基于地理探測器的江蘇省城市人居環境適宜性時空變化研究

夏小園， 陳顥明,,3， 郜 晴， 邵海燕， 曹志洪， 趙言文

(1.南京農業大學 資源與環境科學學院， 江蘇 南京 210095; 2.南京農業大學 園藝學院， 江蘇 南京 210095;3.南京理工大學 環境與生物工程學院, 江蘇 南京 210094; 4.中國科學院 南京土壤研究所, 江蘇 南京 210008)

隨著城市化、工業化進程推進，人類活動范圍強度增加，城市環境污染問題愈來愈突出。例如：城市人口集中化導致城區地表溫度上升和霧霾現象加重，從而加劇城市熱島效應、大氣污染等環境污染現象[1-2]。人類居住地擴張造成植被破壞和地表反照率增加，削弱森林碳匯功能和加劇全球變暖趨勢[3-4]。因此，人居環境問題日益成為全球性關注的焦點問題[5]。此外，人居環境評價作為衡量人居環境質量的一種重要手段，已被許多學科所研究，如：人口地理學、城市規劃學、環境學和心理學等。

人居環境是人類在大自然中生存的基地，是人類進行工作、生活和社交等活動的空間場所[6]。國外對城市人居環境的研究開展得較早，起初其對人居環境的研究思想主要蘊含在城市規劃學內容里。20世紀50年代，希臘學者Doxiadis[7]創立“人類聚居學”概念，探索人類聚居的發展規律，這為人居環境研究奠定了基礎。Yanistky和Register分別基于生態學原理和居民的身心健康提出了“生態城市”模式，使人居環境研究理論得以豐富，并進入系統性的快速發展階段[8]。如：Jenerette[9]以鳳凰城為例，探究氣候、植被和人類居住模式之間的關系，發現人口密度與城區地表溫度呈負相關，與植被覆蓋度呈正相關。 Komeily等[10]綜合考慮環境、經濟、社會和機構四個方面，創建居住社區可持續性評估工具，確定哪些標準通常被忽視，以求解決社區人居迫在眉睫問題。國外研究側重于綜合運用生態學、規劃學等多學科方法研究人居環境，這為中國的人居環境研究提供了理論思考。

國內人居環境研究起步較晚，20世紀90年代，吳良鏞[11]將人類聚居學理論引入中國并提出了人居環境科學這一理念。此后，許多國內學者以人居環境評價作為人居環境研究的新視角開展相關研究。其中，有關城市人居環境的研究內容主要集中于構建“指標—評價”體系和人居環境耦合協調發展評價體系兩個方面。“指標—評價”體系，多通過構建由經濟、生態、居住、公共服務與社會建設環境等多方面組成的綜合評價指標體系對人居環境進行定量評價[12]。人居環境耦合協調發展評價體系，則多研究人居環境內部子系統的耦合協調發展及人居環境與區域要素的耦合關系[13-14]。在研究尺度上主要包括以區域、省域為單元的宏觀尺度和以市域、鎮域為單元的微觀尺度兩個方面[15-18]。研究方法上，多采用層次分析法、主成分分析法、德爾菲法、人工神經網絡法、熵值法及GIS空間自相關[19-21,12]等方法。

江蘇省是中國人口密度最高的省份，人口聚居特征顯著，其居住用地緊張、交通擁擠、環境污染嚴重等人居環境問題十分突出。已有不少學者對江蘇省人居環境有所研究，其主要集中于通過構建指標體系對江蘇省城市人居環境的空間格局進行定量評價，而對江蘇省人居環境時空分異特征和利用地理探測器技術探討其演變驅動影響因素的研究較少。本研究嘗試深化人居時空尺度研究內容，將社會、經濟、生態、建設環境納入同一個分析框架，利用熵值法、趨勢分析法、自然間斷點分級法分析江蘇省城市人居環境時空演變過程，運用地理探測器對各個單項指標進行探測，識別驅動因素強度及其作用方向，分析江蘇省城市人居環境演變機理，以期為城市建設和人居環境改善提供理論依據和建議。

1 研究數據和方法

1.1 研究區概況

江蘇省位于中國大陸東部沿海中心，介于116°18′—121°57′E，30°45′—35°20′N之間，屬東亞季風氣候區，處在亞熱帶和暖溫帶的氣候過渡地帶。其中地形以平原為主，占江蘇省面積的86.89%；河渠縱橫，水網稠密；低山丘陵集中在西南部。其基本氣候特點是：雨熱同季、雨量充沛、降水集中、梅雨顯著，光熱充沛。

1.2 數據來源

研究數據來源于《江蘇省統計年鑒》《中國城市統計年鑒》《中國環境統計年鑒》《中國民政統計年鑒》《中國縣域統計年鑒》、江蘇省各市縣統計年鑒、生態環境部環境工程評估中心等，部分數據來自于中國氣象數據網和文獻資料。

1.3 評價指標體系建立與指標說明

人居環境是一個受社會、經濟、文化和生態環境等多重因素影響的復雜多元系統，其評價因子具有多樣性和復雜性。所以，對人居環境的評價需要遵循可行性、全面性以及客觀性原則，建立出一個直觀明確的評價指標體系。本文結合江蘇省的實際情況，以縣域為研究單元，從社會、經濟、生態、建設環境4個維度(準則層)上選取24個單項指標定量評價江蘇省人居環境適宜性(見表1)。

表1 江蘇省人居環境適宜性指標體系

根據各單項指標對人居環境的不同屬性，將各單項指標分為正向指標和負向指標。由于各單項指標數據單位不一，需要對原始數據進行無量綱化處理。

正向指標：

(1)

負向指標：

(2)

1.4 研究方法

(1) 賦值方法。確定指標權重是評價人居環境適宜性工作的基礎。本研究采用熵值法確定各指標權重，它通過計算指標的信息熵，根據指標相對變化程度對系統整體的影響來決定指標的權重，能夠很好的避免人為因素對指標權重的影響。最后，通過建立綜合評價模型，得出江蘇省人居環境適宜性綜合得分。

具步驟如下：

①計算第ε年第i個縣域第j項指標值的比重：

(3)

②計算出第j個指標的熵值：

(4)

③計算第j指標的差異系數為：

gj=1-ej

(5)

④第j個指標的權重為：

(6)

(2) 自然間斷點分級法。借助ArcGIS中的自然間斷點分級法對江蘇省城市人居環境適宜性得分進行空間可視化。自然間斷點分級法是基于數據中固有的自然分組和數據本身的特點對分類間隔加以識別，對相似值進行最恰當地分組，當達到組間方差最大、組內方差最小時聚類結束，可使各個類之間的差異最大化[16,22]。

(3) 趨勢分析。基于時間序列數據集，計算每個縣域屬性值(人居環境適宜性得分和排名)的變化斜率，根據斜率值的正負和大小情況，直觀地反映研究期內時間序列數據集的變化趨勢和變化幅度。將計算結果借助ArcGIS中的自然間斷點分級法對其進行空間可視化。公式如下：

(7)

式中：變量i為2009—2017年的年序號；mi表示經均值或求和處理后第i年的值；slope即這條趨勢線的斜率，如slope>0則說明數值的變化趨勢是增加的，反之亦然[22]。

(4) 地理探測。運用因子探測模塊計算探測因子(各單項指標得分)X對人居環境適宜性Y的影響程度(q值)。使用相關分析為每個探測因子確定影響方向，如果探測因子與人居環境適宜性呈正相關，則認為該因子呈正向影響，q值為正值，反之亦然[23]。公式如下：

(8)

2 結果與討論

2.1 江蘇省人居環境適宜性的空間分異特征分析

計算得到江蘇省人居環境適宜性得分(見表2)，根據自然間斷點分級法將人居環境適宜性水平分為高水平、中高水平、中水平和低水平4種類型，并進行空間可視化分析(見圖1)。

表2 江蘇省城市人居環境總適宜性得分情況

圖1 2009-2017年江蘇省城市人居環境總適宜性水平的空間格局

如圖1所示，江蘇省人居環境適宜性空間分異現象顯著，總體呈現出“局部連片”，自南至北逐漸遞減的空間分布特征。人居適宜性高水平地區主要集中分布在蘇南及蘇中地區的地級市區，中高水平地區多集中于蘇中及蘇北地區的地級市區，中水平和低水平地區集中于蘇北地區的所轄縣級市、縣。因此，從空間分異來看，江蘇省人居環境受經濟發展水平影響較大。蘇南地區因其區位優越、市場廣闊、經濟發達及對城市建設和公共服務投入力度相對較大，人居環境優勢地位顯著。蘇中地區雖然不是省內經濟發展的核心地區，但其區位交通便利，為資源、資本、人才交流提供了便捷條件，對醫療、教育、就業、環保等基礎服務的投入力度較大，使其人居環境具有相對優勢。蘇北地區則因其城市化、工業化水平低，區位不優，經濟發展和基礎城市建設投入不足，其各方面人居環境質量得分均不高。

空間變化上，人居環境適宜性中高水平、中水平和低水平地區連片分布趨勢減弱，人居環境適宜性自南至北遞減的空間分層現象顯著度降低。主要因為蘇北地區部分縣域的人居環境適宜性的升級。例如，2009—2017年，徐州銅山區、新沂市、東海縣等城市的人居環境適宜性由低水平晉升為中水平，鹽城市區、大豐區、淮安市區等城市則由中水平晉升為中高水平。

蘇北地區地級市市區、所轄縣級市與所轄縣的人居環境適宜性水平梯度差異顯著，地級市區、縣級市指向性特征愈加顯著。2017年，蘇北地級市區的人居環境適宜性多屬中高水平，所轄縣級市人居環境適宜性屬中高水平和中水平，所轄縣人居環境適宜性則多為低水平。與蘇南、蘇中地區相比，蘇北最顯著的差距反映在經濟上，因此，蘇北地區受經濟發展限制的影響更大。地級市市區、所轄縣級市相對于所轄縣，其經濟總量要大，社會保障、公共就業服務、醫療衛生等基本社會公共服務及交通、水利、電力基礎設施相對完善，對其人居環境適宜性的改善有著重要的助推和保障支撐作用。

2.2 江蘇省人居環境適宜性的時間變化規律

江蘇省人居環境適宜性的時間變化規律主要體現在這九年內的分值變化情況及各水平人居環境適宜性城市數量的比重變化情況(見圖1和圖2)。

圖2 2009-2017年江蘇省人居環境適宜性得分的變化分布

2009—2013年，在江蘇省人居環境適宜性得分變化上，下降的城市占比12.3%，上升的城市占比87.7%，平均得分由0.432上升至0.475，變異系數由0.179上升至0.191。高水平和中高水平城市占比由50.76%上升至52.31%。2013—2017年，人居環境適宜性得分下降的城市占比21.53%，上升的城市占比78.47%，平均得分由0.475上升至0.494，變異系數由0.191下降至0.165。高水平和中高水平城市占比由52.31%上升至56.92%。2009—2017年，占比95.38%縣域的人居環境適宜性得分上升，平均得分上升0.062，變異系數下降0.014。總的來說，江蘇省人居環境演變的主旋律為上升發展。人居環境適宜性縣級之間的區域性差異減小，但存在階段性變化。

江蘇省人居環境適宜性的排名變化能夠反映不同縣域人居環境適宜性的穩定情況(見圖3)。排名顯著上升的縣域說明其人居環境適宜性相對其他縣域屬下降型城市，排名略微上升和略微下降的縣域屬穩定型，排名顯著下降的縣域屬上升型。如圖3所示，2009—2013年，排名顯著變化的縣域，蘇北省11個，蘇中省6個，蘇南省1個，分別占蘇北、蘇中、蘇南縣域總量的37.93%，35.29%和5.26%。2013—2017年，排名顯著變化的縣域，蘇北占6個，蘇中占6個，無蘇南縣域，分別占蘇北、蘇中縣域總量的20.68%和35.29%。總的來說，不同縣域的人居環境穩定性有所差異，但在各個時間段內，下降型和上升型人居環境縣域集中分布在蘇北和蘇中地區，蘇南地區多為穩定型。

圖3 2009-2017年江蘇省人居環境適宜性排名的變化分布

2.3 江蘇省城市人居環境演變驅動影響因素分析

采用地理探測器方法計算探測因子(各單項指標)對江蘇省人居環境適宜性的影響力q值(表3)。從時序上看，不同時期江蘇省人居環境適宜性受各指標驅動強度及方向具有一定的差異。在通過顯著性檢驗的指標中，q值排序前4位均是經濟環境單項指標。未通過顯著性檢測的指標中，約一半是生態環境指標，且其通過顯著性檢測的指標的q值不高。表明江蘇省人居環境適宜性的空間分異主要受經濟發展水平影響，生態環境影響水平較小。

表3 地理探測器分析結果

經濟環境是江蘇省人居環境演變發展的主導動力。在3個時間段中，經濟環境中通過顯著性檢驗的指標的q值均較大，且呈正向影響。現階段，江蘇省經濟總量的增長，一方面直接帶動廣大人民生活質量的提高。另一方面可促進醫療、教育、社會文化等基礎社會公共服務的發展，但其對環境質量改善較小。如：南京、蘇州、無錫等經濟環境發展水平較高的城市，多擁有較完善的醫療等社會服務環境，但其環境質量并無明顯優勢。環境質量不優與城市人口密度過大，產生大量生活、生產廢氣有明顯直接關系。

社會環境和建設環境是江蘇省人居環境演變發展的關鍵動力。從各單項指標來看，除社會環境中的“每萬人擁有普通中學在校學生數”和建設環境中的“人均公共綠地面積”未通過顯著性檢測，其余指標均通過了顯著性檢測。此外，離結率、老齡化率和人口密度對人居環境適宜性的負向驅動強度均逐漸增大，說明三者對江蘇省人居環境適宜性的負面影響越來越大。其主要是通過降低城市的幸福度、增加城市社會壓力和環境壓力來削弱人居環境適宜性。人民生活水平的提高必然會對人居環境提出更高的要求，由滿足生理物質需求向自我精神生活實現層逐級遞升。社會和建設環境主要將從發展教育事業、醫療衛生、社會保障、文化事業等方面來優化社會結構，保障和改善民生、加強和創新社會治理，完善城市基礎設施建設，提升人民獲得感、幸福感、安全感，從而提高人居環境質量，并促使城市的更新。

生態環境是江蘇省人居環境演變發展的次要動力。3個時間段中，空氣質量達標率、工業固體廢物綜合利用率和人均二氧化硫排放量均未通過顯著性檢測，說明生態環境對人居環境適宜性的影響不大。可能是因為現階段江蘇省經濟發展對生態環境的改善幫助較小，即使經濟較發達的城市其經濟結構也在優化調整時期，對工業的依賴度仍然不低，且其城市人口密集，生產、生活廢氣產生量較大，導致生態環境對人居環境適宜性的空間差異性區分度不高。因此，江蘇省生態環境中的環境質量狀況現存問題也是其人居環境建設的一塊短板。

3 結 論

本研究以江蘇省為研究對象，深化人居時空尺度研究內容，通過構建人居環境適宜性評價指標體系，對65個縣域的人居環境適宜性進行綜合評價，并用地理探測器技術探究其演變驅動因素。對促進江蘇省人居環境建設有著重要意義。

(1) 江蘇省人居環境適宜性空間分異現象顯著，總體呈現出“局部連片”，自南至北逐漸遞減的空間分布特征，與城市發達程度呈現一致性。空間變化上，人居環境適宜性中高水平、中水平和低水平地區連片分布趨勢減弱，人居環境適宜性自南至北遞減空間分層現象顯著度降低。蘇北地區地級市市區、所轄縣級市與所轄縣的人居環境適宜性水平梯度差異顯著，具有地級市區、縣級市指向性特征，受城市發達程度限制影響更顯著。

(2) 在研究期間，江蘇省人居環境演變的主旋律為上升發展。人居環境適宜性縣級區域之間的差異存在階段性變化，在研究末期其差異性減小。蘇南地區多為穩定型人居環境適宜性城市，人居環境適宜性波動較大的城市主要分布在蘇北和蘇中地區。

(3) 在研究期間，江蘇省人居環境受各方面因素綜合影響，人居環境演變受各維度的驅動力程度各異，其中經濟環境是江蘇省人居環境演變發展的主要驅動力，社會和建設環境是關鍵動力，生態環境是次要動力。

(4) 立足于江蘇省現階段人居環境建設的基本訴求，各驅動指標對人居環境演變的影響力度，對優化江蘇省人居環境提出3點建議。

①加快經濟體制創新，擴大經濟規模，加速市場化進程，刺激消費水平，促進經濟發展及均等化。

②積極采取一定的措施緩解老齡化危機和降低離結率，發揮區位優勢，增強城市輻射帶動作用，加強區域互動和人口資源流動。

③提升生態環境驅動，繼續優化產業結構調整，降低SO2等工業污染物的排放，提高環境質量。鑒于城市人居環境系統的復雜性，本文僅就江蘇省65個縣域2009，2013和2017年3個時間段數據進行了分析，時間序列上的縱向分析和細化程度不夠深入。但本文結合地理探測器、GIS在縣域尺度上對江蘇省人居環境時空差異進行階段性評價的研究成果，對研究城市人居環境適宜性具有一定的參考價值。