貴陽市城市化與生態環境耦合研究

蔡振饒, 李玉紅, 李旭東

貴州師范大學地理與環境科學學院, 貴陽 550001

貴陽市城市化與生態環境耦合研究

蔡振饒, 李玉紅, 李旭東*

貴州師范大學地理與環境科學學院, 貴陽 550001

隨著中國西部地區城市化的快速推進, 生態脆弱城市的環境問題日益引起國內學者的重視。通過構建貴陽市城市化與生態環境指標體系, 以綜合指數評價模型為基礎分析貴陽市城市化與生態環境發展趨勢, 并利用協調發展度模型揭示貴陽市城市化與生態環境耦合協調的演化軌跡。結果表明, 貴陽市城市化綜合指數與生態環境綜合指數總體上呈上升趨勢, 兩大系統的發展均依賴于各子系統的共同進步, 不同子系統與指標對綜合評價體系具有不同的作用;協調度的演變明顯表現為不同的兩個階段, 而協調發展度演變表現為線形的上升趨勢, 由嚴重不協調階段逐漸步入高級協調階段。只有兩大系統共同發展, 二者的耦合關系才會逐漸增強。

城市化; 生態環境; 耦合; 協調; 貴陽

1 前言

中國正處于工業化與城市化的中期階段, 快速的經濟增長與城市化進程對生態環境的脅迫作用日益突出[1]。目前, 國內學者對城市快速發展地區的城市化與生態環境耦合交互關系已有大量的研究[2-4]。然而受較弱的技術、制度、城市文明與系統自身恢復力影響, 西部地區城市在城市化發展過程中與生態環境的耦合關系具有明顯的脆弱性[5], 如何把握西部生態脆弱地區城市化與生態環境耦合協調的作用機制與規律日益成為學者研究的焦點, 例如喬標、方創琳等對生態脆弱的干旱區城市化與生態環境耦合規律進行了一系列研究[6-7], 驗證了城市化與生態環境交互耦合的雙指數變化規律, 提出耦合規律是動態的螺旋式上升過程, 初步構建了干旱區城市化與生態環境耦合理論。此后, 不少學者對干旱區具體城市與地區展開了更為豐富的研究, 陸媛媛等對寧夏自治區進行了城市化與生態環境耦合對比研究[8], 瑪伊熱姆古麗·依明等對南疆綠洲城市的城市化與生態環境耦合協調性進行了研究[9-11], 甚至也有學者以干旱的高原城市為例展開研究[12], 進一步完善了干旱區城市化與生態環境耦合理論。在中國南方的喀斯特高原, 城市與生態環境系統同樣脆弱, 近些年城市的發展速度領先中東部地區[13], 然而學者對喀斯特高原地區在快速城市化背景下的城市化與生態環境耦合研究關注較少[14-15], 且研究的時間尺度較短。以西南喀斯特高原城市——貴陽市為例, 構建起較為科學的指標體系, 試圖探求貴陽市快速城市化背景下與生態環境耦合協調的發展規律,并提出相關對策建議促進貴陽市生態文明建設。

2 區域與方法

2.1 研究區域

貴陽市是貴州省省會, 也是全省的政治、經濟、文化中心。貴陽屬于亞熱帶濕潤溫和型氣候, 座落在貴州省中部群山環繞的喀斯特盆地中。近年來隨著諸條高鐵線與高速路的修建, 貴陽市集聚資源要素的能力進一步加強, 經濟增長速度位居全國前列,城市化水平快速提高。然而貴陽市經濟總量偏小,經濟發展嚴重依賴于不可再生資源, 在經濟社會不斷發展的同時, 能源、原材料等物質消耗和生活垃圾、城市廢水、廢氣等排放物總量一直增長; 同時貴陽市屬于喀斯特高原城市, 地形封閉, 空氣污染物不易向外疏散; 平地少, 可利用土地不多; 水土易流失, 土壤涵養水源的能力差, 石漠化風險大,生態環境相對脆弱。貴陽市對生態環境的建設歷史欠賬多, 環保設施薄弱與資金投入不足, 因此, 制約貴陽市城市化與生態環境協調發展的一些長期性和深層次問題依然存在。

2.2 研究方法

研究數據包括城市化指標數據與生態環境指標數據, 原始數據來源于《貴陽市統計年鑒》(2000—2015)、《貴陽年鑒》(2000—2015)、《中國城市統計年鑒》(2000—2015)及《貴陽市環境狀況公報》(1999—2014), 《貴陽市水資源公報》(1999—2014), 部分數據經過處理與計算。

2.2.1 構建城市化與生態環境指標體系

城市化與生態環境通過相互作用形成復雜的系統, 結構復雜, 層次多樣, 具有多變量、多指標影響的特點。城市化系統內含了人口城市化、經濟城市化、社會城市化、空間城市化四個子系統, 生態環境系統內含了生態環境水平、生態環境壓力、生態環境保護三個子系統。在遵循簡單科學性、典型性、可獲取性等原則下[16], 構建起二級指標層共31個指標的較為科學的指標體系(表1)。

2.2.2 數據標準化處理

考慮到原始數據間量綱不同且指標間數量級存在明顯的差異, 因此首先要對原始數據進行標準化處理[17]。標準化過程如下:

公式中x′ij是標準化處理后的數據,xij為原數據,xmaxj和xminj分別為原數據的最大值和最小值。本文對數據標準化后產生的極值處理的方法是給予一個正的微小值。

2.2.3 指標權重計算

確定指標權重的方法有許多種, 本文采用客觀賦值的熵權法來確定權重, 熵權法確定權重的原則是: 指標數據的離散程度越大, 信息熵越小, 其提供的信息量越大, 則指標對綜合評價的影響越大,其權重也就越大[18]。一級指標層與二級指標層權重數據均在熵權法基礎上求得, 一級指標層權重均值為二級指標層各指標權重的平均值。熵權法具體方法如下:

(1)計算第j個指標下第i年份的指標值的比重Pij:

(2)計算第j個指標的熵值ej:

(3)計算第j個指標的熵權Wij:

表1 城市化與生態環境耦合的指標體系及權重Tab.1 The coupling indicator system and weights of urbanization and ecological environment

2.2.4 綜合指數計算

根據各指標的標準化值與權重, 加權求和計算城市化與生態環境的綜合指數。其計算公式為[19]:

Si表示綜合指數,x′ij為數據的標準化值。

2.2.5 協調發展度模型計算

為了明確地揭示出貴陽市城市化與生態環境之間的關系, 依據以下模型公式計算貴陽市城市化與生態環境的協調度與協調發展度[20]。

式中,k為協調系數,k≥2, 一般取k=2;C為協調度,是度量系統或系統內部要素之間在發展過程中彼此和諧一致的程度, 是協調狀況好壞程度的定量指標;T為城市化與生態環境綜合評價指數, 反映了兩者的整體效益與水平。α、β為待定權數, 由于城市化發展與生態環境發展同等重要, 故取0.5;D為協調發展度, 協調發展度D綜合了城市化與生態環境的協調狀況C以及兩者所處的發展層次T, 可以反映出城市化與生態環境的動態變化趨勢, 因此協調發展度模型具有更高的穩定性及更廣的適用范圍。

2.2.6 協調發展類型的判別

為了更好地說明城市化與生態環境耦合協調的程度, 對協調發展度等級進行劃分(見表2), 協調發展度越小, 等級越低; 協調發展度越高, 等級越高[21]。

表2 協調發展等級類型Tab.2 Types of coordinated development

3 結果與分析

3.1 城市化綜合指數變化特征

根據公式(6)計算出貴陽市城市化與生態環境綜合指數, 并制作成圖(見圖1), 如圖1所示, 自1999年以來, 貴陽市城市化綜合指數增長表現出穩定的上升趨勢。

從二級指標層角度進行分析: 第一, 在人口城市化子系統中, 在崗職工人數的權重最大(0.0601),說明就業人口的快速增長對貴陽市人口城市化的快速推進貢獻最大。遷入地的居民收入與就業可達性影響著人口的遷移[22], 貴陽市作為省域中心城市,每年新增數萬的在崗職工人數, 吸引著周邊鄉鎮及其他地級市人口遷入及就業。非農業人口比重權重最低(0.0305), 在研究時段 16年間非農業人口比重增長了 4%左右, 很大程度上表明農民市民化的步伐較慢, 貴陽市城鄉二元結構未發生根本改變。第二, 在經濟城市化子系統中, 權重最大的是社會固定資產投資總額(0.1274), 說明固定資產投資總額的快速增長是目前貴陽市經濟發展的最重要推動力。投資是拉動西部城市經濟增長的重要因素[23], 1999-2014年間貴陽市社會固定資產投資總額年均增長70%, 在經濟城市化過程中扮演著至關重要的角色。第三, 在空間城市化子系統中, 建成區面積的權重(0.0956)略大于道路面積(0.0938)的權重, 說明貴陽市建成區面積的擴張一定程度上與城市道路面積的擴展相適應, 在研究時段內貴陽市建成區面積擴大了2.3倍, 道路面積增長了3.5倍, 在交通條件改善的基礎上貴陽市土地城市化速度較快。第四, 在社會城市化子系統中, 職工平均工資權重最大(0.0768),權重值略大于其他指標, 以職工平均工資為例, 在研究時段內年均增長 14.7%, 幾項有關民生事業的指標數值在研究期內均有較大提高, 意味著貴陽市社會城市化步伐有序推進。

從一級指標層角度進行分析, 四個子系統權重均值從大到小依次為空間城市化、經濟城市化、社會城市化、人口城市化, 說明貴陽市經濟城市化與空間城市化對城市發展的貢獻較大, 而人口城市化的貢獻小且發展變化的步伐落后于其他城市化子系統。城市健康穩定的發展依賴于各城市化子系統的共同進步, 在四個子系統綜合作用下貴陽市城市化綜合指數呈穩定上升趨勢。

3.2 生態環境指數變化特征

3.2.1 生態環境各子系統變化特征

根據公式(6)計算生態環境各子系統綜合指數并制作成圖(見圖2), 由圖2所示, 貴陽市生態環境各子系統指數在研究時段內表現出不同的變化特征。第一, 生態環境水平指數呈類似 W 型的變化趨勢,1999-2006年間指數一直處于低水平徘徊狀態, 而此時段生態環境壓力指數與保護指數均處于較低的水平(圖2); 2007年是指數變化的節點, 從圖2可以發現在 2007年生態環境保護指數有了明顯的提高,2007年貴陽市通過生態文明城市總體規劃, 得益于對環境保護建設的重視, 生態環境水平有了較快的提高; 2008-2011年指數有所下降, 此時段降水量比常年平均水平偏低, 貴陽市人均水資源利用量從2008年的1544立方米下降到2011年的616立方米,此外二氧化氮年均值不斷上升(2008年為 0.023 mg·m–3, 2011 年為 0.03 mg·m–3); 2011-2014 年生態環境水平指數又轉變上升, 此時段貴陽市獲批建設全國生態文明示范城市, 對城市生態環境治理強度又逐漸加強。第二, 生態環境壓力指數表現為倒U型變化趨勢。1999—2008年間指數值緩慢增長, 說明污染物總量排放對生態環境的壓力逐漸下降; 2008—2011年壓力指數值保持較高的水平, 污染物排放總量在此時段較小; 2011—2014年間指數值有所下降, 說明此時段污染物排放總量有所增長, 城市化對生態環境的脅迫效應增強。第三, 生態環境保護指數呈現出曲折的上升趨勢。1999—2006年指數值處于低水平狀態, 說明該時段對生態環境治理的水平較低; 自 2007年起保持較高的水平, 但2008—2009年、2013年指數有所下降, 表明生態環境治理水平的不穩定性。

圖1 貴陽市城市化與生態環境綜合指數變化趨勢Fig.1 The trend of urbanization and ecological environment comprehensive index in Guiyang City

圖2 貴陽市生態環境各子系統變化趨勢Fig.2 Variation trend of each subsystem of the ecological environment in Guiyang City

3.2.2 生態環境綜合指數變化特征

從圖2可以發現在2008年以前生態環境水平指數變化與壓力指數、保護指數有著較好的同步性,說明在研究時段的前中期生態環境水平明顯受到其他子系統變動影響, 到后期生態環境水平指數的變化滯后于其他子系統的變化, 子系統之間演化的同步性較差。生態環境水平子系統在綜合評價指標體系中權重均值最大(0.0753), 結合圖 2可以發現在大部分年份生態環境水平子系統指數高于其他子系統指數, 說明生態環境水平子系統對生態環境綜合指數的提升影響最大。在三個子系統綜合作用下, 生態環境綜合指數總體上呈上升趨勢, 大致可以劃分為三個階段: 1999—2006年較低水平階段; 2007—2008年快速上升階段; 2009—2014年穩定高水平階段。

3.3 城市化與生態環境協調度與協調發展度變化特征

3.3.1 協調度變化特征

根據協調發展度模型計算出貴陽市城市化與生態環境協調度與協調發展度并制作成圖(見圖 3), 如圖3所示, 貴陽市城市化與生態環境的協調度演變過程表現出不同的兩個階段, 1999—2004年為快速上升階段, 城市化與生態環境兩大系統協調度由低到高快速上升, 協調程度迅速變好; 2005—2014年為高水平低波動階段, 經歷前期磨合作用后, 兩大系統耦合模式從 2005年起轉變為較穩定的成熟狀態,但受生態環境綜合指數個別年份的振蕩波動影響協調度有略微波動。

圖3 協調度與協調發展度變化趨勢Fig.3 Variation trend of coordination degree and coordinated development degree

3.3.2 協調發展度變化特征

貴陽市城市化與生態環境的協調發展度在研究時段內穩定上升(見圖 3), 表現為線形的增長趨勢(y=0.0498x+ 0.1343,R2= 0.9801)。根據協調發展度分類標準(表2), 將貴陽市協調發展度進行等級歸類(見表3)。

從表3可以發現貴陽市協調發展度介于0.1014—0.8903之間, 擁有從嚴重失調型至高度協調型所有等級類型, 為了更好地分析貴陽市城市化與生態環境耦合演變規律, 將貴陽市16年的協調發展度演化脈絡劃分為4大階段:

1)1999—2001年嚴重不協調階段。該階段城市化與生態環境協調發展度處于最低的水平, 保持在嚴重不協調階段。這個階段城市化綜合指數增長速度稍慢于生態環境綜合指數增長速度, 且指數值仍明顯低于生態環境綜合數值, 說明該階段城市化水平較低, 并未對生態環境造成嚴重的負面影響。

2)2002—2004年基本不協調階段。該時段城市化與生態環境協調發展度有所增加, 協調類型過渡至基本不協調類型。城市化綜合指數與生態環境綜合指數的差距有所縮小, 生態環境綜合指數有略微波動, 說明城市化發展的速度較快且對生態環境的脅迫作用加大。

3)2005—2011年基本協調階段。協調發展度在該階段快速增加, 協調類型轉變為基本協調類型。該時段城市化綜合指數與生態環境綜合指數之間的差距由小到大再縮小, 生態環境綜合數值的增長變化呈倒V型, 說明該階段城市化與生態環境的耦合狀態具有不穩定性, 城市化對生態環境既有促進作用也有負面影響。

4)2012—2014年高級協調階段。該時段城市協調發展度上升到較高的階段, 協調類型為高級協調類型。該時段城市化綜合指數開始超過生態環境綜合指數且差距逐漸擴大, 表明城市化快速發展的同時給生態環境帶來的促進作用有限。

表3 貴陽市城市化與生態環境協調發展度及協調類型Tab.3 The coordinated development degree between urbanization and eco-environment and coordination type in Guiyang City

4 結論

1) 自1999年以來, 貴陽市城市化綜合指數增長呈線性的上升趨勢。四個城市化子系統的共同發展支撐了城市化綜合水平的快速提升, 其中經濟城市化與空間城市化對城市發展的影響較大, 人口城市化對城市發展影響最小。在崗職工人數、社會固定資產投資總額、建成區面積、職工平均工資分別是對所在的子系統影響最大的因素。

2) 貴陽市生態環境水平指數呈W型變化趨勢,生態環境壓力指數表現為倒U型變化趨勢, 而生態環境保護指數呈現出曲折的上升趨勢。生態環境的三大子系統在研究時段前中期具有較好的變化同步性, 步入后期生態環境水平子系統滯后于其他子系統的變化。生態環境水平子系統對生態環境綜合系統影響最大, 在三大子系統綜合作用下生態環境綜合指數總體上呈上升趨勢。

3) 貴陽市城市化與生態環境的協調度演變過程分為兩個階段, 第一階段屬于快速上升階段, 第二階段屬于高水平低波動階段。城市化與生態環境的協調發展度演化表現為線形的增長趨勢, 可以將協調發展度演化脈絡劃分為 4個階段, 從嚴重不協調階段逐步進入高級協調階段。城市化與生態環境耦合協調性的增強依賴于兩大系統的共同作用, 只有二者綜合指數不斷提高, 耦合關系才會穩定增強。

5 討論

由于貴陽市與國內發達城市相比, 城市發展的各方面相對落后, 因此追求城市擴張與經濟發展就成為縮小差距的必要途徑, 而脆弱的高原生態環境與有限的資源難以承受城市化快速發展帶來的壓力,城市化與生態環境的協調發展將面臨嚴峻的挑戰。針對貴陽市城市化子系統發展速度不同與生態環境子系統變化的波動性, 未來應注重城市化質量與生態環境建設的穩定性, 促進城市化與生態環境的耦合協調。從城市化方面, 貴陽市要推進以人為本的新型城鎮化, 加快農民轉移人口市民化; 繼續優化產業結構, 發揮消費在經濟增長中的重要作用; 優化城市土地利用結構, 提高城市綠化覆蓋率, 加大對城市道路建設的投入; 加大對教育、衛生等公共事業的投入, 逐步提高居民收入水平。從生態環境方面, 要以建設生態城市為目標, 做好城市園林規劃與建設; 加強對大氣環境與水環境的監管, 削減各種污染物排放總量; 加大對環保投入, 提高企業環保技術水平, 提高資源利用效率。城市化與生態環境的耦合協調關系是隨時間不斷變化的過程, 從研究中發現在研究時段后期生態環境的綜合指數已滯后于城市化綜合指數且差距不斷擴大, 貴陽市在推進城市化進程的同時要繼續保持對生態環境的高度重視。此外, 生態環境是開放的復雜系統, 生態環境水平系統不僅受到保護子系統與壓力子系統的影響, 也受到外部區域環境變化的影響, 在研究中出現生態環境水平演化并未與其他子系統保持高度同步性的現象, 因此對喀斯特高原城市的城市化與生態環境耦合研究有待進一步深入。

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Coupling research on urbanization and ecological environment in Guiyang City

CAI Zhenrao, LI Yuhong, LI Xudong*
College of Geography and Environmental Science, Guizhou Normal University, Guiyang550001, China

With the rapid development of urbanization in Western China, the environmental problems of ecological fragile cities have been attracted more and more attention by domestic scholars.Setting up the urbanization and ecological environment index system of Guiyang, we analyzed the development trend of urbanization and ecological environment in Guiyang through the comprehensive index evaluation model, and revealed the evolution trajectory of the coupling coordination between urbanization and ecological environment in Guiyang by coordinated development degree model.The results showed that both the comprehensive index of urbanization and ecological environment showed an upward trend in Guiyang.The development of the two systems depended on the common progress of each subsystem and the different subsystem and index had different effects on the comprehensive evaluation system.The evolution of the coordination degree showed two different stages, and the evolution of the coordinated development degree showed a linear upward trend, entering into the advanced coordination stage from the serious uncoordinated stage step by step.The coupling relationship between the two systems will gradually increase no other than the two are jointly developed.

urbanization; ecological environment; coupling; coordination; Guiyang

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.05.025

S435.11, Q14

A

1008-8873(2017)05-196-08

蔡振饒, 李玉紅, 李旭東.貴陽市城市化與生態環境耦合研究[J].生態科學, 2017, 36(5): 196–203.

CAI Zhenrao, LI Yuhong, LI Xudong.Coupling research on urbanization and ecological environment in Guiyang City[J].Ecological Science, 2017, 36(5): 196–203.

2017-03-06;

2017-04-21

國家自然科學基金資助項目(41261039)

蔡振饒(1992—), 男, 碩士研究生, 主要從事人口與城市化研究, E-mail: 1532406016@qq.com

*通信作者: 李旭東(1969—), 男, 教授, 碩士生導師, 研究方向為人口與城市化, E-mail: