京津冀城市群城市化强度与生态韧性的耦合协调分析

汪东川,龙 慧,王康健,王鸿艺,柴 华,高建设

天津城建大学地质与测绘学院,天津 300384

生态韧性指城市生态系统面对不确定因素干扰时的抗压和恢复能力[1]。自20世纪70年代生态学家Holling最早将韧性概念引入生态学领域以来[2],国内外众多学者针对不同区域[3]、不同视角[4—5]和不同方法[6],在景观生态学韧性[7]、灾害学韧性[8]、地理学韧性[9]和规划学韧性[10]开展了大量的研究工作,并取得了一系列重要成果。目前,基于地理学和景观生态学理论与方法构建的“规模-密度-形态”三维模型成为评估生态韧性的基本模式[11]。王文瑞等基于此方法发现兰州市等西部干旱区韧性组合度低于大连市等东部地区,而区县之间的差异性却远高于东部地区[12];为进一步厘清小尺度的差异性,识别问题所在,赵晓全等借助地理探测器模型研究经济、自然、社会等不同因子对生态韧性的驱动机制[13]。然而,现有研究局限于分析单元粒度较大的宏观区域,未能多尺度精确评估生态韧性的时空异质性[14];形态韧性中“源-汇”景观耦合性方面需要有天然优势,因此选择研究区时具有一定的特殊性[11]。结合景观结构与功能两方面构建的景观安全度模型[15],既可以定量评估微观尺度下的城市化强度与生态韧性之间的关系,还适用于研究“源-汇”景观组合度较差的区域。

近年来,城市化进程加快,人口迅速增加,资源的不合理开发利用,不但损害了生态韧性,还打破了生态系统平衡。人类活动的强烈干扰是生态韧性受损的关键因素。国内外学者对此展开一系列研究:一方面关注人类活动对生态韧性过程的影响。例如,对人口密度的计算证明,城市人口不断增多,加大资源消耗与污染物排放,从而加剧生态赤字风险[16—17];对人类活动强度与生态系统服务质量交互关系的研究发现,城建区扩张等人类活动会提高对土地利用的强度,降低生态系统服务质量[18]。另一方面对生态系统变化进行人类活动的归因分析,并剖析其影响效应。例如,为追求经济效益,资源型城市过度开发矿产资源,造成水土流失,自然灾害频发[19];大城市人口与建设活动过密与用地集中连片,增强城市脆弱性[20];城市地貌环境变化引起河流淤积加厚、植被趋向单一等生态效应[21]。从可持续发展视角,《关于推进城市安全发展的意见》强调加快城市韧性建设,坚持生态优先、绿色发展[22]。在现有框架中,学者们基于多种计量空间分析方法,测度不同区域的城市化与生态韧性的交互胁迫效应,众多结果表明:城市化与生态韧性耦合作用呈良好趋势[23—25]。但目前研究多采用基于行政边界的宏观尺度分析城市化与生态韧性的关系,未从宏观与微观两种角度对比分析结果的差异性,通过市域尺度与格网尺度对比分析,既可以从宏观上表现出研究结果的协调性和完整性,还可以在微观上体现评价结果的空间异质性。在指标选取上,也需要综合考虑资源、经济、人口、交通等影响因素[26]。

京津冀城市群是新型城市化的“主体区”和未来经济发展的“核心区”,但在发展中面临严峻的资源与生态系统的胁迫压力,生态韧性遭受不同程度的破坏[27]。为推动京津冀高质量发展,实现《京津冀协调发展规划纲要》中提出的“京津冀协同发展”目标[28],有必要对城市化与生态韧性耦合机理与胁迫效应进行系统研究。本文从韧性视角出发,尝试构建一套完整的城市化强度与生态韧性指标体系,利用景观安全度模型修正了“规模-密度-形态”方法,选取5km×5km的格网,以市域尺度与格网尺度对比分析为手段,结合耦合协调度模型与Tapio解耦模型,探究2000、2005、2010、2015、2020年城市化强度与生态韧性交互胁迫关系及其时空动态演化规律性,以期为京津冀协同发展提供参考依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

京津冀城市群位于113°34′—120°05′E,36°00′—42°40′N之间(图1),由北京、天津2个直辖市和河北省11个地级市组成,土地面积约21.72万km2。全区地势由西北向东南倾斜,地貌以平原和山地为主。山地集中在西北部,林地、草地资源丰富,生态韧性较高;平原集中在东南部,耕地、人工表面所占比例较大,城市化强度较高。

图1 研究区地理位置Fig.1 Geographical location of study area

1.2 数据来源

土地利用数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/),通过人工目视解译出林地、草地、水域、耕地、人工表面、未利用地共6类;人口密度数据来源于Worldpop (http://www.worldpop.org/);社会经济数据来源于研究区所辖各省、市、县《统计年鉴》和《国民经济与社会发展统计公报》。

2 研究方法

2.1 评价指标体系

(1)生态韧性指标体系

生态韧性(Ecological resilience,ER)反映城市规模、人口密度、空间组织形式对生态系统产生的压力。规模韧性体现城市规模与生态基础设施的相对关系,利用生态源地理论[29]对城市建设规模进行约束,当其超出最低生态安全标准,规模韧性受损,城市发展面临困境;密度韧性反映生态系统对资源消耗的支撑能力,从生态足迹与生态承载力角度评估人口增长对密度韧性产生的影响[30];形态韧性反映生态空间格局的合理性,建成环境与生态空间均衡布局、良好交融能有效提高形态韧性。

(2)城市化强度指标体系

城市化强度(Urbanization intensity,UI)是通过城镇人口增长、产业结构调整、城镇用地扩张和生活质量提高等衡量地区经济发展程度的重要标志[31]。其内在逻辑为:人口增长是核心,经济发展是动力,地域扩张是表现,生活质量提高是目标。人口城市化、经济城市化、土地城市化作为评价城市化强度的传统指标[32],分别从人口增长、产业结构、空间布局与生态韧性建立联系。具体表现在:城市人口增多和二、三产业规模扩大,会提高对资源的消耗能力,从而增加对生态系统的服务需求,损害密度韧性;建筑密度增大和城市用地扩张,侵占生态用地,损害形态韧性和规模韧性。此外,本文还考虑了自然资源、经济条件、交通设施等基本要素。土地资源作为最基本的自然资源,是城市生产生活的基础,选用土地利用强度来反映城市发展对自然资源的利用状况[33];从经济角度来看,为了保证城市经济活动的适宜性,选取经济活动强度、交通强度来反映经济活动规模、范围对生态承载力的影响[26](表1)。

表1 ER和UI评价指标体系Table 1 Evaluation index system of ER and UI

2.2 指标预处理

为了消除各指标的数量及量纲差异对结果的影响,对各项指标进行归一化[35]。公式为:

(1)

式中,Yi为标准化值,Xi为实际值;Xmax和Xmin分别为5个时间节点内同一指标中最大值和最小值。

2.3 耦合协调度模型

耦合协调度是全面评价两个系统间相互作用的物理量[36]。本文利用此模型探讨UI与ER的交互关系,公式为:

(2)

T=μ1×UI+μ2×ER

(3)

(4)

式中,C为耦合度;T为协调度;D为耦合协调度,D∈[0,1],D值越高说明两系统是高水平的相互促进关系,反之亦然;μ1、μ2为待定系数,μ1=μ2=0.5。

2.4 Tapio脱钩模型

Tapio脱钩模型利用增长率相对大小探究多个变量间相对发展情况的物理量[37]。利用Tapio模型,从解耦路径探讨格网尺度下UI与ER的交互胁迫关系。脱钩指数公式为:

(5)

式中,DIt为脱钩指数,ΔER为ER增长率;ΔUI为UI增长率。

Tapio以0、0.8、1.2为临界值将DIt细分为8类[38](表2)。DIt∈(-∞,0)表示UI与ER变化方向相反;DIt∈[0,0.8)表示UI变化速度大于ER;DIt∈[0.8,1.2)表示二者变化速度基本一致;DIt∈[1.2,+∞)表示UI变化速度小于ER。

表2 脱钩类型划分标准Table 2 Classification standards of decoupling types

城市化初期,城市人口稀疏、空间规模小,未实现经济增长,而生态韧性较好,UI与ER处于强负脱钩状态;随着城市化快速发展,城镇人口增多、建筑密集,加上粗放型发展模式给生态系统造成巨大压力,生态韧性受损严重,UI与ER处于强脱钩状态;城市化发展到一定程度,对生态系统的依赖性增强,通过调整产业结构、节能减排,推动ER迅速提升,UI与ER处于扩张负脱钩、弱脱钩;城市化发展后期,由于政策、技术、管理等因素,经济发展逐渐平稳,生态系统控制在合理范围内,UI与ER达到扩张连接状态,这是最理想的脱钩状态。

3 结果分析

3.1 城市化强度时空演化分析

(1)市域尺度。2000—2020年UI整体呈上升趋势,中等水平以上的城市增多,较低水平以下的城市相对减少(图2),说明区域内部发展差异逐渐缩小。北京、天津起点高,发展速度快,截止2020年底UI排名位居前二;相比较之下,承德城市化起步晚,起点低,速度慢,效率低,目前仍处于低水平。

图2 2000—2020年各地级市城市化强度时间演变Fig.2 Time evolution of UI for each prefecture-level city from 2000 to 2020

(2)格网尺度。从整体上看,格网尺度与市域尺度下的UI变化趋势一致,但在空间上具有明显的异质性且空间溢出特征突出(图3)。受益于经济基础、政策扶持和区位优势,北京、天津呈现出以中南部为核心,逐渐向外围扩散的圈层式格局特征,高值区先以点状集中在城市中心,后演变为面状覆盖全市;廊坊呈现北高南低的空间分布特征;石家庄高速发展集中地逐渐由中部向周围地区扩散,且高值区范围不断扩大。相比较下,承德普遍处于低水平,仅部分区域有所发展,从长远来看,这是京津冀未来发展的潜力区。

3.2 生态韧性时空演化分析

(1)市域尺度。2000—2020年ER出现不同程度的下降变化,但起点高,生态基础好,截止2020年底ER仍较好(图4)。承德、张家口受山地、丘陵等地形因素影响,生态韧性保持在较高水平;天津、唐山、石家庄、邢台、邯郸等传统工业城市受粗放型发展模式的影响,ER相对较低;北京生态建设持续推进,但由于人口增多,建筑用地密集,ER提升效果不太明显,呈现基本保持平稳、略有下降趋势。

图4 2000—2020年各地级市生态韧性时间演变Fig.4 Time evolution of ER for each prefecture-level city from 2000 to 2020

(2)格网尺度。市域尺度与格网尺度下的ER整体变化情况基本相同。受城市空间扩张模式的影响,建设用地多形式并存,ER空间集聚特征与分布形状存在差异(图5)。高值区集中在北部(承德)、西北部(张家口),从面状连片转向块状零散分布;低值区集中在东部(北京、天津、唐山)、西南部(石家庄)、南部(邢台、邯郸),分布形状从零散的点状向连续的条带状和块状转变。

图5 2000—2020年各地级市生态韧性空间演变Fig.5 Spatial evolution of ER for each prefecture-level city from 2000 to 2020

3.3 城市化强度与生态韧性耦合协调度的时空分异特征

(1)市域尺度。2000—2020年耦合协调度整体呈现“轻度失调”向“中级协调”发展的递增特征(图6)。北京、天津ER控制在可承受范围内,UI迅猛发展,推动ER正向发展,ER的改善对UI持续发展具有导向作用,二者耦合协调发展到较高水平;廊坊、沧州、衡水、石家庄生态基础较好,城镇化水平较高,耦合性较好;邯郸、邢台属老工业城市,经济发展较慢,ER受到不同程度的威胁,耦合度不高;承德属群山之城,交通不便,经济落后,UI与ER发展趋势相背离,耦合性较差。

图6 2000—2020年城市化强度与生态韧性耦合协调关系时间演变Fig.6 Time evolution of coupling coordination relationship between UI and ER from 2000 to 2020

(2)格网尺度。从总体看,市域与格网尺度的耦合协调度在变化趋势、分布特征上基本一致,但后者在局部上表现出特殊现象(图7)。北京、天津整体处于良好协调,但小部分区域出现初级协调、轻度失调现象;邯郸、邢台整体为初级协调,但局部区域出现良好协调现象。此外,受城镇用地扩展速度与范围的影响,协调与失调的分布形状也存在差异,前者由零散的点状、不连续的线状和块状变成连续的线状和面状,后者则完全相反,典型城市为北京、天津、张家口。

图7 2000—2020年城市化强度与生态韧性耦合协调关系空间演变Fig.7 Spatial evolution of coupling coordination relationship between UI and ER from 2000 to 2020

3.4 城市化强度与生态韧性交互关系解耦路径分析

2000—2020年脱钩类型主要为强脱钩、弱脱钩、扩张负脱钩。从整体上看,脱钩关系趋于良性发展状态,弱脱钩、扩张负脱钩面积占比明显上升,增幅分别达4.48%、16.09%,而强脱钩下降明显,降幅为21.82%(表3),表明城市化发展到一定水平,开始注重提升城市质量,兼顾经济与生态协同发展,UI与ER达到可持续发展的协调状态。在空间上,2000—2010年,东部以强脱钩状态为主,主要是天津、唐山、廊坊钢铁和化工产业正兴起,UI迅速发展,资源消耗增加,环境破坏加剧,ER受损严重;北部、西南部、南部脱钩关系不稳定,主要以强脱钩、弱脱钩状态为主;2010—2020年,脱钩状态波动较为明显,表现为强脱钩、弱脱钩和扩张负脱钩交替变化(图8),主要是2014年京津冀协同发展战略,颁布一系列环境治理政策,优化资源结构,ER提升速度加快,但实现UI与ER整体上高水平协同发展还需一个过程。

表3 脱钩类型面积占比Table 3 Percentage of area of decoupling types

图8 2000—2020年城市化强度与生态韧性脱钩关系时空演变Fig.8 Temporal and spatial evolution of the decoupling relationship between UI and ER from 2000 to 2020

4 讨论与结论

4.1 讨论

(1)本文在研究方法上取得了一定的突破。已有研究[14]表明城市化与生态韧性间存在着相互作用,但在研究方法上多采用基于行政边界的“规模-密度-形态”生态韧性模型。本研究不仅引入景观安全度模型对生态韧性方法进行修正,还通过市域尺度与格网尺度进行对比分析,一方面市域尺度在宏观上可以使评价结果更加完善与协调,另一方面格网化可以提高研究精度,在微观上探索耦合作用的空间分布特征,实现对评价结果的空间化表达。

(2)针对本研究结果,从宏观上,市域与格网尺度下的UI与ER发展状况及其耦合作用高度相似,这与已有研究[23]基本一致,但在格网尺度下二者存在空间异质性。市域尺度下,北京、天津耦合协调度高,邯郸、邢台相对较低;格网尺度下,北京和天津小部分区域出现初级协调、轻度失调,邯郸、邢台局部区域出现良好协调。尺度效应理论指出不同的地理现象和特征有其对应的时空尺度[39];方创琳[40]也表明耦合的一般规律仅适用于大尺度、长时间序列,但在局部区域或特殊时段会出现“灾变”与“善变”,即失调与协调现象。

究其具体原因:2014年京津冀协调发展战略,坚持“生态优先,绿色发展”。受益于政策扶持、区位优势,北京、天津加大自主创新投入,实现从传统重工业向高新技术产业升级,并注重对生态系统的治理与修复,在全局上推动UI与ER高水平协调发展,但局部区域由于人口不断增长、城镇用地不断扩张[41],建设用地无法满足现有需求,生态系统压力增大,ER严重受损,UI与ER发展趋势不吻合。邯郸和邢台作为钢铁、化工等传统工业基地,在生态系统可承受范围内,经济加快发展,UI与ER整体达到初级协调,为实现“推动邯郸、邢台一体化发展,融入中原城市群”目标[42],邢台、邯郸突出绿色发展,积极发展节能环保产业,小部分区域UI与ER达到良好协调,但由于滞后效应,其整体协调水平的提升仍需一个过程。

4.2 结论

本研究尝试构建一套完整的UI与ER综合指标体系,以市域尺度与格网尺度对比分析为手段,基于景观安全度模型修正了传统的生态韧性方法,利用耦合协调度模型与Tapio解耦模型探索2000—2020年UI与ER的交互胁迫关系及其时空动态演化规律。

(1)不同尺度下,UI与ER变化趋势相反且错位关系明显,UI呈上升变化,ER呈下降变化,北京、天津UI较高而ER相对较低,张家口、承德则完全相反。格网尺度下UI与ER存在空间差异性:受益于经济基础、政策扶持和区位优势,北京、天津、石家庄UI呈现中心-外围的格局特征,廊坊UI呈现北高南低的空间特征;受城市空间扩张模式影响,ER高值区从面状连片转向块状零散分布,低值区从零散的点状转向连续的条带状和块状分布。

(2)不同尺度下,UI与ER的耦合协调度呈现“轻度失调”向“中级协调”发展的递增特征,北京、天津耦合协调度最高,廊坊、沧州、衡水、石家庄次之,邯郸、邢台相对较低。格网尺度下,在局部区域与特殊时段出现失调与协调现象:北京、天津整体为良好协调,但小部分区域出现初级协调、轻度失调现象;邯郸、邢台以初级协调为主,但局部区域却出现良好协调。此外,协调与失调的分布形状也存在差异,前者由零散的点状、不连续的线状和块状变成连续的线状和面状,后者则完全相反。

(3)2000—2020年UI与ER脱钩关系整体上趋于良好发展状态,弱脱钩、扩张负脱钩呈上升变化,而强脱钩呈下降变化,表明城市化发展到一定水平,开始注重提升城市质量,ER提升速度加快,UI与ER达到可持续发展的协调状态,但实现UI与ER整体上高水平的协同发展还需一个过程。