甘肅省城鎮化與生態環境耦合協調度

韓 燕, 張玉婷

(1.蘭州交通大學 經濟管理學院, 蘭州 730070;2.中國科學院 地理科學與資源研究所 中國科學院區域可持續發展分析與模擬重點實驗室, 北京 100101)

城鎮化是我國社會經濟平穩健康發展的巨大潛力和動力。目前，我國正處于城鎮化加速發展時期，城鎮化在帶來人口集聚、產業結構優化以及經濟快速增長等積極效應的同時，不可避免的加重了城市的環境污染和資源浪費，從而引起自然生態系統破壞及生態服務功能下降等負面影響。一定程度上，生態環境也正在成為制約城鎮化發展的一大因素。如何協調好城鎮化與生態環境的關系、推動區域可持續發展備受關注。

對于城鎮化與生態環境兩者的協調發展，國內外有大量學者對其進行研究，主要集中在以下幾個方面：(1) 兩者耦合的基礎理論及變化規律 西方國家城鎮化進程早于我國，且其發展水平較高。1989年，E Howard認為實現城鎮化與生態環境的協調發展應從理性規劃的角度出發，同時提出“田園城市”理念。Grossman & Krueger，Shafik & Bandyopadhyay等提出了環境庫茲涅茨曲線，認為城市經濟發展與生態環境質量呈現倒“U”型演變規律[1-2]；國內學者主要就兩者相互作用的機理以及兩者協調發展路徑進行探討。黃金川、方創琳將物理學中的系統耦合引入兩者的研究，對城鎮化對數曲線和環境庫茲涅茨曲線進行邏輯復合，揭示城鎮化與生態環境的耦合規律，歸納兩系統相互脅迫影響的階段[3-4]。劉猛海通過提出“耦合魔方(CHNC)”分析框架來解釋城鎮化與生態環境耦合機理[5]。方創琳總結出了城鎮化與生態環境耦合的10種關系和交互方式，創建了城鎮化與生態環境耦合圈理論，同時構建出45種不同城市發展階段耦合圖譜，其中“S”型曲線耦合圖譜所代表的城市類型，其發展模式為最佳耦合狀態[6]。(2) 兩者耦合協調發展水平的評價 國內多名學者對我國西南[7]、京津冀[8]、中原城市群[9]、長三角[10]、珠三角等[11]城市群及長江經濟帶[12]、黃河流域[13]、絲綢之路經濟帶等[14]區域與全國多個省的城鎮化與生態環境耦合進行實證研究。王少劍等通過定量分析城市化與生態環境的耦合過程與演進趨勢，得出京津冀地區協調類型從嚴重不協調—城市化受阻發展到高級協調—生態環境滯后[15]。張引等認為，重慶全市及區縣級新型城鎮化與生態環境均處于高水平耦合，但重慶市各區縣新型城鎮化質量與生態環境承載力差異明顯[16]。朱海強等認為絲綢之路經濟帶核心區城鎮化水平高于生態環境質量，其發展協調度趨于上升且空間分異明顯，兩系統間的耦合模式為磨合、拮抗型，協調度由失調轉向協調[14]。孫平軍認為吉林省城鎮化進程中生態資源投入效率明顯較低，生態環境各項指標整體水平增長，且呈現出明顯的先升后降再升的階段性特征[17]。(3) 兩者協調發展的路徑研究 裴瑋認為優化產業結構及空間形態、加強城市環境及社會建設、節約資源改善體質等是推進城鎮化與生態環境協調發展的重要舉措[18]。田文富等認為構造生態和諧的高水平城鎮化城市，要將傳統注重經濟總量擴張的規劃思路，變為以改善人居環境為目標的觀念，同時根據主體功能區生態資源不同有針對性地制定政策法規[19]。

綜上所述，學者對城鎮化與生態環境耦合協調關系的理論和實證都進行了比較豐富的研究，并取得一定成果。但從地域來看，現有研究大多基于我國中部、東部、東北部及西南部地區省域及城市群，關于西北部尤其是城鎮化進程相對滯后的甘肅省少有研究。從研究層面看，學者們對于兩者耦合協調度動態對比多基于時序分析，而對其時空格局演變的研究尤其是驅動因素分析相對不足。故本文選取甘肅省12個地級市為研究對象，基于熵權耦合協調模型，分別從時間、空間兩個維度定量分析其2009—2018年城鎮化與生態環境協調發展水平演變特征，同時采用地理探測器模型，對耦合協調度的影響因素進行分析。

1 研究區概況與數據來源

甘肅省簡稱“甘”或“隴”，位于我國版圖西北方，地處黃河中上游，地域遼闊，但地形呈狹長狀，地貌較復雜。其作為我國能源礦產及原材料工業基地，礦產資源及土地資源較豐富，有多條江河干流及支流都流經省境內，流域面積大、水利條件優越。但流域內絕大部分地區為黃土覆蓋，植被稀疏，水土流失嚴重，河流含沙量大。截至2018年末，全省常住人口2 637.26萬，其中城鎮人口1 257.71萬，城鎮化率為47.69%。人均生產總值3.1萬元，城鎮居民人均可支配收入2.9萬元，其值均滯后于我國整體平均水平。甘肅省城鎮化起步較晚，省內各市經濟發展水平差異較大，且城鎮人口基數小，城鎮化率大幅落后于全國平均水平，存在城鎮化結構不均衡、地區差異性明顯等問題。近年來，隨著我國“一帶一路”、“經濟絲綢之路”等政策的實施，甘肅省成為黃河經濟帶及絲綢之路經濟帶黃金段上的重要節點省份，城鎮化水平發展較快，且其城鎮化進程與生態環境協調共同發展的重要性愈發凸顯。

本文選取甘肅省12個地級市：蘭州、嘉峪關、金昌、白銀、天水、武威、張掖、平涼、酒泉、慶陽、定西及隴南為研究對象(剔除部分數據缺失的臨夏回族自治州及甘南藏族自治州兩地)，收集整理了2009—2018年10 a間城市城鎮化及生態環境相關數據，分析評估了甘肅省城鎮化水平和生態環境質量協調發展狀況，為調整其生態環境和城鎮化協調發展提供參考。本文所用數據來源于2009—2018年甘肅省及各市統計年鑒、包括《甘肅發展年鑒》、《中國城市統計年鑒》及各地環境保護網站。其中極少數缺失的數據，本文通過借鑒前后年份平均計算得來。

2 研究方法

2.1 指標選取及評價體系構建

城鎮化系統與生態環境系統是兩個復雜的系統，能夠較科學、有針對性地構建其指標評價體系，是探討甘肅省城鎮化與生態環境耦合協調關系的基本前提。在相關研究成果的基礎[17,20-22]上，根據《國家新型城鎮化規劃(2014—2020年)》的新型城鎮化評價框架及《中共中央國務院關于加快推進生態文明建設的意見》相關文件[23]，結合甘肅省發展現狀及定位，構建了如下指標評價體系(表1)，該指標系統包括城鎮化和生態環境兩大子系統。城鎮化是受多因素影響的復雜過程，主要表現在人口聚集、經濟增長、城市空間拓展和社會生活水平提高4個方面，參考方創琳、崔木花等的研究，構建的城鎮化系統從人口、經濟、空間、社會城鎮化4個方面，用人口城鎮化、經濟城鎮化、基礎建設水平、公共服務水平4項指標及其12項子指標表征甘肅省城鎮化水平[24-25]。生態環境系統則考慮影響人類生存的水、土地、能源等資源條件以及人類活動影響自然生態環境的排放及治理方面，從生態環境壓力、生態環境水平、資源環境保護、資源環境利用4個維度進行探討，構建的12項子指標體現了國土空間開發、生態環境基礎、資源節約高效使用、自然生態環境治理力度等情況。

表1 甘肅省城鎮化與生態環境耦合協調度評價指標體系

2.2 研究方法

(1) 熵權法。評價體系中各指標重要性的衡量主要通過為其設定權重來實現，相較于層次分析法、專家評估法等主觀賦權法，熵權法賦值能夠避免人為因素所導致的偏差，更客觀的反映指標的相對重要程度，故采用熵值法為各項指標確定權重。為統一正逆向指標，且方便對甘肅省數據進行縱向時間差異分析及對各城市數據進行橫向時空對比，要對數據進行無量綱化處理，計算公式如下：

正向指標：

xij=(Xij-minXij)/(maxXij-minXij)

(1)

逆向指標：

xij=(maxXij-Xij)/(maxXij-minXij)

(2)

式中：xij為標準化處理后得到的數據；Xij為指標原始數據；maxXij與minXij分別為原始數據的兩極值。得到經過無量綱化標準化處理的數據后,首先選取平移幅度ω=1,對xij進行坐標平移得：

(3)

之后通過熵權法計算出其權重，計算公式如下：

(4)

(5)

(6)

式中：Pij為第i個城市第j指標的比重；eij為j指標的信息熵；wi為該指標的權重。

(2) 耦合度模型。耦合常指兩個及兩個以上系統的相互作用影響[26]，由于各系統中無序參量相互協同作用，使得系統從無序走向有序，構建耦合度模型來衡量這種協同作用如下：

C=[U(x)×E(y)]1/2/|U(x)+E(y)|

(7)

式中：C為城鎮化與生態環境兩系統耦合度；U(x)，E(y)分別代表城鎮化與生態環境系統的綜合功效，由前文得到的權重和各項數據計算得出；n和m為城鎮化與生態環境系統指標數，計算公式如下：

(8)

耦合度C∈[0,1]，當C=0時，兩系統間無關，隨著C的增大，兩系統彼此促進、協同程度越高，系統從無序向有序發展，借鑒方創琳等相關研究[3-4]，將其等級劃分見表2。

表2 耦合度階段劃分

(3) 耦合協調度模型。耦合度映射了城鎮化與生態環境兩系統相互影響程度，但有時很難精準體現兩者間協同發展程度，因此本文引入耦合協調模型對不同子系統間耦合協調發展程度進行測算，計算公式如下：

T=αU(x)+βE(y)

(9)

(10)

式中:D為耦合協調度；T為兩者間綜合協調發展指數；α，β均為待定系數,α+β=1。本文認為城鎮化與生態環境對城市發展同等重要,故此處取值為α=β=0.5。借鑒相關研究,將城鎮化與生態環境耦合協調度劃分成3個等級(表3)。

(4) 地理探測器。地理探測器是王勁峰等人提出的一種具有地理特性的數學分析方法，可用來探測空間異質性的驅動力因子[27]。運用地理探測器可以直接探測耦合協調度分布特征的驅動力因子大小，因此本文利用地理探測器的因子探測法來研究所選取的各個因子對耦合協調度分布的解釋力的大小，其公式如下。

(11)

表3 耦合協調度等級劃分

3 結果與分析

3.1 城鎮化系統與生態環境系統綜合水平分析

根據表1的甘肅省城鎮化與生態環境評價體系指標，通過熵權法賦權，將權重及數據代入公式(8)，分別計算得出2009—2018年甘肅省12個地級市城鎮化系統和生態環境系統的綜合指數(圖1)。

3.1.1 城鎮化水平演變 從城鎮化系統綜合指數來看，甘肅省及其各地級市城鎮化發展水平呈穩步小幅度上升的趨勢。首先，甘肅省城鎮化綜合指數由2009年的0.217增長至2017年的0.327，表明甘肅省城鎮化近年來取得一定進展，人民生活質量不斷提高，但其整體水平仍然偏低。2018年該指標值有所下降，主要由于占權重較大的城市人口密度及人均社會消費品零售總額等指標有所下降。其次，各地級市2009年和2018年城鎮化綜合指數均值分別為0.266,0.355，增長率達到33%，標準差分別為0.11,0.13，變異系數分別為0.43,0.39。這表明伴隨經濟發展與城鎮化進程加快，各市城鎮化水平絕對差距逐漸增大，但相對差距逐漸縮小，這也使得城鎮化的空間兩極化現象得到緩解。2009年，除蘭州、嘉峪關、金昌為中等城鎮化水平地區外，其余所有地級市均為低城鎮化水平地區，整體城鎮化水平偏低。2018年，蘭州、嘉峪關在原有基礎上成為較高城鎮化水平地區，此外，天水、慶陽也躋身中等城鎮化水平城市。原有的低水平城鎮化城市10 a間其城市城鎮化水平均大幅增長，其中定西甚至達到181%，但由于其初始水平低，雖較其自身增幅顯著，但整體水平仍較低。

圖1 2009-2018年甘肅省各市城鎮化指數與生態環境指數

3.1.2 生態環境水平演變 從生態環境綜合指數來看，首先甘肅省整體生態環境質量除在2011年有一次波動外，10 a間不斷向好，表明甘肅省整體近年來生態環境保護意識增強，生態環境質量得到較大改善。尤其是2011—2014年，其值上升趨勢較大，主要得益于人均公園綠地面積、建成區綠化覆蓋率大幅提高，同時大力加強環境資源保護，各類生活垃圾、工業廢料無害化處理率上升。近5 a來上升較為平緩，在保持之前環境治理成果的同時，生態環境質量仍然緩步提高。各地級市2009年和2018年生態環境綜合指數均值分別為0.356,0.410，增長率達到15%，標準差分別為0.091,0.079，變異系數分別為0.255,0.193。這表明伴隨城鎮化進程加快，各市生態環境水平絕對差距與相對差距都在逐漸縮小，這也使得生態環境的空間兩極化現象得到緩解。2010年，除隴南處于低生態環境水平外，其余城市均處于中等生態環境水平。隴南市排名最后主要歸咎于其較低的建成區綠化覆蓋率，同時城鎮生活污水處理、生活垃圾無害化處理以及一般工業固體廢物綜合利用率水平均不高，這也導致2018年時，其生態環境仍處于低水平階段。10 a間，省會城市蘭州生態環境發展來回波動數次后，穩定在較高生態環境水平。其余各市生態環境水平雖未突破等級，但均有一定幅度增長，各市生態環境保護意識逐年提升，資源環境保護能力不斷增強，生態環境水平穩步向好。

3.2 城鎮化與生態環境耦合度時空格局分析

根據耦合度模型，將數據帶入公式(7)計算得出2009—2018年甘肅省城鎮化與生態環境的耦合度。同時，參考耦合類型劃分標準(表2)，將城鎮化與生態環境耦合度劃分為4個等級，通過ArcGIS軟件將不同時間段耦合度的空間分布可視化(圖2)。

圖2 2009年、2018年甘肅省城鎮化與生態環境耦合度時空格局

從整體看，10 a間甘肅省城鎮化與生態環境耦合度呈現“S”型上升曲線，經歷先增長后下降的過程。2009—2013年，其值呈小幅度增長，2013年起，隨著甘肅省城鎮化進程加快，其耦合度增長速率加快，2016年達到頂峰后，其值略有下降。甘肅省城鎮化與生態環境耦合度10 a間均處于拮抗階段，即生態環境破壞程度較小，承載城鎮化發展的能力逐步減弱，兩者處于對抗狀態，并逐步向磨合的方向發展。分地區看，各地區耦合度在2009—2018年整體處于上升趨勢。2009年，定西、隴南兩市因資源利用粗放導致耦合度較低，均處于分離階段，其余各市處于拮抗階段，此時城鎮化和生態環境嚴重失衡。生態環境限制了城鎮化的進程，阻礙其可持續發展。2018年時，蘭州、嘉峪關兩市進入磨合階段，定西、隴南兩市由分離階段發展至拮抗階段，其余各市雖耦合度均有小幅度提升，但仍處于拮抗階段。雖然甘肅省地貌多樣，生態資源較豐富，具有一定優勢。但是，其城鎮化發展過程中利用生態環境資源較粗放，不注重生態環境的保護以及其承載能力，在城鎮化進程中對生態環境施加過多壓力，故而處于拮抗階段。

3.3 城鎮化與生態環境耦合協調度時空格局分析

2009—2018年，甘肅省城鎮化與生態環境耦合協調度整體呈現極緩慢上升的趨勢，水平處在0.33～0.41。2009—2015年，處于輕度失調發展階段；2015—2017年，處于瀕臨失調發展階段；2018年耦合協調程度輕微回落，又回到輕度失調階段。雖然甘肅省部分城市城鎮化與生態環境的耦合協調度勉強達到協調狀態，但其總體耦合協調度仍處在輕度失調狀態，不過近十年來其一直保持小幅上升趨勢(圖3)。

圖3 2009-2018年甘肅省城鎮化、生態環境、耦合度、耦合協調度指數

參考耦合協調類型劃分標準(表3)，對城鎮化與生態環境耦合協調度等級進行劃分，通過ArcGIS軟件將不同時間段各市耦合協調度可視化(圖4)。2009年，隴南處于城鎮化和生態環境嚴重失調發展階段，同時屬于生態環境滯后型。隴南生態系統綜合指數低，生態資源利用及環境污染治理不理想，導致一定程度阻礙其城鎮化發展。定西與平涼處于中度失調發展階段，蘭州與嘉峪關處于瀕臨失調階段，其余各市均處于輕度失調階段。2011年蘭州進入勉強協調階段，2014年嘉峪關也步入勉強協調階段，兩市穩定保持在此階段且耦合協調度持續上升。2018年，金昌與慶陽由輕度失調發展為瀕臨失調階段，其余各市仍保持輕度失調階段?？傮w而言，甘肅省省會城市蘭州城鎮化與生態環境的耦合協調水平相對較高，且部分資源型城市以及化工業城市，產業結構相對多樣、替代產業豐富、產業轉型升級能力較強，城鎮化進程中能夠較為高效地利用生態環境資源，從而耦合協調度也相對較高。其余農業城市，由于人口城鎮化及經濟城鎮化相對落后，且生態資源開發利用方式較為粗放低效，導致其耦合協調度相對較低。

圖4 2009年、2018年甘肅省城鎮化與生態環境耦合協調度時空格局

3.4 城鎮化與生態環境耦合協調度影響因子分析

利用ArcGIS軟件將各地級市城鎮化及生態環境子系統的各項指標數據采用自然段點法分類排序后，利用地理探測器對甘肅省城鎮化與生態環境耦合協調度演變的驅動因素進行分析。其中Y為兩系統耦合協調度，X1—X12分別代表城鎮化系統中的12個三級指標(非農業人口占比、二、三產業從業人員比重、城鎮人口密度、人均GDP、人均社會消費品零售總額、第三產業GDP占比、城建用地占市區面積比重、每萬人擁有市轄區建成區面積、每萬人擁有醫生數、每萬人中大學生數、人均擁有移動電話數、人均擁有公交車輛數)，X13—X24則為生態環境系統中的12個三級指標(人均工業廢水排放量、人均工業煙(粉)塵排放量、人均工業SO2排放量、建成區綠化覆蓋率、人均水資源總量、人均耕地面積、人均綠地面積、城鎮生活污水處理率、生活垃圾無害化處理率、一般工業固體廢物綜合利用率、人均煤氣(人工天然氣)供量、人均液化石油氣供量指標)。

對于耦合協調度時空分布影響因素選取2009年、2018年2個時間節點進行分析，結果見表4。總體來看，10 a間各影響因子對耦合協調度空間分布的決定力變化幅度較大。其中，人均社會消費品零售總額、人均耕地面積、人均擁有市轄區建成區面積與人均擁有公交車輛數等指標對耦合協調度空間分布的解釋力較大；第三產業占GDP比重、建成區綠化覆蓋率等指標對其空間分布的解釋力度較小。2009年人均擁有公交車輛數、人均日生活用水量、人均社會消費品零售總額、非農業人口占總人口比重等指標是影響耦合協調度空間分布的主導因子，10 a來隨著城鎮化進程加快以及生態環境資源高效利用，甘肅省非農人口快速增長，人民生活用水情況好轉，人民物質文化生活水平大幅提高，社會商品購買力增強，與之相關的指標對耦合協調度的決定力逐年下降。伴隨甘肅省整體耦合協調度等級的提升，決定其是否能協調可持續發展的重心已經從基礎城鎮化及生態環境治理轉向城鎮化中、高級階段及生態環境綠色治理。2018年主導因子成為二、三產業從業人員比重、人均工業廢水排放量、市轄區人均醫生個數、人擁有市轄區建成區面積等指標，其余大多數指標的決定力q值均有不同幅度上升，對甘肅省城鎮化與生態環境耦合協調度影響程度進一步加深。

表4 2009年、2018年耦合協調度驅動因素因子探測結果

4 討論與結論

(1) 2009—2018年，甘肅省城鎮化系統綜合指數穩定增長，生態環境系統綜合指數波動較大，但總體呈增長趨勢，相對發展水平以城鎮化滯后為主?？臻g分布上，兩系統高值區均為省會城市及工業城市，低值區集中于東部傳統農業城市。甘肅省城鎮化發展起步晚水平低，城鎮化和生態文明建設發展不充分、不平衡。10 a間，甘肅省兩系統的耦合度從拮抗階段進入磨合階段。雖然整體呈現穩步上升狀態，但其耦合程度仍然較低，生態環境資源低效利用限制了城鎮化的發展。

(2) 2009—2018年，甘肅省城鎮化與生態環境耦合協調度呈現“S”型曲線變化，在波動中上升，協調類型從嚴重失調(不可接受)發展到瀕臨失調(勉強接受)階段，表明兩系統向著良性有序方向發展?？臻g上看，不同地級市耦合協調發展水平差異顯著，從瀕臨失調階段到中度失調階段均有分布，空間集聚特征不明顯。高值區主要位于省會城市及產業動力充足的工業城市，低值區主要分布在經濟發展較落后、生態環境質量差的農業城市。

(3) 2009—2018年，驅動甘肅省城鎮化與生態環境耦合協調度發展的主導因素變化較大。地理探測器探測結果表明，人均社會消費品零售總額、人均耕地面積、人擁有市轄區建成區面積、二、三產業從業人員比重、人均工業廢水排放量等指標對耦合協調度驅動力較大。10 a間城鎮化與生態環境兩系統大多數因子對耦合協調度驅動力呈現出不斷增長的趨勢，在甘肅省城鎮化與生態環境發展過程中應重點關注這些影響因子，不斷提升甘肅省城鎮化發展的質量，綠色高效地進行資源環境的治理，從而提出適合甘肅省城鎮化與生態環境協同發展的對策和建議。

當前，有關城鎮化與生態環境協同發展關系既決定城鎮化發展質量優劣，又成為區域是否可持續發展的關鍵。從本文分析研究來看，甘肅省整體城鎮化滯后，且省內各市經濟發展方式及自然環境資源分布差異較大。甘肅省應根據不同地區的不同特點，有針對性地制定發展策略。首先，通過合理拓展城鎮人口及土地空間范圍、優化產業結構、推動產城融合，實現城鎮化“高水平、高質量”發展。同時做好生態文明建設，充分發揮生態環境對城鎮化發展帶來的特殊效益。生態環境水平較高的地區，應充分發揮自然稟賦優勢，合理開發利用生態資源，依托旅游、文化等產業，建立持續發展的長效機制。生態環境水平較低的地區，應首先調整發展方式，轉變資源利用觀念，加強環境問題及生活垃圾的治理，在實現生態資源利用效率提升的同時，保護好綠水青山。其次，城鎮化與生態環境協調度高的地區，近年來發展快速，但向周邊城市的輻射能力并不強，應加強甘肅省各地區政府間深度合作，城鎮化與生態環境耦合協調度高的城市應與城鎮化與生態環境耦合協調度低的城市分享經驗，在甘肅省“一體兩翼”發展戰略的帶領下，使耦合協調度高的城市輻射帶動周邊城市，促進甘肅省整體城鎮化進程、生態環境水平以及兩者協同發展水平的提升，逐步縮小各地區間發展差異。再者，在資源環境承載力基礎上，穩步推動城鎮化發展進程的同時，應重點關注驅動兩者協調發展的主導因素，因地制宜因勢利導，有方向有目的性地制定城鎮化系統及生態環境系統發展策略，從而提出適合甘肅省城鎮化與生態環境協同發展的對策和建議。