Coupling relationship between urbanization and forest ecological carrying capacity on the Yangtze River Economic Belt

LIAO Wenmei; QIN Keqing; TONG Ting; PENG Taizhong

doi:10.11833/j.issn.2095-0756.2019.02.017

Volume 36 Issue 2

Mar. 2019

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LIAO Wenmei, QIN Keqing, TONG Ting, PENG Taizhong. Coupling relationship between urbanization and forest ecological carrying capacity on the Yangtze River Economic Belt[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2019, 36(2): 349-358. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2019.02.017

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LIAO Wenmei, QIN Keqing, TONG Ting, PENG Taizhong. Coupling relationship between urbanization and forest ecological carrying capacity on the Yangtze River Economic Belt[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2019, 36(2): 349-358. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2019.02.017

Coupling relationship between urbanization and forest ecological carrying capacity on the Yangtze River Economic Belt

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2019.02.017

School of Economics and Management, Jiangxi Agriculture University, Nanchang 330032, Jiangxi, China

Received Date: 2018-04-26
Rev Recd Date: 2018-07-20
Publish Date: 2019-04-20

Abstract

This article focused on 11 provinces on the Yangtz River Economic Belt (YREB). Firstly, it established a systematic evaluation index system for urbanization and forest ecological carrying capacity (FECC). Secondly, it used an entropy weight method to measure the integrated level of the urbanization and the FECC. Finally, the change trends of the urbanization and the FECC on the YREB during 2005-2014 were revealed through the coupling coordination model. The results showed that:(1) there had been a growing trend in the integrated level of the urbanization and the FECC on the YREB, showing a distribution pattern of "strongest in the middle and east of China and weakest in the west of China", the index of urbanization increased by 0.070 8 and the index of forest ecological carrying capacity increased by 0.057 9; (2) there had also been an upward trend in the coordinated degree between urbanization and the FECC in the YREB cities, the degree of coupling coordination rose from 0.585 7 in 2005 to 0.651 1 in 2014; it had experienced a transition from "low coordination" to "moderate coordination"; the overall synergy began to appear but the lag in the urbanization was the main factor constraining the improvement of the coordinated development; (3) there were certain differences in coordination levels among provinces; the level of the coordination had decreased from the east to the west region, presenting the spatial distribution trend of "good coordination-urbanization development", "medium mismatches-green development", "low coordination-green development" and "moderate coordination-green development". Overall, the FECC taking precedence over the urbanization on the YREB is an important reason why the coupling coordination between two systems in most cities is at medium-low level. Therefore, in promoting the construction of the YREB, we must correctly handle the relationship between the ecological environment and economic development, and explore the synergetic mode to promote ecological priorities and new approaches to green development.
- forestry economics,
- the Yangtze River Economic Belt,
- urbanization,
- forest ecological carrying capacity,
- coupling coordination

Relative Article

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

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城市是人类文明的标志，也是人类利用和改造自然的集中体现。中国在快速发展的城市化和工业化推动下，年经济增长率平均超过9.9%，跃居成为世界第二的经济大国，然而日益加快的城市化进程势必对生态系统和资源环境承载力带来巨大压力^[1]。城市的发展离不开自然生态系统的支撑。长江经济带作为全面推进的对内对外开放带和生态文明建设的先行示范带，在全面促进产业转型升级、推进新型城镇化建设方面发挥着重要的示范引领作用。因此，城市化与生态环境间的协调问题成为长江经济带发展的重要命题。森林生态的承载能力作为可持续林业理论的重要组成部分，是评价区域森林可持续性和社会可持续性的重要指标。中国对森林生态承载力的研究始于20世纪80年代，早期的研究主要集中在森林能承载的最大人口数量上展开，指在一定时期内某一区域内森林对人类社会经济活动的支持能力的阈值及可供养的具有一定生活质量的人口最大数量^[2]。学者们通过人均林业产品需求量和林业收入来计算森林的人口承载量，但这种评价方法没有体现森林多功能和多服务的价值。随后，学者们将森林承载力定义为既能反映森林自身的资源状况，也能体现森林所能承载的人类社会活动量^[3]。目前，学者们的研究焦点逐渐转移到森林的生态价值，将森林生态承载力与广义的森林生态安全结合起来构建森林生态承载力评价体系^[4]，既在维持自身森林生态系统结构和功能不发生退化的前提下，研究森林对人类社会的支持能力^[5]。总体而言，对森林生态承载力的研究还处于探索阶段，研究方法有综合指数法、熵权法、层次分析法、“压力—状态—响应”（PSR）模型以及“驱动—状态—响应”（DSR）模型，研究对象包括省域、区域、县域层面。总之，学者们对森林生态承载力的概念、内涵、评价体系及研究方法等方面作出了卓有成效的研究，发表了许多有价值的研究成果，为本研究提供了重要的理论基础。长江经济带是中国未来经济发展格局中最具活力和潜力的核心地区，在其城市化快速推进过程中，森林生态也受到了不同程度的破坏，城市化与森林生态承载力间是否出现了不协调发展的画面?因此，本研究从耦合协调角度出发分别构建城市化和森林生态承载力2个子系统，深入研究长江经济带的城市化与森林生态承载力的耦合协调关系及演变趋势，提出良性耦合的对策建议，对实现长江经济带城市化与生态环境的协调和可持续发展具有重要的指导意义。

1. 研究区域与数据来源

长江流域是中华民族的发源地，天然的地理优势蕴藏着巨大的经济潜力。长江经济带地跨中国东、中、西三大区域，覆盖上海、江苏、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重庆、四川、贵州、云南等11个省（市），面积约205万km²，人口和生产总值均超过全国的40%，串联着长江三角洲城市群、长江中游城市群和成渝城市群，是中国经济密度最大的流域经济带。因此，本研究以长江经济带11省（市）数据为基础，分析长江经济带城市化和森林生态承载力耦合协调发展关系，研究结果对整个长江经济带森林生态系统安全性进行科学评价是比较有意义的。研究数据来源于《中国统计年鉴》（中国统计出版社，2005-2014），《中国环境统计年鉴》（中国统计出版社，2005-2014）和《中国环境统计年鉴》（中国统计出版社，2005-2014）。

2. 研究方法

2.1. 耦合评价模型

耦合是物理学中的概念，是指2个（或2个以上的）系统或运动形式通过各种相互作用而彼此影响的现象^[6]。协调是2个或2个以上系统或要素之间一种良性的相互关联，是系统之间或系统内要素之间和谐一致、良性循环的关系。耦合度与协调度是对系统或要素之间耦合与协调状态、程度的描述和度量。为深入探讨长江经济带城市化与森林生态承载力之间的耦合关系，构建城市化与森林生态承载力耦合评价模型，以此来计算和分析两者之间的耦合关系以及反映2个系统的整体功效和协同效应。计算公式：

式（1）中：c为长江经济带城市化与森林生态承载力2个系统的耦合度；u₁，u₂分别为城市化和森林生态承载力2个系统的综合评价指数，表示2个系统的综合发展水平。此模型无法判断耦合是否为良性，当2个系统的综合发展水平都比较低时，仍然能够得到较高的耦合度。为了避免此模型的不足，本研究引入耦合协调度模型，以此客观反映长江经济带城市化与森林生态承载力之间的协调发展水平。计算公式：

式（2）中：d为耦合协调度；t为长江经济带城市化与森林承载力2个系统的综合协调指数，反映2个系统的综合发展水平对协调度的贡献；α，β为待定系数，分别表示城市化与森林生态承载力的贡献系数。在研究2个系统的耦合协调发展过程中，假定城市化与森林生态承载力同等重要，将α和β均取值为0.5。由于目前关于城市化与生态环境之间的耦合协调度划分标准没有统一，因此，本研究借鉴崔木花^[7]的研究将城市化与森林生态承载力的耦合类型划分为五大协调等级（表 1）。

d	协调度等级	u₁＞u₂	u₁≤u₂
0.8＜d≤1.0	良好协调	城市发展型	绿色发展型
0.6＜d≤0.8	中度协调	城市发展型	绿色发展型
0.4＜d≤0.6	低度协调	城市发展型	绿色发展型
0.2＜d≤0.4	中度失调	城市发展型	绿色发展型
0＜d≤0.2	严重失调	城市发展型	绿色发展型

Table 1. Type of coupling and coordination between urbanization and forest ecological bearing capacity

2.2. 综合发展水平评价模型

长江经济带城市化与森林生态承载力2个系统的综合发展水平计算公式如下：

式（3）中：u₁表示城市化系统的综合评价指数；u₂表示森林生态承载力系统的综合评价指数；u_sj为s系统的第j项指标值；ω_sj为指标权重。本研究采用熵权法来计算指标权重。第1步：构建初始指标判断矩阵。对于m个研究省份，n项城市化与森林生态承载力综合发展水平评价指标，可构建初始矩阵，x＝{x_ij}m×n，其中x_ij为区域i的第j项指标值（i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n）。第2步：指标数据的标准化。由于各指标的计量单位存在差异，需要对指标做无量纲化处理。正向指标：

负向指标：

式（4）和式（5）中：${\max \left( {{x_{ij}}} \right)} $和$ {{\rm{min}}\left( {{x_{ij}}} \right)}$分别为指标的最大值和最小值。第3步：指标同度量化。

式（6）中：p_ij为第j项指标下第i个区域所占的相对比重。第4步：计算第j项指标的熵值h_j。

式（7）中：h_j为第j项指标的熵值；1/lnm为信息熵系数。第5步：计算指标的信息效用价值。

式（8）中：d_j为第j项指标的效用价值；d_j越大，指标的重要性越大。最后，计算权重。

式（9）中：ω_j为第j项指标的权重。

3. 城市化与森林生态承载力综合评价指标体系构建

3.1. 城市化综合评价指标体系

城市化是经济、社会、文化等多种因素综合发展的过程，实质上也是以内向式集聚为主和外向式推延为辅的综合作用的过程^[2]。它不仅表现为人口由农村向城镇的转移集聚、城镇人口逐步增加，而且还包括土地的城市化和生活方式的城市化等。在城市化过程中，人们出于自身的需求和谋求更高的生活质量来到城市生活和工作，并逐渐改变原来农村的生活方式和接受城市生活方式。人口大量聚集到城市带来城市规模的扩大，使城市面积扩大以及增加更多的新城市。总之，城市化是一个复杂的过程，其中人是城市化主体，经济是驱动因素，空间是承载体，社会是城市化媒介。城市化促进人口和就业结构转变，以及产业结构升级，是现代文明取代传统文明的社会进步过程。通过梳理已有文献，在综合王少剑等^[1]和王毅等^[6]研究的基础上，遵循系统性、客观性以及数据的可获得性等原则，将从人口城市化、经济城市化、社会城市化和空间城市化4个维度来构建城市化综合水平评价体系，建立了4个城市化一级指标以及14个城市化二级指标（表 2）。

目标层	准则层	权重	指标层	性质	权重
城市化	人口城市化	0.188 5	非农业人口占总人口比例	+	0.505 7
			第三从业人员占比例	+	0.162 3
			城镇人口密度	+	0.332 0
	经济城市化	0.360 2	人均国内生产总值（GDP）	+	0.180 6
			第二、第三产业占GDP比例	+	0.187 8
			全社会固定资产投资	+	0.120 4
			城市经济密度	+	0.511 2
	社会城市化	0.154 1	城镇居民人均可支配收入	+	0.434 0
			每万人拥有的交通车辆数	+	0.211 4
			每万人拥有的医生数	+	0.207 8
			每万人拥有的普通高校数	+	0.146 8
	空间城市化	0.297 3	城镇密度	+	0.200 6
			交通网密度	+	0.605 4
			每万人拥有的建成区面积	+	0.199 4
	说明：“+”表示正向作用

Table 2. Comprehensive level evaluation system of urbanization in the Yangtze River Economic Belt

长江经济带城市化综合水平各个指标的权重如表 2所示。比较4个一级指标可以发现，经济城市化（0.360 2）＞空间城市化（0.297 3）＞人口城市化（0.188 5）＞社会城市化（0.154 1），由此可以得出：目前经济发展是长江经济带城市化的主要驱动力。在二级指标中，非农业人口占总人口的比例（0.505 7），城市经济密度（0.511 2）和交通网密度（0.605 4）是贡献最大的指标。由此可以推断，2005-2014年间城镇人口的增加、交通网密度和经济的提高是影响长江经济带城市化发展的重要原因。

3.2. 森林生态承载力综合指标体系

森林生态系统是一个复杂且具有动态变化的复合系统，决定其生态服务功能大小不仅包括森林自身的内在因素，还与人类社会外界影响有关^[8]。本研究从森林生态承载力内涵出发，在综合祝凌云等^[4]和米锋等^[9]已有研究的基础上，沿用“压力—状态—响应”（PSR）理论模型，将森林生态承载力综合评价指标体系分为4个维度：①森林资源状态。森林作为一种可再生资源，区域内森林的数量和质量决定森林生态价值的高低，只有达到一定的面积才能为大多数植物和动物提供一个良好的生存环境，才能维持其生态环境的稳定性以及生态系统服务功能的发挥，具体包括森林覆盖率、单位森林面积、天然林比例、林地面积比例等4个资源指标，以及病虫害受害面积比例、灾害受害面积比例2个灾害类指标。②森林生态压力。森林生态系统承载的压力主要来源于人类经济、社会活动产生的负面影响，如资源消耗和环境污染等问题，使得森林生态系统承载的压力增大。具体指标包括森林采伐强度（主要是木材、竹材采伐量占森林蓄积的比例），森林旅游开发强度（主要指森林旅游面积占森林面积比例），二氧化硫排放强度，工业废水排放强度等4个指标。③森林生态维护。人类社会基于基本的安全需求，会减少或免除自然生态系统因超过人类适应范围对生态价值造成的减损^[10]，在一定程度上人类会采取一些环保措施来减缓人类社会对森林生态承载的压力。具体包括自然保护区面积比例、新增造林比例、单位GDP工业污染治理强度、单位森林投资强度等4个指标。④自然气候条件。自然气候条件及其成因是影响森林生态承载力的主要因素，不同的自然气候条件造成区域间森林生物多样性的差异，形成区域间森林生态承载的差异，具体指标包括年降水量、平均气温、年日照时数等3个指标。

从表 3的森林生态承载力评价体系中比较4个一级指标可以发现：森林生态压力（0.268 3）＞自然气候条件（0.250 9）＞森林资源状态（0.241 4）＞森林生态维护（0.239 4）。目前，长江经济带面临着较大的森林承载压力，且对森林资源保护力度不够。减少森林生态压力和加强森林资源保护力度是提高森林生态承载力的关键。从二级指标中可以看出，森林单位蓄积量（0.288 6）、单位森林投资强度（0.546 5）、森林旅游开发强度（0.354 9）和森林采伐强度（0.290 6）对森林生态承载力综合水平具有较高的贡献份额。在增加森林蓄积量的自然基础上提高森林投资强度，适度进行森林旅游开发和森林采伐强度是提高森林生态承载力的有力措施。

目标层	准则层	权重	指标层	性质	权重
森林生态承载力	森林资源状态	0.241 4	森林覆盖率	+	0.176 1
			单位森林面积蓄积量	+	0.288 6
			天然林比例	+	0.149 2
			林地面积比例	+	0.157 4
			病虫害受害面积比例	-	0.121 2
			灾害受害面积比例	-	0.105 7
	森林生态压力	0.268 3	森林采伐强度	-	0.290 6
			森林旅游开发强度	-	0.354 9
			二氧化硫排放强度	-	0.165 7
			工业废水排放强度	-	0.188 8
	森林生态维护	0.239 4	自然保护区面积占比	+	0.153 1
			新增造林比例	+	0.194 3
			单位GDP工业污染治理强度		0.106 2
			单位森林投资强度	+	0.546 5
	自然气候条件	0.250 9	年降水量	+	0.497 8
			平均气温	+	0.108 2
			年日照时数	+	0.322 0
说明：“+”表示正向作用，“-”表示负向作用

Table 3. Comprehensive level evaluation system of forest ecological bearing capacity in the Yangtze River Economic Belt

6. 结论

本研究基于耦合协调度模型，构建了城市化和森林生态承载力的评价指标体系，采用熵权法研究了长江经济带11个省（市）城市化和森林生态承载力的协调耦合关系。主要结论如下：①经济城市化和森林生态压力分别为城市化系统和森林生态承载力系统中贡献份额最大的指标。②2005-2014年间长江经济带城市化综合水平和森林生态承载力综合水平呈现稳定上升趋势，呈现“中东部较强，西部较弱”的现状，进一步验证了流域发展不平衡不协调问题。③2005-2014年间长江经济带城市化和森林生态承载力的耦合协调度一直保持上升趋势，从“低度协调”过渡到“中度协调”阶段，且城市化滞后于森林生态承载力。④除上海外，2005-2014年间11个省（市）的耦合协调度均处于上升趋势。根据耦合模型测算结果，可以将11个省（市）划分为4种协调类型，且从西到东呈现“中度失调—绿色发展型”“低度协调—绿色发展型”“中度协调—绿色发展型”“良好协调—城市发展型”的时空演化趋势。

总体来看，长江经济带城市化滞后于森林生态承载力是造成大部分省（市）耦合协调度处于中低水平的原因，进一步说明国家在推进长江经济带发展过程中坚持了“绿水青山就是金山银山”的生态优先发展理念。因此，在未来一段时间，长江经济带针对这种现状，仍要正确处理生态环境和经济发展的关系，探索协同推进生态优先和绿色发展新路子，特别是处理好“绿水青山”和“金山银山”的关系。针对森林生态承载力滞后的省（市），要重点关注生态环境的改善，转变经济增长方式，走生态城市发展之路；而城市化滞后森林生态承载力的省（市）要努力将生态资源优势转变为区域发展优势，围绕生态优势打造投资项目，发展绿色环保产业和生态旅游产业，走高效低污染的可持续发展道路，推动两者协调发展；同时加快长江经济带上各个城市的交流与合作，依托黄金水道，在中心城市的带动下提升整体城市化水平，努力把长江经济带打造为中国绿色发展之路的美丽样板。

Reference (11)

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省市	$ {{\bar u}_1}\left( x \right)$	$ {{\bar u}_2}\left( x \right)$	$ {\bar d}$	耦合协调度类型
上海	0.976 2	0.552 3	0.858 0	良好协调—城市发展型
江苏	0.540 3	0.557 4	0.735 9	中度协调—绿色发展型
浙江	0.399 2	0.508 2	0.664 1	中度协调—绿色发展型
安徽	0.195 8	0.402 1	0.519 6	低度协调—绿色发展型
江西	0.184 8	0.596 5	0.573 8	低度协调—绿色发展型
湖北	0.203 0	0.519 0	0.568 7	低度协调—绿色发展型
湖南	0.209 4	0.519 5	0.568 7	低度协调—绿色发展型
重庆	0.114 3	0.536 0	0.494 3	低度协调—绿色发展型
四川	0.173 2	0.485 4	0.528 1	低度协调—绿色发展型
贵州	0.052 3	0.438 1	0.384 1	中度失调—绿色发展型
云南	0.090 0	0.498 2	0.455 2	低度协调—绿色发展型

Coupling relationship between urbanization and forest ecological carrying capacity on the Yangtze River Economic Belt

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2019.02.017