陳 菁 林秀春 徐永輝

基于圖譜分析的福建省生態(tài)環(huán)境與城市化耦合關(guān)系研究*

陳 菁 林秀春 徐永輝

莆田學(xué)院環(huán)境與生命科學(xué)系

根據(jù)福建省城市化和生態(tài)環(huán)境的特征，分別從人口城市化、經(jīng)濟(jì)城市化、社會(huì)城市化、空間城市化和生態(tài)環(huán)境水平、生態(tài)環(huán)境壓力、生態(tài)環(huán)境保護(hù)共7個(gè)方面進(jìn)行福建省生態(tài)環(huán)境與城市化耦合指標(biāo)體系的構(gòu)建。利用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，建立耦合度和耦合協(xié)調(diào)度模型，對(duì)福建省生態(tài)環(huán)境與城市化耦合關(guān)系進(jìn)行定量分析，以地學(xué)信息圖譜的方法進(jìn)行圖譜分析。研究結(jié)果表明：(1)福建省的市轄區(qū)的耦合度優(yōu)良而下屬的縣區(qū)情況比較差，區(qū)域間的不平衡發(fā)展明顯；(2)福建省的城市化和生態(tài)環(huán)境交互耦合的時(shí)序基本處于頡頏時(shí)期，但耦合度明顯存在地域差異；(3)福建省生態(tài)環(huán)境與城市化耦合關(guān)系比較好，協(xié)調(diào)度比較高，以中強(qiáng)度中協(xié)調(diào)的地區(qū)居多，低強(qiáng)度低協(xié)調(diào)的地區(qū)比較少，生態(tài)環(huán)境和城市化的整體協(xié)同效應(yīng)比較好。

生態(tài)環(huán)境 城市化 耦合 地學(xué)信息圖譜 福建省

城市化是指人口向城市地區(qū)集中和農(nóng)村地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘械貐^(qū)的過程[1]。城市化具有多維涵義，它主要包括人口遷移、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、空間擴(kuò)張和生活提高之間互相聯(lián)系、互相促進(jìn)。其中，經(jīng)濟(jì)發(fā)展是基礎(chǔ)，人口遷移和地域擴(kuò)張是表現(xiàn)，生活水平提高是最終結(jié)果或目標(biāo)[2]。而生態(tài)環(huán)境是指與生物體相互作用的資源環(huán)境或與生物體進(jìn)行物質(zhì)能量流動(dòng)眾多因素的集合[3]。根據(jù)生態(tài)環(huán)境諸要素對(duì)城市化的不同作用，可將生態(tài)環(huán)境劃分為生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀、生態(tài)環(huán)境壓力和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。城市化與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系就是城市化中的人口、經(jīng)濟(jì)、空間和社會(huì)城市化的4個(gè)方面與生態(tài)環(huán)境的3個(gè)子環(huán)境之間的相互作用、相互耦合中形成的。城市化與生態(tài)環(huán)境是一種相互作用、交互耦合的關(guān)系。其人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源能源消耗和城市的地域擴(kuò)張都對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生脅迫作用，而另一方面，生態(tài)環(huán)境通過環(huán)境選擇、人口遷移、資金分配、政策制度影響和環(huán)境變化等都對(duì)城市化的進(jìn)程產(chǎn)生約束作用。

地學(xué)信息圖譜是進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，由著名地理學(xué)家陳述彭等首次提出，是中國(guó)科學(xué)家首創(chuàng)的一種新概念和新方法[4-6]。地學(xué)信息圖譜是按照一定指標(biāo)遞變規(guī)律或分類規(guī)律排列的一組能夠反映地球科學(xué)時(shí)空信息規(guī)律的數(shù)字形式的地圖、圖表、曲線或圖象[7]。運(yùn)用城市化和生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的大量數(shù)字信息，經(jīng)過圖形思維與抽象概括，并以計(jì)算機(jī)多維動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)，顯示城市化和生態(tài)環(huán)境耦合的空間形態(tài)結(jié)構(gòu)與時(shí)空變化規(guī)律[8-9]。本文主要通過城市化與生態(tài)環(huán)境耦合關(guān)系的研究，結(jié)合地學(xué)信息圖譜的方法論，利用耦合度和耦合協(xié)調(diào)度模型，對(duì)城市化和生態(tài)環(huán)境之間的耦合關(guān)系進(jìn)行定量分析，以圖譜的形式來表達(dá)二者之間的耦合關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

福建省地處中國(guó)東南部，陸域介于北緯23°30′至28°22′，東經(jīng)115°50′至120°40′之間，氣候溫和，雨量充沛，擁有豐富的自然資源。福建省人均土地資源和耕地面積遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水平，人地矛盾突出。近十年來，土地利用/土地覆蓋結(jié)構(gòu)變化劇烈，耕地面積銳減，居民點(diǎn)和工礦用地和園地迅速擴(kuò)大，交通用地顯著增加，未利用地大面積開發(fā)，土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整余地十分狹小。福建地表水資源比較豐富，但時(shí)空差異較大，洪澇干旱災(zāi)害頻繁發(fā)生，沿海水資源供需平衡矛盾突出，對(duì)局部生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定壓力。

福建省城市化水平存在明顯的區(qū)域差異。首先，最主要的差異體現(xiàn)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展總體水平的差異，閩東南沿海地區(qū)和內(nèi)地沿主要交通干線地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平普遍高于閩西北、閩東北欠發(fā)達(dá)地區(qū)。其次，進(jìn)一步的差異主要體現(xiàn)為 “人口城市化水平”和“城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)”的差異。在工業(yè)化基礎(chǔ)較好的地區(qū)，第三產(chǎn)業(yè)興旺發(fā)達(dá)，城鎮(zhèn)體系完善，這都是城市化進(jìn)程深化的表現(xiàn)，是城市化向后城市化階段過渡的標(biāo)志，如福州市。但在一些工業(yè)基礎(chǔ)較薄弱地區(qū)，或?qū)Ｒ月糜螛I(yè)等第三產(chǎn)業(yè)為支柱產(chǎn)業(yè)的地區(qū)，盡管城市化總體水平不高，但第三產(chǎn)業(yè)與第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比卻較高，如武夷山市、寧德市，這是一種具有地方特色的城市化道路[10]。

2 福建省生態(tài)環(huán)境與城市化耦合關(guān)系模型的建立

2.1 生態(tài)環(huán)境與城市化耦合指標(biāo)體系的建立

本研究所使用的數(shù)據(jù)主要包括福建省及其各地市的2007年統(tǒng)計(jì)年鑒及統(tǒng)計(jì)公報(bào)，空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用國(guó)家1：100萬電子自然地圖集。利用SPSS 16.0軟件對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理以消除量綱的影響。由于城市化與生態(tài)環(huán)境之間存在著耦合、互動(dòng)的關(guān)系，為了揭示它們之間發(fā)展的耦合強(qiáng)度與協(xié)調(diào)程度，本著指標(biāo)選取的主導(dǎo)性、層次性、動(dòng)態(tài)性和可操作性原則，分別對(duì)區(qū)域城市化和生態(tài)環(huán)境指標(biāo)予以篩選，建立指標(biāo)體系，如表1。

采用層次分析法確定指標(biāo)體系中各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。通過幾位專家對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行的評(píng)分之后，求得評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，利用指標(biāo)矩陣R和權(quán)重計(jì)算公式⑴，通過評(píng)定各指標(biāo)的相對(duì)重要性，然后數(shù)量化確定各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重Wi。具體公式如下：

通過專家的評(píng)分和公式處理完數(shù)據(jù)后，可以得到各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。具體各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重見表1。

2.2 耦合關(guān)系模型的建立

耦合度就是描述系統(tǒng)或要素相互彼此作用影響的程度。系統(tǒng)由無序走向有序機(jī)理的關(guān)鍵在于系統(tǒng)內(nèi)部序參量之間的協(xié)同作用，它左右著系統(tǒng)相變的特征與規(guī)律，耦合度正是反映這種協(xié)同作用的度量[11]。由此，可以把城市化與生態(tài)環(huán)境兩個(gè)系統(tǒng)通過各自的耦合元素產(chǎn)生相互彼此影響的程度定義為城市—生態(tài)環(huán)境耦合度[12]，它的大小反映了對(duì)區(qū)域社會(huì)—經(jīng)濟(jì)—環(huán)境系統(tǒng)的作用強(qiáng)度和貢獻(xiàn)程度[13]。二者是一種相互作用、交互耦合的關(guān)系。本文中的城市化與生態(tài)環(huán)境耦合交互作用的模型由兩部分組成，即耦合度模型與耦合度協(xié)調(diào)度模型[14]。

2.2.1耦合度模型

借鑒物理學(xué)中的容量耦合概念及容量耦合系數(shù)模型，可以得到城市化與生態(tài)環(huán)境的耦合度函數(shù)[15]，如公式(2)、(3):

表1 福建省生態(tài)環(huán)境與城市化耦合指標(biāo)及其各層次權(quán)重分配表

2.2.2 耦合協(xié)調(diào)度模型

由于每個(gè)地區(qū)的城市化與生態(tài)環(huán)境建設(shè)得影響因素都有其交錯(cuò)復(fù)雜、變化和不均衡的特性,單純依靠耦合度判別有可能產(chǎn)生誤導(dǎo)，為此，構(gòu)造城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度函數(shù)[17]，其目的是評(píng)判區(qū)域城市化與生態(tài)環(huán)境交互耦合的協(xié)調(diào)程度，其算法如公式（4）。

3 福建省生態(tài)環(huán)境與城市化耦合關(guān)系的圖譜分析

3.1 福建省生態(tài)環(huán)境與城市化耦合關(guān)系的空間格局分析

利用耦合度和耦合協(xié)調(diào)度模型計(jì)算福建省各縣市的耦合指標(biāo)的結(jié)果如表3所示。根據(jù)表3利用地學(xué)信息圖譜的方法建立耦合度和耦合協(xié)調(diào)度的空間格局圖如圖1和圖2所示。

（1）2007年福建各個(gè)市區(qū)的城市化與生態(tài)環(huán)境交互耦合的時(shí)序基本處在頡頏時(shí)期，但耦合度明顯存在著地域差異，如圖2所示。依據(jù)大小排序?qū)Φ貐^(qū)的耦合強(qiáng)度進(jìn)行劃分，可將福建67個(gè)縣市劃分為3類：①高強(qiáng)度耦合作用地區(qū)；②低強(qiáng)度耦合作用地區(qū)；③中等耦合強(qiáng)度的其它地區(qū)。

（2）耦合協(xié)調(diào)度數(shù)值較小說明城市發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)的目標(biāo)不盡一致，相互協(xié)調(diào)程度不夠。如圖1所示，從2007年福建耦合協(xié)調(diào)度的空間分布看，不僅福建省城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)的類型存在地區(qū)差異，而且耦合協(xié)調(diào)的程度也明顯存在著地域差異，市轄區(qū)的協(xié)調(diào)發(fā)展程度普遍高于其它地區(qū)。結(jié)合耦合協(xié)調(diào)度區(qū)間劃分的標(biāo)準(zhǔn)，可以將福建省67個(gè)縣市劃分為三類：①高度協(xié)調(diào)的地區(qū)，說明城市化與生態(tài)環(huán)境同步型、較理想；②低度協(xié)調(diào)地區(qū)，說明城市化發(fā)展超前型、超過生態(tài)環(huán)境承載力閾值范圍內(nèi)；③中度協(xié)調(diào)省區(qū)，說明城市化發(fā)展滯后型、保持在環(huán)境承載力閾值內(nèi)。

表3 福建省生態(tài)環(huán)境與城市化耦合綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表

圖1 福建省生態(tài)環(huán)境與城市化耦合度空間格局圖

圖2 福建省生態(tài)環(huán)境與城市化耦合協(xié)調(diào)度空間格局圖

圖3 福建省生態(tài)環(huán)境與城市化耦合強(qiáng)度與耦合協(xié)調(diào)程度分級(jí)面積比

（3）對(duì)比圖1、圖2可得知，2007年福建省城市化與生態(tài)環(huán)境耦合強(qiáng)度與耦合協(xié)調(diào)程度在空間分布不具有對(duì)稱性，依據(jù)耦合度和耦合協(xié)調(diào)度的組合可以將67個(gè)地區(qū)劃分為8類，其分級(jí)面積比見圖3：①高強(qiáng)度耦合高水平協(xié)調(diào)發(fā)展型，主要是大部分市轄區(qū)，屬于福建省經(jīng)濟(jì)發(fā)展最高水平地區(qū)，其城市—經(jīng)濟(jì)—生態(tài)環(huán)境顯示出互相促進(jìn)，相互發(fā)展的態(tài)勢(shì)；②高強(qiáng)度耦合中等水平協(xié)調(diào)發(fā)展型，包括莆田市轄區(qū)、寧德市轄區(qū)等一些經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)區(qū)域，其城市化發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)也顯得較為和諧；③高強(qiáng)度耦合低水平協(xié)調(diào)發(fā)展型，包括永定、周寧兩地區(qū)，這兩個(gè)地區(qū)城市化水平得到迅速提高，但由于本地生態(tài)環(huán)境承載力的限制，其城市化與生態(tài)環(huán)境共同發(fā)展的協(xié)調(diào)程度很差，急需改變發(fā)展方式調(diào)整二者的發(fā)展關(guān)系；④中等強(qiáng)度耦合高水平協(xié)調(diào)發(fā)展型，包括明溪地區(qū)，城市化得到較快的提高，并且當(dāng)?shù)乇旧淼沫h(huán)境承載力較強(qiáng)。⑤中等強(qiáng)度耦合中等水平協(xié)調(diào)發(fā)展型，包括建甌、長(zhǎng)泰、華安、仙游等地區(qū)，由于這些地區(qū)城市化發(fā)展已有一定歷史基礎(chǔ)，它們的城市化與生態(tài)環(huán)境建設(shè)協(xié)調(diào)已經(jīng)處于一定適度范圍內(nèi)；⑥中等強(qiáng)度耦合低水平協(xié)調(diào)發(fā)展型，包括上杭、柘榮等地區(qū)，它們都是城市化發(fā)展基礎(chǔ)較差的地區(qū)，近年來在快速推進(jìn)城市化進(jìn)程中導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境破壞，與城市建設(shè)不協(xié)調(diào)；⑦低強(qiáng)度耦合中水平協(xié)調(diào)發(fā)展型，包括閩侯、武平、連城等地區(qū)，經(jīng)濟(jì)落后，但生態(tài)環(huán)境的建設(shè)卻有足夠的重視。⑧低強(qiáng)度耦合低水平協(xié)調(diào)發(fā)展型，包括壽寧、尤溪、清流等地區(qū)，是福建省經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后地區(qū)，由于歷史和自然條件的限制，其城市化與生態(tài)環(huán)境建設(shè)壓力都很大，這些區(qū)域目前也急需要調(diào)整發(fā)展方式。

3.2 福建省生態(tài)環(huán)境與城市化耦合關(guān)系的區(qū)域分異狀況分析

圖4 福建省各地市生態(tài)環(huán)境與城市化耦合強(qiáng)度與耦合協(xié)調(diào)程度分級(jí)面積比

從各地市的地區(qū)分異來看，如圖4所示：(1)廈門市的耦合協(xié)調(diào)度和耦合度都很好，是高強(qiáng)度高協(xié)調(diào)的地區(qū)。事實(shí)上，廈門高強(qiáng)度高協(xié)調(diào)的耦合現(xiàn)狀是依靠該地區(qū)發(fā)達(dá)的經(jīng)濟(jì)支撐著。(2)福州市的耦合程度從圖4中可以看出，該地區(qū)的中強(qiáng)度中協(xié)調(diào)的面積比較大，其次是低強(qiáng)度中協(xié)調(diào)和低強(qiáng)度低協(xié)調(diào)程度，高的協(xié)調(diào)度和耦合度在該地區(qū)所占的面積比較小。(3)莆田市地區(qū)的耦合和協(xié)調(diào)程度相對(duì)比較好，莆田市的人口城市化指數(shù)很低，這就制約著莆田的城市化發(fā)展。在協(xié)調(diào)程度上，雖然莆田市是中等協(xié)調(diào)程度，但環(huán)境污染卻較重，這說明它是典型的以犧牲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為代價(jià)來換取經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，還是走先污染再治理的老路。(4)三明市各地區(qū)的耦合和協(xié)調(diào)度情況主要呈低強(qiáng)度低協(xié)調(diào)的程度的狀態(tài)。雖然在生態(tài)環(huán)境水平上該地區(qū)指數(shù)都比較高，但是由于對(duì)環(huán)境的保護(hù)不重視，導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境的破壞。環(huán)境的破壞也大大影響了城市化的進(jìn)程，使得二者不能建立一種很好的協(xié)調(diào)耦合關(guān)系。(5)泉州市地區(qū)整體耦合強(qiáng)度和協(xié)調(diào)程度良好。在圖4中，該市耦合度與協(xié)調(diào)度等級(jí)主要是高強(qiáng)度中協(xié)調(diào)、高強(qiáng)度高協(xié)調(diào)和中強(qiáng)度中協(xié)調(diào)這三個(gè)程度等級(jí)上面。(6)漳州市地區(qū)耦合強(qiáng)度和耦合協(xié)調(diào)程度主要集中分布在中強(qiáng)度中協(xié)調(diào)度和低強(qiáng)度中協(xié)調(diào)度上。在該地區(qū)突出的一點(diǎn)是環(huán)境壓力總體上都很大，單方面的發(fā)展城市化，忽視了生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，使得環(huán)境失衡。所以，未來這個(gè)地區(qū)的工作重點(diǎn)應(yīng)放在減少生態(tài)環(huán)境壓力這方面。(7)南平市協(xié)調(diào)程度都在中等程度以上，城市化和生態(tài)環(huán)境二者的整體協(xié)同效應(yīng)是比較好的。(8)龍巖市地區(qū)的耦合強(qiáng)度和協(xié)調(diào)度的面積比分布較分散，程度等級(jí)分布也很分散。可以充分發(fā)揮其生態(tài)環(huán)境水平的優(yōu)勢(shì)，加快該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，良性增加該地區(qū)的人口密度，利用生態(tài)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)來帶動(dòng)該地區(qū)的城市化發(fā)展。(9)寧德市協(xié)調(diào)程度都是在中低水平，城市化與生態(tài)環(huán)境的整體協(xié)同效應(yīng)不好，城市化不能很好協(xié)同生態(tài)環(huán)境的發(fā)展。因此，在城市化與生態(tài)環(huán)境的發(fā)展中，既要加大人口城市化也要注意保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié)論

在本次生態(tài)環(huán)境和城市化耦合關(guān)系的研究中，將地學(xué)信息圖譜和層次分析法相結(jié)合，充分發(fā)揮信息圖譜的空間分析能力和層次分析法善于多要素綜合評(píng)價(jià)的長(zhǎng)處，實(shí)現(xiàn)圖譜和數(shù)學(xué)模型的結(jié)合，以圖形與譜系的方式來表達(dá)生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量，建立福建省生態(tài)環(huán)境和城市化耦合關(guān)系信息圖譜，并分別從綜合評(píng)價(jià)的等級(jí)圖譜、綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)性及各個(gè)地區(qū)的具體現(xiàn)實(shí)情況三方面對(duì)福建省的生態(tài)環(huán)境和城市化耦合關(guān)系進(jìn)行深入的分析，具體分析了各個(gè)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和城市化耦合關(guān)系的情況和存在的問題，并就具體的問題提出具體的解決方案，為生態(tài)環(huán)境和城市化耦合關(guān)系研究提供了新思路。

從福建省的總體情況來看有這樣的一些特點(diǎn)：

（1）一個(gè)地區(qū)的市轄區(qū)的耦合程度優(yōu)良而下屬的幾個(gè)縣區(qū)的情況比較差，區(qū)域間的不平衡發(fā)展是一個(gè)很大的問題，一個(gè)地區(qū)不能只發(fā)展龍頭區(qū)域，轄區(qū)的發(fā)展也要能帶動(dòng)地方縣區(qū)的共同發(fā)展。

（2）福建省的人口城市化、空間城市化和生態(tài)環(huán)境水平優(yōu)良所占的比例比較高。福建省是全國(guó)植被覆蓋率最高的一個(gè)省份，這對(duì)生態(tài)環(huán)境水平有良好的促進(jìn)作用，也是一個(gè)巨大的生態(tài)環(huán)境優(yōu)勢(shì)。雖然人口城市化的指數(shù)高的地區(qū)比較多，但是福建省人口密度的分布不均勻，形成兩極分化，高的上千，低的只有幾十。密度高的都主要集中在沿海的幾個(gè)比較發(fā)達(dá)的城市。應(yīng)大力推動(dòng)人口向內(nèi)地遷移。推動(dòng)空間城市化的動(dòng)力來自人口密度，而推動(dòng)人口密度平衡發(fā)展的動(dòng)力來自于經(jīng)濟(jì)的平衡發(fā)展。社會(huì)城市化是福建省的主要薄弱環(huán)節(jié)。

（3）從整體上看福建省生態(tài)環(huán)境與城市化的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，中強(qiáng)度中協(xié)調(diào)的地區(qū)比較多，低強(qiáng)度低協(xié)調(diào)的地區(qū)比較少。福建省生態(tài)環(huán)境與城市化耦合關(guān)系較好，協(xié)調(diào)度比較高，生態(tài)環(huán)境和城市化的整體協(xié)同效應(yīng)比較好。二者協(xié)同發(fā)展的能力比較強(qiáng)，對(duì)于福建省這個(gè)高森林覆蓋率的省份，是一個(gè)很好的契機(jī)。

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國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40971273）；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2009J01221）；福建省教育廳項(xiàng)目（JK2009032；JA08202）資助。