李效順 ，李志鑫 ，謝曉彤 ，劉希朝 ，陳姜全 ，李奕菲

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 中國(guó)資源型城市轉(zhuǎn)型發(fā)展與鄉(xiāng)村振興研究中心，徐州 221116；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 公共管理學(xué)院，徐州 221116；3. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450046）

0 引 言

城鎮(zhèn)化是人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要標(biāo)志和必然趨勢(shì)，與碳排放密切相關(guān)[1-2]。《世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒（第70 版）》指出，中國(guó)碳排放量占全球碳排放總量的30.7%，遠(yuǎn)超其他地區(qū)。在高碳排放、高增長(zhǎng)速率的背景下，平衡城鎮(zhèn)化發(fā)展和節(jié)能減排間的關(guān)系是城鎮(zhèn)化進(jìn)程中亟待解決的重要現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，而城鎮(zhèn)化進(jìn)程中人口和經(jīng)濟(jì)等要素集聚，在空間上表現(xiàn)為生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間的動(dòng)態(tài)變化，這種動(dòng)態(tài)變化會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響。因此，構(gòu)建城鎮(zhèn)化、碳排放與“三生”空間交互模型，開(kāi)展三者間交互機(jī)制分析，對(duì)實(shí)現(xiàn)新型城鎮(zhèn)化和雙碳戰(zhàn)略具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

學(xué)術(shù)界對(duì)城鎮(zhèn)化與碳排放作用機(jī)制的研究相對(duì)成熟，如王志強(qiáng)等[3]首先構(gòu)建了城鎮(zhèn)化碳排放核算體系；任曉松等[4-7]學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，城鎮(zhèn)化與碳排放之間存在交互關(guān)系，且城鎮(zhèn)化與居民消費(fèi)、能源結(jié)構(gòu)、人口規(guī)模、人口空間分布、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等要素結(jié)合，共同影響碳排放，并形成長(zhǎng)期均衡的關(guān)系。城鎮(zhèn)化可通過(guò)生產(chǎn)、生活、技術(shù)、貿(mào)易、行政管理嵌套的體系結(jié)構(gòu)或空間關(guān)聯(lián)等途徑影響碳排放[8]。GUO 等[9-11]學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)城鎮(zhèn)化水平是造成區(qū)域碳排放差異的重要因素，城鎮(zhèn)化對(duì)碳排放的影響程度隨城鎮(zhèn)化發(fā)展階段呈現(xiàn)“先增后減”的趨勢(shì)。目前學(xué)術(shù)界對(duì)“三生”空間與碳排放的研究，多以時(shí)空特征分析和耦合關(guān)系研究為主。黨的十八大報(bào)告中最早提出“三生”空間的概念，并依據(jù)生態(tài)文明建設(shè)要求對(duì)國(guó)土空間主體功能進(jìn)行了定向劃分，用于分析城市空間結(jié)構(gòu)失衡、規(guī)模等級(jí)不合理[12]等問(wèn)題。杜金霜等[13]認(rèn)為“碳”是區(qū)域水、土、能等資源耦合開(kāi)發(fā)利用的重要體現(xiàn)形式，不僅統(tǒng)籌區(qū)域“三生”空間各種資源的利用以及組合關(guān)系，還引導(dǎo)和倒逼區(qū)域“三生”空間優(yōu)化升級(jí)。林剛等[14]采用“碳流”模型和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法，探究區(qū)域“三生”空間演進(jìn)過(guò)程對(duì)碳代謝的影響，為區(qū)域“三生”空間統(tǒng)籌優(yōu)化方法提供理論指導(dǎo)。

綜上所述，城鎮(zhèn)化進(jìn)程中的碳排放通常基于產(chǎn)業(yè)、人口、經(jīng)濟(jì)等因素進(jìn)行分析，并強(qiáng)調(diào)“人”的作用，而忽視了“人-地-碳”耦合時(shí)空變化對(duì)碳排放的影響效應(yīng)。鑒于此，本研究按照“理論分析-模型構(gòu)建-實(shí)證研究”的邏輯思路，從DNA 模型三級(jí)結(jié)構(gòu)視角切入，構(gòu)建城鎮(zhèn)化、碳排放與“三生”空間耦合模型，揭示三者交互機(jī)制，并采用環(huán)境庫(kù)茲涅茨曲線、Logistic 方程和脫鉤分析方法，以河南省為例開(kāi)展實(shí)證分析，以期為區(qū)域城鎮(zhèn)化建設(shè)中雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供科學(xué)依據(jù)和理論支持。

1 理論分析與研究方法

1.1 理論分析

為科學(xué)構(gòu)建耦合模型并提升實(shí)證研究結(jié)果的可靠性，有必要加強(qiáng)理論分析并首先明確“三生”空間基本內(nèi)涵。本文在現(xiàn)有土地利用分類(lèi)體系的基礎(chǔ)上，將“三生”空間對(duì)應(yīng)為不同土地利用類(lèi)型，即參考國(guó)家土地利用分類(lèi)方法，結(jié)合土地利用/土地覆蓋變化（land-use and landcover change，簡(jiǎn)稱(chēng)LUCC）遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分類(lèi)系統(tǒng)，將土地利用類(lèi)型歸納為包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地在內(nèi)的6 個(gè)一級(jí)類(lèi)型和有林地、灌木林、疏林地、其他林地和草地等25 個(gè)二級(jí)類(lèi)型[15]?；诖耍裱恋乩玫亩喙δ苄?，將“三生”功能與土地利用主導(dǎo)功能進(jìn)行融合，歸并基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的各用地類(lèi)型，進(jìn)而構(gòu)建基于土地利用類(lèi)型的“三生”空間分類(lèi)方案[16]，具體如表1 所示。

表1 “三生”空間分類(lèi)與土地利用分類(lèi)對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Correspondence between spatial classification of production-living-ecological space and land use classification

通過(guò)總結(jié)城鎮(zhèn)化與“三生”空間格局的交互機(jī)制，城鎮(zhèn)化發(fā)展過(guò)程中人口向城市的遷移會(huì)影響“三生”空間分布格局，而“三生”空間結(jié)構(gòu)變化又將對(duì)人口城鎮(zhèn)化產(chǎn)生不同效果[11,16-17]。城鎮(zhèn)化率的提高伴隨著人口向城市聚集，促進(jìn)生活空間穩(wěn)步擴(kuò)張和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間不斷減少。“三生”空間格局是影響城鎮(zhèn)化進(jìn)程的重要因素，生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間的適宜程度越高，人口城鎮(zhèn)化的速度將會(huì)越快。因此，城鎮(zhèn)化與“三生”空間的交互作用存在類(lèi)似DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

DNA 是一種包含生物遺傳信息的核酸，由2 條反向平行的螺旋狀多聚核苷酸鏈組成一個(gè)雙螺旋結(jié)構(gòu)[18]。在空間上具有三級(jí)結(jié)構(gòu)，一級(jí)結(jié)構(gòu)指4 種堿基不同的脫氧核苷酸分子；二級(jí)結(jié)構(gòu)指2 條反向平行的核苷酸鏈通過(guò)堿基對(duì)間的氫鍵作用形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)；三級(jí)結(jié)構(gòu)（高級(jí)結(jié)構(gòu)）指DNA 雙螺旋進(jìn)一步扭曲盤(pán)繞所形成的更復(fù)雜的特定空間結(jié)構(gòu)。類(lèi)比DNA 模型的三級(jí)結(jié)構(gòu)，對(duì)城鎮(zhèn)化、碳排放與“三生”空間交互機(jī)制進(jìn)行分析（圖1）。一級(jí)結(jié)構(gòu)：城鎮(zhèn)化率和“三生”空間的結(jié)構(gòu)；二級(jí)結(jié)構(gòu)：城鎮(zhèn)化與“三生”空間的交互關(guān)系，一方面城鎮(zhèn)化率的提高依賴(lài)于城鎮(zhèn)人口的增加，而城鎮(zhèn)人口增加導(dǎo)致生活空間增加，城鎮(zhèn)化率對(duì)“三生”空間的影響構(gòu)成了模型的第一類(lèi)“堿基對(duì)”。另一方面，“三生”空間結(jié)構(gòu)變化又反作用于城鎮(zhèn)化率，生產(chǎn)空間和生活空間的變化對(duì)城鎮(zhèn)人口產(chǎn)生不同的影響，當(dāng)生產(chǎn)和生活空間擴(kuò)張時(shí)，城鎮(zhèn)空間對(duì)非城鎮(zhèn)人口的吸引作用增強(qiáng)，城鎮(zhèn)人口增長(zhǎng)速率將增加，城鎮(zhèn)化率提高。

圖1 城鎮(zhèn)化、碳排放與“三生”空間交互模型的三級(jí)結(jié)構(gòu)Fig.1 The three-level structure of the interaction model between urbanization, carbon emissions, and the production-livingecological space

因此，“三生”空間對(duì)城鎮(zhèn)化的影響構(gòu)成此模型的第二類(lèi)“堿基對(duì)”；高級(jí)結(jié)構(gòu)：城鎮(zhèn)化與“三生”空間的相互作用在環(huán)境方面產(chǎn)生的影響構(gòu)成了此模型的高級(jí)結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為城鎮(zhèn)化與“三生”空間變化帶來(lái)的碳排放。在三級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)在空間中的回旋上升體現(xiàn)為城鎮(zhèn)化與“三生”空間共同影響下碳排放增加的過(guò)程。

1.2 模型構(gòu)建

在理論分析基礎(chǔ)上，本文耦合Logistic（S 型）曲線方程、環(huán)境庫(kù)茲涅茨（environment Kuznets curve，EKC）曲線和脫鉤分析方法，構(gòu)建城鎮(zhèn)化、碳排放與“三生”空間耦合模型，以揭示三者交互機(jī)制。

1.2.1 城鎮(zhèn)化趨勢(shì)曲線

美國(guó)城市地理學(xué)家Northam 將城市化過(guò)程所經(jīng)歷的軌跡概括為生長(zhǎng)理論曲線，該理論認(rèn)為城鎮(zhèn)化發(fā)展是一個(gè)緩慢、加速、再減慢的過(guò)程，其全過(guò)程會(huì)呈現(xiàn)出一條被拉伸拉平的“S”型曲線。在該理論的指導(dǎo)下，Logistic曲線模型被廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)化發(fā)展趨勢(shì)研究中。Logistic模型最初用于描述生物種群增長(zhǎng)規(guī)律，該模型在刻畫(huà)城鎮(zhèn)化發(fā)展規(guī)律中考慮了資源環(huán)境對(duì)人口的阻滯作用[19]，具有預(yù)測(cè)方法科學(xué)，預(yù)測(cè)結(jié)果誤差小的特點(diǎn)。Logistic 模型描述城鎮(zhèn)化發(fā)展趨勢(shì)如式（1）：

式中Ut表示t年城鎮(zhèn)化水平；K表示城鎮(zhèn)化水平飽和值，0＜K≤1，K值估算方法有3 種[20-22]；b表示增長(zhǎng)參數(shù)，b＞0。

為便于確定模型回歸參數(shù)，本研究借鑒張樂(lè)勤等[23]對(duì)Logistic 曲線模型的處理方法，對(duì)式（1）變形，得到式（2）。

式中c表示模型回歸常數(shù)；d表示回歸系數(shù)；本研究借助SPSS，通過(guò)K值估算方法中的擬合優(yōu)度最大估算法[24-25]計(jì)算城鎮(zhèn)化水平飽和值。

1.2.2 碳排放特征曲線

借鑒廉勇[26]在環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)層次研究中，采用碳排放量作為環(huán)境庫(kù)茲涅茨曲線（EKC）中環(huán)境污染代理變量的思想，本研究選取城鎮(zhèn)化率為自變量，碳排放量作為環(huán)境影響的代理變量，以EKC 曲線表達(dá)碳排放量隨城鎮(zhèn)化率的時(shí)序變化特征。參考文獻(xiàn)[27-28] ，構(gòu)建碳排放隨城鎮(zhèn)化率變化的曲線模型，如下式：

式中y為碳排放量；x為城鎮(zhèn)化率；A、B、C分別為模型的常數(shù)項(xiàng)、一次項(xiàng)和二次項(xiàng)待估系數(shù)；D為隨機(jī)誤差項(xiàng)。待估系數(shù)A、B、C的符號(hào)不同，y與x的關(guān)系也不同。當(dāng)B＞0，C＜0 時(shí)，則y與x的關(guān)系曲線呈倒“U”型；當(dāng)B＜0，C＞0 時(shí)，則y與x的關(guān)系曲線呈“U”型。

關(guān)于碳排放量的計(jì)算，考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性以及研究可行性，本研究選取當(dāng)前最主流的《IPCC 國(guó)家溫室氣體清單指南》中提供的能源碳排放系數(shù)估算方法[3-7]測(cè)算碳排放量。計(jì)算方法如式（4）：

式中Y代表總碳排放量；Ei表示能源i的消費(fèi)量；Fi表示能源i的碳排放系數(shù)，即每單位能源消費(fèi)的碳排放量。《綜合能耗計(jì)算通則》（GB/T 2 589-2008）和《省級(jí)溫室氣體編制指南》（發(fā)改辦氣候[2011] 1 041 號(hào)）中不同能源的標(biāo)準(zhǔn)煤折算系數(shù)和碳排放系數(shù)，如表2 所示。

表2 不同能源的碳排放系數(shù)Table 2 Carbon emission coefficients of different energy sources

1.2.3 城鎮(zhèn)化與碳排放耦合模型

為揭示碳排放壓力下的城鎮(zhèn)化發(fā)展質(zhì)量，本研究擬采用脫鉤模型。目前測(cè)度脫鉤狀態(tài)的常用方法有脫鉤因子法、Tapio 脫鉤彈性系數(shù)法、IPAT 方程等。其中，Tapio脫鉤模型綜合了總量變化和相對(duì)量變化兩類(lèi)指標(biāo)，能夠客觀準(zhǔn)確地測(cè)度和分析脫鉤關(guān)系。因此本研究選取Tapio脫鉤系數(shù)測(cè)度城鎮(zhèn)化率與碳排放的耦合關(guān)系，如式（5）：

式中It表示t年碳排放量與城鎮(zhèn)化率的脫鉤系數(shù)， Δyt為t年碳排放量的變化率，ΔUt為t年城鎮(zhèn)化率的變化率。yt和Ut分別指第t年的碳排放量和城鎮(zhèn)化率，yt-1和Ut-1分別指第t-1 年碳排放量和城鎮(zhèn)化率。根據(jù)It的大小及 Δyt、ΔUt的 取值狀況，形成8 種脫鉤狀態(tài)（表3）。

表3 脫鉤狀態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Criteria for distinguishing decoupling state

其中，強(qiáng)脫鉤是最理想的狀態(tài)，表明城鎮(zhèn)化程度提高，碳排放量下降，這也是城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)的最終目標(biāo)。強(qiáng)負(fù)脫鉤與強(qiáng)脫鉤狀態(tài)正好相反，是最不理想狀態(tài)，表明城鎮(zhèn)化進(jìn)程出現(xiàn)倒退而碳排放壓力卻不斷增加。耦合則代表碳排放與城鎮(zhèn)化發(fā)展程度相對(duì)穩(wěn)定，兩者變化速度基本持平。

1.2.4 城鎮(zhèn)化、碳排放與“三生”空間交互模型

基于上述理論分析，融合Logistic 曲線方程、環(huán)境庫(kù)茲涅茨曲線和脫鉤方法，本文構(gòu)建城鎮(zhèn)化、碳排放與“三生”空間交互耦合模型（圖2）；其中，“三生”空間時(shí)序演變特征，采用生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間的面積度量。縱觀中國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程，“三生”空間在城鎮(zhèn)化各階段分布狀態(tài)不同。尤其是1980—2020 年期間，中國(guó)的相關(guān)政策發(fā)生了兩次重大變化。在20 世紀(jì)80 年代末90 年代初，中國(guó)改革開(kāi)放政策的實(shí)行，使得農(nóng)村人口開(kāi)始大量向城市聚集，進(jìn)而促進(jìn)城鎮(zhèn)化率的迅速提高；2012 年后，國(guó)家首次提出鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，國(guó)家政策和財(cái)政向農(nóng)村逐漸傾斜，進(jìn)而吸引了一部分人口從城市向農(nóng)村回流?；趦纱握咦兓瘜?duì)人口流動(dòng)的影響，本研究擬將城鎮(zhèn)化率分為3 個(gè)發(fā)展階段（即城鎮(zhèn)化初期、中期和后期）[29]。城鎮(zhèn)化初期（城鎮(zhèn)化率≤30%），各類(lèi)型空間由多到少依次為生產(chǎn)空間、生態(tài)空間、生活空間，生產(chǎn)空間粗放利用，生活空間零散分布，生態(tài)空間功能單一；城鎮(zhèn)化中期（30%＜城鎮(zhèn)化率≤70%），各類(lèi)型空間由多到少依次為生產(chǎn)空間、生活空間、生態(tài)空間，生產(chǎn)空間利用效率緩慢提高但仍屬于低效利用，生活空間依舊無(wú)序分布，生態(tài)空間的破壞程度則加劇，環(huán)境污染、生態(tài)破壞等現(xiàn)象嚴(yán)重；城鎮(zhèn)化后期（城鎮(zhèn)化率＞70%），生產(chǎn)空間利用效率進(jìn)一步提高，實(shí)現(xiàn)高效利用，生活空間集聚分布，生態(tài)空間得到重塑，三者間分布趨于協(xié)同。

圖2 城鎮(zhèn)化、碳排放與“三生”空間耦合交互模型Fig.2 Coupled interaction model of urbanization, carbon emission,and production-living-ecological space

將碳排放環(huán)境庫(kù)茲涅茨曲線及城鎮(zhèn)化率Logistic 曲線，耦合在以城鎮(zhèn)化發(fā)展時(shí)期為橫軸的坐標(biāo)系中，“三生”空間的動(dòng)態(tài)變化，采用圖形面積進(jìn)行直觀表達(dá)（圖2）。依據(jù)城鎮(zhèn)化與碳排放Tapio 脫鉤系數(shù)的大小，將城鎮(zhèn)化與碳排放間的耦合關(guān)系分為3 種，分別為低度耦合區(qū)、適度耦合區(qū)和過(guò)度耦合區(qū)[30]，Tapio 脫鉤系數(shù)大于1.2 時(shí)，耦合關(guān)系處于低度耦合區(qū)；Tapio 脫鉤系數(shù)在[0.8，1.2] 區(qū)間時(shí)，耦合關(guān)系處于適度耦合區(qū)；Tapio 脫鉤系數(shù)小于0.8 時(shí)，耦合關(guān)系處于過(guò)度耦合區(qū)。Tapio 脫鉤系數(shù)變化趨勢(shì)與碳排放曲線基本相似，可采用碳排放曲線定性描述耦合關(guān)系變化，因此不再單獨(dú)作曲線描述耦合關(guān)系。

2 研究區(qū)與數(shù)據(jù)處理

2.1 研究區(qū)概況

河南省界于31°23'N～36°22'N，110°21'E～116°E，位于中國(guó)中部、黃河中下游，土地面積16.7 萬(wàn)km2，地勢(shì)西高東低，氣候四季分明，植被類(lèi)型豐富，自然稟賦優(yōu)勢(shì)突出。截至2020 年，全省地區(qū)生產(chǎn)總值突破5.49 萬(wàn)億元，城鎮(zhèn)化率達(dá)到54.43%，能源消費(fèi)總量達(dá)到2.3 億t，而改革開(kāi)放初，地區(qū)總產(chǎn)值僅為229 億元，城鎮(zhèn)化率為14%，能源消費(fèi)總量?jī)H有3 400 萬(wàn)t。40 a 間，地區(qū)生產(chǎn)總值增加240 倍，城鎮(zhèn)化率提高40%，能源消費(fèi)總量增長(zhǎng)6.7 倍。作為中國(guó)的農(nóng)業(yè)、人口和經(jīng)濟(jì)大省，改革開(kāi)放以來(lái)，河南省城鎮(zhèn)化和工業(yè)化快速推進(jìn)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展取得矚目成績(jī)，與此同時(shí)，生態(tài)環(huán)境遭受的壓力不斷增大，國(guó)土空間格局亦受到較大影響。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

根據(jù)《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》公布的城鎮(zhèn)化率和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，采用式（4）計(jì)算得到1980—2020 年河南省年碳排放量。根據(jù)河南省1980—2020 年的Landsat 影像數(shù)據(jù)，通過(guò)監(jiān)督分類(lèi)形成LUCC 分類(lèi)體系的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)后，依據(jù)“三生”空間類(lèi)型與土地利用分類(lèi)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用ArcMap10.8 對(duì)土地利用類(lèi)型重分類(lèi)，得到河南省“三生”空間各空間類(lèi)型的面積，如表4。

表4 河南省“三生”空間面積Table 4 The area of production-living-ecological space in Henan Provincekm2

3 結(jié)果與分析

3.1 城鎮(zhèn)化率、年碳排放量與“三生”空間變化趨勢(shì)

根據(jù)上文基本原理可得到1980—2020 年河南省城鎮(zhèn)化率、碳排放量和“三生”空間的變化趨勢(shì)（圖3）。

圖3 河南省1980—2020 年城鎮(zhèn)化率、年碳排放量與“三生”空間面積變化趨勢(shì)Fig.3 Trend of urbanization rate, annual carbon emissions and area of production-living-ecological space in Henan Province from 1980 to 2020

在2005 年之前，河南省處于城鎮(zhèn)化初期，城鎮(zhèn)化率與碳排放量增速基本同步，生活空間緩慢增加，生產(chǎn)空間在1995 年前經(jīng)歷小幅增加后開(kāi)始持續(xù)減少，生態(tài)空間逐漸縮??；2005 年之后，河南省進(jìn)入城鎮(zhèn)化中期，生活空間持續(xù)擴(kuò)大，生態(tài)空間基本保持不變，而生產(chǎn)空間持續(xù)減少，碳排放量增速劇增，城鎮(zhèn)化率增速依舊保持平穩(wěn)?？傮w來(lái)看，研究期內(nèi)河南省城鎮(zhèn)化率與碳排放量變化趨勢(shì)基本同步，呈上升態(tài)勢(shì)，碳排放量自2015 年開(kāi)始增速放緩，并趨于穩(wěn)定。研究期內(nèi)河南省生產(chǎn)空間與生態(tài)空間的變化趨勢(shì)基本保持一致，2005 年之前，生產(chǎn)和生態(tài)空間持續(xù)減少，2005 年之后，生態(tài)空間變化幅度較小，生產(chǎn)空間仍存在波動(dòng)減少的趨勢(shì)，而生活空間2000年之后不斷增長(zhǎng)，到2018 年增速放緩，趨于穩(wěn)定。

3.2 城鎮(zhèn)化Logistic 曲線分析

以河南省1980—2020 年城鎮(zhèn)化率數(shù)據(jù)作因變量，年份t作自變量（設(shè)1980 年t為1），運(yùn)用SPSS 軟件，選擇曲線回歸分析方法，對(duì)Logistic 曲線飽和值進(jìn)行賦值[23]，如表5 所示。

表5 Logistic 曲線飽和值與擬合效果Table 5 Logistic curve saturation value and fitting effect

當(dāng)城鎮(zhèn)化率飽和值為93%時(shí)，Logistic 曲線的擬合優(yōu)度最大（R2為0.949），且通過(guò)顯著性檢驗(yàn)（P＜0.01），由此表明，93%為河南省城鎮(zhèn)化水平Logistic曲線理論飽和值。以93%作為河南省城鎮(zhèn)化水平Logistic模型上限，借助SPSS 軟件進(jìn)行曲線回歸分析（圖4），回歸系數(shù)為0.945，將其代入式（2）可得1980—2020 年河南省城鎮(zhèn)化率的Logistic 模型，見(jiàn)式（6）。

圖4 河南省1980—2020 年城鎮(zhèn)化率Logistic 曲線擬合圖Fig.4 Logistic curve fitting diagram of urbanization rate in Henan Province from 1980 to 2020

依據(jù)式（6），可對(duì)河南省 2021—2030 年的城鎮(zhèn)化水平進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果如表6。分析表6 發(fā)現(xiàn)，Logistic 模型擬合的河南省1980—2020 年城鎮(zhèn)化水平值與觀測(cè)值的平均絕對(duì)百分比誤差為2.4%，模型擬合效果較好，并且Logistic 曲線模型通過(guò)顯著性檢驗(yàn)（P＜0.01），可以認(rèn)為河南省城鎮(zhèn)化率的變化規(guī)律符合Logistic 曲線。

表6 河南省城鎮(zhèn)化水平前景預(yù)測(cè)Table 6 The prospect prediction of urbanization level in Henan Province%

由表6 可知，2025 和2030 年河南省城鎮(zhèn)化水平將分別達(dá)58.42%和64.94%。通過(guò)計(jì)算，2021 年前，城鎮(zhèn)化年平均增速為1.04 個(gè)百分點(diǎn)，2021—2030 年，年平均增速為1.33 個(gè)百分點(diǎn)，由此表明，河南省城鎮(zhèn)化在2021 前保持較緩發(fā)展速度，2021—2030 年，河南省城鎮(zhèn)化速度提升，契合Logistic 增長(zhǎng)軌跡。

3.3 城鎮(zhèn)化率與碳排放作用機(jī)制分析

繪制河南省1980—2020 年碳排放量與城鎮(zhèn)化率散點(diǎn)圖，對(duì)式（3）進(jìn)行回歸曲線估算，如圖5 所示。二次模型的決定系數(shù)R2=0.973 8，線性模型的決定系數(shù)R2=0.949 1，表明二次模型比線性模型的擬合效果更好，更符合河南省碳排放量與城鎮(zhèn)化率之間的變化關(guān)系。

圖5 河南省1980—2020 年城鎮(zhèn)化率與碳排放量擬合曲線Fig.5 The fitting curve of urbanization rate and carbon emissions in Henan Province from 1980 to 2020

從圖5 可看出，河南省城鎮(zhèn)化率與碳排放量之間呈現(xiàn)倒“U”型關(guān)系，表明當(dāng)河南省城鎮(zhèn)化率水平發(fā)展到一定程度后，對(duì)碳排放量的增長(zhǎng)將起到抑制作用。截至2020 年，河南省尚未跨過(guò)環(huán)境庫(kù)茲涅茨曲線的拐點(diǎn)，結(jié)合上文對(duì)城鎮(zhèn)化發(fā)展水平的預(yù)測(cè)，當(dāng)城鎮(zhèn)化率達(dá)到70%時(shí)，河南省環(huán)境庫(kù)茲涅茨曲線將到達(dá)拐點(diǎn)，即2026年河南省實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰，隨后將進(jìn)入碳減排階段。

為揭示城鎮(zhèn)化水平在環(huán)境方面的影響，利用脫鉤模型計(jì)算得到河南省1980—2020 年的彈性脫鉤系數(shù)（表7），從而為河南省控制城鎮(zhèn)化水平進(jìn)入碳減排階段提出可行性建議。

表7 河南省1980—2020 年城鎮(zhèn)化率與碳排放脫鉤系數(shù)Table 7 Decoupling coefficient between urbanization rate and carbon emissions in Henan Province from 1980 to 2020

從表7 看出，1980—2020 年期間，脫鉤系數(shù)表現(xiàn)出較強(qiáng)的階段性，整體呈現(xiàn)“增長(zhǎng)負(fù)脫鉤向強(qiáng)脫鉤轉(zhuǎn)變，間歇性?shī)A雜弱脫鉤與增長(zhǎng)耦合”的特點(diǎn)。各級(jí)主管部門(mén)應(yīng)不斷從體制、機(jī)制、政策等方面對(duì)城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)行調(diào)控與修正。由于碳排放負(fù)面效應(yīng)的完全消解需要緩沖和過(guò)渡期，因此，研究期內(nèi)城鎮(zhèn)化發(fā)展依然伴隨較大規(guī)模的資源消耗和碳排放。隨著城鎮(zhèn)化的高質(zhì)量發(fā)展，河南省碳減排技術(shù)和碳匯不斷提升，這在脫鉤狀態(tài)的演進(jìn)過(guò)程中也有所體現(xiàn)。2008 年之前，增長(zhǎng)負(fù)脫鉤狀態(tài)出現(xiàn)頻率較高，但2008 年之后，強(qiáng)脫鉤狀態(tài)逐漸占據(jù)主流。2019—2020 年，河南省城鎮(zhèn)化與碳排放呈增長(zhǎng)耦合態(tài)勢(shì)，即城鎮(zhèn)化發(fā)展過(guò)程中能源消費(fèi)持續(xù)增加。

碳排放是傳統(tǒng)城市人口城鎮(zhèn)化無(wú)法避免的結(jié)果，也是城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展內(nèi)部各類(lèi)要素不斷博弈并實(shí)現(xiàn)良性協(xié)調(diào)、系統(tǒng)優(yōu)化的必經(jīng)環(huán)節(jié)。1980—2020 年，河南省碳排放量由2 516.20 萬(wàn)t 增長(zhǎng)至15 998.77 萬(wàn)t，區(qū)域環(huán)境面臨較大的碳排放壓力。但隨著“低碳”“綠色”等發(fā)展理念的不斷深化以及相關(guān)政策和技術(shù)的推進(jìn)，區(qū)域城市低碳減排的潛力和空間將得到進(jìn)一步釋放。整體來(lái)看，城鎮(zhèn)化初期，大量人口向城市聚集，使得能源消費(fèi)量急劇上升，碳排放增加；城鎮(zhèn)化后期，技術(shù)進(jìn)步、集聚效應(yīng)和規(guī)模效應(yīng)提升了能源利用效率，從而促進(jìn)碳減排。

3.4 “三生”空間與碳排放關(guān)系分析

通過(guò)分析圖 3 可發(fā)現(xiàn)，生活空間面積與碳排放總量的變化呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，而生產(chǎn)空間和生態(tài)空間并不具備此特點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)研究[31-35]經(jīng)驗(yàn)，“三生”空間格局的變化對(duì)碳排放的影響表現(xiàn)為生活空間擴(kuò)張導(dǎo)致碳排放總量的增加。本研究對(duì)“生活”空間面積與碳排放量進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，“生活”空間與碳排放量的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為 0.976（P＜0.01），二者相關(guān)性顯著。在此前提下，參照式（5）計(jì)算“三生”空間面積與碳排放量間脫鉤系數(shù)，具體結(jié)果見(jiàn)圖 6。

圖6 “三生”空間與碳排放量脫鉤系數(shù)變化Fig.6 Changes in the decoupling coefficient between productionliving-ecological space and carbon emissions

從圖 6 可以發(fā)現(xiàn)，從 1980—2020 年的 40 年間，河南省生活空間面積與碳排放量脫鉤系數(shù)逐漸減小，脫鉤狀態(tài)以增長(zhǎng)負(fù)脫鉤為主，并向弱脫鉤狀態(tài)轉(zhuǎn)變，這表明生活空間擴(kuò)張對(duì)碳排放增加產(chǎn)生的貢獻(xiàn)逐漸減少，生活空間擴(kuò)張帶來(lái)的環(huán)境壓力減?。簧a(chǎn)空間減少對(duì)碳排放總量的貢獻(xiàn)增加，生產(chǎn)空間帶來(lái)的碳排放壓力相對(duì)增加；生態(tài)空間的變化對(duì)碳排放增加的貢獻(xiàn)在2010 年小幅減小后又在2015 年回調(diào)，總體基本保持平衡。

4 結(jié) 論

本研究按照“理論分析-模型構(gòu)建-實(shí)證研究”的邏輯主線，改進(jìn)生物學(xué)DNA 分子結(jié)構(gòu)，探究城鎮(zhèn)化、碳排放與“三生”空間交互機(jī)制，并利用河南省1980—2020 年面板數(shù)據(jù)開(kāi)展分析，得出以下主要結(jié)論：

1）城鎮(zhèn)化進(jìn)程、碳排放與“三生”空間格局交互影響，人口與土地城鎮(zhèn)化導(dǎo)致“三生”空間結(jié)構(gòu)失衡，進(jìn)而影響生態(tài)環(huán)境，具體表現(xiàn)為城鎮(zhèn)化發(fā)展水平與碳排放水平嚴(yán)重負(fù)脫鉤。進(jìn)入城鎮(zhèn)化后期，生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間適宜程度提升，空間布局趨于協(xié)調(diào)，城鎮(zhèn)化水平與碳排放水平呈適度耦合關(guān)系，“人-地-碳”形成最佳發(fā)展關(guān)系。

2）河南省城鎮(zhèn)化率與碳排放量間存在顯著倒“U”型曲線關(guān)系，由此預(yù)測(cè)河南省將于2026 年出現(xiàn)碳達(dá)峰，隨后進(jìn)入碳減排階段。分階段對(duì)比發(fā)現(xiàn)，河南省碳排放與城鎮(zhèn)化呈現(xiàn)“增長(zhǎng)負(fù)脫鉤向強(qiáng)脫鉤轉(zhuǎn)變，間歇性?shī)A雜弱脫鉤與增長(zhǎng)耦合”的特點(diǎn)，且城鎮(zhèn)化快速發(fā)展過(guò)程中能源消費(fèi)依然增加，伴隨節(jié)能減排工作的持續(xù)推進(jìn)，兩者關(guān)系將會(huì)穩(wěn)步進(jìn)入適度耦合區(qū)間。

3）河南省“三生”空間總體呈現(xiàn)生產(chǎn)空間有序減少、生活空間逐步擴(kuò)張、生態(tài)空間穩(wěn)定發(fā)展的趨勢(shì)。“三生”空間變化與碳排放相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)為生產(chǎn)空間對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)增加，生活空間對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)減小，生態(tài)空間對(duì)碳排放的基本穩(wěn)定。未來(lái)空間布局優(yōu)化中，應(yīng)減緩生活空間擴(kuò)張，提高生態(tài)空間占比增加碳匯，降低生產(chǎn)空間產(chǎn)生的碳排放，促進(jìn)“三生”空間趨于共生協(xié)調(diào)。

本研究建立的交互模型中，城鎮(zhèn)化率僅代表人口城鎮(zhèn)化進(jìn)程，尚未考慮到土地城鎮(zhèn)化、產(chǎn)業(yè)城鎮(zhèn)化等多要素對(duì)碳排放及“三生”空間布局產(chǎn)生的影響。同時(shí)，由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可獲取性，僅使用面積反映“三生”空間的變化不夠全面，后續(xù)研究中可以引入空間分布因素。另外，后續(xù)可通過(guò)建立“三生”空間的適宜度評(píng)價(jià)體系，量化“三生”空間分布優(yōu)劣程度，以期為政府決策提供更詳細(xì)的行為指南。