城市群地區城市高質量發展與生態環境的交互協同作用
——以成渝城市群為例

楊亮潔,秦麗雙,楊永春,潘竟虎

1 西北師范大學地理與環境科學學院,蘭州 730070 2 甘肅省綠洲資源環境與可持續發展重點實驗室,蘭州 730070 3 蘭州大學 西部環境教育部重點實驗室,蘭州 730000

生態環境是人類賴以生存的本底,是實現城市群高質量發展的基本保障。我國經濟已經從高速發展階段轉向高質量發展階段,城市群是國家新型城鎮化的主體區和國家經濟發展的重心區[1]。但城市群的高密度集聚和高速度擴張帶來了高度污染和高生態風險,協調城市群地區高質量發展與生態環境的關系,成為當前地理科學研究的前沿領域。

國內外對城鎮發展水平的研究多集中在城市化與經濟增長的關系[2—3]、城市化格局、城市化與資源承載力、城市群發展[4—6]等方面的研究,形成了系統的理論和方法體系。生態環境的研究由運用單一指標評價特定生態環境轉向借助遙感技術評估遙感生態環境指數、運用谷歌地球引擎(GEE)生態環境質量等綜合指標進行長時序綜合評價[7—9]。

社會經濟高速發展帶來嚴重的生態環境問題,越來越多的學者將研究重心轉向城鎮化與生態環境關系的研究,如匹配分析[10]、協同發展研究[11]、耦合分析[12]等。國外對城鎮化與生態環境之間的關系研究最早源于將“庫茲涅茨曲線”引入到環境質量與國民經濟發展相關關系的研究中。Grrossman和Krueger將庫茲涅茨曲線引入生態環境領域,進行經濟發展與環境污染之間內在關系的研究,創造性地提出了倒“U”形環境庫茲涅茨曲線[13];Henderson分析了生態環境與城市規模之間的關系[14],Burgi等研究總結城鎮化對生態格局的影響機制[15]。近年來的研究主要集中在城市規模與生態環境的關系、綠色生態城市的動態演化[16]和城鎮化與經濟規模耦合規律的研究。國內學者在對兩者關系探究的基礎上,致力于研究城鎮化與生態環境的耦合協同問題[17]。研究方法包括耦合協調模型[18]、系統動力學模型[19]、向量自回歸模型[20]和回歸分析[21]等。國內對城市群地區城鎮化與生態環境耦合關系研究已經形成基本研究范式[22],包括城市群間的區際尺度的遠程交互作用機理和城市群內部各城市間的區內尺度的近程交互作用機理的研究。目前研究內容多集中在新型城鎮化與生態環境間的耦合協調機理和規律的研究,利用地理探測器和網絡可視化方法探究兩系統各因子間交互作用的研究比較鮮見。

成渝城市群作為中國五大國家級城市群之一,是引領西部發展的增長極,是一帶一路、長江經濟帶戰略實施的創新高地。本文以城鎮化與生態環境各因子交互作用機制為切入點,以成渝城市群為例,測度城鎮化與生態環境交互耦合協調關系,剖析城鎮化系統和生態環境系統間及系統內各層次因子間的交互作用方式和強度,識別城鎮化與生態環境各因子交互作用的主導因子,深刻認識成渝城市群城鎮化與生態環境的交互協同模式,以期為成渝城市群的高質量發展提供科學參考。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

成渝城市群是四川盆地的核心地區,總面積達18.5萬km2,占盆地面積的86.7%,2018年末成渝城市群常住人口9349.75萬人,城鎮化率達59.43%,是我國西部地區城鎮化水平最高和最具發展潛力地區[23]。成渝城市群以成都和重慶兩市為雙核,具體包括重慶、成都等36個市縣空間單元(圖1)。

圖1 研究區概況圖Fig.1 Overview of the study area

1.2 數據來源及研究方法

1.2.1數據來源

本文所用數據主要包括遙感影像數據和社會經濟統計數據。遙感影像數據選取的土地利用類型數據和中國海拔高度(DEM)數據均來源于中國科學院資源環境科學數據中心。社會經濟數據源自2005—2018年《四川統計年鑒》《重慶統計年鑒》《中國城市統計年鑒》《四川省水資源公報》和《重慶市水資源公報》,部分環境數據來自各市區的環境質量狀況公報和各區縣生態文明建設規劃。

1.2.2指標體系構建

依據《國家新型城鎮化規劃(2014—2020年)》的新型城鎮化評價框架,結合已有的對城鎮化發展研究[24],基于高質量發展理念從創新發展、協調發展、體制發展、開放發展、共享發展、文化發展6個維度構建城鎮化質量指標體系(表1)。參照《中共中央國務院關于加快推進生態文明建設的意見》及《生態縣、生態市、生態省建設規劃編制導則》,結合成渝城市群生態環境現狀,參考壓力-狀態-響應模型[25]構建生態環境質量評價指標體系(表2)。

表1 城鎮化質量指標體系Table 1 Urbanization quality index system

表2 生態環境質量指標體系Table 2 Eco-environmental quality index system

表2中,生態風險指數是指經濟發展、區域建設和人類的生產生活活動所導致的生態系統的不利變化或對人類健康造成的不良影響的程度和可能性[26]。公式如下:

(1)

(2)

(3)

生物豐度指數指單位面積上不同生態系統類型在生物物種數量上的差異[27]。公式如下:

生物豐度指數=Abio×(0.35×林地+0.21×草地+0.28×水域濕地+0.11×耕地+0.04×建設用地+0.01×未利用地)/區域面積

(4)

Abio=100/Amax

(5)

式中:Abio表示生物豐度歸一化指數,Amax表示生物豐度指數歸一化處理前的最大值。

地形位指數是復合分析海拔和坡度屬性信息的指標[28]。計算公式如下:

(6)

式中,T為地形位指數,E及E0分別為空間內任一柵格的高程和平均高程,S和S0分別為空間內任一柵格的坡度值和平均坡度值。一般地,海拔低、坡度小的柵格地形位指數小,反之越大;海拔低坡度大或海拔高坡度小的柵格,其地形位指數居中。

1.2.3研究方法

(1) 熵權法

城鎮化和生態環境質量評價指標權重應用熵權法來計算。熵權法客觀地解釋和表征各驅動因子在指標體系中的地位和作用[29]。

(2)耦合協調度模型

運用耦合協調度模型量化系統之間的相互作用及影響關系。公式如下[30—33]:

(7)

(8)

式中:C表示耦合度;U表示指標體系各指標值。C值屬于[0,1],C值越接近1,系統間的耦合度越強。D為協調度,D∈[0,1],D越大,協調度越高。f(x)為城鎮化質量函數;g(x)為生態環境質量函數;T為協調指數,表征城鎮化質量與生態環境質量對協調度的貢獻;α、β為待定系數,取α=β=0.5。

借鑒黃金川、方創琳和顏姜慧等關于城鎮化與生態環境的耦合協調關系的研究[34—35],結合成渝城市群城鎮化與生態環境耦合協調關系特征,進行耦合度及耦合協調度類型劃分(表3):

表3 耦合協調度劃分標準Table 3 Classification standard of coupling coordination degree

(3)地理探測器

地理探測器用以識別兩個系統之間及內部不同驅動因子之間的交互作用,評估任意兩個驅動因子共同作用時是否會增強或減弱對交互耦合作用的解釋力[36]。先計算兩種因子的q值:q(X1)和q(X2),再計算交互時的q值:q(X1∩X2),并對q(X1)、q(X2)和q(X1∩X2)的值進行比較。依據q值將因子間的交互作用關系分為非線性減弱、單因子非線性減弱、雙因子增強、獨立和非線性增強五種類型(表4)。

表4 交互作用類型Table 4 Interaction type

2 結果分析

2.1 高質量發展與生態環境質量間關系的動態演化

城市高質量發展指數和生態環境質量指數測度結果表明(圖2):成渝地區各城市生態環境壓力小,環境本底相對較好,生態環境對城鎮化的約束效應較弱。成都市和重慶市城鎮化和生態環境質量水平相當,其余34個市縣的生態環境質量較好,城鎮化水平相對較低,城鎮化對生態環境的脅迫效應較弱,城鎮化與生態環境處于交互脅迫的初級共生階段[37]。

圖2 高質量發展與生態環境質量動態演化關系Fig.2 The dynamic evolutionary between high-quality development and ecological quality

2.2 高質量發展與生態環境質量的耦合協調關系

成渝城市群城鎮化與生態環境交互作用顯著,大部分城市的耦合度高于0.7,處于高度耦合和良好耦合階段,少數城市(19.4%)處于中度耦合向良好耦合躍遷階段。成都市、重慶市耦合度高于0.9,處于高度耦合階段,其余城市處于累積耦合效能階段(圖3)。

圖3 城鎮化質量與生態環境質量耦合度時空格局Fig.3 Spatial-temporal pattern of coupling degree between urbanization quality and ecological environment quality

成渝城市群城鎮化與生態環境耦合協調水平整體較低,呈波動上升趨勢,空間差異顯著,成都和重慶市區協調度較高,雙核心空間結構顯著(圖4)。依據2005—2018年耦合協調度值將成渝城市群城市分為四類:

圖4 城鎮化質量與生態環境質量耦合協調度時空格局Fig.4 Spatial-temporal pattern of coupling coordination degree between urbanization quality and ecological environment quality

同步發展型城市:此類城市城鎮化水平與生態環境質量同步發展,包括成都和重慶兩市,耦合協調度相對較高(0.5—0.627)且呈緩慢升高趨勢,處于中級協同發展階段。

生態環境引領型城市:該類城市生態環境本底好,城鎮化發展水平較低,包括雅安、綿陽、德陽、樂山和永川區5個市區,耦合協調度在0.4—0.473之間,為基本協調類型。該類城市生態環境質量良好,應適當提高城市社會經濟發展水平。

低水平協調型城市:該類城市協調發展水平較低(0.301—0.399),城鎮化通過人口增長、資源消耗及交通擴張等對生態環境產生脅迫,生態環境又通過人口驅逐、政策干預等制約城鎮化發展[38]。這類城市在成渝城市群中占比最高,2005、2010、2015和2018年占比分別為80.6%、58.3%、77.8%和75%,成渝城市群大部分地區城鎮化與生態環境交互協調水平低,未形成良好的系統發展模式。

嚴重失調型城市:此類城市耦合協調度低于0.3,包括內江、資陽市兩市,城鎮發展對生態環境具有較強的脅迫作用,應加強生態環境治理和保護。

2.3 高質量發展與生態環境質量的因子交互作用

運用地理探測器對城鎮化與生態環境間、城鎮化系統內部、生態環境系統內部兩兩因子交互作用分別進行探測(表5,表6)。城鎮化與生態環境系統間各因子交互作用呈現顯著的非線性增強和雙因子增強,兩系統內部因子交互作用類型呈現雙因子增強和非線增強效應,且以雙因子增強為主要交互作用類型。整體上,系統間和系統內各因子交互協同效應顯著,存在明顯的“涌現現象”和“蝴蝶效應”。

表5 準則層上城鎮化與生態環境因子交互作用結果Table 5 The result of interaction between urbanization and ecological environment in criterion layer

表6 次準則層上城鎮化與生態環境因子交互作用Table 6 The result of interaction between urbanization and ecological environment in sub-criterion layer

準則層上,任意兩因子交互后的作用均大于單個驅動因子,生態環境因子是促進協調發展的主導因子。資源環境水平與生態環境治理、生態環境治理與生態環境壓力、協調發展與文化發展、共享發展與創新發展具有極強的交互協同作用,共同作用促進城市高質量發展。2005年,生態環境系統中資源環境水平與其他因子的交互作用最強(21.411),為推動協調發展的關鍵因子。2010年,資源環境水平(23.194)和資源環境治理(20.919)與其他因子交互作用較強,為城鎮化與生態環境協調發展的主導因子。2015年,生態環境水平為一級因子(21.487),生態環境治理為二級因子(16.698),生態環境質量因子仍為區域協同發展的關鍵驅動因素,城鎮化因子貢獻率有所提升。2018年,資源環境水平為一級因子(21.499),生態環境治理為二級因子(19.537),生態環境壓力和文化發展為三級因子,生態環境因子仍為區域協同發展的關鍵驅動因素(圖5)。

圖5 準則層因子交互作用強度Fig.5 Interaction strength of criterion layer factors弧線表示因子交互關系,弧線越粗,因子交互作用越強;綠色弧線代表生態環境質量因子交互作用,紅色弧線代表城鎮化質量因子交互作用,棕色弧線代表生態環境質量—城鎮化質量交互作用

次準則層上,生態環境系統各子因子在交互作用中占據主導地位,其中資源稟賦與生態環境保護因子強度最大,良好的生態環境是高質量協同發展的基本保障;創新力量、文化傳承、產業協調、公共設施等因子對城鎮化和生態環境耦合協調發展的貢獻率不斷增強。2005年資源稟賦與其他子因子交互作用強,為一級因子;2010年資源稟賦和生態保護因子與其他子因子交互作用強度大,為一級因子,環境水平、資源消耗和污染治理為二級因子;2015年資源稟賦為一級因子;2018年資源稟賦和生態保護為主導因子(圖6)。

3 結論

本文基于地理探測器和社會網絡分析方法探析城鎮化和生態環境兩個系統影響因素“一對多”“多對多”的復雜交互關系,從不同層次上識別影響城市高質量發展與生態環境質量交互作用的主導因子,關注因子交互作用強度和交互作用類型,解構兩系統交互作用的主導因子及時空特征,主要結論如下:

(1)成渝城市群城鎮化水平與生態環境耦合度較高,交互協調水平較低,空間上呈現“成都-重慶”雙核心空間結構。成渝城市群生態環境本底較好,城鎮化發展較緩慢,城鎮化與生態環境處于交互脅迫的初級共生發展階段。依據耦合協調水平將成渝城市群城市分為同步發展型、生態環境引領型、低水平協調型和嚴重失調型四類,并根據各類城市特征提出環境治理建議。

(2)城鎮化與生態環境兩系統間的因子交互作用強于各系統內部因子交互作用,系統間的交互作用以非線性增強為主,各內部系統以雙因子增強為主,系統間存在較強的交互協同效應,各子系統交互作用存在明顯的“涌現現象”和“蝴蝶效應”。

(3)生態環境質量是城市高質量發展的本底。生態環境水平、生態環境壓力是城鎮發展與生態環境的關鍵交互因子,其中資源稟賦、生態保護、資源消耗和環境水平為主導子因子,城市發展因子中創新力量、文化傳承、產業協調、公共設施為主導交互子因子。

生態環境質量是城市高質量發展的本底,在推進城市高質量發展的同時,需進一步加強生態文明建設,用生態文明理念引領城鎮產業結構調整,淘汰高強度污染、高能源消耗、低效率產業,發展綠色制造業、節能環保產業等推動城市群地區高質量發展。