城镇化与生态环境耦合关系变化分析——以徐州市为例

戴培超, 沈正平,2*, 赵娅汝, 程 冰

(1.江苏师范大学 城市与环境学院,江苏 徐州 221116; 2.江苏师范大学 淮海发展研究院,江苏 徐州 221009)

0 引言

城镇化(以下亦称城市化)是人类文明和社会进步的标志,是任何国家现代化进程中不可逾越的一个发展阶段,是工业化发展不可替代的载体[1]．城镇化具有多维涵义,主要包括人口增长、经济发展、空间扩张和生活提高等方面,它们彼此联系、相互促进．其中,经济发展是基础,人口增长和地域扩张是表现,生活水平提高是最终结果或目标．近10多年来,我国城镇化发展迅速,2000年城镇化率为36.2%,2011年城市人口首次超过乡村人口,城镇化率超过50%(51.27%),2012年达到52.57%．在这一过程中,由于人口快速向城市聚集,城市的空间范围不断外扩,出现了耕地蚕食、环境污染和生态破坏等不可持续发展问题．城镇化正在或即将对周围生态环境造成现实的破坏和潜在的威胁[2]．Henderson认为,城市人口的聚集有一个最佳规模,超过该规模就会产生聚集不经济现象,并对周围地区的生态环境产生严重胁迫[3]．2013年中央经济工作会议提出:积极稳妥推进城镇化,着力提高城镇化质量．要把生态文明理念和原则全面融入城镇化全过程,走集约、智能、绿色、低碳的新型城镇化道路．因此,加强城镇化与生态环境交互耦合状况的分析与研究,对于当前积极稳妥推进新型城镇化发展,加快推进生态文明建设,具有重要的理论意义与应用价值．

1 理论依据与研究背景

1995年,环境经济学派的Grossman和Krueger最先用计量经济学方法,定量研究了城镇化与生态环境的关系,并以42个发达国家的面板数据进行实证分析,揭示了随着城市经济发展水平的提高,城市生态环境质量呈现倒“U”型的演变规律,提出了著名的环境库兹涅兹曲线EKC假设[4]. Odum等则利用系统动力学、灵敏度模型和能量流动模型,对世界部分国家的城市和地区进行了分析,揭示了城市发展与其环境演变的交互作用机理[5]. Haughton等研究认为,城镇化与生态环境间的耦合关系就是城镇化的4个方面与生态环境的5个要素之间所具有的各种非线性关系的总和[6]．国内许多学者也从多个角度对城市化与资源环境耦合关系进行了大量研究.宋超山等以1988～2007年西安市城市化-资源环境系统的耦合结果为依据,认为系统在时序上表现出“S”型的周期性变化[7].刘耀彬等以我国1985～2002年间城市化与生态环境耦合度结果为依据,大致将全国31个省区划分为协调、磨合、拮抗和低水平4种类型[8].方创琳等从理论上分析了城市化与生态环境交互耦合系统满足的耦合裂变律、动态层级律、随机涨落律等6大基本定律[9].张妍等运用因子分析方法,通过定量分析吉林省9个城市的经济与环境发展情况,筛选出旋转后具有良好极性的两个主因子——经济发展与环境保护,并对这两个主因子的发展层次和协调程度进行了耦合机制的评价[10]．

徐州作为江苏省人口第一大市、淮海经济区的中心城市,地理位置优越,人口密集,是江苏省3大都市圈之一——徐州都市圈的核心城市,其城镇化水平高于全国平均水平、低于全省平均水平,在苏北5市中最高[11]．徐州作为资源型城市和老工业基地,在城市化进程中特别需要做好生态环境保护与建设工作．为此,本文以徐州市为例,通过建立评价指标体系,运用熵值法、耦合度计算模型等研究方法,对其2000～2011年城镇化与生态环境保护的关系进行分析,并探寻两个系统之间的耦合程度,揭示两者之间的交互规律,为徐州及相关城市的可持续发展提供理论依据．

2 城镇化与环境耦合的理论模型及指标体系

2.1 城镇化与环境耦合的理论模型

系统耦合主要表现为各子系统或要素间相互作用与影响,促进系统由无序走向有序的过程,并且决定着系统相变的特征与规律[12]．耦合度正是通过确定区域城镇化与生态环境所处的区间段,来反映二者的耦合程度,并根据城镇化发展与生态环境交互作用的强弱程度,将其耦合的过程划分为低水平耦合、颉颃、磨合和高水平耦合4个阶段[13]．作为反映系统耦合程度的重要指标,耦合度对于预测城镇化与生态环境两个系统的演变趋势,建立二者的科学发展机制有着十分重要的意义．

设ui(i=1,2)为城镇化与生态环境系统的序参量,是子系统i对总系统的贡献;Xij(j=1,2,…,n)为第i个序参量的第j个指标,xij为其标准化后的功效函数值;αij,βij是系统稳定临界点序参量的上、下限值．这样,“城镇化-生态环境”耦合系统的有序功效函数xij就可以表示为

(1)

式中xij反映了各指标达到目标的满意程度,其取值范围为[0,1],0为最不满意,1为最满意．

由于城镇化与生态环境是两个不同而又相互作用的子系统,系统内各个序参量有序程度的“总贡献”可通过集成的方法来实现,表示为[14]

(2)

式中Ui为总系统序参量的标准化值,λij为各个序参量的权重．

借鉴物理学的容量耦合概念及系数模型,城镇化与生态环境的耦合度函数表示为[12]

(3)

式中C为耦合系统耦合度值;U1,U2分别代表城镇化子系统与生态环境子系统对总系统的贡献度,即城镇化综合序参量和生态环境综合序参量．城镇化-生态环境系统的耦合度C的取值范围为[0,1],数值越接近0说明系统的耦合度越低,数值越接近1说明耦合度越高.根据耦合度值的大小,将城镇化与生态环境系统耦合程度分为6个阶段,见表1.

表1 城镇化-环境系统的耦合度划分

2.2 指标体系权重的计算方法

2.2.1 熵值法

熵值法是一种能够反映出指标信息熵值的效用价值的方法.其给出的指标权重值比层次分析法中用德尔菲法确立权重有更高的可信度,能够对多元指标进行综合评价.下面给出熵值法的主要步骤[15-16].

设有m个待评方案,n项评价指标,原始指标数据矩阵为X=(xij)m×n,其中xij为第i个待评方案第j个指标的指标值,xij≥0．

1) 原始数据非负化处理.在应用熵值法时常会遇到一些负值或者极端值,影响计算．因此,需要对其进行非负化处理．一般采用标准法将数据进行平移,即

(4)

2) 计算第j项指标下第i个方案指标值所占的比重pij:

(5)

3) 计算第j项指标的熵值ej:

(6)

式中k>0,ej≥0．如果yij对于给定的j全部相等,那么

(7)

4) 计算第j项指标的差异性系数δj=1-ej.δj越大,说明指标值越重要．

5) 定义权数ωj:

(8)

6) 计算总和得分值Mi:

(9)

式中Mi为第i方案的总和评分值．

2.2.2 数据来源

文中所有数据均来自于徐州市统计局主编、中国统计出版社出版的《徐州统计年鉴》(2001～2012)．

2.2.3 指标体系构建及权重计算

本文综合运用频度分析法、理论分析法和文献综合法3种方法并参阅前人研究成果[17-19],遵循指标选取的系统性、完整性、可量可比性和数据的可获得性原则,分别在城镇化子系统内设定4个一级指标,13个二级指标;在环境子系统内设定3个一级指标,12个二级指标,见表2.

由表2权重数值可以看出,在城镇化系统中,固定资产投资(0.1117)、人均GDP(0.0998)和建成区面积(0.0931)对城镇化的贡献率较为突出,现住房人均建筑面积(0.0514)和每万人拥有卫生技术人员数(0.0519)则分别影响了空间城镇化和社会城镇化的进程;在生态环境系统中,人均公共绿地面积(0.1399)、人均水资源总量(0.1353)和人均耕地面积(0.1011)对生态环境系统起到了极大的推动作用,工业固体废弃物综合利用率(0.0481)权重较低则影响到了生态环境保护效果．

3 结果与分析

3.1 徐州市城镇化与生态环境综合水平测度结果

根据公式(2)计算出徐州市城镇化综合水平．由各项评价指标计算出的数值,能够较为全面及准确地反映徐州市人口、经济、社会和空间所达到的城镇化水平,但并不代表该市实际的城镇化率,只是反映其城镇化进程的基本趋势．2000～2011年徐州市城镇化水平的综合评定结果如图1所示．可以看出,自2000年以来,徐州市城镇化综合水平呈现出逐年上升趋势,并且2004～2005年城镇化进程明显加快,2009～2011年城镇化综合水平更是迅猛上升．同时,从图2可以发现,徐州市生态环境综合水平呈现波动增长趋势．2001年生态环境综合水平数值最小,说明在2000～2011年中,2001年生态环境质量最为糟糕;2011年生态环境综合水平数值最大,表明生态环境质量最好．2000～2011年,徐州市生态环境综合水平数值总体上呈现上升趋势,但2001,2004,2006,2008,2009年出现倒退,说明其生态环境综合水平尚不够稳定．

表2 徐州城镇化与生态环境耦合系统评价指标体系

3.2 徐州市城镇化与生态环境耦合度分析

根据公式(3),计算得到徐州市城镇化综合水平与生态环境的耦合度结果(表3).结合表1对耦合度不同阶段的划分标准可以看出:2000年以来,徐州市城镇化与生态环境耦合度数值处于0.5882～0.9984之间,表明其城镇化与生态环境的关系基本上处于高水平耦合状态.随着城镇化水平的不断提升,城镇快速发展对生态环境带来的压力越来越大,但由于政府的高度重视和社会各界的积极参与,徐州市城镇化与生态环境的关系从磨合阶段跨越到了高水平耦合阶段,两者关系比较协调.从耦合度数值的变化来看,可以划分为两个阶段:第一阶段为2000～2001年,其耦合度数值为0.5882～0.8102,城镇化与生态环境关系由磨合阶段向高水平耦合阶段发展;第二阶段为2001～2011年,耦合度数值为0.8102～0.9984,城镇化与生态环境耦合处于高水平耦合阶段.

4 结论

2000～2011年,徐州市城镇化与生态环境的交互耦合作用基本上处于高水平耦合阶段,说明城镇化与生态环境处于良性互动状态.

10多年来,徐州市城镇化进程不断加快,城镇化综合水平呈逐年上升趋势,其中2009～2011年城镇化综合水平上升尤为迅猛.人口城镇化、经济城镇化、社会城镇化和空间城镇化是构成城镇化系统的4个主要方面,也是推动城镇化进程的重要因素.

从环境综合序参量来看,徐州市生态环境综合水平呈现波动上升趋势.其中2001年生态环境综合水平数值最低,只有0.3086,生态环境质量状况最差;2011年数值达0.7328,为最好年份;2001,2004,2006,2008,2009这5年出现倒退,表明生态环境综合水平不够稳定.

本文以徐州市为实证研究,选取人口城镇化、经济城镇化和社会城镇化和空间城镇化4个子系统,构建徐州市城镇化综合水平评价指标体系;选择生态环境水平、生态环境压力和生态环境保护3个子系统,构建其生态环境综合水平评价指标体系．但由于影响城镇化水平和生态环境水平的因素很多,与其相应的测度指标也应当很多．本文参考前人研究成果,选取了一些具有代表性的指标来构建评价指标体系,其合理性和适用性仍有待进一步探究．

江苏师范大学城市与环境学院2012级区域经济学研究生范梦影,人文地理学研究生耿雪、郝晶晶、贾礼兰等参与了本文资料收集和分析讨论,在此深表谢意!

参考文献:

[1] 赵民,陶小马.城市发展和城市规划的经济学原理[M].北京:高等教育出版社,2001:235-246.

[2] 黄金川,方创琳.城市化与生态环境交互耦合机制与规律性分析[J].地理研究,2003,22(2):211.

[3] Henderson V.The urbanization process and economic growth:the so-what question[J].J Econ Growth,2003,8(1):47.

[4] Grossman G M,Krueger A B.Economic growth and the environment[J].Q J Econ,1995,110(2):353.

[5] Odum H T,Odum E C.Modeling for all scales:an introduction to system simulation [M].San Diego:Academic Press,2000.

[6] Haughton G,Hunter C.Sustainable cities[M].London:Jessica Kingsley Publishers Ltd,1994.

[7] 宋超山,马俊杰,杨风,等.城市化与资源环境系统耦合研究——以西安市为例[J].干旱区资源与环境,2010,24(5):86.

[8] 刘耀彬,李仁东,宋学锋.中国区域城市化与生态环境耦合的关联分析[J].地理学报,2005,60(2):237.

[9] 方创琳,杨玉梅.城市化与生态环境交互耦合系统的基本定律[J].干旱区地理,2006,29(1):1.

[10] 张妍,尚金城,于相毅.城市经济与环境发展耦合机制的研究[J].环境科学学报,2003,23(1):107.

[11] 何忠祥,欧向军,叶磊.基于空间自相关的江苏省县域新型城镇化水平分析[J].江苏师范大学学报:自然科学报,2013,31(4):62.

[12] 刘耀彬,李仁东,宋学锋.中国城市化与生态环境耦合度分析[J].自然资源学报,2005,20(1):105.

[13] 刘耀彬,宋学锋.城市化与生态环境的耦合度及其预测模型研究[J].中国矿业大学学报,2005,34(1):91.

[14] 吴玉鸣,柏玲.广西城市化与环境系统的耦合协调测度与互动分析[J].地理科学,2011,31(12):1474.

[15] 郭显光.改进的熵值法及其在经济效益评价中的应用[J].系统工程理论与实践,1998(12):98.

[16] 乔家君.改进的熵值法在河南省可持续发展能力评估中的应用[J].资源科学,2004(1):113.

[17] 严俊霞,冯璇,薛占金,等.山西省城市化与生态环境综合水平协调度分析[J].山西大学学报:自然科学版,2013,36(2):313.

[18] 王新杰,薛东前.西安市城市化与生态环境协调发展模式演化分析[J].自然资源学报,2009,24(8):1378.

[19] 曾浩,邓宏兵.武汉市城市化与生态环境协调发展定量评价与分析[J].华中师范大学学报:自然科学版,2012,46(5):611.