絲綢之路經濟帶核心區城鎮化與生態環境耦合關系研究進展

朱海強,貢 璐,*,趙晶晶,張 飛,許仲林

1 新疆大學資源與環境科學學院, 烏魯木齊 830046 2 新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046 3 新疆大學智慧城市與環境建模普通高校重點實驗室, 烏魯木齊 830046

城鎮化作為生態環境、產業演進、經濟發展等多因素共同作用的產物,與經濟、社會、生產生活結構的轉變密切聯系,是衡量國家發展水平的重要指標[1]。20世紀80年以來,中國的城鎮化發展迅猛,經歷了從“注重城鎮化數量”到“提升城鎮化質量”的轉變,2017年底中國的城鎮化水平為58.52%[2]。城鎮化快速發展的同時,產生的天氣霧霾、水污染、“垃圾圍城”、健康風險、資源耗竭等生態環境問題日益凸顯[3- 4]。因此,開展城鎮化與生態環境的關系研究是協調二者發展的基礎,也是實現可持續城鎮化的前提[5]。國內學者利用耦合協調度模型[6]、系統動力學模型[7]、雙指數模型[8]等方法對城鎮化與生態環境的發展規律、協調關系、耦合機制等方面進行了研究,揭示了交互耦合系統遵循的六大基本定律和四個耦合階段[9- 10],涵蓋縣、市、省、城市群等多個尺度,總體呈現從理論到實證、靜態到動態的趨勢。

新疆作為絲綢之路經濟帶核心區,生境脆弱,城鎮化相對滯后。近年來,隨著國家“一帶一路”生態文明建設的實施,新疆加快了城鎮化發展進程,但低水平的生態文明質量給新時代核心區新型城鎮化建設帶來嚴峻的挑戰[11]。在國家推進綠色城鎮化和優化“一帶一路”城鎮化發展視角下, 探索絲綢之路經濟帶核心區城鎮化發展與生態環境間的交互耦合關系,促進城鎮化穩步可持續發展,既是國內外學術界關注的熱點問題[12-15],又是實現新疆發展、社會穩定和長治久安的重大戰略選擇。本文綜述了絲綢之路經濟帶核心區城鎮化與生態環境特征及二者間的交互耦合規律,對未來研究進行展望,以期為區域性城鎮化與生態環境耦合研究提供科學參考。

1 絲綢之路經濟帶核心區城鎮化與生態環境特征

1.1 絲綢之路經濟帶核心區城鎮化特征

中國城鎮化進程已經由滯后向冒進轉變,未來應更加注重城鎮化質量。絲綢之路經濟帶核心城市發展趨勢與中國大環境城鎮化發展步伐一致[16]。新疆的綠洲分布、聚居特征、資源稟賦等條件決定了城鎮化過程的復雜性和特殊性。一方面是空間上呈現點、區、面和集群分布的特點,形成“一圈三帶”的格局,表現為“北高南低、西高東低”的趨勢。城鎮化進程經歷了加速發展、緩慢發展、穩步上升及轉型4個階段[17],2015年城鎮化率達到47.23%[18],城鎮化水平上升。另一方面在于兵團城鎮化具有戍邊型、經濟型的發展模式,城鎮化水平呈遞增態勢,但其區域差異明顯,城鎮規模小,現有行政體制阻礙了城鎮化發展[19]。

唐兵[20]、張振龍等[21]通過核密度模型分析認為,北疆地區城鎮形成以首府都市圈和沿鐵路線分布的格局,凝聚力強,內部極化程度擴大,城鎮化水平和增速屬于“高-高”和“高-低”型,但其工業化滯后于城鎮化水平,資源開采與農業經濟對城鎮化的驅動作用不協調。南疆地區城鎮化水平低,城鎮化水平和增速多屬“低-高”和“低-低”型,相對差距具有明顯的“雙峰”特征[22]；其城鎮功能類同,內部集聚差異小,處于分散發展狀態,城鎮化質量不高[23]。核心區城鎮化動力也經歷了以政府為主導的單一因素向政策扶持、經濟發展和產業結構調整多元化動力的轉變,但不合理的產業結構及資金和人才的匱乏仍是制約城鎮化實力提升和城市群發展的重要因素[24],由此帶來的環境問題也不可小覷[25]。因此,核心區城鎮化的一系列傳統政策和取向需依據城市特色進行重構,新時期的城鎮化進程應關注質量而并非速度[26]。未來城鎮化戰略重點應放在重塑城鎮化發展動力,重視生態環境保護,強化城鄉經濟支撐體系,優化城市網絡結構和提升城市發展質量等方面。

1.2 絲綢之路經濟帶核心區生態環境特征

生態環境是經濟、社會發展的基礎,人類生活和發展的基本條件[27]。城鎮化引發的生態環境問題表現為復雜性和階段性,不僅在于單因子因素(水、土、氣、生),更多表現為城市的“流”、“網”、“序”被破壞而導致整個生態系統機構功能變異和喪失。同時,城鎮化發展階段出現的各種生態環境問題,如土地的過度開發利用、大氣和噪音污染、水資源的過量消耗和交通堵塞交互作用,關系錯綜復雜[28]。

新疆氣候干旱,綠洲面積小,植被覆蓋率低,生態環境脆弱且敏感性高,承載力較低。北疆環境優于南疆,降水多,森林、礦產資源相對豐富；王亞敏等[29]基于綜合指數法認為該地區生態環境為一般或良好水平；城鎮化進程中居民和交通用地所占比重大,重點區域空氣復合型污染仍然突出[30- 31]。南疆地區自然環境嚴酷,自然災害頻發,水資源的不合理利用導致部分河流斷流、湖泊萎縮,水生態環境破壞嚴重。綠洲分布于荒漠邊緣且受風蝕流沙威脅,土地資源稀缺。雖然近年來采取了許多環境改善措施,生態環境有好轉,但狀況仍不樂觀[32-33]。

2 絲綢之路經濟帶核心區城鎮化與生態環境耦合關系

2.1 城鎮化與生態環境雙系統間的交互耦合

絲綢之路經濟帶核心區城鎮化發展過程對區域生態環境必然產生一定影響,而其全過程也同時受到生態環境不同程度的約束[34]。沿線城市人口集中、用地擴展、文明擴散等構成絲綢之路經濟帶核心區城鎮化發展過程中的發展圈,水、土壤環境、大氣和生物等就形成了城鎮化發展過程中的限制圈,整個城鎮化過程的實質就是發展圈與限制圈相互作用、相互脅迫,由低級協調共生向高級協調發展的螺旋式上升的過程[35]。

學者們主要基于綜合評價指標體系、耦合模型、PSR模型、灰色系統模型和脈沖響應函數等方法定量研究了絲綢之路經濟帶核心區城鎮化與生態環境系統的耦合關系,認為兩個系統的耦合協調度由失調向協調轉換,空間上為北疆基本協調、南疆基本協調-生態環境滯后；二者的交互耦合模式以磨合、拮抗型為主,總體上是一種在交互脅迫中相互促進的動態耦合[36- 41]。王亞敏等[29]基于“協調度模型”認為北疆地區城鎮化與生態環境的協調度呈現“下降-波動上升-下降的趨勢,二者的關系總體上為不協調。安瓦爾·買買提明等[42]采用關聯度和耦合度模型分析得出南疆地區城鎮化與生態環境耦合關系復雜,可分為高等與中等兩種耦合類型,其中經濟城鎮化、人口基礎設施是脅迫生態環境的主要因子,而資源、能源、生態條件對城鎮化的約束顯著；許圓圓等[33]基于“PSR理論”認為南疆城鎮化與生態環境綜合發展水平有所提高,二者的協調發展度由“瀕臨失調城鎮化滯后型”演變為“初級協調生態環境滯后型”,但仍然是低層次的一種協調。

2.2 城鎮化與生態環境子系統之間的交互耦合

2.2.1城鎮化與水資源間的交互耦合

水資源是綠洲城鎮發展最基礎的因素,對城鎮化既有限制又有促進作用[43]。城鎮化過程發展過快,但缺乏相應的基礎設施建設時,往往會采取一些非可持續發展的方式開發利用水資源[44],長期以往必然導致水資源嚴重短缺和水環境惡化[45],此時水資源對城鎮化進程的“尾效”效應就會凸顯。因此,如何協調綠洲地區不同城鎮化水平與水資源約束效應間的關系成為人們探索與解決的現實問題[46]。

新疆水資源匱乏,城鎮化進程中普遍存在水資源浪費現象,而小城鎮尤為突出[47]。城市用水量、城市廢水產生量及水資源利用效率等必然對未來城市發展產生深刻影響[48-49]。在一定程度上,人口聚集對絲綢之路經濟帶核心區城市水資源的開發利用產生影響,沿線城鎮化的飛速發展使大量人口集聚于中心城市,引起總用水量增大,缺水量加劇[50-51]。Yang等[52]基于協調發展模型認為新疆流域城鎮化發展與水資源利用效率不一致。底陽陽等[53]以熵權法為基礎認為新疆城鎮化與水資源系統間的響應表現為二者的約束與優化作用,水資源可推動城鎮化發展,但當用水規模增加、水體污染加劇,超出一定界限就會對城鎮化產生阻礙,體現在水資源利用負荷和管理上；二者間的耦合關系呈現出“勉強協調發展階段-中級協調發展階段-良好協調發展狀態”,協調水平不斷提高。聶春霞等[54]基于系統動力學理論認為新疆水資源只對短時期的低速和高速城鎮化有效,而中速城鎮化才有利于經濟社會和生態環境用水的良性發展。面對水資源對城鎮化發展的制約作用可通過調整地區產業結構、推廣農業用水、改良用水工業、提高用水效率、加強水資源環保意識等措施來促進城鎮化的良性發展[55]。

2.2.2城鎮化與土地資源和土地利用間的交互耦合

土地資源既是城鎮化的基礎,也是其制約因素之一,兩者存在互動互饋的關系[56]。土地資源和利用的可持續性已成城鎮化和區域經濟發展的重要助力[57],而快速城鎮化過程中城鎮用地的擴展也會引起土地利用結構不合理、土地生態系統生物多樣性減少、城市土壤理化性質變化等問題,降低土地生態功能[58]。

近年來,絲綢之路經濟帶核心區在城鎮化進程中仍然存在土地利用、規劃不合理、可利用土地資源銳減現象。鄭飛等[59]認為隨著城鎮化水平的提高,新疆城鎮土地利用變化愈加劇烈,二者的耦合系數呈先上升后下降的趨勢。城鎮化與土地利用集約程度相互影響,二者的發展呈現出非同步性,其耦合協調關系有明顯的地域性[60]。Qi和楊宇等[61- 62]基于ESDA模型發現新疆城鎮化與土地利用效率具有明顯的空間聚集,二者的協調發展度呈現紡錘體結構,協調發展類型可分為5類,其中同步協調型較少,而其他類型城鎮分布均勻。古麗美合日·阿巴斯[63- 64]認為南疆城鎮化與耕地資源的協調度由不協調變為基本協調,逐漸向良性演變；與土地利用效益間的耦合度較低,為低水平耦合和磨合狀態。也有學者研究了南疆單一城市城鎮化與耕地資源的關系,發現庫爾勒市二者的協調度在1990—2002年為基本協調-調和-不協調,2003—2012年為勉強調和-調和-較協調；而阿克蘇市1990—2014年間城鎮化與耕地資源的協調程度分為3個階段,行政區劃變更和農業技術的提高使二者始終處于基本協調-不協調更迭變化的狀態[64- 65]。

2.2.3城鎮化與氣候間的交互耦合

快速城鎮化增加了大氣環境安全的風險,在特大城市往往存在嚴重空氣污染,其后果嚴重影響了全球氣候環境且危害人體健康,降低城鎮居民的生活質量[66- 67],長期以往將嚴重阻礙城鎮化進程的發展,而掌握城鎮化與大氣環境間的耦合規律對二者的協調發展和保護措施的制定具有借鑒作用。

隨著絲綢之路經濟帶核心城市的城鎮化大力發展,一方面空氣污染已成為該區域最為嚴重的環境問題之一。快速的城鎮化已對大氣產生脅迫,2005—2014年隨城鎮化發展,大氣中污染物含量增加了10倍左右,SO2、NO2、粉塵的濃度增加,霧霾天氣頻發,大多數城市空氣質量下降[33]。馮剛[68]研究了城鎮化與大氣污染間的關系,發現大氣污染綜合指數隨城鎮化提高而上升,兩者的耦合度呈下降趨勢,北疆城市低于南疆城市;而耦合協調度呈上升趨勢,北疆城市高于南疆城市。與此同時,經濟城鎮化與SO2的相關性較大,南疆城鎮化與PM10關系密切。安瓦爾·買買提明等[69]發現阿圖什市城鎮化與大氣污染間呈“N”曲線關系,污染物以總懸浮微粒為主。另一方面,城鎮化改變了城市下墊面性質、人口與建筑物密度及建成區面積,進而改變小區域空氣對流。貢璐[70]認為烏魯木齊熱島效應與上述因子的分布格局具有較好的一致性,城市熱溫場與建筑密度呈正相關,人為熱是強熱島區域面積變化的首要因素。

2.2.4城鎮化與能源消耗與碳排放間的交互耦合

城鎮化、能源消耗和碳排放間長期存在均衡關系,三者的互動耦合分析可得出城鎮化與能源消耗和碳排放間存在密切關聯,能源利用效率對城鎮化的影響及其反饋效應關系到城鎮化的發展趨勢[71]。絲綢之路經濟帶核心區資源開發與城鎮體系演變密切相關,特別是促進了天山北坡地區城市發展[72],在能源匱乏的背景下,城鎮化發展勢必造成其與能源消耗間的矛盾日益尖銳。

城鎮化水平與能源消費增長和碳排放量之間長期呈現Granger關系,城鎮化水平占GDP比重變化1%,碳排放總量相應的就會在相同方向變化1.516%；城鎮化水平提高1%,能源消耗增加4.407%,而能源消費增長1%,城鎮化水平僅增加0.195%,城鎮化對能源消耗的影響要大于能源消費對城鎮化的反作用[73- 74]。對新疆碳排放影響因素的研究發現,城鎮化過程、經濟與工業的快速增長是驅動能源消耗和碳排放的主要因子,一方面是因為其增加了居民對生活型能源消耗的需求,另一方面是基礎設施的增加推動了能源消耗總量的增加[75- 76]。但在引入一些限制因素研究二者關系時,發現城鎮化有利于高收入地區的碳減排,對低收入地區則產生相反的影響。在貫徹節能減排和綠色發展理念下,絲綢之路經濟帶核心區必須加快產業升級的步伐,推廣綠色低碳新能源,協調好能源-經濟-碳排放間的關系。

2.2.5城鎮化與生態系統和生物多樣性間的交互耦合

自工業革命以來,城鎮化在世界范圍內得到迅猛發展,但城鎮化和工業化的超閾值發展嚴重威脅森林、草原、濕地等生態系統的穩定[77- 79],尤其是城鎮化進程中的土地開發、土地復墾、土地覆蓋等變化對生態系統和生物多樣性有極大的壓力和影響[80]。所以,對城鎮化與生態系統耦合規律的認識有利于對二者耦合機理進行更深入的研究。

絲綢之路經濟帶核心區位于生態環境極度脆弱帶,城鎮化迅速發展,沿線許多城市片面追求短期經濟效益,進行土地復墾、資源過度開發、無節制放牧,增大了城市和生境接觸面,降低了生態系統的穩定性,生物多樣性受到嚴重威脅[81]。近20年核心區人口密度增加,城鎮化發展加劇了城市景觀格局破碎化、降低了優勢度,壓縮了生物生存空間、人工林代替原有林地,影響鳥類和野生生物的存在,破壞了生物多樣性[82]。Yan等[83]利用遙感和景觀指數發現城鎮化進程中綠地破碎程度增加,景觀結構的變化不利于本土動植物的生存。同時,城市與草地生態系統接觸面的增大,有害生物體增加,環境惡化,生物多樣性減少[84]。城鎮化的發展必然會加劇生態系統的脆弱性,而脆弱的生態系統和生物多樣性的也會威脅到城鎮化的可持續發展。

3 研究展望

城鎮化與生態環境雙系統耦合規律研究已成為可持續生態學關注的焦點,其有助于辨析二者間的增益或阻尼規律,可為城市病和資源環境問題的破解提供診斷方案。學者們對絲綢之路經濟帶核心區城鎮化進程中存在問題及其與生態環境的關系進行了一定的研究,但仍存在一定不足：目前研究缺乏完整性,缺乏對規律的總結,未能形成完整的數據信息庫和知識體系；研究方法和理論創新不足,當前生態環境系統的構建多以“PSR”體系為主,未能考慮城市-環境雙系統復雜要素間的交互耦合機制；缺乏對城鎮化與生態環境相互脅迫關鍵因子的甄別,對關鍵因子時空變化及閾值范圍的研究不足；對雙系統交互耦合機制的中長期預警研究匱乏,不能滿足城鎮可持續性發展和規劃的需求。絲綢之路經濟帶核心區肩負著亞歐合作樞紐的重任,但生態系統的脆弱性決定了城鎮化與生態環境關系的復雜性,深入研究核心區城鎮化和生態環境的耦合規律可為二者的可持續發展提供理論指導,有助于更好的發揮新疆在區域經濟一體化中的區位優勢。未來可考慮在以下幾個方面進行研究：

(1)建立核心區城鎮化和生態系統耦合關系的數據庫

大數據時代背景下,應該建立核心區城鎮化和生態環境成果可視化的數據查詢平臺,如基礎數據模塊、可視化與空間數據模塊、模擬分析模塊等。利用GIS、RS、可視化軟件、空間疊加技術對核心區長時間序列的水、土、氣、生與城鎮化相關的自然和人文因子進行大范圍的空間化和可視化處理,制作各種熱度圖、三維圖,以更加直觀的形式表達要素分布；進行多種假設條件下城鎮發展和環境作用的模擬演示,模擬和探索不同環境因子脅迫下城鎮化發展的最優規模和形態,探索城鎮化發展的最優路徑,實現其演變的動態化；利用云計算、人工智能實現各種數據的綜合處理和分析,提高研究數據的可應用性和價值,為實現新型城鎮化和智慧城市的建設提供數據庫。

(2)注重核心區城鎮化和生態環境系統耦合作用研究

新型城鎮化建設更應注重探討城鎮化與生態環境雙系統間的耦合作用,實現由單一要素耦合向多要素復雜系統耦合的轉變。在目前研究的基礎上應該引入城鎮化系統中的基礎設施、社會人文、創新和政策因子及生態環境系統中的生態、氣候和環境因子,用多系統耦合模型構建多因子尺度及系統尺度相互脅迫和耦合關系,注重判定子系統、雙系統間的耦合過程、階段和類型,明確保障性因子和輸入性因子與城鎮化發展間的交互作用,實現人與水、土、氣、碳關系協調發展,提高人居環境、基礎設施和城市管理。

(3)開展核心區城鎮化和生態環境系統各因子閾值范圍研究

現階段應模擬不同模式、情景下城鎮發展和生態系統各因子的閾值,根據已獲得的城鎮化與生態環境耦合模型和規律,重新構建不同發展階段、不同行政區劃、不同城市布局下多因素、關鍵因素與城鎮化相互作用的耦合模型；利用計算機仿真技術運算各種臨界條件下關鍵環境因子最適宜的載荷數值及與之相適應的城鎮化規模,建立相應的數學模型并用現有數據進行檢驗與修正,提高模型的精準程度,同時根據核心區發展規劃,對中長期城市發展模式和環境進行反復模擬,求解二者的臨界數值,使其能夠為核心區城鎮化的長期發展與規劃提供可信的參考閾值。

(4)加強核心區城鎮化和生態環境問題的預警研究

城鎮和環境問題的可判性和預測性能提高引導措施的合理化程度,當前缺乏對兩系統預判機制的探討。應當定量表達城鎮化和生態環境系統間相互約束和促進作用,界定二者影響程度的大小和階段；利用生態系統供求模型評價城市生態系統的安全程度和脆弱性,采用經典統計和貝葉斯統計結合的方法對各地州生態環境問題出現的概率、類型、及其程度進行分析和預測；構建預警模型,確立能反映城市風險和環境問題的預警指標,并對預警指標進行等級劃分,以便對城鎮化進程中的生態問題進行動態分析和及時預警。