安騏岷,員學(xué)鋒,陳錦鴻,趙雨

(1.長安大學(xué)土地工程學(xué)院,西安 710064;2.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,西安 710054;3.陜西省土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710064)

城鎮(zhèn)化作為研究人地關(guān)系必不可少的環(huán)節(jié),是一個(gè)國家和地區(qū)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化的必由之路,但快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程也帶來了日益嚴(yán)峻的資源環(huán)境保障問題[1]。建設(shè)用地?cái)U(kuò)張、城市人口激增給自然生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的壓力,環(huán)境污染、資源浪費(fèi)、生態(tài)破壞等問題逐漸凸顯[2]。二十大提出要“推動綠色發(fā)展,促進(jìn)人與自然和諧共生”,對經(jīng)濟(jì)發(fā)展提出了新的要求:要加快發(fā)展方式綠色轉(zhuǎn)型,實(shí)施全面節(jié)約戰(zhàn)略,發(fā)展綠色低碳產(chǎn)業(yè),推動形成綠色低碳的生產(chǎn)方式和生活方式。在生態(tài)文明建設(shè)和城鎮(zhèn)化建設(shè)背景下,如何實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)化建設(shè)與生態(tài)環(huán)境的良性互動和協(xié)調(diào)發(fā)展是人地關(guān)系可持續(xù)性發(fā)展的關(guān)鍵。

城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境關(guān)系作為人地關(guān)系研究的重要內(nèi)容一直受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。Grossman和Krueger通過研究環(huán)境污染程度的關(guān)系提出了“庫茲涅茨倒U型曲線”[3];OECD提出了脫鉤理論,認(rèn)為隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,環(huán)境壓力會先增大后減小,最終實(shí)現(xiàn)脫鉤[4]。國內(nèi)學(xué)者在研究二者關(guān)系的基礎(chǔ)上,更加注重二者耦合關(guān)系的理論分析和實(shí)證研究。在理論研究方面,方創(chuàng)琳等[5-7]提出了城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的交互耦合作用機(jī)制、耦合系統(tǒng)演化的主要階段以及耦合系統(tǒng)所遵循的定律,并構(gòu)建出特大城市群地區(qū)城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境交互耦合效應(yīng)的理論框架和技術(shù)路徑[8],為后續(xù)的研究奠定了理論基礎(chǔ)。在實(shí)證研究方面,國內(nèi)外學(xué)者從國家[9-10]、城市群[11]、省域[12]、城市[13]等多尺度進(jìn)行了相關(guān)研究,研究方法包括耦合協(xié)調(diào)度模型[14]、VAR 模型[15]、回歸分析[16]、模糊綜合評價(jià)等[17],如黃茂興等[18]通過構(gòu)建耦合協(xié)調(diào)度模型以及回歸模型分析了福建省生態(tài)文明建設(shè)和城鎮(zhèn)化耦合協(xié)調(diào)的時(shí)空格局以及影響因素;王雅俊[19]利用PVAR 模型分析了中國西部地區(qū)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化以及產(chǎn)業(yè)生態(tài)化三者之間的關(guān)系。關(guān)于城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)關(guān)系的研究內(nèi)容豐富,當(dāng)前主要研究思路是考慮兩個(gè)系統(tǒng)的耦合,但對于二者的協(xié)調(diào)分析大多是基于面板統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)構(gòu)建指標(biāo)進(jìn)行評價(jià),缺乏時(shí)空動態(tài)演化規(guī)律及機(jī)制研究。

陜西省自1999年實(shí)施退耕還林生態(tài)工程以來,森林覆蓋率由1999年的30.92%增長到2020年末的46.39%,生態(tài)環(huán)境得到較大改善,但仍面臨土地空廢化、生態(tài)環(huán)境污損化、農(nóng)業(yè)勞動主體老弱化等問題,為回應(yīng)二十大對生態(tài)文明建設(shè)與鄉(xiāng)村振興的要求,踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念,探索出一條生態(tài)和鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展、人與自然和諧共生之路,本文以陜西省為研究區(qū)域,利用土地利用、人口和經(jīng)濟(jì)等柵格數(shù)據(jù)對城鎮(zhèn)化進(jìn)行評價(jià),并利用MODIS數(shù)據(jù),基于Google Earth Engine云平臺建立生態(tài)環(huán)境指數(shù),在此基礎(chǔ)上分析探索2000—2020年陜西省城鎮(zhèn)化、生態(tài)環(huán)境的演變特征及二者的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系,以期為陜西省區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提出建議。

1 研究區(qū)概況

陜西省位于中國西北地區(qū),全省下轄10個(gè)地級市、30個(gè)市轄區(qū)、5 個(gè)縣級市、72 個(gè)縣(圖1)。截至2020年11月1日零時(shí),陜西省常住人口3 952萬人。城鎮(zhèn)化率達(dá)到62.66%;GDP為26 181.86億元,占全國2.58%。地跨黃河、長江兩大水系,總面積2.056×105km2,地勢整體南北高,中間低。按照地形特征可以將陜西省劃分為陜北黃土高原、關(guān)中平原和陜南秦巴山區(qū)。陜北地區(qū)地處黃土高原,土地利用以草地、耕地為主,依托其豐富的煤礦資源,經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高。截至2020年末,陜北地區(qū)人口為5 907 331人,占全省人口的14.94%,GDP為5 691.15億元,占全省GDP的21.74%;關(guān)中地區(qū)總體地勢平坦,土地利用類型多以耕地、建設(shè)用地為主,依托產(chǎn)業(yè)、技術(shù)、政策等原因,其社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平最高。截至2020年末,關(guān)中地區(qū)人口為25 875 539人,占全省人口的65.46%,GDP為16 901.87億元,占全省GDP 的64.56%;陜南地區(qū)地形主要為山地丘陵,主要土地利用類型為林地、草地,是我國重要的生態(tài)保護(hù)區(qū),加之受其地形特點(diǎn)和地理位置,經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低。陜南地區(qū)人口為7 746 129人,占全省人口的19.60%,全年GDP為3 421.63億元,占全省GDP的13.70%。

圖1陜西省行政區(qū)劃及高程Fig.1 Administrative division and elevation map of Shaanxi Province

2 研究方法及數(shù)據(jù)來源

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文的研究數(shù)據(jù)包括土地利用數(shù)據(jù)、人口數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、MODIS遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品(表1)。其中土地利用數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院空天資訊創(chuàng)新研究院研究員劉良云團(tuán)隊(duì)發(fā)布的全球30 m 地表覆蓋精細(xì)分類產(chǎn)品,經(jīng)濟(jì)密度數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心,人口密度數(shù)據(jù)來自O(shè)pen Spatial Demographic Data and Research中國區(qū)的人口密度,MODIS遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品來源于Google Earth Engine(GEE)。本文所采用的投影坐標(biāo)系均為Krasovsky_1940_Albers坐標(biāo)系,通過重采樣統(tǒng)一分辨率為1 km×1 km。

表1 數(shù)據(jù)來源及說明Table 1 Data sources and description

2.2 研究方法

2.2.1 城鎮(zhèn)化綜合評價(jià)模型 城鎮(zhèn)化是一個(gè)包括人口、經(jīng)濟(jì)、社會和土地城鎮(zhèn)化的復(fù)雜系統(tǒng),以人口為核心,經(jīng)濟(jì)為動力,土地為保障[20]。由于數(shù)據(jù)的可得性,本文暫不考慮社會城鎮(zhèn)化指標(biāo),參考相關(guān)研究[21],結(jié)合陜西省社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況及城鎮(zhèn)化標(biāo)準(zhǔn),本文擬選擇人口密度、城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)密度和建設(shè)用地面積3個(gè)指標(biāo)來確定城鎮(zhèn)化綜合評價(jià)模型。由于人口、經(jīng)濟(jì)和空間城鎮(zhèn)化同等重要,且各城鎮(zhèn)化系統(tǒng)由單一指標(biāo)表征,因此權(quán)重均設(shè)定為1/3是合理的[22],采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法[23]進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后再等權(quán)重加權(quán)計(jì)算得到綜合城鎮(zhèn)化發(fā)展。極差標(biāo)準(zhǔn)化公式及權(quán)重加權(quán)公式如下:

Xij為正向指標(biāo)時(shí):

Xij為負(fù)向指標(biāo)時(shí):

人口、經(jīng)濟(jì)和土地城鎮(zhèn)化評價(jià):

綜合城鎮(zhèn)化評價(jià):

式中:Aij為指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值;Xij表示i年第j項(xiàng)指標(biāo)的值;min(Xij)為標(biāo)準(zhǔn)值最小值;max(Xij)為標(biāo)準(zhǔn)值的最大值;Zij表示人口城鎮(zhèn)化、經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化和土地城鎮(zhèn)化的評價(jià);ωij表示該項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重,本文采用等權(quán)重加權(quán),即ωij=1/3;S為綜合城鎮(zhèn)化評價(jià)得分,即人口城鎮(zhèn)化、經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化、土地城鎮(zhèn)化的得分之和。

2.2.2 遙感生態(tài)指數(shù)(Remote Sensing-based Ecological Index,RSEI 參考相關(guān)研究[24-25],采用遙感生態(tài)指數(shù)來表征陜西省生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是可行的。RSEI是由徐涵秋[26]于2013年提出的一個(gè)完全基于遙感技術(shù),以自然因子為主的遙感生態(tài)指數(shù)對城市的生態(tài)情況進(jìn)行快速監(jiān)測與評價(jià)的方法。該指數(shù)利用主成分分析技術(shù)(Principal Components Analysis,PCA)集成了植被指數(shù)、濕度、地表溫度和建筑指數(shù)4個(gè)評價(jià)指標(biāo),即:

式中:各指標(biāo)計(jì)算方法[27]見表2。

表2 遙感生態(tài)指數(shù)各指標(biāo)計(jì)算方法Table 2 Calculation methods of each index of RSEI

2.2.3 耦合協(xié)調(diào)度模型 耦合是指兩個(gè)及以上系統(tǒng)通過相互作用彼此影響以達(dá)到協(xié)調(diào)一致的現(xiàn)象[28]。協(xié)調(diào)度是指兩者相互影響的程度,耦合協(xié)調(diào)度值越大,則表明兩系統(tǒng)之間的耦合情況越好,且整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越趨于穩(wěn)定,反之則表明兩系統(tǒng)之間的耦合情況越差且整個(gè)系統(tǒng)趨于無序。計(jì)算公式為:

式中:C為城鎮(zhèn)化與生態(tài)系統(tǒng)的耦合度,U1表示城鎮(zhèn)化綜合評價(jià)值;U2表示生態(tài)環(huán)境價(jià)值綜合評價(jià)值;D為耦合協(xié)調(diào)度;T為兩系統(tǒng)綜合評價(jià)指數(shù),以反映兩系統(tǒng)發(fā)展情況對耦合協(xié)調(diào)水平的整體貢獻(xiàn)。表示兩系統(tǒng)之間的權(quán)重,本文認(rèn)為兩系統(tǒng)之間同樣重要,因此賦值α=β=1/2。

參照已有研究[29],將陜西省耕地利用生態(tài)效率和城鎮(zhèn)化的耦合度、協(xié)調(diào)度計(jì)算結(jié)果劃分成4 個(gè)等級、10大類型,具體分類見表3。

2.2.4 雙變量空間自相關(guān)模型 一般來說,簡單的耦合關(guān)系也可以用相關(guān)性來描述,全局自相關(guān)可分析研究區(qū)范圍內(nèi)各研究單元屬性值的整體空間集聚特性及差異特征,局部自相關(guān)可以彌補(bǔ)全局自相關(guān)分析不能具體刻畫局部空間聚集效應(yīng)的問題[30]。因此,本文采用雙變量空間自相關(guān)模型來確定綜合城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境指數(shù)之間的空間關(guān)系,并檢驗(yàn)兩者關(guān)系間的有效性,Moran′sI∈[-1,1],Moran′sI＞0表示正相關(guān),Moran′sI＜0表示負(fù)相關(guān)。Moran′sI=0表示屬性值是隨機(jī)分布的。全局空間自相關(guān)是用來判定研究區(qū)域內(nèi)是否存在集聚狀況,但無法明確集聚狀況發(fā)生的具體地點(diǎn),而局部區(qū)域自相關(guān)正好是處理和展示高值聚類(H—H)、低值聚類(L—L)、高低集聚(H—L)和低高集聚(L—H)的具體位置,可以反映城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境在空間上的依賴性和關(guān)聯(lián)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 2000-2020年陜西省城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程

2000—2020年陜西省城鎮(zhèn)化水平變化情況如圖2所示,20年間陜西省綜合城鎮(zhèn)化水平提高了111.45%。其中,人口城鎮(zhèn)化水平由2000年的172.94人/km2增加至2020年的191.56人/km2,提升幅度為10.77%;土地城鎮(zhèn)化水平均值由2000年的1.24%增加至2020年的2.65%,提升幅度為113.71%;經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化水平均值由2000年的83.09萬元/km2提升至2020年的1 209.89萬元/km2,提升幅度為1 356.12%。

圖2 2000-2020年陜西省各城鎮(zhèn)化水平分布情況Fig.2 Distribution of urbanization levels in Shaanxi Province during 2000-2020

從城鎮(zhèn)化指標(biāo)的時(shí)空變化來看,人口城鎮(zhèn)化、土地城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化空間差異性顯著,變化速率和方向也不盡相同。2000—2020年陜西省86.06%地區(qū)的人口城鎮(zhèn)化水平有所增加,13.94%的地區(qū)人口密度有所下降,人口密度上升的區(qū)域主要分布在關(guān)中地區(qū)的西安市、咸陽市和銅川市等地區(qū),均處于西安都市圈內(nèi),是關(guān)中平原城市群的核心區(qū)域,也是我國西部地區(qū)發(fā)展條件好,經(jīng)濟(jì)人口承載力最強(qiáng)的區(qū)域之一,隨著時(shí)間的推移,人口密度提升顯著,20年間商洛市和渭南市人口密度略有下降,這主要與當(dāng)?shù)卮罅Πl(fā)展勞務(wù)輸出有關(guān)。2000—2020年陜西省人口城鎮(zhèn)化水平高值區(qū)(800人/km2以上)主要分布在關(guān)中地區(qū)的西安市、渭南市、咸陽市和寶雞市,陜南地區(qū)的漢中市、商洛市和安康市內(nèi)87%以上的區(qū)域人口密度處于200人/km2以下,陜北地區(qū)地廣人稀,延安市和榆林市內(nèi)95%以上的區(qū)域人口密度低于200人/km2。2000—2020年陜西省土地城鎮(zhèn)化水平普遍呈現(xiàn)上升的趨勢,其中提升幅度最大的地區(qū)位于關(guān)中地區(qū)的西安市、咸陽市以及漢中市市區(qū),提升幅度達(dá)到了45%以上。關(guān)中地區(qū)的土地城鎮(zhèn)化水平最高。經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化作為3個(gè)城鎮(zhèn)化指標(biāo)中變化速率最大的指標(biāo),20年間,陜西省經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化水平呈現(xiàn)穩(wěn)步增加的態(tài)勢,增加的區(qū)域主要分布在各個(gè)市區(qū)以及周邊地區(qū),經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化水平高值區(qū)(10 000 萬元/km2以上)主要集中在關(guān)中地區(qū)的西安市、咸陽市和寶雞市,其中關(guān)中地區(qū)提升幅度最大的地區(qū)位于西安市的碑林區(qū)、新城區(qū)、蓮湖區(qū)、雁塔區(qū),陜北地區(qū)提升幅度較大的地區(qū)位于榆林市的神木縣、府谷縣、榆陽縣。陜南地區(qū)提升幅度較大的地區(qū)位于漢中市漢臺區(qū)、安康市漢濱區(qū)。整體來看,陜西省經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化水平呈現(xiàn)出顯著的空間差異性,經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化水平變化速率呈現(xiàn)出關(guān)中＞陜北＞陜南的格局。

從變化速率來看,經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化水平變化速率＞土地城鎮(zhèn)化水平變化速率＞人口城鎮(zhèn)化水平變化速率。相較而言,雖然土地城鎮(zhèn)化和人口城鎮(zhèn)化初始水平較高,但增長趨勢較為平緩,尤其是人口城鎮(zhèn)化,存在滯后性。因此,應(yīng)秉承集約高效原則,促進(jìn)城鎮(zhèn)空間合理布局,加快勞動力、資金、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)合理集聚,發(fā)揮規(guī)模效應(yīng)。

2000—2020年陜西省綜合城鎮(zhèn)化水平時(shí)間變化情況如圖3所示,從時(shí)間序列來看,20年間,綜合城鎮(zhèn)化水平上邊緣值呈波動上升的趨勢,上邊緣最低值出現(xiàn)在2000年為0.759 6,持續(xù)上升至上邊緣最高值,出現(xiàn)在2015年為0.899 5,隨后在2020年小幅下降至0.891 9。綜合城鎮(zhèn)化水平下邊緣值呈波動上升的趨勢,下邊緣最低值出現(xiàn)在2000年,為0.162 1,持續(xù)上升至下邊緣最高值,出現(xiàn)在2010年為0.251 7,隨后的10年內(nèi)持續(xù)小幅下降,直至2020年為0.211 6。綜合城鎮(zhèn)化水平中位數(shù)呈穩(wěn)步上升趨勢,中位數(shù)最低值出現(xiàn)在2000年為0.502 3,隨后穩(wěn)步上升至2020年,最高值為0.690 3?？偟膩砜?陜西省綜合城鎮(zhèn)化水平總體呈穩(wěn)步上升趨勢,經(jīng)歷了“低水平發(fā)展—加速推進(jìn)—減速推進(jìn)”階段。其中,2000—2010年,為快速增長時(shí)期,綜合城鎮(zhèn)化水平由0.499 5上升到0.638 9,經(jīng)濟(jì)發(fā)展為主要驅(qū)動力;2010—2020年,城鎮(zhèn)化水平穩(wěn)步發(fā)展,綜合城鎮(zhèn)化水平由0.638 9穩(wěn)步上升到0.658 9,但增長速度有所減緩,這是提速轉(zhuǎn)為提質(zhì)的體現(xiàn),從追求效果到追求精細(xì)化的可持續(xù)發(fā)展。

圖3 2000-2020年陜西省綜合城鎮(zhèn)化水平時(shí)間變化情況Fig.3 Changes of comprehensive urbanization in Shaanxi Province during 2000-2020

2000—2020年陜西省綜合城鎮(zhèn)化空間變化情況如圖4所示,從空間分布上來看,陜西省的綜合城鎮(zhèn)化水平呈現(xiàn)“中間高四周低”的分布格局,空間差異明顯。關(guān)中地區(qū)綜合城鎮(zhèn)化水平最高,關(guān)中城市群為陜西省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心區(qū)域,依靠區(qū)位優(yōu)勢發(fā)展迅速;陜南地區(qū)的綜合城鎮(zhèn)化水平次之,陜北地區(qū)的綜合城鎮(zhèn)化水平最低,這主要是因?yàn)殛儽钡貐^(qū)人口密度較低,建設(shè)用地面積較少。整體來看,陜西省綜合城鎮(zhèn)化水平呈現(xiàn)出顯著的空間差異性,綜合城鎮(zhèn)化水平呈現(xiàn)出關(guān)中＞陜南＞陜北的格局。

圖4 2000-2020年陜西省綜合城鎮(zhèn)化水平空間變化情況分布Fig.4 Spatial change of comprehensive urbanization level in Shaanxi Province,2000-2020

3.2 陜西省生態(tài)環(huán)境時(shí)空分布格局變化分析

研究以2000—2020年5年為時(shí)間間隔共五期遙感影像數(shù)據(jù)對其RSEI進(jìn)行了定量反演,表4可以看出:(1)研究區(qū)整體的特征值PC1的貢獻(xiàn)率均達(dá)到了90%以上,且PC1特征值未出現(xiàn)明顯的下降,說明RSEI用來表征陜西省的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是可行的。(2)分析PCI中的4個(gè)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率可知,NDVI綠度和WET 濕度為正值,LST熱度和NDBSI干度為負(fù)值,說明綠度和濕度對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有促進(jìn)作用,熱度和干度對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有抑制作用,與實(shí)際情況相符。

表4 2000-2020年陜西省RSEI主成分分析指標(biāo)Table 4 Principal component analysis index of RSEI Shaanxi Province in 2000-2020

圖5為2000—2020年陜西省各生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級面積占比及變化情況,從空間分布來看,陜西省生態(tài)質(zhì)量等級為“中”和“良”的面積較大;每年生態(tài)質(zhì)量等級在“中”以上的綜合面積占比均超過了61%。整體呈現(xiàn)“北低南高”的分布格局,其中陜南地區(qū)的漢中市、安康市和商洛市行政范圍內(nèi)的大部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境以及關(guān)中地區(qū)的寶雞市、西安市和渭南市南部區(qū)域生態(tài)環(huán)境等級為良或優(yōu);寶雞市東部、西安市北部、咸陽市南部、渭南市中北部以及延安市北部地區(qū)的生態(tài)環(huán)境等級為“中”;生態(tài)環(huán)境較差的區(qū)域主要集中于陜北地區(qū)的榆林市,遙感生態(tài)指數(shù)較低,生態(tài)環(huán)境較差。整體來看,陜西省生態(tài)環(huán)境雖有所改善,但在陜北地區(qū)部分經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展區(qū)域仍存在生態(tài)環(huán)境退化的情況,如何在保障經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與改善仍是今后需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

圖5 2000-2020年陜西省生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級分布Fig.5 Distribution of RSEI quality levels in Shaanxi Province in 2000-2020

圖6為2005—2020年陜西省生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級轉(zhuǎn)移矩陣?；鶊D,從時(shí)間序列來看,2000—2005 年,生態(tài)質(zhì)量等級提高的面積共有8.03萬km2,生態(tài)質(zhì)量等級下降的面積有2.68萬km2,提高面積比退化面積多出26.03%,其中中轉(zhuǎn)優(yōu)(4.5萬km2)、較差轉(zhuǎn)良(1.96萬km2)、差轉(zhuǎn)較差(1.45萬km2)貢獻(xiàn)較大;2005—2010年生態(tài)質(zhì)量等級提高的面積共有3.48萬km2,生態(tài)質(zhì)量等級下降的面積有2.05萬km2,提高面積比退化面積多出6.96%,其中較差轉(zhuǎn)良(1.32萬km2)、中轉(zhuǎn)優(yōu)(1.44 萬km2)貢獻(xiàn)較大;2010—2015年生態(tài)質(zhì)量等級提高面積共有3.05萬km2,生態(tài)質(zhì)量等級下降的面積有1.23萬km2,提高面積比退化面積多出8.86%,其中中轉(zhuǎn)優(yōu)(2.09 萬km2)貢獻(xiàn)較大,此階段陜西省生態(tài)環(huán)境質(zhì)量仍然呈現(xiàn)變好的趨勢,但變化速率略有下降;2015—2020年生態(tài)質(zhì)量等級提高的面積共有1.37萬km2,生態(tài)質(zhì)量等級下降的面積有1.94萬km2,提高面積與退化面積基本持平,此階段陜西省生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸趨于穩(wěn)定。

圖6 2000-2020年陜西省生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級轉(zhuǎn)移矩陣?；鶊DFig.6 Sanji diagram of the transfer matrix of ecological environment quality grade in Shaanxi Province from 2000 to 2020

3.3 2000-2020年陜西省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)分析

為探究城鎮(zhèn)化系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)兩者間的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系,本文選取2000 年、2005 年、2010 年、2015年、2020年五期數(shù)據(jù),利用耦合協(xié)調(diào)度模型計(jì)算陜西省生態(tài)環(huán)境與城鎮(zhèn)化發(fā)展水平之間的耦合協(xié)調(diào)度(圖7)。從時(shí)間序列上來看,2000—2020年,陜西省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度整體處于提升階段。陜西省城鎮(zhèn)化與生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度平均值從2000年的0.169 提高至2020 年的0.240。其中,2000—2005年,耦合協(xié)調(diào)度均值處于(0.1,0.2]區(qū)間,為低水平耦合階段。2010—2020年,耦合協(xié)調(diào)度平均值上升到(0.2,0.3]區(qū)間,為拮抗階段;2000年耦合協(xié)調(diào)度最低值出現(xiàn)在榆林市定邊縣為0.057,最高值出現(xiàn)在西安市碑林區(qū)為0.619。2020年耦合協(xié)調(diào)度最低值出現(xiàn)在延安市吳起縣為0.088,最高值出現(xiàn)在西安市碑林區(qū)為0.766。20年間,關(guān)中地區(qū)西安市相關(guān)區(qū)縣由中級協(xié)調(diào)類型進(jìn)入到耦合協(xié)調(diào)階段,其他區(qū)域基本保持穩(wěn)定或略有提升;陜南地區(qū)的漢中市和安康市部分地區(qū)出現(xiàn)了集聚性的高值區(qū)域,均位于漢江流域附近,可見耦合協(xié)調(diào)度與水資源關(guān)系密切,2010 年開始,漢中市境內(nèi)的耦合協(xié)調(diào)度有了較為明顯的變化,耦合協(xié)調(diào)類型由極度失調(diào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹囟仁д{(diào),說明在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的前提下,陜南地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有了進(jìn)一步的提升;陜北地區(qū)由于地形地貌的限制,生態(tài)環(huán)境較差,地廣人稀,除榆林市部分區(qū)縣煤炭資源豐富之外,其他區(qū)縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對落后,研究早期除各區(qū)縣主城區(qū)外,主要耦合協(xié)調(diào)類型為極度失調(diào),從2015年開始陜北地區(qū)的耦合協(xié)調(diào)類型出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)變,耦合協(xié)調(diào)高值區(qū)域不斷擴(kuò)大,到2020年陜北大部分地區(qū)有所好轉(zhuǎn),這主要是因?yàn)橥烁€林政策的實(shí)施,以及三北防護(hù)林建設(shè)、京津風(fēng)沙源治理等工程,植被覆蓋度不斷提高,有效地改善了生態(tài)環(huán)境。

圖7 2000-2020年陜西省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)度發(fā)展空間演變格局Fig.7 Spatial evolution pattern of coordinated development of urbanization and Eco-environment in Shaanxi Province,2000-2020

從空間分布上看,耦合協(xié)調(diào)度呈現(xiàn)出關(guān)中＞陜南＞陜北的分布趨勢,其中耦合協(xié)調(diào)度的高值區(qū)域主要分布在關(guān)中地區(qū)的西安市及其周邊地區(qū),關(guān)中地區(qū)是陜西省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心,城鎮(zhèn)化水平較高,同時(shí)關(guān)中平原地勢平坦,土壤肥沃,氣候溫暖,農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá),生態(tài)環(huán)境較好,城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)度最高,關(guān)中地區(qū)以瀕臨失調(diào)、勉強(qiáng)失調(diào)和初級協(xié)調(diào)為主要協(xié)調(diào)類型;陜南地區(qū)屬于城鎮(zhèn)化發(fā)展滯后型,陜南地區(qū)地處秦嶺以南,區(qū)域內(nèi)自然資源豐富,生態(tài)環(huán)境良好,但是該地區(qū)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)相對薄弱,經(jīng)濟(jì)發(fā)展受生態(tài)保護(hù)限制較大,兩者的耦合協(xié)調(diào)度相較于關(guān)中地區(qū)而言更低;陜北地區(qū)屬于生態(tài)環(huán)境滯后型,陜北地區(qū)是黃土高原的中心部分,水土流失嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境較差,城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)度較低,隨著退耕還林等一系列的政策的實(shí)施,陜北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境正在逐漸變好,二者之間的耦合協(xié)調(diào)度也有所提高。

整體來看,陜西省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度較高的地區(qū),如關(guān)中地區(qū)主要得益于關(guān)中平原區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,農(nóng)村人口具有更多就近就業(yè)的機(jī)會,收入渠道的增加減少了農(nóng)戶對土地依賴的壓力,進(jìn)而促進(jìn)了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量往好的方向發(fā)展。而例如陜北地區(qū)由于一系列生態(tài)環(huán)境修復(fù)工程的實(shí)施,生態(tài)環(huán)境得以改善,越來越多的耕地轉(zhuǎn)為林地、草地,農(nóng)戶的土地經(jīng)營性收入減少,導(dǎo)致更多勞動力流向城市等經(jīng)濟(jì)更發(fā)達(dá)的地方,人口城鎮(zhèn)化水平提高,導(dǎo)致某些鄉(xiāng)村出現(xiàn)土地空廢化現(xiàn)象,從而對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量又起負(fù)向抑制作用。陜南地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化水平相對較低,雖然區(qū)域本身自然資源豐富,但由于土地破碎化,山區(qū)耕地利用水平較低,導(dǎo)致農(nóng)戶為了追求耕地效益而減少對生態(tài)環(huán)境的重視,對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量起負(fù)向作用。因此,本文認(rèn)為城鎮(zhèn)化水平與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量二者之間既表現(xiàn)出互相抑制作用又表現(xiàn)出相互促進(jìn)作用。

3.4 城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度空間自相關(guān)分析

為進(jìn)一步揭示城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境之間的空間互動關(guān)系,借助ArcGIS 10.7進(jìn)行空間自相關(guān)分析(圖8)。在1%的顯著性水平下,2000 年、2005 年、2010年、2015年、2020年的城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境之間的莫蘭指數(shù)分別為:0.908 4,0.905 4,0.895 5,0.874 2,0.895。說明陜西省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境之間存在極強(qiáng)的正相關(guān)性。2000—2020年陜西省全局Moran′sI指數(shù)略有下降,整體變化不大,說明陜西省空間聚集格局相對穩(wěn)定。2000—2020年陜西省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度的集聚特征在空間格局上基本保持一致,其中城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境H—H 區(qū)域占陜西省總面積的13%左右,主要分布在關(guān)中地區(qū)的西安市、咸陽市、寶雞市、渭南市和漢中市的漢臺區(qū)、勉縣等區(qū)域,其他零星分布于陜北和陜南各區(qū)縣主城區(qū)。2000—2020年H—H 分布面積減少了1.32%,L—L區(qū)分布面積減少了15.72%。L—L 區(qū)主要分布在陜北地區(qū)和陜南漢中市和安康市的部分區(qū)縣,陜北地區(qū)生態(tài)環(huán)境較脆弱,人口密度小,嚴(yán)重制約了城鎮(zhèn)化的發(fā)展進(jìn)程。研究期間陜北地區(qū)的黃龍、黃陵、志丹、子長、延川、神木和府谷等區(qū)縣均由L—L區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榱瞬伙@著區(qū),說明這些地區(qū)的城鎮(zhèn)化水平或生態(tài)環(huán)境水平有了不同程度的提高。2000—2020年H—L區(qū)分布面積增加了0.05%,L—H 區(qū)分布面積減少了0.02%,在空間布局上基本維持穩(wěn)定。整體來看,陜西省內(nèi)部各縣域的生態(tài)環(huán)境與城鎮(zhèn)化耦合協(xié)調(diào)發(fā)展長期存在明顯差距,但隨著時(shí)間推移發(fā)展協(xié)調(diào)的地區(qū)逐漸增多。

圖8 2000-2020年陜西省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境之間的局部LISA圖Fig.8 Local LISA map of the relationship between urbanization and ecological environment in Shaanxi Province,2000-2020

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

本文通過對陜西省生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和綜合城鎮(zhèn)化水平的實(shí)證分析,探究了陜西省城鎮(zhèn)化水平和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量耦合協(xié)調(diào)關(guān)系,但仍存在以下問題值得探討:在構(gòu)建城鎮(zhèn)化評價(jià)指標(biāo)體系時(shí),主要從人口城鎮(zhèn)化、經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化和土地城鎮(zhèn)化3個(gè)方面構(gòu)建指標(biāo),后續(xù)可增加社會城鎮(zhèn)化、生態(tài)城鎮(zhèn)化進(jìn)行研究;其次,本文構(gòu)建的耦合協(xié)調(diào)度模型盡管能夠較為直觀地刻畫陜西省在城鎮(zhèn)化推進(jìn)過程中與生態(tài)環(huán)境的耦合變化及時(shí)空變化情況,但對其背后的機(jī)理及驅(qū)動力缺乏更深層次的探討,所提出的方法能否有效地反映現(xiàn)實(shí)問題需要進(jìn)一步進(jìn)行檢驗(yàn)。未來進(jìn)一步協(xié)調(diào)兩系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展與優(yōu)化,特提出以下建議:

從陜西省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對發(fā)展?fàn)顩r來看,各地區(qū)發(fā)展水平差異較為顯著。城鎮(zhèn)化水平較高的區(qū)域,如關(guān)中地區(qū)的西安市、咸陽市和銅川市等地區(qū),均處于西安都市圈內(nèi),是關(guān)中平原城市群的核心區(qū)域。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在空間分布上存在明顯的差異性。陜南地區(qū)的漢中市、安康市和商洛市行政范圍內(nèi)的大部分區(qū)域及關(guān)中地區(qū)的寶雞市、西安市和渭南市南部區(qū)域由于位于亞熱帶地區(qū),降水充沛,氣候適宜,為植被的生長提供了天然的條件,秦嶺山地正是位于這片區(qū)域,植被豐富,自然資源豐富,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好;陜北地區(qū)的榆林市處于黃土高原和毛烏素沙地的交界處,氣候寒冷,水土流失比較嚴(yán)重,遙感生態(tài)指數(shù)較低,生態(tài)環(huán)境較差。因此,對人地矛盾突出的地區(qū)應(yīng)提升城鎮(zhèn)化質(zhì)量,引導(dǎo)人口向周邊經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的區(qū)域中心城區(qū)聚集,優(yōu)化城鎮(zhèn)布局,促進(jìn)城市集約高效發(fā)展。

從陜西省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平及兩者耦合協(xié)調(diào)情況來看,陜西省整體處于生態(tài)環(huán)境較為滯后的水平,盡管生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平發(fā)展協(xié)調(diào)的地區(qū)逐漸增多,但仍有提升空間。應(yīng)逐漸突破薄弱環(huán)節(jié),重視生態(tài)脆弱地區(qū)的綜合管理,對生態(tài)環(huán)境較差的區(qū)域,如陜北地區(qū)的榆林市,在生態(tài)優(yōu)先的原則下,除了嚴(yán)格控制建設(shè)用地規(guī)模、嚴(yán)禁擅自改變生態(tài)用地和基本農(nóng)田之外,應(yīng)積極開展城鄉(xiāng)建設(shè)用地的空間整理,實(shí)施異地城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略,生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū),可以嘗試推行生態(tài)移民的方式,適當(dāng)進(jìn)行遷村并點(diǎn)。

4.2 結(jié)論

本文以陜西省為研究對象,在分析2000—2020年每隔5 a陜西省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空格局演變的基礎(chǔ)上,采用耦合協(xié)調(diào)度模型和雙變量空間自相關(guān)模型剖析了二者耦合關(guān)系及時(shí)空變化特征,主要結(jié)論如下:

(1)2000—2020年陜西省城鎮(zhèn)化水平總體呈現(xiàn)穩(wěn)步上升趨勢,其中綜合城鎮(zhèn)化率提高了111.45%,從空間分布上來看,陜西省的城鎮(zhèn)化水平呈現(xiàn)“中間高四周低”的分布格局,空間差異明顯。關(guān)中地區(qū)城鎮(zhèn)化水平最高,陜南地區(qū)的城鎮(zhèn)化水平次之,陜北地區(qū)的城鎮(zhèn)化水平最低。

(2)2000—2020年陜西省整體RSEI均值呈穩(wěn)步上升趨勢,生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)出好轉(zhuǎn)的態(tài)勢,但地區(qū)間的差異依舊顯著,整體呈現(xiàn)“北低南高”的分布格局,且發(fā)展的空間異質(zhì)性逐漸趨于強(qiáng)化,其中,陜北地區(qū)神木市、榆林市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所好轉(zhuǎn)。關(guān)中地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級由中轉(zhuǎn)良、由良轉(zhuǎn)優(yōu)的地區(qū)不斷增多,如寶雞市、西安市和渭南市南部部分區(qū)域。陜南地區(qū)良轉(zhuǎn)優(yōu)的地區(qū)范圍逐漸增多,如陜南地區(qū)的漢中市、安康市和商洛市部分行政范圍。

(3)基于綜合城鎮(zhèn)化率和RESI指數(shù)構(gòu)建的耦合度模型能效地識別出陜西省城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境狀況的耦合協(xié)調(diào)程度,整體來看,陜西省內(nèi)部各縣域的生態(tài)環(huán)境與城鎮(zhèn)化耦合協(xié)調(diào)發(fā)展長期存在明顯差距,但隨著時(shí)間推移發(fā)展協(xié)調(diào)的地區(qū)逐漸增多。2010—2020年兩者經(jīng)歷了“重度失調(diào)—初級協(xié)調(diào)”的轉(zhuǎn)變,協(xié)調(diào)程度不高但等級趨于不斷優(yōu)化。區(qū)域內(nèi)部各地區(qū)耦合協(xié)調(diào)度均處于不斷提升的狀態(tài),其中陜北地區(qū)神木市、府谷市耦合協(xié)調(diào)程度有所好轉(zhuǎn),關(guān)中地區(qū)良好協(xié)調(diào)地區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大,陜南地區(qū)重度失調(diào)地區(qū)逐漸減少。空間格局上,以關(guān)中地區(qū)為核心總體呈現(xiàn)“中部高兩邊低”的分布特征,耦合協(xié)調(diào)度的空間差異在逐漸減小。