兰州市城市化与生态系统服务价值的耦合关系定量研究

2017-09-26乔蕻强

水土保持通报 2017年4期

关键词：耦合度兰州市城市化

乔蕻强

(甘肃农业大学管理学院, 甘肃兰州 730070)

兰州市城市化与生态系统服务价值的耦合关系定量研究

乔蕻强

(甘肃农业大学管理学院,甘肃兰州730070)

[目的] 定量分析兰州市城市化与生态系统服务价值的耦合关系，以期为兰州市在城市化进程中采取适当的土地利用模式提供科学依据。 [方法] 在构建兰州市生态系统服务价值和城市化水平2个子系统的基础上，采用熵值法进行标准化处理，建立兰州市2004—2014年城市化与生态系统服务价值的耦合协调模型，测定兰州市城市化与生态系统服务价值的耦合协调状况。 [结果] (1) 兰州市城市化水平从2004年的0.585 1上升到2014年的0.659 6，11 a间共上升了0.074 5，年均上升0.006 8，总体上呈上升趋势； (2) 兰州市生态系统服务价值从2004年的83.24亿元增加到2014年的95.02亿元，在11 a内增加11.78亿元，年均增加1.07亿元，也呈递增趋势。 [结论] 兰州市2004—2014年城市化与生态服务价值的耦合关系呈现倒U形发展趋势，总体耦合协调度处于中度协调状态之上，在2009—2012年达到协调高峰期。

城市化; 生态系统服务价值; 耦合协调关系; 兰州市

文献参数： .兰州市城市化与生态系统服务价值的耦合关系定量研究[J].水土保持通报，2017,37(4)：333-337.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.056； Qiao Hongqiang. Quantitative coupling between urbanization of Lanzhou City and its ecosystem service value[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：333-337.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.056

城市化反映一个国家或地区的社会进步程度，同时也是衡量经济发展的重要指标。改革开放以后，城市化水平从改革最初的17.9%提高到了目前的52.36%，年均增长0.93%[1]。然而，快速的城市化带来了一系列的生态环境问题，巨大的能源需求和污染物的排放给生态系统和资源环境承载力带来了前所未有的压力，尤其是人口密度大的资源型重工业城市尤为突出。因此，分析城市化和生态系统服务价值的现状并探讨两者内在的耦合机制，一直是国内外研究的热点和焦点。城市化的过程就是不断利用和改造自然环境的过程，该过程现在或未来会对周围生态环境造成一定的影响和胁迫，而生态环境对城市化起到约束作用，因此，城市化与生态环境之间存在某种胁迫与约束的耦合机理[2]。目前有许多专家学者对此进行了研究，尤其是在研究理论和方法方面取得了重要成果。研究理论形成了6大基本定律，如动态层级律，阈值律，非线性协同律，随机涨落律，耦合裂变律和预警律等[3-4];研究方法主要包括“3S”技术定量分析、系统分析和回归分析等[5-6]。但是，城市化的发展史可持续的，而生态系统服务价值作为可持续发展的衡量指标，研究两者之间的关系，对资源匮乏、以重工业发展为主的城市可持续发展影响深远。因此，本文的创新点在于用一定时间序列的相关指标，定量测度两个系统的耦合关系与协调程度，有助于从定量的角度探索区域城市化发展速度与土地承载力状况、生态环境质量的协调度。兰州市作为西北重工业城市，自2004年以来，社会经济保持了持续高速增长，年均经济增长率达13．48%,城市化发展迅速，加上人口密度大、生态环境脆弱，和“两山夹一河”的独特地形，使城市化发展与生态环境之间的矛盾凸显。因此，本研究以兰州市为例，采用定量与定性相结合的方法，建立两者耦合度与耦合协调度模型，分析该市城市化与生态系统服务价值的耦合协调关系，对于合理利用土地资源、有效配置生态系统服务，对促进兰州市可持续发展具有重要意义。

1 研究区概况和数据来源

兰州市中心位于(35°34′—37°07′N，102°35′—104°34′E)，是西北地区重要的工业基地和综合交通枢纽。行政区域包括三县五区，常住人口401.55万。区域内大部分地区属温带半干旱气候，年平均降水量为324 mm，年蒸发量1 486 mm，植被稀少，风沙大。兰州市自2004年以来，社会经济保持了持续高速增长，年平均GDP在7%以上，城市化发展迅速，尤其是兰州新区的规划建设和“一带一路”战略的实施，使兰州市遇到了前所未有的机遇和挑战。考虑到研究区域计量指标和数据的易获取性、连续性和准确性，本文所采用的2004—2014年兰州城市化的部分数据，来自于《兰州市统计年鉴》和《兰州市国民经济和社会发展统计公报》；生态系统服务价值2004—2014年的基础数据来源于甘肃省地理信息中心测绘研究院第二次土地调查和每年变更资料，并对数据进行处理和计算获得。

2 研究方法

2.1 城市化水平

2.1.1 数据标准化处理方法为消除各指标在量纲、数量级上的差别需要对原始数据进行标准化处理。本研究采用极差标准化处理[7]，消除量纲差别，使得各指标值在0～1之间。极差标准化处理借助于公式(1)，其中xij为指标原始值；rij为标准化后的某指标值，i为指标个数，j为年份，xmax为第i个指标最大值，xmin第i个指标最小值。

(1)

为使指标权重更具科学性，避免主观因素的影响，逐采用熵值法来确定指标权重。

(1) 计算第j指标下第i年份指标值的比重pij；

(2)

(2) 定义第j项指标的熵值ej，熵值越小越有序，信息量越多，效用值越大；

(3)

k>0,其大小与m有关,一般取k=1/lnm,且0≤ej≤1。

(3) 计算第j项指标差异性系数；

dj=1-ej

(4)

(4) 定义指标的权数；

(5)

(5) 计算第i年综合评价指数[8]，即城市化水平。

(6)

2.1.2 生态系统服务价值生态系统服务价值是指人类直接或间接从生态系统中所得到的利益[9]。土地利用作为人与自然交叉最为切的环节,利用现状可以从侧面反映出人类生活状况，同时土地利用的变化必然影响生态系统的结构和功能。因此，总结研究结果和经验，利用类型评价区域的生态系统服务价值来分析区域生态系统对人类的服务价值和潜力[10]，计算公式为:

ESV=∑AkCk

(7)

式中:ESV——生态系统服务价值(元);Ak——研究区某种土地利用类型的面积(hm2)；Ck——生态系统价值系数。

2.1.3 耦合度模型借鉴物理学中的容量耦合概念及容量耦合系数模型，推广得到多个系统相互作用耦合度模型，则城市化与生态系统服务价值的耦合度函数可以表示为[11-12]。

C=2{(u1·u2)/〔(u1+u2)(u1+U2)〕}1/2

(8)

式中：C——耦合度值，处于0～1之间。当C=1时，耦合度最大，达到良性共振耦合，系统将趋向新的有序结构；当C=0时，耦合度极小，系统将向无序发展；当0

2.1.4 耦合协调度模型耦合度作为反映研究区域城市化与生态系统服务价值耦合程度的重要指标，它是判别研究区域城市化与生态系统服务价值耦合作用强度以及作用的时序区间，预警二者发展秩序等具有重要意义[7]。然而，耦合度在有些情况下却很难反映出区域城市化与生态系统服务价值整体“功效”与“协同”效应，特别研究区域较广，经济发展差异性较大，耦合度计算的上下限一般取自各个地区的基准年数和发展规划数，单纯依靠耦合度判别有可能产生误导，因为每个地区的城市化与生态系统服务价值建设都有其交错、动态和不平衡的特性[13-14]。为此，构建城市化与生态系统服务价值耦合协调度模型，评判不同区域城市化与生态系统服务价值交互耦合的协调程度[12]，如公式(9)所示：

(9)

式中：D——耦合协调度；C——耦合度；T——城市化与生态系统服务价值综合调和指数，它反映城市化与生态系统服务价值的整体协同效应或贡献；T处于0～1之间[15]，a，b——待定系数均取0.5。依据国内外研究进展和区域实际情况，耦合协调度大致划分为，一般认为：当0

3 结果与分析

3.1 城市化水平评价

城市化是城镇经济发展、城镇人口增长、城镇用地空间扩张和城镇生活质量提高的过程[16]。依据城市化的涵义，本文从人口城市化、经济城市化、空间城市化和社会城市化4个方面构建城市化系统的指标体系。在人口城市化水平方面，人口数量采用市区常住人口指标和市镇人口比重；第三产业被认为是衡量城市化水平的最佳标准，因此采用第三产业从业人口比重指标表示人口质量。在经济城市化水平方面，考虑到不同区域规模大小差异较大，故采用城镇居民人均可支配收入指标来表示经济水平总量；采用第三产业增加值占GDP比重指标和固定资源投资完成额比重指标来衡量经济水平质量。在空间城市化水平方面，采用建成区面积指标城市人口密度指标代表城市化空间发展总体规模；采用人均建成区面积指标来衡量空间城市化水平的质量。科技文化水平、基础设施建设水平和医疗保障水平是社会城市化水平的3个重要体现，本文采用每百人公共图书馆藏书、每万人拥有公共汽车和每万人拥有医生数3个典型的指标分别代表三者的水平。因此，城市化指标体系共包含了4个准则层和11个评价指标，具体详见表1。从表1可知，兰州市城市化水平从2004年0.585 1上升到2014年的0.659 6,城市化水平在11 a间共上升了0.074 5,年均上升0.006 8，且一直保持着逐年递增的趋势，11和指标也随着年份递增。这表明兰州市城市发展较快，城市规模不断扩大，非农业人口每年呈增长态势，尤其是兰州新区的获批和“一路一带”的发展机遇，今后兰州市经济发展更加迅速，产业结构调整更快，流动人口加速，进一步提升兰州市城市名片和城市化水平，逐渐发展为丝绸之路带上新的经济增长极。

3.2 生态系统服务价值

根据谢高地等[17]制定了中国生态系统9项生态服务的当量因子表，本文采用该文献提出的食物生产、原材料生产、气体调节、气候调节、水源涵养、废物处理、保持水土、生物多样性保护和娱乐服务9项生态服务构建生态服务价值指标体系。土地利用变化反映了生态系统服务功能和结构的变化，因此，将土地分为6种类型，如耕地、林地、园地、水域、建设用地和其它未利用地来表征兰州市的生态系统服务价值指标。

由于本研究中计算生态系统服务价值主要是为了反应区域的生态系统的状况,因此计算各年份的生态系统服务价值时采用相同的价值系数,各年份的生态系统服务价值系数均参照谢高地等2003年制定的中国陆地生态系统单位面积生态服务价值系数表,将兰州市土地利用类型与之对照,得到所划分的兰州市6种土地利用类型的生态系统服务价值系数,其中耕地表征农田系统，林地表征森林系统，园地取森林系统和草地系统的平均值，牧草地表征草地系统，水域取湿地和水体的平均值，未利用地代表未利用地系统[18]。根据公式(7)计算出兰州市2004—2014年各年的的生态系统服务价值(表2)。从表2可知，兰州市生态系统服务价值从2004年的83.24亿元增加到2014年的95.02亿元，11 a增加了11.78亿元，年均增加1.07亿元，且九个指标保持逐年递增的趋势。这表明兰州市土地利用结构越来越趋向合理，绿地覆盖率增加，公共基础设施配置得当，污染治理效果明显，生态系统服务价值逐渐提升，与城市化水平发展方向一致。

表1 兰州市 2004-2014年城市化水平

表2 兰州市2004-2014年各年土地生态系统服务价值亿元

3.3 城市化与生态系统服务价值耦合关系

耦合是指两个或两个以上系统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影响的程度[14]。城市化与生态系统服务价值2个系统通过各自的耦合元素产生相互彼此影响的程度定义为城市—生态系统服务价值耦合度,其大小反映了对区域社会—经济—生态系统的贡献程度和作用强度[17]。根据耦合概念及容量耦合系数模型[18]，建立耦合度模型，介于在进行横向对比的时候耦合度指标在反映二者关系的不全面性，故在此基础上进一步建立耦合协调度模型[13]，计算出城市化与生态系统服务之间的耦合协调度，通过公式(8)—(9)计算耦合度与耦合协调度，确定耦合协调类型(图1)。从图1可知，兰州市城市化与生态系统服务价值之间的耦合协调性总体上呈不规则的倒U形发展趋势，2004—2014年兰州市耦合协调度处于中度协调状态之上，说明兰州市城市化水平上升的同时，生态系统服务价值也稳步提高，这与兰州市实际情况一致。在2004—2006年协调度处于0.36～0.45，城市化与生态系统服务价值的耦合协调度由低度协调耦合过渡到中度协调耦合，这一时期的城市化综合水平快速增加，城市经济飞速发展，非农人口逐渐增加，使脆弱的生态环境受到了影响，但随着全民素质的提高，人们开始重视生态环境。在2006—2008年协调度处于0.45～0.77，不断呈现上升趋势，处于由中度协调状态过渡到高度协调状态，这一时期兰州市大力绿化南北两山，规划黄河风情线，加大道路和河堤绿化建设。在2009—2012年达到顶峰，处于极度协调状态，这一时期兰州市全市实行“煤改气”改造工程，引进新型防污降尘设备，对裸露土地防尘布的使用，以及前两阶段的退耕还林工程作用显现，在城市化水平提升的同时生态效应显现。2012年以后，逐年呈平稳发展趋势，虽然这一时期自然灾害频繁，影响了社会经济的发展和生态环境，但总体处于高度协调状态。

图1 兰州市2004-2014年城市化与生态系统服务价值的耦合协调度

4 讨论与结论

4.1 讨论

本文基于耦合协调思想对兰州市城市化与生态系统服务价值的关系进行了研究，研究结果表明，2004—2014年兰州市城市化水平与生态系统服务价值的耦合协调度总体上呈倒U形发展趋势，基本上处于中度协调状态之上。其研究方法实用性强，研究结果很好地反映了研究区域实际情况，对国家、地方政府城市发展政策的制定，基础设施的建设，产业结构的调整，以及社会人员生态保护意识的增强具有重要意义。目前，兰州市的城市化水平仍然在不断上升，同时对生态环境系统造成一定的影响，这是在城市化进程中不可避免的问题，如何协调两者之间的矛盾，如何提升生态系统服务的价值，是兰州市在两者耦合关系上协调发展的关键，陆媛媛、潘竟虎都证实了这一点[19-20]。因此，政府应该在快速追求经济发展，快速城市化的同时考虑到生态环境的承载力和潜力，采取积极的应对措施提高生态系统服务功能。当然，由于空间和时序上的差异，生态系统服务的价值系数是不断动态变化的，今后动态地算出城市化与生态系统服务价值的耦合协调度并对其未来发展趋势作出预测是下一步的研究方向。

4.2 结论

(1) 2004—2014年兰州市城市化与生态系统服务价值之间的协调性总体上呈不规则的倒U形发展趋势，耦合协调度由低度协调过渡到中度协调状态，再过渡到高度和极度耦合协调状态后平稳发展，尤其是2009—2012年耦合协调度处于极度协调状态，与实际情况相符合。说明兰州市在提升城市化水平的同时，也注重生态环境的保护，使两者相互促进，协调发展，也是兰州市“宜居”城市建设的前提。

(2) 兰州市2004—2014年的城市化水平得分从0.585 1上升到0.659 6,兰州市生态系统服务价值从2004年的83.24亿元增加到2014年的95.02亿元，两者都呈递增趋势，表明研究区域城市化在不同侧面与生态系统的服务功能存在相关性，两者的共同提高，才能使城市发挥活力和功能性。因此，同时推进和注重两者建设，才能使人和自然相和谐。

(3) 从政府对策响应来看，兰州市政府应该进一步实施有利于维持和提高生态系统服务功能的措施,例如楼顶绿化、重工业迁出等政策,虽然这些政策的实施巳经取得了一些效应,但政府部门应进一步提升宣传力度，提高公民素质，加强监督管理。

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Quantitative Coupling Between Urbanization of Lanzhou City and Its Ecosystem Service Value

QIAO Hongqiang

(College of Management, Gansu Agricultural University, Lanzhou, Gansu 730070， China)

[Objective] The coupling link between the urbanization of Lanzhou City and ecosystem service value was analyzed quantitatively to provide scientific basis for appropriate land use in the process of urbanization in Lanzhou City. [Methods] The ecosystem service value and urbanization level in Lanzhou City were constructed and the entropy method was adopted to standardize the model. A coupled and coordinated model between urbanization and ecosystem service value was established based on the data collected from 2004 to 2014 in Lanzhou City. The relationship between urbanization and ecosystem service value, as well as the land use pattern of urbanization, were analyzed. [Results] (1) The urbanization level of Lanzhou City increased from 0.585 1 in 2004 to 0.659 6 in 2014, with an increment of 0.074 5 in 11 years, and annual rate of 0.006 8. And the overall trend of urbanization was increasing. (2) The value of Lanzhou ecosystem services increased from 8.342 billion yuan in 2004 to 9.502 billion yuan in 2014, with an increment of 1.178 billion yuan, and an average annual rate of 107 million yuan, it also showed an increasing trend. [Conclusion] The coupling relationship between urbanization and ecological service value of Lanzhou City in 2004—2014 was an inverted U shape. The overall coupling coordination degree was in moderate coordination state, and the coordination peak occurred in 2009—2012.

urbanization;ecosystemservicevalue;couplingrelationship;LanzhouCity