煤炭资源枯竭城市“人口-土地-产业”耦合测度研究

宋姝妍，蒋冬梅，李效顺，洪江涛

(1.中国矿业大学中国资源型城市转型发展与乡村振兴研究中心，江苏 徐州 221116；2.江苏自然资源智库中国矿业大学研究基地，江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学江苏贾汪资源枯竭矿区土地修复与生态演替教育部野外观测研究站，江苏 徐州 221116)

0 引 言

煤炭占我国能源生产和消费结构比重高于65%，是我国经济发展的重要工业原料，为实现国家能源稳定做出了重要贡献[1-2]。煤炭城市依托资源丰裕优势，借助资源开发在早期得到了长足发展[3]。然而，受资源耗竭和煤炭经济下行趋势影响[4]，诸多煤炭资源型城市面临着城市衰退的困境。尤其是“十八大”以来，在生态文明建设上升至国家战略以及高质量发展理念深入贯彻下，煤炭资源枯竭城市持续受新旧动能转换冲击和环境规制影响[5-6]，城市人口大量流失[7]、城市土地损毁塌陷[8]、煤炭产业丧失活力[9]等问题日趋严峻，城市人口、土地、产业发展面临严重失衡[10-11]。

首先，对于煤炭城市人口变动来说，煤炭城市发展路径依赖与创新环境欠佳[12]，导致城市吸引力下降和人才流入困难，尤其是煤炭行业高端人才流失严重、技能型人才总量不足[13]，部分城市甚至出现城市人口严重收缩[14]。其次，就煤炭城市土地利用而言，煤炭开采对土地的压占、毁损[15]，诱发了水土流失、景观破碎化等一系列城市土地问题[16]。最后，针对煤炭城市产业发展而言，煤炭的丰富究竟带来“资源诅咒”[17]还是“资源红利”[18]尚存争议，但是在生物、新材料、大数据等为代表的新一轮科技革命浪潮下，绿色智能将成为实现煤炭行业高质量可持续发展的必由之路[19]，煤炭城市产业结构调整、接替产业培育和城市发展转型已成必然[20-22]。因此，人口、土地、产业作为城市地域系统的关键要素[23-24]，三者之间的协调程度是区域高质量和资源城市转型发展重要标识。现有研究对“人口-土地-产业”(以下简称“人-地-业”)系统的结构特征[25]、耦合关系[26]和量化方法[27]等进行系统解释，但是研究区域多侧重于发达城市、城市群或者乡村地区[28-31]，对煤炭资源型城市“人-地-业”耦合测度研究较少。

鉴于此，本文聚焦于地级煤炭枯竭城市，通过构建煤炭资源枯竭城市“人-地-业”耦合协调模型，揭示煤炭资源枯竭城市“人-地-业”发展格局，以期为煤炭及其他资源型城市高质量转型发展提供定量参考和决策依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究对象及数据来源

本文从国务院2008年、2009年、2011年累计确定的69座资源枯竭型城市中选出煤炭资源枯竭城市的地级市为研究对象，共计13个，其中，东北地区6个，中西部地区4个，华东地区3个(表1)。主要从人口、产业、土地3个层面来识别煤炭资源枯竭城市的“人-地-业”综合发展水平和耦合协调现状。人口、产业、土地数据主要来源于《中国城市统计年鉴》《中国城市建设统计年鉴》、各省或地级市统计年鉴、国民经济和社会发展统计公报等，时间跨度为2008—2017年。

表1 煤炭资源枯竭型城市地级市名单Table 1 List of prefecture-level cities withexhausted coal resources

1.2 研究方法

1.2.1 评价模型构建

人口、土地、产业之间存在交互耦合关系[29](图1)。人口维度是城市发展的关键，城市人口数量决定了城市土地的需求，也影响着城市产业发展的方向[32-33]；土地维度是城市发展的载体，承载着城市产业和人口活动；产业维度是城市发展的动因，产业资金的投资方向决定了城市人口和土地的流动方向。由于土地要素具有空间位置相对不变性，而人口和产业具有较高的活跃性，所以可能会产生“人-地-业”三系统空间不匹配现象。因此，本文引入耦合协调度模型，从人口、土地、产业三个方面选取指标，定量测度煤炭资源枯竭城市“人-地-业”耦合协调程度，揭示系统耦合的空间分异规律。在借鉴已有文献基础上[28,30]，选取年末人口数量、人口密度、城镇失业率、采矿业从业人员等反映人口发展水平；以城市建成区面积、城市土地面积、建成区绿化覆盖率、工业建设用地规模、城市人均拥有道路面积、年末实有公共汽(电)车营运车辆数等反映土地发展质量；以人均GDP、GDP增长率、工业企业数量、工业总产值、固定资产投资增速等来反映产业发展水平。

图1 “人-地-业”耦合研究模型Fig.1 Coupling research model of“population-land-industry”

1.2.2 数据标准化和熵值确定

1) 为消除数据差异对计算结果的影响，对数据进行标准化处理。

正向指标无量纲处理，见式(1)。

(1)

逆向指标无量纲处理，见式(2)。

(2)

式中：xij为标准化后指标的变量值；Xij为指标变量原始值；maxXj、minXj分别为Xj的最大值、最小值，下同。

2) 为了消除负数对熵权法的影响，计算得出本文xij范围为[-4,4]，因此将数据平移处理，得到标准化的矩阵，见式(3)。

(3)

(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)

(4)

确定指标的熵值Ej,见式(5)。

(5)

确定指标的熵权wj,见式(6)。

(6)

根据构建的指标体系及其指标值，代入式(1)～式(6)求得指标权重，详见表2。

表2 煤炭资源枯竭城市“人-地-业”系统指标及权重Table 2 Indicators and weights of “population-land-industry” system

1.2.3 评价指数计算

明晰煤炭资源枯竭城市“人-地-业”系统综合发展水平是测算其耦合协调度的基础，“人-地-业”发展评价函数[26]分别为式(7)～式(9)。

(7)

(8)

(9)

1.2.4 耦合协调度模型构建

耦合是物理学的概念，表示多个系统之间的关联和作用的程度[34-35]。本文利用耦合模型，定量测算煤炭资源枯竭城市中“人-地-业”系统之间的耦合度，其函数表示为式(10)。

(10)

系统高度耦合存在以下两种情况：第一种为系统之间高发展水平、高耦合、高协调，整体呈现有序良好发展状态；第二种为系统之间低发展水平、高耦合、低协调，整体呈现低水平紧密联系[36-37]。为了排除第二种情况的干扰，本文在测算耦合度的基础上引入耦合协调函数，见式(11)和式(12)。

(11)

T=αPi+βLi+γIi

(12)

式中：D为煤炭资源枯竭城市耦合协调度；T为综合协调指数，反映煤炭资源枯竭城市“人-地-业”整体协调效应；α、β、γ为待定系数，参考已有研究成果[23,29,38]，认为人口、土地、产业在煤炭资源枯竭城市空间中属于同等重要的地位，所以待定系数都定为1/3。参考程明洋等[23]相关研究，结合耦合度和综合协调指数计算结果，划分“人-地-业”耦合协调等级，见表3。

表3 “人-地-业”耦合协调等级标准划分Table 3 Coupling coordination grade standard divisionof “population-land-industry”

2 实证分析

2.1 综合发展水平时空格局

通过“人-地-业”发展评价函数判断煤炭资源枯竭城市综合发展水平特征。由图2可知，2008—2017年地级煤炭资源枯竭城市“人-地-业”综合发展水平总体在1.109～1.270范围内波动，呈现先上升后下降的态势，在2009年出现最低值(1.109)后快速上升，于2013年达到最高值(1.270)后大幅下降。“人-地-业”综合发展水平上升时期与国家分三批(2008年、2009年、2011年)确定资源枯竭型城市的时间基本吻合。为了避免煤炭城市陷入资源衰竭和城市衰退的困境，国家采取了诸如增加财政支持、扩大市场需求等政策以促进煤炭资源枯竭城市转型，取得了一定成效。但是由于国家政策的时效性以及煤炭资源枯竭城市发展阶段、地理位置、资源禀赋等方面的差异，城市“人-地-业”综合发展水平在后期又呈现下降趋势。

图2 煤炭资源枯竭城市人口、土地、产业发展水平Fig.2 Development level of population,land and industry

为揭示煤炭资源枯竭城市“人-地-业”发展的水平差异和主要矛盾，进一步将地级煤炭资源枯竭城市综合发展水平与城市人口、土地、产业发展水平进行比较分析。根据城市人口、土地、产业平均发展水平计算结果可以看出：人口系统在0.410～0.486范围内波动，于2012年达到最高值，整体发展水平较高；土地系统整体处于0.400以下，呈现较低的发展水平；产业系统总体变化幅度较大，其最低值为0.312，最高值达到0.460。通过对比分析发现，煤炭资源枯竭城市“人-地-业”发展趋势差异明显，其中，人口和产业整体趋势相对吻合，土地系统与上述两系统总体呈现反方向变化特征，在2013年前尤为显著。由此可见，煤炭资源枯竭城市“人-地-业”系统发展存在矛盾。

通过测算煤炭资源枯竭城市不同时间的综合及各系统发展水平，对比发现城市间发展水平差异明显(图3和图4)。综合来看，位于我国东部地区的枣庄市2008年、2013年、2017年城市综合发展水平在煤炭资源枯竭城市中均为最高；东北地区城市总体综合发展水平较低，所有煤炭资源枯竭城市综合发展水平上升趋势均不明显，而辽源市在2013—2017年下降趋势尤为显著。分系统来看，在人口发展水平方面，仅乌海市和七台河市略有上升，其他城市的人口发展水平均呈下降态势；在土地发展水平方面，大多数城市均出现不同程度下降，仅抚顺市、阜新市、双鸭山市土地发展水平略有上升；然而在产业发展水平方面，多数城市整体呈上升趋势，其中，焦作市2008年、2013年、2017年产业发展水平分别为0.368、0.587、0.605，增长趋势相对明显。

图3 煤炭资源枯竭城市综合发展水平Fig.3 Comprehensive development level of citieswith exhausted coal resources

图4 13个地级煤炭资源枯竭城市“人-地-业”发展水平Fig.4 Development level of “population-land-industry” in 13 prefecture-level cities

2.2 耦合协调水平时空格局

在分析煤炭资源枯竭城市“人-地-业”综合发展水平基础上，利用耦合协调模型计算煤炭资源枯竭城市“人-地-业”耦合协调程度(图5)。整体来看，煤炭资源枯竭城市“人-地-业”耦合协调程度处于0.500～0.700之间，三个子系统之间协调耦合水平较差，属于勉强协调和初级协调水平。可以看出，产业与人口耦合协调系统与“人-地-业”耦合协调系统变化趋势相对一致，土地与人口、产业系统的耦合协调程度均较低，其中，土地与产业系统耦合协调程度最低。

图5 煤炭资源枯竭城市人口、土地、产业交互耦合协调度Fig.5 Coordination degree of interaction between population,land and industry

整体来看，我国煤炭资源枯竭城市“人-地-业”耦合协调度处于较低水平。位于我国东部地区的枣庄市和淮北市2008年、2013年、2017年“人-地-业”耦合协调度分别为0.776、0.781、0.746和0.661、0.730、0.644，基本达到了初级协调程度和中级协调程度，在煤炭资源枯竭城市中处于相对较高水平。东北地区除抚顺市和阜新市外，其他城市2008年、2013年、2017年“人-地-业”耦合协调水平均处于0.624以下，整体水平较低。中部地区的焦作市2008年、2013年、2017年“人-地-业”耦合协调水平分别为0.674、0.728、0.707，处于较高水平。

通过测算煤炭资源枯竭城市“产业-人口”“产业-土地”“人口-土地”耦合协调度，结果见表5。处于勉强协调和初级协调程度的城市相对较多，仅有焦作市和枣庄市在2008年和2013年“人口-产业”“产业-土地”“产业-土地”达到良好协调水平。原因可能是这两座城市及时采取了产业转型策略，如在枣庄市有国家水煤浆技术中心和鲁南化工高科技园，大力发展新型产业，同时该市也实施科技兴农的政策，利用煤炭开采造成的塌陷土地发展水产养殖业，提高了土地和产业的协调水平。东北地区和西部地区耦合协调水平普遍较低，石嘴山市、铜川市、乌海市等均出现了人口、土地、产业的部分失调，其原因可能是人口流出、主导产业衰退和城市蔓延引起的矛盾冲突。

表4 2008年、2013年和2017年煤炭资源枯竭城市“人-地-业”耦合协调水平Table 4 Coupling and coordination level of “population-land-industry” in 2008,2013 and 2017

表5 煤炭资源枯竭城市“产业-人口”“产业-土地”“人口-土地”耦合协调程度Table 5 Coupling degree of “industry-population”“industry-land” and“population-land”

续表5

3 结论与讨论

3.1 结论

1) 通过分析“人-地-业”综合发展水平发现，在时序特征上，近10年煤炭资源枯竭城市综合发展水平较低，总体呈先升后降的态势。人口系统发展水平相对较高，土地系统整体发展水平较低，产业系统总体变化幅度较大，土地系统与人口、产业系统呈反方向的变化特征。在空间格局上，煤炭资源枯竭城市人口、土地、产业存在一定的空间差异，位于东部地区的枣庄市综合发展水平较高，东北地区城市综合水平较低。

2) 通过测算“人-地-业”耦合协调程度表明，在时序特征上，近10年地级煤炭资源枯竭城市耦合协调水平处于勉强协调和初级协调阶段，人口、土地、产业三系统共振性较差，土地系统与人口、产业系统均不协调。在空间格局上，位于东部地区的枣庄市和淮北市达到中级协调水平，整体发展水平较高；东北地区整体耦合协调水平较低；焦作市在中部地区处于较高水平。煤炭资源枯竭城市“产业-人口”“产业-土地”“人口-土地”耦合协调水平整体较低。

3.2 讨论

煤炭城市转型成功与否直接关系到我国的能源安全和社会稳定。煤炭资源枯竭城市“人-地-业”三系统相互联系、相互制约，三者的协调发展是实现煤炭城市高质量转型的基础。就煤炭资源枯竭城市而言，“人-地-业”耦合协调水平较低，产业结构失衡、人才流失严重、土地无序蔓延和损毁仍是城市面临的主要问题。因此，煤炭城市应在合理利用原有资源的基础上，培育接续产业和延伸产业链，鼓励创新以激发城市活力，吸引高端人才流入，特别是要通过优化城市空间，以促进“人-地”和“产-地”的耦合水平提升，最终实现“人-地-业”全面协调发展。

就本文而言，由于城市空间的多要素特征和城市系统的复杂性，以及煤炭资源枯竭城市空间分布的离散性，造成了各地区统计标准不统一，尤其是与煤炭产业相关的数据难以获取，导致本研究在指标选取方面可能存在不足。同时，对于其他资源城市“人-地-业”耦合协调特征、资源型城市“人-地-业”耦合格局形成机制及传导机制的研究有待加强。