河南省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展的時空演變分析

于澎峰 程鋼

摘要：針對城鎮(zhèn)化發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調發(fā)展關系演變過程，運用熵值法、協(xié)調發(fā)展模型、變異系數(shù)和空間分析等方法，圍繞時序和空間2個緯度，探討河南省18個地市2006—2015年城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展關系，為制定區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略提供參考。結果表明，河南省城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境發(fā)展均呈增長趨勢，對發(fā)展水平而言，生態(tài)環(huán)境>城鎮(zhèn)化，而增長速率則是城鎮(zhèn)化>生態(tài)環(huán)境;城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調度總體為增長態(tài)勢，僅有鄭州市達到高度協(xié)調，其他地市以中度協(xié)調和瀕臨失調發(fā)展狀態(tài)為主;城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調發(fā)展基本呈現(xiàn)“西北高、東南低”的空間分布格局，其中西北地區(qū)又呈現(xiàn)以鄭州市為中心向四周逐漸遞減態(tài)勢;河南省城鎮(zhèn)化、生態(tài)環(huán)境及二者的協(xié)調度的空間差異性逐步縮小。

關鍵詞：河南省;城鎮(zhèn)化;生態(tài)環(huán)境;耦合度;協(xié)調度;時空分析

中圖分類號： F062.2文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）08-0294-07

收稿日期：2019-03-19

基金項目：教育部人文社會科學研究青年基金（編號：15YJCZH018）;中國博士后科學基金面上資助項目（編號：2015M582831）;河南省科技攻關項目（編號：162102210063）;國家自然科學基金（編號：41001226）;河南省高等學校骨干教師資助計劃（編號：2012GGJS-055）;北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室開放基金（編號：2014ESPKF08）。

作者簡介：于澎峰（1992—），女，河南周口人，碩士研究生，主要從事“3S”集成與應用研究。E-mail：yupengfeng123@163.com。

通信作者：程?鋼，博士，教授，主要從事GIS理論與方法研究。E-mail：chenggang1218@163.com。

城鎮(zhèn)化建設可以有效帶動周邊地區(qū)經(jīng)濟社會的發(fā)展，城鎮(zhèn)化已成為人類社會發(fā)展的必經(jīng)之路和必然趨勢。城鎮(zhèn)化建設不斷促進資源的集中和人力的集聚，從而促進經(jīng)濟社會不斷發(fā)展。然而，城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展也帶來了生態(tài)環(huán)境破壞等負面作用，繼而制約了城鎮(zhèn)化的發(fā)展進程。城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境如何發(fā)展是經(jīng)濟、地理等眾多領域研究的熱點問題。Pearce等在城市發(fā)展階段環(huán)境對策模型中發(fā)現(xiàn)，城鎮(zhèn)化與資源環(huán)境間存在明顯的時序特征[1];Grossman等在提出的環(huán)境庫茲涅茨曲線（EKC）假設中指出城市經(jīng)濟水平不斷與生態(tài)環(huán)境質量間呈現(xiàn)倒“U”形演變規(guī)律，并用42個發(fā)達國家的平行數(shù)據(jù)證實了這一規(guī)律[2];Odum等通過對全球部分城市和地區(qū)進行分析，利用靈敏度和系統(tǒng)動力學模型，揭示了城市發(fā)展與生態(tài)環(huán)境間的交互作用[3];Sato等在城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境污染研究中發(fā)現(xiàn)，環(huán)境污染對城鎮(zhèn)化發(fā)展具有束縛作用[4];Ducrot等運用定量分析法和“3S”技術對城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境間的交互過程進行評定[5]。國內亦有許多學者對城鎮(zhèn)化和生態(tài)進行研究。鄧椿對山西省各地級市2005—2015年間的城鎮(zhèn)化、生態(tài)環(huán)境、旅游產業(yè)及其時空演變規(guī)律進行分析與評價[6];安瓦爾·買買提明等以南疆為例，探究城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的耦合發(fā)展規(guī)律[7];許宏等對云南省的區(qū)域城市化與生態(tài)環(huán)境耦合規(guī)律及協(xié)調發(fā)展進行研究[8];嚴俊霞等在對城市化綜合發(fā)展水平與生態(tài)環(huán)境質量分析的基礎上，建立了城市化發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調度模型[9];武珊珊等從城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境的內涵特征入手，對快速城市化時期的山東省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展進行研究[10];張夢薇從城鎮(zhèn)化水平和城鎮(zhèn)化質量協(xié)調發(fā)展的角度，對河南省的城鎮(zhèn)化發(fā)展協(xié)調狀況和演變規(guī)律進行探討[11];楊偉紅等使用耦合協(xié)調模型對河南省城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境發(fā)展進行評價分析[12];方創(chuàng)琳等認為，城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境具有交互影響作用[13]。以上學者的研究重點已經(jīng)從研究城市發(fā)展中面臨的環(huán)境問題，轉移到如何協(xié)調城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境關系上來，開始運用耦合機制研究城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境之間的關系。

河南省是傳統(tǒng)農業(yè)大省[14]，農業(yè)人口基數(shù)大，城鎮(zhèn)化水平總體偏低，居全國第28位，近10年來，城鎮(zhèn)化水平迅速提高，但也出現(xiàn)了大量的“城市病”，城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調發(fā)展面臨巨大的挑戰(zhàn)。本研究以河南省近10年的經(jīng)濟社會指標為依據(jù)，借助耦合協(xié)調模型和空間分異方法，探討飛速發(fā)展的城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境之間的協(xié)調程度與演變規(guī)律，以期為推進河南省“十三五”時期城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調發(fā)展戰(zhàn)略提供參考。

1?數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1?研究區(qū)域

河南省位于中國中東部、黃河中下游，介于 31°23′～36°22′N、110°21′～116°39′E之間，東西長約580 km，南北長約550 km，全省土地面積 16.7萬km2，占全國土地面積的1.74%，位居全國第17位[15]。河南省既是傳統(tǒng)的農業(yè)大省和人口大省，又是新興的經(jīng)濟大省和工業(yè)大省，是中原城市群的重要成員。2015年河南省常住人口達到9 480萬人，占全國總人口的7%，人口城鎮(zhèn)化率達到 46.85%，低于全國平均水平9.25百分點，位居全國第28位;GDP總量為37 002.16億元，位居全國第五，其中第一產業(yè)占GDP的11.38%，其總量在全國各省份中排名第二（圖1）。

1.2?數(shù)據(jù)來源

本研究分別從時間和空間角度對河南省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調發(fā)展進行探討。時間序列選取2006—2015年為研究范圍，數(shù)據(jù)來自《河南統(tǒng)計年鑒（2007—2016）》及各省轄市統(tǒng)計年鑒和統(tǒng)計公報，部分數(shù)據(jù)來《中國統(tǒng)計年鑒》。行政區(qū)劃數(shù)據(jù)主要來源于全國高程數(shù)據(jù)、全國各地市行政規(guī)劃圖、河南省高程數(shù)據(jù)和河南省行政規(guī)劃圖[16]。

1.3?研究方法

1.3.1?指標體系構建

衡量城鎮(zhèn)化水平應包括規(guī)模和質量兩大方面，但至今沒有公認的、能全面反映城市水平的適宜指標和測度方法。根據(jù)城鎮(zhèn)化的內涵和特征，參考相關研究成果，遵循針對性、科學性、可評價性及數(shù)據(jù)的可得性等原則，依據(jù)“壓 力- 狀態(tài)-響應”（pressure-state-response，PSR）模型[10]，構建河南省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境水平協(xié)調度指標體系（表1）。

1.3.2?熵權法確定權重

在指標體系評價進程中，各個指標權重的確定方法至關重要，它直接影響評價的準確性和客觀度，指標權重的確定方法主要有熵值法、層次分析法、德爾菲法和主成分分析法等[17]?；谝酝芯空叩慕?jīng)驗和該指標體系的特性，本研究采用熵權法確定所選取各個指標的權重，其步驟如下。

計算第i地市對第j指標值的比重

pij=xij∑mi=1xij。（1）

計算第j指標信息熵Ej

Ej=-1ln m ∑mi=1pij×ln pij。（2）

計算第j指標的商權wj

wj=1-Ej∑nj=1（1-Ej）。（3）

式中：xij表示第i地市對第j項指標的標準化值;m表示地市數(shù)量;n表示所選評價指標數(shù)。

1.3.3?城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)及協(xié)調發(fā)展度的計算

根據(jù)各指標的權重和標準化之后的數(shù)據(jù)計算不同地區(qū)不同年份的綜合評價得分。設城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境綜合發(fā)展水平函數(shù)分別為 f（u）、f（e）。

f（u）或f（e）=∑ni=1wi×xij。（4）

根據(jù)數(shù)學離差原理及物理學中的容量耦合（capacitive coupling）系數(shù)模型分析[18]，可測算城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)二者協(xié)調度計算公式

C=f（u）×f（e）f（u）+f（e）22k。（5）

式中：C表示耦合度，反映城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境發(fā)展水平一定的情況下，2個系統(tǒng)的耦合程度，耦合度C的取值在0～1之間，數(shù)值越大則指標間的耦合趨勢越明顯;k（k≥2）表示調節(jié)系數(shù)，用來調節(jié)評價結果的區(qū)分度，此處取k=2。

耦合度主要在判別各指標之間的耦合作用具有較強優(yōu)勢，在判別協(xié)同效應和整體功效方面會有誤差存在，即對于協(xié)調度相同的2個區(qū)域，難以說明其協(xié)調水平。為了進一步反映新型城鎮(zhèn)化之間的協(xié)調發(fā)展水平，引入?yún)f(xié)調度評價模型。

D=C×T;（6）

T=αf（u）+βf（e）。（7）

式中：D表示協(xié)調度;T表示城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境的綜合協(xié)調指數(shù);α、β分別表示待定系數(shù)。本研究認為城鎮(zhèn)化系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)是2個平行的系統(tǒng)，具有同等重要性，故取α=β=0.5。協(xié)調度D的取值在0～1之間，D值越大表示2個系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展程度越高，反之亦然。根據(jù)已有研究成果，將協(xié)調度劃分為5個類型[19]（表2）。

1.3.4?城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境差異分析

隨著不同地區(qū)發(fā)展模式的推進，為解決城市之間的差距是在擴大還是在縮小這一問題，本研究引入變異系數(shù)來表示河南省18個城市的城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展的差異。變異系數(shù)（CV）是衡量序列觀察的離散性的統(tǒng)計量[20]，它是標準差與平均值的比值，該指數(shù)可以測量地市間的差異。計算公式為

CV=σ/μ。（8）

式中：CV表示變異系數(shù);σ表示標準差;μ表示算術平均值。

2?結果與分析

2.1?河南省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境水平及其耦合協(xié)調的時序演變規(guī)律

根據(jù)指標體系和研究方法，選取河南省18個地市2006—2015年的數(shù)據(jù)，分析河南省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調發(fā)展的變化（圖2）。從綜合水平來看，河南省城鎮(zhèn)化發(fā)展整體水平和生態(tài)環(huán)境發(fā)展水平均呈現(xiàn)出明顯的上升態(tài)勢，但演變特征差異明顯。2006—2015年河南省城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境發(fā)展水平均值連年增長，城鎮(zhèn)化均值由2006年的 0.162 7 增至2015年的0.345 2;生態(tài)環(huán)境發(fā)展水平均值從0.533 1增至0.766 7，表明河南省城鎮(zhèn)化總體水平滯后于生態(tài)環(huán)境發(fā)展水平。從發(fā)展速度來看，除開封市和平頂山市外，10年來城鎮(zhèn)化的增長率（131.54%）高于生態(tài)環(huán)境的增長率（63.8%），表明河南省生態(tài)環(huán)境的建設速度滯后于城鎮(zhèn)化的發(fā)展速度。河南省的城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境發(fā)展的耦合度值在0.488 9～0.674 7 之間，協(xié)調度值在0.397 4～0.609 8范圍內，可見河南省各地市的平均協(xié)調度由中度失調衰退型向中度協(xié)調發(fā)展型轉變。10年來河南省的城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的耦合度具有明顯的波動性，但總體水平在提高，表明河南省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境交互耦合緊密性增強，同時城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境之間的協(xié)同發(fā)展作用也在增強。

由圖3可知，省會鄭州市的協(xié)調度遠高于其他地市，其他地市城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調度水平總體較低。洛陽、平頂山、新鄉(xiāng)、焦作等地市的城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調度高于省平均水平，而開封、鶴壁、濮陽、漯河、商丘、信陽、周口、駐馬店、濟源等市則低于省平均水平，其他4個地市的城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調度在省平均水平附近。2006—2015年18個地市的協(xié)調度水平整體呈增長趨勢，發(fā)展較平穩(wěn)，協(xié)調度發(fā)展由中度失調衰退型向中度協(xié)調發(fā)展型轉變。個別城市的個別年份出現(xiàn)了城鎮(zhèn)化發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調度暫時下降，包括焦作市僅在2010年有下降，信陽市在2008、2010年有明顯的下降，平頂山市在2008、2009、2011、2012年協(xié)調度有下降態(tài)勢，漯河、商丘、周口等市分別在2008、2010、2011年有下降現(xiàn)象。從數(shù)據(jù)分析來看，主要原因是個別年份這些城市的城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境年際間的增長幅度差異較大，或者出現(xiàn)個別指標下降的情況，從而導致二者的協(xié)調性變差。

為了研究河南省城鎮(zhèn)化發(fā)展區(qū)域差異的演變規(guī)律，本研究計算了2006—2015年河南省城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境之間的變異系數(shù)（圖4）。由圖4可知，河南省各地級市之間的城鎮(zhèn)化變異系數(shù)呈弱倒“N”形曲線，即先縮小（2006—2007年）、再擴大（2007—2008年）、縮小（2008—2009年）、擴大（2009—2010年）、再縮小（2010—2015年）的演變規(guī)律，城鎮(zhèn)化的差異性整體呈下降趨勢，其變異系數(shù)值由2006年的0.595 8降至2015年的0.490 6，意味著地區(qū)間城鎮(zhèn)化水平差異逐步縮小，各地市城鎮(zhèn)化相互帶動作用增強。生態(tài)環(huán)境空間差異演變軌跡呈“下臺階”形曲線，即先縮?。?006—2007）、再擴大（2007—2009年）、再縮小（2009—2011年）、又擴大（2011—2012年）、再又縮小（2012—2014年）、再增大的演變規(guī)律，整體呈下降趨勢，其變異系數(shù)由2006年的0.314 0降至2015年的0.105 9，意味著地市間生態(tài)環(huán)境差異逐步縮小，各地市的生態(tài)環(huán)境建設同步發(fā)展。城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境的耦合度變異系數(shù)呈弱倒“V”形，即先擴大（2006—2007年）、再縮小的演變規(guī)律。協(xié)調度變異系數(shù)由2006年0.295 7降至2015年的0.160 4。10年來城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境以及二者的協(xié)調度的變異系數(shù)整體均呈下降趨勢，表明河南省各地級市之間的城鎮(zhèn)化及生態(tài)環(huán)境水平差距逐步縮小，同時城鎮(zhèn)化的變異系數(shù)遠高于生態(tài)環(huán)境的變異系數(shù)，表明各地市間城鎮(zhèn)化建設的同步性強于生態(tài)環(huán)境的同步建設。

2.2?河南省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調度的空間分布規(guī)律

從河南省18個地市均值來看，依據(jù)表2的分類標準，對2006、2009、2012、2015年4個時間節(jié)點各地級市的城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調類型進行分析（圖5）。

由圖5可知，2006年城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調度處于中度協(xié)調發(fā)展型的只有省會鄭州市，為全省協(xié)調度最高的城市;洛陽、平頂山、焦作、新鄉(xiāng)等市為瀕臨失調衰退型，形成“C”形初期分布格局，依據(jù)

城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境發(fā)展水平可知，這4個地市的城鎮(zhèn)化發(fā)展與生態(tài)文明建設發(fā)展雖有同步發(fā)展，但是同步水平較低。其他13個地市處于中度失調發(fā)展階段，中度失調衰退型呈片狀分布于河南省中部偏南地區(qū)，主要是由于這些地市生態(tài)環(huán)境的發(fā)展速度滯后于城鎮(zhèn)化建設?？傮w上看，2006年18個地市的城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調水平整體為中度失調態(tài)勢，協(xié)調性較好的地市較少，地區(qū)差異較大，關聯(lián)性較弱。

2009年河南省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調度空間格局變動較明顯，呈現(xiàn)中北部較高，并形成由西北向南遞減和東北向南遞減的倒“A”形分布格局。其中，鄭州市位于中部偏北，為高度協(xié)調發(fā)展型;三門峽、濟源、洛陽、平頂山、南陽、安陽、鶴壁、新鄉(xiāng)、開封、焦作、許昌、商丘等市處于瀕臨失調發(fā)展階段，濮陽、漯河、周口、駐馬店、信陽等地市為中度失調衰退型?？偟膩砜矗?009年18個地市的城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調度在上升，但大多數(shù)地市依然處于瀕臨失調的發(fā)展態(tài)勢，協(xié)調度發(fā)展的地區(qū)差異性和均衡性有所改善。

2012年與2009年的空間格局類似，協(xié)調類型變動較小。洛陽市和焦作市發(fā)展為中度協(xié)調發(fā)展型，中度失調衰退型的地市由4個減少到2個，即為周口市和駐馬店市?？傮w而言，2012年河南省18個地市的城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調度均有提升。

2015年河南省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調度呈現(xiàn)以鄭州市為中心，向外逐漸遞減的弱星形分布空間格局。鄭州市為高度協(xié)調發(fā)展類型，開封、洛陽、平頂山、安陽、新鄉(xiāng)、南陽、焦作、信陽等市為中度協(xié)調發(fā)展型，三門峽、濟源、鶴壁、許昌、商丘、漯河、濮陽、周口市和駐馬店市為瀕臨失調衰退型?？傮w來說，截至2015年18個地級市的城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調度均有不同幅度的提升，地區(qū)差異性和均衡性縮小，表明全省的城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境的建設取得了一定成就。

從空間分布格局來看，河南省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境建設的協(xié)調度基本呈現(xiàn)“以鄭州市為中心，向四周逐級遞減”的空間分布格局，且大部分城市都處于瀕臨失調與中度協(xié)調2個階段，由此可見，當前河南省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境建設的耦合協(xié)調發(fā)展狀態(tài)不容樂觀。

3?結論

河南省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調關系復雜，涉及因素眾多，且各因素間存在大量的交互影響，因此很難確定它們之間綜合的因果關系。本研究主要根據(jù)河南省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境發(fā)展的特征，遴選出2006—2015年2個系統(tǒng)的7項16個指標，以挖掘河南省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調的時空變異特點，得出以下結論：第一，2006—2015年河南省城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境發(fā)展均呈增長趨勢，對發(fā)展水平而言，生態(tài)環(huán)境>城鎮(zhèn)化，而增長速率則是城鎮(zhèn) 化> 生態(tài)環(huán)境。第二，2006—2015年全省的城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調度在0.397 4～0.609 8之間，協(xié)調度發(fā)展由中度失調向中度協(xié)調發(fā)展，至2015年達到中度協(xié)調階段。第三，河南省18個地市的城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調發(fā)展兩極分化嚴重，鄭州市在2009年已達到高度協(xié)調發(fā)展階段，而2015年周口市和駐馬店市依然處于瀕臨失調的階段。第四，河南省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調發(fā)展水平呈現(xiàn)地域差異性，基本呈現(xiàn)“西北高、東南低”的空間分布格局，其中西北地區(qū)又呈現(xiàn)以鄭州市為中心向四周逐漸遞減態(tài)勢，且城鎮(zhèn)化地域差異性發(fā)展大于生態(tài)環(huán)境地域差異性，但兩者地市間的差異均逐步縮小。

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