武漢城市圈城鎮化與生態環境耦合協調研究

(華中科技大學 公共管理學院,湖北 武漢430074)

1 引言

2000年以來，我國全面進入快速城鎮化發展階段[1,2],經歷了世界上最大規模的城鎮化過程[3],城鎮化率從36.22%上升到57.35%,預計2020年可達到65%。我國的城鎮化由于長期依靠對自然資源的消耗,資源低效利用,嚴重超過了資源環境的承載力,引起了一系列的生態問題[4]。隨著我國提出建設美麗中國,提升生態系統質量與穩定性[5],就如何轉變發展方式,實現城鎮化發展與生態環境的互動雙贏受到了社會的廣泛關注,同時在城鎮化推進中面臨著協調好城鎮化與生態環境保護的關系這一重大問題[6]。

國內外眾多學者從不同角度對城鎮化與生態環境關系展開了深入研究。例如，Onishi認為城市化和生態環境協調發展的實質是構建以生存容量為核心的綠色花園城市[7];Grossman、Krueger揭示了城市生態環境與經濟水平兩者之間呈倒“U”型演變規律,即環境庫茲涅茨曲線[8]。國內學者從理論與實證方面針對不同地域層面對城鎮化與生態環境耦合協調度的測量與評價進行了廣泛探索,主要集中在:①理論角度。學者們對城鎮化與生態環境相互影響的機理及兩者共同發展的路徑展開了探討。例如，喬標、方創琳等認為城鎮化與資源環境之間存在交互脅迫關系[9];黃金川、方創琳對環境庫茲涅茨曲線和城市化對數曲線進行了邏輯復合,揭示生態環境與城市化之間的指數存在先衰退、后改善的耦合規律[10]。②實證角度。學者們利用耦合協調度、動態耦合模型和灰色關聯分析法對不同區域層面的城鎮化與生態環境耦合程度和脅迫關系進行了探討。例如，劉耀彬、宋學鋒基于協同學理論分析了1985年以來我國城市化與生態環境耦合的時空分布[11];馮霞、劉新平借助結構方程模型對江蘇省城鎮化與生態環境耦合協同發展路徑選擇進行了研究[12];李波、張吉獻借助探索性空間數據分析法,基于空間統計分析軟件繪制莫蘭散點圖分析了中原經濟區城鎮化與生態環境耦合發展時空差異性[13]。③研究區域。崔木花借助耦合協調度模型對中原城市群城鎮化與生態環境耦合協調關系進行了實證研究[14];張引、楊慶媛借助耦合分析法研究發現重慶市城市化與生態環境之間存在著長期均衡關系[15]。④動態發展。越來越多的學者關注城鎮化與生態環境間耦合關系的動態發展。例如，喬標、方創琳通過動態耦合模型揭示了城市化與生態環境耦合發展的實質[16];劉傳哲、劉娜娜等通過動態耦合協調模型測算和分析了2005—2015年我國省域城鎮化與生態環境耦合協調狀態[17]。

綜上所述,當前學術界在對城鎮化與生態環境耦合協調關系的研究中,主要集中在探索耦合機理和運用耦合模型分析論證其耦合協調關系兩個方面。研究尺度從全國到省域等宏觀尺度,并逐漸向中微觀尺度(市域、縣域)深化,其中又多以省市研究為重點,取得了較為豐碩的成果。但較多學者的研究區域為省級及以上,對城市群的關注較少;同時多是從單一視角對城鎮化與生態環境協調發展研究,多視角結合的研究較少；多研究某一區域城鎮化與生態環境之間交互耦合的時序規律,或對區域內耦合協調度的空間差異進行分析,對某一區域城鎮化與生態環境協調發展的時空演變特征的系統分析較少。

基于此,本文通過閱讀相關文獻,以武漢城市圈為研究區域,結合發展實際,構建兩者協調發展指標體系,基于熵權法對武漢城市圈2008—2016年城鎮化與生態環境進行評價,運用耦合協調度模型定量分析兩系統耦合協調的時空演變特征,并借助障礙度模型探尋影響兩者協調發展的主要障礙因素,揭示武漢城市圈城鎮化與生態環境協調發展的基本規律,以期為武漢城市圈乃至其他同類城市群提供一定借鑒。

2 數據來源與研究方法

2.1 研究區域

武漢城市圈位于湖北省東部,行政區劃包括武漢、黃石、鄂州、孝感、黃岡、咸寧、仙桃、潛江和天門9市,是湖北省經濟社會發展的核心區域,也是我國區域經濟增長的重要引擎。2016年武漢城市圈土地總面積、總人口、地區生產總值分別占全省的36.53%、53.44%和62.38%,是目前中部地區發展較快的城市群之一。武漢城市圈作為我國中部重要發展區域,隨著城鎮化進程推進,城鎮化與生態環境之間矛盾日益凸顯,正確認識武漢城市圈城鎮化與生態環境協調發展的基本規律,把生態文明建設融入到城鎮化發展過程中,實現城鎮化與生態環境協調發展,對保護城市圈生態環境，促進城市可持續發展，建設“兩型社會”有著重要的意義。

2.2 指標選取與數據來源

在候培[18]、凌立文[19]、崔木花[14]等研究成果的基礎上,遵循科學性、代表性和針對性等原則,結合武漢城市圈各市發展實際,從人口、經濟、空間和社會4個維度對城鎮化水平分析，依據“壓力—狀態—響應”(PSR)模型,從生態環境壓力、狀態、響應3個維度對生態環境狀況分析(表1)。考慮到指標數據的可獲得性與適用性,對部分指標進行了調整。如隨著社會的發展,物流郵電等業務也逐漸成為衡量城鎮化水平的要素,因此本文在社會城鎮化指標中加入郵電業務量指標。在生態環境壓力方面,用人均二氧化硫排放量、萬元工業總產值能源消費量分別代替人均工業廢棄排放量、能源消費總量，為了從更多方面反映生態環境壓力,新增人均工業煙塵排放量指標。在生態環境狀態方面,在適當選取文獻指標的基礎上,用園林綠地覆蓋面積代替森林覆蓋率。在生態環境響應指標選取方面,考慮到指標對生態環境響應的反應程度和在城市圈各市中的普適性,選取工業固體廢棄物綜合利用率、污水處理廠集中處理率、工業廢水排放達標率、生活垃圾無害化處理率、生活污水處理率等指標。

表1 城鎮化與生態環境協調發展評價指標體系

(續表1)

目標層系統層準則層指標層指標屬性城鎮化與生態環境協調發展評價城鎮化系統(U1)社會城鎮化X19萬人擁有醫生數(人)+X20萬人擁有醫療床位數(張)+X21百人公共圖書館藏書(冊、件)+X22萬人擁有公交車數量(輛)+X23萬人在校大學生數(人)+X24郵電業務總量(億元)+X25燃氣普及率(%)+X26用水普及率(%)+X27城鎮居民人均生活消費性支出(元)+生態環境系統(U2)生態環境壓力Y1人均日生活用水量(L)-Y2人均工業廢水排放總量(t/人)-Y3人均工業二氧化硫排放量(t/人)-Y4人均工業煙塵排放量(t/人)-Y5萬元工業總產值能源消費量(t標準煤)-生態環境狀態Y6建成區綠化覆蓋率(%)+Y7人均公園綠地面積(m2)+Y8園林綠地覆蓋面積(hm2)+Y9人均耕地面積(hm2)+Y10建成區綠地率(%)+生態環境響應Y11工業固體廢棄物綜合利用率(%)+Y12污水處理廠集中處理率(%)+Y13工業廢水排放達標率(%)+Y14生活垃圾無害化處理率(%)+Y15生活污水處理率(%)+

原始數據來源于湖北省和武漢城市圈各城市相關年份的統計年鑒、國民經濟和社會發展統計公報、《中國城市統計年鑒》、中國城鄉建設與區域經濟數據庫等。對指標體系中個別缺失數據,本文采用移動平均法和平均增長率的方法進行補缺。

2.3 研究方法

熵權法:主觀賦權法有層次分析法、德爾菲法等[20,21],但均具有較強的主觀性。為減少主觀性,本文采用熵權法確定指標權重,更能反映指標的相對重要程度。本文采用極差標準化法[22]。對原始數據標準化處理公式為:

正向指標:Xij=(xij-xjmin)/(xjmax-xjmin)

(1)

負向指標:Xij=(xjmax-xij)/(xjmax-xjmin)

(2)

耦合測度模型:系統或要素之間相互作用及相互影響的程度即系統耦合狀態用耦合度來表示,在一定程度上把握系統耦合強度,預測兩者的發展趨勢。借鑒物理學中容量耦合系數模型得到城鎮化與生態環境的耦合度函數[23]:

(3)

式中,C為耦合度值；k為調節系數(2≤k≤5),在此k取2;Ui(i=1,2)分別為城鎮化和生態環境的綜合水平。耦合度值C∈[0，1],耦合度C越大,城鎮化與生態環境耦合程度越高;反之,則越低。由于耦合度只能說明城鎮化與生態環境兩個系統之間相互作用程度的強弱,無法真實反映出兩者的協調發展水平，因此為了更好評判兩者交互耦合的協調程度,進一步構建耦合協調度模型。耦合協調度是度量城鎮化與生態環境協調發展水平高低的定量指標,綜合反映了城鎮化與生態環境兩大系統的整體協同效應[24,25]。計算公式為:

(4)

式中,D為耦合協調度,D∈[0，1],城鎮化與生態環境耦合協調度隨D值的增加而越好,D值越大城市發展質量越高,反之則相反；T為綜合評價指數;α、β為城鎮化和生態環境對城市發展的貢獻程度,考慮到兩者貢獻度程度等同,取α=β=0.5。

障礙因素模型:對影響城鎮化與生態環境耦合協調發展的主要障礙因素進行分析與診斷,針對性地制定和調整城鎮化發展和生態環境保護政策。在此引入三個基本變量:單一指標對總目標貢獻程度的因子貢獻度Fi,用權重Wi表示;各指標實際值與最優值之間差距的指標偏離度Ii,用1與標準化值Xij之差表示;Qi表示子系統或各指標對城鎮化與生態環境耦合協調度影響程度高低的障礙度[26],計算公式為:

(5)

3 結果及分析

3.1 城鎮化與生態環境結果評價

運用熵權法計算各市城鎮化指數與生態環境指數。隨著經濟的發展,2008—2016年武漢城市圈9市城鎮化水平逐步上升。從單個城市看,各市生態環境指數存在較大差異,整體處于上升趨勢,但研究期間波動幅度較大,發展態勢不平穩。環境庫茲涅茨曲線表明城市生態環境呈倒“U”型演變規律,即城市生態環境呈出先逐步上升,達到倒“U”型曲線頂點之后逐步下降的趨勢。總體上,目前武漢城市圈各市生態環境指數還處在上升階段,生態環境還有提升的空間,在后續的發展過程中仍要注重對生態環境的保護、進一步采取措施改善生態環境。

表2 2008—2016武漢城市圈各市城鎮化指數

本文根據武漢城市圈9市2008年、2012年、2016年生態環境指數,利用ArcGIS軟件自然斷點法對生態環境水平進行分類,得到優、良、中、差四類生態環境水平,得出武漢城市圈生態環境空間分異特征(圖1)。從空間差異的角度看出武漢城市圈生態環境質量呈現為“兩端高、中間低”的空間格局。

3.2 耦合協調度類型及時空差異分析

借鑒候培[18]、高新才、楊芳[27]等學者的研究成果,根據耦合協調度D值設定城鎮化與生態環境的協調度等級及其劃分標準(表3、表4)。從時間上看,2008—2016年武漢城市圈城鎮化與生態環境耦合協調度指數呈現出波動上升趨勢,并在2016年達到協調發展類。目前,武漢城市圈9市城鎮化與生態環境互動耦合十分緊密,但因各市資源水平和經濟社會發展的差異,各城市城鎮化與生態環境間的交互耦合關系也有所區別,兩者之間的相互作用在不同的耦合協調狀況中發展趨勢不盡相同。

圖1 武漢城市圈生態環境空間分異特征

表3 2008—2016年武漢城市圈各市城鎮化水平

表4 城鎮化水平與生態環境質量耦合協調度分類

圖2 武漢城市圈城鎮化與生態環境耦合協調度空間分異特征

從空間上來看,武漢城市圈城鎮化與生態環境耦合協調度發展狀況具有明顯的空間分異規律(圖2),從2008年的帶狀格局轉變為2016年的環狀格局。總體而言,武漢城市圈耦合協調度等級持續提升,2016年9市協調等級均達到中級協調及以上水平,具體可劃分為4種類型:①優質協調生態環境滯后型。屬于此類型的城市只有武漢市。武漢市城鎮化水平優于生態環境水平,在城鎮化過程中兩者之間差距較小。未來的發展中,作為城市圈中心城市,應充分發揮其輻射帶動功能,在各個方面與周邊城市共享共贏發展,同時注重對生態環境保護。一方面要減少工業廢水的排放量，提高工業廢水排放達標率和固體廢棄物綜合利用率來減少對生態環境的破壞；另一方面要提高建成區綠化覆蓋率、擴大園林綠地面積等進一步優化生態環境,促進生態環境高質量發展。②優質協調城鎮化滯后型。黃石、黃岡、咸寧屬于此類型，但從內部來看,黃岡的耦合協調度落后于黃石與咸寧。雖然黃岡的生態環境質量優于其他兩市,但其城鎮化指數與生態環境指數相差較大,導致兩者的耦合協調度值較低,黃石與咸寧兩系統指數相差較小,城鎮化稍微落后于生態環境水平。3市均需要在維持當前生態環境水平的同時持續推進城鎮化進程,應加快城市空間和住房建設,進一步提升人口與空間城鎮化;在社會城鎮化方面,進一步培訓醫療人員,改善公共交通狀況等基礎設施服務水平,促進社會城鎮化的優質發展。③良好協調生態環境滯后型。此類型包括鄂州、孝感、潛江和天門。從城鎮化指數看,孝感、天門城鎮化指數高于9市的平均水平,而鄂州和潛江城鎮化指數低于9市的平均值,潛江城鎮化指數最低;生態環境指數中,4市均低于平均水平,其中鄂州生態環境指數為4市最低。從4市內部看,雖然4市均為生態環境滯后型,但在兩系統內部存在差異。其中,孝感、潛江、天門的城鎮化指數與生態環境指數較接近,兩系統發展相對協調;鄂州兩系統得分差距較大,兩系統的協調度需進一步提高,生態環境水平也需進一步提升。④中級協調生態環境滯后型。屬于此類型的為仙桃,其城鎮化水平在9市中列第六位,生態環境質量為9市最低,生態環境指數顯著低于城鎮化指數,說明側重經濟社會的發展,對生態環境的重視程度不夠。在未來的發展中一方面要著力控制利用率較低污染較大的燃料消費，另一方面要提高“三廢”排放達標率,盡可能降低對生態環境的影響。此外,要通過提升建成區綠地覆蓋率改善城市綠化環境，提高污水廠集中處理率減少水污染，增加固體廢棄物的再利用以提升工業固體廢物綜合利用率等措施逐步減弱對生態環境的破壞,降低生態環境壓力,提高生態環境水平,推動其與城鎮化同步協調發展。

3.3 障礙度診斷

本文利用障礙因素模型計算武漢城市圈城鎮化與生態環境子系統和各項指標的障礙度(表5),基于障礙度排序展開深度診斷分析。為了便于研究,僅對障礙度排名前五的影響因子進行分析,具體結果見表6。

表5 2008—2016年武漢城市圈城鎮化與生態環境系統障礙度(%)

表6 2008年、2012年、2016年武漢城市圈城鎮化與生態環境系統主要障礙因子排序

(續表1)

年份 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 仙桃潛江天門2008Y14X19X12X5X10X25Y9X10X24X15X14X10X7Y10Y122012Y8Y10Y7Y6X24X21Y10Y6Y14X19X23X21Y4X13X242016Y7X17X12Y9Y3X21X12X17Y13Y10X21X23Y13Y8Y7

總體上,影響武漢城市圈城鎮化與生態環境耦合協調的障礙因子主要為城鎮化系統中的X12、X13、X15、X18、X21與生態環境系統中的Y8、Y9、Y10、Y14,集中在經濟城鎮化、空間城鎮化和生態環境狀態3個子系統。其中,X12、X13、Y9、Y10、Y14出現頻率較高且分布范圍較廣,在5個城市中均有分布,X15、X18、X21、Y8分布于其他4市。武漢城市圈在推進城鎮化與生態環境耦合協調發展過程中應結合主要障礙因子及其出現頻率與分布范圍采取針對性的措施。主要是：①經濟城鎮化方面應進一步優化城市產業結構,大力發展第二、三產業,促進更多的工業企業向第二、三產業轉型,提高第二、三產業對經濟增長的貢獻程度。②空間城鎮化方面應擴大城市建成區面積,加強對房地產行業的管理與控制,積極采取市場調節與政府管控相結合的方式等控制房價過快增長,提升城鎮居民的生活收入水平,降低住房壓力,增加城市居民人均建成區面積。③在生態環境狀態方面,應加強對耕地的保護,防止建設用地對耕地的占用,減少耕地撂荒等增加人均耕地面積。此外,應注重城市的綠化建設,通過擴大公園綠地面積和建成區綠地面積來提高園林綠地覆蓋面積與建成區綠地率等。

根據武漢城市圈城鎮化與生態環境系統障礙度變化趨勢,將其劃分為兩種類型:一種為城鎮化障礙度降低,生態環境障礙度增加型,包括鄂州、孝感、仙桃、潛江、天門。其中,鄂州障礙度最大值變化路徑為經濟—社會—狀態,孝感為社會—社會—狀態,仙桃為經濟—狀態—狀態,潛江與天門的障礙度最大值變化路徑相同,都是經濟—社會—社會。此類型城市在后續發展過程中,應注重對生態環境的保護,建立健全綠色低碳循環發展的經濟體系,實現產業結構升級,形成資源節約和環境保護的空間格局,降低能耗、物耗,促進城鎮化與生態環境更好的協同發展。另一種為城鎮化障礙度增加,生態環境障礙度降低型,包括武漢、黃石、黃岡、咸寧。武漢兩系統障礙度變化較小,障礙度最大值變化路徑為社會—經濟—人口,黃石為經濟—社會—人口,黃岡為社會—社會—社會,3個階段障礙度均集中在社會子系統,咸寧則為社會—社會—人口,此類型城市在注重對生態環境保護的基礎上應采取措施降低城鎮化障礙度,積極轉變生產生活方式,堅持走綠色發展道路,推動城鎮化發展。

4 結論

本文的主要結論為:①從時間序列上看,發展至2016年武漢城市圈9市城鎮化與生態環境耦合度值達到0.7以上,兩系統均達到中級協調及以上水平,總體呈現先平穩發展后緩慢下降再上升的變化趨勢,較高的耦合協調度值說明9市城鎮化與生態環境系統的相關性較強,兩者之間關系密切。②從空間格局上看,武漢城市圈9市城鎮化與生態環境耦合度分布由帶狀格局逐漸轉變為環狀格局,空間差異明顯,根據耦合協調度值和城鎮化與生態環境指數可將城鎮化與生態環境耦合協調關系劃分為“優質協調生態環境滯后”、“優質協調城鎮化滯后”、“良好協調生態環境滯后”、“中級協調生態環境滯后”4種類型。其中,城鎮化指數較高的武漢屬于第一種類型,在發展城鎮化的同時,應加大對生態環境的保護力度,提升生態環境發展水平;黃石、黃岡、咸寧屬于第二種類型,應在持續提高生態環境水平的同時加快城鎮化進程;鄂州、孝感、潛江、天門為第三種類型,仙桃則為第四種類型,著重生態環境水平持續推進城鎮化水平,逐步縮小二者之間的差距,提高兩系統的協調水平。③從障礙因子分析結果看,影響武漢城市圈城鎮化與生態環境耦合協調的因素主要為第二、三產業值占地區生產總值比重,人均建成區面積,城市居民人均住宅建筑面積,建成區綠地率,人均耕地面積,生活垃圾無害化處理率等,集中在經濟城鎮化、空間城鎮化和生態環境狀態3個子系統。根據障礙度變化趨勢的不同,可將城市圈各市劃分為城鎮化障礙度降低,生態環境障礙度增加與城鎮化障礙度增加,生態環境障礙度降低兩種類型。城市圈內部各城市應根據自身城鎮化與生態環境障礙度類型,尋找適合自身城市的發展道路,制定可行高效的措施計劃,針對性地排除主要障礙因素。