蘭州市城市化與生態系統服務價值的耦合關系定量研究

喬 蕻 強

(甘肅農業大學 管理學院, 甘肅 蘭州 730070)

蘭州市城市化與生態系統服務價值的耦合關系定量研究

喬 蕻 強

(甘肅農業大學管理學院,甘肅蘭州730070)

[目的] 定量分析蘭州市城市化與生態系統服務價值的耦合關系，以期為蘭州市在城市化進程中采取適當的土地利用模式提供科學依據。 [方法] 在構建蘭州市生態系統服務價值和城市化水平2個子系統的基礎上，采用熵值法進行標準化處理，建立蘭州市2004—2014年城市化與生態系統服務價值的耦合協調模型，測定蘭州市城市化與生態系統服務價值的耦合協調狀況。 [結果] (1) 蘭州市城市化水平從2004年的0.585 1上升到2014年的0.659 6，11 a間共上升了0.074 5，年均上升0.006 8，總體上呈上升趨勢； (2) 蘭州市生態系統服務價值從2004年的83.24億元增加到2014年的95.02億元，在11 a內增加11.78億元，年均增加1.07億元，也呈遞增趨勢。 [結論] 蘭州市2004—2014年城市化與生態服務價值的耦合關系呈現倒U形發展趨勢，總體耦合協調度處于中度協調狀態之上，在2009—2012年達到協調高峰期。

城市化; 生態系統服務價值; 耦合協調關系; 蘭州市

文獻參數： .蘭州市城市化與生態系統服務價值的耦合關系定量研究[J].水土保持通報，2017,37(4)：333-337.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.056； Qiao Hongqiang. Quantitative coupling between urbanization of Lanzhou City and its ecosystem service value[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：333-337.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.056

城市化反映一個國家或地區的社會進步程度，同時也是衡量經濟發展的重要指標。改革開放以后，城市化水平從改革最初的17.9%提高到了目前的52.36%，年均增長0.93%[1]。然而，快速的城市化帶來了一系列的生態環境問題，巨大的能源需求和污染物的排放給生態系統和資源環境承載力帶來了前所未有的壓力，尤其是人口密度大的資源型重工業城市尤為突出。因此，分析城市化和生態系統服務價值的現狀并探討兩者內在的耦合機制，一直是國內外研究的熱點和焦點。城市化的過程就是不斷利用和改造自然環境的過程，該過程現在或未來會對周圍生態環境造成一定的影響和脅迫，而生態環境對城市化起到約束作用，因此，城市化與生態環境之間存在某種脅迫與約束的耦合機理[2]。目前有許多專家學者對此進行了研究，尤其是在研究理論和方法方面取得了重要成果。研究理論形成了6大基本定律，如動態層級律，閾值律，非線性協同律，隨機漲落律，耦合裂變律和預警律等[3-4];研究方法主要包括“3S”技術定量分析、系統分析和回歸分析等[5-6]。但是，城市化的發展史可持續的，而生態系統服務價值作為可持續發展的衡量指標，研究兩者之間的關系，對資源匱乏、以重工業發展為主的城市可持續發展影響深遠。因此，本文的創新點在于用一定時間序列的相關指標，定量測度兩個系統的耦合關系與協調程度，有助于從定量的角度探索區域城市化發展速度與土地承載力狀況、生態環境質量的協調度。蘭州市作為西北重工業城市，自2004年以來，社會經濟保持了持續高速增長，年均經濟增長率達13．48%,城市化發展迅速，加上人口密度大、生態環境脆弱，和“兩山夾一河”的獨特地形，使城市化發展與生態環境之間的矛盾凸顯。因此，本研究以蘭州市為例，采用定量與定性相結合的方法，建立兩者耦合度與耦合協調度模型，分析該市城市化與生態系統服務價值的耦合協調關系，對于合理利用土地資源、有效配置生態系統服務，對促進蘭州市可持續發展具有重要意義。

1 研究區概況和數據來源

蘭州市中心位于(35°34′—37°07′N，102°35′—104°34′E)，是西北地區重要的工業基地和綜合交通樞紐。行政區域包括三縣五區，常住人口401.55萬。區域內大部分地區屬溫帶半干旱氣候，年平均降水量為324 mm，年蒸發量1 486 mm，植被稀少，風沙大。蘭州市自2004年以來，社會經濟保持了持續高速增長，年平均GDP在7%以上，城市化發展迅速，尤其是蘭州新區的規劃建設和“一帶一路”戰略的實施，使蘭州市遇到了前所未有的機遇和挑戰?？紤]到研究區域計量指標和數據的易獲取性、連續性和準確性，本文所采用的2004—2014年蘭州城市化的部分數據，來自于《蘭州市統計年鑒》和《蘭州市國民經濟和社會發展統計公報》；生態系統服務價值2004—2014年的基礎數據來源于甘肅省地理信息中心測繪研究院第二次土地調查和每年變更資料，并對數據進行處理和計算獲得。

2 研究方法

2.1 城市化水平

2.1.1 數據標準化處理方法 為消除各指標在量綱、數量級上的差別需要對原始數據進行標準化處理。本研究采用極差標準化處理[7]，消除量綱差別，使得各指標值在0～1之間。極差標準化處理借助于公式(1)，其中xij為指標原始值；rij為標準化后的某指標值，i為指標個數，j為年份，xmax為第i個指標最大值，xmin第i個指標最小值。

(1)

為使指標權重更具科學性，避免主觀因素的影響，逐采用熵值法來確定指標權重。

(1) 計算第j指標下第i年份指標值的比重pij；

(2)

(2) 定義第j項指標的熵值ej，熵值越小越有序，信息量越多，效用值越大；

(3)

k>0,其大小與m有關,一般取k=1/lnm,且0≤ej≤1。

(3) 計算第j項指標差異性系數；

dj=1-ej

(4)

(4) 定義指標的權數；

(5)

(5) 計算第i年綜合評價指數[8]，即城市化水平。

(6)

2.1.2 生態系統服務價值 生態系統服務價值是指人類直接或間接從生態系統中所得到的利益[9]。土地利用作為人與自然交叉最為切的環節,利用現狀可以從側面反映出人類生活狀況，同時土地利用的變化必然影響生態系統的結構和功能。因此，總結研究結果和經驗，利用類型評價區域的生態系統服務價值來分析區域生態系統對人類的服務價值和潛力[10]，計算公式為:

ESV=∑AkCk

(7)

式中:ESV——生態系統服務價值(元);Ak——研究區某種土地利用類型的面積(hm2)；Ck——生態系統價值系數。

2.1.3 耦合度模型 借鑒物理學中的容量耦合概念及容量耦合系數模型，推廣得到多個系統相互作用耦合度模型，則城市化與生態系統服務價值的耦合度函數可以表示為[11-12]。

C=2{(u1·u2)/〔(u1+u2)(u1+U2)〕}1/2

(8)

式中：C——耦合度值，處于0～1之間。當C=1時，耦合度最大，達到良性共振耦合，系統將趨向新的有序結構；當C=0時，耦合度極小，系統將向無序發展；當0

2.1.4 耦合協調度模型 耦合度作為反映研究區域城市化與生態系統服務價值耦合程度的重要指標，它是判別研究區域城市化與生態系統服務價值耦合作用強度以及作用的時序區間，預警二者發展秩序等具有重要意義[7]。然而，耦合度在有些情況下卻很難反映出區域城市化與生態系統服務價值整體“功效”與“協同”效應，特別研究區域較廣，經濟發展差異性較大，耦合度計算的上下限一般取自各個地區的基準年數和發展規劃數，單純依靠耦合度判別有可能產生誤導，因為每個地區的城市化與生態系統服務價值建設都有其交錯、動態和不平衡的特性[13-14]。為此，構建城市化與生態系統服務價值耦合協調度模型，評判不同區域城市化與生態系統服務價值交互耦合的協調程度[12]，如公式(9)所示：

(9)

式中：D——耦合協調度；C——耦合度；T——城市化與生態系統服務價值綜合調和指數，它反映城市化與生態系統服務價值的整體協同效應或貢獻；T處于0～1之間[15]，a，b——待定系數均取0.5。依據國內外研究進展和區域實際情況，耦合協調度大致劃分為，一般認為：當0

3 結果與分析

3.1 城市化水平評價

城市化是城鎮經濟發展、城鎮人口增長、城鎮用地空間擴張和城鎮生活質量提高的過程[16]。依據城市化的涵義，本文從人口城市化、經濟城市化、空間城市化和社會城市化4個方面構建城市化系統的指標體系。在人口城市化水平方面，人口數量采用市區常住人口指標和市鎮人口比重；第三產業被認為是衡量城市化水平的最佳標準，因此采用第三產業從業人口比重指標表示人口質量。在經濟城市化水平方面，考慮到不同區域規模大小差異較大，故采用城鎮居民人均可支配收入指標來表示經濟水平總量；采用第三產業增加值占GDP比重指標和固定資源投資完成額比重指標來衡量經濟水平質量。在空間城市化水平方面，采用建成區面積指標城市人口密度指標代表城市化空間發展總體規模；采用人均建成區面積指標來衡量空間城市化水平的質量?？萍嘉幕?、基礎設施建設水平和醫療保障水平是社會城市化水平的3個重要體現，本文采用每百人公共圖書館藏書、每萬人擁有公共汽車和每萬人擁有醫生數3個典型的指標分別代表三者的水平。因此，城市化指標體系共包含了4個準則層和11個評價指標，具體詳見表1。從表1可知，蘭州市城市化水平從2004年0.585 1上升到2014年的0.659 6,城市化水平在11 a間共上升了0.074 5,年均上升0.006 8，且一直保持著逐年遞增的趨勢，11和指標也隨著年份遞增。這表明蘭州市城市發展較快，城市規模不斷擴大，非農業人口每年呈增長態勢，尤其是蘭州新區的獲批和“一路一帶”的發展機遇，今后蘭州市經濟發展更加迅速，產業結構調整更快，流動人口加速，進一步提升蘭州市城市名片和城市化水平，逐漸發展為絲綢之路帶上新的經濟增長極。

3.2 生態系統服務價值

根據謝高地等[17]制定了中國生態系統9項生態服務的當量因子表，本文采用該文獻提出的食物生產、原材料生產、氣體調節、氣候調節、水源涵養、廢物處理、保持水土、生物多樣性保護和娛樂服務9項生態服務構建生態服務價值指標體系。土地利用變化反映了生態系統服務功能和結構的變化，因此，將土地分為6種類型，如耕地、林地、園地、水域、建設用地和其它未利用地來表征蘭州市的生態系統服務價值指標。

由于本研究中計算生態系統服務價值主要是為了反應區域的生態系統的狀況,因此計算各年份的生態系統服務價值時采用相同的價值系數,各年份的生態系統服務價值系數均參照謝高地等2003年制定的中國陸地生態系統單位面積生態服務價值系數表,將蘭州市土地利用類型與之對照,得到所劃分的蘭州市6種土地利用類型的生態系統服務價值系數,其中耕地表征農田系統，林地表征森林系統，園地取森林系統和草地系統的平均值，牧草地表征草地系統，水域取濕地和水體的平均值，未利用地代表未利用地系統[18]。根據公式(7)計算出蘭州市2004—2014年各年的的生態系統服務價值(表2)。從表2可知，蘭州市生態系統服務價值從2004年的83.24億元增加到2014年的95.02億元，11 a增加了11.78億元，年均增加1.07億元，且九個指標保持逐年遞增的趨勢。這表明蘭州市土地利用結構越來越趨向合理，綠地覆蓋率增加，公共基礎設施配置得當，污染治理效果明顯，生態系統服務價值逐漸提升，與城市化水平發展方向一致。

表1 蘭州市 2004-2014年城市化水平

表2 蘭州市2004-2014年各年土地生態系統服務價值 億元

3.3 城市化與生態系統服務價值耦合關系

耦合是指兩個或兩個以上系統通過各種相互作用而彼此影響的現象，耦合度就是描述系統或要素相互影響的程度[14]。城市化與生態系統服務價值2個系統通過各自的耦合元素產生相互彼此影響的程度定義為城市—生態系統服務價值耦合度,其大小反映了對區域社會—經濟—生態系統的貢獻程度和作用強度[17]。根據耦合概念及容量耦合系數模型[18]，建立耦合度模型，介于在進行橫向對比的時候耦合度指標在反映二者關系的不全面性，故在此基礎上進一步建立耦合協調度模型[13]，計算出城市化與生態系統服務之間的耦合協調度，通過公式(8)—(9)計算耦合度與耦合協調度，確定耦合協調類型(圖1)。從圖1可知，蘭州市城市化與生態系統服務價值之間的耦合協調性總體上呈不規則的倒U形發展趨勢，2004—2014年蘭州市耦合協調度處于中度協調狀態之上，說明蘭州市城市化水平上升的同時，生態系統服務價值也穩步提高，這與蘭州市實際情況一致。在2004—2006年協調度處于0.36～0.45，城市化與生態系統服務價值的耦合協調度由低度協調耦合過渡到中度協調耦合，這一時期的城市化綜合水平快速增加，城市經濟飛速發展，非農人口逐漸增加，使脆弱的生態環境受到了影響，但隨著全民素質的提高，人們開始重視生態環境。在2006—2008年協調度處于0.45～0.77，不斷呈現上升趨勢，處于由中度協調狀態過渡到高度協調狀態，這一時期蘭州市大力綠化南北兩山，規劃黃河風情線，加大道路和河堤綠化建設。在2009—2012年達到頂峰，處于極度協調狀態，這一時期蘭州市全市實行“煤改氣”改造工程，引進新型防污降塵設備，對裸露土地防塵布的使用，以及前兩階段的退耕還林工程作用顯現，在城市化水平提升的同時生態效應顯現。2012年以后，逐年呈平穩發展趨勢，雖然這一時期自然災害頻繁，影響了社會經濟的發展和生態環境，但總體處于高度協調狀態。

圖1 蘭州市2004-2014年城市化與生態系統服務價值的耦合協調度

4 討論與結論

4.1 討 論

本文基于耦合協調思想對蘭州市城市化與生態系統服務價值的關系進行了研究，研究結果表明，2004—2014年蘭州市城市化水平與生態系統服務價值的耦合協調度總體上呈倒U形發展趨勢，基本上處于中度協調狀態之上。其研究方法實用性強，研究結果很好地反映了研究區域實際情況，對國家、地方政府城市發展政策的制定，基礎設施的建設，產業結構的調整，以及社會人員生態保護意識的增強具有重要意義。目前，蘭州市的城市化水平仍然在不斷上升，同時對生態環境系統造成一定的影響，這是在城市化進程中不可避免的問題，如何協調兩者之間的矛盾，如何提升生態系統服務的價值，是蘭州市在兩者耦合關系上協調發展的關鍵，陸媛媛、潘竟虎都證實了這一點[19-20]。因此，政府應該在快速追求經濟發展，快速城市化的同時考慮到生態環境的承載力和潛力，采取積極的應對措施提高生態系統服務功能。當然，由于空間和時序上的差異，生態系統服務的價值系數是不斷動態變化的，今后動態地算出城市化與生態系統服務價值的耦合協調度并對其未來發展趨勢作出預測是下一步的研究方向。

4.2 結 論

(1) 2004—2014年蘭州市城市化與生態系統服務價值之間的協調性總體上呈不規則的倒U形發展趨勢，耦合協調度由低度協調過渡到中度協調狀態，再過渡到高度和極度耦合協調狀態后平穩發展，尤其是2009—2012年耦合協調度處于極度協調狀態，與實際情況相符合。說明蘭州市在提升城市化水平的同時，也注重生態環境的保護，使兩者相互促進，協調發展，也是蘭州市“宜居”城市建設的前提。

(2) 蘭州市2004—2014年的城市化水平得分從0.585 1上升到0.659 6,蘭州市生態系統服務價值從2004年的83.24億元增加到2014年的95.02億元，兩者都呈遞增趨勢，表明研究區域城市化在不同側面與生態系統的服務功能存在相關性，兩者的共同提高，才能使城市發揮活力和功能性。因此，同時推進和注重兩者建設，才能使人和自然相和諧。

(3) 從政府對策響應來看，蘭州市政府應該進一步實施有利于維持和提高生態系統服務功能的措施,例如樓頂綠化、重工業遷出等政策,雖然這些政策的實施巳經取得了一些效應,但政府部門應進一步提升宣傳力度，提高公民素質，加強監督管理。

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Quantitative Coupling Between Urbanization of Lanzhou City and Its Ecosystem Service Value

QIAO Hongqiang

(College of Management, Gansu Agricultural University, Lanzhou, Gansu 730070， China)

[Objective] The coupling link between the urbanization of Lanzhou City and ecosystem service value was analyzed quantitatively to provide scientific basis for appropriate land use in the process of urbanization in Lanzhou City. [Methods] The ecosystem service value and urbanization level in Lanzhou City were constructed and the entropy method was adopted to standardize the model. A coupled and coordinated model between urbanization and ecosystem service value was established based on the data collected from 2004 to 2014 in Lanzhou City. The relationship between urbanization and ecosystem service value, as well as the land use pattern of urbanization, were analyzed. [Results] (1) The urbanization level of Lanzhou City increased from 0.585 1 in 2004 to 0.659 6 in 2014, with an increment of 0.074 5 in 11 years, and annual rate of 0.006 8. And the overall trend of urbanization was increasing. (2) The value of Lanzhou ecosystem services increased from 8.342 billion yuan in 2004 to 9.502 billion yuan in 2014, with an increment of 1.178 billion yuan, and an average annual rate of 107 million yuan, it also showed an increasing trend. [Conclusion] The coupling relationship between urbanization and ecological service value of Lanzhou City in 2004—2014 was an inverted U shape. The overall coupling coordination degree was in moderate coordination state, and the coordination peak occurred in 2009—2012.

urbanization;ecosystemservicevalue;couplingrelationship;LanzhouCity

A

： 1000-288X(2017)04-0333-05

： F301， X171

2016-10-15

：2016-12-05

甘肅省自然科學基金項目“社會資本對農地利用的影響機理研究”(1610RJZA095)； 甘肅省教育科學“十二五”規劃項目(GS[2015]GHB0167)； 蘭州市哲學社會科學規劃項目(17-006E)

喬蕻強(1986—),男(漢族),甘肅省平涼市人,博士研究生,講師,主要從事土地利用規劃、土地生態和土地經濟研究。E-mail:qiaohongqiang-123@163.com。