城乡经济社会与生态耦合发展评价研究——以粤港澳大湾区为例

谭德明，吴大维 ，韩宝龙，张彩平

（1.南华大学 经济管理与法学学院，湖南 衡阳 421001；2.中国科学院生态环境研究中心 城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085；3.南华大学 松霖建筑与设计艺术学院，湖南 衡阳 421001）

目前我国城乡经济社会发展过程中仍存在生态恶化、污染加剧等问题，势必成为乡村振兴战略目标实现的重要制约因素。新型城乡关系对落实乡村振兴战略至关重要，而城乡融合则是重构新型城乡关系的必经之路。经济发展、社会进步和环境保护三者相辅相成，只有建立在良好生态环境的基础上，社会才有可能持续发展。

学界探讨经济社会与生态环境之间关系的相关研究中，研究主体普遍为城市，对乡村的关注较少。1979 年，“压力—状态—响应”（PSR）模型被提出，用来分析人类活动和环境之间的关系[1]。随后，我国学者马世骏等[2]提出“社会—经济—自然复合生态系统”理论，并对经济、社会与自然环境三大系统间的机理进行了论述。乔标等[3]发现了城市化和生态环境存在五个耦合阶段，刘耀彬等[4]则通过深入研究发现我国城市生态环境随着城市化的推进表现为先恶化后好转的倒“U”型耦合变化规律。GROSSMAN 等[5]对城市化和生态环境之间的库兹涅茨曲线（EKC）的验证，使城市化和生态环境的科学研究得到进一步充实和发展。杨浩等[6]发现京津冀地区城镇化与资源环境的协调水平逐年上升，但是城镇化质量不高、环境污染问题依旧严峻。

经济社会与生态环境之间研究的角度及方法方面，则普遍采用城市经济社会与生态环境相关统计数据搭建指标体系，运用耦合协调度模型、障碍度模型、效应面板Tobit 模型以及系统动力学模型等开展两个系统在一定时间序列上相互作用、相互影响的探索研究。如段佩利等[7]运用耦合协调度模型和地理加权回归模型对中国沿海城市开发强度与资源环境承载力的耦合协调关系及其影响因素的空间异质性特征进行了分析。赵建吉等[8]利用效应面板Tobit 模型对黄河流域城镇化和生态环境的耦合时空格局进行了分析。赵连春等[9]用时空数据模型对河西走廊地区城镇化和资源环境协调问题进行了研究。亦有学者从空间的角度开展研究，如ZHANG 等[10]发现少有研究探讨生态系统服务与城市化之间的空间相互作用，认为基于空间的生态服务系统与城市化之间的关系可以揭示城市经济社会与生态环境协调性时空演变规律及影响因素。

当前，国内外学者已经在城市化和生态环境耦合规律的特征、影响因素等方面开展了较多深入的研究工作，但综合分析可以发现：（1）以城市为整体对象的研究较多，缺少对“城—乡”二元以及城乡经济社会的综合研究；（2）对城市化与生态环境耦合关系的研究较多，缺少对城乡之间二者耦合关系的深入探讨。针对以上问题，本研究对“城—乡”二元问题、经济社会与生态之间的耦合问题展开研究，研究从三个方面逐步展开：（1）通过LULC 划定城、乡以及城乡结合区域；（2）明确城乡经济社会和生态的空间特征；（3）利用耦合协调度模型分析城乡经济社会和生态之间的内在关联。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域及尺度

粤港澳大湾区包括香港特别行政区、澳门特别行政区以及广东省的广州、深圳、珠海、佛山、惠州、东莞、中山、江门、肇庆9 个市（以下简称珠三角9 市），面积5.6万平方千米，同美国纽约湾区、旧金山湾区和日本东京湾区一起被誉为全球四大湾区，也是我国开放程度和经济最具活力的地区之一。城市群是可持续发展目标得以实现的重要地理空间单元之一，而城乡融合发展又是城市群同城化程度高的一个重要特征[11]，因此，本研究选择粤港澳大湾区作为研究区域。

1.2 数据来源

城乡区域划分数据使用中国自然资源部2020 年版全球地表覆盖30 米数据。城乡经济社会发展采用夜间灯光数据开展评价研究，该数据是地球观察小组（GEO）根 据SNPP（Suomi National Polar-Orbiting Partnership）卫星上的可见光红外成像辐射仪（VIIRS）获取的昼夜波段（DNB）月度数据整理的VIIRS_DNB_VNLV2 2020 年度夜间灯光遥感数据（分辨率500 米）。生态评估的数据采用基于美国国家航空航天局（NASA）对地观测卫星产出的MODIS 净初级生产力（NPP）数据，用以表征自然生态系统质量[12]。

2 研究方法

2.1 技术路线

本研究采用30 米分辨率的土地利用类型图划定城、乡以及城乡结合区域，采用全局空间自相关（Global Moran’s I）、局域空间自相关（热点分析、聚类和异常值分析）模型对城乡经济社会与生态空间特征进行探讨，最后利用耦合协调度模型对城乡经济社会和生态之间的耦合关系进行分析（图1）。

图1 技术路线

2.2 城乡区域划分

随着城市基础数据统计的完善，已经可以通过非农业人口与农业人口的比例、经济结构、人口密度和住房完工率等来划定城乡地区的范围[13]。随着RS、GIS 等技术的进步，有学者开始采用阈值方法、突变检测、空间聚类等定量方法绘制城乡边缘[14-17]。本研究拟采用分辨率为30 米的土地利用/覆被（LULC）遥感影像对粤港澳大湾区城乡区域进行识别，将区域划分为三类——城市区、城乡结合区以及郊野区。以粤港澳大湾区LULC遥感图像（图2）为底图构建500 米×500 米的网格，假设存在人造地表的网格大概率为城市区，不存在人造地表的网格大概率为郊野区域，以网格总数的95%为阈值，统计城市区、郊野区网格并将二者重叠部分定义为城乡结合区，得到城乡结合区人造地表占比区间，区间外的则再分出城市区和郊野区。由于本研究拟探究城和乡之间的经济社会与生态关系，故选取与人类活动息息相关的城市区和城乡结合区的相关参数分别指代城和乡的特征。

图2 LULC遥感影像

2.3 城乡经济社会指数

城乡经济社会的发展是指随着生产力发展，推动城乡居民生产方式、生活方式、居住方式变化的过程。在遥感应用的研究方面，夜间灯光遥感不同于常规光学遥感卫星对地物辐射信息的获取，它主要是对夜晚无云情况下地表所发出的可见光-近红外电磁波进行信息获取。与一般遥感卫星影像相比较，夜间灯光遥感对地表灯光强度信息的记录更加直接地体现了人类活动的差异，因此在城市化的相关研究中得到了广泛的应用[18]，在社会经济指标空间化[19]和生态环境评估[20]中也得到了深入的发展应用。本研究参考了李红波等[21]的评价指标体系，以城市区、城乡结合区夜间灯光平均亮度值作为参数，构建城乡经济社会协调度指数和发展度指数，以表征粤港澳大湾区城乡经济社会协调发展水平，公式表示为：

式（1）、（2）中：Sc为城乡经济社会协调度指数，Sq为城乡经济社会发展度指数，i表示城乡结合区，u表示城市区，表示城乡结合区平均夜间灯光值，表示城市区平均夜间灯光值，表示城市地区与城乡结合地区的平均夜间灯光值。

2.4 城乡生态指数

植被净初级生产力（NPP）是植物光合作用固定下来的光合产物减去植物本身呼吸消耗的那一部分，即植物光合作用固定的净有机物质。现有研究认为植被净初级生产力符合生态系统服务及植被空间分布的特点。1999 年实施的退耕还林政策，大大改善了区域生态系统服务供给能力，证实了植被恢复在改善生态系统服务供给能力方面的显著作用[22]。鉴于生态系统服务能力常作为区域生态水平的重要评价指标，故本研究采用NPP 水平表征研究区域生态水平，生态指数的计算公式如下：

式（3）、（4）中：Ec为城乡生态协调度指数，Eq为城乡生态质量指数；i表示城乡结合区，u表示城市区，表示城乡结合地区单位面积NPP值，表示城市地区单位面积NPP值，表示城市地区与城乡结合地区的单位面积NPP 值。

2.5 空间分析方法

首先，利用Moran’s I 空间自相关指数模型对粤港澳大湾区城乡经济社会和生态系统各项指数进行全局空间自相关分析。空间实体之间始终存在着联系，这种联系在相距较近的实体之间更显著，因此采用全局空间自相关来刻画整个研究区域内全部样本与空间相邻或邻近单元之间的联系程度和分布模式，以及这种联系的显著性，以体现样本观测值之间的整体空间相似性[23]。

其次，利用ArcGIS10.6 热点分析（Global Moran’s I）工具及聚类与异常值分析（Anselin Local Moran’s I）工具进行局域空间自相关分析，以识别粤港澳大湾区52 个区（县）各指数高、低值元素出现聚类的空间特征。

2.6 耦合协调度分析

耦合，物理学中是指两种（或多种）系统或运动形式，它们以相互作用的方式彼此影响。协调度是耦合相互作用关系的良性耦合程度，能反映协调状况[24-25]。基于以上界定，本文选择城乡经济社会协调度和生态协调度作为耦合协调度分析的对象，旨在探究城乡社会经济系统与生态系统二者构成要素之间相互影响、相互制约的内在联系。

社会经济系统与生态系统两者之间量化单位的明显差异给进一步分析两者之间的关系带来挑战，“耦合协调”的概念为本研究提供了新的视角。耦合协调度作为综合而直接的指标，通过表明城乡社会经济发展协调度与生态质量是否协调来反映区域的可持续性。

2.6.1 耦合度模型

采用最小—最大法对Sc、Ec进行归一化处理，所有指数归一化后的数据均介于[0.01, 0.99]范围内，并利用所处理数据对耦合协调度进行分析。借用物理学容量耦合概念及容量耦合系数模型搭建城乡经济社会与生态耦合度函数。公式如下：

式中：C表示耦合度，S、E分别表示城乡经济社会耦合度指数和生态耦合度指数。因为本研究框架是由社会经济和生态两个子系统组成的，所以m取2。

2.6.2 耦合协调度模型

为客观反映两个系统间的协调发展水平，构建粤港澳大湾区城乡经济社会和生态的耦合协调度模型，计算公式如下：

式（6）、（7）中：D表示耦合协调度；C表示耦合度；T为城乡经济社会和生态综合评价指数，用以反映二者整体协调的水平以及效益；α、β为待定系数，鉴于粤港澳大湾区城乡经济社会和生态发展的同等重要性，取α=β=0.5。

3 研究结果

3.1 城乡区域划分

通过计算，网格中人造地表面积占比4%～80%的区域为城乡结合地区（图3），人造地表面积占比小于4%的为郊野区，大于80%的区域为城市区。统计结果显示，粤港澳大湾区城市区、城乡结合区、郊野区的面积分别为5 208 km2、13 098 km2、37 325 km2，占湾区陆地总面积的比例分别为9.37%、23.54%、67.09%。

3.2 城乡经济社会相关指数

从表1 可以看出，城乡经济社会协调度方面，各地区差异较大，其中东莞与深圳的城乡经济社会协调度最高，最低的是肇庆，较为意外的是广州的城乡经济社会协调度并没有预想中那样高，相反，广州的城乡经济社会协调度在这11 个区域中处于较低水平，说明地方经济总量并不一定与城乡经济社会协调水平呈正相关。总体上来说，城乡经济社会各指数显示城乡经济社会的融合发展质量在城市间差异显著，考虑可能与空间城镇化相关，空间城镇化往往伴随着经济的发展。

3.2.1 城乡经济社会指数空间自相关（Global Moran’s I）分析

将粤港澳城乡经济社会系统的相关指数进行全域空间自相关分析（Global Moran’s I），Z值得分分别为5.294 618 和5.656 767（图4a、图4b），说明随机产生聚类的可能性远小于1%，即粤港澳城乡经济社会协调度和发展度在空间上呈现出明显的集聚效应。为进一步了解局部空间相关性，对粤港澳城乡经济社会相关参数进行局部空间相关性分析——热点分析（Getis-Ord Gi*）、聚类和异常值分析（Anselin Local Moran’s I）。

图4 Sc、Sq、Ec、Eq全局空间自相关结果

3.2.2 城乡经济社会指数热点（Getis-Ord Gi*）分析

粤港澳城乡经济社会协调度指数热点分析结果（图5a）显示，城乡经济社会协调度高且聚集的热点区域主要分布在湾区中部和东南部区域，集聚强度最高的地区分别位于佛山中部、广州南部以及深圳西南地区。城乡经济社会协调度低且集聚的冷点区域主要分布在湾区西北部、北部、西南部等，集聚强度最高的地区位于肇庆的怀吉县、广宁县。

图5 Sc、Sq、Ec、Eq的冷热点空间集聚特征

粤港澳城乡经济社会发展度指数热点分析结果（图5b）显示，城乡经济社会发展度高且聚集的热点区域主要分布在湾区东南部的东莞、深圳和香港，集聚强度最高地区的也同样是东莞、深圳和香港全域。城乡经济社会发展度低且集聚的冷点区域主要分布在湾区西北部、北部、西南部等，这些冷点区域的集聚强度较为一致，并未出现集聚强度特别突出的区域。

3.2.3 城乡经济社会指数聚类和异常值（Anselin Local Moran’s I）分析

城乡经济社会协调度分析结果（图6a）显示，高高集聚区域位于湾区中部，具体位于佛山东部、广州中部和南部、东莞全域以及深圳西部；低低集聚区域较为分散，为肇庆北部、惠州北部、江门中部。值得注意的是，广州花都区、深圳盐田区以及香港全域被识别为低高异常值地区，说明这些地区与周边相邻的区县行政区相比，具有更低的城乡经济社会协调度，并且它们的城乡结合地区在经济社会发展水平方面与其城市地区具有较大差异。

图6 Sc、Sq、Ec、Eq的聚类和异常值空间分布

城乡经济社会发展度分析结果（图6b）显示，高高集聚区域位于湾区东南部，与城乡经济社会协调度空间分布相比具有向东南偏移的特征；低低集聚区域与城乡经济社会协调度空间分布相比更为集中，主要集中在肇庆市。其中，广州南沙区、肇庆端州区分别被识别为低高异常值地区和高低异常值地区。

3.3 城乡生态相关指数

由表2 所示，城乡生态协调度方面，粤港澳大湾区的城乡生态协调度普遍较高，其中深圳与澳门的城乡生态协调度较低。城乡生态质量指数方面，澳门排在末位，从数据特征的角度，城乡生态质量的水平与区域内绿化水平、景观破碎度关系密切。

表2 城乡生态相关指数值

3.3.1 城乡生态指数全局空间自相关（Global Moran’s I）分析

将粤港澳城乡生态系统的相关指数进行全域空间自相关分析（Global Moran’s I），两组数据的Z值分别为5.137 603 和6.935 332（图4c、图4d），说明随机产生聚类的可能性远小于1%，即粤港澳城乡生态系统在空间上呈现出明显的集聚效应。

3.3.2 城乡生态指数热点（Getis-Ord Gi*）分析

城乡生态协调度指数的热点分析结果（图5c）显示，高值且聚集的热点区域主要分布在湾区北部和西南部区域；低值且集聚的冷点区域主要分布在湾区东南部。城乡生态质量指数的热点分析结果（图5d）显示，高值且聚集的热点区域主要分布在湾区北部和西北部区域，主要位于肇庆、广州与惠州北部等地区；低值且集聚的冷点区域主要分布在湾区中部。

3.3.3 城乡生态指数聚类和异常值（Anselin Local Moran’s I）分析

将粤港澳城乡生态协调度进行聚类和异常值分析（局部空间自相关分析），结果（图6c）显示，高高集聚区域位于肇庆的四会市、江门的开平市；低低集聚区域比较集中，位于湾区东南部，为广州中部、惠州南部、东莞、深圳全域。其中，广州番禺区、南沙区以及香港全域被识别为高低异常值地区，说明这些地区与周边相邻的区域相比，具有更高的城乡生态协调度。

将粤港澳城乡生态质量进行聚类和异常值分析（局部空间自相关分析），结果（图6d）显示，高高、低低集聚区域的分布与城乡经济社会协调度相反，从空间上呈现负相关。在湾区52 个行政单元中，并未出现低—高异常值地区，说明湾区在城乡生态质量方面并没有存在明显短板的地区。

3.4 城乡经济社会与生态耦合协调度

3.4.1 市级耦合协调度

由表3 所示，在市级耦合协调度方面，珠海以0.871的得分位列第一，其次是得分0.859 和0.810 的中山和佛山。根据耦合协调度等级划分标准（表4），这3 个城市耦合协调程度均为良好协调，说明这3 个城市在城乡融合发展过程中经济社会与生态两系统之间的协调状况较好，良性耦合程度高。其中肇庆和深圳以0.315、0.314的耦合协调度得分排在末位，耦合协调程度均为轻度失调，而位列末位第三的澳门，耦合协调度为0.503，其耦合协调程度评级为勉强协调，得分是肇庆和深圳的两倍以上。从经济社会与生态协调度二者的空间分布特征分析中可以得到相同的结论，以深圳为例，其城乡经济社会协调度在湾区中呈现高值集聚的特征，与之相反的是其城乡生态协调度在湾区中呈现低值集聚，肇庆的空间特征与深圳相似，亦呈现经济社会与生态空间热点分布相反的趋势。

表3 市级耦合协调度计算结果

整体上看，粤港澳大湾区11 个城市的耦合协调度等级以协调为主，其中良好协调的城市有5 个，分别为珠海、中山、佛山、香港和东莞，中级协调的城市为广州，初级协调的城市为江门和惠州。11 个城市中仅肇庆和深圳为轻度失调。

3.4.2 区县级耦合协调度

区县级城乡经济社会与生态耦合协调度评价结果（表5）显示，广州荔湾区、珠海金湾区、佛山顺德区排名前三，深圳龙华区、肇庆怀集县、广州天河区则排在了末位，在前十的排名中所涉及的城市按照出现频次排行分别有广州、佛山、珠海、江门、中山，在后十的排名中所涉及的城市按照出现频次排行分别有肇庆、深圳、广州、惠州。广州市荔湾区作为第一名，得分0.995，其耦合协调度明显高于第二、第三名珠海金湾区、佛山顺德区的0.898 和0.878；而排在末两位的广州天河区、肇庆怀集县，其耦合协调度只有0.304、0.313，仅为末位第三的深圳龙华区（0.557）和末位第四的肇庆广宁县（0.561）的一半，呈现断崖式下跌。

表5 区县级耦合协调度计算结果

总体上来看，粤港澳大湾区52 个区县的耦合协调度等级以协调为主，69.2%的区县耦合协调程度为中级以上，其中优质协调的县区为广州荔湾区，勉强协调的区县有肇庆广宁县和深圳龙华区，52 个区县中仅肇庆怀集区和广州天河区为轻度失调。

4 讨论

通过将粤港澳大湾区11 个城市的城乡经济社会和生态看作是两个相对独立的系统，构建评价指标，测度2020 年各城市的城乡经济社会水平和生态水平，总结两者的空间特征并探索城乡经济社会与生态的空间关系及耦合协调关系，研究发现：

（1）城乡经济社会发展度与生态质量得分较高区域的空间分布差异明显，城乡经济发展与生态水平之间存在显著的权衡关系。从局部空间相关的显著性结果中可以观察到，粤港澳大湾区的城乡经济社会与生态之间存在显著的空间负相关，即二者存在显著的权衡关系。城乡生态协调度聚类和异常值分析结果也展示了相同的结果。异常值地区的分布则与经济社会发展度的空间分布相反，也在一定程度上反映了经济社会发展与生态保护之间的矛盾。其中，广州番禺区、南沙区以及香港全域被识别为高低异常值地区，这些地区与周边相邻的区域相比，具有更高的城乡生态协调度，说明这些地区的城乡结合地区在生态环境层面与其城市地区融合更好。相反，肇庆端州区则表现出低高异常值的特征，与经济社会发展度的空间分布相反，说明城乡生态协调度与周边地区相比更低，且端州区作为中心城区，在经济社会发展过程中对生态环境造成了一定的负面影响。

（2）城乡经济社会协调度与发展度方面均存在少量异常值区域。广州花都区、深圳盐田区以及香港全域被识别为经济社会协调度低高异常值地区，说明这些地区与周边相邻的区县行政区相比，具有更低的城乡经济社会协调度，这些行政单元的城乡结合地区在经济社会发展水平方面与其城市地区具有较大差异。在经济社会发展度方面，广州南沙区、肇庆端州区分别被识别为低高异常值地区和高低异常值地区，说明广州南沙区与周边相邻的区县行政区相比，城乡经济社会发展度更低，其城乡结合地区在经济社会发展水平上与其城市地区还具有较大差异。而肇庆端州区城乡经济社会发展度相较于周边区域更高，说明端州区作为肇庆市的中心城区，其城乡结合地区与城市地区在经济社会发展质量上较其他区县具有明显优势。

（3）城乡生态质量方面没有出现明显短板的地区。城乡生态质量指数的聚类和异常值分析结果显示，广州番禺区、南沙区以及香港的城乡结合地区在生态方面与城区协同发展更好。相反，肇庆端州区作为中心城区，由于人类活动强度较大，在经济社会发展过程中对生态环境造成了负面影响。广州花都区、黄浦区以及深圳光明区与周边相邻的区县行政区相比，城乡生态质量明显更高，城乡结合地区与城市地区生态质量处于较高水平。值得注意的是，湾区52 个行政单元中并未出现低高异常值地区，说明湾区在城乡生态质量方面并没有存在明显短板的地区。

（4）城乡经济社会与生态的耦合协调度普遍良好，但肇庆和深圳仍存在轻度失调的现象。整体上看，粤港澳大湾区各城市的城乡经济社会与生态的耦合以“协调”为主，11 个城市中仅肇庆市和深圳市为轻度失调。结合这两个城市的城乡经济社会发展与生态发展状况，可以发现，二者的耦合协调程度之所以评分为轻度失调，是由于二者城乡经济社会与生态之间存在较大的“偏科”，从城乡经济社会协调度指数冷热点图、城乡生态协调度指数冷热点图可以看出，肇庆与深圳的经济社会与生态层面均呈现相反的态势，其空间分布与广东省城乡融合发展报告中的结论相符，报告显示，2019 年肇庆的城乡融合指数为0.341 4，位列珠三角9 市末位，其中，经济融合指数得分为0.113 9，同样位列珠三角9 市末位，总体上来说肇庆的城乡经济社会融合发展水平较低；相反，2019 年深圳城乡融合水平位列珠三角9市第一位，总体上来说深圳的城乡经济社会融合发展水平较高。但是对深圳而言，虹吸效应带来的城市人口增长仍然很快，经济的快速发展伴随建设用地的扩张和生态空间的收缩，城乡经济的发展与生态保护之间仍然存在现实冲突。

5 结论与建议

针对城乡经济社会与生态之间的关系问题，本研究基于城乡经济社会发展水平、城乡生态水平各指标，量化了2020 年粤港澳大湾区市级与区县级的城乡经济社会发展水平、城乡生态水平，并通过空间相关性模型分析其空间分布特征，最后通过耦合协调度模型测度城乡经济社会系统与城乡生态系统之间的交互耦合关系。研究得到以下主要结论：（1）城乡经济社会协调水平与生态质量得分较高区域的空间分布差异明显，城乡经济发展与生态之间存在显著的权衡；（2）湾区城乡经济社会协调发展方面均存在少量的异常值区域，但在城乡生态质量方面并没有出现明显短板的地区；（3）粤港澳大湾区城乡经济社会与生态的耦合协调度普遍良好，但依然存在轻度失调的现象。基于此，地方应加强经济、自然资源综合部门的监管权力与能力，探索实施经济发展与生态保护之间协调关系的相关政策，错位利用生态资源，以实现湾区的可持续发展。

根据以上结论，提出以下政策建议。首先，针对城乡经济发展与生态水平之间存在显著权衡关系的问题，应明晰城乡经济社会发展过程中产生的生态效应，加强发改、国土等经济、自然资源统筹部门对行政区内空间利用的统筹管理，通过建设用地的集约化利用与监督管理缓解城市发展过程中对生态空间产生的压力。其次，针对湾区生态质量水平普遍较高，但仍然存在城乡经济社会发展不平衡的现象，建议各市需因地制宜探索城乡融合发展道路，同时尝试跨区域经济合作手段（如深汕合作区），一方面保障城乡经济社会的发展，另一方面可较好错位利用生态资源。最后，针对粤港澳大湾区城乡经济社会与生态的耦合协调度普遍良好，但肇庆和深圳仍存在轻度失调的问题，城市需在巩固自身优势的基础上，加强探索并实施经济发展与生态保护之间协调关系的相关政策。