河南省城市化與生態環境耦合協調狀態的時空格局

汪倫焰, 蔣贊美, 李慧敏, 董光華

(華北水利水電大學 水利學院, 鄭州 450046)

城市化主要涉及人口轉移、空間擴張、經濟發展和生活提高等多個方面，是鄉村向現代化城市轉變的過程[1]。生態環境為城市經濟增長和提高生活水平提供條件支持，然而過多的資源消耗、環境污染等又破壞了生態環境的承載力，城市化在一定程度上加大了生態環境的壓力，兩者之間存在相互影響相互作用的關系[2]。近年來，隨著城市化的發展，生態環境方面的問題亟待解決。因此，如何在提高經濟發展和資源利用的同時，減少對環境的破環，協調兩者之間的發展，成了當今研究的熱點課題之一[3]。

城市化與生態環境關系的分析與評價一直是研究者和決策者關注的關鍵問題。20世紀80年代，可持續發展理論、“壓力—狀態—響應”概念模型等[4]被提出。隨后，學者開始向定量方面研究兩者之間的關系。1995年，Grossman等[5]基于42個發達國家的面板數據，揭示了隨著城市經濟水平的提高，城市生態環境質量呈現倒“U”型演化規律，并提出了環境庫茲涅茨曲線假說。Arrow等[6]考慮到經濟增長對環境的影響，對經濟活動與環境承載力和環境彈性之間的聯系進行討論。OECD[7]提出脫鉤理論，認為經過一定的措施，經濟發展與生態環境壓力將實現脫鉤。Dizdaroglu等[8]簡要概述了實施生態規劃對城市可持續發展的重要性。并提出了一種利用生態規劃方法發展城市生態系統的新方法的概念框架。在國內，城市化與生態環境的協調發展問題也引起很多學者的注意。中國城市化與生態環境交互作用與耦合關系的研究主要集中在交互作用機理[9]、耦合協調度測度[10]、協調發展評價[11]和耦合時空特征等[12]方面。研究尺度主要包括全國[13]、地區[14]、省[15]、城市群等[16]不同方面。方創琳等[17]提出城市化與城市生態環境交互耦合系統的6大基本定律。郭月婷等[18]基于模糊物元模型構建城市化與生態環境指標體系。呂有金等[19]針對城鎮化與生態環境耦合協調度時空分布及驅動因素進行分析。史戈[20]借助關聯度模型分析城市化與生態環境系統因素之間的相互關系。陳曉紅等[21]基于BP神經網絡對城市化與生態環境耦合脆弱性、協調性進行預測。

河南省存在人口多、資源少的問題，近年來城市化進程迅速，生態壓力與城市發展的矛盾越加凸顯。因此，研究河南省城市化與生態環境的關系具有重要意義。本文通過確定城市化與生態環境的測度體系，以河南省2008—2018年的統計數據為例，從時間和空間兩個維度進行分析。時間維度主要分析河南省2008—2018年的綜合城鎮化水平、綜合生態環境水平和耦合協調度，空間維度主要分析河南省17個城市的耦合協調度和空間集聚特征。從河南省和17個地級市兩個層面探討城市化與生態環境耦合協調的時空變化趨勢。通過空間相關性分析，探索耦合協調的空間聚集特征。根據河南省協調發展狀況，提出相關的發展建議，為河南省城市可持續發展提供科學的參考。

1 研究區域與方法

1.1 河南省概況

河南省位于中國中東部、黃河中下游，是全國重要的交通、通訊樞紐中心，又是中原經濟區的核心省份。河南省有17個地級城市，總面積為1.67×105m2，2018年總人口1.09×108人，常住人口9.61×107人，2008—2018年，河南省城鎮率從36.03%增加到51.71%，人均生產總值從19 233元增加到50 152元，隨著對生態環境的重視，2008至2018年間，工業廢水排放總量、工業二氧化硫排放量在逐步減少，建成區綠化覆蓋率處于穩步增長狀態。

1.2 數據來源

本研究收集河南省2008—2018年的相關數據，分析河南省及各城市的城市化與生態環境耦合關系。在分析各城市的城市化與生態環境耦合分布時，由于只研究河南省的地級城市，濟源屬于河南省省轄市，所以不考慮濟源市的數據，耦合協調空間分布地圖上省略了濟源市。數據主要來源于《河南統計年鑒》《中國城市統計年鑒》、河南省水資源公報及環境統計年報等。

1.3 指標體系

為了準確評價城市化與生態環境的相互關系，借鑒相關研究成果，構建指標體系[22-25]。選取城鎮化率、人均道路面積、人均GDP、萬人高等在校生等13個指標反映城市化發展水平。選取人均水資源總量、人均工業廢水排放總量、污水處理廠集中處理率等10個指標反映生態環境發展水平。

1.4 研究方法

1.4.1 數據處理 對原始數據用極差法進行標準化處理，公式如下。

(1)

(2)

式中：時間維度上xij為河南省指標值; 空間維度上xij為17個城市的指標值;yij為標準化值。對于效益型指標(數值越大越好的指標)，用公式(1)計算；對于成本型指標(數值越小越好的指標)，用公式(2)計算。

(3)

(4)

(5)

(6)

表1 河南省城市化與生態環境指標體系及權重

1.4.2 改進的耦合協調度模型 耦合是指多系統間相互影響、作用的現象[14]，耦合度反映系統間耦合的強弱程度。協調是和諧一致的意思，用來描述系統間良好的搭配關系，耦合協調度是評價多系統交互作用的和諧程度[11]。耦合度只能描述系統間耦合強度的大小，不能反映系統的整體協同效應，例如，兩系統綜合評價值低，耦合度會較高，但不能說明系統間是否良性發展。本文引入耦合協調度研究城市化與生態環境的協調狀態。通過參考相關文獻，在貢獻系數方面對耦合協調度模型進行改進[26]。傳統的貢獻系數都設為0.5，本文對貢獻系數采用公式(8)—(9)進行計算。

(7)

α′=E/(U+E)

(8)

β′=U/(U+E)

(9)

T=α′U+β′E

(10)

(11)

式中：C為耦合度值，區間在[0,0.3)為低度耦合，[0.3,0.5)為拮抗階段，[0.5,0.8)為磨合階段，[0.8,1]為高度耦合[13]；α′,β′分別是改進后的貢獻系數；T為城市化與生態環境綜合調和指數；D為耦合協調度。根據相關研究，參考耦合協調度D把城市化與生態環境的耦合類型分為5類[26](表2)。

表2 城市化與生態環境耦合協調等級劃分

1.4.3 空間自相關分析 空間自相關分析分為全局與局部，全局空間相關性檢驗研究目標的空間鄰近單元相似程度，是否存在相關性，計算見公式(12)。局部空間相關性驗證是否存在空間上的聚類特征，計算見公式(13)。

(12)

(13)

式中：Ii為局部莫蘭指數，若Ii為正，空間單元周圍呈現高高或低低的空間集聚，若Ii為負，空間單元周圍呈現高低或低高的空間集聚。

2 結果與分析

2.1 河南省城市化與生態環境耦合的時空格局演變

2.1.1 河南省城市化與生態環境耦合的時序分析 通過數據收集，計算2008—2018年河南省城市化與生態環境的發展指數、耦合度及耦合協調度，分析河南省城市化與生態環境耦合隨時間的變化情況。

2008—2018年，河南省的綜合城市化發展水平保持上升的趨勢(圖1)，從0.083上升到0.962，城鎮化進程不斷加快。從各層面來看，人口城市化水平整體呈現波動上升的趨勢，2008—2011年，人口城市化水平高于其他城市化水平。隨著建成區面積增加，2013—2015年空間城市化水平增長較快，2015年達到最大為0.172。2015年之后，市區面積大幅度增加，而建成區面積增加幅度不大，使建成區面積占市區面積比下降，導致空間城市化水平下降。經濟城市化水平和社會城市化水平保持穩步上升趨勢，其中經濟城市化水平增長趨勢較快，從0.017增長到0.307。2012—2018年，經濟城市化水平高于其他方面的城市化水平，說明經濟城市化對城市化發展水平的影響逐年提高。

圖1 2008-2018年河南省城市化發展指數

2008—2018年，河南省的綜合生態環境發展水平呈現波動上升的趨勢(圖2)，從0.110上升到0.862。2011年綜合生態環境發展水平下降，相較于2010年，人均水資源總量下降38.58%，人均工業煙塵排放量增加20.61%，生態環境治理能力下降。除了2011年和2016年出現下降趨勢，生態環境狀態水平整體呈波動上升趨勢，從0.044上升到0.244。下降原因是人均水資源量、人均公園綠地面積減少。2008—2015年，生態環境治理水平保持波動上升的趨勢，隨后幾年有所下降，在2015年達到最高。由于“美麗河南”“生態省建設”等措施的制定，生態環境壓力得到改善，2016年人均工業廢水排放總量、人均二氧化硫排放量同比2015年分別下降46.55%，69.67%，生態環境壓力明顯減輕。壓力改善程度變化曲線和綜合生態環境變化曲線大致相同，說明環境壓力因素對生態環境的影響會更大一點。政府應繼續加強生態建設，加強監管力度。

從城市化與生態環境耦合度及耦合協調度的變化趨勢可以看出(圖3)。耦合度值都在0.9以上，處于高度耦合。2008年，河南省城市化水平與綜合生態環境水平低且比較接近，導致耦合度較高，耦合協調度不高。隨著時間的發展，城市化發展水平不斷提升，生態環境水平波動上升，使得耦合度波動上升，耦合協調度不斷提升，耦合協調等級從基本不協調上升到高級協調。

圖2 2008-2018年河南省生態環境指數

2.1.2 河南省城市化與生態環境耦合協調度的空間差異 本研究選取3 a數據研究城市化與生態環境耦合的空間差異，分別計算2008，2013，2018年的河南省17個地級城市的耦合協調度(表3)，對比各城市的耦合協調度發展狀況，用ArcGIS軟件繪制城市化與生態環境耦合協調等級空間分布情況(圖4)。

圖3 2008-2018年河南省城市化與生態環境耦合度、耦合協調度

注：①鶴壁市； ②漯河市。

表3 各城市城市化發展指數、生態環境指數及城市化與生態環境耦合協調度

研究發現，鄭州的城市化發展指數和生態環境指數都相對較高，但生態環境指數一直低于城市化發展指數，從長期來看，鄭州市在經濟高速發展的同時要注意環境的保護。大部分城市都是生態環境指數高于城市化發展指數，但各城市的生態環境指數與城市化發展指數相差不一致，洛陽、安陽、三門峽市這些城市相差0.1左右，濮陽、漯河、南陽、商丘、信陽、駐馬店、周口市這些城市的生態環境指數遠高于城市化發展指數，最高相差0.619。

城市協調等級存在基本不協調、基本協調、協調、高級協調4種協調類型，大部分城市屬于基本協調類型，少數屬于協調類型。對比2008年和2018年的耦合協調等級的空間分布情況，鄭州市一直處于高級協調類型，也是耦合協調度最高的城市。洛陽積極推進“一中心六組團”城市發展戰略，加大交通、水利等基礎設施建設，城市化發展指數提高0.032，生態環境指數提高0.064，2018年提升為高級協調城市。商丘城市化發展水平相對其他城市排名最低，但城市化發展指數逐年提高，緩慢地縮小與其他城市之間的差距，協調等級從基本不協調提升到基本協調。雖然高級協調等級城市增加，但有部分城市從協調降為基本協調。新鄉、許昌、三門峽市城市化水平和生態環境質量稍有下降趨勢，其中生態環境水平下降較明顯，未來應注意生態建設。商丘、信陽、周口市屬于耦合協調度低的城市，主要是由于這些城市以農業發展為主，城市化發展水平滯后于生態環境水平。

2.2 空間相關性分析

2.2.1 全局空間自相關 本研究是基于鄰接空間權重矩陣的空間相關性分析，用全局莫蘭指數來反映耦合協調度是否在空間上存在相關性，使用Sata 13.0軟件計算城市化與生態環境耦合協調度的全局莫蘭指數(表4)。2008，2013，2018年的莫蘭指數都大于0，并通過顯著性檢驗(Z>1.96,p<0.05)，全局莫蘭指數逐年增加，說明河南省城市化與生態環境耦合協調度存在正相關性，耦合協調度空間相關性逐漸增強。

表4 城市化與生態環境耦合協調度全局莫蘭指數(Moran’s I)

2.2.2 局部空間自相關 空間自相關用Lisa聚類圖顯示(圖5)，河南省城市化與生態環境耦合協調度存在空間差異，主要體現在河南的南北部。河南西北部呈現顯著的高高聚類，東北部呈現顯著的低低聚類。高高聚類的城市集中在焦作、鄭州、洛陽市，可以看出高高聚類的城市逐漸以鄭州為中心。駐馬店、信陽、南陽、周口、商丘市這些相鄰城市的耦合協調度相對較低，從圖中可以看出，低低聚類出現在駐馬店、信陽市。從時間上看，高高聚類的區域在逐年增加，低低聚類的城市在逐年減少，進一步證明城市的空間相關性增強。

注：①鶴壁市； ②漯河市。

3 討 論

從河南省綜合城市化發展水平來看，剛開始是人口城市化水平較高，隨后是經濟城市化較高，說明不同時期，促進城市化發展的因素是不同的，現階段，經濟層面的發展影響著城市化的發展。從河南省綜合生態環境發展水平來看，生態環境壓力一直斷斷續續地成為影響生態環境水平的因素。隨著河南省人口逐漸增多，資源被不斷消耗，減輕環境壓力是關注的重點。

總體而言，河南省整體協調狀態逐漸變好。2008—2009年，河南省城市化綜合發展指數和生態環境綜合發展指數都較低，且城市化發展水平低于生態環境水平，屬于基本不協調狀態。2010—2014年，隨著城市化綜合發展指數上升，協調度上升至基本協調。2015—2018年，城市化發展水平和生態環境水平持續提高，城市化與生態環境相互促進、協調發展，逐步進入高級協調狀態。隨著河南省城市化發展趨勢來看，未來城市化綜合發展指數將會繼續緩慢上升。2018年，生態環境綜合發展指數低于城鎮化綜合發展指數，為防止生態環境水平滯后于城鎮化發展水平，河南省在未來發展中應更加注重環境保護，這樣才可能保持兩系統之間高耦合協調發展。如今，河南省越來越注重生態建設，未來耦合協調狀態將會有上升的空間。

河南省17個地級市耦合協調度隨時間變化也不相同，鄭州市一直是協調發展最好的城市，洛陽市不斷加強城市化建設，發展狀態由協調上升至高級協調。商丘市協調等級由基本不協調上升至基本協調，部分城市有下降趨勢。總的來說，城市協調等級向好的趨勢發展。從空間相關性分析城市耦合協調度，發現存在空間正相關，即說明相鄰城市耦合協調等級更相似。從空間相關性增強這個角度來看，說明相鄰城市在發展過程中，高協調城市會對周邊城市產生積極影響。目前從城市發展狀況來看，大部分城市應該加快城市發展，擺脫城市化滯后的困境，使城市化發展與生態環境協調發展。

4 結論與建議

4.1 結 論

文本以河南省為研究對象，用改進的耦合協調度模型，從時間、空間兩個維度分析河南省城市化與生態環境耦合協調發展狀況。結果表明，2008—2018年，河南省整體城鎮化進程加快，綜合生態環境水平不斷提高。經濟城市化和生態環境壓力分別對城市化和生態環境兩大系統產生了重要影響。城鎮化與生態環境的耦合協調度不斷提高，協調等級從基本不協調上升到高級協調，隨著城市發展與生態環境的優化發展，未來耦合協調度還有一定的上升空間。

從城市發展類型來看，多數城市的城市化水平低于生態環境水平。鄭州、洛陽是河南省的經濟中心城市，城市化水平較高，生態環境好，兩者耦合協調程度較高，處于高級協調水平，其他城市大都處于協調和基本協調水平。目前還是要注重城市化水平的發展，同時防止生態環境的破壞，促進兩者協調發展。從空間差異可以看出，利用空間相關模型分析耦合協調度，發現城市耦合協調度呈顯著正相關且相關性加強，呈現河南東南部低，鄭州及其周圍城市高的聚類格局。

本文研究河南省城市化與生態環境耦合的時空演變格局，對未來城市發展提供科學參考。同時也存在一些不足之處，雖得出城市化和生態環境壓力分別對城市化和生態環境兩大系統產生了重要影響，但缺少影響因素的分析，下一步將著重分析影響城市協調發展的因素。

4.2 建 議

(1) 加快城市化進程，提高城市化發展水平。河南省各城市的城市化水平不是太高，在未來發展中，應加快完善城市基礎設施建設，提高經濟實力，加大人才吸引力度，推動經濟區產業發展，不以犧牲生態環境為代價來提升城市經濟發展，擺脫城市化滯后的困境，提升城市高質量發展。

(2) 加強生態文明建設，促進生態環境水平良好發展。生態文明建設是城市化的必然條件，加強生態文明建設有助于城市化健康發展。政府應嚴格控制污染物的排放，鼓勵和提倡使用新型技術與工藝對廢水、廢氣等進行處理，減輕生態環境壓力，提高污水站處理能力，創新工業固體廢物綜合利用的技術路線，提高綜合利用率，實現城市綠色發展。

(3) 加強鄭州中心城市的發展。雖然鄭州耦合協調發展較好，但從空間格局來看，協調度高的城市聚集不多。鄭州周邊城市如許昌、新鄉等城市出現耦合協調度下降趨勢，要加強城市建設，積極與中心城市進行優勢產業對接，開封、焦作市應加大與中心城市的互通互聯，加快融合發展。

(4) 加快河南東南部城市的發展，縮小城市差距。從研究來看，河南東南部城市耦合協調度偏低主要是因為城市化發展水平較低，而這些城市多以農業經濟為主，要想提高城市發展，今后要推動農業現代化發展，發揮自己的優勢，加強農業、旅游業等產業發展，促進經濟發展，擴展城市發展空間。