煤炭資源枯竭城市“人口-土地-產業”耦合測度研究

宋姝妍，蔣冬梅，李效順，洪江濤

(1.中國礦業大學中國資源型城市轉型發展與鄉村振興研究中心，江蘇 徐州 221116；2.江蘇自然資源智庫中國礦業大學研究基地，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業大學江蘇賈汪資源枯竭礦區土地修復與生態演替教育部野外觀測研究站，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

煤炭占我國能源生產和消費結構比重高于65%，是我國經濟發展的重要工業原料，為實現國家能源穩定做出了重要貢獻[1-2]。煤炭城市依托資源豐裕優勢，借助資源開發在早期得到了長足發展[3]。然而，受資源耗竭和煤炭經濟下行趨勢影響[4]，諸多煤炭資源型城市面臨著城市衰退的困境。尤其是“十八大”以來，在生態文明建設上升至國家戰略以及高質量發展理念深入貫徹下，煤炭資源枯竭城市持續受新舊動能轉換沖擊和環境規制影響[5-6]，城市人口大量流失[7]、城市土地損毀塌陷[8]、煤炭產業喪失活力[9]等問題日趨嚴峻，城市人口、土地、產業發展面臨嚴重失衡[10-11]。

首先，對于煤炭城市人口變動來說，煤炭城市發展路徑依賴與創新環境欠佳[12]，導致城市吸引力下降和人才流入困難，尤其是煤炭行業高端人才流失嚴重、技能型人才總量不足[13]，部分城市甚至出現城市人口嚴重收縮[14]。其次，就煤炭城市土地利用而言，煤炭開采對土地的壓占、毀損[15]，誘發了水土流失、景觀破碎化等一系列城市土地問題[16]。最后，針對煤炭城市產業發展而言，煤炭的豐富究竟帶來“資源詛咒”[17]還是“資源紅利”[18]尚存爭議，但是在生物、新材料、大數據等為代表的新一輪科技革命浪潮下，綠色智能將成為實現煤炭行業高質量可持續發展的必由之路[19]，煤炭城市產業結構調整、接替產業培育和城市發展轉型已成必然[20-22]。因此，人口、土地、產業作為城市地域系統的關鍵要素[23-24]，三者之間的協調程度是區域高質量和資源城市轉型發展重要標識?，F有研究對“人口-土地-產業”(以下簡稱“人-地-業”)系統的結構特征[25]、耦合關系[26]和量化方法[27]等進行系統解釋，但是研究區域多側重于發達城市、城市群或者鄉村地區[28-31]，對煤炭資源型城市“人-地-業”耦合測度研究較少。

鑒于此，本文聚焦于地級煤炭枯竭城市，通過構建煤炭資源枯竭城市“人-地-業”耦合協調模型，揭示煤炭資源枯竭城市“人-地-業”發展格局，以期為煤炭及其他資源型城市高質量轉型發展提供定量參考和決策依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究對象及數據來源

本文從國務院2008年、2009年、2011年累計確定的69座資源枯竭型城市中選出煤炭資源枯竭城市的地級市為研究對象，共計13個，其中，東北地區6個，中西部地區4個，華東地區3個(表1)。主要從人口、產業、土地3個層面來識別煤炭資源枯竭城市的“人-地-業”綜合發展水平和耦合協調現狀。人口、產業、土地數據主要來源于《中國城市統計年鑒》《中國城市建設統計年鑒》、各省或地級市統計年鑒、國民經濟和社會發展統計公報等，時間跨度為2008—2017年。

表1 煤炭資源枯竭型城市地級市名單Table 1 List of prefecture-level cities withexhausted coal resources

1.2 研究方法

1.2.1 評價模型構建

人口、土地、產業之間存在交互耦合關系[29](圖1)。人口維度是城市發展的關鍵，城市人口數量決定了城市土地的需求，也影響著城市產業發展的方向[32-33]；土地維度是城市發展的載體，承載著城市產業和人口活動；產業維度是城市發展的動因，產業資金的投資方向決定了城市人口和土地的流動方向。由于土地要素具有空間位置相對不變性，而人口和產業具有較高的活躍性，所以可能會產生“人-地-業”三系統空間不匹配現象。因此，本文引入耦合協調度模型，從人口、土地、產業三個方面選取指標，定量測度煤炭資源枯竭城市“人-地-業”耦合協調程度，揭示系統耦合的空間分異規律。在借鑒已有文獻基礎上[28,30]，選取年末人口數量、人口密度、城鎮失業率、采礦業從業人員等反映人口發展水平；以城市建成區面積、城市土地面積、建成區綠化覆蓋率、工業建設用地規模、城市人均擁有道路面積、年末實有公共汽(電)車營運車輛數等反映土地發展質量；以人均GDP、GDP增長率、工業企業數量、工業總產值、固定資產投資增速等來反映產業發展水平。

圖1 “人-地-業”耦合研究模型Fig.1 Coupling research model of“population-land-industry”

1.2.2 數據標準化和熵值確定

1) 為消除數據差異對計算結果的影響，對數據進行標準化處理。

正向指標無量綱處理，見式(1)。

(1)

逆向指標無量綱處理，見式(2)。

(2)

式中：xij為標準化后指標的變量值；Xij為指標變量原始值；maxXj、minXj分別為Xj的最大值、最小值，下同。

2) 為了消除負數對熵權法的影響，計算得出本文xij范圍為[-4,4]，因此將數據平移處理，得到標準化的矩陣，見式(3)。

(3)

(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)

(4)

確定指標的熵值Ej,見式(5)。

(5)

確定指標的熵權wj,見式(6)。

(6)

根據構建的指標體系及其指標值，代入式(1)～式(6)求得指標權重，詳見表2。

表2 煤炭資源枯竭城市“人-地-業”系統指標及權重Table 2 Indicators and weights of “population-land-industry” system

1.2.3 評價指數計算

明晰煤炭資源枯竭城市“人-地-業”系統綜合發展水平是測算其耦合協調度的基礎，“人-地-業”發展評價函數[26]分別為式(7)～式(9)。

(7)

(8)

(9)

1.2.4 耦合協調度模型構建

耦合是物理學的概念，表示多個系統之間的關聯和作用的程度[34-35]。本文利用耦合模型，定量測算煤炭資源枯竭城市中“人-地-業”系統之間的耦合度，其函數表示為式(10)。

(10)

系統高度耦合存在以下兩種情況：第一種為系統之間高發展水平、高耦合、高協調，整體呈現有序良好發展狀態；第二種為系統之間低發展水平、高耦合、低協調，整體呈現低水平緊密聯系[36-37]。為了排除第二種情況的干擾，本文在測算耦合度的基礎上引入耦合協調函數，見式(11)和式(12)。

(11)

T=αPi+βLi+γIi

(12)

式中：D為煤炭資源枯竭城市耦合協調度；T為綜合協調指數，反映煤炭資源枯竭城市“人-地-業”整體協調效應；α、β、γ為待定系數，參考已有研究成果[23,29,38]，認為人口、土地、產業在煤炭資源枯竭城市空間中屬于同等重要的地位，所以待定系數都定為1/3。參考程明洋等[23]相關研究，結合耦合度和綜合協調指數計算結果，劃分“人-地-業”耦合協調等級，見表3。

表3 “人-地-業”耦合協調等級標準劃分Table 3 Coupling coordination grade standard divisionof “population-land-industry”

2 實證分析

2.1 綜合發展水平時空格局

通過“人-地-業”發展評價函數判斷煤炭資源枯竭城市綜合發展水平特征。由圖2可知，2008—2017年地級煤炭資源枯竭城市“人-地-業”綜合發展水平總體在1.109～1.270范圍內波動，呈現先上升后下降的態勢，在2009年出現最低值(1.109)后快速上升，于2013年達到最高值(1.270)后大幅下降?！叭?地-業”綜合發展水平上升時期與國家分三批(2008年、2009年、2011年)確定資源枯竭型城市的時間基本吻合。為了避免煤炭城市陷入資源衰竭和城市衰退的困境，國家采取了諸如增加財政支持、擴大市場需求等政策以促進煤炭資源枯竭城市轉型，取得了一定成效。但是由于國家政策的時效性以及煤炭資源枯竭城市發展階段、地理位置、資源稟賦等方面的差異，城市“人-地-業”綜合發展水平在后期又呈現下降趨勢。

圖2 煤炭資源枯竭城市人口、土地、產業發展水平Fig.2 Development level of population,land and industry

為揭示煤炭資源枯竭城市“人-地-業”發展的水平差異和主要矛盾，進一步將地級煤炭資源枯竭城市綜合發展水平與城市人口、土地、產業發展水平進行比較分析。根據城市人口、土地、產業平均發展水平計算結果可以看出：人口系統在0.410～0.486范圍內波動，于2012年達到最高值，整體發展水平較高；土地系統整體處于0.400以下，呈現較低的發展水平；產業系統總體變化幅度較大，其最低值為0.312，最高值達到0.460。通過對比分析發現，煤炭資源枯竭城市“人-地-業”發展趨勢差異明顯，其中，人口和產業整體趨勢相對吻合，土地系統與上述兩系統總體呈現反方向變化特征，在2013年前尤為顯著。由此可見，煤炭資源枯竭城市“人-地-業”系統發展存在矛盾。

通過測算煤炭資源枯竭城市不同時間的綜合及各系統發展水平，對比發現城市間發展水平差異明顯(圖3和圖4)。綜合來看，位于我國東部地區的棗莊市2008年、2013年、2017年城市綜合發展水平在煤炭資源枯竭城市中均為最高；東北地區城市總體綜合發展水平較低，所有煤炭資源枯竭城市綜合發展水平上升趨勢均不明顯，而遼源市在2013—2017年下降趨勢尤為顯著。分系統來看，在人口發展水平方面，僅烏海市和七臺河市略有上升，其他城市的人口發展水平均呈下降態勢；在土地發展水平方面，大多數城市均出現不同程度下降，僅撫順市、阜新市、雙鴨山市土地發展水平略有上升；然而在產業發展水平方面，多數城市整體呈上升趨勢，其中，焦作市2008年、2013年、2017年產業發展水平分別為0.368、0.587、0.605，增長趨勢相對明顯。

圖3 煤炭資源枯竭城市綜合發展水平Fig.3 Comprehensive development level of citieswith exhausted coal resources

圖4 13個地級煤炭資源枯竭城市“人-地-業”發展水平Fig.4 Development level of “population-land-industry” in 13 prefecture-level cities

2.2 耦合協調水平時空格局

在分析煤炭資源枯竭城市“人-地-業”綜合發展水平基礎上，利用耦合協調模型計算煤炭資源枯竭城市“人-地-業”耦合協調程度(圖5)。整體來看，煤炭資源枯竭城市“人-地-業”耦合協調程度處于0.500～0.700之間，三個子系統之間協調耦合水平較差，屬于勉強協調和初級協調水平?？梢钥闯?，產業與人口耦合協調系統與“人-地-業”耦合協調系統變化趨勢相對一致，土地與人口、產業系統的耦合協調程度均較低，其中，土地與產業系統耦合協調程度最低。

圖5 煤炭資源枯竭城市人口、土地、產業交互耦合協調度Fig.5 Coordination degree of interaction between population,land and industry

整體來看，我國煤炭資源枯竭城市“人-地-業”耦合協調度處于較低水平。位于我國東部地區的棗莊市和淮北市2008年、2013年、2017年“人-地-業”耦合協調度分別為0.776、0.781、0.746和0.661、0.730、0.644，基本達到了初級協調程度和中級協調程度，在煤炭資源枯竭城市中處于相對較高水平。東北地區除撫順市和阜新市外，其他城市2008年、2013年、2017年“人-地-業”耦合協調水平均處于0.624以下，整體水平較低。中部地區的焦作市2008年、2013年、2017年“人-地-業”耦合協調水平分別為0.674、0.728、0.707，處于較高水平。

通過測算煤炭資源枯竭城市“產業-人口”“產業-土地”“人口-土地”耦合協調度，結果見表5。處于勉強協調和初級協調程度的城市相對較多，僅有焦作市和棗莊市在2008年和2013年“人口-產業”“產業-土地”“產業-土地”達到良好協調水平。原因可能是這兩座城市及時采取了產業轉型策略，如在棗莊市有國家水煤漿技術中心和魯南化工高科技園，大力發展新型產業，同時該市也實施科技興農的政策，利用煤炭開采造成的塌陷土地發展水產養殖業，提高了土地和產業的協調水平。東北地區和西部地區耦合協調水平普遍較低，石嘴山市、銅川市、烏海市等均出現了人口、土地、產業的部分失調，其原因可能是人口流出、主導產業衰退和城市蔓延引起的矛盾沖突。

表4 2008年、2013年和2017年煤炭資源枯竭城市“人-地-業”耦合協調水平Table 4 Coupling and coordination level of “population-land-industry” in 2008,2013 and 2017

表5 煤炭資源枯竭城市“產業-人口”“產業-土地”“人口-土地”耦合協調程度Table 5 Coupling degree of “industry-population”“industry-land” and“population-land”

續表5

3 結論與討論

3.1 結論

1) 通過分析“人-地-業”綜合發展水平發現，在時序特征上，近10年煤炭資源枯竭城市綜合發展水平較低，總體呈先升后降的態勢。人口系統發展水平相對較高，土地系統整體發展水平較低，產業系統總體變化幅度較大，土地系統與人口、產業系統呈反方向的變化特征。在空間格局上，煤炭資源枯竭城市人口、土地、產業存在一定的空間差異，位于東部地區的棗莊市綜合發展水平較高，東北地區城市綜合水平較低。

2) 通過測算“人-地-業”耦合協調程度表明，在時序特征上，近10年地級煤炭資源枯竭城市耦合協調水平處于勉強協調和初級協調階段，人口、土地、產業三系統共振性較差，土地系統與人口、產業系統均不協調。在空間格局上，位于東部地區的棗莊市和淮北市達到中級協調水平，整體發展水平較高；東北地區整體耦合協調水平較低；焦作市在中部地區處于較高水平。煤炭資源枯竭城市“產業-人口”“產業-土地”“人口-土地”耦合協調水平整體較低。

3.2 討論

煤炭城市轉型成功與否直接關系到我國的能源安全和社會穩定。煤炭資源枯竭城市“人-地-業”三系統相互聯系、相互制約，三者的協調發展是實現煤炭城市高質量轉型的基礎。就煤炭資源枯竭城市而言，“人-地-業”耦合協調水平較低，產業結構失衡、人才流失嚴重、土地無序蔓延和損毀仍是城市面臨的主要問題。因此，煤炭城市應在合理利用原有資源的基礎上，培育接續產業和延伸產業鏈，鼓勵創新以激發城市活力，吸引高端人才流入，特別是要通過優化城市空間，以促進“人-地”和“產-地”的耦合水平提升，最終實現“人-地-業”全面協調發展。

就本文而言，由于城市空間的多要素特征和城市系統的復雜性，以及煤炭資源枯竭城市空間分布的離散性，造成了各地區統計標準不統一，尤其是與煤炭產業相關的數據難以獲取，導致本研究在指標選取方面可能存在不足。同時，對于其他資源城市“人-地-業”耦合協調特征、資源型城市“人-地-業”耦合格局形成機制及傳導機制的研究有待加強。