漢江生態經濟帶城鎮化與生態環境耦合協調發展時空格局

方永恒,劉佳敏

(西安建筑科技大學 公共管理學院，陜西 西安 710055)

城鎮化系統與生態環境系統作為人地關系中的關鍵子系統，彼此之間的發展存在高度的關聯作用.2018年11月，國務院批復的《漢江生態經濟帶發展規劃》中將協調漢江生態經濟帶區域經濟與生態環境的可持續發展上升為國家重大戰略，意味著漢江生態經濟帶不僅是生態環境保護的敏感區，也是新型城鎮化發展的重點戰略區，作為中西部地區重要的生態屏障，維護生物多樣性、強化水生態系統修復是其主體功能.但是，在國家加快新型城鎮化建設要求下，漢江生態經濟帶流域生態功能的維系與資源開發、加速工業經濟增長之間的矛盾沖突愈演愈烈.漢江地區的生物多樣性持續降低,人地關系矛盾更加突出, 嚴重影響經濟社會的和諧發展[1].如何兼顧“綠水青山”與“金山銀山”的發展已成為漢江生態經濟帶亟需破解的難題之一.因此，探究漢江生態經濟帶生態環境保護與經濟發展的協調問題，是打造生態廊道，實現生態、經濟、社會協調發展的重要基礎.對生態經濟帶區域城市的城鎮化建設水平與生態環境質量的耦合協調時空演化規律進行專題研究具有重要的理論價值和應用價值.

國外學者為破解城市經濟發展與生態環境保護之間的硬“約束”，多從測量方法、作用機理等方面探究城鎮化與生態環境系統之間的關系.早在19世紀初期，Robert Owen和E·Howard[2]就基于生態環境治理理論闡述了城市化發展與生態環境協調之間的關系，提出的“田園城市”理念為后續研究奠定堅實基礎.20世紀以來，學者們對于城鎮化與生態環境關系的研究愈加體系化與科學化.OECD同UNEP[3]基于人類活動與環境關系的框架體系，提出測量環境指標的“壓力—狀態—響應”概念模型.Grossman等[4]發現城市生態環境隨著城市經濟水平的提高，會呈現出倒“U”型的演變規律，因而提出著名的“環境庫茲涅茨”曲線(Environmental Kuznets Curve，EKC)假設.此外，OECD[5]提出的“脫鉤理論”認為，隨著社會經濟發展進程的不斷推進，經濟增長與環境壓力之間可能會出現背向發展的趨勢.而國內學者關于城鎮化與生態環境的研究，伴隨著20世紀末期“可持續發展”理念的提出而展開，學者們在社會生態學的基礎上，利用多種計量模型對多地區進行實證分析.具有典型代表的是馬世駿[6]等學者提出的“社會—經濟—自然”復合生態系統理論，為我國開展城鎮化-生態環境關系的相關研究奠定基礎.21世紀初，方創琳團隊[7]通過研究分析城市化與生態環境系統之間交互耦合的作用機制問題、提出耦合系統運行的基本定律、演化主要階段等內容[8]，極大地豐富與推進了我國在此相關領域的研究.隨后，學者們在相關理論研究基礎上，利用系統動力學模型[9]、耦合協調度模型[10]等定量方法與定性研究[11]辨析城鎮化與生態環境系統發展之間的協調規律、作用機制等.并且研究多通過選取差異化樣本，呈現出從理論到實證、靜態到動態的演變趨勢，包括對西北地區[12]、中東部地區[13]、黃河三角洲地區[14]以及長江流域[15]等區域城鎮化與生態環境之間的協調關系進行實證探討，基本涵蓋我國縣、市、省和城市群等多地域尺度.

縱觀國內外學者對于城鎮化與生態環境關系的研究，現有成果為探究如何實現城鎮化與生態環境的良性互動與協調發展提供借鑒.但依然存在一些不足：從研究視角來看，多關注城鎮化與生態環境耦合協調發展關系，對于綜合測度地域之間的協調耦合與區域空間格局差異的研究還較為薄弱.從研究尺度來看，大多基于全國范圍、省域尺度或城市群，涉及長江經濟帶、珠三角區域、黃河流域以及京津冀等重大戰略區域的發展，但是對于國家重大戰略發展規劃的漢江生態經濟帶流域的研究相對不足.從研究內容來看，主要探析某區域整體城鎮化與生態環境系統的發展問題，對比較不同地域之間城鎮化與生態環境系統的耦合協調的空間格局、演化特征的研究分析相對不足.

基于此，以漢江生態經濟帶為研究區域，通過指標篩選構建出漢江生態經濟帶城鎮化與生態環境耦合協調發展的評價模型，繼而將耦合協調度作為統計量，利用空間分析軟件ArcGIS、GeoDa從時間維度、空間維度兩方面探究2009-2017年漢江生態經濟帶城鎮化與生態環境系統的耦合協調關系的時空特征與空間集聚效應，厘清二者之間的作用機理與演變趨勢.為有效緩解漢江生態經濟帶城鎮化與生態環境發展的矛盾沖突、流域城市的社會經濟可持續發展提供借鑒與參考.

1 研究區概況

漢江全長1 577 km，發源于陜西省境秦嶺南麓，流經陜西、湖北兩省，在武漢市最終匯入長江.漢江流域是長江最大的支流，曾是我國西部高原地區進至中部、東部的五大走廊之一，現如今已成為連接長江經濟帶與“一帶一路”的重要戰略通道.2018年11月國務院批復《漢江生態經濟帶發展規劃》，規劃中指出合理開發、科學利用漢江流域內的生態與經濟資源，對于促進我國中部崛起與西部開發，推動區域協調可持續發展具有重大戰略意義，明確指出漢江生態經濟帶的戰略定位為“國家戰略水資源保障區”“內河流域保護開發示范區”“中西部聯動發展試驗區”與“長江流域綠色發展先行區”[16]，空間開發格局如圖1所示.

圖1 漢江生態經濟帶空間開發格局示意圖Fig.1 Schematic diagram of the spatial development pattern of the Hanjiang Ecological Economic Zone

漢江生態經濟帶有著良好的區位優勢與資源稟賦，空間規劃范圍由湖北、陜西、河南三省漢江流域構成，重點城市主要包括17個省份，規劃面積共19.16萬km2，如表1所示.第六次全國人口普查數據顯示，漢江經濟帶常住人口中15～64歲人口比重高達74.5%，高于全國平均水平的1.7%，僅湖北省漢江流域的GDP占全省的41.51%，大量的勞動人口流入與經濟增長助推漢江生態經濟帶新型城鎮化建設的步伐.但是，持續的開發與資源利用導致近年來漢江流域下游流量調水后減少26.9%，流域內的生態環境逐步惡化，2017年國家環境保護督察組就表明漢江流域存在資源過度開發而破壞生態環境的警告.基于此，本文將重點探究漢江生態經濟帶城鎮化與生態環境系統的協調發展問題，考慮到省市數據公開的完整性，最終選取南陽市、洛陽市、三門峽市、駐馬店市、十堰市、襄樊(襄陽)市、荊門市、隨州市、孝感市、武漢市、漢中市、安康市與商洛市13個省份作為基本研究單元.相關社會經濟數據來源于2010-2018年《中國統計年鑒》《中國城市統計年鑒》與各地市《國民經濟與社會發展統計公報》，部分生態環境相關數據來自各省市環境質量報告書.

表1 漢江生態經濟帶規劃范圍Tab.1 Planning scope of the Hanjiang Ecological Economic Zone

2 指標體系構建與研究方法

2.1 指標體系構建

基于前學者研究成果，構建適合測量漢江經濟帶城鎮化與生態環境發展的評價指標體系.城鎮化發展不僅是人口與經濟的集聚，也是空間擴張的過程.其中，經濟條件是基礎，人口增長、地域空間擴張是表現，居民生活質量水平的提高是最終目標[17].因此，從經濟城鎮化、人口城鎮化、空間城鎮化和社會城鎮化四方面測量城鎮化發展水平，并用相對應的具體指標表征.生態環境方面的準則設定根據PSR概念框架，即“壓力-狀態-響應”(Pressure-State- Response)模型，對應生態環境壓力、生態環境狀態和生態環境響應三方面，同樣，每個方面用不同的具體指標來表征.最后，結合漢江生態經濟帶城鎮化和生態環境系統的現實狀況，借鑒學者們研究所形成的經典復合生態理論[18]、生態文明評價指標體系[19]等，選取7個指標層與25個準則層構建評價指標體系，詳見表2所示.

表2 城鎮化與生態環境系統指標體系Tab.2 Index system of urbanization and ecological environment system

2.2 研究方法

(1)數據無量綱化處理

測量城鎮化發展水平與生態環境狀態指標之間的數值量綱不統一，數值之間的可比性較差，為消除量綱差異及異方差，需要對指標數據進行無量綱化處理.針對正向和負向指標功效的屬性，采用不同的方法對指標進行處理，使得指標取值范圍為[0,1].計算公式如式(1)與式(2)所示.

若Xij為正向指標，則

Zij=(Xij-Xminj)/(Xmaxj-Xminj)

(1)

若Xij為負向指標，則

Zij=(Xmaxj-Xij)/(Xmaxj-Xminj)

(2)

其中，Zij為數值標準化后的無量綱化指標值，Xij(i=1,2…m；j=1,2…n) 表示第i年第j項指標的初始值，Xmaxj與Xminj為歷年來j項指標的最大值與最小值.

(2)熵值法求權重

熵值法通過利用測量指標值之間的差異程度確定系數，在確定權重系數的過程中，能夠避免由于主觀因素導致的偏差，進而客觀地反映出各級指標在指標體系的重要性[20].指標權重計算步驟如式(3)～(7)所示：

Step3：信息熵的冗余度(偏差值)：aj=1-hj(5)，aj值越大，表示該項指標在評價體系中越重要；

最后，通過得到的各項指標權重，計算綜合評價發展指數為

(7)

其中，U1、U2分別代表城鎮化系統與生態環境系統的綜合發展指數.

(3)耦合協調度計算

借鑒物理學容量耦合模型，定量測算漢江生態經濟帶目標城市的城鎮化-生態環境系統耦合程度，最終以數值形式更加直觀的表現出兩者的相互影響程度，耦合度值越大代表系統發展越有序，反之亦然.耦合度函數如式(8)所示.

(8)

但是，耦合度C作為一個中性變量，只能表示兩者之間的關系強弱，很難反映出系統內部之間的協調狀況及發展水平.因此，構建耦合協調度模型，進一步體現出系統協調耦合的優劣程度.計算公式如式(9)所示.

(9)

其中，D表示協調耦合度，T代表目標城市城鎮化系統與生態環境系統的綜合協調指數.D越大，系統間的協調耦合狀況越好，反之亦然.α與β為待定系數，反映各系統對協調效應的貢獻水平，考慮城鎮化與生態環境同等重要，故取α=β=0.5.協調度揭示出系統i時刻的協調程度和發展水平，借鑒相關文獻[21]，評價漢江生態經濟帶城市化與生態環境系統的耦合協調度等級設定如表3所示：

表3 系統耦合度、協調度劃分等級及類型Tab.3 Classification level and type of system coupling degree and coordination degree

(4)空間自相關模型

空間自相關有效地呈現出研究系統耦合協調部分的空間格局特征，主要分為全局自相關與局部自相關分析.全局自相關通常用GlobalMoran′sI指數和Getis-OrdGeneralG指數表示，用以描述系統要素在空間整體內的關聯程度[22].計算公式分別如式(10)～(11)所示.

(10)

(11)

全局自相關指數取值范圍為[-1，1]，正相關時指數大于0，數值越大，空間分布相關性越顯著，即空間聚集分布現象越明顯；反之亦然，當數值趨近于0時，代表空間分布呈隨機狀態.

(12)

3 城鎮化與生態環境系統耦合協調時空分異特征

3.1 耦合協調時序分析

根據耦合協調度的具體計算方法(公式(8)和公式(9))，對13個樣本城市的數據進行分析，得到2009-2017年漢江生態經濟帶流域重要城市城鎮化系統與生態環境系統的耦合協調發展狀況，如表4所示.

表4 漢江生態經濟帶城鎮化系統與生態環境系統整體發展情況Tab.4 The overall development of the urbanization system and ecological environment system of the Hanjiang Ecological Economic Belt

根據表4計算結果顯示，漢江生態經帶研究單元的各指標指數在時間范圍內呈現出上升的發展態勢，但發展水平整體較低.(1)從城鎮化指數來看，發展態勢良好，增長較快；說明在國家政策大力推動下，漢江生態經濟帶流域區域產業經濟發展較好，經濟結構優化，人民生活水平有所改善.但與全國平均水平相比，城鎮化指數依然較低.(2)從生態環境指數看，呈現出穩定發展的趨勢，增長幅度小，表4中可以看出，漢江生態經濟帶生態環境指數始終在0.2上下浮動，2016年明顯上升，2017年又突然回落.且與城鎮化進程相比，發展程度落后，2010年之后與城鎮化系統發展差距愈發明顯，說明漢江生態經濟帶流域的生態環境問題嚴重，并未得到充分重視.生態保護作為經濟帶規劃的重點工作，在發展規模經濟的同時必須強調綠色生態的發展.(3)從綜合發展指數來看，發展態勢與生態環境發展趨勢相同，在城鎮化水平的帶動下2009-2016年不斷上升，2016年節點處出現最高值，2017年又逐漸下降.(4)表4中耦合度始終位于0.5之下，漢江生態經濟帶城鎮化與生態環境系統的發展狀態一直處于拮抗時期.生態環境壓力隨著城鎮化發展水平的不斷提升而增大，系統的耦合程度逐漸下降.(5)從兩者的耦合協調水平來看，經歷了中度失調-輕度失調-瀕臨失調的演變歷程.雙方系統協調耦合程度始終處于失調狀態.(6)從相對發展類型來看，2009-2010年為城鎮化滯后性，2011-2017年均為生態環境滯后性.加速發展城鎮化背景下，生態環境改善受到一定程度的影響，追求社會經濟效率的同時忽視了對區域生態環境的保護.

3.2 耦合協調空間分析

為進一步探究漢江生態經濟帶流域城鎮化與生態環境系統的發展狀況，基于ArcGIS軟件繪制2010年、2013年、2015年和2017年四個時間結點的耦合協調度空間演變分布圖，如圖2所示.總體而言，漢江生態經濟帶流域城市的城鎮化與生態環境系統耦合協調度逐年上升，但部分城市偶有回落；根據指標數值分類等級來看，屬于中度失調—初級協調的演變歷程.陜西省自2013年開始，基本保持在勉強失調階段；河南省2009-2017年呈現出穩步增長的變化歷程，從中度失調發展至初級協調階段；湖北省的研究城市總體上發展穩定，個別城市如武漢市在2017年出現回落現象，耦合協調度有所下降.如圖2(a)中，2010年漢江生態經濟帶城鎮化與生態環境系統的耦合協調指數位于0.00～0.399之間，大部分屬于中度失調水平.其中河南省各區域水平較穩定，而湖北省荊門市、陜西省商洛市為嚴重失調.如圖2(b)中，2013年漢江生態經濟帶城鎮化與生態環境系統的耦合協調指數位于0.200～0.599之間，大部分為輕度失調階段.其中河南省整體耦合協調水平較低表現為中度失調水平，其中南陽市耦合協調指數有點下降；陜西省各地市發展較快，綜合耦合協調度高于湖北省與河南省，荊門市嚴重失調現象消失，整體提升至勉強失調水平；湖北省各市發展也較穩定，總體而言各地市的耦合協調等級均提升至另一層次.如圖2(c)中，2015年漢江生態經濟帶城鎮化與生態環境系統的耦合協調指數位于0.300～0.699之間.河南省除三門峽市之外，其余城市城鎮化與生態環境系統的耦合協調指數均逐漸增加，發展至勉強協調階段；陜西省漢中市耦合協調指數下降，商洛市與安康市指數不變不明顯；湖北省從整體上看發展較穩定，耦合協調指數變化不明顯.如圖2(d)中，2017年漢江生態經濟帶城鎮化與生態環境系統的耦合協調指數最高，位于0.300～0.699之間，整體在初級協調的水平.河南省內的四個地市均處于勉強協調和初級協調等級上，都已跨越失調階段；陜西省漢中市與商洛市耦合協調等級較高，而安康市發展指數有所下降；湖北省除武漢市外，十堰市、襄樊市、荊門市、隨州市與孝感市耦合協調情況都有所改善.

綜上所述，漢江生態經濟帶流域城市城鎮化系統與生態環境系統之間的耦合協調水平總體上呈上升趨勢，但耦合協調度依然較低，最高僅達到初級協調的水平.其中，個別城市由于資源利用方式單一、產業轉型方式不恰當等，過分追求經濟效益而忽視了對生態環境的保護問題，導致生態環境發展滯后于城鎮化進程，出現協調度回落現象，最終影響區域城鎮化系統與生態環境系統的綜合發展.

圖2 漢江生態經濟帶城鎮化與生態環境耦合 協調度空間格局演變Fig.2 Evolution of the spatial pattern of the coupling and coordination of urbanization and ecological environment in the Hanjiangeco-Economic Zone

3.3 空間自相關分析

通過Geoda軟件平臺計算得到漢江生態經濟帶13個主要城市的城鎮化與生態環境耦合協調莫蘭指數值，匯總結果如表5所示.根據表5中數據顯示，研究單元四個年份的莫蘭指數都為正，且P值小于0.1通過顯著性檢驗，Z值顯示均服從正態分布.莫蘭指數在2010-2017年期間先下降后上升，總體上由0.573提升至0.741，表明漢江生態經濟帶城鎮化系統與生態環境系統存在顯著的空間相關性，即目標城市耦合協調度在空間內部存在明顯集聚性.

表5 漢江生態經濟帶Moran指數匯總表Tab.5 Summarytable of moran index of Hanjiang Ecological Economic Belt

為更加細致刻畫出研究區域單元內部城鎮化與生態環境耦合協調的空間分異特征，基于Moran指數散點圖構建LISA散點圖，如圖3所示.

圖3 漢江生態經濟帶城鎮化與生態環境耦合 協調度LISA散點圖Fig.3 LISA scatter diagram of the coupling and coordination degree of urbanization and ecological environment in the Hanjiang Ecological Economic Zone

可以看出，漢江生態經濟帶城鎮化與生態環境的耦合協調內部存在空間自相關的城市主要漢中市、安康市、商洛市、洛陽市、三門峽市、武漢市、孝感市、荊門市、十堰市與襄樊市，駐馬店市、南陽市、隨州市不存在空間相關性；其中，高集聚城市主要集中在陜西省與湖北省部分城市，且HH型的城市逐年增多，LL型城市數量不斷減少.表現為：(1)2010年漢江生態經濟帶中僅有三門峽市表現為HH集聚，荊門市與襄樊市表現為LL集聚，其余城市均表現不顯著如圖3(a)；(2)2013年漢江生態經濟帶中陜西省樣本城市與湖北省武漢市、襄樊市均出現HH集聚，洛陽市和三門峽市轉為LL集聚.隨后，存在空間相關性的城市不斷向周邊城市輻射影響力如圖3(b)；(3)2015年漢江生態經濟帶中變化較為明顯的是襄樊市出現HL集聚，十堰市表現為LL集聚；增加的HH集聚效應城市為荊門市、洛陽市如圖3(c)；(4)2017年漢江生態經濟帶中HH集聚效應城市明顯增加，城鎮化與生態環境耦合協調空間集聚效應在城市之間影響力不斷增強，并且呈現出明顯的地區集聚現象如圖3(d).

總體而言，漢江生態經濟帶城鎮化與生態環境耦合協調空間集聚效應主要集中在經濟較發達區域，并且可以在周邊形成HH集聚的溢出效應，即城鎮化水平高、生態環境現狀良好的城市能夠對周圍城市產生輻射作用，帶動區域整體發展；而耦合協調度低的城市，空間集聚現象不顯著也無法對周邊區域產生影響.研究單元城鎮化與生態環境系統的集聚現象，表明漢江生態經濟帶在協調城鎮化與生態保護的關系過程中存在明顯的空間效應，更加強調要充分發揮核心區域的輻射功能.

4 結論

選取2009-2017年漢江生態經濟帶13個城市的發展數據進行實證分析，構建城鎮化系統與生態環境系統的耦合協調模型，從時間、空間維度探析耦合協調發展程度動態演變規律.并基于Moran指數刻畫出區域發展的空間集聚相關性，探求不同城市耦合協調發展程度的空間分異特征，進而有針對性的提出優化措施，主要結論如下：

(1)從時序變遷角度來看，2009-2017年漢江生態經濟帶流域城市的城鎮化與生態環境系統的耦合協調程度總體呈穩中上升趨勢，但區域整體發展水平較低，耦合協調等級大部分依然屬于失調類型；且自2011年后均表現為生態環境滯后型，表明生態環境問題始終是影響漢江生態經濟帶發展的主要短板;

(2)從空間變遷角度來看，陜西省、河南省與湖北省漢江生態經濟帶區域的耦合協調程度存在差距，中心區域耦合協調水平略高于邊緣區域.其中，安康市的失調水平與襄樊市、洛陽市的初級協調水平差異明顯；規劃范圍內發展水平較高的武漢市在2017年出現回落現象，區域發展總體上落后于全國發達地區;

(3)從空間自相關分析結果來看，漢江經濟帶城鎮化與生態環境要素的耦合協調程度存在顯著的空間正相關性與集聚性，且空間效應逐年增強.根據局部莫蘭指數圖，漢江生態經濟帶HH集聚現象主要出現在陜西省、湖北省部分中心城市，而駐馬店市、南陽市、隨州市則不存在空間相關性，耦合協調屬性相似的區域在局部空間上存在集聚現象.