魯 迪，錢宏勝*，趙鵬飛，耿鵬旭

(1.平頂山學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河南 平頂山 467000;2.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127)

0 引言

城市化的迅速發(fā)展，一方面推動了區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展，以及人們思想觀念、生活方式的變遷；另一方面不可避免地產(chǎn)生了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，諸如耕地資源流失過速、城市水資源稀缺程度加劇、能源供需平衡壓力日益增大、城市環(huán)境污染嚴重、生態(tài)惡化等[1]，成為制約區(qū)域城市化持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”.因此，城市化與生態(tài)環(huán)境之間的響應(yīng)機理研究成為當前人地系統(tǒng)研究的熱點問題[2].目前，國內(nèi)外對城市化與生態(tài)環(huán)境關(guān)系的研究主要側(cè)重于城市化過程對區(qū)域生態(tài)環(huán)境要素的影響研究[3-5]、城市化過程與區(qū)域生態(tài)環(huán)境演變規(guī)律的研究[6-8]、城市化過程與區(qū)域生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)機理研究[2,9-10]等，而從區(qū)域的角度對二者的空間關(guān)系的研究則較少.本文運用空間統(tǒng)計分析與GIS技術(shù)，研究河南省區(qū)域城市化與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的空間關(guān)系，以期為制定區(qū)域城市化發(fā)展戰(zhàn)略，形成高效、協(xié)調(diào)、可持續(xù)的區(qū)域空間發(fā)展格局提供有效參考.

1 研究區(qū)域概況

河南省位于中國中東部、黃河中下游地區(qū)，界于31°23′～36°22′N，110°21′～116°39′E之間，與皖、魯、冀、晉、陜、鄂六省相接，是我國沿海開放地區(qū)與中西部地區(qū)的結(jié)合部，經(jīng)濟由東向西梯次推進發(fā)展的中間地帶，全國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，交通、通信、物流等樞紐.“十二五”期間，河南省城市化進程不斷加快，城市化率由2010年的37.7%增長到2013年的43.8%，年均增長2.03%.河南省具有人口總量大、農(nóng)村人口比例高、人均資源不足、人均經(jīng)濟指標偏低等特征[11].

2 研究方法

2.1 指標選取

依據(jù)科學(xué)性、完備性、可操作性、可比性、相對獨立性和針對性等原則，分別構(gòu)建區(qū)域城市化與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的多因素綜合評價指標體系，結(jié)果見表1.

表1 區(qū)域城市化與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的綜合評價指標體系Tab.1 The comprehensive evaluation index system of regional urbanization and ecological environment effect

結(jié)合城市化的表現(xiàn)形式和內(nèi)涵，對城市化水平的綜合測度分為4 個方面：人口城市化、經(jīng)濟城市化、社會城市化和空間城市化，共13個指標.城市化的發(fā)展對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在環(huán)境污染和生態(tài)破壞，因此區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)測度評價從資源消耗強度、污染物排放強度、碳排放強度、景觀生態(tài)質(zhì)量、人文生態(tài)響應(yīng)5個方面構(gòu)建區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)綜合評價指標體系，既反映了區(qū)域城市化過程中資源消耗、污染物和溫室氣體排放、景觀生態(tài)的狀況，又體現(xiàn)了區(qū)域生態(tài)環(huán)境的治理能力；同時，也涵蓋了支撐區(qū)域城市化持續(xù)發(fā)展的五大生態(tài)環(huán)境要素(大氣、水、土、生物、能源).

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

研究數(shù)據(jù)主要來源于《河南省統(tǒng)計年鑒(2013年)》、2012年河南省環(huán)境質(zhì)量公報.部分無法直接獲得的數(shù)據(jù)(如CO2排放總量)參考前人的研究成果[12]，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)計算獲得.

數(shù)據(jù)處理采用極差化法，把不同類型、不同單位、不同量級的指標轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的、無量綱的標準化指標，使指標屬性與評價指數(shù)呈正相關(guān).

(1)對于正向型(越大越好)指標的標準化：

(1)

(2)對于負向型(越小越好)指標的標準化：

(2)

2.3 評價與分析模型

2.3.1 熵權(quán)法綜合評價模型

熵權(quán)法是一種根據(jù)綜合評價指標的數(shù)值所提供信息量大小來確定權(quán)重系數(shù)的方法[13].其計算過程如下：

(1)計算第j項指標的熵值：

(3)

其中:k>0為常數(shù)，通常取k=1/lnn;fij為第i個被評價對象的第j項指標的特征比重，為了避免ln (fij)無意義，規(guī)定

(4)

(2)計算第j項指標的差異系數(shù)：

rj=1-Ij，(j=1，2，…，m).

(5)

差異系數(shù)是反映綜合評價指標作用大小的一個量，其值越大，指標的作用就越大，反之亦然.

(3)計算第j項指標的權(quán)重系數(shù)：

(6)

(4)計算第i個被評價對象的綜合評價值：

(7)

2.3.2 空間自相關(guān)分析模型

空間自相關(guān)是指同一個變量在不同空間位置上的相關(guān)性，是空間單元屬性值聚集程度的一種度量[14-15].本文采用空間統(tǒng)計學(xué)中普遍使用Moran指數(shù)和G統(tǒng)計模型進行全局空間自相關(guān)和局部空間關(guān)聯(lián)分析，研究2012年河南省區(qū)域城市化水平、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的空間分布規(guī)律和集聚程度.

Moran指數(shù)的計算方法如下：

(8)

(9)

(10)

當Moran’sI為正時，說明相鄰地區(qū)擁有相似的數(shù)據(jù)屬性，屬性值高或低的地區(qū)都有集聚現(xiàn)象；當Moran’sI為負時，代表相鄰地區(qū)屬性差異大，數(shù)據(jù)空間分布呈現(xiàn)高低間隔分布的狀態(tài)；當Moran’sI為零(或趨于零)時，則相鄰空間單元間相關(guān)性低，某空間現(xiàn)象的高值或低值成無規(guī)律的隨機分布狀態(tài).

2.3.3 空間關(guān)聯(lián)分析模型

為了進一步分析河南省區(qū)域城市化水平、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的局部空間關(guān)聯(lián)特征，本文采用G統(tǒng)計分析模型對區(qū)域城市化水平、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進行空間關(guān)聯(lián)分析.G統(tǒng)計分析的計算公式[16]如下：

(11)

其標準化形式為

(12)

顯著的正Gi值表示在該區(qū)域單元周圍，高觀測值的區(qū)域單元趨于空間集聚，而顯著的負Gi值表示低觀測值的區(qū)域單元趨于空間集聚，與Moran指數(shù)只能發(fā)現(xiàn)相似值(正相關(guān))或非相似性觀測值(負關(guān)聯(lián))的空間集聚模式相比，具有能夠探測出區(qū)域單元屬于高值集聚還是低值集聚的空間分布模式.

3 結(jié)果與分析

3.1 計算結(jié)果

根據(jù)公式(3)～(6)，利用熵權(quán)法確定各指標的權(quán)重(表1)，根據(jù)公式(7)測算出2012年河南省各地市城市化水平、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的綜合指數(shù)(表2).運用GeoDa095i軟件，分別對2012年河南省區(qū)域城市化、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進行全局空間自相關(guān)性分析，得到Moran散點圖(圖2)和Moran’sI值.根據(jù)公式(11)和(12)，分別計算2012年河南省各地市城市化水平、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的G統(tǒng)計值(表2)，以反映它們的局部空間關(guān)聯(lián)特征.

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 河南省城市化與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)空間格局分析

(1)河南省2012年城市化水平空間格局分析

依據(jù)2012年河南省各地市城市化綜合指數(shù)的計算結(jié)果，運用MapInfo中“自然劃分法”創(chuàng)建等級分布專題圖，可以將河南省區(qū)域城市化發(fā)展水平劃分為5個等級(圖1)：第一等級為鄭州市,城市化綜合指數(shù)為0.929 1，城市化發(fā)展水平最高，在城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诒戎亍⒍?、三產(chǎn)業(yè)就業(yè)人數(shù)比重、人均GDP、二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重、建成區(qū)面積占轄區(qū)面積比重，以及城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、社會建設(shè)與管理等方面與其他地市相比，均具有明顯的優(yōu)勢；第二等級城市化綜合指數(shù)在0.460 0～0.929 0之間，包括焦作、洛陽、濟源、三門峽4個地市，它們在城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诒戎?、人均GDP、二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占GDP的比重、人均社會消費品零售總額、每萬人擁有醫(yī)生、護士人數(shù)、城鎮(zhèn)社區(qū)服務(wù)設(shè)施等方面具有較明顯的優(yōu)勢；第三等級城市化綜合指數(shù)在0.345 2～0.460 0之間,包括許昌、新鄉(xiāng)、鶴壁、平頂山、漯河、安陽6個地市，這些地市在人口城市化、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、城市基礎(chǔ)設(shè)施與社會建設(shè)等方面均處于中等的發(fā)展水平；第四等級城市化綜合指數(shù)在0.213 0～0.345 2之間，包括開封、濮陽、南陽、商丘4個地市，社會經(jīng)濟發(fā)展總體處于欠發(fā)達狀態(tài)，制約了區(qū)域城市化的發(fā)展進程；第五等級城市化綜合指數(shù)在0.120 3～0.213 0之間，包括信陽、駐馬店、周口3個地市，主要位于東部平原糧食主產(chǎn)區(qū)及南部山區(qū)，農(nóng)業(yè)人口及農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占有較大比重，二、三產(chǎn)業(yè)發(fā)展落后，區(qū)域城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施及社會建設(shè)投入不足，城市化發(fā)展總體水平落后.從總體上看，2012年河南省區(qū)域城市化發(fā)展不平衡，呈現(xiàn)從西北向東南遞減的趨勢；同時，在北部區(qū)域又形成了以鄭州市為核心的“中心—外圍”的分布格局.

表2 2012年河南省各地市城市化水平與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的綜合指數(shù)與G統(tǒng)計值Tab.2 The composite index of the urbanization level and the eco-environment effect and statistical data to G of all districts and cities in Henan Province in 2012

(2)河南省2012年生態(tài)環(huán)境效應(yīng)空間格局分析

2012年河南省區(qū)域城市化水平與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)呈現(xiàn)較明顯的負相關(guān)對應(yīng)關(guān)系.區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)呈現(xiàn)由西北向東南遞增的趨勢，南部區(qū)域的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)總體上大于北部區(qū)域.依據(jù)2012年河南省區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)綜合指數(shù)，運用MapInfo中“自然劃分法”創(chuàng)建等級分布專題圖，把河南省區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)劃分為5個等級(圖1)：第一等級生態(tài)環(huán)境效應(yīng)指數(shù)在0.725 9～0.747 3之間,包括周口、駐馬店2個地市，是河南省南部區(qū)域重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，經(jīng)濟活動以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)營為主，二、三產(chǎn)業(yè)比重低，資源消耗強度、污染物及溫室氣體(主要是指二氧化碳)排放強度等都處于較低水平，生態(tài)環(huán)境效應(yīng)高；第二等級生態(tài)環(huán)境效應(yīng)指數(shù)在0.705 0～0.725 9之間包括南陽、信陽、許昌3個地市，其中南陽、信陽位于西南、南部山區(qū)，工業(yè)發(fā)展薄弱，資源消耗、污染物排放等都處于較低水平；第三等級生態(tài)環(huán)境效應(yīng)指數(shù)在0.660 4～0.705 0之間,包括漯河、鄭州、濮陽3個地市，資源消耗、污染物及溫室氣體排放強度等處于中等水平；第四等級生態(tài)環(huán)境效應(yīng)指數(shù)在0.593 4～0.660 4之間,包括新鄉(xiāng)、開封、商丘、洛陽4個地市，生態(tài)環(huán)境效應(yīng)處于較低水平；第五等級生態(tài)環(huán)境效應(yīng)指數(shù)在0.490 6～0.593 4之間,包括平頂山、焦作、安陽、鶴壁、三門峽、濟源6個地市，這些地市工業(yè)發(fā)展以資源型工業(yè)為主，資源消耗大、污染排放高，生態(tài)環(huán)境效應(yīng)處于低水平.

圖1 2012年河南省區(qū)域城市化水平與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的等級分布圖Fig.1 Level distribution of areas urbanization and ecological environment effect of Henan province in 2012

3.2.2 河南省城市化與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)空間自相關(guān)分析

運用GeoDa095i軟件，分別對2012年河南省區(qū)域城市化、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進行全局空間自相關(guān)性分析，得到Moran散點圖(圖2)和Moran’sI值.

如圖2所示，Moran散點圖的第一象限(HH)表示本區(qū)的值高，相鄰空間的值也高；第二象限(LH)表示本區(qū)的值低，相鄰空間的值高；第三象限(LL)表示本區(qū)的值低，相鄰空間的值也低；第四象限(HL)表示本區(qū)的值高，相鄰空間的值低.第一、三象限表示正的空間聯(lián)系，而第二、四象限表示負的空間聯(lián)系.

圖2 2012年河南省區(qū)域城市化水平與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)Moran散點圖Fig.2 Moran scatter plot chart of areas urbanization and ecological environment effect of Henan province in 2012

(1)河南省2012年城市化水平空間自相關(guān)分析

河南省區(qū)域城市化的Moran’sI=0.403 1(P=0.001 0，置信度99.9%)，表明2012年河南省區(qū)域城市化發(fā)展的空間分布是集聚的.多數(shù)地市位于第一、三象限，均表現(xiàn)出正的空間自相關(guān)性，且屬HH類型的地市數(shù)量與LL類型的相對較平衡，呈現(xiàn)高值與高值地區(qū)集聚，低值與低值地區(qū)集聚的空間分布特征，反映出一定的空間依賴關(guān)系.僅有平頂山、開封、濮陽3個地市位于第二象限，表明這些地市的城市化水平較相鄰地區(qū)低，即偏離全局正的空間自相關(guān)的地區(qū).從圖2(Ⅰ)中可以看出，HH類型的地市大多位于北部區(qū)域，LL類型的地市大多位于南部區(qū)域，這從總體上揭示了2012年河南省區(qū)域城市化南北發(fā)展的不平衡性.

(2)河南省2012年城市化生態(tài)環(huán)境效應(yīng)自相關(guān)分析

2012年河南省區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的Moran’sI=0.257 0 (P=0.001 0，置信度97.5%)，表明區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的空間分布是集聚的.從圖2(II)可以看出，有2/3的地市位于第一、三象限，表現(xiàn)出正的空間自相關(guān)性，其中，屬于HH類型的地市主要位于南部山區(qū)及東部平原地區(qū)，是區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)高值集聚的主要區(qū)域；屬于LL類型的地市主要位于北部工業(yè)發(fā)展迅速的地區(qū)，是區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)低值集聚的主要區(qū)域.平頂山、開封、三門峽位于第二象限，屬于LH類型，這些地市的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)較相鄰地市低；南陽、鄭州、濮陽位于第四象限，屬于HL類型，這些地市的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)較相鄰地市高.從總體上看來，生態(tài)環(huán)境效應(yīng)高的地市集聚于南部區(qū)域，生態(tài)環(huán)境效應(yīng)低的地市集聚于北部區(qū)域.

3.2.3 河南省城市化與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)空間關(guān)聯(lián)分析

(1)河南省2012年城市化水平空間關(guān)聯(lián)分析

根據(jù)表2區(qū)域城市化G統(tǒng)計的計算結(jié)果可知，除鄭州的區(qū)域城市化的G統(tǒng)計值為負外，其他地市都為正，表明鄭州被城市化水平低的地市所包圍(如圖3所示)，2012年河南省城市化發(fā)展水平低的商丘、周口、駐馬店、南陽、信陽等地市連成一片，形成南部、東南區(qū)域城市化發(fā)展水平低的區(qū)域；城市化發(fā)展水平相對較高的地市，包括安陽、鶴壁、新鄉(xiāng)、焦作、濟源、洛陽、三門峽、平頂山、許昌、漯河、開封，環(huán)繞城市化發(fā)展水平最高的地市——鄭州，連成一片，形成了北部區(qū)域“中心—外圍”的城市化發(fā)展格局.

圖3 2012年河南省區(qū)域城市化水平與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的局部空間關(guān)聯(lián)Fig.3 The local space relevance of areas urbanization and ecological environment effect of Henan province in 2012

(2)河南省2012年生態(tài)環(huán)境效應(yīng)空間關(guān)聯(lián)分析

從表2區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的G統(tǒng)計計算結(jié)果，2012年河南省各地市的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的G統(tǒng)計值均為正值(如圖3所示)，鄭州、許昌等經(jīng)濟發(fā)展水平較高，環(huán)境治理能力強的地市，形成中部較高的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)區(qū)域；周口、駐馬店、南陽等生態(tài)環(huán)境良好、工業(yè)發(fā)展薄弱的地市形成東南、西南較高的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)區(qū)域；生態(tài)環(huán)境效應(yīng)較低的三門峽、濟源、焦作、安陽、鶴壁形成了北部、西北較低的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)區(qū)域；平頂山被生態(tài)環(huán)境效應(yīng)較高的地市所包圍，形成豫西地區(qū)“盆地” 狀的較低生態(tài)環(huán)境效應(yīng)區(qū)域.

3.2.4 河南省城市化與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)空間類型劃分

為了進一步研究區(qū)域城市化與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的空間分異特征，本文根據(jù)河南省2012年區(qū)域城市化與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的綜合評價指數(shù)(表2)，運用SPSS17.0軟件進行K-Means聚類分析(聚類數(shù)目為5，聚類方法采用迭代和聚類，最大迭代次數(shù)為20，收斂準則為0.01)，劃分出以下5個空間類型區(qū)域(圖4).

(1)高城市化水平—高生態(tài)環(huán)境效應(yīng)區(qū)：鄭州.2012年鄭州市城市化率為64.82%，接近于進入城市化第三階段的臨界值(70%)[17]，到了城市化過程的中后期，其社會經(jīng)濟發(fā)展水平、科技創(chuàng)新實力等在全省處于領(lǐng)先地位，資源利用效率、環(huán)境治理能力較強，因此呈現(xiàn)“高城市化水平—高生態(tài)環(huán)境效應(yīng)”的特征.

(2)高城市化水平—低生態(tài)環(huán)境效應(yīng)區(qū)：包括三門峽、洛陽、濟源、焦作，工業(yè)及旅游經(jīng)濟發(fā)展水平較高，二、三產(chǎn)業(yè)比重高，城市化綜合水平較高；三門峽工業(yè)以能源、鋁、化工等為主，洛陽以機械電子、石油化工、冶金、建材等為主，濟源以冶金、電力、礦用電器、化工等為主，焦作以能源、化工等為主，均表現(xiàn)出明顯的資源性特征，資源消耗、污染物及溫室氣體排放等較高，環(huán)境治理能力較低.

(3)中城市化水平—中生態(tài)環(huán)境效應(yīng)區(qū)：包括濮陽、新鄉(xiāng)、許昌、漯河，京廣鐵路、京珠高速等南北交通大動脈貫穿這些地區(qū)，工業(yè)化城市化發(fā)展處于中等水平，濮陽工業(yè)發(fā)展以石油、化工為主，新鄉(xiāng)以生物制藥、電池、紡織、食品加工為主，許昌以煙草、電力裝備、花卉為主，漯河以食品加工、生物制藥、服裝紡織為主，產(chǎn)業(yè)發(fā)展的資源消耗、污染物及溫室氣體排放等處于中等水平.

(4)低城市化水平—高生態(tài)環(huán)境效應(yīng)區(qū)：包括商丘、周口、駐馬店、南陽、信陽，主要位于東南部黃淮地區(qū)、南部山區(qū)，主要以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟為主，工業(yè)發(fā)展薄弱，城市化水平較低，資源消耗、污染物及溫室氣體排放等都處于較低水平.

(5)低城市化水平—低生態(tài)環(huán)境效應(yīng)區(qū)：包括安陽、鶴壁、開封、平頂山，城市化總體水平較低，地區(qū)工業(yè)發(fā)展以煤炭、火力發(fā)電、鋼鐵、冶金、機械、紡織、化工等資源型工業(yè)為主，資源消耗、污染物和溫室氣體排放等都處于較高水平，環(huán)境治理能力較弱.

圖4 2012年河南省區(qū)域城市化與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的空間類型劃分Fig.4 Space types classification of areas urbanization and ecological environment effect of Henan province in 2012

4 結(jié)論

本文運用空間統(tǒng)計學(xué)中的Moran指數(shù)、G統(tǒng)計模型以及GIS技術(shù)，定量研究2012年河南省18個地市的區(qū)域城市化與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的空間分異特征及空間關(guān)聯(lián)模式，并在此基礎(chǔ)上運用K-Means聚類分析法劃分出河南省區(qū)域城市化與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的空間類型，揭示了河南省區(qū)域城市化與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的空間關(guān)系特征,評價與分析結(jié)果直觀，符合客觀實際.然而，關(guān)于區(qū)域城市化和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的空間關(guān)系分析研究尚不多見，所以其內(nèi)涵的界定、指標構(gòu)建、閾值確定、研究方法等問題還需進一步探討.