廣東省城鎮化與生態環境耦合協調的空間特征及影響因素研究

王秀明，張 勇＊，奚 蓉，劉香華，張玉環

（生態環境部華南環境科學研究所，廣東廣州 510655）

引言

改革開放以來，我國城鎮化建設取得了顯著成績。城鎮人口增加，城市數量和建制鎮數量明顯增多，初步形成了京津冀、長三角、珠三角三大城市群，城鎮化率也由1978 年的17.9%上升到2016 年的57.35%。與此同時，城鎮化高速發展過程中一系列生態環境問題大量出現。20 世紀中期以來，快速城鎮化帶來的生態環境問題已經引起人們的重視，二者之間的關系也逐漸成為國內外學術界關注的熱點[1]。

耦合是指兩個或兩個以上體系或運動形式相互作用而彼此影響的現象[2]。城市化的發展需要生態環境要素的支撐，生態環境的保護與改善則以較高的城市化水平為保障[2]，城鎮化與生態環境之間的耦合協調關系已成為地球系統科學和可持續發展領域的研究熱點[3]。研究內容主要包括以下方面：一是城鎮化與生態環境交互影響機制。黃金川、方創琳認為城市化對生態環境的脅迫主要來自城市中的人口及交通等，生態環境對城市化的約束則主要由改變人口和資本流向所引起[2]。二是城市化與生態環境耦合的時空差異及演化規律。孫黃平等的研究結果表示，城鎮化和生態環境耦合協調度呈倒U 型演化趨勢[4-7]，崔木花[8]、王少劍[9]、卞鴻雁[10]、劉巧婧[11]等學者的研究認為，雖然城鎮化對資源環境壓力較大，但并沒有出現典型的倒U 型規律，而是呈現S 型、線型、半U 型及對數曲線型的演化規律。三是影響耦合協調關系的驅動因素。陳曉紅等認為，技術水平、產業結構、經濟規模、環境政策、人口素質、國際貿易等是影響城鎮化與生態環境協調的主要驅動因素[12]。從研究方法看，耦合度函數[4,13]、神經網絡模型[14]、模糊物元分析[1]、回歸分析等[15]均有應用。從研究尺度看，其覆蓋了區域、省域、市域等多個層面，其中尤以城市群的研究為重點。

廣東省是我國快速城鎮化地區的典型代表，目前仍面臨區域發展不協調、城鎮化要素過于集中在珠三角、局部地區生態環境惡化等問題。本文在借鑒相關研究成果的基礎上，以廣東省21 個地級市為基本研究單元，通過耦合協調度模型定量評價城鎮化系統和生態環境系統的關系，探討兩者耦合機制，以期為廣東省城鎮化與生態環境耦合協調發展提供借鑒。

1 數據來源和研究方法

1.1 指標體系構建

參考有關研究成果[4,8,14-19]，本文從人口城鎮化、土地城鎮化、空間城鎮化、經濟城鎮化四個方面構建城鎮化指標體系（表1），從生態環境壓力、狀態、響應來表征生態環境水平。本文社會經濟相關數據均來自《中國城市建設統計年鑒》《廣東省統計年鑒》及各地市統計年鑒，生態環境相關數據來自廣東省及各地市環境質量報告書。

表1 城鎮化水平與生態環境系統指標體系

1.2 指標權重確定

為消除數據的數量級及量綱的不同影響，需要對數據進行預處理。對于正向指標，指標越大越好，計算方法為：

對于負向指標，指標越小越好，計算方法為：

式中：Xij表示第i 個研究區/年份第j 項指標的原始數據值，max（Xj）和min（Xj）分別表示所有研究區/年份中第j 項指標的最大值和最小值，X'ij表示預處理后的指標值。

為較為客觀地評價城鎮化與生態環境水平，本文采用變異系數法來確定指標權重。公式為：

式中，Vi是第i 項指標的變異系數；是第i 項指標的標準差；Xi是第i 項指標的平均數，Wi是第i 項指標的權重。

1.3 障礙度診斷

式中，Aij表示第i 個區域第j 個指標的障礙度；表示第j 個指標的平均障礙度，其大小排序可以確定影響區域城鎮化或生態環境質量的影響程度；Pij表示單因子與城鎮化或生態環境質量目標狀況的差距，Pij=1- QXij，Rij=wij表示權重。

1.4 耦合協調度模型

耦合是指兩個以上系統相互作用、影響的現象。兩個系統的耦合度一般采用如下模型:

式中，C 表示耦合度；u1、u2分別表示城鎮化系統和生態環境系統的綜合發展水平。

耦合度模型能夠反映城鎮化與環境質量之間的相互影響程度，但有時無法表達出二者的綜合發展水平及其協調性，因此采用協調度進一步分析二者的協調關系：

式中，D 代表協調度，考慮到兩系統對于社會可持續發展重要性相同，取α=β=0.5。

參考已有文獻[14-17]，結合廣東省實際，本文對城鎮化與環境質量的協調類型進行劃分，將其分為7 大等級，見表2。

表2 協調度類型劃分標準

1.5 地理探測器方法

地理探測器是探測和利用空間分異性的工具[20]，最初被用于研究地方性疾病風險和相關地理影響因素[21]。由于傳統統計方法假設較多，而地理探測器模型在應用時沒有過多的假設條件，可以克服統計方法處理變量的局限性，因此其被廣泛應用于社會經濟因素和自然環境因素的影響機制研究[22]。本文應用地理探測器方法分析研究區各社會經濟因素對城鎮化與生態環境耦合協調度的解釋力大小，其模型如下：

式中，PD,U是耦合協調度影響因素解釋力指標，PD,U取值范圍為[-1,1]，PD,U越大，說明分區因素對耦合協調度的變化影響越大；nD,i是次級區域的個數；n 是整個區域的個數；m是次一級區域的樣本數；是整個區域耦合協調度變化的方差；是次一級區域耦合協調度變化的方差。

2 城鎮化水平與生態環境質量時空演變特征

2.1 城鎮化水平分析

1995 年，各地級市城鎮化水平綜合指數范圍為0.05～0.91，深圳最高，珠海、廣州、佛山次之，以深圳、廣州、佛山、珠海為核心的高城鎮化水平集聚區基本形成。障礙度診斷結果表示，城鎮化指數小于0.2 的各地級市中，土地城鎮化水平較低是普遍存在的問題，同時粵西地區的陽江、湛江、茂名及云浮、汕尾5 市生活城鎮化水平較低，粵北地區的韶關、河源、梅州則經濟城鎮化水平較低。

2005 年，各地級市城鎮化水平綜合指數范圍為0.04～0.92，深圳仍保持絕對優勢，廣州、東莞、珠海、佛山、中山次之。隨著中山、東莞的城鎮化水平的提高，以環珠江口為核心的高城鎮化水平集聚區形成。除汕頭外，粵東、西、北城市城鎮化水平均較低。障礙度診斷結果表示，土地城鎮化水平較低仍是普遍存在的共性問題。同時，肇慶、清遠、云浮、潮州、揭陽5 個地級市經濟城鎮化水平還有較大提升空間，河源、梅州、揭陽3 個地級市生活城鎮化水平較低。

2016年，各地級市城鎮化水平綜合指數范圍為0.09～0.94，各地級市與深圳市城鎮化水平的差距相對縮小，環珠江口的高水平城鎮化核心區（深圳、廣州、東莞、珠海、佛山、中山）城鎮化水平進一步提高，除肇慶市外，珠三角其余8 市均達到高城鎮化或中城鎮化水平。與前兩個階段不同，2016 年城鎮化水平較低的梅州、汕尾、湛江、清遠、云浮等地級市制約因素各不相同，如梅州主要由于經濟、土地城鎮化水平較低，汕尾主要由于經濟、生活城鎮化水平較低，云浮則在人口、經濟、土地城鎮化方面均處于較低水平。

圖1 為不同時期廣東省各地級市城鎮化水平空間分布。

2.2 生態環境質量水平分析

1995年，各地級市生態環境質量綜合指數為0.29～0.71，以廣州、佛山、東莞為最低，主要是由于廣州市環境空氣、水環境質量較差，佛山市EI 指數、環境空氣優良天數比例較低，東莞市地表水優于Ⅲ類比例、EI 指數較低，同時承受著較大的環境壓力。此外，云浮、茂名、湛江、中山、珠海的生態環境質量綜合指數也較低，主要是由于污水處理率、環保投資占比較低、地表水環境質量較差、EI 指數較低等。韶關、清遠、肇慶、汕尾的生態環境質量綜合指數為最高，達到0.65～0.71，主要是由于整體生態環境質量良好，且環境壓力相對較小。

2005年，各地級市生態環境質量綜合指數為0.29～0.81，以廣州、佛山、東莞、云浮、茂名為最低，主要是由于生態環境狀態和響應指標較差，如佛山、東莞EI 指數、優良天數比例、地表水優于Ⅲ類比例指數均低于0.3，廣州、茂名則主要以地表水、環境空氣質量較差為主要限制因子，同時，東莞、茂名、云浮在污水、生活垃圾處置、環保投資等方面有較大提升空間。

圖1 不同時期廣東省各地級市城鎮化水平空間分布

2016年，各地級市生態環境質量綜合指數為0.38～0.94，以東莞、佛山、潮州為最低，佛山、東莞主要是由于EI 指數較低、環境空氣質量較差，同時環境壓力較大，且環保投資占比相對較低，潮州主要由于污水處理、生活垃圾處置水平相對較低，同時環保投資比重較小。相較前兩個階段，茂名、湛江的生態環境質量有較大提高，主要是由于環境空氣、地表水質量有較大提高，同時污水處理率、垃圾無害化處理率等生態環境響應指標有較大提升。韶關、河源、梅州的生態環境質量綜合指數最高，粵北生態保護屏障逐步建成。

圖2 不同時期廣東省各地級市生態環境質量水平空間分布

不同時期廣東省各地級市生態環境質量水平空間分布見圖2。

3 城鎮化與生態環境耦合協調度時空分布特征

3.1 耦合協調度的歷史變化趨勢

1995—2016 年，廣東省城鎮化與生態環境耦合協調度（D）呈持續上升趨勢，整體呈S 型曲線，與相關研究結果一致[23]。1995 年屬于嚴重失調型，2000 年、2005 年屬于中度協調型，2010 年、2016 年屬于優質協調型；1995—2005年整體屬于城鎮化滯后型，2005 年、2010 年二者相對平衡，2016 年屬于生態環境滯后階段，主要是由于城鎮化水平和生態環境質量均呈上升/改善趨勢，但城鎮化綜合指數增長速率遠高于生態環境綜合指數改善速率，快速城鎮化帶來環境治理技術進步、環境投入加大和基礎設施日益完善，但環境壓力進一步加大，包括污染物排放強度增加、資源能源消耗增加等。

不同時期廣東省城鎮化與生態環境耦合協調度計算結果見表3。

表3 不同時期廣東省城鎮化與生態環境耦合協調度計算結果

3.2 耦合協調度的空間分布特征

為進一步研究廣東省城鎮化與生態環境耦合協調度的空間分布特征，本文基于三個時間截面的耦合協調度數據，利用ArcGIS 工具繪制了各地級市城鎮化與生態環境耦合協調度空間分布圖（圖3）。整體來說，1995—2016 年，各地級市城鎮化與生態環境耦合協調度均呈上升趨勢。

1995 年21 個地級市共涉及優質協調、良好協調、中度協調、勉強協調四種類型，其中優質協調型僅深圳1 個，良好協調型僅珠海1 個；中度協調型9 個，包括廣州、汕頭、佛山、韶關等；勉強協調型10 個，包括河源、梅州、汕尾、陽江等。廣州、深圳屬環境滯后型，珠海、佛山、東莞城鎮化與生態環境相對平衡狀態，其余均屬于城鎮化滯后型。

2005 年，21 個地級市共涉及優質協調、良好協調、中度協調、勉強協調及輕度失調五種類型，其中優質協調型僅深圳1 個；良好協調型包括廣州、珠海；中度協調型共7個，包括汕頭、佛山、韶關、東莞、中山、江門等；勉強協調型共10 個，包括河源、梅州、汕尾、陽江、湛江等；輕度失調型僅云浮1 個。廣州、深圳、東莞屬環境滯后型，其余18 個地級市均為城鎮化滯后型或相對均衡型。其中，各地級市城鎮化與生態環境耦合協調度的相對排名與相關研究較為一致[24]。

2016 年，21 個地級市共涉及優質協調、良好協調、中度協調、勉強協調四種類型，其中優質協調型僅深圳1 個；良好協調型5 個，包括廣州、珠海、惠州、東莞、中山；中度協調型13 個，包括汕頭、佛山、韶關、河源、梅州、汕尾等；清遠、云浮屬勉強協調型。與2005 年類似，僅廣州、深圳、東莞屬環境滯后型，珠海、佛山、中山市城鎮化與生態環境水平相對平衡，其余均為城鎮化滯后型。

圖3 不同時期各地市城鎮化與生態環境耦合協調度空間分布圖

從空間分布特征來看，屬優質和良好協調型的區域以珠海、深圳為核心逐步向外圍擴展，2005 年包括廣州、深圳、珠海3 個地級市，2016 年則擴展到廣州、東莞、深圳、中山、珠海、惠州6 個地市，各年度屬勉強協調型的地級市均位于珠三角以外城市，并逐漸由粵東西北地區均有分布，轉變為僅粵北地區的云浮、清遠屬勉強協調型，表現出明顯的核心—邊緣特征，說明珠三角核心城市在推進城鎮化與生態環境協調共進方面對周邊區域有輻射帶動作用。

4 城鎮化與生態環境耦合協調度的影響因素分析

根據相關研究成果可知，產業升級與技術進步、人口素質與城市文明、制度創新與管理科學是影響城市化與生態環境耦合協調度的關鍵因素[10，25-27]。同時，改革開放以來，廣東省經歷了快速城鎮化和工業化的過程，區域經濟高速發展，人口高度集聚，建設用地高速擴張，帶來了較高強度的污染負荷和對區域生態安全的威脅，因此，本文從產業結構和轉型、人口增長和分布、科技進步和創新、環保政策等方面，選擇10 個指標，采用地理探測器方法分析影響廣東省城鎮化與生態環境耦合協調度的主要因素。

地理探測器因子分析結果見表4，從全省來看，三個年度中，生態環境保護財政支出、城鎮建設用地占行政區面積比例均是影響耦合協調度的主要因素，說明生態環保政策、土地開發強度是不同時期影響21 個地級市城鎮化程度與生態環境耦合協調度的共性因素。不同的是，工業產值占GDP 比重在1995 年、2005 年是主要的影響因素，2016年其影響力明顯減弱；GDP 增長速度、常住人口增長速度則均在1995 年是主要的影響因素，在后兩個時期影響力減弱；人口密度、城鎮建設用地增長速度則均是2016 年的主要影響因素，在前一階段影響力較弱；研究和發展（R＆D）經費支出則在2005 年、2016 年是主要的影響因素，在1995年作用較弱。整體來看，2005 年以前，產業結構及人口和GDP 的快速增長是主要的驅動因素，2005 年以后，人口高度集聚、土地快速開發、科技和技術創新等因素發揮著更重要的作用。

5 結論與政策建議

（1）1995—2016 年廣東省耦合協調度呈持續上升趨勢，整體呈S 型曲線，經歷了嚴重失調—中度協調—優質協調和城鎮化滯后—相對平衡—生態環境滯后的過程。就21 個地級市而言，1995—2016 年，各地級市城鎮化與生態環境耦合協調度持續提高，屬優質和良好協調型的區域以珠海、深圳為核心逐步向外圍擴展，表現出明顯的核心—邊緣特征，說明珠三角核心城市在推進城鎮化與生態環境協調共進方面對周邊區域有輻射帶動作用。

（2）城鎮化與生態環境耦合協調度影響因素分析結果表明，生態環保政策、土地開發強度是不同時期影響21 個地級市城市化與生態環境耦合協調度的共性因素。同時，2005 年以前，產業結構及人口和GDP 的快速增長是主要的驅動因素，2005 年以后，人口高度集聚、土地快速開發、科技和技術創新等因素發揮著更重要的作用。

表4 城鎮化與生態環境耦合協調度驅動因素及其q值

針對目前廣東省整體處于生態環境保護滯后的現狀，未來一方面應加大生態環境保護投入力度，統籌山水林田湖草系統治理，持續改善生態環境；另一方面應加快產業結構優化和調整，推進污染減排和資源能源利用效率提升，加大科學研發投入和政策支持，著力推動高新技術產業和現代服務業發展，以創新驅動實現城鎮化和生態環境協調發展。對清遠、云浮等城鎮化滯后型城市，未來在城鎮化階段應高度重視生態環境問題，走集約、智能、綠色、低碳的新型城鎮化道路。此外，應充分發揮珠三角核心城市對外圍城市的帶動作用，加強城鎮化和生態環境治理領域區域合作[28]，進一步提高城鎮化與生態環境耦合協調度。