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 area1.2 数据来源土地利用数据来源于地理空间数据云( (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 UI2.2 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=0.52.4 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 20203.3 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。