城市群城镇化与生态环境的耦合 与响应关系

苟露峰 杨思维

[摘 要]运用耦合协调度模型对山东半岛城市群17市的城镇化与生态环境耦合度特征展开分析，并运用响应指数和响应度模型对17市城镇化的生态环境响应关系进行实证研究。研究结果表明：（1）山东半岛城市群17市城镇化与生态环境的总体协调发展水平较低，根据耦合协调度测算结果，山东半岛城市群17市城镇化与生态环境耦合协调关系可划分为协调、低度协调、中度失调三种类型；（2）济南、青岛、东营和威海4市城镇化的生态环境响应指数为“负响应”，其城镇化水平的提升对生态环境的改善具有积极作用，其余城市响应指数为“正响应”且相对稳定。

[关键词]山东半岛城市群；城镇化；生态环境；耦合协调；响应

[中图分类号]F291 [文献标识码]A [文章编号]1671-8372（2018）01-0007-06

城市群地区是国家经济发展的战略核心区和国家新型城镇化的主体区[1]。伴随着全球城镇化进程的加快，中国已进入城镇化快速发展的中期阶段，但城市群的城镇化对周围生态环境造成或现实或潜在的威胁，自然环境的不断恶化与人类城市环境质量的下降成为世界面临的两大难题。如何协调城市群的城镇化与生态环境的关系问题成为目前学术界和政府决策部门的关注焦点。目前国外的相关研究围绕理论规划、实践指导及揭示二者演进路径展开。如，Wlter指出通过合理使用自身资源禀赋、提高资源利用效率等途径来实现城镇化与生态环境的协调发展[2]；英国学者E Howard试图用“田园城市理论”来规划指导城镇化与生态环境的发展关系[3]；Grossman等实证研究结果表明，随着城市经济发展水平的提高，城市生态环境呈现倒“U”型，即著名的环境库兹涅茨曲线（EKC）[4]。综合国外研究进展，可以看出国外对城镇化与生态环境耦合关系的研究相对成熟，已初步形成较为完整的理论体系，但如何实现二者可持续发展的定量研究仍相对缺乏。

国内城镇化与生态环境关系的研究起步于20世纪80年代，学者们从不同角度对二者关系进行了深入探讨。从定性和定量两个阶段来看，马传栋等最早就如何实现城市经济、社会和生态环境三者的协调发展做出了定性分析[5]，随后学者们从城镇化与生态环境协调发展的必要性和可行性、城市建设等角度提出了协调二者关系的对策建议[6]。定量研究包括基于市级尺度[7]、省级尺度[8]及全国范围[9]揭示城镇化与生态环境协调发展的空间分布及演变规律的成果。综合来看，国内对城镇化与生态环境耦合协调关系更为关注，且定量研究居多。存在的不足是极少学者关注城市群内部二者耦合协调关系的研究。城市群作为区域经济发展的重要载体，其发展质量直接关系到区域经济和城镇化的发展质量。因此，对城市群内部城镇化与生态环境耦合协调关系进行研究，对城市群乃至区域经济的可持续健康发展至关重要。

山东半岛城市群具有较强的发展基础和潜力，并且与京津冀和长三角城市群有着多通道联系。《山东半岛城市群发展规划（2016—2030年）》提出将山东半岛城市群建设成新亚欧大陆桥东方桥头堡、黄河流域龙头城市群以及京津冀和长三角重点联动区。本文在借鉴相关研究成果的基础上，以山东半岛城市群17个城市为研究对象，构建其城镇化与生态环境协调发展评价指标体系，研究两系统的协调发展问题，同时运用响应指数和响应度探讨二者互动关系，以期丰富我国城市群城镇化与生态环境关系领域的研究内容，为山东半岛城市群乃至其他城市群城镇化与生态环境协调发展提供借鉴。

一、城镇化发展与生态环境水平演化规律

城镇化发展与生态环境演化存在动态相互作用关系。城市资源禀赋与利用以及生态环境本底是城镇化发展的基础与前提，而城镇化发展则是生态环境演化的重要推动力，两者之间的互动演化使其构成了一个典型的开放系统。

如图1所示，在城镇化发展初期，资源开发强度低，此时城镇化发展与生态环境演化相互作用程度较弱；随着城市资源开发强度的加大，大规模的资源利用推动了区域经济发展，也打破了系统原有的平衡，城镇化发展对生态环境的胁迫程度明显增强。城镇化发展速度超过生态系统自我修复速度将会导致生态环境承载能力下降甚至超过资源环境承载力（A点）。当城镇化发展水平达到资源环境承载力阈值即C点时，两者的演化互动关系将出现三种可能的情景：曲线Ⅰ，城镇化的发展将导致生态环境系统迅速恶化，并越过极限承载阈值，两者的互动演化将走向无序发展的道路；曲线Ⅱ，通过采取一定的应对措施，使两者发展保持相对稳定状态，但始终处于较高水平；曲线Ⅲ，采取强有力的应对措施使城镇化发展对生态环境的胁迫程度逐渐减弱，形成类似于环境库兹涅茨倒“U”型曲线的演化轨迹。

从长远来看，城镇化发展与生态环境演化的相互影响和制约将长期存在，而定量评估城镇化发展与生态环境的耦合关系，对于指导城市发展与生态环境建设具有重要借鉴价值。

圖1 城镇化发展与生态环境互动演化规律曲线

二、指标体系构建与研究方法

（一）指标体系构建

1.指标选取方法。城镇化与生态环境之间的耦合作用相对复杂，不仅城镇化与生态环境之间存在错综复杂的关系，而且城镇化和生态环境子系统内部同样存在复杂的关系，因此，采用单一指标无法真实反映两大系统之间的内在耦合机理。在借鉴以往城镇化与生态环境耦合研究成果[10-12]的基础上，本文采用频度分析法与专家意见咨询等方法甄选各个评价指标，初步拟定一般评价指标体系。随后借助SPSS21.0统计分析软件对指标进行相关分析和主成分分析，最终得到相对独立的指标评价体系。

2.指标体系基本框架。针对山东半岛城市群各市的发展实际，从系统层、准则层、指标层三个层次构建耦合评价指标体系，从人口城镇化、空间城镇化、经济城镇化和社会城镇化四个方面选取17个指标表征城镇化水平。依据PSR模型，从生态环境压力、生态环境状态、生态环境响应三个方面选取13个指标表征生态环境水平，由此共选取30项指标，构建城镇化与生态环境协调发展评价指标体系（见表1）。

本文的原始数据来源于《山东统计年鉴（2016）》、2015年山东省环境统计年报以及山东半岛城市群17城市2015年国民经济和社会发展统计公报。

由于选取的指标具有不同的量纲和数量级，我们需要对选取的指标进行标准化处理。这里将选取的指标划分为正向指标、逆向指标和适中指标，将部分指标设定为适中指标，摒弃现有研究单纯的正、负指标分类的传统观点，以更加合理地评价城镇化与生态环境的发展情况。对于不同的指标，处理方式如下：

对于正向指标，公式为：

（1）

对于逆向指标，公式为：

（2）

对于适中指标，公式为：

（3）

式中，为指标的标准化数值；为指标的原始数值；、分别为评价区内指标的最大、最小值；为被评价的年份。

（二）研究方法

1.变异系数

变异系数法是一种较为客观的权重获取方法，能够避免专家赋权的主观性及多指标变量间信息的重叠。设为第个评价指标由变异系数法求得的权重，计算各指标的变异系数：

（4）

式中，为第个指标的平均数；为评价指标个数；为被评价年。

2.耦合协调度模型

耦合度是描述系统或要素相互作用而彼此影响的度量指标，两个系统的耦合度一般采用如下模型[13]：

（5）

（6）

（7）

式中，D为城镇化与生态环境的耦合协调度；C为城镇化与生态环境的耦合度；P为城镇化与生态环境的综合协调指数；为城镇化综合指数，并且（i=1，2，3...，m），其中，为指标权重值，为指标的标准化值；为生态环境综合指数，并且（j=1，2，3...，m），其中，为指标权重值，为指标的标准化值；为待定参数，结合城镇化与生态环境的相互关系及其在耦合系统中的作用，设定。分析可得，在实际中，。

据此，借鉴前者的研究成果[11-12]，根据耦合协调度D的大小，设定城镇化与生态环境的协调度等级及其划分标准（见表2）。

3.响应度模型

在耦合度分析的基础上，进一步研究城镇化发展的生态环境响应指数和响应度，定量测度城镇化发展对生态环境演变的影响特征及影响程度。借鉴已有的研究成果[14-15]，定义响应指数测度模型为：

（8）

式中，I为城镇化发展的生态环境响应指数；为生态环境综合指数对城镇化综合指数的导数。当时，表示生态环境对于城镇化呈现正响应的态势，城镇化发展促使生态环境水平上升，生态环境压力紧张；反之，当时，表示生态环境对于城镇化呈现负响应的态势，城镇化发展会导致生态环境压力的下降，生态环境压力缓解；当时为临界状态，理论上表示城镇化发展对生态环境压力大小无影响。

为比较不同城市城镇化发展对生态环境作用的强弱程度，进一步定义城镇化发展的生态环境响应度，公式为：

（9）

是的绝对值且数值为正，值越大，表示城镇化发展对生态环境产生的影响越大；值越小，表示城镇化发展对生态环境产生的影响越小。

三、山东半岛城市群城镇化与生态环境耦合关系评价

（一）权重及各系统发展指数

对数据进行标准化处理后，选用变异系数法确定城镇化与生态环境两大系统的评价指标权重（见表1），利用线性加权法计算山东半岛城市群17市城镇化与生态环境各分系统的得分，进一步测算17市城镇化与生态环境综合指数（见表3）。

（二）城镇化与生态环境耦合协调度结果分析

1.城镇化综合指数与生态环境综合指数

运用上述公式进行计算，可以得到山东半岛城市群17市城镇化综合指数和生态环境综合指数。目前，山东半岛城市群17市城镇化与生态环境互动耦合十分紧密，二者具有密切的依托关系。在不同城市的发展过程中，城镇化与生态环境互动耦合的强度和协调程度尚存在差异，发展趋势也不尽相同。

由表3和图2可见，山东半岛城市群17个城市的城镇化综合指数波动较大，U1值为0.0487～0.2392，总体水平尚待提升，且各市差距较为明显。其中，济南、青岛、东营和威海4市依托自身的区位优势、政策扶持，借助城市发展和人口聚集，实现城镇化水平的迅速提高。从表3和图3可以看出，山东半岛城市群17个城市的生态环境综合指数波动相对较大，U2值为0.1540～0.2635，且各市差距较大。其中，莱芜、淄博2市较为注重生态环境保护，通过提高资源利用效率、增加城市绿化面积等方式加大环境保护力度。虽然滨州的生态环境状态指数较高，但其生态环境压力指数和生态环境响应指数不高，降低了滨州整体的生态环境综合指数。

2.城镇化与生态环境耦合协调发展类型

从表3和图4可以看出，山东半岛城市群17个城市的城镇化与生态环境两系统耦合度值相对平稳，17市的耦合度數值（C值）为0.8428～0.9992，且各市差距不明显，表明17市城镇化与生态环境具有较高的相关性。但17市城镇化与生态环境的耦合协调度值均不高，且17市两系统耦合协调发展水平极不平衡，可分为三种类型（见表3）。

（1）城镇化与生态环境低度协调发展，生态环境滞后型。属于此种类型的城市有济南、青岛和威海。从城镇化和生态环境指数得分看，三市城镇化指数明显大于生态环境指数，说明在城镇化过程中，三市的生态环境未能很好地与城镇化同步。在未来的城镇化进程中，应充分发挥济南作为省会城市、青岛作为中心城市的辐射功能，引领带动周边城市协同发展，同时要协调好城镇化与生态环境的关系，加大生态环境保护力度。

（2）城镇化与生态环境低度协调发展，城镇化滞后。属于此种类型的城市有淄博、东营、烟台和莱芜。从城镇化和生态环境指数得分看，这4市的城镇化指数位于17市中间，生态环境指数均高于17市平均水平。从17市内部看，4市的城镇化指数均低于生态环境指数，且差距较大，城镇化水平亟待提升。在未来的发展中，淄博、东营、烟台和莱芜应加快推进人口、空间、经济和社会城镇化进程，整体提升城镇化水平，缩小与其他强市的发展差距。

（3）城镇化与生态环境中度失调发展，城镇化滞后。其余10市属于此种类型。从城镇化和生态环境指数得分看，除滨州外，其余9市的城镇化指数和生态环境指数均低于平均水平。在未来的城镇化建设中，这10个城市不仅要加快经济发展进程，加大城市空间建设力度，全面提升城镇化水平，还要协同提升生态环境水平，避免城镇化水平提升引致的生态环境退化，推动两系统的协调发展。

3.城镇化与生态环境的响应指数和响应度

基于公式（8）对山东半岛城市群17市城镇化综合指数与生态环境综合指数进行曲线估计与拟合，得出两者的最优响应函数方程：

（10）

该响应函数为三次曲线方程，拟合优度，，能够通过显著性检验。进一步求导得：

（11）

基于上述公式计算山东半岛城市群城镇化发展的生态环境响应指数和响应度。由图5可见，济南、青岛、东营和威海4市城镇化发展的生态环境响应指数为负值，說明4市的城镇化与生态环境之间呈现负响应，应加快4市的城镇化进程以改善其生态环境水平。其中，济南、青岛2市响应度较高，说明2市城镇化水平提高对生态环境改善具有显著的促进作用。其余13市城镇化发展的生态环境响应指数为正值，但响应度值保持在较低水平，说明13市城镇化与生态环境之间呈现正响应关系，城镇化对生态环境的作用程度较小，产生的生态环境问题可以维持在阈值之内，二者关系相对稳定。这13市在发展过程中，应注意城镇化发展对生态环境的胁迫效应，避免两者之间关系紊乱。

四、结论

第一，2015年山东半岛城市群17市中济南、青岛、东营和威海4市的城镇化指数较高，莱芜、淄博2市的生态环境指数较高，17市城镇化与生态环境耦合度总体水平相对稳定，即17市城镇化与生态环境系统皆具有较强的相关性，表明两系统间存在相互作用、相互影响的关系。与耦合协调度值相比，耦合度值与耦合协调度值并不匹配，表明高耦合度水平并不必然伴随着高耦合协调度水平，两者不存在正相关关系。

第二，根据耦合协调度值，将山东半岛城市群17市城镇化与生态环境耦合协调关系划分为三种类型：济南、青岛和威海3市在发展城镇化的同时应加大生态环境保护力度；淄博、东营、烟台和莱芜4市应加快城镇化进程，缩小与其他城市的差距；其余10市不仅要加快经济发展进程，全面提升城镇化水平，还应协同提升生态环境水平。

第三，山东半岛城市群17市中济南、青岛、东营和威海4市城镇化的生态环境响应指数为负值，这4市城镇化水平的提升对生态环境的改善具有积极作用，其余13市城镇化的生态环境响应指数为正值且相对较小，应避免这些城市城镇化与生态环境之间由较小的作用关系转变为紊乱的作用关系。

在未来一段时期，山东半岛城市群应加快实施中心城市带动战略，进一步强化济南市的省会城市地位，强化与周边城市同城化发展，建设成为山东半岛城市群的枢纽区域；不断壮大青岛市的国家中心城市地位，协同其他周边城市一体发展；积极培育发展烟台、淄博、潍坊等其他区域性中心城市，推动区域联动互动发展，不断提升山东半岛城市群整体发展质量，将山东半岛城市群全面建成核心竞争力强的现代化国家级城市群。

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[责任编辑 张桂霞]