煤炭資源枯竭城市“人口-土地-產(chǎn)業(yè)”耦合測(cè)度研究

宋姝妍，蔣冬梅，李效順，洪江濤

(1.中國礦業(yè)大學(xué)中國資源型城市轉(zhuǎn)型發(fā)展與鄉(xiāng)村振興研究中心，江蘇 徐州 221116；2.江蘇自然資源智庫中國礦業(yè)大學(xué)研究基地，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué)江蘇賈汪資源枯竭礦區(qū)土地修復(fù)與生態(tài)演替教育部野外觀測(cè)研究站，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

煤炭占我國能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)比重高于65%，是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要工業(yè)原料，為實(shí)現(xiàn)國家能源穩(wěn)定做出了重要貢獻(xiàn)[1-2]。煤炭城市依托資源豐裕優(yōu)勢(shì)，借助資源開發(fā)在早期得到了長足發(fā)展[3]。然而，受資源耗竭和煤炭經(jīng)濟(jì)下行趨勢(shì)影響[4]，諸多煤炭資源型城市面臨著城市衰退的困境。尤其是“十八大”以來，在生態(tài)文明建設(shè)上升至國家戰(zhàn)略以及高質(zhì)量發(fā)展理念深入貫徹下，煤炭資源枯竭城市持續(xù)受新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換沖擊和環(huán)境規(guī)制影響[5-6]，城市人口大量流失[7]、城市土地?fù)p毀塌陷[8]、煤炭產(chǎn)業(yè)喪失活力[9]等問題日趨嚴(yán)峻，城市人口、土地、產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨嚴(yán)重失衡[10-11]。

首先，對(duì)于煤炭城市人口變動(dòng)來說，煤炭城市發(fā)展路徑依賴與創(chuàng)新環(huán)境欠佳[12]，導(dǎo)致城市吸引力下降和人才流入困難，尤其是煤炭行業(yè)高端人才流失嚴(yán)重、技能型人才總量不足[13]，部分城市甚至出現(xiàn)城市人口嚴(yán)重收縮[14]。其次，就煤炭城市土地利用而言，煤炭開采對(duì)土地的壓占、毀損[15]，誘發(fā)了水土流失、景觀破碎化等一系列城市土地問題[16]。最后，針對(duì)煤炭城市產(chǎn)業(yè)發(fā)展而言，煤炭的豐富究竟帶來“資源詛咒”[17]還是“資源紅利”[18]尚存爭議，但是在生物、新材料、大數(shù)據(jù)等為代表的新一輪科技革命浪潮下，綠色智能將成為實(shí)現(xiàn)煤炭行業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展的必由之路[19]，煤炭城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、接替產(chǎn)業(yè)培育和城市發(fā)展轉(zhuǎn)型已成必然[20-22]。因此，人口、土地、產(chǎn)業(yè)作為城市地域系統(tǒng)的關(guān)鍵要素[23-24]，三者之間的協(xié)調(diào)程度是區(qū)域高質(zhì)量和資源城市轉(zhuǎn)型發(fā)展重要標(biāo)識(shí)。現(xiàn)有研究對(duì)“人口-土地-產(chǎn)業(yè)”(以下簡稱“人-地-業(yè)”)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征[25]、耦合關(guān)系[26]和量化方法[27]等進(jìn)行系統(tǒng)解釋，但是研究區(qū)域多側(cè)重于發(fā)達(dá)城市、城市群或者鄉(xiāng)村地區(qū)[28-31]，對(duì)煤炭資源型城市“人-地-業(yè)”耦合測(cè)度研究較少。

鑒于此，本文聚焦于地級(jí)煤炭枯竭城市，通過構(gòu)建煤炭資源枯竭城市“人-地-業(yè)”耦合協(xié)調(diào)模型，揭示煤炭資源枯竭城市“人-地-業(yè)”發(fā)展格局，以期為煤炭及其他資源型城市高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展提供定量參考和決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究對(duì)象及數(shù)據(jù)來源

本文從國務(wù)院2008年、2009年、2011年累計(jì)確定的69座資源枯竭型城市中選出煤炭資源枯竭城市的地級(jí)市為研究對(duì)象，共計(jì)13個(gè)，其中，東北地區(qū)6個(gè)，中西部地區(qū)4個(gè)，華東地區(qū)3個(gè)(表1)。主要從人口、產(chǎn)業(yè)、土地3個(gè)層面來識(shí)別煤炭資源枯竭城市的“人-地-業(yè)”綜合發(fā)展水平和耦合協(xié)調(diào)現(xiàn)狀。人口、產(chǎn)業(yè)、土地?cái)?shù)據(jù)主要來源于《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》、各省或地級(jí)市統(tǒng)計(jì)年鑒、國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)等，時(shí)間跨度為2008—2017年。

表1 煤炭資源枯竭型城市地級(jí)市名單Table 1 List of prefecture-level cities withexhausted coal resources

1.2 研究方法

1.2.1 評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

人口、土地、產(chǎn)業(yè)之間存在交互耦合關(guān)系[29](圖1)。人口維度是城市發(fā)展的關(guān)鍵，城市人口數(shù)量決定了城市土地的需求，也影響著城市產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向[32-33]；土地維度是城市發(fā)展的載體，承載著城市產(chǎn)業(yè)和人口活動(dòng)；產(chǎn)業(yè)維度是城市發(fā)展的動(dòng)因，產(chǎn)業(yè)資金的投資方向決定了城市人口和土地的流動(dòng)方向。由于土地要素具有空間位置相對(duì)不變性，而人口和產(chǎn)業(yè)具有較高的活躍性，所以可能會(huì)產(chǎn)生“人-地-業(yè)”三系統(tǒng)空間不匹配現(xiàn)象。因此，本文引入耦合協(xié)調(diào)度模型，從人口、土地、產(chǎn)業(yè)三個(gè)方面選取指標(biāo)，定量測(cè)度煤炭資源枯竭城市“人-地-業(yè)”耦合協(xié)調(diào)程度，揭示系統(tǒng)耦合的空間分異規(guī)律。在借鑒已有文獻(xiàn)基礎(chǔ)上[28,30]，選取年末人口數(shù)量、人口密度、城鎮(zhèn)失業(yè)率、采礦業(yè)從業(yè)人員等反映人口發(fā)展水平；以城市建成區(qū)面積、城市土地面積、建成區(qū)綠化覆蓋率、工業(yè)建設(shè)用地規(guī)模、城市人均擁有道路面積、年末實(shí)有公共汽(電)車營運(yùn)車輛數(shù)等反映土地發(fā)展質(zhì)量；以人均GDP、GDP增長率、工業(yè)企業(yè)數(shù)量、工業(yè)總產(chǎn)值、固定資產(chǎn)投資增速等來反映產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平。

圖1 “人-地-業(yè)”耦合研究模型Fig.1 Coupling research model of“population-land-industry”

1.2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和熵值確定

1) 為消除數(shù)據(jù)差異對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

正向指標(biāo)無量綱處理，見式(1)。

(1)

逆向指標(biāo)無量綱處理，見式(2)。

(2)

式中：xij為標(biāo)準(zhǔn)化后指標(biāo)的變量值；Xij為指標(biāo)變量原始值；maxXj、minXj分別為Xj的最大值、最小值，下同。

2) 為了消除負(fù)數(shù)對(duì)熵權(quán)法的影響，計(jì)算得出本文xij范圍為[-4,4]，因此將數(shù)據(jù)平移處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化的矩陣，見式(3)。

(3)

(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)

(4)

確定指標(biāo)的熵值Ej,見式(5)。

(5)

確定指標(biāo)的熵權(quán)wj,見式(6)。

(6)

根據(jù)構(gòu)建的指標(biāo)體系及其指標(biāo)值，代入式(1)～式(6)求得指標(biāo)權(quán)重，詳見表2。

表2 煤炭資源枯竭城市“人-地-業(yè)”系統(tǒng)指標(biāo)及權(quán)重Table 2 Indicators and weights of “population-land-industry” system

1.2.3 評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算

明晰煤炭資源枯竭城市“人-地-業(yè)”系統(tǒng)綜合發(fā)展水平是測(cè)算其耦合協(xié)調(diào)度的基礎(chǔ)，“人-地-業(yè)”發(fā)展評(píng)價(jià)函數(shù)[26]分別為式(7)～式(9)。

(7)

(8)

(9)

1.2.4 耦合協(xié)調(diào)度模型構(gòu)建

耦合是物理學(xué)的概念，表示多個(gè)系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)和作用的程度[34-35]。本文利用耦合模型，定量測(cè)算煤炭資源枯竭城市中“人-地-業(yè)”系統(tǒng)之間的耦合度，其函數(shù)表示為式(10)。

(10)

系統(tǒng)高度耦合存在以下兩種情況：第一種為系統(tǒng)之間高發(fā)展水平、高耦合、高協(xié)調(diào)，整體呈現(xiàn)有序良好發(fā)展?fàn)顟B(tài)；第二種為系統(tǒng)之間低發(fā)展水平、高耦合、低協(xié)調(diào)，整體呈現(xiàn)低水平緊密聯(lián)系[36-37]。為了排除第二種情況的干擾，本文在測(cè)算耦合度的基礎(chǔ)上引入耦合協(xié)調(diào)函數(shù)，見式(11)和式(12)。

(11)

T=αPi+βLi+γIi

(12)

式中：D為煤炭資源枯竭城市耦合協(xié)調(diào)度；T為綜合協(xié)調(diào)指數(shù)，反映煤炭資源枯竭城市“人-地-業(yè)”整體協(xié)調(diào)效應(yīng)；α、β、γ為待定系數(shù)，參考已有研究成果[23,29,38]，認(rèn)為人口、土地、產(chǎn)業(yè)在煤炭資源枯竭城市空間中屬于同等重要的地位，所以待定系數(shù)都定為1/3。參考程明洋等[23]相關(guān)研究，結(jié)合耦合度和綜合協(xié)調(diào)指數(shù)計(jì)算結(jié)果，劃分“人-地-業(yè)”耦合協(xié)調(diào)等級(jí)，見表3。

表3 “人-地-業(yè)”耦合協(xié)調(diào)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分Table 3 Coupling coordination grade standard divisionof “population-land-industry”

2 實(shí)證分析

2.1 綜合發(fā)展水平時(shí)空格局

通過“人-地-業(yè)”發(fā)展評(píng)價(jià)函數(shù)判斷煤炭資源枯竭城市綜合發(fā)展水平特征。由圖2可知，2008—2017年地級(jí)煤炭資源枯竭城市“人-地-業(yè)”綜合發(fā)展水平總體在1.109～1.270范圍內(nèi)波動(dòng)，呈現(xiàn)先上升后下降的態(tài)勢(shì)，在2009年出現(xiàn)最低值(1.109)后快速上升，于2013年達(dá)到最高值(1.270)后大幅下降。“人-地-業(yè)”綜合發(fā)展水平上升時(shí)期與國家分三批(2008年、2009年、2011年)確定資源枯竭型城市的時(shí)間基本吻合。為了避免煤炭城市陷入資源衰竭和城市衰退的困境，國家采取了諸如增加財(cái)政支持、擴(kuò)大市場需求等政策以促進(jìn)煤炭資源枯竭城市轉(zhuǎn)型，取得了一定成效。但是由于國家政策的時(shí)效性以及煤炭資源枯竭城市發(fā)展階段、地理位置、資源稟賦等方面的差異，城市“人-地-業(yè)”綜合發(fā)展水平在后期又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖2 煤炭資源枯竭城市人口、土地、產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平Fig.2 Development level of population,land and industry

為揭示煤炭資源枯竭城市“人-地-業(yè)”發(fā)展的水平差異和主要矛盾，進(jìn)一步將地級(jí)煤炭資源枯竭城市綜合發(fā)展水平與城市人口、土地、產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平進(jìn)行比較分析。根據(jù)城市人口、土地、產(chǎn)業(yè)平均發(fā)展水平計(jì)算結(jié)果可以看出：人口系統(tǒng)在0.410～0.486范圍內(nèi)波動(dòng)，于2012年達(dá)到最高值，整體發(fā)展水平較高；土地系統(tǒng)整體處于0.400以下，呈現(xiàn)較低的發(fā)展水平；產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)總體變化幅度較大，其最低值為0.312，最高值達(dá)到0.460。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，煤炭資源枯竭城市“人-地-業(yè)”發(fā)展趨勢(shì)差異明顯，其中，人口和產(chǎn)業(yè)整體趨勢(shì)相對(duì)吻合，土地系統(tǒng)與上述兩系統(tǒng)總體呈現(xiàn)反方向變化特征，在2013年前尤為顯著。由此可見，煤炭資源枯竭城市“人-地-業(yè)”系統(tǒng)發(fā)展存在矛盾。

通過測(cè)算煤炭資源枯竭城市不同時(shí)間的綜合及各系統(tǒng)發(fā)展水平，對(duì)比發(fā)現(xiàn)城市間發(fā)展水平差異明顯(圖3和圖4)。綜合來看，位于我國東部地區(qū)的棗莊市2008年、2013年、2017年城市綜合發(fā)展水平在煤炭資源枯竭城市中均為最高；東北地區(qū)城市總體綜合發(fā)展水平較低，所有煤炭資源枯竭城市綜合發(fā)展水平上升趨勢(shì)均不明顯，而遼源市在2013—2017年下降趨勢(shì)尤為顯著。分系統(tǒng)來看，在人口發(fā)展水平方面，僅烏海市和七臺(tái)河市略有上升，其他城市的人口發(fā)展水平均呈下降態(tài)勢(shì)；在土地發(fā)展水平方面，大多數(shù)城市均出現(xiàn)不同程度下降，僅撫順市、阜新市、雙鴨山市土地發(fā)展水平略有上升；然而在產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平方面，多數(shù)城市整體呈上升趨勢(shì)，其中，焦作市2008年、2013年、2017年產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平分別為0.368、0.587、0.605，增長趨勢(shì)相對(duì)明顯。

圖3 煤炭資源枯竭城市綜合發(fā)展水平Fig.3 Comprehensive development level of citieswith exhausted coal resources

圖4 13個(gè)地級(jí)煤炭資源枯竭城市“人-地-業(yè)”發(fā)展水平Fig.4 Development level of “population-land-industry” in 13 prefecture-level cities

2.2 耦合協(xié)調(diào)水平時(shí)空格局

在分析煤炭資源枯竭城市“人-地-業(yè)”綜合發(fā)展水平基礎(chǔ)上，利用耦合協(xié)調(diào)模型計(jì)算煤炭資源枯竭城市“人-地-業(yè)”耦合協(xié)調(diào)程度(圖5)。整體來看，煤炭資源枯竭城市“人-地-業(yè)”耦合協(xié)調(diào)程度處于0.500～0.700之間，三個(gè)子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)耦合水平較差，屬于勉強(qiáng)協(xié)調(diào)和初級(jí)協(xié)調(diào)水平?？梢钥闯?，產(chǎn)業(yè)與人口耦合協(xié)調(diào)系統(tǒng)與“人-地-業(yè)”耦合協(xié)調(diào)系統(tǒng)變化趨勢(shì)相對(duì)一致，土地與人口、產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)程度均較低，其中，土地與產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)程度最低。

圖5 煤炭資源枯竭城市人口、土地、產(chǎn)業(yè)交互耦合協(xié)調(diào)度Fig.5 Coordination degree of interaction between population,land and industry

整體來看，我國煤炭資源枯竭城市“人-地-業(yè)”耦合協(xié)調(diào)度處于較低水平。位于我國東部地區(qū)的棗莊市和淮北市2008年、2013年、2017年“人-地-業(yè)”耦合協(xié)調(diào)度分別為0.776、0.781、0.746和0.661、0.730、0.644，基本達(dá)到了初級(jí)協(xié)調(diào)程度和中級(jí)協(xié)調(diào)程度，在煤炭資源枯竭城市中處于相對(duì)較高水平。東北地區(qū)除撫順市和阜新市外，其他城市2008年、2013年、2017年“人-地-業(yè)”耦合協(xié)調(diào)水平均處于0.624以下，整體水平較低。中部地區(qū)的焦作市2008年、2013年、2017年“人-地-業(yè)”耦合協(xié)調(diào)水平分別為0.674、0.728、0.707，處于較高水平。

通過測(cè)算煤炭資源枯竭城市“產(chǎn)業(yè)-人口”“產(chǎn)業(yè)-土地”“人口-土地”耦合協(xié)調(diào)度，結(jié)果見表5。處于勉強(qiáng)協(xié)調(diào)和初級(jí)協(xié)調(diào)程度的城市相對(duì)較多，僅有焦作市和棗莊市在2008年和2013年“人口-產(chǎn)業(yè)”“產(chǎn)業(yè)-土地”“產(chǎn)業(yè)-土地”達(dá)到良好協(xié)調(diào)水平。原因可能是這兩座城市及時(shí)采取了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型策略，如在棗莊市有國家水煤漿技術(shù)中心和魯南化工高科技園，大力發(fā)展新型產(chǎn)業(yè)，同時(shí)該市也實(shí)施科技興農(nóng)的政策，利用煤炭開采造成的塌陷土地發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，提高了土地和產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)水平。東北地區(qū)和西部地區(qū)耦合協(xié)調(diào)水平普遍較低，石嘴山市、銅川市、烏海市等均出現(xiàn)了人口、土地、產(chǎn)業(yè)的部分失調(diào)，其原因可能是人口流出、主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)衰退和城市蔓延引起的矛盾沖突。

表4 2008年、2013年和2017年煤炭資源枯竭城市“人-地-業(yè)”耦合協(xié)調(diào)水平Table 4 Coupling and coordination level of “population-land-industry” in 2008,2013 and 2017

表5 煤炭資源枯竭城市“產(chǎn)業(yè)-人口”“產(chǎn)業(yè)-土地”“人口-土地”耦合協(xié)調(diào)程度Table 5 Coupling degree of “industry-population”“industry-land” and“population-land”

續(xù)表5

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1) 通過分析“人-地-業(yè)”綜合發(fā)展水平發(fā)現(xiàn)，在時(shí)序特征上，近10年煤炭資源枯竭城市綜合發(fā)展水平較低，總體呈先升后降的態(tài)勢(shì)。人口系統(tǒng)發(fā)展水平相對(duì)較高，土地系統(tǒng)整體發(fā)展水平較低，產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)總體變化幅度較大，土地系統(tǒng)與人口、產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)呈反方向的變化特征。在空間格局上，煤炭資源枯竭城市人口、土地、產(chǎn)業(yè)存在一定的空間差異，位于東部地區(qū)的棗莊市綜合發(fā)展水平較高，東北地區(qū)城市綜合水平較低。

2) 通過測(cè)算“人-地-業(yè)”耦合協(xié)調(diào)程度表明，在時(shí)序特征上，近10年地級(jí)煤炭資源枯竭城市耦合協(xié)調(diào)水平處于勉強(qiáng)協(xié)調(diào)和初級(jí)協(xié)調(diào)階段，人口、土地、產(chǎn)業(yè)三系統(tǒng)共振性較差，土地系統(tǒng)與人口、產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)均不協(xié)調(diào)。在空間格局上，位于東部地區(qū)的棗莊市和淮北市達(dá)到中級(jí)協(xié)調(diào)水平，整體發(fā)展水平較高；東北地區(qū)整體耦合協(xié)調(diào)水平較低；焦作市在中部地區(qū)處于較高水平。煤炭資源枯竭城市“產(chǎn)業(yè)-人口”“產(chǎn)業(yè)-土地”“人口-土地”耦合協(xié)調(diào)水平整體較低。

3.2 討論

煤炭城市轉(zhuǎn)型成功與否直接關(guān)系到我國的能源安全和社會(huì)穩(wěn)定。煤炭資源枯竭城市“人-地-業(yè)”三系統(tǒng)相互聯(lián)系、相互制約，三者的協(xié)調(diào)發(fā)展是實(shí)現(xiàn)煤炭城市高質(zhì)量轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)。就煤炭資源枯竭城市而言，“人-地-業(yè)”耦合協(xié)調(diào)水平較低，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)失衡、人才流失嚴(yán)重、土地?zé)o序蔓延和損毀仍是城市面臨的主要問題。因此，煤炭城市應(yīng)在合理利用原有資源的基礎(chǔ)上，培育接續(xù)產(chǎn)業(yè)和延伸產(chǎn)業(yè)鏈，鼓勵(lì)創(chuàng)新以激發(fā)城市活力，吸引高端人才流入，特別是要通過優(yōu)化城市空間，以促進(jìn)“人-地”和“產(chǎn)-地”的耦合水平提升，最終實(shí)現(xiàn)“人-地-業(yè)”全面協(xié)調(diào)發(fā)展。

就本文而言，由于城市空間的多要素特征和城市系統(tǒng)的復(fù)雜性，以及煤炭資源枯竭城市空間分布的離散性，造成了各地區(qū)統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，尤其是與煤炭產(chǎn)業(yè)相關(guān)的數(shù)據(jù)難以獲取，導(dǎo)致本研究在指標(biāo)選取方面可能存在不足。同時(shí)，對(duì)于其他資源城市“人-地-業(yè)”耦合協(xié)調(diào)特征、資源型城市“人-地-業(yè)”耦合格局形成機(jī)制及傳導(dǎo)機(jī)制的研究有待加強(qiáng)。