太原市城镇化与生态环境协调关系研究

郭浩楠， 冯康利， 贾陈忠

山西师范大学地理科学学院， 山西 临汾 041000

0 引言

在陆地表层系统以及人地关系的研究不断深化的过程中，从Rachel Carson的Silent Spring描述了人类活动对生态环境各个系统所产生的影响，到Donella Meadows的Limits to Growth等揭露了城镇化给生态环境所带来的严重问题，再到2018中国人文社会科学环境论坛对于城镇化带来的资源和生态环境效应进行的探讨[1]，城镇化与生态环境关系一直是热点问题[2～4].相关的理论研究和应用从未间断，Grossman和Krueger提出的Environmental Kuznets Curve、OECD所提出的Decoupling、OECD和联合国环境规划署所确立的PSR模型在城镇化与生态环境研究中都得到了广泛的认可和应用[5～7].

国内关于城镇化与生态环境的研究起步较晚，但发展迅速.理论研究方面，方创琳分析了地理系统是一个开放、非平衡、存在着复杂非线性相互作用及动态涨落的系统，强调了城镇化和生态环境交互系统的六大基本定律，确立了研究两者关系的基本定律[8，9]；黄金川等则对EKC和城镇化对数曲线进行逻辑复合推导，得出了城镇化与生态环境耦合的函数及曲线[10].在研究范围上，国内主要集中在特大城市群、长江经济带、干旱区等[11～13]，缺乏对于中部地区及其典型城市的研究.在研究方法上，王小兰等运用熵权法和线性加权法并利用脱钩弹性系数对城镇化与生态环境关系进行了研究[6]；廖李红等则运用DMSP/OLS夜间灯光数据和Landsat遥感数据分别建立表征城市化的夜间灯光指数和表征生态质量的遥感生态指数，并结合耦合函数模型对城镇化和生态环境关系进行研究[14]；史戈等则结合灰色关联度与耦合协调度模型对中国沿海地带城镇化与生态环境关系进行了研究[15]；陈炳等运用熵权TOPSIS模型与耦合模型结合对长三角城市群生态文明建设与城镇化耦合协调发展进行了研究[16].

本文在总结大量前人工作的基础上，对国内报道较少的中部典型城市城镇化与生态环境关系进行研究，补充国内对于中部城市研究的不足，同时对大多数学者定义的生态环境与城镇化的超前型、滞后型、平稳型[12]提出新的且具有意义的划分标准，确定城镇化系统作用于生态系统的关键因子，为政府决策和城市发展建设提供科学依据和理论指导.

1 数据与研究方法

1.1 研究区域概况

太原市作为山西省省会城市，是山西省政治、经济、文化和交通中心.北邻忻州市，东接阳泉、晋中市，西与吕梁相邻，地处东经111°30′～113°09′，北纬37°27′～38°25′之间.市辖6个区、三个县、代管一个地级市，总面积6 988km2，城镇人口比例达79.6 %，经济发展首位度占全省22.9 %(2016年).近年来，太原市城镇化率始终处于70 %以上，政府工作报告不断强调生态环境建设与城镇化协调发展，有着不同于沿海沿江城市，大型城市群，西部内陆城市的城镇化发展历程和生态环境特点.

1.2 数据来源

本文数据主要来自于《山西统计年鉴》[17]和《中国环境年鉴》[18]，选取太原市在十一五及十二五期间(2006—2015年)城镇化与生态环境发展相关指标数据进行统计处理.

对于年鉴中核算口径的变化，查询了相关标准并咨询专家进行了核算.以《山西统计年鉴》中统计数据为准，结合《中国环境年鉴》进行数据收集，对于缺省数据依照数据关联性和《太原统计年鉴》[19]进行补全.

1.3 研究方法

1.3.1 指标体系构建

评价指标体系的构建是进行城镇化与生态环境发展评价的基础.依照科学性、客观性、权威性、可靠性的原则，参照已有相关学者的研究[20，21]，构建能够反映城镇化与生态环境协调度的指标体系.将其划分为城镇化与生态环境两个系统，城镇化系统包括人口城镇化、空间城镇化、经济城镇化、社会城镇化四个子系统及18个二级指标，生态环境系统根据联合国环境规划署与经济合作发展组织确定的PSR模型及相关学者研究从压力、状态、响应三个方面及18个二级指标建立评价体系(表1).

表1 城镇化与生态环境评价指标体系

1.3.2 熵权法确定权重

常用的指标权重确定方法有主成分分析法、熵权法、变异系数法等客观赋权法和层次分析法、德尔菲法、环比赋权法等主观赋权法.客观赋权法能避免主观因素带来的偏差，但对于具有正负指标的数据，主成分分析法得出的评价函数往往意义不明[22]，熵权法被多数学者所接受并使用[23]，且能有效反映指标所包含的信息多少，进而确定权重，具体步骤如下：

①数据标准化

城镇化与生态环境的指标分正向指标和负向指标，正向指标代表数值越大所带来的效益越高，反之，负向指标则是数值越小带来的效益越高.

(1)

(2)

②数据非零化处理

经上述标准化的数据范围为[0,1]，由于熵权法中需要数据处于大于零的范围，根据相关学者的研究[22]及指标数据特征，在保证数据信息准确的情况下对数据进行非零化处理：

(3)

(A为校正系数，本文取A=0.001)

③计算Zij在所在指标中的权重

(4)

④计算各指标熵值、熵冗余度

(5)

dj=1-ej

(6)

⑤计算各指标熵权值

(7)

1.3.3 综合评价指数

通过对标准化后的数据进行加权，可得到城镇化与生态环境各系统及整体发展水平P：

(8)

1.3.4 耦合协调模型

城镇化与生态环境系统通过物质流、能量流、信息流构成了复杂的耦合巨系统[23]，两者相互影响、相互制约，共同从无序走向有序的良性发展.耦合度是描述两者协同关系的有力手段，借鉴已有相关研究[24]，构建耦合协调模型：

(9)

T=αPu+βPe

(10)

(11)

式中C代表城镇化与生态系统的耦合度，C∈[0,1]，当C=0时系统无序发展，C=1时系统内部或系统间达到良性共振，有序发展[25]；T代表综合调节指数，α与β为待定权重，衡量城镇化与生态环境的重要程度；D为耦合协调度.

2 城镇化与生态环境协调关系研究

2.1 综合发展指数特征

2.1.1 城镇化发展水平

由公式(1)～公式(8)可计算得到表2中的数据.由此可见，在2006年～2015年期间，太原市城镇化整体水平与各系统水平均有所提高，其中对城镇化发展贡献大小依次为：社会城镇化(0.359 0)>人口城镇化(0.290 6)>空间城镇化(0.219 9)>经济城镇化(0.130 5).结合表1，在社会、人口、空间及经济城镇化过程中起主要作用的分别是：非农业人口占总人口比重(0.155 3)、卫生机构人员数目(0.153 7)、城镇居民人均用地面积(0.109 8)、第三产业占GDP比重(0.039 7)以及规模以上R&D人员(0.065 8).在人口、空间、经济城镇化中，无论是非农业人口的增多，还是第三产业的发展都符合众多学者对于城镇化研究的一般规律[26～27].值得注意的是，在太原市社会城镇化发展过程中，占据着重要地位的不再是传统的固定资产投资，而是对科技研发的大力支持，这得益于太原市大力实施科教兴市战略，在增强自主创新能力上下功夫：一方面加大企业科技创新投入，比如推进实施富士康太原园、江铃福特重汽配套园区千亿元计划等，形成现代信息产业和现代制造业集聚效应；另一方面，深入实施《中国制造2025》，推进大数据、云计算、物联网运用，推动煤电等传统产业提质升级[28].

表2 城镇化发展水平

图1、图2分别表示城镇化及其子系统发展水平.可以看出，太原市城镇化水平整体都得到了提升，同时又具有阶段性的发展特征，甚至在某些阶段出现了短暂的下滑.在第一个五年期间(2006年～2010年)太原市城镇化水平发展较为缓慢，究其原因可能是在转型初期，绿色转型的制约因素比较突出，工业经济面临资源、能源高消耗，受到资源、环境、生态三方面的压力；再者就是太原市“城市病”严重，城市建设缺乏系统规划，整个城市社会和谐度不高；加上资源型城市产业结构单一，中心城市辐射带动能力较弱，县城和建制镇服务功能弱，未能充分发挥人口的潜力，阻碍了城镇化发展进程.

图1 城镇化子系统发展水平

图2 城镇化发展水平

另外，在此期间虽然整体城镇化水平有所提升，但人口城镇化水平在2010到2012年间出现了下滑.在第二个五年期间(2010年～2015年)，太原市城镇化水平迅速提高，并分别在2013年和2015年完成了两次显著的提升，根本原因在于太原市最近几年经济实力的稳步提升，在人口、空间、经济、社会等方面政策实施的效果良好，也有受到国家新推出的新型城镇化战略规划的带动.

在城镇化整体水平增长过程中，经济城镇化、社会城镇化水平始终处在提升状态，这主要得益于在文化产业方面，太原市以提升城市文化软实力为核心，大力发展文化旅游产业，提升历史文化名城影响力；在科教卫生方面，推进教育医疗资源标准化、均衡化、优质化发展，坚持创新引领发展，将传统产业与移动互联网、云计算、大数据、物联网结合，加强城市基础设施建设.但经济城镇化速度远远低于社会城镇化发展速度，这可能会在未来成为太原城镇化向更高水平发展的阻碍因素.

2.1.2 生态环境发展水平

由公式(1)～公式(8)可计算得到表3中数据.可以看出，太原市整体生态环境质量有明显改善.主要归功于近年来，太原市坚持实施生态强市战略，积极建立生态补偿机制，启动碳汇造林项目；支持娄烦做好省城水源地保护工作，加快阳曲东西山生态建设，建设东西山绿色生态屏障，抓好古交“树木年度直补、商品化兴林”试点工作；狠抓集中供热全覆盖、气化太原、城中村整村拆迁改造、污染企业搬迁、水污染治理等五大生态环境治理工程建设[28].

表3 生态环境发展水平

结合表1，太原市生态环境质量主要受环境压力(0.448 4)及响应水平(0.290 0)影响，而生态环境压力主要来自：城市生活垃圾(0.083 8)、工业粉煤灰排放(0.064 3)及工业废水排放(0.064 1)；生态响应工作集中于治理废气(0.091 6)、治理废水(0.086 7)以及治理固体废物(0.067 9).发现在主要污染和治理方面存在着一定的偏差，这可能是导致太原市生态环境状态提升相较城镇化发展慢的原因.

由图3，太原市生态环境发展类似于“环境库兹涅茨曲线”[5]，生态环境在发展过程中出现了多次“倒U型”(2006年～2010年、2010年～2012年、2012年～2014年)，即随着城镇化发展，生态环境在一定阶段遭到破坏，随着进一步的发展，生态环境又得到有效治理.说明太原市在生态环境建设过程中，对于压力的响应总是处在“末端治理”的状态，即响应落后于压力的产生，生态环境治理的投资不足和滞后可能是导致这一问题的直接原因.同时也说明影响生态环境建设的因素非常复杂，其工作需要持续性推进，并且要根据实际不断改善生态环境的对策措施.

图3 生态环境发展水平

2.2 城镇化与生态系统协调度以及与生态环境耦合的演化特征

由公式(9)～公式(11)可计算得城镇化与生态环境的耦合度(C)、综合调节系数(T)以及耦合协调度(D)(表5).为了深刻反映城镇化与生态环境的协调关系，利用均值分段函数将耦合协调度划分为十个等级，具体如表4所示.

表4 耦合协调度等级划分

表5 城镇化与生态环境综合演化特征

对于综合调节系数，大多数学者认为城镇化与生态环境具有相同的重要程度，故取α=β=0.5[12].但对于城镇化发展过程中具有更强烈生态建设需求和发展饱和或进入新的发展阶段的城镇，往往需要对调节系数作出调整，以便更加真实有效地反映城镇化与生态环境的耦合水平.太原市近年来始终将生态文明建设放在极重要的战略地位[28]，故本文依照相关研究[29]，适当调高生态环境的调节系数，根据公式(10)将计算结果绘制成图4，结果发现：

图4 耦合协调度

(1)太原市整体城镇化与生态系统耦合水平从濒临失调向基本协调转变，并在2015年前后基本达到了初级协调，整体协调水平仍有较大上升空间.

(2)以α=β=0.5的曲线作为参照对象，给予生态环境更大的调节系数，若高于α=β=0.5的曲线则代表此时期生态环境的整体水平明显高于城镇化水平，符合生态文明发展需求，但在发展的同时仍需注意对于生态环境的保护；若低于α=β=0.5的曲线，则表示生态环境水平落后于城镇化发展水平，此时需要加强对生态环境的保护.

结合上述分析，太原市在2006年～2013年，生态环境发展水平始终高于城镇化水平，但两者差距逐渐缩小，2013年后即使给予生态环境更大的调节系数也低于α=β=0.5的曲线，说明虽然太原市城镇化生态环境整体耦合水平不断提高，但对于生态环境的保护和治理工作有一定的欠缺，究其原因可能与污染治理投资较少，污染治理重点与实际排污重点不相吻合相关.

城镇化综合发展水平(PU)与生态环境综合发展水平(PE)可能存在三种关系，即PU>PE、PU=PE和PUPE)、均衡型(PU=PE)、生态型(PU

①若|PU-PE|≤0.1，则发展类型定义为均衡型，即生态环境与城镇化发展水平相当，应共同发展进而提高耦合协调水平；

②若0.1<|PU-PE|≤0.2，则发展类型定义为弱城镇型或弱生态型，即生态环境或城镇化水平，在此阶段发展水平略高，可适当调整政策促进均衡发展；

③若0.2<|PU-PE|≤0.3，则发展类型定义为过度城镇型或过度生态型，即生态环境或城镇化水平，在此阶段水平明显较高，应适当强化政策干预，加强生态保护或加快城镇化建设；

④若0.3<|PU-PE|≤0.4，则发展类型定义为古典城镇型或古典生态型，此阶段，生态环境或城镇化水平过高，可能对其他子系统发展产生抑制，此阶段易在城镇化早期或末期出现，在本阶段应有目的有规划地大力对薄弱环节进行提升；

⑤若0.4<|PU-PE|≤0.5，则发展类型定义为典型城镇型或典型生态型，生态环境遭到严重破坏或开发较弱城镇可能出现该阶段；

⑥若|PU-PE|≥0.5，则可认为即使耦合水平较高也失去了耦合意义，所谓耦合的意义在于较高的城镇化水平应有与之相对应的生态环境建设水平或强有力的生态环境保护力度.

根据以上划分标准作出太原市城镇化与生态环境系统发展类型(图5)

图5 城镇化与生态系统发展类型

根据以上划分标准，太原市在2006年～2011年始终处于古典生态型状态，即在此阶段城镇化发展水平较低，需要加大城镇化发展与建设力度.在2011年后，太原市城镇化水平迅速提升，在SPSS软件中利用一次曲线拟合2011年～2015年的综合水平差值发现得到拟合方程为：y=0.163 2x-0.505 3(R2=0.967 9,p<0.01)，即随着时间的推移城镇化水平愈发高于生态环境整体水平，表明在2011年太原市城镇化迅速发展的背后蕴含着对生态环境的发展与保护力度较弱，若不采取有效的措施极有可能向着典型城镇化的方向发展，甚至失去耦合意义.

3 主要结论及政策建议

3.1 主要结论

通过构建耦合协调模型，研究了太原市2006年～2015年城镇化与生态环境耦合协调度及其变化特征，得出以下结论：

(1)在太原市城镇化发展过程中的贡献大小依次是：社会城镇化、人口城镇化、空间城镇化、经济城镇化，其中人口城镇化和空间城镇化都在发展过程中出现了小幅度的下滑，经济城镇化水平稳步提高但增速较慢，社会城镇化发展的主要动力不过度依赖固定资产投资，而是重视科教及相关政策；

(2)太原市生态环境整体发展基本符合环境库兹涅茨曲线，但存在着环境治理方向与主要排污方向不吻合、环境治理投资薄弱等问题；

(3)太原市城镇化与生态环境整体从轻度失调向初级协调不断发展，整体协调水平仍有上升空间，但过快的城镇化发展速度一定程度上忽视了对于生态环境的保护和建设，发展类型在2011年后迅速向城镇型方向发展.

3.2 政策建议

①针对经济城镇化：太原的支柱产业是实体经济，城市的经济靠几个老牌国企支撑，山西焦煤，太重，太钢以及富士康，富士康与太钢占据了太原90 %的出口份额.在大数据时代，应推动信息化和工业化深度融合，加大传统产业技术改造和整合重组力度，实施煤焦冶电等传统产业技术改造、智能改造、绿色改造，着力抓好富士康手机智能化制造、比亚迪新能源汽车等重点项目，并形成产业园区的集聚效应.

②针对人口城镇化：太原存在一个很重要的问题就是人才流失，导致从事第三产业的人数少，尤其是从事高新技术产业的人数少.应大力引进“千人计划”等高端创新人才，加大人才补贴和创业补贴，努力提高高校建设水平.

③针对生态城镇化：太原市近十年在生态治理方面力度很大，但因过去长期的环境破坏使得实现节能减排目标、治理和保护生态环境的压力仍较大，应继续深化“五大工程、五项整治”，完善城市基础设施，加大环保资金的投入；合理调整产业布局，加强重点企业的治理，推行清洁生产；继续改造城中村，普及天然气；加大宣传力度，提高市民环保意识.