辽宁省城市人居环境与植被净初级生产力耦合协调关系研究

宫一路 ，李雪铭，刘贺，黄磊昌

（1. 大连工业大学 艺术设计学院，辽宁 大连 116034；2. 辽宁师范大学 地理科学学院，辽宁 大连 116029）

中国城镇化高速发展使得城市空间结构面临重构，中央城市工作会议明确了城市工作的中心是创造优良的人居环境，城市人居环境建设工作的受重视程度提高到了前所未有的高度。新时代美好人居及高质量发展的目标，要求城市人居建设与生态文明建设同步，城市人居环境系统与城市生态环境系统协调发展[1]。人居环境建设过程中的粗放型建设管理方式对生态环境造成了巨大影响，生态环境的恶化制约着人居环境的健康可持续发展，二者之间存在着复杂的作用关系。如何推动城市人居环境与城市生态系统协调发展成为科学问题。

1 文献综述

近年来城市人居环境研究，主要集中于探究多种尺度的人居环境质量[2-3]、吸引力[4]、竞争力[5]、宜居度[6]、 失配度[7]等内容，为城市人居环境与其他要素的相关性研究奠定了良好的基础。与此同时，城市生态系统的研究也取得了较为可观的成果，研究对象尺度，涉及国家[8]、 城市群[9]、省域[10-11]、市域[12]等行政地理尺度，以及沙区[13]、湿地[14]、流域[15-17]等地理网格尺度。通过构建指标体系[18-21]并运用多种分析方法[22-25]，探究区域生态系统的变化情况[26-28]是当前的研究热点。大多数学者对城市人居环境、城市生态系统开展了单方面的理论研究及实证研究，相比之下两者之间的相关性研究略显不足。部分学者研究了区域经济发展[29]、城镇化[30]、产业结构[31]等单项指标与城市生态系统之间的相关性。城市人居环境作为一个复杂的巨系统，将其作为一个整体，从人居环境科学角度出发，探究城市人居环境系统与城市生态系统之间的相关性研究尚未出现。人居、生态两个系统之间耦合协调关系的讨论，能够深入分析人地耦合系统的作用机理，对人居环境高质量发展具有重要意义。

植被净初级生产力（NPP），主要是指植物在单位时间以及单位面积上产生的有机干物质总量，是衡量区域生态系统健康状态及区域可持续发展水平的重要标准[32]， 在生态学、地理学、植物学等学科领域受到了广泛关注。近年来，研究内容主要集中在植被净初级生产力时空演变及驱动因素两方面。植被净初级生产力的方法体系非常成熟，包括了C-FIX模型、CASA模型、Biome-BGC生态模型、GLOPEM-CEVSA模型、综合模型等，各类方法支持下的时空演变研究实践遍布全球，涉及生态系统、流域、省域、区域、全球等多尺度[32-37]。驱动力的研究趋势，从研究气候变化、植被类型、水热特征等生态类的影响因子，逐渐发展到研究与人类活动的相关性[35]。 人类活动的驱动力，涉及城镇扩张、交通因素、产业布局等，但尚未出现人居环境系统的研究视角。因此，用植被净初级生产力表征城市生态系统，探究城市人居环境与城市生态系统之间的耦合协调关系，为人地耦合系统研究和植被净初级生产力研究提供了新的方向。

本文通过构建城市人居环境评价指标体系，利用耦合协调度模型，研究辽宁省城市人居环境与植被净初级生产力的耦合协调关系，并使用地理探测器分析其影响因素，以期探究辽宁省人居环境系统与生态环境系统的耦合发展状态、过程及机理，可为辽宁省城市健康可持续发展提供科学依据。

2 数据与方法

2.1 人居环境指标体系改进

遵循科学性、系统性、动态性以及可操作性等原则，参考前人的建立标准[38-39]，将城市人居环境五大系统作为一级指标建立指标体系，共包含33项二级指标（表1）。现对指标属性进行以下说明：正向指标，其指标数值越大，城市人居环境质量就越强；负向指标，其指标数值越大，城市人居环境质量就越弱。本文构建的指标体系与李航等[39]的研究相比，支撑系统中增加了百万人拥有剧场数、万人互联网用户数等文娱指标，使用万人拥有公共汽车数表征公共交通指标，总体上兼顾了城市文化、医疗、娱乐、交通、市政五个方面。

表1 城市人居环境指标体系

2.2 研究方法

2.2.1 耦合协调度模型

耦合协调作为衡量城市人居环境与植被净初级生产力之间相互作用及其关系的一种分析方法，主要是基于系统论的思想，能够全面地分析变量之间的协同变动情况。其具体运算步骤如下[40]：

（1）计算城市人居环境综合评价指数。依照已有研究成果，城市人居环境综合评价函数为：

式中：R代表城市人居环境综合评价指数；m为城市数量；wj为城市人居环境第j项指标权重值，取值范围在0～1之间，在此采用熵值法确定指标权重；xij为第i个城市第j项指标标准化后的值，为消除各项指标之间存在的差异，对其进行无量纲化处理。

（2）计算城市人居环境与植被净初级生产力之间的耦合度，其计算公式为：

式中：R为城市人居环境综合评价指数，NPP为植被净初级生产力，C为耦合度，其取值范围在0～1之间，耦合度数值越大说明城市人居环境与植被净初级生产力相互影响程度越强烈。根据现有分类标准[41]，将城市人居环境与植被净初级生产力之间的耦合程度划分为四种类型（表2）。

表2 城市人居环境与植被净初级生产力耦合类型划分

（3）计算城市人居环境与植被净初级生产力之间的耦合协调度，其计算公式为：

式中：D为耦合协调度，C为耦合度，T为综合协调指数，α、β为待定系数，本研究认为城市人居环境与植被净初级生产力同样重要，因此取值为0.5。依照现有研究成果[40]对耦合协调度进行类型划分，其划分结果如表3所示。

表3 城市人居环境与植被净初级生产力耦合协调类型划分

2.2.2 地理探测器

地理探测器是指用来探测空间上的异质性并揭示其背后驱动力的一种统计学方法，地理探测器主要包括风险探测器、因子探测器、生态探测器以及交互探测器四个部分[42]，其计算方法如下：

式中：q值为因变量对自变量的影响力，其取值范围在0～1之间，q值越接近1说明影响因子对耦合协调度的作用程度越深；n为研究单元数量，σ2为指标方差，ni和σ2i为第i层的样本数量和方差。

2.3 数据来源

辽宁省植被净初级生产力数据采用MODIS的MOD17A3数据产品，该数据借鉴了基于过程的Biome-BGC生态模型模拟获得全球陆地生态系统年NPP，该模型经历了多次改进已被证实用于计算植被净初级生产力的科学性。选择该数据的原因是，数据获取容易、操作简单，具有全球范围的可比性。数据时间分辨率为1年，空间分辨率为500 m，单位为gC·m-2，比例因子为0.1。辽宁省城市人居环境指标体系数据则来源于2001年、2006年、2011年、2016年《辽宁统计年鉴》以及各市国民经济和社会发展统计公报。

3 结果分析

根据上述评价指标体系及研究方法，计算得出2000年、2005年、2010年、2015年辽宁省城市人居环境质量、植被净初级生产力及二者之间的耦合协调度得分，并对其时空演变特征进行分析。

3.1 城市人居环境演化过程

2000—2015年，整体而言，辽宁省城市人居环境质量呈现出波动上升的趋势，形成以大连、沈阳为代表的“双核”空间分布结构。各地区城市人居环境建设工作推进的同时，区域间的城市人居环境发展水平也存在着较大的差异。空间差异最大出现在2005年，变异系数为0.333，其中大连（最高）与朝阳（最低）相差331%；空间差异最小出现在2000年，变异系数为2.023，大连（最高）与辽阳（最低）相差217%。由2000—2015年辽宁省14市城市人居环境质量可知（图1），在4个时间截面上，人居环境质量高值区为大连、沈阳，数值在0.287～0.620之间；中值区是鞍山、营口、丹东、辽阳、本溪、盘锦、锦州、抚顺以及阜新；低值区为铁岭、葫芦岛、朝阳。

图1 2000—2015年辽宁省14市城市人居环境质量

就系统层面而言，2000—2015年辽宁省城市人居环境各系统整体上呈现出上升的趋势（图2）。大连市人居环境各系统发展最为均衡，其次为辽阳、沈阳，朝阳城市人居环境各系统之间的差异最为明显。居住系统、社会系统以及支撑系统表现为波动上升，其中居住系统由2000年的0.183上升至2015年的0.390，社会系统由2000年的0.113上升至2015年的0.389，支撑系统由2000年的0.171上升至2015年的0.307。随着生活水平的不断提高，城市建成区绿化率、建设用地占比、人均公园绿地面积以及人均居住面积的不断增长，推动居住系统的发展。随着经济发展水平的不断提高，社会保障政策的不断完善，城市居民的可支配收入、人均GDP、在岗职工平均工资等都有了较大的提升，共同促进社会系统的发展。受到图书馆藏书数、人均道路面积、邮电业务总量的逐渐提升的作用，支撑系统也表现出波动上升的趋势。老龄化程度的不断加深、劳动人口占比下降，导致人类系统呈现出下降的趋势，由2000年的0.329下降到2015年的0.309。受到人均工业二氧化硫排放量、人均工业废水排放量日益增加的影响，导致环境系统呈现出逐渐下降的趋势，由2000年的0.450下降到2015年的0.415。

图2 2000—2015年辽宁省14市各系统城市人居环境质量得分

3.2 植被净初级生产力演化过程

2000—2015年，辽宁省NPP呈现出波动上升的趋势，NPP值在298.471～444.571 gC ·m-2之间，在4个时间截面上，辽宁省NPP均值为381.659 gC·m-2，2000年出现最小值，为298.471 gC·m-2，2005年出现最大值，为444.571 gC·m-2。2005年为辽宁省NPP变化阈值点，在2005年之前辽宁省植被净初级生产力呈现上升趋势，在2005年之后辽宁省植被净初级生产力呈现下降的趋势。

2000—2015年，辽宁省14市NPP变化情况（图3）表明，辽宁省各地级市NPP年际变化情况与辽宁省平均NPP的变化趋势基本一致，整体上呈现出波动上升的趋势。大连市NPP年际平均值最高，阜新市最低。

图3 2000—2015年辽宁省14市植被净初级生产力

2000—2015年辽宁省区域植被净初级生产力如图4所示，可以看出，2000—2015年，辽宁省NPP呈现出自东南向西北递减的空间分布格局，辽南地区以及辽西地区植被净初级生产力高峰值出现在2015年，辽东地区、辽中地区以及辽北地区NPP高峰值均出现在2005年。辽南地区NPP平均值为503.3，辽东地区NPP平均值为499.0，辽中地区NPP平均值为411.8，明显高于辽北地区的NPP平均值344.6以及辽西地区的NPP平均值313.7。

图4 2000—2015年辽宁省区域植被净初级生产力

3.3 耦合协调测度

3.3.1 时序变化

辽宁省城市人居环境与NPP之间的耦合协调度整体上呈现出上升的趋势（图5），2000—2015年间的耦合度类型一直处于高水平耦合阶段，耦合协调度的类型则从濒临失调状态转为初级耦合协调状态，这说明辽宁省人居系统与生态系统一直处于高水平相互作用关系，但良性的耦合状态受人类活动的干预表现出复杂的演变过程。

图5 2000—2015年辽宁省城市人居环境与植被净初级生产力耦合度及耦合协调度

耦合协调度排名显示（表4），2000—2015年4个时间节点上，大连市耦合协调度最佳，均位于第一位，朝阳最低，均位于最后一位。沈阳、鞍山排名较为稳定，均位于前五位，葫芦岛、铁岭、阜新的排名均在后五位。根据表4计算得出耦合协调度的变异系数，2000年为0.111、2005年0.136、2010年0.112、2015年0.109。变异系数整体上呈现出下降的趋势，说明各地级市之间的差距逐渐减小。2000—2015年辽宁省高耦合城市数量有所增加，由2000年的85.71%的占比上升至2015年的100%，人居系统和生态系统之间相互依赖相互制约的程度达到最高。但就耦合协调度而言，辽宁省的耦合度与协调度之间的发展并不匹配，到2015年仍以勉强耦合协调为主，其占比为57.14%，说明人居系统与生态系统之间相互作用关系中存在着良性耦合，但良性耦合程度并不高。

表4 辽宁省城市人居环境植被净初级生产力耦合协调度排名

3.3.2 空间分异

通过ArcGIS对4个时间节点上的耦合协调度进行可视化处理，形成耦合协调的空间分布图（图6）。耦合协调度在空间上大致呈现出自东南向西北递减的“阶梯状”空间分布格局，从高到低依次为辽南地区（大连、营口）、辽东地区（丹东）、辽中地区（辽阳、本溪、鞍山）、辽北地区（沈阳、铁岭、抚顺）、辽西地区（锦州、葫芦岛、盘锦、朝阳、阜新）。2005—2015年耦合协调城市较好的区域位于大连、鞍山以及沈阳，耦合协调度较差的区域则位于铁岭、葫芦岛以及朝阳。

图6 辽宁省城市人居环境与植被净初级生产力耦合协调度空间分布

2000年，辽宁省耦合协调度较好的地区主要分布在沈阳、大连等经济发展水平较高的城市，受到辐射带动作用的影响，鞍山与同年其他城市相比，发展态势良好，说明“点轴”作用发挥着良好的效果。2005年，辽宁省耦合协调发展水平有所上升，人居系统与生态系统的良性耦合程度增强，勉强耦合协调、初级耦合协调、中级耦合协调的区域数量开始增加，濒临失调的区域数量减少。2010年，辽宁省人居系统与生态系统相互制约程度有所缓解，辽西地区部分城市仍然处于濒临失调的状态，其余城市耦合协调度有所上升，大连、鞍山维持不变，抚顺、本溪、铁岭转为更高水平，而沈阳则有所下降。2015年，辽宁省耦合协调类型为中级耦合协调，濒临失调类型城市消失，勉强耦合协调、中级耦合协调城市数量保持不变，初级耦合协调城市有所增加。

3.3.3 空间组合类型

由于耦合度与耦合协调度的空间分布特征并不相同，因此将耦合度与耦合协调度进行组合类型划分（表5）和可视化处理（图7）。

图7 辽宁省城市人居环境与植被净初级生产力之间耦合协调组合类型空间分布

表5 辽宁省城市人居环境与植被净初级生产力耦合协调类型组合

中耦合轻度协调区。2000年的丹东、营口，2005年的丹东、营口、本溪、朝阳、葫芦岛以及2010年的沈阳均属于中耦合轻度协调区，在此之后，人居系统与生态系统的相互作用程度增强。

高耦合轻度协调区。阜新、锦州、盘锦、辽阳以及铁岭5个城市在4个时间截面上始终属于高耦合轻度协调区域，虽然人居系统与生态系统的相互作用程度高，但相互作用的质量并不高。

高耦合中度协调区。2005年出现的高耦合中度协调城市为大连、鞍山以及沈阳，到2010年，大连、鞍山、抚顺以及本溪演变为高耦合中度协调城市，直到2015年，高耦合中度协调城市范围有所扩张，增加到6个城市，人居系统与生态系统呈现出较高水平的相互作用关系。

3.4 影响因素探析

人居系统与生态系统的耦合协调关系受多种因素影响。相关研究证明，经济发展、科技投入、政府管理、城镇化水平以及产业结构等是城市人居环境和城市生态环境共同的影响指标[19,40,42-44]。参考现有研究并结合辽宁省实际发展状况，选取经济发展水平、科学技术投入、政府管理能力、城镇化水平以及工业化水平5个因子作为本次研究指标（表6）。通过前文的研究，辽宁省人居系统与生态系统的耦合协调类型最终形成两极分化的空间格局，因此将2015年作为研究期，将辽宁省全域、高耦合轻度协调区、高耦合中度协调区作为研究区域，利用地理探测器进行影响因素探测。

表6 耦合协调度影响因素

探测结果显示（表7），对辽宁省全域而言，主要影响因素（q＞0.5）为经济发展水平、科学技术投入和工业化水平。经济发展水平是影响耦合协调度的主要支撑因素，经济实力的提升为修复城市生态环境、完善区域公共服务设施以及提高居民生活水平等方面提供重要支撑。科学技术投入是提升耦合协调度的重要推动因素，科技创新能力提高了能源资源的利用效率和城市生态治理水平，科技投入力度的增大对耦合协调度的影响愈加显著。工业化水平是阻碍耦合协调度发展的基本要素，受辽西区域城市高能耗、高污染产业的影响，人居系统及生态系统破坏严重，耦合协调状态受到重大影响。城镇化水平和政府管理能力对耦合协调度的影响不高。

表7 耦合协调影响因素探测结果

高耦合轻度协调区影响因素探测结果显示，城镇化水平和政府管理能力影响程度最高，其次是工业化水平，经济发展水平的影响力最低。对高耦合轻度协调区而言，短时期内政府合理引导下的城镇化高质量发展，中长期内工业结构的转型调整以及科学技术投入是提高耦合协调度的关键。

高耦合中度协调区影响因素探测结果显示，各因子的影响程度与辽宁省全域范围的趋势一致，但影响程度整体偏低。高耦合中度协调区想要向高耦合高度协调区发展，需要更加深入地分析内部作用机理，相对而言，继续提升经济发展水平和科学技术投入、调整工业产业结构转型能不同程度促进耦合协调度的提升，但并不起到关键作用。

4 结论与讨论

通过构建新型指标体系进行人居环境质量评价，利用植被净初级生产力表征城市生态环境发展质量，从人居环境科学视角出发，探究人居系统与生态系统耦合协调关系，对人居环境、植被净初级生产力的研究与应用，都具有创新意义及学术价值。

本研究结果与相关研究比较，既存在共性，也具有差异。城市人居环境质量方面，与其他学者相比[39]，指标体系的构建补充了二级指标的维度，调整了部分指标的分类标准。虽然“双核”的研究结论一致，但人居环境低值区的判断存在差异。植被净初级生产力方面，虽然相同地理区域范围内的相关研究使用了不同的研究模型和数据，但NPP在年际变化方面呈现出上升趋势的结论相同。与东三省NPP结果相比[36]，2015年辽宁省NPP年平均值为381.659 gC·m-2，高于东三省的NPP年平均值304.643 gC·m-2。

2000—2015年，辽宁省人居系统质量、生态系统质量均呈现出波动上升的趋势。耦合协调度整体上呈现出上升的趋势，人居、生态二者之间的相互作用程度和良性耦合程度也在不断提高。各地级市耦合协调度的差异逐渐减小，在空间上大致呈现出自东南向西北递减的“阶梯状”空间分布格局，这与NPP单项评估结果接近。耦合协调类型在空间上呈现出中耦合轻度协调、高耦合轻度协调以及高耦合中度协调三种区域。耦合协调的组合类型划分与空间判定是分析耦合协调作用机理及规划决策的基础。同一种影响因素对不同的耦合协调区具有不同的影响结果，辽宁省全域及高耦合中度协调区的探测结果相近，经济发展水平、科学技术投入、工业化水平是关键影响因素，政府管理能力、城镇化水平、工业化水平是高耦合轻度协调区的关键影响因素。

辽宁省人居系统与生态系统协调发展的具体建议为：（1）优化辽宁省全域产业结构，着重加快加强高污染、重工业的产业转型及生态治理；（2）辽东的铁岭、抚顺，辽西4市，短时期内应加快城镇化发展水平、加强政府生态环境治理的投入，中长期应注重城镇化发展质量及老工业基地的发展；（3）辽阳是高耦合轻度协调区治理的关键，通过辽阳可激活辽中地区南北生态系统廊道，利用“双核”带动能力，加快精准扶贫，加强传统村落保护和乡村旅游发展，加快城镇化建设；（4）沈阳及辽东沿海区域，通过区位优势发展特色经济，注重城市创新能力及科学技术的投入，继续加快加强经济发展和生态环境保护。

本文对城市人居环境系统和生态环境系统的耦合协调关系进行了初步探讨，研究结论对提升城市人居环境质量、促进城市生态环境可持续发展具有现实指导意义。但仍存在以下研究不足：受数据获取的限制，人居系统的指标缺少居民主观意向的维度，植被净初级生产力缺少2015年以后的NPP数据；影响因素的探析只讨论了5个因子，对高耦合中度协调区的影响程度有限；本文将地级市作为基本研究单元，未来期待微观层面的精细化研究和耦合协调机理的深入探析。