贵阳市城市化与生态环境耦合研究

蔡振饶, 李玉红, 李旭东

贵州师范大学地理与环境科学学院, 贵阳 550001

贵阳市城市化与生态环境耦合研究

蔡振饶, 李玉红, 李旭东*

贵州师范大学地理与环境科学学院, 贵阳 550001

随着中国西部地区城市化的快速推进, 生态脆弱城市的环境问题日益引起国内学者的重视。通过构建贵阳市城市化与生态环境指标体系, 以综合指数评价模型为基础分析贵阳市城市化与生态环境发展趋势, 并利用协调发展度模型揭示贵阳市城市化与生态环境耦合协调的演化轨迹。结果表明, 贵阳市城市化综合指数与生态环境综合指数总体上呈上升趋势, 两大系统的发展均依赖于各子系统的共同进步, 不同子系统与指标对综合评价体系具有不同的作用;协调度的演变明显表现为不同的两个阶段, 而协调发展度演变表现为线形的上升趋势, 由严重不协调阶段逐渐步入高级协调阶段。只有两大系统共同发展, 二者的耦合关系才会逐渐增强。

城市化; 生态环境; 耦合; 协调; 贵阳

1 前言

中国正处于工业化与城市化的中期阶段, 快速的经济增长与城市化进程对生态环境的胁迫作用日益突出[1]。目前, 国内学者对城市快速发展地区的城市化与生态环境耦合交互关系已有大量的研究[2-4]。然而受较弱的技术、制度、城市文明与系统自身恢复力影响, 西部地区城市在城市化发展过程中与生态环境的耦合关系具有明显的脆弱性[5], 如何把握西部生态脆弱地区城市化与生态环境耦合协调的作用机制与规律日益成为学者研究的焦点, 例如乔标、方创琳等对生态脆弱的干旱区城市化与生态环境耦合规律进行了一系列研究[6-7], 验证了城市化与生态环境交互耦合的双指数变化规律, 提出耦合规律是动态的螺旋式上升过程, 初步构建了干旱区城市化与生态环境耦合理论。此后, 不少学者对干旱区具体城市与地区展开了更为丰富的研究, 陆媛媛等对宁夏自治区进行了城市化与生态环境耦合对比研究[8], 玛伊热姆古丽·依明等对南疆绿洲城市的城市化与生态环境耦合协调性进行了研究[9-11], 甚至也有学者以干旱的高原城市为例展开研究[12], 进一步完善了干旱区城市化与生态环境耦合理论。在中国南方的喀斯特高原, 城市与生态环境系统同样脆弱, 近些年城市的发展速度领先中东部地区[13], 然而学者对喀斯特高原地区在快速城市化背景下的城市化与生态环境耦合研究关注较少[14-15], 且研究的时间尺度较短。以西南喀斯特高原城市——贵阳市为例, 构建起较为科学的指标体系, 试图探求贵阳市快速城市化背景下与生态环境耦合协调的发展规律,并提出相关对策建议促进贵阳市生态文明建设。

2 区域与方法

2.1 研究区域

贵阳市是贵州省省会, 也是全省的政治、经济、文化中心。贵阳属于亚热带湿润温和型气候, 座落在贵州省中部群山环绕的喀斯特盆地中。近年来随着诸条高铁线与高速路的修建, 贵阳市集聚资源要素的能力进一步加强, 经济增长速度位居全国前列,城市化水平快速提高。然而贵阳市经济总量偏小,经济发展严重依赖于不可再生资源, 在经济社会不断发展的同时, 能源、原材料等物质消耗和生活垃圾、城市废水、废气等排放物总量一直增长; 同时贵阳市属于喀斯特高原城市, 地形封闭, 空气污染物不易向外疏散; 平地少, 可利用土地不多; 水土易流失, 土壤涵养水源的能力差, 石漠化风险大,生态环境相对脆弱。贵阳市对生态环境的建设历史欠账多, 环保设施薄弱与资金投入不足, 因此, 制约贵阳市城市化与生态环境协调发展的一些长期性和深层次问题依然存在。

2.2 研究方法

研究数据包括城市化指标数据与生态环境指标数据, 原始数据来源于《贵阳市统计年鉴》(2000—2015)、《贵阳年鉴》(2000—2015)、《中国城市统计年鉴》(2000—2015)及《贵阳市环境状况公报》(1999—2014), 《贵阳市水资源公报》(1999—2014), 部分数据经过处理与计算。

2.2.1 构建城市化与生态环境指标体系

城市化与生态环境通过相互作用形成复杂的系统, 结构复杂, 层次多样, 具有多变量、多指标影响的特点。城市化系统内含了人口城市化、经济城市化、社会城市化、空间城市化四个子系统, 生态环境系统内含了生态环境水平、生态环境压力、生态环境保护三个子系统。在遵循简单科学性、典型性、可获取性等原则下[16], 构建起二级指标层共31个指标的较为科学的指标体系(表1)。

2.2.2 数据标准化处理

考虑到原始数据间量纲不同且指标间数量级存在明显的差异, 因此首先要对原始数据进行标准化处理[17]。标准化过程如下:

公式中x´ij是标准化处理后的数据,xij为原数据,xmaxj和xminj分别为原数据的最大值和最小值。本文对数据标准化后产生的极值处理的方法是给予一个正的微小值。

2.2.3 指标权重计算

确定指标权重的方法有许多种, 本文采用客观赋值的熵权法来确定权重, 熵权法确定权重的原则是: 指标数据的离散程度越大, 信息熵越小, 其提供的信息量越大, 则指标对综合评价的影响越大,其权重也就越大[18]。一级指标层与二级指标层权重数据均在熵权法基础上求得, 一级指标层权重均值为二级指标层各指标权重的平均值。熵权法具体方法如下:

(1)计算第j个指标下第i年份的指标值的比重Pij:

(2)计算第j个指标的熵值ej:

(3)计算第j个指标的熵权Wij:

表1 城市化与生态环境耦合的指标体系及权重Tab.1 The coupling indicator system and weights of urbanization and ecological environment

2.2.4 综合指数计算

根据各指标的标准化值与权重, 加权求和计算城市化与生态环境的综合指数。其计算公式为[19]:

Si表示综合指数,x´ij为数据的标准化值。

2.2.5 协调发展度模型计算

为了明确地揭示出贵阳市城市化与生态环境之间的关系, 依据以下模型公式计算贵阳市城市化与生态环境的协调度与协调发展度[20]。

式中,k为协调系数,k≥2, 一般取k=2;C为协调度,是度量系统或系统内部要素之间在发展过程中彼此和谐一致的程度, 是协调状况好坏程度的定量指标;T为城市化与生态环境综合评价指数, 反映了两者的整体效益与水平。α、β为待定权数, 由于城市化发展与生态环境发展同等重要, 故取0.5;D为协调发展度, 协调发展度D综合了城市化与生态环境的协调状况C以及两者所处的发展层次T, 可以反映出城市化与生态环境的动态变化趋势, 因此协调发展度模型具有更高的稳定性及更广的适用范围。

2.2.6 协调发展类型的判别

为了更好地说明城市化与生态环境耦合协调的程度, 对协调发展度等级进行划分(见表2), 协调发展度越小, 等级越低; 协调发展度越高, 等级越高[21]。

表2 协调发展等级类型Tab.2 Types of coordinated development

3 结果与分析

3.1 城市化综合指数变化特征

根据公式(6)计算出贵阳市城市化与生态环境综合指数, 并制作成图(见图1), 如图1所示, 自1999年以来, 贵阳市城市化综合指数增长表现出稳定的上升趋势。

从二级指标层角度进行分析: 第一, 在人口城市化子系统中, 在岗职工人数的权重最大(0.0601),说明就业人口的快速增长对贵阳市人口城市化的快速推进贡献最大。迁入地的居民收入与就业可达性影响着人口的迁移[22], 贵阳市作为省域中心城市,每年新增数万的在岗职工人数, 吸引着周边乡镇及其他地级市人口迁入及就业。非农业人口比重权重最低(0.0305), 在研究时段 16年间非农业人口比重增长了 4%左右, 很大程度上表明农民市民化的步伐较慢, 贵阳市城乡二元结构未发生根本改变。第二, 在经济城市化子系统中, 权重最大的是社会固定资产投资总额(0.1274), 说明固定资产投资总额的快速增长是目前贵阳市经济发展的最重要推动力。投资是拉动西部城市经济增长的重要因素[23], 1999-2014年间贵阳市社会固定资产投资总额年均增长70%, 在经济城市化过程中扮演着至关重要的角色。第三, 在空间城市化子系统中, 建成区面积的权重(0.0956)略大于道路面积(0.0938)的权重, 说明贵阳市建成区面积的扩张一定程度上与城市道路面积的扩展相适应, 在研究时段内贵阳市建成区面积扩大了2.3倍, 道路面积增长了3.5倍, 在交通条件改善的基础上贵阳市土地城市化速度较快。第四, 在社会城市化子系统中, 职工平均工资权重最大(0.0768),权重值略大于其他指标, 以职工平均工资为例, 在研究时段内年均增长 14.7%, 几项有关民生事业的指标数值在研究期内均有较大提高, 意味着贵阳市社会城市化步伐有序推进。

从一级指标层角度进行分析, 四个子系统权重均值从大到小依次为空间城市化、经济城市化、社会城市化、人口城市化, 说明贵阳市经济城市化与空间城市化对城市发展的贡献较大, 而人口城市化的贡献小且发展变化的步伐落后于其他城市化子系统。城市健康稳定的发展依赖于各城市化子系统的共同进步, 在四个子系统综合作用下贵阳市城市化综合指数呈稳定上升趋势。

3.2 生态环境指数变化特征

3.2.1 生态环境各子系统变化特征

根据公式(6)计算生态环境各子系统综合指数并制作成图(见图2), 由图2所示, 贵阳市生态环境各子系统指数在研究时段内表现出不同的变化特征。第一, 生态环境水平指数呈类似 W 型的变化趋势,1999-2006年间指数一直处于低水平徘徊状态, 而此时段生态环境压力指数与保护指数均处于较低的水平(图2); 2007年是指数变化的节点, 从图2可以发现在 2007年生态环境保护指数有了明显的提高,2007年贵阳市通过生态文明城市总体规划, 得益于对环境保护建设的重视, 生态环境水平有了较快的提高; 2008-2011年指数有所下降, 此时段降水量比常年平均水平偏低, 贵阳市人均水资源利用量从2008年的1544立方米下降到2011年的616立方米,此外二氧化氮年均值不断上升(2008年为 0.023 mg·m–3, 2011 年为 0.03 mg·m–3); 2011-2014 年生态环境水平指数又转变上升, 此时段贵阳市获批建设全国生态文明示范城市, 对城市生态环境治理强度又逐渐加强。第二, 生态环境压力指数表现为倒U型变化趋势。1999—2008年间指数值缓慢增长, 说明污染物总量排放对生态环境的压力逐渐下降; 2008—2011年压力指数值保持较高的水平, 污染物排放总量在此时段较小; 2011—2014年间指数值有所下降, 说明此时段污染物排放总量有所增长, 城市化对生态环境的胁迫效应增强。第三, 生态环境保护指数呈现出曲折的上升趋势。1999—2006年指数值处于低水平状态, 说明该时段对生态环境治理的水平较低; 自 2007年起保持较高的水平, 但2008—2009年、2013年指数有所下降, 表明生态环境治理水平的不稳定性。

图1 贵阳市城市化与生态环境综合指数变化趋势Fig.1 The trend of urbanization and ecological environment comprehensive index in Guiyang City

图2 贵阳市生态环境各子系统变化趋势Fig.2 Variation trend of each subsystem of the ecological environment in Guiyang City

3.2.2 生态环境综合指数变化特征

从图2可以发现在2008年以前生态环境水平指数变化与压力指数、保护指数有着较好的同步性,说明在研究时段的前中期生态环境水平明显受到其他子系统变动影响, 到后期生态环境水平指数的变化滞后于其他子系统的变化, 子系统之间演化的同步性较差。生态环境水平子系统在综合评价指标体系中权重均值最大(0.0753), 结合图 2可以发现在大部分年份生态环境水平子系统指数高于其他子系统指数, 说明生态环境水平子系统对生态环境综合指数的提升影响最大。在三个子系统综合作用下, 生态环境综合指数总体上呈上升趋势, 大致可以划分为三个阶段: 1999—2006年较低水平阶段; 2007—2008年快速上升阶段; 2009—2014年稳定高水平阶段。

3.3 城市化与生态环境协调度与协调发展度变化特征

3.3.1 协调度变化特征

根据协调发展度模型计算出贵阳市城市化与生态环境协调度与协调发展度并制作成图(见图 3), 如图3所示, 贵阳市城市化与生态环境的协调度演变过程表现出不同的两个阶段, 1999—2004年为快速上升阶段, 城市化与生态环境两大系统协调度由低到高快速上升, 协调程度迅速变好; 2005—2014年为高水平低波动阶段, 经历前期磨合作用后, 两大系统耦合模式从 2005年起转变为较稳定的成熟状态,但受生态环境综合指数个别年份的振荡波动影响协调度有略微波动。

图3 协调度与协调发展度变化趋势Fig.3 Variation trend of coordination degree and coordinated development degree

3.3.2 协调发展度变化特征

贵阳市城市化与生态环境的协调发展度在研究时段内稳定上升(见图 3), 表现为线形的增长趋势(y=0.0498x+ 0.1343,R2= 0.9801)。根据协调发展度分类标准(表2), 将贵阳市协调发展度进行等级归类(见表3)。

从表3可以发现贵阳市协调发展度介于0.1014—0.8903之间, 拥有从严重失调型至高度协调型所有等级类型, 为了更好地分析贵阳市城市化与生态环境耦合演变规律, 将贵阳市16年的协调发展度演化脉络划分为4大阶段:

1)1999—2001年严重不协调阶段。该阶段城市化与生态环境协调发展度处于最低的水平, 保持在严重不协调阶段。这个阶段城市化综合指数增长速度稍慢于生态环境综合指数增长速度, 且指数值仍明显低于生态环境综合数值, 说明该阶段城市化水平较低, 并未对生态环境造成严重的负面影响。

2)2002—2004年基本不协调阶段。该时段城市化与生态环境协调发展度有所增加, 协调类型过渡至基本不协调类型。城市化综合指数与生态环境综合指数的差距有所缩小, 生态环境综合指数有略微波动, 说明城市化发展的速度较快且对生态环境的胁迫作用加大。

3)2005—2011年基本协调阶段。协调发展度在该阶段快速增加, 协调类型转变为基本协调类型。该时段城市化综合指数与生态环境综合指数之间的差距由小到大再缩小, 生态环境综合数值的增长变化呈倒V型, 说明该阶段城市化与生态环境的耦合状态具有不稳定性, 城市化对生态环境既有促进作用也有负面影响。

4)2012—2014年高级协调阶段。该时段城市协调发展度上升到较高的阶段, 协调类型为高级协调类型。该时段城市化综合指数开始超过生态环境综合指数且差距逐渐扩大, 表明城市化快速发展的同时给生态环境带来的促进作用有限。

表3 贵阳市城市化与生态环境协调发展度及协调类型Tab.3 The coordinated development degree between urbanization and eco-environment and coordination type in Guiyang City

4 结论

1) 自1999年以来, 贵阳市城市化综合指数增长呈线性的上升趋势。四个城市化子系统的共同发展支撑了城市化综合水平的快速提升, 其中经济城市化与空间城市化对城市发展的影响较大, 人口城市化对城市发展影响最小。在岗职工人数、社会固定资产投资总额、建成区面积、职工平均工资分别是对所在的子系统影响最大的因素。

2) 贵阳市生态环境水平指数呈W型变化趋势,生态环境压力指数表现为倒U型变化趋势, 而生态环境保护指数呈现出曲折的上升趋势。生态环境的三大子系统在研究时段前中期具有较好的变化同步性, 步入后期生态环境水平子系统滞后于其他子系统的变化。生态环境水平子系统对生态环境综合系统影响最大, 在三大子系统综合作用下生态环境综合指数总体上呈上升趋势。

3) 贵阳市城市化与生态环境的协调度演变过程分为两个阶段, 第一阶段属于快速上升阶段, 第二阶段属于高水平低波动阶段。城市化与生态环境的协调发展度演化表现为线形的增长趋势, 可以将协调发展度演化脉络划分为 4个阶段, 从严重不协调阶段逐步进入高级协调阶段。城市化与生态环境耦合协调性的增强依赖于两大系统的共同作用, 只有二者综合指数不断提高, 耦合关系才会稳定增强。

5 讨论

由于贵阳市与国内发达城市相比, 城市发展的各方面相对落后, 因此追求城市扩张与经济发展就成为缩小差距的必要途径, 而脆弱的高原生态环境与有限的资源难以承受城市化快速发展带来的压力,城市化与生态环境的协调发展将面临严峻的挑战。针对贵阳市城市化子系统发展速度不同与生态环境子系统变化的波动性, 未来应注重城市化质量与生态环境建设的稳定性, 促进城市化与生态环境的耦合协调。从城市化方面, 贵阳市要推进以人为本的新型城镇化, 加快农民转移人口市民化; 继续优化产业结构, 发挥消费在经济增长中的重要作用; 优化城市土地利用结构, 提高城市绿化覆盖率, 加大对城市道路建设的投入; 加大对教育、卫生等公共事业的投入, 逐步提高居民收入水平。从生态环境方面, 要以建设生态城市为目标, 做好城市园林规划与建设; 加强对大气环境与水环境的监管, 削减各种污染物排放总量; 加大对环保投入, 提高企业环保技术水平, 提高资源利用效率。城市化与生态环境的耦合协调关系是随时间不断变化的过程, 从研究中发现在研究时段后期生态环境的综合指数已滞后于城市化综合指数且差距不断扩大, 贵阳市在推进城市化进程的同时要继续保持对生态环境的高度重视。此外, 生态环境是开放的复杂系统, 生态环境水平系统不仅受到保护子系统与压力子系统的影响, 也受到外部区域环境变化的影响, 在研究中出现生态环境水平演化并未与其他子系统保持高度同步性的现象, 因此对喀斯特高原城市的城市化与生态环境耦合研究有待进一步深入。

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Coupling research on urbanization and ecological environment in Guiyang City

CAI Zhenrao, LI Yuhong, LI Xudong*
College of Geography and Environmental Science, Guizhou Normal University, Guiyang550001, China

With the rapid development of urbanization in Western China, the environmental problems of ecological fragile cities have been attracted more and more attention by domestic scholars.Setting up the urbanization and ecological environment index system of Guiyang, we analyzed the development trend of urbanization and ecological environment in Guiyang through the comprehensive index evaluation model, and revealed the evolution trajectory of the coupling coordination between urbanization and ecological environment in Guiyang by coordinated development degree model.The results showed that both the comprehensive index of urbanization and ecological environment showed an upward trend in Guiyang.The development of the two systems depended on the common progress of each subsystem and the different subsystem and index had different effects on the comprehensive evaluation system.The evolution of the coordination degree showed two different stages, and the evolution of the coordinated development degree showed a linear upward trend, entering into the advanced coordination stage from the serious uncoordinated stage step by step.The coupling relationship between the two systems will gradually increase no other than the two are jointly developed.

urbanization; ecological environment; coupling; coordination; Guiyang

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.05.025

S435.11, Q14

A

1008-8873(2017)05-196-08

蔡振饶, 李玉红, 李旭东.贵阳市城市化与生态环境耦合研究[J].生态科学, 2017, 36(5): 196–203.

CAI Zhenrao, LI Yuhong, LI Xudong.Coupling research on urbanization and ecological environment in Guiyang City[J].Ecological Science, 2017, 36(5): 196–203.

2017-03-06;

2017-04-21

国家自然科学基金资助项目(41261039)

蔡振饶(1992—), 男, 硕士研究生, 主要从事人口与城市化研究, E-mail: 1532406016@qq.com

*通信作者: 李旭东(1969—), 男, 教授, 硕士生导师, 研究方向为人口与城市化, E-mail: