長三角城市群城市洪澇韌性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系

嵇 娟,陳軍飛,2,3,*,丁童慧,李遠(yuǎn)航

1 河海大學(xué)商學(xué)院,南京 211106 2 長江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院,南京 210098 3 江蘇長江保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展研究基地,南京 210098

隨著全球氣候變化和城市化的不斷發(fā)展,城市洪澇已成為許多國家和地區(qū)的一個(gè)主要且常見問題[1]。西蒙諾維奇在洪水管理國際論壇中提到,應(yīng)對(duì)氣候變化一方面要采取行動(dòng)減少CO2等溫室氣體排放,另一方面要學(xué)會(huì)適應(yīng),在適應(yīng)的過程中,采取韌性手段應(yīng)對(duì)氣候變化帶來的極端天氣事件[2],城市洪澇韌性成為有效應(yīng)對(duì)氣候變化的不可預(yù)測性和城市未來洪水風(fēng)險(xiǎn),并確保城市可持續(xù)發(fā)展的重要方法[3]。一些全球倡議,如《2015—2035年仙臺(tái)減少災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)框架》和《2030年新城市議程》都致力于建設(shè)具有災(zāi)害韌性的城市[4]。此外,城市洪澇韌性的提升需要統(tǒng)籌城市建設(shè)與生態(tài)環(huán)境治理,將城市開發(fā)建設(shè)和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)修復(fù)相結(jié)合[5]。2020年,《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》也明確提出“增強(qiáng)城市防洪排澇能力,建設(shè)韌性城市”和“加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè),推進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)”。因此,在此背景下,如何促進(jìn)城市洪澇韌性建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展成為城市可持續(xù)發(fā)展的重要挑戰(zhàn)。

城市洪澇韌性被認(rèn)為是城市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)在長期和短期內(nèi)有效抵抗、吸收、恢復(fù),以及成功適應(yīng)和應(yīng)對(duì)洪澇災(zāi)害的能力[6]。城市洪澇韌性水平不僅取決于社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能強(qiáng)弱,也取決于城市生態(tài)系統(tǒng)本身[4],良好的自然生態(tài)系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)城市水系和生態(tài)多樣性,促進(jìn)城市中經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)設(shè)施等各方面的發(fā)展[7],減少氣候變化的脆弱性和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)[8]。此外,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),作為人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的所有惠益,在預(yù)防和減緩洪澇風(fēng)險(xiǎn)方面發(fā)揮著重要作用[9]。生態(tài)系統(tǒng)通過其調(diào)節(jié)服務(wù)和作為天然保護(hù)屏障或緩沖區(qū)有效減少了對(duì)洪澇、山體滑坡等常見自然災(zāi)害的物理暴露[10]。國家生物多樣性戰(zhàn)略利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)來影響自然災(zāi)害,并有望維持和改善生物多樣性保護(hù),同時(shí)減少對(duì)自然災(zāi)害的暴露和脆弱性[11]。Abenayake等人將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的脆弱性作為衡量社區(qū)洪澇韌性的綜合指標(biāo),用實(shí)證證明生態(tài)在加強(qiáng)社區(qū)洪澇韌性方面的作用[4]。Huang等人基于自然的解決辦法驗(yàn)證了洪水風(fēng)險(xiǎn)較低的地區(qū)可能提供更高水平的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[12]。許萌等人通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需匹配分析,識(shí)別珠海市災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū),以期為增強(qiáng)城市國土空間抗災(zāi)能力提供參考[13]。

總體而言,大部分研究主要從生態(tài)角度評(píng)估城市韌性[14],或?qū)⑸鷳B(tài)指標(biāo)納入到洪澇韌性的評(píng)估當(dāng)中[15—16],也有一些學(xué)者研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)于城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)和城市洪澇韌性的影響,然而,極少有研究聚焦于城市洪澇韌性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系。因此,本文嘗試探索城市洪澇韌性與生態(tài)系統(tǒng)之間的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系,并運(yùn)用具體的物理量——生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)來衡量生態(tài)系統(tǒng)狀況,旨在通過二者耦合協(xié)調(diào)關(guān)系的探索,為城市防洪和生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)性的支撐和決策。

城市群作為城市發(fā)展到成熟階段的空間組織,不僅表現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市規(guī)劃、通信與交通等基礎(chǔ)設(shè)施緊密聯(lián)系、相互影響,而且,其地域相近、氣候相似,具有同樣的洪澇風(fēng)險(xiǎn)共性。面對(duì)洪澇災(zāi)害時(shí),城市群可以發(fā)揮群效應(yīng),通過共商、共建、共享,實(shí)現(xiàn)城市之間的互補(bǔ)和共贏,全面提升城市群整體抵御洪澇災(zāi)害的綜合防范能力。長三角城市群作為中國城鎮(zhèn)化基礎(chǔ)最好的城市群之一,經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí),洪澇災(zāi)害劇增[17],生態(tài)環(huán)境問題也日益凸顯。因此,探究長三角城市群的城市洪澇韌性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系,對(duì)減緩洪澇風(fēng)險(xiǎn),提高城市洪澇韌性以及改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有重要參考價(jià)值。

鑒于此,本文基于2000—2020年的遙感影像和社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),采用基于麻雀算法的投影尋蹤模型、InVEST模型和耦合協(xié)調(diào)度模型,以長三角城市群為研究對(duì)象,進(jìn)行:(1)構(gòu)建城市洪澇韌性評(píng)估指標(biāo)體系并評(píng)價(jià)長三角城市群的城市洪澇韌性水平;(2)分析長三角城市群的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空演化特征;(3)探索長三角城市群城市洪澇韌性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系及其時(shí)空演化的分異特征,為長三角城市群的防洪減災(zāi)建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

長江三角洲城市群(簡稱長三角城市群)是中國東部沿海地區(qū)一個(gè)高度發(fā)達(dá)的經(jīng)濟(jì)區(qū)域,地處長江下游,瀕臨黃海和東海,由安徽、浙江、江蘇和上海的27個(gè)城市組成 (圖1),總面積約22.9萬km2,以2.3%的國土面積集聚了12.3%的全國人口,貢獻(xiàn)了約1/4的GDP。自然環(huán)境方面,長三角城市群是中國河網(wǎng)密度最高的地區(qū),共有湖泊200多個(gè),如太湖、洪澤湖、巢湖等等,其地形呈周高中低,低洼的地勢使得洪澇災(zāi)害較為嚴(yán)重。長三角城市群為亞熱帶季風(fēng)氣候,年降雨量在1000—1400mm,年平均氣溫在18—23℃之間[18],大約70%的降雨集中在春季和夏季,這使得這兩個(gè)季節(jié)洪澇可能性更大。同時(shí),長三角城市群是中國最大的經(jīng)濟(jì)圈,是長江經(jīng)濟(jì)帶與“一帶一路”的重要交匯地帶,在中國國家現(xiàn)代化建設(shè)大局和開放格局中具有舉足輕重的戰(zhàn)略地位,其人口密度高,是中國城鎮(zhèn)化基礎(chǔ)最好的地區(qū)之一。然而,由于城市開發(fā)強(qiáng)度高,建成區(qū)面積不斷增加,大量不透水表面正在取代天然水面、林地和其他自然土地用途,快速且部分臨時(shí)的城市化導(dǎo)致生態(tài)功能逐步退化,嚴(yán)重威脅到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。因此,有必要對(duì)長三角城市群的洪澇和生態(tài)系統(tǒng)問題展開研究,從而提出切實(shí)可行的洪澇管理政策,提高城市洪澇韌性,實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

1.2 研究方法

1.2.1城市洪澇韌性水平測度

城市洪澇韌性是一種多維度、跨時(shí)期的綜合能力,受到自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等多方面的影響[19],這意味著不能僅單方面考慮城市洪澇韌性。學(xué)者們采用多標(biāo)準(zhǔn)決策的方法,從自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等維度考慮城市洪澇韌性的影響因素[1,20—23],體現(xiàn)城市應(yīng)對(duì)洪澇災(zāi)害的吸收、恢復(fù)和轉(zhuǎn)化能力。因此,本文參考已有研究,從自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和基礎(chǔ)設(shè)施四個(gè)維度構(gòu)建了城市洪澇韌性評(píng)估體系,利用累計(jì)貢獻(xiàn)率和相關(guān)性分析相結(jié)合的方法[24]篩選了26個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),構(gòu)建的城市洪澇韌性評(píng)估體系如表1所示。

表1 城市洪澇韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Evaluation index system of urban flood resilience

評(píng)估城市洪澇韌性的方法主要有層次分析法[22,25]、計(jì)量模型[26]、半定量模型[27]、機(jī)器學(xué)習(xí)[28]等,其中投影尋蹤模型是常用的機(jī)器學(xué)習(xí)方法。投影尋蹤模型的基本目標(biāo)是將多維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為低維數(shù)據(jù),并通過確定能夠反映原始多維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和特征的最佳投影來解決實(shí)際問題,其完全由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),不受樣本大小或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的限制,不受主觀因素干擾的影響,結(jié)果是客觀合理的。當(dāng)使用投影尋蹤模型解決實(shí)際問題時(shí),關(guān)鍵是要確定最佳投影方向。最佳投影方向的確定涉及高維和復(fù)雜的非線性問題優(yōu)化過程,并且通常采用群體智能算法來確定最優(yōu)投影方向?；诼槿杆惴ǖ耐队皩ほ櫮Ｐ蚚29]在綜合優(yōu)化能力和收斂性能方面,相比于傳統(tǒng)的基于遺傳算法的投影尋蹤模型和基于粒子群優(yōu)化的投影尋蹤模型具有明顯的競爭優(yōu)勢?；诼槿杆惴ǖ耐队皩ほ櫮Ｐ偷闹饕襟E如下:

步驟一:評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。

對(duì)于正向指標(biāo):

(1)

對(duì)于負(fù)向指標(biāo):

(2)

式中,xij是第i個(gè)城市第j個(gè)指標(biāo)因素,i=1,2,...,n,j=1,2,...,m;maxxj和minxj分別是指標(biāo)j的最大值和最小值;Xij是標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)。

步驟二:構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)。

(3)

式中,zi為投影值,a為投影向量。

步驟三:優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)。

(4)

(5)

(6)

投影尋蹤模型最佳投影方向a的選取對(duì)于評(píng)估精度及評(píng)估結(jié)果有著關(guān)鍵性影響。本文利用麻雀算法來對(duì)最佳投影方向a進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu),于是設(shè)置麻雀的維度為樣本組數(shù)。適應(yīng)度函數(shù)為投影尋蹤目標(biāo)函數(shù)Q(a)[30]。最終輸出投影值,確定城市洪澇韌性值。

fitness=Q(a)

(7)

1.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)測度

生態(tài)系統(tǒng)及其提供的服務(wù)構(gòu)成了城市應(yīng)對(duì)洪澇災(zāi)害,提高城市洪澇韌性的重要組成部分。生態(tài)系統(tǒng)中的濕地、森林、耕地等不僅在提供多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)方面發(fā)揮重要作用,而且有助于緩解城市受洪澇災(zāi)害的影響。本文探討四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與城市洪澇韌性的耦合協(xié)調(diào)性,分別是:水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化、土壤保持和氣候調(diào)節(jié)[12],并使用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和權(quán)衡綜合評(píng)估(InVEST)模型來量化這四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),InVEST模型是一套廣泛使用的綜合空間可視化模型,可以量化和繪制近20個(gè)陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[31—32]。InVEST模型的產(chǎn)水量模塊、養(yǎng)分輸送比模塊、泥沙輸移比模塊和碳儲(chǔ)存模塊分別計(jì)算水源涵養(yǎng)服務(wù)、水質(zhì)凈化服務(wù)、土壤保持服務(wù)和氣候調(diào)節(jié)服務(wù)。

(1)水源涵養(yǎng)

水源涵養(yǎng)服務(wù)包括截留、滲透降水,蓄積土壤水分等,對(duì)于調(diào)節(jié)徑流,防止水旱災(zāi)害和城市內(nèi)澇具有預(yù)防和減緩作用。

(8)

式中,Yxj為x柵格j種土地類型的年產(chǎn)水量;Px為x柵格的年降水量;AETx為x柵格j種土地類型的年平均蒸散量。

(2)水質(zhì)凈化

水質(zhì)凈化服務(wù)繪制了流域養(yǎng)分源的潛在數(shù)量及其通過自然植被輸送到溪流中的情況。該模塊通過輸出氮和磷來反映水的凈化程度。氮和磷的輸出越小,凈水服務(wù)功能就越強(qiáng),當(dāng)發(fā)生暴雨洪澇災(zāi)害時(shí),對(duì)水資源造成的污染更小[31]。

ALVx=HSSx×polx

(9)

式中,ALVx是x柵格的調(diào)整負(fù)荷數(shù),HSSx是x柵格的水文敏感性評(píng)分,polx是x柵格的輸出系數(shù)。

(3)土壤保持

土壤保持服務(wù)反映了生態(tài)系統(tǒng)防止土壤侵蝕、儲(chǔ)留保持泥沙的能力。研究區(qū)域的土壤保持能力對(duì)緩解和預(yù)防土壤侵蝕引發(fā)的洪澇災(zāi)害具有重要的意義[33]。

SEDRET=R×K×LS×(1-C×P)+(1-SDR)×R×K×LS×C×P

(10)

式中,SEDRET為土壤保持量,R為降雨侵蝕力,K為土壤可蝕性,LS為地形因子,C為植被覆蓋因子,P為管理措施因子,SDR為泥沙輸移比。

(4)氣候調(diào)節(jié)

氣候調(diào)節(jié)服務(wù)能夠通過碳儲(chǔ)量和碳匯功能對(duì)區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估,通過調(diào)節(jié)大氣中的CO2含量,減緩洪澇等極端天氣事件。因此,研究氣候調(diào)節(jié)服務(wù)對(duì)改善城市洪澇韌性具有重要意義。

Ctot=Cabove+Cbelove+Csoil+Cdead

(11)

式中,Ctot為總碳存儲(chǔ)量、Cabove為地上生物碳儲(chǔ)存、Cbelove為地下生物碳存儲(chǔ)、Csoil為土壤碳存儲(chǔ)、Cdead枯落物碳存儲(chǔ)。

1.2.3耦合協(xié)調(diào)度模型

耦合協(xié)調(diào)度模型廣泛用于描述多個(gè)系統(tǒng)的相互影響程度。耦合度可以表示系統(tǒng)之間的相互作用程度,但不能反映系統(tǒng)之間的協(xié)同作用。耦合協(xié)調(diào)度可以描述不同系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。因此,本文引入耦合協(xié)調(diào)度模型來評(píng)估城市洪澇韌性和多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的協(xié)調(diào)發(fā)展關(guān)系[34]。方程如下所示:

(12)

T=α×ES+β×UFR

(13)

(14)

式中,ES表示四類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估值,UFR表示城市洪澇韌性評(píng)估值。C表示城市洪澇韌性與多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的耦合程度。T代表生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與城市洪澇韌性的綜合評(píng)價(jià)指數(shù),因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)和城市洪澇韌性同樣重要[4,35],因此被賦予相同的權(quán)重,即α=β=0.5。D代表生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與城市洪澇韌性的耦合協(xié)調(diào)程度。根據(jù)相關(guān)研究[36—38],耦合協(xié)調(diào)程度可以分為六類:極度失調(diào)(0≤D<0.2),中度失調(diào)(0.2≤D<0.4),輕度失調(diào)(0.4≤D<0.5),初級(jí)協(xié)調(diào)(0.5≤D<0.6),中級(jí)協(xié)調(diào)(0.6≤D<0.8),高度協(xié)調(diào)(0.8≤D<1)。

1.3 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)包括長三角城市群2000年、2005年、2010年、2015年和2020年的土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)(https://www.resdc.cn/)、氣象數(shù)據(jù)(http://data.cma.cn/)、土壤屬性數(shù)據(jù)、空間分辨率為30m的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)(http://www.gscloud.cn)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。其中,土壤數(shù)據(jù)來自世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)的《中國土壤數(shù)據(jù)集》(http://www.ncdc.ac.cn/portal/)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要來源于《中國建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》、人口普查數(shù)據(jù)以及長三角城市群27個(gè)城市的統(tǒng)計(jì)年鑒和《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》。

2 結(jié)果分析

2.1 城市洪澇韌性水平分析

2000—2020年長三角城市群27個(gè)地級(jí)市的城市洪澇韌性趨勢如圖2所示。從空間上看,長三角城市群的城市洪澇韌性強(qiáng)弱具有明顯的空間異質(zhì)性,上海、南京、無錫、蘇州、杭州、寧波的城市洪澇韌性表現(xiàn)較好,韌性水平都在2.05以上,而銅陵、安慶、池州、宣城、溫州和嘉興的城市洪澇韌性表現(xiàn)不佳。從時(shí)間上看,2000—2020年,長三角城市群的城市洪澇韌性整體呈現(xiàn)增長趨勢,但是2000—2015年變化幅度較小。其中,安慶的城市洪澇韌性表現(xiàn)最差,2010年僅有0.49;2020年的城市洪澇韌性較高,尤其是南京,高達(dá)3.25。

圖2 長三角城市群27個(gè)城市的城市洪澇韌性年變化趨勢Fig.2 Annual Change Trend of Urban Flood Resilience in 27 Cities of Yangtze River Delta Urban Agglomeration

圖3為長三角城市群、上海、江蘇、浙江和安徽的城市洪澇韌性均值及各子系統(tǒng)韌性在研究期內(nèi)的變化趨勢。自然韌性穩(wěn)定在0.8左右,但是由于較高的洪澇風(fēng)險(xiǎn)以及森林覆蓋率的減少,呈現(xiàn)微弱下降趨勢。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,經(jīng)濟(jì)韌性從2000年的0.63上升到2015年的0.86,然而2020年受新型冠狀病毒肺炎疫情的影響下降到0.59;由于失業(yè)率和文盲率持續(xù)下降,教育和社會(huì)保障水平不斷提升,社會(huì)韌性保持穩(wěn)步增長的態(tài)勢,從2000年的0.62上升到2020年的1.07。同時(shí),高水平的城鎮(zhèn)化使得長三角城市群的基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善,基礎(chǔ)設(shè)施韌性呈“N”型波動(dòng)上升趨勢,從2000年的0.73上升到2020年的1.11。在四個(gè)子系統(tǒng)的共同作用下,長三角城市群的城市洪澇韌性水平呈現(xiàn)“N”型的增加趨勢,從2000年的1.69增加到2020年的2.22。由此可知,經(jīng)濟(jì)是影響城市洪澇韌性波動(dòng)的主要因素,而自然韌性成為城市洪澇韌性提升的關(guān)鍵短板。

圖3 2000—2020年城市洪澇韌性及各子系統(tǒng)韌性水平Fig.3 The level of urban flood resilience and resilience of each subsystem from 2000 to 2020

從各省市來看,長三角城市群的城市洪澇韌性強(qiáng)度表現(xiàn)為:上海>江蘇>浙江>安徽。上海市的城市洪澇韌性,以及經(jīng)濟(jì)韌性、社會(huì)韌性和基礎(chǔ)設(shè)施韌性水平都遠(yuǎn)高于其他省份,這主要得益于其蒸蒸日上的經(jīng)濟(jì)形勢、高水平的城鎮(zhèn)化和完善的社會(huì)保障體系,但是上海的自然韌性水平最弱,一方面由于其本身處于沿海低洼地區(qū),另一方面是高水平的城鎮(zhèn)化導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境逐漸脆弱。蘇、浙、皖的城市洪澇韌性水平及其子系統(tǒng)韌性水平的變化趨勢較為一致,城市洪澇韌性水平和基礎(chǔ)設(shè)施韌性都呈現(xiàn)“N”型增加趨勢,而經(jīng)濟(jì)韌性和社會(huì)韌性都呈現(xiàn)比較平穩(wěn)的增長趨勢,自然韌性呈現(xiàn)微弱下降趨勢。其中,江蘇省整體發(fā)展較為均衡,城市洪澇韌性從2000年的1.89提高到2020年的2.54;浙江省由于其植被資源豐富,扎實(shí)推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè),自然韌性水平保持高位穩(wěn)定,持續(xù)領(lǐng)跑長三角,其經(jīng)濟(jì)、社會(huì)保障水平和醫(yī)療、交通和給排水等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)皆與江蘇省旗鼓相當(dāng);安徽省較高的森林覆蓋率使其自然韌性僅遜于浙江省,此外,安徽省面臨更小的人口壓力,其基礎(chǔ)設(shè)施的承載和服務(wù)能力顯著增強(qiáng)。因此,在研究期間,安徽省的城市洪澇韌性雖低于其他省市,但是由于基礎(chǔ)設(shè)施韌性的提高,從2000年的1.32提高到2020年的1.80。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空演變分析

2000年—2020年水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化、土壤保持、氣候調(diào)節(jié)四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空分布和變化如圖4所示,圖5展示了2000—2020年四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的總量變化趨勢。長三角城市群的四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)存在顯著的空間異質(zhì)性,但其空間分布在研究期間是穩(wěn)定的。具體而言,水源涵養(yǎng)服務(wù)的低值主要分布在北部,而高值逐漸由東南向西南移動(dòng),這主要受降水空間分布的影響。水源涵養(yǎng)服務(wù)增加的區(qū)域主要分布在西北部的安徽八市,而減少的區(qū)域集中在東南部的寧波、溫州、舟山和臺(tái)州(圖4),但是總量總體呈上升趨勢,從2000年的966884萬mm增加到2020年的1507380萬mm,年增長率為2.25%(圖5)。水質(zhì)凈化服務(wù)高值主要集中在中西部地區(qū),低值主要分布在北部的鹽城、合肥、安慶和滁州,除零星地點(diǎn)的水質(zhì)凈化服務(wù)有所降低之外,大部分地區(qū)都出現(xiàn)轉(zhuǎn)好趨勢(圖4)。從總量上看,長三角城市群水質(zhì)凈化服務(wù)呈現(xiàn)向好的趨勢,氮磷輸出減少了0.71%,從2000年17110萬t,下降到2010年的15818萬t,2020年升至16988萬t(圖5)。

圖4 2000—2020年四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空分布和變化Fig.4 Spatiotemporal distribution and changes of four ecosystem services from 2000 to 2020

圖5 2000—2020年四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的總量Fig.5 Total amount of four ecosystem services from 2000 to 2020

土壤保持和氣候調(diào)節(jié)服務(wù)顯示出相似的空間分布(圖4):高值區(qū)域主要集中在高植被覆蓋的浙南以及皖南的安慶、池州和宣城,而低值區(qū)域主要位于土地利用類型多為耕地的長三角城市群的北部。這可以解釋為,森林在保持土壤生產(chǎn)力和調(diào)節(jié)氣候方面發(fā)揮著重要作用。然而,土壤保持和氣候調(diào)節(jié)服務(wù)從2000—2020年的變化趨勢并不一致。土壤保持服務(wù)的變化具有明顯的空間分布,減少的區(qū)域主要集中的東南部沿海的舟山、臺(tái)州、寧波和溫州,而顯著增加的區(qū)域主要集中在西南部山區(qū);對(duì)于氣候調(diào)節(jié)服務(wù),除零星地方減少,大部分地區(qū)基本保持不變(圖4)。此外,土壤保持總量整體呈現(xiàn)倒“N”型增加趨勢,年增長率為0.35%,氣候調(diào)節(jié)服務(wù)呈現(xiàn)微弱的減少趨勢,從2000年的131949萬t下降到2020年的129810萬t,降幅為1.62%(圖5)。

2.3 城市洪澇韌性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的耦合協(xié)調(diào)度分析

2000—2020年長三角城市群27個(gè)城市與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的耦合協(xié)調(diào)度的年變化趨勢和時(shí)空分布分別如圖6和圖7所示。從年變化趨勢可以看出,2000—2020年城市洪澇韌性與四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的耦合協(xié)調(diào)度變化幅度較小,其中,城市洪澇韌性與水質(zhì)凈化/土壤保持/氣候調(diào)節(jié)之間的耦合協(xié)調(diào)度均發(fā)生了微弱的下降,而與水源涵養(yǎng)服務(wù)之間的耦合協(xié)調(diào)度在研究期內(nèi)有所改善。相比之下,城市洪澇韌性與水源涵養(yǎng)之間的耦合協(xié)調(diào)度最高,其次是氣候調(diào)節(jié)和水質(zhì)凈化,最后是土壤保持。從空間上看,城市洪澇韌性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的耦合協(xié)調(diào)度整體上呈現(xiàn)“南高北低、由西南向東北逐漸減弱”的趨勢。大多數(shù)城市的狀態(tài)保持不變,只有少數(shù)城市出現(xiàn)倒退或改善現(xiàn)象。

圖6 2000—2020年城市洪澇韌性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的耦合協(xié)調(diào)度的年變化趨勢Fig.6 The annual change trend of the coupling coordination degree between urban flood resilience and ecosystem services from 2000 to 2020

圖7 2000—2020年城市洪澇韌性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的耦合協(xié)調(diào)水平的空間分布Fig.7 The spatial distribution of the coupling coordination degree between urban flood resilience and ecosystem services from 2000 to 2020

具體而言,城市洪澇韌性與水源涵養(yǎng)之間整體處于中級(jí)協(xié)調(diào)水平,耦合協(xié)調(diào)度由0.71上升至0.74,呈良好上升態(tài)勢(圖6)。在2000—2020年期間,除舟山外,長三角城市群中所有城市都處于協(xié)調(diào)水平。其中,浙江除舟山、嘉興和湖州外都處于高度協(xié)調(diào),其耦合協(xié)調(diào)度值平均值高達(dá)0.87,且隨著城市的建設(shè)發(fā)展,安慶、合肥、滁州、南京、鹽城和南通的城市洪澇韌性與水源涵養(yǎng)之間也逐漸向高度協(xié)調(diào)發(fā)展(圖7)。這是因?yàn)殚L三角城市群位于中國東部沿海地區(qū),降水豐富,經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、及各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展良好,導(dǎo)致長三角地區(qū)城市洪澇韌性與水源涵養(yǎng)服務(wù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

城市洪澇韌性與和水質(zhì)凈化之間整體處于初級(jí)協(xié)調(diào)水平,從2000年的0.59下降到2020年的0.55,呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(圖6)。從圖7可以看出,城市洪澇韌性與水質(zhì)凈化之間的耦合協(xié)調(diào)度以蘇中和蘇南經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域?yàn)楹诵南蛲鈹U(kuò)散,呈現(xiàn)出明顯的“中間高,四周低”的空間分布特征。舟山的耦合協(xié)調(diào)度表現(xiàn)最好,為高度協(xié)調(diào)水平;鹽城、南通和安徽大部分城市表現(xiàn)為輕度失調(diào)水平。中級(jí)協(xié)調(diào)城市占比從2000年的29.63%下降到2020年的11.11%,其中,南京、蘇州、湖州、馬鞍山和銅陵從中級(jí)協(xié)調(diào)倒退成初級(jí)協(xié)調(diào)水平,蕪湖、池州和宣城從初級(jí)協(xié)調(diào)倒退成輕度失調(diào)水平。

城市洪澇韌性與土壤保持之間的耦合協(xié)調(diào)度一直在0.4左右徘徊,整體處于輕度失調(diào)水平,耦合協(xié)調(diào)度表現(xiàn)最差(圖6)。從空間上看,城市洪澇韌性與土壤保持之間的耦合協(xié)調(diào)度存在嚴(yán)重的兩極分化現(xiàn)象,失調(diào)城市占比62.96%。其中,長三角城市群的北部呈現(xiàn)中度失調(diào)和極度失調(diào),南部多呈現(xiàn)高度協(xié)調(diào)和中度協(xié)調(diào),如南通、揚(yáng)州、臺(tái)州和嘉興的耦合協(xié)調(diào)度在研究期內(nèi)均未超過0.2,而杭州和溫州的耦合協(xié)調(diào)度在2000—2020年均超過0.8,尤其是杭州,其值一直在0.95以上(圖7)。

城市洪澇韌性與和氣候調(diào)節(jié)之間整體處于中級(jí)協(xié)調(diào)水平,其值一直穩(wěn)定在0.62左右(圖6)。2000—2020年,嘉興、舟山、馬鞍山和銅陵幾乎都處于輕度失調(diào)狀態(tài),江蘇省的常州、鎮(zhèn)江和泰州在2010—2015也出現(xiàn)了輕度失調(diào)狀態(tài),相比之下,浙江省的城市洪澇韌性與和氣候調(diào)節(jié)之間的耦合協(xié)調(diào)度更好,幾乎都處于中級(jí)協(xié)調(diào)和高度協(xié)調(diào)水平,占比達(dá)80%(圖7)。這是因?yàn)檎憬≡谧⒅爻鞘泻闈稠g性建設(shè)的同時(shí),貫徹落實(shí)生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策,維護(hù)城市洪澇韌性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

3 討論

3.1 城市洪澇韌性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系的綜合分析

通過觀察城市洪澇韌性與四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的耦合協(xié)調(diào)度,可以看出長三角城市群的城市洪澇韌性與水源涵養(yǎng)、土壤保持及氣候調(diào)節(jié)服務(wù)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系具有明顯的兩極分化特征,主要表現(xiàn)為:南部都處于良好的協(xié)調(diào)狀態(tài),而北部偏弱,即這三種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)較高的地區(qū)往往具有更好的耦合協(xié)調(diào)性。城市洪澇韌性與水質(zhì)凈化服務(wù)的耦合協(xié)調(diào)性和城市洪澇韌性水平的空間分布較為一致,這與長三角城市群土地利用/土地覆蓋的空間分布特征密切相關(guān),南部主要是森林,而北部主要是耕地,而森林在水源涵養(yǎng)、土壤保持及氣候調(diào)節(jié)服務(wù)方面發(fā)揮著重要作用[39]。例如,位于長三角城市群南部的杭州在城市洪澇韌性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的耦合協(xié)調(diào)度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他城市。杭州西部、中部和南部為浙西丘陵地區(qū),有天目山、白際山和龍門山等,森林資源豐富。杭州市政府實(shí)施了一系列計(jì)劃,如《杭州市生態(tài)文明建設(shè)規(guī)劃(2010—2020)》、《杭州環(huán)境功能區(qū)劃》和《新時(shí)代美麗杭州建設(shè)實(shí)施綱要(2020—2035年)》等,以保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)。此外,杭州市的城市洪澇韌性也處于較高水平,為推動(dòng)杭州市防洪減災(zāi),杭州市頒布了《杭州市城市防洪排澇三年行動(dòng)計(jì)劃(2014—2016年)》,以及加快打造“會(huì)呼吸”、有韌性的海綿城市,從而促進(jìn)了城市洪澇韌性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

長三角城市群的北部,尤其是蘇北和皖西主要以耕地為主,中部地區(qū)的建設(shè)用地占比較大,這些地區(qū)在提供生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)方面偏弱,這與李成等人[40]、Ding等人[18]的研究成果一致。以上海為例,與Lu等人[23]研究結(jié)果相似,上海市的城市洪澇韌性在所有城市中是最好的,然而由于較低的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),其城市洪澇韌性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的耦合協(xié)調(diào)性明顯不及南部城市。因此,針對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可以促進(jìn)城市洪澇韌性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的耦合協(xié)調(diào)性。

從以上分析可以看出,城市洪澇韌性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展區(qū)域與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高值的空間分布基本一致,表明如果一個(gè)區(qū)域具有較高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),則城市洪澇韌性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間將更容易實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)發(fā)展。此外,通過城市洪澇韌性時(shí)空特征分析,對(duì)于欠發(fā)達(dá)地區(qū),發(fā)展經(jīng)濟(jì)是重中之重,而針對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),通過改善自然生態(tài)環(huán)境,提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是提高韌性水平的關(guān)鍵。因此,長三角城市群不僅要協(xié)調(diào)自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和基礎(chǔ)設(shè)施韌性的發(fā)展,還必須加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)與建設(shè)。否則,盲目的經(jīng)濟(jì)發(fā)展將破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng),從而影響城市洪澇韌性建設(shè)。

3.2 長三角城市群發(fā)展的政策建議

對(duì)于城市洪澇韌性滯后的安徽省,加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)韌性與社會(huì)韌性建設(shè),在合肥都市圈和南京都市圈的輻射帶動(dòng)下,有效整合產(chǎn)業(yè)資源和創(chuàng)新要素,推進(jìn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展,全面提升社會(huì)的防災(zāi)應(yīng)急能力;對(duì)于城市洪澇韌性較好的上海、南京等城市,持續(xù)提升基礎(chǔ)設(shè)施韌性和自然韌性,應(yīng)根據(jù)建設(shè)海綿城市和韌性城市要求,從提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能角度出發(fā),采用景觀綠化與排水防澇一體化的城市空間韌性利用新方式,建設(shè)“人—水—生態(tài)”和諧的高質(zhì)量城市。

對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)滯后的上海、皖西和蘇北,在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí),兼顧生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)。全力推動(dòng)自然保護(hù)區(qū)建設(shè),加強(qiáng)新生濕地培育和生態(tài)修復(fù),劃定生態(tài)脆弱區(qū),并控制其土地開發(fā)利用規(guī)模。其中,對(duì)于水質(zhì)凈化服務(wù)滯后的鹽城、合肥、安慶和滁州,嚴(yán)格耕地保護(hù)政策,加強(qiáng)農(nóng)業(yè)生態(tài)資源保護(hù),以綠色生態(tài)為導(dǎo)向,減少農(nóng)藥化肥用量,推廣水肥一體化等高質(zhì)高效的農(nóng)業(yè)技術(shù)。

對(duì)于城市洪澇韌性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)失調(diào)的北部地區(qū),重點(diǎn)提升土壤保持服務(wù)和氣候調(diào)節(jié)服務(wù),加強(qiáng)以低碳為特征的綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),完善城市洪澇災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制,全面提高城市防洪減災(zāi)能力。此外,加強(qiáng)上海、南京、蘇州、杭州、合肥5個(gè)重要城市輻射帶動(dòng)作用,提升長三角城市群的城市洪澇韌性建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的協(xié)同治理水平。

3.3 研究的局限性

本文聚焦于城市洪澇韌性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究,然而,對(duì)于城市洪澇韌性的評(píng)估國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)取得了大量成果,由于數(shù)據(jù)的可獲取性,本文未將政府治理能力和居民參與度等指標(biāo)納入城市洪澇韌性評(píng)估中,這可能會(huì)對(duì)評(píng)估結(jié)果造成一定影響。未來研究需要結(jié)合更多的訪談和調(diào)研數(shù)據(jù)來完善城市洪澇韌性的評(píng)估指標(biāo)體系。其次,研究發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)城市洪澇韌性有一定的促進(jìn)作用,然而,耦合協(xié)調(diào)度模型不能直接反映城市洪澇韌性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的協(xié)同作用,因此,在未來的研究中,本文需要深入探討二者之間可能的協(xié)同作用。最后,本文從城市群尺度討論了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與城市洪澇韌性之間的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系,研究結(jié)果對(duì)于促進(jìn)長三角城市群的城市洪澇韌性建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有一定參考價(jià)值,但是未來仍需要將研究尺度精細(xì)化,從而獲得更小尺度的研究結(jié)果和針對(duì)性的政策建議。

4 結(jié)論

本文綜合運(yùn)用基于麻雀算法的投影尋蹤模型、InVEST模型和耦合協(xié)調(diào)度模型,分析了長三角城市群2000—2020年的城市洪澇韌性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),以及兩者耦合協(xié)調(diào)關(guān)系,主要結(jié)論如下:(1)長三角城市群的城市洪澇韌性強(qiáng)度呈現(xiàn)出“上海>江蘇>浙江>安徽”的空間格局,發(fā)達(dá)城市的洪澇韌性水平明顯高于欠發(fā)達(dá)城市。從時(shí)間維度看,長三角城市群的城市洪澇韌性水平呈現(xiàn)“N”型增長趨勢,經(jīng)濟(jì)韌性、社會(huì)韌性和基礎(chǔ)設(shè)施韌性對(duì)其影響遠(yuǎn)大于自然韌性的影響。經(jīng)濟(jì)是影響城市洪澇韌性波動(dòng)的主要因素,而自然韌性成為城市洪澇韌性提升的關(guān)鍵短板。(2)長三角城市群的4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)存在顯著的空間異質(zhì)性,尤其是高植被覆蓋的南部地區(qū)提供了更高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),但其空間分布在研究期間是穩(wěn)定的。從總量上看,2000—2020年長三角城市群的水源涵養(yǎng)和水質(zhì)凈化服務(wù)總體呈向好趨勢,土壤保持服務(wù)整體呈現(xiàn)倒“N”型增加,氣候調(diào)節(jié)服務(wù)呈現(xiàn)微弱的下降趨勢。(3)城市洪澇韌性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系在研究期內(nèi)整體上較為穩(wěn)定,且與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空變化趨于一致,其中,城市洪澇韌性與水源涵養(yǎng)服務(wù)之間的耦合協(xié)調(diào)度呈現(xiàn)微弱的先減后增趨勢,且整體表現(xiàn)最佳,而與水質(zhì)凈化、土壤保持和氣候調(diào)節(jié)之間的耦合協(xié)調(diào)度均發(fā)生了微弱的下降。從空間上看,城市洪澇韌性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的耦合協(xié)調(diào)度整體上呈現(xiàn)“南高北低、由西南向東北逐漸減弱”的趨勢。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)較高的地區(qū)具有更好的耦合協(xié)調(diào)性,且隨著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的增加而改善。

總言之,提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能既是改善城市洪澇韌性水平的關(guān)鍵,亦能促進(jìn)城市洪澇韌性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。因此,本文針對(duì)長三角城市群的城市洪澇韌性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系特征,從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)角度提出相應(yīng)政策建議。