乌鲁木齐市城市化与生态环境耦合分析

2018-01-18陈奇霞安瓦尔买买提明

江西农业学报 2018年1期

陈奇霞,安瓦尔·买买提明,2*

(1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆乌鲁木齐 830054；2.新疆师范大学丝绸之路经济带城市发展研究中心，新疆乌鲁木齐 830054)

近年来国内外学者对城市化与生态环境两者之间关系的研究较多，且取得了一些成果。19世纪，Grossman等[1]采用计量地理学方法，得出城市生态环境质量的好坏与经济水平有一定关系，城市生态环境随着经济水平的提高呈倒“U”型演变。2000年，Odum等[2]运用2个模型，分析了城市化与生态环境交互作用的机理。Burak等[3]对地中海地区城市化加快进行了分析，得出城市化加快对当地生态环境造成负面影响。Cristina等[4]运用遥感技术，研究了美国东南城市用地扩展对生态系统产生的影响。Portnov等[5]对巴勒斯坦南部内盖夫地区城市化进程进行了研究，得出城市化对生态环境承受的压力有缓解作用。

国内城市化和生态环境关系研究较晚，但也取得了一定成果。刘耀彬等[6-12]认为一个国家和地区的城市化水平与生态环境密不可分，既彼此促进又彼此制约。乔标和方创琳等[13-18]分析了干旱地区城市化与生态环境保护之间存在的问题，得出城镇在发展过程中受到生态环境胁迫并破坏了生态环境。王长建等[19]采用系统动力学方法对社会经济与沙漠化和水资源等要素进行了耦合动力学研究。乔标等[16]认为城市化与生态环境有交互胁迫关系，用数学关系表示呈“双指数曲线”。大多数国内学者分析了城市化与生态环境存在交互胁迫,用模型定量分析了两者之间的关系，为城市良好发展奠定了基础。

本文在查阅乌鲁木齐市城市化与生态环境方面数据资料与研究方法的前提下，选取了乌鲁木齐市城市化与生态环境的多项指标，运用熵值法确定指标权重，借助物理学耦合模型，定量分析了2003～2014年乌鲁木齐市城市化与生态环境的耦合过程与演进趋势。

1 研究区概括与数据来源

1.1 研究区概括

乌鲁木齐市简称为“乌市”，是全疆首府，地处亚欧大陆中心，天山山脉中段北麓，准噶尔盆地南缘，三面环山，地势东南高，西北低，气候属中温带半干旱气候。乌鲁木齐土地面积为12000 km2。截至2010年，全市常住人口为3112559人。乌鲁木齐是第二座亚欧大陆桥经济带，是中国西部地区重要的经济中心。2014年实现地区生产总值(GDP)2510亿元，人均国内生产总值70428元，是全疆人均国内生产总值的1.7倍。

乌鲁木齐属干旱区的绿洲城市，水资源稀少，风沙较大，城市生态系统比较薄弱。乌鲁木齐与全疆相比经济发达，各类产业部门齐全，但同时该市又是一个环境污染较为严重的城市。

1.2 数据来源

本文选取的所有指标均来源于《乌鲁木齐统计年鉴》(2004～2015)、《新疆统计年鉴》(2004～2015)、《中国城市统计年鉴》(2004～2015)、《乌鲁木齐国民经济和社会发展统计公报》(2004～2014)。

2 研究方法

2.1 数据标准化

因为最初指标量纲、数量级都不一样，影响了最后的计算结果，所以必须对最初数据进行标准化。本文使用极差变换法对指标进行标准化，指标值越大对系统越有利，采用正向指标计算公式(1)对原始数据进行处理，指标值越小对系统越好，采用负向指标计算公式(2)对原始数据进行处理。正负向指标公式分别为：

(1)

(2)

式中，Kij代表第i年第j项指标的最初值，Fij代表第i年第j项指标的标准化值；maxKij、minKij分别为第j指标的最大值和最小值。

经过计算，所有指标值都在0～1之间，正、负向指标都转化为正向指标，最好值为1，最差值为0。

2.2 指标权重的计算

要想区分指标的重要性，有必要对所有指标进行权重计算。权重与指标呈正向关系，指标在文章中越重要，权重越大。目前确定权重的方法有很多，本文采用客观赋权法的一种，熵值法计算指标权重(表1)。熵值法是客观的，不受主观因素的影响，原始信息大都来源于外部环境，通过分析各指标之间存在的关系和信息量，最终确定每个指标的权重。

熵值法得出指标权重的步骤：

(3)计算信息熵冗余度：dj=1-ej

(3)

表1 乌鲁木齐城市化与生态环境指标体系

2.3 综合指数的计算

根据上文得出的城市化和生态环境标准化数值和权重数值，把每个指标的标准化数值和权重数值相乘并加权求和得出城市化综合指数f(x)和生态环境综合指数g(y)，公式如下[20]：

(4)

(5)

2.4 耦合度模型与协调度计算

耦合一词顾名思义就是指系统之间互相影响。耦合度指系统之间影响的程度[21]。城市化与生态环境之间一直都存在着一种联系。城市化发展对生态环境产生重要影响，反之生态环境对城市化也产生了很大的影响[22]。通过查阅前人研究，得出计算生态环境和城市化耦合度及协调度的公式。廖重斌[23]提出环境与经济协调模型，可以很好地表达2个系统相互耦合的协调程度，因此，本文引用该模型，对乌鲁木齐市生态环境和城市化之间的关系进行了分析。模型如下：

(6)

T=αf(x)+βf(y)

(7)

D=CT1/2

(8)

式中，C为耦合度，k为调节系数，k一般情况下大于2，本文k仅取2；T为城市化和生态环境综合评价指数，f(x)为城市化综合指数，f(y)为生态环境综合指数，在本文中由于城市化发展与生态环境保护两者同等重要，所以本文α、β取0.5；D为耦合发展度。通过计算可以发现，f(x)、g(y)、C、T、D都在0～1之间范围内。衡量城市化和生态环境水平一般用耦合发展度(D)，D值与乌鲁木齐市城市化和生态环境综合水平呈正向关系，D值越大说明两者的综合水平越好，同时它们之间的关系越和谐。表2是f(x)、g(y)、C、T、D的计算结果。

2.5 耦合发展度类型的判别

为了更好、更有效地说明乌鲁木齐城市化和生态环境耦合达到的程度，需要划分耦合发展度。由于D的最小值为0，最大值为1，在0～1之间范围内，所以耦合发展度(D)值越大越协和，D值越小越不协和。本文在参考前人研究成果的基础上，把耦合发展度按表3进行划分。

3 结果与分析

根据上述公式和耦合模型，分别计算出城市化综合指数、生态环境综合指数、耦合度指数、综合评价指数、耦合发展度指数(表2)，2003～2014年乌鲁木齐市经济总量快速增长，居民生活程度显著提高，城市化进程显著加快，同时生态环境也发生了巨大变化。在这一时期城市化对生态环境影响也最显著。

表2 乌鲁木齐城市化与生态环境耦合发展度(2003～2014)

表3 耦合发展度等级类型

3.1 城市化与生态环境综合指数变化特征

为了能更好地说明乌鲁木齐市城市化和生态环境综合指数变化特征，把表2城市化综合指数f(x)和生态环境综合指数g(y)做成图1。

图1 乌鲁木齐市城市化和生态环境综合指数变化趋势

从图1可以看出：乌鲁木齐的城市化综合指数在0.09～0.90之间变动，说明城市化综合指数一年比一年大，说明城市化综合水平显著提高，呈现上升趋势。从表2可以看出，2011年之后，城市化综合指数增长不断加快(2011年为0.5612,2012年为0.6926,2013年为0.7614，2014年达到0.8656)，表明乌鲁木齐已经进入城市化的快速发展时期。随着城市的不断发展，城镇人口在逐年递增，在总人口中所占的比重也在增加；2014年城镇居民人均可支配收入31604元，比2011年增长了14.7%；社会销售品零售总额增长较快，相比2003年增加了6.03倍；同时乌鲁木齐市的教育、科技水平发展较快，2003年的普通高等学校学生人数为86107人，2014年达到172388人，比2003年增加了2倍多；城市社会保障体系也在不断完善；2003年以来，乌鲁木齐市各方面的基础设施也得到完善。通过上述分析，说明乌鲁木齐市城市化综合指数呈线性增长。

从图1可以看出，乌鲁木齐的生态环境指数在0.29～0.67范围内变化。整体来看，乌鲁木齐生态环境综合指数呈现不稳定的趋势，上下浮动变化。如2003～2005有下降趋势，由0.3932下降到0.2598，平均下降速率为0.1871%。而2005～2008年又有所上升，由0.2598上升到0.4212，平均增长速率为0.1748%。生态环境的这种不稳定变化是由于自然和人为原因造成的。

3.2 城市化与生态环境耦合关系以及耦合类型分析

由表2得出：乌鲁木齐市2003～2014年的耦合度和耦合发展度，依据表3的分类标准，分别对乌鲁木齐市2003～2014年的耦合发展度进行划分(表4)。由表4可以得出：2003年乌鲁木齐市耦合发展度为低度协调，低水平耦合阶段，这一年也是乌鲁木齐市城市化和生态环境耦合发展度最低的一年。2004～2005年乌鲁木齐为中度协调，拮抗时期。在这一时期内乌鲁木齐市城市化发展比较落后，生态环境的建设也比较差。城镇人口占总人口比率较低，人少相应消耗的能源少，所以城市的发展并没有太大的损害生态环境。它们之间彼此没有受对方太大的影响，属于拮抗时期。2006～2011年乌鲁木齐为高度协调，磨合阶段。这一时期虽然乌鲁木齐的城市化水平还不是很高，但在这5年内城市化水平一直呈递增趋势，总体来看还是有明显的提高。由于农村人口向城市大量迁移，从事第二产业的人数大量增加，工业化速度迅速加快(2006年人均工业产值为35799元，到2011年人均工业产值为83820元)，对生态环境的影响相应地也在加快。随着城市建设的不断扩大，生态环境对城市的发展有了一定的制约。但由于政府对城市环境给予了高度重视，实施了一系列对环境有利的措施，生态环境的污染处理率明显提高，工业三废的排放和人类排放的各种废弃物对环境产生的危害也有所降低，城市化和生态环境逐步走向高度协调。2012～2014年乌鲁木齐为极度协调，高水平耦合阶段。近年来，乌鲁木齐经济保持持续快速增长，城市化水平快速增加，人们对环境保护的意识越来越强，在城市居住的居民不光对物质需求有较高要求，还要对生态环境有较高的要求，在保证城市数量的同时，还要保证城市环境的质量。这几年，政府对生态环境的治理给予了一定重视，运用一些技术手段治理污染，使得城市化发展对生态环境压力有降低趋势，这3年乌鲁木齐城市的生态环境总体水平较好，两者正走向极度协调的趋势。

表4 乌鲁木齐城市化与生态环境耦合发展

由图2可以得到，乌鲁木齐市2003～2014年这12年间耦合度总体呈递增趋势，耦合度的范围在0.3439～0.9992之间，说明乌鲁木齐城市化和生态环境的耦合水平较好。但有个别年份耦合度增加幅度特别大，有的年份也出现微小的降低。例如2003年耦合度为0.3439,2004年增加到0.7709，平均增长率为0.4971%。出现大幅度增长的原因是，2003年是当年乌鲁木齐政府任职的第一年，这一年又出现“非典”疫情，为了抗击“非典”，政府投入了所有的精力和时间，从而忽略了城市的建设，所以2003年城市化和生态环境耦合度极低。到了2004年乌鲁木齐政府把工作投入到其他各方面，因此两者的耦合度增加得也比较快。2008和2013年乌鲁木齐耦合度都有略微下降的趋势，导致耦合度下降的直接原因是当地的自然和人为因素。由图2耦合发展度折线图可以看出，乌鲁木齐2003～2014耦合发展度基本呈上升趋势，把这12年分为2个阶段，2003～2012为第一阶段，2013～2014年为第二阶段。2个阶段的耦合协调度一直呈上升趋势，主要因为初期受恶劣气候条件的影响，从而限制了城市化的发展，初期城市化非常弱，城市居民生活条件差，这种状况在当时得到了政府的高度重视，政府立即采取措施对城市环境进行治理，所以乌鲁木齐在后期两者耦合发展度一直呈现较好的趋势。

图2 乌鲁木齐的耦合度与耦合协调度

4 结论和讨论

4.1 结论

乌鲁木齐城市化与生态环境之间的耦合关系是由多个指标共同影响的成果，两者之间存在极其繁杂的耦合机制，具体来说，就是城市化在发展过程中对生态环境有压制作用，生态环境对城市化发展又有一定的限制作用。2003～2014年乌鲁木齐市城市化综合指数和生态环境综合指数虽然有微小波动但大体呈线性增长；从时间上看，乌鲁木齐城市化和生态环境耦合演变过程分别为低度协调、中度协调、高度协调、极度协调；由图2可以看出，2003～2014年乌鲁木齐城市化和生态环境耦合发展度整体呈上升趋势，并走向高水平耦合阶段，由此可以得出，城市化发展到一定程度，生态环境就会有所改善，两者耦合度才会增强。

4.2 讨论

从表2可以看出：乌鲁木齐的生态环境总体水平较好。但跟国内一些发达城市相比还存在一定差距。因此，乌鲁木齐必须加大城市化和经济发展，但由于资源因素的制约，以及生态环境的影响，很难承受城市化快速增长带来的压力，城市化和生态环境的和谐发展必将是一项巨大的任务。城市化和生态环境之间的耦合关系是随着时间的变化而在不断变化。总体来看，乌鲁木齐城市化与生态环境耦合正逐步走向高水平耦合阶段，但是如果不重视生态环境的话，城市化的协调发展程度就会有恶化趋势。因此，乌鲁木齐政府要高度重视城市生态环境，既提高城市化水平又保证生态环境质量。由于一些指标很难找到，本文仅选取了2003～2014年的指标数据进行研究，以期对今后乌鲁木齐的发展提供一些参考价值。

[1] Grossman G, Kru Eger A. Economic growth and the environment[J]. Quarterly Journal of Economics, 1995(110): 353-377.

[2] Odum H T, Elisabeth C. Modeling for all scales:an introduction to system simulation[M]. San Diego: Academic Press, 2000: 772.

[4] Cristina Miilesi, Chriatopher D, Elvidge, et al. Assessing the impact of urban land development on net primary productivity in the southern Unites States[J]. Remote Sensing of Environment, 2003, 86(3): 401-410.

[5] Portinov B, Safriel N. Combating desertification in the Negev:dryland agriculture vs dryland urbanization[J]. Journal of Arid Environments, 2004, 56(4): 659-680.

[6] 刘耀彬,李仁东，宋学锋.城市化与城市生态环境关系研究综述与评价[J].中国人口·资源与环境，2005,15(3)：55-60.

[7] 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):91-96.

[8] 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,2005,25(4):408-414.

[9] 刘耀彬.区域城市化与生态环境耦合特征及机制:以江苏省为例[J].经济地理,2006,26(3):456-462.

[10] 刘耀彬,李仁东.江苏省城市化与生态环境的耦合规律分析[J].中国人口·资源与环境,2006,16(1):47-51.

[11] 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):105-112.

[12] 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):237-247.

[13] 乔标,方创琳,李铭.干旱区城市化与生态环境交互胁迫过程研究进展及展望[J].地理科学进展,2005,24(6):31-41.

[14] 方创琳,黄金川，步伟娜.西北干旱区水资源约束下城市化过程及生态效应研究的理论探讨[J].干旱区地理,2004,27(1):1-7.

[15] 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):1-8.

[16] 乔标,方创琳.城市化与生态环境协调发展的动态耦合模型及其在干旱区的应用[J].生态学报,2005,25(11):3003-3009.

[17] 乔标,方创琳,黄金川.干旱区城市化与生态环境交互耦合的规律性及其验证[J].生态学报,2006,26(7):2180-2190.