吳艷霞,羅 恒,梁志康

西安理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院, 西安 710054

中國城鎮(zhèn)化正在歷經(jīng)由高速發(fā)展轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期,生態(tài)文明建設(shè)愈發(fā)成為社會(huì)發(fā)展的主題,生態(tài)安全作為生態(tài)文明建設(shè)的核心特征之一,在經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展過程中正扮演著越來越重要的角色,并成為地區(qū)乃至國家競爭力的體現(xiàn)。生態(tài)安全不僅指自然環(huán)境的生態(tài)安全,更包含城鎮(zhèn)生態(tài)安全、城鎮(zhèn)化與自然生態(tài)共生發(fā)展的安全。過去快速的城鎮(zhèn)化在推動(dòng)我國社會(huì)發(fā)展的同時(shí)也帶來了自然資源大量消耗、生態(tài)狀況惡化等嚴(yán)重的環(huán)境問題,威脅地區(qū)生態(tài)安全并桎梏地區(qū)城鎮(zhèn)化的高質(zhì)量發(fā)展。

國外關(guān)于地區(qū)生態(tài)安全的研究萌芽于19世紀(jì),Robert Owen用田園城市描述城鎮(zhèn)發(fā)展與自然環(huán)境應(yīng)有的和諧狀態(tài)[1]。20世紀(jì)70年代Lester R Brown初次提出環(huán)境生態(tài)安全這一概念并進(jìn)行了并對(duì)其進(jìn)行研究[2],1989年IASA將生態(tài)安全定義為人類生命健康、生活環(huán)境、資源利用等沒有受到直接或間接威脅的一種持續(xù)性狀態(tài)[3]。隨后伴隨全球范圍的大規(guī)模城鎮(zhèn)化和工業(yè)化,生態(tài)安全成為了學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)問題,研究成果豐碩,并由對(duì)生態(tài)安全的定性定量評(píng)價(jià)研究逐漸轉(zhuǎn)向了多元化研究,例如生態(tài)安全模型構(gòu)建[4]、生態(tài)安全與經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)系[5]、生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制[6]、國家間生態(tài)安全建設(shè)能力[7]等,而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[8-9]、生態(tài)空間探索模型[10]的研究也逐漸成為熱點(diǎn)。國內(nèi)對(duì)于生態(tài)安全的研究雖起步相對(duì)西方較晚,但相關(guān)研究也已得到了長足發(fā)展。生態(tài)安全研究模型涵蓋數(shù)字地面模型(例如航天遙感源模型、地形圖源模型、地面實(shí)測源模型)[11]、景觀生態(tài)模型(例如景觀生態(tài)安全格局法)[12-14]、足跡生態(tài)模型(例如足跡法)[15-17]、數(shù)學(xué)模型(包括含物元法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、灰色關(guān)聯(lián)法)[18-21]。研究對(duì)對(duì)象涵蓋城市生態(tài)安全[22]、土地生態(tài)安全[23]、濕地生態(tài)安全等[24],隨著計(jì)算機(jī)發(fā)展,利用大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行生態(tài)安全研究也開始興起[25-26]。梳理相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)前針對(duì)我國核心區(qū)域城鎮(zhèn)化與自然環(huán)境共生生態(tài)安全的研究仍較少,而如何破解這一生態(tài)安全難題,保障地區(qū)城鎮(zhèn)化與自然環(huán)境共生生態(tài)安全并實(shí)現(xiàn)兩者協(xié)調(diào)發(fā)展,已成為當(dāng)下城鎮(zhèn)化發(fā)展過程中亟待解決的關(guān)鍵問題。

2018年4月習(xí)近平總書記在武漢座談會(huì)上提出長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展作為國家重點(diǎn)戰(zhàn)略,必須生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展同步,推動(dòng)長江經(jīng)濟(jì)帶的高質(zhì)量發(fā)展。標(biāo)志著長江經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展邁入新階段。截止2017年,長江經(jīng)濟(jì)帶經(jīng)濟(jì)總量達(dá)37萬億,平均城鎮(zhèn)化率已達(dá)59.67%,這一節(jié)點(diǎn)正是生態(tài)承載力受迫增大、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與自然環(huán)境矛盾突出的關(guān)鍵時(shí)期,因此從城鎮(zhèn)化與自然生態(tài)共生視角出發(fā)研究長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)安全格局演變,探究其生態(tài)安全問題成因,對(duì)于長江經(jīng)濟(jì)帶實(shí)現(xiàn)綠色、高質(zhì)量發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

由此,本文選取長江經(jīng)濟(jì)帶11個(gè)省市2006年至2017年數(shù)據(jù),基于Lotka-Volterra共生模型及DPSIR模型來構(gòu)建長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)安全測度模型,利用R聚類法和非參數(shù)K-W檢驗(yàn)進(jìn)行指標(biāo)篩選并采用熵權(quán)法進(jìn)行指標(biāo)賦權(quán),構(gòu)建生態(tài)受力指數(shù)——共生指數(shù)雙特征指數(shù)進(jìn)行長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)判斷及成因分析。最后根據(jù)研究結(jié)論提出有針對(duì)性的對(duì)策建議,為長江經(jīng)濟(jì)帶相關(guān)部門優(yōu)化區(qū)域生態(tài)安全格局提供參考和借鑒。

1 研究區(qū)域概況、數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

長江經(jīng)濟(jì)帶全域涵蓋浙江、江蘇、江西、安徽、湖南、湖北、貴州、云南、四川等9個(gè)省份及上海、重慶兩個(gè)直轄市,橫跨中國版圖的東部、中部、西部,轄域面積達(dá)205萬km2,占中國國土總面積的21%,如圖1所示。長江經(jīng)濟(jì)帶人口及經(jīng)濟(jì)總量則都已經(jīng)占到了中國經(jīng)濟(jì)的40%,具有獨(dú)特的經(jīng)濟(jì)地理優(yōu)勢,能夠促進(jìn)長江下游發(fā)達(dá)地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長優(yōu)勢滲透到中上游地區(qū),從而最大限度拓寬長江中上游各省市經(jīng)濟(jì)增長空間,有利于長江全流域經(jīng)濟(jì)互補(bǔ)格局的形成,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)面向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型。也正是由于長江經(jīng)濟(jì)帶部分地區(qū)在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時(shí)的粗放式管理,導(dǎo)致該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間矛盾日益突出,給長江流域生態(tài)文明建設(shè)帶來了巨大壓力,地區(qū)生態(tài)安全問題亟待解決。

圖1 長江經(jīng)濟(jì)帶區(qū)位圖Fig.1 Location map of the Yangtze River Economic Belt

本文選取長江經(jīng)濟(jì)帶2006—2017年數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,數(shù)據(jù)選取至11個(gè)省市的統(tǒng)計(jì)年鑒、《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》、各省市的國民經(jīng)濟(jì)及社會(huì)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)公報(bào)、環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)、環(huán)保及水利部分發(fā)布信息等。對(duì)于部分缺失數(shù)據(jù),利用插值法及相鄰近年份的數(shù)據(jù)補(bǔ)齊。

1.2 Lotka-Volterra共生模型構(gòu)建

對(duì)地區(qū)生態(tài)安全綜合測度方法可以歸納為兩大體系[27]：即特征指數(shù)法和指標(biāo)體系法,特征指數(shù)法可以使得整體測度結(jié)果便于直接理解,但單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為特征指數(shù)時(shí)會(huì)損失其自身的生態(tài)經(jīng)濟(jì)意義,不利于生態(tài)安全成因分析；指標(biāo)體系法則相反,單項(xiàng)指標(biāo)都具有生態(tài)經(jīng)濟(jì)意義,但經(jīng)過無量綱處理及加權(quán)處理求得綜合值后,反而不具備直觀的生態(tài)經(jīng)濟(jì)意義。本文綜合兩者優(yōu)點(diǎn),構(gòu)建特征指數(shù)法與指標(biāo)體系法耦合測度方法。

地區(qū)生態(tài)安全系統(tǒng)可以視作由城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)和自然生態(tài)子系統(tǒng)共同構(gòu)成,并受到復(fù)雜交互作用機(jī)制的影響。城鎮(zhèn)化發(fā)展帶來的人口激增、工業(yè)污染等問題對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展造成威脅,而隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展到一定高度,城鎮(zhèn)化和科技的進(jìn)步反而能改善自然生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展,典型如新加坡[28]。另一方面,自然生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的好壞可以對(duì)資本流向、人口聚集起到一定的調(diào)節(jié)作用,進(jìn)而約束地區(qū)城鎮(zhèn)化系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)程。兩子系統(tǒng)關(guān)系與生物種群共生理論符合,即固定生態(tài)系統(tǒng)中存在兩各物種,兩個(gè)物種在自身生存空間基礎(chǔ)上存在兩種關(guān)系：對(duì)生態(tài)系統(tǒng)資源的爭奪或是互利共生擴(kuò)充生態(tài)系統(tǒng)資源,A.J.Lotka和V.Volterra最先提出即Lotka-Volterra共生模型來描述這一種群關(guān)系,該模型如下所示(假設(shè)生態(tài)系統(tǒng)存在種群S1和S2)：

(1)

(2)

式中,r1/r2：S1/S2增長率；N1(t)/N2(t)：S1/S2現(xiàn)存數(shù)量；k1/k2：S1/S2環(huán)境容納量；α(β):S2對(duì)S1(S1對(duì)S2)競爭強(qiáng)度系數(shù)；t：時(shí)間；αN2(t)：一個(gè)單位S2侵占α個(gè)S1生存空間；βN1(t)：一個(gè)單位S1侵占β個(gè)S2生存空間。α/β符號(hào)可正可負(fù)可為0,分別代表競爭狀態(tài)/擴(kuò)充對(duì)方容量狀態(tài)/無影響狀態(tài)。

基于前述分析,本文引入該模型并構(gòu)造城鎮(zhèn)化——自然生態(tài)Lotka-Volterra共生模型來測度城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)與自然生態(tài)子系統(tǒng)共生關(guān)系,模型如下所示(此時(shí)系統(tǒng)中存在兩個(gè)子系統(tǒng)：城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)F/自然生態(tài)子系統(tǒng)E)：

(3)

(4)

式中,rF/rE：城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)/自然生態(tài)子系統(tǒng)增長率；F(t)/E(t)：城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)/自然生態(tài)子系統(tǒng)綜合發(fā)展水平指數(shù)；C：地區(qū)環(huán)境容納量指數(shù)；α:自然生態(tài)子系統(tǒng)對(duì)城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)的競爭系數(shù)(β相反)；t：時(shí)間。

α>0表示城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)受到自然生態(tài)子系統(tǒng)侵害；α<0表示自然生態(tài)子系統(tǒng)擴(kuò)充了城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)環(huán)境容量；α=0表示系統(tǒng)間無影響。(β分析同理)

1.3 競爭強(qiáng)度系數(shù)測算

為計(jì)算出α/β值,選取K為時(shí)間變量來離散化處理式(3)—式(4),假定第k年附近,環(huán)境容量、競爭強(qiáng)度系數(shù)為常數(shù),處理如下：

(5)

(6)

求解式(5)、式(6)可得：

式中,

(7)

式中,γF(k)/γE(k)表示F(t)/E(t)指數(shù)增長率

1.4 生態(tài)安全DPSIR模型構(gòu)建、指標(biāo)篩選及賦權(quán)

1.4.1生態(tài)安全DPSIR模型構(gòu)建

更進(jìn)一步,為求得競爭系數(shù)α/β,需要首先求得基本指數(shù)F(t)、E(t)、C。為此,本文在參閱相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上[29-35],基于“驅(qū)動(dòng)-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(DPSIR)”模型構(gòu)建生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,以此求得F(t)、E(t)、C等指數(shù),其模型框架如圖2所示。

圖2 “驅(qū)動(dòng)-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(DPSIR)”模型框架圖Fig.2 “Drive-pressure-state-impact-response (DPSIR) ” model frame diagram

圖中D代表的是城鎮(zhèn)化驅(qū)動(dòng)力,對(duì)資源環(huán)境有正向增益作用。圖中P代表的是城鎮(zhèn)化壓力,對(duì)資源與環(huán)境狀態(tài)造成脅迫。城鎮(zhèn)化動(dòng)力和壓力共同構(gòu)成城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)發(fā)展水平指數(shù)F測度指標(biāo)。圖中S代表的是資源與環(huán)境狀態(tài),反映當(dāng)下環(huán)境容量水平,。圖中R代表的是人類響應(yīng),反映人類為改善生態(tài)環(huán)境所付出的行動(dòng),可以提升環(huán)境容量水平。資源與環(huán)境狀態(tài)、人類響應(yīng)共同構(gòu)成環(huán)境容量水平C測度指標(biāo)。圖中I表示的是生態(tài)影響,反映前述諸多因素下生態(tài)環(huán)境受到的影響。用于測度生態(tài)水平指數(shù)E。

1.4.2指標(biāo)篩選

本文利用R聚類法和變異系數(shù)法對(duì)初選的31個(gè)指標(biāo)進(jìn)行篩選。使用R聚類法的目的在于將初選指標(biāo)中信息相同者歸為一類,進(jìn)一步讓各類指標(biāo)代表不同信息,保障各類指標(biāo)彼此獨(dú)立,信息不重復(fù)。使用變異系數(shù)法目的在于求得所選取指標(biāo)的信息量大小,每類中信息量大者保留,信息量小者刪除,由此保障所保留的指標(biāo)盡可能具備最大鑒別度。步驟如下：首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)聚類,最后進(jìn)行非參數(shù)K-W檢驗(yàn)并利用變異系數(shù)法篩選出具有最強(qiáng)鑒別度、信息含量最大的指標(biāo)。

根據(jù)上述步驟基于長江經(jīng)濟(jì)帶2006—2017年數(shù)據(jù)進(jìn)行指標(biāo)篩選,結(jié)果如表1所示：

表1 指標(biāo)篩選結(jié)果Table 1 Indicator screening results

1.4.3指標(biāo)賦權(quán)

利用熵權(quán)法對(duì)篩選出來的21個(gè)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán),計(jì)算權(quán)重結(jié)果如表2所示。

表2 指標(biāo)權(quán)重Table 2 Indicator weights

1.5 綜合特征指數(shù)的構(gòu)造及生態(tài)安全判據(jù)

基于競爭系數(shù)α、β來可以判斷出城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)受力方向及自然生態(tài)子系統(tǒng)受力方向,如圖3所示。進(jìn)一步可以求得城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)受力指數(shù)SF(k)及自然生態(tài)子系統(tǒng)受力指數(shù)SE(k),受力指數(shù)表明某一系統(tǒng)對(duì)另一系統(tǒng)的影響程度：

圖3 城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)——自生態(tài)子系統(tǒng)共生關(guān)系分類圖Fig.3 Urbanization subsystem-classification diagram of symbiotic relationships from ecological subsystem

(8)

(9)

在此基礎(chǔ)上,本文構(gòu)造出包含兩子系統(tǒng)相互作用特征的的綜合特征指數(shù),即共生度指數(shù)S(k)：

(9)

此處共生度指數(shù)S(k)表征城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)與自然生態(tài)子系統(tǒng)共生關(guān)系的優(yōu)劣程度,測度結(jié)果具有明確的生態(tài)意義。

圖4 城鎮(zhèn)化——自然生態(tài)二維共生模型Fig.4 Urbanization-two-dimensional symbiosis model of natural ecology

在二維共生模型中,生態(tài)安全被分為6個(gè)區(qū)域,這六個(gè)區(qū)域相互遞進(jìn),符合生態(tài)安全在演變過程中存在著漸進(jìn)性的規(guī)律。在安全區(qū),城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)與自然生態(tài)子系統(tǒng)處于互利共生狀態(tài),彼此擴(kuò)充生存空間；在亞安全區(qū),自然生態(tài)系統(tǒng)雖然仍處于增益狀態(tài),但這是以犧牲城鎮(zhèn)化發(fā)展為前提的生態(tài)安全,處于不穩(wěn)定狀態(tài)；如果城鎮(zhèn)化系統(tǒng)持續(xù)受損,將轉(zhuǎn)入敏感區(qū),此時(shí)城鎮(zhèn)化系統(tǒng)收到的損害要大于自然生態(tài)系統(tǒng)的獲利,這一狀態(tài)若持續(xù),將使得兩子系統(tǒng)處于競爭狀態(tài),兩者都受到傷害,即位于危險(xiǎn)區(qū)；在風(fēng)險(xiǎn)區(qū),城鎮(zhèn)化系統(tǒng)獲得弱利而自然經(jīng)濟(jì)受損,此時(shí)人類若能認(rèn)識(shí)到這一狀況并采取措施改善環(huán)境,則可能從風(fēng)險(xiǎn)區(qū)跨越至康復(fù)區(qū),使得生態(tài)安全出現(xiàn)好轉(zhuǎn),并有機(jī)會(huì)進(jìn)入安全區(qū)域。

基于上述分析,本文將生態(tài)安全狀態(tài)劃分為6類,對(duì)應(yīng)6個(gè)生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)(以顏色標(biāo)注),如表3所示。

表3 生態(tài)安全狀態(tài)和預(yù)警等級(jí)Table 3 Ecological security status and warning levels

2 結(jié)果與分析

2.1 長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)安全狀態(tài)綜合評(píng)判結(jié)果分析

通過對(duì)長江經(jīng)濟(jì)帶2006—2017年生態(tài)安全狀況進(jìn)行實(shí)證分析,得到城鎮(zhèn)化系統(tǒng)發(fā)展水平指數(shù)、自然生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展水平指數(shù)、環(huán)境容量指數(shù)等基本指數(shù),如圖5所示。

由圖5可知,長江經(jīng)濟(jì)帶城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)發(fā)展水平指數(shù)總體而言呈上漲趨勢,由2006年的0.1335上漲至2017年的0.2808。究其原因,一方面,隨著過去20年中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,長江經(jīng)濟(jì)帶社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平得到了較大改善,城鎮(zhèn)化驅(qū)動(dòng)力動(dòng)力提升顯著,經(jīng)濟(jì)增長強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)消費(fèi)活力、高素質(zhì)人才比例、人民生活保障等影響因素都得到了長足發(fā)展；另一方面,隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化、科技進(jìn)步及環(huán)保治理意識(shí)的增強(qiáng),長江經(jīng)濟(jì)帶城鎮(zhèn)化壓力得到一定程度的緩解,但這種壓力的減輕分布并不均勻,以上海、浙江為代表的長江下游省市城鎮(zhèn)化壓力改善程度明顯優(yōu)于長江中上游城市,這一問題值得重視,例如2008年至2010年長江經(jīng)濟(jì)帶城鎮(zhèn)化發(fā)展水平指數(shù)出現(xiàn)下降趨勢,其原因就在于部分省份城鎮(zhèn)化壓力增長帶來的負(fù)面效應(yīng)超過了城鎮(zhèn)化驅(qū)動(dòng)力帶來的提升效應(yīng),典型如四川省在2006年二產(chǎn)占比增長幅度較大,工業(yè)化進(jìn)程加快,直至2011年二產(chǎn)占比達(dá)到47.8的巔峰后才出現(xiàn)下降,隨之而來的工業(yè)污染增加給地區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來巨大壓力。同時(shí)隨城鎮(zhèn)化步伐的加快,人口的大量聚集也給地區(qū)生態(tài)承載力安全線造成了脅迫,這一點(diǎn)在新興大型城市表現(xiàn)尤為明顯。

圖5 長江經(jīng)濟(jì)帶基本指數(shù)測度結(jié)果Fig.5 The results of the basic index measurement of the Yangtze River Economic Belt

長江經(jīng)濟(jì)帶環(huán)境容量指數(shù)在2006年至2017年間一直呈平穩(wěn)上升狀態(tài),由2006年的0.0213上升至2017年的0.3306。環(huán)境容量指數(shù)的上漲來來自于兩個(gè)支撐點(diǎn),其一,城鎮(zhèn)化發(fā)展水平的總體提高使長江經(jīng)濟(jì)帶資源與環(huán)境狀態(tài)得到了改善,諸如能源資源狀態(tài)、城市綠化狀態(tài)、城市建設(shè)狀態(tài)都得到穩(wěn)步提升,這一點(diǎn)值得肯定；其二,人類的響應(yīng)對(duì)于長江經(jīng)濟(jì)帶環(huán)境容量的擴(kuò)充起到了積極作用。一方面,長江經(jīng)濟(jì)帶第三產(chǎn)業(yè)總體而言不斷提升,出現(xiàn)了由東向西的產(chǎn)業(yè)升級(jí)進(jìn)程,改造或淘汰高能耗高污染企業(yè)已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的共識(shí),同時(shí)長江經(jīng)濟(jì)帶大部分省份對(duì)環(huán)境污染的處理效率也得到加強(qiáng),另一方面,科研投入力度不斷增大,人類改善環(huán)境能力得到強(qiáng)化,再加上政府主導(dǎo)的造林規(guī)模不斷擴(kuò)大,為長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)承載力改善做出了一定貢獻(xiàn)。

長江經(jīng)濟(jì)帶自然生態(tài)子系統(tǒng)發(fā)展水平指數(shù)整體而言增長緩慢且波動(dòng)狀態(tài)顯著。其中值得肯定的是長江經(jīng)濟(jì)帶整體森林覆蓋率呈上升趨勢,森林資源結(jié)構(gòu)和森林生態(tài)涵養(yǎng)功能得到增強(qiáng),同時(shí)長江經(jīng)濟(jì)帶空氣質(zhì)量也得到了明顯改善,這也是自然子系統(tǒng)發(fā)展水平指數(shù)增長的重要原因。但伴隨城鎮(zhèn)化而來的是對(duì)耕地生態(tài)空間的不斷擠壓,間接導(dǎo)致了地區(qū)自然生態(tài)水平增益速度緩慢,這一點(diǎn)應(yīng)當(dāng)警惕。

根據(jù)對(duì)城鎮(zhèn)化發(fā)展水平指數(shù)F、自然生態(tài)發(fā)展水平指數(shù)E、環(huán)境容量指數(shù)C等基本指數(shù)的測度結(jié)果,本文對(duì)2007年至2016年長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)安全狀態(tài)(城鎮(zhèn)化——自然生態(tài)共生協(xié)調(diào)狀況)進(jìn)行綜合評(píng)判并給出相應(yīng)的預(yù)警等級(jí),如圖6所示。

由圖6可得,長江經(jīng)濟(jì)帶城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)受力指數(shù)除2010年及2016年小于0以外,其余年份皆大于0,這一結(jié)果表明長期以來長江經(jīng)濟(jì)帶自然生態(tài)子系統(tǒng)對(duì)城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)的作用力基本為正,對(duì)城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)發(fā)展起到了促進(jìn)作用。而長江經(jīng)濟(jì)帶自然生態(tài)受力指數(shù)在2009年大于0,同時(shí)2009年共生度指數(shù)也大于0,按照前述構(gòu)建的生態(tài)安全評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),2009年長江經(jīng)濟(jì)帶城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)與自然生態(tài)子系統(tǒng)處于互利共生的協(xié)調(diào)狀態(tài),生態(tài)安全狀況位于安全區(qū),然而其余年份自然生態(tài)受力指數(shù)皆小于0,表明自然生態(tài)系統(tǒng)長期受負(fù)向作用力,在城鎮(zhèn)化發(fā)展過程中,自然生態(tài)子系統(tǒng)發(fā)展受到了抑制作用。尤其是在2010年與2016年兩年,共生度指數(shù)甚至低于-1,此時(shí)生態(tài)安全處于紅色危險(xiǎn)區(qū),城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)與自然生態(tài)子系統(tǒng)處于相互競爭,如若能積極改善生態(tài)環(huán)境狀況,緩解生態(tài)承載力壓力,有希望進(jìn)入康復(fù)區(qū),否則只會(huì)持續(xù)惡化環(huán)境,不利于長江經(jīng)濟(jì)帶可持續(xù)發(fā)展,。這也更加表明長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)安全狀態(tài)受城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)與自然生態(tài)子系統(tǒng)共同作用,取決于兩子系統(tǒng)的共生協(xié)調(diào)程度。

圖6 長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)安全狀態(tài)及預(yù)警結(jié)果Fig.6 Ecological security status and early warning results of the Yangtze River Economic Belt

2.2 各省份生態(tài)安全狀態(tài)及預(yù)警等級(jí)評(píng)判結(jié)果分析

在此基礎(chǔ)上,本文對(duì)2007年至2016年長江經(jīng)濟(jì)帶11個(gè)省市生態(tài)安全受力狀況及共生指數(shù)進(jìn)行具體測度,并得到其生態(tài)安全狀態(tài)及預(yù)警等級(jí)評(píng)判結(jié)果,如圖7、圖8、圖9及表4所示。由圖7、圖8、圖9可知,長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)安全格局空間差異明顯,未出現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn),個(gè)別地區(qū)生態(tài)安全狀況出現(xiàn)回落狀況,生態(tài)安全位于安全區(qū)省份有所減少。整體生態(tài)安全格局由2007年的“中部較高,兩側(cè)偏低”格局轉(zhuǎn)向2010年的“普遍偏低格局”再到2016年的“東西較高,中部偏低”格局。

圖7 生態(tài)安全格局(2007)Fig.7 Ecological security pattern (2007)

圖8 生態(tài)安全格局(2010)Fig.8 Ecological security pattern (2010)

圖9 生態(tài)安全格局(2016)Fig.9 Ecological security pattern (2016)

表4 2009—2016年各城市生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)評(píng)判結(jié)果Table 4 Judging results of ecological security warning levels for cities in 2009—2016

就城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)受力指數(shù)SF而言,浙江省和四川省近年來城鎮(zhèn)化發(fā)展水平穩(wěn)步提升,受到自然生態(tài)子系統(tǒng)的正向作用力。尤其是浙江省作為沿海發(fā)達(dá)地區(qū)的典型代表,近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展勢頭尤為強(qiáng)勁,而四川作為長江上游地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展領(lǐng)頭羊,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展表現(xiàn)不俗。結(jié)合自然生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展水平指數(shù)SE與共生度指數(shù)S來看,浙江省在城鎮(zhèn)化發(fā)展過程中仍對(duì)自然生態(tài)造成了負(fù)向影響,生態(tài)安全格局呈“U”型變化,由2007年的城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)獲強(qiáng)利自然生態(tài)子系統(tǒng)受弱害演變至2013年城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)獲弱利自然生態(tài)子系統(tǒng)受強(qiáng)害,直至2015年才逐漸步入生態(tài)安全康復(fù)區(qū),并于2016年進(jìn)入生態(tài)安全區(qū),自然生態(tài)子系統(tǒng)開始獲利,并與城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)互利共生。工業(yè)污染對(duì)浙江省帶來的生態(tài)脅迫并不如其他省份顯著,但人口增長率的逐年提升以及人口聚集帶來的城市人口密度激增卻對(duì)區(qū)域環(huán)境承載力帶來了不少壓力。浙江省第三產(chǎn)業(yè)占比僅次于上海市,未來隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的繼續(xù)優(yōu)化,有希望繼續(xù)保持城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)與自然生態(tài)子系統(tǒng)共生協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

四川省2007年來長期處于城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)與自然生態(tài)子系統(tǒng)互利共生狀態(tài),同時(shí)兼顧了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展的自然環(huán)境保護(hù),然而2014—2015年生態(tài)安全跌入自然生態(tài)受損的偏害模式,意味著這短時(shí)間該地區(qū)不僅無法滿足自然生態(tài)建設(shè)要求,城鎮(zhèn)化發(fā)展也受到損害或只能獲取弱利,最重要的原因在于四川省二產(chǎn)占比逐年增加后,工業(yè)污染處理效率反呈下降趨勢,而自然生態(tài)受損反過來也進(jìn)一步抑制城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)發(fā)展,這一狀況在2015年后得到改善。

在2016年生態(tài)預(yù)警狀態(tài)為黃色預(yù)警(SE(t)<0,0

上海市生態(tài)安全狀態(tài)以2013年為分水嶺,2013年以前城鎮(zhèn)化發(fā)展水平雖然表現(xiàn)強(qiáng)勢,但與自然生態(tài)共生協(xié)調(diào)程度堪憂,2013年以后協(xié)調(diào)程度逐漸回升,對(duì)自然生態(tài)脅迫有所降低。一方面上海作為全國經(jīng)濟(jì)中心,對(duì)人口吸引力巨大,高密度人口聚集在一定程度上破壞生態(tài)承載力,部分年份環(huán)境容量指數(shù)甚至出現(xiàn)下降狀態(tài),另一方面,作為高城鎮(zhèn)化率地區(qū),上海森林覆蓋、自然保護(hù)區(qū)狀況低于長江經(jīng)濟(jì)帶平均水平,生態(tài)更具脆弱性,未來應(yīng)當(dāng)更加注重對(duì)生態(tài)承載力的保護(hù)。江蘇省作為工業(yè)大省,生態(tài)環(huán)保壓力同樣巨大,與四川相比,江蘇對(duì)于工業(yè)“三廢”及生活污染物的處理力度較大,科研投入力度也冠居長江經(jīng)濟(jì)帶,在一定程度上能緩解城鎮(zhèn)化壓力,同時(shí)也保證了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展。安徽省生態(tài)安全狀況較好,2012年至2014年城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)與自然生態(tài)子系統(tǒng)處于共生協(xié)調(diào)狀態(tài),但2015年以后自然生態(tài)子系統(tǒng)受到弱害,自然生態(tài)子系統(tǒng)發(fā)展水平指數(shù)出現(xiàn)下降,生態(tài)安全進(jìn)入偏害模式,安徽省目前仍處于第二產(chǎn)業(yè)占絕對(duì)主導(dǎo)的階段,必須加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)步伐。江西省自然資源豐富,森林資源更是名列前茅,但城鎮(zhèn)化發(fā)展水平不足使得江西省自然生態(tài)受到一定程度的損害,城鎮(zhèn)化與自然生態(tài)無法保持持續(xù)的共生協(xié)調(diào)狀態(tài),尤其2015年至2016年,生態(tài)受力指數(shù)皆為負(fù),表明江西仍處于犧牲環(huán)境發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)的模式,生態(tài)建設(shè)水平有待提升。云南省2011年及2014年生態(tài)安全為藍(lán)色預(yù)警,處于亞安全區(qū),典型的城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)發(fā)展受到抑制,再加上云南省城鎮(zhèn)化驅(qū)動(dòng)力與長江經(jīng)濟(jì)帶其余地區(qū)相比較弱,未來應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)城鎮(zhèn)化與自然生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

在2016年生態(tài)預(yù)警狀態(tài)為紫色預(yù)警(SE(t)<0,-1

湖北省在2016年以前多次出現(xiàn)橙色預(yù)警,表明這些年份已經(jīng)呈現(xiàn)出自然生態(tài)提升緩慢同時(shí)反向影響城鎮(zhèn)化發(fā)展的現(xiàn)象,這是湖北省生態(tài)安全格局演變過程中的重要特征,且其生態(tài)安全在2016年已跌落至風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。湖北省科研及教育實(shí)力名列長江經(jīng)濟(jì)帶前茅,但就全省而言仍以資源消耗性企業(yè)為主,不利于城鎮(zhèn)化與自然生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展,未來應(yīng)當(dāng)抓住武漢作為國家中心城市的契機(jī),帶動(dòng)長江中游地區(qū)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的綠色高質(zhì)量發(fā)展。湖南省在2013年至2014年間環(huán)境容量指數(shù)出現(xiàn)了一定程度的下跌,隨后自然生態(tài)指數(shù)也出現(xiàn)下降趨勢,且2016年生態(tài)受力指數(shù)為負(fù),表明生態(tài)環(huán)境已受到城鎮(zhèn)化影響,值得警惕。貴州省在2009年以后生態(tài)受力指數(shù)多數(shù)為負(fù),處于犧牲環(huán)境發(fā)展經(jīng)濟(jì)模式。貴州省第三產(chǎn)業(yè)占比在整個(gè)長江經(jīng)濟(jì)帶中相對(duì)偏低,還有很大發(fā)展空間,貴州近幾年大力發(fā)展大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè),優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局,未來自然生態(tài)受壓狀態(tài)有希望得到緩解。

3 結(jié)論與對(duì)策建議

3.1 結(jié)論

長江經(jīng)濟(jì)帶戰(zhàn)略是中國改革開放轉(zhuǎn)型實(shí)施新區(qū)域開放開發(fā)戰(zhàn)略,但是近年來在快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程中,長江經(jīng)濟(jì)帶沿線省市也出現(xiàn)了諸多生態(tài)安全問題,嚴(yán)重制約長江經(jīng)濟(jì)帶的高質(zhì)量發(fā)展。本文通過構(gòu)建Lotka-Volterra共生模型對(duì)長江經(jīng)濟(jì)帶沿線11個(gè)省市生態(tài)安全狀況進(jìn)行測度并分析了其成因,得出如下主要結(jié)論：

(1)從時(shí)間格局上看,整體而言長江經(jīng)濟(jì)帶城鎮(zhèn)化系統(tǒng)發(fā)展迅猛,尤其是城鎮(zhèn)化驅(qū)動(dòng)力得到強(qiáng)化,地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)得到明顯提升,但長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)環(huán)境改善狀況幅度并不明顯,且長江經(jīng)濟(jì)帶長期處于城鎮(zhèn)化高速發(fā)展而生態(tài)環(huán)境遭受損害的偏害發(fā)展模式,這種模式屬不可持續(xù)模式,若不及時(shí)改善,不僅損害長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)環(huán)境,也將使得長江經(jīng)濟(jì)帶城鎮(zhèn)化發(fā)展遭到反噬,人口、資本流入受阻,生態(tài)安全最終掉入惡化區(qū)。

從空間格局而言,長江經(jīng)濟(jì)帶11個(gè)省市生態(tài)安全格局差異顯著,呈現(xiàn)“東西較高,中間偏低”格局。浙江省和四川省生態(tài)安全狀態(tài)提升明顯,已實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)化與自然生態(tài)的共生協(xié)調(diào)發(fā)展。上海市、江蘇省、安徽省、江西省、云南省等5省市處于生態(tài)弱害狀態(tài),未來有希望由康復(fù)區(qū)過渡至安全區(qū)。湖北省、湖南省、貴州省等3省在2016年處于城鎮(zhèn)化獲弱利而自然生態(tài)受強(qiáng)害狀態(tài),表明受損的生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步抑制了城鎮(zhèn)化發(fā)展。重慶市處于對(duì)稱競爭狀態(tài),發(fā)展極不協(xié)調(diào),值得警惕。

(2)通過指標(biāo)回溯發(fā)現(xiàn),長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)安全問題主要來自于以下幾方面：一是長江中上游地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)仍有待優(yōu)化,資源消耗和污染排放給長江經(jīng)濟(jì)帶沿線自然資源和環(huán)境帶來巨大壓力,且部分省份對(duì)環(huán)境污染的處置效率較低,雙重作用使得生態(tài)安全問題日趨嚴(yán)重；二是長江經(jīng)濟(jì)帶集中了全國40%的人口,人口高度聚集進(jìn)一步壓迫了長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)承載空間；三是城鎮(zhèn)空間布局缺乏規(guī)劃,城鎮(zhèn)綠化、配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不完善,導(dǎo)致部分地區(qū)宜居度低,生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步影響投資流動(dòng)、人口流動(dòng)的導(dǎo)向。

需要特別注意的是,部分省份生態(tài)安全狀況出現(xiàn)了一定程度上的波動(dòng)性,以貴州省為例,貴州省2007年至2009年一直處于生態(tài)安全狀態(tài),2010年開始出現(xiàn)生態(tài)安全危機(jī),其后逐漸好轉(zhuǎn),但在2015年再次轉(zhuǎn)向黃色預(yù)警并有惡化趨勢。對(duì)于這一現(xiàn)象考慮兩方面的原因,一是生態(tài)環(huán)境相對(duì)于城鎮(zhèn)化發(fā)展的滯后性,城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展并未立即帶來生態(tài)環(huán)境的同步提升,反而前期發(fā)展對(duì)環(huán)境的副作用在近期開始體現(xiàn),而隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展的進(jìn)一提升自然生態(tài)開始出現(xiàn)好轉(zhuǎn),而自然生態(tài)的滯后發(fā)展帶來的影響又進(jìn)一步影響后期城鎮(zhèn)化發(fā)展,從而整體呈現(xiàn)波動(dòng)式前進(jìn)。另一方面,考慮到城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)與自然生態(tài)子系統(tǒng)共生關(guān)系優(yōu)劣程度的轉(zhuǎn)變,由城鎮(zhèn)化——自然生態(tài)二維共生模型可以看出,共生關(guān)系的演變對(duì)生態(tài)安全預(yù)警影響較大,兩子系統(tǒng)獲利或受到損害大小的不同使得共生關(guān)系在互利共生、偏利共生、對(duì)稱競爭之間產(chǎn)生變動(dòng)。2009年到2010年貴州省兩子系統(tǒng)共生關(guān)系經(jīng)歷了由優(yōu)到劣的轉(zhuǎn)變,并一直持續(xù)到2012年,且多為城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)對(duì)自然生態(tài)子系統(tǒng)的傷害大于自然生態(tài)子系統(tǒng)對(duì)城鎮(zhèn)化子系統(tǒng)的增益,后期傷害減弱而增益增加,共生關(guān)系變化使得生態(tài)安全呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性。

從基礎(chǔ)的指標(biāo)選取來看,雖然通過指標(biāo)篩選能夠盡可能科學(xué)合理的得到所需指標(biāo),但城鎮(zhèn)化與自然生態(tài)的聯(lián)系較為復(fù)雜,目前也無統(tǒng)一、權(quán)威的生態(tài)安全指標(biāo)確定原則,較難達(dá)成共識(shí),國內(nèi)外研究學(xué)者都在不斷探索中。本文盡可能選取詳盡且覆蓋多方面的指標(biāo)但仍難避免疏漏,同時(shí)指標(biāo)篩選過程中也會(huì)排除掉部分指標(biāo),這些都可能帶來最終結(jié)果的不完善,需要在實(shí)踐中進(jìn)一步完善。

3.2 對(duì)策建議

(1)長江經(jīng)濟(jì)帶沿線省市應(yīng)當(dāng)加快步伐優(yōu)化地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),粗放式的產(chǎn)業(yè)擴(kuò)張不僅使得城鎮(zhèn)化發(fā)展在后期增長乏力,對(duì)生態(tài)環(huán)境更是造成了巨大傷害,要制定嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)政策,禁止在長江經(jīng)濟(jì)帶沿線生態(tài)脆弱區(qū)新增高污染、高能耗的工業(yè)項(xiàng)目,及時(shí)淘汰落后產(chǎn)能。另一方面,嚴(yán)格污染排放、生產(chǎn)能耗、質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn),倒逼相關(guān)企業(yè)自我改革,促進(jìn)地區(qū)產(chǎn)業(yè)分布優(yōu)化。同時(shí)長江經(jīng)濟(jì)帶要做好生態(tài)保護(hù)紅線的嚴(yán)格劃定,出臺(tái)完備的自然資源保護(hù)政策,減輕土地開發(fā)輕度,提升各地區(qū)城鎮(zhèn)化用地效率并優(yōu)化國土資源利用格局,緩解當(dāng)前對(duì)地區(qū)生態(tài)承載力造成的壓力。

(2)加快高素質(zhì)人才吸引步伐,特別是長江中上游地區(qū)要盡快實(shí)現(xiàn)由勞動(dòng)密集型經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局轉(zhuǎn)向知識(shí)密集型經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局,實(shí)現(xiàn)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換；各省市應(yīng)當(dāng)依托自身地理、交通優(yōu)勢,培育本土優(yōu)勢高新產(chǎn)業(yè),推動(dòng)長江經(jīng)濟(jì)帶全產(chǎn)業(yè)鏈實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展；各省市還需根據(jù)本土生態(tài)資源優(yōu)勢大力發(fā)展低能耗低污染的綠色服務(wù)業(yè),如生態(tài)旅游、生態(tài)農(nóng)業(yè),在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的同時(shí),保護(hù)長江經(jīng)濟(jì)帶的“青山綠水”,減輕長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)壓力。

(3)提升長江經(jīng)濟(jì)帶沿線省份空間聯(lián)動(dòng)發(fā)展水平。自然生態(tài)發(fā)展水平具備空間傳導(dǎo)效應(yīng),以高生態(tài)位地區(qū)為中心點(diǎn)將帶動(dòng)周邊低生態(tài)位地區(qū)產(chǎn)生積極響應(yīng),若能據(jù)此對(duì)長江經(jīng)濟(jì)帶沿線11個(gè)省市因地制宜實(shí)施科學(xué)合理的整體發(fā)展規(guī)劃,激發(fā)各省份之間的聯(lián)動(dòng)效應(yīng),將促進(jìn)長江經(jīng)濟(jì)帶整體生態(tài)環(huán)境邁向新臺(tái)階。對(duì)于長江下游省市,要充分發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)發(fā)展優(yōu)勢輻射長江中上游地區(qū),實(shí)現(xiàn)地區(qū)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí),穩(wěn)步提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,對(duì)于長江中上游城市,可以充分發(fā)揮其沿長江交通優(yōu)勢,在保證生態(tài)承載力紅線的基礎(chǔ)上,逐步承接長江下游地區(qū)產(chǎn)業(yè)傳導(dǎo),完善長江流域經(jīng)濟(jì)生態(tài)走廊,最終實(shí)現(xiàn)長江經(jīng)濟(jì)帶的高質(zhì)量發(fā)展。