南昌市城市化與大氣環境耦合協調關系研究

劉 雅，黃 庭，謝哲宇，張小龍，黃 珊，吳代赦,2

(1.南昌大學資源環境與化工學院，江西 南昌 330031；2.南昌大學鄱陽湖環境與資源利用教育部重點實驗室，江西 南昌 330031)

城市化是人口結構轉變、空間形態擴張、經濟發展和社會發展的一個復雜過程，是我國實現工業化、現代化的必經之路[1]。自改革開放以來，我國城市化率由1978年的18%上升至2016年的57.35%[2]。根據諾瑟姆的城市化“S”型進程曲線，我國正處于城市化加速發展階段[3]。快速城市化成為我國經濟快速增長的重要動力之一，但以能源密集型、低效率、煤炭為主的經濟快速增長，對自然資源和環境，特別是大氣環境產生了重大影響[4]。近年來，城市大氣環境污染問題日益嚴重，主要表現在酸雨、霧霾等大氣污染事件[5]，導致城市居住環境舒適度降低，區域投資環境競爭力下降，阻礙了城市化的發展[6]。因此，協調好城市化與大氣環境之間的關系成為城市化可持續發展的關鍵。

當前國內外學者已對城市化與生態環境的關系進行了大量的研究，并提出了一些著名的理論假說和方法。如馬世俊等[8]提出了社會-經濟-自然復合生態系統理論，對城市化與生態環境的關系進行了初步探討；Grossman等[7]提出了環境庫茲涅茨曲線假說，認為隨著城市化的發展環境污染越來越嚴重，但當達到一定限值以后環境污染濃度就會下降。從研究方法來看，主要包括熵變方程[9]、系統動力學模型[10]、脈沖響應函數[11]和耦合度函數[12]。從研究尺度來看，涉及全國、省域、城市群，再到特定地級市，并取得了豐碩的研究成果[13-16]。大氣環境作為生態環境的重要組成部分，可作為一個單獨而完整的系統與城市化系統發生復雜的耦合關系，并受到學術界的廣泛關注[17-19]。如麥爾哈巴·杰力力等[17]研究了和田市城市發展與大氣污染耦合關系，發現城市化與大氣環境污染的“N”型曲線關系;王曉云等[18]研究了珠江三角洲地區城鎮群發展規劃與大氣環境的關系，評估了區域城市化進程對大氣環境的影響;陳向等[19]研究了京津冀地區污染物排放的時空分布特征及其與城市化發展過程的耦合關系，為探索區域城市化與環境協調發展提供了新的方法。這些研究往往是分析城市化對大氣環境污染的影響，缺乏對城市化與大氣環境耦合演變關系的系統分析，且建立的城市化與大氣環境指標較為單一，缺乏基于綜合評價指標體系的系統分析。

南昌市作為中部省會城市之一，其城市化在“中部崛起”和“長江經濟帶”等國家戰略的刺激下迅速發展，但受制于長期的傳統粗放型發展模式，大氣環境污染問題日益突出。南昌市能源消耗以煤炭為主，導致了嚴重的酸雨污染，酸雨每年出現的頻率均超過50%，2014年酸雨出現頻率達到100%，成為全國四個明顯的酸雨污染區域之一[20-21]。在這種形勢下，如何實現城市化與大氣環境協調發展成為南昌市面臨的嚴峻挑戰。鑒于此，本文以南昌市為研究對象，構建城市化與大氣環境綜合評價指標體系，采用熵值法和均方差決策法對城市化與大氣環境的綜合發展水平進行綜合評價，并利用耦合協調度模型定量分析兩者之間的耦合協調規律及其演變趨勢，以期為南昌市城市化建設和大氣環境保護政策的制定提供依據。

1 研究區域與研究方法

1. 1 研究區域與數據來源

南昌市位于江西省中部偏北(115°27'～116°35'E、28°10'～29°11'N)，是鄱陽湖生態經濟區核心增長極城市。該地區以平原為主，東南平坦，西北丘陵起伏，水域眾多，屬亞熱帶濕潤季風氣候，季節性變化明顯，年平均氣溫為17.0～17.7℃，年降雨量為1 600～1 700 mm。南昌市夏季多偏南風，近地湍流較強，大氣污染物容易擴散，大氣污染較輕；秋冬季多偏北風，空氣較為干燥，靜風頻率較高，近地面常有逆溫層形成，大氣污染物不易擴散，大氣污染較重。截至2016年底，南昌市土地面積為7 400 km2，城市建成區土地面積為317.3 km2。南昌市常住人口為537.14萬人，占全省總人口的11.69%，GDP總量為4 354.99億元，占全省GDP總量的23.71%，城市化率為72.29%，高出全省平均水平19.19%。

考慮到研究數據的可獲得性和連續性，本文選取2002—2016年作為研究區間，數據主要來源于《南昌經濟社會統計年鑒》、《南昌統計年鑒》、《江西統計年鑒》、《南昌市國民經濟和社會發展公報》和《南昌市環境狀況公報》以及國家統計局的相關統計資料等。

1. 2 研究方法

1.2.1 評價指標體系的構建

城市化和大氣環境是兩個相對獨立且復雜的系統，為了準確地揭示兩者之間的耦合協調程度，本文在前人研究的基礎上[22-23]，結合南昌市的具體情況，遵循評價指標選取的科學性、系統性、可行性和代表性等原則[24]，構建了南昌市城市化與大氣環境綜合評價指標體系。在城市化發展過程中，由于經濟發展是基礎，人口增長和地域擴張是表現，生活水平提高是最終目標[25]。因此，本文從人口、經濟、空間、社會4個子系統層面篩選出17個指標用來表征城市化發展水平；根據“壓力—狀態—響應”(PSR)模型[26]，從大氣環境壓力、狀態、響應3個子系統層面篩選出12個指標用來表征大氣環境發展水平，其中“壓力”反映了人類活動對大氣環境造成的負荷，“狀態”反映了大氣環境質量狀況，“響應”反映了人類面臨大氣環境問題所采取的對策和措施。構建的南昌市城市化與大氣環境綜合評價指標體系，見表1。

表1 南昌市城市化與大氣環境綜合評價指標體系及指標權重

注：“(+)”表示正向指標；“(-)”表示負向指標。

1.2.2 數據的標準化處理及指標權重的確定

為了消除原始數據不同數量級及維度的影響，需要對原始數據進行標準化處理，具體計算公式如下：

正向指標的計算公式為

(1)

負向指標的計算公式為

(2)

式中:xij和Zij分別為第i年第j個指標的原始值和標準化后的數值;xijmax和xijmin，分別為指標j在第i年中的最大值和最小值。

經標準化處理后，所有指標值均在[0,1]范圍內。為了防止主觀賦值法帶來的人為偏差以及單一方法帶來的誤差，本文采用相對客觀的熵值法[27]和均方差決策法[28]分別確定指標的權重，再求均值得到綜合權重，最后將子系統層的綜合權重和指標層的綜合權重相乘得到指標層的最終權重，其結果見表1。

1.2.3 綜合評價模型

根據各指標的權重與標準化值，加權求和計算城市化(或大氣環境)的綜合發展水平(Y)，其計算公式為

(3)

式中:Zij為指標的標準化值;wij為指標的權重。

1.2.4 耦合協調度模型

耦合度是描述系統或系統要素相互作用的程度[29]，能反映兩個系統之間作用的強弱，但很難揭示兩者之間的協調發展水平。因此本文借鑒物理學中的容量耦合模型[30]對南昌市城市化與大氣環境的耦合協調關系進行分析：

(4)

T=αf(x)+βf(y)

(5)

(6)

式中:C為耦合度，C∈[0,1]；f(x)為城市化系統綜合發展水平；f(y)為大氣環境系統綜合發展水平；k為調節系數，一般2

根據耦合協調度D、城市化系統f(x)和大氣環境系統f(y)的大小，參考前人的研究，將城市化與大氣環境的耦合協調類型進行了劃分[23,31]，見表2。

表2 城市化與大氣環境的耦合協調類型劃分

2 結果與分析

2.1 城市化綜合發展水平與大氣環境的綜合發展水平分析

由表1可知，南昌市城市化發展水平子系統層中社會城市化的權重最大，其次是空間城市化、經濟城市化和人口城市化，表明社會城市化對城市化綜合水平的影響最大，而經濟城市化和人口城市化對城市化綜合發展水平的影響作用相對較小；城市化發展水平指標層中人口密度(0.096)、人均GDP(0.079)、人均公共綠地面積(0.077)、規模以上工業總產值占總GDP比重(0.070)和人均居住面積(0.067)5個指標是對城市化系統貢獻份額較大的指標，所占權重合計為31.7%，這表明在過去的15年里，城市人口密度增加、工業產值比重上升和城市建設擴張是影響南昌市城市化發展的重要因素；在大氣環境發展水平子系統層中，大氣環境狀態對大氣環境綜合發展水平的影響最大，其次是大氣環境壓力和大氣環境響應；大氣環境發展水平指標層中城區SO2濃度年均值(0.116)、廢氣治理設施處理能力(0.103)、工業煙(粉)塵排放量(0.102)和人均工業廢氣排放總量(0.101)4個指標是對大氣環境系統具有較高貢獻份額的指標，所占權重合計為42.1%，這4個指標分別為1個狀態指標、2個壓力指標和1個響應指標，累計權重分別為0.116、0.204和0.103，可見南昌市城市化對大氣環境的影響以大氣環境壓力為主，大氣環境響應有待進一步加強。

2002—2016年南昌市城市化綜合發展水平的變化趨勢，見圖1。

圖1 2002—2016年南昌市城市化綜合發展水平的變化 趨勢Fig.1 Trends of comprehensive level in the urbanization system of Nanchang City in 2002—2016

由圖1可見，2002—2016年南昌市城市化綜合發展水平一直保持持續上升趨勢，城市化發展水平由2002年的0.012 5提高到2016年的0.969 4，年均增長36.45%，城市化進程不斷推進；從子系統來看，人口、經濟、空間、社會城市化發展水平在2002—2016年均保持增長趨勢，社會城市化發展水平增長幅度最大，側面驗證了社會城市化對城市化綜合發展水平的影響最大,說明南昌市比較注重社會城市化的發展，而空間城市化和經濟城市化發展水平增長幅度次之，其中空間城市化發展水平在2016年受城市道路面積的影響略有下降，經濟城市化發展水平在2007—2012年增長幅度最大，這與國家實施“中部崛起”和建設鄱陽湖生態經濟區等戰略有關；人口城市化發展水平增長幅度最小，在2011年后一直低于其他子系統的發展水平，是城市化發展的薄弱環節。因此，在今后的城市化發展中要注重協調城市化各子系統之間的關系，加速突破人口城市化這一薄弱環節，加快經濟城市化的發展步伐，穩定社會城市化和空間城市化的發展速度，推動城市化各子系統的協同進步，促進城市的健康平穩發展。

2002—2016年南昌市大氣環境綜合發展水平的變化趨勢，見圖2。

圖2 2002—2016年南昌市大氣環境綜合發展水平的 變化趨勢Fig.2 Trends of comprehensive level in the atmospheric environment system of Nanchang City in 2002—2016

由圖2可見，2002—2016年南昌市大氣環境的綜合發展水平整體呈波動上升趨勢，大氣環境綜合發展水平由2002年的0.377 6上升到2016年的0.620 0，年均增長3.61%，部分年份略有下降；大氣環境狀態發展水平在2002—2016年整體呈現波動上升的趨勢，這是由于“中部崛起”和建設鄱陽湖生態經濟區等戰略的實施，南昌市經濟得到了跨越式的發展，但依賴高能耗、高排放和低效益的重工業經濟發展導致2005—2013年大氣環境狀態發展水平呈現波動下降的趨勢，并在2013年出現最小值，2013年以后南昌市啟動“藍天行動計劃”，全力推進燃煤鍋爐拆改、機動車排氣污染整治等一系列活動，大氣環境狀態發展水平逐漸得到改善；大氣環境壓力發展水平在2002—2016年整體呈現波動下降的趨勢，這與南昌市的經濟結構有關，南昌市以第二產業為主，工業迅速發展，使工業SO2和煙(粉)塵等排放量增加，造成大氣環境壓力越來越大；大氣環境響應發展水平在2002—2016年呈現波動上升的趨勢，表明南昌市緊跟國家倡導環保的步伐，在大氣污染控制和治理能力方面有顯著的進步，但大氣環境壓力逐漸增大，大氣環境響應仍然存在不足。

2. 2 城市化與大氣環境的耦合協調度分析

為了探究南昌市城市化系統與大氣環境系統所占貢獻份額對城市化與大氣環境耦合協調度的影響，本文參照前人研究[31]，分析并測算了城市化系統與大氣環境系統在三種不同貢獻份額(α=1/3，β=2/3；α=1/2，β=1/2；α=2/3，β=1/3)的情況下，城市化與大氣環境耦合協調度的變化，其計算結果和類型劃分見圖3和表3。

圖3 2002—2016年南昌市在三種不同貢獻份額下城市 化與大氣環境耦合協調度的變化趨勢Fig.3 Trends in the degree of coupling coordination between urbanization and the atmospheric environment of Nanchang City in 2002—2016

由圖3可見，2002—2016年南昌市在三種不同貢獻份額下城市化與大氣環境耦合協調度的變化趨勢大體上是一致的，僅在數值上略有差異，表明城市化系統與大氣環境系統所占貢獻份額的大小對整個系統耦合協調度結果的影響較小；2002—2016年南昌市城市化與大氣環境耦合協調度整體呈現上升的趨勢，說明城市化與大氣環境的耦合協調關系逐步趨好。

2002—2016年南昌市城市化與大氣環境綜合發展水平的變化趨勢，見圖4。

圖4 2002—2016年南昌市城市化與大氣環境綜合 發展水平的變化趨勢Fig.4 Trends of comprehensive level in the urbanization and the atmospheric environment of Nanchang City in 2002—2016

根據2002—2016年南昌市城市化與大氣環境綜合發展水平的變化趨勢(見圖4)，并結合兩者之間耦合協調度的變化趨勢(見圖3)和耦合類型的演變過程(見表3)，將2002—2016年南昌市城市化與大氣環境的耦合發展分為以下4個階段：

(1) 2002—2005年：城市化與大氣環境耦合協調度呈快速增長趨勢，其耦合協調類型出現跨層次的變化，逐步從“嚴重不協調-城市化受阻”階段過渡到“基本不協調-城市化受阻”階段，最終邁入“基本協調-城市化滯后”的發展階段，表明城市化系統與大氣環境系統越來越協調。在此期間，大氣環境綜合發展水平穩步提高，城市化綜合發展水平成線性增長，且增長幅度較大，但遠低于大氣環境綜合發展水平，說明該時期南昌市城市化綜合發展水平較低，公共服務、基礎設施建設尚不健全，未對大氣環境造成大的干擾。

(2) 2005—2009年：城市化與大氣環境耦合協調度持續增加，但相較于前一階段，增長速度變緩，耦合協調類型維持在“基本協調-城市化滯后”階段。這一時期城市化綜合發展水平持續提升，而大氣環境綜合發展水平先下降后上升，表明該時期城市化對大氣環境產生了脅迫效應。

表3 城市化與大氣環境耦合協調類型

Table 3 Evolution trends of coupling coordination between urbanization and the atmospheric environment

(3) 2009—2013年：城市化與大氣環境耦合協調度呈現倒N型的變化趨勢，耦合協調類型變化較大，逐步由“基本協調-城市化滯后”階段過渡到“基本協調”階段，最后發展到“基本協調-大氣環境滯后”階段。在此期間，大氣環境綜合發展水平呈現波動下降的趨勢，城市化綜合發展水平保持穩定增長趨勢，并于2010年超過大氣環境綜合發展水平。這一時期南昌市城市化發展過程中對能源需求及消耗量加大，大氣污染物排放量增加，從而使得城市化發展對大氣環境的脅迫作用明顯。

(4) 2013—2016年：城市化與大氣環境耦合協調類型進入新階段，從“基本協調-大氣環境滯后”階段發展到“高度協調-大氣環境滯后”階段。在此期間，城市化綜合發展水平繼續快速增長，而大氣環境綜合發展水平先上升后下降。這是由于隨著國家對大氣污染的重視，南昌市逐漸加大各項環保設施投入，積極改善全市的大氣環境質量，但大氣環境的發展滯后于城市化的發展。因此在今后的城市化發展過程中要更加注重大氣環境的保護與建設。

3 結論與建議

城市化進程的快速推進必然引起大氣環境的變化，導致一系列的大氣環境污染問題逐漸凸顯，進而阻礙城市化的發展，因此準確地度量城市化與大氣環境的耦合協調關系有助于實現城市化與大氣環境的協調可持續發展。本文以南昌市為研究對象，構建了城市化與大氣環境評價指標體系，并采用耦合協調度模型定量評價了2002—2016年南昌市城市化與大氣環境之間的綜合發展水平和耦合協調關系，得出以下結論：

(1) 社會城市化和大氣環境狀態分別對城市化系統和大氣環境系統的貢獻份額最大，2002—2016年南昌市城市化綜合發展水平呈現持續上升的趨勢，大氣環境綜合發展水平呈現波動上升的趨勢，城市化對大氣環境的影響以壓力為主，大氣環境響應不足。

(2) 根據耦合協調度模型，測算出南昌市城市化系統與大氣環境系統在三種不同貢獻份額下的耦合協調度，發現其變化趨勢大體上是一致的，僅在數值上略有差異，表明整個系統耦合協調度的變化趨勢受城市化系統與大氣環境系統所占貢獻份額大小的影響較小。

(3) 2002—2016年南昌市城市化與大氣環境耦合協調度整體呈上升的趨勢，耦合協調類型由“嚴重不協調-城市化受阻”發展到“高度協調-大氣環境滯后”階段，雖然城市化與大氣環境的耦合協調關系整體趨向較好的方向發展，但大氣環境滯后程度日趨嚴重。

南昌市作為鄱陽湖流域的重要城市，與中部發達城市相比，城市化的發展相對落后，由于依賴傳統的粗放發展模式，南昌市大氣環境壓力逐漸增大，城市化與大氣環境的協調發展面臨嚴峻的挑戰。因此，該市要大力發展綠色產業，鼓勵科技創新和發展循環經濟，提高資源利用率，調整能源結構，減少煤炭消費，推廣使用清潔能源，加快淘汰落后產能，持續深入推進“美麗南昌·幸福家園”環境綜合整治，開展揚塵污染治理，控制機動車尾氣污染，加強對工業SO2、煙塵等污染物排放的監測，并以省會城市群經濟圈建設為契機，增強區域間協作，建立區域聯防聯控機制，全力推進大氣污染防治工作，切實改善大氣環境質量，堅決打贏藍天保衛戰。

總的來說，南昌城市化與大氣環境的交互耦合關系較為復雜，且隨著時間不斷發生變化，其耦合協調度的增加依賴于城市化系統和大氣環境系統兩大系統的共同作用，只有兩者的綜合發展水平不斷提高，耦合關系才會穩定增強。未來在推進城市化進程的同時需更加注重對大氣環境的保護，及時關注兩者之間的耦合協調關系，為推動南昌市城市化可持續發展提供指導。