新疆城镇化与生态环境耦合关系分析

冯 霞

(1.新疆农业大学 经济与贸易学院，乌鲁木齐 830052； 2.河南科技学院 经济与管理学院，河南 新乡 453003)

新疆城镇化与生态环境耦合关系分析

冯 霞1,2

(1.新疆农业大学 经济与贸易学院，乌鲁木齐 830052； 2.河南科技学院 经济与管理学院，河南 新乡 453003)

以典型的干旱地区新疆为例，用熵值法计算1996—2014年城镇化与生态环境综合发展水平及各要素的权重，运用熵增定律对二者的耦合关系进行分析。研究结果表明：新疆城镇化与生态环境的耦合关系呈现出非平稳的波浪形上升过程，耦合模式以磨合、拮抗型为主，显示出城镇化推进是以牺牲生态环境为代价的，且破坏程度在不断加剧，但恶化加剧的幅度却在不断缩小，趋于稳定。从影响城镇化与生态环境耦合关系的“要素流”角度进行剖析，提出适合新疆城镇化生态发展的主要路径。

城镇化；生态环境；熵增定律；要素流；新疆

0 引言

国内外学者针对人类活动与生态环境的关系进行了不同视角的研究。国外有代表性的如环境库茨涅茨曲线(EKC)[1]、环境质量评价PSR模型[2]、生态资产理论、生态经济学理论[3]、生态城市理论[4]等丰富了人类活动和环境关系的研究框架和理论体系，而国内相关研究起步较晚。马世骏等率先将社会、经济和自然3个不同的系统融为一个复合生态系统，从此国内城市化生态系统的研究逐步展开[5]。黄金川等对EKC和城市化对数曲线逻辑复合出二者交互耦合的函数及曲线，验证了区域生态环境随城市化发展先恶化后改善的规律[6]。郑宇等分析了城市化不同阶段水土资源利用的特点及问题，提出了城市集聚经济与水土资源生态阈值之间的交互反馈机制[7]。刘耀彬等运用定性与定量相结合的方法建立了城市化与生态环境耦合的评价体系，构建出城市化与生态环境交互的关联度和耦合度模型，揭示出影响交互耦合的主要因素，并从时空角度揭示了耦合关系的空间分布及演变规律，将演变过程划分为协调、磨合、拮抗和低水平耦合[8]。乔标等对干旱区河西走廊城市化与生态环境耦合规律进行验证，发现城市化与生态环境之间的动态耦合关系呈双指数函数规律[9]。孙平军由城市化与生态环境协调与非协调的交互关联构建其耦合协调状况的判别函数，揭示出二者耦合关系阶段性的演化过程[10]。目前，国内研究城镇化与生态环境耦合关系多为“城市化的S型生长曲线”、“生态环境演变的倒U型曲线”和“生态环境PSR模型”理论的验证、引用和发展，鲜有从“要素流”视角进行耦合路径分析。

城镇化与生态环境是一对交互耦合的时空响应函数，二者如何协同发展是当前城镇生态系统研究领域的一个重要命题。作为一对耗散结构体，城镇化与生态环境系统之间不断进行物质、能量或信息等要素的流动，从而引起系统的熵变，符合一般系统论的第二热力学规律，即“熵增定律”[11]。

新疆地处欧亚大陆腹地，是典型的内陆干旱区，温差较大，日照充足，降水量少，气候干燥。年平均降水量为150 mm左右，居全国末位。沙漠化土地占新疆面积的47.7%。农业用水比重高达95%以上，且用水效率和效益低下。全疆森林覆盖率为4.24%，远低于国际水平。新疆自然条件特殊，水资源短缺，生态环境较为脆弱。本研究以新疆为例，从影响城镇化与生态环境耦合关系的“要素流”角度，用熵值法和熵增定律进行运算分析，提出城镇化生态发展的主要路径。

1 评价指标体系

现代城镇可视为一个非平衡状态的开放系统，与外界生态环境进行能量、物质和信息等要素交换，要素合理流动在一定条件下是一个减熵的过程，能使系统趋向于组织化和有序化。在城镇化与生态环境系统耦合协调过程中各物质、能量和信息的流动，称为“要素流”，“要素流”作用直接影响了城镇化与生态环境系统之间耦合关系及发展趋势。

人是城镇化过程中的行为主体，人口、基础设施、产业等区位集聚带动城镇化的发展，给外界生态环境带来胁迫和挤压效应；同时因技术效应和规模效应，城镇资源集约程度和污染集中治理能力的提高，也使生态环境承载力得以提升，城市更适宜居住[12]。城镇化发展对一个地区生态环境起到“破坏”或“改善”作用。同理，一个地区的生态环境对于城镇化发展同样具有“遏制”或“促进”效能。因此，在遵循科学性原则的基础上，按照交互耦合原理设计城镇化和生态环境系统协同发展水平的评价指标体系，评价指标数值变动反映了“要素流”实际效能的变化。

城镇化是人口、空间和经济城镇化综合作用的过程。其中，人口城镇化是城镇化的核心，实质是农村人口经济活动不断向城镇转移的过程；土地城镇化是城镇化的载体，实质是土地形式发生改变的过程；经济城镇化是城镇化的内在动力，实质是指经济效率提高和经济结构非农化[13-14]。为了彰显这3个层面的内涵，选取21个有代表性的指标来评价城镇化综合发展水平(表1)。

人类为自身发展需要，会不断掠取生态环境系统中物质、能量等资源要素，并释放大量“三废”，破坏生态环境系统的平衡和稳定；生态环境系统会通过调整自身结构来应对这种外在压力。城镇内生态环境是人类社会经济活动中各要素运动的产物，分为生态环境压力、生态环境状态、生态环境响应(抗逆能力)3个功能团[10]。为了凸显新疆能源丰富、干旱城市生态环境的特征属性，选取12个相关指标评价生态环境系统水平(表1)。

表1 新疆城镇化与生态环境系统指标体系及其权重

2 综合发展水平测度

从《中国统计年鉴》(1997—2015年)和《新疆统计年鉴》(1997—2015年)收集1996—2014年新疆城镇化与生态环境系统的33个评价指标原始数据，并对其进行标准化处理；用熵值法计算影响城镇化和生态环境系统的各要素权重及综合发展水平。

2.1 数据标准化处理

由于各指标的量纲、数量级及指标属性都有所不同，在运算前对收集到的627个原始数据进行标准化处理,公式如下：

2.2 指标权重及综合发展水平

信息熵是指某种信息出现的概率，是系统内有序化程度的度量值。一个系统要素指标(效益指标)效用值(权重)越大，表示该指标变化越快，系统内越有序，信息熵越低；反之，一个系统要素指标权重越小，表示该指标变化越慢，系统内越混乱，信息熵越高。要素指标权重与信息熵构成一对反函数，可以根据熵值法计算出各要素指标的权重。据此利用标准化处理后的数据，计算得出城镇化与生态环境系统指标体系中主要要素的作用权重(表1)。公式如下：

式中：pij为第i年份第j项指标占该指标的比重；ej为第j项指标的信息熵；dj为第j项指标的效用值；wj为第j项指标的权重。

计算出新疆1996—2014年人口、空间、经济城镇化和生态环境压力、水平、响应6个子系统综合发展水平的测评得分(F)(表2)。公式如下：

3 城镇化和生态环境耦合关系演化

3.1 模式原理

城镇化和生态环境系统是一对非协调耦合的耗散结构，二者之间物质、能量和信息等要素流动规律符合“熵增定律”：S=S1+S2。式中：S代表总熵变化值；S1代表内熵变化值；S2代表外熵变化值。依据城镇整个系统总熵变数值大小可以判断其耦合演变趋势，若总熵变值S﹤0，表示整个系统混乱度减小，则其演变趋势呈现出波折上升的过程；若S﹥0，表示系统混乱度增加，其演变趋势则是一个波折下降的过程；若S=0，表示系统维持稳定，演变趋势则是一个平稳的过程。

表2 1996—2014年新疆城镇化和生态环境系统发展水平得分

根据城镇化系统熵变值Sc、生态环境系统熵变值Se大小，可分为4种演变的耦合模式(表3)。根据耦合模式的判别标准，假设Ct，Et分别为城镇化和生态环境系统在t年的综合发展水平，则ΔCt=Ct-Ct-1表示从t-1到t时间段内城镇化综合发展水平增量，ΔEt=Et-Et-1表示从t-1到t时间段内生态环境综合发展水平增量。并且,若ΔC>0，则Sc<0；若ΔC<0，则Sc>0；若ΔC=0，则Sc=0。ΔE与Se也有相同的规律。

表3 城镇化与生态环境系统耦合模式

3.2 耦合关系的演化趋势判别

根据1996—2014年新疆城镇化和生态环境系统发展水平得分(表2)计算得到城镇化和生态环境各自环比变化量以及各年熵变值，可以判别1997—2014年新疆城镇化与生态环境耦合关系演化模式及趋势(表4)。

4 结果分析

4.1 城镇化与生态环境耦合关系分析

运用Origin 8.0软件得到新疆城镇化和生态环境系统各自环比变化量的3D散点图(图1)，表示二者之间耦合关系的演化趋势。1997—2014年新疆城镇化发展水平增量ΔC多大于0，意味着城镇化系统熵变值Sc多小于0，系统内部混乱程度在不断减少，发展趋势表现为波折上升。新疆生态环境发展水平增量值ΔE有正有负，意味着生态环境系统熵变值Se有负有正，系统内部混乱程度在不断变化，发展趋势表现为非平稳的波浪形变化，阶段性特征明显。新疆城镇化与生态环境系统耦合发展水平(ΔC+ΔE)同样有正有负，意味着城镇化系统与生态环境系统的总熵变值S有负有正，映射出耦合发展水平呈非平稳的波浪形上升过程，表示二者交互耦合状态基本上在一定范围内上下波动，偶有少数几个较大的波动，但逐步趋于稳定协调。结合熵变值判别二者之间耦合模式，分为2个阶段：1997—2005年，先由衰退型开始，在磨合型、拮抗型、协调型三者之间徘徊，以拮抗型、磨合型为主；2006—2014年，在磨合型、协调型之间徘徊，以磨合型为主。这表明新疆城镇化是以牺牲生态环境为前提的。随着城镇化的推进，生态环境压力在不断增大，但生态环境恶化加剧的幅度却在逐步缩小。

图1 新疆城镇化和生态环境系统耦合关系演化趋势

4.2 影响城镇化与生态环境耦合关系的“要素流”

评价指标数值变动是“要素流”实际作用的变化，即指标权重代表了“要素流”对城镇化或者生态环境的直接作用，但是由于城镇化与生态环境的交互耦合关系，“要素流”对二者同时起到了间接的正向或负向作用。

4.2.1 城镇化“要素流”。由表1可知，对生态环境作用不大的城镇化“要素流”包括：① 二三产业从业人数比重。从1996年的42.84%仅增长到2014年54.62%，表明新疆农牧业释放出劳动力数量较小，对城镇化和生态环境作用都不明显，但蕴含着巨大的人口红利；② 每万人拥有公共交通车辆运营数。从9.94辆仅增长到14.35辆，表明新疆公共设施建设的力度略显不够；③ 出口总额占GDP比重。从1996年12.95%增长到2008年的36.89%，后逐步降低到18.33%，说明新疆商品出口额受到了国际经济衰退的巨大冲击和抑制。明显改善生态环境的城镇化“要素流”包括：① 人均国家财政性教育经费支出。从人均153元增长到2 553元，增长了16.69倍，表明西部大开发战略政策实施以后，国家在西部教育方面的财政支出比例大幅度增长，必将提升城镇居民的文化素养和生态理念，从而推动城镇化及生态环境的协调发展；② 人均公共绿地面积。从人均5.73 m2增长到10.74 m2，表明在当前城镇化建设中，新疆已经开始保护和治理生态环境。明显破坏生态环境的城镇化“要素流”包括：① 城镇居民人均固定资产投资。增长了20倍，增长速度较快；② 人均建成区面积、人均固定资产投资。二者增加幅度也较为明显，表明新疆在新区建设以土地硬化和固定资产投入为主，资源粗放低效利用；③ 人均工业产值、二三产业产值占GDP的比重。人均工业产值增长了9.78倍，表明新疆经济主要依靠工业产值的增加，结合空间城镇化数据分析，新疆资源利用(主要指土地资源)有粗放低效的特征。二三产业产值占GDP的比重从72.33%增长到83.4%，结合人口城镇化数据分析，占新疆从业人数45.38%的第一产业产值仅占总产值的16.6%，说明新疆农牧业生产方式落后，生产效率和经济效益较低。第二产业产值从1996年的34.8%持续增加到2011年的48.8%，后下降到2014年的42.6%，第三产业产值从37.5%逐步上升到2002年的43.7%后，又下降到40.8%。表明以工业为主的第二产业仍是拉动新疆经济增长的最主要动力，但呈现减弱趋势，拉动就业能力也随之减小。第三产业拉动经济和就业的作用没有明显增长，与世界经济发达国家中第三产业产值约占60%情况相悖，表明新疆产业结构并不合理，有待提升。

4.2.2 生态环境“要素流”。明显“促进”城镇化发展的生态环境“要素流”包括：① 人均能源消费量。从人均1.79 t标准煤增长到6.49 t标准煤，表明丰富的能源资源不仅是新疆经济发展的优势，也必将成为生态环境压力的最大因素；② 建成区绿化覆盖率。从22.8%增长到36.8%，而国际城市建成区绿化率的标准是50%，表明新疆城镇的绿地面积和绿化率均在逐步增长，但生态环境保护力度还需进一步加强。明显“遏制”城镇化发展的生态环境“要素流”包括人均耕地面积和人均水资源拥有量，二者都呈明显下降趋势。对于干旱地区的新疆来说，随着人类经济生活的快速发展，用水总量会明显增加，再加上水资源利用率较低(主要是指农业灌溉)，无疑使人均水资源拥有量明显阻碍了城镇化的发展。

5 结论与建议

5.1 结论

1996—2014年新疆整个城镇化进程表征出粗放式经济增长及城镇建设，这必定以损害生态环境为代价，再加上新疆干旱区城市自身环境承受力和自我净化能力有限，使得生态环境外在压力更为凸显。新疆城镇化与生态环境耦合模式以磨合、拮抗型为主，表明新疆城镇化是以牺牲生态环境为前提，而且压力在不断增加，但恶化加剧的幅度在逐步缩小，协调城镇化和生态环境关系关键在于提高城镇化质量。从影响二者耦合关系的城镇化和生态环境“要素流”视角发现影响二者耦合关系的主要因素。城镇化与生态环境是耗散结构体，二者之间的要素流动符合一般系统论的第二热力学规律，运用熵值法及熵增定律分析1996—2014年新疆城镇化与生态环境耦合关系，从影响二者耦合关系的“要素流”角度进行解析，提出新疆城镇化生态发展的主要路径。

5.2 建议

(1)推进产业转型升级。新疆第三产业份额较小，经济发展重工业化特征明显；影响城镇化最明显的生态要素指标是能源消费总量，表明丰富的能源资源既是新疆经济的发展动力，同时也是生态环境的破坏诱因。作为资源型经济区域要依靠“绿色技术”大力推动第三产业发展，创造新的经济增长点，尤其要依靠新疆独特的旅游资源，开发特色旅游业；依靠东进西出、全方位开放的地缘优势，大力发展商业、贸易、物流、文化等第三产业。同时应不断提高资源型产业能源效率，注重更新生产工艺，降低能源消耗，减少废弃物排放；加快清洁能源的开发利用；继续加大环保投资，采用先进的环保技术开发利用能源矿产资源；逐步提高装备制造、电子信息、新能源等新兴工业产值的比重。

(2)发展生态农业。根据农牧业生产特点，运用现代科学技术和管理手段，提高生产效率，释放出更多劳动力；发展节水灌溉技术，降低生产成本，提高利用率和经济效益；运用农业系统“碳循环”技术，大力发展生态农业，提高农牧业的经济、生态及社会效益。

(3)深化国际交流。抓住“一带一路”国家战略政策实施的契机，全面建设高速公路、铁路、航空机场、通信网络等基础设施，实现互通互联，从而发挥新疆独特的区位优势和向西开放重要窗口作用，深化与中亚、南亚、西亚等国家交流合作，形成重要的交通枢纽、商贸物流和文化科教中心，打造丝绸之路经济带核心区。

(4)建立生态补偿机制。从“鼓励”、“限制”和“补偿”措施入手,鼓励与主体功能区主体功能一致的活动，限制妨碍主体功能实现的行为，重点构建各主体功能区之间的生态补偿机制，实现各地区发展平衡[15]。

[1] Grossman G M，Krueger A B．Economic Growth and the Environment[J]．Quarterly Journal of Economics，1995，110(2)：353-378．

[2] Berger A R，Hodge R A．Natural Change in the Environment：A Challenge to the Pressure-State-Response Concept[J]．Social Indicators Research，1998，44(2)：255-265．

[3] 欧阳志云，王如松，赵景柱．生态系统服务功能及其生态经济价值评价[J]．应用生态学报，1999，10(5):635-640．

[4] 马交国，杨永春．生态城市理论研究进展[J]．地域研究与开发，2004，23(6):40-44.

[5] 马世骏，王如松．社会-经济-自然复合生态系统[J]．生态学报，1984，4(l)：35-61．

[6] 黄金川，方创琳．城市化与生态环境交互耦合机制与规律性分析[J]．地理研究，2003，22(2)：211-220．

[7] 郑宇，冯德显．城市化进程中水土资源可持续利用分析[J]．地理科学进展，2002，21(3):223-229．

[8] 刘耀彬，李仁东，宋学锋．中国区域城市化与生态环境耦合的关联分析[J]．地理学报，2005，60(2)：237-247．

[9] 乔标，方创琳，黄金川．干旱区城市化与生态环境交互耦合的规律性及其验证[J].生态学报，2006，26(7)：2183-2190．

[10] 孙平军．1994—2011年江苏省城市化与生态环境非协调性耦合关系的判别[J]．长江流域资源与环境，2014，23(8)：1051-1056．

[11] 孙平军，修春亮，张天娇，等．熵变视角的吉林省城市化与生态环境的耦合关系判别[J]．应用生态学报，2014,25(3)：875-882．

[12] 王学峰．发达国家城镇化形式的演变及其对中国的启示[J]．地域研究与开发，2011，30(4)：54-60．

[13] 宋富强，郑壮丽，冯德显．河南省人口与经济空间集聚特征及优化[J]．地域研究与开发，2013，32(6):116-126．

[14] 孙平军，丁四保，修春亮，等．东北地区“人口-经济-空间”城市化协调性研究[J]．地理科学，2012，32(4)：450-457．

[15] 王昱，丁四保，王荣成．主体功能区划及其生态补偿机制的地理学依据[J]．地域研究与开发，2009，28(1)：17-22．

Coupling Relationship between Urbanization and Ecological Environment of Xinjiang

Feng Xia1,2

(1.CollegeofEconomicsandtrade,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China；2.CollegeofEconomicsandManagement，HenanInstituteofScienceandTechnology，Xinxiang453003,China)

Taking the typical arid region Xinjiang as example, the development level of urbanization and environment and the function of every element from 1996 to 2014 was discussed by entropy evaluation method, the coupling relationship of them was analysed by law of entropy generation. The coupling relationship of urbanization and environment in Xinjiang shows an unstable rising curve. Main mode of coupling are running-in type and antagonism type, which shows the expense of the population urbanization is at the expense of the ecological environment and the extent of damage is in the rising, but the extent of degradation intensified is in the shrinking and tends to be stable. The paper came up with the main path for ecological urbanization development in Xinjiang according to analysis from element flow point which influenced the coupling relationship of urbanization and environment.

urbanization; eco-environment; the law of entropy generation; elements of flow; Xinjiang

2015-11-05；

2016-04-03

国家社会科学基金项目(13CJL074)；河南省高等学校哲学社会科学创新团队支持计划项目(2012-CXTD-10);河南省教育厅人文社会科学研究规划项目(2015-GH-280)

冯霞(1976-)，女，河南新乡市人，副教授，博士研究生，主要从事资源利用与环境管理方面的研究，(E-mail)382713467@qq.com。

F292

A

1003-2363(2016)03-0123-05