馮智濤, 劉珍環(huán)

〔1.中山大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院, 廣東 廣州 510275; 2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(珠海), 廣東 珠海 519000〕

城市可持續(xù)發(fā)展是適應(yīng)景觀城市化過程的內(nèi)外變化，通過生態(tài)、經(jīng)濟與社會的共同努力實現(xiàn)[1]，強調(diào)平衡社會、經(jīng)濟和環(huán)境3個維度的可持續(xù)性，減少資源消耗和環(huán)境破壞，資源利用效率最大化[2]。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，中國大量自然景觀轉(zhuǎn)變成混凝土、瀝青等組成的不透水面景觀，景觀城市化的速度前所未有[3-4]，其實質(zhì)也是人口、財富、技術(shù)和服務(wù)在空間上的聚集，以及生活、生產(chǎn)和組織方式的轉(zhuǎn)變[5]。明晰景觀城市化過程中的不透水面擴張與社會經(jīng)濟發(fā)展的耦合協(xié)調(diào)度及其空間分異特征，有助于制定差異化的城市發(fā)展政策，促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展。

不透水面指數(shù)是指示景觀城市化的重要指標(biāo)[4]，經(jīng)濟水平與人口數(shù)量是表征社會經(jīng)濟系統(tǒng)運行的關(guān)鍵指標(biāo)[6-7]。不透水面變化與社會經(jīng)濟活動具有密切聯(lián)系，不透水面增長是人類為滿足社會經(jīng)濟發(fā)展所產(chǎn)生的空間需求而對地表改造的過程[8-9]，不透水面增長又能吸引更多社會經(jīng)濟活動的集聚，成為推動區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的重要途徑[10-12]。然而不透水面與社會經(jīng)濟發(fā)展的耦合關(guān)系不一定同步。如果社會經(jīng)濟增長過快，會引起生產(chǎn)、生活空間的不足，造成建成環(huán)境擁擠，居民生存環(huán)境惡化[13]；如果不透水面增長過快，超出區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的承載能力，會降低區(qū)域人居環(huán)境和居民的健康福祉，遏制社會經(jīng)濟發(fā)展[14]。景觀城市化過程對區(qū)域熱環(huán)境[15]、大氣質(zhì)量[16]、地表徑流[17]、水質(zhì)[18]、生物多樣性及水土保持等[19]產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，進(jìn)而反饋影響區(qū)域人居環(huán)境和居民的健康福祉[20]。不透水面擴張是一種典型的景觀城市化過程，然而，中國市域?qū)用娴某鞘胁煌杆鏀U張是否與社會經(jīng)濟的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展迄今尚不明晰[14,21]。

耦合是指要素之間存在相互作用而彼此影響的現(xiàn)象，耦合協(xié)調(diào)指要素間通過相互作用而協(xié)同促進(jìn)[22]。在度量耦合協(xié)調(diào)關(guān)系的方法上，灰色關(guān)聯(lián)度模型[23]、彈性系數(shù)模型[24]、異速增長模型等[25]被廣泛使用。近年來，脫鉤模型常用來度量兩兩之間的耦合關(guān)系，如經(jīng)濟增長與環(huán)境污染[26]、農(nóng)業(yè)化學(xué)投入與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟增長[27]、旅游發(fā)展與多維貧困等[28]；而耦合協(xié)調(diào)度模型度量多個對象的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，如生產(chǎn)、生活與生態(tài)空間功能等[29]三維協(xié)調(diào)關(guān)系。不透水面與社會、經(jīng)濟之間既存在兩兩耦合，又存在三維協(xié)調(diào)關(guān)系。經(jīng)濟增長促使資本加大投入，促進(jìn)不透水面增長[12,30]；人口數(shù)量上升引起居民住房需求增長，促進(jìn)住房建設(shè)[31]，導(dǎo)致不透水面增長；此外，經(jīng)濟發(fā)展、人口增加還會引起交通運輸需求增長，促使不透水面增長[32]。反過來，不透水面可作為生產(chǎn)要素吸引投資，促進(jìn)經(jīng)濟發(fā)展[33]。不透水面的建成改善生活居住條件，促進(jìn)人口的集聚[34]。不透水面與社會、經(jīng)濟的耦合關(guān)系可分正向耦合與負(fù)向耦合。然而，當(dāng)前不透水面變化與社會經(jīng)濟發(fā)展的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系尚不明晰，三者之間的定量關(guān)系隨時空變化呈現(xiàn)何種特征尚未得到實證。為此，本研究利用2000—2018年中國不透水面遙感數(shù)據(jù)及355個市域單元的社會經(jīng)濟面板數(shù)據(jù)，運用脫鉤模型對不透水面與社會經(jīng)濟的關(guān)系進(jìn)行解耦。基于耦合協(xié)調(diào)度模型深入分析不透水面與社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)關(guān)系的變化規(guī)律，為科學(xué)認(rèn)識不透水面變化與社會經(jīng)濟變化之間時空變化的協(xié)同性，以期為制定差異化的區(qū)域水土保持和城鄉(xiāng)發(fā)展政策提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)源和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1 不透水面數(shù)據(jù) 全球較為常用的不透水面數(shù)據(jù)集有低分辨率(1 km)、中分辨率(30 m，250～500 m兩種)和高分辨率(1～10 m)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。2019年清華大學(xué)發(fā)布的GAIA數(shù)據(jù)產(chǎn)品(http:∥data.ess.tsinghua.edu.cn)，是迄今為止為數(shù)不多覆蓋城市及農(nóng)村地區(qū)的中分辨率逐年人工不透水面遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品。該數(shù)據(jù)產(chǎn)品的解譯基礎(chǔ)包括夜間燈光等數(shù)據(jù)，有效排除了自然不透水面干擾，數(shù)據(jù)產(chǎn)品總體精度高于90%[35]，可以運用到中國大尺度研究中。本文選用該數(shù)據(jù)集2000—2018年時段的數(shù)據(jù)，以2018年355個直轄市、副省級市、地級市、地區(qū)、自治州、盟及省直轄縣等市域為邊界，統(tǒng)計不透水面面積。

1.1.2 經(jīng)濟人口數(shù)據(jù) 在經(jīng)濟發(fā)展水平指標(biāo)方面，由于人均GDP是某地區(qū)特定時間內(nèi)經(jīng)濟活動的最終成果，能綜合反映地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平[36]，故以人均GDP表征地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平。同時以2000年為基年，計算市域單元各年份以不變價格為基準(zhǔn)的人均GDP。在社會發(fā)展水平指標(biāo)方面，以反映地區(qū)實際人口數(shù)量的常住人口為度量指標(biāo)[37]。人均GDP、常住人口數(shù)據(jù)來源于2001—2019年《中國城市統(tǒng)計年鑒》[38]《中國縣(市)社會經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒》[39]以及全國各省、市、自治區(qū)的統(tǒng)計年鑒。

1.2 研究方法

為了研究不透水面變化與社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)發(fā)展時空特征，我們在城市可持續(xù)發(fā)展理論的基礎(chǔ)上構(gòu)建了如下研究框架(圖1)。運用脫鉤模型對不透水面—經(jīng)濟發(fā)展、不透水面—人口變化的兩兩耦合關(guān)系進(jìn)行解耦，利用耦合協(xié)調(diào)度模型分析不透水面與社會經(jīng)濟3者之間的耦合協(xié)調(diào)度。通過解耦分析和耦合協(xié)調(diào)分析，解析城市的環(huán)境與經(jīng)濟社會3維度的連接程度和協(xié)調(diào)程度的時空變化趨勢。

圖1 不透水面變化與社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)發(fā)展時空特征研究框架

1.2.1 不透水面動態(tài)變化分析 不透水面的動態(tài)變化速度以各時期不透水面變化面積為基礎(chǔ)，其計算公式為：

(1)

式中：UISA為t1到t2中不透水面變化速度；St1，St2分別為t1和t2時間不透水面面積。

1.2.2 不透水面與社會經(jīng)濟的耦合關(guān)系分析 Tapio[26-27]提出的脫鉤模型能揭示出兩個或多個要素之間的相互作用狀態(tài)，廣泛應(yīng)用于資源消耗與經(jīng)濟發(fā)展之間的耦合關(guān)系研究。研究引用Tapio脫鉤模型，計算公式為：

(2)

(3)

式中：Te，Tp分別表示研究區(qū)不透水面與經(jīng)濟、人口的脫鉤指數(shù)； ΔS，ΔE，ΔP分別表示不透水面、人均GDP和常住人口的變化率；St1，St2分別為t1和t2時間不透水面面積；Et1，Et2分別為t1和t2時間人均GDP；Pt1，Pt2分別為t1和t2時間常住人口量。

參考相關(guān)研究的結(jié)果[26-28]，以脫鉤指數(shù)Te/Tp介于0.8～1.2之間作為判斷不透水面與社會經(jīng)濟變化同步的標(biāo)準(zhǔn)，在此區(qū)間定義為連接的耦合關(guān)系，根據(jù)二者同步變化的正負(fù)方向，劃分出擴張連接與衰退連接兩種亞耦合類型。而Te/Tp小于0.8或大于1.2定義為二者非同步變化的耦合關(guān)系，并根據(jù)不透水面與社會經(jīng)濟變化趨勢的相對關(guān)系，劃分出脫鉤與負(fù)脫鉤兩種耦合關(guān)系；脫鉤的耦合關(guān)系表明社會經(jīng)濟增長快于不透水面擴張，負(fù)脫鉤的耦合關(guān)系表明不透水面擴張超前于社會經(jīng)濟發(fā)展；進(jìn)一步對不透水面與社會經(jīng)濟的增減方向進(jìn)行兩兩組合，以表征不透水面與社會經(jīng)濟非同步變化的強度，進(jìn)一步細(xì)化為6種亞耦合類型。最終得到8種亞耦合類型(表1)。研究以3 a為時間間隔，開展各時期不透水面變化與社會經(jīng)濟發(fā)展的耦合關(guān)系分析。

表1 不透水面-社會經(jīng)濟的耦合關(guān)系類型

1.2.3 不透水面與社會經(jīng)濟的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系分析 耦合協(xié)調(diào)度模型是度量要素間協(xié)同效應(yīng)的定量指標(biāo)，能夠很好地判斷要素之間耦合是否為良性[22,29]。計算公式為：

(4)

(5)

式中：Dp，De分別表示研究區(qū)不透水面與經(jīng)濟、人口的耦合協(xié)調(diào)度；Kis，Kie，Kip分別為第i市域單元歸一化處理后的ΔS，ΔE與ΔP;n取值2;α，β為待定系數(shù),考慮到不透水面變化與社會經(jīng)濟的動態(tài)平衡對于實現(xiàn)社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)共贏的可持續(xù)發(fā)展過程尤為重要,本文將二者視為同等重要,待定系數(shù)α，β同取0.5[37]。

耦合協(xié)調(diào)度的大小介于0～1，反映要素間的協(xié)調(diào)發(fā)展程度，表示不透水面與社會經(jīng)濟的耦合關(guān)系由相互制約的拮抗?fàn)顟B(tài)逐漸走向相互促進(jìn)的協(xié)調(diào)狀態(tài)。為直觀展示三者的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，將ΔS，Dp與De構(gòu)建三角圖，該類圖形在生態(tài)、環(huán)境領(lǐng)域等得到廣泛的應(yīng)用[40]，能夠清晰揭示6個階段355個市域單元為基礎(chǔ)的不透水面變化與經(jīng)濟、人口增長之間耦合協(xié)調(diào)度的變化規(guī)律。同時，建立ΔS與De/Dp的回歸方程考察耦合協(xié)調(diào)關(guān)系的變化趨勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 中國城市2000-2018年不透水面變化特征

總體來看，2000—2018年中國不透水面持續(xù)擴張，面積由1.06×105km2增至1.98×105km2，凈增長9.93×104km2。其中，2000—2012年不透水面增長速度處于持平階段，擴張速度介于2.38×103～4.83×103km2/a；2012年以后不透水面增長速度快速提升，從3.67×103km2/a快速上升至1.63×104km2/a。2000—2018年不透水面變化速度如圖2所示，不透水面變化存在明顯空間異質(zhì)性，呈現(xiàn)從東部逐漸向中、西部內(nèi)陸降速的趨勢。2000—2009年中國各市域單元不透水面增長速度變化不大，華東、華北、東北地區(qū)以及珠三角等地區(qū)城市不透水面增長速度高于17.14 km2/a。2009—2012年珠三角不透水面增長速度放緩，市域單元變化速度回落至17.14 km2/a以下，其他地區(qū)則變化不大。2012—2018年華東、華中、華北和東北地區(qū)等地區(qū)不透水面增長速度快速提升，有70個城市的增長速度超過58.91 km2/a；與此同時，四川、云南、陜西、寧夏等西部地區(qū)部分城市不透水面增長速度超過17.14 km2/a。

2.2 不透水面變化與社會經(jīng)濟發(fā)展的耦合關(guān)系

2000—2018年中國市域單元不透水面—經(jīng)濟發(fā)展的耦合關(guān)系整體表現(xiàn)為弱脫鉤關(guān)系(圖3)，但2012年以來，在中國東北、華北和西南地區(qū)出現(xiàn)了擴張負(fù)脫鉤關(guān)系。2000—2018年，不透水面—經(jīng)濟發(fā)展的耦合類型有4種，即擴張負(fù)脫鉤、強負(fù)脫鉤、弱脫鉤和擴張連接，分別占比為初期的2.25%，1.41%，94.37%和1.97%，到末期的24.79%，9.58%，52.96%和12.68%。2000—2012年中國人均GDP年均變化率介于12.26%～22.62%；不透水面擴張速度較低，年均變化率介于1.82%～3.65%；不透水面—經(jīng)濟發(fā)展的耦合關(guān)系處于弱脫鉤階段，弱脫鉤類型占比由94.37%上升至99.44%，大部分城市不透水面增長速度慢于經(jīng)濟發(fā)展速度。2012—2018年人均GDP年均變化率降至8.01%～9.49%，而不透水面年均變化率提升至4.42%～8.07%，二者關(guān)系表現(xiàn)為負(fù)脫鉤的耦合關(guān)系。

圖3 中國市域單元2000-2018年不透水面變化與經(jīng)濟發(fā)展的耦合關(guān)系

其中，2012—2015年中國部分城市出現(xiàn)不透水面擴張超前于經(jīng)濟發(fā)展的現(xiàn)象，人均GDP年均變化率下降至8.01%，不透水面年均變化率上升至4.42%。弱脫鉤型所占比降至69.58%，擴張負(fù)脫鉤、強負(fù)脫鉤和擴張連接占比分別升至12.39%，7.61%和10.42%；強負(fù)脫鉤型在秦嶺—淮河以北地區(qū)集聚，而擴張負(fù)脫鉤和擴張連接型在全國各地相對分散出現(xiàn)。2015—2018年中國不透水面變化率相較前一階段顯著提升，年均變化率上升4.42%，而人均GDP年均變化率小幅提升，上升1.49%。弱脫鉤型占比下降了16.62%，擴張負(fù)脫鉤、強負(fù)脫鉤占比分別上升至24.79%，9.58%，擴張負(fù)脫鉤型主要分布于河北、河南、山東、廣西等地區(qū)，強負(fù)脫鉤型則主要集聚在內(nèi)蒙古、遼寧、吉林省等地。

注：底圖來源于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站，審圖號為GS(2019)1823。下同。

2000—2018年中國市域單元不透水面—人口變化之間的耦合關(guān)系的整體表現(xiàn)為擴張負(fù)脫鉤和強負(fù)脫鉤的耦合關(guān)系(圖4)。2000—2018年，不透水面—人口變化的耦合類型有4種，即擴張負(fù)脫鉤、強負(fù)脫鉤、弱脫鉤和擴張連接，分別占比為初期的85.92%，8.73%，3.66%和1.69%，到末期的58.87%，32.68%，4.79%和3.66%。2000—2018年中國不透水面增長速度快于城市人口增長，常住人口年均變化率介于0.40%～1.08%，不透水面年均變化率介于1.82%～8.07%。其中，2000—2003年中國大部分地區(qū)不透水面擴張速度顯著快于人口增長速度，擴張負(fù)脫鉤、強負(fù)脫鉤、弱脫鉤和擴張連接分別占比85.92%，8.73%，3.66%和1.69%。2003—2009年中國不透水面年均變化率從2.54%降至2.39%，而常住人口年均變化率從0.92%升至1.08%，海南省、西南和西北等部分地區(qū)人口增長速度逐漸趕上不透水面增長速度。擴張負(fù)脫鉤、強負(fù)脫鉤、弱脫鉤和擴張連接分別占比67.04%，9.86%，13.52%和9.58%；弱脫鉤型主要分布在海南省、西南和西北等地，擴張負(fù)脫鉤型集中分布在華北、華東和華南等地。2009—2018年中國不透水面擴張超前于人口增長的現(xiàn)象加劇，常住人口年均變化率從0.58%下降至0.44%，不透水面年均變化率從1.82%上升至8.07%。擴張負(fù)脫鉤、強負(fù)脫鉤、弱脫鉤和擴張連接，分別占比為初期的50.70%，26.20%，15.49%和7.61%，到末期的58.87%，32.68%，4.79%和3.66%。東北、西北、西南以及華中等地區(qū)受其他發(fā)達(dá)區(qū)域?qū)θ丝诘暮缥饔糜绊懀谌丝跍p少的情況下不透水面依然持續(xù)擴張。

圖4 中國市域單元2000-2018年不透水面變化與人口變化的耦合關(guān)系

2.3 不透水面變化與社會經(jīng)濟發(fā)展的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系

運用耦合協(xié)調(diào)度模型并結(jié)合三角圖可以清晰地展示不透水面變化與經(jīng)濟、人口增長之間耦合協(xié)調(diào)度(圖5)?？傮w特征上，2000—2018年中國市域單元不透水面—經(jīng)濟發(fā)展和不透水面—人口變化的耦合協(xié)調(diào)度因不透水面變化率而異，市域單元的不透水面變化率越大，不透水面—經(jīng)濟發(fā)展和不透水面—人口變化的耦合協(xié)調(diào)度越小；表明了不透水面增長越快，不透水面對社會經(jīng)濟發(fā)展的推動作用越有限，與社會經(jīng)濟發(fā)展的良性互動機制越弱。這由于不透水面的過度增長，會造成資源浪費、生態(tài)環(huán)境惡化等問題。2000—2018年在不透水面變化率小于25%的市域單元，不透水面—經(jīng)濟發(fā)展和不透水面—人口變化的兩兩互動過程與經(jīng)濟發(fā)展—人口變化的互動之間通常具有非同步性，在一定時期內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展加劇了不透水面擴張與人口增長間的非協(xié)調(diào)性，導(dǎo)致出現(xiàn)不透水面變化與經(jīng)濟發(fā)展的耦合協(xié)調(diào)度提升時，與人口增長的耦合協(xié)調(diào)度則會降低的現(xiàn)象；反之亦然。

2000—2018年中國不透水面變化速率加快而引起的De/Dp的下降程度呈現(xiàn)先增加后減少趨勢。2000—2018年不透水面變化率由初期集聚在25%變化率以內(nèi)，到末期34.37%的市域單元不透水面變化率超過了25%，不透水面與社會經(jīng)濟的耦合協(xié)調(diào)度較低。由不透水面—人口—經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)度的三角圖可看出(圖5)，三者的協(xié)調(diào)度在2009年以前介于頂點為ΔS取值區(qū)間[0,0.25]，Dp取值區(qū)間[0.75,1]和De取值區(qū)間[0.25,0.5]之間的菱形四邊形，變化為2009年以后介于頂點為ΔS取值區(qū)間[0,0.5]，Dp取值區(qū)間[0.5,1]和De取值區(qū)間[0.5,0.75]之間的菱形四邊形。這種變化趨勢表明，隨著不透水表面增長速度的加快，它與人口聚集之間的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系降低，促進(jìn)了其與經(jīng)濟發(fā)展之間的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系。

圖5 中國市域單元2000-2018年不透水面-社會-經(jīng)濟的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系變化

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

(1) 受經(jīng)濟、人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及不透水面遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率限制，無法開展更長時序和更精細(xì)尺度的空間數(shù)據(jù)分析，特別是將不透水面遙感數(shù)據(jù)聚合到市域?qū)用?，往往包含了地級市?nèi)多個縣域的不透水面的斑塊，造成不透水面數(shù)據(jù)統(tǒng)計難以精確。

(2) 為緩解不透水面的無序擴張，促進(jìn)不透水面與社會經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展。未來國土空間規(guī)劃及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展政策應(yīng)遵循協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略，在東北、華北、華中等地區(qū)，應(yīng)科學(xué)劃定城鎮(zhèn)開發(fā)邊界，嚴(yán)格控制不透水面蔓延；在東北、華北等不透水面—經(jīng)濟負(fù)脫鉤關(guān)系地區(qū)，應(yīng)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，提高土地集約利用程度；在東北、華中、西北和西南等不透水面—人口負(fù)脫鉤關(guān)系地區(qū)，應(yīng)提高當(dāng)?shù)氐墓卜?wù)水平，擴大就業(yè)機會，促進(jìn)區(qū)域人口聚集。

3.2 結(jié) 論

(1) 研究期內(nèi)，中國不透水面變化在時間上具有階段性，2012—2018年為快速增長期；在空間上存在異質(zhì)性，東部的不透水面增長顯著快于中西部。

(2) 不透水面與社會經(jīng)濟的耦合關(guān)系表明，不透水面—人口變化的耦合與不透水面—經(jīng)濟發(fā)展的耦合在時空分布特征上有顯著的不同，其中不透水面—經(jīng)濟發(fā)展的耦合整體表現(xiàn)為弱脫鉤型，但在2012年后東北、華北等地區(qū)不透水面擴張速度明顯超過經(jīng)濟發(fā)展速度，涌現(xiàn)出負(fù)脫鉤型。不透水面—人口變化的耦合關(guān)系整體表現(xiàn)為負(fù)脫鉤型。

(3) 不透水面與社會經(jīng)濟3者之間的耦合協(xié)調(diào)度受不透水面變化率增長的影響而下降，影響程度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。