生態約束下閩三角城市群城鎮發展特征與轉型路徑

唐明珠,梁 晨,曾 堅,耿煜周

天津大學建筑學院,天津 300072

近40年來傳統的工業化與城鎮化模式驅動我國經濟高速發展,然而也伴隨著巨大的生態代價[1-2],突出表現為粗放的資源利用方式、較低的發展生態效率以及空間無序蔓延導致的生態本底受損等方面,生態要素已經成為制約區域可持續發展的重要條件[3]。黨的十八大提出“大力推進生態文明建設,努力建設美麗中國,實現中華民族永續發展”,明確了在我國高質量發展轉型時期,必須將資源環境的底線思維融貫于城鎮發展、國土空間開發的全過程。城市群是工業化和城鎮化發展到高級階段的產物,是區域可持續發展的重要戰略載體。然而城市群一方面是我國經濟發展最具活力和潛力的地區,但同時也是生態環境問題高度集中且激化的敏感地區[4],在生態約束背景下對其可持續發展水平的科學測度并進一步探究其空間分異規律成為重要科學問題,對我國區域協同發展與國土空間規劃有重要支撐作用。

可持續發展的本質是以最小的生態代價換取最大的發展成果,而城市群屬于典型的復雜開放系統,系統的要素關聯性、運行效率性、空間異質性對區域可持續發展有重要影響。當前在我國城市群快速成長,城鎮網絡調整重構的趨勢下[5],是優化區域資源供需關系、提升發展生態效率和改善生態本底結構的重要窗口期。生態約束的定量分析研究主要集中在生態足跡[6-7]、生態承載力[8-9]、生態系統服務[10-11]、生態效率[12-13]等方面,其中生態足跡模型因為應用廣泛、重復性好、易于理解[14]等優點被廣泛應用于可持續發展研究,近年來發展勢頭迅猛。不少學者在傳統生態足跡模型的基礎上擴展研究維度,發展出生態足跡效率[15]、生態壓力指數[16]、生態可持續指數[17],生態足跡多樣性指數[18]等評價指標,并進一步組合這些指標發展成評價模型,如區域綜合發展能力模型[19]、可持續評價模型[20]與生態-社會-經濟三角模型[21]等。

也有不少專家開始從經濟、社會、人口、能源等多種因素入手研究可持續發展的影響機制,有專家認為第二產業產值、城鎮化率[22]對可持續發展影響最大,也有專家認為人口規模與富裕水平[23]更為重要,由此可見,目前學術界尚未明晰城鎮可持續發展的影響機制,或者認為可持續發展影響因素或因地域不同而有所差異[24]。基于生態足跡模型的可持續發展研究已具有一定深度與廣度,但并未形成一以貫之的完整研究體系,大多數研究仍停留在具體問題分析階段,缺乏對區域發展的后續指導建議,或者面臨著發展建議與研究分析脫節的困境。

因此,本文在前人研究的基礎上整合生態足跡、生態承載力與信息熵等定量研究方法,提出“供需-效率-結構”三維測度模型,從生態約束視角綜合評價區域城鎮可持續發展特征,并基于模型測度結果探究城鎮可持續發展影響因素與城鎮轉型發展路徑,為閩三角城市群轉型發展提供參考。

1 研究區域

閩三角是福建省的廈門、漳州與泉州三個城市及其所轄區縣的簡稱,2018年末城市群常住人口為1795萬人,全年GDP約為17207億元,總面積約為 25461 km2。隨著海峽西岸經濟區的建設,閩三角城市群已經發展為中國東部沿海地區重要的海灣型城市群之一。與此同時,閩三角地區被列為國家生態文明試驗區,研究區域內分布著紅樹林保護區、海岸帶灘涂、低丘陵梯田等豐富的自然生態資源。面臨著生態資源保護與城市發展建設的博弈,具有較大的研究價值。

2 研究方法與數據來源

本研究通過量化測度來探索閩三角地區城鎮發展困境,從而進一步識別城鎮發展約束因素及轉型路徑。以生態足跡模型、生態承載力模型與信息熵模型為方法基礎,構建“供需-效率-結構”三維城鎮發展困境評價模型(圖1)。其中,資源供需關系著眼于資源消耗與供給之間的平衡,直接決定城鎮能否長期維持可持續發展。發展生態效率衡量城鎮發展是否滿足生態友好型原則,反映生態資源消耗與經濟發展水平的關系,是評價可持續發展潛力的重要指標。生態本底結構則是量化城鎮生態承載力穩定性與均衡性的指標,生態本底結構是否均衡將極大影響城鎮可持續發展。

圖1 “供需-效率-結構”三維評價模型

2.1 資源供需關系

2.1.1生態足跡模型

生態足跡(Ecological Footprint)是由加拿大生態經濟學家William Rees教授1992年最早提出,并在1996年由其博士研究生Mathis Wackernagel對該方法進行了完善與發展。生態足跡分析方法是一種衡量自然資源可持續利用的生物物理定量評價工具。傳統生態足跡模型的核心內涵是將研究區域內所有人口的各類資源消費和所產生的廢物轉換為具有全球平均產量的生物生產性土地。全球生態足跡模型把所有生產性土地劃分成耕地、草原、林地、水域、建設用地和化石能源用地6類。計算公式如下：

(1)

其中,EF為總生態足跡(ghm2)；N為人口數(人)；ef為人均生態足跡(ghm2/人)；rj為不同類型生物生產性土地的均衡因子；aai為i種消費項目折算的生物生產性面積；ci為i種消費項目的人均消費量；pi為i種消費項目的全球年平均產量；i為消費項目的類型；j為生物生產性土地的類型。

在生態足跡消費項目的核算中, 各種生物資源和能源資源消費項目均按相應的換算比例折算成相應的土地面積,由于六類土地的生態生產能力不同,難以直接對比,需要乘以均衡因子,本文參考Wackernagel的研究[25],均衡因子取值如下：耕地2.8；草地0.5；林地1.1；水域0.2；建筑用地2.8；化石能源用地1.1。

本文中化石能源用地生態足跡采用謝鴻宇等[26]的定義：用于吸收化石能源燃燒排放的溫室氣體的森林和牧草地。

建筑用地生態足跡主要指電力消費,參照《福建省統計年鑒2018》電力平衡表與一次能源生產總量與構成表,福建省的電力主要來源于水電。在生態足跡分析中,將水電生態足跡等同于水電站所淹沒耕地的面積,本文選用謝鴻宇等根據中國水電站發電量與所淹沒耕地面積計算的中國水電生態足跡算法,即1kWh的水電生態足跡為2.1448×10-6hm2耕地。

2.1.2生態承載力模型

生態承載力又稱生態足跡供給,指研究區域內可支撐人類生產消費活動的所有生物生產性土地面積,通過生態承載力模型將其轉換為具有全球平均產量的生物生產性土地,計算公式如下：

EC=N×ec=N×∑aj×rj×yj

(2)

式中EC為總生態足跡供給(ghm2)；N為人口數(人)；ec為人均生態足跡供給(ghm2/人)；aj為人均生物生產性面積(hm2)；rj為均衡因子；yj為產量因子；j為生物生產性土地類型。

均衡因子與上文生態足跡中的均衡因子相同。產量因子分別為耕地1.66,草地0.19,林地0.91,水域1,建設用地1.66。與此同時,按世界環境發展委員會所建議的方案留出12%的生物生產土地面積以保護生物多樣性。

2.1.3生態盈余/赤字

生態赤字或盈余是綜合比較研究區域內生態足跡需求與生態承載力大小所得到的指標,表征人類生產消費活動是否超出了自然環境的最大承載力,可用來衡量區域生態資源供需關系。生態承載力大于生態足跡時,表現為生態盈余；生態足跡大于生態承載力時,則表現為生態赤字。如果一個區域長期處于生態赤字,將會對生態環境造成不可逆的損害,不利于可持續發展。生態盈余或赤字的計算公式如下：

ED=EC-EF

(3)

式中,ED為研究區域生態盈余(赤字)；EC為生態承載力；EF為生態足跡；當ED>0時,為生態盈余；當ED<0時,為生態赤字。

2.2 發展生態效率

發展生態效率是衡量研究區域內生態資源消耗情況與經濟發展水平關系的指標,由生態足跡與GDP的比率表示。生態效率越高,證明城市的經濟發展對資源消耗的依賴性越小,對生態環境的破壞性越小,其可持續發展水平越高。具體計算方法如下：

(4)

式中BN為生物資源需求；RC為能源資源消耗；BE為生物效率；RE為能源效率。

2.3 生態本底結構

生態本底的結構是否均衡將極大影響生態資源供給的穩定程度,本文采用信息熵模型測度生態本底承載力的復雜性與均衡性。信息熵理論是信息學之父香農從物理學的“熵”引入的概念,熱力學中的熱熵是表示分子狀態混亂程度的物理量。信息熵的高低可以反映城鎮生態本底的均衡程度,熵值越高,表明不同職能的生態承載力種類越多,各類型的面積相差越小,生態本底越均衡。

A=A1+A2+A3+…+An

(5)

(6)

(7)

式中Ai為某一類型生物生產性土地的生態承載力,A為研究區域內所有類型土地的生態承載力,H為信息熵。

2.4 數據來源

以閩三角地區廈門、漳州、泉州市轄區及所轄縣共19個縣市單位為研究對象,所用數據均來源于2018年《福建統計年鑒》、《廈門統計年鑒》、《漳州統計年鑒》、《泉州統計年鑒》和國家統計局,地級市數據以所含市轄區數據計(不含所轄縣、代管市),其中金門縣由于數據缺失,暫不考慮。土地利用類型數據通過30M精度Landsat 8OLI-TIRS遙感影像解譯獲得,在地理空間數據云平臺選擇2018年云量低于5%的遙感影像并下載,采用監督分類法,按照生態足跡模型中生物生產性土地劃分方式,將研究區土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建筑用地5類,總體分類精度為88.2%。

3 結果與分析

3.1 城鎮發展的多維分異

3.1.1資源供需關系及空間分異研究

首先分別計算林地、草地、耕地、建筑用地、水域5類生物生產性土地供需平衡情況與化石能源用地資源消耗情況(圖2)。研究發現這5類用地類型對閩三角城市群發展的制約影響由大到小分別是,水域>草地>耕地>建筑用地>林地,水域與草地資源供給整體處于赤字狀態,是制約閩三角地區發展的首要資源性短板,這與閩三角地區多為山溪型水域,水資源緊缺以及草地資源緊缺的現狀密切相關。

圖2 各類型土地資源供需關系

林地資源豐富,除湖里區外均處于盈余狀態；耕地資源在城鎮化率較高的區縣處于赤字狀態,例如廈門思明區、湖里區與集美區,泉州鯉城區、豐澤區等,其余區縣耕地供需平衡,甚至處于盈余狀態；建筑用地僅在人口密度高的廈門思明區、湖里區,泉州鯉城區、豐澤區供不應求,其余區縣建筑用地均供大于求；化石能源用地以龍海市、泉港區人均需求最多,西南部的詔安縣、云霄縣與平和縣人均需求最少。

隨后綜合計算閩三角城市群生態供需關系,從整體角度分析閩三角城市群資源供需情況發現生態赤字呈現壓倒性態勢(表1),僅華安縣處于生態資源盈余狀態,德化、南靖、平和、云霄等六區縣勉強能夠維持供需平衡狀態,其余區縣均表現為供需失衡,尤其以龍海市、泉港區供需失衡最為嚴重。

表1 資源供需關系相關指數一覽表

空間分布上來看,生態赤字主要分布在閩三角北部(除德化縣外),生態盈余則主要分布在閩三角南部。全局莫蘭指數為-0.022(P=0.015,Z=2.435),資源供需關系在95%置信水平上呈現顯著聚集狀態。局部空間自相關分析結果顯示龍海市為資源供需關系洼地,以龍海市為中心呈現顯著低-高值聚集(圖3)。

圖3 資源供需關系空間分異

3.1.2發展生態效率及空間分異研究

發展生態效率能夠描述生態資源用于滿足人類消費的有效性。如圖4所示,閩三角各城鎮間發展生態效率參差不齊、差異巨大,發展生態效率最高的海滄區是最低的龍海市的6倍之多。發展生態效率最高的是海滄區,其次龍文區、鯉城區、思明區生態效率也相對較高,德化縣、泉港區與龍海市生態效率效率最低。

圖4 發展生態效率空間分布圖

全局莫蘭指數(全局莫蘭指數=-0.135,P=0.445,Z=-0.762)顯示資源利用效率的空間分布呈現隨機狀態,尚未形成顯著的高值或低值聚集區,即閩三角地區城鎮發展仍處于初級階段,尚未形成規模分化。

3.1.3生態本底結構及空間分異研究

通過對五類生物生產性土地供需平衡(圖2)的分析發現閩三角地區生態本底結構并不均衡,整體上呈現水域與草地緊缺的態勢。生態本底結構空間分異研究(圖5)顯示閩三角城市群呈現明顯的南北差異與海陸差異,其中廈門島、海滄區與集美區供給結構失衡,南部地區的云霄縣與詔安縣,北部地區的惠安縣供給結構最為穩定。

圖5 生態本底結構空間分異

空間分布呈現高度聚集(全局莫蘭指數=0.385,P=0.000,Z=3.729)。局部莫蘭指數分析結果顯示以云霄縣、詔安縣為中心的南部地區已形成高值(HH)聚集區域,生態本底結構穩定；以廈門島、集美區和海滄區為中心形成低值(LL)聚集區域,生態本底結構失衡。生態本底結構顯著的空間分異特征與各城鎮的土地資源本底和開發建設強度緊密相關,廈門島高強度的城市建設活動使原本的土地結構產生變化,進一步導致生態承載力供給失衡,而開發強度相對較弱的南部地區,則最大程度的保持了原本的生物生產性土地結構。

3.2 城鎮可持續發展潛力與影響因素

3.2.1城鎮可持續發展潛力

采用熵權法評價三個子系統對可持續發展潛力的影響程度,將數據進行歸一化處理,利用信息熵模型確定指標權重,最終計算獲得28個城鎮的可持續發展潛力。由圖6可知,華安縣、云霄縣與東山縣三個城鎮的可持續發展潛力較高,而龍海市、泉港區與湖里區可持續性較低,與子系統情況較為契合。

圖6 城鎮可持續發展潛力空間分異

全局莫蘭指數顯示閩三角城市群在90%的置信水平上城鎮可持續發展潛力呈集聚狀態。以龍海市和湖里區為中心形成低-高值集聚,此區域內城鎮可持續發展潛力空間分異顯著,水平參差不齊。

3.2.2城鎮可持續發展潛力的影響因素研究

可持續潛力可表征區域城鎮發展強度與持續發展能力,除與自然資源稟賦直接相關外,同樣受人口、經濟、社會等諸多因素的影響。為進一步探討閩三角地區城鎮可持續發展潛力的影響機制,選擇代表人口、經濟、城鎮化水平和資源開發屬性等因素[27],包括地區生產總值、第一產業產值、工業產值、第三產業比重、常住人口、城鎮化率、煤炭消耗量6項指標,進行多變量相關性分析(表2)。

表2 多變量相關性分析

資源供需關系受經濟因素與資源開發情況的影響較大,與經濟發展水平(r=-0.483,P=0.009)、工業水平(r=-0.468,P=0.012)、資源開發情況(r=-0.720,P=0.000)均呈顯著負向相關。

發展生態效率與第一產業(r=-0.545,P=0.003)和煤炭消耗量(r=-0.529,P=0.004)呈顯著負相關,與城鎮化率(r=0.561,P=0.002)呈顯著正相關。第一產業以農業及畜牧業為主,資源利用仍處于初級粗放階段,經濟利益轉化率較低。煤炭消耗量主要來自交通運輸業和重工業,均屬于高能耗型產業。發展生態效率與城鎮化率的正向關系表明人口與資源集聚的大城市更有利于生態資源精細化、高效率利用。

生態本底結構與經濟、人口及城鎮化因素均密切相關。經濟因素中,與第一產業(r=0.611,P=0.001)呈正相關,與第三產業(r=-0.603,P=0.001)、城鎮化因素(r=-0.704,P=0.000)均呈負相關。除第一產業外,其他兩項指標均與人類干擾、城市開發建設活動相關,可以推測人類干擾對生態本底結構的穩定性與均衡性具有負面影響。

城鎮可持續發展潛力與能源消耗情況(r=-0.685,P=0.000)和經濟發展水平(r=-0.521,P=0.004)的關系最為緊密,均在99%置信水平上呈顯著負相關。工業水平(r=-0.451,P=0.016)與常住人口數量(r=-0.444,P=0.018)對資源可持續潛力在95%置信水平上構成負面影響。

3.3 城鎮發展特征歸納與發展路徑探究

通過對資源可持續潛力影響機制的分析發現,部分影響因素對子系統和綜合系統的影響機制存在差異,例如城鎮化率對發展生態效率具有正向作用,而對生態本底結構具有負向作用,因此,合理劃分城鎮類型,探索各類型城鎮可持續發展短板,有利于結合影響機制對不同類型的城鎮提出針對性轉型發展建議。

3.3.1城鎮類型劃分

以各城鎮的三個子系統的得分結果為原始數據,對28個城鎮進行系統聚類分析,進一步觀察各城鎮在“供需-效率-結構”三項指標上的分布情況,深入分析城鎮之間的相似性和差異性。利用SPSS軟件,以資源供需關系、發展生態效率、生態本底結構標準化化數據為變量,采用平方歐式距離為聚類方法。聚類結果顯示,當分類層次為4時,聚類結果最佳(圖7)。分析四類城鎮聚類特征屬性(表3),從而歸納總結四類城鎮的特征差異(表4)。

表3 聚類特征描述

表4 城鎮類型與特征

圖7 城鎮類型系統聚類樹狀圖

第I類：失衡型城鎮,包括思明區和湖里區(2個)。其特征表現為資源供需關系(0.515)與發展生態效率(0.595)與閩三角平均水平基本持平,而生態本底結構(0.290)處于閩三角下游水平,生態承載力結構失衡。廈門島作為閩三角地區的核心城市,城市開發強度較大,人類開發活動已嚴重影響到自然生態本底的承載能力,不利于有效維系城市高速發展。

第II類：可持續性城鎮,包括海滄區、龍文區、翔安區、鯉城區、豐澤區等10個城鎮。聚類特征表現為資源可持續潛力(0.645)、資源供需關系(0.594)、發展生態效率(0.688)與生態本底結構(0.653)均優于或與閩三角平均水平持平。資源供給穩定,利用高效,供需基本保持平衡,可持續發展潛力較高。

第III類：粗放型城鎮,包括漳浦縣、詔安縣、云霄縣等14個城鎮。其聚類特征主要表現為發展生態效率(0.324)低于閩三角平均水平,資源供需關系(0.715)與生態本底結構(0.791)均高于閩三角平均水平。此類城鎮雖處于生態盈余狀態,且生態本底結構穩定優越,但資源利用效率低下。

第IV類：赤字型城鎮,包括龍海市與泉港區2個城鎮。值得注意的是這兩個城鎮在不同聚類層次下均自成一類,與其他城鎮存在顯著差異。聚類特征為資源可持續潛力(0.335)、資源供需關系(0.050)與發展生態效率(0.060)均處于閩三角城鎮群下游水平,生態本底結構(0.900)較好,自然生態本底優越,生態承載力閾值較高。

3.3.2城鎮轉型發展路徑探究

(1)失衡型城鎮轉型發展路徑

失衡型城鎮面臨的主要問題是城鎮快速擴張導致的生態本底結構失衡,以思明區為例,水域與建筑用地面積占比高達95%,而耕地面積僅占1%,結合影響機制中生態本底結構結構與城鎮化水平呈負相關的趨勢,可見快速城鎮化對耕地、林地資源的侵占嚴重影響了城鎮可持續發展能力。

不均衡的生物生產性土地結構對于封閉的城鎮生態系統而言是災難性的,但是在區域一體化與協同發展的大趨勢下,這一劣勢可以通過城鎮間的資源交換而消解,甚至可以成為城鎮分工協作的有效助力。失衡型城鎮轉型的關鍵是在城鎮群中找到適合自己的分工協作定位,充分發揮自身優勢,有效規避劣勢,揚長避短。同時構建和完善區域資源交換系統,尤其是交通運輸網絡與信息交流網絡,有利于推動區域協調發展。

(2)粗放型城鎮轉型發展路徑

粗放型城鎮是閩三角地區數量最多的類型,其面臨的困境在于資源利用效率低下,資源消耗與經濟效益不成正比。

根據發展生態效率與第一產業和能源消耗呈負相關的特點,可將粗放型城鎮劃分為兩類,一類是以晉江市、同安區為代表的較發達城鎮,這類城鎮的典型特征是資源消耗量大；另一類是以詔安縣、平和縣為代表的欠發達城鎮,這類城鎮資源消耗量與人均GDP都處于閩三角地區下游水平,較為依賴資源轉化率低的第一產業,人民生活水平較低。對第一類城鎮而言,提升資源的經濟效益是解決資源利用率低下的關鍵,逐漸由高能耗、重工業為主導的產業結構向綠色、低碳型產業結構轉變。對第二類城鎮而言,發展經濟是重中之重,承接發達地區產業轉移時優先選擇低污染低能耗的輕工業,或者依托自身優越的環境條件大力發展旅游業與現代服務業,實現一三產業聯動發展。

(3)赤字型城鎮轉型發展路徑

赤字型城鎮面臨的主要問題是生態足跡需求與生態足跡供給之間供不應求且發展效率粗放,由于生物生產性土地的數量是固定的,“開源”難度較大,所以“節流”勢在必行。

以泉港區為例,作為福建省石化工業龍頭地區,泉港區資源供需不平衡的主要原因是因為石化產業造成的大量能源消耗,尤其以電力、煤炭、石油為主。石化產業雖然為泉港區帶來了可觀的經濟效益,但是卻不利于城鎮的可持續發展。泉港區一方面應該提高石化產業的資源利用效率,減少能源消耗；另一方面則應該豐富產業類型,大力發展資源節約型產業,避免過度依賴單一產業。

4 結論與討論

基于“供需-效率-結構”模型對閩三角區域28個城鎮的可持續發展潛力進行研究,探究其空間分異規律、影響機制與轉型發展路徑,得到以下結論：

(1)閩三角區域城鎮實證研究發現,城鎮發展特征在空間布局上存在顯著差異,表現出明顯的海陸差異與南北差異,空間集聚效應正在形成。資源供需關系方面,北部地區,尤其是沿海地區處于資源供不應求狀態,龍海市已成為資源供需“洼地”；發展生態效率參差不齊,廈漳泉三市發展生態效率明顯優于其他城鎮,但尚未形成顯著的空間集聚效應,說明閩三角區域仍處于粗放式發展階段；南部地區生態本底結構明顯優于北部地區,已形成高值集聚區域,而廈門島及海滄區、集美區則成為生態本底失衡的“重災區”。

(2)通過探究可持續發展潛力的影響機制發現,可持續發展潛力主要受能源消耗情況和經濟發展水平影響,但是不同影響因素對資源供需關系、發展生態效率與生態本底結構三個子系統的影響機制存在差異。資源供需關系與經濟發展水平、工業水平、煤炭消耗量均呈負相關；發展生態效率與第一產業產值、煤炭消耗量呈負相關,與城鎮化率呈正相關；而生態本底結構與第一產業呈正相關,與第三產業、城鎮化因素均呈負相關。

(3)通過系統聚類法以三個子系統評價為分類依據,將28個城鎮劃分為失衡型(2個)、可持續型(10個)、粗放型(14個)與赤字型(2個)四類,其中粗放型城鎮是閩三角區域數量最多的類型,反映出閩三角城市群仍處于初級發育階段的現狀,發展生態效率低下,依然存在巨大的提升空間。失衡型城鎮與赤字型城鎮雖然數量較少,但存在問題典型,廈門島城市開發強度過大已經嚴重影響到生態本底結構的穩定,在后續城市建設中應注意土地利用類型多樣化；龍海市與泉港區過度依賴石化產業與重工業,資源嚴重供不應求,應在提高資源利用效率的基礎上,豐富產業類型,避免嚴重依賴單一產業。

本研究依然存在不足之處有待進一步改進。由于可持續發展潛力影響因素眾多,本研究受限于篇幅限制僅選取代表人口、經濟、城鎮化水平和資源開發屬性的7項指標,不能涵蓋全部影響因素。未來可結合長周期數據進一步探究城鎮化水平、資源開發水平與人口因素如何影響城鎮可持續發展,以期為閩三角城市群轉型發展提出更具針對性的建議。