京津冀城市群地區(qū)影響城鎮(zhèn)化的關(guān)鍵要素識(shí)別及其交互作用

孫 濤,孫然好,陳利頂,2,*

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

21世紀(jì)以來(lái),中國(guó)城鎮(zhèn)化的規(guī)模和速度均位于世界前列,城鎮(zhèn)化進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)發(fā)展共同推動(dòng)了中國(guó)社會(huì)發(fā)展和人民生活水平提高,城市群作為城鎮(zhèn)化的主體形態(tài),是中國(guó)推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化的重要組成部分[1]。隨著城市群數(shù)量和規(guī)模的不斷發(fā)展,城市群與區(qū)域生態(tài)環(huán)境的交互作用日益深刻。京津冀城市群地處華北平原,是我國(guó)的政治核心,也是主要經(jīng)濟(jì)核心之一,在我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)過(guò)程中具有示范意義[2]。京津冀城市群在發(fā)展過(guò)程中面臨越來(lái)越嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,如建設(shè)用地過(guò)度擴(kuò)張、耕地流失、水資源短缺、大氣和土壤污染加劇等[3- 5],這些問(wèn)題已經(jīng)影響到京津冀城市群的可持續(xù)發(fā)展,城市發(fā)展和生態(tài)環(huán)境相互脅迫的作用和機(jī)理亟待明確。

城鎮(zhèn)化過(guò)程與社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的變化密切相關(guān)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素和生態(tài)環(huán)境要素的變化可以衡量城鎮(zhèn)化的進(jìn)程、水平和質(zhì)量。社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素一般包括人口、經(jīng)濟(jì)、工業(yè)、社會(huì)、民生等指標(biāo),生態(tài)環(huán)境要素一般包括水資源、土地資源、氣象氣候、生態(tài)、能源、環(huán)境等方面[6]。城鎮(zhèn)化過(guò)程導(dǎo)致土地利用變化、水資源短缺、城市熱島、植被退化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,而生態(tài)環(huán)境則從地形、地下水、自然氣候等方面支撐或限制城鎮(zhèn)化的發(fā)展。在確定生態(tài)環(huán)境對(duì)城鎮(zhèn)化的影響方面,目前主要是綜合性研究較多,包括社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素的演化對(duì)城鎮(zhèn)化過(guò)程的影響和生態(tài)環(huán)境綜合指標(biāo)與城鎮(zhèn)化的聯(lián)系。主要研究方法是基于多要素的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境要素指標(biāo)體系,通過(guò)耦合模型得到城鎮(zhèn)化綜合指標(biāo)和生態(tài)環(huán)境綜合指標(biāo)的耦合度,判斷研究區(qū)城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系。主要研究?jī)?nèi)容有社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素分布的空間異質(zhì)性[7],基于人口素質(zhì)和政府作用等因素的城鎮(zhèn)化影響效應(yīng)[8]以及根據(jù)地區(qū)特征來(lái)選擇影響因素的實(shí)證研究[9]等。而城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系方面,主要集中在城鎮(zhèn)化發(fā)展趨勢(shì)理論推演[10]、城鎮(zhèn)化過(guò)程與生態(tài)環(huán)境要素時(shí)空分析[11- 12]和城鎮(zhèn)化綜合過(guò)程與生態(tài)環(huán)境綜合指標(biāo)耦合度計(jì)算[6,13- 14]等方面。綜合評(píng)價(jià)研究明確了城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的綜合關(guān)系,但不能明確具體哪些要素與城鎮(zhèn)化過(guò)程的關(guān)聯(lián)度更高,并且選擇不同的要素指標(biāo)體系對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定影響。當(dāng)前基于某一類別要素時(shí)的研究主要探討要素的時(shí)空特征和城鎮(zhèn)化發(fā)展對(duì)要素的影響,往往集中于土地、氣溫、植被等某一類生態(tài)環(huán)境要素,對(duì)不同類別的要素與城鎮(zhèn)化過(guò)程的關(guān)聯(lián)性則少有研究。主要研究?jī)?nèi)容包括基于社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)體系所反映的城鎮(zhèn)化Kuznets規(guī)律[15]、土地利用變化對(duì)城鎮(zhèn)化過(guò)程的表達(dá)[16]、城市熱環(huán)境特征及氣象要素變化規(guī)律[17]、能源、經(jīng)濟(jì)、排放與城鎮(zhèn)化進(jìn)程的動(dòng)態(tài)規(guī)律[18]、城市發(fā)展與水資源利用[19]、植被物候在城市-郊區(qū)的變化特征[20]、城鎮(zhèn)化過(guò)程對(duì)水質(zhì)的影響等[21]。

綜合以上研究,城鎮(zhèn)化過(guò)程與生態(tài)環(huán)境要素的綜合關(guān)系研究已較為充分,針對(duì)水、土等要素也有部分研究,但是從生態(tài)環(huán)境的水、土、氣、生層面,哪些類別的要素在城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的交互脅迫中起主要作用討論較少,即影響交互脅迫作用的關(guān)鍵要素尚不明確;針對(duì)要素的關(guān)聯(lián)度,城市和要素間是否存在顯著的交互作用仍需進(jìn)一步確定,以上問(wèn)題是判定城市和生態(tài)環(huán)境要素交互脅迫模式、進(jìn)一步確定不同要素生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的基礎(chǔ)。針對(duì)以上問(wèn)題,本研究從影響城鎮(zhèn)化的關(guān)鍵要素入手,結(jié)合已有研究成果,基于生態(tài)環(huán)境要素與城鎮(zhèn)化過(guò)程的相關(guān)關(guān)系,重點(diǎn)研究不同類別的要素與城鎮(zhèn)化過(guò)程的關(guān)聯(lián)度,為進(jìn)一步明確城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的交互脅迫模式提供參考。

1 研究區(qū)與方法

1.1 研究區(qū)概況

京津冀城市群地處華北平原,地勢(shì)西北高東南低,位于113.45°—119.88°E,35.93—42.72°N之間,是中國(guó)的核心經(jīng)濟(jì)區(qū)和關(guān)鍵交通樞紐之一(圖1)。京津冀行政范圍包含北京、天津以及河北省全境,共13市。根據(jù)京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃,京津冀的空間布局劃分為4個(gè)功能區(qū):即中部核心功能區(qū)、東部濱海發(fā)展區(qū)、南部功能拓展區(qū)和西北部生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)[22]。京津冀區(qū)域自然環(huán)境類別多樣,兼有高原、山地、丘陵、平原、湖泊以及海濱,自然資源豐富,動(dòng)植物種類多樣,其生態(tài)環(huán)境的空間分布差異顯著,既可以提供多樣化的生態(tài)系統(tǒng)功能,亦具備良好的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和科學(xué)研究?jī)r(jià)值。

圖1 京津冀研究區(qū)示意圖 Fig.1 Research area of Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration

1.2 數(shù)據(jù)收集及標(biāo)準(zhǔn)化

城鎮(zhèn)化過(guò)程導(dǎo)致土地利用的變化,城市的發(fā)展對(duì)水資源的需求,對(duì)自然植被的的破壞以及對(duì)能源的利用強(qiáng)度也逐步增強(qiáng),因此本研究從土地、水資源、生態(tài)資源、能源方面描述生態(tài)環(huán)境要素的變化,從人口和經(jīng)濟(jì)方面描述社會(huì)經(jīng)濟(jì)的變化。具體地,社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素包括常住人口、城鎮(zhèn)人口、市級(jí)GDP總量和固定資產(chǎn)投資;土地要素包括建成區(qū)面積和公園綠地面積,能源要素包括用電總量和居民用電總量,水資源要素包括用水總量和生活用水,生態(tài)要素包括歸一化植被指數(shù)。

本研究時(shí)間范圍為2000—2015年,社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水、土地等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自京津冀各省市的《經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》等。數(shù)據(jù)在收集時(shí)統(tǒng)一了量綱單位,保證其絕對(duì)值可比。本研究使用城鎮(zhèn)化率衡量城鎮(zhèn)化的發(fā)展過(guò)程,基于城鎮(zhèn)人口與常住人口的比值法得到[23]。本研究使用MODIS MOD13A3 v6月度植被指數(shù)產(chǎn)品作為NDVI數(shù)據(jù)源,并且根據(jù)產(chǎn)品手冊(cè)提取了最高質(zhì)量的像元,其余像元使用ArcGIS 軟件進(jìn)行掩膜處理。研究對(duì)處理后的月度NDVI產(chǎn)品進(jìn)行算數(shù)平均得到年度平均值。

本研究對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化,去除了數(shù)據(jù)量綱,保證數(shù)據(jù)間的可比性。研究采用Z-score法進(jìn)行處理[24],核心公式如下(公式1):

(1)

式中,x為數(shù)據(jù)值,X表示某一類別整個(gè)數(shù)據(jù)集,mean(X)和std(X)分別表示該數(shù)據(jù)集的算數(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。Z-score表示原始數(shù)據(jù)偏離均值的距離長(zhǎng)短,而該距離度量的標(biāo)準(zhǔn)是標(biāo)準(zhǔn)差。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 灰色關(guān)聯(lián)分析

本研究通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析得到不同要素對(duì)城鎮(zhèn)化率的影響?；疑P(guān)聯(lián)分析以要素?cái)?shù)據(jù)列作為依據(jù),從數(shù)據(jù)列形態(tài)來(lái)研究要素間的幾何對(duì)應(yīng)關(guān)系,用關(guān)聯(lián)度排序來(lái)確定要素間關(guān)系的強(qiáng)弱[25]。結(jié)合本研究數(shù)據(jù),方法基本步驟如下:

(1)確定數(shù)據(jù)的參考序列和比較序列,本研究以城鎮(zhèn)化率作為參考序列x0,其余要素作為比較序列xi(i=1,2,3,…,n)

(2)數(shù)據(jù)的無(wú)量綱處理。

(3)分別求取參考序列和比較序列之間的差值,進(jìn)一步求取差值列中的最大值、最小值(二級(jí)差),再計(jì)算二級(jí)差序列中的最大值和最小值:

Δ0,i(k)=x0(k)-xi(k)
maxi(k)=max (x0(k)-xi(k))
mini(k)=min (x0(k)-xi(k))
maxji=maxi(k)
minji=mini(k)

(2)

其中,公式2表示參考數(shù)列和比較數(shù)列的差值列Δ0,i(k),公式4—5為差值列的最大值maxi(k)和最小值mini(k),公式5—6進(jìn)一步計(jì)算了前式序列中的最大值maxji和最小值minji。

(4)關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算

(3)

式中,基于最大值和最小值,結(jié)合比較數(shù)列進(jìn)行關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算,根據(jù)其他研究結(jié)論[26],對(duì)ρ取值0.5,得到關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣。

(5)關(guān)聯(lián)度計(jì)算

(4)

式中,對(duì)關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣進(jìn)一步優(yōu)化,對(duì)數(shù)據(jù)列xi的關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣求取算數(shù)平均值,得到每個(gè)要素類別i的關(guān)聯(lián)度γ0,i。

(6)關(guān)聯(lián)度排序

對(duì)各類別要素的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行排序,得到各要素i對(duì)城鎮(zhèn)化率的影響。

1.3.2 方差分析

基于關(guān)聯(lián)分析結(jié)果,本研究采用方差分析法進(jìn)行要素與城市的交互作用分析。方差分析(ANOVA)用于兩個(gè)及兩個(gè)以上樣本均數(shù)差別的顯著性檢驗(yàn),是廣泛應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)分析方法[27],其基本思想是通過(guò)分析不同來(lái)源的誤差(隨機(jī)誤差和實(shí)驗(yàn)誤差)對(duì)總變異的貢獻(xiàn)大小確定不同因素對(duì)研究結(jié)果的影響。本研究使用單因素方差分析以及交互作用模塊進(jìn)行要素間顯著性對(duì)比以及要素和城市的交互作用分析,要素顯著性對(duì)比采用Fisher-LSD方法。方差分析計(jì)算過(guò)程復(fù)雜,本研究使用SPSS實(shí)現(xiàn),其原理概述如下:

(1)建立檢驗(yàn)假設(shè);

H0:多個(gè)樣本總體均值相等:

μ1=μ2=μ3=…=μk

H1:多個(gè)樣本總體均值不相等或不全等。

(5)

(6)

若k個(gè)樣本來(lái)自同一總體,則總體均值等于所有樣本個(gè)體之和除以總體數(shù)量,即:

(7)

因此,組間的方差估計(jì)為

(8)

組內(nèi)的方差估計(jì)為(nT-k)為自由度,指取值不受限制的變量個(gè)數(shù)。通常記做df=n-k。其中n為樣本數(shù)量,k為被限制的條件數(shù)或變量個(gè)數(shù):

(9)

(2)計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的F分布:

(10)

(3)基于F分布確定P值并作出推斷結(jié)果,檢驗(yàn)水準(zhǔn)為0.05,表明對(duì)假設(shè)的置信區(qū)間為95%,如果P<0.05,則拒絕H0假設(shè),表明樣本組間存在差異。

2 結(jié)果

2.1 要素與城鎮(zhèn)化的相關(guān)性分析

要素與城鎮(zhèn)化的正負(fù)相關(guān)性直接影響關(guān)聯(lián)分析的可靠性,明確要素和城鎮(zhèn)化的相關(guān)關(guān)系是進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析的基礎(chǔ)。相關(guān)分析中,城鎮(zhèn)化率為因變量,各類別要素為自變量。從圖2看到,除水資源要素和生態(tài)要素外,其余要素與城鎮(zhèn)化率均呈指數(shù)關(guān)系。NDVI變化與城鎮(zhèn)化率線性相關(guān),而水資源與城鎮(zhèn)化率的關(guān)系較為模糊。從相關(guān)性上,城鎮(zhèn)化率與GDP、固定資產(chǎn)投資等社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素相關(guān)性較高,擬合系數(shù)R2在0.85以上,并且RMSE<0.38,離散度較小。其次是與能源要素的相關(guān)性較好,與用電總量和城鄉(xiāng)居民用電的擬合系數(shù)大于0.82,RMSE<0.42。與建成區(qū)面積和公園綠地面積的擬合系數(shù)大于0.79,RMSE<0.46。與NDVI的擬合系數(shù)較低,僅為0.43,RMSE=0.76,離散度較大。相關(guān)性最差的是水資源要素,與生活用水和用水總量的R2均小于0.15,并且RMSE>0.97,該類別要素的離散度最大。

圖2 城鎮(zhèn)化率與社會(huì)經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境要素的相關(guān)關(guān)系Fig.2 Correlation between urbanization ratio and factors固定資產(chǎn)與GDP趨勢(shì)類似未列出,每個(gè)要素均包含2000—2015年在13個(gè)地市的數(shù)據(jù)

2.2 要素與城鎮(zhèn)化的關(guān)聯(lián)度分布

為了進(jìn)一步確定各類要素對(duì)城鎮(zhèn)化率的影響,本研究使用灰色關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)要素關(guān)聯(lián)度進(jìn)行計(jì)算和排名 (圖3)并統(tǒng)計(jì)了值域和方差(表1)。圖3顯示要素類別間和要素類別內(nèi)部,與城鎮(zhèn)化率的關(guān)聯(lián)度都存在不同程度的差異。具體地,在土地方面,建成區(qū)面積關(guān)聯(lián)度整體較高,城市間差異小;公園綠地面積比建成區(qū)面積關(guān)聯(lián)度整體偏小,城市間差異較大,這表明京津冀地區(qū)各城市對(duì)城鎮(zhèn)化過(guò)程中的綠地面積建設(shè)有較大差異;能源方面,居民用電和用電總量均有較高的關(guān)聯(lián)度,其中居民用電分布更加離散,表明用電總量對(duì)城鎮(zhèn)化的表征意義更強(qiáng)。但是圖中顯示邯鄲的用電總量關(guān)聯(lián)度較弱,經(jīng)檢查是由于邯鄲地區(qū)數(shù)據(jù)量偏少所致。水資源要素方面,關(guān)聯(lián)度整體低于能源和土地要素,并且用水總量的關(guān)聯(lián)度整體較生活用水高,表明用水總量能更好地描述京津冀地區(qū)城鎮(zhèn)化過(guò)程;社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素方面,關(guān)聯(lián)度整體較高,但是承德在常住人口方面關(guān)聯(lián)度較低,經(jīng)檢查是由于承德行政區(qū)劃變動(dòng)導(dǎo)致的人口統(tǒng)計(jì)變化所致。值得注意的是滄州地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素與城鎮(zhèn)化的關(guān)聯(lián)性均不高。生態(tài)要素方面,關(guān)聯(lián)度均處于0.75以上,分布也較為集中,表明NDVI可以較好地表達(dá)區(qū)域植被與城鎮(zhèn)化過(guò)程的關(guān)系。

關(guān)聯(lián)度極值和方差分布體現(xiàn)要素的穩(wěn)定性,本研究結(jié)合絕對(duì)值和穩(wěn)定性來(lái)綜合評(píng)價(jià)要素對(duì)城鎮(zhèn)化過(guò)程的影響。如表2所示,關(guān)聯(lián)度值域和方差最小的要素是建成區(qū)面積,分別僅為0.055和0.0004,表明該要素在京津冀的各個(gè)地市中對(duì)城鎮(zhèn)化的影響不僅高,并且穩(wěn)定。值域及方差最大的是常住人口,其值分別為0.383和0.0107,結(jié)合較高的關(guān)聯(lián)度極大值(0.92),表明常住人口要素雖然對(duì)京津冀部分地區(qū)的影響較大,但承德和滄州的影響而不穩(wěn)定。從關(guān)聯(lián)度極值上看,生活用水極大值最低(0.787),說(shuō)明生活用水對(duì)城鎮(zhèn)化率的影響整體偏低。需要指出的是,雖然NDVI的關(guān)聯(lián)度極大值為0.847,低于建成區(qū)面積、用電總量以及固定資產(chǎn)等要素,但方差僅為0.0009,在穩(wěn)定性上僅次于建成區(qū)面積,說(shuō)明本研究中NDVI雖然在關(guān)聯(lián)度上處于中等水平,但穩(wěn)定性好,優(yōu)于相同關(guān)聯(lián)度水平的固定資產(chǎn)、用水總量和公園綠地要素。

根據(jù)關(guān)聯(lián)度結(jié)果,公園綠地、用水總量以及生活用水要素在京津冀所有地市上穩(wěn)定性較弱。常住人口在承德和滄州結(jié)果偏低,GDP總量和固定資產(chǎn)要素在滄州偏低,城鎮(zhèn)化過(guò)程在使用相應(yīng)的關(guān)聯(lián)度或穩(wěn)定性較低的要素描述時(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性進(jìn)行檢查。研究分別按照絕對(duì)值和穩(wěn)定性對(duì)要素關(guān)聯(lián)度進(jìn)行了排名:首先,按照關(guān)聯(lián)度最大值由大到小排名為:城鄉(xiāng)居民用電>常住人口>建成區(qū)面積>用電總量>GDP總量>固定資產(chǎn)>公園綠地>NDVI>用水總量>生活用水;按照方差從大到小排名為:常住人口>固定資產(chǎn)>生活用水>用水總量>GDP總量>用電總量>公園綠地>城鄉(xiāng)居民用電>NDVI>建成區(qū)面積。

圖3 灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果Fig.3 Results of grey relation analysis in 13 cities

要素名稱Factor name最小值Min最大值Max極值差Range方差Variance建成區(qū)面積Built area0.8560.9110.0550.0004公園綠地Park area0.6210.8480.2270.0035城鄉(xiāng)居民用電Citizen electricity0.7760.9270.1510.0013用電總量Total electricity0.650.9040.2540.0037用水總量Total water0.5970.8170.220.0048生活用水Household water0.5560.7870.2310.0052常住人口Permanent population0.5370.920.3830.0107國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值GDP0.6110.8980.2870.0043固定資產(chǎn)Fixed assets0.5380.8750.3370.0067歸一化植被指數(shù)NDVI0.7520.8470.0950.0009

2.3 影響城鎮(zhèn)化的關(guān)鍵要素提取

城鎮(zhèn)化過(guò)程的復(fù)合性導(dǎo)致部分要素間有較強(qiáng)聯(lián)系,研究基于要素關(guān)聯(lián)度結(jié)果,通過(guò)評(píng)價(jià)要素間的差異區(qū)別要素的同質(zhì)性,在此基礎(chǔ)上對(duì)要素進(jìn)行合并,從而得到影響城鎮(zhèn)化過(guò)程的關(guān)鍵要素。研究使用單因素方差分析方法,基于3種統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)相互印證(SPSS, EXCEL以及Origin pro),確保統(tǒng)計(jì)結(jié)果可靠。

表2顯示了兩兩要素間的差異顯著性水平。其中建成區(qū)面積和公園綠地面積差異顯著,用電總量和居民用電差異不顯著,用水總量和生活用水差異不顯著,常住人口、GDP總量以及固定資產(chǎn)兩兩之間差異不顯著。而在不同要素類別之間,差異顯著增強(qiáng),例如居民用電和公園綠地,用水總量和用電總量,常住人口和生活用水差異均為顯著。NDVI與社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素的差異均不顯著,除用電總量外,與其余要素差異顯著。如果要素間差異不顯著,則說(shuō)明所選要素本質(zhì)上含義類同,可以合并使用;如果差異顯著,則二者的含義不同,需要分別使用。通過(guò)對(duì)類別內(nèi)差異不顯著的要素進(jìn)行合并,將原有的10個(gè)要素縮減為6個(gè),如表3。

表2 要素兩兩差異顯著性檢驗(yàn)

其中1表示差異性顯著,0表示差異不顯著

表3 合并后要素描述統(tǒng)計(jì)

合并后要素的關(guān)聯(lián)度排名比合并前更加體現(xiàn)了類別之間的差異性(表3)。例如,建成區(qū)面積的均值最大,標(biāo)準(zhǔn)差和RMSE最小;用水總量的均值最小,RMSE和標(biāo)準(zhǔn)差均處于較大的水平。從合并后關(guān)聯(lián)度均值、標(biāo)準(zhǔn)差和RMSE綜合對(duì)比下,得到合并后要素對(duì)城鎮(zhèn)化過(guò)程的影響排名:建成區(qū)面積>用電量>NDVI>社會(huì)經(jīng)濟(jì)>公園綠地>用水量。這一排名排除了同質(zhì)要素,更清晰地代表了不同類別要素對(duì)城鎮(zhèn)化過(guò)程的影響。這一排名顯然與要素穩(wěn)定性排名更加接近,這說(shuō)明在識(shí)別關(guān)鍵影響要素的過(guò)程中,僅從絕對(duì)值的分布判定要素的影響大小是不全面的,要素關(guān)聯(lián)度的穩(wěn)定性與關(guān)聯(lián)度真實(shí)排名更加相關(guān)。

2.4 城市與要素的交互作用判定

針對(duì)要素關(guān)聯(lián)度排名后的分布情況,研究進(jìn)一步計(jì)算了要素和城市的交互作用(表4)。表中P值越小表明交互作用關(guān)系越顯著。結(jié)果表明研究所選擇的要素存在極顯著差異(P遠(yuǎn)小于0.05),說(shuō)明各類要素不僅可以代表各自類別,并且要素間具有良好的正交性。不同城市間關(guān)聯(lián)度也存在顯著差異(P=0.00665),即不同城市要素的影響不盡相同。最后,城市和要素的交互作用也呈現(xiàn)出顯著的結(jié)果(P=0.00361),說(shuō)明要素貢獻(xiàn)的關(guān)聯(lián)度變化不僅與要素有關(guān),同時(shí)還與城市類型有關(guān),即關(guān)聯(lián)度的分布受到要素和城市特征的共同影響。

表4 要素與城市的顯著性及交互作用

3 討論

本研究基于相關(guān)關(guān)系和灰色關(guān)聯(lián)分析方法評(píng)價(jià)了水資源、土地、生態(tài)、能源以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素與城鎮(zhèn)化過(guò)程的聯(lián)系。首先,在相關(guān)關(guān)系上,NDVI和水資源要素與城鎮(zhèn)化率的相關(guān)性都不高,可能由于本文的NDVI是取區(qū)域均值,這一范圍比城鎮(zhèn)化過(guò)程發(fā)生的主要范圍大,因此相關(guān)性較低。水資源方面,用水總量和生活用水雖然有一定的趨勢(shì),但受到京津冀各地區(qū)水資源總量限制和節(jié)水政策影響,導(dǎo)致水資源要素波動(dòng)性很大,很難與平滑的城鎮(zhèn)化率匹配,因此相關(guān)性較差。

其次,同一要素的關(guān)聯(lián)分析結(jié)果在城市間具有顯著差異,主要與地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、自然環(huán)境等有關(guān)。例如,公園綠地的時(shí)空變化與各個(gè)城市發(fā)展水平、各個(gè)城市對(duì)綠地建設(shè)的重視程度有密切關(guān)系,隨城市發(fā)展表現(xiàn)出較強(qiáng)的異質(zhì)性;而要素類別內(nèi),總量要素(例如用水總量,用電總量)比細(xì)分要素與城鎮(zhèn)化率的關(guān)聯(lián)度高,說(shuō)明總量要素在關(guān)鍵要素的研究上需要重點(diǎn)考慮。用水量方面,河北省缺水情況較為嚴(yán)重,地區(qū)水資源不平衡顯著[28],導(dǎo)致其水資源要素關(guān)聯(lián)度明顯小于北京和天津。人口方面,秦皇島常住人口與承德、滄州關(guān)聯(lián)度差異很大,表明秦皇島地區(qū)人口結(jié)構(gòu)以及增長(zhǎng)均比較穩(wěn)定,并且行政區(qū)劃在研究時(shí)間段內(nèi)變化很小。承德由于行政區(qū)劃變動(dòng)影響人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)致常住人口要素影響不穩(wěn)定。本研究發(fā)現(xiàn)城市和各類要素在關(guān)聯(lián)度上存在顯著的交互作用。同一要素對(duì)城鎮(zhèn)化的貢獻(xiàn)可能在城市間具有差異,因此要素和城市間的交互作用強(qiáng)弱和交互作用的模式需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

針對(duì)城鎮(zhèn)化過(guò)程與生態(tài)環(huán)境要素交互脅迫作用的關(guān)鍵影響因子尚不明確的問(wèn)題,本研究基于相關(guān)關(guān)系和灰色關(guān)聯(lián)分析法從水、土、能源等方面初步識(shí)別了關(guān)鍵影響因子,對(duì)關(guān)聯(lián)度進(jìn)行了排名和穩(wěn)定性檢驗(yàn),基于方差分析明確了生態(tài)環(huán)境要素和城市交互脅迫作用的顯著性。研究得到以下主要結(jié)論:(1)要素對(duì)城鎮(zhèn)化過(guò)程的影響排名依次為建成區(qū)面積、用電量、NDVI、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、公園綠地、用水量;(2)僅考慮關(guān)聯(lián)度的關(guān)鍵要素識(shí)別存在缺陷,本研究證明關(guān)鍵要素排名與關(guān)聯(lián)度的穩(wěn)定性更加相關(guān);(3)同類要素間同質(zhì)化較強(qiáng),不同類別要素間同質(zhì)化較弱。(4)城市和生態(tài)環(huán)境要素的交互作用非常顯著。本文初步明確了與城鎮(zhèn)化過(guò)程相關(guān)的不同類別要素的影響,但是目前選擇的生態(tài)環(huán)境要素偏少,應(yīng)該從類別上和要素?cái)?shù)量上進(jìn)行更加全面的評(píng)估,部分要素資料的收集具有一定困難,需要從更多資料中總結(jié)。另外本文對(duì)行政區(qū)劃變動(dòng)引起的要素異常變化尚未考慮,因此需要更加深入理解要素特性、在更多尺度基礎(chǔ)上對(duì)研究方法和研究結(jié)論進(jìn)一步驗(yàn)證。本研究對(duì)研究城鎮(zhèn)化過(guò)程的生態(tài)機(jī)理、城鎮(zhèn)化過(guò)程與生態(tài)環(huán)境間的相互關(guān)系等工作提供參考。