基于圖譜分析的福建省生態環境與城市化耦合關系研究

陳菁

(莆田學院環境與生命科學系,福建莆田351100)

城市化是指人口向城市地區集中和農村地區轉變為城市地區的過程[1]。城市化具有多維涵義,它主要包括人口遷移、經濟發展、空間擴張和生活提高之間互相聯系、互相促進。其中,經濟發展是基礎,人口遷移和地域擴張是表現,生活水平提高是最終結果或目標[2]。而生態環境是指與生物體相互作用的資源環境或與生物體進行物質能量流動眾多因素的集合[3]。根據生態環境諸要素對城市化的不同作用,可將生態環境劃分為生態環境現狀、生態環境壓力和生態環境保護。城市化與生態環境之間的關系就是城市化中的人口、經濟、空間和社會城市化的4個方面與生態環境的3個子環境之間的相互作用、相互耦合中形成的。城?市化與生態環境是一種相互作用、交互耦合的關系。其人口增長、經濟發展、資源能源消耗和城市的地域擴張都對生態環境產生脅迫作用,而另一方面,生態環境通過環境選擇、人口遷移、資金分配、政策制度影響和環境變化等都對城市化的進程產生約束作用。

地學信息圖譜是進入20世紀90年代以來,由著名地理學家陳述彭等首次提出,是中國科學家首創的一種新概念和新方法[4-6]。它是按照一定指標遞變規律或分類規律排列的一組能夠反映地球科學時空信息規律的數字形式的地圖、圖表、曲線或圖象[7]。目前在地學信息圖譜的研究主要有：(1)對定義和科學內涵的理解[8-9];(2)總結地學信息圖譜的理論基礎[10-11];(3)理論體系與技術手段方面的研究[12-13];(4)進行地學信息圖譜的應用實例的研究[14-15]。對城市化過程中的生態環境的圖譜研究主要是以生態環境動態數據庫為信息源,經過圖形思維與抽象概括,并以計算機多維動態可視化技術,顯示城市化和生態環境耦合的空間形態結構與時空變化規律[16-17]。本文主要通過城市化與生態環境耦合關系的研究,結合地學信息圖譜的方法論,利用耦合度和耦合協調度模型,對城市化和生態環境之間的耦合關系進行定量分析,以圖譜的形式來表達二者之間的耦合關系。

1 研究區概況

福建省地處中國東南部,陸域介于北緯 23°30′-28°22′,東經 115°50′-120°40′之間,東西最寬約為 480 km,南北最長約為530 km,陸域面積12.4萬km2,海域面積為13.63萬km2,海岸線總長6 128 km,其中大陸線3 752 km,居全國第一位。福建省氣候溫和,雨量充沛,擁有豐富的自然資源。福建省人均土地資源和耕地面積遠低于全國平均水平,人地矛盾突出。近10年來,土地利用/土地覆蓋結構變化劇烈,耕地面積銳減,居民點和工礦用地以及園地迅速擴大,交通用地顯著增加,未利用地大面積開發,土地利用結構調整余地十分狹小。福建地表水資源比較豐富,但時空差異較大,洪澇干旱災害頻繁發生,沿海水資源供需平衡矛盾突出,對局部生態環境產生一定壓力。

福建省城市化水平存在明顯的區域差異。至2009年末,全省總人口達3 627萬人,全年凈增人口23萬人,城鎮化水平為51.4%,但是城市化水平呈現出明顯的區域差異。首先,最主要的差異體現為經濟發展總體水平的差異,閩東南沿海地區和內地沿主要交通干線地區的經濟發展水平普遍高于閩西北、閩東北欠發達地區。其次,進一步的差異主要體現為“人口城市化水平”和“城市產業結構”的差異。在工業化基礎較好的地區,第三產業興旺發達,城鎮體系完善,這都是城市化進程深化的表現,是城市化向后城市化階段過渡的標志,如福州市。但在一些工業基礎較薄弱地區,或專以旅游業等第三產業為支柱產業的地區,盡管城市化總體水平不高,但第三產業與第二產業產值比卻較高,如武夷山市、寧德市,這是一種具有地方特色的城市化道路[18]。

2 福建省生態環境與城市化耦合關系模型的建立

2.1 生態環境與城市化耦合指標體系的建立

本研究所使用的數據主要包括福建省及其各地市2007年統計年鑒及統計公報,空間基礎數據采用1∶100萬的中國國家自然地圖集(包含植被區劃圖、土地利用圖、土壤侵蝕圖、土壤區劃圖、人口密度圖等)。利用SPSS 16.0軟件對指標層各指標進行標準化處理以消除量綱的影響。由于城市化與生態環境之間存在耦合、互動的關系,為了揭示它們之間發展的耦合強度與協調程度,根據指標選取的主導性、層次性、動態性和可操作性原則,分別對區域城市化和生態環境指標予以篩選,建立指標體系,如表1。

采用層次分析法確定指標體系中各個指標的權重。層次分析法的步驟主要包括：建立層次結構模型、構造兩兩判斷矩陣、單準則排序、一致性檢驗、得出權重結論。本文在構建福建省生態環境與城市化耦合指標的基礎上,以德爾菲法為主要方法,確定指標體系中各指標及各目標層之間的權重關系,構建了判斷矩陣 A 、B1、B2、C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7。通過20位有權威和代表性專家對各個指標進行的評分之后 ,利用判斷矩陣 A 、B1 、B2 、C1 、C2 、C3 、C4 、C5 、C6 、C7和權重計算公式,見公式(1)。通過評定的各指標的相對重要性,然后數量化確定各評價因子的權重Wj,專家打分后綜合,得到各指標的最終權重。最后通過滿意的一致性檢驗,認為判斷矩陣具有一致性,說明評價因素的權重分配是合理調整判斷矩陣。

式中：R——判斷矩陣;r ij—— 第 i行的指標對第j列指標的重要系數;n——行或者列的指標數量;Wj——第j列指標的權重系數。通過專家的評分和計算,可以得到各個指標的權重。具體各個指標的權重見表1。

表1 福建省生態環境與城市化耦合指標及其各層次權重分配表

2.2 耦合關系模型的建立

耦合度就是描述系統或要素相互彼此作用影響的程度。系統由無序走向有序機理的關鍵在于系統內部序參量之間的協同作用,它左右著系統相變的特征與規律,耦合度正是反映這種協同作用的度量[19]。由此,可以把城市化與生態環境兩個系統通過各自的耦合元素產生相互彼此影響的程度定義為城市-生態環境耦合度[20],它的大小反映了對區域社會-經濟-環境系統的作用強度和貢獻程度[21]。二者是一種相互作用、交互耦合的關系。本文中的城市化與生態環境耦合交互作用的模型由兩部分組成,即耦合度模型與耦合協調度模型[22]。

借鑒物理學中的容量耦合概念及容量耦合系數模型,可以得到城市化與生態環境的耦合度函數[23]。對耦合度值C進行劃分并定義,如表2。

由于每個地區的城市化與生態環境建設的影響因素都有其交錯復雜、變化和不均衡的特性,單純依靠耦合度判別有可能產生誤導,為此,構造城市化與生態環境耦合協調度函數[24-25],其目的是評判區域城市化與生態環境交互耦合的協調程度。為便于使用,耦合協調度(D)可劃分為：(1)0＜D≤0.446,為低度協調耦合;(2)0.446＜D≤0.507,為中度協調耦合;(3)0.507＜D≤0.6,為高度協調耦合。

3 福建省生態環境與城市化耦合關系的圖譜分析

3.1 福建省生態環境與城市化耦合關系的空間格局分析

本文利用層次分析法的加權求和法對福建省各縣市的城市化指數和生態環境指數進行計算,并根據耦合度和耦合協調度模型,利用城市化與生態環境的耦合度函數和耦合協調度函數對福建省各縣市的耦合指標進行計算,結果如表3所示。根據表3利用地學信息圖譜的方法建立耦合度和耦合協調度的空間格局圖,如圖1和圖2所示。

表2 城市化與生態環境耦合值劃分

圖1 福建省生態環境與城市化耦合度空間格局圖

(1)2007年福建各個市區的城市化與生態環境交互耦合的時序基本處在頡頏時期,但耦合度明顯存在著地域差異,如圖1所示。依據大小排序對地區的耦合強度進行劃分,可將福建67個縣市劃分為3類：①高強度耦合作用地區;②低強度耦合作用地區;③中等耦合強度的其它地區。

圖2 福建省生態環境與城市化耦合協調度空間格局圖

(2)耦合協調度數值較小說明城市發展與生態環境建設的目標不盡一致,相互協調程度不夠。如圖2所示,從2007年福建耦合協調度的空間分布看,不僅福建省城市化與生態環境耦合協調的類型存在地區差異,而且耦合協調的程度也明顯存在著地域差異,市轄區的協調發展程度普遍高于其它地區。結合耦合協調度區間劃分的標準,可以將福建省67個縣市劃分為3類：①高度協調地區,說明城市化與生態環境同步型、較理想;②低度協調地區,說明城市化發展超前型、超過生態環境承載力閾值范圍內;③中度協調地區,說明城市化發展滯后型、保持在環境承載力閾值內。

表3 福建省生態環境與城市化耦合綜合評價結果表

(3)對比圖1、圖2可得知,2007年福建省城市化與生態環境耦合強度與耦合協調程度在空間分布不具有對稱性,依據耦合度和耦合協調度的組合可以將67個地區劃分為8類,其分級面積比見圖3：①高強度耦合高水平協調發展型,主要是大部分市轄區,屬于福建省經濟發展最高水平地區,其城市-經濟-生態環境顯示出互相促進,相互發展的態勢;②高強度耦合中等水平協調發展型,包括莆田市轄區、寧德市轄區等一些經濟較發達區域,其城市化發展與生態環境建設也顯得較為和諧;③高強度耦合低水平協調發展型,包括永定、周寧兩地區,這兩個地區城市化水平得到迅速提高,但由于本地生態環境承載力的限制,其城市化與生態環境共同發展的協調程度很差,急需改變發展方式來調整二者的發展關系;④中等強度耦合高水平協調發展型,包括明溪地區,城市化得到較快的提高,并且當地本身的環境承載力較強;⑤中等強度耦合中等水平協調發展型,包括建甌、長泰、華安、仙游等地區,由于這些地區城市化發展已有一定歷史基礎,它們的城市化與生態環境建設協調已經處于一定適度范圍內;⑥中等強度耦合低水平協調發展型,包括上杭、柘榮等地區,它們都是城市化發展基礎較差的地區,近年來在快速推進城市化進程中導致了生態環境破壞,與城市建設不協調;⑦低強度耦合中水平協調發展型,包括閩侯、武平、連城等地區,經濟落后,但對生態環境的建設卻有足夠的重視。⑧低強度耦合低水平協調發展型,包括壽寧、尤溪、清流等地區,是福建省經濟發展相對落后地區,由于歷史和自然條件的限制,其城市化與生態環境建設壓力都很大,這些區域目前也急需要調整發展方式。

圖3 福建省生態環境與城市化耦合強度與耦合協調程度分級面積比

3.2 生態環境與城市化耦合關系的區域分異狀況分析

從各地市的地區分異來看,如圖4所示：(1)廈門市的的耦合協調度和耦合度都很好,是高強度高協調的地區。事實上,廈門的高強度高協調的耦合現狀是依靠該地區發達的經濟支撐著。(2)福州市的耦合程度從圖4中可以看出該地區的中強度中協調的面積比較大,其次是低強度中協調和低強度低協調程度,高的協調度和耦合度在該地區所占的面積比較小。(3)莆田市地區的耦合和協調程度相對比較好,莆田市的人口城市化指數很低,這就制約著莆田市的城市化發展。在協調程度上,雖然莆田市是中等協調程度,但環境污染卻較重,這說明它是典型的以犧牲生態環境質量為代價來換取經濟的發展,還是走先污染再治理的老路。(4)三明市各地區的耦合和協調度情況主要呈低強度低協調程度的狀態。雖然在生態環境水平上該地區指數都比較高,但是由于對環境的保護不重視,導致了生態環境的破壞。環境的破壞也大大影響了城市化的進程,使得二者不能建立一種很好的協調耦合關系。(5)泉州市地區整體耦合強度和協調程度良好。在圖4中,該市耦合度與協調度等級主要是高強度中協調、高強度高協調和中強度中協調這3個程度等級上面。(6)漳州市地區耦合強度和耦合協調程度主要集中分布在中強度中協調度和低強度中協調度上。在該地區突出的一點是環境壓力總體上都很大,單方面的發展城市化,忽視了生態環境的保護,使得環境失衡。所以,未來這個地區的工作重點應放在減少生態環境壓力這方面。(7)南平市協調程度都在中等程度以上,城市化和生態環境二者的整體協同效應是比較好的。(8)龍巖市地區的耦合強度和協調度的面積比分布較分散,程度等級分布也很分散。可以充分發揮其生態環境水平的優勢,加快該地區的經濟發展,優化人口密度,利用生態環境的優勢來帶動該地區的城市化發展。(9)寧德市協調程度都是在中低水平,城市化與生態環境的整體協同效應不好,城市化不能很好協同生態環境的發展。因此,在城市化與生態環境的發展中,要一方面加大人口城市化,同時也要注意保護生態環境。

圖4 各地市生態環境與城市化耦合強度與耦合協調程度分級面積比

4 結論與討論

在本次生態環境和城市化耦合關系的研究中將地學信息圖譜和層次分析法相結合,充分發揮信息圖譜的空間分析能力和層次分析法善于多要素綜合評價的長處,實現圖譜和數學模型的結合,以圖形與譜系的方式來表達生態環境的質量,建立福建省生態環境和城市化耦合關系信息圖譜,并分別從綜合評價的等級圖譜、綜合評價指標的相關性及各個地區的具體現實情況3方面對福建省的生態環境和城市化耦合關系進行深入的分析,具體分析了各個地區的生態環境和城市化耦合關系的情況和存在的問題,并就具體的問題提出具體的解決方案,為生態環境和城市化耦合關系研究提供了新思路。從福建省的總體情況來看有這樣的一些特點：

(1)一個地區的市轄區的耦合程度優良,而下屬的幾個縣區的情況比較差,區域間的不平衡發展是一個很大的問題,一個地區不能只發展龍頭區域,轄區的發展也要能帶動地方縣區的共同發展。

(2)福建省的人口城市化、空間城市化和生態環境水平優良所占的比例比較高。福建省是全國植被覆蓋率最高的一個省份,這對生態環境水平有良好的促進作用,也是一個巨大的生態環境優勢。雖然人口城市化指數高的地區比較多,但是福建省人口密度分布不均勻,形成兩極分化,高的上千,低的只有幾十。密度高的主要集中在沿海的幾個比較發達的城市。應大力推動人口向內地遷移。推動空間城市化的動力來自人口密度,而推動人口密度平衡發展的動力來自于經濟的平衡發展。社會城市化是福建省的主要薄弱環節。

(3)從整體上看福建省生態環境與城市化的耦合協調關系,中強度中協調的地區比較多,低強度低協調的地區比較少。福建省生態環境與城市化耦合關系較好,協調度比較高,生態環境和城市化的整體協同效應比較好。二者協同發展的能力比較強,對于福建省這個高森林覆蓋率的省份,是一個很好的契機。

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