巖溶山區城鎮化進程與資源環境耦合協調關系的演變特征

劉貝貝， 何守陽，2

(1.貴州大學國土資源部喀斯特環境與地質災害重點實驗室，貴州貴陽 550025； 2.貴州大學資源與環境工程學院，貴州貴陽 550025)

城鎮化是伴隨工業化發展，非農產業在城鎮集聚、農村人口向城鎮集中的自然歷史過程，是人類社會發展的客觀趨勢，是國家現代化的重要標志，這一現代化必由之路很大程度上取決于城鎮化區域的資源環境基礎。城鎮化進程中的城市規模擴張、人口數量集聚增加、產業結構調整與優化引起的水土資源需求量增加加劇了人-地、人-水關系的矛盾；與此同時城鎮化進程中的土地利用變化、資源消耗、廢物排放等引起的環境污染也影響了城鎮化發展的質量，進而影響國家的現代化進程。資源環境是城鎮化發展的空間載體，兩者存在著既相互支撐又彼此制約的協作協調關系，局部地區城鎮化進程所面臨的資源環境問題已經凸顯[1-3]，兩者關系是否協調已成為影響城鎮發展水平質量與速度以及健康可持續發展的關鍵因素，如何認識、理順和構建兩者之間健康和可持續的耦合協調關系已成為城市管理者、研究者和城市居民關注的焦點。

國外有關城鎮化與資源環境關系的研究起步較早，在城鎮化與水資源[4-7]、土地資源[8-9]、生態環境[10-12]等之間的關系研究方面較為集中。Grossman等早在1995年就提出著名的環境庫茲涅茲曲線(environment kuznets curve，EKC)，并通過對42個國家的面板數據分析發現隨著城鎮化水平的不斷提高，生態環境質量存在倒“U”形的演變規律[10]；Meinzen-Dick 等分析了水資源對城鎮發展的約束作用，水資源量的供給和水污染物的處理對人類生活和環境質量產生較大影響，在城鎮化進程中應加強水質監測、廢水處理、水污染防治，并提高公民的水資源保護意識[4]；Wakode等以印度海得拉巴城市為例，采用GIS技術分析了城鎮化對地下水資源的影響，城鎮化進程中人類活動改變了地下水的自然補給方式，地下水資源量受到影響[6]；Jantz等利用土地覆蓋圖，結合城鎮化進程中的土地利用變化情況，對1990—2000年美國切薩皮克灣流域土地資源流失數據進行了測算與分析，分析結果顯示隨著城鎮化的快速發展，土地利用類型發生轉變，大量的林地、農田、濕地等自然資源被用于商業用地和住宅用地[8]；Portnov等通過對巴勒斯坦南部內蓋夫地區城鎮化進程的研究，認為城鎮化可以更有效地緩解生態環境壓力[12]。

國內學者關于城鎮化與資源環境耦合協調關系的研究在城鎮化與資源環境[13-14]、城鎮化與生態環境[15-18]、社會經濟與資源環境[19-21]等方面集中開展。Li等采用耦合協調度模型(CCDM)對2000—2008年中國連云港地區的城鎮化與資源環境耦合協調程度的動態變化進行了研究，結果表明在快速城鎮化進程中，城鎮化與環境的耦合協調動態呈“U”形曲線[22]；趙安周等分別通過構建城鎮化與資源環境的數量模型、遙感及GIS技術與VAR模型對城鎮化與資源環境的動態關系及耦合作用機制進行了實證研究，研究結果均表明城鎮化發展對資源環境產生脅迫作用，所產生的資源環境問題反過來對城鎮化發展產生約束效應[23-24]；段東平對城鎮化與資源環境的相互效應進行了研究，研究結果顯示城鎮化與資源環境耦合協調程度在2002—2003年處于良好協調階段，其余年份處于優質協調狀態，且水土資源不足于對西安的城鎮化進程構成約束[25]；張引等采用耦合分析法開展了重慶市新型城鎮化質量與生態環境承載力耦合協調度的時間序列特征及空間分異規律研究，提出以提高資源開發利用效率、轉移產業等方式增強城鎮化發展動力和生態環境承載力[15]；方創琳等對中國特大城市群的城鎮化與生態環境耦合關系進行了研究，并提出關于特大城市群的研究將成為未來近10年的趨勢[26]；劉耀彬等通過構建耦合度模型對徐州市近10年城市化與生態環境的耦合度進行分析，選用人工神經網絡中應用最為普遍的BP反饋模型來預測耦合度動態變化情況，并對耦合度值的類型進行劃分[27]；易武英等以貴陽市為例，運用模糊集對模型并結合耦合協調模型對喀斯特城市的社會經濟與水資源協調關系進行了實證探索，結果顯示社會經濟與水資源的耦合作用整體處于拮抗階段[20]；趙文亮等運用耦合協調度模型對中原經濟區經濟-社會-資源環境的耦合協調關系進行了評價，研究結果表明中原經濟區的社會經濟與資源環境的耦合作用一直處于拮抗階段，系統的耦合協調度整體呈穩步上升狀態，其空間分異的主導因素是社會經濟，資源環境對其影響不大[28]。

受到自然和區位條件、國家和地方政策以及區域經濟增長差異等多重因素影響，城鎮化路徑與模式在時間和空間上具有顯著的區域性、階段性和差異性特征，城鎮化進程與資源環境耦合協調關系也隨之呈現動態遞演特征。當前我國巖溶山區的城鎮化已經步入快速發展和轉型的關鍵時期，理清城鎮化進程與資源環境的相互制約及耦合協調關系，是巖溶山區城市可持續發展的關鍵基礎。本研究以貴州省貴陽市為例，利用熵值法、灰色關聯度分析和耦合協調模型等分析方法從長時間尺度上對巖溶山區城鎮化進程與資源環境的耦合機理與協調關系進行量化分析，以期識別與揭示兩者的耦合協調關系及其演變特征和規律，理清相互制約的耦合關系，為促進巖溶山區城市良性發展和管理、城鎮化方案制定與優化調整提供一定參考價值。

1 研究方法

1.1 數據來源及處理

本研究數據主要來源于歷年的《貴陽年鑒》《貴陽統計年鑒》《中國城市統計年鑒》《中國環境年鑒》《中國環境統計年鑒》《貴陽市水資源公報》《貴陽市環境狀況公報》及《貴陽市國民經濟與社會發展統計公報》等。為消除量綱和數量級不同帶來的影響，對原始數據進行標準化處理，將其轉化為0與1之間的無量綱數據，標準化處理公式如下：

正向指標(指標越大越好)：

(1)

負向指標(指標越小越好)：

(2)

對綜合指標體系進行評價過程中，需要對每一個元素變量進行權重賦值，指標的權重直接反映了該指標對所在系統的重要性。為避免引入決策者的主觀判斷，文獻常采用熵值法對數據進行權重計算[23]。計算步驟如下：

計算第i年第j項指標的權重：

(3)

計算第j項指標的熵值：

(4)

計算第j項指標的冗余度：

Dj=1-Ej。

(5)

計算第j項指標的權重：

(6)

式中：m為評價年數，n為評價指標數。

1.2 評價方法

本研究運用灰色關聯度模型、耦合協調模型對貴陽市城鎮化與資源環境的耦合關系進行計算與評價。

1.2.1 綜合指數計算 在評價指標的標準化值及權重值基礎上，對貴陽市的城鎮化系統及資源環境系統的綜合評價指數進行計算，公式如下：

(7)

式中：Ui表示第i個被評價對象的綜合水平得分。

1.2.2 灰色關聯度分析 灰色關聯度主要分析2個元素或多個系統之間的關系。為分析城鎮化與資源環境的相互關聯程度，采用數理統計的灰色關聯度模型，通過比較灰色關聯度的大小，對貴陽市城鎮化與資源環境兩系統之間的關系進行評價，計算方法：

(8)

(9)

表1 關聯度的劃分標準

1.2.3 耦合度及耦合協調度計算 城鎮化進程與資源環境耦合協調關系是典型的2個(或2個以上)系統或運動通過各種相互作用而彼此影響的現象。借鑒物理學中的容量耦合概念及容量耦合系數模型，采用耦合度模型來計算城鎮化與資源環境系統的耦合度[27]，計算公式如下：

(10)

式中：C為耦合度，C∈[0，1]。一般將其劃分為低水平耦合階段、拮抗階段、磨合階段、高水平耦合階段來反映城鎮化與資源環境耦合的程度。當C=0時，城鎮化與資源環境兩系統間處于無關狀態；當C=1時，系統耦合度達到最大值；C值越大，說明城鎮化與資源環境的耦合程度越高，反之越低。U1、U2分別表示城鎮化系統、資源環境系統的綜合指數。

耦合協調度可用來評價城鎮化系統與資源環境系統的協調發展水平，采用耦合協調度模型[29]來計算兩系統間的協調發展程度，其計算公式為

(11)

T=αU1+βU2。

(12)

式中：D為耦合協調度；T為城鎮化與資源環境系統的綜合調和指數；α、β為待定系數，由于城鎮化系統與資源環境系統同等重要，因此取α=β=1/2。對耦合度及耦合協調度進行等級劃分[27]，如表2所示。

1.3 指標體系的構建

城鎮化與資源環境之間存在著動態耦合的關系，從城鎮化與資源環境的內涵出發，遵循可操作性、科學性、層次性、數據可得性等原則[30]，并參考已有研究成果[23，31-34]，結合研究區城鎮化與資源環境特征與實際情況，從人口、社會、經濟、土地4個方面選取14個指標構建城鎮化指標體系，以反映貴陽市城鎮化綜合發展水平。從資源支撐、環境壓力和環境保護3個方面選取10個指標構建資源環境指標體系，以反映貴陽市資源承載力情況、人類活動對周圍環境的影響及人類在污染治理及環境保護方面的努力，并根據熵值法計算得出貴陽市近30年來城鎮化與資源環境綜合指標相應的權重(表3)。

表2 耦合度及耦合協調度劃分標準

表3 貴陽市城鎮化與資源環境綜合指標體系及權重(1990—2015年)

城鎮化系統中，人均地方財政收入和建成區面積的權重值較大，且均超過0.10；建成區綠化覆蓋率、人均公共綠地面積的權重值低于0.05；其他評價指標的權重值介于0.05～0.10 之間。資源環境系統中，生活垃圾清運量、年末實有耕地面積、全年用電總量、工業固體廢物產生量和森林覆蓋率的權重值超過0.10，全年供水總量的權重值低于0.05，其他評價指標的權重值均介于0.05～0.10之間。其中權重值相對較大的評價指標為影響力較大的因素，也是城鎮化與資源環境耦合協調關系演變的重要影響因子。

根據公式(7)至公式(12)的計算，得到貴陽市1990—2015年城鎮化與資源環境耦合協調度水平以及兩系統間的關聯度，如表4所示。

2 城鎮化進程與資源環境演變特征分析

城鎮化與資源環境之間存在著復雜又密切的聯系，兩者相互影響又相互制約。在城鎮化水平不斷提高的過程中， 資源環境綜合指數也會發生相應的變化，而資源環境亦可反過來制約城鎮化的發展。

表4 貴陽市城鎮化與資源環境關聯度及耦合協調度(1990—2015年)

2.1 城鎮化發展特征

貴陽市常住人口城鎮化率由1990年的43.91%增加到2015年的73.25%，近30年城鎮化水平提升了29.34%，依據諾瑟姆曲線[35]，1990—2012年貴陽市城鎮化發展處于加速階段，2012年城鎮化率突破70%，進入城鎮化發展的后期階段，如表5所示。

表5 貴陽市城鎮化率演變(1990—2015年)

注：數據資料來源于貴陽市第四次人口普查資料、貴陽市第五次人口普查資料、《貴陽年鑒》。

由圖1可知，總體來看，貴陽市近30年城鎮化系統綜合指數整體呈上升趨勢，城鎮化綜合指數從1990年的0.20上升到2015年的0.86，人口、經濟、社會和土地城鎮化水平均得到了大幅度的提升。人口城鎮化指數從0.07增加到0.12，城鎮人口從1990年的175.43萬人增加到2015年的338.55萬人；第三產業就業人口比重從23.86%增加到49.42%；全市人口密度從354.92人/km2增加到 574.61人/km2；非農業人口比重由66.51%增加到1995年的68.26%，1996年降低到研究時期內的最低值43.63%，于2015年增加到49.34%。經濟城鎮化指數代表了貴陽市的經濟發展水平，呈逐年遞增趨勢，且增長速率逐年加快，由1990年的0.002增至2015年的0.32，增長了159倍；人均GDP總值由2 155元增加到63 003元，增加了60 848元，增長了28.24倍；人均地方財政收入由445.13元增加到15 649.67元；城鎮常住居民人均可支配收入由 1 558元增加到27 241元；經濟結構不斷調整優化，第一產業比重略有下降，第二產業比重大幅下降，第三產業比重則快速上升，一二三產業在國民經濟中的比重進一步優化，由1990年的10.29 ∶58.09 ∶31.62不斷優化調整為2015年的 4.49 ∶38.34 ∶57.17。社會發展水平不斷提高，社會城鎮化指數從1990年的0.08提高到2015年度的0.25，每萬人大學生在校人數由67.87人增加到940.65人，城市居民人均消費性支出由1 361.00元增加到22 532.00元，每萬人擁有醫生數由46.00人降低到1996年貴陽市行政區劃調整后的23.69人，后增加到2015年的31.33人，人均道路面積由1990年的1.20 m2/人增加到2015年的7.81 m2/人。土地城鎮化指數由0.05增加到0.16，其中城市建成區面積由最初的85 km2擴張到2015年的 299 km2，擴張了約2.52倍；建成區綠化覆蓋率從29.40%增加到38.57%；人均公共綠地面積從1990年的15.80 m2減少到1996年貴陽市行政區劃調整后的 8.20 m2，后逐漸增加到2015年的10.95 m2。上述各指標數據來源于《中國城市統計年鑒(1991—2016年)》《貴陽年鑒(1991—2016年)》《貴陽統計年鑒(1999—2016年)》。

以1996年為時間節點，1996年前貴陽市城鎮化綜合指數保持在0.18左右，1996年因貴陽市出現行政區劃調整，城鎮化綜合指數突降至0.09，城鎮化系統中的人口、經濟、社會和土地城鎮化指數均受到行政區劃調整的影響(圖1)。1996年之前，貴陽市城鎮化發展以人口和社會城鎮化為主，人口和經濟城鎮化水平逐年遞增；社會和土地城鎮化呈現波動下降趨勢，1996年土地城鎮化降至歷史最低水平。1996年行政區劃調整后貴陽市城鎮化綜合指數逐年增加，由1996年的0.09增加到2003年的0.30，增長了2倍之多，這期間貴陽市的人口、經濟、社會和土地的城鎮化指數均出現逐年增長的態勢，且以基本相同的速度增長，表明貴陽市的城鎮化處于齊頭并進的快速發展態勢。2003—2012年期間，貴陽市在人口、經濟、社會和土地城鎮化方面處于快速發展階段，上述指標均出現快速增長特征，其中經濟城鎮化水平提升速度最快，其次為社會城鎮化，人口、經濟和社會城鎮化水平均高于土地城鎮化水平。2012年貴陽市城鎮化率超過70%，進入城鎮化后期發展階段，城鎮化綜合指數由2012年度的0.65躍增至2015年的0.86，經濟城鎮化水平在城鎮化系統中處于主導位置，說明經濟的快速發展對貴陽市城鎮化進程的加快貢獻較大并起到主導作用，其次為社會和土地城鎮化，而人口城鎮化明顯滯后于上述3個指標。從貴陽市近30年城市發展來看，城鎮化過程中的政策調整對城鎮化發展具有明顯的影響特征，如人口、產業結構以及行政區劃等政策調整均會對城鎮化水平產生制約和影響，可見城鎮化發展相關政策的制定、實施及不斷優化是一個城市發展水平不斷提升的關鍵。

2.2 資源消耗與環境演變特征

資源環境是城鎮化的基礎支撐，采用資源環境綜合指數表征貴陽市城鎮化進程的資源環境變化。由圖2可知，近30年來貴陽市資源環境綜合評價指數總體呈波動提升的趨勢，資源環境綜合指數從1990年的0.47提升到2015年的0.70。其中資源支撐指數從1990年的0.14增加到2015年的0.36，表明貴陽市城鎮化進程中資源需求與消耗日益增長，全年供水總量從14 289.00萬t增加到29 634.00萬t；全年用電總量從 404 812.20 萬kW·h增加到2 398 500.00萬kW·h；年末實有耕地面積由早期的109 khm2降到最低的 95.59 khm2，整體呈減少的趨勢；而森林覆蓋率則從14.50%增加到45.50%，增長了約2.14倍。環境保護指數由1990年的0.09增長到2015年的0.26，增長了1.89倍，表示城鎮化過程中的污染治理及環境保護能力與水平逐步提升，其中工業廢水達標排放率由58.36%增加到98.30%；工業固體廢物綜合利用率從43.26%增加到48.15%；生活垃圾清運量從51.90萬t增加到111.88萬t。而環境壓力指數為負向指標，指數越小表示環境壓力越大，貴陽市近30年環境壓力指數從1990年的 0.25 降低到2015年的0.08，表明城鎮化進程中存在環境壓力的風險，城鎮化進程中的污染排放量逐漸增加，其中工業固體廢棄物排放量從115.00萬t增加到1 200.95萬t，增長了近10倍；工業廢氣排放量從438.00億m3增加到 2 321.94億m3。上述各指標數據來源于《中國城市統計年鑒(1991—2016年)》《中國環境年鑒(1991—2016年)》《貴陽年鑒(1991—2016年)》《貴陽市環境狀況公報(2000—2015年)》《貴陽市水資源公報(2002—2015年)》。

貴陽市城鎮化進程中資源支撐、環境壓力和環境保護及其所構成的資源環境系統呈現階段性特征(圖2)。1990—1995年資源環境綜合指數波動上升階段，從1990年的0.47增長到1995年的0.53，整體呈現上升趨勢；資源支撐與環境保護水平逐漸上升，分別從0.14增長到0.22和0.09增長到0.11；而負向指標環境壓力指數緩慢下降，從0.25下降到0.20，表明城鎮化中的環境壓力趨增。1995—2005年為水平波動階段，資源環境綜合指數從1995年的0.53波動下降到2005年的0.46，整體呈波動下降趨勢，期間的行政區劃調整政策以及資源利用方式變化可能是資源環境指數經歷2次大波動的原因；但環境保護指數持續增加，從0.11增加到0.13，而環境壓力指數從0.20下降到0.16，城鎮化進程中的環境壓力持續增加。2005—2012年為穩步上升階段，在該階段資源環境綜合指數從2005年的0.46逐年上升到2012年的0.58；資源支撐指數與環境保護指數增加，分別由2005年的0.17增加到0.24和0.13增加到0.25；而環境壓力指數波動下降，從0.16下降到0.10，壓力趨增。2012—2015年為快速上升階段，資源環境綜合指數從2012年的0.58增長到2015年的0.70，而資源支撐指數明顯快速提升，從0.24增長到0.36，城鎮化的快速增長以資源的快速消耗為支撐；環境壓力指數依然保持下降趨勢，從0.10下降到0.08，城鎮化進程中的環境風險持續增加。

3 耦合協調關系及其演變分析

城鎮化系統與資源環境系統各要素之間存在著錯綜復雜的關系，系統之間也存在著較為復雜的耦合作用，兩者相互關聯、相互耦合。

3.1 關聯性分析

由城鎮化系統與資源環境系統各指標間灰色關聯度計算結果可知，兩者關聯度介于0.54～0.68之間，城鎮化進程中的關聯度呈現階段性特征(圖3)。1990—2001年間關聯度在0.54～0.63之間，兩者中度關聯，其中，1990—1993年期間關聯度有所下降，從0.60下降到的0.54，而1994—2001年城鎮化與資源環境關聯度逐漸提升，兩者關聯性不斷加強。2002—2008年兩者在中度-較強相關之間波動，2008年后關聯度指數出現下降特征，兩者回到中度關聯狀態。在關聯度演變過程中，關聯度越高，城鎮化綜合指數與資源環境綜合指數演變規律趨于相似。2003—2012年期間關聯度呈波動下降階段，城鎮化進程加快，城鎮化指數的增長速度快于資源環境指數的增長速度，相關性由較強相關退為中度相關。2012年城鎮化發展進入后期階段，城鎮化綜合指數與資源環境綜合指數均呈快速上升態勢，且演變規律趨于相似，關聯度快速上升并從2012年的0.57增長到2015年的0.67，由中度相關向較強相關邁進。因此，在追求城鎮化快速發展的同時，應注重資源環境質量的提高。

3.2 系統耦合度的時序演變分析

1990—2015年共計26年期間，貴陽市城鎮化與資源環境的耦合度值介于0.37～0.50之間，耦合度總體上呈上升趨勢，耦合狀態由拮抗向磨合階段演變，當前處于拮抗-磨合過渡階段。整個耦合度時序演變曲線呈先下降、后上升態勢，總體劃分為緩慢下降(1990—1996年)、快速上升(1996—2006年)、停滯不前(2006—2015年)3個階段(圖4)。

1990—1996年期間，貴陽市城鎮化與資源環境系統的耦合度呈緩慢下降狀態，早期城鎮化以粗放的資源消耗和經濟發展模式為主，其變化幅度由最初的0.46波動下降到1996年的0.37，1996年系統間耦合度大幅下降，出現歷史最低值，與城鎮化綜合指數的演變趨勢基本相似。1996年貴陽市行政區劃調整導致轄區面積增加，人口基數增大，致使城鎮化水平發生顯著變化，進而影響城鎮化與資源環境的耦合關系。1996之后耦合度呈快速上升趨勢，從1996年的0.37持續升高到2006年的0.50，城鎮化與資源環境耦合度達到歷史最高值，與這期間貴陽市實施的循環經濟建設密切相關，兩者耦合度逐漸趨于磨合階段。2006—2015年耦合度值基本維持在0.50左右，說明貴陽市城鎮化與資源環境的耦合度在向磨合階段過渡。近30年來貴陽市城鎮發展模式以粗放型為主，以資源開發為主，且對資源環境具有較大的影響，城鎮化發展對資源的依賴性較大，因此在貴陽市城鎮化發展過程中，協調好與資源環境的任務較為艱巨。

3.3 系統耦合協調度的時序演變分析

1990—2015年的近30年里，貴陽市城鎮化與資源環境系統的耦合協調狀態不斷優化，整體上呈上升趨勢，耦合協調度從1990年的0.39增長到2015年的0.62，城鎮化與資源環境耦合協調關系呈良性發展趨勢(圖5)，說明貴陽市城鎮化與資源環境的耦合協調程度處于中高度水平，城鎮化的發展模式與資源環境之間的相互影響較大。

耦合協調度在時序演變上呈現先下降、后上升趨勢，可以分為2個階段：波動下降階段(1990—1996年)、持續上升階段(1996—2015年)。1990—1996年期間，貴陽市城鎮化與資源環境系統耦合協調度的時序變化呈波動下降態勢，協調度由最初的0.39下降至1996年的0.31，耦合協調水平處于低度協調狀態。一定程度反映出貴陽市城鎮化發展初期，以資源和能源消耗、環境破壞為代價，資源環境的承載力不斷下降，城鎮化與資源環境系統的協調發展呈退化態勢。經歷1996年的行政區劃調整后，系統協調度逐年遞增，從1996年的0.31持續上升到2015年的0.62，耦合協調程度整體上呈優化態勢，對照耦合協調度的劃分標準，耦合協調水平由低度協調向高度協調演進。隨著城鎮化進程的加快，產業結構不斷升級，環境保護力度及國家對構建生態文明城市的力度日益加大，生態文明意識不斷增強是兩者耦合協調度逐漸增加的原因，貴陽市城鎮化與資源環境系統的耦合協調發展逐漸走向優質協調的狀態，但城鎮化與資源環境較高程度的協調發展空間潛力巨大。

4 結論

城鎮化與資源環境之間的協調發展是城市可持續發展的基礎，基于熵值法、灰色關聯度分析方法和耦合協調模型對貴陽市1990—2015年城鎮化與資源環境耦合協調關系的時序演變特征進行分析，主要結論如下：(1)貴陽市城鎮化進程不斷加快，城鎮化綜合指數整體呈上升趨勢，人口、經濟和土地城鎮化是推動城鎮化進程的主要驅動力。城鎮化進程中的資源消耗與污染物排放致使城市環境壓力和風險增加。(2)貴陽市城鎮化與資源環境系統間關聯度時序演變表現出階段性特征，關聯性整體由中度相關向較強相關轉變。兩者耦合度整體處于拮抗階段，并逐漸向磨合階段過渡。城鎮化與資源環境的耦合協調度由低度協調向高度協調演進，城鎮化進程中的行政區劃、產業結構以及政策的調整是兩者耦合協調關系的致變因素。