城市化与生态环境非协调性耦合关系识别研究

梁振民，陈 才

(1.上海对外经贸大学 会展与旅游学院 全球气候变化与绿色经贸研究中心，上海 201620；2.贵州大学 旅游与文化产业学院，贵州 贵阳 550025；3.喀什大学 经济与管理学院，新疆 喀什 844006；4.东北师范大学 地理科学学院，吉林 长春 130024)

在快速城市化进程中，带动人口、经济和土地不断向城市聚集，但也给生态环境带来了巨大的压力，如何促进城市化与生态环境协调发展是亟须研究的问题之一.城市化与生态环境协调发展属于一对交互耦合的时空响应函数，两大系统之间经过不断地进行物质、能量和系统等要素的耦合流动引起系统熵变，进而形成一对耗散结构体[1].美国学者罗斯曼和克鲁格曼(Grossman﹠Krueger)[2]指出生态环境与经济增长呈“倒U型曲线”的特征，其内涵是当经济发展水平较低时环境污染程度较为严重，当经济发展状况变好时环境污染得到改善；加拿大统计学家Rapport[3]提出的压力(pressure)-状态(state)-响应(response)模型，此后经济合作与发展组织 (Organization for Economic Co-operation and Development，简称OECD)对该模型进行修正，充分考虑了外界人为干扰、流域的变化和各种响应措施；20世纪60年代由OECD提出阻断经济增长与环境污染之间联系的脱钩理论(decoupling theory)[4]，在经济发展水平处于良好的状态时，将不再投入大量资源带动经济发展，实现经济发展与资源消耗的脱钩；黄金川[5]在分析环境库兹涅茨曲线(environmental Kuznets curve，简称EKC)时，在推导城市化与生态环境耦合的数理函数和几何曲线时发现，两者在时间上的耦合规律呈现双指数倒“U”型曲线关系，即区域生态环境随着城市化的发展是先期衰退、后期改善的耦合规律[5]；刘耀彬[6]对城市化与生态环境耦合关系进行分析，将耦合协调度划分为4个标准.纵观以往成果，笔者认为在社会经济发展过程中，城市化与生态环境的相互作用和演化趋势呈现出非良性互动现象，属于区域发展阶段性问题，具有一定的必然性.因此，笔者从逆向思维来识别城市化与生态环境的非协调性耦合关系，从理论上架构起由非协调性向协调性耦合发展的桥梁[7-8].辽宁省正处于城市化加速时期，但也给生态环境带来很大压力，笔者将构建评价指标体系，依据评价标准判定其非协调性耦合关系，分析其形成机制，旨在为辽宁省制定城市化与生态环境协调发展战略提供理论参考.

1 研究基础

1.1 研究区概况

辽宁省位于东经181°53′—125°46′和北纬38°43′—43°26′之间，陆地面积为1.459×105km2，海岸线长达2 178 km，约占全国的12%，有2个副省级城市和12个地级市[9].从建国至今城市化进程得到了快速推进，到2010年全省城市化水平为63%，高出全国近20%，已步入城市化大省行列.在快速的城市化进程中生态环境遭到严重破坏，原因是辽宁省受地域资源禀赋的影响，产业以资源型产业为主，由于工艺落后使工业“三废”利用率低，城市空气颗粒物数量增加，对城市大气环境带来严重污染.同时辽宁省近海排污治理设施不够完善，给近海海域带来严重污染.面对环境污染的严峻形势，近期辽宁省开始注重城市化与保护生态环境协调发展的问题，使得生态环境质量开始逐渐变好.

1.2 指标体系

借鉴以往研究成果[10]，结合辽宁省实际情况，构建城市化与生态环境评价指标体系(见表1).城市化评价指标体系从人口、经济、空间3个维度构建.人口方面选取非农业比重、第二产业就业比重、第三产业就业比重和每万人在校大学生数来表征；经济方面选取人均GDP、第二产业产值占GDP比重、第三产业产值占GDP比重和城镇居民可支配收入来表征；空间方面选取城镇人均住房面积、人均建成区面积、万人拥有城市道路面积和城市人口密度来表征；其次，生态环境评价指标体系从生态环境压力(pressure)-状态(state)-响应(response)来构建.压力方面选取工业粉尘、废水、废气、固体废弃物的排放量来表征；状态方面选取人均绿地面积、建成区绿化覆盖率、人均耕地面积和自然保护区占辖区比重来表征；响应方面选取万元GDP能耗、燃气普及率、工业废物利用率和工业废水达标排放率来表征.

表1 城市化与生态环境评价指标体系

注：ej、dj、λj分别代表指标的信息熵、冗余度、权重，为负向指标，其余均为正向指标.

1.3 数据来源

该文原始指标数据均来自1997—2016年《中国统计年鉴》和《辽宁省统计年鉴》，其中万元GDP能耗是利用全省GDP总量除以当年能源消耗总量计算得到.为消除数据之间的量纲差异，采用数量极化处理模型进行无量纲处理，其中正向指标为zij=(xij-xjmin)/(xjmax-xjmin)；负向指标为zij=(xjmax-xij)/(xjmax-xjmin).

1.4 研究方法

首先，该文采用熵权法计算城市化与生态环境质量综合得分.

(1) 计算第i时段第j项指标因子占所有指标因子之和的比重

(1)

其中：pij为指标因子所占比重，zij为标准化值

(2) 利用信息熵定义计算信息熵ej

(2)

当pij=0时，令

(3)

(3) 依据信息熵计算公式，计算第j个指标的e1、e2、ek, 利用信息熵计算第j个指标权重λj，有

(4)

(4) 利用权重λj乘以标准化值zj，其中城市化指标的标准化值用a表示，生态环境指标的标准化值用b表示，计算城市化和生态环境综合分值，有

UPj=λjaj,UEj=λjbj，

(5)

其中：UPj为城市化综合分值，UEj为生态环境综合分值.

其次，耦合是两个或多个系统相互作用和彼此影响的表征，耦合度是表征系统之间相互影响的程度.经过长期实践形成了交互耦合时空函数关系.

(1) 计算耦合度.该文利用物理学中的容量耦合(capacitive coupling)系数模型[11]，计算出城市化与生态环境的耦合协调度

(6)

通常耦合度C介于0～1之间，当C越大(趋近于1)时，两大系统指之间越接近有序状态，反之亦然.

(2) 计算协调耦合度.由于耦合度C是表征城市化与生态环境耦合的时序状态，但在部分时段不能充分反映城市化与生态环境整体的协同效应，对判定城市化与生态环境的协调耦合度的意义不大.因此，该文利用协调耦合度来判定城市化与生态环境协调耦合关系，计算模型如下

D=(C×T)1/2，T=αUP+βUE，

(7)

ND=1-D，

(8)

其中：D为协调耦合系数；ND为非协调耦合系数；T为城市化与生态环境耦合调和指数，反映两大系统对整体系统的贡献度；α、β为待定系数，由于城市化和生态系统两大系统同等重要，令α、β取值0.5.

(3) 协调耦合关系判定标准.从计算结果中可知，协调耦合度系数介于0～1之间.首先，协调耦合度D划分标准如下：0≤D<0.4为低水平耦合阶段，0.4≤D<0.5为拮抗时期，0.5≤D<0.8为磨合阶段，0.8≤D<1.0为高水平耦合阶段；其次，非协调性耦合ND划分标准如下：0≤ND<0.2为低水平协调耦合阶段，0.2≤ND<0.5为拮抗非协调耦合阶段，0.5≤ND<0.8为磨合非协调性耦合阶段，0.8≤ND<1为高水平非协调耦合阶段[12].

2 结果分析

利用模型(1)～(3)计算城市化和生态系统的熵权值和权重(见表1)，利用模型(4)～(8)计算城市化和生态环境综合分值、耦合调和指数、协调耦合度和非协调耦合度(见表2).

表2 城市化与生态环境的协调耦合关系判别

注：UP、UE、T、D、ND的含义同公式.

2.1 城市化综合水平

通过表2可知，在1996—2015年辽宁省城市化综合水平快速增长趋势非常明显，在1996年的基期得分为0.014，2015年为0.078，增长幅度近6倍.在表1中第二产业就业比重(0.114)、第二产业产值占GDP比重(0.128)、第三产业产值占GDP比重(0.124)的权重系数较高，表明以上指标对提升辽宁省城市化水平具有很大的促进作用，但人均GDP(0.051)、第三产业就业人数比重(0.060)、城镇居民可支配收入(0.058)的权重系数较低，对提升城市化质量贡献较小.通过以上分析可知，虽然辽宁省城市化水平增长很快，但全省经济发展水平对城市化贡献较小，属于“自上而下”政策拉动型城市化发展模式.在人口就业方面，第二产业就业比重对提升全省城市化水平发挥的作用较大，这与辽宁省工业大省相吻合.虽然第三产业总产值对城市化发挥很大的推动作用，但第三产业就业人口增长速度较慢，1996年三产占全部就业人数比重为31.3%，到2015年为45.3%，年均增长速度为0.72%.按照发达国家或地区的标准，第三产业就业人口的比重应为60%以上才能算是充分就业，但辽宁省低于50%，说明应该加速发展服务业为进城人口创造更多的岗位，提高居民收入水平.空间方面的人均建成区面积(0.069)和万人拥有道路(0.068)权重很低，表明在城市基础设施建设与城市建设规模脱钩现象比较严重.

2.2 生态环境综合水平

从表2可知，1996—2015年期间辽宁省生态环境综合指数呈现出快速增长的态势.1996年生态环境综合指数为0.013，到2015年为0.078，增长幅度达6倍，尤其2005和2006年生态环境综合指数由0.029上升到0.042，增长近10个百分点，说明生态环境综合水平由低质向高质迈进.在表1中生态环境水平的人均绿地面积(0.155)、建成区绿化覆盖率(0.114)、人均耕地面积(0.103)、燃气普及率(0.109)等指标权重系数较高，对生态环境的质量贡献较大.但工业粉尘排放量(0.040)、工业固体废弃物排放量(0.036)、万元GDP能耗(0.055)的权重系数较低，说明辽宁省在经济社会发展过程中，由于资本密集型产业规模占工业产值的60%以上，企业设备陈旧、工艺落后和管理粗放，工业废弃物排放量和工业废水达标排放率对改善环境质量发挥的作用很小，说明辽宁省发展工业生产破坏了城市生态环境.因此，在新型城市化道路上，向绿色产业转型，实现可持续发展.

2.3 耦合协调度

辽宁省城市化与生态环境非协调耦合曲线如图1所示.

图1 辽宁省城市化与生态环境非协调耦合曲线

依据上文判定标准和图1可知，城市化和生态环境非协调耦合阶段性特征非常明显.

首先，1996—2002年辽宁省城市化与生态环境的协调耦合度系数D介于0.3～0.4之间，属于低水平的非协调耦合阶段，城市化发展已超过生态环境的承载力.说明辽宁省在“八五”和“九五”期间虽然进行技术改造，但辽宁省工业落后的生产方式改进较慢，导致城市化与资源环境呈现极度不协调的状态，说明辽宁省大部分地区遭遇了严重的环境污染，给人民的生产和生活带来了严重的损失.

其次，2003—2008年期间，辽宁省城市化与生态环境协调耦合度系数D介于0.4～0.5之间，步入拮抗阶段，仍是城市化综合水平高于生态环境综合水平.此阶段正是国家振兴东北老工业基地战略实施的初期阶段，带动辽宁省城市化进程开始加速推进，虽然对资源枯竭型城市棚户区进行改造和高污染、高耗能的行业被逐渐淘汰，但是推进城市化进程仍以牺牲生态环境为代价，而令人欣慰的是二者之间的耦合关系开始逐渐向良性方向发展.

再次，2009—2015年期间，协调耦合度系数D介于0.5～0.8之间，步入磨合阶段，城市化与生态环境形成拮抗非协调性耦合关系.从图1可知，2009年非协调耦合曲线和协调耦合曲线出现交叉，非协调耦合曲线下降，协调耦合度曲线开始上升，说明辽宁省城市化与生态环境非协调开始向协调方向转化.表明辽宁省“十一五”和“十二五”期间，在行业、环保设施和战略布局上注重环境保护和资源可持续发展，“十二五”期间辽宁省加大环保产业投入力度，带动环保产业规模快速增加.辽宁省规划20个环保类产业园区(包括5个综合环保类产业园、14个静脉环保产业园)，形成以沈阳经济区为核心，构建废旧资源综合利用、工业固体废弃物和处置环保产业的集聚区，促进资源循环利用.在辽北地区构建节水环保、清洁能源和生态修复的产业集聚区，在辽宁省沿海经济带建立清洁能源和生态修复的产业集聚区，为促进城市化与生态环境协调发展做出巨大的贡献.

3 非协调性耦合关系的形成机制

辽宁省城市化与生态环境呈现出非协调性耦合的发展态势，主要原因在于计划经济遗留问题影响了设备更新和城市建设，地方行政管理体制和盲目招商引资、环境监管和城市规划未能有效衔接，严重影响城市化与生态环境的协调发展.

3.1 计划经济时期遗留问题影响城市化与生态环境的协调发展

首先，在计划经济时期，辽宁省向全国输送80%的资源型产品，输出产品与卖出价格的“剪刀差”使省内没有充足的资金购买先进工业设备和城市污染治理设施.根据全国第一次工业普查，20世纪60—70年代全省10个主要行业中的大型企业购置的设备占到58%，20世纪80年代购置的设备占25.24%，都低于全国平均水平.2000年辽宁省重点工业设备达到国际先进水平的仅为7.2%，低于全国平均水平5%，由于工业设备陈旧和工艺落后，省内还是以高耗能和高污染资源型产业为主，直接的表现就是万元GDP能耗居高不下.如2000年辽宁省万元GDP能耗为2.12 t标准煤，全国平均水平为1.40 t标准煤；2005年1.74 t标准煤，全国平均水平为1.22 t标准煤.2016年全国30个省份GDP能耗降幅中，辽宁省万元GDP能耗降幅最低，仅为0.41%，其余省份均超过3%[13].其次，辽宁省资本密集型产业占行业总数的60%，部分还是以高耗能、高污染的冶金和煤化工企业为主，尤其到20世纪90年代末“节能减排”成为经济发展的约束性指标以后，由于历史欠账较多，导致各类城市污水处理设施、工业污染排放和农业面源污染排放设施建设不能满足工业排污的需求，城市工业废水、废气和工业固体废物利用率不足50%，剩余部分直接排入了河流和湖泊[14].第三，由于辽宁省矿产资源开采与棚户区相伴而生，在没有进行棚户区改造之前，棚户区生活设施极差，导致城市环境严重污染.如以抚顺市为例，有27片棚户区因未安装排水设施导致污水横流，有93%的棚户区住房依靠燃煤拾柴取暖，城市上空污染颗粒物增加[15]，外加煤矸石自燃产生的大量有害气体，导致人居环境非常恶劣，这也成为城市化与生态环境不协调发展的因素.

3.2 行政管理体制影响城市化与生态环境的协调发展

首先，由于中央政府和地方政府实行“分灶吃饭”的财政与税收管理体制，地方政府为了获得城市建设和经济发展的“事权”，失去雄厚的“财权”支撑对城市建设极其不利.因此，地方政府为增加财政收入和提高政府绩效，盛行“重经济发展、轻环境保护”的发展理念，导致资源严重浪费.如在2006年新增工业用地容积率仅为0.5，投资强度不高，导致全省建设用地产出水平偏低[16].其次，由于我国实行土地补偿使用制度，地方政府为扩大城市规模，辽宁省也掀起一场声势浩大的“圈地造城运动”，以此来实现城市化战略，结果导致沈阳城市周边的农田、自然保护区和生态湿地被大量侵占.

3.3 地方政府盲目招商引资影响城市化与生态环境的协调发展

地方政府领导任期为五年完成政绩考核，往往是将周期长和见效慢，利于保护青山绿水的生态环保型项目搁置，相反将短期内见效快、高污染和高耗能型企业引入当地发展，对当地环境保护极其不利.首先，经过实地调研得知，近期在国家政策支持下辽宁省建起多个经济开发区和产业园区，招商引资活动在各地快速兴起.部分地方政府为了将原有资源型企业盘活，在土地、税收方面给予优惠政策，吸引多家高耗能和高污染企业在辽宁省投资建厂，涵盖电解铝、水泥、烧碱、电石、煤化工、铁合金等6个行业.短期内加速了辽宁省城市化和工业化进程，但多数企业将污染物直接排入河流.经环保局监测2003年省内6条主干河流中有5条遭到污染，47条支流中有33条遭到严重污染[17].城市酸雨和雾霾天数比重较高，如2009年大连和丹东的酸雨频率分别达45%和52%[18].其次，在2009年国家公布《辽宁沿海经济带发展规划》，辽宁沿海经济带位于环渤海和黄海北部，多数企业是石化和冶金企业，由于排污设施不完善，渤海自净能力差，污染物被排入河流和海洋，导致近海海域水质为劣质V类，给全省近海海域造成严重污染.

3.4 环境监管不力影响城市化与生态环境的协调发展

首先，辽宁省处于传统工业化向新型工业化过渡时期，在城市建设与环境保护之间形成 “两难”境地，原因是在确立城市重大发展战略时，面临着“环境保护”让位于“经济发展”的尴尬局面.环保部门执行环保标准对地方企业限制作用较小，使环保部门在环境监管过程中处于被动局面；第二，2015年辽宁省政府才出台《关于试行辽宁省企业投资项目负面清单管理的指导意见》，在负面清单里列出禁止或限制企业投资项目达768项[19]，由于环境监管法规出台晚，对环境监管非常不利；第三，辽宁省面对节能减排和高耗能、高污染，环境治理滞后和经济增长速度快的矛盾日益加剧，没有形成 “一张蓝图干到底”的局面，导致环境保护与城市建设脱钩现象非常严重.

4 结束语

(1) 在研究时段内，城市化综合水平增长速度较快，增幅达6倍以上；生态环境水平在初期很低，2005年实现跨越式增长，到2015年生态环境与城市化两大系统的综合分值齐头并进，说明省内城市化综合水平和生态环境水平都有明显的提高.

(2) 城市化与生态环境协调性耦合关系具有明显的阶段性特征.1996—2002年协调耦合关系极不协调，说明辽宁省在此阶段是以牺牲生态为代价推进城市化进程；2003—2008年属于拮抗阶段，城市化进程仍是以牺牲生态环境为代价，但两大系统协调关系逐渐变好.2009—2015年属于磨合阶段，说明此时开始重视环保，带动城市化与生态环境向协调耦合初级阶段迈进.在非协调耦合方面，1996—2008年属于拮抗非协调耦合阶段，2009—2015年属于磨合非协调耦合阶段，说明两大系统由初期极不协调向磨合耦合阶段转化，但要达到高水平的协调耦合关系任重而道远.

(3) 非协调耦合形成机制方面.首先，在计划经济时期，辽宁的自然资源价格低，没有更多的资金建设环保设施.改革开放以后，随着经济规模的增加，由于工艺设备陈旧，大量的排污给环境带来严重的污染；其次，中央政府和地方政府实行分税制，地方政府为扩大城市建设，选择见效快和高耗能的行业，来促进GDP的高速增长，导致地区环境污染事件频繁出现；再次，地方政府盲目引进高耗能、高污染行业，此类企业产生污染物排入省内河流，给大气环境和近海海域带来严重污染；最后，由于环境保护让位于经济发展，外加环境保护制度不完善，各类规划没有形成协同发展局面，对环境污染监管不力.

致谢：该文引用了东北师范大学杨青山教授和辽宁省城乡规划院马廷玉副院长提供的资料，特此说明并致谢.