城市群地區(qū)城市高質(zhì)量發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的交互協(xié)同作用
——以成渝城市群為例

楊亮潔,秦麗雙,楊永春,潘竟虎

1 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,蘭州 730070 2 甘肅省綠洲資源環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730070 3 蘭州大學(xué) 西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000

生態(tài)環(huán)境是人類賴以生存的本底,是實(shí)現(xiàn)城市群高質(zhì)量發(fā)展的基本保障。我國經(jīng)濟(jì)已經(jīng)從高速發(fā)展階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段,城市群是國家新型城鎮(zhèn)化的主體區(qū)和國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重心區(qū)[1]。但城市群的高密度集聚和高速度擴(kuò)張帶來了高度污染和高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),協(xié)調(diào)城市群地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系,成為當(dāng)前地理科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。

國內(nèi)外對城鎮(zhèn)發(fā)展水平的研究多集中在城市化與經(jīng)濟(jì)增長的關(guān)系[2—3]、城市化格局、城市化與資源承載力、城市群發(fā)展[4—6]等方面的研究,形成了系統(tǒng)的理論和方法體系。生態(tài)環(huán)境的研究由運(yùn)用單一指標(biāo)評價(jià)特定生態(tài)環(huán)境轉(zhuǎn)向借助遙感技術(shù)評估遙感生態(tài)環(huán)境指數(shù)、運(yùn)用谷歌地球引擎(GEE)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等綜合指標(biāo)進(jìn)行長時(shí)序綜合評價(jià)[7—9]。

社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展帶來嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題,越來越多的學(xué)者將研究重心轉(zhuǎn)向城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境關(guān)系的研究,如匹配分析[10]、協(xié)同發(fā)展研究[11]、耦合分析[12]等。國外對城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系研究最早源于將“庫茲涅茨曲線”引入到環(huán)境質(zhì)量與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展相關(guān)關(guān)系的研究中。Grrossman和Krueger將庫茲涅茨曲線引入生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域,進(jìn)行經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境污染之間內(nèi)在關(guān)系的研究,創(chuàng)造性地提出了倒“U”形環(huán)境庫茲涅茨曲線[13];Henderson分析了生態(tài)環(huán)境與城市規(guī)模之間的關(guān)系[14],Burgi等研究總結(jié)城鎮(zhèn)化對生態(tài)格局的影響機(jī)制[15]。近年來的研究主要集中在城市規(guī)模與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系、綠色生態(tài)城市的動態(tài)演化[16]和城鎮(zhèn)化與經(jīng)濟(jì)規(guī)模耦合規(guī)律的研究。國內(nèi)學(xué)者在對兩者關(guān)系探究的基礎(chǔ)上,致力于研究城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)同問題[17]。研究方法包括耦合協(xié)調(diào)模型[18]、系統(tǒng)動力學(xué)模型[19]、向量自回歸模型[20]和回歸分析[21]等。國內(nèi)對城市群地區(qū)城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境耦合關(guān)系研究已經(jīng)形成基本研究范式[22],包括城市群間的區(qū)際尺度的遠(yuǎn)程交互作用機(jī)理和城市群內(nèi)部各城市間的區(qū)內(nèi)尺度的近程交互作用機(jī)理的研究。目前研究內(nèi)容多集中在新型城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境間的耦合協(xié)調(diào)機(jī)理和規(guī)律的研究,利用地理探測器和網(wǎng)絡(luò)可視化方法探究兩系統(tǒng)各因子間交互作用的研究比較鮮見。

成渝城市群作為中國五大國家級城市群之一,是引領(lǐng)西部發(fā)展的增長極,是一帶一路、長江經(jīng)濟(jì)帶戰(zhàn)略實(shí)施的創(chuàng)新高地。本文以城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境各因子交互作用機(jī)制為切入點(diǎn),以成渝城市群為例,測度城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境交互耦合協(xié)調(diào)關(guān)系,剖析城鎮(zhèn)化系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)間及系統(tǒng)內(nèi)各層次因子間的交互作用方式和強(qiáng)度,識別城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境各因子交互作用的主導(dǎo)因子,深刻認(rèn)識成渝城市群城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的交互協(xié)同模式,以期為成渝城市群的高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

成渝城市群是四川盆地的核心地區(qū),總面積達(dá)18.5萬km2,占盆地面積的86.7%,2018年末成渝城市群常住人口9349.75萬人,城鎮(zhèn)化率達(dá)59.43%,是我國西部地區(qū)城鎮(zhèn)化水平最高和最具發(fā)展?jié)摿Φ貐^(qū)[23]。成渝城市群以成都和重慶兩市為雙核,具體包括重慶、成都等36個(gè)市縣空間單元(圖1)。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 Overview of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.2.1數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)主要包括遙感影像數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。遙感影像數(shù)據(jù)選取的土地利用類型數(shù)據(jù)和中國海拔高度(DEM)數(shù)據(jù)均來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)源自2005—2018年《四川統(tǒng)計(jì)年鑒》《重慶統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》《四川省水資源公報(bào)》和《重慶市水資源公報(bào)》,部分環(huán)境數(shù)據(jù)來自各市區(qū)的環(huán)境質(zhì)量狀況公報(bào)和各區(qū)縣生態(tài)文明建設(shè)規(guī)劃。

1.2.2指標(biāo)體系構(gòu)建

依據(jù)《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014—2020年)》的新型城鎮(zhèn)化評價(jià)框架,結(jié)合已有的對城鎮(zhèn)化發(fā)展研究[24],基于高質(zhì)量發(fā)展理念從創(chuàng)新發(fā)展、協(xié)調(diào)發(fā)展、體制發(fā)展、開放發(fā)展、共享發(fā)展、文化發(fā)展6個(gè)維度構(gòu)建城鎮(zhèn)化質(zhì)量指標(biāo)體系(表1)。參照《中共中央國務(wù)院關(guān)于加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的意見》及《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)規(guī)劃編制導(dǎo)則》,結(jié)合成渝城市群生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀,參考壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型[25]構(gòu)建生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系(表2)。

表1 城鎮(zhèn)化質(zhì)量指標(biāo)體系Table 1 Urbanization quality index system

表2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系Table 2 Eco-environmental quality index system

表2中,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)是指經(jīng)濟(jì)發(fā)展、區(qū)域建設(shè)和人類的生產(chǎn)生活活動所導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)的不利變化或?qū)θ祟惤】翟斐傻牟涣加绊懙某潭群涂赡苄訹26]。公式如下:

(1)

(2)

(3)

生物豐度指數(shù)指單位面積上不同生態(tài)系統(tǒng)類型在生物物種數(shù)量上的差異[27]。公式如下:

生物豐度指數(shù)=Abio×(0.35×林地+0.21×草地+0.28×水域濕地+0.11×耕地+0.04×建設(shè)用地+0.01×未利用地)/區(qū)域面積

(4)

Abio=100/Amax

(5)

式中:Abio表示生物豐度歸一化指數(shù),Amax表示生物豐度指數(shù)歸一化處理前的最大值。

地形位指數(shù)是復(fù)合分析海拔和坡度屬性信息的指標(biāo)[28]。計(jì)算公式如下:

(6)

式中,T為地形位指數(shù),E及E0分別為空間內(nèi)任一柵格的高程和平均高程,S和S0分別為空間內(nèi)任一柵格的坡度值和平均坡度值。一般地,海拔低、坡度小的柵格地形位指數(shù)小,反之越大;海拔低坡度大或海拔高坡度小的柵格,其地形位指數(shù)居中。

1.2.3研究方法

(1) 熵權(quán)法

城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)權(quán)重應(yīng)用熵權(quán)法來計(jì)算。熵權(quán)法客觀地解釋和表征各驅(qū)動因子在指標(biāo)體系中的地位和作用[29]。

(2)耦合協(xié)調(diào)度模型

運(yùn)用耦合協(xié)調(diào)度模型量化系統(tǒng)之間的相互作用及影響關(guān)系。公式如下[30—33]:

(7)

(8)

式中:C表示耦合度;U表示指標(biāo)體系各指標(biāo)值。C值屬于[0,1],C值越接近1,系統(tǒng)間的耦合度越強(qiáng)。D為協(xié)調(diào)度,D∈[0,1],D越大,協(xié)調(diào)度越高。f(x)為城鎮(zhèn)化質(zhì)量函數(shù);g(x)為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量函數(shù);T為協(xié)調(diào)指數(shù),表征城鎮(zhèn)化質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量對協(xié)調(diào)度的貢獻(xiàn);α、β為待定系數(shù),取α=β=0.5。

借鑒黃金川、方創(chuàng)琳和顏姜慧等關(guān)于城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系的研究[34—35],結(jié)合成渝城市群城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)關(guān)系特征,進(jìn)行耦合度及耦合協(xié)調(diào)度類型劃分(表3):

表3 耦合協(xié)調(diào)度劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Classification standard of coupling coordination degree

(3)地理探測器

地理探測器用以識別兩個(gè)系統(tǒng)之間及內(nèi)部不同驅(qū)動因子之間的交互作用,評估任意兩個(gè)驅(qū)動因子共同作用時(shí)是否會增強(qiáng)或減弱對交互耦合作用的解釋力[36]。先計(jì)算兩種因子的q值:q(X1)和q(X2),再計(jì)算交互時(shí)的q值:q(X1∩X2),并對q(X1)、q(X2)和q(X1∩X2)的值進(jìn)行比較。依據(jù)q值將因子間的交互作用關(guān)系分為非線性減弱、單因子非線性減弱、雙因子增強(qiáng)、獨(dú)立和非線性增強(qiáng)五種類型(表4)。

表4 交互作用類型Table 4 Interaction type

2 結(jié)果分析

2.1 高質(zhì)量發(fā)展與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量間關(guān)系的動態(tài)演化

城市高質(zhì)量發(fā)展指數(shù)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)測度結(jié)果表明(圖2):成渝地區(qū)各城市生態(tài)環(huán)境壓力小,環(huán)境本底相對較好,生態(tài)環(huán)境對城鎮(zhèn)化的約束效應(yīng)較弱。成都市和重慶市城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平相當(dāng),其余34個(gè)市縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好,城鎮(zhèn)化水平相對較低,城鎮(zhèn)化對生態(tài)環(huán)境的脅迫效應(yīng)較弱,城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境處于交互脅迫的初級共生階段[37]。

圖2 高質(zhì)量發(fā)展與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動態(tài)演化關(guān)系Fig.2 The dynamic evolutionary between high-quality development and ecological quality

2.2 高質(zhì)量發(fā)展與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系

成渝城市群城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境交互作用顯著,大部分城市的耦合度高于0.7,處于高度耦合和良好耦合階段,少數(shù)城市(19.4%)處于中度耦合向良好耦合躍遷階段。成都市、重慶市耦合度高于0.9,處于高度耦合階段,其余城市處于累積耦合效能階段(圖3)。

圖3 城鎮(zhèn)化質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量耦合度時(shí)空格局Fig.3 Spatial-temporal pattern of coupling degree between urbanization quality and ecological environment quality

成渝城市群城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)水平整體較低,呈波動上升趨勢,空間差異顯著,成都和重慶市區(qū)協(xié)調(diào)度較高,雙核心空間結(jié)構(gòu)顯著(圖4)。依據(jù)2005—2018年耦合協(xié)調(diào)度值將成渝城市群城市分為四類:

圖4 城鎮(zhèn)化質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量耦合協(xié)調(diào)度時(shí)空格局Fig.4 Spatial-temporal pattern of coupling coordination degree between urbanization quality and ecological environment quality

同步發(fā)展型城市:此類城市城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量同步發(fā)展,包括成都和重慶兩市,耦合協(xié)調(diào)度相對較高(0.5—0.627)且呈緩慢升高趨勢,處于中級協(xié)同發(fā)展階段。

生態(tài)環(huán)境引領(lǐng)型城市:該類城市生態(tài)環(huán)境本底好,城鎮(zhèn)化發(fā)展水平較低,包括雅安、綿陽、德陽、樂山和永川區(qū)5個(gè)市區(qū),耦合協(xié)調(diào)度在0.4—0.473之間,為基本協(xié)調(diào)類型。該類城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良好,應(yīng)適當(dāng)提高城市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。

低水平協(xié)調(diào)型城市:該類城市協(xié)調(diào)發(fā)展水平較低(0.301—0.399),城鎮(zhèn)化通過人口增長、資源消耗及交通擴(kuò)張等對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生脅迫,生態(tài)環(huán)境又通過人口驅(qū)逐、政策干預(yù)等制約城鎮(zhèn)化發(fā)展[38]。這類城市在成渝城市群中占比最高,2005、2010、2015和2018年占比分別為80.6%、58.3%、77.8%和75%,成渝城市群大部分地區(qū)城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境交互協(xié)調(diào)水平低,未形成良好的系統(tǒng)發(fā)展模式。

嚴(yán)重失調(diào)型城市:此類城市耦合協(xié)調(diào)度低于0.3,包括內(nèi)江、資陽市兩市,城鎮(zhèn)發(fā)展對生態(tài)環(huán)境具有較強(qiáng)的脅迫作用,應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)。

2.3 高質(zhì)量發(fā)展與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的因子交互作用

運(yùn)用地理探測器對城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境間、城鎮(zhèn)化系統(tǒng)內(nèi)部、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)部兩兩因子交互作用分別進(jìn)行探測(表5,表6)。城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)間各因子交互作用呈現(xiàn)顯著的非線性增強(qiáng)和雙因子增強(qiáng),兩系統(tǒng)內(nèi)部因子交互作用類型呈現(xiàn)雙因子增強(qiáng)和非線增強(qiáng)效應(yīng),且以雙因子增強(qiáng)為主要交互作用類型。整體上,系統(tǒng)間和系統(tǒng)內(nèi)各因子交互協(xié)同效應(yīng)顯著,存在明顯的“涌現(xiàn)現(xiàn)象”和“蝴蝶效應(yīng)”。

表5 準(zhǔn)則層上城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境因子交互作用結(jié)果Table 5 The result of interaction between urbanization and ecological environment in criterion layer

表6 次準(zhǔn)則層上城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境因子交互作用Table 6 The result of interaction between urbanization and ecological environment in sub-criterion layer

準(zhǔn)則層上,任意兩因子交互后的作用均大于單個(gè)驅(qū)動因子,生態(tài)環(huán)境因子是促進(jìn)協(xié)調(diào)發(fā)展的主導(dǎo)因子。資源環(huán)境水平與生態(tài)環(huán)境治理、生態(tài)環(huán)境治理與生態(tài)環(huán)境壓力、協(xié)調(diào)發(fā)展與文化發(fā)展、共享發(fā)展與創(chuàng)新發(fā)展具有極強(qiáng)的交互協(xié)同作用,共同作用促進(jìn)城市高質(zhì)量發(fā)展。2005年,生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中資源環(huán)境水平與其他因子的交互作用最強(qiáng)(21.411),為推動協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵因子。2010年,資源環(huán)境水平(23.194)和資源環(huán)境治理(20.919)與其他因子交互作用較強(qiáng),為城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的主導(dǎo)因子。2015年,生態(tài)環(huán)境水平為一級因子(21.487),生態(tài)環(huán)境治理為二級因子(16.698),生態(tài)環(huán)境質(zhì)量因子仍為區(qū)域協(xié)同發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動因素,城鎮(zhèn)化因子貢獻(xiàn)率有所提升。2018年,資源環(huán)境水平為一級因子(21.499),生態(tài)環(huán)境治理為二級因子(19.537),生態(tài)環(huán)境壓力和文化發(fā)展為三級因子,生態(tài)環(huán)境因子仍為區(qū)域協(xié)同發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動因素(圖5)。

圖5 準(zhǔn)則層因子交互作用強(qiáng)度Fig.5 Interaction strength of criterion layer factors弧線表示因子交互關(guān)系,弧線越粗,因子交互作用越強(qiáng);綠色弧線代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量因子交互作用,紅色弧線代表城鎮(zhèn)化質(zhì)量因子交互作用,棕色弧線代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量—城鎮(zhèn)化質(zhì)量交互作用

次準(zhǔn)則層上,生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)各子因子在交互作用中占據(jù)主導(dǎo)地位,其中資源稟賦與生態(tài)環(huán)境保護(hù)因子強(qiáng)度最大,良好的生態(tài)環(huán)境是高質(zhì)量協(xié)同發(fā)展的基本保障;創(chuàng)新力量、文化傳承、產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)、公共設(shè)施等因子對城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)發(fā)展的貢獻(xiàn)率不斷增強(qiáng)。2005年資源稟賦與其他子因子交互作用強(qiáng),為一級因子;2010年資源稟賦和生態(tài)保護(hù)因子與其他子因子交互作用強(qiáng)度大,為一級因子,環(huán)境水平、資源消耗和污染治理為二級因子;2015年資源稟賦為一級因子;2018年資源稟賦和生態(tài)保護(hù)為主導(dǎo)因子(圖6)。

3 結(jié)論

本文基于地理探測器和社會網(wǎng)絡(luò)分析方法探析城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境兩個(gè)系統(tǒng)影響因素“一對多”“多對多”的復(fù)雜交互關(guān)系,從不同層次上識別影響城市高質(zhì)量發(fā)展與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量交互作用的主導(dǎo)因子,關(guān)注因子交互作用強(qiáng)度和交互作用類型,解構(gòu)兩系統(tǒng)交互作用的主導(dǎo)因子及時(shí)空特征,主要結(jié)論如下:

(1)成渝城市群城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)環(huán)境耦合度較高,交互協(xié)調(diào)水平較低,空間上呈現(xiàn)“成都-重慶”雙核心空間結(jié)構(gòu)。成渝城市群生態(tài)環(huán)境本底較好,城鎮(zhèn)化發(fā)展較緩慢,城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境處于交互脅迫的初級共生發(fā)展階段。依據(jù)耦合協(xié)調(diào)水平將成渝城市群城市分為同步發(fā)展型、生態(tài)環(huán)境引領(lǐng)型、低水平協(xié)調(diào)型和嚴(yán)重失調(diào)型四類,并根據(jù)各類城市特征提出環(huán)境治理建議。

(2)城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境兩系統(tǒng)間的因子交互作用強(qiáng)于各系統(tǒng)內(nèi)部因子交互作用,系統(tǒng)間的交互作用以非線性增強(qiáng)為主,各內(nèi)部系統(tǒng)以雙因子增強(qiáng)為主,系統(tǒng)間存在較強(qiáng)的交互協(xié)同效應(yīng),各子系統(tǒng)交互作用存在明顯的“涌現(xiàn)現(xiàn)象”和“蝴蝶效應(yīng)”。

(3)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是城市高質(zhì)量發(fā)展的本底。生態(tài)環(huán)境水平、生態(tài)環(huán)境壓力是城鎮(zhèn)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵交互因子,其中資源稟賦、生態(tài)保護(hù)、資源消耗和環(huán)境水平為主導(dǎo)子因子,城市發(fā)展因子中創(chuàng)新力量、文化傳承、產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)、公共設(shè)施為主導(dǎo)交互子因子。

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是城市高質(zhì)量發(fā)展的本底,在推進(jìn)城市高質(zhì)量發(fā)展的同時(shí),需進(jìn)一步加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè),用生態(tài)文明理念引領(lǐng)城鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,淘汰高強(qiáng)度污染、高能源消耗、低效率產(chǎn)業(yè),發(fā)展綠色制造業(yè)、節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)等推動城市群地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展。