生态环境与城市化耦合协调度对生态红线划定的响应——以深圳市为例

易腾云，赵宇豪,2，吴健生,2

（1.北京大学深圳研究生院 城市规划与设计学院 城市人居环境科学与技术重点实验室，广东 深圳 518055；2.北京大学 城市与环境学院 地表过程与模拟教育部重点实验室，北京 100871）

地球进入人类世后，人类活动对环境的改造和影响力度愈发强烈[1]。在过去的40年中，中国社会和经济的飞速发展导致城市化进程突飞猛进。1978—2019年间，城市化率从17.92%提高到了60.60%[2]。据联合国估计，到2050年，全球将有68%的人口居住在城市中，而中国城市居住人口将增加2.55 亿人[3]。然而，传统城市化过度侧重于发展速度，没有协调城市化与生态环境之间的关系[4]，导致了诸如热岛效应、生物多样性丧失、大气和噪声污染等较为严峻的城市病[5-7]。尽管近年来环境保护强度与环境工程建设力度逐年加大，部分区域生态环境质量有所改善，但在人口、市场和工业化三大生态压力的约束下，我国总体环境污染水平仍在加重[8]。部分地区生态环境与城市化发展关系存在零和博弈，对资源的掠夺式侵占势必造成生态环境破坏，导致生态系统服务下降[9]，威胁区域生态安全和经济社会的可持续发展[10]。

协调城市化与生态环境的关系是城市化进程中一个永恒的主题[11-12]，是国家城市经济工作的重点[13]，也是加快经济转型和深入发展健康城市化的关键[5,14]。城市化与生态环境的关系并不是简单的“单边影响”，二者之间存在着客观且复杂的动态耦合关系[15]。即一方面城市化的发展必然会对其生态环境产生正面或负面的影响，另一方面生态环境的改善与恶化也会对城市化进程产生不同的作用。关于城市化与生态环境的耦合关系，国内外已有较多研究[16-17]。国外研究起步较早，对其基础理论的研究可追溯到1898年霍华德提出的“田园城市”理论[18]，而环境库兹涅茨曲线[19]的提出引起了人们对环境质量和经济发展间关系的思考，随着研究进一步深入，系统耦合性理论开始应用于生态环境领域的分析[20-21]。国内研究虽起步较晚，但发展迅速。理论研究方面，主要涉及城市化与生态环境耦合的规律性[15,22-23]等研究；方法技术层面，许多学者通过构建耦合度模型[24]与耦合协调度模型[11,25]，计算耦合度与耦合协调度，并以此作为衡量城市化与生态环境耦合程度的定量指标。

生态红线政策是国内首创的具有中国特色的土地分离政策[26]，能够协调城市化建设与生态环境保护之间的关系。目前，我国对生态红线的研究多集中在划定的规章制度[27-28]和理论技术方面[29-31]。关于生态红线影响评价的研究多为评价生态红线对环境的单方面影响，如部分学者利用生态系统服务来评价生态红线划分效果[32-33]、构建生态安全格局[34-35]、寻求生态红线与绿地的耦合关联[36]、实现生态保护[37]、基于“双评价”结果实现国土空间地域功能优化[38]等，而对生态环境和城市化之间相互关系的影响研究较少。基于此，研究以首批生态红线试点城市深圳[39]为研究区，基于PSR 模型构建生态环境与城市化水平综合评价模型，探究生态红线划定前后城市化建设与生态环境保护之间的关系；建立耦合度模型及耦合协调度模型，聚焦分析二者耦合协调关系对生态红线划定的响应程度，旨在探讨生态红线划定带来的“经济—环境”耦合效应，以期为当地城市发展与管理提供理论基础与政策依据。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区概况

深圳市（113°46′～114°37′E，22°27′～22°52′N），别称鹏城，位于广东省的南部沿海地区，属南亚热带海洋性季风气候，年均温约23.1 ℃，多年均降雨量1 935.5 mm，总面积1 997.47 km2，2019年常住人口1 343.88 万人，GDP 总量26 927.09 亿元。作为中国设立的第一个经济特区，深圳市在城市发展的进程中，创造了许多令世界瞩目的“深圳速度”，其城市化进程是我国城市发展的缩影。深圳城市化处于高水平状态[40]，其生态文明建设逐年变好[41]，生态环境保护也卓有成效。具体表现为，其2019年森林覆盖率40.2%，远高于全国23%的水平[2]；空气质量和水环境质量位于全国前列，2019年年均PM2.5浓度为24 μg/m3，已达到世界卫生组织第二阶段标准，饮用水源水质达标率100%。

深圳市环境相关政策的制定时间相对较早，其于2005年划定基本生态控制线[39]，如图1所示，对生态环境的改善起到了一定的促进作用[42]，但也存在管理“粗线条”、管理机制尚不成熟等问题。2013年，深圳市政府在保证之前划定生态红线内生态系统不被破坏的前提条件下，针对之前划定的生态保护红线的界线进行了局部优化调整。随着国家对于生态环境的愈发重视，深圳市于2017年成立生态保护红线划定工作小组，并于2018年5月11日正式确定《深圳市生态保护红线划定工作方案》，开始进行深圳市生态保护红线划定工作。生态红线及其改进政策的长期实施，有助于正确认识深圳市生态红线划定前后城市化与生态环境保护之间的关系。因此，本研究选择2005年、2013年、2018年3 个评价节点，评价生态红线的划分效果及影响，分析二者关系对生态红线政策的响应程度。

图1 研究区示意图

1.2 数据来源

选取2002—2018年17年间的生态环境及城市化相关数据进行分析。参考相关文献[11,25,43]，运用PSR（压力—状态—响应）模型选取相应指标表征生态效应，从经济、社会、人口、空间四个方面构建城市化水平评价指标体系，充分考虑深圳市的实际特征，选取具有代表性、可得可量化、相对全面的28 个指标，具体数据来源如表1所示。除此之外，深圳市行政矢量边界数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心，深圳市基本生态控制线矢量文件来源于深圳市政府。

表1 评价指标体系数据来源及权重表

2 研究方法

首先建立生态环境与城市化关系对生态红线响应的评价指标体系，将其标准化后通过层次分析法、熵值法、变异系数法组合赋权；其次通过构建综合评价模型、耦合协调度模型等方法，判断近20年来研究区生态环境与城市化的关系；最后构建分段线性回归模型以评价生态环境与城市化协调关系对生态红线的响应关系。

2.1 数据标准化

采用极差标准化将数据统一映射到[0,1]区间上。由于评价体系指标存在两种数据类型，其中，正向指标数值越大，评价结果越好，而负向指标则相反，因此采用不同的方式进行标准化处理，具体方法如下：

式中：xij表示第i项指标在第j年的数据值，表示第i项指标标准化之后的值，xmin表示第i项指标在2002—2018年的最小值，xmax表示第i项指标在2002—2018年的最大值。

2.2 指标赋权

将生态环境综合评价体系和城市化综合评价体系分别分为要素层、准则层和基础指标层三个层次，结合层次分析法、熵值法与变异系数法进行主客观组合赋权。

（1）层次分析法。层次分析法（AHP 法）[44]将各元素分解成要素、准则、方案等不同的结构层次，并进行定性与定量分析，是一种主观赋权法。其中，要素层通常只有一个对象，从准则层开始，对从属于上一层每个因素的同一层因素以“1～9”的比较尺度构造成对的比较矩阵，直到最下层。然后对每个矩阵计算最大特征根及特征向量，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率进行一致性检验，若检验通过，则将归一化的特征向量定为权向量，若不通过则需要重新构造矩阵。

（2）熵值法。熵值法[43]是指用来判断某指标离散程度的一种客观赋权方法。若离散程度越大，则该指标对综合评价的影响程度越大，因此，可以利用信息熵计算各指标的权重。假设存在m个评价指标，n个评价对象。Pij表示第i项指标下第j个方案占该指标的比重，ei表示第i项指标的熵值，gi表示差异系数，具体计算公式如下：

其中，k与样本数m有关，一般令k=1/lnm。

（3）变异系数法。变异系数法[45]直接利用各项指标数据通过计算得到权重，属于客观赋权法，具体计算公式如下：

式中：Vi表示第i项指标的变异系数；σi表示第i项指标的标准差；表示第i项指标的平均数；m为指标的个数；Wi指第i项指标的权重。

（4）最终权重确定。准则层与基础指标层分别使用三种赋权方法的均值来确定组合权重，最终每个基础指标层的总层次排序评价指标权重由要素层权重、准则层组合权重与基础指标层组合权重相乘得到，结果已列于表1中。

2.3 生态环境—城市化协调关系模型

（1）综合评价模型。在计算指标权重的基础上，运用线性加权求和的方法分别得到2002—2018年深圳市生态环境和城市化水平的综合评价值：

式中：F表示深圳市生态环境与城市化水平的综合评价值；表示第i项指标的标准化值；Wi表示第i项指标的权重值。

（2）耦合度模型。耦合关系是指某两个事物之间存在的相互作用、相互影响和相互协调的关系，耦合度模型[46]强调系统内部多个要素的良性协调，具有综合性。因此，利用耦合度模型可以更好地对生态环境与城市化之间的协调关系进行数学实证测算，公式如下：

式中：F1(x)表示生态环境综合评价值，F2(x)表示城市化水平综合评价值，C为耦合度，取值范围为[0,1]，C越接近于1，说明系统间的耦合度越大，耦合状态愈佳；C越接近0，说明系统间的耦合度越小，各指标无关且无序发展。参考已有研究[47-49]将耦合度分为五个阶段（表2）。

表2 耦合度模型评判标准

（3）耦合协调度模型。利用耦合度模型可以反映生态环境与城市化协调关系的耦合程度，但是无法判别不同年限耦合效应的优劣程度，即无法判别生态环境及城市化水平的综合指数大小，故引入耦合协调度模型[50]，公式如下：

式中：C为耦合度，D为耦合协调度，T为耦合协调发展水平的综合评价指数，α、β分别为生态环境与城市化水平的权重，一般认为生态环境友好与城市化发展同等重要，故一般情况下α=β=0.5。D值偏大，则说明生态环境与城市化水平处于良性共振阶段，即生态环境良好，城市化发展水平较高，且二者协调发展。为将生态环境与城市化的耦合协调关系量化表示，在之前研究[49,51-53]的基础上归类并改进，将耦合协调度分为六个等级，并根据生态环境综合指数（F1）与城市化综合指数（F2）之间的关系，将耦合协调发展类型进行进一步划分，具体见表3。

表3 耦合协调度模型评判标准

2.4 分段线性回归模型

分段线性回归（piecewise linear regression）模型的主要思路是引入虚拟变量，用虚拟变量估计不同数量水平的解释变量对被解释变量的影响，拐点前后解释变量与被解释变量之间线性关系不同。本文将其应用于生态红线划定前后对生态环境与城市化的关系影响，深圳市于2005年划定基本生态控制线，于2013年实现基本生态控制线精细化，于2018年5月重新划定生态红线，由于研究时段截至2018年，因此剔除2018年5月的转折点。以2005年、2013年两个转折点为依据，在区间[2005,2013]以及[2013,2018]内分别寻找使损失函数值达到最小的拐点t1、t2，再分别引入两个虚拟变量D1和D2，建立生态环境与城市化耦合协调度与时间的分段回归模型，计算公式如下：

式中：y表示生态环境与城市化的耦合协调度；x表示年份，u为常数项。

3 结果与分析

3.1 综合评价模型结果分析

由图2a 可知，2002—2018年，深圳市生态环境综合指数总体呈曲折上升的态势，该指数从2002年的0.21上升到2018年的0.29，在2016年达到最高值0.34。生态环境压力、状态和响应三者的综合指数曲线在这17年间相继最高，交替成为影响深圳市整体生态环境的主导因素。其中，生态环境压力综合指数曲线逐年攀升，总体接近于“S”型曲线，这表明虽然深圳市的生态压力制约逐年增强，但环境压力增长的速度有所减缓，生态环境压力逐渐得到缓解控制。为判断生态环境综合指数对生态红线划定的响应情况，发现在研究期内，深圳市第一次划定基本生态控制线后的时期是其生态环境综合指数增长最快的时间段。同时，深圳市对于生态环境的政策调控也体现在生态环境响应曲线上，该曲线持续上升。但各年份间，生态环境综合指数波动明显，且上升趋势放缓，说明生态环境建设政策的实施力度和稳定性有待进一步提升。

由图2b 可知，2002—2018年，深圳市城市化综合指数增长态势明显。近年来深圳市城市化不断发展，城市化综合指数由2002年的0.11 上升到2018年的0.37。自2004年实现全部人口城市化后，深圳市经济迅速发展，成为极具经济竞争力的城市，总体城市化进程也逐渐加快。其中，经济城市化、社会城市化与人口城市化曲线均呈上升趋势，说明深圳市经济发展、产业转移卓有成效，社会进步明显，人民生活质量有所提升；而空间城市化曲线则呈现倒“U”型曲线，于2010年后不断下降，这是因为深圳市地域狭小，日益增长的人口空间需求矛盾也逐步扩大。

图2 2002—2018年深圳市生态环境与城市化水平综合指数变化图

总体而言，近20年来，深圳市生态环境改善明显，城市化水平不断提高。生态环境综合指数显著提升，这与深圳市重视生态环境发展的基本理念有关，深圳全市有近一半的土地被划定在基本控制线以内，在国家当前十分重视生态环境发展的大政策下，其生态环境与经济发展协同进步。

3.2 耦合协调度分析

3.2.1 耦合度模型结果分析

根据耦合度模型，计算2002—2018年深圳市生态环境与城市化水平的耦合度，绘制生态环境与城市化耦合度变化趋势曲线，如图3所示。

图3 深圳市生态环境与城市化耦合度变化趋势图

从评价结果来看，深圳市17年间的耦合度均处于[0.900,1)区间内，变化曲线由波动中上升走向平稳上升，2002—2008年部分年间耦合度急剧下降，此时城市化所带来的破坏超过生态环境的自我修复力，但迅速得到调整。说明：其一，研究时段内，深圳市生态环境与城市化的耦合关系一直处于高水平耦合阶段，生态环境系统与城市化系统逐步有序化发展。其二，生态环境的保护与城市化进程相互作用、相互制约，而耦合度曲线的短暂波动在某种程度上反映了这种作用和制约现象。其三，从生态红线的划定与调整的时间线来看待生态红线对生态环境与城市化的耦合度的影响，第一次划定基本生态控制线后，生态环境与城市化的耦合度迅速增加，而后出现短暂下降，但下降后的耦合度水平仍然比划定生态红线前的耦合度水平要高，说明生态红线的划定在一定程度上促进了生态环境与城市化的有序发展，使得二者关系相互促进。总体而言，研究时段内，深圳市生态环境与城市化发展水平一直处于高水平耦合阶段，二者协调良好，有序发展。

3.2.2 耦合协调度模型结果分析

耦合协调度模型是为了判断子系统耦合发展水平的高低而确定的基本模型，根据耦合协调度模型计算深圳市2002—2018年生态环境与城市化的耦合协调度，根据结果绘制变化曲线图，如图4所示。

图4 深圳市生态环境与城市化耦合协调度变化趋势图

从模型结果来分析，深圳市生态环境与城市化的耦合协调度曲线处于不断向上攀升的状态，但城市化水平的发展在较长时间内跟不上生态环境水平。2002—2005年第一阶段内，耦合协调度处于[0.5,0.6)范围内，处于勉强协调阶段，此时城市化水平还较低；在第一次划定基本生态控制线后，耦合协调度曲线斜率明显增大，处于城市化滞后的轻度协调发展型；到第三阶段，耦合协调度增长趋势变缓，以2016年为分水岭，2013—2015年属于城市化滞后的轻度协调发展阶段，2016年属于城市化滞后的良好协调发展型，2017年至第三阶段结束，处于生态环境滞后的轻度协调发展状态，这一阶段城市化进程发展迅速；第四阶段，城市化综合指数仍然大于生态环境综合指数，此时耦合协调度值略大于0.8，因此处于生态环境滞后的良好协调发展型。总体而言，深圳市生态环境与城市化耦合协调度呈“S”型发展曲线，生态环境与城市化的关系整体协调性在不断增强，但近两三年生态环境整体状况略微跟不上城市化发展水平，需要得到进一步关注和重视。

综上，2002—2018年，深圳市城市化建设力度的不断加大，生态环境保护建设强度同步增强，二者的耦合协调度逐渐提高，耦合关系也向优质方向发展，大体从勉强协调型向轻度协调型，再向良好协调型发展。生态红线的划定使得生态环境与城市化的关系趋于协调化，耦合协调度增长速度加快，对生态环境与城市化的关系产生了积极影响，深圳市城市化水平滞后的现状正在逐步得到改善。但是在未来一段时间内，仍然需要持续协调不断增长的生态环境压力与有限的生态环境承载力之间的矛盾，人口密度过高导致的资源环境约束紧张将成为影响深圳市未来发展的重大因素。

3.3 分段线性回归模型分析

生态红线政策从实施到产生突变效果需要一定的时间要求，这其中管控措施与力度、政策执行的力度、稳定性与难易程度都会对这种效果产生影响，亦即生态红线对生态环境与城市化关系的影响具有滞后性。随着时间的流逝，政策的影响效应也会发生变化，再次下达类似政策命令时，由于边际效应的影响，其效果也有所不同。为了探究这种政策效应，利用MATLAB 软件，将两个拐点控制在[2005,2013]与[2013,2018]范围内，实现分段回归模型的最优化，此时的拐点即为生态红线产生效果的时间点。

运用局部线性回归的方法，将数据集分别在[2005,2013]和[2013,2018]内进行计算，损失函数值达到最小时结束演算，并将拐点值取整。由图5可知，在第一次划定基本生态控制线约5年后，生态环境与城市化耦合协调度的变化规律发生明显改变；基本生态控制线实现精细化约1年后对生态环境与城市化耦合协调度产生较明显的影响；分段线性回归模型的斜率不断减小，生态红线政策实施的稳定性和实施力度需要增强。

图5 分段线性回归模型优化结果

4 讨论与结论

4.1 讨论

以深圳市生态红线的划分与调整为时间节点，研究生态环境与城市化的耦合协调关系对生态红线划定的响应，可以看出生态红线划定对生态环境与城市化的协调关系产生了积极影响，其促进深圳市的生态环境水平与城市化水平趋于良好，也使得二者趋于协调有序发展，但仍有一些问题需要进一步关注。

首先，深圳市生态环境与城市化总体水平呈协同上升的趋势，这与多数研究成果一致[48,54-55]。研究时段内耦合度模型与耦合协调度模型均大致呈现为“S”型曲线，生态环境与城市化协调关系越来越好，且生态环境与城市化处于较良好水平耦合阶段，表明深圳市生态环境与城市化的关系趋于协调有序发展且耦合水平较高，这与其他研究的结果相似[54,56-57]。

其次，以分段线性回归模型探究生态环境与城市化对生态红线划定的响应有待进一步改进。分段线性回归模型结果显示，在2010年与2014年产生突变点，而该突变点并非指生态环境改善、城市化速率加快或二者耦合协调度响应的时间点，是指耦合协调度结果对生态红线的响应产生明显变化的节点。值得一提的是，即使是加入新的政策刺激后，后两段回归模型斜率依然有变小的趋势，这可能是边际效应的结果，亦可能与政策的管控实施力度相关。同时，从实验结果来看，分段线性回归模型的前两段拟合情况较好，拟合系数较高，分别为0.89、0.75，结果具有一定的科学性，但是较少的数据可能会带来一定的不确定性，下一步还需要结合其他方法来对结果进行进一步的验证。

综上，下一步的工作可以从以下三个方面展开：首先，从实验结果来看，生态红线划定前后对比较为明显，结果具有一定的可靠性，但影响生态环境与城市化关系的因素并非只有划定生态红线这一项政策，还有自身的发展与其他因素的干扰，其内部各个子系统之间的交互作用十分复杂[58]。寻找对照组组成面板数据来剔除这种干扰，是下一步研究需要深入分析的内容。其次，由于数据以整个深圳市为尺度获取，且部分选取指标属于社会经济指标，难以进行数据空间化，因此未从空间层面对结果进行分析对比，在后续研究中，需要进一步探究如何将上述数据进行空间表达与分析。此外，仅对深圳市开展研究，无法在同一套标准下与其他城市进行横向对比。在未来开展横向对比分析，以同一标准探究深圳市生态环境与城市化水平在粤港澳大湾区乃至全国的水平，是下一步工作的重点。

4.2 结论

以2002—2018年为研究时段，构建生态环境与城市化关系对生态红线划定响应的指标体系，建立生态环境与城市化水平综合评价模型、耦合度模型以及耦合协调度模型以评价生态环境与城市化的协调关系，分析二者协调关系随生态红线划定所产生的时序变化表现，并利用分段线性回归模型拟合生态环境与城市化耦合协调度随时间的发展状况，分析评价二者关系对生态红线划定的响应效果，同时探究了生态红线划定所产生的时滞效应，主要结论如下：

（1）研究期内，深圳市生态环境水平总体呈良性发展，城市化进程不断加快。生态环境对生态红线划定的响应较大，第一次划定基本生态控制线后，生态环境综合指数上升明显。城市化方面，深圳市目前城市化水平较高，生态红线的划定通过规范建设区与建设标准，在一定程度上促进了城市化的发展。

（2）深圳市生态环境与城市化耦合协调度数值越来越高，耦合关系也向优质方向发展，大体从勉强协调型向轻度协调型，再向良好协调型发展，二者趋向于协同发展。但随着深圳市城市化进程的加快，生态环境质量产生波动性变化。发展初期，城市化进程缓慢，并没有对生态环境构成威胁。2016年后，伴随发展速度的提升，生态环境的污染程度逐步扩大。故而，深圳市之后的发展重点仍然是继续加大对生态环境监管与治理的力度，完善环保基础设施，加大节能环保资金投入，提高城市化发展质量。

（3）深圳市生态环境与城市化耦合协调度对生态红线划定的响应效果较明显，生态红线的划定对促进生态环境与城市化协调发展起到了积极作用，但是这种影响受到边际效应的影响，在政策持续实施后影响作用逐渐变小，使得二者耦合协调度增大的趋势变缓，同时还具有时滞效应，生态控制线划定约5年后耦合协调度曲线发生明显变化，生态红线实现精细化管理后约滞后1年产生影响。