黃河流域九省區(qū)城鎮(zhèn)化與生態(tài)安全交互作用機制

楊振龍，左其亭,2，姜龍,2，張志卓,2，邱夢

(1.鄭州大學水利科學與工程學院，鄭州 450001；2.河南省水循環(huán)模擬與水環(huán)境保護國際聯合實驗室，鄭州 450001；3.天津大學環(huán)境科學與工程學院，天津 300000)

黃河流域作為我國重要的生態(tài)屏障，近年來生態(tài)環(huán)境有恢復趨勢。2019年9月，黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略[1]，為流域探索生態(tài)保護和高質量發(fā)展協同模式提供了新契機。因此，明確城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)安全系統間的交互作用機制，探討黃河流域經濟發(fā)展與生態(tài)保護協同模式，對推動黃河流域高質量發(fā)展具有重要意義。

國內外對城鎮(zhèn)化發(fā)展的相關研究較為豐富，一些學者采用多種模型對城鎮(zhèn)化水平進行評價，如Theil指數分解[2]、動力機制模型[3]、Lotka-Volterra模型[4]等。目前，對于城鎮(zhèn)化水平的研究多集中在城市化與經濟增長關系研究分析[5]、城市化區(qū)間格局研究[6]、城市化與資源承載力研究[7]、城市群博弈研究[8]等方面，基本形成了系統的理論和方法體系。對于生態(tài)安全的研究也漸有雛形，國內外學者從生態(tài)系統健康評價[9]、生態(tài)風險評價[10]等方面對區(qū)域生態(tài)安全開展定量化評價。隨著全球發(fā)展趨勢的轉變，越來越多的學者將研究重心轉向城鎮(zhèn)化與生態(tài)安全關聯研究，如匹配分析[11]、協同發(fā)展研究[12]、耦合分析[13-14]等。本文構建多維度的城鎮(zhèn)化與生態(tài)安全指標體系，用城鎮(zhèn)化水平發(fā)展指數和生態(tài)安全指數量化表征黃河流域城鎮(zhèn)化和生態(tài)安全水平，并分析其動態(tài)演變趨勢，定量識別黃河流域城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)安全系統間的交互作用機制，探討近年來兩系統間解耦狀態(tài)演變特征，識別關鍵制約因素。

1 研究區(qū)概況及數據來源

1.1 研究區(qū)概況

黃河位于東經96°～119°、北緯32°～42°，是我國第二長河，流經青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、陜西、山西、河南、山東省，全長5 464 km，流域總面積75.2萬km2,見圖1。黃河流域是我國重要的經濟帶，流域人口約占比全國總人口的24.1%，地區(qū)經濟生產總值約占比全國26.5%，但是由于黃河流域生態(tài)較為脆弱，經濟的快速發(fā)展對生態(tài)環(huán)境造成了較大的影響，生態(tài)系統退化、水土流失、濕地面積萎縮等問題已經成為影響黃河流域健康綠色發(fā)展的重要制約因素。因此，探求城鎮(zhèn)化與生態(tài)安全交互影響因素，對黃河流域經濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境協同治理具有重要的參考價值。

圖1 黃河流域九省區(qū)地理位置

1.2 數據來源

選取2008—2018年的指標數據，城鎮(zhèn)人口比重、人均GDP等經濟社會指標數據來源于《中國統計年鑒》和各省《統計年鑒》，污水排放量、污水處理率等水資源指標數據來源于各省《水資源公報》和各省《統計年鑒》，森林覆蓋率、人均公園綠地面積等生態(tài)環(huán)境指標數據來源于《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》和各省《生態(tài)環(huán)境狀況公報》。

2 研究方法

2.1 評價指標體系

城鎮(zhèn)化系統與生態(tài)安全系統各要素之間存在著緊密的聯系，構建科學的指標體系是分析城鎮(zhèn)化系統與生態(tài)安全系統作用關系的基礎。參考相關文獻[15-16]，統計出現頻率較高的指標，并遵循科學性、通用性、層次性、易收集性等原則，對指標進行篩選，最終從目標層、準則層和指標層等3個層次構建了城鎮(zhèn)化和生態(tài)安全系統的評價指標體系，見表1。

表1 城鎮(zhèn)化與生態(tài)安全指標體系

城鎮(zhèn)化準則層包含人口城鎮(zhèn)化、經濟城鎮(zhèn)化、社會城鎮(zhèn)化、空間城鎮(zhèn)化4個方面。人口城鎮(zhèn)化是城鎮(zhèn)化興起和存在的前提，包括城鎮(zhèn)人口比重和二、三產業(yè)就業(yè)人口比重2個指標；經濟城鎮(zhèn)化是城鎮(zhèn)化發(fā)展的目的，包括人均GDP和城鎮(zhèn)居民人均可支配收入2個指標；社會城鎮(zhèn)化是城鎮(zhèn)化過程中社會資源的發(fā)展，包括每萬人衛(wèi)生機構床位數和教育科學支出占地方財政比例2個指標；空間城鎮(zhèn)化反映了城鎮(zhèn)化進程中基礎設施的建設，包括建設用地占行政區(qū)面積比重和人均道路面積2個指標。

生態(tài)安全準則層包括生態(tài)壓力、生態(tài)治理、生態(tài)狀況等3個方面。生態(tài)壓力反映地區(qū)現存環(huán)境問題，包括人均污水排放量和每萬人二氧化硫排放量2個指標；生態(tài)治理反映了相關部門對生態(tài)安全的修復，包括污水處理率、生活垃圾無害化處理率、環(huán)境污染治理占GDP比重3個指標；生態(tài)狀況表明了生態(tài)安全的現狀，包括建成區(qū)綠化覆蓋率、人均公園綠地面積、森林覆蓋率3個指標。

2.2 城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)安全指數計算

2.2.1計算綜合指數

標準化處理。由于所選指標類型不同，為避免指標量綱不同導致計算結果出現偏差，首先要對指標進行標準化處理，具體操作為

(1)

(2)

式中：x′ij為第i年第j項指標標準化后的數值；xij為第i年第j項指標的實際數值。

計算系統綜合指數S來表示城鎮(zhèn)化發(fā)展水平指數(urbanization development level index,UDI)和生態(tài)安全指數(ecological security index,ESI)，計算公式[17]為

(3)

式中：S為系統綜合指數；ωj為第j項指標的權重。

2.2.2確定指標權重

確定指標權重的方法可分為主觀確權法和客觀確權法。主觀權重更多依賴于決策者的意識，具有較強的主觀性；客觀權重則完全取決于數據自身特征，可能會導致權重結果偏離實際。本文選取的指標數量較多，涉及多個方面，為使結果更精準，采用層次分析法(主觀確權法)與熵權法(客觀確權法)相結合確定權重，2種方法的具體計算過程詳見文獻[18-19]。計算出主觀、客觀2種權重后，采用公式(4)計算組合權重，即為最終權重。

(4)

式中：ωj為第j項指標的最終權重，ω′j和ω″j分別表示第j項指標的主觀權重和客觀權重。

2.3 灰色關聯模型

灰色關聯理論是鄧聚龍教授于1982年提出的研究不確定性問題的理論，灰色關聯分析是該理論中最常用的一種分析方法[20]。該方法根據系統中各因素間的發(fā)展趨勢的趨同或趨異程度來反映各因素之間的關聯程度，灰色關聯度值越大，說明兩因素間的變化趨勢越相近，關聯程度越高，反之亦然。城鎮(zhèn)化與生態(tài)安全2個系統之間具有復雜的關系，為了深入分析其內部因素影響，明確指標和準則層間的交互作用，構建灰色關聯模型[21]。

計算城鎮(zhèn)化與生態(tài)安全指標間關聯系數。計算公式為

(5)

計算關聯度值。將2008—2018年各關聯系數求均值，求得各指標間的關聯度值。

(6)

式中：γab為指標a與指標b的關聯度；k為樣本數(k=11)。

參考文獻[22]和黃河流域實際情況，本文將關聯度識別標準進行了分級，γab∈[0,0.35)，關聯性弱；γab∈[0.35,0.65)，關聯性中等；γab∈[0.65,0.85)，關聯性強；γab∈[0.85,1]，關聯性極強。

2.4 解耦模型

經濟合作與發(fā)展組織(OECD)首次提出解耦理論[23]，用其量化經濟增長和環(huán)境資源消耗耦合關系的破裂程度。為探究城鎮(zhèn)化與生態(tài)安全兩系統間的解耦程度，構建解耦模型為

(7)

式中：εtk為第tk時期的解耦度值；ΔEtk為第tk時期的ESI變化率；ΔUtk為第tk時期的UDI變化率；Etks和Etke分別為第tk時期末期和初期的ESI；Utks和Utke分別為第tk時期的UDI。

結合黃河流域實際情況并參考文獻[24]，對城鎮(zhèn)化與生態(tài)安全的解耦程度進行分級，具體細分標準見圖2。

圖2 解耦等級劃分標準

根據解耦模型對解耦等級進行細分，以0.8和1.2為閾值，將黃河流域九省區(qū)城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)安全的動態(tài)解耦關系劃分為8種類型：強解耦，表征生態(tài)安全隨著城鎮(zhèn)化水平的發(fā)展而降低；弱解耦，表征生態(tài)安全與城鎮(zhèn)化水平雙向提升；衰退性解耦，表征生態(tài)安全與城鎮(zhèn)化水平同時衰退；擴張性耦合，表征生態(tài)安全與城鎮(zhèn)化水平同時提升且增幅相當；衰退性耦合，表征生態(tài)安全與城鎮(zhèn)化水平雙向降低且降幅相當；擴張性負解耦，表征生態(tài)安全隨著城鎮(zhèn)化水平的升高而升高，且增速大于城鎮(zhèn)化水平；弱負解耦，表征生態(tài)安全與城鎮(zhèn)化水平同時降低，但前者降低速度更慢；強負解耦，表征生態(tài)安全在城鎮(zhèn)化水平的降低中有所提升。

3 結果與分析

3.1 城鎮(zhèn)化水平時空演變趨勢分析

通過對城鎮(zhèn)化水平時間特征分析，近10年來黃河流域UDI整體呈上升趨勢(圖3)；通過對原始指標數據分析發(fā)現，二、三產業(yè)從業(yè)人口占比上升，人均GDP提升幅度較大，實現經濟跳躍式增長：這是九省區(qū)全力建設“以人為核心”的新型城鎮(zhèn)化的成果。九省區(qū)UDI整體呈現增長趨勢，部分省份增長率較為明顯，其中，四川省增幅最大，為214.29%，原因是四川省在遭受了“5·12”汶川大地震后，全力推進災后的基本公共服務設施建設，國家和政府部門積極進行政策引導，為四川省新型城鎮(zhèn)化建設提供了大力支持[25]。2015—2018年，黃河流域九省區(qū)UDI增幅減緩，其中，山東省城鎮(zhèn)化水平基本處于停滯狀態(tài)，寧夏、內蒙古、甘肅UDI不升反降，結合各省區(qū)發(fā)展實際情況，發(fā)現其原因是上述省區(qū)加大了生態(tài)環(huán)境修復力度，提高了對污染產業(yè)的治理投入，導致經濟增長放緩，這與相關研究[26]中寧夏、甘肅等省區(qū)同時期生態(tài)保護指數明顯增高具有一致性。

圖3 2008—2018年黃河流域城鎮(zhèn)化發(fā)展水平指數

通過空間維度對比分析可知，九省區(qū)之間的UDI區(qū)域性差異顯著。山東、河南、山西、內蒙古、陜西等中下游地區(qū)UDI較高，這與長江經濟帶“流域下游城鎮(zhèn)化發(fā)展指數大于上中游”趨勢具有一致性。青海省地處我國西北內陸，交通等基礎設施不完善，二、三產業(yè)占比較小，導致UDI較其他省份低，但是近些年在西部大開發(fā)政策[27]引領下，青海省積極發(fā)展高新技術產業(yè)，升級產業(yè)結構，其UDI也有了明顯提升，與其他省份差距逐漸縮小。

3.2 生態(tài)安全時空演變特征分析

九省區(qū)ESI整體呈波動上升趨勢，但山東省的ESI卻呈現持續(xù)降低趨勢,見圖4。2008—2011年，山東省的ESI處于領先地位，但由于該時間段極力推進城鎮(zhèn)化建設，原始指標數據顯示二氧化硫等污染氣體排放量驟增，綠化面積逐漸降低，大量生態(tài)用地被開發(fā)為建筑用地，破壞了原有土地利用結構，導致ESI逐漸降低。與上文結果綜合對比分析，山東省的發(fā)展側重點由2008年的城鎮(zhèn)化建設轉變?yōu)?015年的生態(tài)保護優(yōu)先，這也表征了城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)安全之間存在一定的相互制約作用。相反，2008—2015年內蒙古在追求經濟發(fā)展的同時，堅持生態(tài)保護與綠色產業(yè)結合，加強廢水廢氣排放檢測，堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)，ESI持續(xù)上升，并于2014年達到黃河流域領先地位，這與馮琰瑋等[28]的研究結論具有一致性。2016年前后，九省區(qū)ESI波動較大，這是因為部分省份對于環(huán)境治理重視度下降，污染治理投資占GDP比重逐漸降低，且大量人口聚集城鎮(zhèn)，導致污水排放量有所增加。

圖4 2008—2018年黃河流域生態(tài)安全指數

依據ESI空間分布數據可知，青海和寧夏的ESI在流域中處于較低水平。2016年是黃河流域九省區(qū)ESI最高的一年，但整體僅達到0.43。這一年ESI排序為：內蒙古(0.530)、山西(0.502)、寧夏(0.496)、陜西(0.491)、山東(0.432)、四川(0.428)、河南(0.357)、甘肅(0.341)、青海(0.260)。由此可知，黃河流域ESI存在明顯的地區(qū)性差異，內蒙古ESI是青海省的2.04倍。在此后兩年，全流域ESI逐漸降低，依據原始指標數據分析造成這一現象的原因是：第一，部分省區(qū)人口密度大，人類生產和生活活動頻繁，對環(huán)境造成一定的壓力；第二，經濟快速發(fā)展，各省區(qū)大力發(fā)展工業(yè)，導致廢棄物排放量增加，對生態(tài)安全造成了一定的影響。

3.3 城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)安全交互作用分析

城鎮(zhèn)化發(fā)展水平與生態(tài)安全有著錯綜復雜的關系,見圖5。黃河流域UDI不斷升高，但是增長趨勢逐漸放緩，由2008年的0.24上升到2018年的0.58，年均增幅為9.23%；ESI由2008年的0.30升至2018年的0.41，年均增幅為3.2%，上升速度較前者更慢。UDI與ESI增長趨勢的變化表明兩系統在動態(tài)發(fā)展中逐漸出現了相互抑制的作用。為識別兩系統之間的具體障礙因素，通過式(5)和(6)計算得出兩系統間各因素的關聯度值，具體矩陣數據見表2。研究時段內UDI與ESI關聯度范圍為[0.60，0.88]，均處于中等關聯與極強關聯之間，說明兩系統存在較強的相互作用。

表2 城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)安全指標間關聯度矩陣

圖5 2008—2018年城鎮(zhèn)化與生態(tài)安全指數變化趨勢

3.3.1城鎮(zhèn)化水平對生態(tài)安全的脅迫作用

城鎮(zhèn)化水平對生態(tài)安全的脅迫作用比較明顯，各準則層對生態(tài)安全的關聯度分別為人口城鎮(zhèn)化(0.741)、經濟城鎮(zhèn)化(0.713)、社會城鎮(zhèn)化(0.726)、空間城鎮(zhèn)化(0.718)。人口城鎮(zhèn)化對生態(tài)安全的脅迫作用最強，深入分析指標間關聯度可以看出，城鎮(zhèn)人口比重(0.77)、萬人醫(yī)療床位數(0.76)、建設用地占行政區(qū)比重(0.73)這3個指標對生態(tài)安全關聯程度較高。依據結果數據可知，人口聚集、建設用地面積擴張、產業(yè)廢棄物排放量增加是對生態(tài)安全脅迫的主要因素，因此，流域相關部門應適當疏散城鎮(zhèn)人口，增強對環(huán)境治理的資金投入，限制建筑面積的持續(xù)擴張，修復土地利用結構，減少城鎮(zhèn)化進程中對生態(tài)環(huán)境的破壞。

3.3.2生態(tài)安全對城鎮(zhèn)化水平的約束作用

生態(tài)安全各準則層對城鎮(zhèn)化水平的關聯度由大到小依次為生態(tài)治理(0.726)、生態(tài)環(huán)境(0.722)、生態(tài)壓力(0.713)。生態(tài)治理準則層對城鎮(zhèn)化水平形成較強約束，高強度發(fā)展導致了污染物的排放量劇增，為達到生態(tài)安全標準需支出相當一部分財政用于治理污染，導致流域各省區(qū)減少產業(yè)資金投入，成為約束城鎮(zhèn)化水平發(fā)展的主要因素。分析指標間因素可以看出，污染環(huán)境治理投入占GDP比重和建成區(qū)綠化覆蓋率對城鎮(zhèn)化進程的影響最為嚴重：污染治理投入占比過高，導致其他產業(yè)經濟投入受到限制，不利于城鎮(zhèn)化水平的提高；建成區(qū)綠化覆蓋率增高可以發(fā)揮自然凈化功能，進而降低污染治理投入。因此，流域相關部門應注重恢復地區(qū)生態(tài)功能，增加綠化面積，限制污染排放，發(fā)展綠色產業(yè)。

3.4 城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)安全解耦分析

為了深入分析黃河流域九省區(qū)城鎮(zhèn)化與生態(tài)安全的相互作用關系，采用式(7)分別計算出2008—2018年城鎮(zhèn)化和生態(tài)安全綜合得分較上一年的變化率ΔU、ΔE和兩系統的解耦彈性系數值。計算結果依據圖2進行分級，分級結果見表3。

表3 2008—2018年黃河流域九省區(qū)城鎮(zhèn)化與生態(tài)安全解耦程度

2008—2018年黃河流域九省區(qū)城鎮(zhèn)化與生態(tài)安全的解耦程度存在較大差異：2009—2010、2011—2012、2014—2015年城鎮(zhèn)化與生態(tài)安全呈現弱解耦關系，城鎮(zhèn)化水平增長速度大于生態(tài)安全提升速度，說明此時城鎮(zhèn)化水平對生態(tài)安全具有脅迫作用但并不顯著；2010—2011、2013—2014、2016—2017年城鎮(zhèn)化與生態(tài)安全呈現強解耦關系，解耦關系顯著，在城鎮(zhèn)化水平提升的同時，生態(tài)安全水平下降，表明此時城鎮(zhèn)化對生態(tài)安全具有很強的脅迫作用；2008—2009、2012—2013、2015—2016年城鎮(zhèn)化與生態(tài)安全呈現擴張性耦合狀態(tài)，說明此時城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)安全同步提升，具有動態(tài)協同性；2017—2018年為擴張性負解耦，說明此時生態(tài)安全在一定程度上約束了城鎮(zhèn)化水平的提升。

總體而言，黃河流域九省區(qū)城鎮(zhèn)化與生態(tài)安全呈現了擴張性耦合與強弱解耦交替的循環(huán)演變狀態(tài)，前幾年主要表現為城鎮(zhèn)化水平對生態(tài)安全的脅迫作用，隨著近幾年國家政策對環(huán)境的重視，已經有了生態(tài)安全約束城鎮(zhèn)化發(fā)展水平的跡象，這也為相關部門制定流域生態(tài)保護與高質量發(fā)展相關政策提供了側重點。

4 討 論

2008—2018年黃河流域UDI不斷提升，但2008—2015年的UDI的年平均增長率(16.67%)遠高于2015—2018年(3.85%)，表明黃河流域近年來城鎮(zhèn)化水平在一定程度上受到生態(tài)安全的制約，未來可能存在生態(tài)安全約束城鎮(zhèn)化水平的風險。因此，不能以犧牲生態(tài)環(huán)境來換取經濟的高速發(fā)展，要協調保護與發(fā)展的關系，加強生態(tài)治理投入，嚴格限制企業(yè)污染物排放，發(fā)展綠色可持續(xù)產業(yè)。結合地區(qū)實際打造綠色、可持續(xù)的生態(tài)產業(yè)鏈，建立健全生態(tài)補償機制，打破生態(tài)保護對城鎮(zhèn)化進程的制約瓶頸。

本文對城鎮(zhèn)化水平的評價結果與刁藝璇等[13]的研究有部分差異，原因是本文構建城鎮(zhèn)化指標體系更為全面，綜合考慮人口、經濟、醫(yī)療、公共設施等維度，而后者研究重心為城鎮(zhèn)化水平與水資源利用水平的耦合協調分析，并未深入對城鎮(zhèn)化水平評價。近10年來黃河流域生態(tài)安全水平呈上升趨勢，但是增幅逐漸變緩，本文研究結果與孫繼瓊等[29]的研究成果一致顯示黃河流域生態(tài)安全指數不斷提升，但后者認為部分省區(qū)增幅仍較大，原因是本文計算ESI時側重考慮生態(tài)環(huán)境的壓力與治理投入等維度，而后者更側重于計算單位GDP的污染物排放量，較少考慮環(huán)境治理投入。分析發(fā)現城鎮(zhèn)化發(fā)展與生態(tài)安全兩系統間存在較強的交互作用，與張瑾青等[30]的研究成果基本一致，說明城鎮(zhèn)化發(fā)展與生態(tài)保護息息相關，良好的生態(tài)環(huán)境是經濟發(fā)展的基礎，因此在城鎮(zhèn)化的各個階段都應該有針對性地對生態(tài)環(huán)境進行保護和修復。

城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)安全交互作用是一個涉及多方面的復雜的系統問題，本文從城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)安全兩系統構建指標體系，通過灰色關系模型分析系統間交互作用機制，有助于深入分析兩系統間的制約因素分析，為黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展提供參考。然而，影響流域城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)安全系統發(fā)展的因素是復雜多變的，需進一步考慮多系統間的交互作用機制，全面、深入地剖析制約因素。此外，城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)安全的定義是動態(tài)變化的，本文所選取的指標僅考慮了部分維度，需不斷引入新的指標完善指標體系，增強結果的科學性和全面性。本文僅從省級尺度對城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)安全兩系統間的交互作用進行初步分析，未來應對流域各地市進行深入分析研究。

5 結 論

城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)安全水平近些年持續(xù)增長，城鎮(zhèn)化水平增長率大于生態(tài)安全水平，但兩系統增長趨勢都有所降低。教育科學支出占地方財政比重降低是城鎮(zhèn)化水平增勢減緩的主要原因，污水排放量的增加和環(huán)境污染治理占GDP比重減少影響生態(tài)安全水平的良序增長。

城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)安全系統間存在著較強的交互作用，人口城鎮(zhèn)化對生態(tài)安全的脅迫作用最強，生態(tài)治理投入是城鎮(zhèn)化水平的主要約束，未來主要以生態(tài)安全約束城鎮(zhèn)化水平發(fā)展為主。

從城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)安全系統之間的相關關系來看，黃河流域九省區(qū)存在著擴張性耦合與強弱解耦循環(huán)交替現象，主要是以解耦為主。