 2000 to 2010

从案例城市的效率指标变化来看(图2),郑州、南宁、长沙、太原、乌鲁木齐等城市的综合效率和纯技术效率呈现出改善趋势,且变化趋势基本一致。长春、广州、武汉、青岛、西安等城市的综合效率、规模效率、纯技术效率等所有指标均呈下降趋势,位于所有城市的最后几位,其中生产率下降趋势明显。北京、大连、宁波、苏州、杭州等城市的规模效率增长趋势显著,而其它指标则下降明显。其中生产率下降主要由于技术改善缓慢,而规模效率的增长则推动了综合效率的提升。

图2   2000~2010年城市代谢效率指标变化

Fig.2   The changes of urban metabolic efficiencies′ indicators from 2000 to 2010

3.2 城市代谢效率变化趋势分类特征

将31个案例城市的Malmquist指数按照区位与人口规模(2000年人口)进行分类,可得中国城市代谢效率变化趋势的分类特征,见表4 。2000~2010年,中、西部地区城市的综合效率呈上升趋势,而东部地区则呈下降趋势。其中,东部地区城市的规模效率增长趋势稳定,而纯技术效率和技术变化率的下降,使得综合效率和生产率指数不断下降。中部地区城市的规模效率增长显著,纯技术效率亦在稳定提高,故生产率和综合效率提高显著。西部地区城市综合效率提高的主因是纯技术效率的改善明显,而生产效率的明显下降则是由于技术退步显著。

表4   2000~2010年差异化区域和类型城市的代谢效率及分解效率变化

Table 4   Changes of China’s urban metabolic efficiencies and their decomposition from 2000 to 2010

综合效率变化技术
变化
纯技术效率
变化
规模效率
变化
生产率
变化
东部0.7570.5430.7861.0830.391
中部2.5920.8671.0772.0492.116
西部1.1780.5951.4360.7700.736
大城市10.167111.067
特大城市1.2530.5261.1251.1140.660
超大城市1.3400.5701.3380.9440.815
巨型城市1.0300.6350.8831.1880.704

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案例城市的综合效率随着规模的扩大而增长,但巨型城市的综合效率增长低于特大和超大城市。纯技术效率变化亦基本符合规模愈大,上升趋势愈明显的特征,值得注意的是,巨型城市同样在纯技术效率变化方面低于其它类型城市。除超大城市外,其它类型城市的规模效率变化呈现出上升趋势,且巨型城市的规模效率提高趋势最为明显。与其它指标趋势不同的是,受技术变化率下降的影响,大部分城市生产率的下降趋势显著。其中特大城市的生产率下降趋势最明显,巨型城市次之,超大城市再次之。

4 结论与讨论

本文通过中国31个案例城市2000年、2010年的面板数据,以物质流分析法为基本视角,利用DEA和Malmquist生产率指数模型方法对中国城市代谢效率进行了实证研究。

对城市代谢效率的研究结果表明:中国城市代谢系统效率总体相对较高,深圳和海口等城市达到了当年的DEA最优,北京、上海、南京、苏州等城市的代谢综合效率也稳定在0.5以上,但10 a间城市代谢系统效率却出现了下降的趋势,城市代谢效率平均值下降了0.08。 从代谢效率的构成来看,纯技术效率最优的城市数量众多,总体上稳定于高值。大部分城市的规模效率较高,是综合效率最优的主要原因,且这些城市体现出城市代谢的规模收益递增状态。东中部地区城市综合效率、纯技术效率和规模效率一般高于西部地区城市。而城市规模与城市代谢效率的负相关性明显。即随着城市人口规模的不断扩大,综合效率及技术效率有所下降。

城市代谢效率变化的研究结果表明,2000~2010年,城市代谢综合效率、纯技术效率等所有效率指标的均值均呈现出下降趋势,只有郑州、南宁、长沙、太原、乌鲁木齐等城市的综合效率和纯技术效率呈现出改善趋势。对差异化特征进行归类研究发现,中、西部地区城市的综合效率和纯技术效率呈上升趋势,而东、中部地区城市的规模效率增长趋势稳定。此外,案例城市的综合效率、纯技术效率随着规模的扩大而增长,但巨型城市的综合效率增长低于特大和超大城市。

通过对中国城市代谢效率及其变化趋势的分析,可以得到以下启示:第一,目前城市代谢系统效率的下降,以及大量的非DEA最优城市,揭示出城市代谢系统中仍然存在着大量的投入、非期望产出冗余和期望产出的不足,因而资源节约、环境友好型发展战略的选择将是中国城市提升代谢效率、可持续发展的必由之路。第二,东、中、西部城市代谢效率及效率变化率存在着显著差异,因而不同区域城市应有的放矢地改善城市资源、能源投入技术,加大城市非期望产出治理投入力度,进一步发挥城市规模集聚经济,从而显著提高东部城市的低技术效率和西部城市的规模效率。第三,城市代谢效率与城市规模在一定程度上呈现出正相关,但巨型城市在综合效率和纯技术效率方面亦展现出规模报酬递减的趋势。因而对于城市代谢系统规模效益的政策应鼓励和支持适度推进城市的规模扩张,以突显规模经济;另一方面也应适度控制巨型城市的规模,以避免规模不经济。

The authors have declared that no competing interests exist.


参考文献

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https://doi.org/10.3321/j.issn:1000-3037.2005.03.014      URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

经济系统物质流分析方法近年来在可持续发展研究领域发展尤为迅速。论文对该研究方法的发展历程、主要观点、逻辑框架及相关应用研究进行了评介,并在此基础上指出了其方法的主要作用和局限,对其未来研究的发展方向提出了建议:①主要作用有二,一是能够得到简洁的可持续发展示踪指标,二是得到的采用物理量为单位的物质流指标便于比较;②主要局限有三,一是大的物质流会冲淡物质流指标描述物质流动状况的清晰度,二是物质流指标与物质流动环境影响之间的联系不够紧密,三是使用范围有限制;③未来研究发展方向有三,一是挖掘物质流分析结果所蕴含的社会研究价值,二是与土地利用分析的结合,三是向物质投入产出表的迈进。
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A universal ecological measure

[J]. Fresenius Environental Bulletin, 1993, 2: 407-412.

[5] Ayres R U, Kneese A V.

Production, consumption and externalities

[J]. American Economic Review, 1969, 59(3): 282-297.

URL     

[6] 陈效逑,赵婷婷.

中国经济系统的物质输入与输出分析

[J]. 北京大学学报(自然科学版). 2003, 7l(4): 538~547.

https://doi.org/10.3321/j.issn:0479-8023.2003.04.017      URL      [本文引用: 2]      摘要

利用物质流分析方法,对1985-1997年我国经济系统的物质 输入与输出进行了研究.结果表明:(1)固体和气体物质输入与输出总量呈相似的增长趋势,而自来水供应量和城市生活污水排放量之间遵循多项式的统计关系, 因此,经济系统的物质输入量可以在一定程度上决定物质输出量,控制经济系统的资源投入量是减少污染物排放量的一种有效途径;(2)人均固体和气体物质输入 与输出量也呈增长的趋势,其中,人均废气和固体废弃物的排放量增长迅速.此外,人均物质输入与输出量的年增长率明显大于同期人口的年增长率.由此可见,随 着人口的增加,自然资源消耗在加速增长,而大气与土壤环境的污染在加速恶化;(3)创造单位GDP的物质输入量和输出量(包括水的消耗量和污水排放量)均 呈下降的趋势,反映出我国经济系统的资源利用效率明显提高.
[7] Hanya T, Ambe Y.

A study on the metabolism of cities. Science for a Better Environment

[M]. Tokyo: Science Council of Japan, 1976.

[本文引用: 1]     

[8] Newcombe K, Kalina J D, Aston A R.

The metabolism of a city: the case of Hong Kong

[J]. AMBIO, 1978, (7): 3-5.

URL      摘要

Demographic trends suggest that up to 5000 new cities of half a million in population each may be required between 1975 and 2000. In order to examine the implications of this for demands on resources, a detailed assessment has been made of the patterns of flow and the end-use of energy and of some selected materials in the city-state of Hong Kong. This assessment is used as a basis for extrapolating the future resource requirements of other urban development along similar lines. The calculations indicate that the capital and recurrent energy costs of the predicted urbanization would amount to more than five times the 1973 world consumption of energy.
[9] Zhang Y, Yang Z F, Fath B D,et al.

Ecological network analysis of an urban energy metabolic system: Model development, and a case study of four Chinese cities

[J]. Ecol Model, 2010, 221:1865-1879.

https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2010.05.006      URL      [本文引用: 1]      摘要

Urban metabolism research faces difficulties defining ecological trophic levels and analyzing relationships among the metabolic system's energy components. Here, we propose a new way to perform such research. By integrating throughflow analysis with ecological network utility analysis, we used network flows to analyze the metabolic system's network structure and the ecological relationships within the system. We developed an ecological network model for the system, and used four Chinese cities as examples of how this approach provides insights into the flows within the system at both high and low levels of detail. Using the weight distribution in the network flow matrix, we determined the structure of the urban energy metabolic system and the trophic levels; using the sign distribution in the network utility matrix, we determined the relationships between each pair of the system's compartments and their degrees of mutualism. The model uses compartments based on 17 sectors (energy exploitation; coal-fired power; heat supply; washed coal; coking; oil refinery; gas generation; coal products; agricultural; industrial; construction; communication, storage, and postal service; wholesale, retail, accommodation, and catering; household; other consuming; recovery; and energy stocks). Analyzing the structure and functioning of the urban energy metabolic system revealed ways to optimize its structure by adjusting the relationships among compartments, thereby demonstrating how ecological network analysis can be used in future urban system research.
[10] 魏权龄.

数据包络分析(DEA)

[J]. 科学通报, 2000,45(17): 1793~1808.

URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

<p>数据包络分析(简称DEA)是运筹学、管理科学和数理经济学交叉研究的一个新的领域, 是使用数学规划评价具有多个输入与输出的决策单元(简记为DMU)间的相对有效性(DEA有效), 即判断DMU是否位于生产可能集的&ldquo;前沿面&rdquo;上. 使用DEA对DMU进行效率评价时, 可以得到很多在经济学中具有深刻经济含义和背景的管理信息. 介绍DEA研究的历史、现状, 特别是它的发展过程, 同时对某些模型作了扩展.阐述了数学、经济学和管理科学是这一学科形成的柱石, 优化是其研究的主要方法, 而DEA的广泛应用是它能得以迅速发展的动力.</p>
[11] 郭腾云, 徐勇, 王志强.

基于DEA的中国特大城市资源效率及其变化

[J]. 地理学报, 2009, 64(4): 408~416.

https://doi.org/10.3321/j.issn:0375-5444.2009.04.003      URL      Magsci      [本文引用: 2]      摘要

<p>利用DEA、Malmquist 指数模型方法, 对1990-2006 年中国特大城市要素资源效率及其 变化进行了深入的研究。城市效率研究显示, 特大城市平均效率一般, 只有少数城市达到了 效率最优。进一步的分类研究发现: ① 东、中部地区特大城市综合效率一般要高于西部地 区, 呈现出与我国区域经济格局相似的特征;② 纯技术效率与城市规模成弱负相关关系, 即 城市规模越大, 城市纯技术效率越低;③ 城市规模与规模效率成一定的正相关关系, 即城市 规模越大, 规模效率越高。城市效率变化研究显示, 1990-2006 年特大城市效率呈现弱改善趋 势, 但技术退步和生产率下降明显。其中1990-2000 年全都呈上升趋势, 而2000-2006 年全都 呈下降趋势。进一步的分类研究显示: ① 城市综合效率和生产率变化趋势是, 东部沿海地区 有一定提高, 中西部地区下降, 其中, 西部地区下降最明显。② 不同规模城市的综合效率变 化表现为, 特大城市提高, 超大城市和巨型城市下降;③ 不同规模城市的生产率都呈现下降 趋势;④ 不同规模城市的规模效率都呈上升趋势, 存在随特大城市规模的增大, 城市规模效 率提高的趋势呈现递减的现象。</p>
[12] 齐君, 赵四东,杨永春,.

基于DEA和Malmquist指数的中国环保绩效测度及其时空变化

[J]. 兰州大学学报(自然科学版), 2012, 48(3):34~45.

https://doi.org/10.3969/j.issn.0455-2059.2012.03.007      URL      [本文引用: 4]      摘要

将资金、资本、人力和技术投入 作为环保输入要素,以生态环境治理绩效、经济和社会效益、技术作用产出和环保管理系统自身成长作为关键输出项,构建环保效率测度体系,并利用DEA模型和 Malmquist指数方法对中国31个地区的环保效率及其时空变化进行探索.结果发现:1)新世纪以来,中国环保效率普遍较高,但在波动中缓慢下降,且 除技术效率外地区间差距较大;2)总体上环保效率空间分异显著,综合效率和规模效率东部低于中西部,技术效率西部东部中部;3)基于Malmquist指 数的环保效率变化研究反映,2001-2006年和2001-2009年各效率变化指数的变化趋势相似,环保效率及其分解均呈下降趋势,技术和生产率变化 则呈上升态势,但2006-2009年反之;4)环保效率变化的空间分异特征为2001-2006年和2001-2009年效率变化指数均呈下降态势,但 东部强于中西部,技术和生产率显著上升,且中部进步最为明显,东部最慢,2006-2009年反之;5)环保规模效率及其时空变化是影响环保综合效率时空 变化及分布模式的主要因素.总之,提高中国环保效率的关键在于提升环保规模效率,全面、大规模地追加环保投资,优先壮大环保发展规模,并引导环保设施集聚 配套和共享共建,是提高环保规模效率和综合效率及促使环保健康持续发展的重要措施.
[13] Dyckhoff H, Allen K.

Measuring ecological efficiency with data envelopment analysis (DEA)

[J]. European Journal of Operational Research, 2001, 132: 312-325.

https://doi.org/10.1016/S0377-2217(00)00154-5      URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

<p id="">The measurement of ecological efficiency provides some important information for the companies&rsquo; environmental management. Ecological efficiency is usually measured by comparing environmental performance indicators. Data envelopment analysis (DEA) shows a high potential to support such comparisons, as no explicit weights are needed to aggregate the indicators. In general, DEA assumes that inputs and outputs are &lsquo;goods&rsquo;, but from an ecological perspective also &lsquo;bads&rsquo; have to be considered. In the literature, &lsquo;bads&rsquo; are treated in different and sometimes arbitrarily chosen ways. This article aims at the systematic derivation of ecologically extended DEA models. Starting from the assumptions of DEA in production theory and activity analysis, a generalisation of basic DEA models is derived by incorporating a multi-dimensional value function <strong class="boldFont"><em>f</em></strong>. Extended preference structures can be considered by different specifications of <strong class="boldFont"><em>f</em></strong>, e.g. specifications for ecologically motivated applications of DEA.</p>
[14] 赵晓阳, 刘金兰.

基于DEA和Malmquist指数的985高校科研投入产出效率评价研究

[J]. 电子科技大学学报(社科版), 2013, 15(3): 94~100.

URL      [本文引用: 1]      摘要

随着国家逐步加大对"985高 校"科研经费的投入,这些高校的科研绩效成为关注的焦点,如何使用有效的评价方法对"985高校"的科研效率进行评估成为重要问题。使用非参数的DEA和 Malmquist指数方法对我国37所"985高校"科研投入产出指标的面板数据进行静态效率和动态效率变化的综合评价,结果发现我国各"985高校" 科研效率整体偏低,且科研活动效率在2006~2009年内未能取得显著进步,进一步分析发现技术进步是阻碍各高校科研活动效率进步的首要原因,各高校应 大力促进科研活动中技术的创新和进步以提高科研投入产出效率。
[15] 刘秉镰,林坦,刘玉海.

规模和所有权视角下的中国钢铁企业动态效率研究—基于Malmquist指数

[J].中国软科学,2010,(1): 150~157.

URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

本文利用DEA方法和Malmquist生产力指数,对我国45家钢铁企业2001-2005年间的生产力变化进行了估算,并从企业规模和所有制形式两个角度对钢铁企业的动态效率进行了分析.研究发现,我国钢企每年变化的效率却呈现不断改进的趋势,生产力逐渐改善的主要原因是技术进步;大型钢铁企业的效率变动并没有优于中小型企业;国有(控股)钢铁企业的动态效率下降,而民营企业的生产力稍有改进.其中,小型国有(控股)钢铁企业的效率水平成为制约钢铁企业生产力提升的关键.<dt><strong><t>Abstract:</t></strong></dt><dd>This paper evaluates the changes of productivity of 45 Steel and Iron enterprises in China from 2001 to 2005 by the DEA approach and Malmquist productivity index, and analyzes the dynamic efficiency from two perspectives of Scales and Ownership. The paper finds that the changing trend of efficiency is rising year by year because of technical progress. The improvement of Malmquist TFP Index of big enterprises is not necessarily better than that of smaller ones, and Scale Efficiency of all enterprises is deteriorating. While efficiency of State - owned Enterprises is decreasing, productivity of private enterprises improves. The efficiency of 32 enterprises decrease, most of them axe small SOEs. Therefore, small SOEs play a key role in the productivity improvement of steel and iron industry.
[16] 顾成彦, 胡汉辉.

基于Malmquist指数的我国电信业动态效率研究

[J]. 软科学,2008,(4):54~57.

URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

在运用数据包络模型分析我国电信业技术效率和规模收益状况的基础上,使用衡量产业效益水平的Malmquist指数研究了我国电信业的生产率增长水平及其变迁.实证结果表明:技术效率的改善而非技术进步是我国电信业生产率增长的源泉,竞争是改进运营商技术效率、促进生产率增长的有效手段.
[17] 马其芳, 黄贤金, 于术桐, .

物质代谢研究进展综述

[J].自然资源学报, 2007,22(1):141~152.

https://doi.org/10.11849/zrzyxb.2007.01.017      URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

传统的线性经济生活模式导致人类社会面临着巨大的环境压力,因此为提高资源的利用效率,实现社会经济的可持续发展,物质代谢研究逐渐成为近年来国际研究领域的热点问题。文章从三方面对国际上关于物质代谢研究进展做了阐述:①物质代谢的研究背景;②物质代谢的基础性研究,包括不同层次的物质代谢吞吐量的研究和物质代谢定量分析方法的探讨;③物质代谢相关的研究进展,包括土地利用/覆盖变化、自然环境效应和可持续发展与物质代谢作用关系的讨论。最后,对其未来的发展方向提出了一些建议,认为除了要进一步完善物质代谢研究方法和模型外,还应从土地利用/覆盖变化、研究尺度、政策和行为、生态环境效应等角度对物质代谢进行拓展分析。
[18] Schmidt B, leek F A.

Universal Ecological Measure

[J]. Fresenius Environmental Bulletin, 1993, 2: 407-412.

[本文引用: 1]     

[19] Boyden S.

Ecological study of human settlements.

Nature and Resources, 1980, 16(3):2-9.

URL      [本文引用: 1]      摘要

The Man and Biosphere Programme, in the framework of its Project Area II, 'Integrated Ecological Studies of Human Settlements', proposes to utilize an ecological systems approach to study the functioning of human settlements and urban areas, and thus to improve their planning and development. This approach has proved particularly attractive and successful; there are at the moment around sixty f...
[20] 李丁, 汪云林, 付允, .

基于物质流核算的数据包络分析—国内19个主要城市的实证研究

[J].资源科学, 2007, 29(6):176~181.

URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

文章介绍了物质流核算的基本思想和数据包络分析的基本方法,在对国内19个主要城市的物质流进行核算的基础上选取相关数据,并综合一些经济统计数据做了DEA分析,对于这19个城市的物质流基本状况进行了评价,为以后的城市循环经济政策制定提供了一种定量的分析工具。文章的主要结论有: (1)我国物质流输入量所带来的经济效益较欧美发达国家明显偏低,我们的先进城市大约相当于欧美发达国家20世纪90年代中期平均利用率的1/4,日本的1/9,这充分说明我国的经济增长方式主要还是粗放式的; (2)多个城市的物质流核算均由于基础设施建设过多导致的物质流动规模十分巨大,这从一个侧面说明了我国很多城市的经济增长对于固定资产建设的投资依赖十分明显; (3)在DEA分析中我们可以看出很大的物质流投入并不能带来同等的GDP和财政收入。
[21] 国家统计局. 中国城市统计年鉴2001,2011[M ]. 北京:中国统计出版社, 2001,2011.

[本文引用: 1]     

[22] 国家统计局. 中国能源统计年鉴2001,2011[M ]. 北京:中国统计出版社, 2001,2011.

URL      [本文引用: 1]     

[23] 北京市统计局. 北京统计年鉴2001,2011[M ]. 北京:中国统计出版社, 2001,2011.

URL      [本文引用: 1]     

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