江淮生態(tài)大走廊城市化與生態(tài)環(huán)境耦合特征及其影響因素研究

吉婷婷，王細(xì)元

(1.淮陰師范學(xué)院 教師教育學(xué)院，江蘇 淮安 223300；2.淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶研究院，江蘇 淮安 223300；3.淮陰師范學(xué)院 城市與環(huán)境學(xué)院，江蘇 淮安 223300)

1 研究背景

城市化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展是區(qū)域發(fā)展的重要支撐，協(xié)調(diào)城市化與生態(tài)環(huán)境關(guān)系是學(xué)術(shù)界和政府部門普遍關(guān)注和亟待解決的重要問題[1-2]。我國是城市化快速發(fā)展的國家，對(duì)城市化與生態(tài)環(huán)境關(guān)系的研究一直持續(xù)，研究的內(nèi)容也逐步精細(xì)化，涉及到不同的時(shí)空尺度[3-4]。從理論層面探討到實(shí)踐實(shí)證分析[1,5-6]，從評(píng)價(jià)指標(biāo)遴選到模型構(gòu)建與優(yōu)化等方面都進(jìn)行了大量分析[7-9]。從城市化與生態(tài)環(huán)境耦合的時(shí)空特征到兩者協(xié)調(diào)發(fā)展的質(zhì)量演進(jìn)[1,10-11]、從耦合關(guān)系影響要素分析與協(xié)調(diào)發(fā)展模式的探討等都開展了諸多研究[12-14]。城市化與生態(tài)環(huán)境的研究還集中在耦合關(guān)系的演進(jìn)趨勢(shì)、影響要素、耦合機(jī)理、動(dòng)態(tài)模擬和路徑選擇等方面[2,4,6,10]。

江淮生態(tài)大走廊是近年江蘇省政府著力打造的區(qū)域性發(fā)展規(guī)劃，在這一規(guī)劃驅(qū)動(dòng)下，對(duì)城市化與生態(tài)環(huán)境耦合關(guān)系的先行評(píng)估尤為重要。但是，目前從規(guī)劃視角下對(duì)該區(qū)域城市化與生態(tài)環(huán)境耦合關(guān)系的研究尚未展開，基于此，本文擬探討二者的耦合關(guān)系，解析其影響因素，以期為區(qū)域規(guī)劃的科學(xué)實(shí)施提供參考依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

江淮生態(tài)大走廊位于南水北調(diào)東線長江與淮河流域之間，是以京杭運(yùn)河為主干線，以南水北調(diào)東線輸水線路所流經(jīng)的地級(jí)市為范圍的區(qū)域，包括揚(yáng)州、泰州、淮安、宿遷、徐州5市(圖1)。2016年，區(qū)內(nèi)土地面積42 697 km2，人口3 169萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值19 757億元。

江淮生態(tài)大走廊是江蘇省政府實(shí)現(xiàn)蘇中、蘇北綠色發(fā)展的區(qū)域性戰(zhàn)略規(guī)劃，既是現(xiàn)實(shí)需要，也是探索新型城鎮(zhèn)化發(fā)展下GDP和生態(tài)財(cái)富同步累積的重要途徑。江淮生態(tài)大走廊建設(shè)有著明確的近期和遠(yuǎn)期目標(biāo)：到2020年，南水北調(diào)東線區(qū)域生態(tài)環(huán)境顯著改善，基本形成空間利用集聚高效、生態(tài)環(huán)境良好、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、區(qū)域互聯(lián)互通的生態(tài)經(jīng)濟(jì)走廊；到2030年，沿線區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的格局全面形成，成為南水北調(diào)工程生態(tài)環(huán)境治理的樣本區(qū)。

3 數(shù)據(jù)與方法

本文以江淮生態(tài)大走廊淮安、揚(yáng)州、泰州、宿遷和徐州5市為研究區(qū)域，時(shí)段為2012-2016年，數(shù)據(jù)來源于相應(yīng)年份《江蘇統(tǒng)計(jì)年鑒》以及各市統(tǒng)計(jì)年鑒和環(huán)境公報(bào)等。通過構(gòu)建耦合度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用耦合度與協(xié)調(diào)度模型，測(cè)度城市化與生態(tài)環(huán)境的耦合關(guān)系。

圖1 江淮生態(tài)大走廊位置范圍示意圖

采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法解析影響耦合關(guān)系的主要因素，以各市平均的耦合度與協(xié)調(diào)度為母序列，以各市2012-2016年指標(biāo)的平均值作為灰色關(guān)聯(lián)分析序列?；疑P(guān)聯(lián)分析方法詳見文獻(xiàn)[15]。

3.1 指標(biāo)體系

遵照科學(xué)性、可獲得性及可操行性原則[7,9,14]，從人口城市化、經(jīng)濟(jì)城市化、空間城市化和社會(huì)城市化4個(gè)方面選取11項(xiàng)指標(biāo)，構(gòu)建城市化評(píng)價(jià)體系；從水資源水平和生態(tài)環(huán)境壓力兩個(gè)方面選取6項(xiàng)指標(biāo)，建立生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)體系。綜合指標(biāo)體系見表1。

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理 對(duì)原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，并基于標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。標(biāo)準(zhǔn)化具體方法如下：

(1)對(duì)指標(biāo)值越大越有利于城市化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的，采取正向型指標(biāo)計(jì)算公式：

(1)

(2)對(duì)指標(biāo)值越小越有利于城市化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的，采取逆向型指標(biāo)計(jì)算公式：

(2)

3.2.2 指數(shù)的計(jì)算 基于上述各評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值和權(quán)重，利用加權(quán)求和法計(jì)算城市化指數(shù)f(x)和生態(tài)環(huán)境指數(shù)g(y)。具體計(jì)算方法如下：

T=αf(x)+βg(y)

(3)

(4)

(5)

式中：T為城市化和生態(tài)環(huán)境的評(píng)價(jià)指數(shù)；wi，wj為各指標(biāo)權(quán)重。xi和yj分別為城市化和生態(tài)環(huán)境的單項(xiàng)指標(biāo)。α和β是待定系數(shù)(本文認(rèn)為城市化與生態(tài)環(huán)境同等重要，因此取α=β=0.5)。

表1 江淮生態(tài)大走廊城市化與生態(tài)環(huán)境耦合關(guān)系評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重

3.2.3 熵權(quán)重方法 本文指標(biāo)體系的權(quán)重采用熵權(quán)重方法，熵是對(duì)不確定性信息的一種度量，可計(jì)算熵值來判斷一個(gè)事件的隨機(jī)性及無序程度，也可用熵值判斷某個(gè)指標(biāo)的離散程度。熵權(quán)重法步驟[16-17]如下：

(2)數(shù)據(jù)的非負(fù)數(shù)化處理。對(duì)矩陣中高優(yōu)和低優(yōu)指標(biāo)分別進(jìn)行歸一化變換，即：

(6)

(7)

(3)計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)下第i個(gè)市(縣)占該指標(biāo)的比重Pij：

(8)

(4)計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值ej：

(9)

式中：k>0,k=1/ln(n),e≥0

(5)計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的差異系數(shù)。對(duì)于第j項(xiàng)指標(biāo)，指標(biāo)值Xij的差異越大，對(duì)Xij的作用就越大，熵值就越小。定義差異系數(shù)νj為：

νj=1-ej

(10)

(6)計(jì)算熵權(quán)重wj

(11)

3.3 城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)模型

3.3.1 耦合協(xié)調(diào)模型的建立 參考相關(guān)文獻(xiàn)并慮到城市化與生態(tài)環(huán)境耦合作用的特性，構(gòu)建耦合協(xié)調(diào)度模型如下[7,9,14]：

(12)

(13)

式中：C(0

3.3.2 耦合類型的判別 參考已有文獻(xiàn)[9,12,14]，依據(jù)耦合度C值，對(duì)城市化與生態(tài)環(huán)境耦合類型從無序到有序耦合共劃分為4個(gè)階段，具體階段劃分及閾值見表2。

3.3.3 協(xié)調(diào)類型的判別 考慮耦合協(xié)調(diào)度D的值，將城市化系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展劃分為4個(gè)階段[12]，具體見表3。

4 城市化與生態(tài)環(huán)境指數(shù)變化特征

4.1 城市化指數(shù)變化

2012-2016年間，江淮生態(tài)大走廊各市城市化指數(shù)總體為升高趨勢(shì)(圖2)，為穩(wěn)定提升的城市化發(fā)展過程。近5年，指數(shù)均值最高的為揚(yáng)州市的0.5132；最低為泰州的0.4609。盡管城市化指數(shù)都呈線性增加趨勢(shì)，但各市增長幅度略有差異，其中淮安增長速度最大，而揚(yáng)州最小。

表2 江淮生態(tài)大走廊城市化與生態(tài)環(huán)境耦合類型的階段劃分及閾值

表3 江淮生態(tài)大走廊城市化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)度發(fā)展階段劃分及閾值

圖2 2012-2016年江淮生態(tài)大走廊各市的城市化與生態(tài)環(huán)境指數(shù)變化過程

大走廊平均的城市化指數(shù)也表現(xiàn)為較突出的線性增加趨勢(shì)(圖3)，由2012年的0.2505增加到2016年的0.7849，增長幅度偏大，近5年增長了0.5344，表明區(qū)域城市化水平的總體提升。

4.2 生態(tài)環(huán)境指數(shù)變化

與城市化指數(shù)變化不同，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境指數(shù)的變化在不同地區(qū)存在一定差異(圖2)?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著城市化指數(shù)的逐漸增加，不同地區(qū)生態(tài)環(huán)境指數(shù)亦為增加趨勢(shì)。

近5年間，淮安、宿遷和徐州3市生態(tài)環(huán)境持續(xù)增加(圖2)，在2016年為最大，但指數(shù)最低年份都出現(xiàn)在2013年，有較大的波動(dòng)，且這3個(gè)地區(qū)變化過程較為相似。揚(yáng)州和泰州生態(tài)環(huán)境變化過程較為相似，這兩市2012-2015年間生態(tài)環(huán)境指數(shù)都為持續(xù)增加，但在2016年卻為減小過程。江淮生態(tài)大走廊內(nèi)淮安、揚(yáng)州、泰州、宿遷和徐州5市的生態(tài)環(huán)境指數(shù)10 a線性增長率分別為2.408、0.851、1.268、2.043和2.144，淮安最大，揚(yáng)州最小。

而從研究區(qū)的平均狀況看(圖3)，生態(tài)環(huán)境指數(shù)總體在增加，由2012年的0.2326增加到2016年的0.7961，增加幅度為0.5635，幅度偏大。其中，2013年為指數(shù)最低時(shí)期。

由此可見，江淮生態(tài)大走廊地區(qū)生態(tài)環(huán)境與城市化在變化時(shí)序上具有較好的同步性特征，且都呈升高趨勢(shì)，表明城市化過程中，生態(tài)環(huán)境壓力不斷升高，其對(duì)生態(tài)環(huán)境的脅迫效應(yīng)也較突出。

5 城市化與生態(tài)環(huán)境耦合關(guān)系

5.1 不同地市的耦合關(guān)系

從江淮生態(tài)大走廊城市化與生態(tài)環(huán)境耦合度與協(xié)調(diào)度變化(圖4)可以看出，耦合水平和協(xié)調(diào)度可以劃分為兩類，其一為波動(dòng)型耦合關(guān)系，即城市化與生態(tài)環(huán)境耦合變化過程波動(dòng)較大的類型，包括淮安、宿遷和徐州3市；其二為平穩(wěn)型耦合關(guān)系，即城市化與生態(tài)環(huán)境耦合變化過程較為平穩(wěn)的類型，包括揚(yáng)州、泰州兩市。

圖3 2012-2016年江淮生態(tài)大走廊平均城市化與生態(tài)環(huán)境指數(shù)變化

圖4 2012-2016年江淮生態(tài)大走廊各市的耦合度與協(xié)調(diào)度變化過程

5.1.1 波動(dòng)型耦合關(guān)系 波動(dòng)型耦合關(guān)系的淮安、宿遷和徐州3市中，耦合度與協(xié)調(diào)度都表現(xiàn)為明顯的2013年低值時(shí)期，淮安、宿遷和徐州的耦合度分別為0.1274、0.0666和0.3108，都屬于低水平耦合類型，協(xié)調(diào)度則分別為0.1274、0.1005和0.2368，屬于低協(xié)調(diào)階段；而其余年份，3市耦合度與協(xié)調(diào)度指數(shù)都較高?？梢?，在城市化過程中，這3個(gè)地區(qū)盡管生態(tài)環(huán)境壓力偏大，但仍具有較好的容量。

5.1.2 平穩(wěn)型耦合關(guān)系 揚(yáng)州與泰州兩市的耦合度與協(xié)調(diào)度變化趨勢(shì)與過程波動(dòng)較小，更為平穩(wěn)(圖4)，且同步性較好，屬于平穩(wěn)型的耦合關(guān)系。近5年間，揚(yáng)州與泰州兩市耦合度始終較高，揚(yáng)州市始終處于高水平耦合階段，泰州僅在2012年耦合度為磨合階段，其余皆為高水平耦合。

而在耦合協(xié)調(diào)度上，揚(yáng)州與泰州兩市的變化過程為總體穩(wěn)步增加(圖4)，其中2012、2013年為高協(xié)調(diào)階段，2014年以后，皆屬于良好的極協(xié)調(diào)發(fā)展階段。

5.2 江淮生態(tài)大走廊平均的耦合關(guān)系

從江淮生態(tài)大走廊耦合關(guān)系的平均狀況上看(圖5)，耦合度與協(xié)調(diào)度均呈線性增加過程，10 a線性增長率分別為0.733和1.567，除2013年為頡頏階段外，其余年份均為高水平耦合階段，總體為趨向高水平耦合的發(fā)展趨勢(shì)。

圖5 2012-2016年江淮生態(tài)大走廊平均耦合度與協(xié)調(diào)度變化過程

在耦合協(xié)調(diào)度上，江淮生態(tài)大走廊地區(qū)平均的協(xié)調(diào)度總體不高，2012-2014年為失調(diào)協(xié)調(diào)發(fā)展類型，其中2013年是協(xié)調(diào)度最低的年份，僅為0.2859。進(jìn)一步還可發(fā)現(xiàn)，2013年是耦合度與協(xié)調(diào)度均最低的年份，表現(xiàn)為頡頏階段的中度失調(diào)衰退類發(fā)展。這一特征與前述淮安、宿遷和徐州3市在2013年耦合度值明顯偏低的綜合影響有關(guān)。但到2015、2016年，江淮生態(tài)大走廊城市化與生態(tài)環(huán)境均轉(zhuǎn)變?yōu)楦邊f(xié)調(diào)發(fā)展的耦合類型。

6 城市化與生態(tài)環(huán)境耦合關(guān)系的影響因素

6.1 耦合關(guān)系的城市化影響因素

采用灰色關(guān)聯(lián)方法，獲得耦合度C和耦合協(xié)調(diào)度D分別與城市化指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)矩陣(表4)。

表4 江淮生態(tài)大走廊耦合度、協(xié)調(diào)度與城市化指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣

從耦合度C與城市化指標(biāo)體系的灰色關(guān)聯(lián)度(表4)可以看出，人均用電量、建成區(qū)綠化覆蓋率、人均地區(qū)生產(chǎn)總值、人口(常住人口)、城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诒戎貫槲涣星?位的指標(biāo)，表明這些指標(biāo)對(duì)耦合度影響程度偏大。人均用電量是表征社會(huì)城市化的重要指標(biāo)，建成區(qū)綠化覆蓋率反映了空間城市化指標(biāo)，人均地區(qū)生產(chǎn)總值是經(jīng)濟(jì)城市化的指標(biāo)，而人口(常住人口)與城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诒戎貙儆谌丝诔鞘谢闹笜?biāo)，可見，城市化與生態(tài)環(huán)境的耦合度受城市化不同結(jié)構(gòu)體系及指標(biāo)的綜合影響。

而在城市化指標(biāo)對(duì)協(xié)調(diào)度D的影響上(表4)，人均建成區(qū)面積、萬人擁有醫(yī)院床位數(shù)、人均地區(qū)生產(chǎn)總值、城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诒戎睾徒ǔ蓞^(qū)綠化覆蓋率是位列前5位的指標(biāo)，也涵蓋不同結(jié)構(gòu)城市化的核心影響要素。特別是人均建成區(qū)面積、人口(常住人口)以及建成區(qū)綠化覆蓋率3個(gè)因素，突出地反映了空間城市化與人口城市化對(duì)協(xié)調(diào)度的影響。

可以發(fā)現(xiàn)，在城市化與生態(tài)環(huán)境耦合關(guān)系上，不同城市化結(jié)構(gòu)的要素對(duì)耦合協(xié)調(diào)度的變化起著系統(tǒng)而綜合性的影響，應(yīng)當(dāng)系統(tǒng)考慮城市化中人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、空間城市化的綜合發(fā)展，尤其應(yīng)當(dāng)注重空間城市化、社會(huì)城市化指標(biāo)對(duì)生態(tài)環(huán)境所造成的可能影響和壓力脅迫。

6.2 耦合關(guān)系的生態(tài)環(huán)境影響因素

耦合度C與生態(tài)環(huán)境指標(biāo)的的灰色關(guān)聯(lián)度見表5。由表5可以看出，人均水資源量是最為突出的因素，其次為人均SO2和人均氨氮的排放量。人均水資源量為正向指標(biāo)，有利于提升城市化與生態(tài)環(huán)境的耦合度，而人均SO2和人均氨氮的排放則不利于耦合度。

表5 江淮生態(tài)大走廊耦合度、協(xié)調(diào)度與生態(tài)環(huán)境指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣

協(xié)調(diào)度D與耦合度C類似但又有所區(qū)別，協(xié)調(diào)度與生態(tài)環(huán)境指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度上(表5)，人均水資源量也同樣是最為重要的因素，其次則為人均SO2和人均COD的排放量，也反映了區(qū)域水環(huán)境和大氣環(huán)境的壓力。因此，從耦合度、協(xié)調(diào)度與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度綜合來看，水環(huán)境與大氣環(huán)境是直接決定耦合度及協(xié)調(diào)度發(fā)展質(zhì)量高低的重要因素。

7 結(jié) 論

運(yùn)用耦合度與協(xié)調(diào)模型和灰色關(guān)聯(lián)分析方法，探討了江淮生態(tài)大走廊地區(qū)城市化與生態(tài)環(huán)境耦合關(guān)系，主要結(jié)論如下：

(1)2012-2016年間，江淮生態(tài)大走廊城市化指數(shù)和生態(tài)環(huán)境指數(shù)總體上呈線性增加過程，且增長幅度較大。5個(gè)地市城市化指數(shù)的變化過程高度類似，但生態(tài)環(huán)境指數(shù)變化過程有一定差異，但二者總體同步性特征較好。

(2)江淮生態(tài)大走廊5個(gè)地市城市化與生態(tài)環(huán)境耦合關(guān)系可以劃分為兩類，其一為波動(dòng)型耦合關(guān)系，包括淮安、宿遷和徐州3市；其二為平穩(wěn)型耦合關(guān)系，包括揚(yáng)州、泰州兩市。

(3)城市化與生態(tài)環(huán)境耦合度與協(xié)調(diào)度均呈線性增加過程，除2013年為頡頏階段外，其余年份均為高水平耦合。2012和2013年為中、低協(xié)調(diào)發(fā)展階段，2014-2016年為高協(xié)調(diào)或極協(xié)調(diào)發(fā)展階段。其中，2012年與2015年為環(huán)境滯后類型，2013、2014和2016年為城市化滯后類型。

(4)城市化在空間城市化、社會(huì)城市化和人口城市化方面的不同結(jié)構(gòu)指標(biāo)是影響耦合關(guān)系的主要因素，而水環(huán)境和大氣環(huán)境是影響耦合關(guān)系的主要生態(tài)環(huán)境因素，包括人均水資源量、人均SO2排放量、人均氨氮排放量和人均COD排放量等。