基于重心模型的安徽省城鎮化與生態環境匹配度分析

榮慧芳，方 斌

（1.南京師范大學地理科學學院，江蘇 南京 210023；2.池州學院資源環境學院，安徽 池州 247000；3.南京師范大學新型城鎮化與土地問題研究中心，江蘇 南京 210023）

基于重心模型的安徽省城鎮化與生態環境匹配度分析

榮慧芳1，2，方 斌1，3

（1.南京師范大學地理科學學院，江蘇 南京 210023；2.池州學院資源環境學院，安徽 池州 247000；3.南京師范大學新型城鎮化與土地問題研究中心，江蘇 南京 210023）

研究目的：以2005—2014年的城鎮化與生態環境綜合指數為基礎，運用重心模型測算安徽省城鎮化發展與生態環境匹配度，探討兩者之間的交互作用，為政府在城鎮化進程中如何保護環境提供決策依據。研究方法：熵值法、重心模型。研究結果：（1）安徽省城鎮化發展和生態環境綜合指數地區差異顯著，生態環境質量隨著城鎮化水平的提升呈下滑趨勢，“凸”“凹”相致，逆向明顯；（2）城鎮化重心與生態環境重心在東西方向的偏移幅度明顯大于南北方向的偏移幅度；（3）城鎮化重心、生態環境重心均向西南偏移，但前者的變化過程較后者更為明顯；（4）城鎮化與生態環境匹配度演化軌跡均呈M型，但整體匹配性較差，匹配年份僅占22.22%，平均匹配度僅為-0.1605。研究結論： 2005—2014年安徽省城鎮化水平與生態環境狀態整體處于較不匹配狀態，提高城鎮土地利用績效，堅持集約、綠色和低碳的新型城鎮化道路，是未來安徽省城鎮化演進中破解環境問題的關鍵。

土地生態；城鎮化；生態環境；匹配度；重心模型；安徽省

Abstract:The purpose of this paper is to measure the comprehensive values of urbanization and ecology in Anhui Province from 2005 to 2014, and to investigate the relationship between urbanization and ecology based on barycenter model, and then to provide guidance and reference for coordinated development. The entropy method and barycenter model are used in this paper. The results show that: 1）there exist significant regional differences regarding the index values of urbanization and ecology, and the value of ecology has a descending trend with the increase of the value of urbanization. The converse trend concerning the relationship between urbanization and ecology is notable; 2）the moving range of the gravity in regard to urbanization and ecology in the north-south direction is larger than that in the east-west direction; 3）the gravity of bothurbanization and ecology moves towards northwest, but the change of urbanization gravity is relatively obvious compared to the ecological one; 4）the matching degree between urbanization and ecology shows a M-type evolution, with the mean matching degree about -0.1605 and the proportion of matched years about 22.22%, which exhibits a relative inferior match in general. It is concluded that the matching degree between urbanization and ecology is in a state of roughly mismatch on the whole, while the improvement of the urban land use performance and the implement of the strategies of intensive, green and low-carbon new urbanization are the key points to solve the environmental problems in Anhui Province.

Key words:land ecology; urbanization; ecological system; matching degree; barycenter model; Anhui Province

1 引言

當前中國步入城鎮化S型曲線的第二階段，城鎮化步伐加快[1]。隨著城鎮化進程的推進，城鎮人口擴張、城鎮資源銳減等帶來的生態環境問題日益突出。十八屆五中全會提出了“創新、協調、綠色、開放、共享”5大發展理念，將推進新型城鎮化與建設生態文明成為當下中國兩大重要戰略任務。如何在推進城鎮化的進程中保護生態環境，實現兩者協調發展，政府對此高度關注，也成為學界研究的熱點。針對城鎮化與生態環境關系的研究，國內外學者展開過深入探索，美國學者Gross-man和Krueger[2]運用計量經濟學方法研究了城鎮化和資源環境的動態關系，發現了經濟增長與環境污染之間的庫茲涅茨倒U型曲線（EKC）；依據EKC假設，York R等[3]采用環境經濟學方法對經濟發展、城市化與生態環境間的變化關系進行過研究；Maclaren V M[4]從城市化與生態環境可持續發展的角度出發，提出可持續發展應遵循的基本原則。國內研究起步較晚，研究成果主要集中在以下幾個方面：（1）城鎮化對資源環境的影響效應研究。以劉焱序[5]、馬海良[6]、樊杰[7]、柯新利[8]等學者為代表，在城鎮化對生態環境、水資源、碳排放、耕地等的影響方面做了有益的探索。（2）資源環境對城鎮化進程的約束研究。鮑超[9]、劉耀彬[10]、張琳[11]等學者在探索水資源、能源資源、土地資源對城鎮化的約束方面積累了可供借鑒的研究成果。（3）城鎮化與資源環境耦合關系研究。黃金川[12]、劉超[13]、劉萌[14]、張榮天[15]等學者運用雙指數模型、協調度模型等揭示了國家或典型區域的城鎮化與資源環境耦合特征。

綜上研究發現，國外學者的著眼點主要在如何協調城鎮化發展與生態環境的關系上，定性分析多于定量研究。國內學者以定量研究為主，存在如下不足之處：從研究方法來看，選用耦合協調度模型對城鎮化與生態環境之間的耦合協調度進行測算的文獻較為常見，而運用重心模型對兩者重心演變軌跡及匹配關系進行研究的尚未見報道；從研究區域來看，大部分學者選擇西北干旱區、生態脆弱區及快速城鎮化地區作為研究對象，安徽省作為中國首批新型城鎮化試點省和國家生態文明先行示范區，對其進行城鎮化與生態環境關系研究的文獻尚不多見。鑒此，本文以安徽省為研究案例，采用重心模型對城鎮化與生態環境重心偏移方向和距離進行考察，揭示兩者之間的匹配關系及其演變規律，分析工具和研究結果具有一定的參考價值。

2 研究對象與方法

2.1 研究區概況

安徽省地處中國中部華東腹部，介于114°54′E—119°37′E，29°41′N—34°38′N，面積13.94×104km2，現轄合肥、淮北、亳州、宿州、蚌埠、阜陽、淮南、滁州、六安、馬鞍山、蕪湖、宣城、銅陵、池州、安慶、黃山16個地級市。安徽省2014 年的城鎮化率低于全國平均水平5.62個百分點，為中國中部地區城鎮化水平“洼地”省份。自“中部崛起”戰略實施以來，安徽省城鎮化增速加快，城鎮化與資源環境之間的矛盾加劇（如安徽省2014年的人均耕地面積僅為1.31畝，明顯低于全國人均1.52畝和世界人均耕地3.38畝的水平）①安徽省統計局. 安徽統計年鑒（2006—2015）［M］ . 北京：中國統計出版社：2006 - 2015.。2015年1月，安徽被列為國家新型城鎮化綜合試點省份。如何取得最小生態風險和環境代價的新型城鎮化進程，如何處理好城鎮化與生態環境之間的協調關系，關乎區域城市的可持續發展，也決定著安徽省新型城鎮化建設的示范功能。

2.2 主要研究方法

2.2.1 熵值法 熵值法是根據指標觀測值所提供的信息來確定各項指標權重的一種客觀賦權法。該方法更多地依賴數據本身，可以克服指標選取的隨機性、臆斷性，從而客觀、可靠地反映經濟事實，能夠有效解決多指標變量間信息的重疊問題。本研究通過熵值法確定城鎮化—生態環境評價體系權重值，進而計算安徽省城鎮化與生態環境綜合指數，避免了層次分析法、模糊綜合評價法、德爾菲法等由于專家打分等主觀因素造成的模糊性，使評價結果更具科學性和說服力，已被廣泛運用于可持續發展評價等研究領域。熵值法的計算步驟如下[16]：

計算第i個地區第j個指標值的比重：

計算指標信息熵：

計算指標差異系數：

計算指標權重：

計算第i個地區城鎮化或生態環境綜合指數：

式（1）—式（6）中，Xij為原始數據標準化后的數值，Fij為第個地區第j項標的原始值，Fjmax與Fjmin為樣本年份中各地區對應指標的最大值與最小值，m為區域個數，n為評價指標數。

2.2.2 重心模型 重心模型在探索要素空間變動方面具有獨特優勢，其通過分析要素重心位置偏離幾何中心的移動方向和距離，可以直觀和精準地揭示出該要素在二維空間上的分布規律和演化特征。近年來，重心模型在區域糧食生產、人口變遷、經濟發展等重心研究方面應用較多[17-21]，而在城市可持續發展方面的研究甚少。本文基于前人研究成果，構建城鎮化與生態環境重心模型，以期揭示安徽省近10年來城鎮化與生態環境重心的動態演變特征和空間匹配關系。

重心模型的計算過程如下[19]：假設研究區域由n個單元組成，第（ii = 1，2，3，…，n）個單元的幾何坐標為（xi，yi），則考察要素的重心坐標可表示為：

式（7）中，mi為i單元的要素屬性值，本文中指城鎮化與生態環境綜合指數。

式

（8）中，k = 0，1，2，θ∈（-180°，180°），并定義逆時針方向為正向，正東方向為0°。第一象限（0°，90°）為東北方向，第二象限（90°，180°）為西北方向，第三象限（-180°，-90°）為西南方向，第四象限（-90°，0°）為東南方向。

（2）重心移動距離。假設D為第t + 1年相對第t年重心偏移的距離（km），則D可用如下公式計算[19]：

（3）匹配度。為了深入揭示城鎮化與生態環境的空間耦合關系，采用匹配度來測度二者的空間關聯性。假定研究區域有兩個考察要素，兩要素重心第t + 1期相對第t期移動的夾角分別為θ1和θ2。定義兩者重心年際偏移角度差的余弦值cos（θ2- θ1）為匹配度指標，取值范圍為［-1，1］，值越大表示兩者的匹配度越強[19-20]。當cos（θ2- θ1）=1時，兩者偏移方向一致，呈完全匹配狀態；當0.5＜cosθ＜1時，呈匹配關系；當0.5＜cosθ≤0.5時，呈較匹配關系；當0.5＜cosθ＜0時，呈較不匹配關系；當-1＜cosθ＜-0.5時，呈不匹配關系；當cos（θ2- θ1）=-1時，兩者偏移方向完全相反，呈完全不匹配狀態。

2.3 數據來源與處理

鑒于數據獲取的完整性與連續性，本研究樣本區間界定為2005—2014年。用于計算城鎮化和生態環境綜合指數的原始數據主要來源于安徽省統計年鑒（2006—2015）、安徽省各地市統計年鑒（2006—2015）、安徽省各地市統計公報（2005—2014）等統計數據。經緯度坐標使用ArcGIS軟件計算出的安徽省各地市幾何中心坐標，提高了研究過程和結果的精確性。

3 結果與分析

3.1 城鎮化與生態環境綜合指數測算與分析

城鎮化與生態環境評價指標體系在前人研究成果的基礎上進行了完善，具體指標的選擇更加注重對新型城鎮化和生態文明建設的測評，其中，城鎮化指標源自張引[22]關于城鎮化質量評價指標體系的研究成果，生態環境指標參考胡振鵬[23]、馬利邦等[24]建立的指標體系。選取安徽省及各地區2005—2014年城鎮化和生態環境共計24個單項指標的數據，運用熵值法計算城鎮化和生態環境系統的各影響因素權重，進而得到安徽省及各地區近10年的城鎮化綜合指數和生態環境綜合指數（圖1、圖2）。

（1）2005—2014年安徽省城鎮化綜合指數呈遞增態勢，指數平均值為1.3599，年平均增速為0.0048。城鎮化水平提升速度較快，究其原因，與國家實施的中部崛起戰略及安徽省發展思路有關。生態環境質量總體呈波動下降趨勢，生態環境指數由2005年的1.4912下降到2014年1.4762，年均降速0.0017。上述過程驗證了Grossman[2]的EKC倒U型曲線，即城鎮化尚處于低水平發展階段時，生態環境會隨著城鎮化強度的加大不斷惡化。2014年，安徽省城鎮化水平為49.2%，尚處于城鎮化演化的初始階段[1]，可以預見安徽省城鎮化對生態環境的脅迫作用在一段時間內仍會持續增強（圖1）。

圖1 2005—2014年安徽省城鎮化與生態環境綜合指數年際變化Fig.1 Comprehensive index of urbanization and ecology from 2005 to 2014 in Anhui Provice

圖2 2005—2014年安徽省城鎮化與生態環境綜合指數區際差異Fig.2 Spatial distribution of comprehensive index of urbanization and ecology from 2005 to 2014 in Anhui Province

（2）圖2顯示，安徽省城鎮化水平和生態環境質量地區差異顯著。城鎮化水平較高的地市集中在合蕪蚌試驗區和皖江示范區，近10年來，合肥、馬鞍山、銅陵三市的城鎮化發展水平始終排名前三。生態環境質量較好的地市集中在皖南地區，黃山、池州、宣城的生態環境質量一直排在前列。從圖2還可以看出，城鎮化發展和生態環境質量呈現很強的負相關性，城鎮化水平較高的地市，生態環境質量較差。可見安徽省城鎮化對生態環境的依賴性較強，生態環境建設應成為城鎮化進程中高度關注的內容。

3.2 城鎮化與生態環境重心移動軌跡分析

運用式（7）測算出城鎮化、生態環境重心坐標結果，制作出2005—2014年城鎮化重心與生態環境重心的移動軌跡圖（圖3）。

圖3顯示，城鎮化重心移動軌跡方面，2005年，安徽省城鎮化重心位于合肥市東側瑤海區，2005—2006年，快速向東南移動；2006—2009年，緩慢向西北移動；2009—2010年，快速向東南移動；2010—2011年，急劇向西北移動；2011—2014年，持續向西北方向移動；至2014年整體西移至合肥市西側蜀山區。生態環境重心移動軌跡方面，2005年，安徽省生態環境重心位于合肥市肥東縣，2005—2007年，快速向東南移動；2007—2010年，緩慢向東北而后轉向西北；2010—2011年，急劇向西北移動；2011—2013年，緩慢向西北而后轉向西南；2013—2014年，快速向東南移動；至2014年整體西移至合肥市包河區。

上述過程可以看出，安徽省城鎮化與生態環境重心變動呈現兩個特點：（1）在經度和緯度方向上都有移動，但經度方向的偏移幅度明顯大于緯度方向的偏移幅度，即東西方向上的移動趨勢比較顯著，說明城鎮化和生態環境差距擴大的方向主要在東西方向上展開。（2）城鎮化重心和生態環境重心的演變呈現明顯的階段性特征，移動速度在不同年際間存在差異，移動速度過快時，說明安徽省宏觀經濟處于擴張時期，移動速度過慢時說明宏觀經濟處于緊縮時期。如2008年的雪災對安徽省經濟社會發展造成的負面影響，減緩了經濟發展速度，致使城鎮化和生態環境重心在2008年前后變化較小。

3.3 城鎮化與生態環境重心動態演變分析

圖3 安徽省2005—2014年城鎮化與生態環境重心變化軌跡Fig.3 Variations track for urbanization and ecology gravity from 2005 to 2014 in Anhui Province

運用重心移動方向和距離測度式（8）和式（9），對安徽省2005—2014年城鎮化重心與生態環境重心移動方向與距離進行測算，結果如表1。從移動方向上看，城鎮化重心往東南移動的有2次，西南方向2次，西北方向5次，整體向西南偏移了-179.0579°。生態環境重心往東南方向移動的有3次，東北方向2次，西南方向2次，西北方向2次，整體向西南方向移動了-172.1916°。說明安徽省西南地區對城鎮化和生態環境整體局勢的影響在增強。從移動距離上看，2005—2006年、2009—2010年、2010—2011年移動距離較大，分別占到總移動距離的12.84%、19.47%、53.79%，說明這三個時間段內區域城鎮化對比發生了較大的變動。生態環境重心的移動距離顯示，2010—2011年、2013—2014年，生態環境重心變動最為劇烈，年移動距離分別占總移動距離的42.09%、18.54%，說明區域生態環境質量在此時間段內差距加大。

表1 安徽省2005—2014年城鎮化重心、生態環境重心移動距離與方向Tab.1 Moving distances and directions of urbanization and ecology gravity from 2005 to 2014 in Anhui Province

從變化幅度看，城鎮化重心年平均移動距離離散系數為1.5469（標準差為2.7569，均值為1.7822），生態環境重心年平均移動距離離散系數為1.1261（標準差為1.6098，均值為1.4296），城鎮化重心的變動較生態環境重心更為劇烈。

3.4 城鎮化與生態環境匹配度分析

依據表1的城鎮化重心和生態環境重心的移動方向和距離，運用匹配度計算公式對安徽省近10年的城鎮化與生態環境匹配情況進行測算，結果如圖4。

由圖4可知，2005—2014年間安徽省城鎮化重心與生態環境重心匹配度大于零的僅有2年，而小于零的有7年，匹配年份僅占22.22%，平均匹配度僅為-0.1605，整體呈較不匹配狀態。從演化軌跡看，整體呈M型走勢，其中，2005—2008年，匹配度由2005年的-0.2543增高至0.9248；2008—2010年為U型，2009年跌至U型谷底，匹配度為0.4699，而后在2010年出現峰值后一路下降，匹配度降至-0.8453，總體上呈現出下滑趨勢。

安徽省城鎮化與生態環境整體不匹配的現狀與安徽省經濟發展水平、產業結構特質、城鎮化發展方式、生態環境保護政策等有關，具體分析如下：（1）“環境庫茲涅茨曲線”表明，在工業化初中級階段，經濟發展加快但環境污染加重；在工業化高級階段，經濟與環境逐步協調，拐點約在人均GDP10000美元[2]。2014年安徽省人均GDP為5604美元①安徽省統計局. 安徽統計年鑒（2006—2015）［M］ . 北京：中國統計出版社：2006 - 2015.，處于曲線拐點之前的兩難區間，經濟發展與環境保護的矛盾還將在較長時期內存在。（2）在中部崛起戰略、皖江城市帶承接產業轉移的發展背景下，安徽省經濟發展較快，城鎮化率增速明顯，但產業轉移主要以粗放型工業為主，對區域生態環境造成較大程度的破壞。（3）安徽省正處于城鎮化快速發展中期階段，城鎮化進程一味追求城鎮化水平的提升，忽略了城鎮化發展質量和效率，導致城鎮建設用地采用粗放式外延擴張模式，不合理占用和浪費土地現象十分普遍。如安徽省城鎮化率增長速度高于全國平均水平，但表征城鎮土地形式變化的人均公園綠地面積、城鎮人口密度等指標均低于全國平均水平，表明了土地資源粗放、低效投入的典型特征。在上述因素的綜合作用下，城鎮化發展與生態環境處于不協調狀態，新型城鎮化建設面臨較大挑戰。

4 結論與建議

4.1 主要結論

本文采用重心模型，從時序維度就城鎮化與生態環境重心偏離方向同步性進行考察，以此判別兩者之間的匹配關系，可為安徽省城鎮化與生態環境協同演進及新型城鎮化發展政策的制定提供決策參考，有利于城市可持續發展及生態安徽建設，也可為同類研究提供方法借鑒。主要研究結論如下：（1）2005—2014年間，安徽省城鎮化發展和生態環境綜合指數區際差異顯著，生態環境質量隨著城鎮化水平的提升呈下滑趨勢，“凸“ “凹”相致，逆向明顯；符合安徽省所處的城鎮化階段特征，此演化趨勢在今后一段時間內仍將持續存在。（2）皖江城市帶承接長三角地區產業轉移的輻射帶動，東西方向上的強大拉力較明顯地影響區域城鎮化和生態環境的均衡性，迫使城鎮化重心與生態環境重心在東西方向的偏移幅度明顯大于南北方向的偏移幅度。（3）城鎮化重心、生態環境重心均向西南偏移，但前者的變化過程較后者更為明顯；區域生態環境重心的格局形成具有較大的穩定性，城鎮化發展重心的格局受宏觀政策的影響波動性變化特征更加明顯。（4）城鎮化與生態環境匹配度演化軌跡均呈M型，匹配年份僅占22.22%，平均匹配度僅為-0.1605，整體呈較不匹配狀態，如何校正城鎮化的發展方向，朝著更有利于生態環境的方向發展是未來安徽省城鎮化演進中必須破解的難題。（5）重心模型的運用能較好地展現出城鎮化重心和生態環境重心各自的運動軌跡，可更直觀地讓事物的空間運動軌跡定量化和可視化，說明該方法應用的有效性。

4.2 對策建議

根據安徽省城鎮化發展與生態環境所處的階段特征、時空演變規律、匹配關系以及原因分析，本文提出如下對策建議：（1）安徽省正處于城鎮化發展的中期階段，快速發展的城鎮化進程使城鎮化與生態環境之間的矛盾日益突出。未來城鎮化政策的制定方向應立足城鎮化所處的階段特征，樹立質量為本的發展理念，把生態環境質量融入城鎮化發展的全過程，實現城鎮化集約、智能、綠色、低碳發展。（2）東向發展融入長三角經濟圈、承接產業轉移是安徽省經濟發展與城鎮化的戰略和趨勢，但需要以建設國家技術創新工程試點省為契機，選擇性地吸收產業，走高技術、高副加值產業發展道路，提高城鎮化的技術含量。（3）安徽南部為山地，中部為丘陵，北部為平原。各地區應根據城鎮化基礎和生態環境的具體特點，實行差異化發展策略。皖南地區要突出保護生態和文化環境，以特色城鎮化為核心，促進人口的適度城鎮化；皖北地區應加快區域性重大基礎設施和城市基礎設施建設，加快建設淮河生態經濟帶，增強城市對人口和產業的承載力；皖中地區應把產業結構調整作為主攻方向，提升城鎮化演進的質量和內涵。

需要指出的是，重心模型雖然可有效地測度城鎮化與生態環境的時空演變過程，并可依據重心移動方向揭示城鎮化與生態環境的空間匹配關系。但限于數據的可獲得性及難以量化的原因，城鎮化與生態環境匹配關系的影響因素識別及其影響機制未在模型中得到有效體現，在今后的工作中要加強此方面研究，以提升研究的科學性和預測性。

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（本文責編：王慶日）

Measurement of the Matching Degree between Urbanization and Ecology in Anhui based on Barycenter Model

RONG Hui-fang1，2, FANG Bin1，3
（1. Nanjing Normal University, College of Geography, Nanjing 210023, China; 2. College of Resource Environment, Chizhou University, Chizhou 247000, China; 3. Nanjing Normal University, Research Center of New Urbanization and Land Problem, Nanjing 210023, China）

F301.2

A

1001-8158（2017）06-0034-08

10.11994/zgtdkx.20170622.134014

2017-02-12；

2017-05-26

國家自然科學基金項目（41671174）；安徽省社科規劃項目（ANSKQ2015D24）；池州學院校級人文重點項目（2015RWZ006）；安徽省教育廳人文社科重點項目（SK2016A0637）。

榮慧芳（1984-），女，河南商丘人，碩士。主要研究方向為城市規劃與土地利用。E-mail: ronghuifang96@163.com

方斌（1968-），男，江西九江人，博士，教授。主要研究方向為土地資源管理。E-mail: wenyanfang73@163.com