南昌市城市化与大气环境耦合协调关系研究

刘 雅，黄 庭，谢哲宇，张小龙，黄 珊，吴代赦,2

(1.南昌大学资源环境与化工学院，江西 南昌 330031；2.南昌大学鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室，江西 南昌 330031)

城市化是人口结构转变、空间形态扩张、经济发展和社会发展的一个复杂过程，是我国实现工业化、现代化的必经之路[1]。自改革开放以来，我国城市化率由1978年的18%上升至2016年的57.35%[2]。根据诺瑟姆的城市化“S”型进程曲线，我国正处于城市化加速发展阶段[3]。快速城市化成为我国经济快速增长的重要动力之一，但以能源密集型、低效率、煤炭为主的经济快速增长，对自然资源和环境，特别是大气环境产生了重大影响[4]。近年来，城市大气环境污染问题日益严重，主要表现在酸雨、雾霾等大气污染事件[5]，导致城市居住环境舒适度降低，区域投资环境竞争力下降，阻碍了城市化的发展[6]。因此，协调好城市化与大气环境之间的关系成为城市化可持续发展的关键。

当前国内外学者已对城市化与生态环境的关系进行了大量的研究，并提出了一些著名的理论假说和方法。如马世俊等[8]提出了社会-经济-自然复合生态系统理论，对城市化与生态环境的关系进行了初步探讨；Grossman等[7]提出了环境库兹涅茨曲线假说，认为随着城市化的发展环境污染越来越严重，但当达到一定限值以后环境污染浓度就会下降。从研究方法来看，主要包括熵变方程[9]、系统动力学模型[10]、脉冲响应函数[11]和耦合度函数[12]。从研究尺度来看，涉及全国、省域、城市群，再到特定地级市，并取得了丰硕的研究成果[13-16]。大气环境作为生态环境的重要组成部分，可作为一个单独而完整的系统与城市化系统发生复杂的耦合关系，并受到学术界的广泛关注[17-19]。如麦尔哈巴·杰力力等[17]研究了和田市城市发展与大气污染耦合关系，发现城市化与大气环境污染的“N”型曲线关系;王晓云等[18]研究了珠江三角洲地区城镇群发展规划与大气环境的关系，评估了区域城市化进程对大气环境的影响;陈向等[19]研究了京津冀地区污染物排放的时空分布特征及其与城市化发展过程的耦合关系，为探索区域城市化与环境协调发展提供了新的方法。这些研究往往是分析城市化对大气环境污染的影响，缺乏对城市化与大气环境耦合演变关系的系统分析，且建立的城市化与大气环境指标较为单一，缺乏基于综合评价指标体系的系统分析。

南昌市作为中部省会城市之一，其城市化在“中部崛起”和“长江经济带”等国家战略的刺激下迅速发展，但受制于长期的传统粗放型发展模式，大气环境污染问题日益突出。南昌市能源消耗以煤炭为主，导致了严重的酸雨污染，酸雨每年出现的频率均超过50%，2014年酸雨出现频率达到100%，成为全国四个明显的酸雨污染区域之一[20-21]。在这种形势下，如何实现城市化与大气环境协调发展成为南昌市面临的严峻挑战。鉴于此，本文以南昌市为研究对象，构建城市化与大气环境综合评价指标体系，采用熵值法和均方差决策法对城市化与大气环境的综合发展水平进行综合评价，并利用耦合协调度模型定量分析两者之间的耦合协调规律及其演变趋势，以期为南昌市城市化建设和大气环境保护政策的制定提供依据。

1 研究区域与研究方法

1. 1 研究区域与数据来源

南昌市位于江西省中部偏北(115°27'～116°35'E、28°10'～29°11'N)，是鄱阳湖生态经济区核心增长极城市。该地区以平原为主，东南平坦，西北丘陵起伏，水域众多，属亚热带湿润季风气候，季节性变化明显，年平均气温为17.0～17.7℃，年降雨量为1 600～1 700 mm。南昌市夏季多偏南风，近地湍流较强，大气污染物容易扩散，大气污染较轻；秋冬季多偏北风，空气较为干燥，静风频率较高，近地面常有逆温层形成，大气污染物不易扩散，大气污染较重。截至2016年底，南昌市土地面积为7 400 km2，城市建成区土地面积为317.3 km2。南昌市常住人口为537.14万人，占全省总人口的11.69%，GDP总量为4 354.99亿元，占全省GDP总量的23.71%，城市化率为72.29%，高出全省平均水平19.19%。

考虑到研究数据的可获得性和连续性，本文选取2002—2016年作为研究区间，数据主要来源于《南昌经济社会统计年鉴》、《南昌统计年鉴》、《江西统计年鉴》、《南昌市国民经济和社会发展公报》和《南昌市环境状况公报》以及国家统计局的相关统计资料等。

1. 2 研究方法

1.2.1 评价指标体系的构建

城市化和大气环境是两个相对独立且复杂的系统，为了准确地揭示两者之间的耦合协调程度，本文在前人研究的基础上[22-23]，结合南昌市的具体情况，遵循评价指标选取的科学性、系统性、可行性和代表性等原则[24]，构建了南昌市城市化与大气环境综合评价指标体系。在城市化发展过程中，由于经济发展是基础，人口增长和地域扩张是表现，生活水平提高是最终目标[25]。因此，本文从人口、经济、空间、社会4个子系统层面筛选出17个指标用来表征城市化发展水平；根据“压力—状态—响应”(PSR)模型[26]，从大气环境压力、状态、响应3个子系统层面筛选出12个指标用来表征大气环境发展水平，其中“压力”反映了人类活动对大气环境造成的负荷，“状态”反映了大气环境质量状况，“响应”反映了人类面临大气环境问题所采取的对策和措施。构建的南昌市城市化与大气环境综合评价指标体系，见表1。

表1 南昌市城市化与大气环境综合评价指标体系及指标权重

注：“(+)”表示正向指标；“(-)”表示负向指标。

1.2.2 数据的标准化处理及指标权重的确定

为了消除原始数据不同数量级及维度的影响，需要对原始数据进行标准化处理，具体计算公式如下：

正向指标的计算公式为

(1)

负向指标的计算公式为

(2)

式中:xij和Zij分别为第i年第j个指标的原始值和标准化后的数值;xijmax和xijmin，分别为指标j在第i年中的最大值和最小值。

经标准化处理后，所有指标值均在[0,1]范围内。为了防止主观赋值法带来的人为偏差以及单一方法带来的误差，本文采用相对客观的熵值法[27]和均方差决策法[28]分别确定指标的权重，再求均值得到综合权重，最后将子系统层的综合权重和指标层的综合权重相乘得到指标层的最终权重，其结果见表1。

1.2.3 综合评价模型

根据各指标的权重与标准化值，加权求和计算城市化(或大气环境)的综合发展水平(Y)，其计算公式为

(3)

式中:Zij为指标的标准化值;wij为指标的权重。

1.2.4 耦合协调度模型

耦合度是描述系统或系统要素相互作用的程度[29]，能反映两个系统之间作用的强弱，但很难揭示两者之间的协调发展水平。因此本文借鉴物理学中的容量耦合模型[30]对南昌市城市化与大气环境的耦合协调关系进行分析：

(4)

T=αf(x)+βf(y)

(5)

(6)

式中:C为耦合度，C∈[0,1]；f(x)为城市化系统综合发展水平；f(y)为大气环境系统综合发展水平；k为调节系数，一般2

根据耦合协调度D、城市化系统f(x)和大气环境系统f(y)的大小，参考前人的研究，将城市化与大气环境的耦合协调类型进行了划分[23,31]，见表2。

表2 城市化与大气环境的耦合协调类型划分

2 结果与分析

2.1 城市化综合发展水平与大气环境的综合发展水平分析

由表1可知，南昌市城市化发展水平子系统层中社会城市化的权重最大，其次是空间城市化、经济城市化和人口城市化，表明社会城市化对城市化综合水平的影响最大，而经济城市化和人口城市化对城市化综合发展水平的影响作用相对较小；城市化发展水平指标层中人口密度(0.096)、人均GDP(0.079)、人均公共绿地面积(0.077)、规模以上工业总产值占总GDP比重(0.070)和人均居住面积(0.067)5个指标是对城市化系统贡献份额较大的指标，所占权重合计为31.7%，这表明在过去的15年里，城市人口密度增加、工业产值比重上升和城市建设扩张是影响南昌市城市化发展的重要因素；在大气环境发展水平子系统层中，大气环境状态对大气环境综合发展水平的影响最大，其次是大气环境压力和大气环境响应；大气环境发展水平指标层中城区SO2浓度年均值(0.116)、废气治理设施处理能力(0.103)、工业烟(粉)尘排放量(0.102)和人均工业废气排放总量(0.101)4个指标是对大气环境系统具有较高贡献份额的指标，所占权重合计为42.1%，这4个指标分别为1个状态指标、2个压力指标和1个响应指标，累计权重分别为0.116、0.204和0.103，可见南昌市城市化对大气环境的影响以大气环境压力为主，大气环境响应有待进一步加强。

2002—2016年南昌市城市化综合发展水平的变化趋势，见图1。

图1 2002—2016年南昌市城市化综合发展水平的变化 趋势Fig.1 Trends of comprehensive level in the urbanization system of Nanchang City in 2002—2016

由图1可见，2002—2016年南昌市城市化综合发展水平一直保持持续上升趋势，城市化发展水平由2002年的0.012 5提高到2016年的0.969 4，年均增长36.45%，城市化进程不断推进；从子系统来看，人口、经济、空间、社会城市化发展水平在2002—2016年均保持增长趋势，社会城市化发展水平增长幅度最大，侧面验证了社会城市化对城市化综合发展水平的影响最大,说明南昌市比较注重社会城市化的发展，而空间城市化和经济城市化发展水平增长幅度次之，其中空间城市化发展水平在2016年受城市道路面积的影响略有下降，经济城市化发展水平在2007—2012年增长幅度最大，这与国家实施“中部崛起”和建设鄱阳湖生态经济区等战略有关；人口城市化发展水平增长幅度最小，在2011年后一直低于其他子系统的发展水平，是城市化发展的薄弱环节。因此，在今后的城市化发展中要注重协调城市化各子系统之间的关系，加速突破人口城市化这一薄弱环节，加快经济城市化的发展步伐，稳定社会城市化和空间城市化的发展速度，推动城市化各子系统的协同进步，促进城市的健康平稳发展。

2002—2016年南昌市大气环境综合发展水平的变化趋势，见图2。

图2 2002—2016年南昌市大气环境综合发展水平的 变化趋势Fig.2 Trends of comprehensive level in the atmospheric environment system of Nanchang City in 2002—2016

由图2可见，2002—2016年南昌市大气环境的综合发展水平整体呈波动上升趋势，大气环境综合发展水平由2002年的0.377 6上升到2016年的0.620 0，年均增长3.61%，部分年份略有下降；大气环境状态发展水平在2002—2016年整体呈现波动上升的趋势，这是由于“中部崛起”和建设鄱阳湖生态经济区等战略的实施，南昌市经济得到了跨越式的发展，但依赖高能耗、高排放和低效益的重工业经济发展导致2005—2013年大气环境状态发展水平呈现波动下降的趋势，并在2013年出现最小值，2013年以后南昌市启动“蓝天行动计划”，全力推进燃煤锅炉拆改、机动车排气污染整治等一系列活动，大气环境状态发展水平逐渐得到改善；大气环境压力发展水平在2002—2016年整体呈现波动下降的趋势，这与南昌市的经济结构有关，南昌市以第二产业为主，工业迅速发展，使工业SO2和烟(粉)尘等排放量增加，造成大气环境压力越来越大；大气环境响应发展水平在2002—2016年呈现波动上升的趋势，表明南昌市紧跟国家倡导环保的步伐，在大气污染控制和治理能力方面有显著的进步，但大气环境压力逐渐增大，大气环境响应仍然存在不足。

2. 2 城市化与大气环境的耦合协调度分析

为了探究南昌市城市化系统与大气环境系统所占贡献份额对城市化与大气环境耦合协调度的影响，本文参照前人研究[31]，分析并测算了城市化系统与大气环境系统在三种不同贡献份额(α=1/3，β=2/3；α=1/2，β=1/2；α=2/3，β=1/3)的情况下，城市化与大气环境耦合协调度的变化，其计算结果和类型划分见图3和表3。

图3 2002—2016年南昌市在三种不同贡献份额下城市 化与大气环境耦合协调度的变化趋势Fig.3 Trends in the degree of coupling coordination between urbanization and the atmospheric environment of Nanchang City in 2002—2016

由图3可见，2002—2016年南昌市在三种不同贡献份额下城市化与大气环境耦合协调度的变化趋势大体上是一致的，仅在数值上略有差异，表明城市化系统与大气环境系统所占贡献份额的大小对整个系统耦合协调度结果的影响较小；2002—2016年南昌市城市化与大气环境耦合协调度整体呈现上升的趋势，说明城市化与大气环境的耦合协调关系逐步趋好。

2002—2016年南昌市城市化与大气环境综合发展水平的变化趋势，见图4。

图4 2002—2016年南昌市城市化与大气环境综合 发展水平的变化趋势Fig.4 Trends of comprehensive level in the urbanization and the atmospheric environment of Nanchang City in 2002—2016

根据2002—2016年南昌市城市化与大气环境综合发展水平的变化趋势(见图4)，并结合两者之间耦合协调度的变化趋势(见图3)和耦合类型的演变过程(见表3)，将2002—2016年南昌市城市化与大气环境的耦合发展分为以下4个阶段：

(1) 2002—2005年：城市化与大气环境耦合协调度呈快速增长趋势，其耦合协调类型出现跨层次的变化，逐步从“严重不协调-城市化受阻”阶段过渡到“基本不协调-城市化受阻”阶段，最终迈入“基本协调-城市化滞后”的发展阶段，表明城市化系统与大气环境系统越来越协调。在此期间，大气环境综合发展水平稳步提高，城市化综合发展水平成线性增长，且增长幅度较大，但远低于大气环境综合发展水平，说明该时期南昌市城市化综合发展水平较低，公共服务、基础设施建设尚不健全，未对大气环境造成大的干扰。

(2) 2005—2009年：城市化与大气环境耦合协调度持续增加，但相较于前一阶段，增长速度变缓，耦合协调类型维持在“基本协调-城市化滞后”阶段。这一时期城市化综合发展水平持续提升，而大气环境综合发展水平先下降后上升，表明该时期城市化对大气环境产生了胁迫效应。

表3 城市化与大气环境耦合协调类型

Table 3 Evolution trends of coupling coordination between urbanization and the atmospheric environment

(3) 2009—2013年：城市化与大气环境耦合协调度呈现倒N型的变化趋势，耦合协调类型变化较大，逐步由“基本协调-城市化滞后”阶段过渡到“基本协调”阶段，最后发展到“基本协调-大气环境滞后”阶段。在此期间，大气环境综合发展水平呈现波动下降的趋势，城市化综合发展水平保持稳定增长趋势，并于2010年超过大气环境综合发展水平。这一时期南昌市城市化发展过程中对能源需求及消耗量加大，大气污染物排放量增加，从而使得城市化发展对大气环境的胁迫作用明显。

(4) 2013—2016年：城市化与大气环境耦合协调类型进入新阶段，从“基本协调-大气环境滞后”阶段发展到“高度协调-大气环境滞后”阶段。在此期间，城市化综合发展水平继续快速增长，而大气环境综合发展水平先上升后下降。这是由于随着国家对大气污染的重视，南昌市逐渐加大各项环保设施投入，积极改善全市的大气环境质量，但大气环境的发展滞后于城市化的发展。因此在今后的城市化发展过程中要更加注重大气环境的保护与建设。

3 结论与建议

城市化进程的快速推进必然引起大气环境的变化，导致一系列的大气环境污染问题逐渐凸显，进而阻碍城市化的发展，因此准确地度量城市化与大气环境的耦合协调关系有助于实现城市化与大气环境的协调可持续发展。本文以南昌市为研究对象，构建了城市化与大气环境评价指标体系，并采用耦合协调度模型定量评价了2002—2016年南昌市城市化与大气环境之间的综合发展水平和耦合协调关系，得出以下结论：

(1) 社会城市化和大气环境状态分别对城市化系统和大气环境系统的贡献份额最大，2002—2016年南昌市城市化综合发展水平呈现持续上升的趋势，大气环境综合发展水平呈现波动上升的趋势，城市化对大气环境的影响以压力为主，大气环境响应不足。

(2) 根据耦合协调度模型，测算出南昌市城市化系统与大气环境系统在三种不同贡献份额下的耦合协调度，发现其变化趋势大体上是一致的，仅在数值上略有差异，表明整个系统耦合协调度的变化趋势受城市化系统与大气环境系统所占贡献份额大小的影响较小。

(3) 2002—2016年南昌市城市化与大气环境耦合协调度整体呈上升的趋势，耦合协调类型由“严重不协调-城市化受阻”发展到“高度协调-大气环境滞后”阶段，虽然城市化与大气环境的耦合协调关系整体趋向较好的方向发展，但大气环境滞后程度日趋严重。

南昌市作为鄱阳湖流域的重要城市，与中部发达城市相比，城市化的发展相对落后，由于依赖传统的粗放发展模式，南昌市大气环境压力逐渐增大，城市化与大气环境的协调发展面临严峻的挑战。因此，该市要大力发展绿色产业，鼓励科技创新和发展循环经济，提高资源利用率，调整能源结构，减少煤炭消费，推广使用清洁能源，加快淘汰落后产能，持续深入推进“美丽南昌·幸福家园”环境综合整治，开展扬尘污染治理，控制机动车尾气污染，加强对工业SO2、烟尘等污染物排放的监测，并以省会城市群经济圈建设为契机，增强区域间协作，建立区域联防联控机制，全力推进大气污染防治工作，切实改善大气环境质量，坚决打赢蓝天保卫战。

总的来说，南昌城市化与大气环境的交互耦合关系较为复杂，且随着时间不断发生变化，其耦合协调度的增加依赖于城市化系统和大气环境系统两大系统的共同作用，只有两者的综合发展水平不断提高，耦合关系才会稳定增强。未来在推进城市化进程的同时需更加注重对大气环境的保护，及时关注两者之间的耦合协调关系，为推动南昌市城市化可持续发展提供指导。