珠三角地区城市化与生态环境协调发展的动态耦合分析时间： 2015-09-18信息来源：《地域研究与开发》 2013 年 第 5 期 作者：杨晶 金晶 吴泗宗 责编：wl_admin
摘要：城市化与生态环境协调发展是影响城市可持续发展的重要方面。为了总结珠三角地区城市化与生态环境协调发展的经验，以珠海市为研究对象，首先，在构建城市化与生态环境指标体系的基础上，利用主成分法综合评价珠海城市化和生态环境水平。其次，根据城市化与生态环境耦合含义和规律，引入动态耦合模型，探讨复合系统耦合度的时间变化特征。结果表明：1996-2011年，珠海市城市化与生态环境水平显著提高;耦合度的变化呈现出先大后小、再变大的“U”型形状，依据其变化特点将其划分为两个阶段。最后，通过分析耦合度变化的原因，为其他城市提供可借鉴的经验。
关键词：城市化;生态环境;协调发展;动态耦合;珠三角;珠海市
改革开放以来，珠江三角洲已经成为中国经济发展一个重要的增长极。2011年，该地区实际利用外资195.29亿美元，占全国总量的16.83%;GDP43966亿元，占广东全省的78.60%;城市化率83.10%，达到中等发达国家水平。随着城市经济活动增加，特别是外来人口和外资大量涌入，珠三角地区呈现出环境污染加剧的趋势，比如：阴霾天气急剧增多，空气质量下降，耕地大量流失，饮用水源水质污染。部分城市环境质量大幅下降和整体环境状况继续恶化，已成为制约城市发展的最大“瓶颈”[1]。
珠三角一直是我国城市化发展的“排头兵”，因此，其城市发展转型过程中城市化与生态环境协调发展的经验对中西部城市建设具有借鉴意义。在珠三角9个城市中，珠海不仅拥有100%的城市化率，而且是我国第一个获得“国际改善人居环境最佳范例奖”的城市。因此，本研究以珠海为例，引入城市化与生态环境的动态耦合模型，分析了1996-2011年二者协调发展的时间变化特征，总结了珠海实现协调发展的原因，最终为缓解城市化与生态环境之间的矛盾提供参考。
1 城市化与生态环境关系研究综述
城市化水平是衡量一个国家或地区经济发展的重要标志，它表现为城市区域的外延扩张和城市内部用地结构的重组[2]。在建设速度加快、规模不断提高的条件下，城市化与生态环境之间存在的各种胁迫进一步凸显。一方面，以消耗生态环境为成长、以资源开发为主体的现代城市化日益成为城市生态环境压力的主要原因[3]。另一方面，生态环境的“尾效”越来越突出，具体表现为土地、能源、水资源和环境污染等因素对城市可持续发展的阻尼作用[4]。
实现城市化与生态环境协调发展的问题，国内学者在20世纪80年代末就提出了生态经济协调发展论和可持续发展论[5-6]。程晓红等[7]提出城市化与生态环境协调系统是在要素的聚集与扩散、技术进步、人口素质的提升与城市文明等多种机制的共同作用下发展的。刘耀彬等[8]根据城市化与生态环境交互作用的时空规律，基于协同论的观点指出城市化与生态环境的评判标准并构建二者之间的协调模型。杨文举等[9]认为城市化与生态环境系统建设不仅具有明显的阶段性特征，它们之间的相互作用、相互关联的特点也异常明显，所以，城市化进程中的生态问题只能依靠城市化的充分发展才能得到解决。然而，在解决二者协调问题时，应注意到城市化的本质是市场化，如果过分依靠市场力量，而忽略其调节作用对“外部性”问题的失灵，那么从长远看，生态环境功能的弱化是城市化步伐推进的必然结果[10]。相反，利用经济、行政、法律等宏观调节手段可以实现城市化和生态环境良性互动[11]。
2 城市与生态环境动态耦合模型
城市化与生态环境之间存在客观的动态耦合关系，这种耦合关系可以看作一个开放、非平衡的和自组织能力的动态涨落系统[6]。因此，本研究借助于系统演化的思想建立二者之间的动态耦合模型。城市化与生态环境的变化过程都是一种非线性过程[12]，其演化方程为：
式中：x为系统;t为时间;xk为系统内部第k个要素;f为xk的非线性函数。
根据李雅普诺夫第一近似定理[13] ，(1)式在原点附近的泰勒级数展开式可以略去高次项，从而得到近似线性的系统表达式：
式中：ak为演化方程中第k个要素的影响系数。
按照(2)式可分别建立城市化与生态环境变化过程的一般函数。现在假定两系统共同构成一个复合系统，按照贝塔兰菲的一般系统理论[14]，若f(U)与f(E)为整个系统的主导部分，则系统演化方程的形式为：
式中：A为城市系统的演化方程;B为生态环境系统的演化方程;a1，a2，b1，b2为演化方程中的影响系数。
在系统(3)中，A与B是相互影响的，任何一个子系统的变化都会导致整个系统的变化，在受自身与外界影响下，两子系统演化速度为：
假定社会经济的变化和资源环境受社会经济的影响都具有周期性。在每个周期内，由于整个系统的演化速度V可以看做VA与VB的函数，因此，VA与VB比值的反正切函数α=arctan(VA/VB)，就可以确定整个系统的演化状态以及f(U)和f(E)的协调程度，一般情况下：
1)当0°<α≤45°时，系统处于协调发展阶段，城市化与生态环境相互影响，共同发展。
2)当45°<α≤90°时，生态环境开始制约城市化的发展，生态环境为了满足城市发展，表现为资源消耗的增长速度超过城市化发展速度。
3)当90°<α≤180°时，系统处于退化阶段，表现为生态环境的增长开始减速，城市发展出现倒退，整个系统为一个熵增的过程。
4)当180°<α≤360°时，经济继续负增长，直至资源环境呈现衰竭趋势，最终进入新的演化周期。
3 研究区域评价结果及分析
3.1 珠海概况
珠海市位于广东省南部，东经113°03′～114°19′、北纬21°48′～22°27′。东临珠江口海面，距香港67km，与深圳市隔海相望;西临新会市，与台山市海域相连;南接澳门半岛;北距广州市140km。1980年设立特区以来，珠海的本地生产总值、工业增加值、投资、消费、出口、城乡居民储蓄存款均以每年超过21%的速度增长。2011年，人均GDP8.97万元，居广东省第4;单位GDP能耗值为0.503t标准煤/万元，低于广东省平均水平。在《珠三角地区改革发展规划纲要(2008-2020年)》的实施下，珠海在珠江左翼城市群的中心作用将日益凸显。
3.2 城市化及生态环境综合评价指标体系
根据城市化涉及的领域、内涵和特征，按照科学性、典型性、显著性和可比性等指标选取原则，从人口、空间、经济和社会4个方面选取12个指标构建城市化的指标体系;生态环境是一个包括水、大气、土地和资源在内的、受人类活动影响的系统，可以划分为自然环境和社会环境两类，本研究在构建生态环境评价体系的11个指标偏重于社会环境及人类活动对环境的影响(表1)。
3.3 数据来源与处理
城市发展子系统中各项指标的数据来源于各年的《珠海统计年鉴》，生态环境子系统中的人均水资源量来源于各年《广东省水资源公报》，环保投资占GDP比重来源于各年《珠海市环境状况公报》，其他生态环境指标来源于各年《中国城市统计年鉴》，个别年份数据的缺失采用相邻年份值插值法补齐。
为了消除数据的数量级以及量纲的不同影响，需要对数据进行标准化处理，具体公式如下：
式中：i为年份，i=1，2，…，m;j为指标序号，j=1，2，…，n;xij为第j项指标在i年的数据;xj′=∑xij/m，表示第j项指标历年数据的平均数。
3.4 城市化和生态环境水平的综合评价
3.4.1 主成分分析的步骤。本研究运用主成分分析法对城市化发展水平和生态环境状况进行综合评价，分析步骤依次为：对原始数据进行标准化处理，消除量纲影响;根据Bartlett球形检验和KOM的显著性，判断数据是否适合做主成分分析;根据累计贡献率提取公因子，利用公因子的得分和标准化的数据得出两个指标体系中各个因子的得分并进行综合得分计算，公式如下：
式中：U为城市化综合得分;i为城市化主因子个数;λi为城市化各因子的权重;Ui为城市化各主因子;E为生态环境综合得分;j为生态环境主因子个数;μj为生态环境各因子的权重;Ej为生态环境各主因子。
3.4.2 城市化与生态环境水平综合评价。珠海市城市化和生态环境的指标数据均在显著性为0.05的假设下，Bartlett球形检验值均拒绝零假设，KOM值分别为0.654，0.791。因此，原始变量之间存在相关性，适合作主成分分析。根据特征根大于1且累计贡献率大于80%的原则，得出城市化水平主因子特征值为10.532，累计贡献率为87.765%;生态环境主因子的特征值为7.325，1.228，1.027，累计贡献率为87.092%。通过因子得分和公式(6)可得：珠海城市化总得分.f(U)=0.88U1，生态环境总得分f(E)=0.67 E1+0.11E2+0.09 E3，具体计算结果如表2所示。从表中的综合得分可知，1996-2011年珠海的城市化与生态环境水平逐年提高。
3.5 耦合演变轨迹的综合评估
为真实反映珠海市城市化综合得分的“S”形增长和环境综合得分的波动式增长，分别对这两组数据进行非线性拟合，得到珠海的城市化发展曲线和生态环境曲线：
分别对A和B求时问t的导数，得到珠海的复合系统演化方程：
根据公式(7)，分别计算1996-2011年的VA，VB，tanα以及耦合度α的值，具体数据如表3所示。
3.6 耦合时间变化特征
为了更清楚地反映珠海城市化与生态环境耦合在时空发展阶段上的特点，根据表3绘出动态耦合演化曲线(图1)。从图1看出，珠海1996-2011年间的耦合度变化呈现由大小、再由小到大的“U”型形状。耦合度在33.94°～66.88°之间，且表现出明显的波动性，一方面表明城市化与生态环境交互耦合的紧密性，另一方面也说明了在珠海市经济发展的不同阶段城市化与生态环境耦合的强度和协调程度存在明显差别。
首先，依据波动性特点可以将其耦合曲线大致分为两个阶段：①1996-2003年为第一阶段，是城市化与生态环境耦合度的下降时期。1996年以来，珠海市坚持“花园式海滨工业商贸城市或高科技城市”的城市定位。从1996年首届中国国际航空航天博览会到2003年广东省第一家由高校和企业自发组建的集成电路产学研基地，珠海市政府为了保持自然环境优势，一直把发展高新技术企业和技术含量高的企业作为重点，并抑制重工业发展。同时，在“先基础设施建设后生产发展”的思路下，大规模的基础设施投资影响了工业投资，限制了大工业的发展规模。因此，城市化水平提高的同时，该市生态环境通过自身反馈使其与城市化的协调程度不断加强，其耦合度逐渐变小。②2004-2011年为第二阶段，是城市化与生态环境耦合度的上升时期。2004年广东省制定的《珠江三角洲城镇群协调发展规划(2004-2020)》明确指出，为提高珠江三角洲整体发展水平，承载产业的转移和刺激新产业的诞生，要充分利用珠海的地理位置、珠澳关系、资源环境条件，强化珠海的区域性副中心城市功能，加快产业要素聚集。在“工业西进、城市西拓”战略下，珠海陆续建设临港、新青科技等工业园区，重点打造电子信息制造、家电制造、重化工、打印耗材以及航空等产业。尽管园区远离市区，但产能扩大以及低成本燃料带来的污染问题，使得城市化与生态环境耦合强度逐渐加大，且协调性有下降的趋势。根据耦合度演变态势可知，在经济体量逐渐扩大的情况下，如何继续保持城市与生态环境的协调发展将是珠海市未来城市建设的中心任务。
其次，珠海在1999-2008年间耦合度低于45°，即城市化与生态环境在10年内一直处于协调发展的状态。这不仅取决于城市发展与产业规划间的相互作用，而且与配套政策有关，主要包括：①人口政策。在探索“人均发展模式”的过程中，珠海市政府制定了“人均首位”的发展目标。为此，政府取消购房入户政策，控制城市人口数量，同时引进紧缺技工工种、拥有国家中级以上职业资格证书的优秀农民工和高新技术人才，优化人口结构。②多渠道增加环境保护投入。一方面出台政府资金管理办法、制定园区基础设施投融资方案、启动建设资金补助机制、合理调整收费标准、全面加强统筹协调;另一方面利用资本市场发展环保产业，扩大环保产业投资和融资渠道，广泛吸收国内外的社会资金投向环境保护，优化设施运行效率，提高工业治理投资。
4 结论
城市化与生态环境耦合不仅表现在各个系统要素之间相互作用的复杂性和非线性，而且还体现出时间演变的阶段性和规律性。本研究在构建综合评价指标体系的基础上，利用动态耦合模型分析了珠海市城市化与生态环境的协调状况，得出如下结论。
1)1996-2011年，珠海市城市化发展与生态环境均有稳步提高，并且两系统存在着明显的耦合互动发展关系。
2)城市化与生态环境的耦合在时序上表现出先松弛、后紧密、再协调的发展过程。通过对珠海市城市化与生态环境耦合度实证分析表明，1996-2011年间系统的耦合度变化基本呈现出一个较为完整的“U”型形状。依据其变化特点并结合经济发展阶段和城市发展阶段将其划分为两个阶段，前阶段是城市化与生态环境耦合度的下降时期，后阶段是耦合再次走向拮抗时期。城市化与生态环境耦合阶段性和波动性特点是政府政策、经济发展、基础设施建设和生态环境反馈等综合作用的反映。
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国家发改委国土开发与地区经济研究所 编发：王立