钱田田, 王宏卫, 余芳瑞, 魏一鸣, 尹玉聪, 薛孟琦

(1. 新疆大学 地理与遥感科学学院, 新疆 乌鲁木齐 830017;2. 新疆大学 新疆绿洲生态自治区重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830017)

新疆是典型的干旱半干旱区,自然条件较为恶劣.城市作为人口、产业主要集聚区,是新疆生态保护的先行区和主战场.在生态环境脆弱和外来扰动的双重压力下,城市生态保护和治理的核心任务是增强韧性转变,因此,提高城市应对生态风险的能力成为城市高质量发展的一个重要内容,也是韧性城市未来的发展方向.

韧性作为一种主动探索适应性的调整变化方式[1],与区域高质量发展理念存在共通之处[2],在区域不断面对外界干扰和冲击的影响下[3],给区域发展提供了新的思路.韧性从工程韧性、生态韧性发展到演化韧性(社会生态韧性).作为城市韧性的重要维度,城市生态韧性受到国内外学者的广泛关注.国外生态韧性的相关研究主要围绕韧性理论[4]、形成机制[5]、优化路径[6]等内容展开.Holling[7]将生态韧性定义为生态系统在应对自然或人为因素变化时所产生的持续应对性;André等[8]尝试将生态韧性与城市治理绩效相结合,构建复杂系统下的城市生态韧性提升体系.国内研究则主要涉及韧性演化[9]、指标构建[10]和影响因素[11]等方面.夏楚瑜等[12]从抵抗力、适应力和恢复力3个方面构建杭州市生态韧性评估模型,对杭州市生态韧性时空变化格局进行分析,并提出分区管理模式;王婷等[13]从我国高质量发展的需求出发,构建基于高质量发展的城市生态韧性测度框架;王松茂等[14]基于演化韧性理论,在评估和分析山东半岛城市群城市生态韧性的时空分异和演进规律的基础上,采用障碍度模型识别其主要障碍因子.现有的城市生态韧性研究限于概念的不统一,侧重分析城市生态系统在受到外来干扰和冲击后的抵御和恢复能力,较少有在演进韧性视角下对城市生态韧性进行深入探讨,难以综合评估城市生态韧性的内涵机制和高质量发展能力.

鉴于此,本文运用驱动力-压力-状态-影响-响应(DPSIR)模型、熵权法、综合指数法等评估2000-2020年新疆城市的生态韧性,通过地理探测器探测其影响因子,并提出城市生态韧性的提升策略.

1 研究数据及方法

1.1 研究区概况

研究区概况图,如图1所示.新疆地广人稀,城市作为人类活动的主要载体,在具有丰富资源储备的同时,存在生态环境脆弱,生态承载力低的先天不足问题,社会经济行为受到客观自然环境制约,工业生产和农业活动的环境依附性需要保持在较低水平.2000-2020年间,新疆在西部大开发、对口援疆等政策的引导下,经济水平不断提升,国民生产总值由1 363.56亿元上升到13 797.58亿元;基础设施建设不断完善,到2020年,新疆高速公路里程已达到5 412.9 km;生态环境遭到破坏,近20年来新疆生态环境的主要情况是局部(内部绿洲)改良,然而整体逐渐恶化,尤其是绿洲周围的沙漠过渡带不断恶化,对绿洲生态环境造成明显的负面影响.

图1 研究区概况图Fig.1 Overview of study area

1.2 数据来源

遵循指标数据获取的可得性、科学性和系统性,运用DPSIR模型构建新疆城市生态韧性评估体系.研究数据分别来源于美国航空航天局(NASA)、大气成分分析组、中国科学院资源环境科学数据中心网、NOAA/NCEI美国国家环境信息中心、北京大学地理数据平台、Openstreetmap、新疆统计年鉴(2001-2021)、中国县域统计年鉴(2001-2021)、根据2001-2021年各地市统计年鉴、县域统计年鉴和部分县级以下统计公报进行补充.由于数据获取来源较多,对数据进行统一栅格与分辨率处理,重采样后的数据分辨率为1 000 m.

1.3 研究方法

1.3.1 DPSIR模型 DPSIR模型[15]强调社会经济发展与环境之间的关系.在DPSIR模型中,经济和社会因子作为驱动力(D),增加或减轻生态环境压力(P),造成城市社会-经济-生态系统状态(S)发生改变,这些改变对城市资源质量、产业结构、区域发展等方面产生影响(I),并使系统以预防、适应或改善的方式做出响应(R).响应又会反过来促进社会经济发展,调控环境压力,并改变城市当前的状态.DPSIR模型,如图2所示.

图2 DPSIR模型Fig.2 DPSIR model

1) 指标体系构建.为准确、客观地评价新疆城市生态韧性,参考文献[16-17]的研究,综合考虑新疆社会经济发展、生态环境变化、基础设施建设等特征,构建DPSIR模型下新疆城市生态韧性评价指标体系,共计24项指标,如表1所示.

表1 DPSIR模型下新疆城市生态韧性评价指标体系Tab.1 Evaluation index system of urban ecological resilience in Xinjiang under DPSIR model

2) 数据标准化处理.为了消除原始数据量纲和数值间的差异,需要对数据进行标准化处理,即

(1)

式(1)中：x′为原始数据进行标准化处理后的数值;xi,j为指标的实际值;max(xi,j)为该指标序列的最大值;min(xi,j)为该指标序列的最小值.

3) 熵权法.在进行新疆城市生态韧性评价时,采用客观赋权方法中的熵权法计算指标权重[19],即

(2)

(3)

dj=1-ej,

(4)

(5)

式(2)～(5)中：pi,j为第j项指标下第i个生态韧性指标值所占的比重;m为新疆城市总数;ej为第j项指标的熵值;dj为第j项指标的冗余度;wj为第j项指标的权重;n为指标个数.

4) 新疆城市生态韧性评价.使用综合指数法计算新疆城市生态韧性,表达式为

(6)

式(6)中：ERI为新疆城市生态韧性指数;Xj为指标j的标准化值.

1.3.2 全局Moran′sI指数 全局空间自相关主要用于分析地理要素在整个区域内的关联特征,通常用全局Moran′sI指数(IM)来衡量,其表达式为

(7)

1.3.3 地理探测器 地理探测器是由王劲峰等[20]提出的用于空间数据探索的方法,因子探测器主要用来检测地理因素和某种指标的变化在空间上是否具有显著的一致性,其表达式为

(8)

2 研究结果与分析

2.1 新疆城市生态韧性水平演变特征

根据所建立的新疆城市生态韧性评价指标体系,对其生态韧性水平进行评价,分别得到2000年、2010年和2020年新疆城市生态韧性评价指数.运用 ArcGIS中的自然断点法对新疆城市生态韧性进行分等定级,划分为5类：Ⅰ类为低韧性(ERI<1.691);Ⅱ类为较低韧性(1.691≤ERI≤1.941);Ⅲ类为中等韧性(1.941≤ERI≤2.201);Ⅳ类为较高韧性(2.201≤ERI≤2.556);Ⅴ类为高韧性(ERI>2.556).

2.1.1 时间演变规律 计算得到的2000-2020年的新疆城市生态韧性等级划分,如图3所示.由图3可知：新疆城市生态韧性水平整体得到提升,城市生态韧性综合指数平均值分别为1.885(2000年),2.162(2010年),2.253(2020年).新疆85个城市中生态韧性水平提升速度最快的是奎屯市,由1.751增加为2.688,而且末县、塔城市和乌鲁木齐县生态韧性水平呈现负增长.

(a) 2000年 (b) 2010年 (c) 2020年图3 2000-2020年新疆城市生态韧性等级划分Fig.3 Classification of urban ecological resilience levels in Xinjiang from 2000 to 2020

新疆城市生态韧性等级变化,如图4所示.由图4可知：2000年城市的Ⅰ类生态韧性水平在2020年大部分优化到Ⅱ类和Ⅲ类生态韧性水平,很难跃迁到Ⅳ类及Ⅴ类生态韧性水平;2000-2010年,Ⅰ类和Ⅱ类城市数由53个减少至18个,Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类城市数由32个增加到67个;2010-2020年,Ⅰ类和Ⅱ类城市数由18个变为10个,Ⅲ类城市数由32个变为21个,Ⅳ类城市数由31个增加到48个,Ⅴ类城市数由4个增加到6个.产生这一变化的原因主要是20年间新疆城市经济迅速发展,社会事业不断完善,生态环境逐步变好.经济上,2000-2020年,新疆85个城市人均GDP总值由7 372元增加到23 845元,作为中国重要的农牧业产地,新疆的农业系统产出结构熵和农业产出系统结构转换率随着科学技术水平不断完善,提升明显;社会事业上,地方财政支出由124.96万元提高至3 480.46万元,医疗卫生机构、福利机构、学校和交通道路等公共基础设施建设水平逐步完善;生态环境上,单位GDP工业SO2排放量和单位GDP工业PM2.5浓度逐步降低,说明在工业生产上更加注意污染物的排放,但空气质量整体有所下降,土壤侵蚀、植被退化、林草覆盖率降低等问题不容忽视.

图4 新疆城市生态韧性等级变化Fig.4 Changes in urban ecological resilience levels in Xinjiang

从指标体系的5个维度来看,这20年间,驱动力小幅度增强,说明近20年新疆城市社会经济发展速度一直保持增长;压力在显著增强后又明显下降,说明2010年后,新疆各城市开始注重排污减污和环境保护;状态不断变好,说明系统对压力的转化能力不断优化;影响改变不大,说明在快速发展的同时,相应的配套设施也在同步发展;响应不断提升,说明基础设施和服务能力不断完善.

2.1.2 空间演变规律 1) 新疆城市生态韧性空间相关性.利用ArcGIS软件中的空间分析工具,得出2000-2020年新疆城市生态韧性水平的全局Moran′sI指数,如表2所示.表2中：Z为标准差的倍数;P为显著性.由表2可知：2000-2020年,新疆城市生态韧性全局Moran′sI指数均通过了Z统计量检验,Z≥2.58,且P≤0.01,新疆城市生态韧性之间存在显著的正相关关系,即城市生态韧性指数不论高低,在空间上都呈现集聚的特征.

表2 2000-2020年新疆城市生态韧性全局Moran′s I指数Tab.2 Global Moran′s I index of urban ecological resilience in Xinjiang from 2000 to 2020

2) 新疆城市生态韧性空间异质性.受制于新疆特殊区位和自然环境特征,城市生态韧性空间异质性明显.在韧性等级划分中,新疆城市生态韧性水平呈现出北高南低的特征.生态韧性水平为Ⅳ类和Ⅴ类的城市主要集中分布于天山北坡经济带,生态韧性水平为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ类的城市虽有所提升,但与Ⅳ类和Ⅴ类城市存在一定差异.产生这种现象的主要原因是生态基础、经济加持下的政策倾斜.天山北坡经济带的城市在优越的区位条件与丰富的资源优势的加持下,系统有更强的抗干扰和回稳能力.

2020年新疆城市生态韧性不同维度的空间分异情况,如图5所示.由图5可知：从驱动力维度看,新疆城市驱动力整体较弱,多集中于等级Ⅱ,Ⅲ,达到等级Ⅴ的只有4个城市,分别为克拉玛依市、乌鲁木齐市、库尔勒市和伊吾县,说明这4个城市社会经济发展的驱动力较强;从压力维度看,大部分城市处于高压力状态,多处于等级Ⅳ,Ⅴ,仅有若羌县处于等级Ⅰ,说明该县城市工业化水平低,产生的污染较小;从状态维度看,大部分城市处于等级Ⅳ,表明在不同驱动力和压力影响下,城市生态系统状态表现较好;从影响维度看,等级较为分散,由于自然本底差异,城市生态系统表现出不同程度的影响水平;从响应维度看,全疆城市整体响应偏低,处于等级Ⅴ的仅有乌鲁木齐市,说明新疆城市整体响应能力弱.

(a) ERI (b) 驱动力 (c) 压力

2.2 新疆城市生态韧性影响因素分析

2.2.1 单因子探测分析 采用ArcGIS自然断点法对新疆城市生态韧性指标体系中各项指标数值进行离散化,将离散化后的类型量导入地理探测器中进行因子探测,前8位影响因子的探测结果,如表3所示.表3中：q为影响因子对城市生态韧性的决定力.由表3可知：各影响因子对城市生态韧性的决定力存在较大差异.

表3 前8位影响因子的探测结果Tab.3 Detection results of top 8 influencing factors

在驱动力维度中,人均消费水平和城镇化率能表征城市生态韧性的动力来源,其中,城镇化率的q值高于人均消费水平,反映出人口向城市的集中是城市生态韧性的主要动力来源.城镇化率和消费水平的提升是城市发展的主要原因.

在压力维度中,化肥施用度能够反映生态系统所面临的生态威胁情况,其q值为0.186,说明新疆城市间受到化肥施用度的影响较大,化肥施用度为城市生态韧性的主要压力来源,过度施用化肥对土壤和地下水产生不同程度的污染,直接影响当地作物的产量和人们的日常生活.

在状态维度中,植被退化和土壤侵蚀能够反映城市系统的基本情况,其因子决定作用较高,说明植被退化和土壤侵蚀能较大程度地反映新疆城市间的资源环境情况.

在影响维度中,非农产业区位商、林草覆盖率和空气质量指数能够反映城市产业结构、资源质量、生态环境等方面对生态韧性的影响,其中,林草覆盖率因子q值最高,说明林草资源质量是城市生态韧性产生显著正效应的关键.

2.2.2 交互探测分析 运用地理探测器中的交互探测器探测双因子对城市生态韧性的共同作用.新疆城市生态韧性因子交互探测结果,如表4所示.图4中：箭头表示影响因子两两交互的作用值高于单一因子的作用值.

表4 新疆城市生态韧性因子交互探测结果Tab.4 Interactive detection results of urban ecological resilience factors in Xinjiang

由表4可知：8个主要影响因子两两交互的作用值均高于单一因子的作用值,表明双因子的共同作用会增加其对生态韧性水平的解释力,其中,城镇化率和林草覆盖率的交互探测结果最高,为0.615,表明新疆城市生态韧性受城镇化率和林草覆盖率的共同影响最大.因此,可以从双因子的交互作用着手,提升城市生态韧性.

2.3 新疆城市生态韧性优化建议

1) 提升驱动力.把握天山北坡城市群高质量发展的战略定位,大力发展经济,吸引并留住人才,以点带面,辐射全疆,协调推进全疆城市生态建设,通过技术溢出、制度溢出和人才溢出,扩大高生态韧性城市的生态建设辐射带动作用和示范效应,打破区域城市生态韧性两极化困境.

2) 化解压力.在增强压力转化的同时,划定并严守生态保护红线,加强对社会安全事故及城市节能减排的管控力度,鼓励绿色发展型企业的转型升级,转变城市高耗能、高污染的发展模式,坚决不走“先污染,后治理”的老路.

3) 改善状态.通过制定环境保护规章制度和更新产业结构入手,加快构建多元化现代生态产业体系,完善劣势地区生态产业链、供应链建设,以提高经济稳定性,并合理布局应急产业,有效应对各类风险压力.

4) 优化影响.通过对城市用地空间的合理布局,降低社会经济发展对生态环境的压力,从而有效提升城市生态系统对压力的适应能力.

5) 提升响应.加强基础设施建设,完善交通道路网络体系,提升综合服务能力,以复合功能为导向布局城市基础设施,增强城市生态承载能力,加大“人才兴疆”战略实施力度,推动科教深度融合创新,加快科技成果资本化、产业化,有效增强城市生态系统的学习和转化能力.

3 结论

2000-2020年新疆发展迅速,结合统计数据和遥感数据,建立DPSIR框架下的城市生态韧性评价指标体系,借助地理探测器对城市生态韧性影响因子进行探测并分析,得出以下4点结论.

1) 时间尺度上,随着生态理念日益完善和落地,新疆在20年间的城市生态韧性水平不断提升,Ⅰ类、Ⅱ类生态韧性水平的城市明显减少,Ⅳ类、Ⅴ类生态韧性水平的城市数量逐步增多,但跨越式的韧性跃迁尚不明显.分阶段来看,2000-2010年,新疆城市社会经济的发展给生态环境带来了较大的压力;2010-2020年,新疆在保持经济快速发展的同时,开始注重响应措施的提升.

2) 空间分布上,新疆城市生态韧性之间呈现显著的空间正相关性,新疆城市生态韧性具有明显的区域辐射性;新疆城市生态韧性水平空间异质性明显,天山北坡经济带中的城市生态韧性水平相对较高,各时间结点均表现为北疆城市生态韧性高,南疆城市生态韧性低的特征.

3) 影响新疆城市生态韧性的因子主要为城镇化率、化肥施用度、植被退化、土壤侵蚀、林草覆盖率、非农产业区位商、人均消费水平、空气质量指数;影响因子两两交互的作用值均高于单一因子的作用值,其中,城镇化率和林草覆盖率的交互探测结果最高,为0.615.

4) 新疆地域广阔、自然环境复杂,在大力发展经济的同时,应在绿色生态等思想的引导下,通过合理规划城市定位提升驱动力,借助严格划定生态保护红线和发展绿色企业等措施化解压力,结合制定环境保护规章制度和更新产业结构等策略改善状态,通过调整用地空间布局来优化影响,并从完善基础设施和社会保障等方面提升响应,最终实现新疆城市韧性水平的提升.