太原市城鎮化與生態環境協調關系研究

郭浩楠， 馮康利， 賈陳忠

山西師范大學地理科學學院， 山西 臨汾 041000

0 引言

在陸地表層系統以及人地關系的研究不斷深化的過程中，從Rachel Carson的Silent Spring描述了人類活動對生態環境各個系統所產生的影響，到Donella Meadows的Limits to Growth等揭露了城鎮化給生態環境所帶來的嚴重問題，再到2018中國人文社會科學環境論壇對于城鎮化帶來的資源和生態環境效應進行的探討[1]，城鎮化與生態環境關系一直是熱點問題[2～4].相關的理論研究和應用從未間斷，Grossman和Krueger提出的Environmental Kuznets Curve、OECD所提出的Decoupling、OECD和聯合國環境規劃署所確立的PSR模型在城鎮化與生態環境研究中都得到了廣泛的認可和應用[5～7].

國內關于城鎮化與生態環境的研究起步較晚，但發展迅速.理論研究方面，方創琳分析了地理系統是一個開放、非平衡、存在著復雜非線性相互作用及動態漲落的系統，強調了城鎮化和生態環境交互系統的六大基本定律，確立了研究兩者關系的基本定律[8，9]；黃金川等則對EKC和城鎮化對數曲線進行邏輯復合推導，得出了城鎮化與生態環境耦合的函數及曲線[10].在研究范圍上，國內主要集中在特大城市群、長江經濟帶、干旱區等[11～13]，缺乏對于中部地區及其典型城市的研究.在研究方法上，王小蘭等運用熵權法和線性加權法并利用脫鉤彈性系數對城鎮化與生態環境關系進行了研究[6]；廖李紅等則運用DMSP/OLS夜間燈光數據和Landsat遙感數據分別建立表征城市化的夜間燈光指數和表征生態質量的遙感生態指數，并結合耦合函數模型對城鎮化和生態環境關系進行研究[14]；史戈等則結合灰色關聯度與耦合協調度模型對中國沿海地帶城鎮化與生態環境關系進行了研究[15]；陳炳等運用熵權TOPSIS模型與耦合模型結合對長三角城市群生態文明建設與城鎮化耦合協調發展進行了研究[16].

本文在總結大量前人工作的基礎上，對國內報道較少的中部典型城市城鎮化與生態環境關系進行研究，補充國內對于中部城市研究的不足，同時對大多數學者定義的生態環境與城鎮化的超前型、滯后型、平穩型[12]提出新的且具有意義的劃分標準，確定城鎮化系統作用于生態系統的關鍵因子，為政府決策和城市發展建設提供科學依據和理論指導.

1 數據與研究方法

1.1 研究區域概況

太原市作為山西省省會城市，是山西省政治、經濟、文化和交通中心.北鄰忻州市，東接陽泉、晉中市，西與呂梁相鄰，地處東經111°30′～113°09′，北緯37°27′～38°25′之間.市轄6個區、三個縣、代管一個地級市，總面積6 988km2，城鎮人口比例達79.6 %，經濟發展首位度占全省22.9 %(2016年).近年來，太原市城鎮化率始終處于70 %以上，政府工作報告不斷強調生態環境建設與城鎮化協調發展，有著不同于沿海沿江城市，大型城市群，西部內陸城市的城鎮化發展歷程和生態環境特點.

1.2 數據來源

本文數據主要來自于《山西統計年鑒》[17]和《中國環境年鑒》[18]，選取太原市在十一五及十二五期間(2006—2015年)城鎮化與生態環境發展相關指標數據進行統計處理.

對于年鑒中核算口徑的變化，查詢了相關標準并咨詢專家進行了核算.以《山西統計年鑒》中統計數據為準，結合《中國環境年鑒》進行數據收集，對于缺省數據依照數據關聯性和《太原統計年鑒》[19]進行補全.

1.3 研究方法

1.3.1 指標體系構建

評價指標體系的構建是進行城鎮化與生態環境發展評價的基礎.依照科學性、客觀性、權威性、可靠性的原則，參照已有相關學者的研究[20，21]，構建能夠反映城鎮化與生態環境協調度的指標體系.將其劃分為城鎮化與生態環境兩個系統，城鎮化系統包括人口城鎮化、空間城鎮化、經濟城鎮化、社會城鎮化四個子系統及18個二級指標，生態環境系統根據聯合國環境規劃署與經濟合作發展組織確定的PSR模型及相關學者研究從壓力、狀態、響應三個方面及18個二級指標建立評價體系(表1).

表1 城鎮化與生態環境評價指標體系

1.3.2 熵權法確定權重

常用的指標權重確定方法有主成分分析法、熵權法、變異系數法等客觀賦權法和層次分析法、德爾菲法、環比賦權法等主觀賦權法.客觀賦權法能避免主觀因素帶來的偏差，但對于具有正負指標的數據，主成分分析法得出的評價函數往往意義不明[22]，熵權法被多數學者所接受并使用[23]，且能有效反映指標所包含的信息多少，進而確定權重，具體步驟如下：

①數據標準化

城鎮化與生態環境的指標分正向指標和負向指標，正向指標代表數值越大所帶來的效益越高，反之，負向指標則是數值越小帶來的效益越高.

(1)

(2)

②數據非零化處理

經上述標準化的數據范圍為[0,1]，由于熵權法中需要數據處于大于零的范圍，根據相關學者的研究[22]及指標數據特征，在保證數據信息準確的情況下對數據進行非零化處理：

(3)

(A為校正系數，本文取A=0.001)

③計算Zij在所在指標中的權重

(4)

④計算各指標熵值、熵冗余度

(5)

dj=1-ej

(6)

⑤計算各指標熵權值

(7)

1.3.3 綜合評價指數

通過對標準化后的數據進行加權，可得到城鎮化與生態環境各系統及整體發展水平P：

(8)

1.3.4 耦合協調模型

城鎮化與生態環境系統通過物質流、能量流、信息流構成了復雜的耦合巨系統[23]，兩者相互影響、相互制約，共同從無序走向有序的良性發展.耦合度是描述兩者協同關系的有力手段，借鑒已有相關研究[24]，構建耦合協調模型：

(9)

T=αPu+βPe

(10)

(11)

式中C代表城鎮化與生態系統的耦合度，C∈[0,1]，當C=0時系統無序發展，C=1時系統內部或系統間達到良性共振，有序發展[25]；T代表綜合調節指數，α與β為待定權重，衡量城鎮化與生態環境的重要程度；D為耦合協調度.

2 城鎮化與生態環境協調關系研究

2.1 綜合發展指數特征

2.1.1 城鎮化發展水平

由公式(1)～公式(8)可計算得到表2中的數據.由此可見，在2006年～2015年期間，太原市城鎮化整體水平與各系統水平均有所提高，其中對城鎮化發展貢獻大小依次為：社會城鎮化(0.359 0)>人口城鎮化(0.290 6)>空間城鎮化(0.219 9)>經濟城鎮化(0.130 5).結合表1，在社會、人口、空間及經濟城鎮化過程中起主要作用的分別是：非農業人口占總人口比重(0.155 3)、衛生機構人員數目(0.153 7)、城鎮居民人均用地面積(0.109 8)、第三產業占GDP比重(0.039 7)以及規模以上R&D人員(0.065 8).在人口、空間、經濟城鎮化中，無論是非農業人口的增多，還是第三產業的發展都符合眾多學者對于城鎮化研究的一般規律[26～27].值得注意的是，在太原市社會城鎮化發展過程中，占據著重要地位的不再是傳統的固定資產投資，而是對科技研發的大力支持，這得益于太原市大力實施科教興市戰略，在增強自主創新能力上下功夫：一方面加大企業科技創新投入，比如推進實施富士康太原園、江鈴福特重汽配套園區千億元計劃等，形成現代信息產業和現代制造業集聚效應；另一方面，深入實施《中國制造2025》，推進大數據、云計算、物聯網運用，推動煤電等傳統產業提質升級[28].

表2 城鎮化發展水平

圖1、圖2分別表示城鎮化及其子系統發展水平.可以看出，太原市城鎮化水平整體都得到了提升，同時又具有階段性的發展特征，甚至在某些階段出現了短暫的下滑.在第一個五年期間(2006年～2010年)太原市城鎮化水平發展較為緩慢，究其原因可能是在轉型初期，綠色轉型的制約因素比較突出，工業經濟面臨資源、能源高消耗，受到資源、環境、生態三方面的壓力；再者就是太原市“城市病”嚴重，城市建設缺乏系統規劃，整個城市社會和諧度不高；加上資源型城市產業結構單一，中心城市輻射帶動能力較弱，縣城和建制鎮服務功能弱，未能充分發揮人口的潛力，阻礙了城鎮化發展進程.

圖1 城鎮化子系統發展水平

圖2 城鎮化發展水平

另外，在此期間雖然整體城鎮化水平有所提升，但人口城鎮化水平在2010到2012年間出現了下滑.在第二個五年期間(2010年～2015年)，太原市城鎮化水平迅速提高，并分別在2013年和2015年完成了兩次顯著的提升，根本原因在于太原市最近幾年經濟實力的穩步提升，在人口、空間、經濟、社會等方面政策實施的效果良好，也有受到國家新推出的新型城鎮化戰略規劃的帶動.

在城鎮化整體水平增長過程中，經濟城鎮化、社會城鎮化水平始終處在提升狀態，這主要得益于在文化產業方面，太原市以提升城市文化軟實力為核心，大力發展文化旅游產業，提升歷史文化名城影響力；在科教衛生方面，推進教育醫療資源標準化、均衡化、優質化發展，堅持創新引領發展，將傳統產業與移動互聯網、云計算、大數據、物聯網結合，加強城市基礎設施建設.但經濟城鎮化速度遠遠低于社會城鎮化發展速度，這可能會在未來成為太原城鎮化向更高水平發展的阻礙因素.

2.1.2 生態環境發展水平

由公式(1)～公式(8)可計算得到表3中數據.可以看出，太原市整體生態環境質量有明顯改善.主要歸功于近年來，太原市堅持實施生態強市戰略，積極建立生態補償機制，啟動碳匯造林項目；支持婁煩做好省城水源地保護工作，加快陽曲東西山生態建設，建設東西山綠色生態屏障，抓好古交“樹木年度直補、商品化興林”試點工作；狠抓集中供熱全覆蓋、氣化太原、城中村整村拆遷改造、污染企業搬遷、水污染治理等五大生態環境治理工程建設[28].

表3 生態環境發展水平

結合表1，太原市生態環境質量主要受環境壓力(0.448 4)及響應水平(0.290 0)影響，而生態環境壓力主要來自：城市生活垃圾(0.083 8)、工業粉煤灰排放(0.064 3)及工業廢水排放(0.064 1)；生態響應工作集中于治理廢氣(0.091 6)、治理廢水(0.086 7)以及治理固體廢物(0.067 9).發現在主要污染和治理方面存在著一定的偏差，這可能是導致太原市生態環境狀態提升相較城鎮化發展慢的原因.

由圖3，太原市生態環境發展類似于“環境庫茲涅茨曲線”[5]，生態環境在發展過程中出現了多次“倒U型”(2006年～2010年、2010年～2012年、2012年～2014年)，即隨著城鎮化發展，生態環境在一定階段遭到破壞，隨著進一步的發展，生態環境又得到有效治理.說明太原市在生態環境建設過程中，對于壓力的響應總是處在“末端治理”的狀態，即響應落后于壓力的產生，生態環境治理的投資不足和滯后可能是導致這一問題的直接原因.同時也說明影響生態環境建設的因素非常復雜，其工作需要持續性推進，并且要根據實際不斷改善生態環境的對策措施.

圖3 生態環境發展水平

2.2 城鎮化與生態系統協調度以及與生態環境耦合的演化特征

由公式(9)～公式(11)可計算得城鎮化與生態環境的耦合度(C)、綜合調節系數(T)以及耦合協調度(D)(表5).為了深刻反映城鎮化與生態環境的協調關系，利用均值分段函數將耦合協調度劃分為十個等級，具體如表4所示.

表4 耦合協調度等級劃分

表5 城鎮化與生態環境綜合演化特征

對于綜合調節系數，大多數學者認為城鎮化與生態環境具有相同的重要程度，故取α=β=0.5[12].但對于城鎮化發展過程中具有更強烈生態建設需求和發展飽和或進入新的發展階段的城鎮，往往需要對調節系數作出調整，以便更加真實有效地反映城鎮化與生態環境的耦合水平.太原市近年來始終將生態文明建設放在極重要的戰略地位[28]，故本文依照相關研究[29]，適當調高生態環境的調節系數，根據公式(10)將計算結果繪制成圖4，結果發現：

圖4 耦合協調度

(1)太原市整體城鎮化與生態系統耦合水平從瀕臨失調向基本協調轉變，并在2015年前后基本達到了初級協調，整體協調水平仍有較大上升空間.

(2)以α=β=0.5的曲線作為參照對象，給予生態環境更大的調節系數，若高于α=β=0.5的曲線則代表此時期生態環境的整體水平明顯高于城鎮化水平，符合生態文明發展需求，但在發展的同時仍需注意對于生態環境的保護；若低于α=β=0.5的曲線，則表示生態環境水平落后于城鎮化發展水平，此時需要加強對生態環境的保護.

結合上述分析，太原市在2006年～2013年，生態環境發展水平始終高于城鎮化水平，但兩者差距逐漸縮小，2013年后即使給予生態環境更大的調節系數也低于α=β=0.5的曲線，說明雖然太原市城鎮化生態環境整體耦合水平不斷提高，但對于生態環境的保護和治理工作有一定的欠缺，究其原因可能與污染治理投資較少，污染治理重點與實際排污重點不相吻合相關.

城鎮化綜合發展水平(PU)與生態環境綜合發展水平(PE)可能存在三種關系，即PU>PE、PU=PE和PUPE)、均衡型(PU=PE)、生態型(PU

①若|PU-PE|≤0.1，則發展類型定義為均衡型，即生態環境與城鎮化發展水平相當，應共同發展進而提高耦合協調水平；

②若0.1<|PU-PE|≤0.2，則發展類型定義為弱城鎮型或弱生態型，即生態環境或城鎮化水平，在此階段發展水平略高，可適當調整政策促進均衡發展；

③若0.2<|PU-PE|≤0.3，則發展類型定義為過度城鎮型或過度生態型，即生態環境或城鎮化水平，在此階段水平明顯較高，應適當強化政策干預，加強生態保護或加快城鎮化建設；

④若0.3<|PU-PE|≤0.4，則發展類型定義為古典城鎮型或古典生態型，此階段，生態環境或城鎮化水平過高，可能對其他子系統發展產生抑制，此階段易在城鎮化早期或末期出現，在本階段應有目的有規劃地大力對薄弱環節進行提升；

⑤若0.4<|PU-PE|≤0.5，則發展類型定義為典型城鎮型或典型生態型，生態環境遭到嚴重破壞或開發較弱城鎮可能出現該階段；

⑥若|PU-PE|≥0.5，則可認為即使耦合水平較高也失去了耦合意義，所謂耦合的意義在于較高的城鎮化水平應有與之相對應的生態環境建設水平或強有力的生態環境保護力度.

根據以上劃分標準作出太原市城鎮化與生態環境系統發展類型(圖5)

圖5 城鎮化與生態系統發展類型

根據以上劃分標準，太原市在2006年～2011年始終處于古典生態型狀態，即在此階段城鎮化發展水平較低，需要加大城鎮化發展與建設力度.在2011年后，太原市城鎮化水平迅速提升，在SPSS軟件中利用一次曲線擬合2011年～2015年的綜合水平差值發現得到擬合方程為：y=0.163 2x-0.505 3(R2=0.967 9,p<0.01)，即隨著時間的推移城鎮化水平愈發高于生態環境整體水平，表明在2011年太原市城鎮化迅速發展的背后蘊含著對生態環境的發展與保護力度較弱，若不采取有效的措施極有可能向著典型城鎮化的方向發展，甚至失去耦合意義.

3 主要結論及政策建議

3.1 主要結論

通過構建耦合協調模型，研究了太原市2006年～2015年城鎮化與生態環境耦合協調度及其變化特征，得出以下結論：

(1)在太原市城鎮化發展過程中的貢獻大小依次是：社會城鎮化、人口城鎮化、空間城鎮化、經濟城鎮化，其中人口城鎮化和空間城鎮化都在發展過程中出現了小幅度的下滑，經濟城鎮化水平穩步提高但增速較慢，社會城鎮化發展的主要動力不過度依賴固定資產投資，而是重視科教及相關政策；

(2)太原市生態環境整體發展基本符合環境庫茲涅茨曲線，但存在著環境治理方向與主要排污方向不吻合、環境治理投資薄弱等問題；

(3)太原市城鎮化與生態環境整體從輕度失調向初級協調不斷發展，整體協調水平仍有上升空間，但過快的城鎮化發展速度一定程度上忽視了對于生態環境的保護和建設，發展類型在2011年后迅速向城鎮型方向發展.

3.2 政策建議

①針對經濟城鎮化：太原的支柱產業是實體經濟，城市的經濟靠幾個老牌國企支撐，山西焦煤，太重，太鋼以及富士康，富士康與太鋼占據了太原90 %的出口份額.在大數據時代，應推動信息化和工業化深度融合，加大傳統產業技術改造和整合重組力度，實施煤焦冶電等傳統產業技術改造、智能改造、綠色改造，著力抓好富士康手機智能化制造、比亞迪新能源汽車等重點項目，并形成產業園區的集聚效應.

②針對人口城鎮化：太原存在一個很重要的問題就是人才流失，導致從事第三產業的人數少，尤其是從事高新技術產業的人數少.應大力引進“千人計劃”等高端創新人才，加大人才補貼和創業補貼，努力提高高校建設水平.

③針對生態城鎮化：太原市近十年在生態治理方面力度很大，但因過去長期的環境破壞使得實現節能減排目標、治理和保護生態環境的壓力仍較大，應繼續深化“五大工程、五項整治”，完善城市基礎設施，加大環保資金的投入；合理調整產業布局，加強重點企業的治理，推行清潔生產；繼續改造城中村，普及天然氣；加大宣傳力度，提高市民環保意識.