京津冀地區城市化與生態環境交互耦合關系定量測度

王少劍, 方創琳, 王 洋

1 中國科學院地理科學與資源研究所, 北京 100101 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 廣州地理研究所, 廣州 510070

京津冀地區城市化與生態環境交互耦合關系定量測度

王少劍1,2, 方創琳1,*, 王 洋3

1 中國科學院地理科學與資源研究所, 北京 100101 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 廣州地理研究所, 廣州 510070

城市化與生態環境之間客觀上存在著極其復雜的交互耦合關系，如何實現城市化與生態環境協調發展將是世界經濟社會發展的核心議題，也是近年來國內外研究的熱點命題。首先構建了城市化和生態環境系統綜合評價指標體系，然后借助物理學耦合模型，構建了城市化與生態環境動態耦合協調度模型，定量分析了1980—2011年京津冀地區城市化與生態環境的耦合過程與演進趨勢。結果表明：人口城市化和生態壓力分別對城市化子系統與生態環境子系統的貢獻份額最大，明顯高于其他因素；在耦合協調度測算模型中，城市化子系統與生態環境子系統3種不同貢獻份額所得出的耦合協調度的變化趨勢是一致的，表明耦合協調度模型受城市化與生態環境子系統貢獻份額比例的影響很小；1980年以來京津冀地區的城市化與生態環境耦合協調度呈現出S型曲線變化，協調類型從嚴重不協調-城市化受阻發展到高級協調-生態環境滯后類型；正確認識城市化與生態環境交互脅迫的時空動態耦合規律，采取恰當的區域發展政策和適當的城市發展戰略，對進一步加快區域城市化進程，改善生態環境，實現京津冀地區城市化與生態環境的協調和可持續發展具有重要的指導意義。

城市化與生態環境; 交互耦合關系; 耦合協調度模型; 協調發展類型; 京津冀

城市化與生態環境的交互耦合關系已成為地理研究和區域發展研究的一個核心問題。改革開放30多年來，中國加快發展方式轉變，工業化和城市化進程快速推進，經濟增長率平均超過9.9%，經濟規模僅排在美國之后，位列全世界第二位[1]。然而快速工業化根植于能源的巨大需求和消耗，快速城市化來源于對生態環境和資源的剝奪，過大的需求和侵占勢必對生態系統和資源環境承載力帶來巨大壓力，損傷生態服務功能。所以追求經濟發展和生態環境保護是一對矛盾體，如何協調二者之間的發展將會對推動區域經濟、社會、生態的協調、穩定與可持續發展至關重要[2- 3]。

從國內外關于城市化與生態環境交互作用關系研究來看，研究重點主要涉及城市化與生態環境交互作用機理[4]，并在城市化與生態環境系統協調發展方面取得了新進展。研究理論基礎主要包括耦合裂變律，動態層級律，隨機漲落律，非線性協同律，閾值律和預警律等六大基本定律[5- 6]；研究范圍主要涉及歐洲、美國、俄羅斯和中國等國家和地區[7- 11]；研究尺度涵蓋全球、國家、省(州)、城市和城市內部，并以城市為研究重點[10,12- 14]；研究方法主要包括“3S”技術定量分析、系統分析、數學模型和回歸分析等[15- 19]；學科視角主要為生態經濟學、地理學、管理學、空間經濟學以及多學科綜合等[20- 23]。但當前的研究主要以城市化對生態環境的脅迫效應研究較多，生態環境對城市化的約束效應研究較少，所以城市化與生態環境關系的協調問題是目前研究的薄弱環節，較少有學者從生態環境約束的角度，將生態環境變化與城市化結合起來，探討城市化過程對生態環境變化的影響以及生態環境對城市化的影響。

學者對城市化與生態環境耦合動態協調發展的研究主要集中在協調度測度、協調發展類型判別等方面，并出現許多新趨勢：①測度方法上數學計量模型成為主流工具，研究尺度逐漸趨小化，同時并注重多尺度分析對比研究[24- 28]；②協調發展類型上，對不同地區的耦合狀態進行判別，主要有運用EKC計量模型進行定性分析[29- 30]；運用灰色系統模型對耦合協調度進行定量測度[31]；運用雙指數模型對城市化與生態環境交互雙指數曲線進行驗證分析[32- 34]；運用投入產出模型對人口-資源-環境-經濟系統的耦合度進行定量分析[35]；此外許多學者運用耦合模型來定量分析城市化與生態環境的耦合演變[23,36- 38]。總體而言，這些研究逐漸由靜態、定性現狀分析轉向動態、定量趨勢評價，為人們進一步研究城市化與生態環境的關系奠定了理論和實踐基礎。但這些研究同時也忽略了對城市化與生態環境關系長期發展的規律性驗證，沒有詳細的判定系統協調發證狀態。

伴隨著技術方法的革新，可以更好的了解城市化與生態環境發展的模式、動態及耦合機制。目前國內已有的城市化與生態環境關系的研究主要集中在干旱區和全國性省級層面[36- 37]，卻較少以城市群為單元來研究城市化與生態環境的耦合關系。京津冀地區是中國未來經濟發展格局中最具活力和潛力的核心地區，在其城市化快速推進過程中，生態環境受到了不同程度的破壞，城市化與生態環境間出現了不協調發展的畫面，所以其城市化與生態環境之間的耦合關系最具代表性。深入研究京津冀地區的城市化與生態環境的耦合過程及演變趨勢，提出良性耦合的對策建議，對實現京津冀地區城市化與生態環境的協調和可持續發展具有重要的指導意義。

1 研究區域與數據來源

圖1 研究范圍與區域Fig.1 Location and range of the study areas

自改革開放以來，京津冀地區經濟發展迅速，以北京和天津為經濟增長的龍頭，帶動了京津冀地區經濟的騰飛，使京津冀地區成為中國區域經濟增長最快、經濟發展水平最高的地區增長極之一。2011年，京津冀地區擁有人口8508萬人，面積為183704km2，占全國面積的1.9%；地區生產總值為40590億元，在全國22個城市群中排名第三，經濟增長速度為14.09%高于全國的8.74%；從1980—2011年，城市化率從38.86%增加到59.47%，年均增長1.38%高于全國的0.93%。伴隨著京津冀經濟的快速發展，區域內部資源環境問題也日益突出，在快速城市化背景下，如何實現城市化與生態環境協調發展將是京津冀地區面臨的新挑戰。本文以京津冀地區為研究單元(圖1)，以1980—2011年間社會經濟和生態環境數據為研究對象，分析了1980年以來京津冀地區的城市化與生態環境耦合協調變化的特征。本文數據來自《中國統計年鑒》(中國統計出版社，1985—2012)、《中國農村統計年鑒》(中國統計出版社，1985—2012)、《中國教育統計年鑒》(中國統計出版社，1987—2011)、《中國區域統計年鑒》(中國統計出版社，2000—2012)、《中國城市統計年鑒》(中國統計出版社，1991—2012)、《新中國六十年統計資源匯編》(中國統計出版社，1949—2008)及北京、天津統計年鑒和相關地市統計年鑒。

2 城市化與生態環境系統模型構建

2.1 城市化與生態環境的交互耦合關系分析

城市化是一個經濟、社會、文化等多種因素綜合發展的過程，實質上也是以內向式集聚為主和外向式推延為輔的綜合作用的過程，它不僅表現為人口由農村向城鎮的轉移集聚、城鎮人口逐步增加，還表現為農業景觀向城市景觀轉換、農業地域向城市地域轉換導致城鎮數量的增加和城鎮規模的擴大；不僅表現為農業活動向非農業活動轉換、城市產業結構的轉型升級，還表現為城市經濟和生活方式向廣大農村地區擴散。基于這種認識和過程，城市化的內涵可以概括為4個方面：人口城市化、空間城市化、經濟城市化和社會城市化。人口城市化一方面通過人口密度的增加給生態壞境帶了巨大壓力，城市人口的增加快于城市地域的擴張，這樣城市生態環境所承受的壓力越來越大；一方面通過改善人們的生活方式和消費結構來過多過快的向生態環境索取資源，生活水平越高，索取的力度越大。空間城市化主要變現為城市密度的增加和城市地域范圍的擴展，在這一過程中城市用地不斷增加，造成土地資源緊張，同時衍生而來的城市交通擴展也給生態環境帶來了景觀破壞和噪聲污染等問題。經濟城市化表現為農業活動向非農業活動轉換，和城市經濟的轉型提升。由于規模經濟帶動了產業集聚從而提升了經濟總量，同時消耗更多資源能源，增大了生態環境壓力；同時由于經濟總量的增加，使城市更具能力進行環保投資，在一定程度上緩解生態壓力，經濟城市化對生態環境具有雙重作用。社會城市化主要表現為城市經濟和生活方式向廣大農村地區蔓延擴散。它是城市化外向式推延的過程，對城市化的提升具有輔助作用，通過改變人們的生活方式和傳統消費理念來影響資源利用方式和環境保護治理效果。以上說明城市化過程中的每個方面都會對生態環境帶來一定的影響和壓力，而同時生態環境通過自身的響應對城市化過程的每個方面都有一定的約束和限制作用。總的來說，城市化和生態環境之間客觀存在著極其復雜的交互耦合關系，城市化對生態環境有一定的脅迫作用，生活環境對城市化有一定的限制和約束作用(圖2)。

圖2 城市化過程與生態環境變化的脅迫耦合關系分析圖Fig.2 Analysis chart of the coupling relationship of urbanization and eco-environment

2.2 城市化與生態環境的耦合協調度模型

耦合度是一個物理學概念，是指兩個(或兩個以上的) 系統通過受自身和外界的各種相互作用而彼此影響的現象，耦合度模型即[38- 39]：

(1)

由于系統之間的耦合關系存在相似性，耦合現在被廣泛地應用到研究城市化與生態環境交互脅迫關系之中，即：

(2)

進一步構造城市化與生態環境的耦合協調度模型，來判別城市化與生態環境的協調程度，即：

T=αf(U)+βg(E)

(3)

(4)

式中，C是耦合度，f(U)是城市化子系統，g(E)是生態環境子系統；在城市化與生態環境綜合系統中，C代表城市化與生態環境的耦合度,D是城市化與生態環境的耦合協調度，T代表城市化與生態環境綜合調和指數；α和β分別代表城市化和生態環境的貢獻份額[39]。根據耦合協調度D及城市化子系統f(U)和生態壞境子系統g(E)的大小，同時借鑒物理學關于協調類型的劃分，可以將城市化與生態環境的耦合類型分為3大類，4個亞類和12個子類型[39](表1)。

3 京津冀地區城市化與生態環境協調發展的耦合態勢分析

3.1 城市化與生態環境綜合評價指標體系構建

為了準確評價城市化水平和生態環境的關系，在設置評價指標體系時，借鑒相關研究成果[39]，綜合可持續發展度量法和資源環境承載力模型，按照目的科學性原則、系統整體性原則、層次性原則和定性與定量結合原則，結合京津冀實際情況，最后形成了有人口城市化、空間城市化、經濟城市化和社會城市化4個一級指標，非農業占總人口比重、人均GDP等17個基礎指標所構成的京津冀地區城市化水平的綜合指標體系(表2)；形成了有資源要素、生態要素、生態條件和生態響應4個一級指標，建成區綠化率、人均綠地等15個基礎指標所構成的京津冀地區生態環境綜合指標體系(表3)。

表1 城市化與生態環境的耦合協調類型劃分Table 1 Classification of the development of coupling of urbanization and the environment

表2 城市化綜合評價指標及權重Table 2 The index system and weights of urbanization

AHP(Analytic hierarchy process)法—層次分析法

表3 生態環境綜合評價指標及權重Table 3 The index system and weights of eco-environment

城市化與生態環境指標可以分為兩種類型，對不同的類型采用相應的無量綱化方法[39]，公式為：

(5)

(6)

式中，i為年份，j為指標序號，Xij為指標數據原始值，rij為標準化值，max(Xj)和min(Xj)分別為第j指標的最大值和最小值；當指標值為正向作用時，即所用指標的值越大越好時，采用公式(5)，當指標值為逆向作用時，即所用指標的值越小越好時，采用公式(6)，經過這樣的處理，所有的指標值都會在[0,1]范圍內。

在處理指標權重時，由于考慮到每一種賦權法都有一定局限性，為了降低賦權法所帶來的差異性，本文綜合選擇了一種主觀賦權法模糊層次分析法(AHP)[40]、兩種客觀賦權法熵值法[41]和無限方案多目標決策方法進行行有限方法多目標決策法[42]，然后求其權重的均值得到綜合權重，在一定程度上相應的縮小了單一賦權法帶來的局限性和弊端，處理結果如表2、表3。

3.2 城市化與生態環境綜合指數分析

從表2中可以看出，人口城市化(0.35)在城市化綜合指標體系中所占的權重最大，因此是對城市化綜合水平影響最大的層面，其次依次是經濟城市化(0.3)、空間城市化(0.2)和社會城市化(0.15)。在城市化綜合指標體系中，非農業人口占總人口密度(0.147)、城鎮人口密度(0.116)、城鎮密度(0.092)和全社會固定資產投資(0.078)是貢獻份額最大的指標，所占的綜合權重合計為43.25%。基于以上分析，可以看出在過去30年間，城鎮人口的增加、城鎮人口密度的提高和城市個數的增加是影響京津冀地區城市化快速發展的重要原因。研究結果也正好符合京津冀地區的實際情況，人口增加和城市發展的交互關系是影響京津冀地區區域可持續發展的重要原因之一。所以城市規劃者和政府機構在考慮和構想城市發展政策時應給予城鎮人口增加和城市地域范圍擴張滯后的交互關系以高度關注。采取恰當的區域發展政策和恰當的城市發展戰略對健康城鎮化的發展具有重要戰略意義。

從表3可以看出，建成區綠化面積(0.098)、人均工業廢氣排放總量(0.097)、人均可利用水資源總量(0.095)、人均綠地面積(0.0868)和人均水資源總量(0.08)對生態環境綜合水平具有較高的貢獻份額，總共占到了45.72%。總的來看，生態要素條件和生態壓力條件是影響生態環境綜合水平最重要的兩個因素。基于以上分析，可以看出提高城市地區的綠化率、保障城市用水安全和減少工業廢氣排量是提高城市生態環境綜合水平的強有力措施。

圖3展示了城市化綜合水平及各個層面城市化水平的變動趨勢。城市化綜合水平在1980—2011年間一直保持著上升趨勢。這表明京津冀地區在改革開放以來，中心城市發展較快，城市規模不斷擴張，非農業人口每年呈增長態勢，城市地域范圍也不斷向外圍擴張，相比20世紀90年代有很大增長，同時經濟發展速度也較快，在整個國家戰略區域競爭中處于絕對優勢地位。具體人口城市化曲線也呈上升趨勢，人口城市化對城市化綜合水平的貢獻份額和人口城市化曲線保持一致，再一次證明了人口城市化對城市化綜合水平的貢獻份額最高。空間城市化的貢獻份額呈現出一個簡單的倒“U”型曲線，1980—2002間，貢獻份額呈上升趨勢，2003—2008年貢獻份額的比重比較穩定，沒有出現波動性變化，2009年至今，空間城市化的貢獻份額開始出現下降趨勢。經濟城市化對城市化綜合水平的貢獻份額呈逐年增高的趨勢，這表明經濟城市化所包含的要素在推動城市化快速發展的進程中所起的作用越來越大，所占的貢獻份額也越來越高。社會城市化曲線也一直處于上升趨勢，但其對城市化綜合水平的貢獻份額不高，雖然逐年升高，但還是處于較低水平。

圖3 城市化綜合水平的演變趨勢Fig.3 Trends of comprehensive levels of urbanization

圖4展示了生態環境綜合水平以及各個層面生態環境水平的變化趨勢。生態環境綜合水平在整個研究時間段表現出波動中上升，其基本趨勢和生態壓力變化趨勢是一致的。1980—1990年生態環境綜合水平變現出急劇的上升；1990—2002年間，生態環境綜合水平與資源要素層面的生態環境水平的變化趨勢是一致的，出現了明顯的下降變化；2003—2011年生態環境綜合水平出現波動中上升。其他各個層面的生態環境水平分別呈現出各自不同的變化，生態要素和生態響應呈微弱上升趨勢，生態壓力呈波動性變化，資源要素在2003年出現拐點，2003年之前急劇下降，2003年之后緩慢上升。

圖4 生態環境綜合水平的變化趨勢Fig.4 Trends of comprehensive levels of eco-environment

圖5 生態環境綜合水平的變化趨勢Fig.5 Trends of comprehensive levels of eco-environment

3.3 城市化與生態環境的耦合協調度分析

為了探求城市化子系統與生態環境子系統對城市化與生態環境耦合協調度的影響，本文分析了3種不同類型(α=1/3,β=2/3;α=1/2,β=1/2;α=2/3,β=1/3)城市化與生態環境所占貢獻份額的情況，基于這3種不同類型城市化子系統和生態環境子系統的貢獻份額，從而測算城市化與生態環境耦合協調度的變化情況，測算結果和類型劃分如圖5和表4。

如圖5所示，從3種不同城市化子系統和生態環境子系統貢獻份額類型的耦合結果來看，3組耦合協調度的變化趨勢是一致的，僅大小稍有不同。可以明顯看出城市化子系統和生態環境子系統的所占貢獻份額的大小對整個系統的耦合協調度的結果影響不大。所以本文的分析結果將不再著重分析由于不同權重所引起的耦合協調度差異，重點關注耦合協調度在1980—2011年的變化趨勢分析。城市化與生態環境耦合協調度的變化趨勢是先降后升，形成一個S型曲線。本文將從4個時間段詳細闡述城市化與生態環境耦合協調度的變化趨勢：

(1)1980—1985年 這一階段的城市化與生態環境耦合協調度呈下降趨勢，但一直保持在嚴重不協調-城市化發展受阻階段。這一時期的生態環境子系統的綜合水平明顯高于城市化子系統的綜合水平，生態環境綜合水平呈上升趨勢，從0.276增加到0.407；而城市化綜合水平卻出現稍微的下降，從0.069下降到0.064.結果說明改革開放初期，城市化水平較低，經濟發展緩慢，其對生態環境并沒有構成嚴重影響。

(2)1985—2002年 城市化與生態環境耦合協調度迅速增加，表明城市化子系統和生態環境子系統越來越協調，協調類型從嚴重不協調-城市化受阻逐步過渡到基本協調階段。這一時期的城市化綜合水平快速增加，城市經濟發展迅速，城市人口逐漸增加，而這一時期的生態環境綜合水平卻呈現倒U型波動性變化，1985—1990年上升，1990—2002年快速下降，說明生態環境開始受到了城市化快速發展的影響，出現了生態響應。這一時期京津冀地區的經濟發展以高耗能發展模式為主，產業結構以二產為主，資源消耗過快，但仍在資源環境承載力范圍之內。

(3)2003—2008年 城市化與生態環境耦合協調度繼續增加，這一時期的協調類型從基本協調逐步過渡到高級協調-生態環境滯后階段。城市化綜合水平在這一階段呈線性上升，生態環境綜合水平穩步提高，2005—2006年達到高級協調階段。這一變化和京津冀地區的發展政策密切相關，2001年北京取得了奧運會的申辦權，北京及其周邊地區開始采取各種措施對重化工以及污染性比較大的產業進行綜合治理，由于滯后效應，從2003年開始環境質量得到穩步提升，城市化與生態環境耦合協調度逐步達到高級協調階段。

(4)2008—2011年 城市化與生態環境耦合協調度持續增加，但趨勢變緩，一直維持在高級協調-生態環境滯后階段。這一時期城市化綜合水平繼續增加，但生態環境卻開始出現波動變化，究其原因主要是因為奧運會過后，京津冀地區的部分污染性行業企業逐步開始運行，環境質量開始下降，進而出現各種極端天氣，影響京津冀地區整體的生態經濟系統的協調發展。

表4 不同耦合類型下的城市化與生態環境耦合協調度

Table 4 Coordinated coupling degree of urbanization and eco-environment based on discriminated standards

4 結論與討論

城市化與生態環境系統在城市經濟發展、社會進步和生態演變的過程中，伴隨著城市人口增加、城市資源開發、城市經濟增長、城市科技進步以及城市生態環境破壞，經歷著較長的演化過程，城市化與生態環境內部各要素之間形成了極其復雜的交互耦合關系。本文以京津冀地區為例，構建了耦合協調度模型定量的評價了城市化與生態環境的耦合協調度，同時在快速城市化背景下，本文也分析了城市化與生態環境耦合協調度的動態變化。研究表明：①人口城市化和生態壓力分別對城市化子系統與生態環境子系統的貢獻份額最大，明顯高于其他因素；②在耦合協調度測算模型中，城市化子系統與生態環境子系統3種不同的貢獻份額所得出的耦合協調度的變化趨勢是一致的，表明耦合協調度模型受城市化與生態環境子系統貢獻份額比例的影響很小；③在1980—2011年間，京津冀地區的城市化與生態環境耦合協調度呈現了S型曲線變化，協調類型從嚴重不協調-城市化受阻發展到高級協調-生態環境滯后。

本文構建了耦合協調度測算模型，在城市化與生態環境客觀復雜動態關系的基礎上，通過交互脅迫關系和動態耦合應用來判讀城市化與生態環境的協調發展類型。該分析強調城市化與生態環境耦合的動態時空演變，實證研究結果能較好的切合京津冀地區發展的實際情況，研究結論能為京津冀區域發展政策的制定提供依據。從以上的分析可以看出，京津冀地區的城市化與生態環境的耦合協調度變化趨勢應該有兩種類型，一是隨著城市化水平的持續推進，生態環境進一步遭到破壞，進而達到崩潰，那么整體生態經濟系統也將面臨滅亡；一是隨著城市化水平的持續提高，伴隨著經濟總量的增加，使城市更具能力進行環保投資，在一定程度上緩解生態壓力，最終達到城市化與生態環境協調發展。該方法還可以為國內其他區域城市化與生態環境關系的研究提供新的方法思路。

[1] 中華人民共和國國家統計局. 中國統計年鑒. 北京: 中國統計出版社, 2012.

[2] 王振波, 方創琳, 王婧. 1991 年以來長三角快速城市化地區生態經濟系統協調度評價及其空間演化模式. 地理學報, 2011, 66(12): 1657- 1668.

[3] Wang Z B, Fang C L, Cheng S W. Evolution of coordination degree of eco-economic system and early-warning in the Yangtze River Delta. Journal of Geographical Sciences, 2013, 23(1): 147- 162.

[4] Markus P. Technical progress, structural change, and the environmental Kuznets curve. Ecological Economics, 2002, 42(3): 381- 389.

[5] 方創琳, 楊玉梅. 城市化與生態環境交互耦合系統的基本定律. 干旱區地理, 2006, 29(1): 1- 8.

[6] 方創琳. 耗散結構理論與地理系統論. 干旱區地理, 1989, 12(3): 51- 56.

[7] Graniel C E, Morris L B, Carrillo-Rivera J J. Effects of urbanization on groundwater resources of Merida, Yucatan, Mexico. Environmental Geology, 1999, 37(4): 303- 312.

[8] Maryam A I, Zoran K, Fu G T, Butler D. Assessing the combined effects of urbanization and climate change on the river water quality in an integrated urban wastewater system in the UK. Journal of Environmental Management, 2012, 112: 1- 9.

[9] Shen W J, Wu J G, Grimm N B, Hope D. Effects of urbanization-induced environmental changes on ecosystem functioning in the Phoenix Metropolitan Region, USA. Ecosystems, 2008, 11(1): 138- 155.

[10] Grimm N B, Faeth S H, Colubiewski N E, Redman C L, Wu J G, Bai X M, Briggs J M. Global change and the ecology of Cities. Science, 2008, 319(5864): 756- 760.

[11] Antrop M. Landscape change and the urbanization process in Europe. Landscape and Urban Planning, 2004, 67(1/4): 9- 26.

[12] Inmaculada M Z, Antonello M. The impact of urbanization on CO2emissions: Evidence from developing countries. Ecological Economics, 2011, 70(7): 1344- 1353.

[13] 劉耀彬, 李仁東, 宋學鋒. 中國區域城市化與生態環境耦合的關聯分析. 地理學報, 2005, 60(2): 237- 247.

[14] Liu S B, Wei C Y, Guo Y Q, Zeng X X, Liu S, Yin Y C, Liu Y G. Exploring harmonious development between urbanization and eco-environment based on climate analysis-A study in Changsha, China. Journal of central South University of Technology, 2011, 18(1): 101- 107.

[15] Grossman G M, Kreuger A B. Economic growth and the environment. Quarterly Journal of Economics, 1995, 110(2): 353- 377.

[16] Kijima M, Nishide K, Ohyama A. Economic models for the environmental Kuznets curve: a survey. Journal of Economic Dynamics and Control, 2010, 34(7): 1187- 1201.

[17] Olli V, Sylvie F J. Water resources development in the lower Senegal River Basin: Conflicting interests, Environmental concerns and policy options. International Journal of Water Resources Development, 2002, 18(2): 245- 260.

[18] Cristina M, Christopher D E, Ramakrishna R Assessing the impact of urban land development on net primary productivity in the southeastern United States. Remote Sensing of Environment, 2003, 86(3): 401- 410.

[19] Ducrot R, Page C L, Bommel P, Kuper M. Articulating land and water dynamics with urbanization: an attempt to model natural resources management at the urban edge. Computers, Environment and Urban Systems, 2004, 28(1/2): 85- 106.

[20] Verdesca D, Federici M, Torsello L, Basosi R. Energy-economic accounting for sea-coastal systems: A novel approach. Ecological Modeling, 2006, 193(4): 132- 139.

[21] Barbera E, Currò C, Valenti G. A hyperbolic model for the effects of urbanization on air pollution. Applied Mathematical Modeling, 2010, 34(8): 2192- 2202.

[22] 宋建波, 武春友. 城市化與生態環境協調發展評價研究——以長江三角洲城市群為例. 中國軟科學, 2010, (2): 77- 87.

[23] Lloret J, Riera V. Evolution of a Mediterranean coastal zone: Human impacts on the marine environment of Cape Creusa. Environmental Management, 2008, 42(6): 977- 988

[24] 吳文恒, 牛叔文, 郭曉冬, 常慧麗, 李鋼. 中國人口與資源環境耦合的演進分析. 自然資源學報, 2006, 21(6): 853- 861.

[25] 雷明. 中國環境經濟綜合核算體系框架設計. 系統工程理論與實踐, 2000, (10): 17- 26.

[26] 孜比布拉 司馬義, 蘇力葉 木沙江, 帕夏古 阿不來提. 阿克蘇市城市化與生態環境綜合水平協調度評析. 地理研究, 2011, 30(3): 496- 504.

[27] 王新杰, 薛東前. 西安市城市化與生態環境協調發展模式演化分析. 自然資源學報, 2009, 24(8): 1378- 1385.

[28] 王長建, 張小雷, 杜宏茹. 近30a新疆城市化與生態環境互動關系的動態計量分析. 中國沙漠, 2012, 32(6): 1794- 1802.

[29] Jill L, Caviglia H, Dustin C. Taking the “U” out of Kuznets: a comprehensive analysis of the EKC and environmental degradation. Ecological Economics, 2009, 68(4): 1149- 1159.

[30] Dinda S. Environmental Kuznets curve hypothesis: A survey. Ecological Economics, 2004, 49(4): 431- 455.

[31] 張明媛, 袁永博, 周晶, 馮士森. 基于灰色系統模型的城市承災經濟協調性分析. 系統工程理論與實踐, 2008, 28(3): 171- 176.

[32] 黃金川, 方創琳. 城市化與生態環境交互耦合機制與規律性分析. 地理研究, 2003, 22(2): 211- 220.

[33] 喬標, 方創琳. 城市化與生態環境協調發展的動態耦合模型及其在干旱區的應用. 生態學報, 2005, 25(11): 3003- 3009.

[34] 喬標, 方創琳, 黃金川. 干旱區城市化與生態環境交互耦合的規律性及其驗證. 生態學報, 2006, 26(7): 2183- 2190.

[35] 姜濤, 袁建華, 何林, 許屹. 人口-資源-環境-經濟系統分析模型體系. 系統工程理論與實踐, 2002, (12): 67- 72.

[36] 吳玉鳴, 張燕. 中國區域經濟增長與環境的耦合協調發展研究. 資源科學, 2008, 30(1): 25- 30.

[37] 高樂華, 高強. 海洋生態經濟系統交互脅迫關系驗證及其協調度測算. 資源科學, 2012, 34(1): 173- 184.

[38] 劉耀彬, 李仁東, 宋學鋒. 中國城市化與生態環境耦合度分析. 自然資源學報, 2005, 20(1): 105- 112.

[39] Li Y F, Li Y, Zhou Y, Shi Y L, Zhu X D. Investigation of a coupling model of coordination between urbanization and the environment. Journal of Environmental Management, 2012, 98: 127- 133.

[40] 范麗芳, 江浩斌, 陳昆山. 基于模糊層次分析法的配送中心選址研究. 交通運輸系統工程與信息, 2006, 6(1): 107- 110.

[41] 陸添超, 康凱. 熵值法和層次分析法在權重確定中的應用. 電腦編程技巧與維護, 2009, (22): 19- 20.

[42] 王應明, 傅國偉. 運用無限方案多目標決策方法進行有限方案多目標決策. 控制與決策, 1993, 8(1): 25- 29.

Quantitative investigation of the interactive coupling relationship between urbanization and eco-environment

WANG Shaojian1,2, FANG Chuanglin1,*, WANG Yang3

1InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3GuangzhouInstituteofGeography,Guangzhou510070,China

Over the past three decades, China′s gradual transition toward an urbanization-oriented development strategy has generated a spectacular urbanization development with an average annual growth rate at 0.93%. Although, China achieved a great success in urbanization process, many serious challenges appeared at the same time, such as, population explosion, resources scarcity, and eco-environmental deterioration. Accordingly, China′s rapid urbanization has been characterized by high-speed economic growth and a series of environmental issues. As it is widely known that there exists an extremely complex interactive coupling and coercing relationship between urbanization and eco-environment, which indicates that urbanization has a strong coercing effect on eco-environment, and eco-environment has a lagged constraint force on urbanization. How to realize the coordinated development of urbanization and eco-environment is not only the key issue in the world economic and social development, but also a hot topic in domestic research in recent years. To start with, this paper establishes a comprehensive index system for assessment of the level of urbanization based on four aspects (population urbanization, spatial urbanization, social urbanization and economic urbanization) and eco-environment based on four aspects (resource factor, eco-environment endowment, eco-environment pressure and eco-environment response). Furthermore, each indictor in the compound system is weighted with subjective and objective weight determination methods: the methods of AHP, entropy and multi-objective decision-making power coefficient. Finally, a coupling coordination degree model focusing on the coupling processes and evolution trends of the compound system of urbanization and eco-environment is established, based on the physical model from 1980 to 2011 in Beijing-Tianjin-Hebei region. The results show that: (1) population urbanization and the eco-environmental pressure make the greatest contribution to the urbanization subsystem and the eco-environmental subsystem respectively, indicating that they are the significant factors when adjusting the compound coupling coordination system during decision-making; (2) in the coupling coordination degree model, the three different subsets of contributions of the urbanization subsystem and the eco-environmental subsystem make no differences to the coupling coordination degree between urbanization and eco-environment system, which indicates that the two parameters have less effect on the coupling coordination system; (3) the coupling coordination degree between urbanization and eco-environment shows an S-shaped curve, and both subsystems evolve from the seriously unbalanced development with urbanization hindered into superiorly balanced development with environment lagged; (4) we argue that it is important to recognize the spatial-temporal dynamic coupling law of interactive coercing between urbanization and eco-environment. It is of great significance to take appropriate urbanization development modes to realize sustainable development between urbanization and eco-environment in Beijing-Tianjin-Hebei region. Furthermore, the results of this study also offer a scientific decision-making for achieving the goal of eco-environment protection and promoting the healthy urbanization in Beijing-Tianjin-Hebei region.

urbanization and eco-environment; the interactive coupling relationship; the coupling coordination degree model; the coordinated development type; Beijing-Tianjin-Hebei region

國家自然科學基金(41371177); 國家社科基金重大項目(13&ZD027)

2013- 06- 02;

日期:2014- 05- 08

10.5846/stxb201306021271

*通訊作者Corresponding author.E-mail: fangcl@igsnrr.ac.cn

王少劍, 方創琳, 王洋.京津冀地區城市化與生態環境交互耦合關系定量測度.生態學報,2015,35(7):2244- 2254.

Wang S J, Fang C L, Wang Y.Quantitative investigation of the interactive coupling relationship between urbanization and eco-environment.Acta Ecologica Sinica,2015,35(7):2244- 2254.