京津冀城市群人-地、人-水與人-碳交互脅迫關系及其疊加效應

李偉峰, 呂小瑜, 王 朝,韓立建

1 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

快速城鎮化對資源環境的脅迫壓力是全球性挑戰[1- 3]。我國作為城鎮化進程最快的國家,快速城鎮化對資源環境的過度開發和利用導致了一系列生態環境問題,尤其在城市聚集發展的城市群地區,高度集中的發展需求與有限的資源環境容量之間的矛盾尤為突出。例如,京津冀地區占全國2.3%的國土面積和1%的水資源,卻承載了全國8%的人口,11%的經濟總量及8.77%的能源消耗,不斷增加的發展需求與有限的資源環境供給已經嚴重影響了京津冀地區協同發展目標的實現[4]。

城鎮化與資源環境的交互作用一直是國內外的熱點研究領域[5- 7],主要集中在人類社會經濟活動對資源環境要素的利用及其負面影響。已有的研究主要是從承載力角度[8- 12],分析資源環境要素的供給(承載體)、需求(承載對象)及其相互關系,揭示資源環境的供給能力與城鎮發展需求的匹配程度,進而刻畫人類活動需求與有限的資源供給之間的脅迫程度。例如,從供給側角度,針對水資源供給能力(承載體的能力),評估城市水資源的天然稟賦以及取水、凈水和輸水等人為工藝對水資源供給能力的影響[13- 16],針對土地資源的供給能力,評估不同土地利用類型能夠承載的人口或人類活動強度[17- 19];從需求側角度,針對人類需求程度(承載對象的負荷),分析人類活動對水資源或土地資源的需求強度[5,20- 21]。關于研究方法,多數研究采用多因子層次分析法,通過建立多因子指標來定量刻畫資源環境要素的承載能力與負荷量以確定承載率[22- 25];還有一些研究采用綜合分析方法,例如,生態足跡[20,26- 28]、壓力—狀態—響應模型[14,29- 32]和能值代謝方法等[33- 35],這些方法主要關注人類活動與資源環境交互作用的某個側面。總體上,綜合概括國內外研究進展,多數研究關注的是城鎮化與單一資源環境要素的相互作用,且關于人類活動與水資源、土地資源相互作用的研究最多[15- 16,36- 37],近些年,人類活動與能源的相互脅迫影響也受到越來越多的關注[5,9,38],但是,較少研究考慮人類活動與不同資源環境要素交互作用的疊加效應。由于人類生存需求以及生產與生活的方式,其與一種資源要素的相互作用往往會影響到其他資源環境要素,例如,土地資源是開展人類活動的基本載體,土地資源的承載能力與利用效率與很多資源環境問題密切相關,在水資源處理與利用過程中需要消耗能源,在能源的開采加工過程中需要消耗水資源。因此,同時考慮人類活動與不同資源要素交互作用的疊加影響,對協同、高效地解決不同資源環境問題具有非常重要的意義。尤其對于多個城市聯合發展的城市群地區,不同資源稟賦、不同功能以及不同發展模式的城市之間具有密切的關聯關系,導致城市群地區資源環境問題的累積效應尤為突出[39],例如,京津冀地區同時面臨著土地資源緊張、水資源及能源短缺等問題[40- 42],鑒于此,全面考慮城鎮化與不同資源環境要素的交互脅迫作用及協同解決路徑,有利于高效地解決城市群地區的資源環境問題。

本研究以資源環境問題嚴峻的京津冀城市群為例,選擇土地、水資源與能源這三個與城鎮化交互脅迫作用十分突出的資源要素,建立了基于供給與需求變化的城鎮化與不同資源環境要素相互作用關系的評估方法,解析了京津冀地區人-地、人-水和人-碳交互脅迫關系的變化特征,以及人-地、人-水和人-碳交互作用的疊加作用,揭示了京津冀地區整體以及不同城市面臨的主要脅迫關系與疊加作用問題。本研究結果可為京津冀地區不同資源環境要素的協同優化與統籌配置提供科學依據。

1 研究區概況與數據來源

京津冀城市群位于華北平原北部,包括北京、天津兩大直轄市及河北省的11個地級市,總體行政區劃面積為2.18×105km2,約占全國的2.27%(圖1)。該區域整體地勢由西北向東南傾斜,包括山區、平原和海域三大地貌,以平原為主要類型,屬溫帶半濕潤半干旱季風氣候,水熱同期、四季分明。自然資源稟賦方面,京津冀地區礦產資源豐富,主要分布在冀東、冀北等地,是我國重要的煤炭資源基地,但同時也是我國典型的缺水地區。截止2018年,京津冀地區人口城鎮化率為66.48%,人口占全國的8.50%,國民生產總值占全國的8.98%,水資源總量為217.2億m3,占全國的0.79%,人均水資源量不足全國平均水平的1%;能源消費總量占全國的8.77%,人均能源消耗量為全國平均水平的31.58%。城鎮用地快速擴張、水資源短缺、能源消費結構不合理,以及不同城市的資源供給與需求時空分布不匹配是京津冀地區面臨的主要問題。

圖1 京津冀城市群地區位置圖Fig.1 Location of Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration

2 研究方法

2.1 城鎮化與資源要素交互脅迫評價指標體系

本文綜合供給側與需求側特征,分別建立了京津冀地區人-地、人-水和人-碳交互作用的單要素雙向評價指標體系(表1)。其中,關于人-地交互脅迫關系,從供給角度選取人均建設用地來表示城鎮用地的承載能力,從需求角度選取單位GDP建設用地來表示城鎮用地的負荷;關于人-水交互脅迫關系,從供給角度選取人均水資源量來表示水資源的承載能力,從需求角度選取單位GDP水耗來表示水資源的負荷;關于人-碳交互脅迫關系,從供給角度選取人均能源生產量來表示能源的承載力,從需求角度選取單位GDP能耗來表示能源的負荷。

表1 京津冀地區城鎮化與不同資源要素交互脅迫評價指標體系

關于數據,本研究主要分析了2001—2018年京津冀地區人-地、人-水和人-碳關系。其中,關于“土地資源”供給量,采用的是京津冀地區的城鎮用地總量,關于“水資源”供給量,采用的是京津冀地區本地的可用水資源總量;關于“能源”供給量,采用的是京津冀地區本地的能源生產量,主要包括一次能源生產量(原煤、原油、天然氣及一次電力的生產量)的總和。相關數據來源為《中國城市統計年鑒》、《河北省經濟年鑒》、《北京市統計年鑒》、《天津市統計年鑒》、河北省各地級市統計年鑒和河北省水資源公報、北京市水資源公報、天津市水資源公報等。

2.2 城鎮化與資源要素交互脅迫程度量化方法

在建立單要素交互脅迫評價指標體系后,綜合城鎮化與不同資源要素交互作用供給與需求的變化特征,建立了城鎮化與不同資源要素交互作用程度的動態評價方法(公式1—2)：

(1)

(2)

式(1)中,Xij,Xi+1j和Yij,Yi+1j分別表示第j類資源要素在第i年和第i+1年的供給量與需求量,Vaij表示第j類資源要素在第i年(基于前后三年供給量的滑動平均值)供給量的變化速率,Vbij表示第j類資源要素在第i年(基于前后三年需求量的滑動平均值)需求量的變化速率;式(2)中,Tij為第j類資源環境要素在第i年與城鎮化的交互脅迫程度,根據Tij值可將城鎮化與資源環境要素交互脅迫關系分為四種模式：強脅迫、弱脅迫、弱協調和強協調。本研究的數據輸入年限為2001—2018年,但考慮到時間邊界對計算結果的影響,因此,有效的計算結果選取了2002—2017年。

(1)強脅迫,Vaij<0,Vbij>0：該模式表征在資源環境要素供給能力下降的同時,城鎮化對資源要素的需求在增加,此時城鎮化與資源要素的供需矛盾在不斷激化,城鎮化與資源要素交互關系處于強脅迫狀態。

(2)弱脅迫,該模式包含兩種情況：當Vaij0,Vbij>0)時,表明資源環境要素供給能力和城鎮化對資源要素的需求同時在增加,但供給上升速率小于需求增加速率;當|Vaij|>|Vbij|(Vaij<0,Vbij<0)時,表明資源環境要素供給能力和城鎮化對資源要素需求同時在降低,但供給下降速率大于需求下降速率。在這兩種情況下,城鎮化與資源要素間的供需關系開始產生矛盾,城鎮化與資源要素交互關系處于弱脅迫狀態。

(3)弱協調,該模式包含兩種情況：當Vaij>Vbij(Vaij>0,Vbij>0)時,表明資源環境要素供給能力和城鎮化對資源要素需求同時在增加,但供給上升速率大于需求增加速率;當|Vaij|<|Vbij|(Vaij<0,Vbij<0)時,表明資源環境要素供給能力和城鎮化對資源要素需求同時在降低,但供給下降速率小于需求下降速率。在這兩種情況下,城鎮化對資源要素的需求得到基本滿足,城鎮化與資源要素交互關系處于弱協調狀態。

(4)強協調,Vaij>0,Vbij<0：該模式表征在資源環境要素供給能力增加的同時,城鎮化對環境要素的需求在降低,此時城鎮化對資源要素的需求得到充分滿足,城鎮化與資源要素交互關系處于強協調狀態。

3 結果分析

3.1 人-地交互脅迫關系時空變化特征

從城市群整體狀況看,2002—2017年,京津冀地區人-地關系呈 “弱協調—強協調”交替變化狀態(圖2)。其中,2002—2010年,以“弱協調”為主,2010年之后以“強協調”為主,表明從城市群整體水平來看,京津冀地區人-地關系一直在改善,且2011年之后改善強度進一步提升。根據不同階段人-地關系變化的原因顯示,2002—2010年,多數年份的土地資源供給量(人均建設用地)有所減少(圖3),但土地資源的需求量減少幅度更大(單位GDP建設用地)(圖4)。因此,根據2.2城鎮化與單要素交互脅迫動態評估方法,人-地交互作用關系屬于“弱協調”;2010—2017年,京津冀地區多數年份的土地資源供給量(人均建設用地)有所增加,而土地資源的需求量(單位GDP建設用地)持續減少,因此,人-地交互作用關系屬于“強協調”。

圖2 京津冀地區人-地交互脅迫模式時空變化特征Fig.2 Spatial and temporal characteristics of human-land interaction in Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration

圖3 京津冀地區人均建設用地時空變化特征Fig.3 Spatial and temporal characteristics of construction land area per capita in Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration

從城市群內部不同城市之間的比較來看,京津冀地區不同城市的人-地關系存在明顯的時空差異(圖2)。2002—2017年,北京與天津這兩個超大城市的人-地關系呈“弱協調—強協調”交替變化的演進狀態,主要由于這兩個城市土地資源需求量持續降低(單位GDP建設用地)。而河北的11個城市均呈“強脅迫”、“弱脅迫”、“強協調”或“弱協調”交替變化趨勢。2013年以后,唐山、邯鄲、張家口與承德等城市人-地關系以“弱脅迫”或“強脅迫”為主,表明這些城市人-地交互脅迫程度有增加趨勢,分析其主要原因表明,這些城市土地資源的供給量與需求量整體均有所下降,但土地資源供給量(人均建設用地)減少的幅度大于土地資源需求量(單位GDP建設用地)增加的幅度(圖3、圖4)。此外,2002—2017年,河北其他城市的人-地關系在多數年份呈“強協調”或“弱協調”狀態,表明這些城市的人-地關系總體上呈改善趨勢。

圖4 京津冀地區單位GDP建設用地時空變化特征Fig.4 Spatial and temporal characteristics of construction land area per unit GDP in Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration

圖5 京津冀地區人-水交互脅迫模式時空變化特征Fig.5 Spatial and temporal characteristics of human-water interaction in Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration

3.2 人-水交互脅迫關系時空變化特征

從城市群整體狀況看,2002—2017年絕大多數年份,京津冀地區人-水關系呈“強協調—弱協調”交替變化狀態(圖5),主要原因是京津冀地區總體水資源供給量(人均水資源量)呈波動變化(圖6),而水資源需求量(單位GDP水耗)呈持續減少趨勢(圖7),只有個別年份(例如2014年)水資源供給量減少的幅度大于水資源需求量減少的幅度,因此導致個別年份人-水關系呈“弱脅迫”狀態。

圖6 京津冀地區人均水資源量時空變化特征Fig.6 Spatial and temporal characteristics of water resources per capita in Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration

圖7 京津冀地區單位GDP水耗時空變化特征Fig.7 Spatial and temporal characteristics of water consumption per unit of GDP in Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration

從城市群內部不同城市之間的比較看,京津冀地區不同城市的人-水關系存在明顯的時空差異(圖5)。2002—2017年,北京和廊坊的人-水關系主要呈“強協調”或“弱協調”交替變化狀態,表明這兩個城市的人-水關系持續在改善,主要原因是這兩個城市的水資源需求量持續下降,而其水資源供給量波動增加或減少的幅度均小于需求量持續減少的幅度。而其他城市的人-水關系呈“強協調”、“弱協調”、“強脅迫”或“弱脅迫”交替變化,但在多數年份呈“強協調”或“弱協調”狀態,表明這些城市的人-水關系總體也呈改善趨勢,主要原因是這些城市的水資源需求量在持續下降。此外,河北有些城市(例如,秦皇島、邯鄲和邢臺)在2013年左右人-水關系呈“弱脅迫”狀態,主要原因是水資源供給量有所減少,且其減少的幅度大于水資源需求量。

圖8 京津冀地區人-碳交互脅迫模式時空變化特征Fig.8 Spatial and temporal characteristics of human-energy interaction in Beijing-Tianjin-Hebei megaregion

3.3 人-碳交互脅迫關系時空變化特征

從城市群整體狀況看,2002—2017年,京津冀地區人-碳交互關系表現為“弱協調—強協調”交替變化狀態(圖8),表明京津冀地區的人-碳關系呈不斷改善狀態,主要原因是京津冀地區整體的能源需求量在持續減少,雖然2011年之后京津冀地區整體的能源供給量(人均能源生產量)也有所減少(圖9),但其減少幅度小于能源需求量減少的幅度(圖10)。

圖9 京津冀地區人均能源生產量時空變化特征Fig.9 Spatial and temporal characteristics of energy production per capita in Beijing-Tianjin-Hebei megaregion

圖10 京津冀地區單位GDP能耗時空變化特征Fig.10 Spatial and temporal characteristics of energy consumption per unit of GDP in Beijing-Tianjin-Hebei megaregion

從城市群內部不同城市之間的比較看,京津冀地區不同城市的人-碳關系存在明顯的時空分異,所有城市人-碳關系均呈“強協調”、“弱協調”、“強脅迫”或“弱脅迫”交替變化。其中,北京、天津、邯鄲、邢臺、張家口與滄州等城市多數年份(2002—2017年)的人-碳關系屬于“強協調”或“弱協調”狀態(圖8),主要原因是這些城市的能源需求量呈持續下降,而能源供給量呈波動變化,而能源供給量減少的年份,其減少幅度也小于能源消耗量的減幅。此外,對于保定、石家莊與唐山等城市,2002—2017年,其人-碳關系仍有較多年份處于“弱脅迫”或“強脅迫”狀態,主要原因是這些年份能源供給量有所減少,且其減幅大于能源需求量的減幅。因此,發展清潔能源,增加能源供給量,提高能源利用效率,減少能源需求量,對緩解京津冀人-碳關系具有至關重要的作用。

3.4 人-地、人-水與人-碳交互脅迫作用的疊加效應

疊加人-地、人-水、人-碳交互作用關系的結果表明,從城市群整體狀況看,2002—2017年,京津冀地區城鎮化與土地、水資源和能源交互作用總體上屬于“強協調”或“弱協調”狀態(圖11),表明京津冀地區城鎮化與土地、水資源和能源的關系均在持續改善。但是,從城市群內部不同城市之間的比較看,除了北京與廊坊主要受單一資源要素脅迫作用外,其他城市在某些年份均同時受兩種以上資源要素脅迫的疊加作用,河北多數城市(石家莊、唐山、秦皇島、邯鄲、邢臺、保定、滄州與承德等)同時面臨土地、水資源與能源三種資源要素脅迫的疊加作用,因此,對于受多種資源要素疊加脅迫作用的城市,城鎮發展與資源保護政策的制定要全面考慮不同資源要素利用之間的關聯機制,采取有助于解決不同資源要素疊加影響的協同管理措施。

圖11 京津冀地區城鎮化與不同資源環境要素交互脅迫的疊加效應Fig.11 Spatial and temporal characteristics of combined effects of interactions between urbanization and different resources in Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration

4 結論與討論

聚集連片的發展模式導致城市群地區資源環境問題的集中與激化,嚴重阻礙了城市群的可持續發展。本文以發展與保護矛盾突出的京津冀城市群為例,針對人-地、人-水和人-碳的相互作用關系,提出了基于供給、需求變化的城鎮化與資源環境要素交互作用的動態評估方法,定量評估了城鎮化與不同資源環境要素交互作用的時空變化特征,并綜合評估了城鎮化與不同資源環境要素交互脅迫的疊加效應,主要結論如下：

(1)城市群整體上,2002—2017年,京津冀地區的人-地、人-水及人-碳關系均以“強協調”或“弱協調”狀態為主,表明從城市群整體水平上來看,京津冀地區的城鎮發展與資源環境要素的關系在持續改善,改善的主要原因均是資源需求量(單位GDP資源投入量)的持續降低,而資源供給量受自然資源稟賦的影響呈波動變化,但其變化幅度皆小于資源需求量降少的幅度。因此,提高土地、水資源與能源的利用效率,進一步降低資源的需求量,是繼續改善京津冀地區城鎮化與資源環境交互脅迫關系的關鍵所在。

(2)城市群內部,2002—2017年,京津冀地區不同城市的人-地、人-水與人-碳交互脅迫關系均存在明顯的時空差異。總體上,除了北京的人-地與人-水關系,以及天津與廊坊的人-水關系一直屬于“強協調”或“弱協調”狀態外,其他城市均呈協調與脅迫交替變化,這表明要高效地改善京津冀地區不同城市的資源環境脅迫問題,必須要根據不同城市資源環境脅迫的具體特征和原因采取與之對應的措施。例如,關于人-地關系,對于唐山、邯鄲、保定與張家口等人-地脅迫關系較為突出的城市,需要進一步加強土地資源利用效率,降低單位GDP土地使用量,進而減少土地資源需求量;關于人-水關系,京津冀地區受水資源時空分布的自然稟賦條件影響,本地水資源供給能力有限,改善人-水脅迫關系的關鍵在于進一步優化產業結構,改進技術工藝,提高用水效率,進而降低用水需求量;關于人-碳關系,河北的一些城市(保定、石家莊與唐山等)面臨著較為突出的人-碳交互脅迫問題,加強發展清潔能源,增加清潔能源供給,調整產業結構,改進生產工藝,提高能源利用效率,進一步降低能源消費量是這類城市要關注的重點。

(3)雖然從京津冀地區整體角度看,人-地、人-水及人-碳關系均以“強協調”或“弱協調”狀態為主,但是,城市群內部不同城市之間的差異很大,其中,河北多數城市同時面臨不同資源要素的疊加脅迫作用,例如,石家莊、唐山與邢臺等城市同時受土地、水資源和能源三種資源的疊加脅迫作用,因此,對于這些受不同資源要素疊加脅迫影響的城市,需要深入了解其土地、水資源與能源利用過程的關聯關系,明晰不同資源環境要素的關聯機制,進而提出可以協同改善不同資源環境要素脅迫影響的政策或措施,例如,這些城市的水資源利用結構與工藝的改善要同時考慮其對能源利用的影響,進而可以協同改善能源的脅迫影響。