長江經濟帶城市化與生態環境耦合、協調特征及時空演化規律研究

路 娟1,張 勇

(1.香港大學 經濟工商管理學院，香港 999077；2.僑城咨詢(深圳)有限公司，深圳 518033)

經濟新常態下，長江經濟帶作為區域開放開發戰略的重要組成部分，具有推動國內東西合作、協調發展和沿江經濟帶全面對內開放的重要作用。隨著我國快速的城市化，長江經濟帶區域同樣經歷了人口向城市集聚、城市人口迅速擴張和加速流動以及區域內社會經濟不斷發展的過程。然而，由于歷史和現實原因，該區域同樣面臨森林資源縮減，水污染、大氣污染日益嚴重，生態環境日趨下降等困境，不斷推進的城市化趨勢必然對生態、資源、環境的要求和壓力越來越大。如何協調兩者之間的關系，將對區域整體未來的人口集聚、產業布局、經濟結構調整、生態保護和資源利用等產生至關重要的影響，同時對解決區域發展不平衡、實現優勢互補和一體化發展也具有重要的理論和現實啟迪意義。

既有對區域城市化和生態環境耦合度與協調度研究的重點主要集中在兩者耦合關系的理論探究和耦合度、協調度類型的定量測度兩個方面。關于兩者耦合關系的理論探討認為，城市化發展對生態環境造成影響，城市化的迅速擴張對綠地和耕地造成了壓力，使生態環境的外圍在不斷縮小[1]；而城市化發展相較于農業發展來說，同樣可以有效地緩解生態環境的惡化趨勢[2]。國內學者還分別從協同論的視角對城市化與生態環境的耦合關系進行分析，并用城市化發展的S型增長理論解釋了兩者之間的非線性關系[3]；也有人從生態環境脆弱性出發，關注城市化與生態環境耦合脆弱性的發展趨勢[4]。在耦合度與協調度定量測度上，學者們分別利用了雙指數曲線模型對河西走廊干旱區、系統耦合度模型對洞庭湖區域、交互耦合理論對京津冀地區的城市化與生態環境耦合度及協調度進行了測度與劃分[5-7]，也有學者對城市化與生態環境耦合度及協調度的動態演化規律進行了研究，其建立的指標體系及研究結果可以為未來的研究提供一定的參考[8-9]。

綜上，關于城市化與生態環境耦合、協調關系理論研究的重點在于城市化對生態環境的脅迫效應，較少涉及生態環境對城市化的約束效應；研究方法上，缺少采用空間計量方法對其空間集聚特征及其演化規律進行分析。本文在既有研究基礎上進一步創新之處在于：一是研究視角，聚焦于國家重大戰略區域之一的長江經濟帶，以長江經濟帶沿江11個省市、120個地級市為研究單元，從研究視角上把握了區域和時代熱點；二是研究思路上，既研究了城市化對生態環境的脅迫效應，又研究了生態環境對城市化的約束效應，是一種雙向交互耦合關系；三是研究方法上，采用ArcGIS 10.2空間計量軟件對耦合度、協調度的空間分布、集聚特征和時空演化規律進行了計量分析，更加科學客觀地研究了長江經濟帶的耦合度與協調度。

一 理論分析與模型構建

(一)城市化與生態環境交互藕和關系

城市化是一個復雜、綜合過程，不僅包括人口遷移引起的人口集中、要素流動和產業轉型，更包括農業生產景觀改變、日常生活方式變化和社會文化變遷等內涵。因而，城市化是一個涉及到人口、地域空間、經濟和社會文化等在內的多因素的綜合發展過程。生態環境則是各種與生物體進行交互作用和能量轉化的自然因子的集合，至少包括兩個方面：一是人類賴以生存的自然環境，包括水、大氣、土地、森林等資源和能源；二是對人類有利或不利的生態因子[10]。隨著城市化所表現出來的城市人口不斷積聚、城市用地不斷擴大、城市產業轉型升級、城市生活文化擴散等，都無時無刻不與生態環境進行物質與能量的交換，無時無刻不受生態環境的制約[4]。

耦合度源于物理學容量耦合的概念，主要是指兩個或兩個以上的系統之間，通過自身或與外界的不斷交互作用而彼此影響以達到一定協同水平的現象。城市化與生態環境交互耦合具體表現在兩方面：一方面，城市化通過人口集聚、城市擴張、產業集中等會對生態環境產生脅迫和影響，而生態環境通過能源限制、環境污染、生態破壞等限制和約束城市化發展。從城市化對生態環境的脅迫和影響來看，城市人口不斷增加、城市用地擴張等，直接給土地資源和城市生態環境帶來巨大壓力；城市生活方式和消費結構改變、產業規模集聚等，加大了對能源資源的獲取、污染物的排放與生態吸納能力的要求。從生態環境對城市化的限制和約束來看，資源與能源的有限性從某種程度上遏制了城市化的不斷擴張，而生態環境與自然資源的承載力不足以支撐城市化發展要求時，就會造成城市病的出現以及生態破壞與環境污染，從而造成城市化的被迫減緩或調整。另一方面，城市化會不斷形成對生態環境的反饋與調節，而生態環境會不斷地再次與城市化磨合與協調。從城市化對生態環境的反饋與調節來看，當城市化受制于生態環境時，城市化的進程會不斷改變人們的生產生活方式，加大對環境的治理力度和優化能源的利用效率，對生態環境的限制和約束形成一定的反饋路徑。從生態環境與城市化的磨合與協調來看，隨著生態環境壓力的減小，城市化會突破原有生態環境的制約而進一步發展。城市化的這種反饋機制會不斷地促進生態環境趨于好轉，伴隨著不斷調整優化的生態環境，城市化同樣會不斷再調整、再優化，從而達到新的協調階段。

為了進一步反映城市化與生態環境的協調性與均衡性，在耦合度的基礎上衍生了協調性這一概念，也可稱為耦合協調度。為了全面系統的反映城市化與生態環境的整體關系，應該從不同的截面角度，全面評價二者的耦合協調發展關系。

(二)城市化與生態環境耦合度、耦合協調度測度模型

耦合度理論在人口集聚與經濟耦合、產業集聚與經濟耦合、災害發生與貧困耦合、經濟與環境污染耦合等領域研究中有著廣泛應用[11-14]。本文在城市化與生態環境耦合理論分析與文獻調研基礎上構建耦合度與耦合協調度①測度模型[3-4][7]。其基本公式如下：

C={UUrb·UEco/([UUrb+UEco]/2}1/2

(1)

其中，C為耦合度，UUrb、UEco分別為城市化和生態環境綜合功效。Uurb與UEco的值介于[0-1]之間②，因而耦合度C的大小也應在[0-1]之間。當C=0時，其耦合度最低，各要素之間無關聯且處于無序發展狀態。當C=1時，其耦合度最大，各要素之間達到良性共振。結合文獻[4-5]和實際情況，本文將耦合度劃分為5個等級：0

耦合度雖然能反映城市化與生態環境的作用強度和時序區間，但單純的耦合度會因指標取值以及各地區城市化和生態環境的動態交錯與不平衡性等而導致偏誤，會出現城市化和生態環境水平完全不同的兩個地區耦合度一致的情況，很難真實地反映不同地區的實際水平，失去指導意義。因此，需要進一步借助協調度來反映城市化與生態環境的協調性與均衡性：

T=αUUrb+βUEco(3)

其中，D為協調度，綜合調和指數為T，城市化與生態環境的貢獻額分別為α和β，設定為1/2(本文假定同等重要)。根據王少劍[7]等的劃分標準，結合耦合度的分類等級，將協調度劃分為3大類、5亞類和15個等級(詳見表1)。

表1.耦合協調度類型劃分標準及類型

(三)城市化與生態環境耦合度、耦合協調度空間集聚模型

本文采用反映整體空間自相關的全域Moran′sI和反映局部空間聚集和變異特征的局域Moran′sI散點圖、LISA聚類圖和Getis—Ord’Gi*熱點圖分析耦合度與協調度的空間分布特征③。而由于研究地級單元閾值范圍相近，故采用鄰接空間權重矩陣。局域Moran′sI散點圖刻畫了耦合度(或協調度)及其空間滯后項的關系，將不同地區分為高高(H-H第一象限)、高低(H-L第二象限)、低低(L-L第三象限)、低高(L-H第四象限)四種類型。LISA集聚圖可以清楚地反映出耦合度(協調度)的空間聚類和異常值分布情況。熱點分析反映耦合度(協調度)高高集聚和低低集聚的“熱點區域”和“冷點區域”。

二 數據來源、指標選取與實證分析

(一)數據來源

本文數據主要來源于研究區域各省市統計年鑒(2008、2011、2015)、中國城市統計年鑒(2008、2011、2015)、中國環境統計年鑒(2008、2011、2015)，部分數據來自于各省市水資源公報、各地級市國民經濟和社會發展統計公報、各地級市環境質量公報、各地級市固體廢物污染環境防治信息的報告(2007、2011、2015)。

(二)指標構建與權重確定

為更準確地反映城市化和生態環境的內涵和兩者的交互關系，通過理論分析，借鑒已有文獻選取本文指標[4-8]，最終選取包括人口、空間、經濟和社會城市化在內的4個反映城市化的一級指標，同時選取包括資源要素、生態要素、生態壓力和生態響應在內的4個反映生態環境的一級指標。考慮到數據可獲得性，基于系統的整體性和層次性等原則，選取了包括人均GDP、城市人口密度、人均工業廢水排放量以及人均綠地面積等在內的26個基礎指標。對正負不同類型的指標采取極差標準化方法以消除量綱影響，利用熵值法對各指標賦權重。熵值法是一種客觀賦權法，該方法根據各項指標觀測值所提供的信息的大小來確定權重，避免了人為因素所帶來的偏差，相對較客觀④。具體指標體系及權重如表2所示。

表2.指標體系及權重

三 結果分析

本文對11個省市的120個地級市2007—2015年耦合度與協調度進行了測算，并根據對耦合度和協調度的劃分標準做以下分析。

(一)長江經濟帶城市化與生態環境耦合度空間格局及演變規律

1．耦合度空間分布與演變

(1)2007年，區域耦合度整體水平較低，最低為巴中市，值僅為0.3425，處于拮抗耦合階段；絕大多數地級單元處于磨合耦合階段。在空間分布上(圖1-a到圖1-c顯示)，耦合度呈現明顯“普遍偏低”的特征，相對較高的地區主要分布在“長三角”區域。(2)2011年，該區域已經擺脫了低水平耦合和拮抗耦合階段。空間分布上，耦合度呈現明顯的“兩極高、外圍低”特征，“長三角”下游經濟圈和以湖北、湖南為中心的中游經濟圈呈現出極高的耦合度，而外圍地區的耦合度則相對較低，尤其是西部云貴高原和川南等地區仍舊處于磨合耦合階段。(3)2015年，耦合度整體水平處于較高耦合階段，極高耦合階段的地區在不斷增加。空間分布上(圖1-a到圖1-c顯示)，耦合度呈現嚴重的“東中部高、西部低”的不平衡特征，而在西部的黔北地區耦合度出現明顯的提升。

2.耦合度空間集聚與演變

2007、2011、2015年耦合度的全域莫蘭值⑤分別為0.5282(P=0.000<0.01)、0.4456(P=0.000<0.01)、0.3093(P=0.000<0.01)。表明區域整體耦合度呈現明顯的空間自相關，但耦合度的空間自相關水平呈現下降趨勢，說明耦合度的空間集聚效應在下降。由于區域內部不同地區同質性和異質性的差異，需要再對局域Moran’s I和LISA聚類圖進行分析。

圖1-a到圖1-c給的局域莫蘭散點圖對不同地級單元空間集聚類型的劃分顯示，時間上，2007—2015年，絕大多數地級單元處于高高(H-H)和低低(L-L)聚類，說明區域內部不同地區的異質性較強。其中，落在第一象限的地區沒有發生大的變化，基本集中在“蘇浙滬皖”四省市；而落在第四象限的地級單元則在不斷增加，主要以“川東北”和云南為主進一步發展到湖南和江西等地區⑥。

圖2-a.2007年耦合度LISA集聚圖

圖2-b.2011年耦合度LISA集聚圖

圖2-c.2015年耦合度LISA集聚圖

圖2顯著性檢驗的LISA集聚圖以及數據顯示，空間上，耦合度的異質性主要體現在東西部之間，東部包括“蘇浙滬”一帶呈現明顯的“高高聚類”，西部包括“川滇”呈現“低低聚類”的特征，而以湖北和湖南為中心的東部呈現“低高”(L-H)聚類、西部呈現“高低”(H-L)聚類的特征，這與該區域相較于東部耦合度低、相較于西部耦合度高的現實相一致，也反映了長江經濟帶城市化與生態環境耦合度在上游、中游和下游經濟圈的地區差異。

(二)長江經濟帶城市化與生態環境協調度空間格局及演變規律

依據表1對2007、2011、2015年長江經濟帶各地級單元協調度進行測度與分類。

1.協調度空間分布及演變

(1)2007年，區域整體協調度水平較低，嚴重不協調單元占總體的27.5%，且基本屬于城市化滯后型，同2007年整體耦合度偏低相對應。空間分布上，協調度呈現“東高西低—階梯下降”的特征，說明區域內部協調度的差異性十分明顯。協調類型上，下游經濟圈表現為同步滯后型，中游和上游經濟圈表現為城市化滯后型(重慶除外)。原因在于上游經濟圈城市化相對落后，成為了制約該區域協調度的主要因素，下游經濟圈的城市化水平相對較高，協調度主要受到城市化與生態環境的同步性、適應性影響。

(2)2011年，區域整體協調度有所提升，嚴重不協調地區僅為云南楚雄州，其余地區協調度均處于0.3-0.8之間。空間分布上，2011年協調度開始呈現出“二分格局”，但以“云貴川”為核心的上游經濟圈隨著城市化水平的不斷提升，協調度有所提升；而下游經濟圈在生態環境的反饋機制下，協調度有所提升，但生態環境的制約效應開始顯現，表明下游經濟圈的城市化發展速度明顯有超越生態環境承載力范圍的趨勢。

(3)2015年，無論從城市化受阻、生態環境受阻還是兩者同步受阻看，區域協調度均在0.3以上，協調度均值為0.4992，高于2011年的0.4610，并且處于環境受阻的地區在不斷增加，這說明生態環境越來越成為制約協調度的重要因素。空間分布上，2015年，協調度逐漸由“二分格局”向“分散化”特征演變，尤其是在“蘇皖”和“江浙滬”一帶，以基本協調同步受阻和生態環境受阻為主，除重慶外的其他區域則是城市化受阻和同步受阻的散狀格局，主要以基本協調和不協調城市化受阻為主。

2.協調度空間集聚與演變

圖3-a.2007年協調度熱點分布圖

圖3-b.2011年協調度熱點分布圖

圖3-c.2015年協調度熱點分布圖

2007、2011、2015年協調度全域莫蘭值分別為0.4973(P=0.000<0.01)、0.3627(P=0.000<0.01)、0.3247(P=0.000<0.01)。時間上，協調度的空間依賴程度在下降，空間集聚狀況在向分散化發展，但是協調度的空間相關性仍舊存在。圖3-a到圖3-c的局域空間集聚熱點圖顯示：空間上，2007年，協調度集聚狀況基本與耦合度集聚狀況在空間分布上呈重合狀態，形成了東部“蘇浙皖熱點區”和西部“川東北冷點區”。這一狀況說明耦合度較高的地區其內部的系統協調度也相對較高，印證了城市化與生態環境內在交互耦合狀態較高水平的合理性，這也與地區之間的現實差異相一致。時間上，協調度的空間集聚同樣呈現出“零星狀”的分布，2011、2015年的冷點區域開始擴散，熱點區域也出現分散。這說明了隨著區域整體的發展，區域內部上、中、下游經濟圈的城市化與生態環境的差異性在不斷減弱，區域整體不平衡性在緩解，區域內部整體協調度水平在提升。這一點通過區域協調類型分布圖的演化也可以得到印證。

(三)長江經濟帶城市化與生態環境耦合度與協調度演化規律

城市化與生態環境耦合度與協調度的演化是由兩大系統要素相互作用驅動的。在城市化和生態環境不同要素權重測度和兩者交互耦合理論的基礎上，經濟城市化(0.3664)、社會城市化(0.3992)和資源要素(0.6202)、生態要素(0.2796)(見表2)條件起著更為突出的作用。

1．經濟與社會城市化初始水平,發展速度決定耦合度、協調度分布特點與演變軌跡

從區域整體看，2007—2015年，區域平均人均GDP、人均財政收入以及人均固定資產投資的年平均增長率分別為21.62%、25.17%、37.92%⑧。這表明：推動區域耦合度與協調度不斷提升的主要動力之一是快速的經濟城市化發展，而社會城市化隨著經濟城市化的發展，也表現出同樣的發展趨勢。從地區差異看，表3及表4顯示，下游經濟圈明顯優于中游和上游經濟圈，三大經濟圈在經濟發展水平和社會基礎建設及城市文化上的差異直接導致了城市化水平與生態環境耦合度與協調度水平的高低，一定程度上造成了耦合度與協調度的空間分異特征與空間集聚格局。而從發展趨勢來看，中游和上游經濟圈的發展速度要明顯快于下游經濟圈，這對于區域整體在縮小城市化和生態環境耦合度與協調度不平衡性和地區差異上有顯著影響，這也是耦合度和協調度全域空間相關性下降、地理集中效應放緩的原因之一。

2.資源和生態要素條件從限制、約束到反饋、調節推動耦合度及協調度發展

表3.2007、2011、2015年省一級耦合度及協調度

表4.不同區域經濟城市化及資源、生態要素條件

長江經濟帶橫跨我國“三級階梯”地形分布，資源要素的同構性與生態要素的整體性會呈現明顯地域差異。表3及表4顯示，由于2007年上游經濟圈資源要素和生態要素水平相對較高，城市化發展水平相對較低，因而對生態環境的脅迫作用并不明顯，區域的耦合度整體不高，協調度基本處于嚴重不協調類型中的城市化發展滯后型；中游相較于上游，耦合度水平較為提高，協調度類型相同；下游由于其資源要素、生態要素條件以及城市化水平高于中游和上游，因而耦合度高于上游和中游，處于磨合偶和階段，但協調度也不高，且表現為城市化和生態環境同步滯后。從時間上看，2007年到2015年，區域整體的資源要素和生態要素條件在緩慢中逐步提升，對應于不斷提升的城市化水平，兩者的耦合度與協調度也隨著不斷提高；但由于生態環境優化速度低于城市化發展速度，導致城市化對生態環境的壓迫在逐漸增大，而在生態環境的反饋機制未能充分發揮作用下，不協調中生態環境滯后類型的區域明顯增多，且集中在下游經濟圈。

五 結論與啟示

本文通過構建長江經濟帶城市化與生態環境耦合度與協調度測度模型，對其時空特征與演化規律進行研究，得出如下結論。

第一，長江經濟帶城市化與生態環境整體耦合度水平較高，空間分布上呈現“普遍低水平”到“兩極高、外圍低”再到“東中部高、西部低”的分布特點，并且其空間集聚特征明顯，集聚類型形成了東部“高高集聚”和西部“低低集聚”兩極分化的格局。這反映出區域通過“以點帶線、以線帶面”的漸進式發展方式，可以實現城市化與生態環境的相互推動和促進，最終形成“高高集聚”的熱點區域，而“低低集聚”的冷點區域則亟待找到合適路徑以實現城市化與生態環境整體耦合度的提升。

第二，長江經濟帶城市化與生態環境整體協調度水平不高，空間分布表現為由“東高西低—階梯下降”到“二分格局”再到“分散化”的分布變化，協調度空間集聚類型由“東部熱點”和“西部冷點”兩極分化到“零星狀”分布演化，區域內部的協調度差異性和不平衡性在降低。一定程度上可以說明，長江經濟帶內部由于經濟發展差距，導致區域市場分割、產業關聯度不高，生態環境對城市化的推動和促進作用有待提升，區域內部亟待通過統一大市場構建、產業跨區域互動及城市化水平的提升來實現協調發展。

第三，演化規律上，經濟城市化、社會城市化以及資源要素條件和生態要素條件成為主要動力因素。城市化與生態環境的耦合度與協調度隨著系統的脅迫、影響——限制、約束——反饋、調節——磨合、協調而不斷向優化階段演進。從整體來看，長江經濟帶隨著經濟發展和城市化水平提升，經濟體量、城市化水平及產業空間存在擴散現象，更容易導致城市化與生態環境的協同推進，從而實現耦合度與協調度的不斷優化。

第四，在打造長江經濟帶區域一體化發展過程中，需要充分考慮各地區城市化水平以及生態環境現狀，突出各區域優勢。從下游經濟圈來看，東部城市化發展速度過快，有超越資源環境承受能力的趨勢，存在城市化發展與生態環境保護不夠協調，可能存在“攤大餅”的粗放方式以及對資源環境的破壞。從中上游經濟圈來講，則存在城市化受阻現象，人口、資金外流可能是城市化的阻力，土地城市化速度高于人口城市化速度，城市化表現出明顯的低質量，城市化發展質量不高，生態環境對城市化的促進不夠，優質產業、人口、資金等要素集聚程度有待提升。

因此，首先，上游經濟以城市化發展為主，充分挖掘區域價值，提升區域整體經濟水平，打造以重慶、成都為雙引擎的成渝經濟圈，強化其在長江經濟帶的地位和作用，充分融入長江經濟帶，力爭成為區域重要增長極，通過協調人口分布、產業分布與生態環境保護，提升耦合度和協調度。其次，中游通過依托長江水路的天然優勢，加快承接全球及東部產業轉移，聚焦產業高附加值、高利潤環節實現產業轉型升級，充分做好上游與下游產業的銜接，推動衛星城、小城鎮發展，實現人口向外圍空間分散化、組團式集聚，推進城市化與生態同步發展。再次，下游要防止“攤大餅”的粗放發展方式，防止人口盲目集中，適度控制特大城市人口規模和人口遷移速度，提高土地空間利用效率，緩解資源環境承受能力的突出問題，有序引導產業向中上游優勢地區轉移，聚集信息產業、未來產業和金融產業等新興產業和龍頭企業，形成全球高端產業與高端技術的集聚，從而提高長江經濟帶整體競爭力。最后，建議深入開發長江航路及長江水運優勢，打通阻礙區域經濟協同發展和產業要素自由流動的體制機制障礙，建立統一長江經濟帶大市場、共同體，發揮長三角州城市群、長江中游城市群和成渝城市群的引領作用，提升區域整體發展水平，促進城市化與生態環境協調發展。

注釋：

①為表述清晰，下文將耦合協調度簡稱為“協調度”。

②在指標體系標準化基礎上對系統綜合功效進行計算。

③由于篇幅限制，文中未給出全域Moran′s I和局域Moran′s I和LISA值的計算公式。

⑤⑦由于篇幅原因限制，本文未給出Moran’s I和局域Moran’s I公式及計算過程。

⑥由于篇幅限制，未給出莫蘭散點圖對應的地級單元。

⑧城市GDP、財政收入、固定資產投資以及人口等原始數據來源于《中國城市統計年鑒》，年平均增長率由各年增長率幾何平均計算得出。