全 文 ：熵变视角的吉林省城市化与生态环境
的耦合关系判别*
孙平军1,2 摇 修春亮1**摇 张天娇3
( 1东北师范大学地理科学学院, 长春 130024; 2路易斯维尔大学地理与地球科学学院, 美国路易斯维尔 40292; 3吉林大学东
北亚研究院, 长春 130024)
摘摇 要摇 借鉴热力学第二定律中的熵变方程原理,结合熵值法和 PSE 模型,对 2001—2011 年
吉林省城市化发展与生态环境效益的耦合关系模式展开分析. 结果表明: 研究期间,吉林省
城市化发展脱离了正常的演进轨道,经济城市化和空间城市化主宰了整个城市化过程,而过
于忽视“人冶的城市化,且资源(这里主要指土地资源)粗放、低效投入特征明显;基于 PSE 模
型的生态环境水平,无论是压力指数、敏感性指数、弹性指数,还是综合水平在研究期间都得
到了长足的增长,且都呈现出明显的阶段性特征,即先升后降再升;城市化系统的总熵值一直
小于 0,表现为一条不平稳的上升曲线;生态环境的总熵值时正时负,其中,2003、2006、2010、
2011 年是“拐点冶,映射出生态环境系统是一条不平稳的波浪形曲线,时升时降;城市化子系
统与生态环境子系统交互耦合的总熵值具有与生态环境子系统总熵值相似的变化趋势,即具
有相同的“拐点冶和曲线形状,且其“拐点冶对应的演化模式是拮抗型耦合关系演化模式,其余
年份对应的是协调型耦合关系演化模式.
关键词摇 城市化摇 生态环境摇 耦合摇 演化模式摇 熵变方程摇 吉林省
*国家自然科学基金项目(41071109)和中央高校基本科研业务费专项资金项目(10SSXT101)资助.
**通讯作者. E鄄mail: xiucl@ nenu. edu. cn
2013鄄07鄄22 收稿,2013鄄12鄄26 接受.
文章编号摇 1001-9332(2014)03-0875-08摇 中图分类号摇 X24摇 文献标识码摇 A
Identification of coupling relationship between urbanization and ecological environment in Ji鄄
lin from entropy change perspective. SUN Ping鄄jun1,2, XIU Chun鄄liang1, ZHANG Tian鄄jiao3
( 1School of Geographical Sciences, Northeast Normal University, Changchun 130024, China;
2Department of Geography and Geosciences, University of Louisville, Louisville, KY 40292, USA;
3Northeast Asian Studies College, Jilin University, Changchun 130024, China) . 鄄Chin. J. Appl.
Ecol. , 2014, 25(3): 875-882.
Abstract: By using the entropy change equation of the second law of thermodynamics, entropy
method and PSE model, this article made an analysis on coupling relationship between urbanization
and ecological environment in Jilin Province from 2001 to 2011. In the study period, the urbaniza鄄
tion development had been out of normal evolution track: The economic urbanization and space ur鄄
banization dominated the whole urbanization process, while population urbanization was neglected
too seriously, with an apparent characteristic of extensive and inefficient input of resources (espe鄄
cially land resource). According to the levels of ecological environment on the basis of PSE model,
not only the pressure index, sensitivity index and the elasticity index, but also the comprehensive
index showed considerable growth with obvious stage characteristics: ascending鄄descending鄄ascend鄄
ing. The total entropy values of the urbanization were less than zero during the time, which meant
an unstable rising curve. While the total trophy values of the ecological environment varied below
and above zero, and 2003, 2006, 2010 and 2011 were the “turning points冶, reflecting the instabi鄄
lity of the ecological environment. The coupling total entropy values between urbanization and eco鄄
logical environment had the same characteristics with the ecological environment: the same “turning
points冶 and shape of the curve, in which, the “turning points冶 corresponded to the type of antago鄄
nistic evolution pattern, while the rest of years responded to the type of coordination evolution pat鄄
tern.
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 3 月摇 第 25 卷摇 第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Mar. 2014, 25(3): 875-882
Key words: urbanization; ecological environment; coupling; evolution pattern; entropy change
equation; Jilin Province.
摇 摇 城市化与生态环境是一种相互作用、交互耦合
的关系,在诸多耦合关系中必定存在协调性和非协
调性的各种耦合状态. 为了识别和揭示这些耦合状
态及其形成机理,进而有针对性地提出协调发展调
控对策,成为当前可持续发展研究中的一个焦点问
题和热点问题.
20 世纪 80 年代以来,国外相关研究进入了一
个多元综合蓬勃发展阶段,并取得了一系列研究成
果,其中 3 个标志性成果备受推崇[1]: 1) 20 世纪
80—90 年代由经济合作与发展组织(OECD)和联合
国环境规划署(UNEP)联合开发的 PSR模型,从“压
力鄄状态鄄响应冶角度为探讨人类活动与环境关系而
提供了一套全新的分析框架和理论体系[2-4]; 2)20
世纪末期提出的环境库兹涅茨曲线( environmental
Kuznets curves, EKC),认为经济发展过程中环境污
染与经济增长之间是一种先增后减的“倒 U 型曲
线冶关系,即环境污染先是恶化而后逐步得到改
善[5-6]; 3)21 世纪初由 OECD提出的脱钩理论(de鄄
coupling theory),认为经济增长达到一定程度时,环
境压力达到最大值,并随后开始下降,即经济增长与
环境压力相背变化,或者说经济增长率高于环境压
力增长率[7] .该理论认为可以采取相关措施以加快
二者的相背变化,进而实现脱钩发展.
国内的相关研究起步较晚,但发展较快,大体经
历了一个由城市发展环境问题阐述-定量量化城市
化与生态环境交互耦合作用程度-运用耦合机制解
析二者互动关系的内在机理、提出对策措施的演进
过程.起步阶段,以马世骏和王如松[8]为代表的学
者提出了关于“社会鄄经济鄄自然冶复合生态系统的综
合思想,丰富和发展了我国城市生态研究的理论基
础,城市化与生态环境复合生态系统思路由此成为
研究热潮和主流;马传栋[9]、黄光宇[10]等就城市经
济、社会和生态环境的协调发展进行了有益探讨.量
化阶段,刘耀彬等[11-12]在对城市化和生态环境内涵
界定的基础上,提出了基于人口城市化、经济城市
化、社会城市化和空间城市化,以及环境压力、环境
水平和环境空间的综合指标评价体系,并依据物理
学中的耦合容量模型展开了实证分析;凌亢等[13]运
用时间序列数据,对南京市的城市经济发展与生态
环境污染互动关系进行了实证论证,结果表明,库兹
涅茨曲线(倒“U冶型曲线)符合南京市经济发展与
生态环境污染之间的时序关联.耦合机制解析阶段,
黄金川等[14]和方创琳等[15]对二者的交互耦合机制
展开分析,采用代数学和几何方法对 EKC 和城市化
对数曲线进行逻辑复合,导出交互耦合的梳理函数
和集合曲线,揭示出生态环境随城市化发展存在指
数先衰退后改善的演变规律,交互耦合过程划分为
低水平协调、拮抗、磨合和高水平协调 4 个阶段,并
对西部干旱区有关城市展开了实证检验,提出对策
建议.这些研究多数是对 EKC 和 PSR 模型等的引
用、扩展和验证.
基于城市化子系统与生态环境子系统是一对交
互耦合的耗散结构体. 本文在对城市化与生态环境
发展水平综合测定的基础上,借助热力学第二定律
的熵变方程原理,对 2001—2011 年吉林省城市化与
生态环境的耦合关系进行分析,并从二者之间的因
果关联分析中提出优化调控脱钩措施.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
吉林省位于东北亚的地理中心,战略地位极其
重要,不仅肩负着国内粮食生产安全和工业发展的
职责,更是图们江国际开发开放的先导区,具有发展
东北亚区域合作的优越区位条件. 自 21 世纪以来,
吉林省的城市化水平得到飞速发展,据统计,截至
2011 年底人口城市化率 (非农人口 /总人口)达
48%,极大地推进了城市规模和体系的提升与完善.
其中,特大城市(人口逸100 万)2 个,大(人口在 50 ~
100 万)、中(人口在 20 ~ 50 万)、小城市(人口在 20
万以下)分别为 2、8 和 16 个. 2011 年吉林省经济总
量首次突破万亿元台阶,较 2010 年同比增长
13郾 7% .但是期间带来了一系列的生态环境效应问
题,如森林生态功能退化、水土流失、“三化冶、水环
境污染等问题严重.据 2004 年第三次全国荒漠化和
沙化监测数据,全省荒漠化土地面积为 20. 26伊104
hm2,沙化土地面积为 71. 07伊104 hm2,分别占全省
总面积的 1. 08%和 3. 79% [16-20] .
1郾 2摇 城市化与生态环境评价体系构建
城市是一个耗散结构体,在整个城市化进程中
时刻需要与生态环境进行物质、能量和熵的交换转
化与传递.这种物质、能量和熵的交换转化与传递就
是城市化子系统与生态环境子系统交互耦合过程中
678 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
的内容表述.依据空间作用范围可以将其划分为城
市内部作用和城市外部作用(区域城市化与区域生
态环境)两大类. 其实质就是地理学中一种显化的
人地关系.其中,人是行为主体,生态环境是承载体.
在这个过程中,城市化发展推动城市人口、产业、基
础设施等的地理集聚而可能给生态环境带来挤压效
应———增加单位生态环境的承受力,也可能增强城
市资源集约度、污染集中治理能力而对生态环境产
生促进效应———提高生态环境要素支撑能力、投资
环境竞争力以及城市宜居性等. 生态环境是一个软
实力指标,对提升城市综合竞争力、加强招商引资水
平和城市居民归属感有着举足轻重的作用,同样对
城市化进程的推进彰显着“桎梏冶和“引擎冶的效用.
概括起来说,城市化子系统与生态环境子系统是一
对互为映射的时(阶段性)空(区域性)函数关系式.
所以其指标体系设计应在遵循相关原则(科学性、
系统性、可操作性等)的基础上,既要强调复合系统
交互耦合的内容表述,又要体现以“人冶为本、生态
环境为辅复杂的交互耦合的胁迫机制. 具体指标设
计如下:
1郾 2郾 1 城市化指标 摇 城市化是一个综合概念,是一
个基于人口鄄经济鄄空间城市化的三维一体的过程.
其中,人是行为主体、经济是驱动力、空间是载体.为
了彰显这 3 个层面的内涵,本文选取如表 1 所示的
城市化评价指标,其中,人口城市化强调人口规模、
人口密度和就业属性等;经济城市化强调各种要素
流的空间集聚能力;空间城市化表述地理学家笔下
的城市规模、居民生活方式及城市景观的变化情况
等[21-22] .
1郾 2郾 2 生态环境指标摇 城市范畴的生态环境是人类
社会经济活动的产物,具有典型的压力(pressure)鄄
敏感性( sensitivity)鄄弹性( elasticity)的内在特征属
性[23] .当行为主体为满足其自身多层的心理生理需
求时,不断从生态环境系统攫取各种资源(能源、原
材料),并释放大量的废渣、废气、废水,给生态环境
系统的稳定性带来极大的压力与挑战;生态环境系
统由此呈现出如空气污染等各种外在表征(敏感
性),并通过调整系统自身结构特征(弹性)来应对
这种外在扰动(压力). 为此,为了凸显生态环境这
种内在的特征属性,本文选取用水总量和能耗总量
表征外在压力大小(城市土地相对较为宽松);工业
废水、工业粉尘和工业二氧化硫排放量(工业化发
展的初中期,以工业污染为指标更具表征性,加上吉
林省是东北老工业基地城市,更具典型性和代表
性)表征敏感性特征;污染治理资金使用额、垃圾无
害处理率、森林覆盖率表征弹性特征(表 1).
表 1摇 城市化与生态环境评价指标体系及其权重
Table 1摇 Assessment indices and its weights of urbanization and ecological environment
系统层
System layer
准则层
Rule layer
指标层
Index layer
信息熵
Entropy
效用值
Utility value
权重
Weight
城市化水平 人口城市化 非农人口比重 0. 945 0. 055 0. 040
综合评价体系 Population urbanization 非农人口规模 0. 950 0. 050 0. 037
Comprehensive evaluation 建城区人口密度 0. 890 0. 110 0. 080
index of urbanization 二、三产业从业数 0. 939 0. 061 0. 044
万人在校大学生数 0. 955 0. 045 0. 033
人均 GDP 0. 858 0. 142 0. 103
经济城市化 人均工业产值 0. 841 0. 159 0. 115
Economic urbanization 二、三产业产值比重 0. 893 0. 107 0. 078
二、三产业产值密度 0. 872 0. 128 0. 093
建成区面积 0. 900 0. 100 0. 075
空间城市化 人均建成区面积 0. 876 0. 124 0. 090
Space urbanization 人均绿地面积 0. 902 0. 098 0. 071
万人公共汽车数 0. 899 0. 101 0. 074
人均道路铺砖面积 0. 906 0. 094 0. 068
生态环境效应 压力 用水总量 0. 850 0. 150 0. 461
综合评价体系 Pressure 用电总量 0. 909 0. 091 0. 278
Comprehensive evaluation 能耗总量 0. 915 0. 085 0. 262
index of ecological 工业废气排放量 0. 965 0. 035 0. 150
environment 敏感性 工业粉尘排放量 0. 916 0. 084 0. 355
Sensitivity 工业二氧化硫排放量 0. 882 0. 118 0. 496
弹性 垃圾无害处理率 0. 985 0. 015 0. 058
Elasticity 森林覆盖率 0. 837 0. 163 0. 647
污染资金投入量 0. 926 0. 074 0. 295
二、三产业产值密度指二、三产业产值与建成区面积的比值 Output value degree of the second and tertiary industries meant the percentage of output
value of the second and tertiary industries by the built鄄up area. 表中数值按照熵值法计算得来 The scores in the table evaluated by the entropy method.
7783 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 孙平军等: 熵变视角的吉林省城市化与生态环境的耦合关系判别摇 摇 摇 摇 摇 摇
1郾 3摇 研究方法
本研究具体涉及到 2 个方面的量化分析:一是
城市化与生态环境发展水平的测度,另一个是城市
化与生态环境耦合关系演化的判别. 为了使计算结
果更科学,本文选取熵值法计算时间序列的城市化
与生态环境指标层面的压力、敏感性和弹性指数,再
结合 PSE模型计算生态环境效应水平;选用热力学
第二定律中的熵变方程原理判别城市化与生态环境
之间的耦合关系演化.由于篇幅和使用频率的原因,
对熵值法具体使用步骤的阐述见文献[24],其余的
详情如下:
1郾 3郾 1 PSE模型的构建摇 生态环境系统具有典型的
压力鄄敏感性鄄弹性的内在属性,可以构建如下的函
数关系式:y= f (p, s, e).其中:y为生态环境效应指
数,p、s、e分别表征生态环境系统的压力指数、敏感
性指数和弹性指数. 由于生态环境效应与弹性指数
呈正相关,而与压力、敏感性指数呈负相关,故本文
将其简单转化为如下的函数关系式:y = ke / (ps).式
中,k为调节系数.在此将该式定义为 PSE 模型[23] .
它是对传统 PSR 模型的修正,原因在于传统的 PSR
模型中 R(response,响应)更强调人的主观能动性而
相对忽视生态系统自身结构的稳定性和调节功能,
故在 PSE 模型中将 E(elasticity,弹性)设定为生态
系统的弹性能力(其中包含人的主观能动性).
1郾 3郾 2 耦合关系演化的判别摇 城市化子系统和生态
环境子系统是一对互为耦合的耗散结构体,彼此间
时刻需要进行物质、能量和熵的交换转化和传递.故
此,依据热力学第二定律的熵变方程原理(ds = di s+
des,三者分别代表总熵、内熵和外熵),系统要维持
稳定乃至高级化,其总熵变值应该小于 0,则其对应
的是一条不稳定的上升曲线;若总熵变值大于 0,其
对应的则是一条不平稳的下降曲线. 依据系统的总
熵变值判断其发展趋势大体分为图 1 所示的 3 种情
景:总熵变值大于 0,表现为一条不平稳的下降曲线
(玉);等于 0,为平稳曲线(域);小于 0,为非平稳的
上升曲线(芋);反之,非平稳下降曲线对应着的系
统总熵变值大于 0,依次类推平稳曲线和非平稳的
上升曲线[25-26] .
摇 摇 依据城市化系统和生态环境系统的熵变值及二
者之和的大小和方向,可划分为 7 种耦合关系演化
模式[25-26](表 2).
摇 摇 基于上述耦合关系演化模式的判别标准,本文
设 X( t)为城市化子系统在特定时段 t 内的综合发
展水平,Y( t)为生态环境子系统在特定时段t内的
图 1摇 复合系统发展曲线模式与总熵值的关系
Fig. 1摇 Relationship between development curve mode and en鄄
tropy of the compound system.
ds: 总熵值 Total entropy value. 玉: 不平稳的下降曲线 Unstable de鄄
scending curve (ds>0); 域:平稳曲线 Stable curve (ds=0); 芋: 不平
稳的上升曲线 Unstable ascending curve (ds<0).
表 2摇 城市化与生态环境耦合关系演化模式
Table 2摇 Evolutionary patterns of the coupling relationships
between urbanization and ecological environment
耦合关系类型
Coupled type
判别依据
Criterion
协调型
Coordinated type
dcitys<0 且 decos<0
临界协调型
Critical coordinated type
dcitys<0 且 decos=0 或 dcitys=0 且 decos<0
磨合型
Break鄄in type
dcitys>0、decos<0 且 | dcitys | < | decos |或
dcitys<0、decos>0 且 | dcitys | > | decos |
磨合拮抗型
Running鄄in antagonist type
dcitys>0、decos<0 且 | dcitys | = | decos |或
dcitys<0、decos>0 且 | dcitys | = | decos |
拮抗型
Antagonist type
dcitys>0、decos<0 且 | dcitys | > | decos或
dcitys<0、decos>0 且 | dcitys | > | decos |
临界衰退型
Critical decline type
dcitys>0 且 decos=0 或 dcitys=0 且 decos>0
衰退型
Decline type
dcitys>0 且 decos>0
dcity s、deco s分别表示城市化系统和生态环境系统的总熵变值 dcity s
and deco s indicated the total entropy values of the urbanization system and
the ecological environment system, respectively.
综合发展水平,则 驻X( t)= X( t) - X( t-1)表示某一
年的城市化发展水平,驻Y( t)= Y( t) - Y( t-1)表示
某一年的生态环境发展水平.当 驻X( t)>0 时,则 dcity
s<0;当 驻X( t)臆0 时,dcity s逸0. 驻Y( t)亦然. 故可运
用上述方法判别某个城市的城市化与生态环境在特
定时段内的耦合关系演化模式.
1郾 4摇 数据来源与处理
本研究中所使用的数据均直接或间接来源于
2002—2012 年《中国城市统计年鉴》 [27]和《吉林城
市统计年鉴》 [28] . 为了消除指标体系量纲和数量级
别上的差距,文中首先对数据进行极化指数的标准
化处理:效益指标 X ij忆=(X ij-X jmin) / (X jmax-X jmin);成
本指标 X ij忆=(X jmax-X ij) / (X jmax -X jmin);接着运用熵
值法计算城市化与生态环境指标的信息熵、效用值
及权重;最后计算综合得分.
878 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 3摇 2001—2011 年吉林省城市化与生态环境发展水平得分
Table 3摇 Scores of urbanization and ecological environment in Jilin Province from 2001 to 2011
年份
Year
城市化 Urbanization
人口
Population
经济
Economic
空间
Space
综合
Comprehensive
生态环境 Ecological environment
压力
Pressure
敏感性
Sensitivity
弹性
Elasticity
综合
Comprehensive
2001 0. 015 0. 000 0. 000 0. 015 0. 067 0. 061 0. 015 0. 072
2002 0. 019 0. 003 0. 005 0. 027 0. 079 0. 044 0. 026 0. 147
2003 0. 021 0. 007 0. 017 0. 040 0. 090 0. 047 0. 006 0. 028
2004 0. 023 0. 012 0. 015 0. 050 0. 120 0. 060 0. 019 0. 054
2005 0. 022 0. 018 0. 023 0. 064 0. 115 0. 145 0. 094 0. 113
2006 0. 020 0. 027 0. 034 0. 081 0. 122 0. 148 0. 081 0. 090
2007 0. 020 0. 039 0. 042 0. 102 0. 064 0. 135 0. 141 0. 328
2008 0. 020 0. 051 0. 056 0. 126 0. 076 0. 092 0. 147 0. 421
2009 0. 019 0. 060 0. 063 0. 142 0. 075 0. 082 0. 148 0. 483
2010 0. 021 0. 077 0. 071 0. 168 0. 090 0. 075 0. 145 0. 428
2011 0. 033 0. 096 0. 058 0. 186 0. 102 0. 113 0. 179 0. 313
为了保持等同的数量级,文中将 k取值为 1 / 100,原因在于运用 PSE模型进行计算时,分母是 2 个百分制小数,分子为 1 个百分制小数,相当于
结果扩大了 100 倍 In order to keep the same magnitude, the article took k as 1 / 100. The reason was that the denominator contained two centesimal sys鄄
tem decimals, while the numerator just contained one centesimal system decimals when evaluating the scores by PSE model, which meant the result was
enlarged by 100 times.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 吉林省城市化与生态环境发展水平
2郾 1郾 1 城市化水平 摇 从城市化总量水平来看,
2001—2011 年,吉林省经济城市化与空间城市化都
呈现出明显的增长趋势.经济城市化由 2001 年的 0
起步增长到 2011 年的 0. 096;空间城市化由初始的
0 起步增长到 0. 058;而人口城市化增长缓慢,由初
始的 0. 015 增长到期末的 0. 033,增幅相对较少,且
具有一定的阶段性特征,2001—2004 年呈上升趋
势,2005—2009 年呈下降趋势,而后又开始上升;城
市化总量水平也有较大幅度的提升,由 2001 年的
0. 015 增长到 2011 年的 0. 186,增幅达 11. 37 倍.从
指标权重来看,各指标权重的平均值依次为经济城
市化(0. 079 >空间城市化 (0. 076) >人口城市化
(0郾 047);单个指标权重中,作用最明显的是经济城
市化指标中的人均工业产值 (0. 115)、人均 GDP
(0郾 103)和二、三产业 GDP 密度(0. 093)以及空间
城市化中的人均建成区面积(0. 090),作用最弱的
是人口城市化中的万人在校大学生数(0. 033)、非
农人口规模(0. 037).从经济、空间及人口城市化的
总量水平及其作用的指标权重来看,吉林省整个城
市化进程由经济城市化和空间城市化所主宰,而相
对忽视“人冶的城市化进程,且表现出典型的资源
(这里主要指土地资源)粗放、低效投入的特征. 正
是建成区土地资源粗放、低效投入,导致单位面积的
非农人口数(建成区人口密度)成为人口城市化的
主要影响指标,该值由 2001 年每平方千米的 1. 456
万人下降到 2011 年的 1. 030 万人.
2郾 1郾 2 生态环境发展水平 摇 2001—2011 年,压力指
数得分的整体水平增幅较大,达 51. 0% ,但呈现出
显著的阶段性特征. 其中,2001—2004 年呈明显的
上升趋势,2005—2008 年呈下降趋势,而后又呈上
升趋势;从指标权重来看,人类社会活动对吉林省作
用最明显的指标是用水总量,其权重为 0. 461.敏感
性指数的得分同样表现出明显的阶段性特征:先升
后降而后又开始上升,整体呈上升趋势;作用最明显
的指标是工业二氧化硫排放量(权重为 0. 496),作
用最不明显的指标是工业废气排放量 (权重为
0郾 150),这与吉林省重化工业产业结构较为吻合.
弹性指数的得分大体上表现为一条快速增长的曲
线,由 2001 年的 0. 015 增长到 2011 年的 0. 179,增
幅在 10 倍以上;从指标权重来看,影响最显著的指
标是森林覆盖率(0. 647),最弱的是垃圾无害处理
率(0郾 058),从原始指标值中可以看出,垃圾无害处
理率不断在下降,由 2001 年的 52. 3%下降到 2011
年的 49. 3% ,部分年份下降到 40%以下,而森林覆
盖率的增幅则较小,侧面说明吉林省在当前城市化
进程中虽然已经开始进行生态环境的保护和治理,
但力度还显得不够.生态环境综合得分表明,吉林省
整体生态环境正逐步改善,呈现出增长趋势,得分由
2001 年的 0. 072 上升到 2011 年的 0. 313,增幅超过
400% ,但期间也因压力、敏感性、弹性指数的波动而
呈现出一定的阶段性特征.
9783 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 孙平军等: 熵变视角的吉林省城市化与生态环境的耦合关系判别摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 4摇 2001—2011 年吉林省城市化与生态环境总熵变值及
其耦合关系演化模式
Table 1摇 Total entropy values and its evolutionary patterns
of the coupling relationships between urbanization and eco鄄
logical environment from 2001 to 2011
年份
Year
驻X( t) dcitys 驻Y( t) decos 驻X( t)+
驻Y( t)
dcitys +
decos
耦合模式
Coupled
pattern
2002 0. 012 <0 0. 075 <0 0. 087 <0 A
2003 0. 013 <0 -0. 119 >0 -0. 106 >0 B
2004 0. 01 <0 0. 026 <0 0. 036 <0 A
2005 0. 014 <0 0. 059 <0 0. 073 <0 A
2006 0. 018 <0 -0. 023 >0 -0. 006 >0 B
2007 0. 021 <0 0. 239 <0 0. 259 <0 A
2008 0. 025 <0 0. 093 <0 0. 118 <0 A
2009 0. 015 <0 0. 061 <0 0. 077 <0 A
2010 0. 027 <0 -0. 543 >0 -0. 028 >0 B
2011 0. 017 <0 -0. 115 >0 -0. 098 >0 B
驻X( t): 城市化水平增量 Increment of urbanization; 驻Y( t): 生态环境
水平增量 Increment of ecological environment; dcity s: 城市化子系统总
熵值 Total entropy value of the urbanization system; deco s: 生态环境子
系统总熵值 Total entropy value of the ecological environment system.
A: 协调型 Coordinated type; B: 拮抗型 Antagonist type.
2郾 2摇 吉林省城市化与生态环境耦合关系演化模式
判别
由表 4 可以看出,2001—2011 年,表征吉林省
城市化水平的 驻X( t)始终大于 0,此时系统表现为
一条非平稳的上升曲线,也就意味着城市化子系统
的总熵变值(dcitys)一直小于 0,系统在有序地增加.
表征吉林省生态环境发展水平的 驻Y( t)有正、有负,
此时系统表现为一条非平稳的波浪形曲线,阶段性
特征明显,意味着生态环境系统的总熵变值(deco s)
有正、有负,其中,2003、2006、2010、2011 年为对应
的“拐点冶.
摇 摇 研究期间,吉林省城市化与生态环境耦合发展
水平之和[驻X( t) +驻Y( t)]同样有正、有负,与生态
环境系统表现出类似的变化趋势和演变特征,映射
出该复合系统同样是一条非平稳的波浪形曲线,也
就意味着城市化子系统与生态环境子系统的总熵变
值(dcitys+ decos)时正、时负.结合城市化子系统和生
态环境子系统的总熵变值,判别出二者之间的耦合
关系演变模式大体在协调型和拮抗型之间徘徊,其
中,2003、2006、2010 和 2011 年为系统的“拐点冶,对
应为拮抗型耦合关系演化模式,其余年份对应的是
协调型耦合关系演化模式.
3摇 讨摇 摇 论
城市化与生态环境是一对互为耦合的耗散结构
体.在城市化推进的进程中,城市化子系统时刻需要
与生态环境子系统进行物质、能量和熵的交换转化
与传递,这就决定了二者之间必须遵循系统论中的
第二热力学规律,即“熵增定律冶.因此,本文借助熵
变方程演变原理对城市化与生态环境之间的耦合模
式进行判别,并以吉林省为例展开实证分析.结果表
明:基于压力鄄敏感性鄄弹性的 PSE 模型,强调人类为
满足自身多层次的生理心理需求而对生态环境产生
“扰动冶,生态环境进而呈现出空气污染、热岛效应
等敏感性外在表征,以及调整自我以适应外在环境
的“扰动冶.它一方面反映了人鄄地相互作用关系,另
一方面也揭示了系统自身结构的稳定性,较传统的
PSR(压力鄄状态鄄响应)模型(偏于人的主观能动性,
而无法表征系统稳定性)更具优势. 在 2001—2011
年吉林省整个城市化进程中,无论是从总量水平,还
是增长幅度,抑或整个城市化影响因素(指标权重)
来看,吉林省城市化进程由经济城市化和空间城市
化所主宰,而相对忽视“人冶的城市化进程,且表征
出典型的资源(主要指土地资源)粗放、低效投入的
特征.正是由于建成区土地资源的粗放、低效投入,
导致单位面积的非农人口数(建成区人口密度)成
为人口城市化的主要影响指标. 依据城市化子系统
的总熵值、生态环境子系统的总熵值,以及二者之和
的总熵值,表明 2001—2011 年吉林省城市化与生态
环境之间的耦合模式在协调型和拮抗型之间徘徊.
其中,2003、2006、2010、2011 年是“拐点冶,对应的是
拮抗型耦合关系演化模式,其余年份所对应的为协
调型耦合关系演化模式.
在城市化与生态环境的因果关联中,城市化是
因,生态环境是果.如何在快速城市化进程中减少对
生态环境的“扰动(压力)冶,进而实现二者之间的
“脱钩冶协调发展,是此类研究分析的聚焦点. 研究
期间,吉林省城市化进程由经济城市化和空间城市
化所主宰,而相对忽视“人冶的城市化,且带有典型
的资源粗放、低效投入推进的演进特征. 具体表现
为:1)城市中存在相当数量的非市民化的城市居民
(主要指农民工),这部分人通常经济支付能力有限
而有意识地选择集聚于城乡交接区和旧城棚户区,
对生态环境的保护观念淡薄,无疑给城市生态环境
带来了一定的影响. 2)维持城市正常运转的城市基
础建设(这里主要指排水、垃圾处理等实施)的配给
数量以市民规模为准,通常小于现实所需,导致单位
面积生态环境承受力加大. 3)粗放、低效的城市建
设带来的经济增长,无疑是以生态环境为代价换取
的结果,不仅加大了外在压力“扰动冶的程度,而且
088 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
降低了生态环境系统自身的“阀值冶容量. 4)城市产
业结构不合理.第三产业的份额偏少,研究期内由初
始的 40%降到 2011 年的 34% ,降幅非常明显,而第
二产业的升幅却非常显著,由 2001 年的 40%上升
到 2011 年的 53% .从产业发展规律来看,该现象不
合乎逻辑,违背了产业发展的演变规律;工业结构偏
重化特征明显、所有制结构单一的现象虽有所改善
但不理想、高新技术产业发展滞后等,无疑加大了生
态环境压力,尤其是“三废冶的排放[29] . 5)城市空间
扩展无序,没有形成规模鄄密度鄄形态三维统一的合
理结构,长春鄄吉林城市空间的低效无序扩展明显,
一方面导致生物多样性、生态林地、湿地的急剧锐
减,另一方面导致地表水和地下水的失衡、水土流
失、沙尘暴等自然灾害泛滥[30] . 6)在意识形态方面,
经济发展观念主宰生态环境保护,各级地方政府在
政府绩效和地方财政可支配收入最大化的激励下,
不断追逐 GDP的增长,加上干部 5 年换届的影响,
更加剧了这种意识形态.因此,提升城市化质量是协
调城市化与生态环境耦合发展的源头所在、关键所
在.
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作者简介 摇 孙平军,男,1981 年生,博士,讲师. 主要从事城
市与区域规划、区域经济开发研究,发表论文 30 余篇.
E鄄mail: sunpj031@ gmail. com
责任编辑摇 杨摇 弘
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