郑州都市圈新型城镇化、生态环境、碳排放耦合协调分析

张少然, 李玲,2, 陈帅奇 , 李兴明, 王珂

(1.河南农业大学资源与环境学院,河南 郑州 450046;2.河南省土地整治与生态重建工程技术中心,河南 郑州 450002)

新型城镇化和生态环境协调发展是实现区域可持续发展的重要组成部分,碳排放的减少是推动新型城镇化和生态环境协调发展的关键[1]。城镇化的快速发展造成流动人口规模和建设用地面积不断扩大,对区域碳排放和生态环境产生深刻影响。2022年1月国务院印发《“十四五”节能减排综合工作方案》,旨在助力实现碳达峰、碳中和目标。方案明确指出到2025年,全国单位国内生产总值能源消耗比2020年下降13.5%,经济社会发展绿色转型取得显著成就[2]。因此,如何协调新型城镇化、生态环境和碳排放的关系,成为推动区域绿色高质量发展的重要因素。

目前,关于新型城镇化、生态环境和碳排放之间的研究多集中于两两系统之间。在新型城镇化和生态环境方面,HOWARD[3]通过压力-状态-响应模型,研究城镇化中人类活动对环境的影响;KAHN等[4]通过环境库兹涅茨曲线(EKC)证明新型城镇化中人均收入与生态环境存在倒“U”型关系;赵建吉等[5]通过构建二元的耦合协调模型,对黄河流域新型城镇化与生态环境耦合的影响因素进行研究;邵佳等[6]构建二元耦合协调度模型,对湖南武陵山片区的协调发展的时空格局和影响因素进行分析。在新型城镇化和碳排放方面,TUCKER[7]通过碳排放量和经济发展数据,分析人均碳排放量和人均GDP之间的关系;张红丽等[8]通过区域投入产出模型分析经济活动中隐含的碳排放转移特点;张腾飞等[9]认为,中国城镇化水平与碳排放之间存在倒“U”型曲线关系;孙昌龙等[10]研究表明在城镇化后期阶段,城镇化抑制碳排放的作用增强,但不同阶段城镇化对碳排放的驱动作用始终占据主导地位;李硕硕等[11]构造生态安全距离空间权重矩阵,分析新型城镇化对碳排放强度的空间溢出效应和衰减特征。在研究尺度上,大多是基于国家、省市和部分县域等[12-18]不同尺度的研究,但以城市群为主体的研究较少。

城镇化水平的发展,一方面对人口聚集、产业结构转型发挥积极作用;另一方面,发展过程中带来资源过度消耗、碳排放量增多和生态环境负荷加重等一系列问题。新型城镇化坚持以人为核心的绿色可持续发展理念为指导,可以有效规避不当发展带来的一系列问题。新型城镇化发展主要体现在人口、经济、社会3个维度,经济城镇化的发展能够为生态环境保护和降低碳排放量提供资金和技术支持;社会城镇化的发展可以加强公园和城市绿化等基础配套设施建设,从而减少碳排放量,提高生态环境质量。新型城镇化、生态环境和碳排放三者之间既相互促进,又相互制约。通过对三者关系的研究,对于实现新型城镇化与低碳环保的双赢局面以及区域可持续发展具有重要意义。

本研究以郑州都市圈为研究区域,构建新型城镇化、生态环境、碳排放评价指标体系,测算2005年、2010年、2015年、2020年郑州大都市圈新型城镇化指数、生态环境指数、碳排放指数对其三元耦合协调分析,探求其演变特征的时空变异,以期为郑州大都市圈绿色高质量发展提供建议。

1 研究区域概况

《河南省新型城镇化规划(2021—2035年)》中,郑州都市圈由“1+4”扩展为“1+8”。郑州都市圈由原本的郑州、开封、新乡、许昌、焦作5个城市,又加入了洛阳、平顶山、漯河、济源4个城市。2021年河南省政府工作报告提出,高水平规划建设郑州都市圈,使其成为中部地区高质量发展的重要支撑。中国城市群进入都市圈竞相发展的新阶段。都市圈逐渐成为新型城镇化的主体形态和区域协同发展的主要模式。郑州都市圈的面积、人口、经济总量是中西部地区最高的地区,郑州都市圈的发展有利于统筹和整合资源要素,对全省尤其是西部、南部起到更大的带动作用,加速中部地区高质量发展,在全国经济发展格局中争取更高的定位和影响力。因此对于郑州都市圈的研究具有重要意义。

郑州都市圈位于中国中部,黄河中下游地区,都市圈行政区域面积约为31 100 km2,占全省18%;人口有4 676万人,占全省人口47%;GDP约为32 823万元,占全省60%,城镇化率是74.6%。该地区位于中国第二级及第三级地貌交接过渡地带,地势西高东低。隶属于北温带季风气候,植被类型主要为耕地、林地和草地。该区域随着经济发展,碳排放量不断增加。该区域地跨黄河、淮河与海河三大流域,黄河、南水北调中线工程在郑州形成十字交叉,西北部南太行和西南部嵩山—浮戏山生态屏障功能显著,区域周边太行山国家级猕猴自然保护区、云台山国家森林公园等生态功能区分布广泛,具有较好的生态建设与保护基础,但是仍然面临森林面积总量仍然偏小,分布不均;黄河沿线地区生态功能有待提升,天然生态环境资源匮乏、空气环境治理压力较大等问题。

2 材料与方法

2.1 评价指标体系构建

2.1.1 新型城镇化指标构建 考虑指标选取的科学性,可取性原则的基础上,参考现有的指标体系[19-21]。本研究从人口城镇化、经济城镇化、社会城镇化3个方面选取指标体系(表1)。人口城镇化选取了城镇人口比例、二三产业就业人口比例、普通高等院校在校生数。城镇人口比例可用于判断城镇化的发展水平。二三产业就业人口比例和普通高等院校在校生人数可以反映出一个地区的现代化水平和人才储备情况。经济城镇化选取人均地区生产总值、人均地区财政收入、人均社会消费品零售总额、二三产业产值占GDP比例、二三产业增加值占GDP比例。这些指标可以反映该地区产业结构,经济发展水平,也能够看出该地区发展潜力。社会城镇化选取了人均科技支出、人均教育支出、R&D支出(全社会研究与试验发展经费)占GDP比例、城市每万人床位数、人均财政医疗支出、每万人拥有公共厕所数、城市人均道路面积、每万人拥有汽车数量。人均科技支出、人均教育支出、R&D支出占GDP比例可以反映区域教育水平;城市每万人床位数、人均财政医疗支出可以反映出区域医疗水平;每万人拥有公共厕所数、城市人均道路面积、每万人拥有汽车数量可以反映出区域基础设施情况。与之前的单一人口城镇化相比较,还考虑了教育水平、医疗水平、基础设施等方面,更全面衡量新型城镇化水平。数据来源为《河南省统计年鉴》及各地市统计年鉴。

表1 新型城镇化指标

2.1.2 生态环境指标构建 生态环境[22-23]从生态环境压力、生态环境禀赋及生态环境保护3个方面,选取了9个指标(表2)。生态环境压力选择工业SO2排放量、工业固体废物产生量、工业废水排放量、生活垃圾清运量,可以反映在新型城镇化发展过程中生态系统所面临的压力和问题。生态环境禀赋选择建成区绿化覆盖率、人工造林面积、人均公园绿地面积,可以反映新型城镇化过程中地区的环境情况和环境改善情况。生态环境保护选择污水处理率、生活垃圾无害化处理率,可以反映区域环境污染后人为做出改善措施的效果。数据来源为《河南省统计年鉴》及各地市统计年鉴。

表2 生态环境指标

2.1.3 碳排放指标构建 碳排放指标选取碳排放强度、人均碳排放量、碳排放密度(表3)。这些指标是衡量国家经济发展质量以及经济与环境关系的重要指标,也可以全面反映出区域碳排放现状。

表3 碳排放指标

碳排放量计算包括直接碳排放测算和间接碳排放测算[24-25]。前者主要指土地利用引起的碳排放,后者主要是各土地利用类型上承载的全部人为碳排放。根据各类土地类型的不同特点,耕地、林地、草地、水域、未利用地采用直接碳排放测算;建设用地因为人类活动复杂,所以采取能源消耗碳排放测算法,通过人类生产生活中的能源消耗来反映建设用地碳排放总量。

2.2 碳排放量计算方法

2.2.1 直接碳排放系数计算法 耕地、林地、草地、水域、未利用地的碳排放估算,采取直接碳排放系数法。根据其他学者研究,并结合研究区域特点确定各土地利用类型的碳排放系数[24-25],耕地碳排放系数为0.459 5 t·hm-2·a-1,林地碳排放系数为-0.612 5 t·hm-2·a-1,草地碳排放系数为-0.022 t·hm-2·a-1,水域碳排放系数为-0.025 3 t·hm-2·a-1,未利用地碳排放系数为-0.000 5 t·hm-2·a-1。直接碳排放计算公式为:

Yk=∑yi=∑Ei×αi

(1)

式中:Yk为直接碳排放量;yi为不同土地利用类型产生的碳排放量;Ei为各土地利用类型面积;αi为各土地利用类型的碳排放(吸收)系数。

2.2.2 间接碳排放量估算法 建设用地的碳排放通过生产生活中能源消耗产生的CO2来表征。本研究选取原煤、焦炭、柴油、燃料油、液化石油气、天然气和电力,计算时将各种能源消耗量折算成标准煤量(表4)。能源碳排放系数及标准煤换算系数参考《IPCC 国家温室气体清单指南》。建设用地碳排放计算公式为:

表4 能源消耗的折标准煤系数和碳排放系数

Yt∑yti=∑Ti·βi·ωi

(2)

式中:Yt为建设用地碳排放量;yti为各种能源的碳排放量;Ti为各种能源的消耗量;βi为各种能源的折煤系数;ωi为各种能源的碳排放系数。

2.3 耦合协调度计算方法

2.3.1 指标标准化处理 采用极差法对数据进行标准化处理,目的是消除因指标量纲和单位不同造成的差异影响。标准化公式为:

(3)

(4)

2.3.2 确定指标权重 本研究选取熵值法[26],由客观原始数据确定新型城镇化、生态环境和碳排放指标权重,客观反映新型城镇化指标、生态环境和碳排放指标的实际情况。权重所得结果见表1、表2和表3。

2.3.3 三元指数计算 三元指数计算采用加权法,计算公式如下:

ZXi=∑ωjXij

(5)

式中:ZXi是新型城镇化第i年的评价指数;ωj是第j项指标的权重;Xij是第i年第j项指标的标准化值。生态环境指数和碳排放指数计算同上。

2.3.4 耦合协调度计算 耦合协调度模型[27]用于研究多个系统的耦合协调关系方面应用广泛。本研究通过耦合协调度模型来计算各系统间是否保持着良性互动和发展。本研究构建新型城镇化、生态环境、碳排放之间的耦合协调度模型,计算公式如下:

(6)

Z=αZx+βZy+σZz

(7)

(8)

式中:D是协调度,表示新型城镇化、生态环境、碳排放整体协调效应;C为耦合度;C∈(0,1),C越大说明系统间的相关程度越高,C越小说明系统间的相关程度差。α、β和σ是三系统的权重系数,经过综合考量认为三系统同样重要,分别赋值为1/3,Z为三元指数值。耦合协调度等级划分见表5。

表5 耦合协调度度量标准及类型

3 结果与分析

3.1 郑州都市圈新型城镇化指数分析

从空间上看,郑州都市圈新型城镇化指数是以郑州为中心,西北部发展水平较高,东南部发展水平较低(表6)。

表6 郑州都市圈新型城镇化指数分析

2005—2020年新型城镇化指数最高的是郑州市(图1)。郑州市新型城镇化指数由0.210上升至0.937,均差是0.543。由此可见,郑州市在2005—2020年新型城镇化发展处于快速发展期,新型城镇化指数中科技支出、教育支出和地区财政收入增长速率较快。河南省中心化趋势明显,资源、人口等向郑州市聚集,使得郑州市发展迅速。除了郑州外,2005—2020年增长速率在最快的是济源市。济源市新型城镇化指数由0.129上升至0.560,均差是0.337。济源市科技支出、教育支出和地区生产总值增长速率较快;因为济源市人口较少,有完整的工业体系,使得地区生产总值较高。均差最小的是平顶山市。平顶山市新型城镇化指数由0.057上升至0.295,其指数增长速率却低于区域发展平均速率;平顶山市城镇化发展中增长速率最慢的是R&D支出占GDP比重,平顶山市2010年之前抓住了煤炭快速发展时期,经济发展快速,但随着煤炭行业的回落,使得平顶山缺乏发展动力,经济在一段时间内发展缓慢,教育科研投入相对较少。变异系数最大的是开封市。开封市新型城镇化指数由0.031上升至0.371。开封市新型城镇化指数中城镇人口比重、人均地区生产总值、人均地区财政收入、人均社会消费品零售总额、人均科技支出、人均教育支出、R & D支出占GDP比重、普通高等院校在校生数、城市每万人床位数、人均财政医疗支出和每万人拥有汽车数量的增长速率均低于平均增长速率;因为开封市距离郑州较近,资源和人口被郑州市分散,经济发展和城市基础设施建设发展缓慢。

图1 郑州都市圈新型城镇化指数的变化

3.2 郑州都市圈生态环境指数分析

由图2可知,2005—2020年郑州都市圈生态环境指数由0.559上升至0.769,生态指数呈现波动增长状态,2010—2015年生态环境指数增长处于缓慢增长阶段,2015—2020年生态环境指数处于高速增长阶段。

图2 郑州都市圈生态环境指数的变化

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生态环境指数最高的是许昌市,生态环境指数为0.829,均差为0.166(表7)。许昌市生态指数各方面均高于区域平均值,整体发展较为均衡。生态环境指数最低的是郑州市,生态指数0.712,均差0.214;郑州市第二、三产业快速发展,虽然2005—2020年郑州市污染物排放量逐年降低,但其污染物排放量依然位于研究区前列,所以生态环境指数相对较低。生态环境指数增长速率最快的是开封市,均差0.369,开封市是旅游城市,二产业所占比例较低,三产业所占比例较高,使得工业SO2排放量、工业固体废物产生量、工业废水排放量低于区域平均值;因此开封市生态环境指数增长较快。均差和变异系数最小的是焦作市,生态环境指数是0.728,均差0.128,变异系数8%。焦作市是矿产资源型城市,之前的不合理利用使得整体生态环境基础差,虽然公园绿地面积、建成区绿化覆盖率、污水处理率等正向指标处于增长状态,但是增长速率较慢,所以焦作市生态环境指数增长相对缓慢。

表7 郑州都市圈生态环境指数分析

3.3 郑州都市圈碳排放分析

从碳排放量来看,2005—2020年郑州都市圈碳排放总量呈下降态势,由1.98×106万t下降至2.7×105万t(表8)。碳排放下降量最大的是2005—2010年,下降7.9×105万t,下降速率是40.3%。2015—2020年碳排放量下降速率最快,下降速率是60.8%。郑州市碳排放总量明显高于其他8个市,总体来看郑州市碳排放量呈现下降趋势。进一步分析郑州市产业结构可知,郑州市第二产业所占比例较大,使得能源消耗量大,造成碳排放量较多。2010—2015年郑州市碳排放量下降速率最快,因为围绕“十二五”节能降耗的目标持续控制增量和消减存量,提升了能源的使用效率,因而全市的碳排放量也显著降低。根据郑州都市圈2005—2020年碳排放量变化可知,2005—2010年郑州市都市圈处于高碳排放阶段,该阶段经济发展较弱,能源利用率较低,碳排放强度、人均碳排放量和碳排放密度较高;2010—2015年处于持续减排阶段,该阶段经济增长速率较快,绿色发展深入人心,节能减排力度加大,使得碳排放强度、人均碳排放量和碳排放密度持续降低;2015—2020年处于优化减排阶段,该阶段经济增速放缓,经济发展质量较高,能源使用更加安全、高效、清洁,碳排放强度、人均碳排放量和碳排放密度处于较好阶段。

表8 郑州都市圈碳排放量、碳排放指数、碳排放强度结果

从碳排放指数来看,2005—2020年郑州都市圈碳排放指数由0.552上升至0.949。碳排放强度由41.53 t·万元-1下降至0.774 t·万元-1;人均碳排放量由54.74 t·人-1下降至5.30 t·人-1;碳排放密度由3.969 万t·km-2下降至0.517 万t·km-2。由此可见,郑州大都市圈积极贯彻党中央决策,全面完善节能政策体系,调整能源战略,倡导低碳减排。从分区上看,2020年碳排放指数最高的是新乡市,碳排放指数是0.980,碳排放强度下降速率是98.4%,人均碳排放量下降速率90.5%,碳排放密度下降速率是89.31%,下降速率均高于研究区下降平均速率,所以新乡市碳排放指数最高。碳排放指数最低的是郑州市,碳排放指数市0.891,虽然郑州碳排放指标下降速率均高于研究区平均值,但是郑州人口较多,各指标基数大,所以碳排放指数最低。碳排放指数增长速率最快的是焦作市,由0.038上升至0.966,焦作市碳排放强度、人均碳排放量和碳排放密度下降速率都是研究区最快的,碳排放强度由88.04 t·万元-1下降至0.470 t·万元-1;人均碳排放量由116.33 t·人-1下降至2.84 t·人-1;碳排放密度由9.716 万t·km-2下降至0.246 万t·km-2。

3.4 郑州都市圈耦合协调度分析

从整体上看,郑州都市圈新型城镇化—生态环境—碳排放三元耦合协调度由2005年的0.523上升至2020年的0.631,总体呈现波动增长状态(图3)。这表明近些年生态环境有所改善,产业转型初见成效,这与国家近些年提出的低碳减排政策和绿色产业发展政策密不可分。根据三元耦合协调度的变化情况可知,郑州都市圈三元耦合协调状态是先增加,再减少,然后再增加。郑州都市圈2005—2010年,新型城镇化指数由0.085上升至0.196,生态环境指数由0.559上升至0.642,碳排放指数由0.552上升至0.811,所以2005—2010年三元耦合协调度处于上升状态。2010—2015年新型城镇化指数由0.196上升至0.321,生态环境指数由0.642上升至0.649,碳排放指数由0.811上升至0.871,新型城镇化指数的增长速率远高于生态环境指数和碳排放指数的增速,使得三元耦合协调呈现下降趋势。2015—2020年,新型城镇化指数由0.321上升至0.478,生态环境指数由0.649上升至0.769,碳排放指数由0.871上升至0.949,生态环境指数和碳排放指数增速提高,使得三元耦合协调协调度呈现增长趋势。上述实证表明,郑州都市圈新型城镇化、生态环境、碳排放三元耦合协调关系处于优化态势,但是,仍然没有实现由失调向协调的跨越,还有较大发挥空间,且各地市区域发展差异较大。

图3 新型城镇化、生态环境和碳排放指数及耦合协调度图

由图4可知,郑州都市圈三元耦合关系呈东西部高,南北部较低的状态。具体表现为2005年有平顶山市、开封市和焦作市3个失调区域;郑州市和新乡市2个勉强协调区域;洛阳市、许昌市、漯河市和济源市4个初级协调区域。2005—2010年,耦合协调度提高的有洛阳市、平顶山市、新乡市和济源市;耦合协调度降低的有郑州市;其他市域等级没有改变。2010—2015年耦合协调度提高的有郑州市、开封市和漯河市,耦合协调度降低的有平顶山市、许昌市和济源市。2020年郑州都市圈三元耦合协调度均进入过渡或协调阶段。2020年有5个勉强协调区域、1个初级协调区域、2个中级协调区域和1个良好协调区域。

图4 郑州都市圈耦合协调度变化图

以济源市、洛阳市为核心的西部地区耦合协调度高于其他城市,这2个城市新型城镇化水平较高,碳排放低,生态环境较好,耦合协调优势正在突显;这是因为济源市和洛阳市重视生态环境,平衡生态和经济发展。南北中部地区的焦作市、新乡市、郑州市、平顶山市和漯河市三元耦合协调度均在勉强协调等级;郑州市生态环境指数和碳排放指数均低于区域平均值,新型城镇化指数为区域最高,使得区域发展不平衡。焦作市和新乡市新型城镇化指数和生态环境指数均低于区域平均值。平顶山市新型城镇化指数、生态环境指数和碳排放指数均低于区域平均值。这是因为单一方面的发展使得发展失衡,焦作市、漯河市、新乡市和平顶山市第一产业比重高,第二产业大而不精,第三产业发展落后,区域内的高污染高耗能产业依然存在使得耦合协调等级不高。2005—2020年,只有漯河市三元耦合协调度有所降低,漯河市新型城镇化指数在不断增加,但是增长速率低于研究区域平均值,碳排放指数是不断降低。东部的开封市和许昌市耦合协调度高于中部地区。开封市是三元耦合协调度增长最快的城市,三元耦合协调度由0.209上升到0.681。开封市新型城镇化指数、生态环境指数及碳排放指数均处于增长状态,所以三元耦合协调度较好。许昌市虽然新型城镇化指数略低于区域平均值,但生态环境指数是区域最大值,碳排放指数高于区域平均值,所以许昌市三元耦合协调度较好。

4 结论与建议

4.1 结论

本研究通过构建城镇化、生态环境、碳排放综合指标体系,利用熵值法进行权重赋值,采用耦合协调度模型对郑州都市圈9个市域单元新型城镇化指数、生态环境指数和碳排放指数3个子系统之间的耦合协调度进行时空分析。

2005—2020年,郑州都市圈新型城镇化水平是以郑州为中心,西北部发展水平较高,东南部发展水平较低。郑州都市圈新型城镇化指数由0.089上升到0.478。增长速率最快的是科技支出和教育支出。新型城镇化指数最高的是郑州市,新型城镇化指数由0.210上升至0.937,均差是0.543。增长速率在最快的是济源市,新型城镇化指数由0.129上升至0.560,均差是0.337。均差最小的是平顶山市,新型城镇化指数由0.057上升至0.295。变异系数最大的是开封市,新型城镇化指数由0.031上升至0.371。

2005—2020年郑州都市圈生态环境指数由0.559上升至0.769,生态环境指数呈现波动增长状态。生态环境指数最大的是许昌市,生态环境指数为0.829,均差为0.166。生态环境指数均差和变异系数最大的是开封市,开封市生态环境指数0.824,均差0.369,变异系数是26%。

从碳排放量来看,2005—2020年郑州都市圈碳排放总量呈下降态势,由1.98×106万t下降至2.7×105万t。郑州都市圈碳排放指数由0.552上升至0.949。碳排放强度由41.53 t·万元-1下降至0.774 t·万元-1;人均碳排放量由54.74 t·人-1下降至5.30 t·人-1;碳排放密度由3.969 万t·km-2下降至0.517 万t·km-2。

郑州都市圈新型城镇化、生态环境、碳排放三元耦合协调度由2005年的0.523上升至2020年的0.631,总体呈现波动增长状态。郑州都市圈三元耦合关系呈东西部高,南北部较低的状态。郑州都市圈新型城镇化、生态环境、碳排放三元耦合协调关系处于优化态势,但是,仍然没有实现由失调向协调的跨越,还有较大发挥空间,且各地市区域发展差异较大。

与之前城镇化和生态环境、城镇化和碳排放的研究相比,单一变量不能够全面反映区域现状,本研究新型城镇化、生态环境和碳排放都选取多个变量,新型城镇化、生态环境和碳排放评价指标体系能够全面地反映区域发展情况。与之前研究的两者关系相比较,三者关系的研究有利于推动中国碳排放目标和经济高质量目标的实现,为中国绿色发展提供一定的理论借鉴。

4.2 建议

本研究认为,要提升新型城镇化、生态环境和碳排放耦合水平,缩小各地区差距,不同区域需要根据自身情况,从实际出发制定适合自身发展的科学政策。郑州市具有较强的经济实力,新型城镇化水平较高,发挥人口、资源优势,用科技创新推动生态环境保护和低碳发展。郑州市应发挥带头作用,利用自身优势,促进产业转型,找到合适的经济发展点,带动其他城市共同发展。洛阳市应该利用自身自然景观和开封市应利用自身人文景观打造旅游特色城市,同时注重产业转型和环境保护。平顶山市、漯河市、焦作市和济源市是重工业发展城市,应该注重控制能源消耗和环境污染排放,降低碳排放强度;另一方面,注意城市生态环境保护,提高城市绿化率和基础设施建设。各地区在发展过程中要注重新型城镇化发展、生态环境保护和碳排放协调可持续发展。