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2025年03月12日
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對城市、經濟增長、創新進行跨學科研究，并取得重要研究成果的是成立于1984年的圣塔菲研究所。諾貝爾經濟學獲獎者阿羅(Kenneth Arrow)和諾貝爾 物理學獲獎者安德森(Philip Anderson)在圣塔菲研究所推動了一項把經濟作為 復雜系統的跨學科研究項目。1987年9月由阿羅推薦的10位經濟學家和由安德 森推薦的10位自然科學家，在圣塔菲研究所舉辦了為期10天高強度自由交流的 學術會議，會后啟動了一項名為“經濟作為不斷演化復雜系統”的長期研究項目， 布萊恩·阿瑟稱之為復雜經濟學研究(Arthur，2015)。本文稱其為新演化經濟學研究。
目前，新演化經濟學在經濟學和生物學的跨學科研究成果尤為引人注意，其中兩個重要成果分別是:以美國理論物理學家韋斯特(Geoffrey West)為主要代 表人物的，對生物、城市等高度復雜系統的冪比例變化法則(power scaling laws)研究;以美國理論生物學家考夫曼(Stuart A. Kauffman)為主要代表人物的，對 生物和經濟的演化機制、創新機制的研究。這兩方面研究又存在互補關系，前者 更注重演化規律的定量化研究，后者更注重演化的內在機制研究。本文主要與前者有關。
城市和生物服從類似的冪比例變化法則
韋斯特(Geoffrey West)的研究發現，生物學的克萊伯定律(Kleiber’s Law)在一定程度上也適用于城市。生物學家克萊伯(Max Kleiber)在1932年的一篇 文章中提出了克萊伯定律，他在研究多種動物的新陳代謝率與其體重的關系基礎上提出:生物體的新陳代謝率符合按其體重的3/4次冪比例變化定律(3/4 power scaling law)，3/4是指103與104的冪指數的比例，該定律適用于所有物種。例如，大象的體重大約是老鼠的10000倍，相應的大象的細胞數量是老鼠的10000倍，但大象的代謝率只是老鼠的1000倍，即維持大象細胞存活的能量消耗只是老鼠細胞的1/10。這是不同物種伴隨體積增大取得規模經濟的絕佳案例(West，2017)。
韋斯特及其團隊的研究發現，世界上多個城市的基礎設施(道路、電纜、供水管道的長度及加油站的數量)與城市人口數量的關系，都以克萊伯定律的方式呈非線性比例變化，但其指數大約為0.85，而不是0.75，即大城市需要的人均道路和電纜的長度更短。更應注意的是，社會經濟指數如工資、專利數量、教育機構數量、犯罪率，也隨城市人口規模呈非線性比例變化，但以近似1.15超線性指 數變化(West，2017)。這就是說，一個人口規模為1千萬的超大城市與100個人口規模為10萬的小城鎮相比，可以節約50%的城市基礎設施，可以具有約2倍的創新能力(專利數量)。
作為理論物理學家，韋斯特把生物、城市、經濟社會都看作有機的復雜系統，為了維持有機體系統自身的秩序和結構，必須進行新陳代謝，必須通過從外界吸收能量和資源來對抗熵的增大趨勢。生物要通過新陳代謝來存活和成長，人類需要不斷創新，發現新的資源和更有效率的資源使用方式，來克服不斷出現的能源和資源危機，而且需要不斷以更快的速度進行創新。生物的新陳代謝要通過血液循環網絡來進行，城市的新陳代謝要通過城市的交通網絡、輸配電網絡、城市供水和污水網絡來進行，韋斯特認為網絡的共同性質決定了代謝率及網絡規模與生物及城市的體量成亞線性比例變化。但生物的代謝網絡聯系的是細胞，而城市交通網絡聯系的是人。因此，城市提供了以多種方式解決問題的人們之間形成頻繁交流互動的自然機制，由此推動創新和財富創造，導致超線性比例變化和規模報酬遞增(West，2017)。
韋斯特主要研究的是冪比例變化法則(power scaling laws)。比例變化(scaling)是指當一個系統的體量發生變化時，該系統的最基本狀態會做出何種響應。例如，一個動物的體重增加一倍，其食物量是否也增加一倍？一座城市的人口增加一倍，其道路長度是否也要增加一倍？GDP和專利數量是否也增加一倍？犯罪率是否也增加一倍？
韋斯特說事情并非如此?！爱斘覀冄芯縿游?包括人類)為了維持生命而每天消耗的食物和能量數量時，非線性比例變化的一個重要例子出現在生物界。令人驚奇的是，一種動物的體量是另一種動物的兩倍，因此其細胞數量是后者的兩倍，但它每天只需要多消耗約75%的食物和能量，而不是幼稚的線性預期那樣要多消耗一倍的食物和能量。例如，一個120磅重的婦女每天通常需要約1300卡路里的食物，才能在不進行任何活動的情況下維持生命。這被生物學家和醫生稱為她的基礎代謝率，并且有別于她的活動代謝率，后者包括生活中其他日?；顒?。另一方面，她的大型英國牧羊犬體重只有她的一半(60磅)，因此擁有大約一半的細胞，由此會預期每天只需要大約一半的食物就能維持生命，即約650卡路里的食物。實際上，她的狗每天需要約880卡路里的食物。盡管狗不是體重小的婦女，這僅是普遍的比例變化法則一個不同尋常的例子，說明代謝率如何隨體量大小變化。這個法則適用于所有的哺乳動物”(West，2017)。這就是所謂克萊伯定律。
韋斯特認為，城市明顯地具有有機性質，與通常的生物有很多共同之處。城市要進行新陳代謝，要從外界輸入電能、水、糧食和輸出垃圾等廢棄物，城市會成長、衰老、遭到損壞和自我修復。韋斯特相信我們周圍的世界最終是受普遍法則支配的，他希望建立一個可量化、可預測、超越任何特殊系統基于普遍法則的理論，而冪比例變化法則就是超越生物和城市兩個高度復雜系統的普遍法則。韋斯特和多位合作者2007年在美國國家科學院(The National Academy of Sciences of the USA)的學術刊物PNAS上，發表了題為“經濟增長、創新、比例變化和城市生活節奏”的論文(Bettencourt et al.，2007)，對城市的冪比例變化進行了實證研究。
該項研究收集了美國、中國、歐盟和德國多個城市的大量數據，這些數據分為三類:一類是城市物質基礎設施類指標，如城市道路面積、電纜長度、加油站數量等;一類是經濟社會活動類指標，如GDP、新專利數量、研發人員數量、工資水平、犯罪數量等;一類是居民需求及消費類指標，如總就業人數、住房數量、家庭用電量、家庭用水量等。該項研究主要選擇了不同國家城市2000年以來的數據，其中選擇了2002年中國295個城市的人口、GDP、研發人員數量、家庭用電量、家庭用水量數據;選擇了2001年美國331個大都市區的人口和新專利數據，318個大都市區的加油站數量數據，2003年美國287個大都市區犯罪數量的數據等。
該論文中包括人口在內的所有數據都主要按大都市區的口徑進行統計，而不是按城市的行政管理口徑進行統計。大都市區(Metropolitan Area)是一個由大城市和存在較高通勤聯系的鄰近縣市組成的區域，大都市區本質上是本地勞動力市場(local labor market)。由于通勤時間的限制人們一般不會在工作日到80公里以外的地方上班，因此，大都市區的地域面積一般不超過2萬平方公里。根據2010年的人口統計，美國排名前20位大都市區的平均面積為1.94萬平方公里。歐盟有與大都市區類似的大城市地區(Large urban zone)的統計，大城市地區由城市及其通勤地區組成。按大城市地區統計，巴黎的地域面積為1.2萬平方公里，倫敦為8900平方公里，柏林為1.7萬平方公里。但中國的城市統計數據是基于行政區劃，而不是經濟意義上的城市概念，這導致個別城市的數據出現過大差異。例如，同是千萬級人口的城市，重慶市的面積為8.24萬平方公里，而深圳市還不到2000平方公里。但中國個別城市統計口徑上的問題并沒有對研究結論產生過大影響。
該論文用來檢驗城市冪比例變化的模型是:Y(t)=Y0N(t)β。其中，N(t)為t時期的城市人口數量，用來表示城市規模。Y(t)分別表示t時期的城市物質基礎設施，如城市道路面積;經濟社會活動，如GDP、新專利數量;居民消費，如家庭用電量。Y0為常數。指數β是冪比例變化的數值。
計量分析的結果表明不同國家、不同經濟體制和不同發展水平的城市的三類指標的冪比例變化指數β都按幾乎相同的比例變化，這表明城市作為有機體本身所具有的共同性質:
β≈0.8<1的是城市物質基礎設施類指標，例如城市道路、電纜長度，這類指標按亞線性比例變化(sublinear scaling)具有明顯的規模經濟。
β≈1的是居民需求及消費類指標，如就業人數、住房數量、家庭用電量等，這類指標呈線性比例變化(linear scaling)。無論城市規模如何，平均每個人都要有一份工作和一個住所，因此就業崗位和住房數量會隨著城市人口規模的增長而線性增長。
β≈1.1-1.3>1的是經濟社會活動類指標，如GDP、新專利數量、工資水平、犯罪數量，這類指標按超線性比例變化(superlinear scaling)。隨人口規模增加而增加回報(increasing returns with population size)與隨人口規模亞線性比例變化的基礎設施形成鮮明對照的是，作為城市本質的社會經濟量按超線性比例變化?！俺鞘幸幠Ｔ黾右槐?，人均工資、財富和創新會增加約15%，犯罪、疾病和污染的數量也會按相同比例增加”。
另一方面，冪比例變化法則適用于一個國家不同規模的城市。由于不同國家在經濟社會體制、文化和性格上的差異，不同指標的冪比例變化指數β(在其相應范圍內)在不同國家的城市也存在差異。例如，日本的犯罪冪比例變化指數低于美國，但美國的創新冪比例變化指數更高(West，2017)。
韋斯特對在生物界和城市具有普適性的冪比例變化法則的內在機制進行了深入探討。他認為生物要通過新陳代謝來提供維持生命的能量和物質，要通過毛細血管的表面把代謝能量傳輸到周圍的細胞，從而維持細胞的存活和生長。長期的自然選擇已經實現了進行新陳代謝的血液循環網絡的最優化。從幾何學上講，分形結構中多層連續分支和皺褶使毛細血管網絡表面積最大化，從而實現能量和物質傳輸的最優化。血液循環網絡在幾何學和動力學上具有自相似性和分形(self-similarity and fractality)的性質，3/4次冪比例變化法則不過是自相似性和分形的數學表達，新陳代謝的克萊伯定律來自優化的分形網絡的幾何學和動力學。
城市也是由道路網絡、軌道交通和輸電網絡支撐的，這些網絡上的人流、物流、電流是城市新陳代謝的表現形式。這些流是所有城市的物質血液，與生物體一樣，它們的網絡結構和動力學向運輸成本和時間最小化方向演化?！耙话阏f來，在人口高密度地區建設和運營同樣的基礎設施更有效率，更經濟可行，并能提供較小地方不可能實現的高質量服務和解決方案”(Bettencourt & West，2010)。城市基礎設施按城市人口規模的0.85，而不是克萊伯定律的0.75次冪比例變化。這或許是因為，哺乳動物經歷2億多年的演化和自然選擇形成的代謝網絡比人類規劃設計的城市基礎設施網絡更有效率，實現了更高層次的規模經濟。
如果僅從新陳代謝的角度考察城市，城市和生物體一樣，代謝率按其規模的亞線性比例變化。但生物的代謝網絡連接的是細胞，而城市的交通網絡連接的是人，人是能動的行為主體，由此導致城市與生物體在另一方面的重大差異。交通網絡在城市的作用是加強和便利人們之間的社會互動，形成信息交流的社會網絡?！俺鞘幸虼瞬辉偈蔷薮蟮纳矬w或蟻丘:它依賴于人、商品和知識的長期、復雜的交流。城市總是吸引有創造力和創新精神人的磁石，是經濟增長、財富創造和新思想的興奮劑。城市提供了一種自然機制，可以從以多種方式思考和解決問題人們之間的高度社會聯系中獲益。由此產生的正反饋循環成為連續倍增創新(multiplicative innovation)和財富創造的驅動因素，導致超線性比例變化和規模報酬遞增”(West，2017)。
韋斯特和諾貝爾經濟學獲獎者盧卡斯一樣高度評價雅各布斯關于城市在經濟增長中作用的觀點，認為“貫穿她的著作中的一個主要觀點是，在宏觀經濟上，城市是經濟發展的主要驅動力，而不是大多數古典經濟學家通常認為的民族國家。這在當時是一個激進的觀點，幾乎完全被經濟學家忽視”，“在雅各布斯講述城市在國家經濟中重要地位近50年之后，我們許多從不同角度研究城市的人最終得出了與她相近的結論”(West，2017)。
韋斯特指出，齊普夫定律(Zipf’ s law)和意大利著名經濟學家的帕累托定律(二八定律)表述的是同一種現象，前者用排名描述，后者用頻率分布來描述。這種現象也可以用冪比例變化法則來表述，其指數為-2，該指數與齊普夫定律表述的內容一致。但是齊普夫定律經常出現較大的偏差，且齊普夫及其定律追隨者都思考過這一定律的起因，但未達成共識。而“只知道城市系統中的城市規模符合齊普夫定律，很難形成條理化綜合的城市科學。至少還需要一系列城市活動的比例變化法則”，否則齊普夫定律就是“另一種現象學的比例變化法則，沒有特別重要的意義”(West，2017)。
韋斯特指出，城市所有的經濟社會活動都是圍繞人們之間的互動進行的，城市基礎設施在城市中的作用是增加和便利社會互動，增大城市規模會增加人們之間的互動頻率和數量，社會互動的增加又增加了創意、創新和機遇，其回報是基礎設施規模經濟的增加。韋斯特感嘆道:“社會互動及社會經濟活動的增加和更大的規模經濟之間存在相關性或許并不奇怪。然而，令人驚奇的是，這種關鍵的相互關系遵循如此簡單的數學規則，可以表達為一種優雅的普遍形式:基礎設施和能源使用的亞線性比例變化與社會經濟活動的超線性比例變化正好相反”。因此，城市人口增加100%，每個人的收入、創造、創新、互動次數、娛樂和機會，包括犯罪、疾病會增加115%;而每個人的城市基礎設施和能源消費只需增加85%。這就是城市的天才所在。他認為，城市是人類最偉大的發明，在這個舞臺上一系列社會經濟互動、機制、過程推動的指數級增長已經在進行。人類已經進入了一個城市以指數級增長的世紀，“21世紀下半葉世界上大多數人將成為城市居民，許多人會住在規模前所未有的超大城市(megacities of unprecedented size)” (West，2017)。
對于信息技術革命是否會導致去城市化，韋斯特持否定態度。他認為，鐵路在19世紀和電話在20世紀初對人們生活和人們內心對時間和空間感受的影響，比現在信息技術革命的影響要大得多，但它們并沒有導致去城市化現象或城市的收縮，相反，它們導致城市的指數型擴張，并使郊區成為城市生活的一部分。城市化仍是經濟增長的主導力量(West，2017)。
對中國城市化戰略的啟示
新演化經濟學為理解城市特別是大城市與創新及經濟增長的關系提供了新視角，能夠對中國的城市化戰略提供有益啟示。其中的一個重要啟示是:優化人口空間結構，廢止嚴格限制500萬人口以上城市的人口和用地規模的政策，能夠實現更有效率、更高質量、更可持續的發展。即使在城鎮化率不變的條件下，增加超大和特大城市數量，減少中小城市數量，中國的GDP和技術創新(專利)數量會增加，而城市建設用地面積和城市道路面積可以減少;反之，減少超大和特大城市數量，增加中小城市數量，中國的GDP和技術創新數量會減少，而城市建設面積和城市道路面積需要增加。
我們根據中國城市統計年鑒285個地級以上城市2007年至2019年的市轄區常住人口、市轄區GDP、專利申請量、城市建設用地面積、市轄區道路面積等數據，采用面板數據用Y(t)=Y0N(t)β估算β值。其中，GDP和專利申請量的β0分別為1.2298和1.4569，呈超線性比例變化，具有明顯的規模收益遞增;城市建設用地面積和市轄區道路面積的β值分別為0.8673和0.9431，呈亞線性比例變化，具有規模經濟。中國的城市經濟社會活動類指標與城市人口規模按超線性比例變化，而城市物質基礎設施類指標與城市人口規模按亞線性比例變化。這與韋斯特發現的世界其他城市的情況基本相同。
按照中國城市規模劃分標準，2019年285個地級以上城市中有8個超大城市，14個特大城市，141個大城市，122個中小城市。在總人口和城鎮化率保持不變的條件下，我們進行“反事實假設”，分別測算優化人口空間結構和劣化人口空間結構對產出(GDP)、專利申請量(技術創新的活躍程度)、城市建設用地面積、市轄區道路面積的影響。
優化人口空間結構假設:2019年中國有12個超大城市，21個特大城市，比實際分別增加50%;有101個大城市，64個中小城市，比實際分別減少40個和58個。2019年中國的GDP將增加54967億元，達到1045832億元(2020年為1013567億元)，比實際GDP增加5.55%，2019年的專利申請量將增加8.2%;而285個地級以上城市的建設用地面積可減少1986平方公里比實際節約4.2%，市轄區道路面積可減少34828.6萬平方米比實際減少4.95%。
劣化人口空間結構假設:2019年中國有4個超大城市，7個特大城市，比實際分別減少50%;有181個大城市，180個中小城市，比實際分別增加40個和58個。2019年中國的GDP將減少54967億元，僅為935898億元，比實際GDP減少5.55%，2019年的專利申請量將減少8.2%;而285個地級以上城市的建設用地面積要增加1986平方公里比實際增加4.2%，市轄區道路面積要增加34828.6萬平方米比實際增加4.95%。
中國城市化戰略還應當考慮如何適應新產業革命的要求。在知識經濟數字經濟時代，城市特別是大城市的作用更加凸顯，第一次和第二次產業革命是更有效地使用煤炭、石油、電力的動力技術革命，而第三次和將要來到的第四次產業革命則是信息技術和智能技術的革命，生產活動更加依靠知識創造和教育培訓，導致信息處理、研發、設計、管理、教育的工作崗位大幅度增加，大量就業崗位向寫字樓、實驗室轉移，研發、設計、管理等知識型員工和服務業員工成為就業主體，這類工作對集聚經濟有更高的要求，由此導致這些生產活動向大城市集聚(趙堅，2019)。
美國經濟學家佛羅里達(Richard Florida)從美國就業結構的變化趨勢解釋人口向大都市區遷移的趨勢。佛羅里達認為人類已經進入了創意時代(Creative Age)，創造力成為經濟發展的主要動力。他根據美國的職業分類系統把就業人口分為4個階層:創意階層(creative class)、服務階層、工人階層(working class)、農民階層。美國創意階層占總就業人口的比例從1960年的16%上升到2010年的32.6%，服務階層的比例從1950年的33%上升到2010年的45%，工人階層的比例則從1970年的40%下降到2010年21%。創意階層更傾向于向大城市集聚，因為那里有更多樣化的經濟機遇和豐富愉悅的生活方式。在創意時代，是企業在追逐人才，企業要在人才資源密集的地方創辦和發展，這進而改變了城市之間的競爭方式。佛羅里達認為，那種認為由于互聯網、現代通訊技術和交通運輸的發展地理位置不再重要的觀點，毫無疑問是完全錯誤的。相反“越來越多的人在向城市地區集聚——而且沒有證據表明這種趨勢將會放緩”?！皠撘怆A層是重塑我們地理的關鍵力量，正在引領從遠郊區回歸城市中心和鄰近的步行郊區的運動”?！坝蓜撘怆A層和創意經濟的興起推動的回歸城市運動已經開始”(Florida，2012)。
為適應知識經濟數字經濟的發展趨勢，一些世界城市的發展戰略發生了重大轉變。特別是本世紀以來，倫敦、東京、紐約三個典型的世界城市在中心城區了進行高強度高密度開發。倫敦放棄了建設具有“反磁力”作用的新城疏解城市人口做法，啟動了在中心城區建設城市活力中心區(Central Activity Zone，CAZ)規劃，活力中心區包含CBD的功能，增加了文化娛樂、行政辦公、餐飲、購物等其他服務業態和居住區域，通過土地混合使用，使一天的不同時間段都充滿生機活力。東京都大幅度放寬了中心城區山手線上多個樞紐車站的容積率限制，“站城一體”的開發密度和開發強度達到了前所未有的程度。紐約則在曼哈頓中城進行了美國歷史上最大的哈德遜廣場(Hudson Yards)開發項目，以適應市場對寫字樓、住宅、酒店的需求，總投資高達204億美元。這些世界城市的資源空間配置趨勢是新產業革命和技術變革的空間表現形式。
中國的城鎮化率從改革開放初期的不足20%，到2020年常住人口城鎮化率超過60%，這種農村人口向工業服務業轉移及人口資源空間配置的變化是中國經濟快速增長的主要原因之一。但中國嚴格限制500萬人口以上城市的人口和用地規模、增加中小城市和縣城建設用地供給的政策，導致了土地資源的空間錯配。其結果是，中小城市出現了大量空置的商品房和開發區，大幅度抬高了超大城市和部分特大城市的房價，抬高了工商業的要素成本，抑制了創新型企業和第三產業的發展，對中國實體經濟的發展造成了嚴重損害。
中國排名前20位的城市人口占全國人口的比例，及其產出占全國GDP比例遠低于美國，更遠低于日本。這種差距反映出中國人力資源空間配置效率上的差距，同時也指示著中國人口空間流動和城市人口結構調整的方向。日本和美國正在以大都市區集聚經濟的創新優勢抵消著我國的人口規模優勢。
當然，增加更多的超大和特大城市，產出和創新會按超線性比例增加，同時疾病、污染、擁堵等也會按超線性比例增加。但這些負面因素往往被夸大，成為治理能力低下的替罪羊，并影響了中國城市化戰略的制訂。按照韋斯特的觀點，更多的大城市有利于降低碳排放。“城市人口規模增加一倍，只需要增加85%的物質基礎設施。因此，一個1千萬人口的城市與兩個5百萬人口的城市相比，同水平基礎設施的需要量要少15%，這將導致材料和能源的巨大節約。而這一節約帶來了排放和污染的大幅度減少。由此一來，伴隨規模而來的更高效率就產生了非直觀卻無比重要的結果——平均來看，城市規模越大，越綠色，人均碳足跡越小。從這個意義上，紐約是美國最綠色的城市，而我居住的圣塔菲則是更浪費的城市”(West，2017)。
諾貝爾經濟學獎獲得者斯蒂格利茨認為，中國的城市化與美國的高科技是影響21世紀人類社會發展的兩個關鍵因素。但中國的城市化戰略面臨選擇，這一選擇不僅影響中國城市化的成效，而且將影響中國的創新和高科技的發展。
本文節選自筆者“經濟增長、分工、制度、創新與城市”一文，見《北京交通大學學報》(社科版)2022年第1期。
（作者系北京交通大學中國城鎮化研究中心教授，主要研究領域為交通運輸與國民經濟關系研究，集聚經濟與城市化，產業組織與企業理論。本文系作者推薦轉載?。?
