二 城镇化环境效应机理的D-M-E概念模型
根据城镇化基本内涵和理论基础，通过梳理城镇系统中环境变化的驱动因子及其驱动环境变化的内在逻辑，总结环境效应变化的主要方面，结合鱼骨因子分析法和系统动力学思想，构建城镇化驱动环境系统变化的环境效应机理模型。
（一）城镇化驱动环境变化的内在逻辑
作为人类社会发展的必然趋势和基本规律，城镇化是一个复杂的空间形态变化和社会、经济发展的过程。在这一过程中，人口逐步向城镇转移、农业活动向非农业活动转化的工业化及产业升级持续推进、城镇空间规模不断扩大、城镇社会文明趋向进步。一方面，城镇化吸引各种要素包括人口、资金、科技、服务、信息等在城镇地区集聚；另一方面，城镇化具有向外扩散性，例如城市影响、城市带动、城市传播。在本研究中，分析城镇化进程中经济社会结构变迁对环境系统结构及其功能演变的影响，需要建立在以下四点基本认识之上。
（1）城镇化是一个动态过程。重申此点，意在说明本研究中将充分考虑城镇化对环境影响的动态过程，分析环境效应在不同城镇化阶段的差异性。其研究重点，不是分析城镇与农村地区对环境影响的差别，而是考察城镇化进程中的环境演变。
（2）城镇化的环境效应不局限于城市（镇）环境效应。由于一定地域范围内的环境影效应具有不可分割性，特别是城镇地区的环境效应（污染排放）有时会扩散转移到农村地区。因此，本研究在地域空间上不对农村地区和城镇地区进行分割，即在考察一个地区城镇化对环境的影响时，是考虑城乡一体化区域，而不仅仅局限于城市（镇）地区。
（3）工业化内生到城镇化中。工业化和城镇化是相互作用的人类活动过程。为考察城镇化进程中产业演变对环境的影响，本研究将工业化内生到城镇化之中，即将工业化对环境的影响和效应特征归类到城镇化进程中。
（4）对城镇化的内涵进行必要细分。城市化至少包括以下几个层次：一是经济城市化（工业化及第三产业发展）；二是人口城市化（农业人口转化成非农人口）；三是生活方式的城市化（生活方式、行为习惯和价值观念等的变化）；四是人居环境城市化（污染治理和环境建设等的变化）。[15]另外，有学者曾构建城镇化的概念模型，[16]即U=f（E，P，H，P0，O，N），其中，U为城市化发展，E表示经济发展、P表示人口发展、H表示历史基础、P0表示政治环境、O表示未考虑的其他因素，N为自然环境条件，认为各种要素的变化驱动着不同的城市化模式。可见，城镇化进程是一定地域内经济社会系统复杂的变迁过程，非农人口向城镇人口转变是城镇化的重要表征。但是，决定城镇化环境效应的因子不局限于人口的迁移，或者说在人口从农村向城镇迁移中会派生出其他动力因子，即除了人口城镇化之外，土地（空间）城镇化（自然环境变化）、经济城镇化（产业演化及环境治理等）、社会城镇化（城市文明进步）等，都会对自然环境带来不同类别和程度的影响（见图3-2）。
图3-2 城镇化特征的分解
根据概念界定，城镇化的环境效应就是城镇化给环境带来的各种影响结果。其中，城镇化进程是环境变化的驱动力，各种环境变化的表现形式是具体的环境效应结果。为此，从逻辑上看，城镇化环境效应研究就是基于经济学视角，从城镇化的角度来研究人类活动的环境效应。从环境系统受影响领域来看，城镇化影响环境变化主要有两个方面的原因：一是城镇化进程需要不断地从自然系统中汲取物质能源从而改变环境系统的物质结构；二是各种生产和消费活动会排放大量的废弃物到自然环境中从而影响环境质量（见图3-3）。由于环境影响在一定程度上具有不可分割性，城镇化环境效应处于扩散、转化、稀释之中。
图3-3 环境—城镇化经济系统关系
资料来源：参考张敦富（2005）[17]和刘传江、侯伟丽（2006）[18]绘制。
显然，研究城镇化的环境效应要在分析城镇人口集聚的基础上，研究土地开发建设、产业结构升级以及文化知识进步对环境系统带来的资源消耗和废弃物排放的影响。进一步，从密度上看，人口等要素在城镇地区集聚会产生集聚经济和技术进步；从规模上看，人口集聚会扩大城市规模，除了城市建设规模之外，还有消费规模的扩大和升级。按照西方经济学总供给和总需求的基本理论和分析框架，消费需求拉动供给，供给来自生产。因此，城镇化环境效应最终落到生产环节的资源消耗和污染排放上（见图3-4）。
图3-4 城镇化环境效应的内在逻辑
可见，研究城镇化环境效应的作用机理关键要抓住三个要点：一是集聚是城镇化的根本特征，集聚经济是研究的起点；二是人口集聚通过集聚经济、知识积累、城镇规模的扩大，作用于生产和生活消费活动；三是资源消耗和污染排放可作为环境效应的落脚点。
另外，值得一提的是，有必要梳理一下城镇化环境效应与经济增长环境效应的关系。一直以来，学术界都很关注经济发展对环境的影响。从经济现象上看，追求经济的快速发展导致资源过度消耗和污染排放。因此，不能脱离经济增长来研究环境。实质上，经济增长的本质是消费需求的增长，是消费刺激产出的增加。这从本质上就可以把经济增长作为消费和产出的函数来研究其对环境的影响。从城镇化带动全社会消费需求增长的逻辑推演上，研究城镇化对环境的影响，实质上已经把经济增长问题内生进来。近年来，也有不少实证研究证实城镇化和经济发展具有长期的均衡关系，特别是城市建设用地的扩张更能推动经济增长和加速城市化进程。[19]因此，城镇化环境效应研究，一是不否定经济增长对环境的影响，二是经济增长是城镇化环境效应的内生因素。
（二）城镇化环境效应的机理模型
城镇化环境效应的形成机理，是指城镇化过程中各要素变化及其相互作用导致环境变化的基本作用原理，是城镇化进程影响环境系统及其结构变化的基本路径。实质上，城镇化进程中环境系统变化的各种驱动因子并不是独立起作用的。一方面，各类因子之间存在相互影响与作用的关系；另一方面，各类因子同时驱动环境系统的变化。为此，需要在梳理各类因子相互关系的基础上，建立城镇化环境效应的机理模型。
1.建模思路
首先，在城镇化驱动环境变化的逻辑基础上，借鉴日本管理学家石川馨（Kaoru Ishikawa）提出的鱼骨因果解析图（Fishbone-Cause & Effect Diagram）[20]对城镇化驱动环境效应的因子系统进行梳理（见图3-5）。这里将知识积累、产业演进、规模增长和集聚效应作为城镇化驱动环境变化的主要因子。显然，驱动环境变化的城镇化因子具有层级性和多样复杂性的特点。
图3-5 城镇化环境效应的鱼骨因果解析概要
其次，根据1956年美国福瑞斯特（Forrester）教授创立的系统动力学（System Dynamics）分析思想[21]，把相互区别但相互关联和具有影响关系的城镇化环境效应驱动因子构成一个综合的动力系统集，其中每个单一驱动因子为一个子系统。这里，假设驱动力系统集为U，子系统为ui，则t时的驱动力系统集可记作：
从理论上看，每个子系统发生作用应该存在一定的干扰项，记作εi，则t时的干扰项系统可以记作：
每一个子系统的干扰项至少来自三个方面：一是系统外的干扰，如非城镇化的因素、自然因素、偶发因素等；二是子系统之间相互作用下各子系统之间的干扰作用因素，因此任一子系统的发挥都可能受制于其他子系统的作用力大小、方向和速度等；三是环境效应对子系统或系统集的反馈作用力，这主要考虑到环境系统的变化会反过来约束或驱动城镇化进程。另外，可以令每个子系统的环境效应，即系统的输出变量为Ei，则环境效应集可以记作：
于是，t时驱动力系统的状态变量可以表示为：
，t时的环境效应输出变量表达式可以记作：
。显然，驱动力系统的状态变量和环境效应输出变量都取决于驱动力集变量、干扰项变量和时间变量。
可见，要研究城镇化环境效应必须充分考虑三个基本要素：一是子系统驱动力，包括驱动力的方向、大小和作用功能；二是驱动力作用的干扰项，既包括各子系统之间的相互作用关系，也包括其他自然界干扰和未充分考虑和未预料到的一切潜在的可能因素；三是动态的时间变量，每个子系统的作用力方向和大小会随着时间的变化而发生改变，而且人们对环境福祉有时间上的偏好，在解决饥饿、满足温饱的社会发展阶段，人们会以牺牲环境为代价谋取生存需求，但当进入小康和富裕社会阶段，人们对生存环境或环境福祉就有了更高的追求。为此，可以结合鱼骨因果关系图，根据系统动力学的基本思想，得到城镇化环境效应机理模型的基本构造思路（见图3-6）。
图3-6 城镇化环境效应机理模型的构造思路
2.D-M-E概念模型
基于系统动力学思想，这里的驱动力本质上是城镇化的基本过程，在这个过程中，各种要素的变化综合驱动着环境系统的演变，为此可以将城镇化进程中的人类活动分解为几个有机组成的驱动力因子子集。机理就是指城镇化进程中各驱动力因子对影响环境的具体作用功能和方式。根据图3-6，城镇化环境效应机理模型由“城镇化驱动力”（Drivers）—“机理”（Mechanisms）—“环境效应”（Effects）三要素构成，简称D-M-E概念模型。
根据以上分析，城镇化环境效应的子驱动力为要素集聚、知识积累、产业演进和城镇规模增长四个方面。要素集聚包括围绕人口的生产要素和生活要素集聚；知识积累进一步可细分为技术进步、理念创新、制度创新等；产业演进主要是随着人口消费需求的升级而发生的产业结构的梯级演进；城镇规模增长集中体现在土地规模、人口规模以及消费规模等的增长上。各个驱动因子之间相互联系、相互影响、相互制约，并共同作用于环境变化。因此，城镇化环境效应机理作用是一个复杂的驱动力结构。根据四大影响因子的特点及其对环境的正负效应，总结得到城镇化对环境系统的机理作用包括以下几个方面。
一是产业演进的结构功能（Structuring Function）。在城镇化进程中，由于产业结构的演进，主导产业会发生变化。一般地，在城镇化初期，农业占主导作用，这一时期环境变化主要来自农耕生产，包括对土地和水等基本资源的占有以及相关农业活动，例如灌溉、施肥等对自然环境带来的影响。农业活动对环境的影响总体上不大。随着城镇化的推进，到了工业和建筑业占主导作用的阶段，环境影响相对较大。主要是由于工业生产需要大力开采、消耗自然资源和能源并排放各种废弃物等；同时，建筑业会改变地质结构以及地貌形态。到了第三产业占主导地位的城镇化阶段，环境影响相对前一阶段较为缓和，这一阶段主要是生活消费对环境带来各种影响。可见，城镇化进程中的产业发展对环境影响具有较为显著的结构性作用。
二是知识积累的优化功能（Optimizing Function）。一般地，知识积累总是正向作用于环境系统，它对环境系统具有优化功能。这主要包括两个方面：一是随着城镇化的推进，城镇文明的进步，人类社会文明总体趋于不断进化，特别是生态文明逐渐形成，有利于环境保护与改善；二是知识积累促进各种创新，包括技术、制度、管理等各个领域的全面进步，从而有益于促进各种生产和生活活动的绿色化进程。当然，人类的知识积累的优化功能在一定阶段具有相对性，不排除某些技术进步可能会带来突发性的环境负效应事件。不过，从整体上看，知识积累驱动环境系统总体趋于优化，有益于环境建设和环境质量的改善。
三是要素集聚的共生功能（Symbiosis Function）。各种要素空间上的集聚是城镇形成与扩张的基本动因，是城镇发展的一个基本特征。要素在城镇地区的集聚带来人类生产、生活活动在空间上的高度集中，这种集中带来的环境效应至少包括两个方面。一是由于各类活动的集中，有利于人口、资金、技术、信息、服务、产业等的集聚，客观上促进节约利用资源、减少环境污染，同时便于集中防治污染，有利于改善环境质量。二是超过规模或承载力的集聚会引起城市热岛效应、光污染与噪声污染、垃圾围城、污染扩散等，人居环境质量被降低。可见，要素集聚在很大程度上会带来环境正负效应共存。
四是规模递增的控制功能（Controlling Function）。城镇人口、消费需求、空间开发以及经济产出的总规模在一定程度上决定着环境效应的规模，因此城镇化进程中各种层面的规模对环境系统具有控制作用。一方面，城镇人口增长、土地扩张、产出增加、消费扩张要求向环境系统索取更多物质能量，加大资源能源消耗与废弃物排放，从而增加对环境系统的影响。另一方面，经济规模的增长是人类富裕程度的一个重要衡量指标，随着城镇化的推进，促进社会物质形态从较为贫困逐步向相对富裕过渡，人类需求从满足最初的基本生存需求（主要是物质满足）到追求全面发展（包括生态安全和福利要求），而富裕型社会有更多生存剩余用于环境建设和环境质量改善。可见，规模总量对环境系统的变化具有较强的控制功能，最佳控制效果是同时实现最小化的环境负效应和最大化地满足总量需求。
为此，城镇化过程可以分解为要素集聚（Element Aggregation）、产业演进（Industrial Evolution）、知识积累（Knowledge Accumulation）和规模递增（Scale Increasing）四个相互作用的驱动力，每个因子对环境系统发挥着自身的功能，共同驱动环境变化（见图3-7）。这四大功能之间存在着错综复杂的关系，相互强化和制约，共同作用于整个环境系统。其中，环境效应变化有两个层次。一是从效应结果看，有正效应变化和负效应变化之分，相应地驱动着环境质量的恶化和环境质量的改善。二是从影响层面上看，城镇化驱动环境效应通过资源消耗、污染排放、环境公害以及资源集约、污染治理、环境建设等多个层面引起环境系统的变迁。总体上，在任何一个时段上，环境效应都有一个总体表征，即相对于过去环境原貌发生怎样的变化，或者环境质量是改善还是恶化。
当然，环境系统的演变也会反作用于城镇化进程，例如，资源约束（“资源诅咒”）、环境容量制约等反馈作用于城镇化进程。与此同时，人类会对环境变化有各种反应措施，例如，改变发展模式、促进科技发展、突出生态文明、倡导绿色消费、健全法律法规等。本研究的侧重点在于城镇化如何驱动环境效应变化，对于环境效应的约束（Restriction）或反馈（Feedback）作用以及人类对城镇化环境效应的反应（Response）可作后续研究予以深化。
图3-7 城镇化环境效应的D-M-E机理模型
3.驱动因子的相互关系
研究城镇化的环境效应不能孤立地只看某一个驱动因子对环境的变化过程。实质上，作为人口活动的变化过程，城镇化有其自身的基本规律，在这个规律下各环境驱动因子相互强化、相互制约。
首先，人口向城镇地区集聚推动了城市土地开发，扩大了城市规模；各种人才和信息的集聚进一步促进了专业化和知识积累以及人类文明的进步；正是由于城市规模的扩大和知识积累的作用，全社会的消费需求进一步扩大并不断向高级化升级；需求的扩大和升级拉动了社会供给，即二、三产业的发展和向高级化演进。
其次，产业规模的扩大和产业结构的升级，可以进一步刺激消费需求、不断引导新的消费热点并促进消费升级；由于人类高级化的需求不断得到满足，促进了人的发展，进而有利于知识积累；产业演进、消费升级、知识积累等进一步形成对非城镇人口的吸引力，加速城镇化进程（见图3-8）。对应地，相互强化关系表明各环境因子之间同时具有相互制约关系，例如，知识积累缓慢就不利于产业结构的高级化进程，也就满足不了消费升级的需求，产业结构调整和升级滞后会阻碍消费升级以及要素集聚的高级化等。另外，经济增长因素包含在知识积累、城市规模增长、消费扩大与升级以及产业规模的扩大和结构演进的过程中，即把经济增长内生到城镇化驱动力系统中，不再另行考量。
图3-8 城镇化环境驱动因子之间的强化关系
4.机理作用的阶段性
在城镇化进程中，各个环境驱动因子共同起作用，为此结构、共生、优化和控制功能相互交错和互为影响。在城镇化的不同阶段，由于各驱动因子的作用力不一样，其驱动环境演变的作用功能及强度也具有阶段性差别。例如，国外有学者研究发现，根据生态现代化城市的基本理论，通过市场机制促进技术进步具有遏制碳排放的作用，但是这个方法只适用于高收入的发达国家，对于中低收入水平的后发国家而言，发展生态现代化城市作用力很小，无法达到预期目标。[22]实质上，由于高收入国家一般都已进入城镇化的后期阶段，现代化程度较高；处于城镇化初期或中期阶段的经济体、国家或地区，其消费结构、消费规模不同于发达国家，并且环境建设能力、技术水平很有限，因此建设生态现代化城市较为困难或者不符合经济社会发展的阶段需求。由于机理作用力方向和强弱的阶段性或称作动态性，第四章将重点讨论为研究城镇化环境效应的变化趋势提供研究的切入点。