浙江省城市生态位尺度效应

刘丹丹,黄安民,* ,杨德伟,林剑艺,崔一付

1 浙大城市学院商学院，杭州 310015 2 华侨大学旅游学院,泉州 362021 3 西南大学地理科学学院,重庆 400715 4 中国科学院城市环境研究所,城市环境与健康重点实验室,厦门 361021

2020年10月29日刚刚结束的中国共产党第十九届五中全会指出中国已转向高质量发展阶段,但发展不平衡不充分问题仍然突出,城乡收入差距明显,生态环保任重道远,民生保障存在短板,社会治理还有弱项[1]。这些复杂的综合问题需要通过多因素分析方法进行综合研究。早期的社会生态系统评价方法主要采用层次分析法和德尔菲法[2]。在后期,学者们主要关注模型和理论的应用,如DPSIR模型[3]、全排列多边形综合指标法[4]、支持向量机[5]、数据包络分析[6]、TOPSIS模型[7—8]和生态位等。生态位植根于生态学和地理学领域,被认为是人类寻求解决当代社会问题的科学理论之一[9],是指生物群落中物种的空间和作用[10],它反映了某一物种与外界环境的相互作用关系。同样的,城市研究中的多因素方法也受益于生态位理论[11—12]。城市生态位是指城市在区域中的地位、功能和作用,涵盖城市边界内外的自然、经济和社会等方面[9,13]。城市生态位作为一种新兴的跨学科视角,使我们能够理解人类主导系统中的社会生态过程,帮助社会实现可持续发展目标。

生态位理论起源于生物学领域,最早由Grinnell[14—15]提出,此后Elton[16]、Gause[17]、Hutchinson[18]、Odum[19]等对生态位概念都做出了各自的阐述,经历了空间生态位、功能或营养生态位、多维生态位和超体积生态位等发展过程。国内学者王如松从复合生态系统观点出发,将生态位引入到城市研究中,认为城市是自然-经济-社会复合生态系统,把城市生态位定义为城市提供给人们利用的各种生态因子和生态关系的总和[9,13,20]。此后,城市生态位理论在城市生态学、人类生态学、土地利用、旅游竞争力方面取得了广泛应用[21—26]。朱春全提出了生态位态势理论与扩充假说,认为自然和社会中的生物单元都具有态和势两个方面的属性[27]。胡春雷等进一步总结了城市生态位态势理论、生态位适宜度理论、生态位扩充理论和生态位重叠与分离理论在城市研究中的应用[28]。秦立春等通过生态位理论分析长株潭城市群的发展情况,为长株潭城市群协调发展提供理论借鉴与指导[29]。申雅楠等以京津冀地区为例探索城市扩展与生态位的空间变化的耦合协调关系[30]。孙丽文等从生态位理论入手,构建了我国文化创意产业评价指标体系[31]。在研究方法上,有生态位宽度、生态位重叠度、生态位体积和生态位维度。其中生态位宽度和生态位重叠度是生态位的重要质量指标。生态位宽度有Levins公式[32]、Schoener公式[33]、Hurbert公式[34]、Smith公式[35]和态势公式[27]等。生态位重叠度的计算公式有曲线平均法、对称α法[36]、王刚公式[37]等。目前,生态位理论仍在不断发展,各种测量公式也在不断完善。尤其是生态位宽度的定量计算,每种公式都有其优缺点,选择适合研究内容与数据的公式尤其重要。

从空间尺度的角度来看,城市生态位的研究包括区域尺度[29,38]、省级尺度[39]、城市尺度[21,40]和乡镇尺度[41]。尺度是生态学和地理学当中的基本概念,也是研究的重点与难点[42]。对事物选取不同的观测和分析尺度会出现不同的特征和现象,此为尺度效应[43—44]。尺度效应普遍存在于地理尺度当中,尺度选择过大,研究区域内部信息会被忽略,尺度选择过小,则无法宏观把握研究信息,尺度的不同带来的是千差万别的结果[45]。现有的城市生态位研究虽然涉及面广,但大多集中在城市尺度,对乡镇尺度的指标构建和测度研究不足,乡镇作为城市体系金字塔的基础和节点,在中国城市的崛起中发挥着独特的作用。中国数千个乡镇通过物质、能源和信息流的供应,培育了梯度城市。将生态位理论引入到乡镇研究中,有助于在更微观的尺度上理解城市的发展潜力。其次,城市生态位在区域的研究当中,极少关注尺度效应的作用,城市生态位在尺度效应的作用下是否会突出单一维度和功能,在不同尺度下突出的信息是否有区别,研究迫切需要在同一区域下的横向对比。

基于此,本文运用生态位理论,分析乡镇-区县-地市三级尺度的区域发展现状和空间差异,探讨未来空间格局的发展策略,在一定程度上拓展了生态位研究的新视角。其次衡量乡镇-区县-地市三个不同尺度在城市生态位中表现的异同点,了解尺度转换过程中研究区域突出的特征和要素。最后对乡镇-区县-地市生态位空间格局的原因进行了探讨,以便为区域各尺度高质量发展的宏观规划提供依据。

1 指标体系与研究方法

1.1 研究区城市生态位指标体系构建

基于城市生态位,结合适宜的指标体系,将区域生态位划分为三个层次：系统层、要素层和指标层。系统层包括环境、经济和社会生态位,指标层包括相应生态位的单项指标。环境生态位反映了研究区域在自然生态系统的资源条件和保护以及环境污染状况。本研究主要从以下两个方面进行分析：(1)自然生态。生态环境是人与社会可持续发展的基础。水域面积、湿地面积和植被覆盖率都是重要的自然资源,对于气候变化、保持水土、防风防沙、维持生物多样性等发挥着重要作用。(2)环境污染。研究选取了大气污染指数的重要指标细颗粒物(PM2.5)代表环境污染状况。2013年,“雾霾”成为中国的年度关键词。此后,空气质量在中国引起极大重视,PM2.5也成为实时监测环境污染情况的硬性指标。PM2.5是一个负面指标,越小越好。经济生态位反映研究区域在经济发展放的优势和劣势,是区域发展的基础指标。本研究从两个方面进行概述：(1)经济规模。包括人均工业总产值和人均财政收入。由于乡镇尺度级别较小,数据收集困难,官方无公开镇域生产总值,而浙江省镇域经济发达,镇域经济是县域经济和城市经济的基础,其中乡镇工业的发展是重要基石。而地方财政收入很大部分是第三产业税收,代表着第三产业的发展状况,因此通过人均工业总产值和人均财政收入两个指标在一定程度上代表了研究区域的第二、三产业发展和经济规模状况。(2)经济结构。这是加快经济发展的主要手段,它代表着产业结构状态,因此用工业企业个数占企业个数比重来反映研究区域第二产业的占比,用第三产业的各类设施数量表明研究区域第三产业的发展规模。社会生态位反映了研究区域在基础设施、公共服务、社会保障方面的优势和劣势,它代表着人类的福祉。本文分析了社会生态位的以下几个方面：(1)基础设施。包括了交通设施、体育场馆、公园等居民的生活设施发展。(2)教育设施。由于乡镇级别基本没有高等教育,并且由于教育资源的聚集和适龄儿童的减少,很多乡镇并没有初、高中,因此只能计算幼儿园、小学个数来放映研究区域的教育设施。(3)医疗卫生。由医疗卫生机构个数来说明。(4)文化娱乐。通过图书馆、文化站、影剧院个数放映当地居民文化娱乐生活,也是人类福祉当中很重要的公共服务,如表1所示。

正向指标：

(1)

负向指标：

(2)

(3)

(4)

1.2 研究方法

(1)生态位宽度

生态位宽度又称生态位大小,各个生态学者对其定义各有不同,一般是物种对环境和资源利用程度的总和。生态位宽度越大,生存适应性越强[34]。研究采用自然突变点分类法将生态位宽度划分为五个等级。数值越大,生态位宽度越大,其城市发展水平越好。本文采用改进的Shannon-Wiener公式来测算生态位宽度,计算公式为：

(5)

其中,Bi为乡镇i的生态位宽度,Pij为乡镇i利用j资源的比例,即为乡镇i对j资源的利用程度,S为指标个数[46—47]。

表1 研究区城市生态位指标体系

(2)生态位分异指数

为了比较研究区域内各子系统的生态位差异,构建了生态位分异指数,以了解区域内生态位子系统的结构变化[38]。计算公式如下

(6)

(3)生态位重叠度

生态位重叠度是指两个不同物种对同一资源的利用程度。生态位的重叠度越大,说明区域之间对同种资源的竞争程度越大,有限的资源会加剧区域之间的竞争和冲突。因此,生态位重叠度越高,说明两个研究区域的资源竞争越激烈。本文采用Pianka模型对区域生态位重叠度进行测算[48]：

(7)

其中Pij和Pik表示第j种和第k种使用第i种资源的比例。

(4)引力模型

引力模型能够比较城市间经济联系的密切程度和合作机会,因此本研究基于生态位宽度,对引力模型公式进行了改进,来探讨距离影响下各城市之间合作特征,如下所示：

(8)

其中,Gij代表两个研究区域之间的合作机会,Dij是两个区域之间的重心距离。

2 研究对象与数据来源

2.1 研究对象

浙江省位于中国东南沿海,长江三角洲南翼。面积10.55万km2,下辖11市,截止2019年末全省常住人口5850万人。2019年浙江省生产总值为62352亿元,人均生产总值为107624元,2019年10月,入选国家数字经济创新发展试验区。研究选取浙江省主要城市的乡镇作为研究对象之一,剔除了街道这一行政级别,考虑到建制镇数据可得性和可比性,主要关注825个建制乡镇,71个区县和11个地市,研究区基本情况如表2所示。

表2 研究区基本情况

2.2 数据来源

(1)年鉴数据

研究所采用的指标数据(表1：人均工业总产值、人均财政收入、工业企业个数占企业个数比重、体育场馆、公园及休闲健身广场、幼儿园(托儿所)、小学数、医疗卫生机构、图书馆、文化站、剧场、影剧院)来源于中国县域统计年鉴2017(乡镇卷)、浙江省第三次全国农业普查分乡镇数据以及杭州市统计年鉴(2017年)等11个相关城市统计年鉴。

(2)POI数据

POI数据(Point of Interest)是具有空间坐标的地理数据,包括学校、医院、银行、餐饮、娱乐等等。它可以反应研究地的公共设施分布情况及供给情况。研究采取的原始数据主要爬取于谷歌地图,为浙江省2017年POI数据,经过去重、筛选,挑选出825个乡镇的餐饮/住宿/购物/娱乐设施数量和交通设施数量共192470条。

(3)遥感数据

研究所需要的遥感数据,水域面积、湿地面积、植被覆盖是由全球土地利用覆盖数据提取出来的,来源于http://data.ess.tsinghua.edu.cn/fromglc2017v1.html、大气污染指数PM2.5来源于http://www.nmic.cn/,通过计算浙江省乡镇2017的平均值得出。

3 结果分析

3.1 生态位宽度分析

利用生态位宽度公式(5)计算浙江省地市、区县和乡镇综合生态位宽度,综合生态位是环境-经济-社会三个子系统相互作用的结果,是评价研究区域发展的重要指标。从图1可以看出,浙江省的综合生态位宽度并不均衡。从地市尺度来看,大体呈现一个反“C”结构,衢州市和丽水市生态位宽度最小,杭州市、湖州市和宁波市生态位宽度最大,但从区县尺度来看,地市尺度上生态位宽度大的杭州市除了市辖区以外其他县市生态位宽度仅中等水平,而在地市尺度上生态位宽度小的金华市和温州市却在区县尺度上生态位宽度大。进一步从乡镇尺度来看,各个地市的乡镇综合生态位宽度都处于零星分布状态的。地市尺度生态位宽度最大的杭州市、湖州市和宁波市在乡镇尺度上表现极不平衡,生态位宽度从小到大均有分布。而地市尺度生态位宽度最小的衢州市和丽水市,在乡镇尺度上反而比较均衡。说明尺度效应在城市生态位研究中表现有两点：一是研究尺度越大,研究区域整体生态位宽度差异越小越均衡；二是生态位宽度越大的区域,随着研究尺度的缩小其内部差异越大越不均衡。

图1 浙江省地市-区县-乡镇综合生态位宽度Fig.1 Comprehensive niche breadth of cities-districts- towns in Zhejiang Province

3.2 生态位的分异程度分析

生态位分异指数是指浙江省环境-经济-社会单个子系统分异程度,它表明研究区域的子系统发展均衡程度。根据公式(6)得到浙江省各区域生态位分异指数如图2所示,结果表明尺度越大,各子系统的分异程度越低,说明子系统发展越均衡,随着尺度的缩小,分异程度逐渐增大。对比地市尺度,乡镇尺度的分异程度几乎呈倍数增长。进一步证实了研究尺度越小,区域发展越不平衡。其次也反映了尺度效应在环境生态位的作用力较小,而在社会生态位和经济生态位作用力较大。究其原因,浙江省的生态环境差距较小,而社会经济发展差距较大,说明尺度效应在发展越不平衡生态位维度中作用力越大。

图2 浙江省地市-区县-乡镇生态位分异指数Fig.2 Niche differentiation index of cities-districts-towns in Zhejiang Province

进一步来看,在地市尺度上,经济生态位分异指数最大,但区县尺度上社会生态位分异指数稍微领先经济生态位,而在乡镇尺度上,社会生态位分异程度逐渐扩大。说明浙江省乡镇的社会服务体系差别很大。乡镇提供的社会服务功能,如医疗、卫生、教育、交通等方面,极大地满足了人们的物质需求,提高人们的幸福度。乡镇社会生态位结构差异大,对人类福祉有一定影响。从经济生态位的分异指数来看,经济发展不够均衡,经济的支撑是让人们拥有更多选择心仪物质和满足精神追求的权利,进而提高自己的幸福度。地区之间的经济发展不平衡,会驱使人们向经济较发达的地区聚集,而经济相对较差的地区则会出现城市中心空洞化,劳动力短缺等一系列不利影响,这些都不利于人类对生活的满意度。环境生态位分异指数最小,说明浙江省整体的环境差异较小,表明各个区域在发展建设中,都比较注重环境问题。随着社会经济的发展,人们越来越认识到环境的重要性,党的十九届五中全会指出推动绿色发展,实现生产生活方式的绿色转型。人与自然是生命共同体,人类要尊重自然,顺应自然,保护自然。在保证经济水平不断提高的同时,最大限度的保护生态环境,即提升了人们的经济水平,提高了人们对物质的支配能力,又为人们提供清洁卫生的生活环境,改善人民生活品质[49]。只有环境—社会—经济三者协调发展,才是区域的可持续发展和高质量发展。

3.3 生态位的竞争与合作分析

区域发展以其资源为基础,这样在发展过程中,就会出现两个或者多个区域共同占有同一种资源的现象,即生态位重叠,因此计算生态位重叠度,可以分析两个区域间的竞争程度。研究根据公式(7),对825个小镇进行生态位重叠度计算得到339900个结果,其中重叠度大于等于0.9以上的有10958个,占比3.22%,对71个区县进行计算,得到2486个结果,其中重叠度大于等于0.9以上的有156个,占比6.28%,对11个地市进行计算,得到55个结果,其中重叠度大于等于0.9以上的有3个,占比5.45%,详见图3。可以看到随着尺度的增大,生态位重叠度越来越高,在地市尺度,生态位重叠度在0.5以上的达到了90.9%,而在乡镇尺度,这一比例仅为69.9%。

图3 浙江省地市-区县-乡镇生态位重叠度占比Fig.3 Proportion of niche overlap among cities-districts-towns in Zhejiang Province

进一步来看各个地市之间的生态位重叠度,如表3所示,可以发现衢州市和丽水市生态位重叠度最大,达到0.9708,其次是杭州市与宁波市,达到0.9178,排名第三的是绍兴市和金华市,生态位重叠度为0.9044。说明这些城市之间的资源重叠度高,竞争关系大,但是杭州市和宁波市的生态位宽度大,城市发展水平高,而丽水市和衢州市发展相对较差。研究进一步通过引力模型分析其中缘由,根据公式(8)浙江省各个区县和地市的引力,如图4所示。杭州市和宁波市的引力较强,而衢州市和丽水市对各市的引力较弱。城市间相互引力越强,也就说明了其更有利于组团式发展。杭州市、宁波市、湖州市和嘉兴市几个城市联系较为密切,更加具备协同发展的能力,能够实现城市的一体化发展[50]。而丽水市和衢州市,发展过程中产业结构较为相似,产业缺少特点,出现“通用化”现象。这主要是因为海拔较高,区域发展大多是以自然资源为依托,产业结构之间具有相似性,彼此之间竞争激烈。这种激烈的竞争对于区域的发展会有很大的影响,这也是丽水市和衢州市整体发展势头不佳的原因之一。同样是生态位重叠度高,竞争激烈,杭州市和宁波市可以通过与周边地市协同合作,发展更好,而丽水市和衢州市却面临同质化发展,陷入发展漩涡,生态位宽度越大的地市更容易将竞争转化为合作,求取共赢,而生态位宽度小的地市面临竞争更加水深火热,如何破除两极分化是个难题。

表3 浙江省各地市生态位重叠度

图4 浙江省地市和区县的引力作用Fig.4 The gravitation of cities and districts in Zhejiang Province

4 讨论与建议

4.1 尺度效应现象

从地市-区县-乡镇三个尺度的综合生态位宽度和环境-经济-社会单个子系统分异程度来看,尺度效应在城市生态位的研究中发挥着独特的作用。(1)研究尺度越大,尺度效应作用越大。例如浙江省生态位子系统的分异程度随着尺度的扩大,分异程度逐渐降低,表现越均衡,但其内部发展极不平衡信息则被忽略。这个发现与赵雪雁等人[51]的研究结果相似,其在不同尺度医疗资源地区差异的研究中也发现尺度越大,区域差异越小；尺度越小,其内部影响因子的关联越复杂。(2)生态位宽度越大,尺度效应作用越大。如丽水市和衢州市的生态位宽度虽然小,但在各个尺度上并没有出现明显的落差,生态位宽度较为均衡,但生态位宽度最大的杭州市、湖州市和宁波市在乡镇尺度上差异最大。(3)维度差异越大,尺度效应作用越大。如浙江省社会经济发展差距较大,在各尺度上差距显著。而生态环境较为均衡,在各尺度上差距不显著。张中波和李付娥[52]在中原城市群的生态位研究中同样发现环境生态位差别不大,经济生态位差距较大,但没有体现出尺度效应在维度上的强化作用。以往的城市生态位研究大多聚焦于城市群或省域尺度,由于数据获取问题研究者极少关注区县或者乡镇等小尺度。本研究首次将地市-区县-乡镇三个尺度进行横向对比,发现生态位的宽度和维度等在尺度效应作用下的新特征,总结出尺度效应在城市生态位中的现象应当引起重视。

4.2 两极分化现象

城市的发展过程伴随着对资源的占有与利用,不管是自然资源、人力资源还是科技资源。当一个区域资源比较紧张,城市和城市之间的关系一定是竞争大于合作。前文的浙江省地市—区域—乡镇生态位重叠度和引力模型表明无论是哪个尺度,均存在着资源竞争和合作的关系。不同的是杭州市和宁波市陷入资源竞争,其生态位宽度大,发展势头强劲,更容易将竞争转化为合作。在彭莹和严力蛟[26]的研究中也证实了杭州和宁波两个城市的旅游生态位重叠度较大,但可以通过周边城市的旅游线路联动来实现区域效益的优化。而衢州市和丽水市陷入竞争,其生态位宽度小,容易陷入低潮旋涡,这就是著名的强者越强、弱者越弱的两极分化现象。在城市竞合关系的研究中,有的学者则提出了核心城市和节点城市的作用,希望通过这类城市能够形成区域合作态势[25]。有的学者认为需要避免竞争,塑造城市的独特形象[53]。从上文可以发现,浙江省地市的发展呈现出非常鲜明的“梯队型”。头部城市由杭州市和宁波市构成,成为区域人口流入、技术创新和产业升级的领队者。尾部城市是两座人口相对较少、自然环境突出的衢州市和丽水市构成。而中间的,则是7座无论经济体量还是增长速度表现都可圈可点的温州市、绍兴市、嘉兴市、台州市、金华市、湖州市和舟山市等城市。从目前中国绝大多数省份的内部地市经济梯队来看,其中绝大多数均为金字塔形。这种特征下的地市梯队,整体来看未来发展过程中会出现非常典型的前后梯队城市脱节情况,即头部城市发展愈强,尾部城市发展就愈弱。最终在头部城市进入城市发展成熟期时,尾部城市无法进入快速发展期,出现城市梯队断档情况,陷入两极分化发展难题。

4.3 区域发展建议

浙江省生态位发展的不平衡,不利于区域可持续发展。为了走出这一困境,在未来的发展中应考虑以下策略。第一,资源再造策略。特别是丽水市和衢州市,两市之间存在一定的资源重叠和竞争。只有各自挖掘区别与对方的特色资源,采取生态位分离,才能够减少竞争带来的恶性循环。或者引进新资源,找寻新的经济增长点,扩充生态位才能扩大生态位宽度[26],取得良好发展。第二,协同发展策略。区域的协同发展一方面是在内部,另一方面是在外部。陈绍愿等人[54]认为我国大部分城市还没真正认识到与周围其它城市互惠共生的重要性。秦立春和傅晓华[29]提出要对内加强城市之间的分工与协助,对外注重互动与对接。从生态位重叠度来看,浙江省几个城市具备协同发展的条件。如杭州市、湖州市和嘉兴市或者金华市、宁波市和绍兴市都形成了各自的引力团,这些城市需要政府在战略层面进行紧密合作统筹规划,发挥城市的辐射作用[55]。第三,借力帮扶策略。借力长三角区域一体化发展,发挥杭州市和宁波市的龙头带动作用[53],丽水市与温州市形成联动,衢州市向杭州市和金华市借力,推动城市组团式发展[54],重视区县和乡镇发展。同时要给予丽水市、衢州市等更多的资金与政策支持,通过人才流入缓解人口密度差异所导致的现状[56]。

5 结论与展望

复杂城市生态系统理论的出现促进了生态学理论与社会学和城市规划的跨学科交流。本文将生态位理论引入到尺度效应的研究中,对825个乡镇,71个区县和11个地市的3个尺度的生态位进行了探讨。结果表明：(1)从生态位的空间特征来看,生态位的分布呈现出明显的南北差异和梯级分布特征。研究尺度越大、生态位宽度越大、生态位维度差异越大、则尺度效应作用越显著。(2)区域发展不平衡,同样是生态位重叠度高的两个城市,生态位宽度小的城市往往面临竞争难以摆脱困境,而生态位宽度大的城市更容易将竞争转化为合作,出现强者越强,弱者越弱的两极分化现象。(3)针对以上现象提出了资源再造策略、协同发展策略和借力帮扶策略。

本文基于遥感数据、大数据和统计数据建立的生态位指标体系,将有助于丰富乡镇尺度的生态位研究。其次,通过三个尺度的对比研究,发现生态位在不同尺度的作用,以及在尺度效应作用下生态位表现出的不同特征,能够明确今后生态位应用在各种尺度上时需要注意的问题。最后,研究将生态位重叠度与引力模型相结合发现的城市两极分化现象加深了城市发展的认识,与以往只研究生态位重叠度相比,可以更确切把握城市的竞合策略和未来趋势。虽然从这项探索性研究中收集到一些见解,但仍有一些局限性。多尺度生态指标体系基本是以乡镇数据为主,由于尺度小,数据有限,有些指标难以全面反应现实状态,后期可以尝试多套指标,对比结果有何不同,其次可以增加时间尺度的对比。简言之,环境与社会经济协调可持续发展的理念已为人们所接受。复杂生态系统的生态位能更好地反映一个地区对各种人类活动的适宜性,以及一个资源、环境、社会和经济的优劣,为区域的可持续发展提供更有效的建议。