珠江三角洲城市群生態(tài)安全空間分異與聚集特征*

李淼，胡蒙蒙，夏北成

(中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 廣東 廣州 510275)

由于生態(tài)環(huán)境的污染和破壞對人類生存與可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅，生態(tài)安全問題成為21世紀(jì)人類面臨的主要挑戰(zhàn)之一，引起了國際社會的廣泛關(guān)注[1]。生態(tài)安全的本質(zhì)是研究人類與自然資源的交互作用并降低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[2]，研究此問題對于人類如何適應(yīng)全球變化實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，調(diào)控自身的行為以維護(hù)自身安全具有重要意義[3]。國外對生態(tài)安全研究起步于20世紀(jì)40年代，集中于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、生態(tài)系統(tǒng)健康等方面，主要研究城市環(huán)境壓力與安全的內(nèi)在關(guān)系和機(jī)理探求[4-5]。在研究尺度上，對宏觀層面如全球和國家的研究較多，微觀層面的研究較少[6]。國內(nèi)關(guān)于生態(tài)安全的研究出現(xiàn)較晚，始于20世紀(jì)90年代，主要是研究自然和社會經(jīng)濟(jì)活動與區(qū)域的作用過程，或景觀格局與區(qū)域的作用過程[7]，集中于生態(tài)安全的概念及特征、生態(tài)安全評價(jià)等。

生態(tài)安全評價(jià)是生態(tài)安全研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容，國內(nèi)外學(xué)者在評價(jià)方法方面已進(jìn)行了廣泛研究，包括PSR模型法[8]、生態(tài)承載力分析法[9]，生態(tài)模型方法[10]，景觀生態(tài)學(xué)方法[11]以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值法[12]等。目前國內(nèi)外學(xué)者對于生態(tài)安全評價(jià)的研究尚處于探索階段，沒有形成系統(tǒng)統(tǒng)一的評價(jià)指標(biāo)體系，張蕾等[13]基于人口、自然環(huán)境和生物三方面因素綜合決策構(gòu)建生態(tài)廊道適宜性評價(jià)指標(biāo)體系判定潛在生態(tài)廊道；鄭洋等[14]從土地利用變化-生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)-生態(tài)系統(tǒng)安全角度研究海岸帶生態(tài)安全狀況。解決生態(tài)環(huán)境問題需綜合社會科學(xué)、自然科學(xué)和安全科學(xué)的知識，掌握生態(tài)系統(tǒng)的安全性和完整性，基于概念框架構(gòu)建包含多類指標(biāo)的研究體系，從多個(gè)角度進(jìn)行評價(jià)[15]。

研究珠江三角洲城市群的生態(tài)安全空間組織及結(jié)構(gòu)形態(tài)對城市群健康發(fā)展具有重要意義。目前，對珠江三角洲城市群個(gè)別城市如廣州[16]、深圳[17]、佛山[18]的生態(tài)安全研究較多，對珠江三角洲城市群整個(gè)區(qū)域的生態(tài)安全研究很少，也未對其空間分異與聚集特征開展過研究。本文以珠江三角洲城市群為研究對象，利用2015年珠江三角洲城市群9市的社會、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)為驅(qū)動，通過集對分析法測度城市單元的生態(tài)安全，依此識別城市群系統(tǒng)屬性。并根據(jù)空間自相關(guān)方法表征城市時(shí)空分異特征，從而探索城市群系統(tǒng)時(shí)空分異的自組織規(guī)律，為城市群科學(xué)發(fā)展規(guī)劃及合理布局提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

珠江三角洲城市群位于中國南部的廣東省境內(nèi)，總面積約為5.4萬km2，是我國南部最大的沖積平原。包括廣州、深圳、珠海、惠州、佛山、東莞、中山、江門、肇慶9個(gè)城市，下轄40多個(gè)區(qū)縣。區(qū)域內(nèi)土壤肥沃，水資源充沛，動植物資源豐富，是全國光、熱、水資源最豐富的地區(qū)之一。毗鄰港澳的優(yōu)越地理位置及改革開放的政策引導(dǎo)，使珠江三角洲城市群成為全球最具活力的經(jīng)濟(jì)區(qū)之一。作為國家前期策略的主體區(qū)域，2015年珠江三角洲城市群常住人口數(shù)約5 874萬人，人均GDP近11萬元，以不到廣東省30%的人口創(chuàng)造了全省77%的GDP。據(jù)世界銀行發(fā)布的報(bào)告顯示，珠江三角洲超越日本東京成為世界人口和面積最大的城市群。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所采取的數(shù)據(jù)為珠江三角洲城市群各市地理空間分布的矢量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中所有屬性數(shù)據(jù)均來源于《廣東省統(tǒng)計(jì)年鑒(2016)》[19]、《珠三角城市群年鑒(2016)》[20]、2016年廣東省環(huán)境狀況公報(bào)、各市統(tǒng)計(jì)年鑒等。

1.3 研究方法

1.3.1 城市群生態(tài)安全測度方法 集對分析(Set Pair Analysis，SPA)是由我國學(xué)者趙克勤[21]提出的研究事物之間的確定與不確定性關(guān)系的理論方法。通過將兩個(gè)集合作為一個(gè)集對，按照集對的某一特性建立這兩個(gè)集合的同一、差異、對立的聯(lián)系度公式，計(jì)算多個(gè)評價(jià)指標(biāo)與最優(yōu)評價(jià)集的相對貼合度，使得研究結(jié)果貼近最優(yōu)解集，從而達(dá)到解決多目標(biāo)決策和多屬性評價(jià)的目的，被廣泛應(yīng)用于安全評價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害等研究領(lǐng)域[22]。

其原理為：假設(shè)一個(gè)多屬性評價(jià)問題，記為Q={F,D,E,W}，其中F表示評價(jià)方案集，D為評價(jià)指標(biāo)集，E為評價(jià)對象集，W為指標(biāo)權(quán)重集，U、V分別為評價(jià)方案的最優(yōu)評價(jià)集和最劣評價(jià)集，集對{Fm,U}在[U,V]上的聯(lián)系度為：

(1)

式中，apk和cpk分別為評價(jià)指標(biāo)dpk與集合[vp,up]的同一度和對立度，wp為第p項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。當(dāng)dpk對評價(jià)結(jié)果起正向作用時(shí)：

(2)

當(dāng)dpk對評價(jià)結(jié)果起負(fù)向作用時(shí)：

(3)

方案fm與最優(yōu)方案集U的相對貼近度rm可定義為：

(4)

rm反映被評價(jià)方案fm與最優(yōu)方案集U的貼近度，rm值越大，表示被評價(jià)對象越接近最優(yōu)方案。

1.3.2 生態(tài)安全空間分異研究 空間自相關(guān)分析可揭示整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)各個(gè)單元與鄰近單元的相似性，衡量變量空間分布的聚集特征，反映城市發(fā)展的可持續(xù)狀態(tài)[23]?？赏ㄟ^在GeoDa軟件中引用Moran’sI指數(shù)來表征不同城市單元的空間關(guān)系，Moran’sI指數(shù)的取值在[-1,1]之間，小于0表示負(fù)相關(guān)，等于0表示不相關(guān)，大于0表示正相關(guān)，其計(jì)算公式為：

(5)

城市之間的空間分異特征，會隨著社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等城市功能屬性和距離摩擦、網(wǎng)絡(luò)組織等空間連接關(guān)系的變化而演變[24]。通過探索性空間數(shù)據(jù)分析(ESDA)模型的Getis-OrdG*指數(shù)，探討2015年珠江三角洲城市群生態(tài)安全的空間分異，其計(jì)算公式為:

(6)

式中，Xi為i地區(qū)的觀測值，Wij為空間權(quán)重矩陣。若Gi*(d)值為正數(shù), 表明i地區(qū)周圍的值相對較高, 屬于高值集聚的熱點(diǎn)地區(qū)；反之則為低值集聚的冷點(diǎn)地區(qū)。

1.3.3 構(gòu)建指標(biāo)體系 建立科學(xué)、完善的指標(biāo)體系是客觀準(zhǔn)確評價(jià)的基礎(chǔ)，但由于每個(gè)人對不同區(qū)域、不同生態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)識不同，目前尚未有被普遍采納的統(tǒng)一指標(biāo)體系，生態(tài)安全的定量評估是生態(tài)安全研究的困境[25]。目前被廣泛使用的概念模型有聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)合作開發(fā)署(OECD)提出的壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(P-S-R)模型、驅(qū)動力-狀態(tài)-響應(yīng)(D-S-R)模型和驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(D-P-S-I-R)模型等[26]。

城市生態(tài)安全反映城市生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定，根據(jù)PSR概念模型的原理，在借鑒相關(guān)生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)[27-29]的基礎(chǔ)上，基于評價(jià)指標(biāo)的科學(xué)性、可獲取性等原則，并咨詢相關(guān)專家，從社會-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境3類因子中選取22項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系(表1)。由于每個(gè)指標(biāo)對生態(tài)安全的反饋不同，對生態(tài)安全水平有促進(jìn)作用的指標(biāo)稱為正向指標(biāo)，用“+”表示，反之為負(fù)向指標(biāo)，用“-”表示。

表1 城市群生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系及指標(biāo)權(quán)重Table 1 Indicator system of ecological security assessment and their weights in urban agglomeration of Pearl River Delta

在一個(gè)構(gòu)建的指標(biāo)體系中，還需要對每一個(gè)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率進(jìn)行分析計(jì)算并獲得指標(biāo)的權(quán)重值。確定權(quán)重的方法分為主觀和客觀兩種，為了使評價(jià)結(jié)果不被主觀判斷所影響，采用熵值法對生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行權(quán)重賦值[30]。根據(jù)熵值法確定的各指標(biāo)權(quán)重及公式(1)～(4)，將系統(tǒng)生態(tài)安全在(0,1)的范圍內(nèi)劃分為6級[31-32]，rm=0.0～0.3為惡化等級，rm=0.3～0.4為敏感等級，rm=0.4～0.5為臨界安全等級，rm=0.6～0.7為較安全等級，rm=0.7～1.0為一般安全等級，1為安全等級。

2 生態(tài)安全研究結(jié)果

2.1 城市生態(tài)安全測度

通過對珠江三角洲城市生態(tài)安全指標(biāo)體系進(jìn)行計(jì)算，得到各城市生態(tài)安全測度值(表2)。由表2可知，珠江三角洲各城市生態(tài)安全測度值均大于0.3，最大值為惠州市(0.618 9)，最小值是佛山市(0.390 1)。按照生態(tài)安全分級標(biāo)準(zhǔn)，可將珠江三角洲城市群分為四類：惠州、肇慶為一般安全，江門、珠海為較安全，廣州、深圳、中山、東莞為臨界安全，佛山為敏感等級，珠江三角洲城市群中沒有出現(xiàn)惡化等級的城市區(qū)域。區(qū)域空間上呈現(xiàn)中部較差、東西部較好的狀況，原因是中部區(qū)域人口密度和經(jīng)濟(jì)強(qiáng)度均較大，自然要素?fù)p害較多，環(huán)境壓力較大。如佛山第二產(chǎn)業(yè)相對較發(fā)達(dá)，環(huán)境污染等問題對城市生態(tài)環(huán)境壓力較大，其綠化程度在珠江三角洲城市群中相對較低，導(dǎo)致其生態(tài)安全測度處于敏感等級。廣州、深圳的人口壓力以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)問題，影響區(qū)域的生態(tài)安全水平，而邊緣地區(qū)(惠州、肇慶)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對較緩慢，生態(tài)系統(tǒng)中自然要素存在狀態(tài)較好，環(huán)境壓力較小。

應(yīng)用SPSS19.0對9市生態(tài)安全測度值進(jìn)行聚類分析，以平方歐幾里得距離為區(qū)間尺度，可將上述城市生態(tài)安全分為4個(gè)聚類(圖2a)，基于ArcGIS將聚類結(jié)果空間化表達(dá)，按降序排列得到珠江三角洲城市群空間聚類圖(圖2b)，分別是(1)肇慶、江門、惠州；(2)珠海；(3)廣州、深圳；(4)佛山、中山、東莞。惠州、肇慶、江門位于珠江三角洲城市群的外圍區(qū)域，空間廣闊，森林覆蓋率較高，以肇慶為例，森林覆蓋率超過70%，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對較緩慢，生態(tài)系統(tǒng)受破壞程度相對較低，生態(tài)安全水平等級較高，屬于I類區(qū)域。珠海單獨(dú)成為生態(tài)安全Ⅱ類區(qū)域，作為珠江口西岸的核心城市，國家生態(tài)園林城市，綠色覆被面積較大，生態(tài)保護(hù)較好，其生態(tài)安全水平相對較高。經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高的廣州和深圳，城市化高度發(fā)展使得人口及環(huán)境壓力較大，導(dǎo)致生態(tài)安全測度值相對較低。佛山、中山、東莞產(chǎn)業(yè)密集發(fā)展，森林覆蓋低，屬于資源環(huán)境問題更加突出的地區(qū)，生態(tài)安全測度值最小。

圖2 珠江三角洲城市群生態(tài)安全聚類圖Fig.2 The cluster map of ecological security of urban agglomeration in the Pearl River Delta

基于各指標(biāo)的數(shù)值以及各城市生態(tài)安全測度值，采用SPSS19.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，得到每個(gè)指標(biāo)與生態(tài)安全測度值的相關(guān)性水平(圖3)。根據(jù)圖3的結(jié)果可知，造林總面積、人均糧食產(chǎn)量、森林覆蓋率和恩格爾系數(shù)是與生態(tài)安全呈正相關(guān)的最重要因子，這里包含了生態(tài)系統(tǒng)綠色空間、生態(tài)保護(hù)投入以及經(jīng)濟(jì)水平等重要的信息。城市化率、人口密度、CO2年均濃度、人均GDP是與生態(tài)安全呈負(fù)相關(guān)的最重要因子，這里包含的主要是城市化水平和經(jīng)濟(jì)強(qiáng)度水平。

圖3 生態(tài)安全指標(biāo)相關(guān)性圖Fig.3 The diagram of correlations of ecological security indicators

2.2 全局自相關(guān)空間分異分析

基于GeoDa軟件，對生態(tài)安全結(jié)果進(jìn)行全局空間自相關(guān)分析。研究結(jié)果表明(圖4)，各城市生態(tài)安全值空間相關(guān)的點(diǎn)大部分位于第二、四象限內(nèi)(Moran’sI=-0.359 1)，屬于“高-低”、“低-高”集聚類型。生態(tài)安全較高的城市趨于和生態(tài)安全較低的城市相鄰，生態(tài)安全差距懸殊，且其分布較為分散，對自然區(qū)位、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、政策條件具有較強(qiáng)的依賴，城市發(fā)展的同構(gòu)性和異質(zhì)性并存。城市之間生態(tài)安全呈現(xiàn)高與低集聚，在一定程度上緩減珠江三角洲城市群的環(huán)境壓力，但離“高-高”集聚存在一定的距離。城市間生態(tài)安全缺少集聚能力，需加強(qiáng)各市間生態(tài)環(huán)境聯(lián)動管理，使得生態(tài)安全空間發(fā)展往同向聚類趨勢發(fā)展。

圖4 Moran散點(diǎn)圖Fig.4 Moran scatter diagram

為了研究單個(gè)城市生態(tài)安全結(jié)果對珠三角城市群生態(tài)安全的影響，將數(shù)據(jù)源設(shè)置為去除某一城市的其余8市生態(tài)安全結(jié)果，并輸入GeoDa軟件中得到9張Moran散點(diǎn)圖(圖5)。結(jié)果表明，去除廣州、深圳、東莞、珠海中任意城市，其生態(tài)安全Moran’sI值愈低，愈趨向于高低聚集。而去除佛山或肇慶，這一生態(tài)安全測度極低或極高點(diǎn)，空間格局的聚集就不再明顯，表明珠江三角洲城市群現(xiàn)有的安全格局不穩(wěn)定，受單個(gè)城市的影響較明顯。

2.3 城市群生態(tài)安全的空間聚集特征

圖5 去除單個(gè)城市后城市群生態(tài)安全Moran散點(diǎn)圖Fig.5 The Moran scatter diagram of ecological security of the urban agglomeration moved one city

圖6 珠江三角洲城市群生態(tài)安全熱點(diǎn)區(qū)域圖Fig.6 The hot spots of ecological security of urban agglomeration in the Pearl River Delta

3 討 論

Sun等[33]通過Mamdani模糊推理的方法評價(jià)珠江三角洲城市群生態(tài)安全狀況，結(jié)果表明肇慶市由于人口壓力低、資源豐富，其生態(tài)安全測度值最高，而佛山由于人口壓力大、產(chǎn)業(yè)集中、資源有限，其生態(tài)安全測度值最低。胡志仁等[34]通過PSR模型綜合評價(jià)得出珠江三角洲城市群生態(tài)安全東、中、西部呈現(xiàn)明顯差異，中部顯著低于東、西部地區(qū)。這些結(jié)論和本文的研究結(jié)果大致相符。

在珠江三角洲城市群地區(qū)，城市生態(tài)安全水平受人為干擾強(qiáng)烈，城市目前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)還不能完全同步進(jìn)行，需進(jìn)一步加強(qiáng)在生態(tài)保護(hù)領(lǐng)域的投入，使生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展同步，或者生態(tài)保護(hù)更優(yōu)先。同時(shí)，珠江三角洲城市群是全球有影響力的工業(yè)制造業(yè)基地，產(chǎn)業(yè)的集聚與發(fā)展對增加GDP和經(jīng)濟(jì)水平有重要的作用[35]，但是產(chǎn)業(yè)集聚對生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境的壓力也會大增，如果協(xié)調(diào)不好，生態(tài)安全水平會出現(xiàn)下降。為促進(jìn)城市群的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)實(shí)施各種提高生態(tài)安全水平的戰(zhàn)略，加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，嚴(yán)格控制污染物排放和治理，加大生態(tài)保護(hù)措施的實(shí)施，引導(dǎo)形成“以軸串群，以群托軸”新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃[36]。

4 結(jié) 論

本研究基于集對分析、PSR模型及空間自相關(guān)理論等構(gòu)建城市生態(tài)安全空間差異演化框架，定量、定性的描述城市群生態(tài)安全空間格局。從生態(tài)角度，揭示珠江三角洲城市群生態(tài)安全呈現(xiàn)中部差、東西部較好的局面，各城市間生態(tài)安全水平與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)狀態(tài)；從地理層面，表達(dá)不同城市間吸引、集聚結(jié)構(gòu)化發(fā)展模式，為研究城市群以及生態(tài)安全提供新的視角。研究結(jié)果可為城市規(guī)劃或者大灣區(qū)規(guī)劃、社會管理提供參考。

眾多研究表明區(qū)域生態(tài)安全水平與所選指標(biāo)和評價(jià)模型關(guān)系非常密切，因此，在未來研究中，城市生態(tài)安全概念的內(nèi)涵還需要進(jìn)一步豐富和完善，評價(jià)指標(biāo)應(yīng)更具代表性，發(fā)展功能更多兼顧更多維度的評價(jià)模型。