河南省区域城市化与生态环境效应空间关系分析

鲁 迪，钱宏胜*，赵鹏飞，耿鹏旭

(1.平顶山学院 资源与环境科学学院，河南 平顶山 467000;2.西北大学 城市与环境学院，陕西 西安 710127)

0 引言

城市化的迅速发展，一方面推动了区域社会经济发展，以及人们思想观念、生活方式的变迁；另一方面不可避免地产生了一系列的生态环境问题，诸如耕地资源流失过速、城市水资源稀缺程度加剧、能源供需平衡压力日益增大、城市环境污染严重、生态恶化等[1]，成为制约区域城市化持续发展的“瓶颈”.因此，城市化与生态环境之间的响应机理研究成为当前人地系统研究的热点问题[2].目前，国内外对城市化与生态环境关系的研究主要侧重于城市化过程对区域生态环境要素的影响研究[3-5]、城市化过程与区域生态环境演变规律的研究[6-8]、城市化过程与区域生态环境的响应机理研究[2,9-10]等，而从区域的角度对二者的空间关系的研究则较少.本文运用空间统计分析与GIS技术，研究河南省区域城市化与生态环境效应的空间关系，以期为制定区域城市化发展战略，形成高效、协调、可持续的区域空间发展格局提供有效参考.

1 研究区域概况

河南省位于中国中东部、黄河中下游地区，界于31°23′～36°22′N，110°21′～116°39′E之间，与皖、鲁、冀、晋、陕、鄂六省相接，是我国沿海开放地区与中西部地区的结合部，经济由东向西梯次推进发展的中间地带，全国重要的粮食主产区，交通、通信、物流等枢纽.“十二五”期间，河南省城市化进程不断加快，城市化率由2010年的37.7%增长到2013年的43.8%，年均增长2.03%.河南省具有人口总量大、农村人口比例高、人均资源不足、人均经济指标偏低等特征[11].

2 研究方法

2.1 指标选取

依据科学性、完备性、可操作性、可比性、相对独立性和针对性等原则，分别构建区域城市化与生态环境效应的多因素综合评价指标体系，结果见表1.

表1 区域城市化与生态环境效应的综合评价指标体系Tab.1 The comprehensive evaluation index system of regional urbanization and ecological environment effect

结合城市化的表现形式和内涵，对城市化水平的综合测度分为4 个方面：人口城市化、经济城市化、社会城市化和空间城市化，共13个指标.城市化的发展对区域生态环境的影响主要表现在环境污染和生态破坏，因此区域生态环境效应测度评价从资源消耗强度、污染物排放强度、碳排放强度、景观生态质量、人文生态响应5个方面构建区域生态环境效应综合评价指标体系，既反映了区域城市化过程中资源消耗、污染物和温室气体排放、景观生态的状况，又体现了区域生态环境的治理能力；同时，也涵盖了支撑区域城市化持续发展的五大生态环境要素(大气、水、土、生物、能源).

2.2 数据来源与处理

研究数据主要来源于《河南省统计年鉴(2013年)》、2012年河南省环境质量公报.部分无法直接获得的数据(如CO2排放总量)参考前人的研究成果[12]，根据相关数据计算获得.

数据处理采用极差化法，把不同类型、不同单位、不同量级的指标转换成统一的、无量纲的标准化指标，使指标属性与评价指数呈正相关.

(1)对于正向型(越大越好)指标的标准化：

(1)

(2)对于负向型(越小越好)指标的标准化：

(2)

2.3 评价与分析模型

2.3.1 熵权法综合评价模型

熵权法是一种根据综合评价指标的数值所提供信息量大小来确定权重系数的方法[13].其计算过程如下：

(1)计算第j项指标的熵值：

(3)

其中:k>0为常数，通常取k=1/lnn;fij为第i个被评价对象的第j项指标的特征比重，为了避免ln (fij)无意义，规定

(4)

(2)计算第j项指标的差异系数：

rj=1-Ij，(j=1，2，…，m).

(5)

差异系数是反映综合评价指标作用大小的一个量，其值越大，指标的作用就越大，反之亦然.

(3)计算第j项指标的权重系数：

(6)

(4)计算第i个被评价对象的综合评价值：

(7)

2.3.2 空间自相关分析模型

空间自相关是指同一个变量在不同空间位置上的相关性，是空间单元属性值聚集程度的一种度量[14-15].本文采用空间统计学中普遍使用Moran指数和G统计模型进行全局空间自相关和局部空间关联分析，研究2012年河南省区域城市化水平、生态环境效应的空间分布规律和集聚程度.

Moran指数的计算方法如下：

(8)

(9)

(10)

当Moran’sI为正时，说明相邻地区拥有相似的数据属性，属性值高或低的地区都有集聚现象；当Moran’sI为负时，代表相邻地区属性差异大，数据空间分布呈现高低间隔分布的状态；当Moran’sI为零(或趋于零)时，则相邻空间单元间相关性低，某空间现象的高值或低值成无规律的随机分布状态.

2.3.3 空间关联分析模型

为了进一步分析河南省区域城市化水平、生态环境效应的局部空间关联特征，本文采用G统计分析模型对区域城市化水平、生态环境效应进行空间关联分析.G统计分析的计算公式[16]如下：

(11)

其标准化形式为

(12)

显著的正Gi值表示在该区域单元周围，高观测值的区域单元趋于空间集聚，而显著的负Gi值表示低观测值的区域单元趋于空间集聚，与Moran指数只能发现相似值(正相关)或非相似性观测值(负关联)的空间集聚模式相比，具有能够探测出区域单元属于高值集聚还是低值集聚的空间分布模式.

3 结果与分析

3.1 计算结果

根据公式(3)～(6)，利用熵权法确定各指标的权重(表1)，根据公式(7)测算出2012年河南省各地市城市化水平、生态环境效应的综合指数(表2).运用GeoDa095i软件，分别对2012年河南省区域城市化、生态环境效应进行全局空间自相关性分析，得到Moran散点图(图2)和Moran’sI值.根据公式(11)和(12)，分别计算2012年河南省各地市城市化水平、生态环境效应的G统计值(表2)，以反映它们的局部空间关联特征.

3.2 结果分析

3.2.1 河南省城市化与生态环境效应空间格局分析

(1)河南省2012年城市化水平空间格局分析

依据2012年河南省各地市城市化综合指数的计算结果，运用MapInfo中“自然划分法”创建等级分布专题图，可以将河南省区域城市化发展水平划分为5个等级(图1)：第一等级为郑州市,城市化综合指数为0.929 1，城市化发展水平最高，在城镇人口占总人口比重、二、三产业就业人数比重、人均GDP、二、三产业产值比重、建成区面积占辖区面积比重，以及城市基础设施建设、社会建设与管理等方面与其他地市相比，均具有明显的优势；第二等级城市化综合指数在0.460 0～0.929 0之间，包括焦作、洛阳、济源、三门峡4个地市，它们在城镇人口占总人口比重、人均GDP、二、三产业产值占GDP的比重、人均社会消费品零售总额、每万人拥有医生、护士人数、城镇社区服务设施等方面具有较明显的优势；第三等级城市化综合指数在0.345 2～0.460 0之间,包括许昌、新乡、鹤壁、平顶山、漯河、安阳6个地市，这些地市在人口城市化、区域经济发展与产业结构、城市基础设施与社会建设等方面均处于中等的发展水平；第四等级城市化综合指数在0.213 0～0.345 2之间，包括开封、濮阳、南阳、商丘4个地市，社会经济发展总体处于欠发达状态，制约了区域城市化的发展进程；第五等级城市化综合指数在0.120 3～0.213 0之间，包括信阳、驻马店、周口3个地市，主要位于东部平原粮食主产区及南部山区，农业人口及农业产值占有较大比重，二、三产业发展落后，区域城镇基础设施及社会建设投入不足，城市化发展总体水平落后.从总体上看，2012年河南省区域城市化发展不平衡，呈现从西北向东南递减的趋势；同时，在北部区域又形成了以郑州市为核心的“中心—外围”的分布格局.

表2 2012年河南省各地市城市化水平与生态环境效应的综合指数与G统计值Tab.2 The composite index of the urbanization level and the eco-environment effect and statistical data to G of all districts and cities in Henan Province in 2012

(2)河南省2012年生态环境效应空间格局分析

2012年河南省区域城市化水平与生态环境效应呈现较明显的负相关对应关系.区域生态环境效应呈现由西北向东南递增的趋势，南部区域的生态环境效应总体上大于北部区域.依据2012年河南省区域生态环境效应综合指数，运用MapInfo中“自然划分法”创建等级分布专题图，把河南省区域生态环境效应划分为5个等级(图1)：第一等级生态环境效应指数在0.725 9～0.747 3之间,包括周口、驻马店2个地市，是河南省南部区域重要的粮食主产区，经济活动以农业生产与经营为主，二、三产业比重低，资源消耗强度、污染物及温室气体(主要是指二氧化碳)排放强度等都处于较低水平，生态环境效应高；第二等级生态环境效应指数在0.705 0～0.725 9之间包括南阳、信阳、许昌3个地市，其中南阳、信阳位于西南、南部山区，工业发展薄弱，资源消耗、污染物排放等都处于较低水平；第三等级生态环境效应指数在0.660 4～0.705 0之间,包括漯河、郑州、濮阳3个地市，资源消耗、污染物及温室气体排放强度等处于中等水平；第四等级生态环境效应指数在0.593 4～0.660 4之间,包括新乡、开封、商丘、洛阳4个地市，生态环境效应处于较低水平；第五等级生态环境效应指数在0.490 6～0.593 4之间,包括平顶山、焦作、安阳、鹤壁、三门峡、济源6个地市，这些地市工业发展以资源型工业为主，资源消耗大、污染排放高，生态环境效应处于低水平.

图1 2012年河南省区域城市化水平与生态环境效应的等级分布图Fig.1 Level distribution of areas urbanization and ecological environment effect of Henan province in 2012

3.2.2 河南省城市化与生态环境效应空间自相关分析

运用GeoDa095i软件，分别对2012年河南省区域城市化、生态环境效应进行全局空间自相关性分析，得到Moran散点图(图2)和Moran’sI值.

如图2所示，Moran散点图的第一象限(HH)表示本区的值高，相邻空间的值也高；第二象限(LH)表示本区的值低，相邻空间的值高；第三象限(LL)表示本区的值低，相邻空间的值也低；第四象限(HL)表示本区的值高，相邻空间的值低.第一、三象限表示正的空间联系，而第二、四象限表示负的空间联系.

图2 2012年河南省区域城市化水平与生态环境效应Moran散点图Fig.2 Moran scatter plot chart of areas urbanization and ecological environment effect of Henan province in 2012

(1)河南省2012年城市化水平空间自相关分析

河南省区域城市化的Moran’sI=0.403 1(P=0.001 0，置信度99.9%)，表明2012年河南省区域城市化发展的空间分布是集聚的.多数地市位于第一、三象限，均表现出正的空间自相关性，且属HH类型的地市数量与LL类型的相对较平衡，呈现高值与高值地区集聚，低值与低值地区集聚的空间分布特征，反映出一定的空间依赖关系.仅有平顶山、开封、濮阳3个地市位于第二象限，表明这些地市的城市化水平较相邻地区低，即偏离全局正的空间自相关的地区.从图2(Ⅰ)中可以看出，HH类型的地市大多位于北部区域，LL类型的地市大多位于南部区域，这从总体上揭示了2012年河南省区域城市化南北发展的不平衡性.

(2)河南省2012年城市化生态环境效应自相关分析

2012年河南省区域生态环境效应的Moran’sI=0.257 0 (P=0.001 0，置信度97.5%)，表明区域生态环境效应的空间分布是集聚的.从图2(II)可以看出，有2/3的地市位于第一、三象限，表现出正的空间自相关性，其中，属于HH类型的地市主要位于南部山区及东部平原地区，是区域生态环境效应高值集聚的主要区域；属于LL类型的地市主要位于北部工业发展迅速的地区，是区域生态环境效应低值集聚的主要区域.平顶山、开封、三门峡位于第二象限，属于LH类型，这些地市的生态环境效应较相邻地市低；南阳、郑州、濮阳位于第四象限，属于HL类型，这些地市的生态环境效应较相邻地市高.从总体上看来，生态环境效应高的地市集聚于南部区域，生态环境效应低的地市集聚于北部区域.

3.2.3 河南省城市化与生态环境效应空间关联分析

(1)河南省2012年城市化水平空间关联分析

根据表2区域城市化G统计的计算结果可知，除郑州的区域城市化的G统计值为负外，其他地市都为正，表明郑州被城市化水平低的地市所包围(如图3所示)，2012年河南省城市化发展水平低的商丘、周口、驻马店、南阳、信阳等地市连成一片，形成南部、东南区域城市化发展水平低的区域；城市化发展水平相对较高的地市，包括安阳、鹤壁、新乡、焦作、济源、洛阳、三门峡、平顶山、许昌、漯河、开封，环绕城市化发展水平最高的地市——郑州，连成一片，形成了北部区域“中心—外围”的城市化发展格局.

图3 2012年河南省区域城市化水平与生态环境效应的局部空间关联Fig.3 The local space relevance of areas urbanization and ecological environment effect of Henan province in 2012

(2)河南省2012年生态环境效应空间关联分析

从表2区域生态环境效应的G统计计算结果，2012年河南省各地市的生态环境效应的G统计值均为正值(如图3所示)，郑州、许昌等经济发展水平较高，环境治理能力强的地市，形成中部较高的生态环境效应区域；周口、驻马店、南阳等生态环境良好、工业发展薄弱的地市形成东南、西南较高的生态环境效应区域；生态环境效应较低的三门峡、济源、焦作、安阳、鹤壁形成了北部、西北较低的生态环境效应区域；平顶山被生态环境效应较高的地市所包围，形成豫西地区“盆地” 状的较低生态环境效应区域.

3.2.4 河南省城市化与生态环境效应空间类型划分

为了进一步研究区域城市化与生态环境效应的空间分异特征，本文根据河南省2012年区域城市化与生态环境效应的综合评价指数(表2)，运用SPSS17.0软件进行K-Means聚类分析(聚类数目为5，聚类方法采用迭代和聚类，最大迭代次数为20，收敛准则为0.01)，划分出以下5个空间类型区域(图4).

(1)高城市化水平—高生态环境效应区：郑州.2012年郑州市城市化率为64.82%，接近于进入城市化第三阶段的临界值(70%)[17]，到了城市化过程的中后期，其社会经济发展水平、科技创新实力等在全省处于领先地位，资源利用效率、环境治理能力较强，因此呈现“高城市化水平—高生态环境效应”的特征.

(2)高城市化水平—低生态环境效应区：包括三门峡、洛阳、济源、焦作，工业及旅游经济发展水平较高，二、三产业比重高，城市化综合水平较高；三门峡工业以能源、铝、化工等为主，洛阳以机械电子、石油化工、冶金、建材等为主，济源以冶金、电力、矿用电器、化工等为主，焦作以能源、化工等为主，均表现出明显的资源性特征，资源消耗、污染物及温室气体排放等较高，环境治理能力较低.

(3)中城市化水平—中生态环境效应区：包括濮阳、新乡、许昌、漯河，京广铁路、京珠高速等南北交通大动脉贯穿这些地区，工业化城市化发展处于中等水平，濮阳工业发展以石油、化工为主，新乡以生物制药、电池、纺织、食品加工为主，许昌以烟草、电力装备、花卉为主，漯河以食品加工、生物制药、服装纺织为主，产业发展的资源消耗、污染物及温室气体排放等处于中等水平.

(4)低城市化水平—高生态环境效应区：包括商丘、周口、驻马店、南阳、信阳，主要位于东南部黄淮地区、南部山区，主要以农业经济为主，工业发展薄弱，城市化水平较低，资源消耗、污染物及温室气体排放等都处于较低水平.

(5)低城市化水平—低生态环境效应区：包括安阳、鹤壁、开封、平顶山，城市化总体水平较低，地区工业发展以煤炭、火力发电、钢铁、冶金、机械、纺织、化工等资源型工业为主，资源消耗、污染物和温室气体排放等都处于较高水平，环境治理能力较弱.

图4 2012年河南省区域城市化与生态环境效应的空间类型划分Fig.4 Space types classification of areas urbanization and ecological environment effect of Henan province in 2012

4 结论

本文运用空间统计学中的Moran指数、G统计模型以及GIS技术，定量研究2012年河南省18个地市的区域城市化与生态环境效应的空间分异特征及空间关联模式，并在此基础上运用K-Means聚类分析法划分出河南省区域城市化与生态环境效应的空间类型，揭示了河南省区域城市化与生态环境效应的空间关系特征,评价与分析结果直观，符合客观实际.然而，关于区域城市化和生态环境效应的空间关系分析研究尚不多见，所以其内涵的界定、指标构建、阈值确定、研究方法等问题还需进一步探讨.