徐州市城市化与生态环境耦合关系变化分析

提 要：基于城市化与生态环境的耦合理论，构建了耦合度模型，对2000—2011年徐州市城市化与生态环境系统的耦合度进行了综合测算和互动分析。研究结果表明：（1）徐州市城市化水平综合得分不断提高；（2）从环境系统综合序参量来看，徐州市生态环境的综合水平数值呈现波动上升趋势；（3）徐州市城市化与城市生态环境耦合度在时间上表现出明显的波动性，耦合度以颉颃阶段为主，城市化与环境耦合程度仍然较低，基本处于中低水平。

　　关键词：城市化；生态环境；耦合度模型；徐州市

　　

　　

0 引言

　　城市化是人类文明和社会进步的标志，是任何国家现代化进程中不可逾越的一个发展阶段，是工业化发展不可替代的载体[1]。城市化具有多维涵义，主要包括人口增长、经济发展、空间扩张和生活提高互相联系、相互促进的四个方面。其中，经济发展是基础，人口增长和地域扩张是表现，生活水平提高是最终结果或目标。中国的城市化率从2000年的36.2%；到2011年城市人口首次超过乡村人口，城市化水平超过50%，达51.27%；再到2012年的52.57%，中国的城市化已经迈入快速发展阶段。在这一过程中，由于人口快速向城市聚集，城市空间范围的不断外扩，土地退化、环境污染、交通堵塞等城市问题也随之而来。城市化正在或即将对周围生态环境造成现实的破坏和潜在的威胁[2]。Vernon认为城市人口的聚集有一个最佳规模，超过该规模就会产生聚集不经济现象，并对周围地区的生态环境产生严重胁

迫[3]。因此，对城市化与生态环境的交互耦合状况进行定量分析，对于当前积极稳妥推进新

型城镇化发展，加快推进生态文明建设，具有着重要的理论意义与实践价值。

1 理论依据与研究背景

　　1995年，环境经济学派的Grossman和Krueger最先用计量经济学方法，定量研究了城市化与生态环境的关系，并以42个发达国家的面板数据进行实证分析，揭示了随着城市经济发展水平的提高，城市生态环境质量呈现倒“U”型的演变规律，提出了著名的环境库兹涅兹曲线EKC假设[4]；H.T.Odum[5]等人利用系统动力学、灵敏度模型和能量流动模型，对世界部分国家的城市和地区进行了分析，揭示了城市发展与其环境演变的交互作用机理；G.Haughton等认为，城市化与生态环境间的耦合关系就是城市化的四个方面与生态环境的五个要素之间所具有的各种非线性关系的总和[6]。国内的许多学者也从多个角度对城市化与资源环境耦合关系从进行了大量研究：宋超山等以1988-2007年西安市城市化-资源环境系统的耦合结果为依据，认为在时序上表现出“S”型的周期性的变化[7]；刘耀彬等以我国1985-2002年间城市化与生态环境耦合度结果为依据，大致将全国31个省区划分为协调、磨合、拮抗和低水平等4种类型[8]；方创琳等从理论上分析了城市化与生态环境交互耦合系统满足的耦合裂变律、动态层级律、随机涨落律等六大基本定律[9]；张妍等运用因子分析方法，通过定量分析吉林省9个城市的经济与环境发展情况，筛选出旋转后具有良好极性的2个主因子—经济发展与环境保护，并对这两个主因子的发展层次和协调程度进行了耦合机制的评价[10]。

　　徐州市作为苏北第一大市、淮海经济区的中心城市，地理位置优越，人口密集，是江苏省三大都市圈之一——徐州都市圈的核心城市。徐州作为资源型城市和老工业基地，城市化进程中也需要做好环境保护工作。为此，以徐州市为例，建立指标体系，并运用熵值法、耦合度计算模型，对其2000年至2011年城市化与指标生态环境保护的关系进行研究分析，并探寻两个系统之间的耦合程度，揭示两者之间的交互规律，为徐州及其它城市的可持续发展提供理论依据。

2 城市化与环境耦合的理论模型及指标体系

2.1 城市化与环境耦合的理论模型

　　系统耦合主要表现为各子系统或要素相互作用与影响，促进系统由无序走向有序的过程，并且决定着系统相变的特征与规律[11]。耦合度正是通过确定区域城市化与生态环境所处的区间段，来反映二者的耦合程度，并根据城市化发展与生态环境交互作用的强弱程度，将其耦合的过程划分为低水平耦合、颉颃、磨合和高水平耦合4个阶段[12]。作为反映系统耦合程度的重要指标，耦合度对于预测城市化与生态环境两个系统的演变趋势，建立二者的科学发展机制有着十分重要的意义。

　　设定为城市化与生态环境系统的序参量，是子系统对总系统的贡献；为第个序参量的第个指标，为其标准化后的功效函数值。、是系统稳定临界点序参量的上、下限值。这样，“城市化—生态环境”耦合系统的有序功效系数就可以表示为：

（1）

其式中，为变量对系统的功效贡献值，反映了各指标达到目标的满意程度，取值范围为[0，1]，0为最不满意，1为最满意。

　　由于城市化与生态环境是两个不同而又相互作用的子系统，系统内各个序参量有序程度的“总贡献”可通过集成的方法来实现，表示为[13]：

　　　 （2）

其式中，为总系统序参量的标准化值，为各个序参量的权重。

借鉴物理学的容量耦合概念及系数模型，城市化与资源环境的耦合度函数表示为[14]：

　　　 （3）

其式中，C为耦合系统耦合度值，取值0—1，数值越接近0说明系统的耦合度越低，数值越接近1说明耦合度越高。、分别代表城市化子系统与环境子系统对总系统的贡献度，即城市化综合序参量和环境综合序参量。城市化—环境系统的耦合度C的取值范围为[0，1]，根据城市化与环境系统耦合程度的不同可分为6个阶段：

表1 城市化—环境系统的耦合度划分

Tab.1 The division of coupling degrees between urbanization and environment

　　耦合度数值 　　耦合程度 　　不同阶段表现

　　0 　　耦合度极小 　　系统之间关联不大且无序发展

　　0—0.3 　　低水平耦合 　　低水平城市化和高生态环境承载力

　　0.3—0.5 　　颉颃阶段 　　环境承载力下降，快速城市化给环境带来巨大压力

　　0.5—0.8 　　磨合阶段 　　人们环保意识的增强，将更多资金投入到城市环境修复中

　　0.8—1 　　高水平耦合 　　城市化与环境实现和谐互动

　　1 　　良性耦合 　　达到良性耦合且向新的有序结构发展

　　　

2.2 指标体系权重的计算方法

2.2.1 熵值法

　　熵值法是一种能够反映出指标信息熵值的效用价值的方法，所给出的指标权重值比层次分析法中用德尔菲法确立权重有更高的可信度，能够对多元指标进行综合评价，熵值法的主要步骤[15-16]：

　　设有m个待评方案，n项评价指标，形成原始指标数据矩阵X=(xij)mn，则xij为第i个待评方案第j个指标的指标值（i=1,2,…,m;j=1,2,…,n),( xij≥0,0≤i≤m,0≤j≤n）。

①原始数据非负化处理

　　在应用熵值时常会遇到一些负值或者极端值，影响计算。因此，需要对其进行非负化处理。一般采用标准法将数据进行平移，公式如（4）：

　　 （4）

式中是第j项指标的平均值，sj为第j项指标值的标准差，一般标准化后数值在-3到+3之间，所以坐标平移3，即可消除负值。

②计算第j项指标下第i个方案指标值所占的比重Pij，公式如（5）：

　　 （5）

③计算第j项指标的熵值ej，公式如（6）：

　　 （6）

式中，k>0，In为自然对数，ej≥0。如果yij对于给定的j全部相等，那么：

　　 （7）

此时，ej取极大值，即，若设，有0≤ej≤1。

④计算第j项指标的差异性系数，越大，说明指标值越重要。

⑤定义权数：

　　 （8）

⑥计算总和得分值Mi：

　　 （9）

式中，Mi为第i方案的总和评分值。

2.2.2 数据来源

　　文中所有数据均来自于徐州市统计局主编、中国统计出版社出版的2000—2012年《徐州统计年鉴》。

2.2.3 指标体系构建及权重计算

　　本文综合运用频度分析法、理论分析法和文献综合法这三种方法并参阅前人研究成果[17]，遵循指标选取的系统性、完整性、可量可比性和数据的可获得性原则，分别在城市化子系统内设定人口城市化、经济城市化、社会城市化及空间城市化4个一级指标，选取非农业人口比重、第二产业从业人员比重、第三产业就业人员比重等13个二级指标；在环境子系统内设定生态环境水平、生态环境压力和生态环境保护3个一级指标，选择建成区绿化覆盖率、公园个数、人均公共绿地面积等12个二级指标。（表2）,　　由表中权重数值可以看出：在城市化系统中，固定资产投资（0.1117）、人均GDP（0.0998）和建成区面积（0.0931）对城市化的贡献率较为突出，现住房人均建筑面积（0.0514）和每万人拥有卫生技术人员数（0.0519）则分别影响了空间城市化和社会城市化的进程；在生态环境系统中，人均公共绿地面积（0.1399）、人均水资源总量（0.1353）和人均耕地面积（0.1011）对生态环境系统起到了极大的推动作用，工业固体废弃物综合利用率（0.0481）权重较低则影响到了生态环境保护指标。

3 结果与分析

3.1 徐州市城市化与生态环境综合水平测度结果

　　根据公式（2）计算出徐州市城市化综合水平。由各项评价指标计算出的数值，能够较为全面及准确地反映徐州市人口、经济、社会和空间所达到的城市化水平，但并不代表该市实际的城市化率，只是反映其城市化进程的基本趋势。2000—2011年徐州市城市化水平的综合评定结果如图1所示。由图1可知：自2000年以来，徐州市城市化综合水平呈现出逐年上升趋势，并且2004—2005年城市化进程明显加快，2009—2011年城市化综合水平更是迅猛上升。同时，从图2可以发现：徐州市生态环境综合水平呈现波动增长趋势。2001年生态环境综合水平数值最小，说明在2000—2011年的12年中，2001年生态环境质量最为糟糕；2011年生态环境综合水平数值最大，表明生态环境质量最好。2000—2011年，徐州市生态环境综合水平数值总体上呈现上升趋势，但2001、2004、2006、2008、2009五个年份出现倒退，说明其生态环境综合水平尚不够稳定。

　　

图１ 2000－2011年徐州市城市化综合水平演变图

Fig.1 Evolution chart of comprehensive level of urbanization from 2000 to 2011 in Xuzhou City

　　

图2 2000－2011年徐州市生态环境综合水平演变图

Fig.2 Evolution chart of comprehensive level of ecological environment from 2000 to 2011 in Xuzhou City

3.2 徐州市城市化与生态环境的耦合度分析

　　根据公式（3），经计算得到徐州市城市化水平与生态环境的耦合度结果（表3），结合表1对耦合度不同阶段的划分标准可以看出：徐州市城市化水平与城市生态环境耦合度数值自2000年以来都处于0.2941至0.5001之间，表明徐州市城市化水平与城市生态环境的耦合关系基本上处于颉颃阶段。随着城市化水平的不断提升，城市快速发展对生态环境带来的压力越来越大，资源过度开发利用、工业废弃物无序排放对生态环境造成了很大破坏。从耦合协调度数值来看：2000—2011年，其数值范围为0.2941—0.5001，表明徐州市城市化发展与城市生态环境的关系由低水平耦合向较高耦合水平的颉颃阶段发展，具体可以划分为三个阶段：第一阶段为2000—2001年，其耦合度数值从0.294—0.4051，由低水平耦合向颉颃阶段发展。第二阶段为2002—2008年，耦合度数值从0.4015—0.5001，城市化与生态环境耦合从颉颃阶段转向磨合阶段。第三阶段为2009—2011年，这三年的耦合度数值变化范围是0.4949—0.4954，一直处于颉颃阶段。,4 结论与讨论

4.1 结论

　　（1）2000年以来，徐州市城市化与生态环境的交互耦合作用基本处于颉颃阶段。其中，2000—2008年城市化与生态环境的耦合度从0.2941上升到0.5001，分别经历了低水平耦合、颉颃阶段；2008年进入磨合阶段，但之后又再次回到颉颃阶段。从耦合程度看，徐州市城市化与生态环境耦合程度仍然较低，基本上处于中低水平。

　　（2）2000年以来，徐州市城市化进程不断加快，人口城市化、经济城市化、社会城市化、空间城市化是推动城市化进程的四个主要动力因子。

　　（3）从环境系统综合序参量来看，徐州市生态环境的综合水平数值呈现波动上升趋势。2001年其生态环境综合水平数值最低，仅有0.3086，生态环境最差；2011年数值达0.7328，为最好年份。

4.2 讨论

　　本文以徐州市为实证研究，选取人口、经济、社会、空间四个子系统，构建徐州市城市化综合水平指标体系。选择生态环境水平、生态环境压力和生态环境保护三个子系统，构建其生态环境指数。但由于影响城市化水平和生态环境水平的因素很多，与其相应的测度指标也应当很多。本文参考前人研究成果，并结合徐州市实际，选取了一些具有代表性的指标，构建指标体系，其合理性和适用性，仍有待进一步探究。