城镇化与生态环境耦合关系研究*——以长株潭城市群为例

罗能生，李佳佳，罗富政

(湖南大学，湖南 长沙 410079)

随着全球经济的不断发展，城市化进程的不断加快，城市化程度已经成为衡量一个国家和地区经济、社会、文化、科技水平的重要标志。目前，我国正处在城市化加速发展时期，城市化水平从1978年17.92%到2011年的51.27%，年均增长率达到了1.01%，城镇的不断发展和壮大成为推动我国经济增长和社会进步的“引擎”，但是快速城镇化在显著改善人民生活水平的同时，也带来了一系列的环境问题。因此，城市化与生态环境协调发展的问题成为了国内外学术界研究的重要课题。

国内外很多学者从不同角度对城市化与生态环境关系进行了深入研究。Grossman和Krueger(1995)研究发现随着城市经济水平的提高，城市生态环境呈现倒U型，并以此提出了著名的环境库兹涅茨曲线(EKC)［1］;Deosthali(1999)应用生物气候指数模拟了城市化对城市局部气候的影响［2］P4125-4133;曹慧等(2002)采用完全递阶层次结构，以发展水平、发展力度和发展协调度为准则，建立了城市生态系统评价指标体系，并运用层次分析、模糊综合评价、以及线性隶属方法对南京市生态系统进行了评价［3］;黄金川、方创琳(2003)采用数理学方法对城市化和生态环境交互耦合的内在机理进行了分析［4］;张妍等(2003)运用因子分析方法，选取吉林省各城市具有代表性的指标，对吉林省9个城市的经济与环境发展情况进行了定量分析［5］;刘耀彬、宋学锋 (2005)建立了辩识城市化与生态环境耦合发展的指标体系，同时利用主成分加权合成方法分析了城市化与生态环境交互耦合关系［6］;王新杰、薛东前(2009)对西安市城市化与生态环境的发展模式进行了演化分析［7］;宋建波、武春友(2010)构建了城市化与生态环境发展水平的评价指标体系，并计算了长江三角洲城市群的城市化与生态环境发展水平，得出长三角城市群的城市化总体水平滞后于生态环境发展水平的结论。［8］

城镇化与生态环境之间存在着交互耦合关系，由于各城市发展程度的差异，二者之间的相互作用存在着不同的耦合协调状况。而长株潭城市群作为我国一个重要的发展区域，随着城镇化进程的不断推进，城镇的发展与生态环境之间的矛盾问题日益凸显，如何认识长株潭城镇化发展与生态环境协调发展的基本规律，进而把生态文明建设融入到新型城镇化的发展过程中，发展循环经济，实现城镇化与生态环境协调发展，成为建设长株潭两型社会重中之重。基于此，本文以长株潭为研究对象，在对城镇化和生态环境综合评价的基础上，通过耦合协调度模型定量分析了城镇化与生态环境的耦合关系及其演变趋势，揭示了长株潭城市群城镇化与生态环境协调发展的基本规律，为长株潭城市群的可持续发展提供了一定的理论依据。

一、城镇化与生态环境耦合关系模型与方法

(一)层次分析法

层次分析法(Analytic Hierarchy Process，简称AHP)是美国运筹学家T.L.Saaty于1977年提出的系统分析与决策的综合评价方法，它是一种将定性与定量相结合，把决策者对复杂系统的决策思维过程模型化、数量化的过程［9］。它的基本思想是把一个复杂的问题分解为若干组成因素，并将这些因素按支配关系分组，形成一个有序的递阶层次结构，然后通过两两比较确定层次中各因素的相对重要性，最后综合人的判断来确定决策各因素相对重要性的总排序。具体分析过程如下:

1.建立层次结构模型

一般我们将要研究的问题分成三层:目标层、准则层和方案层，用层次结构来表达各层次因素的关系，如图1所示:

图1 递阶层次结构图

2.构造判断矩阵

判断矩阵表示针对上一层次某因素而言，本层次与之有关的各因素之间的相对重要性。要比较它们的重要性，就需要确定在该层中相对于某一准则所占的比重，Saaty提出可用对准则两两比较的方法来确定权重，全部比较结果用矩阵A=(aij)n×n表示，称A为准则层的比较判断矩阵。

表1 相对重要性标度

3.层次单排序

(1)计算权重

根据判断矩阵，采用方根法求出其特征向量和所对应的最大特征根。

(2)一致性检验

表2 平均随机一致性指标RI值

4.层次总排序

(1)计算权重

总排序是指每一个判断矩阵各因素针对目标层(最上层)的相对权重，这一权重实际上是层次单排序权值的加权组合，具体计算方法如表3，其中，b1，b2，…，bn是 B 对 A 层的排序权值，c11，c12，…，cnm是 C层对B层的单排序权值，c1，c2，…，cn是C层对A层的权值，确定了该权值后，便可以对各指标进行综合评分。

表3 层次总排序表

(2)一致性检验

(二)耦合度模型

耦合作为物理学概念，是指两个(或两个以上的)系统或运动形式通过各种相互作用而彼此影响的现象，耦合度就是描述系统或要素相互彼此作用影响的程度。借鉴物理学中的容量耦合系数模型，可以得到城镇化与生态环境的耦合度函数［10］:

式(1)中，显然耦合度值C∈［0，1)。当协调度C越大，说明城镇化与生态环境越协调，反之，则越不协调，当C趋向1时，耦合度极大，当C趋向0时，耦合度极小。由于耦合度只能说明相互作用程度的强弱，无法反映城镇化与生态环境的协调发展水平，因此，引入耦合协调度模型，以便更好的评判城镇化与生态环境交互耦合的协调程度。耦合协调度作为度量城镇化与生态环境协调发展水平高低的定量指标，综合反映了城镇化与生态环境的整体协同效应。其计算公式如下:

式(2)中，D为耦合协调度，C为耦合度，T为城市化与生态环境综合评价指数，a，b为待定系数。基于前述分析，为了更好地说明城镇化与生态环境的耦合协调程度，本文按照协调发展度D的大小对耦合协调度进行等级划分(表4)，进而来定量评判城镇化与生态环境的协调发展状况。

表4 协调等级分类

二、城镇化和生态环境耦合关系实例研究——以长株潭城市群为例

(一)指标选择

由于城市化与生态环境之间存在耦合、互动的关系，为了揭示它们之间发展的耦合强度与协调程度，同时结合长株潭实际情况，遵循指标选取的主导性、层次性、动态性和可操作性原则，建立了城镇化水平与生态环境质量的指标体系，如表5所示。本部分相关数据来源于历年《中国城市统计年鉴》、《湖南统计年鉴》、《长沙统计年鉴》、《株洲统计年鉴》、《湘潭统计年鉴》。

表5 长株潭城镇水平与生态环境质量评价指标体系及其权重

(二)数据标准化处理

由于城市化与生态环境各指标的数量级以及量纲不同，在进行城市化与生态环境水平测算之前，本文采用极差标准化法对数据进行无量纲化处理，以避免由于量纲不同而对评价结果造成影响，具体如下:

式中，xi(k)为第i行第k列原始指标的实际值，xi'为标准化之后的评价值。

(三)城镇化和生态环境综合评价模型构建

根据原始数据的标准化值以及层次分析法所计算的各指标权重，可以计算出总目标的最终评价值，计算公式如下:

式中，f(x)，g(y)分别为城镇化和生态环境指数的综合评价值，ci为城镇化第i个指标的权重，cj为生态环境第j个指标的权重，m，n分别为城镇化和生态环境指标的个数。

(四)评价结果以及耦合关系分析

本文利用层次分析法对长株潭的城镇化和生态环境综合指数进行了计算，并根据上述耦合度和耦合协调度模型对长株潭的耦合指标进行了计算，结果如表6所示。

表6 长沙城镇化与生态环境耦合综合评价结果表

图2 2000-2011长株潭城镇化和生态环境综合指数评价值

根据计算结果可以发现:

(1)综合评价指数分析。近年来，随着经济的发展，长株潭三市的城镇化指数都处于不断上升的趋势，但是生态环境指数变化却有所不同。2000年长株潭的生态环境指数基本持平，但是随着城镇化水平的不断提高，长沙市生态环境水平指数呈逐年上升趋势，且上升幅度较大，而株洲和湘潭生态环境指数却变化不大，特别是湘潭市生态环境指数在2007年以前波动幅度较大，2007年以后波动幅度较小，整体呈下降趋势(见图2)。这说明这些地区在城镇化进程中只注重经济和城市化的发展，忽视了生态环境保护，环境的破坏很大程度影响了城镇化的进程，使得二者之间的协调耦合关系处于较低水平。

(2)耦合度及耦合协调度分析。近年来，长株潭的耦合协调度和耦合度都呈现不断上升趋势，但是长株潭的耦合度和耦合协调度数值整体较低，说明他们目前都还处于较低水平的耦合阶段(见图3)。2000-2011长沙市耦合指标呈稳步上升趋势，且上升幅度较大，耦合度从0.293上升到0.758，耦合协调度从0.305上升到0.769，说明城镇化与生态环境交互作用已经处于中度协调阶段，这主要是因为长沙市是湖南省的省会城市，经济发展水平较高，其城镇化和生态环境显示出明显相互促进，相互发展态势;2000-2011株洲市和湘潭市耦合协调度增长较明显，但是耦合协调度依旧较低，处于低度协调阶段，这主要是因为株洲和湘潭市的城镇化进程和经济发展更多依赖以高消耗、高排放、高污染为代价的粗放式经济增长方式，使得其资源利用效率低、环境污染严重，生态环境综合指数呈现下降趋势，所以株洲市和湘潭市应该改变经济发展方式，逐渐向低消耗、低污染的集约型发展方式转变。

图3 2000-2011年长株潭城镇化与生态环境耦合演化态势图

三、结论与政策含义

本文在对城镇化和生态环境指数综合评价的基础上，阐述了城镇化与生态环境相互协调发展作用机理，而后运用耦合度模型分析了长株潭城镇化与生态环境之间的的耦合关系。由于经济发展、城市建设及环境投入等多种原因的影响，长株潭城镇化和生态环境综合指数呈现不同的发展轨迹，而且它们的耦合协调度也呈现出多种性。

(1)长株潭的城镇化综合指数呈现不断上升的趋势，但生态环境综合指数变化趋于平缓，其中长沙呈现上升趋势，但株洲和湘潭波动较大，整体呈现逐渐下降趋势。这说明，在城镇化发展的初期，是需要一定的生态破坏为代价的，但是随着城镇化的发展，生态环境会有所好转，所以这些地区要正确认识城镇化与生态环境交互作用的基本规律，以便为城市可持续发展提供可供参考的政策建议。

(2)长株潭的耦合协调度和耦合度都呈现不断上升趋势，其中长沙市耦合指标上升的幅度较大，已经处于中度协调阶段，株洲市和湘潭市耦合协调度虽增长明显，但依旧处于低度协调阶段。虽然生态环境对城镇化响应较为明显，但生态环境的反馈作用又具有一定滞后性，究其原因，株洲和湘潭市的城镇化进程的推进以以牺牲环境为代价，很多“高投入、低产出”的企业在消耗大量资源的同时给生态环境带来了严重的危害，环境保护严重滞后于城镇化进程，这种盲目追求城镇化的粗放式发展已超出生态环境的承载阈值，最终会成为城镇持续发展的障碍。据此，为了避免滞后的生态环境阻碍、限制城镇化的发展，这些地区不仅要提高技术水平、提升能源利用效率、强化环保政策、加大环保投资，而且要转变经济发展方式、优化产业结构、发展循环经济、推广低碳技术，促进城镇人口、经济、资源和环境的协调发展，走资源节约、低碳减排、环境友好、经济高效的新型城镇化道路。

［1］Gene M.Grossman，Alan B.Krueger.Economic growth and environment［J］.The Quarterly Journal of Economics，1995，110.

［2］Vrishali.Deosthali.Assessment of impact of urbanization on climate:An application of bio-climatic index［M］.Atmospheric Environment，1999，33.

［3］曹慧，胡 锋等.南京市城市生态系统可持续发展评价研究［J］.生态学报，2002，(5).

［4］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，(2).

［5］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，(1).

［6］刘耀彬，宋学锋.城市化与生态环境耦合模式及判别［J］.地理科学，2005，(4).

［7］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，(8).

［8］宋建波，武春友.城市化与生态环境协调发展评价研究——以长江三角洲城市群为例［J］.中国软科学，2010，(2).

［9］T.L.Saaty.The analytical hierarehy process:Planning priority setting，resource allocation［M］.New York，McGraw-Hill Inc，1980.

［10］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，(1).