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中国城市群的兴起催生出经济集聚,而集聚负外部性带来的能源消耗增多问题逐渐凸显,碳排放形势愈加严峻,探索经济集聚对碳排放强度的影响及传导路径至关重要。本文以2004—2016年京津冀、长江三角洲、大粤湾、成渝城市群的61个城市面板数据为研究样本,利用STIRPAT模型以及门槛效应模型探索经济集聚与碳排放强度的关系,创新性地使用各城市2003年机场建设情况等工具变量解决内生性问题,构建中介效应模型分别检验环境规制和城镇化水平作用下经济集聚影响碳排放强度的传导机制,并分析经济密度异质性下经济集聚对碳排放强度的作用路径差异。结果表明:(1)碳排放强度整体呈现波动上升态势,高经济密度城市的碳排放强度小于低经济密度城市的碳排放强度。(2)无论是全样本,高经济密度城市还是低经济密度城市都存在σ收敛特征,也都同时表现出绝对β收敛和条件β收敛,低碳排放强度城市对高碳排放强度城市存在追赶效应。(3)在经济集聚正、负外部性综合作用下,经济集聚与碳排放强度之间整体呈显著“U”型关系,现阶段多数城市经济集聚水平的提高有利于降低碳排放强度。(4)经济集聚不仅直接对碳排放强度产生影响,还通过环境规制与城镇化水平两条路径间接对碳排放强度产生作用,中介效应明显。(5)低经济密度城市的经济集聚与碳排放强度之间呈显著倒“U”型关系,而高经济密度城市的经济集聚与碳排放强度之间呈显著“U”型关系。(6)低经济密度城市经济集聚主要通过城镇化水平间接影响碳排放强度,而高经济密度城市经济集聚对碳排放强度的间接影响主要通过环境规制路径来传导。(7)在中介门槛效应检验下可以发现随着技术水平的逐渐提高,经济集聚降低碳排放强度的效果逐渐削弱,且当第三产业到达一定阈值后,进一步的提高第三产业比值可能会增大能源消耗,从而减弱经济集聚的降碳效果。据此本文认为,政府应推动城市群经济以促进区域融合发展,实现企业联动合作以提高经济集聚水平。针对经济密度不同的城市治理手段应有所侧重,高经济密度城市应以增强环境规制力度为主要碳减排手段,而低经济密度城市则应着力通过提高经济集聚水平来改善城市建设水平并最终达到碳减排的目标。