劉晏冰,韓寶龍,劉晶茹,歐陽志云,*

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

2019年5月21日《Nature》發(fā)布國際地層委員會第四紀(jì)地層分會下屬的“人類世工作小組”的消息,認(rèn)為地球已進(jìn)入一個全新的地質(zhì)年代——人類世[1]。這表明人類對地球的影響之深刻已經(jīng)足夠載入地球的歷史。為了認(rèn)識人與自然的耦合關(guān)系,人們將在一定空間范圍內(nèi)的人類與自然環(huán)境組成的相互作用的功能整體稱為人與自然耦合系統(tǒng)(Coupled Human and Natural Systems, CHANS)[2],隨著人與自然耦合關(guān)系的日益增強,越來越多的生態(tài)學(xué)家逐漸關(guān)注到復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)這一跨學(xué)科領(lǐng)域,人與自然的互動關(guān)系也就成為了現(xiàn)代生態(tài)學(xué)的研究熱點。

人與自然耦合關(guān)系分為正向耦合和負(fù)向耦合,正向耦合標(biāo)志著人與自然和諧共生、協(xié)調(diào)發(fā)展,而負(fù)向耦合意味著人類與自然環(huán)境相互制約,即人類以犧牲自然環(huán)境來獲得發(fā)展,反過來自然環(huán)境退化制約人類的進(jìn)一步發(fā)展,形成生態(tài)環(huán)境危機。認(rèn)識人類活動與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)程度是揭示人與自然耦合關(guān)系的重要課題,并得到越來越多的關(guān)注。早期對協(xié)調(diào)度的研究以定性研究為主[3- 5],之后逐漸發(fā)展為綜合定量評估：如基于經(jīng)濟(jì)-社會-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)分析兩兩之間協(xié)調(diào)關(guān)系[6-7],從協(xié)調(diào)人地關(guān)系角度探討人類活動與地理環(huán)境之間的相互影響[8- 9],運用理論模型定量研究協(xié)調(diào)能力[10-11],對生態(tài)環(huán)境與GDP的關(guān)系開展協(xié)調(diào)評估[12-14],以生態(tài)承載力評判城市化協(xié)調(diào)度[15-16]等方式反映協(xié)調(diào)程度。

上述研究基于經(jīng)濟(jì)發(fā)展、土地利用、生態(tài)環(huán)境承載力等角度在全國、區(qū)域、省域、市域等不同尺度對城市發(fā)展協(xié)調(diào)度進(jìn)行了評估,為揭示我國城市發(fā)展中經(jīng)濟(jì)構(gòu)件、自然地理基礎(chǔ)與人口數(shù)量規(guī)模的關(guān)系以及生態(tài)環(huán)境在城市化進(jìn)程中的變化規(guī)律提供了理論依據(jù),但因側(cè)重點不同,指標(biāo)體系、分析技術(shù)難易均有顯著差別,且納入了過多經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)的考量,而忽略了“人及人工產(chǎn)物”的重要影響。CHANS認(rèn)為人類對自然的影響是CHANS的象征之一[17],且人類對自然的影響具有空間[18]、時間[19]、自組織[20]的復(fù)雜性。城市是最為典型的以“人”為主導(dǎo)的生態(tài)系統(tǒng)[21],城市生態(tài)系統(tǒng)是人類對自然環(huán)境的適應(yīng)、改造所建設(shè)的人工生態(tài)系統(tǒng)[22-23]。因此,對城市協(xié)調(diào)度的評估,應(yīng)從人與自然耦合的角度,關(guān)注人類活動對自然環(huán)境的影響程度。

由于城市人與自然耦合的協(xié)調(diào)度取決于人類從自然界獲得利益的同時,人類活動對自然的改造及影響是否與生態(tài)環(huán)境承載力相匹配,是否導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境退化與破壞。因此,本文以城市生態(tài)系統(tǒng)為對象,通過分析比較全國146個城市資源利用、資源供給能力、土地開發(fā)強度、污染物排放強度、碳排放強度等方面,評估不同城市人與自然耦合的協(xié)調(diào)度,并從城市規(guī)模、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、生態(tài)地理區(qū)等方面分析城市人與自然耦合協(xié)調(diào)度的差異,以期為減少城市建設(shè)與發(fā)展對自然環(huán)境的影響,提高人與自然和諧共處能力提供參考。

1 方法

1.1 指標(biāo)選取

城市發(fā)展依托于自然資源開發(fā)利用以及對自然環(huán)境的改造,城市生態(tài)系統(tǒng)的演化方式及方向由人類行為活動決定,是對生態(tài)環(huán)境影響最劇烈的人類活動類型。城市化不應(yīng)以犧牲自然環(huán)境為代價,而是在發(fā)展的同時盡可能地降低對生態(tài)環(huán)境的脅迫,使自然格局最大化地得到保留。因此,本文定義城市人與自然耦合協(xié)調(diào)度為城市發(fā)展對自然環(huán)境的影響程度,影響越低則協(xié)調(diào)度越高。這里的城市應(yīng)為人口集聚區(qū),而不是簡單的城市行政區(qū)。為了兼顧統(tǒng)計數(shù)據(jù)的可獲得性,本文采用市轄區(qū)代表城市人口集聚區(qū)。

城市發(fā)展對自然環(huán)境的影響主要包括資源消耗和污染排放。本研究指標(biāo)選取既要體現(xiàn)自然系統(tǒng)對人類發(fā)展的支撐作用,同時也應(yīng)反映人類系統(tǒng)對自然的反饋,且要普遍適用于我國不同自然地理區(qū)、不同發(fā)展方向的各個城市。其中資源消耗主要關(guān)注水資源消耗和土地資源消耗,二者是人類生存與發(fā)展的主要自然資源基礎(chǔ),決定了人口增長的極限和城市擴(kuò)張的閾值；污染排放主要關(guān)注污水排放和二氧化碳排放,二者是人類經(jīng)濟(jì)社會活動的主要代謝產(chǎn)物,且對自然生態(tài)環(huán)境影響顯著。為了消除城市占地稟賦上的差異影響,土地資源和污染排放指標(biāo)采用單位面積量(即資源利用強度和污染排放強度),最終有CHANS協(xié)調(diào)度評價指標(biāo)：水資源開發(fā)強度(Water resource intensity,WI)、土地開發(fā)強度(Land development intensity,LI)、水資源供給能力(Water supply capacity,WS)、環(huán)境污染物排放強度(Effluent intensity, EI)、碳排放強度(Carbon emission intensity,CI)。水資源開發(fā)強度和土地資源開發(fā)強度反映了人類對自然惠益的索取程度,水資源供給能力反映自然對城市發(fā)展的支持能力,污染物排放強度和碳排放強度則量化了自然系統(tǒng)對人類活動的承受現(xiàn)狀。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,WIi為第i個樣本城市水資源開發(fā)利用程度,Si為第i個樣本城市供水總量(億m3),Wi為第i個樣本城市水資源總量(億m3),LIi為第i個樣本城市土地開發(fā)強度,Li為第i個樣本城市建設(shè)用地面積(km2),Ai為第i個樣本城市面積(km2),WSi為第i個樣本城市水資源供給能力(%),Ti為第i個樣本城市供水水源中的調(diào)水總量(億m3),EIi為第i個樣本城市環(huán)境污染物排放強度(萬m3/km2),Di為第i個樣本城市污水排放總量(萬m3),CIi為第i個樣本城市碳排放強度(百萬t/km2),Ci為第i個樣本城市碳排放總量(百萬t)。所有指標(biāo)都進(jìn)行了正向化處理,即得分越高越好。

進(jìn)一步,為了消除指標(biāo)間的數(shù)量規(guī)模差異,并降維計算出綜合協(xié)調(diào)度指標(biāo),對上述五個分項指標(biāo)進(jìn)行0—1標(biāo)準(zhǔn)化運算,其中水資源供給能力為正向指標(biāo),使用公式(6)計算,其余指標(biāo)均為負(fù)向指標(biāo),使用公式(7)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

(6)

(7)

由于標(biāo)準(zhǔn)化后的各項指標(biāo)值為無量綱量,因此,采用幾何平均數(shù)的方法進(jìn)行降維,H為人與自然耦合協(xié)調(diào)度指數(shù)。

(8)

(9)

1.2 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)數(shù)據(jù)的可獲得性,本文選取中國146個地級城市作為研究對象。并根據(jù)《關(guān)于調(diào)整城市規(guī)模劃分標(biāo)準(zhǔn)的通知》按照人口規(guī)模進(jìn)行分類,超大城市(人口>1000萬)6個,特大城市(500—1000萬)8個,大城市(100—500萬)83個,中小城市(人口<100萬)49個；同時,將樣本城市按照經(jīng)濟(jì)規(guī)模分為4類,其中,Ⅰ類城市(GDP>10000億元)7個,Ⅱ類城市(5000—10000億元)9個,Ⅲ類城市(500—5000億元)93個、Ⅳ類城市(GDP<500億元)37個。為了研究協(xié)調(diào)度與社會發(fā)展水平的關(guān)系,利用聚類分析,將城市按照人均GDP分為3類：A類城市(人均GDP>12萬元)17個、B類城市(5.9萬元—12萬元)79個、C類城市(人均GDP<5.9萬元)50個。最后,考慮自然環(huán)境稟賦的差異,根據(jù)自然地理區(qū)分為6類城市,其中,東北地區(qū)16個、華北地區(qū)13個、華南地區(qū)39個、華東地區(qū)55個、西南地區(qū)9個、西北地區(qū)14個樣本城市。

水資源開發(fā)強度和水資源供給能力分析主要依托市轄區(qū)供水總量數(shù)據(jù),供水總量以及調(diào)水量來自2016年各城市水資源公報；土地開發(fā)強度分析主要依托市轄區(qū)建設(shè)用地面積以及城市總面積數(shù)據(jù),污水排放強度分析主要依托市轄區(qū)污水排放總量數(shù)據(jù),來自2017年各城市統(tǒng)計年鑒；碳排放強度分析主要依托碳排放數(shù)據(jù),碳排放數(shù)據(jù)是自上而下地對中國主要城市17種化石燃料與46個社會經(jīng)濟(jì)部門的二氧化碳排放量進(jìn)行計算得出[24-27]。由于碳排放數(shù)據(jù)沒有辦法細(xì)分至市轄區(qū),所以采用全市數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果

2.1 城市協(xié)調(diào)度總體特征

2016年我國主要城市的人與自然耦合協(xié)調(diào)度指數(shù)平均值為87.90。伊春市協(xié)調(diào)度最高,銀川市最低,二者相差84.44,說明我國城市間協(xié)調(diào)度差異明顯。伊春不僅協(xié)調(diào)度最好,同時有4項指標(biāo)位于前五,分別是水資源開發(fā)強度、水資源供給能力、環(huán)境污染物排放強度和碳排放強度,吐魯番也有4項分指標(biāo)位于前五,但由于水資源開發(fā)強度僅在第135位,所以其協(xié)調(diào)度指數(shù)并不高,排在第42位。五項分指標(biāo)中,水資源開發(fā)強度得分具有明顯斷層,銀川、烏海以及克拉瑪依水資源開發(fā)強度得分與其余城市差距顯著：烏海市水資源開發(fā)強度得分僅4.36,是除銀川外水資源開發(fā)強度最大的城市,盡管其余四項分指標(biāo)得分較好,但其協(xié)調(diào)度指數(shù)低,排在倒數(shù)第7位。而銀川與克拉瑪依不僅水資源開發(fā)量遠(yuǎn)超當(dāng)?shù)厮Y源保有量,且由于二者本地水源供給能力較低,均需要依靠境外調(diào)水維持城市日常供水,因此二者水資源供給能力得分也不高,銀川市本地水源僅占供水量的13.25%,盡管其余三項分指標(biāo)得分較好,但其協(xié)調(diào)度指數(shù)低,分別排在倒數(shù)第4、5位,說明只有當(dāng)各指標(biāo)都得分較高時,城市才能有較好的協(xié)調(diào)度。

2.2 按照城市人口規(guī)模進(jìn)行分級比較

不同人口規(guī)模城市之間的協(xié)調(diào)度排序如下(表1)：中小城市(89.11)>大城市(88.10)>特大城市(87.26)>超大城市(76.12),土地開發(fā)強度、環(huán)境污染物排放強度隨著城市人口規(guī)模增加而上升,碳排放強度隨著城市人口規(guī)模增加而降低,此外,水資源開發(fā)強度與水資源供給能力與城市人口呈“紡錘形”變化,特大城市與超大城市在水資源開發(fā)強度與水資源供給能力兩項指標(biāo)得分中分別位于首末位；同時,進(jìn)行秩相關(guān)分析,人口規(guī)模與協(xié)調(diào)度(r=-0.246,P=0.003)具有負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表1 不同人口規(guī)模城市協(xié)調(diào)度指數(shù)

2.3 按照城市經(jīng)濟(jì)規(guī)模和社會發(fā)展水平進(jìn)行分級比較

將各城市按經(jīng)濟(jì)規(guī)模和人均GDP分為不同經(jīng)濟(jì)規(guī)模和社會發(fā)展水平：以經(jīng)濟(jì)規(guī)模分析,協(xié)調(diào)度指數(shù)表現(xiàn)為Ⅳ類城市(94.02)>Ⅲ類城市(86.83)>Ⅱ類城市(81.56)>Ⅰ類城市(78.07)的規(guī)律。同時,秩相關(guān)分析顯示,GDP總量與協(xié)調(diào)度(r=-0.489,P=0.000)負(fù)相關(guān)。

以人均GDP分析,協(xié)調(diào)度指數(shù)表現(xiàn)為：C類城市(93.82)>B類城市(86.78)>A類城市(75.73)。同時,秩相關(guān)分析顯示人均GDP與協(xié)調(diào)度(r=-0.597,P=0.000)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

2.4 按照城市所屬生態(tài)地理區(qū)進(jìn)行分級比較

從六大生態(tài)地理區(qū)來看,城市協(xié)調(diào)度指數(shù)呈現(xiàn)西南(92.81)>東北(90.20)>華東(89.60)>華南(86.52)>華北(84.77)>西北(82.25)的趨勢(表2)。東北無明顯短板,且有三項分指標(biāo)位于首位,華北碳排放問題尤為嚴(yán)重,對水資源供給壓力也過大,華南各分指標(biāo)均較低,得分最高項水資源開發(fā)強度和水資源供給能力也僅在全國第四位,華東各指標(biāo)兩極分化,水資源開發(fā)較好,西南水資源供給能力與碳排放為全國最優(yōu),環(huán)境污染問題相對較重,水資源是西北地區(qū)協(xié)調(diào)度主要限制因素,水資源開發(fā)強度與供給能力得分均為全國最低。

表2 不同生態(tài)地理區(qū)協(xié)調(diào)度指數(shù)

3 結(jié)論與討論

本文以我國146個城市為案例,從資源消耗、資源供給、污染排放角度研究了它們在2016年的人與自然耦合協(xié)調(diào)度水平,并按照人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)規(guī)模、發(fā)展水平、生態(tài)地理區(qū)等角度開展分級對比分析。研究發(fā)現(xiàn)：(1)按照城市人口規(guī)模進(jìn)行分級比較,協(xié)調(diào)度：中小城市(89.11)>大城市(88.10)>特大城市(87.26)>超大城市(76.12)；(2)按照城市經(jīng)濟(jì)規(guī)模和社會發(fā)展水平進(jìn)行分級比較,協(xié)調(diào)度排序為：Ⅳ類城市(94.02)>Ⅲ類城市(86.83)>Ⅱ類城市(81.56)>Ⅰ類城市(78.07),C類城市(93.82)>B類城市(86.78)>A類城市(75.73)；(3)按照城市所屬生態(tài)地理區(qū)進(jìn)行分級比較,協(xié)調(diào)度依次為：西南(92.81)>東北(90.20)>華東(89.60)>華南(86.52)>華北(84.77)>西北(82.25)。

研究發(fā)現(xiàn)我國城市人與自然耦合協(xié)調(diào)度具有如下特征：

3.1 我國城市發(fā)展總體仍處于高需求高排放的發(fā)展階段

無論從人口規(guī)模(2.2)、經(jīng)濟(jì)規(guī)模(2.3)、還是社會發(fā)展水平(2.3,人均GDP)的實證分析結(jié)果來看,城市發(fā)展與協(xié)調(diào)度指數(shù)總體呈顯著的秩負(fù)相關(guān)關(guān)系,尤其是水資源開發(fā)強度、水資源供給能力、環(huán)境污染物排放強度、土地開發(fā)強度與城市發(fā)展顯著正相關(guān)。以人口規(guī)模為例,人口最多的超大城市(常住人口大于1000萬)協(xié)調(diào)度指數(shù)僅為76.12,相較中小城市(常住人口小于100萬,89.11得分)低15%,差距明顯。這也與許多學(xué)者的研究結(jié)論一致,Makoto yokohari以亞洲大規(guī)模城市為案例開展研究,認(rèn)為亞洲大城市如果不進(jìn)行規(guī)?？刂?將面臨更大的生態(tài)環(huán)境壓力[28]。陳鳳桂等[29]、呂志強等[30]認(rèn)為:當(dāng)前我國的城市化進(jìn)程,土地城市化快于人口城市化和社會城市化,也說明土地資源消耗是推動城市發(fā)展的主要因素。此外,從生態(tài)地理區(qū)(表2)來看,華東、華南這些發(fā)展較好地區(qū)的土地開發(fā)強度和污染物排放強度以及對水資源的供給需求顯著高于其他地區(qū),同樣表明,城市發(fā)展與協(xié)調(diào)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),這表明我國城市發(fā)展仍是以犧牲生態(tài)環(huán)境為代價。

3.2 生態(tài)環(huán)境承載力是影響城市人與自然耦合協(xié)調(diào)度的重要因素

根據(jù)協(xié)調(diào)度指數(shù)的指標(biāo)體系結(jié)構(gòu),水資源稟賦不僅影響水資源開發(fā)強度和水資源供給能力,還通過能源結(jié)構(gòu)對碳排放強度產(chǎn)生影響。在生態(tài)地理區(qū)與協(xié)調(diào)度相關(guān)性的分析中發(fā)現(xiàn),水資源稟賦匱乏的西北和華北地區(qū)其水資源開發(fā)強度大,且眾多城市需要通過跨流域調(diào)水維持日常穩(wěn)定供水,水資源開發(fā)強度與供給能力得分低；同樣,由于水資源稟賦匱乏,使華北地區(qū)的水電供給較少,最終導(dǎo)致碳排放強度顯著高于華南、華東等城市發(fā)展更好和水資源更為豐沛的地區(qū)。

從生態(tài)地理區(qū)的協(xié)調(diào)度分析中可以發(fā)現(xiàn),華東和華南地區(qū)作為我國的主要制造業(yè)地區(qū)其污染排放強度最高,對協(xié)調(diào)度指數(shù)的抑制作用最為明顯；同時,在經(jīng)濟(jì)規(guī)模分級的協(xié)調(diào)度分析中也發(fā)現(xiàn),以制造業(yè)為主的經(jīng)濟(jì)規(guī)模最大城市(Ⅰ型城市)污染物排放強度最大?？梢娚鷳B(tài)環(huán)境承載力對城市人與自然耦合協(xié)調(diào)度高低產(chǎn)生重要影響,這也是造成我國不同人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)規(guī)模、社會發(fā)展水平城市間協(xié)調(diào)度差異的原因之一。

3.3 提高能源利用效率,降低碳排放強度在改善城市人與自然耦合協(xié)調(diào)度中發(fā)揮作用

一方面,前述研究認(rèn)為兩項開發(fā)強度、資源供給能力及環(huán)境污染物排放強度與城市發(fā)展水平正相關(guān)；另一方面,通過對所有協(xié)調(diào)度分項指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)碳排放強度與其他指標(biāo)之間互不相關(guān)(表3)；同時,在經(jīng)濟(jì)規(guī)模和發(fā)展水平分級協(xié)調(diào)度分析中,碳排放強度與GDP總量(r=-0.305,P=0.000)、人均GDP(r=-0.449,P=0.000)均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。因此,認(rèn)為我國碳排放強度與城市發(fā)展出現(xiàn)脫鉤特征,即城市發(fā)展不再以化石能源消耗為驅(qū)動力。在此情境下,城市碳減排工作將成為城市發(fā)展過程中,最先和最易進(jìn)行協(xié)調(diào)度提高的切入點。以深圳為例,2018年深圳常住人口增長3.8%,經(jīng)濟(jì)增長7.6%,人均GDP增長3.8%,但是單位能源消耗下降4.2%。

表3 各分指標(biāo)秩相關(guān)分析結(jié)果

3.4 改善我國城市人與自然耦合協(xié)調(diào)度的政策建議

當(dāng)前我國城市發(fā)展總體仍處于高需求高排放的發(fā)展階段,人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)規(guī)模、土地供給規(guī)模都是推動城市人與自然耦合協(xié)調(diào)度降低的主要原因。因此,城市需要進(jìn)行人口規(guī)?？刂?并將產(chǎn)業(yè)向低占地、低資源消耗的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型,如發(fā)展研發(fā)、設(shè)計、金融等生產(chǎn)型服務(wù)業(yè)。首先,通過向知識型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型降低城市人口規(guī)模,達(dá)到壓縮生活型服務(wù)業(yè)供給的目的,實現(xiàn)勞動力需求在根本上的疏解；其次,通過傳統(tǒng)制造業(yè)向高端制造業(yè)的轉(zhuǎn)型可以使“工業(yè)上樓”,進(jìn)一步提高土地利用效率；此外,在城市發(fā)展過程中應(yīng)當(dāng)對生態(tài)空間實施管控,通過維持生態(tài)空間底線管理,提升土地高效利用的積極性,緩解土地開發(fā)協(xié)調(diào)度下降的趨勢。

水資源稟賦不足和產(chǎn)業(yè)空間布局等與資源環(huán)境承載力布局錯配也是導(dǎo)致協(xié)調(diào)度偏低的主要原因。一方面,應(yīng)當(dāng)在水資源稟賦不足的地方加大對節(jié)水技術(shù)的政策支持力度,如增加對節(jié)水器具的補貼,在發(fā)達(dá)地區(qū)探索海水淡化利用等；另一方面,有必要根據(jù)資源環(huán)境承載能力情況進(jìn)行產(chǎn)業(yè)準(zhǔn)入控制,逐步清退超承載力的產(chǎn)業(yè)。

能源結(jié)構(gòu)差異是引起城市間碳排放協(xié)調(diào)度差異的重要原因。通過增加清潔能源供給,達(dá)到減輕對化石能源依賴,適度開發(fā)水電資源,大力發(fā)展太陽能、風(fēng)能產(chǎn)業(yè),做好清潔能源上網(wǎng)并網(wǎng)的利益分配機制和政策引導(dǎo)設(shè)計,能夠有效的提升清潔能源供給積極性。同時,要防范碳排放的產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)移問題,雖然城市電動汽車快速增加,但如果依靠遠(yuǎn)距離的火力發(fā)電上網(wǎng)轉(zhuǎn)移供電,其本質(zhì)上還是增加碳排放。