基于生態環境改善的城市化質量評估方法優化與實證研究

康舒, 穆懷中

基于生態環境改善的城市化質量評估方法優化與實證研究

康舒, 穆懷中*

遼寧大學人口研究所, 沈陽 110036

為了在城市化質量評估中側重性體現生態環境改善的影響, 構建耦合生態環境要素的城市化質量評價的指標體系, 以遼河流域地區為例, 定量分析城市化發展質量并分析城市化發展與生態環境改善之間的耦合變化趨勢。研究結果顯示: 城市化質量和生態環境變化趨勢在不同時期協同變化趨勢不同, 遼河流域地區城市化水平逐年遞升, 生態環境質量則波動式變化; 納入生態環境要素的城市化質量評估能夠更為全面綜合體現城市化發展狀況, 并能為地區高質量發展提供指導。

城市化質量; 生態環境改善; 遼河流域

0 前言

城市化是現代化的必由之路。我國在經濟快速發展的同時, 城市化步伐也逐漸加快。在1978年和2014年, 我國的城市化率分別達到17.92%和54.77%[1]。就統計數據而言, 中國的城市化建設已達到世界平均水準, 而與此同時, 國家對生態環境質量狀況改善的要求達到空前的高度[2]。生態環境改善與城市化發展之間的關系是相互的, 一方面, 城市化過程能夠通過發揮規模效應、優化產業結構、提高城市人口素質和城市管理水平等途徑, 優化生態環境并改善生態環境質量, 而另一方面, 城市化過程中的人口增長、經濟發展、資源消耗、地域擴張及生活方式的改變等會帶來生態環境惡化, 進而影響生態系統的過程、結構和功能, 甚至引發生物多樣性減少、生態系統退化、土壤侵蝕和荒漠化、生物入侵等全球性生態環境危機。在此背景下, 研究城市化發展質量過程中就需要合理并有側重性體現生態環境方面的要素, 才能更好地指導城市化高質量發展。

目前國內對于國家、區域、城市群、省市等尺度[3-6]的生態環境、城市化發展質量評價等均有較為系統的研究。此外, 對于城市化與生態環境的協調關系也研究頗多[7-9]。在生態環境評價方面, 大多研究通過構建和完善評價指標體系的方式來進行相關研究和評價, 但是評價體系中考慮的要素越來越全面, 從生態系統的機構、功能、和協調度等方面來構建生態環境評價體系[10]; 在城市化發展質量評價方面, 通常研究中也基于指標體系的構建, 從提高指標可信度和全面性方面來提高城市發展質量評價的準確性和合理性; 此外, 在生態環境與城市化協調關系研究方面, 利用多種方法, 包括耦合協調分析[11-12]、脫模模型分析[13-14]、PSR與GCQ模型運用[15]、交互脅迫關系驗證[16]、庫茲涅茨曲線分析[17-18]等, 研究了不同系統間的相互作用機理、協同關系等。通常認為, 生態文明建設水平較城市化發展水平相對滯后, 二者耦合協調發展過程存在波動性[19]。

城市化發展與生態環境改善之間的關系錯綜復雜, 但, 目前在城市化質量評估指標體系中對于生態環境要素的體現缺乏側重性和突出性, 大多數城市化發展質量評價研究中的生態環境相關評價指標對實際生態環境改善的體現性有限。隨國家和地區對生態環境質量狀況的要求日益增高, 同時在相關文件中對水、大氣、固廢等環境的改善程度都有具體需求, 如達標率、排污削減量等, 但上述方面在目前的城市化質量評價體系中的體現并不充分和直接, 進而會導致城市化質量評估結果難以滿足國家對地區生態環境改善的具體要求。因此, 亟需扣合國家對地方的生態環境改善需求, 合理篩選生態環境評估指標, 將其納入城市化發展質量評價體系中, 從而將生態環境改善作為重要約束來綜合評估城市化發展質量。

本文以遼河流域為研究區域, 遼河流域是我國東北地區最重要的流域之一, 且其流經區域, 尤其是遼河干流流經遼寧省多個城市, 這些地區是我國短時限高強度的城鎮化地區, 城鎮化與生態環境相互作用關系存在諸多問題。本研究通過構建耦合生態環境要素的城市化質量評價的指標體系, 定量分析城市化發展質量并分析城市化發展與生態環境改善之間的耦合變化趨勢, 從而提高城市化質量評估的合理性和指導性。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域

遼河流域是我國七大流域之一(圖1), 位于我國東北地區的西南部, 包括遼河干流和渾太(渾河、太子河)兩大水系, 流經河北、內蒙古、吉林、遼寧四省, 流域面積21.96萬km2, 遼河全長1345 km。遼河流域地勢大體自北向南、自東西兩側向中部傾斜, 形成中部遼河平原。遼河中游為沖積平原, 海拔200 m 以下, 下游平原海拔在50 m以下, 地勢低平易澇。遼河流域是我國經濟較發達的地區, 主要為遼寧省中部城市群, 這一區域以能源、冶金、機械、和建材等工業類型為主, 城市工業污水和生活污水污染以及農業面源污染的負荷較大[20], 根據2018年中國生態環境公報, 遼河流域水體為中度污染。遼河流域面臨生態環境改善和城市化發展的雙重壓力, 因此作為本研究的實證案例研究區域。

1.2 研究方法

本文主要結合對于傳統城市化發展質量和生態環境狀況評價分別基于客觀性、系統性、和可比性原則構建相應評價指標體系。指標體系的構建分為三個層別: 總目標層、子目標層、和指標層。

基于上述指標體系的構建, 使用熵值法確定指標權重。熵值法和層次分析法(AHP)都能用于確定指標權重, 相比而言, 熵值法客觀性更強, 能夠有效避免主觀因素帶來的偏差, 在諸多研究中得以廣泛應用。具體賦值和計算步驟為:

(1)構建判斷矩陣:=(x)*n(共有個樣本和個指標)

圖1 遼河流域行政區域圖

Figure 1 The location of Liao River Basin in China

(2)對判斷矩陣中的指標數據進行無量綱“歸一化”處理, 得到標準化后的矩陣B。歸一標準化方法使用極差法, 分正向指標(數值越大指標越好)和負向指標(數值越大指標越差)兩類分別對應公式進行計算:

B=(x–minx)/(maxx–x) (正向指標)

B=( maxx–x)/(maxx–x)(負向指標)

(3)計算不同指標的信息熵Hj:

(4)計算不同指標的權重值Wj:

(5)計算城市發展質量或生態環境綜合指數Si:

1.3 傳統城市化質量評價指標體系構建

傳統的“城市化”發展特征在于人口的城市化遷移、非農職業的增加、社會生活的轉型和產業結構的變化等方面, 具有較為明顯的系統性和復雜性。因此, 本文中對于傳統城市化發展質量的評價指標體系中共涉及人口城市化、經濟城市化、和社會城市化等三個子目標層。并且, 參考東北地區已有的研究[21], 整合其成果的評價指標體系, 通過各指標出現的頻率高低來進行排序, 同時結合研究區域的實際情況, 取部分排在前列的指標構建傳統城市化指標體系。各指標權重以及城市發展質量綜合指數的計算過程如1.2所示, 權重計算原始數據來自遼寧省統計局統計信息(http://ln.stats.gov.cn/tjsj/), 查詢范圍為2010年到2019年, 部分缺失數據通過移動平均法補齊。指標體系見表1。

1.4 生態環境評價指標體系構建

本研究中生態環境評價指標體系的構建首先基于已有研究中對于生態環境評價的相關指標。此外, 按照國家生態環境部對于不同地區和流域的相關生態環境統計情況追加了其它能夠直接反映生態環境考核的指標, 分為水體環境、大氣環境、固廢處置、和其它等四個子目標層, 共包含了17個生態環境指標。評價指標體系以及各指標權重值見表2, 各指標權重值以及生態環境綜合指數的計算過程如1.2所示, 權重計算原始數據來自中華人民共和國生態環境部(https://www.mee.gov.cn/hjzl/sthjzk/)和遼寧省生態環境廳(http://sthj.ln.gov.cn/), 查詢范圍為2010年到2019年, 部分缺失數據通過移動平均法補齊。

1.5 綜合城市化質量評價指標體系構建

將1.3和1.4部分中的所有指標加以綜合后, 得到綜合城市化質量評價指標體系。其中, 傳統城市化發展發展質量賦予權重0.4, 生態環境狀況賦予權重0.6, 將1.3和1.4部分的綜合得分乘以各自權重權重并加和后, 得到綜合城市化質量得分。

表1 “傳統”城市化發展質量評價指標體系

表2 生態環境評價指標體系

1.6 數據來源

遼寧省以及各地市可利用的2008年至2018年近10年的年鑒統計數據, 并結合生態環境部和遼寧省的年度生態環境狀況公報、生態環境統計年報中相應數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 遼河流域城市化發展質量評估

2008—2018年間遼河流域城市化發展質量綜合指數變化情況如圖2, 城市化發展質量呈現逐年遞升的趨勢, 但城市化發展質量的增長速度在逐步放緩, 其中, 2011年與2010年相比, 城市化發展質量增長了21%, 而2018年與2017年相比, 城市化發展質量則增長了2.86%。馬紅梅等(2020)[22]以西部11省為研究區域, 使用評價指標體系的方法對其城市化發展質量進行了統計分析, 得到我國西部11個省的城市化發展質量演變趨勢(圖3), 也呈現逐年遞增。可以看到, 全國性的城市化進程和國家相關政策的激勵, 對于我國城市化進程的推進是較為顯著的。此外, 遼河流域地區和西部11省的城市化發展提升速率也呈現一致性, 即從2015—2018年間相較2008—2015年間城市化發展提升速度放緩。

對于我國其它地區的城市化發展質量也有研究, 但通常并未從長時間尺度序列上進行系統分析, 如有學者[18]對珠三角地區2014年的城市化質量進行了評價, 方法與本研究類似, 其得到的廣東省不同地級市的城市化質量綜合指數, 其中深圳市排名最高, 綜合指數達到0.6477, 高于本研究遼河流域同時期的城市化質量綜合指數(0.5875), 這與我國南北方城市化發展的基本情況較為吻合。

上述城市化發展綜合指數評價過程中, 并未對生態環境的狀況做到有側重性的考量, 基本是從人口、經濟、和社會城市化的角度來進行綜合評價, 得到的結果呈現一致性較高, 且東北地區與西部地區、以及南方地區具有一定的空間差異性, 整體發展趨勢與國家高速城市化發展的大背景極為契合, 而因各地區的城市化發展策略的不同, 區域之間的城市化發展質量呈現差異。

2.2 遼河流域生態環境質量狀況

2008—2018年間遼河流域生態環境指數的變化情況見圖4, 2008—2011年間生態環境指數呈現遞增的趨勢, 2011—2012年間生態環境指數呈現一定的降低。而從2013—2018年間則生態環境指數重新呈現穩步增加的趨勢, 這可能與遼河流域內國民經濟轉型有關。以遼寧省為例, 截至2014年, 遼寧省產業結構調整取得積極進展, 服務業占GDP比重達到41.8%, 比“十一五”期間提高3.1個百分點[25], 消費的占比超過了投資, 從源頭上減輕了污染排放。可見, 與城市化質量綜合指數逐年上升趨勢不同的是, 生態環境指數則會產生一定的波動。

圖2 遼河流域地區城市化發展質量綜合指數年度變化圖(2008—2018)

Figure 2 The comparison of the comprehensive indexes of assessing the quality of urbanization across different years of Liao River Basin (2008-2018)

圖3 遼寧省與西部11省(平均)不同年度的城市化質量綜合指數變化

Figure 3 The comparison of the comprehensive indexes of assessing the quality of urbanization between Liaoning province and 11 western provinces (average) across different years

根據國家生態環境部2008—2018年生態環境公報中有關遼河流域的斷面水質狀況(圖5), 在2011年相比2010年III類和優于III類水體比例基本保持不變的情況下, 劣V類水體比例發生了降低, 說明整體水生態環境狀況在發生好轉, 而2012年的劣V水體則較2011年又再次發生升高, 而圖3中生態環境指數的降低也能在一定程度上說明該問題。值得注意的是, 2013—2018年間, 根據遼河流域的水質狀況, 劣V類水體比例又產生了一定程度的升高, 而生態環境指數也在升高, 這可能是因為地區在包括大氣、固廢、以及其它環境方面做出的正向貢獻在一定程度上消除了水體惡化帶來的影響。以遼寧省為例, 自2012年起, 經過不斷地治理, 省內的空氣質量有著明顯改善[26]。2018年, 遼寧全省空氣質量達標天數為296天, 比例為81.1%, 大氣環境質量繼續保持穩中向好(圖3)。

圖4 遼河流域生態環境指數年度變化圖(2008—2018)

Figure 4 The comparison of index of assessing eco-environmental quality across different years of Liao River Basin (2008-2018)

圖5 遼河流域不同水質比例水體變化趨勢圖(2008—2018)

Figure 5 The changing trends of water quality across different years of Liao River Basin (2008-2018)

表3 2014—2018年遼寧省城市環境空氣質量級別比例

通過對比城市化指數和生態環境指數的協同變化情況(圖6)。在不同的時間段內, 兩者呈現出不同的變化趨勢。在2008—2013年間, 城市化質量逐年提高, 綜合指數呈現連續增長的趨勢, 而生態環境指數則呈現先增加后降低, 又增加的趨勢, 前期研究中[23], 對于生態環境的演變趨勢, 通常會呈現“U”形變化曲線, 也就是庫茲涅茨曲線, 隨城市化發展, 生態環境遭受一定的損害, 隨著城市化的進一步發展, 其與生態環境改善之間會達到一種平衡狀態, 進而保持城市化與生態質量改善相互協調的關系。在東北三省城也有類似研究, 舒婷采用層次分析法對東北三省城鎮化水平和生態環境水平進行了研究, 生態環境指標分三類共9項。與本研究相比, 其獲得的遼寧和吉林地區生態環境綜合指數年際變化波動性更大, 與城鎮化綜合指數的耦合度相對較低[21], 其生態環境指數可能無法較全面地反映真實情況。

2.3 基于生態環境改善的城市化發展質量綜合評估

本文將生態環境改善相關指標納入城市化發展質量評價指標體系中, 將遼河流域2008—2018年間的城市化發展質量進行綜合評估, 評估結果見圖7。將生態環境要素納入到城市化發展質量評估體系中后, 城市化質量綜合指數在2009—2011年間基本無影響, 生態環境的改善的同時因國家和地區生態環境相關專項資金的支持會給地區帶來了經濟的正向促進, 這可能在部分程度上會帶來城市化綜合質量指數不發生降低; 從2012年開始, 生態環境的改善在一定程度上降低了城市化發展指數, 這是因為在生態環境保護方面的投入持續性加大, 對于地區的產業結構和工業產值帶來了較大的影響, 從而帶來綜合指數的降低, 但因城市化質量指數和生態環境改善整體上升趨勢一致, 因此, 綜合指數的變化趨勢與原不考慮生態環境改善指數的變化趨勢仍然保持一致。

圖6 2008—2018年遼河流域城市化質量指數與生態環境指數協同變化圖

Figure 6 The changes of the indexes of assessing the quality of urbanization and assessing the eco-environmental quality of Liao River Basin from 2008 to 2018

圖7 遼河流域2008—2018年城市化質量指數與綜合評估指標變化趨勢圖

Figure 7 The changing trends of the indexes of assessing the quality of urbanization and the comprehensive evaluating indexes of Liao River Basin from 2008 to 2018

3 討論

經濟發展與生態環境保護和改善的相互制約與協調是城市化發展過程中最為常見的問題。為了完善城市化質量過程中生態環境改善的作用, 本文以遼河流域為例, 探索城市化質量與生態環境改善之間的動態響應關系, 同時為合理制定綜合城市化質量發展評價方法提供科學依據。

本文基于對不同時期城市化質量與生態環境改善之間關系的分析(圖2和圖4), 得到兩者存在相互制約、又相互耦合的作用關系。城市化質量與生態環境改善之間存在復雜的響應關系, 同時生態環境改善又是城市化發展質量的重要表征要素。因此, 將生態環境要素納入城市化發展質量評估指標體系能夠更好地反映城市化發展質量的綜合水平。對于本文的研究區域遼河流域來說, 該地區從2001年開始, 在“加速推進工業化、城市化”的政策引領下, 城市化水平得以迅速提升, 同時對生態環境造成了嚴重的影響。但是從2005年開始, 進入“十一五”建設時期后, 國家重大水體專項等項目的實施在水體改善方面起到了很大的正向促進作用, 促進2008—2010年間該地區的生態環境得以持續性改善。之前曾有研究對2000—2010年遼寧省生態環境狀況進行綜合評價[24], 得到的結論與本文十分類似。而在2011—2013年間, 生態環境指數也呈現了一個短期的“先降低, 后升高”的趨勢。此后從2014年開始, 遼河流域地區的城市化質量與生態環境改善情況基本達到了協調統一變化的狀態。國家和地區在“十二五”和“十三五”建設時期, 除了水環境改善外, 在大氣環境和固廢環境等方面國家和地方的相關政策支持也起到了很大的推動作用, 從而在水環境狀況不能穩定性實現持續好轉的前提下, 整體生態環境指數還能產生“整體向好”的趨勢。

根據本文研究, 從2005年之后, 遼河流域的生態環境改善達到了一種空前的高度, 從遼河流域的黑臭水體整治, 到流域生態環境重點問題的突破, 再到流域綜合整治示范等, 同時在2005—2015年間得到了包括國家水體重大專項等項目在內的大量資金支持, 從而對于該地區的生態環境改善和城市化發展同時起到了正面促進作用。此后, 在城市化發展過程中對生態環境造成影響的主要問題得到解決之后, 城市化的發展速度以及生態環境的改善速度都會產生一定程度的滯后, 這也符合地區在處理城市化發展和生態環境改善矛盾時的常見規律[19]。綜上, 生態環境改善與城市化發展在不同時期和階段會呈現不同的作用關系, 當經濟發展處于“粗獷”發展模式下時, 生態環境改善的投入能夠帶來生態環境的改善, 同時解決城市化發展的“卡脖子”問題, 進而在提升城市化發展綜合指數方面起到顯著的促進作用。而當城市化發展和生態環境改善達到了一種較為協調的狀態時, 生態環境改善與城市化發展達成相互促進的關系, 從而促進地方城市化高質量發展。

結合本文得到的城市化發展對生態環境的非線性影響, 以及大量前期研究[16-17,19-20]中對于其它地區開展的類似研究, 城市化發展與生態環境之間存在著較為典型的環境庫茲涅茨響應關系。低質量的城鎮化會抑制生態環境水平的提升, 而高質量的城鎮化則能促進生態環境水平的提升。此外, 生態環境水平的改變同時也在反向影響城市化發展質量中的其它指標, 在自然條件、城市文明、產業升級、技術進步、制度創新等多方面的共同作用下, 才能夠實現城市化與生態環境的良性互動。解決城市化發展和生態環境改善的另一關鍵問題還在解決兩者之間“高耦合度、低耦合協調度”的弊端[10], 這一弊端的解決關鍵在于摸清生態環境改善各要素與其他要素之間的耦合響應關系, 通過“trade-off”權衡分析, 得到地區高質量城市化發展的途徑。本研究的一大突出點是通過完善生態環境指標的方式, 將目前我國相關國家政策對生態環境改善的約束在城市化質量評價體系中有側重性的體現, 這將對進一步在進行地區城市化發展相關策略制定提供有力的支撐, 因其能夠將國家對地方在生態環境改善方面的要求得以切實落實, 而基于已有其他研究的評價體系, 尚不能體現國家對地方在生態環境改善方面的具體約束, 而本研究則彌補了此項不足, 契合當下我國對生態環境改善和生態文明建設的高度需求。

4 結論

本文構建了耦合生態環境要素的城市化質量評價的指標體系, 定量分析城市化發展質量并分析城市化發展與生態環境改善之間的耦合變化趨勢, 得到下述主要結論: (1)2008—2018年間, 遼河流域地區城市化發展水平逐年提升, 通過與西部地區和南方部分省市的城市化發展水平比較, 時間序列上的變化呈現一定的差異, 同時在城市化發展水平方面, 遼河流域地區優于西部11省發展水平, 而低于珠三角地區; (2)遼河流域地區2008—2018年生態環境綜合指數變化呈現波動趨勢, 在2008—2012年間發生了不同程度的降低和上升趨勢, 從2013年后則穩步上升, 與國家和地區的生態環境改善投入有一定關系; (3)將生態環境要素納入城市化質量評價體系中后, 城市化發展綜合指數在2008—2012年間發生了部分提升的現象, 而在2013—2018年間, 城市化發展綜合指數則較不考慮生態環境要素發生一定程度降低, 這與城市化與生態環境達呈協調發展存在關系, 納入生態環境要素綜合評估城市化發展質量對于地區高質量發展具有指導意義。

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Research on the optimization of method to assess urbanization quality based on the improvement of ecological environment

KANG Shu, MU Huaizhong*

Institute of Population, Liaoning University, Shenyang 110036, China

To reflect the impacts of the improvement of eco-environmental quality in assessing the quality of urbanization, a comprehensive index system was constructed. The Liao River Basin was taken as the study area. The quality of urbanization across different years was quantitatively analyzed, and the coupling relationships of urbanization and the improvement of eco-environmental quality were furtherly investigated. The results showed that the changing modes of urbanization quality and the ecological environment quality in the study area varied. From 2008 to 2018, the urbanization levels of the study area increased year by year, whereas the eco-environmental quality of different years fluctuated. It was also found that after incorporating the index relative to environmental quality into assessing the quality of urbanization, the assessment of urbanization could be more convictive as the developing quality of urbanization was reflected in a more comprehensive way. The findings would provide valuable guidance for the urbanization with high quality in Liao River Basin.

urbanization quality; ecological environment improvement; Liao River Basin

康舒, 穆懷中. 基于生態環境改善的城市化質量評估方法優化與實證研究[J]. 生態科學, 2022, 41(5): 105–113.

KANG Shu, MU Huaizhong. Research on the optimization of method to assess urbanization quality based on the improvement of ecological environment [J]. Ecological Science, 2022, 41(5): 105–113.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.05.013

X22

A

1008-8873(2022)05-105-09

2020-08-20;

2020-10-09

國家自然科學基金青年項目(41601154); 國家社會科學基金青年項目(15CRK001)

康舒(1987—), 男, 遼寧阜新人, 博士在讀, 主要從事城市化發展與生態環境的協調發展關系, E-mail: 592750027@qq.com

穆懷中, 男, 博士, 教授, 主要從事人口、資源與環境的關系研究, E-mail: 349605658@qq.com