中原城市群“三生”功能耦合协调时空演变及其影响因素分析*

肖铁桥,赵子玉

(安徽建筑大学 建筑与规划学院,安徽 合肥 230601)

随着我国新型城镇化战略的不断推进,城市群作为未来经济社会新的增长极,是实现大、中、小城市和小城镇协同合作、资源要素优势互补,促进区域规划合理布局、辐射带动作用进一步增强的重要空间载体[1]。城市群作为地区经济社会发展的主体形态,在我国新型城镇化发展中扮演着重要角色,在人口集聚、产业分工、区域协作等方面的发挥巨大作用。“十四五”新型城镇化实施方案指出,要提升城市群一体化发展和都市圈同城化发展水平,促进大、中、小城市和小城镇协调发展,形成疏密有致、分工协作、功能完善的城镇化空间格局[2]。城市群一体化发展以促进中心城市与周边城市(镇)同城化发展为导向,从而促进城市化区域生产、生活、生态功能在不同区域范围内的协调发展。城市群的兴起是各城市之间经济、人口、生态要素不断从集聚融合趋向协调稳定的结果,同时也是城市群内部“三生”功能不断耦合加强的表征。探索城市群“三生”功能之间的耦合协调规律对于区域经济、社会、生态协调发展具有重要意义。

一、研究区概况

中原城市群地处我国华北平原,是承接东西、融通南北的重要交通枢纽,包含河南省18个地级市、河北省2个地级市、安徽省5个地级市、山东省2个地级市及山西省3个地级市在内的30个地级市(见图1),行政区划总面积28.7万平方公里,2020年末人口总数1.64亿。作为黄河、淮河两大生态流域水土保持、自然环境改善的重要支点,中原城市群是未来我国中部地区经济高质量发展新的增长极[3]。同时,中原城市群地处京广铁路、陆桥高速通道交汇处[4],交通区位优势明显;作为联系我国东西部的重要通道,自然资源丰富,是我国主粮小麦的主产地之一,承担着农产品生产的重要功能。但总体来说,中原城市群发展仍然存在城市化水平普遍不高、基础设施配置不均衡、区域发展竞争力有待进一步加强等问题。

图1 中原城市群行政区划

二、数据来源和研究方法

(一)数据来源

研究数据包括中原城市群30个地级市2005年、2010年、2015年、2020年的社会经济等数据,主要来源于《中国城市统计年鉴》,河南、河北、安徽、山东、山西各省统计局编制的统计年鉴,30个地级市城市年鉴数据和统计公报,部分数据缺失项采用插值法进行补全,其中夜间灯光遥感数据由美国国家海洋大气管理局NOAA下属国家环境信息中心NCEI数据观测平台(https://eogdata.mines.edu/products/vnl/)网站下载获取并提取研究区域平均灯光辐射值,矢量地图源于全国地理信息资源目录服务平台官方网站(https://www.webmap.cn/main.do?method=index),基于ArcGis10.6版本标准地图制作,审图号:GS(2016)2556号,底图无修改。

(二)研究方法

1.评价指标体系构建

城市间的相互作用主要通过城市之间的经济社会功能和自然生态功能来实现,一定区域范围内城市功能的形成受内部自然演化以及外部历史、经济、社会和政策等因素的共同作用。综合已有的分类方法及研究成果[5-7],将城市功能总结划分为生产、生活和生态三大功能。结合研究区域经济社会发展状况以及相关研究数据的可获取性,针对目标层对指标进行初步筛选之后,对所选指标进行共线性分析,剔除VIF值高于7.5的相应指标因子,最终选取生产、生活、生态三个目标层共计27项指标进行测度分析。通过熵值法客观建立权重,构建中原城市群“三生”功能指标体系(见表1)。其中,生产功能指主要为城市提供物质和信息服务的功能,主要反映在产品产值和产量、空间利用率以及科技水平等方面,因此选取人均耕地面积、人均粮食产量、人均肉类产量等指标来衡量城市系统的对外依存度;生活功能主要指为居民提供生活需求以及生存保障服务,主要反映在居民物质生活条件、发展需求以及活动空间等方面,针对研究区实际情况,选取居民人均可支配收入、就业人数占比、人均用电量以及城镇化率等指标来衡量城市的吸引力与发展水平;生态功能主要指为消除和缓冲城市自身发展给自然生态系统带来的不良影响,主要反映在自然净化和人工调节用以还原由于高强度的生产生活对原有生态系统造成的失衡,为此选取了农用化肥使用强度、建成区绿化覆盖率、人均公园绿地面积以及单位碳排放量等指标来衡量城市系统的还原净化能力。

表1 中原城市群“三生”功能综合评价指标体系与权重

2.发展水平评价

不同评价指标往往具有不同的量纲,为了解决指标量纲不统一对实际值产生的影响,需要采用“+”“-”符号表示实际面板指标判别属性的正向与负向,并将指标数据代入极差标准化公式;同时考虑到数据差异性以及数学模型可运算性,通过非零变换(选取0.000 01作为变换常数)的方法进行数据平移操作得到归一化结果,借助熵值法对各指标数据进行客观赋权,并利用线性加权回归求解得到“三生”功能综合评价指数。具体计算过程如下:

第一步,进行极差标准化处理。

当指标为正时:

(1)

当指标为负时:

(2)

式中:其中Xij是第i个城市第j项指标当年实际数据,Yij是第i个城市第j项指标,将Yij与变换常数相加得到极差标准化之后的归一化值,max(Xij)是j项指标i市的最大值,min(Xij)是j项指标i市的最小值。

第二步,计算各指标数据在样本所占比重Pij。

(3)

第三步,计算各指标数据在样本中的综合熵值权重Wij。

第j项指标信息熵值Ej:

(4)

式中,(0≤Ej≥1),n为样本总数。

第j项指标综合熵值权重Wj:

(5)

式中,Ej表示第j项指标在样本中的信息熵值,Wj表示第j项指标在样本数据中综合权重值。

第四步,计算各指标数据在样本中的综合评价指数Sj。

Sj=∑YijWj

(6)

式中,Sj分别取“三生”功能中生产功能评价指数Qi、生活功能评价指数Li和生态功能评价指数Ei的数值。

3.“三生”功能耦合协调评价模型

耦合效应和耦合协同发展度模型已经能够有效评价一个地区社会、经济、生态以及环境等多元系统之间存在的耦合关系[8]。具体公式如下:

(7)

T=αQi+βLi+γEi

(8)

(9)

式中,C为生产、生活及生态功能的耦合度,T为生产、生活及生态功能综合评价指数,D为生产、生活及生态功能的耦合协调度;Qi、Li、Ei分别代表生产功能综合评价指数、生活功能综合评价指数、生态功能综合评价指数;α、β、γ为“三生”功能综合评价指数及耦合协调度的权重值,查阅本文参考的“三生”功能相关文献[9],取权重系数α=0.35,β=0.35,γ=0.30。

表2 “三生”功能耦合协调水平等级类型划分

根据已有“三生”功能耦合协调划分标准[10,11],结合研究区域实际情况,将“三生”功能耦合度及耦合协调度取值范围按照等级划分为五类标准(见表2),其中C、D取值所在范围区间数值大小反映了拮抗或耦合程度的高低,子系统之间是否趋向新的有序结构。

4.空间自相关分析

空间自相关用于全局或局部空间集聚特征分析,可反映研究区域内邻近空间单元的关联性[12]。利用Geoda1.18.0软件对市域“三生”功能地域空间分布特征进行全局和局部空间自相关分析。原理公式如下:

(10)

5.地理探测器

地理探测器(GeoDetector)可用以探测解释因子、度量因子在空间的分异性及分析各个变量间的交互关系,是有效分析地理现象的统计学工具[13],本文利用地理探测器探求“三生”功能耦合协调的影响因素。其原理如下:

(11)

三、结果与分析

(一)“三生”功能发展特征分析

通过分析中原城市群30个地级市2005-2020年的社会经济和自然生态数据,利用ArcGis10.6中自然断点法分别将生产功能、生活功能、生态功能以及“三生”功能划分为五类发展等级,即:低水平发展、中低水平发展、中水平发展、中高水平发展和高水平发展,划分结果进行数据可视化得到“三生”功能综合评价(见图2)。

生产功能综合评价:中原城市群生产功能整体上呈现出东南部优于西北部的发展特点,2015年之前生产功能的高值区域主要位于黄河以南淮河以北的平原地区,生产发展主要以中水平为主,低值区中低水平发展主要集中于济源市以及三门峡市为主的西北城市区域。从发展时序上看,中原城市群生产功能的中高值区域呈现出整体增长态势,2005-2020年完成了生产功能由中低水平向中高水平的良好发展。

生活功能综合评价:2005年,中原城市群黄河以南地区城市生活水平低下,城市发展水平无法满足人们的生活需求。随着城市的不断发展,城市群生活功能整体提升,形成了以郑州市为核心城市生活圈,通过郑州市辐射邻近区域,带动周边洛阳、新乡焦作等一批城市生活水平的提高。从空间分布上看,生活功能发展水平较为均衡,整体生活水平差异不大,但在所有城市中除了郑州市,大部分城市生活状况尚未达到中高水平,未来发展潜力大,特别是皖北城市宿州、亳州城乡居民生活水平有待改善。

生态功能综合评价:中原城市群生态格局趋向四周高,中间低的圈层结构,生态功能综合评价水平差异显著,城市群南部区域生态功能整体优于中北部地区。其中生态功能高水平地区主要以长治市和三门峡市为主,得益于地理区位要素优越,其生态功能评价值一直处于高水平。2005-2020年淮河流域周边城市生态功能明显改善,生态功能发展水平由2005年最初的低水平提升到2020年的中高水平发展。郑州市作为中原腹地核心城市,其生态功能在此期间呈现出上升-下降-上升的发展趋势,且郑州市以北的地区生态功能整体发展水平不高,均缺乏相应的生态保护措施。

“三生”功能综合评价:中原城市群2005-2020年“三生”功能发展呈现出整体上升趋势。“三生”功能发展水平高值主要分布于北部的邢台、邯郸,中部的郑州、新乡,南部的驻马店和东部的蚌埠。虽然“三生”功能整体良性发展,但仍然存在区域性差异,空间上分布上呈现明显的城市带状分布特征,东部“三生”功能整体发展较弱,“三生”功能发展水平有待提高,空间上需要进一步协调发展。

(二)“三生”功能耦合度时空演变格局

中原城市群2005-2020年高水平以上耦合城市占比分别为20%、56.7%、76.7%和80%,整体呈现上升趋势,但在空间上分布差异特征明显,西北部主要以良性共振耦合为主,呈现南低北高的分布格局(见图3)。2005年中原城市群主要以低耦合度城市为主;2010年低水平耦合城市分别为三门峡市和亳州市,高耦合度城市占比提升较为明显,增幅达到36.7%,东南部城市耦合度总体低于中部地区;2015-2020年中原城市群“三生”功能耦合度在空间上基本形成以郑州市为主的东北部良性共振耦合区和以南阳市为主的西南部高水平耦合区,但仍然存在亳州、宿州、济源、三门峡以及晋城这样的中水平耦合城市,总体而言此阶段各地市间差异变小,“三生”功能协同发展程度较高。

图3 中原城市群“三生”功能耦合度时空分布

(三)“三生”功能耦合协调度时空演变格局

中原城市群“三生”功能耦合协调度发展水平2005-2020年变化趋势明显,整体发展趋势和中原城市群耦合度发展趋势类似,至研究期末,各地市“三生”功能耦合协调发展均已达到初级以上发展水平,其中郑州、长治等7个地级市达到中级协调发展水平,其余各地市以初级协调为主(见图4)。2005年,协调型城市占比六成,耦合协调发展呈现中间高四周低的分布特点;2010年,初级协调城市增加到5个,分别为郑州、驻马店、鹤壁、运城、邢台和邯郸五市,除个别地市出现协调水平下降,大部分城市协调发展水平均实现稳步提高;2015-2020年,初级协调城市占城市群总数的73.3%,全部地市实现了由失调型城市向协调型城市的转变,形成了北部中级协调城市区域和中南部初级协调城市区域两大片区,中原城市群“三生”功能耦合协调度进一步提高,在空间上呈现大体均衡的分布特征,城市一体化发展趋势明显。

图4 中原城市群“三生”功能耦合协调度时空分布

(四)“三生”功能空间自相关聚类分析

1.全局空间自相关整体特征分析

中原城市群“三生”功能耦合协调度随着时间变化出现了明显的时空分异特征。为了使得这种时空分异特征能够定量化和可视化表达,以中原城市群2005年、2010年、2015年和2020年的生产-生活-生态功能耦合协调数据为基础,利用空间自相关分析软件Geoda1.18.0进行全局空间自相关特征分析。计算对应年份的全局莫兰指数(见表3),中原城市群“三生”功能耦合协调发展指数对应的Moran’s I分别为0.213、0.247、0.367和0.427,显著性水平P值和临界值Z得分均通过显著性检验。结果表明:中原城市群“三生”功能耦合协调发展水平具有明显的全局空间自相关性,且Moran’s I、Z值和P值得分随时间变化分别呈现逐渐递增、逐渐递增以及逐渐递减的趋势,证明中原城市群“三生”功能耦合协调度在空间关联上的显著性与置信度在正向加强。

表3 中原城市群“三生”功能耦合协调发展度全局莫兰指数

2.局部空间自相关集聚特征分析

根据中原城市群“三生”功能耦合协调度的局部自相关和空间聚类分析可得(见图5),2005-2020年中原城市群各地市的空间集聚显著性呈现增强趋势,30个地级市总体协调水平在空间上呈现高高、高低、低高和低低聚类的集聚特征,且空间聚类主要以高高聚类和低低聚类为主(见图6)。其中,高值区2005-2010年发展最快,表现为以焦作为核心不断向济源市、郑州市、晋城市发展的集聚扩张过程,这一阶段“三生”功能协调发展水平在显著性和显著范围上均有了明显提升;2015年和2020年低高聚类区域主要以济源、开封、阜阳和宿州为主,表现为离散型分布,“三生”功能发展发展水平低于邻接城市发展水平;低值区经历了由分散到不断聚集的发展过程,形成了由最初驻马店、阜阳、商丘和淮北向以皖北城市为核心区域集聚靠拢的过程,这些地市“三生”功能耦合度普遍较低,协调发展水平有待进一步提高。总体来看,中原城市群“三生”功能耦合协调发展水平高高聚类和低低聚类均已经初现雏形,形成以郑州市、阜阳为中心带动周边地区发展的圈层结构,区域“三生”功能协调发展的空间集聚效应和扩散作用得到有效提升。

(五)“三生”功能耦合协调发展影响因素分析

中原城市群各地市“三生”功能发展差异性受到社会经济和自然生态等多方面因素的叠加影响。利用地理探测器模型对2005-2020年中原城市群“三生”功能影响因素进行探测识别,分别选取2005年、2010年、2015年和2020年当年的27项实际指标数据作为自变量因子,选取对应的城市群“三生”功能耦合协调发展水平作为被解释变量,借助ArcGis10.6中的自然断点法进行因子重分类,由采样结果分析可得各探测因子的解释力q值(见表4)。

图5 中原城市群“三生”功能耦合协调度莫兰散点图

图6 中原城市群“三生”功能耦合协调发展水平LISA聚类分析

表4 中原城市群“三生”功能发展因子探测结果

2005-2020年发展因子探测及其交互作用结果表明:影响中原城市群“三生”功能耦合协调发展水平的探测因子在空间分布上差异性显著。2005年城市“三生”功能发展主要影响因素包括人均粮食产量、第二产业贡献率、土地垦殖率、城镇化率、生活垃圾无害化处理率以及燃气普及率,计算得出各探测因子的解释力q值分别为0.53、0.53、0.59、0.54、0.69和0.62,表明城市群协调发展主要依赖于农业生产、经济发展水平和基础设施的配套建设,其中由政府主导的基础设施建设成为推动各地市协调发展的主要动力,但农业生产功能作为保障城市间生产要素优化配置的作用依旧明显;城镇、农村居民人均可支配收入、人均用电量、建成区绿化覆盖率以及人均公园绿地面积作为2010年的主要影响因素,其相应的解释力q值分别从2005年的0.30、0.41、0.31、0.39和0.39提升到了0.52、0.60、0.55、0.52和0.50,反映了由于城市区域经济联动发展,居民生活水平的大幅度提高成为城市协调的又一重要动力,出于对美好生活的需求,改善城市环境质量以及保护自然生态也成为居民日益关注的重点;2010-2020年经济发展水平的q值不断增大,反映出在此期间城市将经济建设作为提升城市综合发展水平的重要举措。2020年单位碳排放因子对于城市协调发展的解释力由之前的0.28上升到0.53,表明绿色经济发展方式越来越受到重视,同时绿色城市的生活生态理念也加速了传统粗放式发展模式向绿色发展模式的转变,为城市未来可持续稳定发展奠定基础。

四、结论与展望

基于“三生”功能视角,构建生产-生活-生态功能测度指标体系,利用耦合协调度模型和空间自相关分析揭示中原城市群“三生”功能时空演变规律,在此基础上利用地理探测器对“三生”功能时空分异影响因子进行探测,主要结论如下:

第一,2005-2020年中原城市群“三生”功能发展水平稳步提升。生产、生态功能高值区分别主要集中于邢台、聊城、周口、开封、驻马店等华北平原城市群和南阳、驻马店、阜阳、亳州等环淮河流域城市群,其中生产、生活功能发展水平仍然存在区域性差异,但差异性呈缩小趋势;生活功能发展相对缓慢,整体发展较为均衡,未出现明显的空间分异。

第二,2005-2020年中原城市群“三生”功能耦合协调发展水平呈现以郑州为核心带动周边许昌、开封、新乡、焦作,以邯郸为核心带动周边聊城、邢台进而呈现中间高四周低的城市群圈层结构特点。局部城市群逐步走向融合发展,整体协调水平主要以初级协调为主,其中邢台、邯郸等北部城市协调发展达到中级协调水平,区域带动效应明显,郑州市作为优质协调核心城市,带动周边区域协调作用有待增强。生产、生态功能区域性发展不平衡的时空分异对“三生”功能耦合协调发展起到了拮抗作用,造成协调水平的下降,未来中原城市群应重点关注生态、生产方面的要素跨区域协同。

第三,2005-2020年中原城市群“三生”功能耦合协调发展水平呈现明显的空间关联性,整体上呈西北高东南低的集聚特征。西北部邢台、邯郸、聊城等邯郸中心城市群主要以高水平发展为主,中部郑州、开封、许昌、新乡、焦作、洛阳等郑州中心城市群主要以中水平发展为主,东南部阜阳、亳州、淮北、宿州等阜阳中心城市群主要以低水平发展为主,高高聚类由郑州中心城市群逐渐向周边地区蔓延,低低聚类由阜阳中心城市群向周边地区蔓延,由中心城市辐射周边区域“三生”功能协调发展的空间集聚效应和扩散作用不断增强。

第四,人均地区生产总值、就业人数占比、土地垦殖率、城镇(农村)居民人均可支配收入、区域空气质量指数等对中原城市群“三生”功能耦合协调性集聚分布起到明显的促进作用。这种集聚分布的可能原因是中部和北部的郑州中心城市群以及邯郸中心城市群形成了以二、三产业作为主要发展方式的高附加值产业,社会经济发展水平、居民人均可支配收入水平相对较高,而东南部皖北地区阜阳中心城市群二、三产业发展相对落后,缺乏优势主导产业支持,造成社会经济发展水平低下,从而导致“三生”功能协调发展水平的时空分异。

结合“三生”功能耦合协调时空演变特征以及空间集聚关联性,中原城市群未来应进一步提高“三生”功能的耦合协调发展水平。其中以阜阳、亳州为中心的阜阳中心城市群作为低水平发展的皖北地区社会经济发展相对处于弱势,应出台更多的帮扶政策,扶持相应的优势产业作为地区经济发展的支柱,打造工业信息化等二、三产业为主的工业园区,扩大当地居民实现就地就业,提高居民生活收入水平;以郑州为核心的郑州中心城市群应充分利用自身经济社会发展优势继续扩大带动效应,不断促进地区基础设施、主导产业等要素跨区域协同,向城市高质量发展转变,增强区域城市一体化建设。淮河流域城市生态环境示范效应良好,其他各地市应积极建设城市自身生态环境,在发展经济的同时关注环境质量,实现绿色城市可持续发展,进一步提高中原城市群“三生”功能耦合协调发展水平。