1 引言(Introduction)

城市化的外在特征是劳动力、资源和产业快速集聚, 空间快速扩张, 同时一系列生态环境问题也应运而生(罗媞等, 2014).前联合国秘书长沃利·恩道认为“城市化充满了希望, 但也可能带来灾难, 我们的未来取决于当下的行动”(Habitat, 1996).城市化的持续发展需要生态环境要素的支撑, 生态环境的保护与改善则以较高的城市化水平为保障.2016年我国城市化率达到57.3%(国家统计局, 2016), 优美的生态环境和较高的城市化水平都是居民对美好生活的需求, 因此, 城市化与生态环境的协调发展也成为城市化进程中一个永恒的主题.

耦合是指两个或两个以上体系或运动形式相互作用而彼此影响的现象(黄金川, 2003).自2003年我国学者黄金川将物理学中的系统耦合概念引入城市化与生态环境关系研究中以来, 这方面的研究成果呈现出内容上的多维性特征、方法上的多元化特征和研究对象上的区域性特征(罗媞等, 2014).城市化与生态环境的相互影响主要表现在城市化对生态环境的胁迫和生态环境对城市化的约束两个方面(张理茜等, 2010；李杨帆等, 2007).研究表明, 城市化与生态环境之间存在一定的耦合关系(王少剑等, 2015), 它们是一对互为耦合的时空函数关系式(孙平军, 2014), 且耦合关系呈现一个开放的、非线性的和自组织能力的动态涨落态势(黄金川, 2003；方创琳等, 2017).有学者研究了它们之间相互作用的理论关系、互动效应及城市化对生态环境的胁迫效应和交互耦合关系等(Wang et al., 2014；Fang et al., 2017)；也有学者从城市化系统和生态环境系统的构成要素角度来构建城市化与生态环境系统耦合综合评价指标体系, 并运用协同学、系统动力学等原理构建耦合度模型(刘耀彬等, 2005)；研究方法主要包括系统分析、“3S”技术、数理统计分析和数学模型等(王少剑等, 2015；Kijima et al., 2010；林燕芬等, 2011), 如有学者采用交互胁迫模型(Wang et al., 2014)、双指数模型(Zhao et al., 2016)和耦合协调模型(乔标等, 2005)等研究了城市化与生态环境之间的非线性关系(乔标等, 2006)；在城市化与相关的生态因子关系上也有许多深入的探索与分析, 如水资源利用(Bao et al., 2007)、碳排放(Zhu et al., 2012)、土地利用与植被覆盖类型(Chan et al., 2001)、耕地安全水平(陆文勋等, 2017)和生态系统评价(Zhao et al., 2014)等；研究对象范围涉及国家层面、城市群及特定地级市, 宏观尺度主要有全球范围、欧美国家、中国等国家和地区, 中观尺度有省级、大城市群等(Zhao et al., 2017;刘耀彬等, 2005；汤青等, 2010).但目前仍存在理论基础薄弱、定量评价指标体系缺乏及研究的滞后性和被动性等问题(罗媞等, 2014).

杭州市继成功举办了2016年G20峰会后又将迎来2022年的亚运会, 在长江三角洲经济发展格局中有举足轻重的地位, 宜居、宜游、宜业的城市化升级工作也在紧锣密鼓地展开.在这样的时代契机下, 人口、经济和生态品质交互影响是一个需要探讨和研究的重要课题.因此, 本文拟通过探讨杭州市城市化与生态环境交互耦合中的胁迫、约束和彼此影响, 识别两者之间的耦合规律与演进机制, 以期为找出推进两者优势互补、良性互动和共同发展的途径提供科学支撑.

2 数据与方法(Data and methods) 2.1 研究区域

杭州市位于中国东南沿海地区, 是浙江省省会城市、副省级市, 市区中心地理坐标为北纬30°16′、东经120°12′(图 1).同时, 杭州地处杭嘉湖平原与浙西丘陵山地的交接地带, 地形与山水要素优势明显, “三江两湖”穿城环绕, 自然景观与人文景观资源禀赋, 生态多样性丰富, 生态环境状况总体良好.截止2016年底, 杭州市总面积为16596 km², 常住人口918.8万人, 国内生产总值达11313.72亿元, 位列全国百强城市第十.同时, 杭州拥有西湖国家级风景名胜区、京杭大运河世界文化遗产, 以及阿里巴巴、网易等知名企业.据统计, 杭州市的城镇人口比重由2000年的36.52%增长到2016年的63.72%, 年均增长率为1.73%.2016年G20峰会后, 杭州市旅游总人数增长了1677万人次, 较2015年增加了14%(杭州市统计局, 2016).

2.2 数据来源及预处理

本文研究数据来源于《中国统计年鉴》(国家统计局, 2003—2016)、《中国城市统计年鉴》(国家统计局, 2003—2016)、《杭州统计年鉴》(国家统计局, 2003—2016)和2003—2016年的《杭州市环境状况公报》、《杭州市国民经济与社会发展统计公报》等.由于各指标的量纲、数量级及指标的正负取向均有差异, 需对数据进行标准化处理.正、负向指标的无量纲化计算公式分别如式(1)和(2)所示.

(1)

(2)

式中, i为年份, j为指标序号, X_ij为原始值, r_ij⁺或r_ij^-为标准化值, max(X_j)和min(X_j)分别表示指标j在研究年份中的最大值和最小值.经标准化处理后, 所有指标值均在[0, 1]范围内.

2.3 研究方法 2.3.1 城市化与生态环境评价指标筛选

采用指标法评价城市化及生态环境效应, 因此, 构建指标体系是一项基础性工作.指标筛选主要依据以下几个原则(曹利军等, 1998)：①科学性原则.城市化和生态环境系统涵盖较广, 结构复杂, 要求指标内涵和导向清晰, 能够明确反映对象的主要状态与特征.②系统性及全面性原则.涵盖城市化和生态环境各组成部分, 指标体系需大小适宜, 过大会因为层次较多而不利于揭示主要矛盾, 过小将无法反映系统的全貌.将城市化体系细分为人口、经济、空间和社会4个层面, 指标构建时充分考虑各要素的系统性, 人口层面指标包括人口结构、人口规模；经济层面指标包括经济结构和经济效益；空间层面指标涉及到空间规模和空间利用率, 其中包括地上空间和地下空间；社会层面指标包括科教文体和交通、医疗等.③独立性原则.避免指标间存在信息的重叠, 尽可能选取具有相对独立性的指标.④可行性原则.指标体系应简明清晰、便于收集、易于理解和传播, 具有可测性和可比性.指标大多选取自统计年鉴和统计公报, 数据可追溯、能对比.⑤代表性原则.在系统性的基础上, 结合杭州的实际情况, 选择具有代表性的、引用频度较高的综合指标和特色指标.近年来, 杭州在城市国际化方面迈出了新步伐, 入境旅游人数、旅游外汇收入均列全国副省级城市前三位, 为此在经济城市化一级指标中引入旅游相关的特色指标.⑥政策时代性.指标的选取应有政策的时代性, 根据当下政策的方向有所侧重.鉴于环境管理政策由“总量控制”向“总量、质量双控”升级, 生态环境指标中应包括总量控制指标和环境质量指标相关内容.通过相关分析和显著性检验并依据重复指标的合并原则, 保留具有代表性的综合指标, 对指标体系进行剔除遴选后最终形成由人口城市化、经济城市化、空间城市化和社会城市化4个一级指标和非农业人口占总人口比重、人均GDP、每万人拥有建成区面积和城镇居民人均可支配收入等20个基础指标组成的城市化系统指标体系(表 1).根据PSR概念, 构建了由生态环境压力-生态环境水平-生态环境响应3个一级指标和工业废水排放量、园林绿地面积和污水集中处理率等17个基础指标组成的生态环境系统指标体系(表 2).

2.3.2 熵值法确定指标权重

本文使用熵值法确定权重, 以消除确定权重过程中人为主观因素的影响(He et al., 2017;陈明星等, 2009).根据标准化处理后数据, 对基础指标进行权重计算.第i年第j项指标的权重(w_ij)按公式(3)计算, 第j项指标的熵值(e_j)按公式(4)计算, 第j项指标的差异系数, 即冗余系数(f_j)按公式(5)计算, 则第j项指标的权重(w_j)按公式(6)计算.其中, n为指标数, m为评价年数.

(3)

(4)

(5)

(6)

由此计算得到城市化指标体系和生态环境指标体系中各项基础指标的权重, 一级指标的权重(w)由其所属的基础指标权重(w_j)相加所得, 结果见表 1和表 2.

2.3.3 综合评价模型

在取得各项指标权重后, 结合指标的标准化值, 构建如下综合评价模型：基础指标的综合发展水平Y_ij(式(7))、一级指标的综合发展水平Y_i(式(8))、子系统的综合发展水平Y(式(9)).

(7)

(8)

(9)

式中, i为年份, j为城市化(或生态环境)系统的指标序号, r_ij为城市化(或生态环境)系统中指标的标准化值, w_j为指标的权重, n为一级指标下基础指标数量, m为子系统中一级指标数量.由此计算出的城市化(或生态环境)综合发展水平越高, 则表明城市化(或生态环境)状况越好；反之, 则城市化(或生态环境)状况越差.

2.3.4 耦合协调度模型

耦合度是描述系统或系统要素相互作用的程度(Li et al., 2012), 耦合作用及其协调程度决定了系统在达到临界区域时走向何种序与结构, 即决定了系统由无序走向有序过程中系统相变的特征与规律.本文中的城市化与生态环境耦合度模型由耦合度模型与耦合协调度模型两部分组成.

借鉴物理学中的容量耦合概念及选用容量耦合系数模型, 演绎得到的城市化与生态环境的耦合度函数(刘耀彬等, 2005；张明斗等, 2014)如下：

(10)

式中, C为城市化子系统与生态环境子系统耦合的耦合度值, C∈[0, 1], 当C=0时, 耦合度极小, 系统之间或系统内部要素之间处于无关状态, 系统将向无序发展；当C=1时, 耦合度最大, 系统之间或系统内部要素之间达到良性共振耦合, 系统将趋向新的有序结构；f(U)为城市化系统综合发展水平；g(E)为生态环境系统综合发展水平.

为判别不同时段或区域城市化与生态环境耦合协调程度的高低, 建立的城市化与生态环境的耦合协调度模型为：

(11)

(12)

式中, D为城市化与生态环境的耦合协调度, T代表城市化与生态环境的综合协调指数, α和β分别代表城市化和生态环境对综合系统的贡献份额(陈明星等, 2009).

根据耦合协调度D及城市化子系统f(U)和生态环境子系统g(E)的大小, 同时参考耦合协调类型的划分, 将城市化与生态环境的耦合类型分为3个大类、4个亚类型、12个子类型(表 3)来描述f(U)和g(E)之间的耦合关系(Li et al., 2012).

3 结果与讨论(Results and discussion)

城市化与生态环境的系统耦合实质上是在城市化进程中城市系统与生态环境系统之间及系统内部各要素之间动态的相互作用与影响.

3.1 城市化与生态环境综合发展水平分析

对表 1中城市化子系统一级指标的人口城市化、经济城市化、空间城市化和社会城市化按权重值由大到小排序, 即：经济城市化(0.351)>社会城市化(0.277)>空间城市化(0.253)>人口城市化(0.119).显然, 自2003年以来杭州市的城市化水平持续提升, 经济城市化的贡献总量最高, 这符合城市化与经济发展之间相关性非常强的基本规律, 经济发展是杭州城市化的根基, 决定了杭州城市化的综合水平.在城市化子系统的20项基础指标体系中, 贡献份额较大的基础指标有4个, 依次为：第三产业产值占GDP比重(0.141)、科技发展经费支出(0.068)、旅游总收入(0.066)、人均社会消费品零售额(0.066), 这4个基础指标中有3个属于经济城市化一级指标.综合来看, 20%的指标数对城市化的贡献总量达到34.1%.第三产业产值占GDP比重对杭州城市化水平的贡献总量最大, 这归功于杭州市自2006年开始实施“腾笼换鸟”、“退二进三”战略, 加快推进了产业结构调整, 三产结构比例由2003年的6.1%:51.6%:42.3%调整为2016年的2.8%:36.0%:61.2%.2008年美国金融危机后, 世界经济步入调整, 杭州市抓住机遇, 发挥互联网和旅游业的特色资源, 促进产业竞争力增强.杭州“三面云山一面城”的城市空间格局较为特殊, 城市化推进过程中空间急剧扩张, 中心城区负荷较重, 人口与空间资源不协调, 导致空间城市化与人口城市化贡献率较低.政府机构和城市规划研究者在制定城市发展政策时应该更加关注第三产业发展, 促进城市主导产业交替、升级, 提升传统优势产业, 大力发展旅游业和高新技术产业, 明确城市主导功能.对城市的人口规模、产业用地规模设限, 以协调人地关系, 控制城市环境开发容量, 保证城市良好的生态环境和城市形态.

如表 2所示, 生态环境压力(0.461)在生态环境系统中所占权重最大, 其次是生态环境水平(0.323)和生态环境响应(0.216).基础指标中市区空气质量优良天数比例(0.091)、工业二氧化硫排放量(0.086)、工业废水排放量(0.079)、工业废水中COD排放量(0.071)、市区生活垃圾产生量(0.071)对生态环境子系统具有较高的贡献份额, 占总体影响的39.8%.总体而言, 生态环境压力和生态环境水平是影响生态环境系统发展的重要因素.由此可见, 人类在经济和社会活动中进行资源消耗、物质消费和污染物排放对生态环境造成了很大影响, 从而引发环境状态变化.其中, 市区空气质量优良天数比例是所有基础指标中具有最大影响力的指标, 其次是工业二氧化硫排放量.杭州三面环山, 低空逆温发生频率高, 大气扩散条件差, 另外, 近年来城市化和交通运输产业的迅速发展, 导致化石燃料的消耗量增大(何利松等, 2014), 使得大气污染物排放增加, 灰霾现象频发, 空气质量情况不容乐观.这一发现表明对城市大气污染防治、工业污染物排放管控和末端控制的重要性, 应加强对污染物排放和环境准入的控制, 从生产末端倒逼生产全过程的清洁化和绿色化, 改善大气环境质量.

图 2展示了杭州市在2003—2016年间城市化综合水平和各个层面城市化水平的演变趋势.整个研究期间杭州城市化综合水平一直保持着上升趋势, 从各个层面来看, 除人口城市化之外, 经济、空间和社会城市化在2003—2016年保持增长态势.具体来看, 经济城市化水平曲线增长幅度最大, 这也从侧面印证了经济城市化对城市化综合水平的贡献份额最高；其次是社会城市化和空间城市化, 曲线一直处于上升趋势；人口城市化水平整体发展缓慢, 2012年有明显降低, 原因是在人口层面中人口密度在2012年剧增, 而人口密度指标对于城市化发展的贡献是负向的, 因而对城市化水平的负面影响较大.杭州市区在2000年仅有683 km²的面积, 是当时全国省会城市中地域最小的城市.杭州历来以山水环绕、如诗如画著称, 但因局促的旧城市格局与现代化大都市的发展之间存在矛盾, 城市的建设发展空间狭窄, 城市整体规划与城市化建设推进陷入被动局面.2001年3月, 经国务院批准, 杭州的行政区划中正式将萧山、余杭两个县级市撤市建区, 并入杭州市区, 杭州市区面积由2000年的683 km²扩大到3068 km², 人口从179万增加到393万, 在经济总量、土地面积和人口规模上注入新活力, 成为长江三角洲仅次于上海的第二大城市, 也为杭州在新世纪的城市化发展中奠定了基础.此后, 杭州确立了“城市东扩、旅游西进, 沿江开发、跨江发展”的空间布局, 城市功能重新布局, 城市化建设加快实施, 空间结构优化重组, 基础设施建设加快步伐, 城市管理模式升级, 整个城市化发展在加速推进.

图 3是杭州市在2003—2016年间生态环境综合水平及其各层面的变化趋势.生态环境综合水平在整体上呈现出波动性上升的趋势, 其中, 2003—2004年明显上升, 2005年陡然下降, 2005—2012年曲线保持上升趋势, 在2013年有大幅下降, 之后又缓慢上升.生态环境压力水平波动幅度较大, 2003—2005年持续下降, 2005年出现拐点, 在此之后大致呈“S”型曲线波动上升.生态环境水平曲线在2003—2012年波动上升, 2013年急剧下降, 2013—2016年呈直线式增长.生态环境响应水平的变化趋势大致呈倒“U”型, 先上升后缓慢下降, 在2009年达到最大值.杭州市江河纵横、湖泊密布、山水相融, 生态系统类型多样, 生态环境基础良好.从2002年开始, 以“西湖综合保护工程”为核心的生态环境整治工作全面铺开, 重建了180多处自然和人文景观, 恢复西湖面积0.9 km², 另外, 湖滨地区统筹改造、环湖绿道建设等工程的大力推进, 让杭州市生态环境容貌焕然一新.2012年上半年国家出台新的环境空气质量标准(GB 3095—2012), 空气质量评价结果也相应变化, 由于滞后性效应, 生态环境综合水平在2013年陡然下降.2014之后生态环境综合水平逐步提升, 这一变化与杭州的发展政策密切相关, 2013年杭州市通过了建设“美丽杭州”的决议, 坚持“绿水青山就金山银山”的思想, 在美丽中国建设的实践中探索出了杭州经验, 大幅提升了生态环境的综合水平.

3.2 不同类型下城市化与生态环境系统的耦合结果

根据城市化子系统与生态环境子系统所占份额不同(α=1/3, β=2/3；α=1/2, β=1/2；α= 2/3, β=1/3), 将城市化与生态环境的耦合情况分为3种类型, 以探求不同类型下城市化和生态环境两个子系统对城市化和生态环境耦合协调度的影响.以表 3中对城市化与生态环境耦合协调类型划分为依据, 绘制了杭州市2003—2016年不同类型下城市化与生态环境的耦合类型的演变过程.如图 6所示, 杭州市城市化与生态环境的耦合协调关系整体上从2003年的“基本不协调-城市化滞后”阶段发展到2016年的“高度协调-生态环境滞后”状态.如图 5所示, 杭州市2003—2016年3种不同类型下的耦合结果大体是一致的, 仅数值上有所差异.由此看出，城市化子系统和生态环境子系统的权重高低对整个系统的耦合协调度的结果影响不大.对比图 4、图 5可知, 耦合协调度曲线与城市化和生态环境综合水平变化曲线的走势类似, 由此可见, 子系统的综合发展水平对不同类型下总系统的耦合结果影响较大.

如图 5所示, 杭州市2003—2016年城市化与生态环境耦合协调度的走势呈上升趋势, 大致形成“S”型曲线.根据耦合协调度的变化趋势, 结合城市化和生态环境综合水平的发展情况(图 4)和耦合类型的演变过程(图 6)分析了耦合系统发展的4个阶段.

1) 2003—2005年, 这个时期城市化与生态环境的耦合协调度保持增长.根据图 6中耦合协调类型发展阶段的分类, 耦合程度维持在“基本不协调-城市化滞后”阶段.在此期间, 生态环境子系统的综合水平高于城市化子系统综合水平, 变化趋势为先升后降, 而城市化综合水平持续增长, 增长幅度较大.这一发现表明, 该时期杭州市城市化与生态环境的耦合关系是不协调的, 城市化的发展滞后于生态环境, 并对彼此关系产生不利影响.21世纪初期, 杭州正处于以“增长第一”单向工业化目标的经济发展转向可持续型全面发展新模式的过渡时期, 以城市化发展为重心, 忽略了城市化与生态环境之间的协调关系.

2) 2005—2008年, 城市化与生态环境两个子系统的综合发展水平持续提升, 其系统耦合协调度也呈上升态势.耦合协调类型从“基本不协调-城市化滞后”转变为“基本协调-城市化滞后”阶段.这一时期城市化发展水平相对滞后于生态环境发展水平, 城市化与生态环境的耦合关系整体上趋向良好方向发展.

3) 2008—2012年, 这一时期系统的耦合协调程度出现跨层次的变化, 逐步从“基本协调-城市化滞后”阶段过渡到“高度协调”阶段, 最终迈入“高度协调-城市化滞后”的发展阶段.城市化子系统和生态环境子系统在这一时期的综合水平同步增长, 城市化子系统的发展速度较快，两者的耦合协调关系不稳定, 但2010年之后整体来看, 城市化与生态环境的耦合协调关系步入到高度协调发展的轨道.

4) 2012—2016年, 系统耦合发展类型变化较大, 由“高度协调-城市化滞后”阶段过渡到“高度协调”阶段, 然后发展到“高度协调-生态环境滞后”阶段.在此期间, 城市化子系统持续高速发展, 而生态环境综合发展水平先下降后上升, 在2013年后明显低于城市化发展水平.作为2016年G20峰会的主办城市, 在筹备期间加快了杭州城市基础设施建设, 改善了城市面貌, 促进城市化发展水平迈上新台阶, 但生态环境水平的发展相对滞后, 两者耦合协调关系有待进一步提高.

4 结论(Conclusions)

1) 研究期间, 在城市化子系统和生态环境子系统占比最大的一级指标分别是市经济城市化(0.351)和生态环境压力(0.461)；在城市化子系统中处于占比最大方阵的指标有4个, 即第三产业产值占GDP比重(0.141)、科技发展经费支出(0.068)、旅游总收入(0.066)、人均社会消费品零售额(0.066)；生态环境子系统中处于占比最大方阵的指标有5个, 即市区空气质量优良天数比例(0.091)、工业二氧化硫排放量(0.086)、工业废水排放量(0.079)、工业废水中COD排放量(0.071)、市区生活垃圾产生量(0.071).

2) 城市化综合水平与生态环境综合水平的变化曲线走势整体相似, 即二者是基本同步协同发展；采用耦合协调度模型测算得出城市化与生态环境的耦合协调度, 发现在3种不同贡献份额时所算出得的耦合协调度变化趋势基本趋同, 即耦合协调度的变化趋势受城市化子系统和生态环境子系统贡献份额比例(α/β)的影响较小, 而受两个子系统的综合发展水平的影响较大.

3) 在研究的14年间, 前7年杭州市城市化与生态环境的耦合协调类型由“基本不协调-城市化滞后”发展到“基本协调-城市化滞后”；后7年均步入“高度协调”, 从“高度协调-城市化滞后”发展到“高度协调-生态环境滞后”.即随着经济水平的发展, 人们对环境质量的要求在提高, 国家环境质量标准的适时调整, 使生态环境滞后的问题凸显.

在城市化快速发展的驱动下, 杭州市的生态环境也得到了相应的快速改善, 人们对美好生活的需求, 不仅有丰富的物质需求, 也有优质生态环境质量的需求.为此, 在环境质量标准日益趋严的态势下, 为保持杭州城市化发展与生态环境之间的协同发展, 在城市管理决策时, 应强化政府宏观调控, 一方面加快推进经济产业结构升级和城市空间布局转型, 大力发展绿色经济, 科学规划土地空间资源.另一方面要加大生态环境治理、重抓生态环境质量改善, 在加快城市基础设施建设中(为迎接2022年的亚运会), 重抓大气污染的综合防治, 降低区域内污染负荷, 打赢蓝天保卫战.同时，推进相关环境标准的修订, 从严治理环境.最后，弘扬生态旅游理念, 倡导绿色生活方式, 打造文明和谐的生态城市.