城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境耦合關系研究*——以長株潭城市群為例

羅能生，李佳佳，羅富政

(湖南大學，湖南 長沙 410079)

隨著全球經濟的不斷發(fā)展，城市化進程的不斷加快，城市化程度已經成為衡量一個國家和地區(qū)經濟、社會、文化、科技水平的重要標志。目前，我國正處在城市化加速發(fā)展時期，城市化水平從1978年17.92%到2011年的51.27%，年均增長率達到了1.01%，城鎮(zhèn)的不斷發(fā)展和壯大成為推動我國經濟增長和社會進步的“引擎”，但是快速城鎮(zhèn)化在顯著改善人民生活水平的同時，也帶來了一系列的環(huán)境問題。因此，城市化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展的問題成為了國內外學術界研究的重要課題。

國內外很多學者從不同角度對城市化與生態(tài)環(huán)境關系進行了深入研究。Grossman和Krueger(1995)研究發(fā)現(xiàn)隨著城市經濟水平的提高，城市生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)倒U型，并以此提出了著名的環(huán)境庫茲涅茨曲線(EKC)［1］;Deosthali(1999)應用生物氣候指數(shù)模擬了城市化對城市局部氣候的影響［2］P4125-4133;曹慧等(2002)采用完全遞階層次結構，以發(fā)展水平、發(fā)展力度和發(fā)展協(xié)調度為準則，建立了城市生態(tài)系統(tǒng)評價指標體系，并運用層次分析、模糊綜合評價、以及線性隸屬方法對南京市生態(tài)系統(tǒng)進行了評價［3］;黃金川、方創(chuàng)琳(2003)采用數(shù)理學方法對城市化和生態(tài)環(huán)境交互耦合的內在機理進行了分析［4］;張妍等(2003)運用因子分析方法，選取吉林省各城市具有代表性的指標，對吉林省9個城市的經濟與環(huán)境發(fā)展情況進行了定量分析［5］;劉耀彬、宋學鋒 (2005)建立了辯識城市化與生態(tài)環(huán)境耦合發(fā)展的指標體系，同時利用主成分加權合成方法分析了城市化與生態(tài)環(huán)境交互耦合關系［6］;王新杰、薛東前(2009)對西安市城市化與生態(tài)環(huán)境的發(fā)展模式進行了演化分析［7］;宋建波、武春友(2010)構建了城市化與生態(tài)環(huán)境發(fā)展水平的評價指標體系，并計算了長江三角洲城市群的城市化與生態(tài)環(huán)境發(fā)展水平，得出長三角城市群的城市化總體水平滯后于生態(tài)環(huán)境發(fā)展水平的結論。［8］

城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境之間存在著交互耦合關系，由于各城市發(fā)展程度的差異，二者之間的相互作用存在著不同的耦合協(xié)調狀況。而長株潭城市群作為我國一個重要的發(fā)展區(qū)域，隨著城鎮(zhèn)化進程的不斷推進，城鎮(zhèn)的發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾問題日益凸顯，如何認識長株潭城鎮(zhèn)化發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展的基本規(guī)律，進而把生態(tài)文明建設融入到新型城鎮(zhèn)化的發(fā)展過程中，發(fā)展循環(huán)經濟，實現(xiàn)城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展，成為建設長株潭兩型社會重中之重。基于此，本文以長株潭為研究對象，在對城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境綜合評價的基礎上，通過耦合協(xié)調度模型定量分析了城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的耦合關系及其演變趨勢，揭示了長株潭城市群城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展的基本規(guī)律，為長株潭城市群的可持續(xù)發(fā)展提供了一定的理論依據(jù)。

一、城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境耦合關系模型與方法

(一)層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)是美國運籌學家T.L.Saaty于1977年提出的系統(tǒng)分析與決策的綜合評價方法，它是一種將定性與定量相結合，把決策者對復雜系統(tǒng)的決策思維過程模型化、數(shù)量化的過程［9］。它的基本思想是把一個復雜的問題分解為若干組成因素，并將這些因素按支配關系分組，形成一個有序的遞階層次結構，然后通過兩兩比較確定層次中各因素的相對重要性，最后綜合人的判斷來確定決策各因素相對重要性的總排序。具體分析過程如下:

1.建立層次結構模型

一般我們將要研究的問題分成三層:目標層、準則層和方案層，用層次結構來表達各層次因素的關系，如圖1所示:

圖1 遞階層次結構圖

2.構造判斷矩陣

判斷矩陣表示針對上一層次某因素而言，本層次與之有關的各因素之間的相對重要性。要比較它們的重要性，就需要確定在該層中相對于某一準則所占的比重，Saaty提出可用對準則兩兩比較的方法來確定權重，全部比較結果用矩陣A=(aij)n×n表示，稱A為準則層的比較判斷矩陣。

表1 相對重要性標度

3.層次單排序

(1)計算權重

根據(jù)判斷矩陣，采用方根法求出其特征向量和所對應的最大特征根。

(2)一致性檢驗

表2 平均隨機一致性指標RI值

4.層次總排序

(1)計算權重

總排序是指每一個判斷矩陣各因素針對目標層(最上層)的相對權重，這一權重實際上是層次單排序權值的加權組合，具體計算方法如表3，其中，b1，b2，…，bn是 B 對 A 層的排序權值，c11，c12，…，cnm是 C層對B層的單排序權值，c1，c2，…，cn是C層對A層的權值，確定了該權值后，便可以對各指標進行綜合評分。

表3 層次總排序表

(2)一致性檢驗

(二)耦合度模型

耦合作為物理學概念，是指兩個(或兩個以上的)系統(tǒng)或運動形式通過各種相互作用而彼此影響的現(xiàn)象，耦合度就是描述系統(tǒng)或要素相互彼此作用影響的程度。借鑒物理學中的容量耦合系數(shù)模型，可以得到城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的耦合度函數(shù)［10］:

式(1)中，顯然耦合度值C∈［0，1)。當協(xié)調度C越大，說明城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境越協(xié)調，反之，則越不協(xié)調，當C趨向1時，耦合度極大，當C趨向0時，耦合度極小。由于耦合度只能說明相互作用程度的強弱，無法反映城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調發(fā)展水平，因此，引入耦合協(xié)調度模型，以便更好的評判城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境交互耦合的協(xié)調程度。耦合協(xié)調度作為度量城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展水平高低的定量指標，綜合反映了城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的整體協(xié)同效應。其計算公式如下:

式(2)中，D為耦合協(xié)調度，C為耦合度，T為城市化與生態(tài)環(huán)境綜合評價指數(shù)，a，b為待定系數(shù)。基于前述分析，為了更好地說明城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調程度，本文按照協(xié)調發(fā)展度D的大小對耦合協(xié)調度進行等級劃分(表4)，進而來定量評判城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調發(fā)展狀況。

表4 協(xié)調等級分類

二、城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境耦合關系實例研究——以長株潭城市群為例

(一)指標選擇

由于城市化與生態(tài)環(huán)境之間存在耦合、互動的關系，為了揭示它們之間發(fā)展的耦合強度與協(xié)調程度，同時結合長株潭實際情況，遵循指標選取的主導性、層次性、動態(tài)性和可操作性原則，建立了城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)環(huán)境質量的指標體系，如表5所示。本部分相關數(shù)據(jù)來源于歷年《中國城市統(tǒng)計年鑒》、《湖南統(tǒng)計年鑒》、《長沙統(tǒng)計年鑒》、《株洲統(tǒng)計年鑒》、《湘潭統(tǒng)計年鑒》。

表5 長株潭城鎮(zhèn)水平與生態(tài)環(huán)境質量評價指標體系及其權重

(二)數(shù)據(jù)標準化處理

由于城市化與生態(tài)環(huán)境各指標的數(shù)量級以及量綱不同，在進行城市化與生態(tài)環(huán)境水平測算之前，本文采用極差標準化法對數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，以避免由于量綱不同而對評價結果造成影響，具體如下:

式中，xi(k)為第i行第k列原始指標的實際值，xi'為標準化之后的評價值。

(三)城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境綜合評價模型構建

根據(jù)原始數(shù)據(jù)的標準化值以及層次分析法所計算的各指標權重，可以計算出總目標的最終評價值，計算公式如下:

式中，f(x)，g(y)分別為城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境指數(shù)的綜合評價值，ci為城鎮(zhèn)化第i個指標的權重，cj為生態(tài)環(huán)境第j個指標的權重，m，n分別為城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境指標的個數(shù)。

(四)評價結果以及耦合關系分析

本文利用層次分析法對長株潭的城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)進行了計算，并根據(jù)上述耦合度和耦合協(xié)調度模型對長株潭的耦合指標進行了計算，結果如表6所示。

表6 長沙城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境耦合綜合評價結果表

圖2 2000-2011長株潭城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)評價值

根據(jù)計算結果可以發(fā)現(xiàn):

(1)綜合評價指數(shù)分析。近年來，隨著經濟的發(fā)展，長株潭三市的城鎮(zhèn)化指數(shù)都處于不斷上升的趨勢，但是生態(tài)環(huán)境指數(shù)變化卻有所不同。2000年長株潭的生態(tài)環(huán)境指數(shù)基本持平，但是隨著城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，長沙市生態(tài)環(huán)境水平指數(shù)呈逐年上升趨勢，且上升幅度較大，而株洲和湘潭生態(tài)環(huán)境指數(shù)卻變化不大，特別是湘潭市生態(tài)環(huán)境指數(shù)在2007年以前波動幅度較大，2007年以后波動幅度較小，整體呈下降趨勢(見圖2)。這說明這些地區(qū)在城鎮(zhèn)化進程中只注重經濟和城市化的發(fā)展，忽視了生態(tài)環(huán)境保護，環(huán)境的破壞很大程度影響了城鎮(zhèn)化的進程，使得二者之間的協(xié)調耦合關系處于較低水平。

(2)耦合度及耦合協(xié)調度分析。近年來，長株潭的耦合協(xié)調度和耦合度都呈現(xiàn)不斷上升趨勢，但是長株潭的耦合度和耦合協(xié)調度數(shù)值整體較低，說明他們目前都還處于較低水平的耦合階段(見圖3)。2000-2011長沙市耦合指標呈穩(wěn)步上升趨勢，且上升幅度較大，耦合度從0.293上升到0.758，耦合協(xié)調度從0.305上升到0.769，說明城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境交互作用已經處于中度協(xié)調階段，這主要是因為長沙市是湖南省的省會城市，經濟發(fā)展水平較高，其城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境顯示出明顯相互促進，相互發(fā)展態(tài)勢;2000-2011株洲市和湘潭市耦合協(xié)調度增長較明顯，但是耦合協(xié)調度依舊較低，處于低度協(xié)調階段，這主要是因為株洲和湘潭市的城鎮(zhèn)化進程和經濟發(fā)展更多依賴以高消耗、高排放、高污染為代價的粗放式經濟增長方式，使得其資源利用效率低、環(huán)境污染嚴重，生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，所以株洲市和湘潭市應該改變經濟發(fā)展方式，逐漸向低消耗、低污染的集約型發(fā)展方式轉變。

圖3 2000-2011年長株潭城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境耦合演化態(tài)勢圖

三、結論與政策含義

本文在對城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境指數(shù)綜合評價的基礎上，闡述了城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境相互協(xié)調發(fā)展作用機理，而后運用耦合度模型分析了長株潭城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境之間的的耦合關系。由于經濟發(fā)展、城市建設及環(huán)境投入等多種原因的影響，長株潭城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)呈現(xiàn)不同的發(fā)展軌跡，而且它們的耦合協(xié)調度也呈現(xiàn)出多種性。

(1)長株潭的城鎮(zhèn)化綜合指數(shù)呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，但生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)變化趨于平緩，其中長沙呈現(xiàn)上升趨勢，但株洲和湘潭波動較大，整體呈現(xiàn)逐漸下降趨勢。這說明，在城鎮(zhèn)化發(fā)展的初期，是需要一定的生態(tài)破壞為代價的，但是隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，生態(tài)環(huán)境會有所好轉，所以這些地區(qū)要正確認識城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境交互作用的基本規(guī)律，以便為城市可持續(xù)發(fā)展提供可供參考的政策建議。

(2)長株潭的耦合協(xié)調度和耦合度都呈現(xiàn)不斷上升趨勢，其中長沙市耦合指標上升的幅度較大，已經處于中度協(xié)調階段，株洲市和湘潭市耦合協(xié)調度雖增長明顯，但依舊處于低度協(xié)調階段。雖然生態(tài)環(huán)境對城鎮(zhèn)化響應較為明顯，但生態(tài)環(huán)境的反饋作用又具有一定滯后性，究其原因，株洲和湘潭市的城鎮(zhèn)化進程的推進以以犧牲環(huán)境為代價，很多“高投入、低產出”的企業(yè)在消耗大量資源的同時給生態(tài)環(huán)境帶來了嚴重的危害，環(huán)境保護嚴重滯后于城鎮(zhèn)化進程，這種盲目追求城鎮(zhèn)化的粗放式發(fā)展已超出生態(tài)環(huán)境的承載閾值，最終會成為城鎮(zhèn)持續(xù)發(fā)展的障礙。據(jù)此，為了避免滯后的生態(tài)環(huán)境阻礙、限制城鎮(zhèn)化的發(fā)展，這些地區(qū)不僅要提高技術水平、提升能源利用效率、強化環(huán)保政策、加大環(huán)保投資，而且要轉變經濟發(fā)展方式、優(yōu)化產業(yè)結構、發(fā)展循環(huán)經濟、推廣低碳技術，促進城鎮(zhèn)人口、經濟、資源和環(huán)境的協(xié)調發(fā)展，走資源節(jié)約、低碳減排、環(huán)境友好、經濟高效的新型城鎮(zhèn)化道路。

［1］Gene M.Grossman，Alan B.Krueger.Economic growth and environment［J］.The Quarterly Journal of Economics，1995，110.

［2］Vrishali.Deosthali.Assessment of impact of urbanization on climate:An application of bio-climatic index［M］.Atmospheric Environment，1999，33.

［3］曹慧，胡 鋒等.南京市城市生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展評價研究［J］.生態(tài)學報，2002，(5).

［4］黃金川，方創(chuàng)琳.城市化與生態(tài)環(huán)境交互耦合機制與規(guī)律性分析［J］.地理研究，2003，(2).

［5］張妍，尚金城，于相毅.城市經濟與環(huán)境發(fā)展耦合機制的研究［J］.環(huán)境科學學報，2003，(1).

［6］劉耀彬，宋學鋒.城市化與生態(tài)環(huán)境耦合模式及判別［J］.地理科學，2005，(4).

［7］王新杰，薛東前.西安市城市化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展模式演化分析［J］.自然資源學報，2009，(8).

［8］宋建波，武春友.城市化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展評價研究——以長江三角洲城市群為例［J］.中國軟科學，2010，(2).

［9］T.L.Saaty.The analytical hierarehy process:Planning priority setting，resource allocation［M］.New York，McGraw-Hill Inc，1980.

［10］劉耀彬，李仁東，宋學鋒.中國城市化與生態(tài)環(huán)境耦合度分析［J］.自然資源學報，2005，(1).