黑龍江省資源型城市城鎮(zhèn)化質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境承載力耦合分析

李曉慶，姜 博，米 媛，韓 怡，孫 妍

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030）

改革開放以來，我國城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程不斷加快，城鎮(zhèn)化是人類歷史發(fā)展的必然趨勢(shì)，是國家經(jīng)濟(jì)、文化、科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志，引領(lǐng)著人類高度物質(zhì)文明的發(fā)展。我國城鎮(zhèn)化率已由1978年的17.92%上升到2015年的56.1%，然而城市化率的激增具有兩面性，快速城鎮(zhèn)化發(fā)展的同時(shí)，也造成了不同程度的生態(tài)環(huán)境破壞，致使城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程受到制約。目前，城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展已成為影響全球可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵性問題，并逐步成為區(qū)域發(fā)展研究的核心問題。國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對(duì)城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系進(jìn)行了深入研究，研究內(nèi)容主要涉及以下3個(gè)方面：（1）城鎮(zhèn)化對(duì)生態(tài)環(huán)境的脅迫研究。有學(xué)者認(rèn)為，城鎮(zhèn)化進(jìn)程中土地要素最易受到影響，快速城鎮(zhèn)化導(dǎo)致的用地?cái)U(kuò)張問題是誘發(fā)生態(tài)環(huán)境惡化的主要?jiǎng)右颍?］；另有學(xué)者探討了城鎮(zhèn)化對(duì)水資源污染［2］及植被景觀破碎化［3］的影響。（2）生態(tài)環(huán)境對(duì)城鎮(zhèn)化的約束研究。目前國內(nèi)關(guān)于生態(tài)環(huán)境對(duì)城鎮(zhèn)化發(fā)展約束的研究相對(duì)較少，已有研究主要從資源環(huán)境承載力的角度入手，展開定量分析和實(shí)證研究，例如張理茜等研究了東北地區(qū)生態(tài)敏感性及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能對(duì)城市土地開發(fā)適宜性的影響［4］；李德一等探討了生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)城市化的現(xiàn)狀及主要約束因素［5］。（3）城市化與生態(tài)環(huán)境的耦合評(píng)價(jià)研究。學(xué)者們大多通過構(gòu)建耦合協(xié)調(diào)度模型來分析不同區(qū)域城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)程度的空間差異［6－8］。也有學(xué)者通過分析城市化發(fā)展水平與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，建立了城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)度模型［9］。研究方法以定量分析為主，主要包括遙感（remote sensing，簡 稱 RS）／地 理 信 息 系 統(tǒng) （geographic information system，簡稱 GIS）空間分析［10］、遙感影像分析［11］等，研究中涉及的模型主要有耦合協(xié)調(diào)度模型［12］、空間自相關(guān)模型［13］、環(huán)境庫茲涅茨曲線（environmental kuznets curve，簡稱EKC）計(jì)量模型［14］、灰色系統(tǒng)模型［15］、雙指數(shù)模型［16］等。研究尺度在宏觀上涉及國家層面［17］、省區(qū)層面［18］以及城市群［19］，微觀上涉及某個(gè)城市個(gè)體、內(nèi)部層面［20］及縣（區(qū)）［21］，總體來看以經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)及城市尺度研究為重點(diǎn)和熱點(diǎn)。目前，學(xué)者們對(duì)資源型城市新型城鎮(zhèn)化質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境承載力耦合的研究相對(duì)較少，而資源型城市的城鎮(zhèn)化對(duì)生態(tài)環(huán)境影響最為劇烈，生態(tài)環(huán)境對(duì)城鎮(zhèn)化的制約力也最為典型。黑龍江為我國東北地區(qū)具有資源型城市較多且較為典型的省份，深入研究其城鎮(zhèn)化質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境承載力耦合機(jī)制具有重要的指導(dǎo)意義。本研究以黑龍江省8個(gè)資源型城市為例，構(gòu)建城鎮(zhèn)化質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境承載力指標(biāo)體系，運(yùn)用全局主成分分析法與變異系數(shù)法進(jìn)行綜合確權(quán)，基于協(xié)調(diào)發(fā)展度、相對(duì)發(fā)展度模型及空間自相關(guān)模型探討2005—2013年黑龍江省資源型城市城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的耦合關(guān)系，并進(jìn)行耦合發(fā)展度時(shí)空差異分析，以期深化資源型城市相關(guān)理論研究，并為未來對(duì)我國其他資源型城市的研究提供相關(guān)參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省是我國的重工業(yè)基地，以石油、煤炭、木材和食品工業(yè)為主，資源型城市包括雞西、鶴崗、雙鴨山、大慶、伊春、七臺(tái)河、牡丹江、黑河市（由于指標(biāo)數(shù)據(jù)難以獲取，因此大興安嶺地區(qū)不作研究）。全省總面積為47.3萬km2，總?cè)丝跀?shù)約為3 835萬，其中資源型城市面積為21.65萬km2，人口數(shù)為1 418萬，國內(nèi)生產(chǎn)總值（gross domestic product，簡稱GDP）為7 307.7億元。截止到2015年，黑龍江省的城鎮(zhèn)化率為58.8%，資源型城市城鎮(zhèn)化飛速發(fā)展的同時(shí)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境遭到不同程度的破壞，粗放型發(fā)展模式顯現(xiàn)，致使部分資源型城市逐步趨于衰退，資源型城市面臨著城鎮(zhèn)化發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)主要來源于2005—2015年《黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫》及各資源型城市統(tǒng)計(jì)公報(bào)。因原始數(shù)據(jù)量綱不同、指標(biāo)計(jì)量單位差異明顯，所以須進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。本研究采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

式中：Xij、X′ij分別為原始數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)；Xmax、Xmin分別為某原始指標(biāo)數(shù)據(jù)的最大值、最小值。

1.3 指標(biāo)體系的構(gòu)建

本研究從城鎮(zhèn)化質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境等2個(gè)方面選取指標(biāo)。為使評(píng)價(jià)結(jié)果科學(xué)、可靠，本研究借鑒已有研究成果，采用頻度統(tǒng)計(jì)、理論分析法進(jìn)行指標(biāo)統(tǒng)計(jì)與篩選［22］。利用中國知網(wǎng)（China national knowledge infrastructure，簡稱 CNKI）數(shù)據(jù)庫進(jìn)行頻度統(tǒng)計(jì)，從2005—2013年有關(guān)城鎮(zhèn)化水平測(cè)度的1 562篇文獻(xiàn)和生態(tài)環(huán)境承載力指標(biāo)設(shè)計(jì)的269篇文獻(xiàn)中選取研究者使用頻度較高的指標(biāo)進(jìn)行理論分析，考慮到資源型城市城鎮(zhèn)化發(fā)展特點(diǎn)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響非常強(qiáng)烈，結(jié)合黑龍江省資源型城市發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境兩大體系進(jìn)行外拓：從人口城鎮(zhèn)化、社會(huì)城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化等3個(gè)方面擴(kuò)充城鎮(zhèn)化內(nèi)涵，借鑒中國科學(xué)院可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究組的相關(guān)研究成果［23］，從生態(tài)環(huán)境水平、生態(tài)環(huán)境壓力和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等3個(gè)方面將生態(tài)環(huán)境進(jìn)行指標(biāo)分解與細(xì)化（表1）。

表1 城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.4 指標(biāo)權(quán)重的確定

1.4.1 全局主成分分析法 全局主成分分析法是一種多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)分析方法：若統(tǒng)計(jì)i個(gè)地區(qū)，使用相同的p個(gè)指標(biāo) x1、x2、x3、…、xp進(jìn)行描述，t年度數(shù)據(jù)表為 xt＝（xij）n×p，則T年共有T張數(shù)據(jù)表，構(gòu)成時(shí)序立體數(shù)據(jù)表，將T張數(shù)據(jù)表排序構(gòu)成nT×p大矩陣，該矩陣定義為全局?jǐn)?shù)據(jù)表。

式中：Bim為第i個(gè)城市第m個(gè)公共因子得分；Wj為第j項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重；X′ij為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)值。

式中：Ti為生態(tài)環(huán)境承載力得分；T′i為城鎮(zhèn)化得分；Mm、Nm分別為生態(tài)環(huán)境承載力、城鎮(zhèn)化質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中第m個(gè)公共因子的方差貢獻(xiàn)率。

1.4.2 變異系數(shù)法 變異系數(shù)法是一種客觀賦權(quán)的方法，其基本原理是利用差異信息，通過度量差異信息的離散程度賦權(quán)。該方法較熵值法、均方差權(quán)值法等客觀賦權(quán)法更為科學(xué)合理。

平均值：

式中：xi為各指標(biāo)因子；σx為指標(biāo)x的標(biāo)準(zhǔn)差；n為指標(biāo)i中樣本個(gè)數(shù)；Ex為第x個(gè)指標(biāo)平均值。

變異系數(shù)：

式中：Si為生態(tài)環(huán)境承載力綜合得分；Ui為城鎮(zhèn)化綜合得分。

2 研究模型的構(gòu)建

2.1 耦合度模型

借鑒物理學(xué)中的容量耦合概念及容量耦合系數(shù)模型，參照已有學(xué)者的研究方法構(gòu)建生態(tài)環(huán)境承載力與城鎮(zhèn)化的耦合度模型。

式中：C為耦合度系數(shù)，0≤C≤1，C值越大表示生態(tài)環(huán)境與城鎮(zhèn)化耦合發(fā)展越協(xié)調(diào)；α、β為待定系數(shù)且α＋β＝1；k為調(diào)節(jié)系數(shù)，2≤k≤8，令調(diào)節(jié)系數(shù) k＝5，α＝β。

2.2 協(xié)調(diào)度模型

耦合度模型雖能有效評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境承載力與城鎮(zhèn)化的耦合強(qiáng)度，但有可能存在兩者評(píng)價(jià)得分均較低而耦合度較高的情況，為避免此種情況的發(fā)生，引入?yún)f(xié)調(diào)發(fā)展度系數(shù)：

式中：D為協(xié)調(diào)發(fā)展度系數(shù)，0≤D≤1，D值越大，生態(tài)環(huán)境與城鎮(zhèn)化的協(xié)調(diào)發(fā)展水平越高。為更直觀反映二者的協(xié)調(diào)發(fā)展情況，根據(jù)本研究數(shù)據(jù)處理結(jié)果，將協(xié)調(diào)發(fā)展水平劃分為4個(gè)階段：0＜D≤0.3為輕度失調(diào)，0.3＜D≤0.5為低度協(xié)調(diào)，0.5＜D≤0.7為中度協(xié)調(diào)，0.7＜D≤1為高度協(xié)調(diào)。

2.3 空間自相關(guān)模型

通過ArcGIS空間聚類分析模塊及Geo DA軟件，將生態(tài)環(huán)境承載力與城鎮(zhèn)化質(zhì)量協(xié)調(diào)發(fā)展度視為系統(tǒng)唯一屬性變量，采用全局莫蘭Moran＇s指數(shù)分析生態(tài)環(huán)境與城鎮(zhèn)化協(xié)調(diào)發(fā)展度的空間聚類特征。莫蘭值位于［－1，1］之間，接近1表示相似屬性集聚，各城市間協(xié)調(diào)發(fā)展水平出現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)；反之，接近－1表示相異屬性集聚，各城市間協(xié)調(diào)發(fā)展水平很不均衡；接近0則表示無空間聚類效應(yīng)，屬性在空間上隨機(jī)分布。

式中：I表示全局莫蘭指數(shù)；n為樣本總數(shù)；Wij為權(quán)重指數(shù)；xj為指標(biāo)j的平均值

3 結(jié)果與分析

根據(jù)協(xié)調(diào)度模型及協(xié)調(diào)度等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，通過計(jì)算得到黑龍江省資源型城市城鎮(zhèn)化質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境承載力的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r（表2）。

表2 城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展度評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1 時(shí)間層面

由表2和圖1可知，黑龍江省資源型城市城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境指數(shù)相對(duì)波動(dòng)不大，2005—2013年的協(xié)調(diào)發(fā)展度平均值分別為 0.581、0.599、0.577、0.567、0.553、0.591、0.583、0.568、0.561。研究期內(nèi)大多城市城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展水平處于中度協(xié)調(diào)期，且城市數(shù)量先增加后減少，2006—2010年比例最大為62.5%；輕度失調(diào)期城市數(shù)量最少，出現(xiàn)在2007、2009年的伊春及2012年的黑河，比例僅為12.5%；低度協(xié)調(diào)期城市數(shù)量整體呈先減少后增加趨勢(shì)，2013年比例達(dá)到最高，為50%；高度協(xié)調(diào)期的城市在研究期內(nèi)比例始終為12.5%，且處于高度協(xié)調(diào)期的城市均為大慶市。同時(shí)黑龍江省資源型城市協(xié)調(diào)發(fā)展水平優(yōu)化或劣化程度存在一定差異性，其中鶴崗、七臺(tái)河、雙鴨山與伊春等市的協(xié)調(diào)發(fā)展水平呈劣化趨勢(shì)，研究初期和末期協(xié)調(diào)發(fā)展度數(shù)值變化量分別是0.146、0.135、0.028、0.032；雞西、大慶、牡丹江與黑河等市的協(xié)調(diào)發(fā)展水平處于優(yōu)化趨勢(shì)，基末期協(xié)調(diào)發(fā)展度數(shù)值變化量分別為 0.042、0.034、0.094、0.011，其中牡丹江優(yōu)化趨勢(shì)較大，黑河優(yōu)化趨勢(shì)最小。總體來看，黑龍江省資源型城市城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展水平為中等發(fā)展水平，協(xié)調(diào)發(fā)展水平整體較穩(wěn)定，有略微下降趨勢(shì)；協(xié)調(diào)發(fā)展水平優(yōu)化趨勢(shì)較小，平均值ΔD僅為0.02。

3.2 空間層面

以黑龍江省資源型城市城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展度計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，借助ArcGIS及Geo DA軟件對(duì)資源型城市2005—2013年的協(xié)調(diào)發(fā)展水平進(jìn)行全局空間自相關(guān)分析，計(jì)算 Global Morans I值（通過 P＝0.01檢驗(yàn)），得到2005—2013年的Global Morans I值均為負(fù)值。選取研究基期、中期與末期協(xié)調(diào)發(fā)展度的Moran散點(diǎn)圖（圖2），深入分析各城市協(xié)調(diào)發(fā)展度空間相關(guān)性的動(dòng)態(tài)變化。圖2中第一象限（HH：顯著高高集聚）和第三象限（LL：顯著低低集聚）的城市表現(xiàn)為空間正相關(guān)，即城鎮(zhèn)化發(fā)展良好的地區(qū)，生態(tài)環(huán)境承載力水平也較高，反之較低；二、四象限的城市表現(xiàn)為空間負(fù)相關(guān)。

由圖2和圖3可知，研究基期（2005年）分布在二、四象限城市比例為87.5%，一、三象限城市比例為12.5%；鶴崗市城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展度空間的正相關(guān)性明顯，處于LL區(qū)，城鎮(zhèn)化質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境承載力均較低，處于中度協(xié)調(diào)發(fā)展水平階段，其余城市均表現(xiàn)為空間負(fù)相關(guān)，其中伊春市與黑河市處于顯著低高集聚（LH）區(qū)，空間負(fù)相關(guān)性明顯，處于低水平協(xié)調(diào)發(fā)展期，而雙鴨山、七臺(tái)河、雞西、牡丹江、大慶等市處于顯著高低集聚（HL）區(qū)，協(xié)調(diào)發(fā)展度雖表現(xiàn)為空間負(fù)相關(guān)性，但負(fù)相關(guān)效應(yīng)并不明顯，尤其是大慶市，處于高度協(xié)調(diào)發(fā)展水平階段，協(xié)調(diào)發(fā)展度非常好，雞西、雙鴨山、七臺(tái)河等市處于中度協(xié)調(diào)期，牡丹江市處于低度協(xié)調(diào)期。總體來看，研究基期各城市協(xié)調(diào)發(fā)展度空間分布呈現(xiàn)弱相異屬性集聚狀態(tài)，以大慶市為高值點(diǎn)向邊緣區(qū)逐步遞減。

研究中期（2009年）城市均分布一、四象限，城市比例均為50%。伊春、鶴崗、黑河與雙鴨山等市處于LL區(qū)，其中鶴崗市與雙鴨山市的空間正相關(guān)效應(yīng)較明顯，協(xié)調(diào)發(fā)展水平較高，處于中度協(xié)調(diào)期；而伊春市與黑河市的空間正相關(guān)性不強(qiáng)，城鎮(zhèn)化質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境承載力發(fā)展失衡嚴(yán)重，其中黑河市處于低度協(xié)調(diào)發(fā)展期，伊春市由基期的低度協(xié)調(diào)劣化為中期的輕度失調(diào)。雞西、牡丹江、七臺(tái)河與大慶等市處于HL區(qū)，區(qū)內(nèi)城市整體協(xié)調(diào)發(fā)展水平為中高度協(xié)調(diào)，其中大慶依然處于高度協(xié)調(diào)期，其余3市為中度協(xié)調(diào)期。2009年為資源型城市協(xié)調(diào)發(fā)展水平空間集聚特征最為規(guī)律的年份，協(xié)調(diào)度空間呈隨機(jī)分布狀態(tài)，協(xié)調(diào)發(fā)展水平呈由南向北逐步降低的趨勢(shì)。

研究末期（2013年）城市主要分布在二、三、四象限，所占比重分別為12.5%、25.0%、62.5%。其中伊春市、牡丹江市處于LL區(qū)，協(xié)調(diào)發(fā)展水平處于中低度協(xié)調(diào)期；黑河市處于LH區(qū)，處于低度協(xié)調(diào)發(fā)展水平階段；雞西、七臺(tái)河、雙鴨山、鶴崗與大慶等市處于HL區(qū)，其中雞西市與雙鴨山市處于中度協(xié)調(diào)發(fā)展水平階段，七臺(tái)河市與鶴崗市處于低度協(xié)調(diào)發(fā)展水平階段，而大慶市處于高度協(xié)調(diào)期。總體來看，研究末期黑龍江省資源型城市間協(xié)調(diào)發(fā)展水平有差異性，空間集聚性不強(qiáng)，協(xié)調(diào)度空間分布為強(qiáng)相異屬性集聚狀態(tài)，協(xié)調(diào)發(fā)展水平在經(jīng)歷研究中期短暫升高之后出現(xiàn)下降趨勢(shì)，表現(xiàn)出協(xié)調(diào)發(fā)展水平以大慶市為高值點(diǎn)向四周大幅降低的態(tài)勢(shì)。

綜上所述，研究期內(nèi)黑龍江省資源型城市城鎮(zhèn)化質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境承載力協(xié)調(diào)發(fā)展水平呈先升高后降低的趨勢(shì)，大多城市分布在HL區(qū)，且大慶市為處于高度協(xié)調(diào)期的唯一城市。各城市協(xié)調(diào)發(fā)展度空間集聚特征表現(xiàn)為弱相異屬性集聚—隨機(jī)分布—強(qiáng)相異屬性集聚，空間正相關(guān)性先加強(qiáng)后減弱。

4 結(jié)論

在時(shí)間上，黑龍江省資源型城市城鎮(zhèn)化質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境承載力指數(shù)總體波動(dòng)不大，協(xié)調(diào)發(fā)展水平中等，且呈先升高后降低的發(fā)展趨勢(shì)；處于中度協(xié)調(diào)期的城市比例較多且協(xié)調(diào)發(fā)展水平優(yōu)化趨勢(shì)較小；雞西、大慶、牡丹江與黑河等市的協(xié)調(diào)發(fā)展水平處于優(yōu)化趨勢(shì)，其中牡丹江市的優(yōu)化趨勢(shì)較大，黑河市的優(yōu)化趨勢(shì)最小，其余城市的協(xié)調(diào)發(fā)展水平處于劣化狀態(tài)。

在空間上，研究期內(nèi)資源型城市協(xié)調(diào)發(fā)展水平均呈現(xiàn)以大慶市為唯一高協(xié)調(diào)發(fā)展區(qū)并向周邊城市逐步降低的趨勢(shì)。雞西市、雙鴨山市處于中度協(xié)調(diào)發(fā)展期，大慶市處于高度協(xié)調(diào)發(fā)展期，鶴崗市與七臺(tái)河市的協(xié)調(diào)發(fā)展水平由中度協(xié)調(diào)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榈投葏f(xié)調(diào)，牡丹江市則由低度協(xié)調(diào)逐步優(yōu)化為中度協(xié)調(diào)，伊春市與黑河市為協(xié)調(diào)發(fā)展水平低值點(diǎn)集聚區(qū)，協(xié)調(diào)發(fā)展水平為低度協(xié)調(diào)期。

黑龍江省資源型城市在研究期內(nèi)的協(xié)調(diào)發(fā)展度Global Morans I值均為負(fù)值，協(xié)調(diào)度空間集聚特征呈弱相異屬性集聚—隨機(jī)分布—強(qiáng)相異屬性集聚狀態(tài)，Moran散點(diǎn)圖中大部分城市分布在HL區(qū)，城市協(xié)調(diào)度空間正相關(guān)性逐步減弱，負(fù)相關(guān)性逐步加強(qiáng)，說明城鎮(zhèn)化質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境承載力發(fā)展具有不同步性，二者協(xié)調(diào)發(fā)展水平呈逐步下降趨勢(shì)。

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